物联网时代，SiP封装将大显神通

ytm · 发表于 2020-4-9 14:44

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随着物联网时代来临，全球终端电子产品渐渐走向多功能整合及低功耗设计，因而使得可将多颗裸晶整合在单一封装中的SiP技术日益受到关注。除了既有的封测大厂积极扩大SiP制造产能外，晶圆代工业者与IC基板厂也竞相投入此一技术，以满足市场需求。　　
　　全球终端电子产品不断朝轻薄短小、多功能、低功耗的发展趋势下，能够整合上述特性的系统级封装（SiP）技术逐渐受到重视。尤其，近几年在行动装置与穿戴装置等轻巧型产品兴起后，SiP需求日益显现。
　未来随着物联网时代即将来临，多功能整合与低功耗将是重要趋势，SiP也将在封装技术中扮演重要角色。因此本文将从技术发展、市场应用及产业趋势等三个构面，对全球SiP发展进行深入剖析。
　　全球SiP技术发展分析
　　全球IC封装技术发展，最早是以打线封装（Wire Bond）技术为主，采用此方式连接晶片与基板上的连接点，使用导线以金线为主，因为金的延展、稳定与导电性能极佳（图1）。

　　而在打线技术后，逐步发展到凸块技术（Bumping），利用薄膜、黄光、电镀等主要制程在基板的连接点上长出铅锡凸块、金凸块或铜凸块，目前常见的覆晶封装（Flip Chip）即为凸块技术的应用，将晶片与基板用凸块接合，不仅比打线技术稳固，又可缩短晶片与基板距离，降低电??阻，并节省空间。
　　随着封装技术持续演进，加上终端电子产品朝向轻薄短小趋势，因此，对SiP需求亦逐渐提升。
　　SiP生产线须由基板、晶片、模组、封装、测试、系统整合等生态系共同组成，才能够顺利发展。反之，若缺乏完整生态系，便难以推动SiP技术具体实现。
　　由于SiP技术可将多种晶片封装于单一封装体内而自成系统，因此具有高整合性与微型化特色，适合应用于体积小、多功能、低功耗等特性的电子产品。
　　以各种应用来看，若将原本各自独立的封装元件改成以SiP技术整合，便能缩小封装体积以节省空间，并缩短元件间的连接线路而使电阻降低，提升电性效果，最终呈现微小封装体取代大片电路载板的优势，又仍可维持各别晶片原有功能。因此，高整合性与微型化特色，使SiP成为近年来封装技术发展趋势。
　　此外，因SiP是将相关电路以封装体完整包覆，因此可增加电路载板的抗化学腐蚀与抗应力（AnTI-stress）能力，可提高产品整体可靠性，对产品寿命亦能提升。
　　SiP搭配模组设计朝多元发展
　　相较于SoC来说，SiP毋须进行新型态晶片设计与验证，而是将现有不同功能的晶片，以封装技术进行整合，达到小体积、多功能、低功耗等主要目标。因此，SiP整体开发时程较短，可节省时间成本。至于封装技术类型方面，依不同产品设计需求各有其对应技术。
　　SiP所运用的基本技术类型相当广泛，涵盖2D、3D等领域，各种技术间亦可进行搭配，再结合模组化便可进行系统整合。大致上来说，现阶段SiP常用的基本封装技术，包括普遍应用于智慧型手机的Package on Package（PoP）技术，将逻辑IC与记忆体IC进行封装体堆叠。将主动与被动元件内埋于基板的嵌入式技术（Embedded），以及多晶片封装（MCP）、多晶片模组（MCM）、Stacking Die、PiP、TSV 2.5D IC、TSV 3D IC等，也属于SiP技术范畴。
　　在封装技术类型外，模组设计能力亦扮演举足轻重角色；各种基本封装类型须结合不同模组设计，所有环节紧密配合，最后将整个系统进行整合，便能成为完整的SiP。因此，因应终端产品不同需求，所使用的封装技术与搭配的模组设计亦不尽相同，使SiP逐渐朝向多元发展。
　　SiP存在许多进入门槛
　　SiP封装虽然比重逐渐提升，并有多样类型，但至今仍存在跨入门槛。由于SiP是高度整合性技术，牵涉层面广，涵盖IC基板材料、封装堆叠技术、模组设计、系统整合及多晶片测试等领域，因此，须将分属不同领域的知识与技术整合，才能顺利推展。若无法缜密串连相关领域，将导致部分环节难以突破而无法顺遂。
　　在封装技术门槛方面，晶片堆叠所遇到的散热问题是不易解决的技术瓶颈，而晶片与IC基板面积微小化与柔软度需求、晶片薄化时可能出现的龟裂与形变等问题，也是技术上的考验。
　　在测试方面，由于SiP会增加多晶片测试与晶片功能检测需求，不但测试难度与晶片功能检测难度都将提升，整体测试与检测流程复杂度亦会增加。至于在模组方面，SiP模组常用的是表面黏着技术（SMT）与模组设计。
　　不过，SMT技术门槛较低，因此，比较高的门槛出现在模组设计能力方面，供应商要能够因应不同需求??而设计出符合模组。
　　此外，高额的资本支出也是门槛之一。因为SiP需要多种不同领域作为发展基础，因此需要较为庞大的资本支出，不具资本规模之厂商所受到的限制较大，不容易在SiP技术领域进行全方位的发展。
　　因此，整体而言，SiP至今仍存在多种进入门槛；包含封装技术、测??试、模组设计与系统整合等难度，以及高额资本支出等。使得SiP至目前为止，虽然比重逐渐提高，但并非多数厂商都能顺利进入此一领域，仍存在各种进入门槛待为克服。
　　智慧型手机扮演SiP成长驱动主力
　　与个人电脑时代相比，行动装置产品对SiP的需求较为普遍，主要是因为行动装置产品更为轻薄短小，对空间节省要求更高，在功能上也越来越多样。就以智慧型手机来说，上网功能已是基本配备，因此与无线网路相关的Wi-Fi模组便会使用到SiP技术进行整合。
　　基于安全性与保密性考量所发展出的指纹辨识功能，其相关晶片封装亦需要SiP协助整合与缩小空间，使得指纹辨识模组开始成为SiP广泛应用的市场；另外，压力触控也是智慧型手机新兴功能之一，内建的压力触控模组（Force Touch）更是需要SiP技术的协助。
　　除此之外，将应用处理器（AP）与记忆体进行整合的处理器模组，以及与感测相关的MEMS模组等，亦是SiP技术的应用范畴。
　　因此，近年来智慧型手机为驱动SiP技术广泛应用的最主要终端产品。自2007年苹果（Apple）发表第一代iPhone以来，智慧型手机逐渐成为一般民众生活必备的电子产品。
　　一路发展至今，由于智慧型手机呈现高度成长，加上内建功能越来越多，以及产品朝向微型化趋势发展，因此，不但智慧型手机相关晶片需求成长，也刺激SiP技术需求大幅增加。使得智慧型手机成为近年来驱动SiP成长的主力产品。
　　穿戴装置/物联网驱动SiP需求上扬
　　全球终端电子产品的发展不断地朝向轻薄短小、多功能、低功耗等趋势迈进，对于空间节省、功能提升，以及功耗降低的要求越来越高，SiP的成长潜力也越来越大。2015年Apple Watch等穿戴式产品问世后，SiP技术扩及应用到穿戴式产品。
　　虽然，目前穿戴式产品的市场规模尚难与智慧型手机匹敌，但未来穿戴式产品预期仍将呈现成长，为SiP带来成长动能。
　　此外，物联网即将逐渐普及之际，在万物联网的趋势下，必然会串联组合各种行动装置、穿戴装置、智慧交通、智慧医疗，以及智慧家庭（图2）等网路，多功能异质晶片整合预估将有庞大需求，低功耗也会是重要趋势。

　　因此，SiP预料仍将扮演重要的封装技术。虽然，全球物联网相关业者目前仍处于建立平台与制定规格阶段，尚未呈现具体商机。然而，若将来相关平台建立完成，相关规格与配套措施皆完备后，物联网亦成为SiP动能成长来源。
　　整体来说，未来智慧型手机等行动装置仍可呈现微幅成长趋势，且内建功能将越趋丰富，对SiP需求将会有所提升；而穿戴装置产品朝向微小化发展，将更仰赖SiP技术协助；加上未来物联网时代，多功能异质整合与低功耗趋势，将以SiP技术作为重要解决方案。因此，SiP市场预期仍将持续成长。
　　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（图3）。

　　全球主要封测大厂中，日月光早在2010年便购并电子代工服务厂（EMS）--环电，以本身封装技术搭配环电在模组设计与系统整合实力，发展SiP技术。使得日月光在SiP技术领域维持领先地位，并能够陆续获得手机大厂苹果的订单，如Wi-Fi、处理器、指纹辨识、压力触控、MEMS等模组，为日月光带来后续成长动能。
　　此外，日月光也与DRAM制造大厂华亚科策略联盟，共同发展SiP范畴的TSV 2.5D IC技术；由华亚科提供日月光矽中介层（Silicon Interposer）的矽晶圆生产制造，结合日月光在高阶封测的制程能力，扩大日月光现有封装产品线。
　　不仅如此，日月光也与日本基板厂商TDK合作，成立子公司日月旸，生产积体电路内埋式基板，可将更多的感测器与射频元件等晶片整合在尺寸更小的基板上，让SiP电源耗能降低，体积更小，以因应行动装置、穿戴装置与物联网之需求。
　　全球第二大封测厂Amkor则是将韩国厂区作为发展SiP的主要基地。除了2013年加码投资韩国，兴建先进厂房与全球研发中心之外；Amkor目前SiP技术主要应用于影像感测器与动作感测器等产品。
　　全球第三大暨台湾第二大封测厂矽品，则是布局IC整合型SiP，以扇出型叠层封装（FO PoP）技术为主，其主要应用于智慧型手机，目前与两岸部分手机晶片大厂合作中，2016年可望正式量产。
　　由于矽品在模组设计与系统整合方面较为欠缺，因此近期积极寻求与EMS大厂鸿海策略联盟，以结合该公司在模组设计与系统整合能力，让SiP技术领域发展更趋完整。
　　原本位居全球第四大封测厂的星科金朋也在韩国厂区积极开发SiP技术，但因整体营运状况不如前三大厂，因此难以投入大额资本以扩充SiP规模。
　　不过，随着大陆封测厂江苏长电并购星科金朋而带来资金，将能够结合原本星科金朋的技术，预期在SiP领域有望成长。拥有资金并进一步取得技术之后的江苏长电，未来在SiP技术领域所带来的竞争力，特别值得台厂留意。
　　IC基板厂投入SiP领域
　　由于封测厂商积极发展SiP技术，因此吸引部分IC基板厂商开始聚焦SiP所带来的潜在商机。IC基板埋入主被动元件而成为SiP基板，在更薄的载板空间内埋入IC，亦逐渐成为发展趋势。未来，在行动装置、穿戴式与物联网等应用下，SiP基板预料将为IC基板厂商带来另一波成长动能。
　　在国外厂商部分，除日商TDK发展积体电路内埋式基板，并与日月光结盟，共同朝SiP领域迈进之外；另一家日系大厂Ibiden、韩厂SEMCo以及奥地利厂商AT&S等，也都积极投入发展SiP所需的IC基板。
　　国内其他IC基板大厂也陆续展开布局，其中南电发展的系统级封装产品已导入量产，主要应用于手机和网通产品，并积极开发中国大陆IC设计与封测客户。
　　另一间IC基板大厂景硕的SiP产品所占营收比重在2015年已经超过一成，包括应用于功率放大器、NAND Flash与网通等产品，并与国内封测大厂建立供应链关系，同时也是美系客户供应商。而欣兴电子也积极开发新原料与新制程，以作为系统级封装基板的技术基础。
　　SiP技术不但是诸多封测厂发展的目标，也吸引部分EMS厂商与IC基板厂商投入。
　　近年来，部分晶圆代工厂也在客户一次购足的服务需求下（Turnkey Service），开始扩展业务至下游封测端，以发展SiP等先进封装技术来打造一条龙服务模式，满足上游IC设计厂或系统厂。
　　然而，晶圆代工厂发展SiP等先进封装技术，与现有封测厂商间将形成微妙的竞合关系。首先，晶圆代工厂基于晶圆制程优势，拥有发展晶圆级封装技术的基本条件，跨入门槛并不甚高。
　　因此，晶圆代工厂可依产品应用趋势与上游客户需求，在完成晶圆代工相关制程后，持续朝晶圆级封装等后段领域迈进，以完成客户整体需求目标。这对现有封测厂商来说，可能形成一定程度的竞争。
　　由于封测厂几乎难以向上游跨足晶圆代工领域，而晶圆代工厂却能基于制程技术优势跨足下游封测代工，尤其是在高阶SiP领域方面；因此，晶圆代工厂跨入SiP封装业务，将与封测厂从单纯上下游合作关系，转向微妙的竞合关系。
　　以晶圆代工龙头台积电量产在即的整合扇出型封装（InFO）技术来说，2016年将可量产应用于行动装置产品，再搭配前端晶圆代工先进制程，打造出一条龙的服务。
　　InFO架构是以逻辑晶片与记忆体晶片进行整合，亦属于SiP范畴，与过去TSV 2.5D IC技术层级的CoWoS技术相比，其亮点是无需矽中介层，因此成本更低，更轻薄且散热程度更好。
　　目前台积电跨入SiP业务多为因应客户需求，是否对于封测厂形成抢单效应，值得后续关注。不过，封测厂面临晶圆代工厂可能带来的竞争，并非完全处于劣势而毫无机会。
　　封测厂一方面可朝差异化发展以区隔市场，另一方面也可选择与晶圆代工厂进行技术合作，或是以技术授权等方式，搭配封测厂庞大的产能基础进行接单量产，共同扩大市场。此外，晶圆代工厂所发展的高阶异质封装，其部份制程步骤仍须专业封测厂以现有技术协助完成，因此双方仍有合作立基点。
　　产业链结构完整台厂发展SiP最大优势
　　2007年第一代iPhone推出后，逐渐开启行动装置产品的普及。随着轻薄短小、多功能、低功耗等产品趋势形成，SiP技术渐成封装技术发展的目标；2015年，体积更小的Apple Watch等穿戴式产品开始兴起，亦亟需使用SiP技术协助。
　　而在物联网时代即将来临之际，对多功能整合、低功耗与微型化等需求更将逐步增加，SiP技术将能提供较为理想的解决方案。因此，不但国内外现有封测大厂极力发展SiP技术，相关基板厂、EMS厂乃至于上游晶圆代工厂，皆有厂商跨入以抢食商机。
　　由于SiP须不同专业领域互相配合，包括IC基板、封装技术、模组设计与系统整合能力等，这对相关台湾业者来说，是很好的发展机会。因为，台湾在半导体电子产业链结构完整，厂商分布广泛，具有发展SiP技术的先天条件。就以半导体产业结构来分析，分布领域广泛且完整，使台湾半导体业者具有上中下游合作的基础条件。
　　尤其对封测业者来说，以技术为主的封装厂可与IC设计厂紧密合作，以领先的封装技术来满足IC设计业者对产品的各种设计需求；也可与记忆体厂乃至晶圆代工厂技术合作，发展SiP异质整合。
　　而对于专注在测试为主的后段测试厂而言，SiP对晶片功能检测与多晶片测试的需求增加，也将带给部分专业测试厂切入机会，专业测试厂可积极争取与封装厂或晶圆代工厂垂直分工，以分食SiP所带来的庞大商机。
　　不仅如此，台湾在IC基板厂商近年来开始走向类半导体领域，发展SiP所需的积体电路内埋基板，提供相关材料。而在模组设计与系统整合方面，更是有鸿海等EMS大厂可进行相关支援。因此，在整体产业链结构完整的优势下，台湾厂商具有发展SiP技术的先天条件。

　　目前在高阶封装技术仍保有领先地位的台厂，若能再强化厂商间合作与善用优势，则台湾厂商在SiP领域将可维持技术领先并拥有更多发展商机。

wewwqq · 发表于 2020-4-9 20:29

SiP搭配模组设计朝多元发展

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