5G时代，长电科技如何做好封装这门生意

5G将至，各大厂商正在冲刺5G 芯片的研发工作，除了引发各式各样的5G测试需求之外，芯片的封装技术也将成为封测大厂角力的新战场，在紧张备战的同时，封装技术也在更新迭代。谁能瓜分全球封测市场的大蛋糕？随着5G、IoT、AI、可穿戴设备等新兴领域加速前进，SiP封装又将迎来下一个风口。

近日，在中国系统级封装大会上，来自江苏长电科技股份有限公司（以下简称“长电科技”）技术总监刘明亮、系统级封装大会技术主席罗德威以及厦门韦尔通科技业务发展经理郎震京，分享了5G移动终端和新基建下的封装技术挑战和发展。

刘明亮指出，集成电路在5G和人工智能领域发挥着基础支撑作用。同时新基建加速5G和人工智能产业的发展，为集成电路带来更为广阔的市场空间，这将进一步推动封装技术的进步。据介绍，先进封装主导解决计算和通信领域的高端逻辑器件和存储需求，并进一步渗透至高端消费类、移动领域的模拟和射频市场，同时还将“剑指”不断增长的汽车和工业细分市场。

对于5G移动终端封装，刘明亮阐述了当下存在的三大挑战：

1.信号完整

5G的Sub-6GHz部分可以看做是4G LTE的一个自然延伸，虽然其信号操作频率，信道容量（Channel Capacity）和可编程性较4G LTE有所提高，但是其物理层的技术升级并没有5G的毫米波（mmWave）所要求的那样高，因此，5G的Sub-6GHz微系统可以通过升级4G LTE SiP方案来实现。而频率升高，相应的无线电信号的波长就会缩短，如何优化信号完整性、降低光纤收发器（Optical Transceiver or XCVR）的系统能耗，是其技术关键之一。这对于整体系统的影响至关重要，

2.面积

随着芯片数量的持续增长，对于PCB这块寸土寸金的地方来讲，设计人员想要再进行创新，压力可谓不小。如何从封装的角度进行优化，这是挡在技术进步的一道关卡。从目前来看，SiP封装大有可为。

3.更持久，更高效

5G是个电老虎，如何在拥挤的PCB上放置更大的电池，保持长久续航？同时也要保证每个SiP的效率，这也是令人头疼的难点。

典型榜样——三星

面对上述的三大挑战，一家韩国半导体巨头先发制人，迎难而上，争做第一个吃螃蟹的人。对，他就是三星。刘明亮以三星Galaxy Note10+为例，因为三星 Galaxy S20 系列代表了最新、最复杂的 5G RF 前端设计。射频不仅支持传统的 2G/3G/4G，而且还支持 6 GHz 以下和毫米波 5G。集成的功率放大器模块是在深入研究了调制解调器和 RF 收发器之后的主要 RFFE 组件，展示了后期 5G 设计的 RF 致密程度和复杂性。高通X55 调制解调器在这里开放了 FDD 5G 支持，因为全球运营商以低频段提供必要的信号覆盖范围来大规模部署 5G。Note10+内部集成了5个SIP封装，并适应了全新的双面贴装和抗EMI 技术。

5G手机射频前端首要攻克的任务——天线

由于5G无线通讯技术将导入需异质整合的射频前端模组、更复杂的重新设计，又必须符合消费电子产品轻薄短小的产品趋势，在系统级封装基础上的天线封装(Antenna in Package;AiP)与测试成为全球先进封测业者重心之一。

而且在低频频段所包含的600 MHz频段将为低频段天线设计和天线调谐器带来新的挑战。随着新的超高频率（N77、N78、N79）无线电频段发布，5G将带来更高的复杂性。具有双连接的频段重新分配（早期频段包括N41、N71、N28和N66，未来还有更多），也将增加对前端的限制。毫米波频谱中的5G NR无法提供5G关键USP的多千兆位速度，因此需要在前端模组中具有更高密度，以实现新频段集成。

5G手机需要4X4 MIMO应用，这将在手机中增加大量RF流。结合载波聚合要求，将导致更复杂的天线调谐器和多路复用器。

刘明亮指出，此前在4G LTE手机中，5G和4G的模组都是分开的，如果再加上mmWave 进去，天线的输了将会进一步增加，但模组还是要分开来进行封装。但未来几年，一个模组将会集成更多的功能，省去了更多的空间去做AiP，这也是唯一能够成长的部分。

5G新基建面临的挑战

除了手机终端以外，国内的新基建项目也在迅猛增加，随之而来的技术难题也摆在眼前：信号完整性、Hybrid-SIP保证良好效率、微基站的耗能散热是目前最主要的难题。关于5G毫米波频段在基站方面的布局，刘明亮指出，因为毫米波的频率很高，而且会受周围的环境、材质、湿度、温度的影响，所以为了达到一个真正有效的传输距离和范围，必须要大量布局微型毫米波基站。

而在5G毫米波上主要包括四大要素：频段、多入多出相控天线阵列、波束成形定向传输技术以及 small cell。其中，最值得注意的就是由于毫米波的频率增加，波长减小，导致天线的尺寸也大大减小。在毫米波的封装当中，同样的封装尺寸之下会有更多的天线，从而实现了相控天线雷达，为波束成型、定向传输铺平道路。

刘明亮强调，对于芯片封装而言，最重要的就是越来越多的元器件需要被封装，而且它们的工作频率要比4G和3G大大提高，这样一来就必须要用到SiP，因为这些元器件互相之间还会存在干扰，需要做屏蔽处理。所以，系统级封装技术对于5G的实现是至关重要，不可或缺。

此外，刘明亮指出5G新基建的成长趋势也是很客观的，其中天线技术是5G半导体系统最关键的挑战之一。在毫米波频率，从半导体封装到天线的长路径代表着高损耗，因此希望将天线集成到SiP中。更高的频率需要更小的天线（精度在mm级别而不是cm），从占位面积来看，这样更容易集成到SiP中。不过，目前单个天线必须与多个频带一起工作，使得天线和附加电路变得更加复杂。

为将天线元件与射频组件集成用于5G移动通信里，提出了具有不同架构的多种封装解决方案。由于成本和成熟的供应链，基于层压基板的倒装芯片率先被用于封装天线（antenna-in-package, AiP）。因此AiP的成长空间很广阔。

封装这块蛋糕长电能吃进多少？

刘明亮展示了长电5G基站芯片封装技术方案，主要聚焦的三大应用：多进多出的相控天线阵列、波束成形、超高频功率放大器。

ADAS升级带来的封装需求

在细分领域里，ADAS技术实现方法有很多，包括毫米波雷达、红外线雷达、摄像头、超声波雷达等。而刘明亮指出，毫米波雷达在这些技术实现方法中的出货量排在第一位，因为毫米波能够根据不同的频段，调整探测的距离范围。

2021年时，预估毫米波雷达芯片的全年出货量大约为3.6亿颗，然后超过7成的毫米波雷达都是通过倒装或晶圆级封装来实现。随着毫米波雷达封装需求增加，长电科技有望通过多年积累的经验从中受益。

此外长电还有大数据、AI方面的布局：

对于半导体微系统集成和封装测试服务提供商长电科技（JCET）来讲，要想在这片领域站稳脚跟，没有看家本领怎么行。高密度封装、EMI屏蔽和双面贴装是长电科技的三大利器。

1.高密度贴装

刘明亮介绍，从设备和技术角度来看，市场终端产品技术的不断创新，导致对SMT设备需求的深度和广度产生重大变化，对生产制造工序工艺复杂度、精准度、流程和规范提出了更高要求;另外劳动力等生产要素成本上升，OEM/EMS面临成本和效率的双重诉求，提升自动化水平降低成本是制造技术转型升级的现实要求，为SMT设备带来新需求的强劲动力。

其中，贴装精度决定了SMT贴片机能贴装的元器件种类和它能适用的领域。贴装精度低的SMT贴片机只能贴装SMC和极少数的SMD，适用于消费类电子产品领域用的电路组装;而贴装精度高的贴片机，能贴装SOIC和QFP等多引线、细间距元器件，适用于产业电子设各和军用电子装备领域的电路组装。SMT贴片机贴装精度包含三个项目：贴装精度、分辨率、重复精度，

从整体趋势来讲，随着科学技术的不断发展，贴装设备也得不断改进和完善，以满足元器件不断发展变化的需要。贴装设备在高精度、高速度、多功能方向将进一步发展和完善。当SMT精度越来越高的时候，设备将会趋于贴装+倒装重合的程度，即达到一步成型的地步。

长电科技已将此技术应用到了已量产的5G SiP，总共包括6颗芯片（既有打线也有倒装的）和70多颗尺寸大小、贴装精度要求、功能各异的被动元件，不过其封装产品的总面积没超过6x6mm2。在高密度、高精度SMT技术这方面，长电科技处行业领先地位。

2.电磁干扰屏蔽

由于毫米波段的元器件间具有强烈的电磁干扰，系统级封装（SiP）技术作为目前火热的封装技术可屏蔽大量干扰，同时帮助避免开发大型SoC的时间和试错成本，因此具有很大的商业和技术价值。为此，有效地实施对潜在电磁干扰源的屏蔽，变得极为重要。下图所示为已由长电科技导入量产的一系列高效电磁干扰屏蔽（EMI Shielding）技术方案。

刘明亮介绍，长电科技共有四种EMI屏蔽技术方案：从最传统的EMI溅射、激光灼除技术、Single-Side molding和Double Side Molding（双面成型）。

3. 双面成型系统级封装技术（Double-Sided SiP）

就目前各方公布的技术数据来看，通过双面成型来缩小封装总面积的效果显著，而且因为在基板的两面都置放了芯片和被动元件，基板内的布线距离也被缩短，从而提高了整个5G射频前端的信号完整性，降低了层间互扰的工程风险。另外，背面精磨技术还可把底部的芯片显露出来，达到加强散热性的目的，可谓一举多得。据了解长电科技某重点客户验证完成的双面成型5G Mobile SiP（厚度仅750微米）。

对于双面成型技术，刘明亮指出，在制程当中最重要的风险控制包括三方面：翘曲、芯片污染以及Laser Ablating过程中的洁净度。

超低损耗半导体材料与基板

进入了5G频段，对封装材料的分析与筛选的要求就一下子提高了许多。根据长电科技在5G封装方面的经验，几乎所有的封装材料如基板、塑封材料、芯片与基板的连接/耦合材料等，在5G频段（尤其是毫米波），对整个系统的信号或电源完整性都可能有 “牵一发而动全局”的影响力。基板是是连接系统各部分的支架/纽带，因此其材料特性须具备低损耗特性（如具备较低的Dk介电常数、Df损耗因子等）。5G微系统的选材方面的经验积累也是长电科技的优势之一。

5G封装的意义重大

基于Gartner等知名咨询机构及长电科技内部调研所做的5G移动端市场趋势预测。预计到2025年，全球智能终端设备中基于4G通信技术的设备大约会有五亿部，余下的近十五亿部都将以5G Sub-6GHz或者5G mmWave技术为主。

为何我们在封装技术上话费如此大的精力？其真正的意义还是对成本的控制。调查显示，大部分用户对于手机价格还是颇为敏感，用户能够容忍的价格上限在$40左右。这对于芯片、元器件、封装的成本是一大考验。