SiP技术在5G时代的新机遇

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内容来自网络「SiP系统级封装技术」
 
各大手机厂商相继发布5G手机,5G手机的销量超预期,基于毫米波技术的5G手机对SiP的需求量增大;苹果AirPods在继Applewatch以后,也采用了SiP技术。
 
手机轻薄化和高性能需求推动系统级整合:手机用户需要性能持续提升和功能不断增加,及携带的便利性,这两个相互制约的因素影响着过去10多年智能手机的更新换代过程。
 
电子工程逐渐由单个组件开发到集成多个组件,再迈向系统级整合,提升性能,节省空间,并优化续航能力。
 
电子制造行业之前形成晶圆制造、封测和系统组装三个泾渭分明的环节,随着消费电子产品集成度的提升,部分模组、甚至系统的组装跟封测环节在工艺上产生了重叠,业务上产生了竞争或协同。
 
1. 5G将提升手机的SiP需求
5G手机将集成许多射频前端等零部件,在5G方案中,先进的双面SiP获得运用,集成阵列天线和射频前端的AiP模组将成为主流技术路线。
 
高通已经商用5G毫米波天线模组AiP标准品,每部手机采用三个该模组。天线的效能因手机的外观设计、手机内部空间限制及天线旁边的结构或基板材质不同,会有较大的差异。标准化的AiP天线模组比较难满足不同手机厂商的不同需求,苹果等厂商有望根据自己手机的设计开发自有的订制化AiP天线模组。仅仅苹果的AiP需求有望在3年后达到数十亿美元。在未来,SiP有望整合基带等更多的零部件,进一步提升手机的集成度。高通已成功商业化QSiP模组,将应用处理器、射频前端和内存等400多个零部件放在一个模组中,大大减少主板的空间需求。QSiP工艺也大幅简化手机的设计和制造流程、节省成本和开发时间,并加快整机厂的商业化时间。
 
2. 轻薄化与高性能推动系统级整合
手机轻薄化和高性能需求推动系统级整合。手机用户既需要手机性能持续提升、功能不断增加,也需要携带的便利性,这两个相互制约的因素影响着过去10多年智能手机的更新换代过程:
 
1)轻薄化,以iPhone手机为例,从最早机身厚度的约12mm,到iPhoneXS的7.5mm,然而iPhone11的厚度增加到8.5mm。
 
2)功能增加、性能提升。手机逐步增加了多摄像头、NFC移动支付、双卡槽、指纹识别、多电芯、人脸解锁、ToF等新功能,各个零部件的性能也持续提升,这些功能的拓展与性能提升导致组件数量日益增加,占用了更多的手机内部空间,同时也需要消耗更多的电能。然而,手机的锂电池能量密度提升缓慢。因此,节省空间的模组化和系统级整合成为趋势。5G功能的实现对手机“轻薄”外观带来明显挑战,甚至功耗也不容小觑。
 
3. 系统级芯片SoC和系统级封装SiP
SoC和SiP两者目标都是在同一产品中实现多种系统功能的高度整合,其中SoC从设计和制造工艺的角度,借助传统摩尔定律驱动下的半导体芯片制程工艺,将一个系统所需功能组件整合到一块芯片,而SiP则从封装和组装的角度,借助后段先进封装和高精度SMT工艺,将不同集成电路工艺制造的若干裸芯片和微型无源器件集成到同一个小型基板,并形成具有系统功能的高性能微型组件。
 
受限于摩尔定律的极限,单位面积可集成的元件数量越来越接近物理极限。而SiP封装技术能实现较高的集成度,组合的系统具有较优的性能,是超越摩尔定律的必然选择路径。
 
相比SoC,SiP系统集成度高,但研发周期反而短。SiP技术能减少芯片的重复封装,降低布局与排线难度,缩短研发周期。采用芯片堆叠的3DSiP封装,能降低PCB板的使用量,节省内部空间。例如:iPhone7PLUS中采用了约15处不同类型的SiP工艺,为手机内部节省空间。SiP工艺适用于更新周期短的通讯及消费级产品市场。
 
SiP能解决异质集成问题。手机射频系统的不同零部件往往采用不同材料和工艺,如:硅,硅锗和砷化镓以及其它无源元件。目前的技术还不能将这些不同工艺技术制造的零部件制作在一块硅单晶芯片上。但是采用SiP工艺却可以应用表面贴装技术SMT集成硅和砷化镓芯片,还可以采用嵌入式无源元件,非常经济有效地制成高性能RF系统。光电器件、MEMS等特殊工艺器件的微小化也将大量应用SiP工艺。
 
在过去数十年,电子制造行业形成了晶圆制造、封测和系统组装三个泾渭分明的环节,代表厂商分别是台积电、日月光和鸿海,他们的制造精度分别是纳米、微米和毫米级别。随着消费电子产品集成度的提升,部分模组、甚至系统的组装的精度要求逼近微米级别,跟封测环节在工艺上产生了重叠,业务上产生了竞争或协同。
 
4. SiP在5G手机中运用日益广泛
目前世界范围内对于5G的频谱已基本达成共识,3~6GHz中频段将成为5G的核心工作频段,主要用于解决广域无缝覆盖问题,6GHz以上高频段主要用于局部补充,在信道条件较好的情况下为热点区域用户提供超高数据传输服务,例如对于26GHz、28GHz、39GHz毫米波应用也逐渐趋向共识。
 
5G的频段分为Sub-6和毫米波两个部分,Sub-6部分信号的性能与LTE信号较为相似,射频器件的差异主要在于数量的增加,毫米波部分则带来射频结构的革命性变化。
 
5G手机需集成更多射频器件。手机射频模块主要实现无线电波的接收、处理和发射,关键组件包括天线、射频前端和射频芯片等。其中射频前端则包括天线开关、低噪声放大器LNA、滤波器、功率放大器等众多器件。从2G时代功能机单一通信系统,到如今智能机时代同时兼容2G、3G、4G等众多无线通信系统,手机射频前端包含的器件数量也越来越多,对性能要求也越来越高。
 
5G手机所需射频器件数量将远超前代产品,结构复杂度大幅提升。5G手机需要前向兼容2/3/4G通信制式,本身单台设备所需射频前端模组数量就将显著提升。5G单部手机射频半导体用量相比4G手机近乎翻倍增长。其中接收/发射机滤波器从30个增加至75个,包括功率放大器、射频开关、频带等都有至少翻倍以上的数量增长。器件数量的大幅增加将显著提升结构复杂度,并提高封装集成水平的要求。
 
SiP技术将在5G手机中应用日益广泛,发挥日益重要的作用:
1)第一步:5G需要兼容LTE等通信技术,将需要更多的射频前端SiP模组;
2)第二步:毫米波天线与射频前端形成AiP天线模组;
3)第三步:基带、数字、内存等更多零部件整合为更大的SiP模组。
 
5. 5G毫米波拉动AiP需求
5G毫米波频段需要更多的射频前端器件;天线、毫米波高频通信易损耗的特性要求射频前端器件和天线之间的距离尽可能缩短;毫米波天线尺寸可以缩小至2.5mm;同时需要屏蔽天线的高频辐射对周边电路的影响。以上的需求,需要将天线与射频器件集成为模组,天线尺寸变小,为该模组的可行性提供了保障。
 
毫米波手机需要更多的射频前端和天线:毫米波高频通信将需要集成3个以上的功放和几十个滤波器,相比覆盖低频模块仅需集成1-2个功放、滤波器或双工器在数量上有大幅提升。
 
此外,毫米波通信需要尺寸更小、数量更多的天线。一般天线长度为无线电波长的1/4,而一旦采用30GHz以上的工作频段,意味着波长将小于10mm,对应天线尺寸2.5mm,不足4G时代的1/10。同时,由于高频通信传播损耗大,覆盖能力弱,因而将引入更多数量的天线,并通过MIMO技术形成天线阵列以加强覆盖能力。
 
高通已经商用5G毫米波天线模组AiP标准品QTM052,三星GalaxyS105G毫米波版手机即采用三个该天线模组,放置于顶部、左边和右边中框的内侧。多个天线模组可以避免用户不同的手握位置对信号带来的干扰。
 
6. SiP有望整合更多零部件
在未来,SiP有望整合基带等更多的零部件,进一步提升手机的集成度。高通已成功商业化Qualcomm System-in-Package(QSiP)模组,QSiP将应用处理器、电源管理、射频前端、WiFi等连接芯片、音讯编解码器和内存等400多个零部件放在一个模组中,大大减少主板的空间需求,从而为电池、摄像头等功能提供了更大空间。同时,QSiP工艺也大幅简化手机的设计和制造流程、节省成本和开发时间,并加快整机厂的商业化时间。
 
对于整机厂来说,采用成熟的SiP方案可以简化手机的设计和制造流程,节省成本,并缩短开发时间,加快机型的商业化时间,成为成本和抢占市场先机竞争的利器。
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