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[科技] 系统级封装(system in package,SIP)技术在阴影中蓬勃发展

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桃李携宇争春 发表于 2021-10-10 23:01:34 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
多芯片方法跨越所有封装类型，主导智能手机和可穿戴设备市场。
IC封装技术在开发新的电子产品方面继续发挥着重要作用，特别是采用系统级封装(system in package,SIP)技术，这种成功的方法继续获得发展势头，但主要是在雷达应用场景中，因为它增加了竞争的优势。
通过SiP，多个芯片和其他组件集成到一个封装中，使其能够作为电子系统或子系统工作。在空间有限的地方，例如智能手机和可穿戴设备中，SiP 尤其有用。例如，苹果在其许多产品中都使用SiPs。
虽然SIPs技术最初设想于20世纪80年代，如今的SiPs有不同的形式。但是这个术语可能令人困惑。定义因公司而异，SiP 可以参考芯片的实际组合以及将其组合到电子系统或子系统的方法。SiP 可以将芯片、被动产品（有时是 MEMS）的任何组合整合到商品或先进封装技术中。
为了开发 SiP，客户会从工具箱中的多种技术中进行选择，例如组件、互连、材料和封装架构。SiPs 一般是在OSAT和/或合同制造商那里制造的。

系统级封装(system in package,SIP)技术在阴影中蓬勃发展 第1张图片

SIP

SiP 不同于芯片，但也有一些重叠。这两种方法都是解决每个新工艺节点开发 SoC 的难度和成本不断上升的问题。但是，对于芯片，供应商或封装商可能有模块化模具或芯片的菜单，然后在芯片的先进封装中混合和匹配，以创建一个特定领域或应用程序的定制系统。时至今日，只有英特尔、AMD 和 Marvel 等少数大型公司开发了专有的芯片类设计，尽管铸造厂和 OSAT 正在推动扩大这一市场。
相比之下，SiP 中使用的组件已易用多年。根据Yoonle Développment的数据，SiP市场已经是一个相当大的业务，预计到2020年将从140亿美元增长到2026年的190亿美元以上。
TechSearch国际总裁扬•瓦尔达曼（JanVardaman）表示："如今，几乎每个应用领域中都有SiP，如智能手机、可穿戴设备、电脑、电信和汽车。
SiPs 和其他封装技术

并非所有系统都需要 SiPs，但它们是一种更快地创建复杂和极快系统的方法，而不必将所有系统塞进单个芯片die上。这可能包括从在最先进的工艺节点开发的不同加速器和内存到在成熟工艺节点上开发的模拟芯片等所有内容。
显然，需要更快的芯片来提升系统的计算能力。D2S首席执行官藤村明彦（Aki Fujimura）表示："毫无疑问，能够比现在更快地计算10倍，在商业上是有用的，也是具有竞争力的。
尽管如此，IC 封装可以保护各种芯片免受损坏，并提高模具的性能。到目前为止，该行业已经开发了1000多种不同的包装类型。芯片客户根据给定应用程序选择封装类型。
在某些情况下，SiP 是有意义的。SiPs 可追溯到 20 世纪 80 年代，当时 IBM 为其高端计算机开发了多芯片模块（MCM）。MCM 是 SiP 的一种形式，它将die整合到模块中。
自那时以来，SiP 不断发展，将各种组件集成在商品或高级封装中。可以定制这些包的 SiP 版本。在某些圈子里，异质整合——组装复合体芯片die在一个先进的封装中——属于SiPs的广泛范畴。
Amkor高级 SiP 产品开发副总裁 Curtis Zwenger 表示："SiP 包含许多不同的支持技术，可以支持广泛的细分市场。"我们为 SiP 服务的市场包括无线、物联网、汽车、电源管理和计算机网络。
划分封装市场的一种方法是通过互连类型，如线材、倒装芯片、晶圆级封装（WLP） 和直通硅过孔（TSV）。互连用于将一个die连接到另一个die上。
根据 TechSearch 的数据，如今，大约 75% 到 80% 的包裹基于绑定线工艺（wire bonding）。引线粘结机用细小的电线将一个芯片缝合到另一个芯片或基板上。
引线粘结机（Wirebonders）用于制造多种封装类型，如四平无铅 （QFN）。QFN 可以集成一些简单的器件或集成其中的许多器件。"我们看到的 QFN 是 6mm x 6mm，并且已经丢弃了 15 个组件。我们已经看到一些堆叠在那里。它基本上是一个小QFN内部的一个系统，"QP技术公司的高级工艺工程师萨姆·萨德里说。
同时，在倒装芯片（ flip-chip）中，芯片顶部形成了一个小小的铜凸起的海洋。然后，器件翻转并安装在单独的die或基板上。凹凸球（bumps）落在铜垫上，形成电气连接。
翻转芯片用于开发许多封装，如双面成型球格栅阵列 （DSMBGA） 等。几个 OSAT 已开发 DSMBGA 封装。Amkor是最新的玩家。
在 DSMBGA 中，组件位于基材的顶部和底部。这减少了封装的大小，也缩短了器件的信号路径。可以调整组件以支持SiP。
DSMBGA 存在于智能手机和其他产品中。手机由数字部分以及 RF 前端模块组成，可处理传输/接收功能。
Amkor 的 Zwenger 说："双面封装技术提高了智能手机和其他移动设备中使用的 RF 前端模块的集成程度。通常，它具有功率放大器、开关、滤波器和低噪声放大器 （LNAs）。这就是我们为 DSMBGA 看到的集成。它可用于其他类型的集成，但这是一个甜点的地方。
在手机中，功率放大器可以增强功率。LNAs 放大小信号，而滤波器阻止不需要的信号。RF 开关将信号从一个组件路由到另一个组件上。

系统级封装(system in package,SIP)技术在阴影中蓬勃发展 第2张图片

DSMBGA 封装

扇出 WLP 是 SiPs 的另一个封装选项。在一个扇出示例中，DRAM die堆叠在逻辑芯片上。
同时，2.5D/3D 封装也用于高端系统。在 2.5D/3D 中，die被堆叠或并排放置在包含TSVs的承接板（interposer）上。

系统级封装(system in package,SIP)技术在阴影中蓬勃发展 第3张图片

高性能计算封装、基于插话器的2.5D与基板上的风扇出芯片（FOCoS）的不同选项

用于可穿戴器件中的SiPs

可穿戴设备的 SiPs 是 SiPs 的一大驱动力。苹果、FitBit/谷歌、华为、三星、小米等在这个市场中竞争。据Yole称，头戴/可听产品是可穿戴设备市场中最大的细分市场，其次是腕戴产品、全身穿戴和智能服装。
移动/消费 SiP 市场的总业务额为 119 亿美元。其中，根据Yole的数据，2020年可穿戴设备SiP市场的业务额为1.84亿美元，仅占整个移动/消费SiP市场的1.55%。根据Yole的数据，到2026年，可穿戴设备SiP市场规模将达到3.98亿美元，增长率为14%。
每个可穿戴市场都不同，但要求相似。"可穿戴设备最需要的是性能、重量轻、舒适性和更好的附件。传感结果需要更准确。它需要更多的功能，"ASE的副营销总监HenyLin在最近IMAPS先进系统级封装(system in package,SIP)技术会议上的一次演讲中说。
智能手表尤其如此。苹果的智能手表，被称为手表6，包含各种功能，包括一个测量血氧饱和度。它也有心电图 应用程序。
苹果手表系列 6 在苹果的 S6 SiP 中集成了应用程序处理器和其他功能。SiP 采用了基于台积电 7nm 工艺的苹果 A13 处理器。A13 围绕 Arm 的双核 64 位处理器构建。
对于应用程序处理器，苹果使用特定的 SiP。"苹果使用应用处理器的 INFO。苹果手表和其他智能手表产品中还有很多其他的SiPs，"TechSearch的瓦尔达曼说。INFO 是台积电的集成式扇出式封装技术。
其他智能手表使用各种软件包。在所有情况下，原始设备制造商都面临若干挑战。"我们期望这些东西在我们的手腕上或耳朵上，不会占据任何空间。这需要关注有意并融入产品小型化的开发流程中，"FitBit/Google 硬件工程经理皮耶里斯·贝雷特在 IMAPS SiP 会议上的演讲中表示（2019年，谷歌收购了FitBit）。
为了使产品具有较小的外形，FitBit 采用了新的设计方法。一次，FitBit 使用离散芯片开发了给定可穿戴设备的 RF 部分，然后组装在一块板上。"在2018年之前，我们正在为解决射频挑战的射频构建离散芯片设计，"Berreitter 说。过了一段时间，射频设计开始从产品到产品、代到代看起来都一样。
就在那时， Fitbit 开始看 Sips 。它研究了开发 SiP 的几项标准，例如面积、成本、制造、可靠性、再利用、测试和上市时间。
Sips 有一些权衡。根据贝雷特的说法，这里有一些优点：

  • 将几个离散组件组合在一个封装中，从而节省板空间;
  • 允许重复使用模拟/RF芯片;
  • 节省 RF 测试的时间/资金;
  • 可靠性好。
根据 FitBit 工程师的说法，SiPs 也有一些缺点，包括制造时间长，以及部件成本有时比离散解决方案更昂贵。
FitBit 最终从离散解决方案转移到了某些部分的 SiP产品。在其较旧的智能手表中，FitBit 在 10mm x 20mm 板上集成了多个离散器件，如微控制器、内存、GPS 和各种 RF 芯片（蓝牙、WiFi）。
然后，在 Versa 2 健康/健身智能手表中，FitBit 将 RF 组件（蓝牙、WiFi）集成在 SiP 中，使其能够在较小的 10mm x 9mm 板载空间中减少 RF 足迹。MCU 和内存仍然是离散产品。Versa 2 于 2019 年推出。
"我们采用了最简单、风险最低的系统，我们知道我们会再次使用这些系统。我们将这些子系统小型化，为产品中的新功能创造了空间，"Berreitter 说。"我们使用相同的无线电架构，但我们能够使用一些较小的组件和更严格的无线电间距规则。
SiPs 还有其他好处。"由于SiP的面积较小，我们能够从双面板变为单面板。我们可以利用这一点，我们的优势，在产品中，使用电路板的背面作为天线的谐振腔的一侧。现在，我们有了更薄的产品，更好的天线性能，"贝雷特说。"通过 Versa 2，SiP射频部分使我们能够提供更长的电池续航时间、语音辅助麦克风和更好的显示效果。
SiPs 也对设计中的屏蔽有一定的影响。屏蔽用于阻止 RF 组件之间的干扰。为此，原始设备制造商使用称为屏蔽罐的微型外壳。这些外壳覆盖 RF 芯片，焊接到板上。
在离散解决方案中，屏蔽占用了板载空间。通过将芯片组合在 SiP 中，原始设备制造商可以降低屏蔽内容。即便如此，屏蔽仍涉及若干挑战。JCET全球技术营销高级总监Mi michael Liu表示："在可穿戴设备方面，SIP中嵌入了多个RF无线通信电路。它们对任何干扰都很敏感，但它们的频段也不同。
同时，FitBit 不会将所有组件集成到 SiP 中，即 DRAM。随着时间的推移，DRAM 部分可能会经历几次修改。因此，在设计中使用最新的修订作为离散部分是有意义的，而不是集成到会导致延迟的 SiP中。
然后，在其最新的 Sense 智能手表中，FitBit 没有将其心电图功能集成到 SiP 中。Berreitter说，像心电图测量这样的复杂功能需要更多的时间来开发，所以使用离散的解决方案更有意义。
可听音频器件（Hearables ）是另一个大市场。苹果的无线耳塞，称为AIrPods，将苹果的H1芯片和音频内核集成在SiP中。据Yole说，这些设备还包括加速度计和陀螺仪。
今后，原始设备制造商正在开发具有更多功能的可穿戴设备，这带来了一些新的挑战。Yole分析师桑托什•库马尔（Santosh Kumar）表示："需要更薄、更密集、更热效率的多氯联苯/封装设计，以满足各种医疗和消费者可穿戴需求。
5G SiPs

SiPs 也存在于 4G 和 5G 智能手机中。当今绝大多数无线网络都围绕 4G LTE 标准运行，该标准的运行频率从 450MHz 到 3.7GHz 不等。同时，5G 正在部署在两个不同的频率范围 - 低于 6GHz 和 mmWave （28GHz 及以上）。与 4G 相比，5G 承诺提供 10 倍延迟、10 倍吞吐量和 3 倍频谱效率改进的移动网络速度。
在无线网络中，运营商部署了带有大型 MIMO 天线系统的巨型蜂窝塔。庞大的海量器件采用微小的天线，使用波束成形技术向最终用户手机发送和接收信号。
今天，5G 是喜忧参半。UMC技术开发副总裁Raj Verma表示："5G的6GHz子版本正在全球迅速被采用。但是，对于 mmWave 来说，推出时间比预期的要长。今天，mmWave 的实施需要显著增加土地和建筑基础设施投资。此外，mmWave 的设计和系统也要复杂得多，需要更长的时间才能开发出来。
问题是 mmWave 具有视线限制、通过墙壁的低穿透能力和短距离。到目前为止，苹果和三星已经在他们的手机中采用了低端毫米波频段。
从组件的角度来看，低于 6GHz 的 5G 智能手机类似于当今的 4G 手机。该系统由数字部分和 RF 前端模块组成。主天线是分开的，与手机并排运行。
5G 毫米波手机不同。例如，在苹果的iPhone 12中，系统由调制解调器、中频IC、RF前端模块、两个天线阵列和天线封装集成（AiP）等几个组件组成。
"后面 5G mmWave 天线由 16 个被动天线单元组成，该单元建在 8 层基板上，"系统 Plus 表示。在手机的侧面，AiP 模块集成在侧通信的框架中。
毫米波需要 AiP。AiP 背后的理念是将 RF 芯片与天线之间的间距拉近，以增强信号并最大限度地减少系统中的损失。
AIP 模块由多层修补天线组成。SiP 位于天线旁边，它包含一个 RF 收发器、一个电源管理 IC 和被动器件。
总之，5G mmWave 架构是复杂且难以实现的。"我们需要有一个高密度的设计。5G 需要大功率放大器和电源管理。因此，我们需要看看热设计考虑。我们需要研究设计以及如何提高效率，"JCET首席技术官李俊在IMAPS的SiP会议上说。
还有其他问题。"在 4G 和 5G 之间，系统中增加了许多新频率，以便能够满足更高的速度要求。有了这些额外的频率，可以扩展设备前端的 RF 要求，"ASE 工程和营销高级总监 Mark Gerber 在活动小组讨论会上说。"还有其他一些组件。其中一个关键挑战是，您无法继续扩展手机内所需的空间。对于手机制造商来说，他们的主要关注点是拥有更多的电池供电空间。为了能够做到这一点，需要更多的集成，无论是将额外的频率合并到一个单一的RF前端封装或模块，以及寻找其他方法来简化整个系统解决方案。市场上有很多一揽子解决方案正在不断发展，试图解决其中一些挑战。
5G手机包含多种不同封装类型和模块的芯片。要开发任何 5G mmWave 的封装，包装公司需要具有围绕天线设计的良好组件。它还需要良好的制造和测试流程。材料和基材是关键。
一般来说，芯片可用于5G毫米波。以 AIP/SiP 模块为例，设计天线并将其集成到封装中是一门艺术。
JCET的刘说："在相同的辐射效率下，AIP需要比相应的离散式PCB天线小2到4倍。"一般来说，AiP 的实现会导致严格的天线调谐挑战，因此需要获得更多的 RF 设计裕量。要实现 mmWave AiPs，通常需要高密度层压基材。
事实上，基板在这里起着关键作用。布鲁尔科学公司WLP材料执行董事Kim Yea说："这些先进系统的最大问题是需要更薄的基板、低总厚度变化（TTV，total thickness variation）、超低缺陷、强粘附性、应力控制以及退火和金属沉积等下游加工的绝对高温稳定性。
5G mmWave 的 AIP 基材特别复杂。Amkor 的 Zwenger 说："为了达到他们需要的性能和低寄生参数，他们必须在基板设计中进行不同的堆叠。"对于 mmWave，他们必须开始查看非常薄的介电和低 Dk/Df 属性。因此，他们正在寻找晶圆水平与聚酰胺薄膜。
由于事情变得更加复杂，以及随着这些软件包的价值上升，导致需要有一种方法来测试这些设备。TEL总经理佐藤洋熙（Yohei Sato）表示："随着半导体制造规模的不断扩大，集成多种和/或异构设备的先进封装技术的引进正在加速，晶圆测试的重要性比以往任何时候都更大。
结论

SiP 是一种支持性技术。你不会到处看到 Sips， 他们往往被过度夸大。
但小片（chiplets ）和SIPs都是可行的方法。原始设备制造商需要所有技术来支持新的设计。
（参考来源：semiengineering）


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