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- 談?wù)勌O果芯片所用的SIP封裝技術(shù)
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2016/9/12
蘋果在昨天的發(fā)布會上提到了其芯片使用了SIP封裝，但你了解嗎？
SIP是System in Package (系統(tǒng)級封裝、系統(tǒng)構(gòu)裝)的簡稱，這是基于SoC所發(fā)展出來的種封裝技術(shù)，根據(jù)Amkor對SiP定義為“在一IC包裝體中，包含多個芯片或一芯片，加上被動元件、電容、電阻、連接器、天線…等任一元件以上之封裝，即視為SiP”，也就是說在一個封裝內(nèi)不僅可以組裝多個芯片，還可以將包含上述不同類型的器件和電路芯片疊在一起，構(gòu)建成更為復(fù)雜的、完整的系統(tǒng)。
SiP包括了多芯片模組(Multi-chip Module；MCM)技術(shù)、多芯片封裝(Multi-chip Package；MCP)技術(shù)、芯片堆疊(Stack Die)、PoP (Package on Package)、PiP (Package in Package) ，以及將主/被動元件內(nèi)埋于基板(Embedded Substrate)等技術(shù)。以結(jié)構(gòu)外觀來說，MCM屬于二維的2D構(gòu)裝，而MCP、Stack Die、PoP、PiP等則屬于立體的3D構(gòu)裝；由于3D更能符合小型化、高效能等需求，因而在近年來備受業(yè)界青睞。
SiP封裝中互連技術(shù)(Interconnection) 多以打線接合(Wire Bonding) 為主，少部分還采用覆晶技術(shù)(Flip Chip)，或是Flip Chip 搭配Wire Bonding 作為與Substrate (IC載板) 間的互連。但以Stack Die (堆疊芯片) 為例，上層的芯片仍需藉由Wire Bonding來連接，當(dāng)堆疊的芯片數(shù)增加，越上層的芯片所需的Wire Bonding長度則將越長，也因此影響了整個系統(tǒng)的效能；而為了保留打線空間的考量，芯片與芯片間則需適度的插入Interposer，造成封裝厚度的增加。
隨著SoC制程技術(shù)從微米(Micrometer)邁進(jìn)納米的快速演進(jìn)，單一芯片內(nèi)所能容納的電晶體數(shù)目將愈來愈多，同時提升SoC的整合能力，并滿足系統(tǒng)產(chǎn)品對低功耗、低成本及高效能之要求。但是當(dāng)半導(dǎo)體制程進(jìn)入納米世代后，SoC所面臨的各種問題，也愈來愈難以解決，如制程微縮的技術(shù)瓶頸及成本愈來愈大、SoC芯片開發(fā)的成本與時間快速攀升、異質(zhì)(Heterogeneous )整合困難度快速提高、產(chǎn)品生命周期變短，及時上市的壓力變大，使SiP技術(shù)有發(fā)展的機會。
SiP技術(shù)具整合彈性可大幅縮減電路載板面積
系統(tǒng)封裝(SiP)技術(shù)在現(xiàn)有集成電路工程并非高困難度的制程，因為各種功能芯片利用集成電路封裝技術(shù)整合，除考量封裝體的散熱處理外，功能芯片組構(gòu)可以將原本離散的功能設(shè)計或元件，整合在單一芯片，不僅可以避免設(shè)計方案被抄襲復(fù)制，也能透過多功能芯片整合的優(yōu)勢讓最終產(chǎn)品更具市場競爭力，尤其在產(chǎn)品的體積、功耗與成本上都能因為SiP技術(shù)而獲得改善。
SiP元器件若設(shè)計規(guī)畫得當(dāng)，已可相當(dāng)于一系統(tǒng)載板的相關(guān)功能芯片、電路的總和，而依據(jù)不同的功能芯片進(jìn)行系統(tǒng)封裝，可以采簡單的Side by Side芯片布局，也可利用相對更復(fù)雜的多芯片模組MCM(Multi-chip Module)技術(shù)、多芯片封裝MCP(Multi-chip Package)技術(shù)、芯片堆疊(Stack Die)、PoP(Package on Package)、PiP(Package in Package)等不同難度與制作方式進(jìn)行系統(tǒng)組構(gòu)。也就是說，在單一個封裝體內(nèi)不只可運用多個芯片進(jìn)行系統(tǒng)功能建構(gòu)，甚至還可將包含前述不同類型器件、被動元件、電路芯片、功能模組封裝進(jìn)行堆疊，透過內(nèi)部連線或是更復(fù)雜的3D IC技術(shù)整合，構(gòu)建成更為復(fù)雜的、完整的SiP系統(tǒng)功能。
而在SiP整合封裝中，關(guān)鍵的技術(shù)就在于SiP封裝體中的芯片或功能模組的芯片內(nèi)互連技術(shù)(Interconnection)，在一般簡單形式或是對芯片體積要求不高的方案中，運用打線接合(Wire Bonding)即可滿足多數(shù)需求，而打線接合形式芯片多用Side by Side并列布局為主，當(dāng)功能芯片數(shù)量多時，芯片的占位面積就會增加，而若要達(dá)到SiP封裝體再積極微縮設(shè)計，就可改用技術(shù)層次更高的覆晶技術(shù)(Flip Chip)或是Flip Chip再搭配打線接合與IC載板(Substrate)之間進(jìn)行互連。
基本上堆疊芯片(Stack Die)的作法在上層的芯片或模塊仍然需要透過打線接合進(jìn)行連接，但若碰到SiP的整合芯片、功能模塊數(shù)量較多時，即堆疊的芯片、功能模組數(shù)量增加，這會導(dǎo)致越是設(shè)于SiP結(jié)構(gòu)上層的芯片、模塊所需要的打線連接電子線路長度將因此增長，傳輸線路拉長對于高時脈運作的功能模塊會產(chǎn)生線路雜訊或是影響了整體系統(tǒng)效能；至于SiP在結(jié)構(gòu)上為了預(yù)留Wire Bonding的打線空間，對芯片與芯片或是功能模塊與功能模塊間插入的Interposer處理，也會因為這些必要程序?qū)е耂iP最終封裝成品的厚度增加。
首先SiP可利用封裝技術(shù)讓整合設(shè)計更具效率，也就是說SiP可在單一封裝體內(nèi)裝多組功能芯片，例如單一SiP若整合兩組功能芯片，使用堆疊設(shè)計可以在相同芯片占位面積設(shè)置雙芯片功能，若是三個功能芯片構(gòu)裝，則可以在單一芯片略大的體積設(shè)置多芯片功能。
SiP另一大優(yōu)勢在于構(gòu)裝芯片的設(shè)計驗證會比同樣多功能芯片整合的SoC設(shè)計方案更簡單許多，因為SiP為利用已有的功能芯片、矽智財IP或是功能模塊芯片進(jìn)行構(gòu)裝，基本上這些功能獨立的芯片皆已可透過既有的驗證流程確認(rèn)功能完整性，而在SiP制程中僅針對芯片與芯片、功能模塊與功能模塊的內(nèi)部連線在封裝后是否正常無誤進(jìn)行驗證，大幅減少設(shè)計流程與驗證成本。
而SoC卻需要透過版圖布局／布線，不僅在設(shè)計流程與負(fù)荷相對復(fù)雜，在后期的芯片驗證調(diào)校成本也相對較高，兩者相較SiP在爭取產(chǎn)品上市時間有絕對優(yōu)勢。同時，SiP的優(yōu)點還有可以結(jié)合不同功能芯片、功能模塊，在面對異質(zhì)芯片構(gòu)裝方面可以極具彈性，在封裝體內(nèi)還可設(shè)置被動元件，甚至集成天線模塊進(jìn)封裝體，芯片的封裝成果可以自成一套電子系統(tǒng)，實現(xiàn)嵌入式無源元件的設(shè)計方案組合。
高度集成電路封裝整合提升產(chǎn)品抗機械、抗化學(xué)腐蝕能力 SiP也具備極好的抗機械、抗化學(xué)腐蝕能力，因為相關(guān)電路都以封裝體整個包覆起來，可增加電路載板的抗機械應(yīng)力、抗化學(xué)腐蝕能力，同時提高了電子系統(tǒng)的可靠性。
而與傳統(tǒng)集成電路芯片或封裝元器件不同的是，SiP不只是可處理數(shù)位系統(tǒng)電子的通用運算，像是DSP(Digital signal processing)數(shù)位信號處理系統(tǒng)、感測器、微機電MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)甚至是光通訊應(yīng)用領(lǐng)域，都可以透過關(guān)鍵模組元件整合，以極小芯片的SiP封裝元器件實踐以往需要大片電路功能載板處理的功能設(shè)計。
由于SiP可使用的芯片內(nèi)布局、內(nèi)部連線技術(shù)方案的差異，可讓SiP實現(xiàn)如單一封裝體透過多芯片互連、倒裝、IC芯片直接芯片互連等設(shè)計方案完成SiP元器件設(shè)計，這可以讓SiP在多芯片整合后對外的電氣連接介面大幅縮減，不僅可有效減少封裝體尺寸與引腳數(shù)量，也可縮短功能IC間的連接線路長度，讓電氣性能表現(xiàn)大幅提升，而SiP透過芯片內(nèi)部互連可以提供更高品質(zhì)的電氣連接效果、低功耗、低噪訊的連接品質(zhì)，尤其在高外部頻率的工作環(huán)境中，SiP的運行效能可以達(dá)到接近SoC元器件的運行效果。
產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)完整臺廠發(fā)展SiP最大優(yōu)勢
2007年第一代iPhone推出后，逐漸開啟行動裝置產(chǎn)品的普及。隨著輕薄短小、多功能、低功耗等產(chǎn)品趨勢形成，SiP技術(shù)漸成封裝技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)；2015年，體積更小的Apple Watch等穿戴式產(chǎn)品開始興起，亦亟需使用SiP技術(shù)協(xié)助。
而在物聯(lián)網(wǎng)時代即將來臨之際，對多功能整合、低功耗與微型化等需求更將逐步增加，SiP技術(shù)將能提供較為理想的解決方案。因此，不但國內(nèi)外現(xiàn)有封測大廠極力發(fā)展SiP技術(shù)，相關(guān)基板廠、EMS廠乃至于上游晶圓代工廠，皆有廠商跨入以搶食商機。
由于SiP須不同專業(yè)領(lǐng)域互相配合，包括IC基板、封裝技術(shù)、模組設(shè)計與系統(tǒng)整合能力等，這對相關(guān)臺灣業(yè)者來說，是很好的發(fā)展機會。因為，臺灣在半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)完整，廠商分布廣泛，具有發(fā)展SiP技術(shù)的先天條件。就以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來分析，分布領(lǐng)域廣泛且完整，使臺灣半導(dǎo)體業(yè)者具有上中下游合作的基礎(chǔ)條件。
尤其對封測業(yè)者來說，以技術(shù)為主的封裝廠可與IC設(shè)計廠緊密合作，以領(lǐng)先的封裝技術(shù)來滿足IC設(shè)計業(yè)者對產(chǎn)品的各種設(shè)計需求；也可與記憶體廠乃至晶圓代工廠技術(shù)合作，發(fā)展SiP異質(zhì)整合。
目前在高階封裝技術(shù)仍保有領(lǐng)先地位的臺廠，若能再強化廠商間合作與善用優(yōu)勢，則臺灣廠商在SiP領(lǐng)域?qū)⒖删S持技術(shù)領(lǐng)先并擁有更多發(fā)展商機。
IC基板廠投入SiP領(lǐng)域
由于封測廠商積極發(fā)展SiP技術(shù)，因此吸引部分IC基板廠商開始聚焦SiP所帶來的潛在商機。IC基板埋入主被動元件而成為SiP基板，在更薄的載板空間內(nèi)埋入IC，亦逐漸成為發(fā)展趨勢。未來，在行動裝置、穿戴式與物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用下，SiP基板預(yù)料將為IC基板廠商帶來另一波成長動能。
在國外廠商部分，除日商TDK發(fā)展積體電路內(nèi)埋式基板，并與日月光結(jié)盟，共同朝SiP領(lǐng)域邁進(jìn)之外；另一家日系大廠Ibiden、韓廠Semco以及奧地利廠商AT&S等，也都積極投入發(fā)展SiP所需的IC基板。
國內(nèi)其他IC基板大廠也陸續(xù)展開布局，其中南電發(fā)展的系統(tǒng)級封裝產(chǎn)品已導(dǎo)入量產(chǎn)，主要應(yīng)用于手機和網(wǎng)通產(chǎn)品，并積極開發(fā)中國大陸IC設(shè)計與封測客戶。
另一間IC基板大廠景碩的SiP產(chǎn)品所占營收比重在2015年已經(jīng)超過一成，包括應(yīng)用于功率放大器、NAND Flash與網(wǎng)通等產(chǎn)品，并與國內(nèi)封測大廠建立供應(yīng)鏈關(guān)系，同時也是美系客戶供應(yīng)商。而欣興電子也積極開發(fā)新原料與新制程，以作為系統(tǒng)級封裝基板的技術(shù)基礎(chǔ)。
SiP技術(shù)不但是諸多封測廠發(fā)展的目標(biāo)，也吸引部分EMS廠商與IC基板廠商投入。
近年來，部分晶圓代工廠也在客戶一次購足的服務(wù)需求下（Turnkey Service），開始擴展業(yè)務(wù)至下游封測端，以發(fā)展SiP等先進(jìn)封裝技術(shù)來打造一條龍服務(wù)模式，滿足上游IC設(shè)計廠或系統(tǒng)廠。
然而，晶圓代工廠發(fā)展SiP等先進(jìn)封裝技術(shù)，與現(xiàn)有封測廠商間將形成微妙的競合關(guān)系。首先，晶圓代工廠基于晶圓制程優(yōu)勢，擁有發(fā)展晶圓級封裝技術(shù)的基本條件，跨入門檻并不甚高。因此，晶圓代工廠可依產(chǎn)品應(yīng)用趨勢與上游客戶需求，在完成晶圓代工相關(guān)制程后，持續(xù)朝晶圓級封裝等后段領(lǐng)域邁進(jìn)，以完成客戶整體需求目標(biāo)。這對現(xiàn)有封測廠商來說，可能形成一定程度的競爭。
由于封測廠幾乎難以向上游跨足晶圓代工領(lǐng)域，而晶圓代工廠卻能基于制程技術(shù)優(yōu)勢跨足下游封測代工，尤其是在高階SiP領(lǐng)域方面；因此，晶圓代工廠跨入SiP封裝業(yè)務(wù)，將與封測廠從單純上下游合作關(guān)系，轉(zhuǎn)向微妙的競合關(guān)系。
以晶圓代工龍頭臺積電量產(chǎn)在即的整合扇出型封裝（InFO）技術(shù)來說，2016年將可量產(chǎn)應(yīng)用于行動裝置產(chǎn)品，再搭配前端晶圓代工先進(jìn)制程，打造出一條龍的服務(wù)。
InFO架構(gòu)是以邏輯晶片與記憶體晶片進(jìn)行整合，亦屬于SiP范疇，與過去TSV 2.5D IC技術(shù)層級的CoWoS技術(shù)相比，其亮點是無需矽中介層，因此成本更低，更輕薄且散熱程度更好。
目前臺積電跨入SiP業(yè)務(wù)多為因應(yīng)客戶需求，是否對于封測廠形成搶單效應(yīng)，值得后續(xù)關(guān)注。不過，封測廠面臨晶圓代工廠可能帶來的競爭，并非完全處于劣勢而毫無機會。
封測廠一方面可朝差異化發(fā)展以區(qū)隔市場，另一方面也可選擇與晶圓代工廠進(jìn)行技術(shù)合作，或是以技術(shù)授權(quán)等方式，搭配封測廠龐大的產(chǎn)能基礎(chǔ)進(jìn)行接單量產(chǎn)，共同擴大市場。此外，晶圓代工廠所發(fā)展的高階異質(zhì)封裝，其部份制程步驟仍須專業(yè)封測廠以現(xiàn)有技術(shù)協(xié)助完成，因此雙方仍有合作立基點。
龐大的市場規(guī)模
全球終端電子產(chǎn)品的發(fā)展不斷地朝向輕薄短小、多功能、低功耗等趨勢邁進(jìn)，對于空間節(jié)省、功能提升，以及功耗降低的要求越來越高，SiP的成長潛力也越來越大。2015年Apple Watch等穿戴式產(chǎn)品問世后，SiP技術(shù)擴及應(yīng)用到穿戴式產(chǎn)品。
雖然，目前穿戴式產(chǎn)品的市場規(guī)模尚難與智慧型手機匹敵，但未來穿戴式產(chǎn)品預(yù)期仍將呈現(xiàn)成長，為SiP帶來成長動能。
此外，物聯(lián)網(wǎng)即將逐漸普及之際，在萬物聯(lián)網(wǎng)的趨勢下，必然會串聯(lián)組合各種行動裝置、穿戴裝置、智慧交通、智慧醫(yī)療，以及智慧家庭（圖2）等網(wǎng)路，多功能異質(zhì)晶片整合預(yù)估將有龐大需求，低功耗也會是重要趨勢。
因此，SiP預(yù)料仍將扮演重要的封裝技術(shù)。雖然，全球物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)業(yè)者目前仍處于建立平臺與制定規(guī)格階段，尚未呈現(xiàn)具體商機。然而，若將來相關(guān)平臺建立完成，相關(guān)規(guī)格與配套措施皆完備后，物聯(lián)網(wǎng)亦成為SiP動能成長來源。
原本位居全球第四大封測廠的星科金朋也在韓國廠區(qū)積極開發(fā)SiP技術(shù)，但因整體營運狀況不如前三大廠，因此難以投入大額資本以擴充SiP規(guī)模。
不過，隨著大陸封測廠江蘇長電并購星科金朋而帶來資金，將能夠結(jié)合原本星科金朋的技術(shù)，預(yù)期在SiP領(lǐng)域有望成長。擁有資金并進(jìn)一步取得技術(shù)之后的江蘇長電，未來在SiP技術(shù)領(lǐng)域所帶來的競爭力，特別值得臺廠留意。
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