2021年10月25日 | 集微咨询：多维度同时爆发 SiP封装已经步入快车道

 SiP 的市场应用正不断扩张，各大公司都将可穿戴设备视为 SiP 发展的最大推手；

- 汽车电子也将是 SiP 的重要应用场景，汽车电子里的 SiP 应用正在逐渐增加，高级驾驶辅助系统和资讯娱乐是主要驱动力；

- 对 SiP 封装感兴趣的不止是晶圆代工和封装厂，IDM 和基板制造商也在涉足这项业务；

- SiP 将进入全面快速的发展周期。

在超越摩尔定律的技术路径上，系统级封装（SiP）是最有潜力的候选者之一。在低端到高端，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。而且，芯片的高度集成化也推动SiP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。集微咨询（JW insights）认为，随着异构集成技术的不断发展和厂商接受程度的不断提高，SiP 将进入全面快速的发展周期。

SiP封装的起源

MCM（多芯片模块）是 SiP 技术的最初起源。它构建于已有的封装技术之上，比如倒装芯片、wire bonding（线键合）、fan-out 晶圆级封装。当单芯片集成（SoC）进展停滞的时候，能整合多个不同系统的 SiP 成为了突破方向之一。

根据标准定义，SiP 是将多个具有不同功能的有源电子元件与无源器件，以及诸如 MEMS 或者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。

2010 年，晶圆级工艺与传统的 FC 和 wire bond 工艺结合，带来了 SiP 封装的高速发展。将 wire bond、FC、wire bond+FC、WL Package、TSV、Trench、Embedded 和 Fanout 等多种工艺结合成为 SiP 发展的趋势。OSAT 厂，也就是传统意义的封装厂已经不仅仅做后道工艺，而像台积电这样的晶圆厂也不仅仅局限于前道工艺，两者都在逐步进入中道工艺的领域，这也促成了 SiP 的快速发展。

从第一代 Apple Watch 开始，苹果就在 S 芯片中使用了 SiP 封装，并沿用至今。以2019 年 9 月发布的第五代 Apple Watch S5 为例，其普通版通过 SiP 方案将应用处理器(AP)、电源管理单元(PMU)、音频芯片、调制解调器芯片以及充电芯片等芯片封装在约 700m㎡ 大小 PCB 上，并在 SiP 模块背面集合了惯性测量单元(IMU)和 GPS 前端模组；蜂窝板 S5 则在此基础上增加了额外的射频前端模组(RFFE) 和调制解调器芯片(Modem)。

SiP 技术发展很快，形成了多种不同的实现方式。如果按照模块排列方式进行区分，可大体分为平面式 2D 封装和 3D 封装的结构。相对于 2D 封装，采用堆叠的 3D 封装技术又可以增加使用晶圆或模块的数量，从而在垂直方向上增加了可放置晶圆的层数，进一步增强 SIP 技术的功能整合能力。而在 SiP 的内部，可以通过单纯的线键合（Wire Bonding），也可使用覆晶接合（Flip Chip），或二者混用。

很多半导体厂商都有自己的 SiP 技术，命名方式各有不同。比如，英特尔叫 EMIB、台积电叫 SoIC。这些都是 SiP 技术，差别就在于制程工艺。以台积电为例，其 SiP 技术的优势在于晶圆级封装，技术成熟、良率高，这也是普通封测厂商难以做到的。

与其他封装类型相比，SiP 技术有四大明显的优势：

1、能够将性能不同的有源或无源元件集成在一种 IC 芯片上，并且能够集成复杂的异质元件，从而形成一个功能完整的系统或者子系统。

2、通过增加芯片之间的连接的直径和缩短信号传输的距离，可以提升性能并降低功耗，这反过来又可以降低驱动这些信号所需的功率。

3、所有模块和 chiplet（小芯片）都在一个封装中，让 IP 复用变得简单。

4、不同的芯片排列方式，与不同的内部接合技术搭配，使 SIP 的封装形态产生多样化的组合，并可依照客户或产品的需求加以定制化或弹性生产。

不断扩张的市场应用

据统计，2020年 SiP 市场实现了 140 亿美元的营收，复合年增长率达 5%，2026 年市场规模将实现 190 亿美元。移动和消费类电子是 SiP 的最大市场（复合年增长率 5%），紧随其后的是电信和基础设施（复合年增长率 8%）和汽车市场（复合年增长率 10%）。

再进一步仔细划分，SiP 封装可以应用在如下产品中。

-  消费类：例如智能手机/平板电脑/PC 的存储、APU、RF、互联（Wi-Fi/蓝牙）、MEMS/传感器、摄像头模块等；

-  高性能计算（HPC）：逻辑和存储系统级封装、逻辑和逻辑系统级封装等；

-  汽车：功率器件系统级封装和雷达等。

图 2020-2026 年 SiP 增长预测（数据来源：yole）

从图中可知，消费电子市场的 SiP 业务在 2020 年价值 119 亿美元。其中，可穿戴设备的 SiP 市场在 2020 年的业务价值为 1.84 亿美元，仅占整个消费电子市场 SiP 的 1.55% ，但预计到 2026 年，可穿戴设备 SiP 市场将达到 3.98 亿美元，增长率达 14%。

各大公司都将可穿戴设备视为 SiP 发展的最大推手。苹果、FitBit/谷歌、华为、三星、小米等公司皆在这个市场上展开竞争。据 Yole 显示，头戴式/耳戴式产品是可穿戴设备市场中最大的细分市场，其次是腕戴式产品、身体佩戴式产品和智能服装。

SiP 给可穿戴设备带来很大的性能提升。以应用 SiP 最多的 TWS 耳机来说，SiP 封装工艺的 3D 堆叠特性，能够让耳机内部结构的各个组件基于人耳形状布局，还可实现更多功能芯片和模组的有机结合，以及提升耳机舒适度、贴合度及稳定性。据歌尔声学的相关报告数据，SiP 工艺的应用可以将部分 TWS 耳机的器件整体尺寸减小 50%。

5G 手机的普及应用为 SiP 今后的发展创造了空间。随着 5G 手机集成更多的射频前端等零部件，在 Sub-6GHz 方案中，更先进的双面 SiP 获得运用。而在 5G 毫米波方案中，集成阵列天线和射频前端的 AiP 模组将成为主流技术路线。

具体来说，射频前端 SiP 包含两部分封装：各种射频器件的一级封装，如芯片、滤波器、开关和放大器的封装，以及在表面贴装(Surface Mounted Technology，SMT)阶段进行的二级 SiP 封装各种器件与无源器件一起组装在 SiP 基板上。这些新型集成模块有助于进一步降低复杂性，减少使用空间。

AiP (Antenna in Package)技术是从 SiP 发展而来的，主要对应 5G 天线封装的需求。5G 毫米波频段的天线尺寸已经缩小到毫米级，同时通过馈线相连会导致很高的损耗，由此将天线集成到射频前端的“Antenna+SiP”方案应运而生，也即天线封装。高通已经商用 5G 毫米波天线模组 AiP 标准品，每部手机采用三个该模组。

在电信和基础设施领域，基站和服务器的复合年增长率都有望达到两位数，其中基站的年复合增长率高达 41%。这主要是因为 5G 基站需要通过倒装芯片球栅阵列实现更多 SiP 集成。同时，服务器中的 CPU、xPU(小芯片、硅转接板、扇出型)和 FPGA 也需要高端 SiP。

最后，汽车电子也将是 SiP 的重要应用场景。汽车电子里的 SiP 应用正在逐渐增加，高级驾驶辅助系统和资讯娱乐是主要驱动力。尽管摄像头的市场份额很小，但是 ADAS 的单目、双目和三目摄像头都将采用 SiP，因此其增速最快。此外，视觉处理单元和资讯娱乐对计算能力也有要求，也为 SiP 的快速渗透提供了机会。

集微咨询（JW insights）认为，SiP 未来将向更多的应用领域扩散，并将在多个市场取得爆发，且导入更多类型的芯片产品中。

厂商积极跟进

对 SiP 封装感兴趣的不止是晶圆代工和封装厂，IDM 和基板制造商也在涉足这项业务。从2020年SiP市场份额来看，OSAT占比最大，下来是IDM（15%）和Foundry（14%）。

图 2020年SiP市场份额划分（数据来源：yole）

从市场格局来看，全球 SiP 市场中主要的厂商为日月光(环旭电子)、安靠、长电科技等，前五大厂商 2019 年合计营收 200 亿美元，行业集中度较高。其中日月光以绝对领先优势居行业第一。在国内市场方面，日月光及环旭电子更是占据绝对优势，领跑了 SiP 封装行业。

日月光公司是封测厂中很早就进行 SiP 投资的厂商，也是具备系统级封装技术层次最广的封装厂之一，涵盖FCBGA、FOCoS和2.5D封装等近十种封装技术。尤其是得益于苹果的大单，日月光的系统级封装营收过去几年都以数亿美元的速度成长。

环旭电子早在 2012 年已经开始了无线通讯模组的技术投资，并在 2014 年开始进行 SiP 相关的技术投资，2014 年就对微小化系统模块以及高传输高密度微型化无线通信模块项目投资了 12.23 亿元人民币。在 2012-2019 年的 8 年间，环旭电子对 SiP 及无线通讯相关项目共计投资 22.65 亿元，逐步优化 SiP 技术、积累生产经验，产业链已经达到成熟阶段，产品良率在 99% 以上。

大陆企业在 SiP 领域的起步并不晚，近年来通过并购，快速积累先进封装技术，技术平台已经基本和海外厂商同步。如长电科技联合产业基金、芯电半导体收购新加坡封测厂星科金朋，拥有了WLSCP、SiP、PoP 等高端先进封装技术，并实现量产。据长电介绍，其目前重点发展几种类型的先进封装技术。首先就是系统级封装(SiP)，随着 5G 的部署加快，这类封装技术的应用范围将越来越广泛。其次是应用于 Chiplet SiP 的 2.5D/3D 封装，以及晶圆级封装，并且利用晶圆级技术在射频特性上的优势推进扇出型(Fan-Out)封装。此外，华天、通富微电等一批实力企业也都具备了 SiP 和 AiP 封装能力。只是，该业务尚处于发展初期，其营收占比与台湾企业还存在一定的差距。