全球的智能手表市場(chǎng)仍看不到增長(zhǎng)的邊界。這個(gè)消費(fèi)電子新貴市場(chǎng)由蘋(píng)果公司所統(tǒng)治著，平均每3臺(tái)智能手表中就有一臺(tái)是Apple Watch。

 

Apple Watch不但引領(lǐng)了時(shí)尚的風(fēng)潮，還帶動(dòng)一項(xiàng)半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步。這就是將多個(gè)芯片封裝在一起的SiP(System-in-Package，系統(tǒng)級(jí)封裝)技術(shù)，其不但縮小了產(chǎn)品空間，還解決了困擾業(yè)界的異質(zhì)芯片融合問(wèn)題。

 

在摩爾定律逐漸式微的今天，SiP已經(jīng)被看做是半導(dǎo)體技術(shù)突破的新希望。

 

 

從第一代Apple Watch開(kāi)始，蘋(píng)果就在S芯片中使用了SiP封裝，并沿用至今。以2019 年 9 月發(fā)布的第五代 Apple Watch S5為例，其普通版通過(guò)SiP方案將應(yīng)用處理器(AP)、電源管理單元(PMU)、音頻芯片、調(diào)制解調(diào)器芯片以及充電芯片等芯片封裝在約700mm2大小 PCB 上，并在SiP模塊背面集合了慣性測(cè)量單元(IMU)和GPS前端模組;蜂窩板S5則在此基礎(chǔ)上增加了額外的射頻前端模組(RFFE) 和調(diào)制解調(diào)器芯片(Modem)。

 

 

其實(shí)，在更早一年發(fā)布的iPhone 6中，蘋(píng)果已經(jīng)提前試水，為手機(jī)Wi-Fi模組使用了SiP封裝。

 

SiP技術(shù)發(fā)源已久，在蘋(píng)果介入之前并無(wú)很大的起色，市場(chǎng)接受程度不高。蘋(píng)果的入局成為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而三星等消費(fèi)電子大廠紛紛跟進(jìn)，終讓風(fēng)向發(fā)生變化。

 

與芯片上使用的SoC技術(shù)相比，SiP系統(tǒng)集成度高，但研發(fā)周期反而短。因?yàn)镾iP技術(shù)能減少芯片的重復(fù)封裝，降低布局與排線難度。所以，SiP技術(shù)非常適用于更新周期短的通訊及消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)。

 

異質(zhì)集成一直是芯片界的大難題，但是SiP就能手到擒來(lái)。手機(jī)射頻系統(tǒng)的不同零部件往往采用不同材料和工藝，包括硅，硅鍺和砷化鎵以及其他無(wú)源元件。目前的技術(shù)還不能將這些不同工藝技術(shù)制造的零部件集成在一塊硅芯片上。但是SiP工藝卻可以應(yīng)用表面貼裝技術(shù)SMT集成硅和砷化鎵芯片，還可以采用嵌入式無(wú)源元件，非常經(jīng)濟(jì)有效地制成高性能RF系統(tǒng)。光電器件、MEMS等特殊工藝器件的微小化也將大量應(yīng)用SiP工藝。

 

5G時(shí)代的智能手機(jī)更是能充分發(fā)揮SiP技術(shù)的特長(zhǎng)。5G手機(jī)需要前向兼容2/3/4G通信制式，本身單臺(tái)設(shè)備所需射頻前端模組數(shù)量就將顯著提升。單部手機(jī)射頻半導(dǎo)體用量相比4G手機(jī)近乎翻倍增長(zhǎng)。其中，接收/發(fā)射機(jī)濾波器從30個(gè)增加至75個(gè)，包括功率放大器、射頻開(kāi)關(guān)、頻帶等都有至少翻倍以上的數(shù)量增長(zhǎng)。器件數(shù)量的大幅增加將顯著提升結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，并提高封裝集成水平的要求。

 

運(yùn)用了SiP技術(shù)，這些就可以迎刃而解。不但可以帶來(lái)更多的射頻前端SiP模組，還可以將毫米波天線與射頻前端形成AiP天線模組，甚至可以將基帶、數(shù)字、內(nèi)存等更多零部件整合為更大的SiP模組。

 

高通已成功商業(yè)化Qualcomm System-in-Package（QSiP）模組就是一個(gè)典范。QSiP將應(yīng)用處理器、電源管理、射頻前端、WiFi等連接芯片、音訊編解碼器和內(nèi)存等400多個(gè)零部件放在一個(gè)模組中，為電池、攝像頭等功能提供了更大空間。

 

蘋(píng)果近年來(lái)還將SiP運(yùn)用到Airpods Pro中，在滿足了性能要求的同時(shí)也釋放了寶貴的空間，使得SiP又進(jìn)入到TWS耳機(jī)這個(gè)新熱點(diǎn)中。

 

對(duì)TWS耳機(jī)來(lái)說(shuō)，SiP封裝工藝的3D堆疊特性，能夠讓耳機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各個(gè)組件基于人耳形狀布局，還可實(shí)現(xiàn)更多功能芯片和模組的有機(jī)結(jié)合，以及提升耳機(jī)舒適度、貼合度及穩(wěn)定性。據(jù)歌爾聲學(xué)的相關(guān)報(bào)告數(shù)據(jù)，SiP工藝的應(yīng)用可以將部分TWS耳機(jī)的器件整體尺寸減小50%。

 

此外，SiP工藝還能有效地保護(hù)IP。業(yè)內(nèi)人士就表示，在傳統(tǒng)的PCBA上，很容易看到里面的芯片、器件型號(hào)，但TWS耳機(jī)的核心組件采用SiP封裝后，即使被破壞也很難看到所有細(xì)節(jié)。

 

不過(guò)，SiP封裝工藝也存在諸多難點(diǎn)，不僅涉及更復(fù)雜的布線、走線設(shè)計(jì)，還要克服信號(hào)干擾、散熱、續(xù)航力等問(wèn)題，整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大于傳統(tǒng)的TWS耳機(jī)封裝。所以，業(yè)內(nèi)僅有蘋(píng)果AirPods Pro和三星Galaxy Buds Pro等少數(shù)產(chǎn)品采用。

 

未來(lái)5年， Wi-Fi路由器和物聯(lián)網(wǎng)也將在SiP市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，主要驅(qū)動(dòng)因素是5G和傳感器。在電信和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，基站和服務(wù)器的復(fù)合年增長(zhǎng)率都有望達(dá)到兩位數(shù)，其中基站的年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)41%。這主要是因?yàn)?G基站需要通過(guò)倒裝芯片球柵陣列實(shí)現(xiàn)更多SiP集成。同時(shí)，服務(wù)器中的CPU、 xPU(小芯片、硅轉(zhuǎn)接板、扇出型)和FPGA也需要高端SiP。

 

蘋(píng)果近期發(fā)布的M1芯片正是因?yàn)椴捎肧iP而戰(zhàn)斗力爆表，因此可以看出SiP還有非常巨大的潛力。

 

 

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年SiP市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了134億美元的營(yíng)收，復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)6%，2025年市場(chǎng)規(guī)模將實(shí)現(xiàn)188億美元。移動(dòng)和消費(fèi)類(lèi)電子是SiP的最大市場(chǎng)（復(fù)合年增長(zhǎng)率5%），緊隨其后的是電信和基礎(chǔ)設(shè)施（復(fù)合年增長(zhǎng)率11%）和汽車(chē)市場(chǎng)（復(fù)合年增長(zhǎng)率11%）。

 

從市場(chǎng)格局來(lái)看，全球SiP市場(chǎng)中主要的廠商為日月光(環(huán)旭電子)、安靠、長(zhǎng)電科技等，前五大廠商2019 年合計(jì)營(yíng)收200億美元，行業(yè)集中度較高。其中日月光以絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)居行業(yè)第一。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面，日月光及環(huán)旭電子更是占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，領(lǐng)跑了SiP封裝行業(yè)。

 

環(huán)旭電子早在2012 年已經(jīng)開(kāi)始了無(wú)線通訊模組的技術(shù)投資，并在 2014 年開(kāi)始進(jìn)行 SiP 相關(guān)的技術(shù)投資，2014 年就對(duì)微小化系統(tǒng)模塊以及高傳輸高密度微型化無(wú)線通信模塊項(xiàng)目投資了12.23 億元人民幣。在2012-2019年的8年間，環(huán)旭電子對(duì)SiP及無(wú)線通訊相關(guān)項(xiàng)目共計(jì)投資22.65億元，逐步優(yōu)化SiP技術(shù)、積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)達(dá)到成熟階段，產(chǎn)品良率在 99%以上。

 

大陸地區(qū)的封裝龍頭長(zhǎng)電科技也在緊緊追趕。通過(guò)收購(gòu)星科金朋，長(zhǎng)電獲得了SiP技術(shù)，并可以與日月光相抗衡。星科金朋韓國(guó)廠已正式量產(chǎn)，主營(yíng)業(yè)務(wù)為高端封裝測(cè)試產(chǎn)品及高階SiP產(chǎn)品封裝測(cè)試，專(zhuān)為重要戰(zhàn)略客戶(hù)供貨。據(jù)長(zhǎng)電介紹，其目前重點(diǎn)發(fā)展幾種類(lèi)型的先進(jìn)封裝技術(shù)。首先就是系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)，隨著5G的部署加快，這類(lèi)封裝技術(shù)的應(yīng)用范圍將越來(lái)越廣泛。其次是應(yīng)用于Chiplet SiP的 2.5D/3D封裝，以及晶圓級(jí)封裝，并且利用晶圓級(jí)技術(shù)在射頻特性上的優(yōu)勢(shì)推進(jìn)扇出型(Fan-Out)封裝。

 

除了巨頭積極參與之外，現(xiàn)在做SiP也成了業(yè)界風(fēng)潮，與兩年前的形勢(shì)簡(jiǎn)直判若云泥。有行業(yè)資深投資專(zhuān)家表示：最近兩年新建的封裝廠很多，每個(gè)封裝廠都要打上SiP的旗號(hào)。根本上說(shuō)是供需的天平滑向另一端。

 

以前要做一款SiP，最擔(dān)心沒(méi)有裸芯片，二擔(dān)心批量小沒(méi)有廠家接，但是現(xiàn)在情況完全不一樣了。

 

“Chiplet概念的提出代表著IC廠商逐漸以開(kāi)放的態(tài)度提供裸芯片給客戶(hù)，大批新興的封測(cè)廠商也樂(lè)意接收小批量多種類(lèi)的SiP封測(cè)業(yè)務(wù)。”一位業(yè)內(nèi)人士這樣表示。

 

 

在封裝業(yè)全體倒向SiP的同時(shí)，SiP也在改變電子組裝業(yè)的格局，像歌爾聲學(xué)、立訊精密等大廠因?yàn)檫M(jìn)入蘋(píng)果供應(yīng)鏈而很早切入這個(gè)領(lǐng)域，并逐漸發(fā)展出自己的技術(shù)路線。