5G+IoT带动SiP需求，终端应用纷纷追捧
自2015年苹果发布的iWatch智能手表上应用了SiP封装技术后，SiP便被大众所熟知。而终端设备对于系统集成度的需求从来都在不断提高，随着摩尔定律趋于失效，SiP在单一封装内可以包含多个芯片，甚至将不同类型的器件和电路芯片叠加在一起构成完整系统的特性，使其成为了“后摩尔时代”的“新宠儿”。那么来到2020年，5G普及进程加速的同时，SiP封装有会有哪些新应用呢？
如果说刚刚过去的2019年是5G元年，那么在2020年，5G将会驶入真正的“快车道”，加快普及之路。2019年11月1日，我国正式启动5G商用。据统计，截至2019年12月底，全国已经开通12.6万个5G基站，在52座城市实现5G商用。与此同时，5G终端也已经投入商用，不过目前大多用户对于5G手机仍持观望态度。工信部部长苗圩在全国工业和信息化工作会议上表示，截至2019年12月21日，全国5G套餐的签约用户有87万个，预计到2020年底中国将部署超过40万个5G基站，力争实现全国所有地级市覆盖5G网络。
而对于5G终端而言，由于各国电信频谱分配并不一致，相比于已经高达30多个的4G频段，5G所采用的频段将会更多。频段增多导致的天线以及射频器件的增多，给5G手机等终端的体积带来了很大挑战。与此同时，伴随着5G的发展，在IoT领域对于无线连接IoT产品的重量与体积都提出了更高的要求。
在这样的需求之下，如何提升系统集成度就成为了产业链所关注的问题。事实上，提高系统集成度的方法有三种，分别是SoC、SiP和SoB。某企业封装技术专家杨俊告诉《华强电子》记者，目前提高系统集成度的这三种方法各有特点。SoC（系统级芯片）封装是将多种功能都集成都一块芯片上，其拥有最高的集成度，并且在性能、功耗、传输等方面都有着很大优势；但缺点也较为明显，SoC具有很高的技术门槛，同时开发周期长达50~60周，并受到摩尔定律的影响，未来的提升空间或会进一步缩小。SiP封装则是将多种芯片，包括CPU、DRAM等芯片集成到一个封装模块中，从而成为一个完整的系统。并且可以实现异构集成，开发周期24~29周，相比SoC只需一半的开发周期。SoB（板上芯片）封装是基于基板的封装，开发周期最短，只需12~15周，但生命周期较短，只有24~29周。
“一般而言，对于生命周期较长的产品，SoC会作为产品的核心。如果对开发周期、产品体积、灵活性要求较高，生命周期要求低的产品，一般倾向使用SiP或者SoB。另一方面，因为SoB主要从基板方面进行改造封装，所以它的局限性也很大。”杨俊补充到。
毫无疑问，SiP封装随之受到终端厂商的追捧，应用领域也日渐广泛。歌尔股份有限公司SiP事业部副总经理沈霁在接受《华强电子》记者采访时表示：“SiP在智能手机、可穿戴设备、医疗电子设备等领域有重要的应用场景。苹果早在2016年发布的iPhone 7便装载了多达16个SiP，带动了手机终端设备对SiP的需求，这使得高端或者低端系列的设备都越来越采用SiP的技术；但从另一角度看，SiP技术本身并不会造成成本的上升，相对于传统封装，SiP可使PCB组装更简单，耗费在芯片封装上的成本大大降低，进而减少了整体BOM成本。”
歌尔股份有限公司SiP事业部副总经理 沈霁
目前SiP相关产品应用广泛，涵盖应用于智能穿戴、无线耳机等领域内的小型化蓝牙模组、GPS模组、心率模组、组合传感器等通用模组产品，以及应用于TWS真无线智能耳机等领域内的多功能定制化SiP模组产品。围绕“器件系统化、系统器件化”的产品开发理念，沈霁表示已拥有从系统方案软硬件开发、封装设计与仿真到模组测试的整体服务能力，实现快速整合内部封装、测试资源，为客户提供一站式整体SiP解决方案。
可以看出，在5G和IoT发展的推动之下，SiP所具有的高集成、小尺寸、低成本、高性能、开发周期较短等特点，受到了越来越多终端厂商的追捧。终端对于小体积的需求随着5G的到来将会进一步增长，因此SiP厂商在这样的趋势之下，需要为终端厂商提供更全面的支持，加快产品进程，才有机会占领行业制高点。
5G时代SiP遭遇四大挑战，晶圆制造融合封测成趋势
那么在5G和IoT的风潮下，对SiP封装的需求增长会带来哪些问题?沈霁指出，移动时代产品形态单一，主要是智能手机和平板电脑;而后移动时代智能硬件产品和应用百花齐放，如何延续摩尔定理是业内都在讨论的问题。系统级封装已广泛应用于智能手机，针对小型化轻薄化的ID要求，SiP的多模块集成方案满足了产品小型化轻薄化的ID需求，节省了空间，简化了组装工序。未来在5G和折叠屏的驱动下，终端产品内的SiP模块占比将继续提高，但在封测环节要对多芯片进行封测，因此给封测厂商能力带来了更多的难题和挑战。
进入5G时代，由于频段的增加，智能手机中射频器件数量将大幅提高，而这与智能手机轻薄化的趋势大相径庭。因此，SiP的异构集成特性，与射频前端器件完美契合，这也使得5G时代SiP封装在射频模组上的应用迅速普及。
对于SiP对于5G射频前端的需求，沈霁表示：“随着5G的快速推广，手机射频前端模块的集成度越来越高，可穿戴设备的集成度也越来越高，SiP在5G射频前端模块的集成效果愈发明显，比如现在的智能手机一般需要8~16个SiP产品，未来可穿戴设备会将所有的功能都封装进一个SiP产品内，普通的一些封装或者组装的方式不能够达到这样高密的程度，所以采用SiP模块来缩小PCB电路板的空间是必要的选择。”
同时，从技术层面来看，目前最大的挑战在于基板设计与装配技术等方面，基板的设计日趋复杂，基于小型化的一些实现，对于线路的整体布局、基板叠层以及信号干扰性等问题会更加明显。
目前，使用SiP封装的射频前端模组，在单个封装中包含了超过10个裸片(滤波器、功率放大器、开关等)和部分将模组内器件连接起来的技术，如铜柱、倒装芯片、引线键合等等。而在如此高密度下，多个射频芯片的集成，会使EMI问题变得更加难以处理，这需要EMI屏蔽层来改善器件所受到的干扰;另一方面，在5G毫米波的需求之下，SiP的电磁仿真将会变得越来越重要，精确的3D EM(电磁)仿真在SiP产品中需求较大，但这对于大部分封装厂而言是一大难题。
芯禾科技工程副总裁代文亮博士表示，目前没有单一的电磁场求解技术可以解决今天所有的挑战。商业电磁场仿真工具也一直在创新中，目前可以提供电磁场仿真工具的企业有芯禾科技、NI、Mentor，以及Cadence等厂商。
而除了EMI与仿真的问题外，SiP由于将不同的芯片集成到一块基板上，所以还需要对SiP模块进行SI/PI/EMI分析、热应力分析、LVS/DRC、可靠性分析(ESD)，以及可制造性分析等等。
面对EMI、基板设计、装配技术、EM 3D仿真这些难点，沈霁认为可以从封装技术、技术协同和产业融合三个方向去改进。首先，为了实现系统小型化的要求，需要从更先进3D封装的路线来考虑;其次，由于性能的不断提升，系统的电信号、结构、热、可制造性、可靠性需要总体的协同考虑，对团队提出了更高的要求，需要团队真正做到DFX(Design for X, X包括：制造，可靠性，测试等);最后，系统集成的不断提升，晶圆制造与封测已开始有逐渐融合的趋势，封测公司需要利用晶圆制造公司的先进制程工艺，来武装自己，适应行业变化趋势。
毫米波需求催生AiP，FO-WLP市场仍具前景
在移动通讯技术长久的发展历史上，毫米波因为其穿透性差以及信号衰减快等缺点一直不受待见。但随着人们对于信息传输速度的需求日益增长，在技术的进步下，毫米波其可靠性高、方向性强、延迟低、传输速率高等特点也被5G技术所利用。
日月光集团研发中心产品设计处处长王陈肇博士
另一方面，5G毫米波需求下，SiP封装设计同时也存在着许多挑战。日月光集团研发中心产品设计处处长王陈肇博士认为，目前毫米波SiP封装设计存在着六大挑战，包括有宽带高增益天线封装的设计、铜密度、低损耗互联与基板材料、制造过程高精度控制、散热以及低成本的基板与装配方案。首先，与2G/3G/4G移动网络相比，5G网络将在更高频段的C-Band（3.7-4.2GHz）和毫米波（24.25GHz-52.6GHz）上部署，而更高频率的信号就意味着更大的馈线损耗，传统4G手机射频前端的馈线损耗只有1dB不到，但是在毫米波频段线损在2-4dB。这也是在毫米波的应用中习惯将天线与射频前端等器件集成的原因，系统级封装技术能够使天线与各类射频元件在垂直层面上堆叠，大大缩短连接距离，也就减少了信号传输损耗。而为了与SiP封装区分开，将天线封装到射频模块中的技术也被称为天线封装（Antenna inPackage，AiP）。
更多的元件被整合到单一封装模块中，必然会造成更大的散热、材料、成本等问题。针对AiP封装，王陈肇博士表示，为了解决高频信号传输损耗、降低成本和进一步减少厚度，目前一般在毫米波应用中使用的技术是扇出型晶圆级封装（FO-WLP）工艺。WLP晶圆级封装是以球栅阵列（BGA）技术为基础，直接对晶圆进行加工，在一块晶圆上同时对多个芯片进行封装测试，切割后即可直接贴装到基板上的一种封装方法。而WLP由于不需要中介层，不需要使用基板材料，并省略了打线等步骤，因此可以大幅降低成本。另一方面，FO-WLP最终在成品中是不存在封装基板的，因为其封装方式是从裸晶端点直接将电路拉线到重布线层（RDL），这可以降低成本，并使得封装厚度能够大大降低，提升I/O密度。同时，RDL层可以缩短电路互联的距离长度，这对于高频信号传输损耗的降低起到关键作用。
事实上，扇出型封装工艺早在2009年，英特尔就首先在手机基带芯片上使用到FO-WLP工艺，不过当时该技术并未能大规模普及。而这项技术的最大推动者，还是苹果。2016年苹果首次在iPhone7的A10处理器上采用了FO-WLP工艺，在此之后，设备商Veeco，封装测试供应商星科金朋、Amkor、日月光，晶圆代工厂Global Foundries等都加大了FO-WLP的产品、技术布局。
根据市场研究机构Yole Developpement的数据显示，2016-2017全球FO-WLP市场复合年增长率将近90%，2018达到了14亿美元的规模。据预测，随着5G的推进，全球FO-WLP市场规模有望在2022年超过23亿美元，2019-2022年间的复合年增长率将接近20%。
尽管，目前在国内的5G建设仍以sub-6频段为主，不过从目前公布的消息来看，中国移动已完成了5G毫米波关键技术验证，将计划在2020年实现5G毫米波商用部署。于此同时，在2019深圳国际电子展上，某国内天线模组厂商的技术人员也告诉记者，他们也已经有毫米波天线模组产品的样品，将会在2020年中正式将产品推出市场。因此，毫米波的需求大门在2020年正式打开，AiP与FO-WLP市场将会迎来新一轮增长。
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