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手机应用的先进射频系统级封装(2019版)

2019/06/20
(图文译自Yole Développement)

  2019年标志着5G移动应用的开端 

  5G时代已经来临,各主要智能手机的OEM厂商于近期推出支持5G蜂窝和连接的手机。5G将重新定义射频前端在网络和调制解调器之间的交互模式。全新的射频频段(如3GPP Relese15中定义的sub-6 GHz和毫米波)给产业带来了巨大挑战。

  长期演进(LTE)技术的发展,尤其是载波聚合技术的应用,导致当今智能手机架构复杂。同时,随着射频电路板和可用天线空间减少,密集化趋势加剧,越来越多的手机OEM厂商采用功率放大器模组并应用新技术(如LTE和WiFi之间的天线共享)。

  在低频段,所包含的600MHz将给低频天线设计和天线调谐器带来新的挑战。随着新的超高频率(N77,N78,N79)射频频段发布,5G将增加架构的复杂性。具有双重连接的频段重新分配(早期频段包括N41、N71、N28和N66,未来还有更多),也将增加对前端的约束。为了实现新频段的集成,必须保证前端模组的密集化,因为毫米波频谱中的5G NR无法提供5G关键USP的多千兆位速度。

  5G手机需要应用4X4 MIMO技术,这将在手机中增加大量射频流。结合载波聚合要求,将导致天线调谐器和多路复用器的规格愈加复杂。

 

5G手机中射频前端结构(2018-2024年)

  5G将为封测厂带来更多封装业务

  射频系统级封装市场可以分为两部分:各种RF器件的一级封装,如芯片/晶圆级滤波器、开关和放大器(包括RDL、RSV和/或凸点步骤);在表面贴装(SMT)阶段进行的二级SiP封装,其中各种器件与无源器件一起组装在SiP基板上。2018年,射频前端模组SiP市场(包括一级和二级封装)总规模为33亿美元,预计2018~2023年复合年均增长率(CAGR)将达到11.3%,2023年市场规模将增长至53亿美元。

  2018年,晶圆级封装占射频SiP组装市场总量的9%。Yole的这份市场报告详细调研了移动领域各类射频前端模组的SiP市场:PAMiD(集成双工器的功率放大器模块)、PAM(功率放大器模块)、Rx DM(接收分集模块)、ASM(开关复用器、天线开关模块)、天线复用器(多路复用器)、LMM(低噪音放大器 ——多路复用器模块)、MMMB PA(多模多频带功率放大器)以及毫米波前端模块。截至2023年,PAMiD SiP组装将占据射频SiP市场总营收的39%。

  本报告覆盖蜂窝及连接的射频前端模块,并提供了各种通信标准和智能手机细分的SiP市场预测。截至2023年,用于蜂窝及连接的射频前端模组将分别占据SiP市场总量的82%和18%。按蜂窝通信标准,在2023年,支持5G(sub-6GHz和毫米波)的前端模组将占到射频SiP市场总量的28%。高端智能手机将贡献43%的射频前端模组SiP组装市场,其次是低端智能手机(35%)和奢侈智能手机(13%)。

  4G射频前端SiP供应链由几家集成器件制造商领导,如Qorvo、博通(Avago)、思佳讯以及村田,他们将部分SiP的组装业务外包给封测厂商。高通逐渐成为射频前端5G解决方案的重要供应商,尤其是5G毫米波(获得多家移动OEM厂商的订单),有望在未来保持它的霸主地位。事实上,高通是唯一一家能够提供完整5G解决方案的供应商,包括调制解调器、天线模块、应用处理器。高通,作为一家无晶圆厂,将其所有的SiP组装业务都外包出去,为封测厂带来了更多商机。

  此外,集成器件制造商更加关注针对5G sub-6Ghz的射频前端解决方案,需要封装创新,如布局更紧密的器件、双面贴装、共形/划区屏蔽、高精度及高速表面贴装技术等。这都需要投资全新的工具和工艺。我们相信对于组装技术的高投资负担会迫使这些企业将跟多的业务外包给封测厂商。


 
蜂窝和连接标准细分的射频前端模块SiP组装市场


  5G正在推动射频前端的封装创新

  智能手机中的4G LTE为前端模块以及滤波器组和分集接收模块使用了多芯片SiP。SiP实现了更小尺寸、更短的信号路径和更低的损耗。目前4G LTE前端模块包括10-15颗芯片,利用倒装芯片球焊或铜柱连接到有机基板(最多8个有机层或18个陶瓷层),然而一些功率放大器仍然使用引线键合。5G Sub-6GHz产品预计将利用改良的倒装芯片SiP(如双面倒装封装基板),采用相近的物料清单,实现渐进式创新。随着新架构的引入,5G毫米波频率带来了突破性的封装:扇出型晶圆级封装和玻璃基板转接板,与具有低损耗电介质的先进有机基板倒装芯片封装竞争。

  对5G半导体系统而言,天线技术和布局是最关键的挑战之一。在毫米波频率,从半导体封装到天线的长路径代表着高损耗,所以将天线集成至SiP就更具吸引力了。为了更易实现这种集成,更高频率需要更小的天线(mm级非cm级)。不过,目前单个天线必须与多个频段一起工作,使得天线和附加电路变得更加复杂。为在5G移动通信中集成天线元件与射频组件,行业提出了具有不同架构的多种封装解决方案。由于成本和成熟的供应链,基于层压基板的倒装芯片被率先用于封装天线。晶圆级/板级扇出型封装得益于较高的信号性能、低损耗和较小外形尺寸,是一种很有前景的AiP集成解决方案,但它需要双面重布线层。除少数厂商,大部分OSAT尚未准备好利用该技术大规模制造。

  此外,电路需要屏蔽天线辐射,同时还要确保天线不被阻挡,传输和接收清晰。与层压基板一样,陶瓷和玻璃也成为封装基板材料的新选择。对于5G毫米波封装基板材料的选择,必须在电性能、成本、加工性能和供应链状况等多方面做权衡。由于成本、材料和组装供应链状况,有机层压基板将率先应用(伴随有限的陶瓷应用),随后才是陶瓷和玻璃。


 
移动射频前端:2002-2022年及未来封装趋势


  报告特色:

  移动电话射频前端各类SiP架构介绍

  蜂窝和连接射频前端模块介绍

  晶圆级、SiP、射频前端SiP市场预测

  移动手机分类及型号介绍

  蜂窝及Wi-Fi标准介绍

  射频前端SiP类型介绍

  射频SiP技术趋势、预测及互连趋势预测

  针对5G sub-6 GHz和5G mmWave (>24 GHz) 频段,射频前端多芯片SiP的挑战及技术要求分析

  智能手机前端应用的5G SiP封装路线图介绍

  蜂窝及连接模块应用的封装趋势介绍

  5G毫米波应用的AiP趋势分析

  5G毫米波应用的基板趋势分析

  供应链分析

  现有射频SiP制造厂商的战略及展望


  新的内容:

  对比Yole Développement 2017年版的射频SiP报告(仅预测了PAMiD模块),此版报告将射频前端SiP的范围加以扩展,包含了移动手机中蜂窝及互连功能模块的所有射频前端SiP。


  涉及企业:

  Amkor (J-Devices, Nanium), Acco, Apple, ASE Group, AT&T, Avago Technologies, Broadcom, Cavendish Kinetics, Cisco, Deca Technologies, Ericsson, GLOBALFOUNDRIES, 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……


  如需购买报告,请联系华进战略部:0510-66679351;Xiaoyunzhang@ncap-cn.com xuyansun@ncap-cn.com

  以上图文译自Yole Développement的Advanced RF System-in Package for Cellphones 2019,原文请参考:

   https://www.i-micronews.com/products/advanced-rf-sip-for-cellphones-2019/ 




(战略部)