5G时代下,SiP封装面临哪些设计挑战?

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第三十九期“集微公开课”于12月17日（周四）上午10:00直播，邀请到了芯和半导体SiP事业部总监胡孝伟、高级技术支持经理苏周祥、高级技术支持工程师翁寅飞，带来了以《5G射频芯片封装设计的最新解决方案》为主题的精彩演讲。

国内EDA行业领军企业芯和半导体成立于2010年，距今已经走过了10个年头。经过多年的厚积薄发，如今芯和集首创革命性的电磁场仿真器、人工智能与云计算等一系列前沿技术于一身，提供覆盖芯片、封装到系统的全产业链仿真EDA解决方案。其EDA产品和方案拥有完全自主知识产权，在各种半导体先进工艺节点和先进封装上都得到了验证，并在5G、智能手机、物联网、人工智能和数据中心等领域都得到了广泛应用。

芯和也是国内最先进入SiP市场的领先供应商，拥有自主创新的滤波器和系统级封装设计平台，为手机和物联网客户提供射频前端滤波器和模组，在全球5G射频前端供应链中扮演重要角色，被Yole评选为全球IPD滤波器领先供应商。

5G时代下，SiP面临哪些设计挑战？芯和有哪些5G射频芯片封装设计的最新解决方案，本期公开课的三位嘉宾带来了详细的解析。

5G射频前端滤波器的趋势、挑战和应对

随着5G商用的启动，射频前端市场因更多额外频段的载波聚合和MIMO技术迎来新一波高速增长。滤波器在全球射频前端市场中占最大份额，其出货量将会从2018年的530亿颗增长到2025年的约1000亿颗，年增长率接近两位数。而一套成熟且兼顾各种滤波器工艺和设计的的EDA工具，可极大的提升射频前端模块的设计成功率和时效性。

芯和半导体SiP事业部总监胡孝伟指出，5G对射频硬件带来诸多影响。首先，最显著的变化之一就是频段高频化趋势十分明显，最高可以到毫米波频段，同时5G为了实现高速的传输，所使用的频段的数量和带宽也显著增加。其次，射频前端方面则呈现出明显的模块化趋势，种类更加丰富。因为现在系统对于射频前段的尺寸要求越来越高，传统的分离式元器件已经无法满足这种要求，所以它的占比在持续降低。此外，滤波器的种类也更趋于多样，相对于传统的分离元器件方案，IPD、SAW和BAW占比上升，主流趋势是和其他器件集成为模组。

“射频模组对于滤波器的选择，主要取决于模组本身的性能和频率的要求。目前常用的滤波器是IPD、SAW和BAW，而针对不同的应用和需求，采用不同类型的滤波器能达到最优的性能。”胡孝伟表示。

根据市调机构Yole的报告，2025年整个的滤波器市场的出货量可达1000亿颗。从2018年到2025年，滤波器的整体的出货量实现了翻倍，年增长率接近了20%。

基于这样的背景，胡孝伟表示：“没有一种滤波器技术可以适应所有的需求，为了满足不同应用场景的需求，各种滤波器技术都会并存发展。整个滤波器市场非常庞大，不过当前市场主要集中在国际大厂手里，如何让我们的模组和滤波器产品更快得到市场的认可是现在要思考的主要课题之一。”

芯和一直与代工伙伴合作，为移动和物联网行业的fabless或模块公司提供滤波器解决方案。据胡孝伟介绍，芯和提供的全套滤波器解决方案具有三个优势，一是丰富的滤波器技术，包括IPD （HRSi，GaAs，TGV）、SAW和BAW；二是与晶圆厂/封装厂形成了牢固的合作伙伴关系；三是定制的滤波器设计平台XDS大大提高设计效率，减少设计迭代，加快了产品的上市时间。

胡孝伟还列举了几个芯和的成功案例，包括overview、5G射频前端的IPD产品、集成于PA模块的耦合器、集成于天线开关模块ASM的低通滤波器LPF、Diplexer、5G NR（N77/N78/N79）宽带BPF、IPD2工艺N77滤波器、SAW工艺GPS滤波器等。

值得一提的是，芯和被Yole评为IPD滤波器设计领导者，芯和凭借着完备的供应链体系和不停优化的工具，能够给客户提供最合适的解决方案。

5G高性能封装的挑战和应对

先进工艺的发展推动了SiP封装技术的持续革新。SiP封装技术的发展大致分为陶瓷封装、有机或薄膜封装与3D封装三个阶段。

芯和半导体高级技术支持经理苏周祥指出，随着5G的到来，现在的封装方式也越来越多。“目前比较常见封装方式的主要有两种，一种是应用于手机里面的SiP，另一种是应用于HTC行业的SiP封装。”

苏周祥指出，随着5G时代的来临，手机的射频前端也呈现模组化的趋势。

在手机的射频前端里出现了各种各样的SiP或者模组箱。而从市场规模来看，射频前端SiP从2018年的30亿美元，预计到2023年将会增长到49亿美元。其中，PAMiD增长最快，占比从2018年的23%将会增长到2023年的39%。

从HPC市场来看，随着AI技术的发展，人工智能、大数据、云端等多种计算应用的相互融合，需要更强大的高效能运算（HPC）芯片支持，而 HPC芯片需要高速率，大带宽的数据交换。

据苏周祥介绍，先进封装的异质集成SiP技术主要是2.5D Interposer和EMIB。

SiP技术不断发展的同时也遇到了挑战，SiP技术在 Mobile上的挑战体现在片上射频无源器件的电磁场仿真、射频前端器件和封装之间的电磁耦合和WB， FC封装的建模和S参数快速提取；SiP技术在HPC上的挑战则是TSV过孔矩阵的精确建模与仿真、高密度HBM走线的建模与仿真、复杂封装基板自生的耦合效应和芯片的驱动能力。

针对上述挑战，芯和推出了Metis系统级封装仿真平台，以其多尺度快速电磁算法、智能化网格剖分、兼容IC、封装和PCB的流程可以让工程师快速提取和分析SiP。

据悉，Metis的多尺度电磁算法可以轻松解决芯片-封装-PCB联合仿真所带来的不同尺度的问题。另外，在Metis中，芯片设计和封装设计是分开的，不同的Team有着不同的设计环境。芯片与封装并行设计，可以减少出错，减少迭代。

5G射频芯片无源电磁仿真解决方案

芯和半导体高级技术支持工程师翁寅飞指出，5G以及先进工艺的演进对射频前端设计，特别是无源提取，提出了更高的要求。其中的挑战体现在：互联尺寸缩小、规模增大；高频需求；需要支持不同衬底；要支持先进工艺。

翁寅飞特别谈到了5G RFIC的发展呈现着两个趋势：一是RFIC需要支持更多频段、更高频率；二是射频前端SiP趋势化、支持多种工艺。

翁寅飞介绍，集成电路工艺在30年的演进过程中可以大致分为三个阶段，第一阶段是3μm-0.13μm，这个阶段遵循摩尔定律，能够很轻松地缩小晶体管的尺寸；第二阶段是90nm-28nm，到了28nm工艺，摩尔定律的推动越来越缓慢，取而代之的是材料更新；第三阶段是28nm以后的先进工艺，材料更新已发挥到极致，结构创新随之而来。

他指出，在工艺的不断发展下，无源器件模型的挑战在于传统的方法迭代周期较长且不够精准，基本的晶圆代工pecell已不能满足设计师对PPA的需求，用户定义的pcell在28nm节点下也变得更加复杂。

针对上述挑战，芯和IRIS和iModeler为工程师提供精确、快速和简单易用的电磁仿真解决方案，解决了5G射频前端复杂的版图无源提取和器件建模问题。

其中，IRIS支持多种工艺，并且已经在Foundry的多个工艺节点得到验证。IRIS拥有操作简单易用、多种工艺格式支持、仿真iCell管理、模板化曲线绘制、支持多种电路仿真视图、工艺角扫描、分布式并行计算等功能和特点。

另外，芯和还提供差异化的电磁场仿真技术，提供完备的算法、智能mesh、并行计算能力等。
责任编辑:tzh