目前，在半導(dǎo)體封裝中，高性能處理器普遍采用FCBGA（倒裝芯片球柵陣列封裝）封裝方式。由于高性能處理器擁有較大功耗，這對(duì)封裝的散熱系統(tǒng)提出了更高的要求。銦片（In），作為一種高導(dǎo)熱性的金屬材料，在大尺寸封裝產(chǎn)品中常被看作是傳統(tǒng)熱界面材料（TIM）膠的替代品，并在高效熱管理方面成為潛在的理想選擇。
在此背景下，10月29日，集微網(wǎng)舉辦了第81期“集微公開課”活動(dòng)，華天科技FC封裝研究室總監(jiān)汪民進(jìn)行了《華天科技公開課：FCBGA高散熱銦片封裝介紹》的主題分享，詳細(xì)介紹了FCBGA應(yīng)用市場(chǎng)、銦片在FCBGA封裝中的應(yīng)用以及應(yīng)用中的問題。
2027年FCBGA封裝市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)169億美元 AI成主要驅(qū)動(dòng)力
汪民指出，2023年，F(xiàn)CBGA封裝市場(chǎng)規(guī)模約126.53億美元，在網(wǎng)絡(luò)、汽車、人工智能（AI）和服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施需求的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到169億美元，CAGR（復(fù)合年均增長(zhǎng)率）為8.8%。
汪民從個(gè)人電腦（PC）市場(chǎng)、服務(wù)器市場(chǎng)、算力芯片市場(chǎng)等方面對(duì)FCBGA應(yīng)用市場(chǎng)現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)做了詳細(xì)的分享。
據(jù)市場(chǎng)調(diào)查機(jī)構(gòu)Canalys的數(shù)據(jù)顯示，2024年第一季度全球PC總出貨量增長(zhǎng)3.8%，達(dá)到5720萬臺(tái)，預(yù)計(jì)2024年將增長(zhǎng)到2.65億臺(tái)，同比增長(zhǎng)8%。與此同時(shí)，Canalys表示，AI或?qū)⒊蔀镻C市場(chǎng)增長(zhǎng)的新驅(qū)動(dòng)力，預(yù)估今年全球AI PC出貨量4800萬臺(tái)，占PC出貨總量的18%。預(yù)估2025年全球AI PC出貨量超過1億臺(tái)，占PC出貨總量的40%。2024年至2028年期間CAGR將達(dá)到44%。
服務(wù)器方面，TrendForce數(shù)據(jù)顯示，2024年全球服務(wù)器出貨量預(yù)計(jì)將達(dá)1365.4萬臺(tái)，同比增長(zhǎng)2.05%，其中AI服務(wù)器市場(chǎng)出貨量將達(dá)到150.4萬臺(tái)，同比增長(zhǎng)27.1%，中國(guó)AI服務(wù)器2024年市場(chǎng)出貨量達(dá)到42.1萬臺(tái)，同比增長(zhǎng)18.9%，AI服務(wù)器市場(chǎng)整體看好。TrendForce表示，未來，AI服務(wù)器出貨增速將高于服務(wù)器整體。
在算力芯片市場(chǎng)，2024年CPU市場(chǎng)規(guī)?；謴?fù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)達(dá)到710億美元，同比增長(zhǎng)23%。而受益于數(shù)字經(jīng)濟(jì)及人工智能，數(shù)據(jù)中心、AI服務(wù)器市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，GPU加速放量，2024年市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大，預(yù)計(jì)達(dá)到940億美元，同比增長(zhǎng)88%。
除了對(duì)應(yīng)用市場(chǎng)的全面的介紹，汪民還在應(yīng)用的芯片層面做了深入的分析。
高性能處理器多采用FCBGA封裝 FCBGA+銦片顯著提升散熱性能
汪民介紹稱，與傳統(tǒng)PC一樣，AI PC的核心部件為芯片。但由于AI所需的巨量算力需求，AI芯片成為一條全新賽道，為市場(chǎng)提供了無盡想象的空間。因此，包括英偉達(dá)、英特爾、高通在內(nèi)的芯片巨頭成為此輪AI PC浪潮中布局最為積極的先行者。
他以蘋果M1 Pro、英特爾Ultra 9 185H以及AMD Ryzen 7735U芯片為例，對(duì)芯片的封裝形式進(jìn)行了解釋。汪民表示，目前AI PC芯片的主流封裝形式為FCBGA+銦片（如蘋果M1芯片以及AMD Ryzen 7735U芯片），而未來隨著算力增加以及對(duì)產(chǎn)品尺寸的要求，會(huì)像英特爾Ultra 9 185H的形式，在FCBGA＋銦片的基礎(chǔ)上，使用MCM（多芯片模塊）封裝。
在AI服務(wù)器方面，汪民說，從AI服務(wù)器的硬件架構(gòu)來看，通常配備有高效能的CPU、GPU、TPU、專用的AI加速器，以及大量的內(nèi)存和存儲(chǔ)空間。AI服務(wù)器的算力芯片主要分為訓(xùn)練型以及推理型。推理型產(chǎn)品主要為大顆FCBGA+銦片封裝方案，訓(xùn)練型AI芯片主要為FCBGA+MCM+銦片的封裝方案。
汪民指出，目前國(guó)外AI服務(wù)器芯片大多使用2.5D封裝，國(guó)內(nèi)廠商也在逐步研發(fā)2.5D封裝技術(shù)，相信在不久的將來，國(guó)產(chǎn)AI服務(wù)器芯片也將從FCBGA+銦片封裝及FCBGA+MCM+銦片封裝方案向2.5D先進(jìn)封裝過渡。
此外，自動(dòng)駕駛也已成為FCBGA封裝市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。目前ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）全球主要以英偉達(dá)、高通、Mobileye為主，國(guó)內(nèi)主要以H公司、地平線、黑芝麻為主，其中英偉達(dá)、高通已經(jīng)開始出現(xiàn)以中央計(jì)算式架構(gòu)為目標(biāo)的中央計(jì)算SoC，算力均在1000TOPS以上，國(guó)內(nèi)還是以自動(dòng)駕駛SoC為主。ADAS芯片的封裝均以FCBGA+銦片為主，芯片主要為SoC芯片，對(duì)散熱及算力、可靠性有非常高的要求。
在散熱方面，華天科技通過對(duì)銦片封裝技術(shù)的深入研究，成功地實(shí)現(xiàn)FCBGA銦片封裝技術(shù)的開發(fā)，從而顯著提升了封裝的散熱性能。對(duì)比高導(dǎo)熱膠，銦片的散熱達(dá)到86W/m-k，散熱性能明顯提升。
汪民以HFCBGA 50X50為例進(jìn)行了講解，將尺寸為22.6×14.48×0.775mm的芯片進(jìn)行熱仿真，銦片產(chǎn)品較采用TIM膠X-23-7772-4產(chǎn)品，結(jié)溫降低約6.3℃，Theta-Ja降低0.75%。
華天科技 解決銦片封裝三大難題
汪民說，在銦片封裝過程中，華天科技主要采用了真空回流焊工藝。回流焊的方式效率高，成本低，也是目前主流的焊接方式。汪民詳細(xì)講解了這一過程，銦片封裝可分為三步：首先FC &元器件芯片貼裝完后，對(duì)元器件周圍采用膠水覆蓋固化等方式隔離保護(hù)；其次是銦片貼裝，包括在背晶表面進(jìn)行涂覆Flux（助焊劑），進(jìn)行SMT貼銦片，再在銦片表面涂覆Flux；最后是貼背金屬散熱蓋子，包括貼散熱蓋，大壓力Snap Cure（粘合）以及真空Reflow（回流）。
汪民指出，在銦片封裝中，主要遇到以下三大難題：一是銦片Void（空洞）偏大：經(jīng)過高溫回流，比如植球回流后Void增大；二是銦片經(jīng)過高溫回流后容易流出芯片區(qū)域，并污染到旁邊的元器件；三是保護(hù)元器件預(yù)防銦回流污染的UV膠水經(jīng)過高溫回流后發(fā)生Crack（裂紋）。對(duì)于這三大難題，汪民對(duì)出現(xiàn)的原因及解決方案進(jìn)行了細(xì)致說明。
汪民指出，在涂覆Flux時(shí)，如果Flux量比較多，在一次回流銦片焊接形成后，F(xiàn)lux在銦片焊接面有殘留，在二次高溫回流（溫度超過235℃）會(huì)發(fā)生銦片Void明顯增大現(xiàn)象。此外，過大的真空值及真空時(shí)間、Flux時(shí)效特性也會(huì)導(dǎo)致Void的偏大問題。對(duì)此汪民給出了三種解決辦法。汪民表示，銦片的熔點(diǎn)157℃，針對(duì)銦片回流焊接，通?；亓髯罡邷囟?80~190℃范圍即可；為降低和減小銦片回流過程中的Void，通常采用Vacuum Reflow（真空回流焊）的方式，真空區(qū)域設(shè)置在爐子的高溫Peak區(qū)域；真空曲線設(shè)置要合適，過小的真空值及真空時(shí)間會(huì)導(dǎo)致Devoid效果不好，過大的真空值及真空時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致銦片回流熔融狀態(tài)下流出芯片區(qū)域，污染旁邊的元器件或造成芯片上銦覆蓋面積變少。
而為了防止高溫回流跑銦發(fā)生，汪民表示可以用Cover方式、散熱蓋擋墻、UV膠Coating、Dam & Fill膠四種方式保護(hù)器件，以避免污染到旁邊的元器件導(dǎo)致器件短路等相關(guān)的不良現(xiàn)象。
對(duì)于第三個(gè)問題，汪民指出，UV膠水Cure后，遇到高溫回流比如植球工藝中的回流焊會(huì)發(fā)生Crack，特別是多次高溫回流額狀況Crack更為明顯。對(duì)于此類問題，汪民認(rèn)為通過改善UV膠水的特性，比如Tensile強(qiáng)度，Modulus（模量）等，這使得UV膠水抗高溫回流Crack有改善但是未能完全解決問題。此外行業(yè)有使用低溫錫球植球的做法，因?yàn)榈蜏劐a球可以在較低的溫度下進(jìn)行植球，從而減少對(duì)UV膠水的熱沖擊，降低Crack的風(fēng)險(xiǎn)。
汪民特別提到，為了去除銦片回流過程中的Void，壓力烘箱是一種值得關(guān)注的方法。銦片在壓力烘箱中形成焊接的同時(shí)Devoid，可以有效減少或消除焊接材料中的Void，從而提高焊接的質(zhì)量和可靠性。
在公開課最后，汪民透露華天科技正在開發(fā)第二代銦片解決方案。相對(duì)于第一代銦片，第二代產(chǎn)品不需要用到Flux，直接在背晶上貼銦片后進(jìn)行回流焊接，工藝流程簡(jiǎn)單，因此Void管控較好。但與此同時(shí)，二代銦片因?yàn)闆]有噴涂flux，在軌道傳輸過程中，銦片會(huì)晃動(dòng)，在壓合的過程中也會(huì)有偏移的可能性，最終會(huì)導(dǎo)致回流后覆蓋偏低。如果此類問題可以解決，無論在工藝流程還是位置管控方面，都將有質(zhì)的提升。
