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5G手機(jī)里的封裝學(xué)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(duì)封裝技術(shù)也提出了更高的要求，在這些方面，結(jié)合得最好得要數(shù)英特爾和臺(tái)積電了。雖說這兩家的業(yè)態(tài)不同，英特爾是IDM，臺(tái)積電是Foundry，但它們?cè)诎l(fā)展先進(jìn)制程工藝的同時(shí)，也都在積極研發(fā)自家的先進(jìn)封裝技術(shù)，目前都處于行業(yè)前沿水平。

而看封測(cè)OSAT產(chǎn)業(yè)的話，全球的焦點(diǎn)都在中國(guó)臺(tái)灣和大陸，日月光，及其收購(gòu)的矽品，以及大陸的長(zhǎng)電科技等，都是全球排名前五的封測(cè)企業(yè)，也是各自所在地區(qū)的龍頭。

進(jìn)入2020年以來，雖然疫情對(duì)封測(cè)業(yè)產(chǎn)生了很大的沖擊，但隨著先進(jìn)制程的推進(jìn)，以及5G等新興應(yīng)用的逐步落地，對(duì)先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展起到了很大的刺激作用。因此，在疫情未結(jié)束的情況下，下半年的封測(cè)產(chǎn)業(yè)形勢(shì)還是樂觀的。中國(guó)臺(tái)灣資策會(huì)產(chǎn)業(yè)情報(bào)研究所（MIC）表示，今年臺(tái)灣地區(qū)IC封測(cè)產(chǎn)值可達(dá)新臺(tái)幣4786億元，較去年4769億元微幅增長(zhǎng)0.35%。

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

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

臺(tái)積電方面，原本就有其先進(jìn)的封裝技術(shù)，如InFO、CoWoS等。在此基礎(chǔ)上，該公司仍在大力推進(jìn)更先進(jìn)的封裝技術(shù)產(chǎn)線建設(shè)。隨著臺(tái)積電芯片制造工藝提升，特別是其5nm產(chǎn)線于今年第二季度量產(chǎn)，3nm產(chǎn)線預(yù)計(jì)于2021年下半年試產(chǎn)。但是，一些封測(cè)大廠的先進(jìn)封測(cè)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)能力卻跟不上臺(tái)積電的發(fā)展步伐，現(xiàn)有封測(cè)廠難以滿足需求，因此，臺(tái)積電決定再投封測(cè)廠。5月27日，中國(guó)臺(tái)灣苗栗縣縣長(zhǎng)徐耀昌在社交媒體上稱，臺(tái)積電將在該縣投資3032億新臺(tái)幣（約為人民幣723億元）建設(shè)一個(gè)先進(jìn)封測(cè)廠。徐耀昌稱，該封測(cè)廠的北側(cè)街廓廠區(qū)預(yù)計(jì)于2021年5月完工，2021年中一期廠區(qū)可以運(yùn)轉(zhuǎn)。

Gartner半導(dǎo)體研究副總裁盛陵海表示，臺(tái)積電此番設(shè)新廠主要是出于對(duì)先進(jìn)封裝技術(shù)的需求，預(yù)計(jì)新廠將采用晶圓級(jí)封裝(WLP)技術(shù)，即在將整片晶圓進(jìn)行封裝測(cè)試之后，再切割成單個(gè)芯片。這種技術(shù)下，芯片體積可以更小，且性能更佳。WLP是新興技術(shù)，需求一直在增加，所以臺(tái)積電需要新的工廠。

5G需要先進(jìn)封裝技術(shù)

下面從技術(shù)層面看一下市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)封裝技術(shù)的需求，這里主要談一下5G。

隨著手機(jī)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(shù)和封裝技術(shù)都要更先進(jìn)才能滿足市場(chǎng)需求。特別是在5G領(lǐng)域，要用到MIMO技術(shù)，天線數(shù)量和射頻前端（RFFE）組件（PA、射頻開關(guān)、收發(fā)器等）的數(shù)量大增，而這正是先進(jìn)封裝技術(shù)大顯身手的時(shí)候。

目前來看，SIP（系統(tǒng)級(jí)封裝）技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)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(gè)不錯(cuò)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(chǔ)器等集成在一個(gè)封裝模塊內(nèi)，成本相對(duì)于SoC大幅度降低。另外，晶圓制造工藝已經(jīng)來到7nm時(shí)代，后續(xù)還會(huì)往5nm、3nm挑戰(zhàn)，但伴隨而來的是工藝難度將會(huì)急劇上升，芯片級(jí)系統(tǒng)集成的難度越來越大。SIP給芯片集成提供了一個(gè)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(chǔ)上，封裝技術(shù)還在演進(jìn)。通過更先進(jìn)的封裝技術(shù)，可解決產(chǎn)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(chǎn)品，以提升傳輸速度。

以5G手機(jī)為例，應(yīng)用講究輕薄短小、傳輸快速，且整體效能取決于核心的應(yīng)用處理器（AP）芯片，而隨著5G高頻波段的啟用，負(fù)責(zé)傳輸信號(hào)的射頻前端（RFFE）和天線設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜，需要先進(jìn)封裝技術(shù)的支持。

下面就從AP、RFFE和天線這三方面看一下先進(jìn)封裝技術(shù)是如何應(yīng)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(shù)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(jìn)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(dá)到效能提升、改善散熱、減小產(chǎn)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(jī)Galaxy S20。該手機(jī)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(fù)雜性，要提升集成度，就必須采用更先進(jìn)的封裝技術(shù)。

Galaxy S20采用了高通X55調(diào)制解調(diào)器支持FDD 5G，因?yàn)槿蜻\(yùn)營(yíng)商可以通過低頻段提供必要的信號(hào)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(duì)于5G Galaxy S20是必不可少的，這里采用的是Skyworks公司的產(chǎn)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(guān)、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(jìn)封裝技術(shù)，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(shè)計(jì)中將LTE部分模塊化至關(guān)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(hào)至關(guān)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(duì)帶寬和容量不斷增長(zhǎng)的需求。在新一代Samsung Galaxy S20 Ultra 5G智能手機(jī)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(chǎn)品。三星內(nèi)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(guān)。因此，要捕獲這些非常微弱的信號(hào)，必須縮短整個(gè)mmWave的RFFE鏈，以確保連接鏈路預(yù)算內(nèi)的信號(hào)完整性。這些就需要先進(jìn)的封裝技術(shù)。

RFFE是5G手機(jī)中最復(fù)雜的部分，依靠先進(jìn)的封裝技術(shù)，手機(jī)廠商可以在越來越輕薄的智能手機(jī)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(dǎo)入商用，5G信號(hào)從1GHz以下延伸至超過 30GHz，其對(duì)天線的需求倍增，這使得天線尺寸、路徑損耗和信號(hào)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(jié)構(gòu)，將RF芯片置入封裝以達(dá)到縮小體積、減少傳輸距離，以降低信號(hào)傳輸時(shí)造成耗損之目的。結(jié)構(gòu)上可利用RF芯片的位置將結(jié)構(gòu)區(qū)分成兩種：一是包含在基板內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，另一種是將RFIC置于基板外側(cè)的結(jié)構(gòu)。

以日月光和力成的方案為例，這兩家封測(cè)廠都看好28GHz以上毫米波應(yīng)用的未來商機(jī)，它們的AiP技術(shù)有望于明年進(jìn)入量產(chǎn)階段。

日月光集團(tuán)研發(fā)副總洪志斌表示，該公司的AiP在基板和扇出型技術(shù)上均有布局，其中，F(xiàn)O-AiP成本雖高于基板AiP 2-3倍，但預(yù)計(jì)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(hào)更穩(wěn)、效能更強(qiáng)。

除了可應(yīng)用于28GHz、39GHz和77GHz等5G高頻段的基板制程毫米波AiP技術(shù)已步入量產(chǎn)外，預(yù)期FO-AiP有望在明年跟進(jìn)量產(chǎn)。而華為海思、高通的AiP模組、RF前端模組（FEM）將是重要的先進(jìn)封測(cè)訂單來源，也是各大封測(cè)廠爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。

結(jié)語

從5G的發(fā)展態(tài)勢(shì)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(huì)越來越復(fù)雜，需要做更好的屏蔽處理。這些都對(duì)先進(jìn)封裝技術(shù)提出了更高的要求，同時(shí)也充滿著商機(jī)。（本文轉(zhuǎn)自網(wǎng)絡(luò)文章） 5G手機(jī)里的封裝學(xué)問

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