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行業(yè)新聞

5G手機里的封裝學問
發(fā)布日期:2020-06-10 11:46 發(fā)布人:秩名
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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(shù)英特爾和臺積電了。雖說這兩家的業(yè)態(tài)不同,英特爾是IDM,臺積電是Foundry,但它們在發(fā)展先進制程工藝的同時,也都在積極研發(fā)自家的先進封裝技術,目前都處于行業(yè)前沿水平。
 
而看封測OSAT產(chǎn)業(yè)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(yè),也是各自所在地區(qū)的龍頭。
 
進入2020年以來,雖然疫情對封測業(yè)產(chǎn)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(fā)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(chǎn)業(yè)形勢還是樂觀的。中國臺灣資策會產(chǎn)業(yè)情報研究所(MIC)表示,今年臺灣地區(qū)IC封測產(chǎn)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(shù)字經(jīng)濟商機,仍可支撐今年IC封測產(chǎn)業(yè)的表現(xiàn)。
 
預估日月光投控第2季業(yè)績可望季增6%~9%,其中IC封裝測試及材料業(yè)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(xiàn)小幅增長,下半年優(yōu)于上半年,使得全年業(yè)績有望實現(xiàn)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(chǎn)線建設。隨著臺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)線預計于2021年下半年試產(chǎn)。但是,一些封測大廠的先進封測技術和產(chǎn)業(yè)能力卻跟不上臺積電的發(fā)展步伐,現(xiàn)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(qū)預計于2021年5月完工,2021年中一期廠區(qū)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(shù)量和射頻前端(RFFE)組件(PA、射頻開關、收發(fā)器等)的數(shù)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(tǒng)級封裝)技術已經(jīng)發(fā)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(lián)、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(fā),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(nèi),成本相對于SoC大幅度降低。另外,晶圓制造工藝已經(jīng)來到7nm時代,后續(xù)還會往5nm、3nm挑戰(zhàn),但伴隨而來的是工藝難度將會急劇上升,芯片級系統(tǒng)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(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(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(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(diào)制解調(diào)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(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、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(xiàn)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(shù)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(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(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。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(nèi)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(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(qū)分成兩種:一是包含在基板內(nèi)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(chǎn)階段。
 
日月光集團研發(fā)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,F(xiàn)O-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,F(xiàn)O-AiP能大幅縮小系統(tǒng)模組的體積,并讓信號更穩(wěn)、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(chǎn)外,預期FO-AiP有望在明年跟進量產(chǎn)。而華為海思、高通的AiP模組、RF前端模組(FEM)將是重要的先進封測訂單來源,也是各大封測廠爭奪的焦點。
 

結語

 

從5G的發(fā)展態(tài)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(wǎng)絡文章) 5G手機里的封裝學問

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