封装技术在5G时代的创新与应用

5G 时代的到来将通信系统的工作频段推入毫米波波段,这给毫米波器件的封装带来了挑战.5G 系统需要将射频、模拟、数字功能和无源器件以及其他系统组件集成在一个封装模块中,这个要求恰恰体现了异质异构集成的特征,在所有的异质异构集成解决方案中,2.5D/3D 系统级封装(System in Pakage,Sip)因其高度集成化被视为解决5G 系统封装的重要突破口,文章以 SiP 为切入口,着重介绍了未来 5G 封装发展重点的 2.5D/3D SiP 技术以及目前备受瞩目的 Chiplet 技术.基于 5G 毫米波器件的系统级封装解决方案,探讨了适用于毫米波器件封装的基板材料以及 SiP所需的先进封装技术,最后,针对 5G 天线模块的封装,介绍了片上天线和封装天线两种解决方案。

01

引言

5G与4G 和长期演进技术( Long Term Evolution,LTE)相比,在数据传输速率、容量、延迟、带宽等性能指标上都有了大幅度的提升.根据第三代合作伙伴组织(Third Generation Partner Organization.3GPP)给出的规范5G主要有两个频段即FR1(450~6000 MHZ)和 FR2(24 250~52 600 MHZ)5G的出现将通信系统的工作频率推入了太赫兹波段.毫米波频率范围内的工作需求,给 5G 通信器件的封装带来了一系列的挑战.5G系统的封装需要将射频、模拟、数字功能和无源器件以及其他系统组件集成在一个模块中.然而,使用系统级芯片技术(System of Chip,SoC)来实现 5G 器件的封装是十分困难的,因为逻辑、内存I/O、RF 等模块很难在单一制程中实现.并且基于SoC 技术的无源器件 值非常低这会增加高频下器件的损耗.克服这一问题的办法就是使用封装技术将异质材料的无源器件集成在靠近有源器件的位置上.由此可见5G器件的封装要求十分符合异质异构集成的特征.除小型化要求外.5G 芯片信号频率增加所带来的传输损失以及发热量大的问题也不容忽视.这些问题不仅需要从封装结构层面解决,也需要对封装材料以及封装布线、互连等做出规范.此外,5G 无线通信系统需要更高集成度的无线电解决方案,包括先进的相控阵雷达天线和收发器前端技术以支持高辐射功率和大的信噪比以及波束成形、宽范围的仰角和方位角扫描.由于天线元件的尺寸和间距以及波长有关,与 4G 的离散天线不同在 5G封装中封装集成天线成为了可能.实现毫米波天线阵列有多种选择.而具体的技术方案还需要根据需求进行权衡.本文针对 5G 时代的毫米波器件封装存在的一系列问题将首先介绍可用于解决 5G 及后代毫米波通信芯片封装问题的异质异构集成技术.随后将对用于毫米波大功率器件封装的基板材料以及互连方案进行探讨.最后介绍毫米波器件天线阵列封装的两种技术方案。

02

异质异构集成技术

毫米波异质异构集成技术可将基于 GaAs、GaN等新型半导体材料的高性能毫米波有源器件以及射频( Radio Frequency,RF)微电子机械系统(Micro-ElectroMechanical System,MEMS)和无源器件、硅基电路模块通过异质生长或者异质键合等方式集成为一个具有完整功能的二维或者三维集成电路,充分发挥异种材料/异种结构器件的优势.而想要通过 SOC 技术在一块芯片上实现上述全部模块的功能无疑是十分困难 的,且毫米波 SOC 芯片的高损耗问题也不可忽视.目前的手机厂商为了减小器件尺寸纷纷尝毫米波 SoC 的设计,如华为、联发科等企业均已实现5G 和6 GHz 以下 SoC 芯片的设计然而对于 5G 高频段以及未来 6G 而言,SoC 的发展难上加难而异质异构集成技术下的系统级封装(System in PackageSiP)则被认为是解决 5G 毫米波器件封装的最佳解决方案.

从原理上看,目前的异质异构集成方法主要有异质外延生长、外延层转移、晶圆集成以及小芯片组装等7,其中后面两种的实现难度较低,也更适应毫米波器件.在封装技术的发展方向.目前异质异构集成的实现方案上出现了 SiP 等先进封装形式,而实现方法上则具有传统的引线键合(Wire Bond) 以及晶圆级封装(Wafer Lever Package)、倒装 (Filp Chip)、凸点(Bumping)、2.5D 封装、3D 封装等一系列先进封装技术.

本节将对异质异构集成技术路线下的 SiP 封装进行详细介绍,并对基于小芯片技术(Chiplet)的 SiP封装进行论述.而封装技术相关的内容则会放到后续章节.

2.1

系统级封装(SiP)

2.1.1 SiP 概述

在这里首先要搞清楚 SiP 在封装中的层次从微系统的集成方式上来看,微系统的实现方式主要有SoC、SiP 以及封装系统(System of Package,SoP)SoC 是基于单片的集成,Si 是基于多芯片的封装集成,而 SoP 则是基于封装的系统集成.三者的层次是由低到高的,也就是说,在 SiP 中可以出现 SOC 集成的芯片,在 SoP 中也会包含多个 SiP 器件我们可以认为,SiP 是处在芯片与整机系统间的功能器件的封装SiP 是将多个具有不同功能的有源电子器件和可以选择的无源器件,以及诸如 MEMS 或者光学器件等其他的器件,组装为可以提供多种功能的单个标准封装器件,形成一个系统或者子系统.siP 的封装特征与 5G 毫米波器件封装的要求十分相符.现在所说的 SiP 技术是在 2000 年左右出现的各种 SiP尤其是射频部分.在移动领域被广泛应用.2.5D/3D 形式的 SiP 封装被认为是未来发展的重点方向,因为这是后摩尔时代突破摩尔定律下器件尺寸的一个重要突破口.

2.1.2 SiP 在5G器件中的应用趋势

5G 技术的发展,会将电子产业带人一个新的领域.由于 5G 技术的先进性,将会使电子产品的性能获得极大的提升.与此同时,人们也需要在这之中获得便利,即这些电子产品要具有较高的便携性.以手机为例,从最早的智能手机时代开始,每次发售的新手机都引人了一些新的功能,比如双卡双待、指纹识别多摄像头、移动支付、人脸识别等新功能,这些都增加了手机的耗电量.但是以现有的技术,大幅度增加钾电池的电量密度是难以实现的.这就要求系统级封装和模组化技术的发展.以此来实现手机的外观轻薄和减小功耗.SiP从封装和组装为切入点以高精度的表面贴装技术(Surface Mounted Technology,SMT) 和先进封装技术,将若干裸芯片和微型的无源器件进行高度的集成化,并成为微型化的高性能组件，成熟运用 SiP 技术可以加快 5G 技术的研发过程.也可以极大程度上简化电子产品的制造流程.为人们的生活带来更多便利.

未来满足 5G 器件的功能性、小型化、可靠性以及成本效益要求根据 Inan Ndip 等人的总结SiP的架构以及封装材料和互连必须满足以下要求.

(1) 性能需求.如电磁兼容性、信号完整性、电源完整性、高增益的天线阵列、高品质因数的无源器件.

(2)可靠性要求5G 器件的 SiP 结构必须充分考虑到散热性能以及热稳定性,并且要尽可能杜绝正常使用过程中的热机械可靠性问题.

(3)小型化要求SiP 必须能够使未来的 5G 器件小型化,从而能够达到随时集成到其他组件/模块上的目的.

(4) 成本要求.在满足使用要求的前提下,SiP 应该尽可能降低成本.

对于上述几个问题,除了从封装材料以及组装方法上着手,从工艺和结构上进行考虑也是必要的.例如,在工艺上可以利用面板级封装工艺制作 SiP,同时制作数百个 5G 模块,分摊成本从结构方面考虑,为了满足 5G 器件小型化要求以及高性能的要求就必须使SiP 脱离传统的二维层面,逐渐向着2.5D SiP,特别是 3D SiP 的方向进发此外较为先进的双面 SiP也在 5G 及之后的高频毫米波器件的封装中得到了用武之地,双面SiP 不需要使用中介层(interposer)来实现 SiP,从而能够在保证小型化和提高集成度的同时降低成本.

2.1.3 2.5D SiP 与3D SiP

在后摩尔时代,垂直堆叠封装被视为延续摩尔定律的重要举措,多芯片垂直堆叠常见的就是 2.5D和 3D 封装封装技术的逐渐发展使得芯片的封装形式由传统的单芯片封装发展至 2D 多芯片封装但是随着对封装密度需求的进一步增加,想要再提升封装密度就必须在垂直方向上下功夫.硅通孔(ThroughSilicon Via.TSV) 技术的出现使芯片的垂直堆叠成为了可能,由此诞生了 2.5D 和3D 封装技术严格来说,只有 3D 封装实现了多芯片在垂直方向上的堆誉而 2.5D 封装使将多个芯片平行排列在中介层上,因其封装密度大于传统 2D 封装但小于3D 封装特将其称为 2.5D 封装图1为 2.5D 和3D 封装结构示意图.

图1 2.5DSiP 和3D SiP 的封装结构示意图

2.5D 封装一般要借助硅中介层(Silicon Inter-poser),裸片(Die) 被平行放置在中介层的顶部,中介层充当芯片与基板的桥梁,能够为系统提供更多的I/O 宽带。中介层是一种由硅和有机材料组成的硅基板,它承担着传递电信号的作用,是裸片与印刷电路板(PCB)之间的桥梁.裸片一般是通过微凸块(Microbumps) 与中介层的布线层连接,而中介层则通过锡球与下层基板相连.中介层的上下导通则一般通过 TSV 等手段实现3D 封装则是将具有 TSV 结构的裸片垂直堆叠从而实现纵向的集成.3D 封装的裸片通过微凸块甚至无凸块相连,由于 TSV 沿着芯片垂直方向以最短的路径传输信号.因此.3D 封装能够实现更快的信号传输和更高的带宽。

与 2.5D 封装相比3D 封装不需要使用中介层减小了成本,且具有更高的集成度,满足 5G 器件集成的小型化和降低成本的要求,是一个极佳的解决方案.尽管3D 封装可以被认为是最先进的 IC 封装形式,但它存在严重的可靠性和测试问题.且对于大功率的 5G 器件来说该问题尤为突出,芯片和互连密度较高的有限暴露区域加剧了散热和机械可靠性问题此外,可靠性测试方法的缺乏是另一个需要克服的挑战.目前也有很多学者针对 3D 封装的可靠性问题进行研究例如,Lian 等人应用模拟方法对3D SiP结构直流电阻和寄生电感进行电学比较对 Theta-JA进行热比较并对3D SiP 封装结构进行翘曲比较此外,他们还建立了典型的可靠性测试(温度循环测试高温储存寿命测试、无偏高加速应力测试),以验证3D SiP 结构在未来物联网/可穿戴和 5G 设备应用中的应用.他们的工作完成了封装级的可靠性测试项目,并且展示了3D SiP架构的可行性应用.

需要声明的是,即使 3D 较 25D 封装更能满足小型化和成本要求,但是由于 2.5D 的可靠性很高,更适用于大批量制造.究竟选择哪一种形式还要根据具体需求进行权衡.可预见的是,未来 5G 及后代毫米波器件的封装必是以 3D 形式为主。

2.1.4 双面SiP

在5G低于6GHz器件封装的方案中较先进的双面SiP 获得运用与普通单面SiP 相比双面SiP 可以进一步提高系统的集成度,减小封装尺寸,并提高系统性能.双面 SiP 是一种热封装解决方案,采用了双面 SMT 和双面成型来缩小整个模块的尺寸.双面SiP 简化了 PKG I/O 计数提高了电源效率减小了噪声排放.从电集成的角度来看,双面 SiP 由于较短的信号传输路径可以获得比其他并排倒装芯片 SiP 结构更好的电性能:从热性能来看,高热解决方案可提高24%~38%双面SiP 模块可以为 5G封装提供一种先进的解决方案,以解决 5G 器件的性能、可靠性、尺寸和成本的需求。

双面 SiP 模型与单面模型相比,可以允许在一个小的模型上面出现更多模块,其固然增大了封装空间的利用率,但是由于散热路径的重叠,其散热性能是不得忽视的一个问题.针对双面 SiP 结构的散热问题,Chen 等人使用红外相机和热电偶分析与比较了单/双面 SiP 模块的热性能.为了改善双面 SiP 的散热,该团队设计了以下几个措施:(1) 单面封装用焊球连接 PCB,而双面封装用铜球连接,由于铜的导热系数高于焊料,因此,它可以帮助快速传热;(2) 暴露模具,即高温不应包裹在聚合物材料中,且把填充物(Underfill)放在模块和 PCB 之间的间隙中;(3)另一个重要的改进是 PCB 设计的替代.增加 PCB 上的散热孔和散热路径,增加 PCB 的铜含量如此以来,经改进后的双面 SiP 散热得到了改善,且接近于单面 SiP此外,他们建立的利用模拟的方法进行了相同的测试图 2 为该团队建立的单面 SiP 和双面 SiP的模型模拟结果与试验结果最大误差在 8.4% 以内,且模拟结果表明.当基板增加了更多的铜后,热性能大大改善并且在模块与PCB间填充Underfi11后模块与基板间形成了流畅的热路径。

图2 两种 SiP 模型示意图

另一方面,双面SiP具有更高的元件集成密度更紧密的间距设计规则以此来适应小的形状因子，异质集成、低成本和高电气性能.较高的被动厚度会导致结构不平衡,可能会引起翘曲问题.Ma等人9针对未来5G 移动应用的可行性,采用双面成型工艺设计了双面 SiP 结构,其集成了双面SiP 顶部的许多无源元件,并通过SMT组装底部的SoC芯片由球栅阵列(BGA)球和环氧树脂模塑料包围.这双面SiP结果能够将整个包装尺寸缩小约35%.针对结构的翘曲等问题,他们对封装单元的翘曲进行了模拟以进行环氧模塑化合物的选择.之后,他们又使用 DOE(实验设计)研究来验证后成型的翘曲性能,并且 DOE也被用于找出合适的激光烧蚀工艺参数,从而达到指定的 BGA 球形焊料突起.随后,设计好的双面 SiP 结构被进行了一系列典型的可靠性测试,包括温度循环测试、高温存储测试、无偏压HAST(加速老化试验)双面SiP结构通过了所有可靠性测试,他们的设计思路为之后的研究人员提供了极大的借鉴意义。

双面SiP技术是未来5G器件封装的最佳解决方案,特别是双面2.5D/3DSiP封装已备受研究者以及产业工程师的青睐.5G以及后续的6G时代,毫米波器件的双面SiP开发将朝着更大集成度、更小封装尺寸方向迈进,展望未来,双面SiP的发展道路上还有许多问题需要解决,散热与翘曲只是其中一个方面,芯片间的隔离以及电磁干扰问题仍然等着我们解决。

2.2

基于Chiplet的系统级封装

Chiplet 又被称为芯粒或者小芯片,与目前市场主流的SoC技术相反,Chiplet是将一块功能完善且集成度很高的裸片拆分成多个小芯片,再利用SiP技术将其组合到一起,形成一个系统级芯片.Chiplet带有很强的异质异构集成的特征,它也被看作是后摩尔时代解决摩尔定律失效的一个很有前景的方法,目前,随着工艺节点的发展,芯片制造的成本、设计周期和复杂性的急剧上升正促使行业将重点放在Chiplet上,它允许不同制程制造的芯片组合在一起,并在不同的项目中重复使用,这有助于降低设计过程中的成本,并提高产量.

美国国防部高级研究计划局(DARPA)在2017年推出的CHIPS计划(通用异构集成和IP复用战略)试图将小芯片推向战略统一和生态建设的水平在DARPA的规划中,小芯片涉及来自不同公司、不同工艺节点、不同半导体材料、不同信号类型(即波、电子、光子,甚至微机电系统)的具有不同功能的芯片.因此,小芯片技术旨在支持新生态和应用系统中的巨大技术路线图。

Chiplet的优势主要体现在技术要求,成本以及商业化等方面.相比于SoC,Chiplet将系统级芯片进行了拆分,降低了功能高度集成带来的设计和制造要求.且Chiplet的生产形式使其能够支持特殊功能的定向定制,从而能够避免市场狭窄的问题,并且Chiplet 大大缩减了制造周期以及研发投入,能够更好地平衡生产成本问题.Chiplet最大的特点在于IP复用,这有助于实现芯片设计产业链细分.如此以来,片设计行业就可逐渐打破几家独大的局面,小型芯片设计公司也将从中获益,从长期发展角度来看,这是十分利于技术的竞争与发展的.

可以预见,Chiplet技术在5G毫米波器件的系统级封装中也将大有可为.然而,Chiplet的进一步发展需要使Chiplet接口必须达成一致,接口和协议的设计必须考虑与制造工艺和封装技术相匹配、系统集成和扩展的要求.此外,不同领域的小芯片的相关性能指标也至关重要。

目前,Chiplet 技术已成功应用于工业领域,尤其是具有高端技术和研究能力的公司.HBM存储器是Chiplet技术最早的成果应用.随后,在现场可编程门阵列(FPGA)相关领域,Intel推出了基于小Chiplet 技术的 AgilexFPGA 产品.这些产品使用 3D 封装技术来实现异构芯片集成.在高性能CPU 芯片领域AMD引人了Zen2架构,将I0组件和处理器核心分离为多个 Chiplet,以进行进一步的按需集成.在网络领域,Intel的 Tofno2 芯片具有 12.8T的切换能力,这通过Chiplet实现,它将交换逻辑芯片与高速SerDes芯片集成在一起.此外,AMD、高通等芯片设计龙头也在逐步布局Chiplet产业,在国内,中兴等企业也开始探索Chiplet,并逐步跟上世界龙头企业步伐。

03

基板材料

针对散热、信号分布、电源及信号完整性、热可靠性等一系列问题,5G器件模块的SiP封装主要有3个基本技术问题:(1)封装的结构及方案;(2)高频高性能基板材料;(3)多功能芯片组件的组装及互连本节主要强调适用于 5G SiP 封装的基板材料.

封装基板提供其上各种电路元件之间的布线或互连.目前应用于5G器件封装的基板材料主要有:低损耗层压板(Low-loss Laminates)、低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)和 玻 璃(Glass).根据异构集成线路图(Heterogeneous Inter-gration Roadmap),表1比较了玻璃、LTCC、环氧玻璃布层压板(FR4)以及液晶高分子(LCP)与硅(Si)的材料特性,可以看出4种衬底与硅之间都有很大的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)失配,因此,在封装过程中充分考虑焊点可靠性以及Underfill的使用都是必要的,但是具体使用何种基底技术还需要根据制造成本、可靠性要求、热性能、电性能等要素进行抉择.除此之外,晶圆级封装(Wafer-level Packaging,WLP)提供了一种不需要基底材料的封装选择.关于晶圆级封装将在下一节中进行详细描述.

表1 基底材料的比较

3.1

低损耗层压板

典型的多层低损耗层压板如图3所示,它由一个或多个嵌入到其他层压板或者堆叠膜之间的低损耗介电层以及上下层压的粘接层、层压板、金属层等组成.内部介电层必须在工作频率下具有低损耗,还应该足够薄以实现高电容密度和最小化封装高度液晶聚合物(LCP)或聚四氟乙烯(PTFE)等低损耗有机物的出现逐渐取代环氧树脂作为中间的介电层。因为它们的损耗角正切可以解决环氧树脂较大的损耗正切问题.此外,由于在层压温度下的稳定性和高剥离强度,聚酰亚胺的可加工性可能优于LCP.SiO填充的碳氢化合物一般被用作外层的粘接层和堆积层,以提供刚性、低吸湿性和低的Z轴CTE,从而确保使用的可靠性,外层的表面金属化被用作形成可靠焊点的屏障.Cu作为表面金属被认为是不利的,因为它快速氧化并与焊料反应形成具有不期望的电学和物理性质的脆性金属间化合物.Ni是一种出色的阻挡金属,并涂有超薄金,以防止相邻焊点桥接.表面金属一般是电镀镍和亚锡、硬金、软金以及化学镀镍和浸金。

图3 一种典型的多层低损耗层压板示意图

面向5G封装基板用层压板,一些学者针对介电层展开了一系列研究,总体目标是实现低损耗传输的 PCB材料需要具有低Dk(介电常数)和低Df(耗散因子).Yamamoto 等人为 5G 封装开发了一种双马来酰亚胺和三嗪(BT)树脂材料,并展示了 BT层压板的优异性能,也证实了所开发的BT复合材料具有比先前BT复合材料更低的Dk和Df,并且在高温或高湿度条件下显示出足够的稳定性.但是这种 BT树脂仍未实现比 LCP 更低的Dk和Df,Lai 等人研究了预处理技术对LCP多层层压板电路性能的影响,与微蚀刻和黑化工艺相比,褐变工艺对信号完整性有定影响,导致损耗的减小,信号衰减较弱.因此,建议在高频和高速印刷电路板层压的预处理工艺中使用褐变工艺.

3.2

低温共烧陶瓷(LTCC)

与其他材料相比,陶瓷具有更宽的相对介电常数范围和更好的机械稳定性,使其成为滤波器、谐振器介质天线和其他相关设备的首选材料.并且,5G6G通信技术的最新发展证实了LTCC技术在集成天线中的关键作用.LTCC是一种多层集成技术,因其容易实现内埋置元器件和多层布线方便实现小型化以及高频化设计而多用于多层电子封装行业LTCC 用于5G 封装基板材料具有如下优势:

(1)低的损耗角正切,这意味着它是高质量因子无源器件RF应用的潜在候选者.

(2)低的CTE是其与硅具有良好的CTE匹配保证了互连的可靠性.

3)高熔点保证了应用于5G等大功率器件过程中的热稳定性.

(4)高电阻率使其能够不额外产生导电损耗(5)高的杨氏模量使其大大降低了翘曲的风险LTCC 堆叠具有多层布线的特征,它的结构包括了陶瓷介电层以及穿越陶瓷介电层的导电迹线和过孔.图4是LTCC无芯材(Core)堆叠封装结构的示意图.

图4 LTCC封装基板示意图

由于LTCC在5G封装方面的优势,目前已针对其开展了较多的研究工作.在LTCC材料制备方面,Wang 等人将不同比例的 B,O 和 CuO 混合物引人 LTMN 陶瓷中,以实现陶瓷较低的烧结温度,制备了 LTCC陶瓷,并对其微波介电性能、微观结构烧结特性和结构演变进行了全面的研究.结果表明.BC的加人可以将 LTMN试样的烧结温度降低到790℃,而微波介电性能没有明显下降.此外,他们也证明了 BC掺杂的 LTMN陶瓷与Ag之间具有良好的化学相,从而证实 BC 掺杂的 LTMN 陶瓷是一种很有前途的 5G LTCC 材料.Li等人制备了 Zn-Ni共改性的

微波介电陶瓷,并通过改变Zn/Ni的比例详细研究了Zn/Ni 比对相结构、微观结构和微波介电性能的影响.该研究获得了单相的

陶瓷,并且证实ZnNi比例的变化对晶格参数、致密化和微观结构产生了显著影响.制备的陶瓷的最佳组成在品格参数、致密、

和

范围内表现出优异的微波介电性能,有望进行 LTCC 应用.

LTCC结构为多层堆叠提供了无与伦比的设计灵活性.它允许堆叠大量的电介质和金属层,并分布堆叠和交错的通孔,这些特性对于垂直配置下的低损耗网络的设计非常有吸引力.Liu等人基于LTCC提出了一种适用于毫米波频率和5G应用的高效孔径馈电介质谐振器天线阵列,该阵列是在单个LTCC工艺中制造的.天线阵列由16个圆柱形DR天线(CDRA)元件组成,对封装阵列的性能测量结果表明在28.72GHz下,阻抗带宽为9.81%,最大实现增益为15.68 dBi,效率为88%.Chou等人提出了一种通过 LTCC 工艺制造的端射双极化辐射的紧凑封装天线(AP)结构.他们通过将水平金属带状线耦合偶极子与垂直磁电单极子集成到多层结构中以实现紧凑性来实现双极化.巧妙地将AP在天线之间的空腔中实现了垂直过孔和水平带状线,以提高隔离和偏振纯度.该AiP已经在用户设备(UE)应用中的端射高增益和波束控制方面进行了数值检验.原型在26.5~29.5GHz范围内显示出低于-25 dB的良好隔离,并与全波模拟一致.

3.3

玻璃

玻璃基板材料具有优越的尺寸稳定性、大面积低成本面板的可用性、形成细间距通孔的能力、对温度和湿度的稳定性,以及与扇形封装中使用的硅和模具化合物相比具有较低的介电损耗等优点,基于玻璃基板的封装正在成为实现毫米波器件中滤波器等无源器件封装的十分具有竞争性的基板选择对象.

玻璃一般被用于封装内部的芯材通过将堆积材料堆叠在其上配以铜迹线形成的金属化布线层从而组成一块封装基板,图5是这种玻璃基板的一种典型结构,另一种结构是将玻璃基板作为嵌入式封装的基板材料,它将芯片嵌入到玻璃中,如图6所示.之后玻璃被平坦化,然后在芯片的有源侧形成堆积层，并利用微孔将其直接与焊盘相连,这种结构支持嵌人式无源器件、多个芯片和天线,以及连接到PWB的 BGA 接口,线宽可以低至2um,以满足新兴的重布线层(ReDistribution Layer,RDL)需求.

图5 玻璃基板示意图

图6 嵌入芯片式玻璃基板示意图

在几种基板技术中,LTCC 的高制造成本和差的可扩展性限制了其在大型面板中的可用性.低损耗层压板尽管在成本和扩展性方面具有优势,但面板规模的翘曲和可靠性问题使其在可加工性方面存在不足.而玻璃基板由于具有更接近硅的CTE以及低的表明粗糙度等特点展示出了强大的竞争力.ALi等人在超薄玻璃基板上实现了用于RF前端模块中的小型化双工器的封装集成.制备的双工器具有低插入损耗、低电压驻波比(VSWR)、高阻带抑制高选择性、高隔离以及易于集成的优点,并且这些双工器占地面积小,电气性能好,被证明是5G 异构集成和毫米波RF前端器件的理想候选者.Watanabe等人首次在面板级超薄玻璃基板上实现了芯片嵌入式毫米波集成模块的封装,他们的目的是降低芯片到封装的损耗.为了证明嵌入芯片式玻璃基板对 5G 器件封装的好处,他们使用了基于C4凸块的倒装芯片技术对互连损耗进行了基准测试.电性能测试结果表明,与具有C4凸块的倒装芯片组装方法相比,具有玻璃衬底的芯片嵌入结构导致从芯片到天线的插入损耗降低了3倍.目前一些企业也在生产基于玻璃基板的封装形式,例如Samtec和Unimicron,但是在玻璃基板的应用方面仍需克服由玻璃的性质而导致的脆性或坚固性以及处理困难等问题.

04

互连方式

SiP涉及到许多互连情况,例如芯片与芯片、芯片与基板以及基板和PCB之间,互连保证了电信号的传递,事关信号传输以及封装整体的稳定性,传统的封装互连方法主要是引线键合以及微焊点连接随着对封装集成度要求的增加,逐渐出现了倒装、晶圆级封装、硅通孔等一系列先进封装互连技术.本节主要介绍2.5D/3DSiP所需的互连技术.

4.1

倒装连接

基于封装密度的提高以及信号传输路径的考量，倒装芯片技术在电子封装中得到了各种应用.与传统的引线键合相反,在倒装芯片封装中,硅芯片的有源侧面朝下,并通过焊点或凸块连接到基板,如此以来减小了单个芯片的占地尺寸,并且大大缩短了信号传输路径与引线键合相比,倒装芯片在输入/输出密度、电气性能、尺寸、生产成本和热性能方面无疑更具优势.

在技术要求上面,倒装芯片封装带来的主要挑战是由于焊料凸块、硅芯片和有机衬底之间的CTE不匹配而导致的热机械应力积聚,随着电子设备的持续使用,芯片封装的互连焊点会经历热循环,最终会导致疲劳或电气故障.这种CTE失配问题有两种解决思路:焊料成分人手和通过底部填充(Underfill)工艺解决.锡铅焊料是电子封装中常用的焊点材料尽管Pb和富含Pb的金具有凸块焊料最理想的特性之一,但是鉴于环境保护问题,含铅焊料逐渐被摈弃.目前对于无铅钎料的研究大多集中于寻找共晶锡铅合金的替代材料上.目前常用的无铅焊料为富Sn合金焊料,比较受青睐的有Sn-Ag和Sn-Ag-Cu 系合金.通常,为了改善焊点机械性能和稳定性,心片和基底之间的狭窄间隙填充有UUnderfill流体,Underfill一般是环氧树脂与熔融二氧化硅填料的均匀混合物,它将重新分配热机械应力,使其远离互连,在固化后,填充凸块阵列间隙的Underfill将化学硬化以形成封装凸块的保护层.

4.2

晶圆级封装

传统的封装发生在晶圆被切片之后,而晶圆级封装是对晶圆先封装后切片.晶圆级封装的优势是大大减小了封装的尺寸,使其能够与裸片尺寸一致,从而达成芯片封装小型化、轻量化的目标.此外,晶圆级封装通过重布线层(RDL)将裸片上的接口引出,因此,相较于普通封装工艺,晶圆级封装减少了一层基板的使用.晶圆级封装又可分为扇入型晶圆封装(Fan-in WLP)和扇出型晶圆封装(Fan-out WLP)两种,如图7所示,二者的区别在于RDL上的I/O数量是否超出裸片面积范围.对扇人型晶圆级封装来说,I/O 分布不超过芯片的覆盖面积,因此,裸片面积占据了封装面积的 100%.随着需求的增加,芯片所需的I/O 接口数量增多,扇人型品圆级封装所能支持的I/O 接口有限,因此,需要 RDL将 I/O扩展到裸片面积以外,这就是扇出型晶圆封装.

图7 扇入型和扇出型晶圆封装示意图

4.2.1 RDL 技术

无论是扇人型还是扇出型晶圆级封装,RDL技术在其中都是不可或缺的,RDL将IO接口重新排布,并将信号传递至焊点(Solder).RDL是在晶圆表面沉积金属层和绝缘层形成相应的金属布线图案,采用高分子薄膜材料和ACu金属化布线对芯片的I/O焊盘重新布局成面阵分布形式,将其延伸到更为宽松的区域来植锡球.在2.5D封装的Interposer中RDL也发挥着作用.可以说,在先进封装中,RDL发挥着很重要的作用。

为了提高焊点的可靠性,对 RDL进行精心的设计是必要的.RDL改进的思路之一是在焊料和硅芯片之间添加一个缓冲层,例如有研究者设计了一种聚合物上焊点结构,如图8所示.可以看到,RDL上方和下方都有两个介电层,这将提高互连强度,因为聚合物介电层可以使芯片和PCB之间的应力得到缓冲.此外,RDL提升的另一个思路是RDL与焊点材料配合,共同来提高互连的可靠性

图8 聚合物上焊点结构的RDL示意图

4.2.2扇出型晶圆级封装

扇出型晶圆封装可以调整RDL来适应大数量接口的需求,并且其封装尺寸也更小,这些特征有助于封装结构的热性能和电性能.扇出型晶圆级封装的这种特点使其在5G毫米波器件的封装中广受关注.

嵌人式品圆BGA(eWLB)是扇出式晶圆级封装最著名的应用.英飞凌首次报道了扇出晶圆级封装(Fan-out Wafer-level Package,FOWLP)技术及其eWLB,并提出了天线集成封装.eWLB 具有扇出型封装的所有优点,例如小的封装面积、允许大数量I/O接口、功能性更强等特点.但是对于5G集成天线封装来说,eWLB只有单面RDL,这限制了天线的设计.设计双面 RDL的扇出型晶圆封装是十分必要的.eWLB的提出之始并未受到重视,因为彼时的芯片 I/O数量一般小于500,再布线的线宽线间距也相对较大,且随着先进封装技术的发展,扇入型晶圆级封装已能够达成需求.但是随着5G 时代的到来,对封装的要求进一步提高,扇出型品圆级封装开始走上舞台中央.2016年,台积电在先进封装技术上近十年的技术沉淀,开发出了集成扇出型(Integrated Fan-Out,InFO)封装技术,这项技术被苹果成功应用于苹果iPhone7系列手机的应用处理器.这之后,苹果的每一代产品均采用InFO技术.集成扇出型封装技术的优势在于可省去载板,综合成本较传统的叠层封装(Package on Package,PoP)降低约 2~3 成以上,节省芯片封装的成本,并可应用于手机AP或其他RF电源管理 IC等大量应用场景.台积电的成功将扇出式晶圆级封装重新带回人们视野,各大厂商也开始着力布局扇出型封装.

4.3

硅通孔(TSV)技术

TSV在垂直封装堆叠中具有着广泛应用,它在三维先进封装的飞快发展中功不可没.在3D封装中堆叠芯片之间通过TSV互连,使电信号得以导通,在2.5D封装中尽管没有出现芯片堆叠,但是TSV是2.5D 封装所需的 Interposer 的必要技术.TSV 的诞生让垂直堆叠多个芯片成为可能,它是通过硅通道垂直穿过组成堆栈的不同芯片或不同层实现不同功能芯片集成的先进封装技术.TSV主要通过铜等导电物质的填充完成硅通孔的垂直电气互连,减小信号延迟,降低电容、电感,实现芯片的低功耗、高速通信,增加带宽和实现器件集成的小型化需求.TSV提供了硅片内部垂直方向的电互连.

按硅基底至TSV中心来分,TSV有3个部分,即介电层、阻挡层和填充物.金属填充TSV需要介电层以与周围的Si基底充分电隔离.介电层的工艺要求包括良好的台阶覆盖率和均匀性、无漏电流、低应力、更高的击穿电压等.用于介电层的材料通常是 SiO2,、Si3N4.紧挨着介电层的是阻挡层,以防止Cu原子在需要 400 ℃ 温度的退火过程中从 Cu TSV扩散.此外,阻挡层充当介电层和Cu层之间的粘附层，用作阻挡层的常见材料是Ti、Ta、TiN 和 TaN.TSV的中心区域则是导电填充物,通常是Cu、多晶硅、W 等导电物质.

在技术实现方面,TSV形成技术主要有激光钻孔、Bosch 深度反应离子刻蚀、低温深度反应离子刻蚀以及各种湿化学刻蚀的方法.在这些方法中,Bosch深度反应离子刻蚀(即博世工艺)是目前应用最多的方法.根据TSV的制造流程,又可将TSV分为先通孔(TSV-first)、中通孔(TSV-middle)以及后通孔(TSV-last).由于每种 TSV 在制造流程中所处的位置不同,其用途以及填充材料也具有显著差异例如,先通孔是在互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺开始之前形成 TSV,为了在随后的高温CMOS工艺中生存下来,多晶硅是通孔填充的导电材料的选择.中通孔是在CMOS 工艺之后,但在互连层之前形成 TSV,在不需要在高温CMOS 工艺中生存的情况下,可以使用铜来填充通孔,以利用其电气性能.但是当铜的 CTE 和高纵横比孔中的铜孔镀层中的空隙引起关注时,钨(W)和钼(Mo)中通孔填充也是选择.最后一种是在半导体品圆工艺完成后形成TSV.由于典型的后通 TSV 是大尺寸的,因此,Cu是典型的通径填充材料.

4.4

天线封装的解决方案

近些年来,由于 5G 技术的发展,低时延、高速率大容量万物互联等要求对智能手机等5G运用场景提出了很大的挑战.天线方面,5G 毫米波在传输过程中极易损耗,如何减小路径损耗、如何实现高速率大容量的传输以及如何在缩小天线尺寸的同时提高功效等问题亟待解决,传统的天线采用分离式封装策略,然而在高频下,天线和射频芯片的分离封装面临着互连损耗过大和集成密度低的问题,这就导致系统性能下降,难以实现未来通信的大规模系统集成.天线和RF前端器件的共同设计和共同封装,封装天线(Antenna in Package,AiP)、片上天线(Antenna on Chip,AoC)等天线的集成封装方案被广泛认为是毫米波及以上波段通信系统的可行解决方案.

4.5

封装天线(AiP)

AiP技术是将一元或多元天线集成到封装内部天线技术,其典型方案是采用集成电路封装工艺AiP 依靠 3D 封装技术,大大缩短了馈线长度,从而降低了互连损耗,提高了系统电源效率.AiP的优点在于它在单独的基板上实现,独立于RF芯片,且该基板可以专门用于辐射元件及其馈线,也可以充当收发器组件和异构集成的封装.

总的来看,AiP有两种结构:一种是倒装芯片结构,一种是嵌入式芯片结构.倒装芯片结构中,芯片采用倒装技术被与基板一侧连接,而天线阵列被布置在基板的另一侧.嵌入式芯片结构中,芯片嵌入基板内部,而天线阵列被布置在基板一层.由此可见,AiP 技术的关键在于先进封装互连技术与基板材料的选择这两方面内容已在上文中阐述,在此不再赘述.

目前,AiP正被广泛应用于毫米波器件,被认为是未来毫米波天线封装的最佳解决方案.Gu等人在基站用有机层压基板的AiP方面取得了开创性进展他们设计了一个包括64个阵列嵌入式天线的芯片AiP.天线阵列在Tx模式和±40°扫描范围下,等效全向辐射功率(EIRP)超过50dBm.在产业化应用方面目前一些企业,包括IBM、Intel、Samsung等均已开始将 AiP 作为其产品的天线封装方案.

4.6

片上天线(AoC)

片上天线是采用片上金属化连线工艺集成制作的天线.AoC 技术与 AiP技术最根本的区别在于,芯片上天线没有与射频电路(RF)封装在一起,所以射频电路不存在任何形式的互联,天线自己的功能结构基于单个模块上.其次,与 AiP相比,AoC 更小,只有几平方毫米.然而,AoC的缺陷在于,对于硅基AoC 而言,衬底的高介电常数

和低电阻率严重降低了匹配带宽和辐射效率.

有研究者提出了一种亚太赫兹应用的硅基高增益AoC技术,高增益是通过使用孔径馈送机构激励天线来实现的.对天线的测试结果表明,所提出的片上天线在0.290~0.316THz范围内的反射系数小于-10dB,最高增益和辐射效率分别为11.71dBi和70.8%.由于 AoC 技术难度上的问题,目前 AoC是天线封装研究较少的一个方向.基于此,有学者提出并演示了一种基于聚酰亚胺层的片上天线,该天线工作在 0.600~0.622THz的太赫兹区域的高频带上.有研究人员指出,在100GHz~1THz的频率下,AoC将是天线封装的一个有吸引力的选择方案.以此来看,对于适用于未来更高频段的毫米波AoC技术的成熟化,仍任重道远.

05

结束语

(1)5G毫米波向下要兼容 4G、3G等,向上要扩展频率,还需要满足低时延、高通率等特点,这是对封装技术的一次巨大挑战.在封装方案方面,SiP可以实现不同材料、不同工艺模块/组件的异质异构集成,是解决 5G 毫米波器件封装的最具前景的方案.

(2)2.5D/3DSiP封装的高度集成化是未来5G系统器件发展的重要方向.此外,基于Chiplet的SiP 技术可将功能拆分成小芯片,降低制造难度,其IP重用的特征使其十分具有发展价值.

(3)在封装基板方面,目前已有LTCC、玻璃基板以及低损耗层压板,这些基板各有优势.此外,基于RDL的晶圆级封装也提供了一种无基板方案.在封装互连层面,传统的引线键合已不满足未来小尺寸高集成封装的要求,未来的5G系统封装互连技术将以倒装、TSV、基于 RDL的扇出型封装为主.

(4)天线是5G毫米波器件的重要组成部分,目前有AoC和AiP两种具有潜力的天线封装解决方案.由于AoC的难度问题,目前对毫米波天线的研究主要侧重于 AiP技术.但是两种技术各有千秋,具体使用还需根据实际需求权衡.

总而言之,先进封装技术在后摩尔时代已被视为改善集成电路性能的一大重要方向.目前,毫米波器件的3DSiP封装仍未完全实现.在未来,广大的研究者、工程师们还需深耕于此.

作者：张墅野,邵建航,何 鹏

电子行业分析师内部资料！一文看尽芯片等六大板块干货 智东西内参

电子行业可以被细分为消费电子、半导体、面板、LED、PCB和被动元器件等，在我国制造业占据十分重要的地位。在国际环境压力不断加大、行业转型主动性不断增强的关键阶段，我国的电子行业迎来了十分重要的机遇期。

本期的智能内参，我们推荐天风证券的报告《行业首席联盟培训》，揭秘电子行业六大产业链发展情况和行业周期。

原标题：

《行业首席联盟培训》

作者： 潘暕 等

一、六大产业链：国产替代是主旋律

1、消费电子

以苹果为代表的相关的产业链是消费电子最重要的环节， 苹果07年发布第一台手机，截至2020年已经经历过2G-5G 三代通讯迭代周期以及7代ID的创新。 除了07年第一款新机外，08-16年每两年进行一次ID创新，自17年开始创新周期从2年延长到3年，20年中框从圆角改为垂直角开启了新一轮的ID创新。

苹果2020年迎来通讯+ID创新周期

目前苹果目前有约10亿左右的存量用户，为苹果每年的销量提供了坚实的保障，此外，华为事件的发生导致空出来的高端机型的份额有望被主流品牌如苹果瓜分，为苹果销量提供了一定的弹性，同时，苹果有望在21年取消手机的接口，进行外观ID大创新，多因素拉动下21年苹果销量有望超2.3亿部。

苹果的其他硬件表现也较为出色， AirPods：17-20年出货量为1500、3500、6000、7220万，yoy+150%、71%、+20%，预计21年、22年预期出货6800/6900万台，yoy-6%、-1%，中长期来看AirPods销量将持平或者略有下降。

20年第六代iWatch新增血氧检测、睡眠追踪、洗手检测等新功能，此外，支持eSIM独立号码，续航能力提升至一天半，手表将会复制TWS耳机的成长路径，维持年15%左右的增长，预计21、22年出货5170、5950万。

根据SA预测，2020、2021年华为销量将为1.93、0.59亿部，yoy-20%、-69%。华为退出的市场份额我们判断高端的主要由苹果、三星等瓜分，中低端机型部分利好小米、OV等品牌。叠加疫情恢复、递延需求释放、5G换机等因素，2021年三星、小米、有望出货3.1、2.2亿台。

主要厂商历年智能手机出货量（亿台）

2020年苹果、华为、三星、小米营收/净利润对比(亿美元)

苹果2005-2020年营业收入/净利润(亿美元)及净利率(%)

苹果产业链主要玩家

2、半导体

半导体产业链主要分为材料和设备。 材料2020年全球553亿美元市场空间，我国自给率低； 设备：2020年全球689亿美元市场空间，市场集中,前五占比66%。

我国设备&材料企业

半导体产业链公司

基于产业风险、投资规模和开发需要，半导体产业分工体系发生重大转变，出现了设计、制造、封装等精细化产业分工趋向，形成了 IDM Fabless 和 Foundry 3种经营模式。集成器件制造( Integrated Device Manufacture，IDM) 模式，指从设计、制造、封装、测试到投向消费市场一条龙全包的企业，如英特尔、三星等。Fabless 即垂直分工模式，半导体公司只负责设计，没有 Fab( 工厂) ，如 ARM、NVIDIA、高通、华为等; 所谓 Foundry，即代工厂，只负责代工，只有Fab，不承担设计任务，如台积电等。

面对互联网时代、智能化时代日趋复杂的分工体系，曾经的“磨合型”“模块化”的解释逻辑难以有效揭示半导体产业内部的复杂分工和演化体系。特别是对于已经投入广泛应用的智能时代———智能汽车、智能家居、智能城市时代的到来，要求半导体产业既需要基于“磨合型”的长期技术积累，又需要“模块化”的破坏性创新。将“磨合型”“模块化”加以综合延伸，才可能形成进一步专业化、精细化的半导体产业发展格局。

2020年国际IDM、垂直分工市场情况

2020年，中国大陆晶圆线8吋和12吋前道设备零部件（parts）采购金额超过10亿美元；国产化率超过10%的有Quartz成品、Shower head、Edge ring等少数几类，其余的国产化程度都比较低，特别是Valve、Gauge、O-ring等几乎完全依赖进口。

8-12吋晶圆设备部分零部件供应商及自给率情况

目前我国半导体材料在国际分工中多处于中低端领域，高端产品市场主要被欧美日韩台等少数国际大公司垄断，硅片全球市场前六大公司的市场份额达90%以上，光刻胶全球市场前五大公司的市场份额达80%以上，高纯试剂全球市场前六大公司的市场份额达80%以上，CMP材料全球市场前七大公司市场份额达90%。国内大部分产品自给率较低，基本不足30%，并且大部分是技术壁垒较低的封装材料，在晶圆制造材料方面国产化比例更低，主要依赖于进口。

半导体材料国产化现状

3、面板

面板产业包括玻璃基板、液晶、滤光片、偏光片、背光模组、化学品等。 2021年上半年，全球LCD TV面板供应维持紧张。需求端，“宅经济”余热持续，拉动全球LCD TV面板需求保持强劲态势。供应端，IC等材料短缺限制了面板的有效供应。

（1）价格方面，2020年面板价格触底反弹，20.5-21.5面板价格持续上涨，平均涨幅70%-150%。

（2）2021年上半年全球LCD TV面板出货量为131.5M，同比增长3.8%，出货面积同比增长11.4%。

（3）供需环境的不平衡和面板厂策略的调整，推动面板价格持续上涨。LCD TV面板厂商进入了高利润的运营周期。京东方21H1归母净利润预计125亿元-127亿元，yoy+1001%-1018%；TCL科技21H1净利预计增长超700%。

（4）中长期看，LCD面板行业”两强“格局已确立，全球TV大尺寸面板京东方+TCL华星双寡头终局，中尺寸领域话语权持续提升，同时韩国三星和LGD韩外产能持续退出，海外份额大幅降，行业有望持续保持超额利润。

全球面板产业链主要玩家

4、LED

供给侧改革，供需关系缓和，国内外照明订单回暖，叠加新基建带来照明与显示新的需求增长。对于国内较为细致的产业链分工，照明集中度持续提升，同时，LED芯片与封装在LED下游应用的多元布局将是重要发展方向。2021年Mini LED迎来市场化重要一年，下游应用多点开花，电视、平板、NB、车载、VR均有突破，产业链各环节公司迎来回报期。

在突发公共卫生事件席卷全球之后，海外供给端出出现产能缺口，同时，由于国内疫情恢复控制较好，工厂开工率快速恢复，海外订单流入。 海外疫情，工厂停摆，不仅是带来了国内供应商的短暂替代机会，而是优秀供应商对外输出替代的大好机会。

LED产业链主要玩家

5、PCB

PCB是消费电子、通讯、汽车电子等下游领域的重要基础，相关企业主要靠扩产+结构调整实现增长，下游分散，需求导向。PCB有FPC、HDI、IC载板等子领域。

FPC是以挠性FCCL为基础材料制作而成的一种重量轻、厚度薄、体积小、可折叠、线路密度高等优势的PCB，符合电子产品及其元器件向小型化、智能化发展的趋势。可分为单层FPC、双层FPC、多层FPC和刚绕结合印刷电路板。

全球19年FPC市场规模为138亿美元，CAGR逐步在放缓，中国18-21年的复合增长率为10%，远高于全球。

全球FPC产值规模

中国FPC产值规模（亿元）

FPC产业链

HDI(High Density Interconnector)板,即高密度互连板,是使用微盲埋孔技术的一种线路分布密度比较高的电路板。是含内层线路及外层线路,再利用钻孔,以及孔内金属化的制程,来使得各层线路之内部之间实现连结功能。 2019年全球PCB产值规模约为613亿美元，HDI占比15%，产值90亿美元。

HDI分类

IC载板，又称封装基板，主要用以承载IC，内部布有线路用以导通芯片与电路板之间讯号，其他功能有：保护电路及专线、设计散热途径、建立零组件模块化标准等。与其他PCB相比，IC载板具有高密度、高精度、高脚数、高性能、小型化、薄型化等特点。封装基板客户主要分为OAST/IDM（OAST专业封测代工厂商如日月光和IDM垂直整合厂商如英特尔）。

IC载板全球市场规模（亿美元）

IC载板产业链

6、被动元器件

被动元器件包括MLCC、晶振、电容、电感等。

被动器件产业链

MLCC下游2019年后进入新的需求景气周期，主要驱动力是电动车为代表的汽车电子需求和5G产业链增长需求。供给端机遇：日本份额超过50%，国产化率低于5%，进口替代空间很大。 2019年中美贸易战后，MLCC大陆产业链协同发展，加速进口替代。

全球MLCC下游分布

晶振和mlcc行业下游结构类似：消费电子，ito，汽车电子等；供给端相近：日本主导50%左右； Tws、5G、汽车等需求旺盛，供需紧张，结构性产品涨价；

石英元件产值

二、电子行业周期分析

1、产品创新周期

消费电子五年一个周期： 1994-1999年台式机；1999-2004年功能手机；2004-2009年液晶电视和笔记本电脑；2009-2013年智能手机爆发期；2013-2017年智能手机整合期；2017-2021年TWS；2021年AIOT时代。

以10年的维度来看，电子企业的投资离不开大周期的驱动。从上世纪80年代至今，科技行业的周期可以分为商用PC，个人PC（笔记本），手机，智能手机（iPhone以后），每一个周期的特征均表现为，单体价值200美元（一开始在1000美元以上）逐渐成为上亿级别年出货的商品，也就是在主流消费人群中占据60%以上的渗透率。

现在， AIoT进入发展“加速段”：智能化技术配套已成熟，未来十年快速成长。AIoT即智能物联网，在物联网的基础上加上人工智能技术，通过物联网产生并收集的海量数据存储与人工智能技术对数据进行智能化分析，加强人与物品的交互体验以实现万物智联化。

2021年为中国AIoT应用成熟需求快速融合的阶段，叠加2020年疫情催化智能类产品快速放量，成为快速发展的元年；预计未来十年各应用持续普及，为国内AIoT发展的黄金十年。

中国AloT产业发展：2021年进入成长期，未来十年将持续加速

国内AIoT龙头连接设备量环比快速上升，大量AIoT应用场景快速落地。以小米AIoT平台已连接的设备数量为例，2020年Q3/2020年/2021年Q1已连接的设备数分别达到2.89/3.25/3.51亿台，2021年第一季度同比增长达到39%。

此外包含华为、涂鸦智能等公司预计设备量达到亿级别；2020年涂鸦智能赋能设备数量达到2.04亿；2021年搭载鸿蒙的设备至少3亿台；受到疫情影响下带动防疫+居家的双重需求，包含体温监控、无人配送、智能家居、轨迹追踪等各类建立在AIoT技术上的应用，助推大量AIoT场景快速落地。

AIoT驱动半导体市场规模，有望达到2500亿人民币。根据Ericsson统计，传感器与芯片生产商在AIoT产业链中，价值量占比约为10%；按照2021年全球AIoT 市场规模3740亿美元计算，预计半导体价值量达到374亿美元，约为2500亿人民币。

AIoT的发展与半导体产业高度相关，无论从底层设备、联网层、应用端均仰赖于半导体技术才能实现，相对的半导体产业也受惠于AIoT成长持续增长。半导体是促进智能家居、智能建筑、智能健康、智能医疗、智能工控、智能城市等各种领域的落地与兴起。

2022年全球AIoT市场规模达4820亿美元，2019-2022年复合增速达28.65%（亿美元）

AIoT家居类市场增长最快，商业类市场规模最大，汽车类尚具发展潜力。根据 Strategy Analytics数据显示，截至 2018 年底全球连网的设备数量达到 220 亿台，预计到2025年将有386亿台设备联网，到2030年将达到500亿台。其中企业物联网是占比最大的细分市场；智能家居是增长最快的领域，主要在于产品持续迭代使用户体验快速提升，叠加消费升级带动智能家居设备量快速增长。

智能音箱作为AIoT交互入口持续渗透，驱动功能类的大/小智能家电（照明、扫地机器人、电饭煲、空冰洗等）进入快速成长期。根据IDC的数据显示，2020年中国智能家居设备市场出货量为2亿台，同比下降1.9%，主要是受到疫情影响上半年景气度；2021年因为疫情递延的需求，加上后疫情时代在家中的时间拉长，使得消费者对智能家居接受程度越来越高，预计全年出货量接近2.6亿台，同比增长26.7%；预计2023年市场规模将接近5亿台；其中智能家电、家庭安全监控、智能照明将保持较高出货量增速。

AIoT技术成熟提升用户体验，智能家电开启新一轮需求增长。2021年智能家电的发展进入快速增长期，产品的升级换代速度明显提升。根据Statista数据预测，2021年年全球智能家电市场规模达到250亿美元，预计未来三年年复合增长率16.5% ，预计2023年全球智能家电市场规模将会达到396.3亿美元。根据中商情报网数据显示，2019年全球大家电市场规模达到3289亿美元，以智能家电250亿市场规模进行测算，目前的占比不到8%；此外相较于全球家电市场3%的行业增速来看，智能家电快速增长，其市场空间十分广阔。

2021年全球智能家电市场规模超250亿美元，未来3年复合增速达16%（亿美元）

安防多年来成为城市建设和管理的重点。智能安防可以很大程度的提高城市管理效率、安全管理水平。以安防摄像头为代表的智能设备在安防中应用广泛。鉴于中国政府持续推动的新型基础设施建设，未来中国市场将成为全球视频监控市场的重要增长引擎。根据Omdia的估计，2019年中国智能视频监控市场规模为106亿美金，约占全球市场的48%，而这一数字在2024年将达到167亿美金，复合年增长率达9.5%。另一方面，安防智能化将迎来快速增长，Omdia估计2019年AI摄像头出货量渗透率占IPC的10%，而2024年将达到63%。

中国行业级别的安防摄像头，智能化渗透率还有很大的空间。尤其是随着“十三五”计划“雪亮工程”的推进，行业级摄像头存量将继续上升。截止2019年，全国一、二、三类摄像头存量规模达23000万个，而其中不足1%为智能摄像头，考虑安防摄像头的更新周期为3~5年，未来几年内智能摄像机的替代更新将成为安防行业在一线城市的主要增长点。

国内家用消费级IPC市场，仍处于起步与快速发展的阶段。目前消费级摄像头存量约为2500万个。随着人们生活条件的提高、安全防范意识的加强，居民家庭对于安防问题越来越重视，未来消费级摄像头也将成为智能安防的重要增长点。Strategy Analytics在《2019年智能家居监控摄像头市场预测和分析》中指出，2019年全球智能家居摄像头消费额将达到80亿美元，至2023年该数字将逼近130亿美元。随着5G、Wifi-6技术的普及，搭载无线连接的家用摄像机使用将更加灵活；同时随着AI技术发展，人脸识别等功能也在家用摄像头得到应用。

视频监控摄像机中，ISP是重要的图像处理模块，IPC是重要的SOC芯片。ISP主要功能是处理图像传感器收集的图像，使图像得以复原和增强，经过处理的图像可以直接进行显示或存储压缩；因此视频监控摄像机的成像质量主要是由ISP控制，ISP内建模块包含主控制器、图像处理部件、内外部接口等。IPC是在ISP的基础商集成更多模块，在芯片单位面积下具备较高的算力与功能模块；IPC通常集成CPU、ISP、视音频编码、网络接口、安全加密等模块。

2019-2020年中国智能视频监控市场（单位：十亿美金）

随着智慧城市的推进建设，智能商业显示市场迎来了重大的发展机遇。根据奥维云网数据，中国商显市场自2016年开始快速增长，2019年市场规模约为633亿元。受疫情影响，2020年商显市场整体规模出现了短暂的下降，预计2021年开始国内商显市场将重新保持每年两位数以上的增长，预计2024年将达到1106亿元。

商用交互平板受到疫情推动加速普及。一方面疫情使远程办公成为常态化，加速了国内视频会议的普及；另一方面商用交互式电子白板双向操作、更大屏幕、更高清晰度的特点能够满足智慧办公的需求。考虑到目前在国内云视频会议、 智能会议等市场处于起步阶段，市场渗透率还很低，市场潜力较大，在未来的智能化商业生态中，商用会议平板可以凭借其智能交互、集成一体化等优势在相关硬件设备中占据重要位置。AVC预测到2024年国内商用平板出货量将达到114.5万台。

商业显示核心芯片为SOC。商业显示主要功能为人机交互，因此主控SOC中需要具备影音处理的智能模块，拓展在人脸识别，监控，视频会议等方面的应用。随着智慧商显的应用不断衍生，包含交通、媒体、教育等场景都会有相应的需求；随着商业显示智能化的发展，更注重在人机交互的使用，主控SOC将会成为技术迭代的重点。

中国大陆商显市场整体规模（亿元）

智慧座舱中多媒体娱乐系统属于标配且技术不断迭代升级。智慧座舱主要是以驾驶员、乘客为出发点，用于提升驾乘体验，包含娱乐系统、操控系统、交互系统等；操控系统主要是与驾驶员驾车相关的场景包含方向盘、驾驶辅助等；随着车载娱乐系统功能越来越复杂，处理和显示的信息量也在不断增加，硬件解决方案中SoC的要求越来越高。

中控显示屏全球2020年出货量达到7380万片，是车载屏幕中主要的应用。预计载2021年第一季度整体车载屏幕出货量同比增长20.4%，且二季度需求将会延续，出货量同比增长54.3%。

随着车载娱乐系统功能增加，SoC性能要求大幅度提升。车载中控娱乐系统通常会集成非常多的功能，包含听音乐、导航、视频娱乐、交互等，因此对于主控SoC的性能要求越来越高。

汽车电子半导体作为拉动整个半导体市场的重要增长点，必然会给模拟IC行业带来强劲的推动发展。在最近的五年内，汽车半导体市场都会是最强势攀升的芯片终端应用市场。

IC Insights在2018年公布的汽车IC市场预测显示，到2021年，汽车IC市场将会增长到436亿美元，2017年到2021年之间的复合成长率(CAGR)为12.5%，大大高于2016年预测的5.4%复合成长率，在IC细分市场中增长率最高，工业半导体以8.1%增速位列第二。

2017-2021年IC细分市场增速（%）

2、产能扩张周期

全球领先的信息技术研究和顾问公司Gartner预测，全球半导体供应短缺将在整个2021持续并在2022年第二季度恢复至正常水平。 本轮半导体行业缺货涨价，并非仅有库存周期推动，而是下游5G、AIOT、汽车电子等的大量需求快速增长，所以半导体市场将迎来长达 5-10 年的需求周期。

2020年是我国晶圆制造业发展最快的一年，全球销售规模达到2560.1亿元，创历史新高，增长率19.1%，占比我国集成电路的比重28.93%。

SIA预计中国大陆2030年半导体产能占全球21%

2020年底国内已投产27条12英寸晶圆生产线合计月产能103万片，较2019年增长15%，已投产的26条8英寸晶圆生产线合计月产能117万片，较2019年增长17%。6英寸及以下月产能380万片，增长15%。

我国芯片制造业销售规模

一季度制造产能紧缺，未来5年持续扩产，彰显成长性。涨价+UTR提升+产品结构优化，一季度半导体制造板块毛利率环比提升。中芯华虹扩产趋势明确，晶圆代工成为中美博弈焦点，未来5年有望持续扩产。大陆晶圆代工供需缺口大，战略性看多本土晶圆代工资产。

全球晶圆代工资本开支占收入比重达53%，连续三年提高。随着半导体景气度持续上行，产能紧缺促使半导体制造厂商加大资本开支投入力度，加速扩产，全球半导体制造板块开启扩产周期。根据Omdia的数据，全球晶圆代工资本开支在2021年资本开支有望达到354.8亿美元，而收入预计为667.4亿美元，资本开支占收入比重达到53%，该比例连续三年提高。

看好缺货涨价在2Q21度的持续性，2021下半年预计旺季很旺。从供需格局的角度，考虑到晶圆代工产能扩建周期多为6个月以上，去年底新添置的瓶颈设备在今年下半年陆续投产，下半年又遇传统旺季，以当前的能见度，预计二季度产能紧缺将持续，下半年预计旺季很旺。

全球晶圆代工资本开支及收入（十亿美元）

3、产业替代周期

日本电子产业产值十年减半，品牌向元器件萎缩已成定局，元器件出口减弱。2013年日本电子产业贸易收支亏损，产值仅为11万亿日元，不到2000年峰值26万亿日元的一半。从电子产业的布局角度看，日本本土企业从终端设备向元器件缩小战局。电子产业总体贸易逆差仅7000亿日元，主要因为元器件的贸易收支的盈余达到2.9万亿日元。元器件在电子产业中所占的比例是生产6成，出口达到8成。但是2008年以后元器件的出口也开始减少，这也是2013年日本电子产业的贸易收支终于亏损的一大原因。

另一方面，苹果供应链国产化逐年加深。 中国大陆/中国中国台湾供应商2017-2019年分别为20/42家、31/45家、41/46家，占比分别为10.0%/21.0%、15.5%/ 22.5%、20.5%/23.0%，2019年中国大陆香港中国台湾三地供应商占比合计达到43.5%。

在苹果核心供应商中，中国厂商数目也在逐步增多：从2015年30家（合计33家）增长到2019年52家（合计59家）。

2017-2019年各地区苹果供应商数目（单位：个）

2019年各地区苹果供应商占比

伴随着产业链的转移，中国内资完成了产值以及产权的产业链转移，全球百强中内资企业占比提高、中国PCB贸易实现顺差，意味着内资企业在全球地位不断提高，然而内资产品主要集中在中低端，发展空间仍大。

中国作为全球PCB行业的最大生产国，占全球PCB总产值的比例已由2000年的8.1%上升至2018年的52.4%，美洲、欧洲和日本的产值占比大幅下滑，中国大陆和亚洲其他地区（主要是韩国、中国台湾）等地PCB行业发展较快。

未来5年亚洲将继续主导全球PCB市场的发展，而中国的核心地位更加稳固，中国大陆地区PCB行业将保持4.9%的复合增长率，至2024年行业总产值将达到417.7亿美元。

每年由N.T.Information（NTI）发布的世界顶级印制电路板（PCB）制造商排行榜登载于PCD&F网站。据统计，2019年中国大陆企业入榜数在增加，相信再过几年将占50%以上。当然，中国大陆企业产值总量所占比例不高，而与上年相比也在增长。

伴随着产业链的转移，中国内资完成了产值以及产权的产业链转移，全球百强中内资企业占比提高、中国PCB贸易实现顺差，意味着内资企业在全球地位不断提高，然而内资产品主要集中在中低端，发展空间仍大。

中国内资PCB产品处于中低端，据 NTI 的统计，世界排名前十的厂商中数量最多的为台资企业，而大陆 PCB 厂商总数虽多，但规模小、集中度较低。

高端配套设施国产率低： Prismark 统计的中国 PCB 市场产值刚好占全球的 50%，但大陆内资企业在全球的占有率仅达到 15.6%，说明外资（合资）在华的厂商占据着大陆市场的主要份额。中国作为 PCB 第一大国，PCB 的原料铜箔和覆铜板仍然处于“逆差”状态，每年净进口金额在 10 亿美元以上，说明高端材料仍然依赖进口。

4、 技术创新周期

OLED渗透率持续提升：（1）智能手机市场仍是应用主流，据群智咨询测算，2019年全球AMOLED智能手机面板出货约4.7亿片，yoy+8%，渗透率约27%，同时预计2020年其渗透率有望达到39%；(2) 刚性AMOLED凭借其FOD(屏下指纹)技术优势市场需求旺盛，出货量yoy+9.0%；柔性AMOLED下游需求稳步提升，出货量yoy+6.2%。未来在技术结构上OLED和Asi LCD对LTPS和Oxide LCD形成明显挤压。

折叠屏加速成熟化：DSCC预计，2020年折叠屏手机的出货量将增长454%，达310万块，三星占主导地位。三星、华为、柔宇科技、摩托罗拉的折叠屏手机已量产开售，TCL、OPPO推出新式卷轴屏手机概念机，柔性屏幕良率&铰链技术升级降低成本、加速折叠屏手机成熟，2021年迎来密集上市潮。

2018-2027年各技术的智能手机显示屏占比情况

毫米波（24GHz-100GHz）频段重要性增加，iPhone 13系列毫米波手机的出货量占比预计超50%。从频谱资源来看，毫米波可开发/待开发频谱资源更丰富，从传输特性来看，毫米波具有高带宽、低时延，能够更好地满足5G对于系统容量、传输速率和差异化应用等需求。随着5G发展深入，毫米波重要性逐渐凸显。

iPhone毫米波天线设计提升，预计可支持更多毫米波频段数。iPhone 12 5G毫米波天线有侧边5G毫米波AiP模组，以及刘海屏位置的毫米波陶瓷天线；iPhone 13取消了刘海屏处的毫米波陶瓷天线，侧边AiP模组变为中框5G天线接口，背板处增加1个SiP天线模组。相关设计有望提升毫米波频段的通信质量，支持更多的毫米波频段。

“对讲机”功能被称为离网无线电服务（Off-Grid Radio Service），简称OGRS。 OGRS允许人们通过 900MHz 无线电频谱向其他 iPhone 发送短信，这些无线电频谱通常用于公用事业和制造业的调度员，允许手机像对讲机一样用于文本。

在极端的环境中，即该地界没有基站也没有其他无线网络的前提下，iPhone可使用离网无线电服务（OGRS）完成设备与设备之间的通信以请求救援，将大大提高救援成功率。

HMD显示屏目前面临的挑战是同时产生 30,000 至 50,000 尼特范围内的亮度、10% 的占空比、120° 的 FOV、4,000ppi 分辨率和注视点渲染能力。 Micro Oled凭借其低功耗(比 LCD 功耗小 20%)+工作温度宽+高对比度+响应速度快等优势逐渐成为VR/AR显示屏的主流选择。

Micro OLED技术是OLED显示技术的升级，不同于OLED显示技术通过低温多晶硅为材料进行驱动，Micro OLED显示技术则是以单晶硅基片为材料进行驱动。

Mini & Micro LED为行业主要增长动力源。预计在2021-2024年，LED产业的主要成长动能主要来自Mini及Micro LED的新兴应用，未来将成为仅次于一般照明的第二大应用市场，市场规模将达42亿美元 CAGR 高达317%。

全球LED封装应用产值预估

Mini LED背光利用数量极多的超小尺寸的LED灯组实现背光效果，并通过精细的区域调光，全方位提升LCD的显示画质，实现超高对比度和超宽色域，缩小与AMOLED的画质差距。Mini LED将以HDR、异型显示器等背光源应用为诉求，适合应用于手机、电视、车用面板电竞笔记型计算机VR/AR可穿戴设备等产品上。目前PM Mini LED技术已相当成熟、AM Mini LED也已于群创、TCL等大厂实现量产。

RGB Mini LED使显示屏点间距进一步缩小成为可能，能够大幅提升终端产品的视觉效果，并减小视距，能够进一步取代原有的LCD户内显示屏市场。另一方面，RGB Mini LED搭配柔性基板的使用，也能够实现曲面的高画质显示效果，加上其自发光的性，在一些特殊造型需求（如汽车显示）方面有极为广阔的市场。

5、 政策刺激周期

政策优惠范围扩大到集成电路全产业链，从芯片设计到封装、设备、材料都涵盖其中。对国家鼓励的集成电路线宽小于 28nm且经营期在 15 年以上的集成电路生产企业或项目，首次推出 10 年免征所得税政策，从第一年开始连续 10 年免征企业所得税。并且从政策上鼓励和倡导集成电路产业的全球合作，对“凡在中国境内设立的集成电路企业和软件企业，不分所有制性质，均可按规定享受相关政策”。明确把集成电路列入“一级学科”，并对产教融合企业提出明确税收优惠。

产业相关政策

智东西 认为， 随着国际形势不断变化，各国科技发展竞争日趋激烈，电子元器件正在成为大国博弈的焦点。我国电子行业的工业基础相对薄弱，国内很多核心器件和高端通用芯片长期需要依赖进口。但是，从产业链的发展趋势不难看出，电子行业向我国转移已经是不可逆转的趋势，在这样的大周期下，电子行业国产自主可控的步伐势不可挡。

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