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文 | 半導(dǎo)體行業(yè)觀察
進(jìn)入后摩爾時代，越來越考驗(yàn)各家芯片廠商的集大成能力，芯片要繼續(xù)朝著小型化、多引腳和高集成的方向持續(xù)發(fā)展，除了常規(guī)的工藝微縮，各種先進(jìn)封裝技術(shù)已然不可或缺。作為后摩爾時代芯片性能提升最佳途徑，以倒裝芯片（Flip-chip）等為代表的先進(jìn)封裝技術(shù)平臺已成為中高性能產(chǎn)品封裝優(yōu)選方案，而在倒裝芯片中又以FCBGA技術(shù)為主流。
蘋果是FCBGA封裝技術(shù)的忠實(shí)采用者，蘋果最早在自家的處理器中應(yīng)用FCBGA封裝技術(shù)，是在2006年的A5處理器上，該處理器被用于第一代iPad和iPhone 4S。自那時以來，蘋果公司一直在使用FCBGA封裝技術(shù)，并不斷改進(jìn)和提高其性能，直至最近推出的PC處理器M系列。近日蘋果供應(yīng)商LG Innotek開始進(jìn)軍FCBGA基板市場，業(yè)界推測或?qū)樘O果M系列芯片提供FCBGA基板，這也從側(cè)面反映出FCBGA的市場需求。蘋果所用的這項(xiàng)封裝技術(shù)，正迎來蓬勃發(fā)展。
FCBGA（Flip Chip Ball Grid Array，意為“倒裝芯片球柵陣列封裝”）是一種封裝技術(shù)，這種封裝方式將芯片倒置并連接到封裝基板上，然后使用球形焊點(diǎn)將封裝固定到基板上。FCBGA最早出現(xiàn)于1990年代初。1997年，Intel公司將FCBGA封裝技術(shù)首次應(yīng)用于處理器，這是FCBGA技術(shù)歷史上的一個重要里程碑。
典型的倒裝芯片BGA封裝橫截面視圖（圖源：維基百科）
1999年英特爾推出了第一款使用FCBGA封裝技術(shù)的芯片，即Pentium III 500處理器。在此之前，處理器的封裝方式主要為多芯片模塊（MCM），MCM將多個芯片組件集成在一個封裝中，由于連接線路復(fù)雜，MCM封裝方式存在信號互干擾、熱管理不佳等問題。相比之下，F(xiàn)CBGA封裝技術(shù)將芯片翻轉(zhuǎn)過來，將芯片背面的金屬引腳（bump）與印在封裝上的金屬球（ball）連接起來。這種封裝方式可以實(shí)現(xiàn)更高的芯片密度和更小的封裝體積，從而大大提高了集成度和系統(tǒng)性能。Pentium III 500處理器的推出標(biāo)志著FCBGA技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，該技術(shù)成為了當(dāng)時電子行業(yè)的熱點(diǎn)話題之一。
隨著FCBGA技術(shù)逐漸得到完善，制造商不斷提高其可靠性，尤其是在焊點(diǎn)連接、微調(diào)整和外殼包裝方面的技術(shù)。FCBGA封裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要包括：
更高的密度：因?yàn)镕CBGA封裝技術(shù)可以在同樣的封裝面積內(nèi)安裝更多的芯片引腳，從而實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更小的封裝尺寸。
更好的散熱性能：FCBGA能允許芯片直接連接到散熱器或散熱片上，從而提高了熱量傳遞的效率。
更高的可靠性和電性能：因?yàn)樗梢詼p少芯片與基板之間的電阻和電容等因素，從而提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，也可以提高信號傳輸?shù)乃俣群蜏?zhǔn)確性。
總的來說，F(xiàn)CBGA封裝技術(shù)具有高集成度、小尺寸、高性能、低功耗等優(yōu)勢，F(xiàn)CBGA適用于多種種類的芯片，其常用于CPU、微控制器和GPU等高性能芯片，還適用于網(wǎng)絡(luò)芯片、通信芯片、存儲芯片、數(shù)字信號處理器(DSP)、傳感器、音頻處理器等等。FCBGA目前是移動設(shè)備中的理想封裝技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦和其他移動設(shè)備中。
正是這些優(yōu)勢使得FCBGA成為了現(xiàn)代半導(dǎo)體封裝的主流技術(shù)之一，許多大型半導(dǎo)體公司和電子產(chǎn)品制造商如英特爾、AMD、英偉達(dá)、高通、蘋果、三星等都在使用FCBGA技術(shù)。
作為FCBGA技術(shù)的開拓者之一，F(xiàn)CBGA是英特爾公司常用的一種封裝技術(shù)，如今英特爾的酷睿和至強(qiáng)系列處理器、芯片組、內(nèi)存芯片以及無線網(wǎng)卡這些電子組件等均采用了不同型號的FCBGA封裝技術(shù)，如酷睿i9-11900K處理器采用了FCBGA1700封裝、英特爾Z590芯片組采用了FCBGA1492封裝、Optane內(nèi)存模塊采用了FCBGA1440封裝、英特爾AX210無線網(wǎng)卡采用了FCBGA946封裝。AMD的Athlon XP處理器使用了FCBGA封裝技術(shù)。
值得一提的是，F(xiàn)CBGA技術(shù)還被用于3D封裝，F(xiàn)CBGA技術(shù)的高密度和高可靠性的特點(diǎn)使其非常適合于3D封裝中的芯片封裝。在3D封裝中，頂層芯片和底層芯片之間需要通過微細(xì)的電氣連接進(jìn)行通信，這種連接稱為TSV（Through Silicon Via）。而FCBGA技術(shù)則可以在TSV的兩側(cè)分別封裝頂層芯片和底層芯片，從而實(shí)現(xiàn)它們之間的電氣連接。
在Yole對先進(jìn)封裝技術(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，F(xiàn)CBGA是最賺錢的細(xì)分封裝市場之一，然后是2.5D/3D封裝、FCCSP等等。作為一種重要的芯片封裝技術(shù)，F(xiàn)CBGA隨著移動設(shè)備、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，其市場需求也在不斷增長。根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，全球FCBGA封裝技術(shù)市場在未來幾年內(nèi)將繼續(xù)保持快速增長，預(yù)計(jì)到2026年市場規(guī)模將達(dá)到200億美元以上。越來越多的企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)投入到FCBGA封裝技術(shù)的研究和開發(fā)中，不斷推動著FCBGA封裝技術(shù)的革新和升級。
FCBGA技術(shù)的發(fā)展是多個廠商的協(xié)同努力的結(jié)果，這些廠商在封裝技術(shù)、連接技術(shù)和熱管理技術(shù)等方面都做出了貢獻(xiàn)。接下來，我們主要來談?wù)凢CBGA市場中封裝技術(shù)和基板這兩大領(lǐng)域的玩家。
在FCBGA封裝領(lǐng)域，有像英特爾、英飛凌、美光、恩智浦等IDM廠商在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)工作之外，還有如日月光、長電、Amkor等第三方技術(shù)提供商。其中日月光開發(fā)了多種FCBGA封裝技術(shù)，包括CSP（Chip Scale Package）和FPBGA（Fine-Pitch Ball Grid Array）等；Amkor也有包括FCBGA和TFBGA（Thin Fine-Pitch Ball Grid Array）等多種FCBGA封裝技術(shù)。
而近幾年國內(nèi)一眾CPU、GPU和其他高性能芯片領(lǐng)域廠商的崛起，加大了對FCBGA封裝技術(shù)的需求。因應(yīng)市場需求，國內(nèi)也出現(xiàn)了一些技術(shù)能力強(qiáng)、業(yè)務(wù)快速增長的供應(yīng)商，如摩爾精英，據(jù)悉，摩爾精英的無錫SiP先進(jìn)封測中心能提供DPU、HPC、CPU、GPU、高端服務(wù)器、高性能ASSP、FPGA等產(chǎn)品的Flip-Chip封裝完整解決方案，包括封裝設(shè)計(jì)、仿真、工程批和量產(chǎn)，其FCBGA產(chǎn)能可達(dá)1KK每月。除了FCBGA之外，摩爾精英還可提供SiP、QFN、WB、FCCSP等多種封裝類型，其SiP團(tuán)隊(duì)擁有超過15年的封裝技術(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)，完成過國際大廠客戶的SiP開發(fā)工作，這也為中小芯片公司帶來了更多的選擇。
基板也是FCBGA封裝技術(shù)的一個重要支撐，FCBGA常用的基板材料包括印制電路板（PCB）、硅基板、銅基板，至于具體使用哪種材料取決于應(yīng)用的需求和成本考慮。
FCBGA封裝用基板（圖源：Toppan Printing）
在FCBGA封裝中，常用的載板材料是ABF（Advanced Build-up Film）載板，它是一種多層PCB。對于大多數(shù)應(yīng)用來說，ABF載板是一種性價比很高的選擇，能夠滿足絕大部分的封裝需求。ABF載板的特點(diǎn)是它非常薄、輕和柔軟，具有良好的熱傳導(dǎo)性能和低介電損耗，這使得它成為FCBGA封裝技術(shù)的理想載板材料之一。在整個封裝過程中，ABF載板的質(zhì)量和設(shè)計(jì)對于確保FCBGA封裝的質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。
而上述的另外兩種則相對較昂貴，硅基板可以提供高度的電氣性能和較低的信號延遲，但相對較昂貴；銅基板是一種特殊的PCB，它使用銅箔代替標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)電材料，銅基板可以提供更好的熱傳導(dǎo)性能，適用于需要高功率處理的應(yīng)用。
全球主要的基板供應(yīng)商包括日本地區(qū)的Toppan Printing、Ibiden，臺灣地區(qū)的Unimicro、Nanya，韓國的LG Innotek，及國內(nèi)地區(qū)的AT&S、蘇州群策等。隨著5G和AI應(yīng)用提供動力的高性能芯片的需求不斷增長，全球領(lǐng)先企業(yè)正在積極擴(kuò)大產(chǎn)能。
例如，2022年三星旗下子公司三星電機(jī)已經(jīng)花費(fèi)了大約2萬億韓元用于FCBGA 的設(shè)施擴(kuò)建。三星電機(jī)估計(jì)未來五年FCBGA基板市場將以每年14%的速度增長，到2026年將達(dá)到170億美元。“半導(dǎo)體封裝基板市場規(guī)模小于芯片代工業(yè)務(wù)，但其增長潛力要大得多 ”三星電機(jī)封裝支持團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Ahn Jung-hoon說。
韓國的LG Innotek于2022年2月22日宣布，公司決定投資4130億韓元用于“倒裝芯片球柵陣列 (FCBGA)”生產(chǎn)線，這是LG Innotek首次投資FC-BGA業(yè)務(wù)。LG Innotek此前主要在5G 毫米波封裝天線 (AiP) 和射頻系統(tǒng)級封裝 (RF-SiP) 引領(lǐng)著通信封裝基板市場。該公司通過多年的AiP和 SiP產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)獲得了基板技術(shù)，并打算將這些技術(shù)也用于 FCBGA業(yè)務(wù)。
除了商業(yè)類廠商之外，還有一大批的科學(xué)家、工程師、技術(shù)專家等，他們的不斷努力和創(chuàng)新精神，才使得FCBGA技術(shù)不斷發(fā)展和完善，將FCBGA封裝技術(shù)從最初的概念變成了如今在各種電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一。
綜上所述，F(xiàn)CBGA技術(shù)在過去幾十年中經(jīng)歷了快速發(fā)展，已經(jīng)成為了處理器、存儲器、圖形處理器等核心電子元件的主要封裝方式之一。FCBGA技術(shù)在未來還將面臨更高的性能和應(yīng)用需求，特別是在5G通信、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的發(fā)展中，F(xiàn)CBGA封裝技術(shù)正在扮演著越來越重要的角色。
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