圖片來源@視覺中國
文 | 半導體行業觀察
進入后摩爾時代，越來越考驗各家芯片廠商的集大成能力，芯片要繼續朝着小型化、多引腳和高集成的方向持續發展，除了常規的工藝微縮，各種先進封裝技術已然不可或缺。作為後摩爾時代芯片性能提升最佳途徑，以倒裝芯片（Flip-chip）等為代表的先進封裝技術平台已成為中高性能產品封裝優選方案，而在倒裝芯片中又以FCBGA技術為主流。
蘋果是FCBGA封裝技術的忠實採用者，蘋果最早在自家的處理器中應用FCBGA封裝技術，是在2006年的A5處理器上，該處理器被用於第一代iPad和iPhone 4S。自那時以來，一直在使用FCBGA封裝技術，並不斷改進和提高其性能，直至最近推出的PC處理器M系列。近日蘋果供應商LG Innotek開始進軍FCBGA基板市場，業界推測或將為蘋果M系列芯片提供FCBGA基板，這也從側面反映出FCBGA的市場需求。蘋果所用的這項封裝技術，正迎來蓬勃發展。
FCBGA技術在多領域全面開花
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，這種封裝方式將芯片倒置並連接到封裝基板上，然後使用球形焊點將封裝固定到基板上。FCBGA最早出現於1990年代初。1997年，Intel公司將FCBGA封裝技術首次應用於處理器，這是FCBGA技術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，由於連接線路複雜，MCM封裝方式存在信號互干擾、熱管理不佳等問題。相比之下，FCBGA封裝技術將芯片翻轉過來，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現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性能。Pentium III 500處理器的推出標志著FCBGA技術的商業化應用，該技術成為了當時电子行業的熱點話題之一。
隨着FCBGA技術逐漸得到完善，製造商不斷提高其可靠性，尤其是在焊點連接、微調整和外殼包裝方面的技術。FCBGA封裝技術的優點主要包括：
更高的密度：因為FCBGA封裝技術可以在同樣的封裝面積內安裝更多的芯片引腳，從而實現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：因為它可以減少芯片與基板之間的電阻和電容等因素，從而提高信號傳輸的穩定性和可靠性，也可以提高信號傳輸的速度和準確性。
總的來說，FCBGA封裝技術具有高集成度、小尺寸、高性能、低功耗等優勢，FCBGA適用於多種種類的芯片，其常用於CPU、微控制器和GPU等高性能芯片，還適用於網絡芯片、通信芯片、存儲芯片、数字信號處理器(DSP)、傳感器、音頻處理器等等。FCBGA目前是移動設備中的理想封裝技術，被廣泛應用於智能手機、平板電腦和其他移動設備中。
正是這些優勢使得FCBGA成為了現代半導體封裝的主流技術之一，許多大型半導體公司和电子產品製造商如英特爾、AMD、英偉達、高通、蘋果、三星等都在使用FCBGA技術。
作為FCBGA技術的開拓者之一，FCBGA是英特爾公司常用的一種封裝技術，如今英特爾的酷睿和至強系列處理器、芯片組、內存芯片以及無線網卡這些电子組件等均採用了不同型號的FCBGA封裝技術，如酷睿i9-11900K處理器採用了FCBGA1700封裝、英特爾Z590芯片組採用了FCBGA1492封裝、Optane內存模塊採用了FCBGA1440封裝、英特爾AX210無線網卡採用了FCBGA946封裝。AMD的Athlon XP處理器使用了FCBGA封裝技術。
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值得一提的是，FCBGA技術還被用於3D封裝，FCBGA技術的高密度和高可靠性的特點使其非常適合於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的電氣連接進行通信，這種連接稱為TSV（Through Silicon Via）。而FCBGA技術則可以在TSV的兩側分別封裝頂層芯片和底層芯片，從而實現它們之間的電氣連接。
在Yole對先進封裝技術的數據統計中，FCBGA是最賺錢的細分封裝市場之一，然後是2.5D/3D封裝、FCCSP等等。作為一種重要的芯片封裝技術，FCBGA隨着移動設備、智能家居、物聯網等技術的快速發展，其市場需求也在不斷增長。根據市場研究機構的數據显示，全球FCBGA封裝技術市場在未來幾年內將繼續保持快速增長，預計到2026年市場規模將達到200億美元以上。越來越多的企業和研發機構投入到FCBGA封裝技術的研究和開發中，不斷推動着FCBGA封裝技術的革新和升級。
FCBGA市場主要有哪些玩家？
FCBGA技術的發展是多個廠商的協同努力的結果，這些廠商在封裝技術、連接技術和熱管理技術等方面都做出了貢獻。接下來，我們主要來談談FCBGA市場中封裝技術和基板這兩大領域的玩家。
在FCBGA封裝領域，有像英特爾、英飛凌、美光、恩智浦等IDM廠商在該領域進行了大量的研究和開發工作之外，還有如日月光、長電、Amkor等第三方技術提供商。其中日月光開發了多種FCBGA封裝技術，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。
而近幾年國內一眾CPU、GPU和其他高性能芯片領域廠商的崛起，加大了對FCBGA封裝技術的需求。因應市場需求，國內也出現了一些技術能力強、業務快速增長的供應商，如摩爾精英，據悉，摩爾精英的無錫SiP先進封測中心能提供DPU、HPC、CPU、GPU、高端服務器、高性能ASSP、FPGA等產品的Flip-Chip封裝完整解決方案，包括封裝設計、仿真、工程批和量產，其FCBGA產能可達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團隊擁有超過15年的封裝技術和工程經驗，完成過國際大廠客戶的SiP開發工作，這也為中小芯片公司帶來了更多的選擇。
基板也是FCBGA封裝技術的一個重要支撐，FCBGA常用的基板材料包括印製電路板（PCB）、硅基板、銅基板，至於具體使用哪種材料取決於應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。對於大多數應用來說，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載板的特點是它非常薄、輕和柔軟，具有良好的熱傳導性能和低介電損耗，這使得它成為FCBGA封裝技術的理想載板材料之一。在整個封裝過程中，ABF載板的質量和設計對於確保FCBGA封裝的質量和可靠性至關重要。
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，它使用銅箔代替標準的導電材料，銅基板可以提供更好的熱傳導性能，適用於需要高功率處理的應用。
全球主要的基板供應商包括日本地區的Toppan Printing、Ibiden，台灣地區的Unimicro、Nanya，韓國的LG Innotek，及國內地區的AT&S、蘇州群策等。隨着5G和AI應用提供動力的高性能芯片的需求不斷增長，全球領先企業正在積極擴大產能。
例如，2022年三星旗下子公司三星電機已經花費了大約2萬億韓元用於FCBGA 的設施擴建。三星電機估計未來五年FCBGA基板市場將以每年14%的速度增長，到2026年將達到170億美元。“半導體封裝基板市場規模小於芯片代工業務，但其增長潛力要大得多 ”三星電機封裝支持團隊負責人Ahn Jung-hoon說。
韓國的LG Innotek於2022年2月22日宣布，公司決定投資4130億韓元用於“倒裝芯片球柵陣列 (FCBGA)”生產線，這是LG Innotek首次投資FC-BGA業務。LG Innotek此前主要在5G 毫米波封裝天線 (AiP) 和射頻系統級封裝 (RF-SiP) 引領着通信封裝基板市場。該公司通過多年的AiP和 SiP產品開發經驗獲得了基板技術，並打算將這些技術也用於 FCBGA業務。
除了商業類廠商之外，還有一大批的科學家、工程師、技術專家等，他們的不斷努力和創新精神，才使得FCBGA技術不斷髮展和完善，將FCBGA封裝技術從最初的概念變成了如今在各種电子產品中廣泛應用的技術之一。
結語
綜上所述，FCBGA技術在過去幾十年中經歷了快速發展，已經成為了處理器、存儲器、圖形處理器等核心电子元件的主要封裝方式之一。FCBGA技術在未來還將面臨更高的性能和應用需求，特別是在5G通信、人工智能、虛擬現實等領域的發展中，FCBGA封裝技術正在扮演着越來越重要的角色。
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