SiP技術(shù)在5G時(shí)代的新機(jī)遇
時(shí)間：2021-09-03 10:11:52
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[導(dǎo)讀]各大手機(jī)廠商相繼發(fā)布5G手機(jī)，5G手機(jī)的銷量超預(yù)期，基于毫米波技術(shù)的5G手機(jī)對(duì)SiP的需求量增大；蘋果AirPods在繼Applewatch以后，也采用了SiP技術(shù)。手機(jī)輕薄化和高性能需求推動(dòng)系統(tǒng)級(jí)整合：手機(jī)用戶需要性能持續(xù)提升和功能不斷增加，及攜帶的便利性，這兩個(gè)相互制約的因素...
各大手機(jī)廠商相繼發(fā)布5G手機(jī)，5G手機(jī)的銷量超預(yù)期，基于毫米波技術(shù)的5G手機(jī)對(duì)SiP的需求量增大；蘋果AirPods在繼Applewatch以后，也采用了SiP技術(shù)。手機(jī)輕薄化和高性能需求推動(dòng)系統(tǒng)級(jí)整合：手機(jī)用戶需要性能持續(xù)提升和功能不斷增加，及攜帶的便利性，這兩個(gè)相互制約的因素影響著過去10多年智能手機(jī)的更新?lián)Q代過程。電子工程逐漸由單個(gè)組件開發(fā)到集成多個(gè)組件，再邁向系統(tǒng)級(jí)整合，提升性能，節(jié)省空間，并優(yōu)化續(xù)航能力。電子制造行業(yè)之前形成晶圓制造、封測(cè)和系統(tǒng)組裝三個(gè)涇渭分明的環(huán)節(jié)，隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品集成度的提升，部分模組、甚至系統(tǒng)的組裝跟封測(cè)環(huán)節(jié)在工藝上產(chǎn)生了重疊，業(yè)務(wù)上產(chǎn)生了競爭或協(xié)同。
1. 5G將提升手機(jī)的SiP需求5G手機(jī)將集成許多射頻前端等零部件，在5G方案中，先進(jìn)的雙面SiP獲得運(yùn)用，集成陣列天線和射頻前端的AiP模組將成為主流技術(shù)路線。高通已經(jīng)商用5G毫米波天線模組AiP標(biāo)準(zhǔn)品，每部手機(jī)采用三個(gè)該模組。天線的效能因手機(jī)的外觀設(shè)計(jì)、手機(jī)內(nèi)部空間限制及天線旁邊的結(jié)構(gòu)或基板材質(zhì)不同，會(huì)有較大的差異。標(biāo)準(zhǔn)化的AiP天線模組比較難滿足不同手機(jī)廠商的不同需求，蘋果等廠商有望根據(jù)自己手機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)自有的訂制化AiP天線模組。僅僅蘋果的AiP需求有望在3年后達(dá)到數(shù)十億美元。在未來，SiP有望整合基帶等更多的零部件，進(jìn)一步提升手機(jī)的集成度。高通已成功商業(yè)化QSiP模組，將應(yīng)用處理器、射頻前端和內(nèi)存等400多個(gè)零部件放在一個(gè)模組中，大大減少主板的空間需求。QSiP工藝也大幅簡化手機(jī)的設(shè)計(jì)和制造流程、節(jié)省成本和開發(fā)時(shí)間，并加快整機(jī)廠的商業(yè)化時(shí)間。
2. 輕薄化與高性能推動(dòng)系統(tǒng)級(jí)整合手機(jī)輕薄化和高性能需求推動(dòng)系統(tǒng)級(jí)整合。手機(jī)用戶既需要手機(jī)性能持續(xù)提升、功能不斷增加，也需要攜帶的便利性，這兩個(gè)相互制約的因素影響著過去10多年智能手機(jī)的更新?lián)Q代過程：1）輕薄化，以iPhone手機(jī)為例，從最早機(jī)身厚度的約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。手機(jī)逐步增加了多攝像頭、NFC移動(dòng)支付、雙卡槽、指紋識(shí)別、多電芯、人臉解鎖、ToF等新功能，各個(gè)零部件的性能也持續(xù)提升，這些功能的拓展與性能提升導(dǎo)致組件數(shù)量日益增加，占用了更多的手機(jī)內(nèi)部空間，同時(shí)也需要消耗更多的電能。然而，手機(jī)的鋰電池能量密度提升緩慢。因此，節(jié)省空間的模組化和系統(tǒng)級(jí)整合成為趨勢(shì)。5G功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)“輕薄”外觀帶來明顯挑戰(zhàn)，甚至功耗也不容小覷。
3. 系統(tǒng)級(jí)芯片SoC和系統(tǒng)級(jí)封裝SiPSoC和SiP兩者目標(biāo)都是在同一產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)多種系統(tǒng)功能的高度整合，其中SoC從設(shè)計(jì)和制造工藝的角度，借助傳統(tǒng)摩爾定律驅(qū)動(dòng)下的半導(dǎo)體芯片制程工藝，將一個(gè)系統(tǒng)所需功能組件整合到一塊芯片，而SiP則從封裝和組裝的角度，借助后段先進(jìn)封裝和高精度SMT工藝，將不同集成電路工藝制造的若干裸芯片和微型無源器件集成到同一個(gè)小型基板，并形成具有系統(tǒng)功能的高性能微型組件。受限于摩爾定律的極限，單位面積可集成的元件數(shù)量越來越接近物理極限。而SiP封裝技術(shù)能實(shí)現(xiàn)較高的集成度，組合的系統(tǒng)具有較優(yōu)的性能，是超越摩爾定律的必然選擇路徑。相比SoC，SiP系統(tǒng)集成度高，但研發(fā)周期反而短。SiP技術(shù)能減少芯片的重復(fù)封裝，降低布局與排線難度，縮短研發(fā)周期。采用芯片堆疊的3DSiP封裝，能降低PCB板的使用量，節(jié)省內(nèi)部空間。例如：iPhone7PLUS中采用了約15處不同類型的SiP工藝，為手機(jī)內(nèi)部節(jié)省空間。SiP工藝適用于更新周期短的通訊及消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品市場。SiP能解決異質(zhì)集成問題。手機(jī)射頻系統(tǒng)的不同零部件往往采用不同材料和工藝，如：硅，硅鍺和砷化鎵以及其它無源元件。目前的技術(shù)還不能將這些不同工藝技術(shù)制造的零部件制作在一塊硅單晶芯片上。但是采用SiP工藝卻可以應(yīng)用表面貼裝技術(shù)SMT集成硅和砷化鎵芯片，還可以采用嵌入式無源元件，非常經(jīng)濟(jì)有效地制成高性能RF系統(tǒng)。光電器件、MEMS等特殊工藝器件的微小化也將大量應(yīng)用SiP工藝。在過去數(shù)十年，電子制造行業(yè)形成了晶圓制造、封測(cè)和系統(tǒng)組裝三個(gè)涇渭分明的環(huán)節(jié)，代表廠商分別是臺(tái)積電、日月光和鴻海，他們的制造精度分別是納米、微米和毫米級(jí)別。隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品集成度的提升，部分模組、甚至系統(tǒng)的組裝的精度要求逼近微米級(jí)別，跟封測(cè)環(huán)節(jié)在工藝上產(chǎn)生了重疊，業(yè)務(wù)上產(chǎn)生了競爭或協(xié)同。
4. SiP在5G手機(jī)中運(yùn)用日益廣泛目前世界范圍內(nèi)對(duì)于5G的頻譜已基本達(dá)成共識(shí)，3~6GHz中頻段將成為5G的核心工作頻段，主要用于解決廣域無縫覆蓋問題，6GHz以上高頻段主要用于局部補(bǔ)充，在信道條件較好的情況下為熱點(diǎn)區(qū)域用戶提供超高數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，例如對(duì)于26GHz、28GHz、39GHz毫米波應(yīng)用也逐漸趨向共識(shí)。5G的頻段分為Sub-6和毫米波兩個(gè)部分，Sub-6部分信號(hào)的性能與LTE信號(hào)較為相似，射頻器件的差異主要在于數(shù)量的增加，毫米波部分則帶來射頻結(jié)構(gòu)的革命性變化。5G手機(jī)需集成更多射頻器件。手機(jī)射頻模塊主要實(shí)現(xiàn)無線電波的接收、處理和發(fā)射，關(guān)鍵組件包括天線、射頻前端和射頻芯片等。其中射頻前端則包括天線開關(guān)、低噪聲放大器LNA、濾波器、功率放大器等眾多器件。從2G時(shí)代功能機(jī)單一通信系統(tǒng)，到如今智能機(jī)時(shí)代同時(shí)兼容2G、3G、4G等眾多無線通信系統(tǒng)，手機(jī)射頻前端包含的器件數(shù)量也越來越多，對(duì)性能要求也越來越高。5G手機(jī)所需射頻器件數(shù)量將遠(yuǎn)超前代產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度大幅提升。5G手機(jī)需要前向兼容2/3/4G通信制式，本身單臺(tái)設(shè)備所需射頻前端模組數(shù)量就將顯著提升。5G單部手機(jī)射頻半導(dǎo)體用量相比4G手機(jī)近乎翻倍增長。其中接收/發(fā)射機(jī)濾波器從30個(gè)增加至75個(gè)，包括功率放大器、射頻開關(guān)、頻帶等都有至少翻倍以上的數(shù)量增長。器件數(shù)量的大幅增加將顯著提升結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，并提高封裝集成水平的要求。SiP技術(shù)將在5G手機(jī)中應(yīng)用日益廣泛，發(fā)揮日益重要的作用：1）第一步：5G需要兼容LTE等通信技術(shù)，將需要更多的射頻前端SiP模組；2）第二步：毫米波天線與射頻前端形成AiP天線模組；3）第三步：基帶、數(shù)字、內(nèi)存等更多零部件整合為更大的SiP模組。
5. 5G毫米波拉動(dòng)AiP需求5G毫米波頻段需要更多的射頻前端器件；天線、毫米波高頻通信易損耗的特性要求射頻前端器件和天線之間的距離盡可能縮短；毫米波天線尺寸可以縮小至2.5mm；同時(shí)需要屏蔽天線的高頻輻射對(duì)周邊電路的影響。以上的需求，需要將天線與射頻器件集成為模組，天線尺寸變小，為該模組的可行性提供了保障。毫米波手機(jī)需要更多的射頻前端和天線：毫米波高頻通信將需要集成3個(gè)以上的功放和幾十個(gè)濾波器，相比覆蓋低頻模塊僅需集成1-2個(gè)功放、濾波器或雙工器在數(shù)量上有大幅提升。此外，毫米波通信需要尺寸更小、數(shù)量更多的天線。一般天線長度為無線電波長的1/4，而一旦采用30GHz以上的工作頻段，意味著波長將小于10mm，對(duì)應(yīng)天線尺寸2.5mm，不足4G時(shí)代的1/10。同時(shí)，由于高頻通信傳播損耗大，覆蓋能力弱，因而將引入更多數(shù)量的天線，并通過MIMO技術(shù)形成天線陣列以加強(qiáng)覆蓋能力。
高通已經(jīng)商用5G毫米波天線模組AiP標(biāo)準(zhǔn)品QTM052，三星GalaxyS105G毫米波版手機(jī)即采用三個(gè)該天線模組，放置于頂部、左邊和右邊中框的內(nèi)側(cè)。多個(gè)天線模組可以避免用戶不同的手握位置對(duì)信號(hào)帶來的干擾。
6. SiP有望整合更多零部件在未來，SiP有望整合基帶等更多的零部件，進(jìn)一步提升手機(jī)的集成度。高通已成功商業(yè)化Qualcomm System-in-Package（QSiP）模組，QSiP將應(yīng)用處理器、電源管理、射頻前端、WiFi等連接芯片、音訊編解碼器和內(nèi)存等400多個(gè)零部件放在一個(gè)模組中，大大減少主板的空間需求，從而為電池、攝像頭等功能提供了更大空間。同時(shí)，QSiP工藝也大幅簡化手機(jī)的設(shè)計(jì)和制造流程、節(jié)省成本和開發(fā)時(shí)間，并加快整機(jī)廠的商業(yè)化時(shí)間。高通在持續(xù)拓展自身的產(chǎn)品線以擴(kuò)大市場空間，已從早期的基帶和應(yīng)用處理器拓展至射頻前端、電源管理、藍(lán)牙、WiFi、指紋識(shí)別等豐富的產(chǎn)品線，但不少新產(chǎn)品缺乏突出的競爭力。通過SiP技術(shù)高通可以用優(yōu)勢(shì)突出的基帶等芯片捆綁一些弱勢(shì)芯片，從而實(shí)現(xiàn)各種不同芯片的打包銷售，擴(kuò)大了自身的市場空間。對(duì)于整機(jī)廠來說，采用成熟的SiP方案可以簡化手機(jī)的設(shè)計(jì)和制造流程，節(jié)省成本，并縮短開發(fā)時(shí)間，加快機(jī)型的商業(yè)化時(shí)間，成為成本和搶占市場先機(jī)競爭的利器。
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