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5G手機里的封裝學問

發布日期：2020-06-10 11:46 發布人：秩名

目前，芯片的集成度越來越高，制程已經發展到了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，結合得最好得要數英特爾和臺積電了。雖說這兩家的業態不同，英特爾是IDM，臺積電是Foundry，但它們在發展先進制程工藝的同時，也都在積極研發自家的先進封裝技術，目前都處于行業前沿水平。

而看封測OSAT產業的話，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，也是各自所在地區的龍頭。

進入2020年以來，雖然疫情對封測業產生了很大的沖擊，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，下半年的封測產業形勢還是樂觀的。中國臺灣資策會產業情報研究所（MIC）表示，今年臺灣地區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字經濟商機，仍可支撐今年IC封測產業的表現。

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

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能力卻跟不上臺積電的發展步伐，現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預計于2021年5月完工，2021年中一期廠區可以運轉。

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，天線數量和射頻前端（RFFE）組件（PA、射頻開關、收發器等）的數量大增，而這正是先進封裝技術大顯身手的時候。

目前來看，SIP（系統級封裝）技術已經發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、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，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，晶圓制造工藝已經來到7nm時代，后續還會往5nm、3nm挑戰，但伴隨而來的是工藝難度將會急劇上升，芯片級系統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中發現了來自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，FO-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，FO-AiP能大幅縮小系統模組的體積，并讓信號更穩、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的發展態勢來看，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。（本文轉自網絡文章） 5G手機里的封裝學問

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