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苹果、三星手机芯片中用到的SiP封装,你了解吗?

仁禾基金2021-05-12 14:18:57

物联时代对各类智能终端电子产品的功能要求日趋多元化、复杂化,SiP(System in Package)封装技术的出现使多颗、多种类、多层级功能的裸晶整合在板级或者芯片级的单一封装形式当中成为可能,满足了应用市场端对终端电子产品在有限的空间和功耗的条件下,实现更为复杂而高效的功能的需求。


实际上,PCB技术发展到今天,也确实遇到了一些瓶颈,布线密度难以提高,器件组装难度也日益加大,互联长度及器件封装引脚的寄生效应都影响着系统性能的进一步提升。由于具备相似的设计思路和特点,SiP技术自然成为高端PCB的最佳替代。目前,很多系统应用已经开始应用SiP技术部分或者全部取代原有的PCB。



根据国际半导体路线组织(ITRS)的定义:SiP为将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如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。从架构上来讲,SiP是将多种功能芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。与SoC(片上系统)相对应。不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式,而SoC则是高度集成的芯片产品。



从芯片厂商到系统厂商,从封装厂到PCB板厂,以及相关的供应链各个环节,都不约而同地推出了自己的SiP解决方案。


典型案例:Aplle Watch & iPhone X

苹果推出的 iwatch 和 iPhone X / iPhone 8就是厂商利用 SiP 技术的典型案例:

在硬件技术上,iPhone 8/8P 和 iPhone X 的最大亮点是其带来的 A11 仿生处理器。据了解,A11 延用了 A10 处理器所用的 TSMC InFoWLP 工艺,但制程从 16nm 缩减至 10nm,这也是其体积变小、性能提升的重要原因之一。此外,在 10nm 制程相对应的主板中,革命性地将 IC 载板的精细线路制造技术 mSAP(改进型半加成法)导入了 PCB 行业,重新定义了电子制造产业链,由于原来的IC制造(TSMC)➔IC封装(ASE)+IC载板➔SMT(Foxconn)+PCB的制造流程改为IC制造(TSMC)➔ SMT(Foxconn)+PCB,也即把IC封装融入IC制造,PCB直接代替IC载板。不难发现,这种是基于深度摩尔由于AP 升级(16nm至10nm)而带来的革命性改变。 实际上,主板的这种技术演进也有一个专有名词:类载板(Substrate-Like PCB,简称SLP)。  


值得一提的是,继 iPhone 8/8P 和 iPhone X 引入类载板之后,三星今年最新发布的 Galaxy S9 也使用了类载板。在苹果和三星的带动之下,相信未来也会有越来越多的智能手机选择采用类载板。 


其次是苹果Apple Watch最具特色的就是S1芯片的SiP封装技术,不但把AP应用处理器(已经集成了SRAM内存)、NAND闪存、各种传感器、特殊用途芯片、IO及功耗管理IC封装到了一起,而且还把其他被动原件均集成在一块载板上,在这里其主板客串了两个角色:IC载板和PCB主板,其整个电子制造产业链也由传统的IC制造(TSMC)➔IC封装(ASE)+IC载板➔SMT(Foxconn)+PCB缩短为IC制造(TSMC)➔IC封装(ASE)+IC载板,也即把SMT流程全部整合入IC封装,并采用IC载板代替PCB主板。



详解SiP——超越摩尔之路的实现

SiP是超越摩尔定律下的重要实现路径。众所周知的摩尔定律发展到现阶段,何去何从?行业内有两条路径:一是继续按照摩尔定律往下发展,走这条路径的产品有CPU、内存、逻辑器件等,这些产品占整个市场的50%。另外就是超越摩尔定律的More than Moore路线,芯片发展从一味追求功耗下降及性能提升方面,转向更加务实的满足市场的需求。这方面的产品包括了模拟/RF器件,无源器件、电源管理器件等,大约占到了剩下的那50%市场。



针对这两条路径,分别诞生了两种产品:SoC与SiP。SoC是摩尔定律继续往下走下的产物,而SiP则是实现超越摩尔定律的重要路径,两者都是实现在芯片层面上实现小型化和微型化系统的产物。


SoC与SIP相似,两者均将一个包含逻辑组件、内存组件,甚至包含被动组件的系统,整合在一个单位中。SoC是从设计的角度出发,是将系统所需的组件高度集成到一块芯片上。SiP是从封装的立场出发,对不同芯片进行并排或叠加的封装方式,将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如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。


从集成度而言,一般情况下,SoC只集成AP之类的逻辑系统,而SiP集成了AP+mobile DDR,某种程度上说SIP=SoC+DDR,随着将来集成度越来越高,eMMC也很有可能会集成到SiP中。从封装发展的角度来看,因电子产品在体积、处理速度或电性特性各方面的需求考量下,SoC曾经被确立为未来电子产品设计的关键与发展方向。但随着近年来SoC生产成本越来越高,频频遭遇技术障碍,造成SoC的发展面临瓶颈,进而使SiP的发展越来越被业界重视。

与在印刷电路板上进行系统集成相比,SiP能最大限度地优化系统性能、避免重复封装、缩短开发周期、降低成本、提高集成度。相对于SoC和传统PCBA模块,SiP还具有灵活度高、集成度高、设计周期短、开发成本低、容易进入等特点。



SIP封装技术采取多种裸芯片或模块进行排列组装,若就排列方式进行区分可大体分为平面式2D封装和3D封装的结构。相对于2D封装,采用堆叠的3D封装技术又可以增加使用晶圆或模块的数量,从而在垂直方向上增加了可放置晶圆的层数,进一步增强SIP技术的功能整合能力。而内部接合技术可以是单纯的线键合(Wire Bonding),也可使用覆晶接合(Flip Chip),也可二者混用。


另外,除了2D与3D的封装结构外,还可以采用多功能性基板整合组件的方式——将不同组件内藏于多功能基板中,达到功能整合的目的。不同的芯片排列方式,与不同的内部接合技术搭配,使SIP的封装形态产生多样化的组合,并可依照客户或产品的需求加以客制化或弹性生产。



SiP代表了行业发展方向,芯片发展从一味追求功耗下降及性能提升(摩尔定律),转向更加务实的满足市场的需求(超越摩尔定律),SiP是实现的重要路径。


SiP封装开启物联网应用新时代

当前,包括智能手机、智能手表等在内的全球终端电子产品不断地朝向轻薄化、多功能、低功耗等趋势迈进,对于空间节省、功能提升,以及功耗降低的要求越来越高,SiP封装成长潜力也越来越大。


SIP封装技术的众多优势使其不仅可以广泛的应用于工业应用领域,而且在包括智能手机、及智能手表、智能手环、智能眼镜等物联网消费领域也有非常广阔的市场。据报道,SiP在智能手机里的渗透率逐年提升。SiP市场2013-2015的CAGR达到16%,高于智能手机市场7%的CAGR。随着智能手机的轻薄化趋势确定,SiP的渗透率将迅速提升至2018年的40%。


虽然,目前物联网市场尚难与智能手机市场规模匹敌,但在万物联网的趋势下,必然会串联组合各种移动设备、穿戴装置、智慧交通、智慧医疗以及智慧家庭等网络,多功能异质晶片整合预估将有庞大需求,势必为SiP封装带来强劲成长动能。




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