近年來,摩爾定律逐漸進入難以提升的“紅區”,集成電路也逐漸走到發展的瓶頸期。為進一步提升集成電路系統性能、降低成本依賴、提升功能密度,先進封裝技術正朝著高密度、高性能、低成本的方向發展。

圖:摩爾定律曲線

三十年前,封裝標準還是金屬封裝、塑料封裝、陶瓷封裝。如今,先進封裝已經進入了“寒武紀”,各種封裝模式層出不窮。先進封裝技術主要分為兩大類,一類是基于XY平面延伸,主要通過再分布層(RDL)進行信號延伸和互聯,包括倒裝芯片(Flip Chip)、扇出型晶圓級封裝(FOWLP)、扇出型面板級封裝(FOPLP)等。另一類是基于Z軸延伸,通過硅通孔(TSV)進行信號延伸和互聯,包括硅通孔(TSV)技術、襯底晶圓級芯片封裝(CoWoS)等。

其中,SiP(系統級封裝)成為后摩爾時代實現超高密度和多功能集成的關鍵技術,在5G、人工智能、數據中心、高性能計算等領域發揮重要作用。5月21日,第五屆中國系統級封裝大會在上海召開,來自SiP上下游的廠商進行了專業的技術交流,共同探討SiP未來的發展趨勢與技術演進。

SiP持續創新

SiP技術應用廣泛,采用SiP技術的產品應用場景囊括了智能手表、智能眼鏡、TWS耳機等可穿戴設備,5G、AI等物聯網相關應用,以及智能汽車等多個領域。

《USI&ASE系統級封裝技術發展路線圖》 環旭電子 趙健

從低端到高端,終端應用中的各種I/O和封裝尺寸中都可以找到SiP技術的身影。芯片的高度集成化要求SiP封裝不斷迭代升級,以滿足高性能和低時間成本的異構集成需求。在移動前端和高性能計算(HPC)市場,SiP封裝技術不斷推進和革新。異構集成和Chiplets(小芯片)也逐漸成為推動高性能計算發展的關鍵技術。

圖:SiP封裝模式

圖:SiP封裝技術發展路線

超越摩爾定律

摩爾定律發展至今,半導體工藝制程已經接近物理極限,由此分散出兩條道路:摩爾定律和超越摩爾定律。SoC(片上系統)是將所有電子元器件集成到一個芯片上,以組成獨立運行的系統,它將繼續沿用摩爾定律,朝更加小型化方向緩慢發展。SiP則是將多種功能芯片集成在一個封裝內,從而實現一個基本完整的功能/系統,是超越摩爾定律的重要路徑。

根據國際半導體路線組織(ITRS)的定義,SiP是指將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件,以及諸如MEMS、光學器件等其他器件優先組裝到一起,實現一定功能的單個標準封裝件,形成一個系統或者子系統。

超越摩爾定律將芯片發展從一味追求功耗下降及性能提升,轉向更加務實多樣的市場需求滿足。集成電路及系統復雜度不斷增加,封裝集成度不斷上升,未來芯片的發展方向應該是SoC與SiP深度融合,賦能系統更高的性能和價值。

圖:摩爾定律VS超越摩爾定律

SiP市場大有可為

在摩爾定律式微的趨勢下,隨著5G、人工智能、云計算、大數據等新興技術的不斷融合升級,對芯片封裝技術的要求也日益增長。當單芯片集成進展停滯的時候,SiP脫穎而出。

SiP具有多項優勢,可以從XYZ三軸方向對模組進行縮小,為終端設備提供更多的空間,整合FATP(最后試驗裝配和包裝)工序流程,極大降低FATP難度。此外,SiP提供模組化封裝技術,提供更好的電磁屏蔽方式,提高系統可靠性,降低整體生產成本。

《USI&ASE系統級封裝技術發展路線圖》 趙健 環旭電子

憑借其低成本、高效率、簡單的制造流程等優勢,SiP技術在智能手機、可穿戴設備、工業控制、智能汽車等新興領域得到廣泛應用。據Yole報告顯示,2019年SiP市場份額達134億美元,預計到2025年市場份額將增長至188億美元,年復合增長率達6%。未來五年,SiP市場持續向好,大有可為。

圖:2019-2025年SiP市場份額預測

《系統級封裝關鍵技術及在智能終端的應用》 田德文 歌爾微電子

根據Markets&Markets報告顯示,射頻前端應用成為SiP最大的市場。而Yole表示,未來五年,可穿戴設備、Wi-Fi路由器和物聯網將在SiP市場領域顯著增長,5G和物聯網成為主要驅動力。

5G的迅速發展也帶動了5G封裝市場的不斷擴大。2020年5G封裝市場規模為5．1億美元,預期將以31%的年復合增長率成長,至2026年達到約26億美元。

圖:5G 封裝為 SiP 業務帶來創新技術和新機遇

SiP封裝技術市場空間廣闊,相較于傳統封裝性能優勢顯著。SiP上下游企業正積極布局,擴大SiP產品應用版圖,加速SiP工藝優化升級,超越摩爾定律限制,促進半導體行業蓬勃發展。脫離摩爾定律發展規律,SiP將成為超越摩爾定律的殺手锏,助力集成電路小型化、系統化發展。