长电科技——半导体芯片封装和设计龙头企业

长电科技——半导体芯片封装和设计龙头企业,第1张

长电 科技 是全球领先的集成电路制造和技术服务提供商,提供全方位的芯片成品制造一站式服务,包括集成电路的系统集成、设计仿真、技术开发、产品认证、晶圆中测、晶圆级中道封装测试、系统级封装测试、芯片成品测试并可向世界各地的半导体客户提供直运服务。

通过高集成度的晶圆级(WLP)、2.5D/3D、系统级(SiP)封装技术和高性能的倒装芯片和引线互联封装技术,长电 科技 的产品、服务和技术涵盖了主流集成电路系统应用,包括网络通讯、移动终端、高性能计算、车载电子、大数据存储、人工智能与物联网、工业智造等领域。长电 科技 在全球拥有23000多名员工,在中国、韩国和新加坡设有六大生产基地和两大研发中心,在逾22个国家和地区设有业务机构,可与全球客户进行紧密的技术合作并提供高效的产业链支持。

随着市场对便携式移动数据访问设备的需求快速增长,市场对功能融合和封装复杂性的要求也在提升。同时对更高集成度,更好电气性能、更低时延,以及更短垂直互连的要求,正在迫使封装技术从 2D 封装向更先进的 2.5D 和 3D 封装设计转变。为了满足这些需求,各种类型的堆叠集成技术被用于将多个具有不同功能的芯片集中到越来越小的尺寸中。

长电 科技 积极推动传统封装技术的突破,率先在晶圆级封装、倒装芯片互连、硅通孔(TSV)等领域中采用多种创新集成技术,以开发差异化的解决方案,帮助客户在其服务的市场中取得成功。

3D 集成技术正在三个领域向前推进:封装级集成、晶圆级集成和硅级集成。

• 封装级集成

利用常规的焊线或倒装芯片工艺进行堆叠和互连,以构建传统的堆叠芯片和堆叠封装结构,包括:

堆叠芯片 (SD) 封装 ,通常在一个标准封装中使用焊线和倒装芯片连接,对裸片进行堆叠和互连。配置包括 FBGA-SD、FLGA-SD、PBGA-SD、QFP-SD 和 TSOP-SD。

层叠封装(PoP) ,通常对经过全面测试的存储器和逻辑封装进行堆叠,消除已知合格芯片 (KGD) 问题,并提供了组合 IC 技术方面的灵活度。倒装芯片 PoP 选项包括裸片 PoP、模塑激光 PoP 和裸片模塑激光 PoP 配置 (PoP-MLP-ED)。

封装内封装 (PiP) ,封装内封装 (PiP) 通常将已封装芯片和裸片堆叠到一个 JEDEC 标准 FBGA 中。经过预先测试的内部堆叠模块 (ISM) 接点栅格阵列 (LGA) 和 BGA 或已知/已探测合格芯片 (KGD),通过线焊进行堆叠和互连,然后模塑形成一个与常规FBGA封装相似的 CSP。

3D 晶圆级集成 (WLP) 使用再分布层和凸块工艺来形成互连。晶圆级集成技术涵盖创新的扇入(FIWLP) 和扇出 (FOWLP) 选项,包括:

嵌入式晶圆级 BGA(eWLB) - 作为一种多功能的扇出型嵌入式晶圆级 BGA 平台,eWLB 灵活的重建制造工艺可以降低基板的复杂性和成本,同时在一系列可靠、低损耗的 2D、2.5D 和 3D 解决方案中实现高性能、小尺寸和非常密集的互连。长电 科技 的 3D eWLB-SiP 和 eWLB-PoP 解决方案包括多个嵌入式无源和有源元器件,提供面对背、面对面选项,以及单面、1.5 面、双面超薄 PoP 配置。对于需要全 3D 集成的应用,长电 科技 的面对面 eWLB PoP 配置通过 eWLB 模塑层,在应用处理器和存储器芯片之间提供直接的垂直互连,以实现高带宽、极细间距的结构,其性能不逊色于 TSV 技术。

包封 WLCSP (eWLCSP ) - 一种创新的 FIWLP 封装,采用扇出型工艺,也称为 FlexLine 方法,来构建这种创新、可靠的包封 WLCSP 封装。

WLCSP - 标准晶圆级 CSP 封装。随着各种工艺技术的发展,例如低固化温度聚合物、将铜材料用于凸块下金属化 (UBM) 和 RDL,我们可以实现更高的密度,提高 WLCSP 封装的可靠性。

在真正的 3D IC 设计中,目标是将一个芯片贴合在另一个芯片上,两者之间没有任何间隔(无中介层或基材)。目前,“接近 3D”的集成通常也称为 2.5D 集成,其实现方法是使用薄的无源中介层中的硅通孔 (TSV),在封装内部连接芯片。芯片之间的通信通过中介层上的电路进行。FOWLP 工艺还可以产生一种被称为2.5D eWLB的创新过渡技术,在这种技术中,使用薄膜扇出型结构来实现高密度互连。长电 科技 的硅级集成产品组合包括:

2.5D / 扩展 eWLB - 长电 科技 基于 eWLB 的中介层可在成熟的低损耗封装结构中实现高密度互连,提供更高效的散热和更快的处理速度。3D eWLB 互连(包括硅分割)是通过独特的面对面键合方式实现,无需成本更高的 TSV 互连,同时还能实现高带宽的 3D 集成。基于 eWLB 的中介层简化了材料供应链,降低了整体成本,为客户提供了一个强大的技术平台和路径,帮助客户将器件过渡到更先进的 2.5D 和 3D 封装。

MEOL集成的2.5D封装 - 作为首批在2.5D 封装领域拥有成熟 MEOL TSV 集成经验的 OSAT 之一,长电 科技 在这个新兴互连技术领域扮演着重要角色,专注于开发经济高效的高产量制造能力,让 TSV 成为具有商业可行性的解决方案。长电 科技 还与众多的客户、研究机构和领先代工厂开展协作,为集成式 3D 封装解决方案开发有效的商业模式。

2.5/3D集成技术圆片级与扇出封装技术系统级封装技术倒装封装技术焊线封装技术MEMS与传感器

长电 科技 为以下封装选项提供晶圆级技术:

• eWLB(嵌入式晶圆级球栅阵列)

• eWLCSP(包封晶圆级芯片尺寸封装)

• WLCSP(晶圆级芯片尺寸封装)

• IPD(集成无源器件)

• ECP(包封芯片封装)

• RFID(射频识别)

当今的消费者正在寻找性能强大的多功能电子设备,这些设备不仅要提供前所未有的性能和速度,还要具有小巧的体积和低廉的成本。这给半导体制造商带来了复杂的技术和制造挑战,他们试图寻找新的方法,在小体积、低成本的器件中提供更出色的性能和功能。长电 科技 在提供全方位的晶圆级技术解决方案平台方面处于行业领先地位,提供的解决方案包括扇入型晶圆级封装 (FIWLP)、扇出型晶圆级封装 (FOWLP)、集成无源器件 (IPD)、硅通孔 (TSV)、包封芯片封装 (ECP)、射频识别 (RFID)。

突破性的 FlexLineTM 制造方法

我们的创新晶圆级制造方法称为 FlexLineTM 方法,为客户提供了不受晶圆直径约束的自由,同时实现了传统制造流程无法实现的供应链简化和成本的显著降低。FlexLine 制造方法是不同于常规晶圆级制造的重大范式转变,它为扇入型和扇出型晶圆级封装提供了很高的灵活性和显著的成本节省。

FlexLine方法,为客户提供了不受晶圆直径约束的自由,同时实现了传统制造流程无法实现的供应链简化和成本的显著降低。

用于 2.5D 和 3D 集成的多功能技术平台

FlexLine方法,为客户提供了不受晶圆直径约束的自由,同时实现了传统制造流程无法实现的供应链简化和成本的显著降低。

半导体公司不断面临复杂的集成挑战,因为消费者希望他们的电子产品体积更小、速度更快、性能更高,并将更多功能集成到单部设备中。半导体封装对于解决这些挑战具有重大影响。当前和未来对于提高系统性能、增加功能、降低功耗、缩小外形尺寸的要求,需要一种被称为系统集成的先进封装方法。

系统集成可将多个集成电路 (IC) 和元器件组合到单个系统或模块化子系统中,以实现更高的性能、功能和处理速度,同时大幅降低电子器件内部的空间要求。

什么是系统级封装?

系统级封装 (SiP) 是一种功能电子系统或子系统,包括两个或更多异构半导体芯片(通常来自不同的技术节点,针对各自的功能进行优化),通常搭载无源元器件。SiP 的物理形式是模块,根据最终应用的不同,模块可以包括逻辑芯片、存储器、集成无源器件 (IPD)、射频滤波器、传感器、散热片、天线、连接器和/或电源芯片。

先进 SiP 的优势

为了满足用户提高集成度、改善电气性能、降低功耗、加快速度、缩小器件尺寸的需求,以下几大优势促使业界转向先进的SiP 解决方案:

• 比独立封装的元器件更薄/更小的外形尺寸

• 提高了性能和功能集成度

• 设计灵活性

• 提供更好的电磁干扰 (EMI) 隔离

• 减少系统占用的PCB面积和复杂度

• 改善电源管理,为电池提供更多空间

• 简化 SMT 组装过程

• 经济高效的“即插即用”解决方案

• 更快的上市时间 (TTM)

• 一站式解决方案 – 从晶圆到完全测试的 SiP 模块

应用

当前,先进的 SiP 和微型模块正被应用于移动设备、物联网 (IoT)、可穿戴设备、医疗保健、工业、 汽车 、计算和通信网络等多个市场。每种先进 SiP 解决方案的复杂程度各不相同,这取决于每种应用需要的元器件的数量和功能。

以下是高级 SiP 应用的一些示例:

根据应用需求和产品复杂度,我们提供多种先进 SiP 配置,从带有多个有源和无源元件、通过倒装芯片、引线键合和SMT进行互连的传统2D 模块,到更复杂的模块,如封装内封装 (PiP)、层叠封装 (PoP)、2.5D 和 3D 集成解决方案。先进的SiP 模块配置 (2D/2.5D/3D) 针对特定终端应用进行定制,旨在充分发挥它们的潜在优势,包括性能、成本、外形尺寸和产品上市时间 (TTM)。

在倒装芯片封装中,硅芯片使用焊接凸块而非焊线直接固定在基材上,提供密集的互连,具有很高的电气性能和热性能。倒装芯片互连实现了终极的微型化,减少了封装寄生效应,并且实现了其他传统封装方法无法实现的芯片功率分配和地线分配新模式。

长电 科技 提供丰富的倒装芯片产品组合,从搭载无源元器件的大型单芯片封装,到模块和复杂的先进 3D 封装,包含多种不同的低成本创新选项。长电 科技 的丰富倒装芯片产品组合包括:

FCBGA 和 fcCSP 都使用锡球来提供第二级 (BGA) 互连。

颠覆性的低成本倒装芯片解决方案:fcCuBE

长电 科技 还提供名为“fcCuBE ”的创新低成本倒装芯片技术。fcCuBE 是一种低成本、高性能的先进倒装芯片封装技术,其特点是采用铜 (Cu) 柱凸块、引线焊接 (BOL) 互连以及其他增强型组装工艺。顾名思义,fcCuBE 就是采用铜柱、BOL 和增强工艺的倒装芯片。fcCuBE 技术适用于各种平台。自 2006 年获得首个与 fcCuBE 相关的创新 BOL 工艺专利以来,长电 科技 投入大量资金,将这一变革性技术发展成为引人注目的倒装芯片解决方案,广泛应用于从低端到高端的移动市场以及中高端消费和云计算市场的终端产品。

fcCuBE 的优势是推动来自成本敏感型市场,如移动和消费类市场,以及网络和云计算市场的客户广泛采用这种封装,因为在这些市场上,布线密度和性能的增加是必然趋势。fcCuBE 的独特 BOL 互连结构可扩展到非常细的凸块间距,实现高 I/O 吞吐量,同时缓解与应力相关的芯片与封装之间的交互作用 (CPI),而这种现象通常与无铅和铜柱凸块结构相关。这对于中高端的网络和消费类应用而言尤其重要。

长电 科技 提供全方位一站式倒装芯片服务

凭借在晶圆级封装、晶圆探针和最终测试方面的强劲实力,长电 科技 在为客户提供全方位一站式服务方面独具优势。长电 科技 提供从涉及到生产的全方位一站式倒装芯片服务,包括高速、高引脚数的数字和射频测试。

焊线形成芯片与基材、基材与基材、基材与封装之间的互连。焊线被普遍视为最经济高效和灵活的互连技术,目前用于组装绝大多数的半导体封装。

长电 科技 的多种封装方法都采用焊线互连:

铜焊线

作为金线的低成本替代品,铜线正在成为焊线封装中首选的互连材料。铜线具有与金线相近的电气特性和性能,而且电阻更低,在需要较低的焊线电阻以提高器件性能的情况下,这将是一大优势。长电 科技 可以提供各类焊线封装类型,并最大程度地节省物料成本,从而实现最具成本效益的铜焊线解决方案。

层压封装

基于层压的球栅阵列 (BGA) 互连技术最初推出的目的是满足高级半导体芯片不断增长的高引线数要求。BGA 技术的特点是将引线以小凸块或焊球的形式置于封装的底面,具有低阻抗、易于表面安装、成本相对较低和封装可靠性高等特点。长电 科技 提供全套的基于层压的 BGA 封装,包括细间距、超薄、多芯片、堆叠和热增强配置。

除了标准层压封装之外,长电 科技 还提供多种先进堆叠封装选项,包括一系列层叠封装 (PoP) 和封装内封装 (PiP) 配置。

引线框架封装

引线框架封装的特点是芯片包封在塑料模塑复合物中,金属引线包围封装周边。这种简单的低成本封装仍然是很多应用的最佳解决方案。长电 科技 提供全面的引线框架封装解决方案,从标准引线框架封装到小巧薄型热增强封装,包括方形扁平封装 (QFP)、四边/双边无引脚、扁平封装 (QFN/DFN)、薄型小外型封装 (TSOP)、小外形晶体管 (SOT)、小外形封装 (SOP)、双内联封装 (DIP)、晶体管外形 (TO)。

存储器器件

除了增值封装组装和测试服务之外,长电 科技 还提供 Micro-SD 和 SD-USB 这两种格式的存储卡封装。Micro-SD 是集成解决方案,使用 NAND 和控制器芯片,SD-USB 则是裸片和搭载 SMT 元器件的预封装芯片。长电 科技 的存储卡解决方案采用裸片级别组装、预封装芯片组装,或者两者结合的方式。

全方位服务封装设计

我们在芯片和封装设计方面与客户展开合作,提供最能满足客户对性能、质量、周期和成本要求的产品。长电 科技 的全方位服务封装设计中心可以帮助客户确定适用于复杂集成电路的最佳封装,还能够帮助客户设计最适合特定器件的封装。

2.5/3D集成技术圆片级与扇出封装技术系统级封装技术倒装封装技术焊线封装技术MEMS与传感器

MEMS and Sensors

随着消费者对能够实现传感、通信、控制应用的智能设备的需求日益增长,MEMS 和传感器因其更小的尺寸、更薄的外形和功能集成能力,正在成为一种非常关键的封装方式。MEMS 和传感器可广泛应用于通信、消费、医疗、工业和 汽车 市场的众多系统中。

传感器

传感器是一种能够检测/测量物理属性,然后记录并报告数据和/或响应信号的装置或系统。传感器通常组装在模块中,这些模块能够基于模拟或传感器馈送信号来作出响应。传感器有很多不同的类型和应用,例如压力传感器、惯性传感器、话筒、接近传感器、指纹传感器等

微机电系统 (MEMS)

MMEMS 是一种专用传感器,它将机械和电气原件通过分立或模块方式组合起来。MEMS是典型的多芯片解决方案,例如感应芯片与专用集成电路 (ASIC) 配对使用。MEMS 器件可以由机械元件、传感器、致动器、电气和电子器件组成,并置于一个共同的硅基片上。在消费、 汽车 和移动应用中使用基于 MEMS 的传感器具备一些优势,包括体积小、功耗低、成本低等。

集成一站式解决方案

凭借我们的技术组合和专业 MEMS 团队,长电 科技 能够提供全面的一站式解决方案,为您的量产提供支持,我们的服务包括封装协同设计、模拟、物料清单 (BOM) 验证、组装、质量保证和内部测试解决方案。长电 科技 能够为客户的终端产品提供更小外形尺寸、更高性能、更低成本的解决方案。我们的创新集成解决方案能够帮助您的企业实现 MEMS 和传感器应用的尺寸、性能和成本要求。

1. 嵌入式晶圆级球栅阵列 (eWLB) - 单芯片、多芯片和堆叠的层叠封装配置

2. 晶圆级芯片尺寸封装 (WLCSP) - 非常小的单芯片

3. 倒装芯片芯片尺寸封装 (fcCSP)- 单芯片或多芯片的倒装芯片配置

4. 细间距球栅阵列 (FBGA) - 单芯片或多芯片配置

5. 接点栅格阵列 (FBGA) - 单芯片或多芯片配置

6. 四边扁平无引脚 (FBGA) - 单芯片或多芯片配置

长电 科技 提供全方位一站式倒装芯片服务

凭借在晶圆级封装、晶圆探针和最终测试方面的强劲实力,长电 科技 在为客户提供全方位一站式处理方面独具优势。长电 科技 提供从设计到生产的全方位一站式倒装芯片服务,包括高速、高引脚数的数字和射频测试。

全方位一站式解决方案的优势

• 缩短产品上市时间

• 提升整体流程效率

• 提高质量

• 降低成本

• 简化产品管理

长电 科技 位于中国、新加坡、韩国和美国的全球特性分析团队,致力于为全球客户提供先进的封装表征服务,确保客户拥有高质量、高性能、可靠和高性价比的封装设计,以满足他们的市场需求。

晶圆凸块技术可以在半导体封装中提供显著的性能、外形尺寸和成本优势。晶圆凸块是一种先进的制造工艺,在切割之前就在半导体晶圆表面形成金属焊球或凸块。晶圆凸块实现了器件中的芯片与基材或印刷电路板之间的互连。焊球的成分和尺寸取决于多种因素,例如半导体器件的外形尺寸、成本以及电气、机械和热性能要求。

长电 科技 在晶圆凸块的众多合金材料和工艺方面拥有丰富的经验,包括采用共晶、无铅和铜柱合金的印刷凸块、锡球和电镀技术。我们的晶圆凸块产品包括 200mm 和 300mm 晶圆尺寸的晶圆凸块和再分配,以提供完整的一站式先进倒装芯片封装和晶圆级封装解决方案。

长电 科技 的认证质量测试中心,提供多种可靠性试验,包括环境可靠性测试、使用寿命可靠性测试、板级可靠性试验,和全方位的故障分析服务。

封测市场高景气,公司治理和业务协同不断强化,业绩实现高速增长: 公司 2020 年归母净利润同比+1371.17%,业绩实现高速增长,主要得益 于公司进一步深化海内外制造基地资源整合、提高营运效率、改善财务 结构,大幅度提高了经营性盈利能力。2020 年,公司海外并购的新加坡 星科金朋实现营业收入 13.41 亿美元,同比增长 25.41%,净利润从 2019 年的亏损 5,431.69 万美元到 2020 年的盈利 2,293.99 万美元,实现全面 扭亏为盈。另外,收购后,子公司长电国际利用星科金朋韩国厂的技术、 厂房等新设立的长电韩国工厂(JSCK)在 2020 年实现营业收入 12.35 亿美元,同比增长 64.97%;净利润 5,833.49 万美元,同比增长 669.97%。 2021 年第一季度,公司业绩延续高增长趋势,归母净利润同比 +188.68%,毛利率 16.03%,同比+2.93pct,净利率 5.76%,同比+3.41pct。

公司可为客户提 供从设计仿真到中后道封测、系统级封测的全流程技术解决方案,已成 为中国第一大和全球第三大封测企业。公司产能全球布局,各产区的配 套产能完善,随着产能利用率的持续提升,公司生产规模优势有望进一 步凸显,同时,各产区互为补充,各具技术特色和竞争优势,完整覆盖 了低、中、高端封装测试领域,在 SiP、WL-CSP、2.5D 封装等先进封 装领域优势明显。公司聚焦 5G 通信、高性能计算、 汽车 电子、高容量 存储等关键应用领域,大尺寸 FC BGA、毫米波天线 AiP、车载封测方 案和 16 层存储芯片堆叠等产品方案不断突破,龙头地位稳固。

用户资源和 高附加价值产品项目,加强星科金朋等工厂的持续盈利能力。目前,公 司国内工厂的封测服务能力持续提升,车载涉安全等产品陆续量产,同 时,韩国厂的 汽车 电子、5G 等业务规模不断扩大,新加坡厂管理效率 和产能利用率持续提升,盈利能力稳步改善。随着公司各项业务和产线 资源整合的推进,公司盈利能力有望持续提升,未来业绩增长动能充足。

美国IBM简直太牛了。目前市面上能够量产的最先进的芯片制程工艺是5nm,有实力代工的企业也只有鼎鼎大名的台积电和三星这两家企业,只不过从目前市面上搭载的这些5nm芯片来看,不知道是调教的原因还是制造技术的原因,翻车率相当的高,这也让很多朋友依然选择7nm工艺芯片的产品。如今台积电和三星正在3nm工艺上一筹莫展的时候,5月6日,美国的IBM公司却突然官宣一件让世界为之震撼的事情,2nm芯片制造技术。

谁都没有想到,在芯片制造工艺的领域最先突破的居然不是传统“豪门”台积电和三星,甚至还是直接跨过3nm,来到了2nm,前不久,台积电刚刚更新了2nm工艺芯片的制程研发进度表,它们的进度才刚刚来到改进EUV效率和升级GAA晶体管的阶段,可以说进度是相当缓慢的。IBM公司的这一官宣无疑让台积电和三星感到了相当大的压力。它们不仅在2nm芯片制程上跑到了前面,而且非常有希望一举超越台积电和三星,成为全球芯片领域的新一哥。

可能很多的朋友对IBM公司不是非常的了解,其实他们是全球最大的信息技术和业务解决方案公司,主要的业务是云计算和软件解决方案,但是他们在美国的纽约州奥尔巴尼有一个专门研发芯 片制造技术的研究中心,在这里三星和英特尔都跟IBM进行过芯片技术方面的合作。比如三星的3nm关键技术“切入环绕式栅极技术,gate-all-around”就是在这里和IBM一起研发成功的,而这次IBM的2nm芯片的代工很有可能将交给三星来做,毕竟之前IBM的7nm芯片就是由三星代工的,两家一直以来合作愉快,也就没有必要再更换搭档了。由此可见,IBM虽然我们提芯片的时候,很少提到,但是它在半导体领域有着多项突破性的技术专利,为半导体的发展贡献很大,甚至是奠定了基础!比如说RISC处理器架构,再比如说1966年的单晶体管的DRAM单元,这都对整个半导体领域的发展起着至关重要的奠基作用!

我们都知道5nm工艺的芯片无论是在功耗上还是在性能上都比7nm强了不少,那么2nm工艺的芯片又有什么优点呢?为什么一定要研发2nm呢?首先在体积上,2nm工艺的芯片相较于5nm要小上不少,能效要高出75%,计算效率要强45%,计算速率也是要快很多,不过目前还没有太确切的数字信息!当然了,我们应该不会在今年或者明年看到2nm工艺制程芯片的量产,或者看到搭载2nm工艺芯片的产品,毕竟首发是一方面,真的达到量产的水平还要再经过几年的功夫!

虽然这是一家美国的公司,但是我们中国跟他们还有着很多的渊源,他们在我们国内有开发实验室、客户创新中心还有中国系统试验室,并且我们中国还是IBM的12大研发基地之一。但是2021年1月份,该公司宣布关闭旗下的中国研究院,这个成立于1995年9月份的研究院至今已经二十多年的时间了,他们给出的理由是为了对改革中国的研发布局,不过旗下其他机构依然继续“服役”。

值得注意的是,我们目前正在被老美压得喘不过气来的华为,还是IBM的学生,1998年华为向IBM支付了40亿元人民币的“学费”,正式拜IBM“为师”,在“学徒”的10年里,IBM安排50余名专家老师入驻华为,帮助华为在IT系统重整、ISC(集成供应链)、IPD(集成产品开发)等8个项目进行管理升级,跟华为一起开发半导体集成产品以及产业供应链,华为的核心供应商红帽也正是IBM公司旗下的机构。也有很多人评价说,华为能在全球的通讯领域能有今天的成就,离不开“师傅”IBM辛苦耕耘和付出。

如今IBM首先官宣2nm制造技术,再次让其在全球半导体乃至通信领域扬名,曾经的 科技 巨头虽然如今收益年年下降,虽然辉煌不在,但是凭借着深厚的底蕴和技术积累,相信这一次将会有很大的机会对台积电进行冲击,再加上三星的加持,“华为的师傅”一举拿下“全球芯片一哥”还是非常有希望的,不知道这时候,台积电是不是瑟瑟发抖了呢?

姓名:刘轩     学号:19020100412   学院:电子工程学院

转自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/297965743

【嵌牛导读】射频前端模组技术介绍

【嵌牛鼻子】射频前端  滤波器  

【嵌牛提问】中国企业如何克服“拿来主义”,快速迭代发展?

【嵌牛正文】

射频前端(RFFE, Radio Frequency Front-End)芯片是实现手机及各类移动终端通信功能的核心元器件,全球市场超过百亿美金级别。过去10年本土手机的全面崛起,为本土射频前端产业的发展奠定了坚实的产业基础;而5G在中国的率先商用化,以及全球贸易环境的变化,又给本土射频行业加了两捆柴火。射频前端芯片产业在我国也已经有了15年以上的发展历史,创新和创业活动非常活跃,各类企业数十家,也是市场和资本高度关注的领域。本文作者有幸在射频芯片行业从业11年,从2G时代做到今天的5G,也在外企、民企、国企都工作过,直接开发并大量量产过射频的每一类型产品。这篇文章总结了作者与一些行业朋友近些年的讨论,尝试对射频模组产品的技术市场及商业逻辑进行梳理。同时,本土射频发展了十余年,竞争是行业主线,合作与友谊是非常稀缺的资源。本文将会重点分享“模组化”的相关知识,也是希望更多的本土厂商去通过“合作”分享模组化的巨大机遇。

引言

根据魏少军教授在“2020全球CEO峰会”的《人间正道是沧桑-关于大变局下的战略定力》主题演讲,统计得出对中国市场依赖度最高(依营收占比计算)的美国公司,如下图。我们可以看到SKYWORKS、Qualcomm、Qorvo、Broadcom这四家美国射频巨头(其中SKYWORKS和Qorvo以射频业务为主;Qualcomm和Broadcom包含了射频业务)恰好占据了排行榜前4名。

射频前端的国际情况

射频前端技术主要集中在滤波器(Filter)、功率放大器(PA, Power Amplifier)、低噪声放大器(Low Noise Amplifier)、开关(RF Switch)。目前全球射频市场由引言提到的四家美国射频公司Skyworks、Qualcomm、Qorvo、Broadcom与日本Murata这五大射频巨头寡占。

五家射频巨头在PA与LNA等市场占有率超过九成。滤波器方面,则分为声表面波(SAW, Surface Acoustic Wave)与体表面波(BAW, Bulk Acoustic Wave)滤波两种主要技术。目前,SAW滤波器市场由Murata占据一半,Skyworks约10%,Qorvo约4%,其余则被太阳诱电、TDK等大厂瓜分。BAW滤波器的市场则由美国企业占据9成市场。

由此可见,射频前端是巨大的市场,能容纳5家国际巨头持续发展。国际巨头的技术跨度大,模组化能力强;模组化产品是国际竞争的主赛道。每家巨头都拥有BAW技术或其替代方案。

射频前端的国内情况

关于射频前端的国内情况有很多文章都曾提到,这里不赘述,只给几个共识比较多的结论:

1.本土公司普遍以分立器件为主要方向;分立器件是当前本土竞争的主赛道。2.本土公司缺乏先进滤波器技术及产品,模组化能力普遍不强。

5G模组化挑战及机遇的来源

PCB布线空间及射频调试时间的挑战,下沉到了入门级手机,打通了国产模组芯片的迭代升级路径。

射频模组芯片,不是一个新生的产品系列。事实上,射频模组芯片的使用几乎与LTE商业化同时发生。过去10年内,各种复杂的射频模组已经普遍应用在了各品牌的旗舰手机中;与此同时,在大量的入门级手机上,分立器件的方案也完全能够满足各方面的要求。因此在过去10年就出现了泾渭分明的两个市场:旗舰机型用模组方案;入门机型用分立方案。模组方案要求“高集成度和高性能”,因而价格也很高;而分立方案要求“中低集成度和中等性能”,售价相对而言就低不少。两种方案之间存在巨大的技术和市场差异,我们可以把这个称作4G时代的“模组鸿沟”。

4G时代的“模组鸿沟”

5G的到来,彻底改变了这个状况。

相比于4G入门级手机的2~4根天线,5G入门级手机的天线数目增加到了8~12根;需要支持的频段及频段组合也在4G的基础上显著增加。大家知道,射频元器件的数目,与天线数目及频段强相关,这就意味着射频元器件的数目出现了急剧地增长。与此同时,由于结构设计的要求,5G手机留给射频前端的PCB面积是无法增加的,因此分立方案的面积大大超过了可用的PCB面积。这是空间带来的约束。

还有一个挑战,来自于调试时间。4G使用分立器件方案的射频调试时间,一般在一周以内。随着5G射频复杂度的显著提升,假设使用分立方案,可能会带来3~5倍的调试时间增加;从成本上来讲,还需要消耗更贵的5G测试设备、熟悉5G测试的工程师资源。如果使用模组,大部分的调试已经在模组设计过程中在内部实现了,调试工作量将更多地移到软件端,因此调试效率大大提升。这是时间带来的约束。

时间和空间的约束,强烈而普遍。因此在入门级5G手机中,就天然出现了对“中低性能和高集成度”模组的需求,与旗舰手机的“中高性能和高集成度”模组形成了管脚统一。既然都需要高集成度的模组,只是指标要求不一样,这样国产的模组芯片就可以从“中低性能”(5G入门级手机)向“中高性能”(5G旗舰手机)迭代演进。因此,“模组鸿沟”便被填平了。

任何事情都是两面的。“模组鸿沟”被填平以后,分立市场的空间也出现了风险;对专长于分立芯片的本土企业来讲,也需要巨大的资源和力量去在模组产品中找到自身的位置;如果不能突破,就会在不远的未来进入到瓶颈阶段。

在5G的早期阶段,目前市场上也出现了一种混合方案,即用分立器件和模组混搭的方案。这个方案的出现,有很多客观的原因,其中就包括历史上形成的“模组鸿沟”。这种方案是妥协的产物,牺牲了一些关键指标,而且面积上也做了让步。如果没有专注做国产化模组的芯片公司,就不会有优秀的国产模组芯片;如果没有优秀的国产模组芯片,模组方案的价格永远高高在上。

滤波器技术简要分类

BAW 滤波器: 即体声波滤波器。具有插入损耗小、带外衰减大等优点,同时对温度变化不敏感,BAW滤波器的尺寸大小会随着频率升高而缩小,因此尤其适用于1.7GHz以上的中高频通信,在5G与sub-6G的应用中有明显优势。

SAW滤波器: 即声表面波滤波器。采用石英晶体、铌酸锂、压电陶瓷等压电材料,利用其压电效应和表面波传播的物理特性而制成的一种滤波专用器件。SAW滤波器具有性能稳定、使用方便、频带宽等优点,是频率在1.6GHz以下的应用主流。但存在插入损耗大、处理高频率信号时发热问题严重等缺点,因此在处理1.6GHz以上的高频信号时适用性较差。

LC型滤波器: 即电感电容型滤波器。LC滤波器一般是由滤波电容、电抗和电阻适当组合而成,电感与电容一起组成LC滤波电路。

射频模组简要分类

射频前端模组是将射频开关、低噪声放大器、滤波器、双工器、功率放大器等两种或者两种以上的分立器件集成为一个模组,从而提高集成度和性能,并使体积小型化。根据集成方式的不同,主集天线射频链路可分为:FEMiD(集成射频开关、滤波器和双工器)、PAMiD(集成多模式多频带PA和FEMiD)、LPAMiD(LNA、集成多模式多频带PA和FEMiD)等;分集天线射频链路可分为:DiFEM(集成射频开关和滤波器)、LFEM(集成射频开关、低噪声放大器和滤波器)等。

主集天线射频链路

分集天线射频链路

射频前端的“价值密度”

既然5G手机PCB面积是受限制的资源,同时我们需要在5G手机内“挤入”更多的射频功能器件,因此我们评价每一类型射频器件时,需要建立一个参数来进行统一描述,作为反映其价值与PCB占用面积的综合指标。

ValueDensity=(平均销售价格ASP)/(芯片封装大小)

接下来,我们使用VD值这个工具,分别分析一下滤波器、功率放大器、射频模组三类产品的情况。

1. 滤波器的VD值

首先说明一点,由于通常情况下滤波器还需要外部的匹配电路,实际的VD值比器件的VD值还要再低一些。我们先忽略这个因素。根据以上的数据,我们可以得到一些结论:从LTCC到四工器,VD值持续增加,从1.2到10.0,增加比较快速。

2. 功率放大器的VD值

根据以上数据,也可以看到: a) 从2G到4G,VD值从0.6增加到了1.5。b) 4G向CAT1演进的小型化产品,以及向HPUE或者Phase5N演进的大功率PA,VD值增加到了2附近。

3. 射频模组的VD值

根据以上数据,可以观察到: a) 接收模组普遍的VD值在5附近;b) 接收模组中的小封装H/M/L LFEM,VD值非常突出,大于10;c) 发射模组(除FEMiD以外),VD值在4~6之间;d) FEMiD具有发射模组最高的VD值。因此当FEMiD与VD值较低的MMMB PA混搭时,也能达到合理的PCB布图效率。

表格汇总的同时,我们也增加了技术国产化率和市场国产化率的参考数据。一般来讲,市场国产化率较低的、或者技术国产化率远远超过国产化率数字的细分品类,VD值会虚高一些。在本土相应产品市占率提高以后,未来还会有比较明显的降价空间。

射频发射模组的五重山

发射1: PA与LC型滤波器的集成,主要应用在3GHz~6GHz的新增5G频段,典型的产品是n77、n79的PAMiF或者LPAMiF。这些新频段的5GPA设计非常有挑战,但由于新频段频谱相对比较“干净”,所以对滤波器的要求不高,因此LC型的滤波器(IPD、LTCC)就能胜任。综合来看,这类产品属于有挑战但不复杂的产品,其技术和成本均由PA绝对掌控。

发射2: PA与BAW(或高性能SAW)的集成,典型产品是n41的PAMiF或者Wi-Fi的iFEM类产品,频段在2.4GHz附近。这类产品的频段属于常见频段,PA部分的技术规格有一定挑战但并不高。由于工作在了2.4GHz附近,频段非常拥挤,典型的产品内需要集成高性能的BAW滤波器来实现共存。这类产品由于滤波器的功能并不复杂,PA仍有技术控制力;但在成本方面,滤波器可能超过了PA。综合来讲,这类产品属于有挑战但不复杂的产品,PA有一定的控制力。

发射3: LowBand发射模组。LB (L)PAMiD通常集成了1GHz以下的4G/5G频段(例如B5、B8、B26、B20、B28等等),包括高性能功率放大器以及若干低频的双工器;在不同的方案里,还可能集成GSM850/900及DCS/PCS的2GPA,以进一步提高集成度。低频的双工器通常需要使用TC-SAW技术来实现,以达到最佳的系统指标。根据系统方案的需要,如果在LB PAMiD的基础上再集成低噪声放大器(LNA),这类产品就叫做LB LPAMiD。可以看到,这类产品的复杂度已经比较高:PA方面,需要集成高性能的4G/5GPA,有时候还需要集成大功率的2GPA Core;滤波器方面,通常需要3~5颗使用晶圆级封装(WLP)的TC-SAW双工器。总成本的角度来看(假设需要集成2GPA),PA/LNA部分和滤波器部分占比基本相当。LB (L)PAMiD是需要有相对比较平衡的技术能力,因此第三级台阶出现在了PA和Filter的交界处。

发射4: FEMiD。这类产品通常包含了从低频到高频的各类滤波器/双工器/多工器,以及主通路的天线开关;并不集成PA。FEMiD产品通常需要集成LTCC、SAW、TC-SAW、BAW(或性能相当的I.H.PSAW)和SOI开关。村田公司定义了这类产品,并且过去近8年的时间内,占据了该市场的绝对主导权。三星、华为等手机大厂,曾经或正在大量使用这类产品在其中高端手机中。如前文所述,有竞争力的PAMiD供应商主要集中在北美地区;出于供应链多样化的考虑,一些出货量非常大的手机型号,就可能考虑使用MMMB(Multi-Mode Multi-Band) PA加FEMiD的架构。MMMB PA的合格供应商广泛分布在北美、中国、韩国,而日本村田的FEMiD产能非常巨大(主要表现在LTCC和SAW)。又如前文所述,FEMiD的VD值非常高,整体方案的空间利用率也在合理范围内。

发射5: M/H (L)PAMiD。这类产品是射频前端最高市场价值也是综合难度最大的领域,是射频前端细分市场的巅峰。M/H通常覆盖的频率范围是1.5GHz~3.0GHz。这个频段范围,是移动通信的黄金频段。最早的4个FDDLTE 频段Band1/2/3/4在这个范围内,最早的4个TDD LTE频段B34/39/40/41在这个范围内,TDS-CDMA的全部商用频段在这个范围内,最早商用的载波聚合方案(Carrier Aggregation)也出现在这个范围(由B1+B3四工器实现),GPS、Wi-Fi 2.4G、Bluetooth等重要的非蜂窝网通信也都工作在这个范围。可以想象,这段频率范围最大的特点就是“拥挤”和“干扰”,也恰恰是高性能BAW滤波器发挥本领的广阔舞台。由于这个频率范围商用时间较长,该频率范围内的PA技术相对比较成熟,核心的挑战来自于滤波器件。

先解释一下为什么这段频率是移动通信的黄金频率。在很长的发展过程中,移动通信的驱动力来自移动终端的普及率,而移动终端普及的核心挑战在于终端的性能和成本。过高的频率,例如3GHz以上、10GHz以上,半导体晶体管的特性下降很快,很难做出高性能;而过低的频率,例如800MHz以下、300MHz以下,需要天线的尺寸会非常巨大,同时用来做射频匹配的电感值和电容值也会很大,在终端尺寸的约束下,超低频段的射频性能很难达到系统指标。简而言之,从有源器件(晶体管)的性能角度出发,希望频率低一些;从无源器件(电容电感和天线)的性能角度出发,希望频率高一些。有源器件与无源器件从本质上的冲突,到应用端的折衷,再到模组内的融合,恰如两股强大的冷暖洋流,在人类最波澜壮阔的移动通信主航道上,相汇于1.5~3GHz的频段,形成了终端射频最复杂也最有价值的黄金渔场:M/HB (L)PAMiD。多么地美妙!

这类高端产品的市场,目前主要由美商Broadcom、Qorvo、RF360等厂商占据。下图是Qorvo公司在其官方公众号上提供的芯片开盖分析。可以看到,该类产品包含10颗以上的BAW,2~3颗的GaAs HBT,以及3~5颗SOI和1颗CMOS控制器,具有射频产品最高的技术复杂度。该类产品通常需要集成四工器或者五/六工器这类超高VD值的器件。

M/H LPAMiD开盖图

射频接收模组的五重山

接收模组的五重山模型,如上图所述。

接收1: 使用RF-SOI工艺在单颗die上实现了射频Switch和LNA。虽然仅仅是单颗die,但从功能上也属于复合功能的射频模组芯片。这类产品主要的技术是RF-SOI,在4G和5G都有一些应用。

接收2 :使用RF-SOI工艺实现LNA和Switch的功能,然后与一颗LC型(IPD或者LTCC)的滤波器芯片实现封装集成。LC型滤波器适合3~6GHz大带宽、低抑制的要求,适用于5G NR部分的n77/n79频段。这类产品也是SOI技术主导,主要应用在5G。

接收3: 从接收3往上走,接收模组开始需要集成若干SAW滤波器,集成度越来越高。通常需要集成单刀多掷(SPnT)或者双刀多掷(DPnT)的SOI开关,以及若干通路支持载波聚合(CA)的SAW滤波器。封装方式上,由于“接收3”的集成程度还不极限,因此有多种可能的路径。其中国际厂商的产品主要以WLP技术为主,除了在可靠度及产品厚度方面有优势,主要还是可以在更高集成度的其他产品中进行复用。

接收4: 这类产品叫做MIMO M/H LFEM。主要是针对M/H Band的频段(例如B1/3/39/40/41/7)应用了MIMO技术,增加通信速率,在一些中高端手机是属于入网强制要求。看起来通信业对M/H这个黄金频段果然是真爱啊。技术角度出发,这类产品以RF-SOI技术实现的LNA加Switch为基础,再集成4~6个通路的M/H高性能SAW滤波器。国际厂商在这些频段已经开始普遍使用TC-SAW的技术,以达到最好的整体性能。

接收5: 接收芯片的最高复杂度,就是H/M/L的LFEM。这类产品以非常小的尺寸,实现了10~15路频段的滤波(SAW Filter)、通路切换(RF-Switch)以及信号增强(LNA),具有超高的Value Density值(10左右),在5G项目上能帮助客户极大地压缩Rx部分占用的PCB面积,把宝贵的面积用在发射/天线等部分,提升整体性能。这类产品需要的综合技能最高,也基本必须要用WLP形式的先进封装方式才能满足尺寸、可靠度、良率的要求。

总结

1.射频模组的核心要求是多种元器件的小型化及模组集成。

2.无论是发射模组还是接收模组,纯5G的模组是困难但不复杂,最有挑战也最具价值的是4G/5G同时支持的高复杂度模组。


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