芯片封裝技術主要包括:DIP雙列直插式、組件封裝式、PGA插針網格式、BGA球柵陣列式(PBGA基板、CBGA基板、FCBGA基板、TBGA基板、CDPBGA基板)、CSP封裝(傳統導線架形式、硬質內插板型、軟質內插板型、晶圓尺寸封裝)、MCM封裝等。
主流IC的封裝類型
傳統封裝方式主要基于導線將晶片的接合焊盤與基板的引腳相連,實現電氣聯通,最后覆以外殼形成保護,主要方式有DIP、SOP、QFP等。
在芯片制程逐漸逼近硅片極限、摩爾定律推進速度放緩的行業趨勢下,先進封裝的出現優化了裸片間的連接方式,可以有效縮短異構集成架構下Die間信號距離,使得性能和功耗都得以優化。
目前業內半導體先進封裝技術主要包括:SiP、WL-CSP、FC、eWLB、PiP、PoP及2.5D/3D封裝技術等。
IC封裝基板(IC Package Substrate)簡稱基板或載板,是連接并傳遞裸芯片(Die)與印刷電路板 (PCB)之間信號的載體,功能主要是保護電路、固定線路與散熱。
IC載板相比PCB具有更高的技術要求。IC載板由HDI技術發展而來,從普通PCB到HDI到SLP(類載板)到IC載板,加工精度逐步提升。IC載板目前有采用Tenting(PCB的減成法)工藝、SAP(半加成法)與MSAP(改良型半加成法)等工藝進行制造,所需設備有所不同,加工成本更高,線寬/線距、板厚、孔徑等指標更為精細,同時對于耐熱性要求也更高。
WB(Wire Bonding,打線)采用引線方式將裸芯片與載板連接,FC(Flip Chip,覆晶)將裸芯片正面翻覆,以錫球凸塊直接連接載板,作為芯片與電路板間電性連接與傳輸的緩沖介面。
FC由于使用錫球替代引線,相比 WB 提高了載板信號密度,提升芯片性能,凸點對位校正方便,提高良率,是更為先進的連接方式。
Wire Bonding 與 Flip Chip
CSP適用移動端芯片尺寸小密度高,BGA適用PC/服務器級高性能處理器。
BGA(Ball Grid Array,球柵陣列封裝)是在晶片底部以陣列的方式布置許多錫球,以錫球陣列替代傳統金屬導線架作為接腳。
CSP(Chip Scale Package,芯片級封裝)可以讓芯片面積與封裝面積之比超過1:1.14,已經相當接近1:1的理想情況,約為普通BGA的1/3,可理解為錫球間隔及直徑更小的BGA。
BGA 與 CSP
從下游應用來看,FC-CSP多用于移動設備的AP、基帶芯片,FC-BGA用于PC、服務器級CPU、GPU等高性能芯片封裝,基板具有層數多、面積大、線路密度高、線寬線距小以及通孔、盲孔孔徑小等特點,其加工難度遠大于FC-CSP封裝基板。
IC載板的基板類似PCB覆銅板,主要分為硬質基板、柔性薄膜基板和共燒陶瓷基板三大種類,其中硬質基板和柔性基板基本占據全部市場空間,這里我們主要就硬質基板展開。
BT基板是由三菱瓦斯研發的一種樹脂材料,良好的耐熱及電氣性能使其替代了傳統陶瓷基板,它不易熱漲冷縮、尺寸穩定,材質硬、線路粗,主要用于手機 MEMS、通信及儲存芯片封裝。
ABF是由日本味之素研發的一種增層薄膜材料,硬度更高、厚度薄、絕緣性好,適用于細線路、高層數、多引腳、高信息傳輸的IC 封裝,應用于高性能CPU、GPU等領域。
MIS是一種新型材料,與傳統的基板不同, 包含一層或多層預包封結構,每一層都通過電鍍銅來進行互連,線路更細、電性能更優、體積更小,在功率、模擬IC領域發展快速。
英偉達采用ABF載板的GH200
封裝工藝的發展帶動載板發展,FC工藝已成主流,多芯片3D封裝、大尺寸高多層基板是當前發展方向。為提高性能、降低功耗、提高I/O,現階段的單芯片封裝將逐步向多芯片或整合性芯片封裝發展,3D封裝對于基板高密凸塊及高剛性需求也是下代基板的發展方向。
5G時代對于電子產品和芯片高性能、小尺寸、低能耗的需求不斷增長。根據半導體行業觀察,5G手機接收高頻波段依賴于復雜的射頻前端和天線設計,通過先進封裝技術,可以將天線埋入終端產品提升傳輸速度,并滿足用戶對于輕薄便攜、傳輸快速、性能優良、能耗較低的需求。根據 Yole 數據,2026年全球 5G智能手機封裝市場規模將達到 26 億美元,CAGR 高達 31%。
ChatGPT 等大模型,參數龐大,訓練和推理過程需要大量的算力芯片。數據中心AI加速器的潛在市場總額將從今年的300億美元增長到2027年的1500億美元以上。AI 芯片主要包括GPU、CPU、FPGA和ASIC。
后摩爾時代,經濟效能的提升出現瓶頸,先進封裝在在提高芯片集成度、電氣連接以及性能優化的過程中的重要性逐漸凸顯,Chiplet(“芯粒”)技術應運而生。
Chiplet將一類滿足特定功能的Die(裸片),通過內部互聯技術實現多個模塊芯片與底層基礎芯片封裝在一起,形成一個系統芯片。它可以將不同制程的芯片封裝到一起達到系統化最優性能,可以提高芯片良率、降低設計復雜度與成本、降低制造成本。
Chiplet封裝工藝
根據Omdia的統計數據,2024年,采用 Chiplet 的處理器芯片的全球市場規模將達58億美元,到2035年將達到570億美元,年復合增長率約為23.09%,同時Chiplet處理器芯片市場規模的快速增長將帶動ABF載板需求量的提升。