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OPPOVIVO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)。

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本期内参来源:东方证券

原标题:

SiP 在 5G 和 IOT 时代的新机遇

作者: 蒯剑   马天翼

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 7.5mm,然而 iPhone11 的厚度增加到 8.5mm2)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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历代 iPhone 机身厚度&电池容量

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 8 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 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 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。

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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SiP 模组需要封测和系统组装的配合

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SoC 与 SiP 结合:更高价值的系统

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( SiGaAs)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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随着系统复杂度提升, SiP 成本及开发周期优势显著

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SiP 能节省空间,为其他部件提供更多可用面积

在过去数十年,电子制造行业形成了晶圆制造、封测和系统组装三个泾渭分明的环节,代表厂商分别是台积电、日月光和鸿海,他们的制造精度分别是纳米、微米和毫米级别。随着消费电子产品集成度的提升,部分模组、甚至系统的组装的精度要求逼近微米级别,跟封测环节在工艺上产生了重叠,业务上产生了竞争或协同。

具体来看,SiP 工艺融合了传统封测中的 moldingsingulation 制程和传统系统组装的 SMT 和系统测试制程。

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SiP 融合了传统封测和系统组装

二、 5G 将显著提升手机对 SiP 的需求

1、 5G 手机将迎来高速增长

5G 商用日益临近,世界范围内主流国家的运营商都已明确时间节点。截至 2019 10 16 日,华为已经和全球领先运营商签定 60 多个 5G 商用合同,40 多万个 5G Massive MIMO AAU 发往世界各地。而从世界范围来看,主流国家的电信运营商大多计划在 2019-2020 年期间开始部署 5G网络并逐步推出商用服务,国内也已于 2019 Q3 顺利完成 5G 技术研发第三阶段测试,并正式进入 5G 产品研发试验阶段,国内运营商也已经在 2019 年初正式启动 5G 规模组网试点工程招标。

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世界范围内主流国家都计划在 2019-2020 年间部署并推出 5G 服务

根据 CCS Insight 预测,2019 年,5G 手机出货量能达到 1000 万台,占手机出货量的 0.6%2020年将迎来爆发性增长而达到 2.3 亿台,并将在 2023 年超过 9 亿台,占手机出货量一半。

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5G 手机迎来高增长

2、 SiP 5G 手机中运用日益广泛

由于历史原因,3GHz 以下可用于公众移动通信的低频段已基本被前几代通信网络瓜分完毕,且频段分散,无法提供 5G 所需的连续大带宽,因而 5G 必然向更高的工作频段延伸。目前世界范围内对于 5G 的频谱已基本达成共识,3~6 GHz 中频段将成为 5G 的核心工作频段,主要用于解决广域无缝覆盖问题,6GHz 以上高频段主要用于局部补充,在信道条件较好的情况下为热点区域用户提供超高数据传输服务,例如对于 26GHz28GHz39GHz 毫米波应用也逐渐趋向共识,5G 的频段分为 Sub-6 和毫米波两个部分。

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5G 需要 sub-6 和毫米波两套射频系统

5G 手机需集成更多射频器件。手机射频模块主要实现无线电波的接收、处理和发射,关键组件包括天线、射频前端和射频芯片等。其中射频前端则包括天线开关、低噪声放大器 LNA、滤波器、双工器、功率放大器等众多器件。从 2G 时代功能机单一通信系统,到如今智能机时代同时兼容 2G3G4G 等众多无线通信系统,手机射频前端包含的器件数量也越来越多,对性能要求也越来越高。

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手机射频结构复杂

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通信技术升级增加手机中射频前端器件数量

5G 手机所需射频器件数量将远超前代产品,结构复杂度大幅提升。5G 手机需要前向兼容 2/3/4G通信制式,本身单台设备所需射频前端模组数量就将显著提升。据 Qorvo 预测,5G 单部手机射频半导体用量将达到 25 美元,相比 4G 手机近乎翻倍增长。其中接收/发射机滤波器从 30 个增加至75 个,包括功率放大器、射频开关、频带等都有至少翻倍以上的数量增长。器件数量的大幅增加将显著提升结构复杂度,并提高封装集成水平的要求。

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单部 5G 手机所需射频器件数量将显著提升

5G 的频段分为 Sub-6 和毫米波两个部分,Sub-6 部分信号的性能与 LTE 信号较为相似,射频器件的差异主要在于数量的增加,毫米波部分则带来射频结构的革命性变化。SiP 技术将在 5G 手机中应用日益广泛,发挥日益重要的作用:1)第一步:5G 需要兼容 LTE 等通信技术,将需要更多的射频前端 SiP 模组;2)第二步:毫米波天线与射频前端形成 AiP 天线模组;3)第三步:基带、数字、内存等更多零部件整合为更大的 SiP 模组。

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SiP 5G 手机中的应用日益广泛

由于现在仅仅韩国、北美等少数地区支持毫米波频段,在三星、华为、小米、OppoVivo 等已发布的 5G 手机中,仅有三星 Galaxy S10 支持 5G 毫米波信号。随着更多地区开始支持毫米波频段,毫米波将成为 5G 手机的标配。

通信技术的持续升级推动射频相关器件的不断整合,SiP 技术的提升为这种更高程度的整合提供了技术保障。在 2G GMS 时代,射频前端采用分立式技术,天线也置于机身外。单面 SiP 技术在3G WCDMA 时代开始获得应用,射频前端中的收发器开始模组化( FEM),功放( PA)仍然独立存在,天线开始集成到机壳上。在 4G LTE 时代,射频器件数量成倍增长,FEM PA 进一步集成,天线也开始采用 FPC 工艺。在 5G Sub-6 阶段,频段数量 20 个以上,射频器件数量继续增长,更先进的双面 SiP 获得运用。在 5G 毫米波阶段,毫米波的波长极短,信号容易衰减,天线和PA 等射频前端器件需要尽可能靠近,集成阵列天线和射频前端的 AiP 模组将成为主流技术路线。

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移动射频前端模组封装趋势

3、5G 毫米波拉动 AiP 需求

5G 毫米波频段需要更多的射频前端器件;天线、毫米波高频通信易损耗的特性要求射频前端器件和天线之间的距离尽可能缩短;毫米波天线尺寸可以缩小至 2.5mm;同时需要屏蔽天线的高频辐射对周边电路的影响。以上的需求,需要将天线与射频器件集成为模组,天线尺寸变小,为该模组的可行性提供了保障。

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多因素促进 AiP 天线模组需求

毫米波手机需要更多的射频前端和天线:毫米波高频通信将需要集成 3 个以上的功放和几十个滤波器,相比覆盖低频模块仅需集成 1-2 个功放、滤波器或双工器在数量上有大幅提升。此外,毫米波通信需要尺寸更小、数量更多的天线。一般天线长度为无线电波长的 1/4,而一旦采用 30GHz 以上的工作频段,意味着波长将小于 10mm,对应天线尺寸 2.5mm,不足 4G 时代的 1/10。同时,由于高频通信传播损耗大,覆盖能力弱,因而将引入更多数量的天线,并通过 MIMO 技术形成天线阵列以加强覆盖能力。根据 Qrovo 预测,单部 5G 手机的天线数量有望达到 10-12 个。

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毫米波天线缩小至 2.5mm

高通已经商用 5G 毫米波天线模组 AiP 标准品 QTM052,三星 Galaxy S10 5G 毫米波版手机即采用三个该天线模组,放置于顶部、左边和右边中框的内侧。多个天线模组可以避免用户不同的手握位置对信号带来的干扰。

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高通已商用毫米波天线模组 AiP

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三星 Galaxy S10 采用三个高通毫米波天线模组

天线的效能因手机的外观设计、手机内部空间限制及天线旁边的结构或基板材质不同,会有很大的差异。标准化的 AiP 天线模组很难满足不同手机厂商的不同需求。苹果等厂商有望根据自己手机的设计开发自有的订制化 AiP 天线模组。我们测算,仅仅苹果的 AiP 需求有望在 3 年后达到数十亿美元。

4、 SiP 有望整合更多零部件

在未来,SiP 有望整合基带等更多的零部件,进一步提升手机的集成度。高通已成功商业化Qualcomm Snapdragon System-in-PackageQSiP)模组,QSiP 将应用处理器、电源管理、射频前端、WiFi 等连接芯片、音讯编解码器和内存等 400 多个零部件放在一个模组中,大大减少主板的空间需求,从而为电池、摄像头等功能提供了更大空间。同时,QSiP 工艺也大幅简化手机的设计和制造流程、节省成本和开发时间,并加快整机厂的商业化时间。

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QSiP 集成射频、应用处理器等更多芯片

为了保障 QSiP 的顺利量产,高通与环旭在 2018 2 月成立合资公司,以运用环旭及日月光集团在 SiP 领域的技术积累和量产经验。2019 3 月,华硕发布两款采用 QSiP 的手机 Zen FoneMaxShot Zen FoneMax Plus M2。从拆解图来看,QSiP 确实大幅简化手机的主板电路设计,并缩小主板面积,为三摄等新功能留下更充分的空间。

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相比传统电路板, QSiP 方案大幅缩小面积

高通在持续拓展自身的产品线以扩大市场空间,已从早期的基带和应用处理器拓展至射频前端、电源管理、蓝牙、WiFi、指纹识别等丰富的产品线,但不少新产品缺乏突出的竞争力。通过 SiP 技术高通可以用优势突出的基带等芯片捆绑一些弱势芯片,从而实现各种不同芯片的打包销售,扩大了自身的市场空间。

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QSiP 给高通和整机厂带来较大好处

对于整机厂来说,采用高通的 QSiP 方案可以简化手机的设计和制造流程,节省成本,并缩短开发时间,加快机型的商业化时间。但因为 QSiP 方案可能会降低产品的差异化程度,未来可能主要用于非旗舰机型,成为成本和抢占市场先机竞争的利器。但 QSiP 有望成为 SiP 在手机大规模中应用的推手,旗舰机型有望采用更为订制化的类似于 QSiP 的系统级 SiP

三、 苹果穿戴式产品积极运用 SiP 技术

穿戴式产品是苹果高度重视的 IoT 产品,库克认为以穿戴式产品为基础的健康业务将成为苹果对人类的最大贡献。Apple Watch 中已具备心率、心电图检测等功能,苹果已开发 ResearchKitHealthKitCareKit 三大健康相关平台,也同斯坦福大学医学院等合作推进穿戴式产品与医疗的结合。

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库克高度重视健康相关业务

苹果的 Apple WatchAirPods 两大产品销量持续高增长,在刚过去的 2019 财年苹果穿戴式和配件部门营收已高达 245 亿美元,同比增长 40%以上。

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AirPods 持续高增长(百万部)

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Apple Watch 持续增长

Apple Watch 功能复杂,在很小的空间中集成了近 900 个零部件,自 2015 年第一代产品就一直采用 SiP 工艺。Apple Watch SiP 模组集成 Apple Watch 的大部分功能器件,包括:CPU、存储、音频、触控、电源管理、WiFiNFC 30 余个独立功能组件,20 多个芯片,800 多个元器件,厚度仅为 1mm

AirPods 普通版本功能相对简单,早期没有采用 SiP 技术,10 月底发布的 AirPods Pro 具有主动降噪功能,需要集成更多零部件,也采用了 SiP 技术。我们测算,AirPods 有望带来数十亿美元的SiP 需求。

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Apple Watch 采用异形 SiP 技术

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▲AirPods Pro 采用 SiP 技术

智东西认为,随着科技的发展,全球电子产品渐渐走向多功能整合及低功耗设计,因而使得可将多颗裸晶整合在单一封装中的SiP技术日益受到关注。而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)。让芯片效能最大化、封装后体积最小化,客制化量身打造的需求快速崛起,SiP整合技术已经成为半导体产业最重要的技术之一。

 

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