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5G手機里的封裝學問

發(fā)布日期：2020-06-10 11:46 發(fā)布人：秩名

目前，芯片的集成度越來越高，制程已經(jīng)發(fā)展到了7nm和5nm，隨著芯片制造水平的提升，對封裝技術也提出了更高的要求，在這些方面，結合得最好得要數(shù)英特爾和臺積電了。雖說這兩家的業(yè)態(tài)不同，英特爾是IDM，臺積電是Foundry，但它們在發(fā)展先進制程工藝的同時，也都在積極研發(fā)自家的先進封裝技術，目前都處于行業(yè)前沿水平。

而看封測OSAT產業(yè)的話，全球的焦點都在中國臺灣和大陸，日月光，及其收購的矽品，以及大陸的長電科技等，都是全球排名前五的封測企業(yè)，也是各自所在地區(qū)的龍頭。

進入2020年以來，雖然疫情對封測業(yè)產生了很大的沖擊，但隨著先進制程的推進，以及5G等新興應用的逐步落地，對先進封裝技術的發(fā)展起到了很大的刺激作用。因此，在疫情未結束的情況下，下半年的封測產業(yè)形勢還是樂觀的。中國臺灣資策會產業(yè)情報研究所（MIC）表示，今年臺灣地區(qū)IC封測產值可達新臺幣4786億元，較去年4769億元微幅增長0.35%。

MIC指出，盡管有疫情影響，使得終端消費性需求下滑，不過，5G逐步落地及疫情帶來的數(shù)字經(jīng)濟商機，仍可支撐今年IC封測產業(yè)的表現(xiàn)。

預估日月光投控第2季業(yè)績可望季增6%~9%，其中IC封裝測試及材料業(yè)績有望季增5%~6%，較去年同期增長約15%。預估力成第2季較第1季可實現(xiàn)小幅增長，下半年優(yōu)于上半年，使得全年業(yè)績有望實現(xiàn)同比正增長。

臺積電方面，原本就有其先進的封裝技術，如InFO、CoWoS等。在此基礎上，該公司仍在大力推進更先進的封裝技術產線建設。隨著臺積電芯片制造工藝提升，特別是其5nm產線于今年第二季度量產，3nm產線預計于2021年下半年試產。但是，一些封測大廠的先進封測技術和產業(yè)能力卻跟不上臺積電的發(fā)展步伐，現(xiàn)有封測廠難以滿足需求，因此，臺積電決定再投封測廠。5月27日，中國臺灣苗栗縣縣長徐耀昌在社交媒體上稱，臺積電將在該縣投資3032億新臺幣（約為人民幣723億元）建設一個先進封測廠。徐耀昌稱，該封測廠的北側街廓廠區(qū)預計于2021年5月完工，2021年中一期廠區(qū)可以運轉。

Gartner半導體研究副總裁盛陵海表示，臺積電此番設新廠主要是出于對先進封裝技術的需求，預計新廠將采用晶圓級封裝(WLP)技術，即在將整片晶圓進行封裝測試之后，再切割成單個芯片。這種技術下，芯片體積可以更小，且性能更佳。WLP是新興技術，需求一直在增加，所以臺積電需要新的工廠。

5G需要先進封裝技術

下面從技術層面看一下市場對先進封裝技術的需求，這里主要談一下5G。

隨著手機越來越輕薄，在有限的空間里要塞入更多組件，這就要求芯片的制造技術和封裝技術都要更先進才能滿足市場需求。特別是在5G領域，要用到MIMO技術，天線數(shù)量和射頻前端（RFFE）組件（PA、射頻開關、收發(fā)器等）的數(shù)量大增，而這正是先進封裝技術大顯身手的時候。

目前來看，SIP（系統(tǒng)級封裝）技術已經(jīng)發(fā)展到了一個較為成熟的階段，由于SoC良率提升難度較大。為了滿足多芯片互聯(lián)、低功耗、低成本、小尺寸的需求，SIP是一個不錯的選擇。SIP從封裝的角度出發(fā)，將多種功能芯片，如處理器、存儲器等集成在一個封裝模塊內，成本相對于SoC大幅度降低。另外，晶圓制造工藝已經(jīng)來到7nm時代，后續(xù)還會往5nm、3nm挑戰(zhàn)，但伴隨而來的是工藝難度將會急劇上升，芯片級系統(tǒng)集成的難度越來越大。SIP給芯片集成提供了一個既滿足性能需求又能減少尺寸的解決方案。

而為了滿足5G的需求，在SIP的基礎上，封裝技術還在演進。通過更先進的封裝技術，可解決產品尺寸過大、耗電及散熱等問題，并利用封裝方式將天線埋入終端產品，以提升傳輸速度。

以5G手機為例，應用講究輕薄短小、傳輸快速，且整體效能取決于核心的應用處理器（AP）芯片，而隨著5G高頻波段的啟用，負責傳輸信號的射頻前端（RFFE）和天線設計也越來越復雜，需要先進封裝技術的支持。

下面就從AP、RFFE和天線這三方面看一下先進封裝技術是如何應用的。

AP方面

要提升AP性能，除了晶圓制程微縮，還要依靠封裝技術協(xié)助，這里主要是以 POP（Package on package）封裝為主，通過POP堆疊DRAM，能有效提升芯片間的傳輸效率并減小體積。連接方式從傳統(tǒng)的打線（wire bonding）、覆晶（Filp chip）等，演進到目前的扇出型（Fan-out）封裝。扇出型封裝主要是利用RDL布線減少使用載板（substrate）。通過減少載板的使用，間接達到效能提升、改善散熱、減小產品尺寸，降低成本的目的。因此，AP多以扇出型POP封裝為主。

RFFE方面

Omdia分析了三星的5G手機Galaxy S20。該手機的RFFE不僅支持2G / 3G / 4G，還支持sub-6 GHz和毫米波5G。集成的PA是主要RFFE組件，其在很大程度上決定了該5G射頻前端的復雜性，要提升集成度，就必須采用更先進的封裝技術。

Galaxy S20采用了高通X55調制解調器支持FDD 5G，因為全球運營商可以通過低頻段提供必要的信號覆蓋范圍來大規(guī)模部署5G。低頻段PAMiD（具有集成雙工器的功率放大器模塊）對于5G Galaxy S20是必不可少的，這里采用的是Skyworks公司的產品。

下圖展示出了支持低頻帶連接所需的各種5G / 4G RF組件；天線開關、濾波器（SAW）、雙工器（用于FDD）和功率放大器（上行鏈路）。由于采用了先進封裝技術，與以前的類似尺寸封裝相比，PAMiD現(xiàn)在支持的低頻范圍更廣。此外，中高頻段LTE的PAMiD在5G設計中將LTE部分模塊化至關重要。由于大多數(shù)5G部署都是基于NSA的，因此存在錨定LTE信號至關重要。在三星Galaxy S20中發(fā)現(xiàn)了來自Qorvo的中高頻段PAMiD。

隨著5G的成熟，將需要毫米波（24GHz或更高）來繼續(xù)滿足對帶寬和容量不斷增長的需求。在新一代Samsung Galaxy S20 Ultra 5G智能手機中，除Sub-6GHz的RFFE外，還包括mmWave天線模塊。與Sub-6GHz的RFFE相比，mmWave天線模塊是RFFE系統(tǒng)集成的終極產品。三星內部的Qualcomm QTM525天線模塊包含從相控陣天線到RF收發(fā)器的所有組件。高集成度與mmWave衰減的特性有關。因此，要捕獲這些非常微弱的信號，必須縮短整個mmWave的RFFE鏈，以確保連接鏈路預算內的信號完整性。這些就需要先進的封裝技術。

RFFE是5G手機中最復雜的部分，依靠先進的封裝技術，手機廠商可以在越來越輕薄的智能手機中添加更多的無線連接器件。

天線方面

隨著高頻毫米波頻段導入商用，5G信號從1GHz以下延伸至超過 30GHz，其對天線的需求倍增，這使得天線尺寸、路徑損耗和信號完整性問題凸顯出來。

在天線數(shù)量激增、可用面積維持不變的情況下，AiP（Antenna in Package）封裝型式就成為了廠商的理想解決方案，AiP 主要采用SiP（System in Package）或PoP結構，將RF芯片置入封裝以達到縮小體積、減少傳輸距離，以降低信號傳輸時造成耗損之目的。結構上可利用RF芯片的位置將結構區(qū)分成兩種：一是包含在基板內部的結構，另一種是將RFIC置于基板外側的結構。

以日月光和力成的方案為例，這兩家封測廠都看好28GHz以上毫米波應用的未來商機，它們的AiP技術有望于明年進入量產階段。

日月光集團研發(fā)副總洪志斌表示，該公司的AiP在基板和扇出型技術上均有布局，其中，F(xiàn)O-AiP成本雖高于基板AiP 2-3倍，但預計隨著高端芯片需求提升，F(xiàn)O-AiP能大幅縮小系統(tǒng)模組的體積，并讓信號更穩(wěn)、效能更強。

除了可應用于28GHz、39GHz和77GHz等5G高頻段的基板制程毫米波AiP技術已步入量產外，預期FO-AiP有望在明年跟進量產。而華為海思、高通的AiP模組、RF前端模組（FEM）將是重要的先進封測訂單來源，也是各大封測廠爭奪的焦點。

結語

從5G的發(fā)展態(tài)勢來看，將有越來越多的芯片元器件被封裝在一起，而且它們的工作頻率要比4G和3G提高很多，這些元器件互相之間的干擾也會越來越復雜，需要做更好的屏蔽處理。這些都對先進封裝技術提出了更高的要求，同時也充滿著商機。（本文轉自網(wǎng)絡文章） 5G手機里的封裝學問

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