第一讲
封装基板
封装基板定义及作用
封装基板的作用
封装基板在电子封装工程中的作用
封装基板作为载体结构起到保护芯片中半导体元器件的作用;实现芯片中集成电路功能模块电子线路与外部功能元器件之间的电气连接;为芯片功能组件提供支撑体与散热通道;为其他电子元器件搭载提供组装平台。此外,封装基板可实现集成电路多引脚化、封装产品体积缩小、电性能及散热性改善、超高密度或多芯片模块化等目的。
封装基板发展历史
1989-1999
封装基板与PCB
封装、实装、安装及装联的区别:
实装此词来自日文,此处借用。“块”搭载在“板”上称为实装,裸芯片实装在模块基板(BGA基板、TAB基板、MCM基板)上可分别构成BGA、TAB、MCM封装体,称其为一级封装(或微组装);DIP、PGA等采用引脚插入方式实装在PCB上;QFP、BGA、CSP、TBA等采用表面贴装方式实装在PCB之上,称其为二级封装;裸芯片也可以直接实装在PCB上,如COB、COF等,在此一级封装、二级封装合二为一。
封装基板与PCB的区别
封装基板从PCB中分离独立
封装基板的结构
封装基板的分类
有核和无核封装基板
无核封装基板的优劣势
薄型化; 电传输路径减小,交流阻抗进一步减小,而且其信号线路有效地避免了传统有芯基板上的PTH(镀铜通孔)产生的回波损耗,这就降低电源系统回路的电感,提高传输特性,尤其是频率特性; 可以实现信号的直接传输,因为所有的线路层都可以作为信号层,这样可以提高布线的自由度,实现高密度配线,降低了C4布局的限制; 除部分制程外,可以使用原来的生产设备,且工艺步骤减少。
没有芯板支撑,无芯基板制造中容易翘曲变形,这是目前最普遍和最大的问题; 层压板破碎易于发生; 需要引进部分针对半导体封装无芯基板的新设备。因此,半导体封装无芯基板的挑战主要在于材料与制程。
封装基板的结构
封装基板的主流生产技术
主要的积层精细线路制作方法
无核封装基板制作技术不需要蚀刻铜箔制作电子线路,突破了HDI途径在超精细线路制作方面存在的技术瓶颈,成为高端封装基板制造的首选技术。另外,该技术采用电沉积铜制作电气互连结构,故互连结构的电沉积铜技术已经是无核封装基板制作的核心技术之一。
封装技术的演进
第二讲
封装材料和封装基板市场
封装基材
封装基板在晶圆制造和封装材料中价值量占比
晶圆制造和封装材料主要包括引线框架、模封材料(包封树脂、底部填充料、液体密封剂)、粘晶材料、封装基板(有机、陶瓷和金属)、键合金属线、焊球、电镀液等。
有机和陶瓷材料是封装基板中的主流
根据国内亚化咨询预测,2019年中国半导体封装材料市场规模将超400亿元人民币,约折合57亿美元左右。
封装基板行业
封装基板行业景气度的变化
封装基板市场在2017年趋于稳定,在2018年和2019年的增长速度明显快于整个PCB市场,预计将在未来五年仍然保持超过平均增长速度6.5%。封装基板市场的好转和持续增长主要是由用于高端GPU、CPU和高性能计算应用ASIC的先进FCBGA基板需求,以及用于射频(如蜂窝前端模块)和其他(如MEMS/电源)应用的SiP/模块需求驱动的。内存封装需求,尽管它们的影响更具周期性,例如用于DRAM的FCBOC封装和用于Flash的WBCSP,也是封装基板强劲需求的驱动因素。2017年主要增长动力包括:FCCSP中的密码货币挖掘专用集成电路FCBGA中的GPU和CPU服务器DRAM和NAND在CSP中的线键合。
封装基板主要制造厂商
全球地区分布
全球载板主要制造地及主要制造商现状
日本
长期以来,日本代表着全球高端PCB(特别载板)的制造水平和引导着全球PCB的发展方向,但近年来,由于其市场策略、价格水平,削弱了其竞争力。当前日本主要的载板制造商有Ibiden、Shinko、Kyocera、Daisho、MGC-JCI(逐步退出)、Eastern(已被韩国的Simmtech收购)等。在美国,目前仅剩HoneywelACI公司有实力以激光钻孔技术制造积层法多层板。未来美国将会朝着适于高档次半导体封装基板工艺的相关设备研制、开发的方向努力。欧洲地区目前有能力以激光钻孔技术生产积层法多层板的厂商有:AT&S(澳地利)、Aspoeomp(芬兰)、PPE等三家公司。
封装基板产品
主流封装基板产品分类
主流封装基板产品市场规模和结构
WB PBGA/CSP
FC BGA/PGA/LGA
FCCSP/BOC
RF AND Digital Module
封装基板技术发展驱动因素
用于高性能计算的大面积FCBGA封装需求驱动封装基板需求成长
高性能计算包括传统的基于cpu的计算机,从高端桌面和笔记本电脑到领先的服务器、计算和网络应用程序三大类。
后者越来越多地使用GPU和高级内存总线来实现超级计算和Al应用程序所需的高性能。长期以来,高端CPU和GPU一直被封装在FCBGA、FCLGA或FCPGA中,它们可以通过插槽直接安装到主机的主PCB上,也可以使用中间的子卡。
在笔记本电脑中系统级的尺寸和厚度要求CPU直接安装在主机的主板上。然而,在桌面服务器和许多其他高性能计算应用程序,CPU通常以BGA或LGA包的形式提供,并通过插座或类似的连接器安装到主板上。
Intel的高端服务器CPU,包括联想服务器使用的Xeon CPU,都采用了公司的PoINT(Patch on INTerposer)技术。在英特尔的命名法中,CPU芯片被翻转到一个“补丁”上,这实际上是一个具有高路由密度的BGA基板,以适应前沿的CPU芯片。然后将此补丁安装到插入器上。Intel将补丁称为HDI(高密度互连),将插入器称为LDI(低密度互连)。在Prismark的术语中,两者都是内置的封装基板,而插入器的路由密度略低。
Al和机器学习带来了对海量数据的处理需求
英特尔的Xeon是一款传统的、但处于领先地位的CPU,它是专注应用于Al和机器学习一种新的高端处理,而这些应用使用GPU。所有的应用程序都依赖于模式识别来创建一个算法来解释大量的数据,而GPU比CPU更适合这种类型的数据处理。
自动驾驶汽车可能是这些新型人工智能应用中最具辨识度的一个。但机器学习也被用于语音识别、游戏、工业效率优化和战争。Nvidia是这些Al应用的GPU的主要供应商,该公司的Nvidia的自动驾驶汽车驱动平台是系统和组件封装实践的一个很好的例子最初用于特斯拉自动驾驶仪的驱动平台,本质上是一个小型(31x16cm的盒子)超级计算机,它可以解读汽车传感器的数据,创建出汽车周围环境的虚拟3D地图。并决定适当的行动。值得注意的是,大量数据定期上传到汽车制造商的数据中心,在那里,基于数百万英里的驾驶经验,自动驾驶算法不断改进。
这些例子的CPU和GPU是大型尺寸的FCBGA封装驱动的需求复杂的封装基板的主要例子。
SiP/模块封装需求旺盛
有机封装基板的第二个重要增长驱动力是SiP/modules。
SiP(System-in-Package)将主动和被动元器件组合在一个包含特定功能的封装体/模块中。最突出的SiP是用于蜂窝和其他射频系统的射频模块,如功率放大器模块。前端模块和WiFi模块。其他例子包括传感器模块,如MEMS加速度计算或摄像机模块,以及电源模块,比如DC/DC转换器。大多数这样的模块使用刚性PCB基板,虽然有些使用柔性,陶瓷,或引线框载体。与上面讨论的高性能计算设备相比,IO数量很低(大多数远低于100),并且封装的球/垫的间距非常宽松(最多为1毫米)。另一方面,特别是射频模块往往有一个很多且越来越多的器件和元件,必须在模块内互连。这增加了模块基板的路由密度,增加了它的层数和设计几何形状。
新的射频模块应用是5GmmWave天线模块
用于5G智能手机和类似的5G接入设备。这种应用的高频率要求射频收发器和天线之间的近距离。因此,mmlWave天线模块被设计成将收发器和支撑组件安装在一侧,贴片天线安装在另一侧。结果是一个复杂的5-2-5基板。每个5G中使用三或四个这样的天线模块毫米波智能手机。
非射频SiP模块应用
苹果提供了有趣的推动力。从苹果手表,几乎所有的组件都装在一个大的SiP。另一个interestinoSiP的例子是用在苹果的新AirPods专业无线耳机。之前的AirPods主要使用的是安装在伸缩电路上的分立元件(还有一些更小的SiP)。新的AirPodsPro将几乎所有的组件整合到一个5x10毫米的SiP中。这个SiP非常复杂。实际上,它本身由四个SiP和一个跨接PCB组成,所有这些都组合成一个小的组件。
主SiP结合了几个WLCSP到一个3-2-3基板的顶部然后集成封装。该基板的底部支持一个额外的三个SiP(一个蓝牙SiP和两个MEMS加速计SiP)加上一个跨接PCB用于连接到AirPods Pro flex电路。蓝牙SiP本身是相当复杂的,包括蓝牙芯片和内存芯片,加上一个时钟和被动式,安装在一个6L任意层基板的两侧并覆盖成型。每年要交付数十亿个SiP/模块,比大型BGA包高出一个数量级。
先进封装基板市场的发展
封装基板的需求已经被持续使用的晶圆级CSP削弱。WLCSP发展迅速,因为他们提供了小尺寸,可以非常薄(<0.4毫米)和提供良好的球间距(0.35毫米),且不使用任何基材或载体。但WLCS广泛应用于智能手机和其他便携式产品中。然而封装基板的主要增长动力是大面积FCBGA封装和SiP。
在可实现的布线密度方面,硅的技术路线图超过了PCB。封装基板是用来提供高密度的接口之间的硅模具和更大,低密度PCB主板。但是用于高性能计算处于领先地位的CPU和GPU,即使是高密度的封装基板也不足以实现一级互连。
以5μm线和空间为例,重点是半导体工艺技术作为替代。在典型的排列中。采用半导体制造技术的中间插层,将有源模的高密度布线要求与有机封装基板的低密度能力进行转换。值得注意的是,这种封装方法仍然需要有机封装基质,它的大小和层数都在增加其中一些产品已经开始批量发货。
英特尔EMIB嵌入式硅插入器
英特尔的酷i7 8705G笔记本处理器实际上结合了英特尔的CPU,一个AMD的GPU和HBM内存在一个单一的FCBGA封装体。为了获得最高的性能,GPU和内存采用倒装芯片,直接安装在附近,并与硅桥芯片互连,在两个芯片之间提供高完整性的信号和电源线。英特尔CPU被单独直接放置在BGA基板上。
带有TSV的硅插入器
AMD提供一系列用于高性能计算应用的CPU和GPU,包括工作站和Al处理器。为了解决高速内存访问的需求,内存最好集成在处理器封装体中。在许多情况下,这是通过在相同的高密度封装基板上,将内存芯片翻转到CPU/GPU芯片旁边来实现的。但在前沿应用中,存储芯片是堆叠在一起的,随后安装在一个硅插接器上,该插接器也携带处理器芯片。
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