芯片组件客户微型化需求持续看涨 系统级封装蔚为主流

微型化需求持续看涨 系统级封装蔚为主流

时间:2011年12月01日
在可携式装置设计中,除系统功耗外,产品的尺寸也是一项主要设计挑战。为了满足这类客户对组件日益严格的尺寸要求,芯片制造商除了采用更先进的制程技术以直接缩小内部半导体 中国电信路透社苹果公司中国电信拟年底开始销售iPhone 4购并ATi综效显现 AMD打造嵌入式用APU南沙广州市管委会广东最大LED基地南沙动工电流消耗标准微芯科技推出红外线协议堆栈控制器接收器系统蓝牙Broadcom推出最先进的GPS解决方案AMD Q4每股收益14美分 高于分析师预期上海市智慧城市建设上海智慧城市建设确定以企业为主的8个专项双屏微软平板微软证实Courier双屏平板电脑项目胎死腹中批评新闻线索邮箱ADI推出ADSL2PLUS CPE芯片集
在可携式装置设计中,除系统功耗外,产品的尺寸也是一项主要设计挑战。为了满足这类客户对组件日益严格的尺寸要求,芯片制造商除了采用更先进的制程技术以直接缩小内部半导体组件的尺寸外,系统单芯片与多芯片封装也是常见的因应之道。

随着制程技术精进,以及手持式装置所带来的强劲组件微型化需求,几乎所有针对手持式装置所设计的半导体组件皆采用单芯片(Single Chip)、甚至更复杂的系统单芯片(SoC)的架构。

然而,由于不同应用需求的先天限制,如射频(RF)电路为了达成高速运作的目标,必须大量采用硅锗(SiGe)或砷化镓(GaAs)制程,才能生产出效能符合需求的晶体管;又如模拟电路为了承受更高的电压,不能像内存或处理器芯片一样采用90奈米以下先进制程生产。

上述各种制程彼此间无法兼容的现实,是SoC发展最大的障碍,也可能是永远无解的难题,但只要手持式装置多功能整合的趋势不变,组件供货商就必须设法提供更微型化的解决方案。因此,多芯片封装(MCP)技术,以及由此衍生出来的系统级封装(System in Package, SiP)概念,遂成为各方关注的解套方案。

封装技术渐趋成熟 MCP厂商转型耕耘SiP市场

为了因应手持式装置对组件封装尺寸的严格要求,将多颗裸晶(Die)整合成单一封装MCP技术已经非常普遍。根据研究机构Portelligent过去几年来陆续拆解超过四百款手机、个人导航、可携式媒体播放器等装置后所做的统计显示,超过九成以上的可携式产品至少使用一颗采用MCP的组件,特别是整合动态随机存取内存(DRAM)与NOR闪存的MCP组件,在手持式装置中的运用最为普及。显然在可携式装置的需求带动下,多芯片封装技术已经成为一股不可忽视的势力。

好德科技系统微型化产品事业处处长张胜荣(图1)指出,手机内存是目前多芯片封装技术最主要,良率也最佳的应用领域。良率是评估一项技术是否成熟的重要指标之一,也是服务供货商彼此竞争的重点。大致说来,目前业界在内存MCP产品良率约在95~97%之间,好德则由于拥有紧密结合的上下游伙伴与长期技术耕耘,目前已将良率提升到99.27%。由此即可看出,内存MCP技术在行动装置的蓬勃发展带动下,已经进入成熟期。

挟着在内存MCP上所扎下的技术实力,目前有不少台系MCP封装服务供货商都已经跨足内存加处理器的整合封装服务市场,如好德、巨景等公司皆已开始为客户进行这类客制化的封装整合服务。然而,在跨足此一市场后,原本单纯做封装服务的厂商,除了要因应处理器芯片的电气特性与散热考虑而对原有的MCP架构做出改良之外,更重要的是必须转型成为一家真正的系统解决方案公司,不能再仅以封装服务供货商的身分自居。

打破刻板印象 MCP不等于SiP

张胜荣表示,目前业界对于SiP还有很多迷思,其中最常见的就是把MCP跟SiP混为一谈,但事实上一家做MCP封装设计的服务供货商,要跨足经营SiP业务时,必须要做很多资源调整的动作,例如韧体开发跟应用支持便是以往封装服务厂商陌生的工作,很多MCP厂商要跨足SiP之际,都会在这方面遇到挑战。张胜荣认为:「一家SiP服务供货商除了提供给客户以MCP方式封装好的组件之外,后续的韧体撰写和设计导入支持,才是真正的重头戏,这也是SiP与MCP最大的不同」。

巨景科技总经理王庆善(图2)也认同这样的观点,并指出台湾业界对SiP的概念往往还存在许多误解。王庆善表示,SiP不是只有把几颗不同功能的芯片堆栈或并列排放在一起,再把导线打上去而已。组件封装前与客户一起讨论产品规格,协助客户取得最好的资源,以及组件封装后的支持服务才是SiP厂商创造差异化价值的地方。

以手机处理器与内存芯片整合的SiP为例,巨景由于手上掌握全球各主要手机内存芯片厂商的晶圆特性数据,甚至连裸晶尺寸规格与输入/输出(I/O)焊点的配置点信息都了如指掌,因此手机客户甚至只要选定处理器平台与决定内存容量大小,巨景就有能力替客户规画出最具成本效益的SiP封装方式,并交由最适合的后段封装厂合作伙伴进行量产。王庆善说:「SiP厂商不只是作设计代工而已,同时也要扮演客户存取到封装技术与服务的入口。」

SiP风潮引发商业模式变革

其实,SiP不仅是一种实现微型化系统设计的关键技术,更对通讯产业链带来许多新的变革。首先,如好德、巨景等专业SiP设计服务厂商的兴起,使得组件供货商除了直接销售和透过代理商之外,又多了一条接触客户的新管道。王庆善指出,对上游的半导体组件供货商而言,巨景是一个能够替芯片解决方案提供更多附加价值,进而满足更多客户需求的中立合作伙伴。正因为巨景能够创造更多附加价值并藉此吸引更多客户,芯片供货商、晶圆厂、封装厂等其它产业链中的成员,都不忌讳与如巨景般的SiP公司分享信息。

从无线通讯模块板卡起家,转型成无线通讯模块芯片供货商的海华科技总经理李聪结(图3)也指出,就某些方面而言,SiP厂商其实是一种加值销售通路商(VAR),可以替客户整合出最适合自己应用需求,或是市场上最具竞争力的整体方案。 以海华所专注的无线通讯领域为例,市场上虽然有许多芯片供货商耕耘这块市场,但是每家厂商的强项不同,例如手机蓝牙市场上,有像是剑桥无线半导体(CSR)、博通(Broadcom)等领导厂商,但在手机无线局域网络领域,除了这两家公司之外,迈威尔(Marvell)、创锐讯(Atheros)等公司也有相当具有竞争力的产品。在供货商众多,且各有强项的市场现况下,海华由于扮演中立的整合者角色,因此能够视市场上各家供货商的产品竞争现况,替客户整合出最佳化的无线通讯方案。

更值得注意的是,在射频通讯领域,SiP结合可实现嵌入式被动组件功能的陶瓷基板材料,除了可实现多功整合之外,更可以直接解决棘手的射频电路匹配问题,让整个模块芯片在进行设计导入时,就跟使用模块板卡一样轻松方便,再加上海华自己有能力视客户选择的操作系统平台提供对应的韧体与驱动程序。这些服务或优势,正是SiP厂商所能提供的额外附加价值。

IDM厂商顺应趋势 抢搭SiP顺风车

事实上,不仅SiP封装设计服务厂商看见SiP未来的应用潜力,SoC或单芯片供货商也认同SiP将成为未来系统持续微型化的动力来源之一,从而展开布局。瑞萨(Renesas)科技株式会社系统解决方案事业群SiP开发中心经理海野雅史(Masashi Umino)(图4)表示,早从2000年开始,瑞萨便看好SiP的发展前景而大力投入。经过多年耕耘后,终于在2006年达成年出货量超过一亿颗SiP组件的里程碑,到2008年上半年,瑞萨SiP组件出货量更仅花了6个月便追平2006年全年出货量,显示系统业者对SiP概念普遍已能接受。

海野雅史指出,过去两三年来,市场对SiP方案需求年年成长,且应用范围也从手机、数字相机等可携式产品,扩散到光驱、车载导航设备与可携式导航装置(PND)等新领域。探究SiP何以能如此迅速获得系统客户认同的原因,海野雅史认为微型化与低成本是两大最主要的驱动力。首先,由于系统产品持续追求更轻薄短小的外观设计,而且在更小的系统尺寸中,还要不断提升产品的规格与功能,因此采用SiP已成势在必行;另一个驱动力则来自市场上对低成本的要求。目前业界还有些人对SiP的成本抱持刻板印象,认为采用SiP将导致组件的价格上升,但事实上采用SiP之后,由于系统制造商经常可以藉此精简印刷电路板的层数,从而提升了电路板的制程良率,也降低了印刷电路板的物料成本,因此整体来看,采用SiP组件的系统在制造成本方面往往更低。

海野雅史透露,正因为SiP可以替客户降低系统的整体生产成本,因此在景气急转直下,各类半导体供货商的财报陆续探底的2008年下半年,瑞萨的SiP业务规模仍能挺立于景气寒冬中,几乎不受冲击。海野雅史说:「这是个低成本为王的时代,任何技术如果没有成本竞争力,是很难不受景气影响的,SiP也不例外。」

爱特转守为攻抢进SiP市场

另一家在SiP领域默默耕耘多年的逻辑芯片供货商爱特(Actel),近来也开始主动出击,推出裸片销售的业务模式,试图抢搭SiP的列车。爱特亚太区总经理赖炫州(图5)表示,10多年前爱特的军工航天客户便已经提出采购裸片,由他们自行依照系统设计进行SiP封装的需求,因此对爱特而言,销售裸片的业务模式其实一直存在。而在近年来,对爱特提出裸片采购需求的客户群,从过去仅见于国防航天产业,渐渐扩散到工业控制、消费性电子等产品的设计制造商,且出货量几乎年年成长,因此使得爱特开始思考将裸片销售从项目模式的业务转变成标准产品来推广的可能性,进而才会在2008年底推出裸片销售计划(KGD Program)。 赖炫州也认为,低成本和微型化是推动SiP需求成长最主要的两大驱动力,特别是在不景气的时刻,裸片由于没有封装成本的负担,因此芯片供货商可以用非常低廉的价格销售给客户。毕竟羊毛出在羊身上,组件的封装成本也会反应到组件售价上,「如果客户的系统设计决定采用SiP,不管其最主要考虑为何,都可以衍生出封装成本精简的效益,对Actel跟客户而言,就是双赢的局面。」

但不可讳言的是,SiP发展至今,虽然技术已经成熟,但商业模式上还是有些挑战存在,其中最主要的关键就在于逻辑芯片的裸片取得难度不低。爱特东南亚区及台湾区资深区业务经理彭炳彰指出,目前对内存供货商而言,销售裸片的业务已经相当常见,但是逻辑芯片的情况不同,有些逻辑芯片供货商至今仍不太愿意直接销售裸片给客户。不管是系统客户还是SiP专业设计服务公司,遇到这种情况就只能设法另寻逻辑芯片的来源。彭炳彰进一步透露,在台湾跟东南亚区,过去就有些客户碰到这样的情况,因此改用爱特的现场可编程门阵列(FPGA)组件和硅智财(IP)方案来当作SiP的核心逻辑芯片。爱特本身也有一支封装设计团队可以应付客户的SiP需求,毕竟爱特在相关领域也已经耕耘10多年了。

但这并不表示爱特将跨足经营SiP设计服务业务,相反的,爱特目前正在积极寻求与台湾本地SiP设计服务公司携手合作的机会,而且身段将非常有弹性。赖炫州指出,术业有专攻,爱特虽然也有SiP的设计能力,但毕竟是以响应客户特殊需求为考虑而成立的团队,跟台湾的专业SiP设计服务公司相比,在经营的模式上大不相同,公司的资源配置也不一样,因此与这些SiP专业厂商合作,才是最能创造双赢的策略。事实上,爱特自从发表裸片销售计划后,便已经开始与台湾SiP厂商洽谈合作的可能,未来或许台系SiP厂商所提供的方案中,就会内含爱特所提供的FPGA裸片。

模拟SiP急起直追

事实上,SiP技术不仅能为内存、处理器等芯片提供更高的整合度,协助行动产品制造商缩小系统尺寸之外,运用在模拟芯片上,除同样能减少功能模块所占用的电路板空间外,在缩减电磁波干扰、加速系统产品开发速度方面的效益,更令人惊艳。

正因为SiP技术运用在模拟芯片的整合上所能提供的效益显著,许多电源方案大厂纷纷投入研发,如国际整流器(IR)、德州仪器(TI)、凌力尔特(Linear Technology)等公司,目前皆已有概念型的产品方案问世。凌力尔特直流对直流(DC-DC)μModule产品营销经理Afshin Odabaee(图6)表示,相较于数字逻辑芯片,电源芯片SiP化的进展速度确实相对迟缓许多。以DC-DC稳压器这种泛见于所有电子产品中的组件为例,要将整个系统电路缩小整合到一个表面黏合封装中,就是一个很大的技术挑战。特别是电感这类磁性组件的尺寸,如果要缩小到能整合到芯片封装的程度,稳压器本身的切换频率势必要提高。

然而,模拟电路设计牵一发动全身,稳压器的切换频率拉高的结果,会对其他电路设计造成不少新挑战,如涟波(Ripple)、上升时间更短等等,都会对电路的设计工程造成影响。此外,组件本身的散热问题也是一项工程上的挑战,若封装的散热设计不良,组件老化现象就会加速产生,同时组件的转换效率也会因为温度上升而下降。

然而,挑战之所在,也就是商机之所在。在消费性产品普遍走向可携式、行动化的大趋势下,再加上产品生命周期缩短,工程人员面临必须在更短的时间内完成产品开发的压力,因此,透过SiP技术提供模块化的解决方案,是市场上的一大趋势,电源领域也朝着同样的方向迈进。在未来几年内,市面上势必会出现越来越多模块化的电源解决方案。

Odabaee进一步预言,随着SiP化的浪潮来袭,交换式稳压器、金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、电感、封装等实现微型化电源模块方案的关键零组件跟配套技术,都会出现极大的创新突破,同时微型化电源模块的应用领域也会以低电压/低电流的行动产品和消费性产品扩展到通讯基础设备般的大型系统中。

SiP技术日新月异 行动装置微型化潜力无穷

随着SiP封装技术的成熟与普及,以往动辄占用数10平方公分电路板面积的次系统,如今都已能被缩小到仅有指尖大小的表面黏着封装中,而且在设计运用时变得更方便。这些技术上的突破,让行动装置制造商可以继续在有限的系统尺寸中整合更多功能,或设计出更精致小巧的可携式装置,以吸引消费者的目光。SiP技术的发展,已成为行动与可携式产品未来发展的动力引擎。
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