異構集成解鎖封裝潛力——摩爾精英SiP一站式解決方案_風聞
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2021-12-28 12:30
在12月22-23日無錫舉辦的中國集成電路設計業2021年會 (ICCAD 2021)分論壇中，摩爾精英封裝服務副總裁唐偉煒發表了以“異構集成解鎖芯片潛力”為題的演講。與參會嘉賓共同探討未來集成電路趨勢，系統級封裝市場現況與分析，以及系統級封裝與其他集成方式的對比。
淺析集成電路的三種集成方式：
唐偉煒講到，目前市場上出現的集成電路的方式，大約可以分為三種：
第一種是芯片集成、把不同功能的模塊集成為同一顆芯片，比較大型的集成電路如手機主芯片，裏面會集成CPU，flash，通訊模塊等不同功能的電路。再比如單片機，之前單片機只有簡單運算功能，現在的單片機都集成flash，connect等功能。這個集成主要集中在晶圓工廠，由於功耗、成本及面積的大小等因素的考量，晶圓工藝從0.35um一步步發展到現在2nm。
第二種是封裝集成，在晶圓工藝發展逐漸接近物理極限（原子之間的距離約1nm左右，目前可生產2nm製程的晶圓）、小製程晶圓的成本急劇攀升、市場對集成電路性能和短小輕薄的無上限追求，以封裝技術為核心的電路集成因應而生。同時最近一直比較流行的chiplet（不同功能的電路單獨做成小的芯片）越來越被業界接受。封裝集成電路代表性產品有apple watch系列產品，整個手錶裏面只有一顆封裝好的芯片及手錶配套的電池，顯示屏，外殼等。除了apple以外，國內手機廠商也越來越多的使用sip技術，華為手機約有7顆sip芯片（比如wifi模組，pmic模組等）。
第三種是板級集成，這也是市場上通用的集成方式。我們身邊的電子產品中的綠色的電路板，就是把不同功能的、封裝好的芯片焊接到PCB上面實現不同的功能。
那麼這三種集成的方式有何利弊呢？唐偉煒用幾個實例進行了分析。AMD這幾年進步神速，採用了Chiplet，通過封裝集成做到了更高的良率，更快的更新速度，更低的開發成本及更好的性能。除了AMD基於晶圓技術的封裝集成，蘋果的apple watch也基於封裝技術的集成，因此得到更廣泛的應用。目前SiP已經應用到各行各業，從消費類電子（例如，手機/pad/智能手腕/耳機等）到工業類（機牀，設備等）產品，從家用電器（電視，冰箱、洗衣機等）到高鐵飛機等。下圖右側所示就是摩爾精英開發的94個SiP產品中的三個。從傳統的PCB做成了基於封裝技術生產的新品，無論從性能，體積及功耗方便得到了較大的提升。
從週期和成本來看,SoC與後兩者明顯差異，表現為，一，SoC動輒需要一到兩年，花費成本都在百萬級；二，SiP開發時間在半年左右，開發成本在十萬級；三、SoB開發時間約3個月左右，成本約萬級（此成本不包含人工成本）。從客製化程度來講 SiP和SoC是一個等級，SoB更具有靈活性。SoB和SiP均具有異形封裝能力。論複雜程度來講，SoC比較複雜，其他集成方式相對來説簡單。
綜上所述，SiP在綜合評定中具有不小的優勢，再配合設計公司或者未來的foundry工廠生產出來的chiplet，SiP會成為未來集成電路的趨勢。
如前文所述，SiP相對於其他兩種集成方式具有綜合優勢，但是為什麼SiP到最近幾年才火起來呢？從2005年DARPA提出SiP概念以來，只有很少的公司使用這一概念，這主要是因為SiP面臨四大方面的難題和挑戰。
目前SiP沒有國際標準，造成每家公司的產品都是一個方案。方案多但每個方案量都不足夠大，使得行業內沒有辦法形成生產的規模優勢。2017年美國半導體行業協會曾嘗試組織集成電路的專家，編制SiP行業國際標準，越深入的探討越是發現編制標準難度比想象中的大很多。因為每個公司的方案都是此公司的核心機密，也是公司競爭優勢的載體，所以不可能讓別人輕易知道、更不可能公開成為標準。這也就造成目前SiP沒有辦法實現大規模生產，也就沒有可能形成大範圍的推廣。
第二：缺少裸芯片資源
一顆SiP芯片裏面可能會需要不同功能，不同工藝的數十種芯片。這些芯片的來源可能是來源於數十家芯片設計公司，這些芯片設計公司不一定會願意出售晶圓給市場。這其中的原因是，前些年芯片設計公司出售晶圓給其客户，某些不良商家拿到這些晶圓後找一些質量管控不合格的小的封裝工廠封裝，然後這些不良商家再拿這些封裝後的產品在市場上出售。價格比原廠的便宜，性能又一樣，更有甚者直接打原廠的logo。在這個過程中，質量問題頻發嚴重影響原廠的收益和商譽。所以現在的芯片設計公司在出售晶圓上都持相當謹慎的態度，更有一些公司明令禁止出售晶圓。這也嚴重影響了SiP的方案開發和市場推廣。
第三：SiP模塊設計和封裝設計的瓶頸
SoB使用的PCB是毫米級的工藝，SiP使用的基板（substrate）是微米級的工藝。以前設計PCB的專家設計基板的時候，會發現很多的問題，比如説寄生電容、寄生電感、熱力集中、應力等方面出現問題。然而基板設計的專家又對電路和功能不是很瞭解，沒有辦法開發出有競爭力原理圖。SiP對設計人員的要求相對較高，既需要懂電路設計，又需要懂基板設計，因而市場上此類人才相當稀缺。想要找到合適的設計人員或者是設計團隊相對來説難度相對來説比較高，從而也影響了SiP的大範圍推廣應用。
第四：量產難度高
由於沒有行業標準，單一產品的生產量不是很大（除了蘋果等公司的手機pad等大宗消費品）。無法形成大規模生產的規模優勢，大的封裝企業基本上不太喜歡生產此類產品。原因主要系如下幾方面因素：1. 由於封裝廠的盈利的重要指標就是機台稼動率，SiP產品比較複雜需要頻繁改機，從而造成機台的使用率比較低下。2. 封裝工廠的機台配比是按照傳統封裝來配置的，而不同的SiP所需要的機台配比是不一樣的。不同的SiP裏面包含的die差別很大，有的SiP裏面可能有四到五顆die，有的SiP裏面需要大幾十顆die，還有的SiP需要不同的封裝技術，造成封裝工廠如果生產SiP，機台利用率會急劇下降。3. SiP產品一般比較複雜，對工程人員的要求多且高。工程人員佔工廠的總員工的比率高，造成工廠人工成本急劇上升。所以基於封裝技術的SiP，封裝工廠不願意生產。
以上這種種因素制約了SiP的發展，造成SiP沒有得到大範圍的推廣。但由於性能等因素優於其他集成方式，再加上晶圓工藝提升難度越來越大，成本越來越高，SiP必然會成為發展趨勢，其市場也在逐漸變大。2019年SiP的市場大約134億美金，到2025年SiP市場預計會達到188億美金，年複合增長率6%遠高於行業年複合增長率。
目前市場上生產SiP的主要生產廠家有日月光、安靠、長電等封裝工廠，此三家的SiP營收佔比相對於其他工廠高出一大截。但是大陸也不乏有其他SiP的玩家正在背後默默佈局。
摩爾精英封裝服務：籌建自有SiP工廠，真正解決SiP大面積推廣痛點
摩爾精英無錫SiP先進封測中心（以下簡稱：無錫封測中心）坐落於惠山經濟開發區，建設初衷既是為解決目前SiP產品無法大面積推廣的痛點，無錫封測中心所面向的客户主要為年產量1kk左右的產品，機台完全按照SiP產品特性進行配置，生產SiP產品的機台利用率相比於現在封裝廠有長足的提高。
無錫封測中心的設備都是業界主流最新款設備，在機台能力上處於行業先進行列，核心技術人員參與Apple Watch，Apple Haptic engine module，Apple Face ID，Google Finger Printed Module，Qorvo RF/PA module，Apple Wifi module等SiP開發及量產，平均年資大於15年。無錫封測中心的機台配置既有Flip-chip，也有wire bond的機台技術能力都在行業先進行列。
結語
摩爾精英SiP一站式服務提供從電路圖設計到量產的各個環節。當客户僅能夠提供產品需要實現的功能時，摩爾精英則能夠統籌完成原理圖設計芯片選型，元器件選型以及SiP設計，生產及測試。基於此，客户只需提供一塊已經在使用的PCB及原理圖，後續的設計和生產完全交由摩爾精英來完成即可。目前，摩爾精英已開發92款產品，量產34款，客户中有系統公司（TCL、中車、長虹）等大型公司，也有國內一些方案公司/模組公司。摩爾精英無錫SiP先進封測中心的建成就是為了解決市場上多樣化，小批量的產品的設計生產能力。
除此之外，摩爾精英重慶先進封裝創新中心，面積近3000平方米，主要提供QFP/SOP/陶瓷封裝/金屬封裝工程及小量產服務，合肥快速封裝工程中心（主打QFN/BGA/LGA/SiP系列產品）運營滿產、服務近500家客户的成功基礎之上，進行的差異化技術佈局和產能擴容，致力於服務好全國客户的需求。
摩爾精英封裝服務介紹：
