超越摩爾定律的SiP發展趨勢

SiP（System in Package，系統級封裝），就是將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及MEMS，或者光學器件等其他器件優先組裝到一起，實現一定功能的單個標準封裝件，形成一個系統，或者子系統。

從架構上來說，它會將處理器、存儲器、電源管理芯片，以及無源器件等不同功能的芯片通過并排，或者疊加的方式封裝在一起。它跟SoC一樣，都可以在芯片層面上實現產品的小型化和微型化。不同的是，SiP是將多顆不同的芯片封裝在一起，SoC是一顆芯片。

圖1：SiP與SoC架構的不同。

SoC是摩爾定律繼續往前發展的產物；而SiP則是實現超越摩爾定律的重要路徑。兩者各有優勢和劣勢，對SoC來說，它具有最高的密度、最高的速度和最低的能耗，但它需要對性能進行妥協、設計變更也不太靈活、開發成本高、開發周期也長、更重要的是良率會比較低；而對SiP來說，它可以選擇最好的元器件、設計變更更加靈活、開發周期短、開發成本低、良率也相對更高。

圖2：SiP與SoC的有缺點對比。

其實，集成電路的封裝技術一直在演進，其演進方向位高密度、高腳位、薄型化和小型化。集成電路封裝技術的發展路徑大致可以分為四個階段，第一階段是插孔元件時代；第二階段是表面貼裝時代；第三階段是面積陣列封裝時代；第四階段是高密度系統級封裝時代。

目前，全球半導體封裝的主流已經進入第四階段，SiP，PoP，Hybrid等主要封裝技術已大規模生產，部分高端封裝技術已向Chiplet產品應用發展。SiP和3D是封裝未來重要的發展趨勢，但鑒于3D封裝技術難度較大、成本較高，SiP，PoP， HyBrid等封裝仍是現階段業界應用于高密度高性能系統級封裝的主要技術。

圖3：2019年全球封測企業市場占有率。

中國半導體協會的數據顯示，2019年我國集成電路封測收入為2,349.7億元，同比增長7.1%。2019年，大陸封測企業數量已經超過了120家，市場規模從2012年的1,034億元，增長至2019年的2,349.7億元，復合增速為12.4%，增速低于集成電路整體增速。

根據Yole預測，到2023年，射頻前端模塊的SiP封裝市場規模將達到53億美元，復合增長率為11.3%。根據Accenture預計，到2026年全球5G芯片市場規模將達到224.1億美元。5G時代的到來，將帶動半導體產業的發展，推動SiP等先進封裝的需求，成為先進封裝領域新的增長動能。

目前可以提供SiP封測服務的企業主要有日月光及其子公司環旭電子、安靠、矽品、長電科技及其子公司星科金朋等幾家封測公司。

SiP的主要應用領域

SiP的應用非常廣泛，主要包括無線通信、汽車電子、醫療電子、計算機和軍用電子等領域。其中應用最為廣泛的當屬無線通信領域。

在無線通信領域，對于功率傳輸效率、噪聲、體積、重量，以及成本等方面的要求越來越高，使得無線通信向低成本、便攜式、多功能和高性能等方向發展。而SiP剛好是最為理想的解決方案。

圖4：長電科技的技術總監劉明亮。

在博聞創意舉辦的第一期SiP線上研討會上，來自長電科技的技術總監劉明亮在其《5G高密度微系統集成封裝如何實現》的主題報告中分享了長電科技的SiP技術在5G移動終端、5G新基建中的應用，詳細介紹了長電科技在SiP封裝技術方面的技術儲備和未來發展方向。

他在演講中表示，對于5G移動終端中的封裝技術來說，挑戰越來越大，首先是由于傳輸速率越來越高，信號完整性的性能要求也更高了；其次是電路板的面積越來越小，芯片封裝需要更高的創造性；還有一個是需要滿足5G終端高頻和低延遲的同時，還要保證足夠的電池續航時間。

目前在5G終端中使用SiP封裝的廠商中，三星和華為是比較領先的。其中，三星2019年8月推出的Galaxy Note 10+ 5G手機中使用了3顆SiP產品，但到了今年2月份發布的Galaxy S20 Ultra 5G時，SiP的用量已經翻倍了。其產品內使用的SiP主要集中在射頻前端部分。

圖5：三星Galaxy S20 Ultra 5G使用的SiP產品。

不過在劉明亮看來，未來由于5G終端中使用的SiP產品越來越多，對封裝廠來說封裝產品的數量將會減少，未來的增量市場只能在天線和天線封裝產品上，因為毫米波的引入，將會需要多個獨立的天線。

圖6：長電科技的SiP產品線發展路線圖。

劉明亮還特意介紹了長電科技在SiP技術的演進方向，目前SiP封裝正在從單面封裝向雙面封裝轉移，預計今年下半年到明年雙面封裝SiP將會成為主流，到2022年將會出現多層3D SiP產品。

汽車電子將會是SiP的重要應用場景。目前汽車電子中的SiP產品也越來越多，特別是在ADAS、汽車防抱死系統、燃油噴射控制系統、安全氣囊電子系統、方向盤控制系統等，此外，車載辦公系統和信息娛樂系統也開始越來越多地使用SiP產品。

醫療電子需要可靠性和小尺寸相結合，同時還要兼顧功能性和壽命。比如膠囊式內窺鏡等可植入式電子醫療器件，需要做得非常小。而內窺鏡通常是由光學鏡頭、圖像處理芯片、射頻信號發射器、天線和電池等組成，如果將這些器件集中封裝在一個SiP內，就能夠完美解決性能和小型化的需求。

還有智能手表、TWS耳機等可穿戴設備中也在越來越多地使用SiP產品。此外，SiP未來還將逐漸向云計算、工業自動化等應用領域滲透。

SiP的EMI挑戰

一來說，SiP的EMI處理方式主要有三種，一是外加屏蔽罩；二是封裝內集成屏蔽罩；三是器件級EMI技術，即共形屏蔽。

廈門韋爾通科技有限公司業務發展經理郎震京先生在分享中表示，由于前兩種屏蔽方式需要加屏蔽罩，會使SiP的產品體積變得更大，因此在一些對體積比較敏感的應用中，一般會使用器件級EMI技術。

郎震京表示，共形式電磁屏蔽屏蔽技術其實已經多年沒有更新了，使用得最多的是PVD真空濺射技術。該技術的前期設備投資特別大，一般都是千萬元級別的，而且占地面積也大、維護復雜、材料利用率低、工藝流程也比較復雜。

圖7：PVD與Spray技術的優缺點對比。

與傳統的PVD技術相比，現在新的Spray噴涂技術可以投入更小，占地面積更小、維護更加簡單，材料利用率也更高。

圖8：Spray噴涂的處理過程。

而且根據韋爾通的測試，經過新技術處理的SiP產品的EMI性能并不比PVD處理后的EMI性能差。

結語

隨著電子硬件不斷演進，過去產品的成本隨著電子硬件不斷演進，性能優勢面臨發展瓶頸，而先進的半導體封裝技術不僅可以增加功能、提升產品價值，還有效降低成本。于是CSP（芯片級封裝）、WLP（晶圓級封裝）、 SiP（系統級封裝）等一列先進技術應運而生。與其他類型相比，SiP最大的特點是能夠實現復雜異質集成需求，將各類性能迥異的有源與可選無器件整合為單個標準封裝件，形成一個系統，或者子系統。比如Apple Watch內使用的SiP在僅為邊長25~30mm的正方形體積內，集成了1000顆以上的有源和無源器件。

而且SiP兼具低成本、低功耗、高性能、小型化和多元化的優勢。未來在摩爾定律失效后，它將扛起后摩爾時代電子產品繼續向前發展的大旗。未來SiP將會廣泛應用于5G、物聯網、智能汽車、可穿戴設備、工業自動化，以及云計算等領域。