近年來(lái),摩爾定律逐漸進(jìn)入難以提升的“紅區(qū)”,集成電路也逐漸走到發(fā)展的瓶頸期。為進(jìn)一步提升集成電路系統(tǒng)性能、降低成本依賴、提升功能密度,先進(jìn)封裝技術(shù)正朝著高密度、高性能、低成本的方向發(fā)展。

圖:摩爾定律曲線

三十年前,封裝標(biāo)準(zhǔn)還是金屬封裝、塑料封裝、陶瓷封裝。如今,先進(jìn)封裝已經(jīng)進(jìn)入了“寒武紀(jì)”,各種封裝模式層出不窮。先進(jìn)封裝技術(shù)主要分為兩大類,一類是基于XY平面延伸,主要通過(guò)再分布層(RDL)進(jìn)行信號(hào)延伸和互聯(lián),包括倒裝芯片(Flip Chip)、扇出型晶圓級(jí)封裝(FOWLP)、扇出型面板級(jí)封裝(FOPLP)等。另一類是基于Z軸延伸,通過(guò)硅通孔(TSV)進(jìn)行信號(hào)延伸和互聯(lián),包括硅通孔(TSV)技術(shù)、襯底晶圓級(jí)芯片封裝(CoWoS)等。

其中,SiP(系統(tǒng)級(jí)封裝)成為后摩爾時(shí)代實(shí)現(xiàn)超高密度和多功能集成的關(guān)鍵技術(shù),在5G、人工智能、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。5月21日,第五屆中國(guó)系統(tǒng)級(jí)封裝大會(huì)在上海召開(kāi),來(lái)自SiP上下游的廠商進(jìn)行了專業(yè)的技術(shù)交流,共同探討SiP未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)演進(jìn)。

SiP持續(xù)創(chuàng)新

SiP技術(shù)應(yīng)用廣泛,采用SiP技術(shù)的產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景囊括了智能手表、智能眼鏡、TWS耳機(jī)等可穿戴設(shè)備,5G、AI等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用,以及智能汽車等多個(gè)領(lǐng)域。

《USI&ASE系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)發(fā)展路線圖》 環(huán)旭電子 趙健

從低端到高端,終端應(yīng)用中的各種I/O和封裝尺寸中都可以找到SiP技術(shù)的身影。芯片的高度集成化要求SiP封裝不斷迭代升級(jí),以滿足高性能和低時(shí)間成本的異構(gòu)集成需求。在移動(dòng)前端和高性能計(jì)算(HPC)市場(chǎng),SiP封裝技術(shù)不斷推進(jìn)和革新。異構(gòu)集成和Chiplets(小芯片)也逐漸成為推動(dòng)高性能計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

圖:SiP封裝模式

圖:SiP封裝技術(shù)發(fā)展路線

超越摩爾定律

摩爾定律發(fā)展至今,半導(dǎo)體工藝制程已經(jīng)接近物理極限,由此分散出兩條道路:摩爾定律和超越摩爾定律。SoC(片上系統(tǒng))是將所有電子元器件集成到一個(gè)芯片上,以組成獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng),它將繼續(xù)沿用摩爾定律,朝更加小型化方向緩慢發(fā)展。SiP則是將多種功能芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能/系統(tǒng),是超越摩爾定律的重要路徑。

根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體路線組織(ITRS)的定義,SiP是指將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無(wú)源器件,以及諸如MEMS、光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起,實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件,形成一個(gè)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。

超越摩爾定律將芯片發(fā)展從一味追求功耗下降及性能提升,轉(zhuǎn)向更加務(wù)實(shí)多樣的市場(chǎng)需求滿足。集成電路及系統(tǒng)復(fù)雜度不斷增加,封裝集成度不斷上升,未來(lái)芯片的發(fā)展方向應(yīng)該是SoC與SiP深度融合,賦能系統(tǒng)更高的性能和價(jià)值。

圖:摩爾定律VS超越摩爾定律

SiP市場(chǎng)大有可為

在摩爾定律式微的趨勢(shì)下,隨著5G、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的不斷融合升級(jí),對(duì)芯片封裝技術(shù)的要求也日益增長(zhǎng)。當(dāng)單芯片集成進(jìn)展停滯的時(shí)候,SiP脫穎而出。

SiP具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì),可以從XYZ三軸方向?qū)δ＝M進(jìn)行縮小,為終端設(shè)備提供更多的空間,整合FATP(最后試驗(yàn)裝配和包裝)工序流程,極大降低FATP難度。此外,SiP提供模組化封裝技術(shù),提供更好的電磁屏蔽方式,提高系統(tǒng)可靠性,降低整體生產(chǎn)成本。

《USI&ASE系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)發(fā)展路線圖》 趙健 環(huán)旭電子

憑借其低成本、高效率、簡(jiǎn)單的制造流程等優(yōu)勢(shì),SiP技術(shù)在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、工業(yè)控制、智能汽車等新興領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。據(jù)Yole報(bào)告顯示,2019年SiP市場(chǎng)份額達(dá)134億美元,預(yù)計(jì)到2025年市場(chǎng)份額將增長(zhǎng)至188億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)6%。未來(lái)五年,SiP市場(chǎng)持續(xù)向好,大有可為。

圖:2019-2025年SiP市場(chǎng)份額預(yù)測(cè)

《系統(tǒng)級(jí)封裝關(guān)鍵技術(shù)及在智能終端的應(yīng)用》 田德文 歌爾微電子

根據(jù)Markets&Markets報(bào)告顯示,射頻前端應(yīng)用成為SiP最大的市場(chǎng)。而Yole表示,未來(lái)五年,可穿戴設(shè)備、Wi-Fi路由器和物聯(lián)網(wǎng)將在SiP市場(chǎng)領(lǐng)域顯著增長(zhǎng),5G和物聯(lián)網(wǎng)成為主要驅(qū)動(dòng)力。

5G的迅速發(fā)展也帶動(dòng)了5G封裝市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大。2020年5G封裝市場(chǎng)規(guī)模為5．1億美元,預(yù)期將以31%的年復(fù)合增長(zhǎng)率成長(zhǎng),至2026年達(dá)到約26億美元。

圖:5G 封裝為 SiP 業(yè)務(wù)帶來(lái)創(chuàng)新技術(shù)和新機(jī)遇

SiP封裝技術(shù)市場(chǎng)空間廣闊,相較于傳統(tǒng)封裝性能優(yōu)勢(shì)顯著。SiP上下游企業(yè)正積極布局,擴(kuò)大SiP產(chǎn)品應(yīng)用版圖,加速SiP工藝優(yōu)化升級(jí),超越摩爾定律限制,促進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)蓬勃發(fā)展。脫離摩爾定律發(fā)展規(guī)律,SiP將成為超越摩爾定律的殺手锏,助力集成電路小型化、系統(tǒng)化發(fā)展。