一文看懂SiP封装历其发展潜力
2019-11-27
14:00:21
来源: 半导体行业观察
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自从苹果在2015年推出的Apple Watch采用SiP封装后，SiP技术渐渐成为消费性电子的新宠儿。
而随著5G手机的推出，各手机品牌厂增加对SiP的需求外，再加上苹果 AirPods Pro继Apple watch后，也采用SiP技术，一时间SiP封装成为话题性最高的半导体技术指标之一。
SiP是System in Package，为系统级封装的简称，而这是基于SoC所发展出来的封装技术。
SoC则是指System on Chip，称之为系统单芯片。
SoC与SiP极为相似，两者都包含逻辑元件、记忆体芯片，甚至包含被动元件的系统，整合成一个电子零组件。
但两者的差异在于SoC是从设计的角度出发 (半导体产业前段)，是将系统所需的元件，如CPU、北桥芯片、记忆体等整合成一个芯片，过去则是分成三个芯片。
而SiP则是从封装的角度出发 (半导体产业后段)，对不同芯片进行排列或堆叠的方式加以封装成一个电子元件，或是把 MEMS、光学零组件等零件优先组装在一起，成为特定功能的产品。
SiP需求提升的主要原因在于，现在消费电子要整合的功能越来越多，如手机要同时具备照相、感测高度与距离、通话、行动支付、卫星定位、各式解锁功能等等应用，而手机内部空间又受限，再加上电池容量不断加大，因此催生出「整合」的概念。
SiP较SoC的优势就是成本，当然手机旗舰机种因单价高，再加上手机厂为展示自身技术实力 (可当广告效果)，大多采用SoC方式来节省手机内部空间。
但在竞争激烈的中阶手机市场，手机製造成本的考量更为重要，因此要兼顾手机应用的多样性，又要与其它厂商比价，所以SiP封装带来的性价比更高。
根据CCS Insight预测，2019 年，5G手机出货量能达到1000万支，只占整体手机出货量的0.6%，而2020年将出现爆发性成长达到2.3亿支，并将在 2023 年成长至逾9亿支，占手机出货量一半。
由于过去通讯发展的因素，3GHz以下可用于大众行动通信的低频段已基本被前几代通信技术瓜分，且频段分散，无法提供5G所需的连续大频宽，因此5G必然朝向更高的工作频段延伸。
而5G的频段分为Sub-6和毫米波两个部分，同时又要相容2G～4G无线通讯技术，这反映5G手机需要整合更多射频元件。
手机射频前端包含的元件数量越来越多，对性能要求也越来越高，使得结构复杂度大幅提升。
此外，根据Qorvo预测，5G手机射频半导体用量将达到25美元，比4G手机几乎翻倍增长，其中接收 / 发射机滤波器从30个一口气增加至75个，包括功率放大器、射频开关、频段等都至少翻倍以上的数量增长。
而零组件数量的大幅增加也将明显提升结构複杂度，并提高封装水准的要求。
5G频段的Sub-6部分，其讯号性能与LTE讯号较为相似，因此射频元件的差异主要在于数量的增加，但毫米波部分则为射频元件的结构带来革命性变化。
由于现在只有韩国、北美等少数地区支援毫米波频段，同时三星、华为、小米、Oppo、Vivo 等已公布的5G手机中，只有三星Galaxy S10支援5G毫米波讯号。
未来随著更多地区开始支援毫米波频段，毫米波将成为5G手机的标准配置。
而在5G手机导入的功能越来越多，SiP技术的应用将至关重要。
首先就是5G需要相容LTE等通信技术，将需要更多的射频前端SiP模组；
再来就是毫米波天线与射频前端形成AiP天线模组；
最后则是基频、记忆体等等更多零组件整合为更大的SiP模组。
目前，高通已成功商业化Qualcomm Snapdragon System-in-Package(QSiP) 模组。
QSiP将AP、电源管理、射频前端、WiFi等晶片、音讯转码器和记忆体等400多个零组件放在一个模组中，大大减少PCB的空间需求，为电池、镜头等提供更大空间。
同时，QSiP也大幅简化手机的设计和製造流程、节省成本和开发时间，并加速手机推出时程。
穿戴设备是苹果高度重视的IoT产品，其中，Apple Watch已具备心率、心电图检测等功能，而当红炸子鸡AirPods Pro在搭载主动降噪功能后，需要整合更多零组件，使得苹果两大穿戴装置陆续导入 SiP 技术。
Apple Watch功能复杂，在很小的空间内整合约900个电子零件，因此2015年第一代产品就开始採用SiP技术。
Apple Watch SiP模组整合的元件包含CPU、记忆体、音讯、触控、电源管理、WiFi、NFC等30馀个独立功能零件，20多个芯片，800多个元件，且厚度只有 1mm。
至于AirPods，因为之前两代的版本功能相对简单，所以早期没有採用SiP技术。
不过在今年10月底公布的AirPods Pro搭载主动降噪功能，需要整合更多电子元件，因此顺势导入SiP技术。
目前，全球SiP技术领先的厂商包括村田、Amkor、日月光等，中国厂方面则有环旭电子 (日月光集团)、长电科技。
环旭电子的SiP产品线主要是应用于手机和穿戴装置，其在天线设计、天线场型及效能模拟和测量方面能力突出。
长电科技旗下子公司星科金鹏则已打进国际手机大厂供应链中，为其提供SiP模组服务。
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