精彩回顾 | 长电科技5G系统级封装技术

刘明亮 长电科技 昨天

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长电新闻

2020年3月8日到12日，OFC 2020光通信大会在美国加利福尼亚州圣地亚哥市举行。作为受邀主讲人之一，江苏长电科技股份有限公司技术市场部总监刘明亮通过网络做了题为《5G高端半导体封装技术方案》的线上演讲。


图一 OFC光通信大会技术讲座主题


本次主题演讲有哪些精彩内容，请跟着小编往下看~





5G市场倒计时

作为全球知名的半导体封测企业，江苏长电科技股份有限公司（以下简称“长电科技”）基于其四十余载的丰富产业积累和横跨中国、韩国、新加坡三地的雄厚研发实力，正深耕5G市场，克服各种技术挑战，在研发中不断创新，并获多项5G相关高端半导体封装技术专利。

从产品技术应用角度来审视当下5G市场，应用市场主要由三大块组成：5G移动端市场（5G Mobile）, 5G通讯网络的光纤网络部分（5G Infrastructure’s Optical Networking），5G通讯网络的无线接入部分（5G Infrastructure’s Wireless Access）。

图二：5G移动端市场趋势预测（2019-2025年）

图二所示为基于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。由图可见，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（毫米波）技术为主。

在广大半导体从业者的眼里，这个市场趋势算得上是好消息。对于像长电科技这样拥有5G高端半导体封装技术（如系统级封装技术SiP）的封测大厂来说，意味着广阔的市场前景——因为在5G（特别是毫米波）频段，各种集成电路工艺和材料荟萃（如硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅等），SiP技术可谓是满足异质异构微系统集成要求的“不二法门”！

图三：5G通讯网络结构组成

图三所示为5G通讯网络市场的两大组成：左部所示为5G光纤网络部分，右部所示为5G无线接入部分。基于长电科技针对此类5G产品的深入研究，我们发现，在高速光通信网络传输过程中，光电转换技术是决定成败的一环，而且这一环当中需要用到多个低操作电压、高操作电流的芯片以及高精度（High-Resolution）、大动态范围（Large-Dynamic-Range）的模数/数模转换器（ADC/DAC）等。因此在集成此类SiP产品的过程中，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，是其技术关键点之一。

图四：5G通讯网络的光纤网络部分

图四所示为一例广泛应用于5G光纤骨干网的SiP及其参数标准。这种SiP较具代表性，因为它采用了高精密的楔型打线（Wedge Bonding）、带型打线（Stitch Bonding）以及倒装芯片（Flip-Chip）等多项技术。新一代SiP方案正开始导入硅光集成（Silicon Photonics）。

根据Gartner等知名咨询机构及部分主要5G系统供应商（如华为、诺基亚、爱立信等）最近公布的市场调研数据，我们初步预测：在2023年之前，全球5G通讯网络市场的无线接入模组的年出货量将达到至少一千五百万部左右，其中每个模组包含四至八个基于SiP技术封装的芯片组件不等。




5G系统级封装技术（SiP）

接着我们来介绍一下适用于实现5G系统级封装（SiP）的几个关键技术要点。首先，我们可以从5G的基本技术原理来理解为什么5G需要系统级封装技术（SiP）。

图五：5G毫米波技术原理简述

图五所示为组成5G技术基础的四大要素（Building Block）。简单来讲，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（Programmability）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。

图五所示的四大要素比较适用于5G毫米波技术的工作原理。频率升高，相应的无线电信号的波长就会缩短，一直减到毫米的级别（亦为毫米波一词之由来）。在系统空间不变的条件下，数量更大的、参数性能可变化（即可编程）的毫米级天线就能被“塞”进体积微小的射频前端模组里去，从而为多入多出（MIMO）相控天线阵列（Phased Array Antennae）技术在5G通信系统中的正式启用铺平了道路，进而让基于时空（Spatial）卷积复用算法的成束定向传输（Beamforming）概念成为了现实，还“顺带”提高了频谱使用效率并且缩短了系统时延。

可以预见，5G毫米波技术的市场普及将会导入一系列应用层面的红利。但是在半导体封装的层面，这就意味着必须在体积同样狭小（或者更小）的系统空间里，更有效地组装更多的器/组件。

身为半导体系统集成封测的从业者，为了更有效实现5G系统级封装，尤其是5G毫米波的SiP封装，我们应该在这几个关键技术要点上下功夫：

1

封装级天线集成技术（Antenna-in-Package or AiP）

（出自斯坦福大学）

图六：5G相控天线总数随操作频率递增情况

如图六所示，在3.5GHz这个频段，只需要4个天线元件（Antenna Element）。升到28GHz，就大幅增加到了256个天线。而94GHz频段竟然需要2916个天线，由此可见，天线的数量是按照频率呈指数级增加的。频率越高，天线越多，与天线协同运作的器/组件如射频功放、双工（Duplex）开关等越多、越复杂。
图七：5G手机射频前端封装级天线集成（AiP）
上图是一例5G手机封装级天线集成（AiP）结构，其工作频率在毫米波频段。芯片上方的多层基板就是天线。长电科技按照天线模式CAD的仿真数据精准布线。


2

高密度、高精度表面贴装技术（Surface-Mount Technology or SMT）

图八：长电科技高密度、高精度表面贴装技术（SMT）
图八所示为一例高密度、高精度5G无线接入微基站收发模组。图中的008004这类的超微型被动元件，早在两年前就被长电科技成功导入了射频前端SiP的量产流程。尺寸稍大的01005和0201被动元件自然也不在话下。此款已量产的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。


3

电磁干扰屏蔽技术（Electromagnetic Interference or EMI Shielding）

图九：长电科技高效电磁干扰屏蔽技术一览
进入5G领域，尤其是在毫米波频段，有效地实施对潜在电磁干扰源的屏蔽，变得极为重要。图九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。


4

双面成型系统级封装技术（Double-Sided SiP）

图十：长电科技双面成型系统级封装技术
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。图十所示为一例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）。


5

超低损耗半导体材料与基板（Ultra Low Loss Substrate）的选择

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。





结语

被誉为将颠覆人类生产力计算规则的5G大时代已经正式来临。大幕拉开，谁掌握了5G的核心技术，谁就能在这个大时代脱颖而出。长电科技在5G系统级封装技术工艺研发与市场布局的大力投入，目前已见成效。尤其是在封装级天线集成技术、高密度表面贴装技术、高效电磁干扰屏蔽技术、双面成型系统级封装技术及超低损耗半导体基板（Ultra Low Loss Substrate）及材料的选择等方面，位居行业全球领先水平。

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关于长电科技

长电科技（JCET Group）是全球领先的半导体微系统集成和封装测试服务提供商，提供全方位的微系统集成一站式服务，包括集成电路的系统集成封装设计、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供应商提供直运。产品和技术涵盖了主流集成电路应用，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。

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