2025年4月22-24日
上海世博展览馆

半导体封测展|一文看懂SiP封装技术

根据国际半导体路线组织(ITRS)的定义:SiP为将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件,形成一个系统或者子系统。

 

从架构上来讲,SiP是将多种功能芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。与SOC(片上系统)相对应。不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式,而SOC则是高度集成的芯片产品。

 

一、 More Moore VS More than Moore——SoC与SiP之比较

 

SiP是超越摩尔定律下的重要实现路径。半导体封测展了解到,摩尔定律发展到现阶段,何去何从?行业内有两条路径:一是继续按照摩尔定律往下发展,走这条路径的产品有CPU、内存、逻辑器件等,这些产品占整个市场的50%。另外就是超越摩尔定律的More than Moore路线,芯片发展从一味追求功耗下降及性能提升方面,转向更加务实的满足市场的需求。这方面的产品包括了模拟/RF器件,无源器件、电源管理器件等,大约占到了剩下的那50%市场。

SoC与SIP是极为相似,两者均将一个包含逻辑组件、内存组件,甚至包含被动组件的系统,整合在一个单位中。SoC是从设计的角度出发,是将系统所需的组件高度集成到一块芯片上。SiP是从封装的立场出发,对不同芯片进行并排或叠加的封装方式,将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件。

从集成度而言,一般情况下,SoC只集成AP之类的逻辑系统,而SiP集成了AP+mobile DDR,某种程度上说SIP=SoC+DDR,随着将来集成度越来越高,emmc也很有可能会集成到SiP中。

 

从封装发展的角度来看,因电子产品在体积、处理速度或电性特性各方面的需求考量下,SoC曾经被确立为未来电子产品设计的关键与发展方向。但随着近年来SoC生产成本越来越高,频频遭遇技术障碍,造成SoC的发展面临瓶颈,进而使SiP的发展越来越被业界重视。

 

二、SiP——超越摩尔定律的必然选择路径

 

摩尔定律确保了芯片性能的不断提升。众所周知,摩尔定律是半导体行业发展的“圣经”。在硅基半导体上,每18个月实现晶体管的特征尺寸缩小一半,性能提升一倍。在性能提升的同时,带来成本的下降,这使得半导体厂商有足够的动力去实现半导体特征尺寸的缩小。这其中,处理器芯片和存储芯片是遵从摩尔定律的两类芯片。以Intel为例,每一代的产品完美地遵循摩尔定律。在芯片层面上,摩尔定律促进了性能的不断往前推进。

 

PCB板并不遵从摩尔定律,是整个系统性能提升的瓶颈。与芯片规模不断缩小相对应的是,PCB板这些年并没有发生太大变化。因为PCB的限制,使得整个系统的性能提升遇到了瓶颈。比如,由于PCB线宽都没变化,所以处理器和内存之间的连线密度也保持不变。换句话说,在处理器和内存封装大小不大变的情况下,处理器和内存之间的连线数量不会显著变化。而内存的带宽等于内存接口位宽 乘以内存接口操作频率。内存输出位宽等于处理器和内存之间的连线数量,在十年间受到PCB板工艺的限制一直是64bit没有发生变化。所以想提升内存带宽只有提高内存接口操作频率。这就限制了整个系统的性能提升。

 

SIP是解决系统桎梏的胜负手。把多个半导体芯片和无源器件封装在同一个芯片内,组成一个系统级的芯片,而不再用PCB板来作为承载芯片连接之间的载体,可以解决因为PCB自身的先天不足带来系统性能遇到瓶颈的问题。以处理器和存储芯片举例,因为系统级封装内部走线的密度可以远高于PCB走线密度,从而解决PCB线宽带来的系统瓶颈。举例而言,因为存储器芯片和处理器芯片可以通过穿孔的方式连接在一起,不再受PCB线宽的限制,从而可以实现数据带宽在接口带宽上的提升。

 

三、市场规模&渗透率迅速提升

 

2013-2016SiP市场CAGR=15%。2014年全球SiP产值约为48.43亿美元,较2013年成长12.4%左右;2015年在智慧型手机仍持续成长,以及Apple Watch等穿戴式产品问世下,全球SiP产值估计达到55.33亿美元,较2014年成长14.3%。

 

2016年,虽然智慧型手机可能逐步迈入成熟期阶段,难有大幅成长的表现,但SiP在应用越趋普及的趋势下,仍可呈现成长趋势,因此,预估2016年全球SiP产值仍将可较2015年成长17.4%,来到64.94亿美元。

 

市场渗透率将迅速提升。半导体封测展预计,SiP在智能手机中的渗透率将从2016年的10%迅速提升到2018年的40%。在轻薄化趋势已经确定的情况下,能完美实现轻薄化要求的SiP理应会得到更多的应用。不止是苹果,我们预计国内智能手机厂商也会迅速跟进。此外,渗透率提升不单是采用SiP的智能手机会增多,在智能手机中使用的SiP的颗数也会增加。两个效应叠加驱使SiP的增量市场迅速扩大。

我们测算SiP在智能手机市场未来三年内的市场规模。假设SiP的单价每年降价10%,智能手机出货量年增3%。可以看到,SiP在智能手机中的新增市场规模CAGR=192%,非常可观。

 

 

文章来源:知乎