【导读】据麦姆斯咨询报道，5G已经到来，各主要智能手机OEM厂商近期宣布将推出支持5G蜂窝和连接的手机。5G将重新定义射频（RF）前端在网络和调制解调器之间的交互。新的RF频段（如3GPP在R15中所定义的sub-6 GHz和毫米波（mm-wave））给产业界带来了巨大挑战。
LTE的发展，尤其是载波聚合技术的应用，导致当今智能手机中的复杂架构。同时，RF电路板和可用天线空间减少带来的密集化趋势，使越来越多的手持设备OEM厂商采用功率放大器模块并应用新技术，如LTE和WiFi之间的天线共享。
射频（RF）器件封装技术概览
在低频频段，所包含的600 MHz频段将为低频段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）无线电频段发布，5G将带来更高的复杂性。具有双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），也将增加对前端的限制。毫米波频谱中的5G NR无法提供5G关键USP的多千兆位速度，因此需要在前端模组中具有更高密度，以实现新频段集成。
5G手机需要4X4 MIMO应用，这将在手机中增加大量RF流。结合载波聚合要求，将导致更复杂的天线调谐器和多路复用器。
2018~2024年5G手机射频前端结构
5G将为外包半导体封测厂商（OSAT）带来更多封装业务
RF系统级封装（SiP）市场可分为两部分：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年期间的复合年均增长率（CAGR）将达到11.3%，市场规模到2023年将增长至53亿美元。
2018年，晶圆级封装大约占RF SiP组装市场总量的9%。Yole在这份新的报告中详细研究了移动领域各种射频前端模组的SiP市场，包括：PAMiD（带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）、天线耦合器（多路复用器）、LMM（低噪声放大器-多路复用器模块）、MMMB PA（多模、多频带功率放大器）和毫米波前端模组。到2023年，PAMiD SiP组装预计将占RF SiP市场总营收的39%。
本报告包含了覆盖蜂窝和连接的射频前端模组，并提供了按各种通信标准和智能手机细分的SiP市场预测。到2023年，用于蜂窝和连接的射频前端SiP市场将分别占SiP市场总量的82%和18%。按蜂窝通信标准，支持5G（sub-6GHz和毫米波）的前端模组将占到2023年RF SiP市场总量的28%。高端智能手机将贡献射频前端模组SiP组装市场的43%，其次是低端智能手机（35%）和奢华智能手机（13%）。
4G射频前端SiP供应链由少数几家集成器件制造商（IDM）领导，如Qorvo、博通（Broadcom（Avago））、Skyworks Solutions和村田（Murata），它们将部分SiP组装外包给OSAT厂商。高通（Qualcomm）逐渐成为5G解决方案射频前端的重要供应商，尤其是5G毫米波（获得了多家移动OEM厂商的订单），并有望在未来保持主导地位。事实上，高通是唯一一家能够为5G提供完整解决方案的厂商，包括调制解调器、天线模块和应用处理器。高通作为一家无晶圆厂，外包了所有SiP组装，这为OSAT厂商带来了更多商机。
此外，IDM厂商更加关注5G sub-6Ghz的射频前端解决方案，这些也需要封装创新，如更紧密的元件布局、双面贴装、共形/划区屏蔽、高精度/高速SMT等。这些都需要投资新的设备和工艺。Yole认为，对组装技术的高投入负担，将促使厂商将业务更多地外包给OSAT厂商。
按蜂窝和连接标准细分的射频前端模组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为前端模组以及滤波器组和分集接收模块使用了多芯片SiP。SiP提供了所需要的小尺寸、更短的信号路径和更低的损耗。4G LTE前端模组目前包括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），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现有倒装芯片SiP（如双面FC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（WLP）和玻璃基板中介层，与具有低损耗电介质的先进有机基板倒装芯片封装竞争。
天线技术和布局是5G半导体系统最关键的挑战之一。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，因此希望将天线集成到SiP中。更高的频率需要更小的天线（mm而不是cm），从占位面积来看，这样更容易集成到SiP中。不过，目前单个天线必须与多个频带一起工作，使得天线和附加电路变得更加复杂。
为将天线元件与射频组件集成用于5G移动通信，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率先被用于封装天线（antenna-in-package, AiP）。扇出型WLP/PLP封装得益于较高的信号性能、低损耗和缩小的外形尺寸，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（RDL）。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，电路需要屏蔽免受天线辐射，同时还要确保天线不被阻挡，并且可以实现清晰的接收/传输。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，必须在电气特性、成本、可加工性和供应链准备状况等多方面做权衡。由于成本和材料/组件供应链的就绪状况，有机层压基板将率先应用（伴随有限的陶瓷应用），随后是陶瓷和玻璃。
移动射频前端模组：2002~2022年及以后的封装趋势
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