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一文看懂SiP技术:华为/苹果/三星/小米纷纷入局的黑科技

时间:2019-11-21 作者:蒯剑 马天翼 阅读:
华为、小米 、OPPO、VIVO、三星相继发布 5G 手机,5G 手机的销量超预期,毫米波 5G 手机将增加对 SiP 的需求;苹果 AirPods 新增降噪功能,继 Applewatch 以后,也采用 SiP 技术。一般情况下, SoC 只整合 AP 类的逻辑系统,而 SiP 则是整合 AP+mobileDDR。某种程度上说 SiP=SoC+DDR。随着将来集成度越来越高,eMMC 也很有可能会整合至 SiP 中。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(System in Package) SiP(系统级封装)为一种封装的概念,是将一个系统或子系统的全部或大部分电子功能配置在整合型基板内,而芯片以2D、3D的方式接合到整合型基板的封装方式。SiP不仅可以组装多个芯片,还可以作为一个专门的处理器、DRAM、快闪存储器与被动元件结合电阻器和电容器、连接器、天线等,全部安装在同一基板上上。这意味着,一个完整的功能单位可以建在一个多芯片封装,因此,需要添加少量的外部元件,使其工作。

华为、小米 、OPPO、VIVO、三星相继发布 5G 手机,5G 手机的销量超预期,毫米波 5G 手机将增加对 SiP 的需求;苹果 AirPods 新增降噪功能,继 Applewatch 以后,也采用 SiP 技术。

一般情况下, SoC 只整合 AP 类的逻辑系统,而 SiP 则是整合 AP+mobileDDR。某种程度上说 SiP=SoC+DDR。随着将来集成度越来越高,eMMC 也很有可能会整合至 SiP 中。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)。

本文为东方证券的研究报告《 SiP 在 5G 和 IOT 时代的新机遇 》,详解后摩尔定律时代的工艺——SiP封装工艺的基本原理、应用和苹果的SiP布局。

一、超越摩尔定律时代的新科技,SiP封装技术

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 iPhone XS 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。

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部分手机厂商已发布成品机型,但 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。早在 2018 年 8 月联想就已发布 5G 手机 MOTO Z3,但其 5G 功能依赖挂载于手机背部、且自带 2000mAh 电池的 5G 模块。今年 2 月底三星正式发布 5G 版 S10,时隔不久华为也于3 月正式发布折叠屏 5G 手机 Mate X,其中华为 Mate X 由于机身展开厚度仅 5.4mm,最后只能将徕卡三摄、5G 基带以及 4 组 5G 天线放置在侧边凸起。从以上几款手机来看,5G 功能的实现还是对手机的“轻薄”外观提出了明显的挑战,甚至功耗也不容小觑。

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功能整合形成系统级芯片 SoC 和系统级封装 SiP 两大主流。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 封装技术能实现更高的集成度,组合的系统具有更优的性能,是超越摩尔定律的必然选择路径。

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相比 SoC,Sip有以下两个优点:

(1) SiP 技术集成度更高,但研发周期反而更短。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 3D SiP 封装,能降低 PCB 板的使用量,节省内部空间。例如:iPhone7 Plus 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。

(2) SiP 能解决异质( Si,GaAs)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(SiGe)和砷化镓(GaAs)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 集成硅和砷化镓裸芯片,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。

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