超越摩爾之路——SiP簡介

 

根據(jù)國際半導體路線組織（ITRS）的定義：SiP為將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實現(xiàn)一定功能的單個標準封裝件，形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。

 

 

 

從架構上來講，SiP是將多種功能芯片，包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個封裝內，從而實現(xiàn)一個基本完整的功能。與SOC（片上系統(tǒng)）相對應。不同的是系統(tǒng)級封裝是采用不同芯片進行并排或疊加的封裝方式，而SOC則是高度集成的芯片產品。

 

 

 

SiP是超越摩爾定律下的重要實現(xiàn)路徑。眾所周知的摩爾定律發(fā)展到現(xiàn)階段，何去何從？行業(yè)內有兩條路徑：一是繼續(xù)按照摩爾定律往下發(fā)展，走這條路徑的產品有CPU、內存、邏輯器件等，這些產品占整個市場的50%。另外就是超越摩爾定律的More than Moore路線，芯片發(fā)展從一味追求功耗下降及性能提升方面，轉向更加務實的滿足市場的需求。這方面的產品包括了模擬/RF器件，無源器件、電源管理器件等，大約占到了剩下的那50%市場。

 

 

針對這兩條路徑，分別誕生了兩種產品：SoC與SiP。SoC是摩爾定律繼續(xù)往下走下的產物，而SiP則是實現(xiàn)超越摩爾定律的重要路徑。兩者都是實現(xiàn)在芯片層面上實現(xiàn)小型化和微型化系統(tǒng)的產物。

 

 

SoC與SIP是極為相似，兩者均將一個包含邏輯組件、內存組件，甚至包含被動組件的系統(tǒng)，整合在一個單位中。SoC是從設計的角度出發(fā)，是將系統(tǒng)所需的組件高度集成到一塊芯片上。SiP是從封裝的立場出發(fā)，對不同芯片進行并排或疊加的封裝方式，將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實現(xiàn)一定功能的單個標準封裝件。

 

 

從集成度而言，一般情況下，SoC只集成AP之類的邏輯系統(tǒng)，而SiP集成了AP+mobile DDR，某種程度上說SIP=SoC+DDR，隨著將來集成度越來越高，emmc也很有可能會集成到SiP中。

 

從封裝發(fā)展的角度來看，因電子產品在體積、處理速度或電性特性各方面的需求考量下，SoC曾經被確立為未來電子產品設計的關鍵與發(fā)展方向。但隨著近年來SoC生產成本越來越高，頻頻遭遇技術障礙，造成SoC的發(fā)展面臨瓶頸，進而使SiP的發(fā)展越來越被業(yè)界重視。

 

 

 

摩爾定律確保了芯片性能的不斷提升。眾所周知，摩爾定律是半導體行業(yè)發(fā)展的“圣經”。在硅基半導體上，每18個月實現(xiàn)晶體管的特征尺寸縮小一半，性能提升一倍。在性能提升的同時，帶來成本的下降，這使得半導體廠商有足夠的動力去實現(xiàn)半導體特征尺寸的縮小。這其中，處理器芯片和存儲芯片是最遵從摩爾定律的兩類芯片。以Intel為例，每一代的產品完美地遵循摩爾定律。在芯片層面上，摩爾定律促進了性能的不斷往前推進。

 

 

 

 

SIP是解決系統(tǒng)桎梏的勝負手。把多個半導體芯片和無源器件封裝在同一個芯片內，組成一個系統(tǒng)級的芯片，而不再用PCB板來作為承載芯片連接之間的載體，可以解決因為PCB自身的先天不足帶來系統(tǒng)性能遇到瓶頸的問題。以處理器和存儲芯片舉例，因為系統(tǒng)級封裝內部走線的密度可以遠高于PCB走線密度，從而解決PCB線寬帶來的系統(tǒng)瓶頸。舉例而言，因為存儲器芯片和處理器芯片可以通過穿孔的方式連接在一起，不再受PCB線寬的限制，從而可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)帶寬在接口帶寬上的提升。

 

 

我們認為，SiP不僅是簡單地將芯片集成在一起。SiP還具有開發(fā)周期短；功能更多；功耗更低，性能更優(yōu)良、成本價格更低，體積更小，質量更輕等優(yōu)點，總結如下：

 

 

 

 

鍵合技術有熱壓焊、熱超聲焊等。這些技術優(yōu)點是容易形成球形（即焊球技術），并防止金線氧化。為了降低成本，也在研究用其他金屬絲，如鋁、銅、銀、鈀等來替代金絲鍵合。熱壓焊的條件是兩種金屬表面緊緊接觸，控制時間、溫度、壓力，使得兩種金屬發(fā)生連接。表面粗糙（不平整）、有氧化層形成或是有化學沾污、吸潮等都會影響到鍵合效果，降低鍵合強度。熱壓焊的溫度在 300℃~400℃，時間一般為 40ms（通常,加上尋找鍵合位置等程序，鍵合速度是每秒二線）。超聲焊的優(yōu)點是可避免高溫，因為它用20kHz~60kHz的超聲振動提供焊接所需的能量，所以焊接溫度可以降低一些。將熱和超聲能量同時用于鍵合，就是所謂的熱超聲焊。與熱壓焊相比，熱超聲焊最大的優(yōu)點是將鍵合溫度從 350℃降到250℃左右（也有人認為可以用100℃~150℃的條件），這可以大大降低在鋁焊盤上形成 Au-Al 金屬間化合物的可能性，延長器件壽命，同時降低了電路參數(shù)的漂移。在引線鍵合方面的改進主要是因為需要越來越薄的封裝，有些超薄封裝的厚度僅有0.4mm 左右。所以引線環(huán)（loop）從一般的200 μ m~300 μ m減小到100μm~125μm，這樣引線張力就很大，繃得很緊。另外，在基片上的引線焊盤外圍通常有兩條環(huán)狀電源 / 地線，鍵合時要防止金線與其短路，其最小間隙必須>625 μ m，要求鍵合引線必須具有高的線性度和良好的弧形。

 

等離子清洗

 

清洗的重要作用之一是提高膜的附著力，如在Si 襯底上沉積 Au 膜，經 Ar 等離子體處理掉表面的碳氫化合物和其他污染物，明顯改善了 Au 的附著力。等離子體處理后的基體表面，會留下一層含氟化物的灰色物質，可用溶液去掉。同時清洗也有利于改善表面黏著性和潤濕性。

 

液態(tài)密封劑灌封

 

將已貼裝好芯片并完成引線鍵合的框架帶置于模具中，將塑封料的預成型塊在預熱爐中加熱（預熱溫度在 90℃~95℃之間），然后放進轉移成型機的轉移罐中。在轉移成型活塞的壓力之下，塑封料被擠壓到澆道中，并經過澆口注入模腔（在整個過程中，模具溫度保持在 170℃~175℃左右）。塑封料在模具中快速固化，經過一段時間的保壓，使得模塊達到一定的硬度，然后用頂桿頂出模塊，成型過程就完成了。對于大多數(shù)塑封料來說，在模具中保壓幾分鐘后，模塊的硬度足可以達到允許頂出的程度，但是聚合物的固化（聚合）并未全部完成。由于材料的聚合度（固化程度）強烈影響材料的玻璃化轉變溫度及熱應力，所以促使材料全部固化以達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，對于提高器件可靠性是十分重要的，后固化就是為了提高塑封料的聚合度而必需的工藝步驟，一般后固化條件為 170℃~175℃，2h~4h。

 

 

液態(tài)密封劑灌封

 

目前業(yè)內采用的植球方法有兩種：“錫膏”+“錫球”和“助焊膏”+ “錫球”。“錫膏”+“錫球”植球方法是業(yè)界公認的最好標準的植球法，用這種方法植出的球焊接性好、光澤好，熔錫過程不會出現(xiàn)焊球偏置現(xiàn)象，較易控制，具體做法就是先把錫膏印刷到 BGA 的焊盤上，再用植球機或絲網印刷在上面加上一定大小的錫球，這時錫膏起的作用就是粘住錫球，并在加溫的時候讓錫球的接觸面更大，使錫球的受熱更快更全面，使錫球熔錫后與焊盤焊接性更好并減少虛焊的可能。

 

表面打標

 

打標就是在封裝模塊的頂表面印上去不掉的、字跡清楚的字母和標識，包括制造商的信息、國家、器件代碼等，主要是為了識別并可跟蹤。打碼的方法有多種，其中最常用的是印碼方法，而它又包括油墨印碼和激光印碼二種。

 

分離

 

為了提高生產效率和節(jié)約材料，大多數(shù) SIP 的組裝工作都是以陣列組合的方式進行，在完成模塑與測試工序以后進行劃分，分割成為單個的器件。劃分分割可以采用鋸開或者沖壓工藝，鋸開工藝靈活性比較強，也不需要多少專用工具，沖壓工藝則生產效率比較高、成本較低，但是需要使用專門的工具。

 

 

和引線鍵合工藝相比較倒裝焊工藝具有以下幾個優(yōu)點：

 

（1）倒裝焊技術克服了引線鍵合焊盤中心距極限的問題；

 

（2）在芯片的電源 /地線分布設計上給電子設計師提供了更多的便利；

 

（3）通過縮短互聯(lián)長度，減小 RC 延遲，為高頻率、大功率器件提供更完善的信號；

 

 

 

倒裝鍵合、下填充

 

在整個芯片鍵合表面按柵陣形狀布置好焊料凸點后，芯片以倒扣方式安裝在封裝基板上，通過凸點與基板上的焊盤實現(xiàn)電氣連接，取代了WB和TAB 在周邊布置端子的連接方式。倒裝鍵合完畢后，在芯片與基板間用環(huán)氧樹脂進行填充，可以減少施加在凸點上的熱應力和機械應力，比不進行填充的可靠性提高了1到2個數(shù)量級。

 

 

SiP——為應用而生

 

 

SiP的應用非常廣泛，主要包括：無線通訊、汽車電子、醫(yī)療電子、計算機、軍用電子等。

 

應用最為廣泛的無線通訊領域。SiP在無線通信領域的應用最早，也是應用最為廣泛的領域。在無線通訊領域，對于功能傳輸效率、噪聲、體積、重量以及成本等多方面要求越來越高，迫使無線通訊向低成本、便攜式、多功能和高性能等方向發(fā)展。SiP是理想的解決方案，綜合了現(xiàn)有的芯核資源和半導體生產工藝的優(yōu)勢，降低成本，縮短上市時間，同時克服了SOC中諸如工藝兼容、信號混合、噪聲干擾、電磁干擾等難度。手機中的射頻功放，集成了頻功放、功率控制及收發(fā)轉換開關等功能，完整的在SiP中得到了解決。

 

 

汽車電子是SiP的重要應用場景。汽車電子里的SiP應用正在逐漸增加。以發(fā)動機控制單元（ECU）舉例，ECU由微處理器（CPU）、存儲器（ROM、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）、模數(shù)轉換器（A/D）以及整形、驅動等大規(guī)模集成電路組成。各類型的芯片之間工藝不同，目前較多采用SiP的方式將芯片整合在一起成為完整的控制系統(tǒng)。另外，汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、燃油噴射控制系統(tǒng)、安全氣囊電子系統(tǒng)、方向盤控制系統(tǒng)、輪胎低氣壓報警系統(tǒng)等各個單元，采用SiP的形式也在不斷增多。此外，SIP技術在快速增長的車載辦公系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng)中也獲得了成功的應用。

 

 

醫(yī)療電子需要可靠性和小尺寸相結合，同時兼具功能性和壽命。在該領域的典型應用為可植入式電子醫(yī)療器件，比如膠囊式內窺鏡。內窺鏡由光學鏡頭、圖像處理芯片、射頻信號發(fā)射器、天線、電池等組成。其中圖像處理芯片屬于數(shù)字芯片、射頻信號發(fā)射器則為模擬芯片、天線則為無源器件。將這些器件集中封裝在一個SiP之內，可以完美地解決性能和小型化的要求。

 

 

SiP在計算機領域的應用主要來自于將處理器和存儲器集成在一起。以GPU舉例，通常包括圖形計算芯片和SDRAM。而兩者的封裝方式并不相同。圖形計算方面都采用標準的塑封焊球陣列多芯片組件方式封裝，而這種方式對于SDRAM并不適合。因此需要將兩種類型的芯片分別封裝之后，再以SiP的形式封裝在一起。

 

 

SiP在其他消費類電子中也有很多應用。這其中包括了ISP（圖像處理芯片）、藍牙芯片等。ISP是數(shù)碼相機、掃描儀、攝像頭、玩具等電子產品的核心器件，其通過光電轉換，將光學信號轉換成數(shù)字信號，然后實現(xiàn)圖像的處理、顯示和存儲。圖像傳感器包括一系列不同類型的元器件，如CCD、COMS圖像傳感器、接觸圖像傳感器、電荷載入器件、光學二極管陣列、非晶硅傳感器等，SiP技術無疑是一種理想的封裝技術解決方案。

 

 

藍牙系統(tǒng)一般由無線部分、鏈路控制部分、鏈路管理支持部分和主終端接口組成，SiP技術可以使藍牙做得越來越小迎合了市場的需求，從而大力推動了藍牙技術的應用。SiP完成了在一個超小型封裝內集成了藍牙無線技術功能所需的全部原件（無線電、基帶處理器、ROM、濾波器及其他分立元件）。

 

 

 

 

從蘋果產品看SiP應用。蘋果是堅定看好SiP應用的公司，蘋果在之前Apple Watch上就已經使用了SiP封裝。

 

 

除了手表以外，蘋果手機中使用SiP的顆數(shù)也在逐漸增多。列舉有：觸控芯片，指紋識別芯片，RFPA等。

 

觸控芯片。在Iphone6中，觸控芯片有兩顆，分別由Broadcom和TI提供，而在6S中，將這兩顆封在了同一個package內，實現(xiàn)了SiP的封裝。而未來會進一步將TDDI整個都封裝在一起。iPhone6s中展示了新一代的3D Touch技術。觸控感應檢測可以穿透絕緣材料外殼，通過檢測人體手指帶來的電壓變化，判斷出人體手指的觸摸動作，從而實現(xiàn)不同的功能。而觸控芯片就是要采集接觸點的電壓值，將這些電極電壓信號經過處理轉換成坐標信號，并根據(jù)坐標信號控制手機做出相應功能的反應，從而實現(xiàn)其控制功能。3D Touch的出現(xiàn)，對觸控模組的處理能力和性能提出了更高的要求，其復雜結構要求觸控芯片采用SiP組裝，觸覺反饋功能加強其操作友好性。

 

 

指紋識別同樣采用了SiP封裝。將傳感器和控制芯片封裝在一起，從iPhone 5開始，就采取了相類似的技術。

 

 

RFPA模塊。手機中的RFPA是最常用SiP形式的。iPhone 6S也同樣不例外，在iPhone 6S中，有多顆RFPA芯片，都是采用了SiP。

 

 

按照蘋果的習慣，所有應用成熟的技術會傳給下一代，我們判斷，即將問世的蘋果iPhone7會更多地采取SiP技術，而未來的iPhone7s、iPhone8會更全面，更多程度的利用SiP技術，來實現(xiàn)內部空間的壓縮。

 

快速增長的SiP市場

 

 

2013-2016SiP市場CAGR=15%。2014年全球SiP產值約為48.43億美元，較2013年成長12.4%左右；2015年在智慧型手機仍持續(xù)成長，以及Apple Watch等穿戴式產品問世下，全球SiP產值估計達到55.33億美元，較2014年成長14.3%。

 

2016年，雖然智慧型手機可能逐步邁入成熟期階段，難有大幅成長的表現(xiàn)，但SiP在應用越趨普及的趨勢下，仍可呈現(xiàn)成長趨勢，因此，預估2016年全球SiP產值仍將可較2015年成長17.4%，來到64.94億美元。

 

 

市場滲透率將迅速提升。我們預計，SiP在智能手機中的滲透率將從2016年的10%迅速提升到2018年的40%。在輕薄化趨勢已經確定的情況下，能完美實現(xiàn)輕薄化要求的SiP理應會得到更多的應用。不止是蘋果，我們預計國內智能手機廠商也會迅速跟進。此外，滲透率提升不單是采用SiP的智能手機會增多，在智能手機中使用的SiP的顆數(shù)也會增加。兩個效應疊加驅使SiP的增量市場迅速擴大。

 

我們測算SiP在智能手機市場未來三年內的市場規(guī)模。假設SiP的單價每年降價10%，智能手機出貨量年增3%?？梢钥吹?，SiP在智能手機中的新增市場規(guī)模CAGR=192%,非?？捎^。

 

 

 

從產業(yè)鏈的變革、產業(yè)格局的變化來看，今后電子產業(yè)鏈將不再只是傳統(tǒng)的垂直式鏈條：終端設備廠商——IC設計公司——封測廠商、Foundry廠、IP設計公司，產品的設計將同時調動封裝廠商、基板廠商、材料廠、IC設計公司、系統(tǒng)廠商、Foundry廠、器件廠商（如TDK、村田）、存儲大廠（如三星）等彼此交叉協(xié)作，共同實現(xiàn)產業(yè)升級。未來系統(tǒng)將帶動封裝業(yè)進一步發(fā)展，反之高端封裝也將推動系統(tǒng)終端繁榮。未來系統(tǒng)廠商與封裝廠的直接對接將會越來越多，而IC設計公司則將可能向IP設計或者直接出售晶圓兩個方向去發(fā)展。

 

 

近年來，部分晶圓代工廠也在客戶一次購足的服務需求下(Turnkey Service)，開始擴展業(yè)務至下游封測端，以發(fā)展SiP等先進封裝技術來打造一條龍服務模式，滿足上游IC設計廠或系統(tǒng)廠。然而，晶圓代工廠發(fā)展SiP等先進封裝技術，與現(xiàn)有封測廠商間將形成微妙的競合關系。首先，晶圓代工廠基于晶圓制程優(yōu)勢，擁有發(fā)展晶圓級封裝技術的基本條件，跨入門檻并不甚高。因此，晶圓代工廠可依產品應用趨勢與上游客戶需求，在完成晶圓代工相關制程后，持續(xù)朝晶圓級封裝等后段領域邁進，以完成客戶整體需求目標。這對現(xiàn)有封測廠商來說，可能形成一定程度的競爭。

 

由于封測廠幾乎難以向上游跨足晶圓代工領域，而晶圓代工廠卻能基于制程技術優(yōu)勢跨足下游封測代工，尤其是在高階SiP領域方面；因此，晶圓代工廠跨入SiP封裝業(yè)務，將與封測廠從單純上下游合作關系，轉向微妙的競合關系。

 

封測廠一方面可朝差異化發(fā)展以區(qū)隔市場，另一方面也可選擇與晶圓代工廠進行技術合作，或是以技術授權等方式，搭配封測廠龐大的產能基礎進行接單量產，共同擴大市場。此外，晶圓代工廠所發(fā)展的高階異質封裝，其部份制程步驟仍須專業(yè)封測廠以現(xiàn)有技術協(xié)助完成，因此雙方仍有合作立基點。

 

 

日月光+環(huán)旭電子：

 

全球主要封測大廠中，日月光早在2010年便購并電子代工服務廠(EMS)--環(huán)旭電子，以本身封裝技術搭配環(huán)電在模組設計與系統(tǒng)整合實力，發(fā)展SiP技術。使得日月光在SiP技術領域維持領先地位，并能夠陸續(xù)獲得手機大廠蘋果的訂單，如Wi-Fi、處理器、指紋辨識、壓力觸控、MEMS等模組，為日月光帶來后續(xù)成長動力。

 

此外，日月光也與DRAM制造大廠華亞科策略聯(lián)盟，共同發(fā)展SiP范疇的TSV 2.5D IC技術；由華亞科提供日月光硅中介層(Silicon Interposer)的硅晶圓生產制造，結合日月光在高階封測的制程能力，擴大日月光現(xiàn)有封裝產品線。

 

不僅如此，日月光也與日本基板廠商TDK合作，成立子公司日月陽，生產集成電路內埋式基板，可將更多的感測器與射頻元件等晶片整合在尺寸更小的基板上，讓SiP電源耗能降低，體積更小，以適應可穿戴裝置與物聯(lián)網的需求。

 

日月光今年主要成長動力將來自于SiP，1H2016 SiP營收已近20億美元，預期未來5-10年，SiP會是公司持續(xù)增長的動力。日月光旗下的環(huán)旭電子繼拿下A公司的穿戴式手表SiP大單之后，也再拿下第二家美系大廠智慧手表SiP訂單，預定明年出貨。

 

 

長電+星科金朋：

 

長電是國內少數(shù)可以達到國際技術水平的半導體封測企業(yè)，2015年攜手中芯國際及國家大基金，以7.8億美元收購新加坡星科金朋，全球排名由第六晉級至第四。公司在SIP封裝方面具有一定的技術優(yōu)勢，已成功開發(fā)了RF-SIM；Micro SD；USB；FC-BGA；LGA module等一系列產品。

 

 

原本位居全球第四大封測廠的星科金朋也在韓國廠區(qū)積極開發(fā)SiP技術，但因整體營運狀況不如前三大廠，因此難以投入大額資本以擴充SiP規(guī)模。不過，隨著江蘇長電并購星科金朋而帶來資金，將能夠結合原本星科金朋的技術，將SiP繼續(xù)做大。長電科技將投入4.75億美金擴充SiP項目，目前星科金朋韓國廠已經正式量產，產能利用率95%以上，主要為A客戶供貨。我們預計，未來隨著A客戶BOM中SiP量的增多，將給公司帶來極大彈性。

 

推薦邏輯

 

SiP代表了行業(yè)發(fā)展方向。芯片發(fā)展從一味追求功耗下降及性能提升（摩爾定律），轉向更加務實的滿足市場的需求（超越摩爾定律），SiP是實現(xiàn)的重要路徑。SiP從終端電子產品角度出發(fā)，不是一味關注芯片本身的性能/功耗，而是實現(xiàn)整個終端電子產品的輕薄短小、多功能、低功耗，在行動裝置與穿戴裝置等輕巧型產品興起后，SiP需求日益顯現(xiàn)。

 

SiP在智能手機里的滲透率在迅速提升。SiP市場2013-2015的CAGR達到16%，高于智能手機市場7%的CAGR。隨著智能手機的輕薄化趨勢確定，SiP的滲透率將迅速提升，預計將從現(xiàn)在的10%到2018年的40%。我們強調，要重視智能手機里的任何一個新變化，在達到40%的滲透率之前，都是值得關注的快速成長期。

 

從行業(yè)配置角度看，SiP尚未完全Price in，有成長空間。安靠和日月光在Q2財報中，不約而同給出環(huán)比增長的原因之一來自于SiP封裝的放量。同時，蘋果確定在新機型中使用多顆SiP,而國內廠商尚未開始跟上。我們測算2018年潛在的SiP增量空間為96億美元，從行業(yè)配置角度看，目前SiP的成長尚未被市場充分認識，有足夠的上升空間。我們認為，國內的上市公司中，長電科技（收購的星科金朋為A客戶提供SiP產品）、環(huán)旭電子(Apple watch SiP供應商)將深度受益于SiP行業(yè)的發(fā)展，推薦關注。