集成电路走到瓶颈期，SiP如何为摩尔定律续命？

脱离摩尔定律发展规律,SiP将成为超越摩尔定律的杀手锏,在5G、人工智能、数据中心、高性能计算等领域发挥重要作用。

文︱郭紫文

图︱现场、网络

近年来,摩尔定律逐渐进入难以提升的“红区”,集成电路也逐渐走到发展的瓶颈期。为进一步提升集成电路系统性能、降低成本依赖、提升功能密度,先进封装技术正朝着高密度、高性能、低成本的方向发展。

图:摩尔定律曲线

三十年前,封装标准还是金属封装、塑料封装、陶瓷封装。如今,先进封装已经进入了“寒武纪”,各种封装模式层出不穷。先进封装技术主要分为两大类,一类是基于XY平面延伸,主要通过再分布层(RDL)进行信号延伸和互联,包括倒装芯片(Flip Chip)、扇出型晶圆级封装(FOWLP)、扇出型面板级封装(FOPLP)等。另一类是基于Z轴延伸,通过硅通孔(TSV)进行信号延伸和互联,包括硅通孔(TSV)技术、衬底晶圆级芯片封装(CoWoS)等。

其中,SiP(系统级封装)成为后摩尔时代实现超高密度和多功能集成的关键技术,在5G、人工智能、数据中心、高性能计算等领域发挥重要作用。5月21日,第五届中国系统级封装大会在上海召开,来自SiP上下游的厂商进行了专业的技术交流,共同探讨SiP未来的发展趋势与技术演进。

SiP持续创新

SiP技术应用广泛,采用SiP技术的产品应用场景囊括了智能手表、智能眼镜、TWS耳机等可穿戴设备,5G、AI等物联网相关应用,以及智能汽车等多个领域。

《USIASE系统级封装技术发展路线图》 环旭电子 赵健

从低端到高端,终端应用中的各种I/O和封装尺寸中都可以找到SiP技术的身影。芯片的高度集成化要求SiP封装不断迭代升级,以满足高性能和低时间成本的异构集成需求。在移动前端和高性能计算(HPC)市场,SiP封装技术不断推进和革新。异构集成和Chiplets(小芯片)也逐渐成为推动高性能计算发展的关键技术。

图:SiP封装模式

图:SiP封装技术发展路线

超越摩尔定律

摩尔定律发展至今,半导体工艺制程已经接近物理极限,由此分散出两条道路:摩尔定律和超越摩尔定律。SoC(片上系统)是将所有电子元器件集成到一个芯片上,以组成独立运行的系统,它将继续沿用摩尔定律,朝更加小型化方向缓慢发展。SiP则是将多种功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能/系统,是超越摩尔定律的重要路径。

根据国际半导体路线组织(ITRS)的定义,SiP是指将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS、光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件,形成一个系统或者子系统。

超越摩尔定律将芯片发展从一味追求功耗下降及性能提升,转向更加务实多样的市场需求满足。集成电路及系统复杂度不断增加,封装集成度不断上升,未来芯片的发展方向应该是SoC与SiP深度融合,赋能系统更高的性能和价值。

图:摩尔定律VS超越摩尔定律

SiP市场大有可为

在摩尔定律式微的趋势下,随着5G、人工智能、云计算、大数据等新兴技术的不断融合升级,对芯片封装技术的要求也日益增长。当单芯片集成进展停滞的时候,SiP脱颖而出。

SiP具有多项优势,可以从XYZ三轴方向对模组进行缩小,为终端设备提供更多的空间,整合FATP(最后试验装配和包装)工序流程,极大降低FATP难度。此外,SiP提供模组化封装技术,提供更好的电磁屏蔽方式,提高系统可靠性,降低整体生产成本。

《USIASE系统级封装技术发展路线图》 赵健 环旭电子

凭借其低成本、高效率、简单的制造流程等优势,SiP技术在智能手机、可穿戴设备、工业控制、智能汽车等新兴领域得到广泛应用。据Yole报告显示,2019年SiP市场份额达134亿美元,预计到2025年市场份额将增长至188亿美元,年复合增长率达6%。未来五年,SiP市场持续向好,大有可为。

图:2019-2025年SiP市场份额预测

《系统级封装关键技术及在智能终端的应用》 田德文 歌尔微电子

根据MarketsMarkets报告显示,射频前端应用成为SiP最大的市场。而Yole表示,未来五年,可穿戴设备、Wi-Fi路由器和物联网将在SiP市场领域显著增长,5G和物联网成为主要驱动力。

5G的迅速发展也带动了5G封装市场的不断扩大。2020年5G封装市场规模为5．1亿美元,预期将以31%的年复合增长率成长,至2026年达到约26亿美元。

图:5G 封装为 SiP 业务带来创新技术和新机遇

SiP封装技术市场空间广阔,相较于传统封装性能优势显著。SiP上下游企业正积极布局,扩大SiP产品应用版图,加速SiP工艺优化升级,超越摩尔定律限制,促进半导体行业蓬勃发展。脱离摩尔定律发展规律,SiP将成为超越摩尔定律的杀手锏,助力集成电路小型化、系统化发展。