全球的智能手表市場仍看不到增長的邊界。這個消費電子新貴市場由蘋果公司所統(tǒng)治著，平均每3臺智能手表中就有一臺是Apple Watch。

 

Apple Watch不但引領(lǐng)了時尚的風潮，還帶動一項半導體制造工藝的進步。這就是將多個芯片封裝在一起的SiP(System-in-Package，系統(tǒng)級封裝)技術(shù)，其不但縮小了產(chǎn)品空間，還解決了困擾業(yè)界的異質(zhì)芯片融合問題。

 

在摩爾定律逐漸式微的今天，SiP已經(jīng)被看做是半導體技術(shù)突破的新希望。

 

 

從第一代Apple Watch開始，蘋果就在S芯片中使用了SiP封裝，并沿用至今。以2019 年 9 月發(fā)布的第五代 Apple Watch S5為例，其普通版通過SiP方案將應用處理器(AP)、電源管理單元(PMU)、音頻芯片、調(diào)制解調(diào)器芯片以及充電芯片等芯片封裝在約700mm2大小 PCB 上，并在SiP模塊背面集合了慣性測量單元(IMU)和GPS前端模組;蜂窩板S5則在此基礎(chǔ)上增加了額外的射頻前端模組(RFFE) 和調(diào)制解調(diào)器芯片(Modem)。

 

 

其實，在更早一年發(fā)布的iPhone 6中，蘋果已經(jīng)提前試水，為手機Wi-Fi模組使用了SiP封裝。

 

SiP技術(shù)發(fā)源已久，在蘋果介入之前并無很大的起色，市場接受程度不高。蘋果的入局成為轉(zhuǎn)折點，而三星等消費電子大廠紛紛跟進，終讓風向發(fā)生變化。

 

與芯片上使用的SoC技術(shù)相比，SiP系統(tǒng)集成度高，但研發(fā)周期反而短。因為SiP技術(shù)能減少芯片的重復封裝，降低布局與排線難度。所以，SiP技術(shù)非常適用于更新周期短的通訊及消費級產(chǎn)品市場。

 

異質(zhì)集成一直是芯片界的大難題，但是SiP就能手到擒來。手機射頻系統(tǒng)的不同零部件往往采用不同材料和工藝，包括硅，硅鍺和砷化鎵以及其他無源元件。目前的技術(shù)還不能將這些不同工藝技術(shù)制造的零部件集成在一塊硅芯片上。但是SiP工藝卻可以應用表面貼裝技術(shù)SMT集成硅和砷化鎵芯片，還可以采用嵌入式無源元件，非常經(jīng)濟有效地制成高性能RF系統(tǒng)。光電器件、MEMS等特殊工藝器件的微小化也將大量應用SiP工藝。

 

5G時代的智能手機更是能充分發(fā)揮SiP技術(shù)的特長。5G手機需要前向兼容2/3/4G通信制式，本身單臺設(shè)備所需射頻前端模組數(shù)量就將顯著提升。單部手機射頻半導體用量相比4G手機近乎翻倍增長。其中，接收/發(fā)射機濾波器從30個增加至75個，包括功率放大器、射頻開關(guān)、頻帶等都有至少翻倍以上的數(shù)量增長。器件數(shù)量的大幅增加將顯著提升結(jié)構(gòu)復雜度，并提高封裝集成水平的要求。

 

運用了SiP技術(shù)，這些就可以迎刃而解。不但可以帶來更多的射頻前端SiP模組，還可以將毫米波天線與射頻前端形成AiP天線模組，甚至可以將基帶、數(shù)字、內(nèi)存等更多零部件整合為更大的SiP模組。

 

高通已成功商業(yè)化Qualcomm System-in-Package（QSiP）模組就是一個典范。QSiP將應用處理器、電源管理、射頻前端、WiFi等連接芯片、音訊編解碼器和內(nèi)存等400多個零部件放在一個模組中，為電池、攝像頭等功能提供了更大空間。

 

蘋果近年來還將SiP運用到Airpods Pro中，在滿足了性能要求的同時也釋放了寶貴的空間，使得SiP又進入到TWS耳機這個新熱點中。

 

對TWS耳機來說，SiP封裝工藝的3D堆疊特性，能夠讓耳機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各個組件基于人耳形狀布局，還可實現(xiàn)更多功能芯片和模組的有機結(jié)合，以及提升耳機舒適度、貼合度及穩(wěn)定性。據(jù)歌爾聲學的相關(guān)報告數(shù)據(jù)，SiP工藝的應用可以將部分TWS耳機的器件整體尺寸減小50%。

 

此外，SiP工藝還能有效地保護IP。業(yè)內(nèi)人士就表示，在傳統(tǒng)的PCBA上，很容易看到里面的芯片、器件型號，但TWS耳機的核心組件采用SiP封裝后，即使被破壞也很難看到所有細節(jié)。

 

不過，SiP封裝工藝也存在諸多難點，不僅涉及更復雜的布線、走線設(shè)計，還要克服信號干擾、散熱、續(xù)航力等問題，整體系統(tǒng)的設(shè)計難度大于傳統(tǒng)的TWS耳機封裝。所以，業(yè)內(nèi)僅有蘋果AirPods Pro和三星Galaxy Buds Pro等少數(shù)產(chǎn)品采用。

 

未來5年， Wi-Fi路由器和物聯(lián)網(wǎng)也將在SiP市場快速增長，主要驅(qū)動因素是5G和傳感器。在電信和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，基站和服務(wù)器的復合年增長率都有望達到兩位數(shù)，其中基站的年復合增長率高達41%。這主要是因為5G基站需要通過倒裝芯片球柵陣列實現(xiàn)更多SiP集成。同時，服務(wù)器中的CPU、 xPU(小芯片、硅轉(zhuǎn)接板、扇出型)和FPGA也需要高端SiP。

 

蘋果近期發(fā)布的M1芯片正是因為采用SiP而戰(zhàn)斗力爆表，因此可以看出SiP還有非常巨大的潛力。

 

 

據(jù)統(tǒng)計，2019年SiP市場實現(xiàn)了134億美元的營收，復合年增長率達6%，2025年市場規(guī)模將實現(xiàn)188億美元。移動和消費類電子是SiP的最大市場（復合年增長率5%），緊隨其后的是電信和基礎(chǔ)設(shè)施（復合年增長率11%）和汽車市場（復合年增長率11%）。

 

從市場格局來看，全球SiP市場中主要的廠商為日月光(環(huán)旭電子)、安靠、長電科技等，前五大廠商2019 年合計營收200億美元，行業(yè)集中度較高。其中日月光以絕對領(lǐng)先優(yōu)勢居行業(yè)第一。在國內(nèi)市場方面，日月光及環(huán)旭電子更是占據(jù)絕對優(yōu)勢，領(lǐng)跑了SiP封裝行業(yè)。

 

環(huán)旭電子早在2012 年已經(jīng)開始了無線通訊模組的技術(shù)投資，并在 2014 年開始進行 SiP 相關(guān)的技術(shù)投資，2014 年就對微小化系統(tǒng)模塊以及高傳輸高密度微型化無線通信模塊項目投資了12.23 億元人民幣。在2012-2019年的8年間，環(huán)旭電子對SiP及無線通訊相關(guān)項目共計投資22.65億元，逐步優(yōu)化SiP技術(shù)、積累生產(chǎn)經(jīng)驗，產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)達到成熟階段，產(chǎn)品良率在 99%以上。

 

大陸地區(qū)的封裝龍頭長電科技也在緊緊追趕。通過收購星科金朋，長電獲得了SiP技術(shù)，并可以與日月光相抗衡。星科金朋韓國廠已正式量產(chǎn)，主營業(yè)務(wù)為高端封裝測試產(chǎn)品及高階SiP產(chǎn)品封裝測試，專為重要戰(zhàn)略客戶供貨。據(jù)長電介紹，其目前重點發(fā)展幾種類型的先進封裝技術(shù)。首先就是系統(tǒng)級封裝(SiP)，隨著5G的部署加快，這類封裝技術(shù)的應用范圍將越來越廣泛。其次是應用于Chiplet SiP的 2.5D/3D封裝，以及晶圓級封裝，并且利用晶圓級技術(shù)在射頻特性上的優(yōu)勢推進扇出型(Fan-Out)封裝。

 

除了巨頭積極參與之外，現(xiàn)在做SiP也成了業(yè)界風潮，與兩年前的形勢簡直判若云泥。有行業(yè)資深投資專家表示：最近兩年新建的封裝廠很多，每個封裝廠都要打上SiP的旗號。根本上說是供需的天平滑向另一端。

 

以前要做一款SiP，最擔心沒有裸芯片，二擔心批量小沒有廠家接，但是現(xiàn)在情況完全不一樣了。

 

“Chiplet概念的提出代表著IC廠商逐漸以開放的態(tài)度提供裸芯片給客戶，大批新興的封測廠商也樂意接收小批量多種類的SiP封測業(yè)務(wù)。”一位業(yè)內(nèi)人士這樣表示。

 

 

在封裝業(yè)全體倒向SiP的同時，SiP也在改變電子組裝業(yè)的格局，像歌爾聲學、立訊精密等大廠因為進入蘋果供應鏈而很早切入這個領(lǐng)域，并逐漸發(fā)展出自己的技術(shù)路線。