Advanced RF System-in-Package for Cellphones 2019
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2019年標誌著5G移動應用的開端
據麥姆斯諮詢報道，5G已經到來，各主要智能手機OEM廠商近期宣佈將推出支持5G蜂窩和連接的手機。5G將重新定義射頻（RF）前端在網絡和調制解調器之間的交互。新的RF頻段（如3GPP在R15中所定義的sub-6 GHz和毫米波（mm-wave））給產業界帶來了巨大挑戰。
LTE的發展，尤其是載波聚合技術的應用，導致當今智能手機中的複雜架構。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廠商採用功率放大器模塊並應用新技術，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諧器帶來新的挑戰。隨著新的超高頻率（N77、N78、N79）無線電頻段發佈，5G將帶來更高的複雜性。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諧器和多路複用器。
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）帶來更多封裝業務
RF系統級封裝（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）總規模為33億美元，預計2018~2023年期間的複合年均增長率（CAGR）將達到11.3%，市場規模到2023年將增長至53億美元。
2018年，晶圓級封裝大約佔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（開關複用器、天線開關模塊）、天線耦合器（多路複用器）、LMM（低噪聲放大器-多路複用器模塊）、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組裝預計將佔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，並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，用於蜂窩和連接的射頻前端SiP市場將分別佔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）的前端模組將佔到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供應鏈由少數幾家集成器件製造商（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），並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，包括調制解調器、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，這些也需要封裝創新，如更緊密的元件佈局、雙面貼裝、共形/劃區屏蔽、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產品預計將利用改良的現有倒裝芯片SiP（如雙面FC封裝基板），採用相近的物料清單，實現漸進式創新。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的先進有機基板倒裝芯片封裝競爭。
天線技術和佈局是5G半導體系統最關鍵的挑戰之一。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），從佔位面積來看，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複雜。
為將天線元件與射頻組件集成用於5G移動通信，提出了具有不同架構的多種封裝解決方案。由於成本和成熟的供應鏈，基於層壓基板的倒裝芯片率先被用於封裝天線（antenna-in-package, AiP）。扇出型WLP/PLP封裝得益於較高的信號性能、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，但它需要雙面重佈線層（RDL）。除少數廠商，大部分OSAT尚未準備好利用該技術大規模製造。
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，並且可以實現清晰的接收/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。對於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。由於成本和材料/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），隨後是陶瓷和玻璃。
移動射頻前端模組：2002~2022年及以後的封裝趨勢
本報告涉及的部分公司：Amkor (J-Devices, Nanium), Acco, Apple, ASE Group, AT&T, Avago Technologies, Broadcom, Cavendish Kinetics, Cisco, Deca Technologies, Ericsson, LOBALFOUNDRIES, Google, HiSilicon, Huawei, Infineon, Intel, JCET/STATSChipPAC, Lenovo, LG, Marvell, Mediatek, Nepes, NXP Semiconductors (Freescale), Murata, NTT Docomo, ON Semiconductor, OPPO, Panasonic, Peregrine Semiconductor/Murata, Powertech Technology, Qorvo (RFMD, Triquint), Qualcomm (RF360), Samsung, Skyworks Solutions, Soitec, Spreadtrum, SPIL, Sprint, TDKEPCOS, TSMC, Wisol, Xiaomi, ZTE…
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