目前,在半导体封装中,高性能处理器普遍采用FCBGA(倒装芯片球栅阵列封装)封装方式。由于高性能处理器拥有较大功耗,这对封装的散热系统提出了更高的要求。铟片(In),作为一种高导热性的金属材料,在大尺寸封装产品中常被看作是传统热界面材料(TIM)胶的替代品,并在高效热管理方面成为潜在的理想选择。
在此背景下,10月29日,集微网举办了第81期“集微公开课”活动,华天科技FC封装研究室总监汪民进行了《华天科技公开课:FCBGA高散热铟片封装介绍》的主题分享,详细介绍了FCBGA应用市场、铟片在FCBGA封装中的应用以及应用中的问题。
2027年FCBGA封装市场规模将达169亿美元 AI成主要驱动力
汪民指出,2023年,FCBGA封装市场规模约126.53亿美元,在网络、汽车、人工智能(AI)和服务器基础设施需求的推动下,预计2027年将达到169亿美元,CAGR(复合年均增长率)为8.8%。
汪民从个人电脑(PC)市场、服务器市场、算力芯片市场等方面对FCBGA应用市场现状及预测做了详细的分享。
据市场调查机构Canalys的数据显示,2024年第一季度全球PC总出货量增长3.8%,达到5720万台,预计2024年将增长到2.65亿台,同比增长8%。与此同时,Canalys表示,AI或将成为PC市场增长的新驱动力,预估今年全球AI PC出货量4800万台,占PC出货总量的18%。预估2025年全球AI PC出货量超过1亿台,占PC出货总量的40%。2024年至2028年期间CAGR将达到44%。
服务器方面,TrendForce数据显示,2024年全球服务器出货量预计将达1365.4万台,同比增长2.05%,其中AI服务器市场出货量将达到150.4万台,同比增长27.1%,中国AI服务器2024年市场出货量达到42.1万台,同比增长18.9%,AI服务器市场整体看好。TrendForce表示,未来,AI服务器出货增速将高于服务器整体。
在算力芯片市场,2024年CPU市场规模恢复增长,预计达到710亿美元,同比增长23%。而受益于数字经济及人工智能,数据中心、AI服务器市场增长迅速,GPU加速放量,2024年市场持续扩大,预计达到940亿美元,同比增长88%。
除了对应用市场的全面的介绍,汪民还在应用的芯片层面做了深入的分析。
高性能处理器多采用FCBGA封装 FCBGA+铟片显著提升散热性能
汪民介绍称,与传统PC一样,AI PC的核心部件为芯片。但由于AI所需的巨量算力需求,AI芯片成为一条全新赛道,为市场提供了无尽想象的空间。因此,包括英伟达、英特尔、高通在内的芯片巨头成为此轮AI PC浪潮中布局最为积极的先行者。
他以苹果M1 Pro、英特尔Ultra 9 185H以及AMD Ryzen 7735U芯片为例,对芯片的封装形式进行了解释。汪民表示,目前AI PC芯片的主流封装形式为FCBGA+铟片(如苹果M1芯片以及AMD Ryzen 7735U芯片),而未来随着算力增加以及对产品尺寸的要求,会像英特尔Ultra 9 185H的形式,在FCBGA+铟片的基础上,使用MCM(多芯片模块)封装。
在AI服务器方面,汪民说,从AI服务器的硬件架构来看,通常配备有高效能的CPU、GPU、TPU、专用的AI加速器,以及大量的内存和存储空间。AI服务器的算力芯片主要分为训练型以及推理型。推理型产品主要为大颗FCBGA+铟片封装方案,训练型AI芯片主要为FCBGA+MCM+铟片的封装方案。
汪民指出,目前国外AI服务器芯片大多使用2.5D封装,国内厂商也在逐步研发2.5D封装技术,相信在不久的将来,国产AI服务器芯片也将从FCBGA+铟片封装及FCBGA+MCM+铟片封装方案向2.5D先进封装过渡。
此外,自动驾驶也已成为FCBGA封装市场的主要驱动力。目前ADAS(高级驾驶辅助系统)全球主要以英伟达、高通、Mobileye为主,国内主要以H公司、地平线、黑芝麻为主,其中英伟达、高通已经开始出现以中央计算式架构为目标的中央计算SoC,算力均在1000TOPS以上,国内还是以自动驾驶SoC为主。ADAS芯片的封装均以FCBGA+铟片为主,芯片主要为SoC芯片,对散热及算力、可靠性有非常高的要求。
在散热方面,华天科技通过对铟片封装技术的深入研究,成功地实现FCBGA铟片封装技术的开发,从而显著提升了封装的散热性能。对比高导热胶,铟片的散热达到86W/m-k,散热性能明显提升。
汪民以HFCBGA 50X50为例进行了讲解,将尺寸为22.6×14.48×0.775mm的芯片进行热仿真,铟片产品较采用TIM胶X-23-7772-4产品,结温降低约6.3℃,Theta-Ja降低0.75%。
华天科技 解决铟片封装三大难题
汪民说,在铟片封装过程中,华天科技主要采用了真空回流焊工艺。回流焊的方式效率高,成本低,也是目前主流的焊接方式。汪民详细讲解了这一过程,铟片封装可分为三步:首先FC &元器件芯片贴装完后,对元器件周围采用胶水覆盖固化等方式隔离保护;其次是铟片贴装,包括在背晶表面进行涂覆Flux(助焊剂),进行SMT贴铟片,再在铟片表面涂覆Flux;最后是贴背金属散热盖子,包括贴散热盖,大压力Snap Cure(粘合)以及真空Reflow(回流)。
汪民指出,在铟片封装中,主要遇到以下三大难题:一是铟片Void(空洞)偏大:经过高温回流,比如植球回流后Void增大;二是铟片经过高温回流后容易流出芯片区域,并污染到旁边的元器件;三是保护元器件预防铟回流污染的UV胶水经过高温回流后发生Crack(裂纹)。对于这三大难题,汪民对出现的原因及解决方案进行了细致说明。
汪民指出,在涂覆Flux时,如果Flux量比较多,在一次回流铟片焊接形成后,Flux在铟片焊接面有残留,在二次高温回流(温度超过235℃)会发生铟片Void明显增大现象。此外,过大的真空值及真空时间、Flux时效特性也会导致Void的偏大问题。对此汪民给出了三种解决办法。汪民表示,铟片的熔点157℃,针对铟片回流焊接,通常回流最高温度180~190℃范围即可;为降低和减小铟片回流过程中的Void,通常采用Vacuum Reflow(真空回流焊)的方式,真空区域设置在炉子的高温Peak区域;真空曲线设置要合适,过小的真空值及真空时间会导致Devoid效果不好,过大的真空值及真空时间,会导致铟片回流熔融状态下流出芯片区域,污染旁边的元器件或造成芯片上铟覆盖面积变少。
而为了防止高温回流跑铟发生,汪民表示可以用Cover方式、散热盖挡墙、UV胶Coating、Dam & Fill胶四种方式保护器件,以避免污染到旁边的元器件导致器件短路等相关的不良现象。
对于第三个问题,汪民指出,UV胶水Cure后,遇到高温回流比如植球工艺中的回流焊会发生Crack,特别是多次高温回流额状况Crack更为明显。对于此类问题,汪民认为通过改善UV胶水的特性,比如Tensile强度,Modulus(模量)等,这使得UV胶水抗高温回流Crack有改善但是未能完全解决问题。此外行业有使用低温锡球植球的做法,因为低温锡球可以在较低的温度下进行植球,从而减少对UV胶水的热冲击,降低Crack的风险。
汪民特别提到,为了去除铟片回流过程中的Void,压力烘箱是一种值得关注的方法。铟片在压力烘箱中形成焊接的同时Devoid,可以有效减少或消除焊接材料中的Void,从而提高焊接的质量和可靠性。
在公开课最后,汪民透露华天科技正在开发第二代铟片解决方案。相对于第一代铟片,第二代产品不需要用到Flux,直接在背晶上贴铟片后进行回流焊接,工艺流程简单,因此Void管控较好。但与此同时,二代铟片因为没有喷涂flux,在轨道传输过程中,铟片会晃动,在压合的过程中也会有偏移的可能性,最终会导致回流后覆盖偏低。如果此类问题可以解决,无论在工艺流程还是位置管控方面,都将有质的提升。