5G射頻為 OSAT 帶來更多封裝業(yè)務
據(jù)麥姆斯咨詢報道,5G已經(jīng)到來,各主要智能手機OEM廠商近期宣布將推出支持5G蜂窩和連接的手機。5G將重新定義射頻(RF)前端在網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器之間的交互。新的RF頻段(如3GPP在R15中所定義的sub-6 GHz和毫米波(mm-wave))給產(chǎn)業(yè)界帶來了巨大挑戰(zhàn)。
LTE的發(fā)展,尤其是載波聚合技術的應用,導致當今智能手機中的復雜架構。同時,RF電路板和可用天線空間減少帶來的密集化趨勢,使越來越多的手持設備OEM廠商采用功率放大器模塊并應用新技術,如LTE和WiFi之間的天線共享。
射頻(RF)器件封裝技術概覽
在低頻頻段,所包含的600 MHz頻段將為低頻段天線設計和天線調(diào)諧器帶來新的挑戰(zhàn)。隨著新的超高頻率(N77、N78、N79)無線電頻段發(fā)布,5G將帶來更高的復雜性。具有雙連接的頻段重新分配(早期頻段包括N41、N71、N28和N66,未來還有更多),也將增加對前端的限制。毫米波頻譜中的5G NR無法提供5G關鍵USP的多千兆位速度,因此需要在前端模組中具有更高密度,以實現(xiàn)新頻段集成。
5G手機需要4X4 MIMO應用,這將在手機中增加大量RF流。結合載波聚合要求,將導致更復雜的天線調(diào)諧器和多路復用器。
2018~2024年5G手機射頻前端結構
5G將為外包半導體封測廠商(OSAT)帶來更多封裝業(yè)務
RF系統(tǒng)級封裝(SiP)市場可分為兩部分:各種RF器件的一級封裝,如芯片/晶圓級濾波器、開關和放大器(包括RDL、RSV和/或凸點步驟);在表面貼裝(SMT)階段進行的二級SiP封裝,其中各種器件與無源器件一起組裝在SiP基板上。2018年,射頻前端模組SiP市場(包括一級和二級封裝)總規(guī)模為33億美元,預計2018~2023年期間的復合年均增長率(CAGR)將達到11.3%,市場規(guī)模到2023年將增長至53億美元。
2018年,晶圓級封裝大約占RF SiP組裝市場總量的9%。Yole在這份新的報告中詳細研究了移動領域各種射頻前端模組的SiP市場,包括:PAMiD(帶集成雙工器的功率放大器模塊)、PAM(功率放大器模塊)、Rx DM(接收分集模塊)、ASM(開關復用器、天線開關模塊)、天線耦合器(多路復用器)、LMM(低噪聲放大器-多路復用器模塊)、MMMB PA(多模、多頻帶功率放大器)和毫米波前端模組。到2023年,PAMiD SiP組裝預計將占RF SiP市場總營收的39%。
本報告包含了覆蓋蜂窩和連接的射頻前端模組,并提供了按各種通信標準和智能手機細分的SiP市場預測。到2023年,用于蜂窩和連接的射頻前端SiP市場將分別占SiP市場總量的82%和18%。按蜂窩通信標準,支持5G(sub-6GHz和毫米波)的前端模組將占到2023年RF SiP市場總量的28%。高端智能手機將貢獻射頻前端模組SiP組裝市場的43%,其次是低端智能手機(35%)和奢華智能手機(13%)。
4G射頻前端SiP供應鏈由少數(shù)幾家集成器件制造商(IDM)領導,如Qorvo、博通(Broadcom(Avago))、Skyworks Solutions和村田(Murata),它們將部分SiP組裝外包給OSAT廠商。高通(Qualcomm)逐漸成為5G解決方案射頻前端的重要供應商,尤其是5G毫米波(獲得了多家移動OEM廠商的訂單),并有望在未來保持主導地位。事實上,高通是唯一一家能夠為5G提供完整解決方案的廠商,包括調(diào)制解調(diào)器、天線模塊和應用處理器。高通作為一家無晶圓廠,外包了所有SiP組裝,這為OSAT廠商帶來了更多商機。
此外,IDM廠商更加關注5G sub-6Ghz的射頻前端解決方案,這些也需要封裝創(chuàng)新,如更緊密的元件布局、雙面貼裝、共形/劃區(qū)屏蔽、高精度/高速SMT等。這些都需要投資新的設備和工藝。Yole認為,對組裝技術的高投入負擔,將促使廠商將業(yè)務更多地外包給OSAT廠商。
按蜂窩和連接標準細分的射頻前端模組SiP組裝市場
5G正在推動射頻前端的封裝創(chuàng)新
智能手機中的4G LTE為前端模組以及濾波器組和分集接收模塊使用了多芯片SiP。SiP提供了所需要的小尺寸、更短的信號路徑和更低的損耗。4G LTE前端模組目前包括10-15顆芯片,利用倒裝芯片球焊或銅柱連接到有機基板(最多8個有機層或18個陶瓷層),一些功率放大器仍然使用引線鍵合。5G Sub-6GHz產(chǎn)品預計將利用改良的現(xiàn)有倒裝芯片SiP(如雙面FC封裝基板),采用相近的物料清單,實現(xiàn)漸進式創(chuàng)新。隨著新架構的引入,5G毫米波頻率帶來了突破性的封裝:扇出型晶圓級封裝(WLP)和玻璃基板中介層,與具有低損耗電介質(zhì)的先進有機基板倒裝芯片封裝競爭。
天線技術和布局是5G半導體系統(tǒng)最關鍵的挑戰(zhàn)之一。在毫米波頻率,從半導體封裝到天線的長路徑代表著高損耗,因此希望將天線集成到SiP中。更高的頻率需要更小的天線(mm而不是cm),從占位面積來看,這樣更容易集成到SiP中。不過,目前單個天線必須與多個頻帶一起工作,使得天線和附加電路變得更加復雜。
為將天線元件與射頻組件集成用于5G移動通信,提出了具有不同架構的多種封裝解決方案。由于成本和成熟的供應鏈,基于層壓基板的倒裝芯片率先被用于封裝天線(antenna-in-package, AiP)。扇出型WLP/PLP封裝得益于較高的信號性能、低損耗和縮小的外形尺寸,是一種很有前景的AiP集成解決方案,但它需要雙面重布線層(RDL)。除少數(shù)廠商,大部分OSAT尚未準備好利用該技術大規(guī)模制造。
此外,電路需要屏蔽免受天線輻射,同時還要確保天線不被阻擋,并且可以實現(xiàn)清晰的接收/傳輸。與層壓基板一樣,陶瓷和玻璃也成為封裝基板材料的新選擇。對于5G毫米波封裝基板材料的選擇,必須在電氣特性、成本、可加工性和供應鏈準備狀況等多方面做權衡。由于成本和材料/組件供應鏈的就緒狀況,有機層壓基板將率先應用(伴隨有限的陶瓷應用),隨后是陶瓷和玻璃。
移動射頻前端模組:2002~2022年及以后的封裝趨勢