异构集成解锁封装潜力——摩尔精英SiP一站式解决方案_风闻
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日无锡举办的中国集成电路设计业2021年会 (ICCAD 2021)分论坛中，摩尔精英封装服务副总裁唐伟炜发表了以“异构集成解锁芯片潜力”为题的演讲。与参会嘉宾共同探讨未来集成电路趋势，系统级封装市场现况与分析，以及系统级封装与其他集成方式的对比。
浅析集成电路的三种集成方式：
唐伟炜讲到，目前市场上出现的集成电路的方式，大约可以分为三种：
第一种是芯片集成、把不同功能的模块集成为同一颗芯片，比较大型的集成电路如手机主芯片，里面会集成CPU，flash，通讯模块等不同功能的电路。再比如单片机，之前单片机只有简单运算功能，现在的单片机都集成flash，connect等功能。这个集成主要集中在晶圆工厂，由于功耗、成本及面积的大小等因素的考量，晶圆工艺从0.35um一步步发展到现在2nm。
第二种是封装集成，在晶圆工艺发展逐渐接近物理极限（原子之间的距离约1nm左右，目前可生产2nm制程的晶圆）、小制程晶圆的成本急剧攀升、市场对集成电路性能和短小轻薄的无上限追求，以封装技术为核心的电路集成因应而生。同时最近一直比较流行的chiplet（不同功能的电路单独做成小的芯片）越来越被业界接受。封装集成电路代表性产品有apple watch系列产品，整个手表里面只有一颗封装好的芯片及手表配套的电池，显示屏，外壳等。除了apple以外，国内手机厂商也越来越多的使用sip技术，华为手机约有7颗sip芯片（比如wifi模组，pmic模组等）。
第三种是板级集成，这也是市场上通用的集成方式。我们身边的电子产品中的绿色的电路板，就是把不同功能的、封装好的芯片焊接到PCB上面实现不同的功能。
那么这三种集成的方式有何利弊呢？唐伟炜用几个实例进行了分析。AMD这几年进步神速，采用了Chiplet，通过封装集成做到了更高的良率，更快的更新速度，更低的开发成本及更好的性能。除了AMD基于晶圆技术的封装集成，苹果的apple watch也基于封装技术的集成，因此得到更广泛的应用。目前SiP已经应用到各行各业，从消费类电子（例如，手机/pad/智能手腕/耳机等）到工业类（机床，设备等）产品，从家用电器（电视，冰箱、洗衣机等）到高铁飞机等。下图右侧所示就是摩尔精英开发的94个SiP产品中的三个。从传统的PCB做成了基于封装技术生产的新品，无论从性能，体积及功耗方便得到了较大的提升。
从周期和成本来看,SoC与后两者明显差异，表现为，一，SoC动辄需要一到两年，花费成本都在百万级；二，SiP开发时间在半年左右，开发成本在十万级；三、SoB开发时间约3个月左右，成本约万级（此成本不包含人工成本）。从客制化程度来讲 SiP和SoC是一个等级，SoB更具有灵活性。SoB和SiP均具有异形封装能力。论复杂程度来讲，SoC比较复杂，其他集成方式相对来说简单。
综上所述，SiP在综合评定中具有不小的优势，再配合设计公司或者未来的foundry工厂生产出来的chiplet，SiP会成为未来集成电路的趋势。
如前文所述，SiP相对于其他两种集成方式具有综合优势，但是为什么SiP到最近几年才火起来呢？从2005年DARPA提出SiP概念以来，只有很少的公司使用这一概念，这主要是因为SiP面临四大方面的难题和挑战。
目前SiP没有国际标准，造成每家公司的产品都是一个方案。方案多但每个方案量都不足够大，使得行业内没有办法形成生产的规模优势。2017年美国半导体行业协会曾尝试组织集成电路的专家，编制SiP行业国际标准，越深入的探讨越是发现编制标准难度比想象中的大很多。因为每个公司的方案都是此公司的核心机密，也是公司竞争优势的载体，所以不可能让别人轻易知道、更不可能公开成为标准。这也就造成目前SiP没有办法实现大规模生产，也就没有可能形成大范围的推广。
第二：缺少裸芯片资源
一颗SiP芯片里面可能会需要不同功能，不同工艺的数十种芯片。这些芯片的来源可能是来源于数十家芯片设计公司，这些芯片设计公司不一定会愿意出售晶圆给市场。这其中的原因是，前些年芯片设计公司出售晶圆给其客户，某些不良商家拿到这些晶圆后找一些质量管控不合格的小的封装工厂封装，然后这些不良商家再拿这些封装后的产品在市场上出售。价格比原厂的便宜，性能又一样，更有甚者直接打原厂的logo。在这个过程中，质量问题频发严重影响原厂的收益和商誉。所以现在的芯片设计公司在出售晶圆上都持相当谨慎的态度，更有一些公司明令禁止出售晶圆。这也严重影响了SiP的方案开发和市场推广。
第三：SiP模块设计和封装设计的瓶颈
SoB使用的PCB是毫米级的工艺，SiP使用的基板（substrate）是微米级的工艺。以前设计PCB的专家设计基板的时候，会发现很多的问题，比如说寄生电容、寄生电感、热力集中、应力等方面出现问题。然而基板设计的专家又对电路和功能不是很了解，没有办法开发出有竞争力原理图。SiP对设计人员的要求相对较高，既需要懂电路设计，又需要懂基板设计，因而市场上此类人才相当稀缺。想要找到合适的设计人员或者是设计团队相对来说难度相对来说比较高，从而也影响了SiP的大范围推广应用。
第四：量产难度高
由于没有行业标准，单一产品的生产量不是很大（除了苹果等公司的手机pad等大宗消费品）。无法形成大规模生产的规模优势，大的封装企业基本上不太喜欢生产此类产品。原因主要系如下几方面因素：1. 由于封装厂的盈利的重要指标就是机台稼动率，SiP产品比较复杂需要频繁改机，从而造成机台的使用率比较低下。2. 封装工厂的机台配比是按照传统封装来配置的，而不同的SiP所需要的机台配比是不一样的。不同的SiP里面包含的die差别很大，有的SiP里面可能有四到五颗die，有的SiP里面需要大几十颗die，还有的SiP需要不同的封装技术，造成封装工厂如果生产SiP，机台利用率会急剧下降。3. SiP产品一般比较复杂，对工程人员的要求多且高。工程人员占工厂的总员工的比率高，造成工厂人工成本急剧上升。所以基于封装技术的SiP，封装工厂不愿意生产。
以上这种种因素制约了SiP的发展，造成SiP没有得到大范围的推广。但由于性能等因素优于其他集成方式，再加上晶圆工艺提升难度越来越大，成本越来越高，SiP必然会成为发展趋势，其市场也在逐渐变大。2019年SiP的市场大约134亿美金，到2025年SiP市场预计会达到188亿美金，年复合增长率6%远高于行业年复合增长率。
目前市场上生产SiP的主要生产厂家有日月光、安靠、长电等封装工厂，此三家的SiP营收占比相对于其他工厂高出一大截。但是大陆也不乏有其他SiP的玩家正在背后默默布局。
摩尔精英封装服务：筹建自有SiP工厂，真正解决SiP大面积推广痛点
摩尔精英无锡SiP先进封测中心（以下简称：无锡封测中心）坐落于惠山经济开发区，建设初衷既是为解决目前SiP产品无法大面积推广的痛点，无锡封测中心所面向的客户主要为年产量1kk左右的产品，机台完全按照SiP产品特性进行配置，生产SiP产品的机台利用率相比于现在封装厂有长足的提高。
无锡封测中心的设备都是业界主流最新款设备，在机台能力上处于行业先进行列，核心技术人员参与Apple Watch，Apple Haptic engine module，Apple Face ID，Google Finger Printed Module，Qorvo RF/PA module，Apple Wifi module等SiP开发及量产，平均年资大于15年。无锡封测中心的机台配置既有Flip-chip，也有wire bond的机台技术能力都在行业先进行列。
结语
摩尔精英SiP一站式服务提供从电路图设计到量产的各个环节。当客户仅能够提供产品需要实现的功能时，摩尔精英则能够统筹完成原理图设计芯片选型，元器件选型以及SiP设计，生产及测试。基于此，客户只需提供一块已经在使用的PCB及原理图，后续的设计和生产完全交由摩尔精英来完成即可。目前，摩尔精英已开发92款产品，量产34款，客户中有系统公司（TCL、中车、长虹）等大型公司，也有国内一些方案公司/模组公司。摩尔精英无锡SiP先进封测中心的建成就是为了解决市场上多样化，小批量的产品的设计生产能力。
除此之外，摩尔精英重庆先进封装创新中心，面积近3000平方米，主要提供QFP/SOP/陶瓷封装/金属封装工程及小量产服务，合肥快速封装工程中心（主打QFN/BGA/LGA/SiP系列产品）运营满产、服务近500家客户的成功基础之上，进行的差异化技术布局和产能扩容，致力于服务好全国客户的需求。
摩尔精英封装服务介绍：
