超越摩尔定律的SiP发展趋势

SiP（System in Package，系统级封装），就是将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件，以及MEMS，或者光学器件等其他器件优先组装到一起，实现一定功能的单个标准封装件，形成一个系统，或者子系统。
 
从架构上来说，它会将处理器、存储器、电源管理芯片，以及无源器件等不同功能的芯片通过并排，或者叠加的方式封装在一起。它跟SoC一样，都可以在芯片层面上实现产品的小型化和微型化。不同的是，SiP是将多颗不同的芯片封装在一起，SoC是一颗芯片。
 

图1：SiP与SoC架构的不同。

 
SoC是摩尔定律继续往前发展的产物；而SiP则是实现超越摩尔定律的重要路径。两者各有优势和劣势，对SoC来说，它具有最高的密度、最高的速度和最低的能耗，但它需要对性能进行妥协、设计变更也不太灵活、开发成本高、开发周期也长、更重要的是良率会比较低；而对SiP来说，它可以选择最好的元器件、设计变更更加灵活、开发周期短、开发成本低、良率也相对更高。

图2：SiP与SoC的有缺点对比。

 
其实，集成电路的封装技术一直在演进，其演进方向位高密度、高脚位、薄型化和小型化。集成电路封装技术的发展路径大致可以分为四个阶段，第一阶段是插孔元件时代；第二阶段是表面贴装时代；第三阶段是面积阵列封装时代；第四阶段是高密度系统级封装时代。
 
目前，全球半导体封装的主流已经进入第四阶段，SiP，PoP，Hybrid等主要封装技术已大规模生产，部分高端封装技术已向Chiplet产品应用发展。SiP和3D是封装未来重要的发展趋势，但鉴于3D封装技术难度较大、成本较高，SiP，PoP， HyBrid等封装仍是现阶段业界应用于高密度高性能系统级封装的主要技术。

 
图3：2019年全球封测企业市场占有率。

 
 
中国半导体协会的数据显示，2019年我国集成电路封测收入为2,349.7亿元，同比增长7.1%。2019年，大陆封测企业数量已经超过了120家，市场规模从2012年的1,034亿元，增长至2019年的2,349.7亿元，复合增速为12.4%，增速低于集成电路整体增速。
 
根据Yole预测，到2023年，射频前端模块的SiP封装市场规模将达到53亿美元，复合增长率为11.3%。根据Accenture预计，到2026年全球5G芯片市场规模将达到224.1亿美元。5G时代的到来，将带动半导体产业的发展，推动SiP等先进封装的需求，成为先进封装领域新的增长动能。
 
目前可以提供SiP封测服务的企业主要有日月光及其子公司环旭电子、安靠、矽品、长电科技及其子公司星科金朋等几家封测公司。
 

SiP的主要应用领域

 
SiP的应用非常广泛，主要包括无线通信、汽车电子、医疗电子、计算机和军用电子等领域。其中应用最为广泛的当属无线通信领域。
 
在无线通信领域，对于功率传输效率、噪声、体积、重量，以及成本等方面的要求越来越高，使得无线通信向低成本、便携式、多功能和高性能等方向发展。而SiP刚好是最为理想的解决方案。

 
图4：长电科技的技术总监刘明亮。

 
在博闻创意举办的第一期SiP线上研讨会上，来自长电科技的技术总监刘明亮在其《5G高密度微系统集成封装如何实现》的主题报告中分享了长电科技的SiP技术在5G移动终端、5G新基建中的应用，详细介绍了长电科技在SiP封装技术方面的技术储备和未来发展方向。
  
他在演讲中表示，对于5G移动终端中的封装技术来说，挑战越来越大，首先是由于传输速率越来越高，信号完整性的性能要求也更高了；其次是电路板的面积越来越小，芯片封装需要更高的创造性；还有一个是需要满足5G终端高频和低延迟的同时，还要保证足够的电池续航时间。
 
目前在5G终端中使用SiP封装的厂商中，三星和华为是比较领先的。其中，三星2019年8月推出的Galaxy Note 10+ 5G手机中使用了3颗SiP产品，但到了今年2月份发布的Galaxy S20 Ultra 5G时，SiP的用量已经翻倍了。其产品内使用的SiP主要集中在射频前端部分。

 
图5：三星Galaxy S20 Ultra 5G使用的SiP产品。

 
不过在刘明亮看来，未来由于5G终端中使用的SiP产品越来越多，对封装厂来说封装产品的数量将会减少，未来的增量市场只能在天线和天线封装产品上，因为毫米波的引入，将会需要多个独立的天线。

 
图6：长电科技的SiP产品线发展路线图。

 
刘明亮还特意介绍了长电科技在SiP技术的演进方向，目前SiP封装正在从单面封装向双面封装转移，预计今年下半年到明年双面封装SiP将会成为主流，到2022年将会出现多层3D SiP产品。
 
汽车电子将会是SiP的重要应用场景。目前汽车电子中的SiP产品也越来越多，特别是在ADAS、汽车防抱死系统、燃油喷射控制系统、安全气囊电子系统、方向盘控制系统等，此外，车载办公系统和信息娱乐系统也开始越来越多地使用SiP产品。
 
医疗电子需要可靠性和小尺寸相结合，同时还要兼顾功能性和寿命。比如胶囊式内窥镜等可植入式电子医疗器件，需要做得非常小。而内窥镜通常是由光学镜头、图像处理芯片、射频信号发射器、天线和电池等组成，如果将这些器件集中封装在一个SiP内，就能够完美解决性能和小型化的需求。
 
还有智能手表、TWS耳机等可穿戴设备中也在越来越多地使用SiP产品。此外，SiP未来还将逐渐向云计算、工业自动化等应用领域渗透。

SiP的EMI挑战

 一来说，SiP的EMI处理方式主要有三种，一是外加屏蔽罩；二是封装内集成屏蔽罩；三是器件级EMI技术，即共形屏蔽。
 
厦门韦尔通科技有限公司业务发展经理郎震京先生在分享中表示，由于前两种屏蔽方式需要加屏蔽罩，会使SiP的产品体积变得更大，因此在一些对体积比较敏感的应用中，一般会使用器件级EMI技术。
 
郎震京表示，共形式电磁屏蔽屏蔽技术其实已经多年没有更新了，使用得最多的是PVD真空溅射技术。该技术的前期设备投资特别大，一般都是千万元级别的，而且占地面积也大、维护复杂、材料利用率低、工艺流程也比较复杂。

 
图7：PVD与Spray技术的优缺点对比。

 
与传统的PVD技术相比，现在新的Spray喷涂技术可以投入更小，占地面积更小、维护更加简单，材料利用率也更高。

 
图8：Spray喷涂的处理过程。

 
而且根据韦尔通的测试，经过新技术处理的SiP产品的EMI性能并不比PVD处理后的EMI性能差。

结语

 随着电子硬件不断演进，过去产品的成本随着电子硬件不断演进，性能优势面临发展瓶颈，而先进的半导体封装技术不仅可以增加功能、提升产品价值，还有效降低成本。于是CSP（芯片级封装）、WLP（晶圆级封装）、 SiP（系统级封装）等一列先进技术应运而生。与其他类型相比，SiP最大的特点是能够实现复杂异质集成需求，将各类性能迥异的有源与可选无器件整合为单个标准封装件，形成一个系统，或者子系统。比如Apple Watch内使用的SiP在仅为边长25~30mm的正方形体积内，集成了1000颗以上的有源和无源器件。
 
而且SiP兼具低成本、低功耗、高性能、小型化和多元化的优势。未来在摩尔定律失效后，它将扛起后摩尔时代电子产品继续向前发展的大旗。未来SiP将会广泛应用于5G、物联网、智能汽车、可穿戴设备、工业自动化，以及云计算等领域。