SiP先進封裝前勢看漲向多個新市場發展

，謝謝。

半導體產業正朝著持續縮小尺寸和增加複雜度的方向發展，這樣的趨勢同時也驅動系統級封裝SiP技術被更廣泛採用。

SiP的一大優點在於它可以將更多的功能壓縮至外型尺寸越來越小的晶元上，適合例如在穿戴式裝置和醫療植入裝置方面的應用。因此，儘管該封裝中的單個晶元中集成在單個die上的功能較少，但從封裝整體而言，則在更小的覆蓋區中納入了更多功能。事實上，這是一個存在單一封裝體中的完整電子系統，載著當中IC以平坦排列、垂直堆棧或是兩者兼具的方式排布。

此外，SiP技術是多年來一直存在的技術之延伸。奠基於現有如倒裝晶元flip chip、晶圓凸塊wafer bumping、引線接合wire bonding和扇形晶圓級封裝fan-out wafer-levelpackaging等的封裝技術。

多晶元模塊MCM是系統級封裝的前身。MCM最初被開發用於數據存儲，例如在1960和1970年代的氣泡存儲器，以及特定的軍事/航空航天電子設備。現在也仍被使用於某些特定產品，如任天堂的Wii U遊戲機中。但是，這種封裝方案的採用受到摩爾定律不斷演進的限制，現在的技術已能用更低的成本，更容易地將所有組件都放在單一的晶元上。

Fig. 1: TI德州儀器氣泡內存模塊 Source: Chipsetc.com

這一切都在16 / 14nm節點，當持續縮小組件成為挑戰時開始發生變化。由於多種因素的影響，每個新節點之後製成加工的難度繼續增加。例如在5nm節點時，預期需引入全新的晶體管結構，並且開始考慮如鈷或釕等的新材料作為互連結構中的銅之替代物。此外，即使在16 / 14nm節點，動態功率密度和自熱問題也成為挑戰，在10nm及以上則需要更多的著墨以及更先進的電源管理電路。在設計方面，路由擁塞一直是日益嚴重的問題，由於RC延遲、電遷移以及諸如熱、靜電放電和電磁干擾等物理效應影響而加劇。

先進封裝技術提供了一些解決這些問題的替代方法。首先，它提供了一種透過利用物理分離方式來最小化物理效應的方法。舉例來說，一個對數字雜訊或熱效應敏感的模擬block，透過使用獨立的另一個晶元，將可以更容易地減緩效應。其次，因為整個晶元或小晶元chiplets可以在一個封裝體中重複使用，它也使IP的重複使用變得更簡單。再者，它可以通過增加晶元之間的連接體的直徑並縮簡訊號必須行進的距離來提高性能並降低功耗，從而降低驅動這些信號所需的功率。

ASE集團銷售和業務發展副總裁Yin Chang表示：「SiP在導入方面尚處於起步階段。我們還在摸索學習SiP的所有可能性，這一切只是SiP的開始。」

然而先進封裝肯定已經超越了摸索各種封裝方式的可行性和可靠性的基礎研究階段。現在的挑戰是實現如同摩爾定律一般，將一切整合於單一die上的規模經濟。半導體產業已經發展出穩定的選項和技術發展以協助這一轉型的推行。

Chang表示：「技術的進步有兩個層次。一是就2.5D而言，可以使用硅中介層interposer連接各種類型的高密度硅可使集成最大化，並且在一個很小的覆蓋區中促成性能提升。其次，過去把各種功能組合在一起會導致晶元的衝突或相互干擾。但新的技術能在這些性能衝突的硅之間進行動態屏蔽，並將其置於尺寸非常小的封裝中，使其滿足主要用於穿戴式裝置或IoT應用的小尺寸應用需求。

Fig. 2: SiP市場關係圖 Source:ASE

STATS ChipPAC的高級總監Urmi Ray表示：「技術的演進主要與多個die的異構整合相關，同時，這也是另一個關鍵組件 - 無源器件在最小form factor上的有效組合和匹配。這是過去幾年所發生的變化，這樣的趨勢已經出現在於非常小的form factor上，優化無源器件和有源器件的關鍵領域。此外，我們也看到在組裝方面非常有效率的處理、拾取和配置小型、輕薄的dies以及兩個較大的組件。隨著form factor尺寸的縮減，使用更薄die是越來越明顯的趨勢。」

Fig. 3: SiP模塊 Source: STATS ChipPAC

Yole Développement總裁兼首席執行長Jean-Christophe Eloy也有類似的觀察。他指出，由台積電代工製造和組裝的蘋果A10處理器設計已經允許無源器件轉移到晶元設計中，而不再是將其視為PCB上的分立組件。他說：「多虧了台積電和蘋果合作的A10處理器，集成無源器件又開始被運用在無線移動裝置之中。」

Amkor Technology的SiP /系統集成副總裁Nozad Karim在上個月由國際微電子組裝和封裝協會(IMAPS)在加州RohnertPark主辦的系統級封裝（SiP）技術會議和展覽會中以此問題展開了活動的序幕。

「SiP的定義有很多種，」他說。 「這是一個系統，也是一個封裝。」

TechSearchInternational總裁Jan Vardaman補充說明更多細節： 「業界需要明確知道我們如何界定SiP技術，」她解釋說，SiP涉及「兩個或兩個以上不同的die」，而且「它組成一個functional block」。 「SiP並不意味著一種單一的封裝方式，」Vardaman補充說。 「Fan-out Wafer級封裝也可以算做是SiP。」但她指出，台積電的InFO封裝封裝技術並不符合SiP的定義。

Vardaman預估2016年SiP封裝的出貨量將達149億單位。他認為行動裝置、可穿戴裝置和其他消費類產品約佔SiP使用的82％，2016年至2020年的市場複合增長率預估為13.7％。

Vardaman指出iPhone 7和7 Plus智能手機每部都有約15個SiP，Apple Watch Series 2內含三個SiP，而三星Samsung Galaxy S8手機則擁有13個SiP封裝。

作為另一個參考標準，Yole Développement預測到2022年，將有450萬個晶圓（以12英寸晶圓估計）包含TSV透硅通孔，這種通孔是運用在內插層interposers技術以及其他先進封裝的技術。

Fig. 4:先進封裝成長預測. Source: Yole Développement

市場

SiP的應用一開始鎖定在高端網路領域，其中網路吞吐量throughput至關重要，但價格不是關鍵因素，以及一些消費電子和移動市場，何者的初始開發成本可以在大量需求和系統的整體價格部份攤銷。

而今日的主要應用則包括將處理器、內存、邏輯單元和感測器集成在一個模塊中，為某些客戶提供一站式的解決方案。但是，隨著成本的降低，這些產品預計對需要快速推出新產品的物聯網設備裝置開發商尤其有用。

「模塊化這種解決方案能讓我們快速創建足以協助縮短上市時間的解決方案。」ASE的 Chang 表示，「所以我們可以將SiP用於滿足特定功能，促使廠商得以非常快速地將它組裝到一起，並將產品推出市面。特別針對的是可穿戴裝置和 IoT等市場變化迅速的領域。這些是SiP 可以同時滿足的兩種不同的需求。」

由於其能在更小的成品尺寸上改善電池壽命，SiP 也逐漸滲透進汽車、工業和醫療電子領域。在如人工智慧和神經引擎等有高性能需求的應用中，SiP也是合適的解決方案。Chang 說：「SiP 可以適用於廣泛多樣的產業領域。」這項技術也適合無人駕駛車輛、擴增實境、5G無線通信等。

Chang表示：「我們相信你可以把它放在自動駕駛車輛中供神經引擎使用，在車裡你會想將高速處理解決方案整合到一個非常小的form factor上，所以你可以不必在車上裝載一台龐大的計算機。您可以在高帶寬下進行運算處理，因此可能需要使用SiP來滿足這些高帶寬的需求，或許是連接神經引擎的5-，6-，7G傳輸速率。在這方面，2.5D解決方案能夠為這些類型的大量運算需求提供異質硅的技術。而在擴增實境部分，因為您會希望將顯示器屏幕配置在眼鏡上，所以form factor的尺寸會成為關鍵，同時您也會希望可以最大限度延長電池使用壽命，讓您不必不斷對眼鏡進行充電就能保持AR的正常運行。因此縮小電子產品，以及將其快速模塊化以縮短上市時間的能力，對於這些客戶或公司而言會是關鍵。以SiP進行這兩個領域的產品開發對我們來說非常有意思。我們得以善用我們在封裝和EMS方面的所有經驗，產出高密度的模塊，並為AR製造商創造解決方案。通過我們的bumping晶圓凸塊、flip chip倒裝晶元和重布技術RDL解決方案，我們可以為下一代的無人駕駛車輛打造一個2.5D的神經引擎。」

STATS 的 Ray 認為RF屏蔽和有源與無源器件的雙面集成是兩大優勢，何者可以讓移動手機內使用雙面印刷的電路板，進而縮小模塊尺寸。

在SiP的採用普及方面，Ray說「功能的模塊化是一個實際的市場趨勢。」他並特別提出物聯網、可穿戴、感測器和汽車電子領域的高級駕駛輔助系統等新興市場。「這些是非常不同的多樣市場，關鍵是要實現異質化的集成。」

SiP已被應用在可穿戴裝置中的高帶寬內存中，這類的裝置有些通常是消費電子產品中採用最小formfactor的一群。「採用 SiP 的主要原因是尺寸大小和異構集成。」Ray說道。

然而，SiP 發展到現在可以被視為是一種解決方案，其實也經歷了相當長的過程。實際上，委外封裝測試業者OSAT、代工廠和整合組件製造IDM開始認真發展這些封裝方法也已有近十年的時間。

「和其它所有OSAT 一樣， STATS ChipPAC 一直以來都著重於SiP技術的開發。」Ray說，「在設計和組裝上，我們真的很努力。」該公司也已經轉向了系統級測試，將RF 測試和數位測試結合起來，確保 SiP 能正常運作。

過程中很多工作也都是透過合作完成的。

「我們學到最重要的一課是我們必須與合作的客戶緊密協同合作，」Chang 說，「只是能夠做出 SiP 並不意味著能夠做出 SiP 解決方案。與客戶緊密合作，讓他們告訴你他們的硬體和軟體方面的需求，這種合作才能成功實現 SiP 。任何人都能拼組樂高積木，但我們意識到我們需要與客戶一起合作，才能真正把樂高積木拼成能讓他們推向市場的解決方案。」

儘管封裝廠通常會支持提供韌體，大多數情況下，客戶都會提供必要的軟體。

然而，顯而易見的趨勢是SiP 技術將會繼續在市場中發展，並將在未來幾年更廣泛的應用在半導體製造領域。因為有能力能追隨摩爾定律進入個位數納米範圍的公司越來越少，SiP就提供了另一個發展的方向。隨著這項技術能有更多可用現成組件的實例出現，它的普及預期將大幅度的擴展。

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