公开课81期 | 华天科技：FCBGA高散热铟片封装介绍
直播回放
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。