SiP封裝：攜帶型移動設備受熱捧 5G毫米波技術關鍵一號

從蘋果第一次公開宣布在iwhach智能手錶中採用SiP封裝技術，SiP受關注的程度就日益提升，甚至被認為是拯救摩爾定律的「救星」之一。SiP封裝在消費領域炙手可熱的主要原因在於可集成各種無源元件，比如iwatch內部的S1模組，將AP、BB、Wi-Fi、Bluetooth、PMU、MEMS等功能晶元以及電阻、電容、電感、巴倫、濾波器等元器件都集成在一個封裝內部，形成一個完整的系統。隨後SiP在iPhone7的採用令其迅速在智能手機普及開來，在實現手機輕薄化和低成本方面，SiP起著非常關鍵的作用。

集成化優勢突出 SiP備受智能手機青睞

從架構上來講，SiP與SoC（片上系統）相對應。不同的是SiP系統級封裝是採用不同晶元進行並排或疊加的封裝方式，而SoC則是高度集成的晶元產品。隨著摩爾定律逐漸走向極限，SiP封裝的優勢開始凸顯，在智能手機的應用也日漸普遍了。

奧肯思（北京）科技有限公司（以下簡稱「奧肯思」）SiP/PCB技術專家Suny Li說:「智能手機越做越輕薄，留給PCB電路板的尺寸也越來越小，只有提高集成度才能滿足需求。SiP封裝綜合了現有的晶元資源和封測技術工藝成熟的優勢，能有效減小電路板體積，降低手機成本，縮短產品上市時間，所以智能手機對SiP的需求也越來越普遍。」

奧肯思（北京）科技有限公司SiP/PCB技術專家Suny Li

深圳市中興微電子技術有限公司（以下簡稱「中興微電子」）封裝設計/封測量產部封裝開發經理王宗偉同樣表示，一直以來智能手機的發展方向就是機身更輕薄、功能更加強大，除了從整機結構做優化外，更需要從核心部件——晶元上做文章，特別是集成度更高的晶元，SiP封裝必然成為一個很好的解決方案。

記者獲悉，因看到SiP封裝帶來的PCB尺寸縮小、成本降低和組裝簡潔等優勢，很大比例的智能手機都採用了SiP封裝，加上蘋果iPhone和iwhach的強勢帶動，SiP封裝開始全線普及智能手機和可穿戴產品。

Suny Li告訴記者，目前智能手機是SiP系統級封裝最大的應用市場，且不僅限於高端手機，因為SiP技術本身並不會造成成本的上升，相反，相對於傳統封裝，SiP技術可使PCB組裝更簡單，使耗費在晶元封裝上的成本大大降低，進而降低整體手機BOM成本，所以不管是高端的iPhone X、iPhone8、Huawei Mate10，還是低端的小米5、華為榮耀系列手機都採用了SiP系統級封裝。

深圳市中興微電子技術有限公司封裝設計/封測量產部封裝開發經理王宗偉

天水華天科技股份有限公司（以下簡稱「天水華天」）技術總監於大全認為，智能手機晶元要求小型化、高密度和低成本封裝，SiP是最好的選擇。在iPhone8中，SiP系統級封裝占所有封裝比例的40%以上，主要用於PA和射頻模塊。他特別指出，SiP系統級封裝是在一個系統內，有兩個以上晶元或其他有源、無源器件的集成，以實現單一晶元所不具備的系統功能，因此並不局限於高端手機，中低端手機同樣適用。

目前一部智能手機大致有10-15顆主要晶元，但並非都是SiP封裝。Suny Li表示，目前SiP應用比較普遍的是在CPU處理器和DDR存儲器集成上，例如蘋果A10處理器+三星LPDDR4內存，蘋果A11處理器+海力士LPDDR4內存，華為麒麟950處理器+美光LPDDR4內存，小米5採用的高通驍龍820處理器+三星LPDDR4內存等，這些都是將處理器和存儲器封裝在一起形成的SiP系統級封裝，其它諸如觸控晶元、指紋識別晶元、射頻前端晶元等也開始採用SiP技術。

天水華天科技股份有限公司技術總監於大全

為何這些晶元更需要SiP封裝呢？「因為相對而言，手機處理器和存儲器晶元本身的尺寸較大，如果單獨封裝，會佔據較大的PCB安裝空間，而採用SiP三維堆疊技術，可以有效減小封裝面積，提高基板利用率。另外，將其封裝在一個SiP中，也有利於提高處理器和存儲器之間高速信號的傳輸質量。」Suny Li解釋道。

王宗偉同樣表示，智能手機中常見的SiP封裝應用在諸如AP+DDR、Nandflash+Controller的集成上面。AP+DDR使用SiP是因為DDR內存的運算速度很大程度上決定了手機的響應速度，將其集成進AP可極大地縮短互聯路徑，從而更易達到高頻，更重要的是，可節省出大面積珍貴的PCB空間。而將controller集成進NandFlash，可以讓手機廠商不用顧及快速更新的NandFlash工藝演進和技術迭代而更專註於系統設計，進而縮短產品整體設計周期，更快將產品推向市場。

由上述可見，SiP系統級封裝因節省PCB空間和整體BOM成本而越來越受到智能手機廠商的青睞。其中，AP+DDR內存的集成、Nandflash+Controller集成對SiP的需求最為普遍。而觸控晶元、指紋識別晶元和射頻前端晶元等也都將開始採用SiP封裝技術，以發揮成本與尺寸平衡的最大效應。

首個5G NR標準凍結 SiP將在毫米波技術發揮威力

2017年12月21日，國際通信標準組織3GPP宣布5G NR非獨立組網NSA標準凍結，這意味著5G商用步伐又前進了一步。3GPP規定5G頻譜範圍是600-700MHz到50GHz（毫米波部分），而SiP封裝對5G毫米波技術有著特殊的意義。

奧肯思Suny Li表示，5G網路最主要的特點是傳輸速率的提高，其傳輸速率理論上可超過4G網路的10倍以上。在毫米波頻段中，28GHz和60GHz頻段是最有希望使用在5G通信的兩個頻段。不過，目前5G毫米波技術面臨的最大挑戰，是晶元的功耗控制和高速信號傳輸線效應，而SiP技術所具有的小型化、低功耗和高性能特點，能夠有效縮小封裝體積，幫助降低晶元功耗並減小傳輸線效應，所以在5G網路中會有更廣泛的應用。

天水華天於大全也表示，5G時代，智能手機中的RF器件數量大幅增加，SiP和晶元集成技術將獲得更廣泛應用。目前，一個射頻SiP封裝包含10-15個異質晶元，比如硅基、Ⅲ/Ⅴ、MEMS等。在射頻前端模組中，晶元廠商正在使用複雜的多種互連技術（WB、FC、Cu pillar) 的SiP架構。

由於目前5G還未正式商用，所以SiP封裝在5G毫米波技術的應用還處於試驗階段，在工藝實現上也還面臨一定的技術瓶頸。於大全告訴記者，毫米波技術需要更高密度的晶元集成，以實現最小化信號路徑並保持損耗的控制。目前毫米波技術封裝還沒有明確的解決方案，技術成熟度也不高。

於大全認為，未來毫米波封裝需要尋找低損耗材料、天線集成、集成晶元封裝架構的調整、屏蔽方法等。同時，5G系統級封裝需要大量的模擬和驗證：（1）電磁模擬。高頻信號之間的相互干擾，對EMI的防護，天線的設計和信號完整性的模擬建模；（2）應力模擬。驗證不同材料帶來的翹曲度及晶元和封裝之間的協同應力模擬；（3）熱模擬。毫米波潛在的封裝解決方案有晶圓級扇出、應用硅通孔的硅轉接板、玻璃通孔技術的玻璃轉接板集成。他強調上述封裝技術都需要技術開發與應用驗證，研發成本普遍較高。

Suny Li也表示，因為SiP本身所具有小型化、低功耗、高性能的特點，必然成為國際上5G移動通信研發的一個重要課題。然而，5G毫米波技術目前還處在實驗階段，其成熟度還需要市場的驗證，不過SiP封裝技術本身採用的大都是成熟的封測工藝，所以最大的挑戰就是如何在新的5G毫米波技術應用中提出完善SiP的解決方案，這個需要封測廠商和多個晶元廠商的協作來完成。

因為SiP系統級封裝本身並沒有頻率上的適應範圍，所以在6GHz、28Ghz、60GHz頻率上都可應用，不過有幾個問題需要考慮。Suny Li強調說，一是將多個大功率晶元集成在一個SiP封裝中的散熱問題，這是SiP大規模應用的一個大的瓶頸。一般需要採用散熱良好的基板或封裝材料，增加散熱通道，提高散熱片的利用率以及尋找最佳的散熱方案，而這需要通過熱模擬軟體來協助設計；二是隨著信號頻率的提高，傳輸線效應更加明顯，設計中需要更多依賴諸如信號完整性、電源完整性、電磁模擬軟體確認信號的傳輸質量是否滿足設計要求。

「頻率越高，越需要實現最小化信號路徑並保持損耗的控制，也更需要高端封裝技術手段。28GHz和60GHz需要目前最先進的封裝技術如晶圓級扇出、應用硅通孔的硅轉接板、玻璃通孔技術的玻璃轉接板集成，並結合FC等技術手段來完成複雜的系統集成。」於大全補充說。

中興微電子王宗偉表示，SiP封裝技術在毫米波晶元的應用正在不斷探索，SiP封裝材料和結構對其高頻性能影響非常大，Design house和封裝廠正在合力尋找應對方案，比如創新的Air Cavity結構等，這都是一些新的嘗試。

有業界人士認為，SiP技術是近期國際上5G移動通信研發的一個重要課題，難點是如何實現高輻射效率及低成本量產。於大全贊同地表示，高性能、低成本SiP技術是5G通信的重要課題。突破這個瓶頸，需要對多種技術和解決方案進行細緻評估，進行模擬、設計與原型驗證，以找出最合理的封裝方案。

Suny Li強調稱，高輻射效率一般是指天線的技術指標，對於毫米波而言，信號在自由空間的衰減很大，並且毫米波的粒子特性明顯，繞射能力很弱，傳輸途中如果有遮擋，信號將被阻攔。因此，毫米波在空氣中衰減大這一特點也註定了毫米波技術不太適用於室外手機終端和距離基站很遠的場合。他認為目前「毫米波技術+微型基站」可實現室內或較近距離的超高速策傳輸，各大廠商對5G頻段使用的規劃是在戶外開闊地帶使用較傳統的6GHz以下頻段以保證信號覆蓋率，而在室內則使用超高速數據傳輸。不過距離5G移動通信實用還有兩年時間，技術還會有進一步的提升，主要需要在天線材料和天線設計上進行提高。

之前，Qualcomm發布了用於5G NR的首款智能手機數據機晶元組，採用了28GHz毫米波技術，業界有傳言稱其使用了SiP技術。「Qualcomm 2016年發布了5G NR原型系統和試驗平台，2017年10月，Qualcomm面向移動終端的5G數據機晶元組正式發布，實現了千兆級速率在28GHz毫米波頻段上的數據連接。這就意味著5G時代的技術難關已經基本攻克，下一步就是如何在市場上逐步推進應用5G技術，並帶給用戶良好的體驗。不過，目前並沒有該5G數據機晶元組SiP的相關報道。」Suny Li說。

先進封裝「多產線」+設計模擬「多手段」 成就封測競爭優勢

從當前智能手機晶元的競爭格局可以看出，目前智能手機晶元廠商的參與者越來越少，只剩屈指可數的幾家。作為SiP產業鏈重要廠商，如何搶得這些稀缺的手機客戶訂單？

天水華天於大全表示，系統級封裝的技術含量有高有低，需要具備WB、FC、PoP、TSV、Fan-Out、C2W、W2W等多種封裝技術手段，同時具有設計模擬多種技術能力，才能支撐高端SiP技術研發和產業化。因此，提高技術水平、具備多種技術的量產能力是獲得訂單的唯一手段。

「目前智能手機晶元主要集中在Qualcomm、MTK、Apple、Samsung、Huawei HiSilicon等幾家，這些晶元廠商基本都已經開始採用SiP技術。」奧肯思Suny Li強調，對於封測廠而言，隨著5G技術的到來，SiP的需求量也會日益增多。為了贏得客戶，主要需要做到以下三點：一是掌握最新的SiP封裝新技術，這從部分封測廠的併購中可以獲悉；二是協調多方資源，比如一款為華為智能手機設計並生產的採用SiP封裝的解決方案，用到了高通的處理晶元和三星的內存，就需要協調包括華為、高通、三星多方面的資源，設計並生產出最佳的SiP產品；三是提升系統整合能力，增強SiP的設計和模擬能力，目前在封測廠商的所有產品中SiP的佔比還不是很大，封測廠本身的SiP的設計和模擬也相對較弱，需要緊隨技術的發展不斷提升，才能爭取到更多的客戶。

正如Suny Li所言，封裝廠必須掌握最新的SiP封裝新技術才能贏得更多的客戶，而這也促使行業併購整合的進程加劇。從當前的封測發展格局來看，隨著長電科技併購星科金朋、日月光併購矽品等大宗併購案的發生，封測企業集團化的趨勢愈發明顯，這給半導體產業鏈帶來不小的影響。

中興微電子王宗偉表示非常看好這一趨勢，他認為封測企業集團化是大勢所趨，這樣更能集中資源優化產業效率，同時也實現了技術和客戶共享。「作為Design house，我們是樂見其成的，因為合併後能給我們更強大的封測技術支撐，獲得一站式的解決方案；另一方面，封測廠商減少了會給我們增加一些成本及供應鏈上的風險，但總體來看利大於弊。」王宗偉說。

於大全告訴記者，日益激烈的市場競爭促使封測企業試圖進一步做大做強，而通過併購實現先進封裝量產化的跨越發展，這是集團化的趨勢出現的主要原因。具體而言，沒有規模化就沒有足夠的競爭優勢，也就沒有足夠的研發資源，高端封裝研發和產業化所需的大量資金也都無法得到保證。

不過他同樣認為集團化是一把雙刃劍，帶來競爭優勢的同時也會帶來巨大的整合問題，比如債務消化吸收或營運不良、文化差異等一系列問題。他告訴記者，華天科技在過去幾年的高速發展大都基於自身內生髮展，通過獨立自主的研發和產業化，獲得了每年30%以上的高速發展，已經位列世界封測代工的第六名。2015年，華天收購了美國FCI公司，積累了兼并境外公司的經驗。未來在自身做大做強的同時，也會積極考慮進一步的併購和整合，實現成為國際一流封測代工企業的目標。

「長電科技收購星科金朋、安靠收購J-Device、華天併購FCI、通富微電併購AMD封測資產以及日月光併購矽品，這一系列併購都預示著，封測行業的集團化趨勢已成常態。通過併購可以減少行業內競爭，補強技術短板，獲得先進的封測技術和爭取更廣泛的客戶群，並且有利於推進整個半導體行業的發展進程。」Suny Li最後補充說。

綜上所述，SiP系統級封裝作為當前先進的封裝技術之一，在集成化、低成本等方面的優勢令廣大晶元和系統廠商受益，特別是對輕薄化設計要求非常高的智能手機方案的設計更是一種福音。目前，在蘋果iPhone和iwatch的應用帶動下，SiP封裝技術已經全線普及高中低端手機市場，因集成化需求的程度不同，AP+DDR、NANDFlash +controller以及觸控晶元、指紋識別晶元、射頻前端晶元等都將率先採用SiP封裝技術。同時，5G時代即將來臨，SiP將對5G毫米波技術起著關鍵的作用，儘管5G正式商用之前還未得到普及，但一定會是一種趨勢。從全球封測競爭格局來看，封測併購整合形成的集團化趨勢日漸明顯，先進封裝「多產線」與設計模擬「多手段」是封測廠商捍衛競爭力的法寶，記者相信，這些併購整合，最終為半導體業技術革新帶來真正的推動力。

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