后摩尔时代,歌尔布局SiP业务,全力推动产业升级
2019-09-12

2019年9月10日到11日,第三届中国系统级封装大会在深圳举办,会议围绕手机、可穿戴、IoT、汽车、医疗、高性能计算等几个领域应用的SiP解决方案包括设计仿真、测试、工艺技术、材料等方面展开了探讨,各产业专家及精英汇聚一堂,共同探寻SiP技术及其产业发展方向。

(1)后摩尔时代的技术选择 – SiP (System in Package)技术

系统小型化有两种手段: SOC (System on Chip)和SiP (System in Package)。SOC技术依赖于硅CMOS工艺节点,目前工艺节点已经到了7nm,5nm,已经接近原子尺寸,单纯依赖CMOS工艺节点改进,已经无法延续摩尔定律;而且由于Si和III-IV族化合物,IC和MEMS 工艺的不兼容性,导致无法在同一衬底上集成所有的芯片和器件; 在加上专利方面的阻碍,长的开发周期,高昂的开发成本,这一切都限制了SoC技术的发展。然而SiP技术恰好可以解决以上问题,通过芯片和器件在水平或垂直方向上的集成,既可以避开专利问题,又可异质封装;产品开发周期短,成本低,能够很好的应对消费电子产品更新迭代快的需求,是后摩尔时代半导体发展的重要方向。

(2)SiP的应用及发展方向

Amkor SiP产品线副总裁Nozad Karim以《满足5G技术需求的SiP解决方案》的演讲主题拉开了第三届中国系统级封装大会的帷幕,重点介绍了SiP技术在5G时代的重要性。5G时代,随频率的增高,材料和封装结构对信号的损失加重。SiP技术对于缩减信号传输距离、提高产品性能效果显著。

除了5G,在其它领域SiP也有重要作用,如在智能手机中,未来SiP器件所占的比重会越来越大。ViVo的封装专家杨俊介绍了《SiP在移动设备中的需求、挑战和发展方向》。紫光展锐的技术总监郭述海也介绍了《系统级封装技术在医疗电子设备中的应用》。在汽车领域,SiP技术以其高可靠性也受到了广泛的关注。

技术层面,如异质封装、电磁屏蔽、封装天线、5G等,会上多位专家在其演讲中都有提及,成为本届大会的热门关键词。

(3)SiP面临的挑战

SiP技术在一个封装体内集成了多颗芯片和器件,布线间距变小,其信号干扰、寄生效应等变得愈加严重。传统的分离式的仿真很难解决这些问题,需要芯片、封装乃至PCB板级系统进行协同仿真。芯禾科技的工程副总裁代文亮博士表示,芯禾一直致力于电磁场仿真工具的开发和创新,目前可以提供的工具有IRIS、IModeler和Metis。他表示,中美贸易战背景下,EDA仿真工具是中国的短板问题逐渐凸显,需要国内同行支持,在使用实践中,逐渐完善,推动国产EDA仿真工具的成长。

SiP的测试也是挑战之一。首先SiP测试目前没有标准,原先单器件封装,每个器件是否正常都可以单独测试,封装互连到一起后,某些性能指标已经无法测试;失效后也无法确认是封装体内哪颗芯片或器件问题。而且由于SiP内部器件众多,功能众多,量产测试设备需要定制,测试成本及其通用性需要考量。传统测试设备厂商NI,泰瑞达等公司也都展示了其SiP相关的解决方案。

进入5G时代,尤其是毫米波频段,材料和封装结构的革新也是挑战之一。目前5G很热,但现阶段还是集中在Sub 6GHz产品,现有SiP技术上进一步缩减信号传输距离,现有的BOM和材料系统还可以适用,如由单侧BGA封装,变为双侧BGA封装等。对于毫米波产品,其材料和结构都需要革新,成熟的材料系统和能量产的封装结构需要长时间的开发和验证。国际材料厂商Indium,Henkel,基板厂商Unimiron,封测厂ASE,Amkor,Spil等和国内一些相关研究机构等亦有参会。

(4)SiP产业生态

     目前,SiP技术虽然很热,但产业生态还不成熟,其最大障碍就是裸芯片资源获取困难。以iWatch为例,已从S1发展到S5,市面上尚无另外一款全SiP封装的手表产品。技术困难是一方面,但仍可以解决;庞大的裸芯片供应链资源获取是其难点。无须担心,但任何产业从发展之初到成熟都必须经历这样一个阶段。

歌尔有零件和成品两大产品战略,在竞争日益激烈的今天,依靠单一器件生产销售或成品代工已经明显后劲不足。为了提高产品的竞争力和附加值,单一器件需要封装成模组,配以软件和应用场景;终端成品需要将PCBA方案集成为SiP方案,做差异化产品,提高产品竞争力;二者都需要依赖SiP技术。

歌尔微电子研究院高级总监田德文博士在会上做了“歌尔的SiP解决方案:先进封装技术公共服务平台 – 将想法变成现实”的主题报告。他强调公司未来不仅是智能硬件的供应商,而是具备垂直整合能力的整体解决方案解决商。目前半导体行业的发展有相互融合的趋势。前端晶圆制造厂商利用其在前端工艺技术的优势开始在封测领域布局,典型例子就是TSMC。其开发的晶圆扇出型封装技术,从2016年起在Iphone中得到了广泛的应用,一举助其将苹果A系列处理的订单全部从三星手中全部抢夺过来。后端系统厂商利用其在系统和终端应用的优势进入SiP封测领域。歌尔在系统和终端领域拥有丰富的经验和众多大客户资源,向SiP封测领域布局,能够促其向在产业链中上游转型,提高产品的竞争力和附加值。

先进封装技术公共服务平台是在中美贸易战大背景下,由青岛市政府和歌尔共同投资1.6亿元建设,平台拥有2000余平米的千级和万级洁净厂房,平台拥有业界最先进的设备和一流的技术团队,能够为客户提供从硬件设计、封装设计仿真、封装组装、测试、可靠性和失效分析一站式SiP服务。平台面向的对象是中小企业、研究所合高校,解决其在产品开发阶段中面临的打样困难。平台可以助前端技术用户实现快速成果转化、助后端应用客户寻找先进技术。通过平台的实施,可以促进产业资源的聚集,先进技术的快速开发与推广,专业人才的培养,为青岛、山东乃至全国打造一个良好的SiP产业生态。

随着SiP大会在中国连续举办三年,越来越多的产业资源加入,很多OEM厂商都在逐渐提升SiP在物料清单中的比例。据市场机构Yole预测, 2023年射频前端在系统级封装市场总额将达到53亿美金,这仅仅是封测代工费用,换算成器件或终端产品的货值将更庞大;若再加上其它领域,整个SiP的市场容量则高达千亿级别,其前景非常广阔。最后,大会在所有演讲嘉宾合影后落下帷幕,期待下一届SiP大会的到来…

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