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SiP 封装:苹果 Apple Watch 市占率一半以上的“秘密武器”

发布时间:2021-9-29 ┊ 文章作者:豪迪群发

智能穿戴设备机器设备的微型化,对硬件配置芯片明确提出了容积规定,怎样在更小的区域内搭建作用更为充足的芯片系统软件变成难点。为处理这一难题,iPhone在打造出 Apple Watch 时,其芯片应用了 SiP 封装技术性,并提升大量的作用。SiP 到底是啥?同别的封装技术性对比又强在哪儿?紧紧围绕这一话题讨论,外国媒体创作者 Mark Lapedus 进了深层次讲解,雷锋网对这篇文章开展了不更改本意的编译程序。

在新式电子设备的研发中,IC 封装不断饰演关键人物角色,尤其是系统软件级封装(SiP,System in Package)销售市场驱动力十足,因其增加的一些优点而备受关注。

应用 SiP,好几个芯片和别的组件都集成化到同一个封装系统软件中,做为电子系统或分系统运作。SiP 在有空间限定的情形下特别是在合理,比如在手机和智能穿戴设备中,iPhone的很多商品都使用了 SiP。

追朔历史时间,SiP 的观念最开始出现于 20 新世纪 80 时代,发展趋势距今形式多样,但是不一样的企业对其的界定不尽相同,SiP 既能够指芯片的集合体,还可以指将不一样的芯片控制模块组合到电子系统或分系统中的方式。SiP 能够将芯片、无源器件及其 MEMS 的一切组件组合并封装到一起。

开发设计 SiP,顾客必须组合多种多样技术性,比如组件、互联、原材料和封装构架,随后在芯片加工或测封厂处进行生产制造。

▲ 含有 CPU 和内存条的 SiP 多芯片控制模块实例

SiP 和 Chiplet 不一样,但有一些共同之处。这2种办法全是为解决在新连接点上开发设计 SoC 的工艺和成本费难点。但是针对 Chiplet 来讲,经销商或封装企业也许会给予芯片或小芯片控制模块,随后在优秀封装中混和配对,建立对于特殊行业或运用的系统软件。

目前为止,仅有intel、AMD 和 Marvell 等极少数大企业开发设计了相近 Chiplet 的设计方案,晶圆代工厂和测封厂已经勤奋挤入这一销售市场。

比较之下,很多年至今,SiP 中使用到的组件更非常容易得到。Yole Development 最新数据表明,SiP 销售市场已经有一定经营规模,预估到 2026 年,这一市场容量将从 2020 年的 140 亿美金上升到 190 亿美金。

TechSearch International 首席总裁 Jan Vardaman 表明:“现如今基本上所有的运用都是会使用 SiP ,比如智能机、智能穿戴设备、电子计算机、电信网和车辆。”

芯片封装不计其数,SiP 使用价值突显

并不是所有的的体系都须要使用 SiP ,但是做为一种不用将全部零元器件都塞入同一颗芯片且能迅速建立复杂系统芯片的计划方案,合适作为在最领先的加工工艺连接点上开发设计不一样网络加速器和储存器,及其在完善加工工艺连接点上开发设计仿真模拟芯片。

显而易见,现如今仍然必须迅速的芯片来增强操作系统的计算水平,D2S CEO Aki Fujimura 表明:“不容置疑,假如设计方案制作出一款芯片,可以以比如今快 10 倍的效率开展测算,其经济效益和市场竞争力将获得巨大提高。”

IC 封装能够防护各种各样芯片免遭危害并提升 die(裸片) 的特性。目前为止,业界早已研发出 1000 各种不同的封装种类,芯片顾客还可以依据芯片运用而选用不一样的封装种类。一些情况下,SiP 使用价值突显。

SiP 最开始能够上溯到 20 新世纪 80 时代,那时候 IBM 为其高档电子计算机开发设计了多芯片控制模块(MCM),做为 SiP 初始方式的一种,MCM 将很多的 die 集中化到同一个控制模块中。

自当时起,SiP 持续发展趋势,在最后制成品或优秀封装中集成化各种各样组件。SiP 能够是这种封装的定做版本号,也是有一些见解将对映异构集成化分类到普遍的 SiP 范畴内,对映异构集成化即在优秀封装里将繁杂的 die 拼装在一起。

Amkor 高級 SiP 产品研发首席总裁 Curtis Zwenger 表明:“SiP 包括很多不一样的服务支持,能够适用诸多市场细分。大家对于 SiP 服务项目的销售市场包含无线网络、物联网技术、车辆、电池管理和互联网。”

互联是芯片封装技术性的一种,就是指将一个 die 联接到另一个 die,引线键合、倒装句芯片、圆晶级封装(WLP)和硅埋孔(TSV)都是会使用互联技术性。

TechSearch 数据信息表明,现如今大概 75%  到 80% 的封装都根据引线键合,根据焊线机的细丝将一个芯片手术缝合到另一个芯片或基材上。

但是,焊线机也用在别的很多封装方法中,比如正方形平扁无脚位封装(QFN)。“大家己经看到了 6mm x 6mm 的 QFN,并在这其中置放了 15 个组件,大家看到了一些层叠在那里的组件,大部分是一个中小型 QFN 内的体系级封装。”QP Technologies 的高級工艺工程师 Sam Sadri 说。

在倒装句芯片中,芯片的顶端有很多细微的铜突点,旋转元器件,凸块落在锡焊盘上,产生保护接地,便安裝在独立的 die 或基材上。

很多芯片封装都是会使用倒装句芯片,如两面模制作而成的球栅列阵(DSMBGA),一些测封厂早已研发出 DSMBGA 封装,Amkor 是全新一家开发设计出这一封装方法的企业。

在 DSMBGA 中,组件根据基材的上方和底端,减少了封装规格,而且减少了元件的数据信号途径 ,能够调节组件以开启 SiP 。DSMBGA 存有于智能机和其它设备中,在手机中包含用以解决推送或接收讯号的数据控制模块和 RF 前面控制模块一部分。

“两面封装技术性增强了用以智能机和别的移动设备的射频前端的集成化水准。”Amkor 的 Zwenger 讲到。“一般,射频前端集成化功率放大电路、电源开关、过滤器和低噪音放大仪(LNA),这种恰好是我们在 DSMBGA 中见到的集成化元器件,自然这还可以用别的方法集成化,但是两面集成化最好的选择。”

在手机中,功率放大电路提升输出功率,LNA 放尺寸数据信号,过滤器能够进行过滤掉不重要的数据信号,而 RF 电源开关则将讯号从一个构件变换到另一个构件。

▲ DSMBGA 封装

扇出式 WLP 是 SiP 的一种,DRAM die 在逻辑性芯片上的层叠便是扇出型 WLP 的案例。

2.5D 或 3D 用以优秀封装,在 2.5D 或 3D 中,die 层叠起來或并列置放在中介公司层的顶端,中介公司层包括 TSV。

▲ 大数据处理封装的不一样选择项:2.5D 与 FOCoS

智能穿戴设备销售市场为 SiP 给予销售市场驱动力

智能穿戴设备是 SiP 的一大驱动力。iPhone、FitBit/Google、华为公司、三星、小米手机等企业都是在这一市面上进行市场竞争。据 Yole 表明,头戴式耳机/耳戴式商品是智能穿戴设备销售市场中最高的市场细分,次之是腕戴式商品、人体配戴式商品和智能服装。

消費电子城的 SiP 业务流程使用价值 119 亿美金。Yole 有关统计数据表明,智能穿戴设备的 SiP 销售市场在 2020 年的服务使用价值为 1.84 亿美金,仅占全部消費电子城 SiP 的 1.55% ,预估到 2026 年,智能穿戴设备 SiP 销售市场将做到 3.98 亿美金,年增长率达 14%。

尽管每一种智能穿戴设备的特性都不尽相同,但产品需求类似。“智能穿戴设备的主要要求是功能好、品质轻、舒适感和粘合力好些,精确测量作用結果精确且有着大量丰富多彩的作用。”ASE 的营销推广副主管 Henry Lin 在 IMAPS 近期的专业系统软件级封装(SiP)技术性大会的演说中讲到。

针对智能手环特别是在这般。最新苹果手机一代智能手环 Apple Watch Series  6,作用多种多样,可以检验氧饱和度,也是有心电图检查(ECG)作用。

Watch Series 6 中,iPhone的 S6 根据 SiP 封装技术性融合了一颗苹果 A13 运用CPU和一些别的作用的CPU,A13 选用tsmc 7nm 加工工艺制造,紧紧围绕 Arm 双核处理器 64 位CPU搭建而成。

“iPhone用 InFO 技术性封装运用CPU,iPhone和他知名品牌的智能手环中也有很多CPU选用 SiP,”TechSearch 的 Vardaman 说。在其中,InFO 是tsmc的集成化扇出封装技术性。

也是有一些智能手环选用不一样的封装方法。但是,基本上任何的 OEM 都遭遇一些同样的挑戰。

“大家期待手腕子或耳垂上穿戴的事物不容易拥有所有室内空间,这须要在产品研发全过程中潜心微型化。”FitBit/Google硬件配置工程经理 Pieris Berreitter 在 IMAPS 的 SiP 大会上的演说上说。

为了更好地生产制造出更小规格的商品,FitBit 选用了一种新的设计方法,应用公司分立芯片开发设计给出智能穿戴设备的频射一部分,随后将其拼装到基材上。

“在 2018 年以前,大家已经为咱们的无线通信搭建公司分立芯片设计方案,以处理 RF 挑戰,”Berreitter 说。“过去了一段时间,无线通信设计方案从一个商品到另一商品、从一代到另一代,看上去全是一样的。”

那时候 FitBit 逐渐关心 SiP。它调查了开发设计 SiP 的好多个规范,如总面积、成本费、生产制造、稳定性、器重、检测和上市时间。

依据 Berreitter 的观点,SiP 也是有一些优点和缺点,因而必须做出衡量。其优势包含:

  • 很多个分立元件组合在一个封装系统软件中,节约了线路板的室内空间;

  • 容许多次重复使用仿真模拟或频射芯片;

  • 节约频射检测的时间段或成本费;

  • 优良的稳定性。

但是,SiP 也是有生产制造时间长,有时候战况立解决方法成本费更贵重的缺陷存有。

最后,FitBit 从所有应用公司分立解决方法转为一部分商品应用 SiP。

在较旧的智能手环中,FitBit 在 10 mm x 20 mm 的板上集成化了好几个公司分立机器设备,比如微处理器、运行内存、GPS 和各种各样频射芯片(手机蓝牙、WiFi);在 2019 年发布的 Versa 2 智能手环中,FitBit 在 SiP 中集成化了频射组件(手机蓝牙、WiFi),使其可以在更小的 10 mm x 9 mm 板中降低频射占有室内空间。MCU 和储存器依然是公司分立商品。

Berreitter 说:“我们知道大家会再一次应用非常简单、风险性较小的系统软件,大家将这种系统软件微型化,为商品增加新作用造就了室内空间。大家采用了同样的无线通信构架,但咱们可以为无线通信应用一些更小的组件和更严苛的间隔标准。”

SiP 也有别的优势。“因为 SiP 的总面积更小,大家可以从双面板变化为单面铝基板。我们可以在商品中运用这一点,将线路板的反面作为无线天线谐振器的一侧。如今,大家拥有更薄的设备和更快的无线天线特性,”Berreitter 说。“依靠 Versa 2,无线通信 SiP 使大家可以带来更长的电池循环次数、用以视频语音輔助的话筒和更快的展示实际效果。”

SiP 对芯片中间的拦截作用也是有一些危害。屏蔽掉用以阻拦频射组件中间的影响,因此,OEM 应用称之为屏蔽掉罐的小型机壳,并将这种遮盖 RF 集成ic的机壳电焊焊接到电路板上。

在分立器件的解决方法中,屏蔽掉作用的建立会占有线路板室内空间,但经过在 SiP 中组成集成ic,OEM 能够降低屏蔽掉元器件,但是屏蔽掉依然涉及到好多个挑戰。

长电科技(JCET)全世界技术性营销推广高級主管 Michael Liu 表明:“就智能穿戴设备来讲,SiP 中内嵌了好几个 RF 无线通讯电源电路。他们对其他种类的影响都很比较敏感,但他们也是不一样的频率段。”

此外,FitBit 并沒有将所有的部件都集成到一个 SiP 中,即 DRAM。伴随着時间的变化,DRAM 构件将会会经过数次修定,因而在设计里将最新版作为公司分立构件更加有意义。

在近期的 Sense 智能手环中,FitBit 沒有将心电图检查作用集成到 SiP 中。Berreitter 表述道,像 ECG 那样的繁杂作用必须更多的時间看来发,因而应用分立器件的解决方法更强。

耳戴式机器设备是另一个大市场,iPhone的 AirPods 将iPhone的 H1 集成ic和声频核心集成在一个 SiP 中,Yole 称,在其中还包含一个加速度传感器和手机陀螺仪。

憧憬未来,OEM 生产商已经开发设计更智能的智能穿戴设备,这产生了一些挑战。Yole 投资分析师 Santosh Kumar 表明:“必须更薄、更聚集和能耗等级高些的 PCB 封装设计,以达到各种各样诊疗和顾客智能穿戴设备的规定。”

5G,SiP 另一大销售市场

SiP 也出现于 4G 和 5G 智能机中。

现如今绝大部分wifi网络都紧紧围绕 4G LTE 规范运作,该规范在 450MHz 至 3.7GHz 频率段范畴内。此外,5G 已经2个不一样的工作频率范畴内开展布署 —— 小于 6GHz 和毫米波(28GHz 及之上)。与 4G 对比,5G 服务承诺带来的移动互联网速率延迟时间减少 10 倍、货运量提升 10 倍、频带高效率提升 3 倍。

在wifi网络中,营运商布署具备规模性 MIMO 天线系统软件的超大蜂窝状塔。融合小型天线,规模性 MIMO 应用波束成形技术性向终端产品推送和传输数据信号。

现如今 5G 落地式状况有喜有忧。“小于 6GHz 的 5G 版本号已经世界范畴内快速落地式,”连电科研开发高级副总裁 Raj Verma 说。“可是,针对毫米波来讲,发布需要的时长比预计的更长。毫米波落地式必须提升很多在土地资源和工程建筑基础设施建设上的项目投资。除此之外,毫米波的设计和系统软件也更为繁杂,开发设计的时间也更长。”

毫米波自身也具备视角限定、过墙工作能力低和有效射程短的难题。但是,迄今为止,iPhone和三星早已在他们的智能手机中布署了一部分毫米波频率段。

从部件的视角看来,小于 6GHz 的 5G 智能机类似与 4G 手机上相近,其系统软件由数据模块和射频前端模块构成。主天线是单独的,与手机上一起运作。

5G 毫米波手机上则不一样。依据 System Plus 的观点,在 iPhone 12 的关键由好多个部件构成 —— 一个调制调解器、一个高频 IC、一个射频前端模块、2个天线列阵和一个封装天线 (AiP)。

“手机上身后的 5G 毫米波天线由 16 个微波感应器天线模块构成,该模块搭建在 8 层基材上,”System Plus 表明:“在手机侧边,集成了 AIP 模块用以侧边通讯。”

毫米波必须 AiP,AiP 的设计逻辑性是想让射频芯片离天线更近,以增强信号并最大限度地降低系统软件耗损。

AiP 模块由双层贴片式天线构成,坐落于天线边上的 SiP 包含一个 RF 光端机、一个电池管理 IC 和无源器件。

总而言之,5G 毫米波构架繁杂且难以达到。“5G 必须很大的输出功率功放机和电池管理。因而,大家必须考虑到排热难题,必须科学研究如何使其更高效率,”长电科技 CTO Choon Lee 在 IMAPS 的 SiP 大会上说。

也有其它难题。“在 4G 和 5G 中间,系统软件中加入了很多新頻率,便于可以达到高些的效率规定。拥有这种附加的頻率,就增加了对机器设备射频前端一部分的规定,”ASE 工程项目和营销推广高級主管 Mark Gerber 在运动的分组讨论上说。

“也有很多额外部件。重要挑戰之一就是你没法再次拓展手机上室内空间。针对手机生产厂家而言,他们的关键是具有越多的蓄电池供电系统室内空间。为了更好地可以实现这一点,必须越来越多的集成,不论是将附加的頻率组成到单独 RF 前面封装或模块中,或是找寻别的简单化全部系统软件解决办法的方式。销售市场上面有许多封装解决方法已经不断地发展趋势,以试着处理这其中的一些挑戰。”

5G 手机上使用了各种不同封装种类和模块的集成ic。假如要为 5G 毫米波开发设计封装方法,那麼这个测封企业必须具备优良的天线设计和部件设计工作能力,还必须具有较好的生产和测试步骤。此外,原材料和板材一样是重要。

一般,这种集成ic可用以 5G 毫米波,设计天线并将其集成到封装中是一门造型艺术。

以 AiP/SiP 模块为例子,“在同样的辐射源下,AiP 必须比对应的公司分立 PCB 天线小两到四倍,”长电科技的 Liu 说。“总体来说,AiP 模块会造成天线自动调谐难题,因而须要越来越多的 RF 设计,为了更好地完成毫米波 AiP,一般必须密度高的压层基材。”

板材在这儿起着主导作用。“这种优秀系统软件的最大的难题是必须更薄的基材、低总薄厚转变 (TTV)、极低缺点、强粘合力、地应力操纵及其中下游生产加工(如淬火和金属材料堆积)的肯定高溫可靠性,”Brewer Science 的 WLP 原材料监事会主席 Kim Yess 说。

用以 5G 毫米波的 AiP 基材尤其繁杂。“为了更好地达到她们须要的性能指标和低内寄生效用,她们一定在基材设计中选用一些不一样的局部变量,”Amkor 的 Zwenger 说。“针对毫米波,她们务必逐渐考虑到十分薄的电解介质和低 Dk/Df 特点。因而,她们已经找寻具备丙烯酸树脂塑料薄膜的圆晶级。”

更繁杂的是,伴随着这种封装的市场价值升高,必须有一种方式来检测这种机器设备。TEL 经理 Yohei Sato 表明:“伴随着半导体设备经营规模的不断发展,用以集成好几个对映异构机器设备的优秀封装技术性的引进已经加快,在其中圆晶检测的重要程度比过去任何时刻都大。”

总结

SiP 是一种也就能技术性,你肯定不会在任何地方见到 SiP,由于他们根据 Chiplet 呈现出去。但是 Chiplet 和 SiP 全是有效的方式,OEM 必须掌握全部可以保持新设计的技术性。

文章内容编译程序自 Semiconductor Engineering