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  • SiP技術在5G時代的新機遇

    SiP技術在5G時代的新機遇
    各大手機廠商相繼發布5G手機,5G手機的銷量超預期,基于毫米波技術的5G手機對SiP的需求量增大;蘋果AirPods在繼Applewatch以后,也采用了SiP技術。


    手機輕薄化和高性能需求推動系統級整合:手機用戶需要性能持續提升和功能不斷增加,及攜帶的便利性,這兩個相互制約的因素影響著過去10多年智能手機的更新換代過程。
    電子工程逐漸由單個組件開發到集成多個組件,再邁向系統級整合,提升性能,節省空間,并優化續航能力。
    電子制造行業之前形成晶圓制造、封測和系統組裝三個涇渭分明的環節,隨著消費電子產品集成度的提升,部分模組、甚至系統的組裝跟封測環節在工藝上產生了重疊,業務上產生了競爭或協同。




    1. 5G將提升手機的SiP需求
    5G手機將集成許多射頻前端等零部件,在5G方案中,先進的雙面SiP獲得運用,集成陣列天線和射頻前端的AiP模組將成為主流技術路線。
    高通已經商用5G毫米波天線模組AiP標準品,每部手機采用三個該模組。天線的效能因手機的外觀設計、手機內部空間限制及天線旁邊的結構或基板材質不同,會有較大的差異。標準化的AiP天線模組比較難滿足不同手機廠商的不同需求,蘋果等廠商有望根據自己手機的設計開發自有的訂制化AiP天線模組。僅僅蘋果的AiP需求有望在3年后達到數十億美元。

    在未來,SiP有望整合基帶等更多的零部件,進一步提升手機的集成度。高通已成功商業化QSiP模組,將應用處理器、射頻前端和內存等400多個零部件放在一個模組中,大大減少主板的空間需求。QSiP工藝也大幅簡化手機的設計和制造流程、節省成本和開發時間,并加快整機廠的商業化時間。



    2. 輕薄化與高性能推動系統級整合

    手機輕薄化和高性能需求推動系統級整合。手機用戶既需要手機性能持續提升、功能不斷增加,也需要攜帶的便利性,這兩個相互制約的因素影響著過去10多年智能手機的更新換代過程:

    1)輕薄化,以iPhone手機為例,從最早機身厚度的約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。手機逐步增加了多攝像頭、NFC移動支付、雙卡槽、指紋識別、多電芯、人臉解鎖、ToF等新功能,各個零部件的性能也持續提升,這些功能的拓展與性能提升導致組件數量日益增加,占用了更多的手機內部空間,同時也需要消耗更多的電能。

    然而,手機的鋰電池能量密度提升緩慢。因此,節省空間的模組化和系統級整合成為趨勢。5G功能的實現對手機“輕薄”外觀帶來明顯挑戰,甚至功耗也不容小覷。


    3. 系統級芯片SoC和系統級封裝SiP

    SoC和SiP兩者目標都是在同一產品中實現多種系統功能的高度整合,其中SoC從設計和制造工藝的角度,借助傳統摩爾定律驅動下的半導體芯片制程工藝,將一個系統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小型基板,并形成具有系統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量越來越接近物理極限。而SiP封裝技術能實現較高的集成度,組合的系統具有較優的性能,是超越摩爾定律的必然選擇路徑。

    相比SoC,SiP系統集成度高,但研發周期反而短。SiP技術能減少芯片的重復封裝,降低布局與排線難度,縮短研發周期。采用芯片堆疊的3DSiP封裝,能降低PCB板的使用量,節省內部空間。例如:iPhone7PLUS中采用了約15處不同類型的SiP工藝,為手機內部節省空間。SiP工藝適用于更新周期短的通訊及消費級產品市場。

    SiP能解決異質集成問題。手機射頻系統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。目前的技術還不能將這些不同工藝技術制造的零部件制作在一塊硅單晶芯片上。但是采用SiP工藝卻可以應用表面貼裝技術SMT集成硅和砷化鎵芯片,還可以采用嵌入式無源元件,非常經濟有效地制成高性能RF系統。光電器件、MEMS等特殊工藝器件的微小化也將大量應用SiP工藝。

    在過去數十年,電子制造行業形成了晶圓制造、封測和系統組裝三個涇渭分明的環節,代表廠商分別是臺積電、日月光和鴻海,他們的制造精度分別是納米、微米和毫米級別。隨著消費電子產品集成度的提升,部分模組、甚至系統的組裝的精度要求逼近微米級別,跟封測環節在工藝上產生了重疊,業務上產生了競爭或協同。



    4. SiP在5G手機中運用日益廣泛
    目前世界范圍內對于5G的頻譜已基本達成共識,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充,在信道條件較好的情況下為熱點區域用戶提供超高數據傳輸服務,例如對于26GHz、28GHz、39GHz毫米波應用也逐漸趨向共識。
    5G的頻段分為Sub-6和毫米波兩個部分,Sub-6部分信號的性能與LTE信號較為相似,射頻器件的差異主要在于數量的增加,毫米波部分則帶來射頻結構的革命性變化。
    5G手機需集成更多射頻器件。手機射頻模塊主要實現無線電波的接收、處理和發射,關鍵組件包括天線、射頻前端和射頻芯片等。其中射頻前端則包括天線開關、低噪聲放大器LNA、濾波器、功率放大器等眾多器件。從2G時代功能機單一通信系統,到如今智能機時代同時兼容2G、3G、4G等眾多無線通信系統,手機射頻前端包含的器件數量也越來越多,對性能要求也越來越高。
    5G手機所需射頻器件數量將遠超前代產品,結構復雜度大幅提升。5G手機需要前向兼容2/3/4G通信制式,本身單臺設備所需射頻前端模組數量就將顯著提升。5G單部手機射頻半導體用量相比4G手機近乎翻倍增長。其中接收/發射機濾波器從30個增加至75個,包括功率放大器、射頻開關、頻帶等都有至少翻倍以上的數量增長。器件數量的大幅增加將顯著提升結構復雜度,并提高封裝集成水平的要求。
    SiP技術將在5G手機中應用日益廣泛,發揮日益重要的作用:1)第一步:5G需要兼容LTE等通信技術,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、數字、內存等更多零部件整合為更大的SiP模組。




    5. 5G毫米波拉動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;同時需要屏蔽天線的高頻輻射對周邊電路的影響。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個以上的功放和幾十個濾波器,相比覆蓋低頻模塊僅需集成1-2個功放、濾波器或雙工器在數量上有大幅提升。
    此外,毫米波通信需要尺寸更小、數量更多的天線。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,對應天線尺寸2.5mm,不足4G時代的1/10。同時,由于高頻通信傳播損耗大,覆蓋能力弱,因而將引入更多數量的天線,并通過MIMO技術形成天線陣列以加強覆蓋能力。
    高通已經商用5G毫米波天線模組AiP標準品QTM052,三星GalaxyS105G毫米波版手機即采用三個該天線模組,放置于頂部、左邊和右邊中框的內側。多個天線模組可以避免用戶不同的手握位置對信號帶來的干擾。




    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,進一步提升手機的集成度。高通已成功商業化Qualcomm System-in-Package(QSiP)模組,QSiP將應用處理器、電源管理、射頻前端、WiFi等連接芯片、音訊編解碼器和內存等400多個零部件放在一個模組中,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,QSiP工藝也大幅簡化手機的設計和制造流程、節省成本和開發時間,并加快整機廠的商業化時間。
    高通在持續拓展自身的產品線以擴大市場空間,已從早期的基帶和應用處理器拓展至射頻前端、電源管理、藍牙、WiFi、指紋識別等豐富的產品線,但不少新產品缺乏突出的競爭力。通過SiP技術高通可以用優勢突出的基帶等芯片捆綁一些弱勢芯片,從而實現各種不同芯片的打包銷售,擴大了自身的市場空間。
    對于整機廠來說,采用成熟的SiP方案可以簡化手機的設計和制造流程,節省成本,并縮短開發時間,加快機型的商業化時間,成為成本和搶占市場先機競爭的利器。




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