SiP先进封装前势看涨向多个新市场发展

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半导体产业正朝着持续缩小尺寸和增加复杂度的方向发展，这样的趋势同时也驱动系统级封装SiP技术被更广泛采用。

SiP的一大优点在于它可以将更多的功能压缩至外型尺寸越来越小的芯片上，适合例如在穿戴式装置和医疗植入装置方面的应用。因此，尽管该封装中的单个芯片中集成在单个die上的功能较少，但从封装整体而言，则在更小的覆盖区中纳入了更多功能。事实上，这是一个存在单一封装体中的完整电子系统，载着当中IC以平坦排列、垂直堆栈或是两者兼具的方式排布。

此外，SiP技术是多年来一直存在的技术之延伸。奠基于现有如倒装芯片flip chip、晶圆凸块wafer bumping、引线接合wire bonding和扇形晶圆级封装fan-out wafer-levelpackaging等的封装技术。

多芯片模块MCM是系统级封装的前身。MCM最初被开发用于数据存储，例如在1960和1970年代的气泡存储器，以及特定的军事/航空航天电子设备。现在也仍被使用于某些特定产品，如任天堂的Wii U游戏机中。但是，这种封装方案的采用受到摩尔定律不断演进的限制，现在的技术已能用更低的成本，更容易地将所有组件都放在单一的芯片上。

Fig. 1: TI德州仪器气泡内存模块 Source: Chipsetc.com

这一切都在16 / 14nm节点，当持续缩小组件成为挑战时开始发生变化。由于多种因素的影响，每个新节点之后制成加工的难度继续增加。例如在5nm节点时，预期需引入全新的晶体管结构，并且开始考虑如钴或钌等的新材料作为互连结构中的铜之替代物。此外，即使在16 / 14nm节点，动态功率密度和自热问题也成为挑战，在10nm及以上则需要更多的着墨以及更先进的电源管理电路。在设计方面，路由拥塞一直是日益严重的问题，由于RC延迟、电迁移以及诸如热、静电放电和电磁干扰等物理效应影响而加剧。

先进封装技术提供了一些解决这些问题的替代方法。首先，它提供了一种透过利用物理分离方式来最小化物理效应的方法。举例来说，一个对数字噪声或热效应敏感的模拟block，透过使用独立的另一个芯片，将可以更容易地减缓效应。其次，因为整个芯片或小芯片chiplets可以在一个封装体中重复使用，它也使IP的重复使用变得更简单。再者，它可以通过增加芯片之间的连接体的直径并缩短信号必须行进的距离来提高性能并降低功耗，从而降低驱动这些信号所需的功率。

ASE集团销售和业务发展副总裁Yin Chang表示：“SiP在导入方面尚处于起步阶段。我们还在摸索学习SiP的所有可能性，这一切只是SiP的开始。”

然而先进封装肯定已经超越了摸索各种封装方式的可行性和可靠性的基础研究阶段。现在的挑战是实现如同摩尔定律一般，将一切整合于单一die上的规模经济。半导体产业已经发展出稳定的选项和技术发展以协助这一转型的推行。

Chang表示：“技术的进步有两个层次。一是就2.5D而言，可以使用硅中介层interposer连接各种类型的高密度硅可使集成最大化，并且在一个很小的覆盖区中促成性能提升。其次，过去把各种功能组合在一起会导致芯片的冲突或相互干扰。但新的技术能在这些性能冲突的硅之间进行动态屏蔽，并将其置于尺寸非常小的封装中，使其满足主要用于穿戴式装置或IoT应用的小尺寸应用需求。

Fig. 2: SiP市场关系图 Source:ASE

其他厂商也正在着手改进这项制造过程。

STATS ChipPAC的高级总监Urmi Ray表示：“技术的演进主要与多个die的异构整合相关，同时，这也是另一个关键组件 – 无源器件在最小form factor上的有效组合和匹配。这是过去几年所发生的变化，这样的趋势已经出现在于非常小的form factor上，优化无源器件和有源器件的关键领域。此外，我们也看到在组装方面非常有效率的处理、拾取和配置小型、轻薄的dies以及两个较大的组件。随着form factor尺寸的缩减，使用更薄die是越来越明显的趋势。”

Fig. 3: SiP模块 Source: STATS ChipPAC

Yole Développement总裁兼首席执行长Jean-Christophe Eloy也有类似的观察。他指出，由台积电代工制造和组装的苹果A10处理器设计已经允许无源器件转移到芯片设计中，而不再是将其视为PCB上的分立组件。他说：“多亏了台积电和苹果合作的A10处理器，集成无源器件又开始被运用在无线移动装置之中。”

Amkor Technology的SiP /系统集成副总裁Nozad Karim在上个月由国际微电子组装和封装协会(IMAPS)在加州RohnertPark主办的系统级封装（SiP）技术会议和展览会中以此问题展开了活动的序幕。

“SiP的定义有很多种，”他说。 “这是一个系统，也是一个封装。”

TechSearchInternational总裁Jan Vardaman补充说明更多细节： “业界需要明确知道我们如何界定SiP技术，”她解释说，SiP涉及“两个或两个以上不同的die”，而且“它组成一个functional block”。 “SiP并不意味着一种单一的封装方式，”Vardaman补充说。 “Fan-out Wafer级封装也可以算做是SiP。”但她指出，台积电的InFO封装封装技术并不符合SiP的定义。

Vardaman预估2016年SiP封装的出货量将达149亿单位。他认为行动装置、可穿戴装置和其他消费类产品约占SiP使用的82％，2016年至2020年的市场复合增长率预估为13.7％。

Vardaman指出iPhone 7和7 Plus智能手机每部都有约15个SiP，Apple Watch Series 2内含三个SiP，而三星Samsung Galaxy S8手机则拥有13个SiP封装。

作为另一个参考标准，Yole Développement预测到2022年，将有450万个晶圆（以12英寸晶圆估计）包含TSV透硅通孔，这种通孔是运用在内插层interposers技术以及其他先进封装的技术。

Fig. 4:先进封装成长预测. Source: Yole Développement

SiP的应用一开始锁定在高端网络领域，其中网络吞吐量throughput至关重要，但价格不是关键因素，以及一些消费电子和移动市场，何者的初始开发成本可以在大量需求和系统的整体价格部份摊销。

而今日的主要应用则包括将处理器、内存、逻辑单元和传感器集成在一个模块中，为某些客户提供一站式的解决方案。但是，随着成本的降低，这些产品预计对需要快速推出新产品的物联网设备装置开发商尤其有用。

“模块化这种解决方案能让我们快速创建足以协助缩短上市时间的解决方案。”ASE的 Chang 表示，“所以我们可以将SiP用于满足特定功能，促使厂商得以非常快速地将它组装到一起，并将产品推出市面。特别针对的是可穿戴装置和 IoT等市场变化迅速的领域。这些是SiP 可以同时满足的两种不同的需求。”

由于其能在更小的成品尺寸上改善电池寿命，SiP 也逐渐渗透进汽车、工业和医疗电子领域。在如人工智能和神经引擎等有高性能需求的应用中，SiP也是合适的解决方案。Chang 说：“SiP 可以适用于广泛多样的产业领域。”这项技术也适合无人驾驶车辆、扩增实境、5G无线通信等。

Chang表示：“我们相信你可以把它放在自动驾驶车辆中供神经引擎使用，在车里你会想将高速处理解决方案整合到一个非常小的form factor上，所以你可以不必在车上装载一台庞大的计算机。您可以在高带宽下进行运算处理，因此可能需要使用SiP来满足这些高带宽的需求，或许是连接神经引擎的5-，6-，7G传输速率。在这方面，2.5D解决方案能够为这些类型的大量运算需求提供异质硅的技术。而在扩增实境部分，因为您会希望将显示器屏幕配置在眼镜上，所以form factor的尺寸会成为关键，同时您也会希望可以最大限度延长电池使用寿命，让您不必不断对眼镜进行充电就能保持AR的正常运行。因此缩小电子产品，以及将其快速模块化以缩短上市时间的能力，对于这些客户或公司而言会是关键。以SiP进行这两个领域的产品开发对我们来说非常有意思。我们得以善用我们在封装和EMS方面的所有经验，产出高密度的模块，并为AR制造商创造解决方案。通过我们的bumping晶圆凸块、flip chip倒装芯片和重布技术RDL解决方案，我们可以为下一代的无人驾驶车辆打造一个2.5D的神经引擎。”

STATS 的 Ray 认为RF屏蔽和有源与无源器件的双面集成是两大优势，何者可以让移动手机内使用双面印刷的电路板，进而缩小模块尺寸。

在SiP的采用普及方面，Ray说“功能的模块化是一个实际的市场趋势。”他并特别提出物联网、可穿戴、传感器和汽车电子领域的高级驾驶辅助系统等新兴市场。“这些是非常不同的多样市场，关键是要实现异质化的集成。”

SiP已被应用在可穿戴装置中的高带宽内存中，这类的装置有些通常是消费电子产品中采用最小formfactor的一群。“采用 SiP 的主要原因是尺寸大小和异构集成。”Ray说道。

经验启发

然而，SiP 发展到现在可以被视为是一种解决方案，其实也经历了相当长的过程。实际上，委外封装测试业者OSAT、代工厂和整合组件制造IDM开始认真发展这些封装方法也已有近十年的时间。

“和其它所有OSAT 一样， STATS ChipPAC 一直以来都着重于SiP技术的开发。”Ray说，“在设计和组装上，我们真的很努力。”该公司也已经转向了系统级测试，将RF 测试和数位测试结合起来，确保 SiP 能正常运作。

过程中很多工作也都是透过合作完成的。

“我们学到最重要的一课是我们必须与合作的客户紧密协同合作，”Chang 说，“只是能够做出 SiP 并不意味着能够做出 SiP 解决方案。与客户紧密合作，让他们告诉你他们的硬件和软件方面的需求，这种合作才能成功实现 SiP 。任何人都能拼组乐高积木，但我们意识到我们需要与客户一起合作，才能真正把乐高积木拼成能让他们推向市场的解决方案。”

尽管封装厂通常会支持提供韧体，大多数情况下，客户都会提供必要的软件。

然而，显而易见的趋势是SiP 技术将会继续在市场中发展，并将在未来几年更广泛的应用在半导体制造领域。因为有能力能追随摩尔定律进入个位数纳米范围的公司越来越少，SiP就提供了另一个发展的方向。随着这项技术能有更多可用现成组件的实例出现，它的普及预期将大幅度的扩展。

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