ABF載板需求高升下迎來(lái)新挑戰(zhàn)，替代材料已經(jīng)出現(xiàn)？
按照味之素集團(tuán)網(wǎng)站所說(shuō)，在 1970 年代，集團(tuán)開(kāi)始探索鮮味調(diào)味品副產(chǎn)品的應(yīng)用。我們知道其中一些物質(zhì)具有優(yōu)異的材料特性，有可能用于電子行業(yè)的樹(shù)脂和涂層劑。處理器變得越來(lái)越小，速度越來(lái)越快，印刷電路板制造商需要更好的絕緣材料來(lái)保持性能。到了1996 年，一家 CPU 制造商與該集團(tuán)接洽，希望利用氨基酸技術(shù)開(kāi)發(fā)一種薄膜型絕緣體。這最終推動(dòng)了ABF載板的誕生。
正如大家所看到的，電路集成的進(jìn)步使得由納米級(jí)電子電路組成的 CPU 成為可能。這些電路必須連接到電子設(shè)備和系統(tǒng)中的毫米級(jí)電子元件。當(dāng)然，這可以通過(guò)使用由多層微電路組成的 CPU的積層載板來(lái)實(shí)現(xiàn)。而ABF促進(jìn)了這些微米級(jí)電路的形成，因?yàn)樗谋砻婵梢越邮芗す饧庸ず椭苯渝冦~。今天，ABF 是形成電路的基本材料，該電路可引導(dǎo)電子從納米級(jí) CPU 終端流向印刷載板上的毫米級(jí)終端。
可以說(shuō)，ABF的存在讓芯片小型化成為可能。然而，隨著芯片的持續(xù)發(fā)展，ABF也迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
01
推動(dòng)ABF 載板需求高升的原因
IC載板，是IC封裝中用于連接芯片與PCB板的重要材料，在中低端封裝中占材料成本的40-50%，在高端封裝中占70-80%，為封裝環(huán)節(jié)價(jià)值量最大的耗材，主要分為ABF載板和BT載板。分析人士表示，BT載板和ABF載板的供需缺口，或?qū)⒃龊馎股主營(yíng)為IC載板的公司的業(yè)績(jī)。
從 ABF 載板下游市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，PC 用 IC 芯片仍然是 ABF 載板用量最大的下游市場(chǎng)，服務(wù) 器/轉(zhuǎn)換器、AI 芯片以及 5G 基站芯片 ABF 用量遜于 PC，但增長(zhǎng)更快，是未來(lái) ABF 基板增 長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?。預(yù)計(jì)到 2023 年，ABF 載板 PC 端用量占比達(dá) 47%，服務(wù)器/交換器、AI 芯 片和 5G 基站用量占比分別為 25%、10%和 7%。從整體規(guī)模來(lái)看，拓璞產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì) 2021 年 ABF 載板平均月需求量為 2.34 億顆，2023 年平均月需求量將會(huì)達(dá)到 3.45 億顆。
PC 出貨量回升是 ABF 載板需求增長(zhǎng)的重要?jiǎng)恿?。長(zhǎng)期以來(lái)，PC 用 CPU 與 GPU 是 ABF 載板的最主要的下游應(yīng)用。2011 年全球 PC 出貨量達(dá)到頂封后逐年下降，ABF 載板需求也 受其影響不斷降低；2018 年起，PC 需求開(kāi)始復(fù)蘇，2020 年新冠疫情極大推動(dòng)了線上數(shù)字 經(jīng)濟(jì)發(fā)展，數(shù)字經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型帶動(dòng) PC 出貨量進(jìn)一步提升。根據(jù) Gartner 統(tǒng)計(jì)，2021H1，全球 PC 出貨量 1.41 億臺(tái)，同比 20H1 增長(zhǎng) 21.5%，ABF 載板需求也水漲船高。
云技術(shù)、AI 新應(yīng)用落地，驅(qū)動(dòng) ABF 載板需求上升。新冠疫情激發(fā)線上經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，云服務(wù)市 場(chǎng)迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心作為云服務(wù)硬件基礎(chǔ)，其建設(shè)加速帶動(dòng)服務(wù)器 CPU、Chipset 出貨量 增加，根據(jù) IDC 數(shù)據(jù)，21Q1 全球服務(wù)器服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模 209 億美元，同比增長(zhǎng) 12%。此 外，語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)等 AI 應(yīng)用落地，激發(fā) AI 市場(chǎng)蓬勃，AI 用 CPU、GPU、FPGA 需 求暴漲。新應(yīng)用推動(dòng) HPC 出貨，是未來(lái) ABF 載板需求上升的核心推動(dòng)力。
5G 基站建設(shè)拉動(dòng) ABF 載板用量。5G 相關(guān)應(yīng)用從 2020 年開(kāi)始大規(guī)模落地，中國(guó) 5G 基站 建設(shè)速度也于同年加速，2021 年 3 月，全球 5G 基站數(shù)量約 127 萬(wàn)座，中國(guó)建成 5G 基站 89.1 萬(wàn)座，占比超 70%。據(jù)拓璞產(chǎn)業(yè)研究院測(cè)算，每座 5G 基站中采用的 FPGA 在 3 個(gè)以 上，CPU 約 4-5 個(gè)，同時(shí)包括多個(gè) ASIC 和射頻元件。此外，由于 5G 相比于頻率高，波長(zhǎng) 短，所需建設(shè) 5G 數(shù)量預(yù)計(jì) 4G 基站的 1.5 倍以上，雙重增長(zhǎng)因素疊加下帶動(dòng) ABF 載板用量 提升。
異質(zhì)異構(gòu)集成與 chiplet 技術(shù)發(fā)展增大芯片封裝面積，提升 ABF 載板用量。異質(zhì)異構(gòu)集成 的核心在于通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)，將不同工藝、不同材質(zhì)的 chiplet（小芯片）封裝在同一個(gè) 芯片中，以實(shí)現(xiàn)芯片性能、良率的提升和成本的降低。異質(zhì)異構(gòu)集成芯片的尺寸將會(huì)更大。 以 AMD 高端 CPU-EPYC 為例，EPYC 采用 4 個(gè)獨(dú)立 Die（chiplet）一起封裝的方式，實(shí)現(xiàn) 了單 CPU 64 核 128 線程的設(shè)計(jì)目標(biāo)。EPYC 最終的封裝面積為 852 平方毫米，是單個(gè) Die 封裝面積的 4 倍。異質(zhì)異構(gòu)集成在提升芯片性能的同時(shí)，大大增加了對(duì)載板材料的消耗。未 來(lái)，該類技術(shù)滲透率的提升亦將進(jìn)一步提升市場(chǎng)對(duì) ABF 載板的需求。
02
ABF，如臨大敵
從原理上看，ABF 充當(dāng)了設(shè)備封裝內(nèi)的床，連接 PCB 和納米級(jí) CPU 的多層微電路組成。
而基于其打造的ABF 基板的一個(gè)關(guān)鍵元件是電容器，它主要用于去耦并占據(jù)基板的兩側(cè)。
anandtech在報(bào)道中也表示，現(xiàn)代芯片通常被安裝在細(xì)間距載板 (FPS：fine pitch substrates ) 上，然后將其放置在多層高密度互連 (HDI：high-density interconnect) 載板上。而如今最先進(jìn)的 CPU/GPU HDI 載板都使用Ajinomoto Build-up Film (ABF)，它結(jié)合了有機(jī)環(huán)氧樹(shù)脂、硬化劑和無(wú)機(jī)微粒填料。ABF易于使用，可實(shí)現(xiàn)高密度間距（從而實(shí)現(xiàn)高密度金屬布線），具有足以滿足現(xiàn)代芯片的絕緣性能、高剛性、高耐用性和低熱膨脹等因素。
臺(tái)灣工研院材化所的莊貴貽也曾撰文指出，ABF載板材料是90年代由Intel所主導(dǎo)的材料，用于導(dǎo)入覆晶構(gòu)裝制程等高級(jí)載板的生產(chǎn)，可制成較細(xì)線路、適合高腳數(shù)、高傳輸?shù)腎C封裝。其載板核心結(jié)構(gòu)仍是保留以玻纖布預(yù)浸樹(shù)脂(FR-5或BT樹(shù)脂)做為核心層(Core Substrate)，再使用增層材料(Build up Materials )疊加的方式增加層數(shù)，以雙面核心為基礎(chǔ)，做上下對(duì)稱式的加層，但上下的增層結(jié)構(gòu)，舍去原用的預(yù)浸玻纖布?jí)汉香~箔的銅箔載板，而在ABF膜層上改用電鍍銅取代之，如圖所示。如此一來(lái)，可以減少載板總體的厚度，突破原有含玻纖樹(shù)脂載板在激光鉆孔所遇到的困難度。
但是，隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向小芯片設(shè)計(jì)，封裝的重要程度日漸提升，進(jìn)而給封裝材料提出了新需求。
“因?yàn)檫@些多小芯片設(shè)計(jì)將更耗電（因此更熱），并且由于內(nèi)存和 I/O 接口的擴(kuò)大，需要更高密度的金屬寫入。功率需求的增加給電路的外圍子結(jié)構(gòu)帶來(lái)了額外的壓力。多年來(lái)，尋找新材料用于半導(dǎo)體行業(yè)芯片的核心構(gòu)成一直是一個(gè)熱門話題?！?/span>
anandtech在報(bào)道中說(shuō)。在這種情況下，玻璃成為了很多廠商探索的新目標(biāo)，因?yàn)椴ＡП徽J(rèn)為比基于有機(jī)樹(shù)脂的載板更堅(jiān)硬并具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，但玻璃與銅（或其他金屬線）之間的粘合仍然是鍵合方面的主要挑戰(zhàn)。
但，有不少?gòu)S商已經(jīng)跨出了重要一步。
03
國(guó)產(chǎn)替代空間巨大
從產(chǎn)業(yè)布局來(lái)看，F(xiàn)C-BGA 封裝基板產(chǎn)業(yè)主要集中在中國(guó)臺(tái)灣、日本和韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)，如三星、南亞、欣興、京瓷、景碩等公司。中國(guó)大陸，主要是奧地利公司奧特斯 AT&S在重慶的工廠。
從供應(yīng)端來(lái)看，ABF缺貨的主要原因是缺少ABF基材，而ABF基材供應(yīng)受限，是因?yàn)槠洚a(chǎn)能幾乎集中在一家公司——日本味之素。
據(jù)悉，日本味之素公司在1996年就開(kāi)展了ABF的技術(shù)立項(xiàng)，并一直看好ABF的市場(chǎng)前景，構(gòu)建了知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系，不斷提升技術(shù)壁壘，使其在ABF產(chǎn)業(yè)構(gòu)建了霸主地位，并保持至今。有產(chǎn)業(yè)鏈人士稱，目前味之素的ABF產(chǎn)能已經(jīng)跟不上市場(chǎng)需求，且擴(kuò)產(chǎn)態(tài)度較為謹(jǐn)慎，預(yù)計(jì)到2025年產(chǎn)量復(fù)合增速約為15%。
據(jù)彭博社報(bào)道， 日本、荷蘭已經(jīng)同意加入美國(guó)針對(duì)中國(guó)的半導(dǎo)體制裁。日本的東京電子是美國(guó)在其他類型制造設(shè)備領(lǐng)域的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。日本材料企業(yè)在全球份額較大，如果無(wú)法獲得日本的材料產(chǎn)品，中國(guó)電子行業(yè)將受到巨大沖擊，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程有望加速。
04
玻璃，有望接任？
日前，日本Dai Nippon Printing (DNP) 展示了半導(dǎo)體封裝的一項(xiàng)新開(kāi)發(fā)成果——玻璃芯載板 (GCS：Glass Core Substrate)——據(jù)說(shuō)它可以解決ABF帶來(lái)的許多問(wèn)題。
DNP聲稱，其具有玻璃芯的 HDI 載板與基于有機(jī)樹(shù)脂的載板相比具有更優(yōu)越的性能。根據(jù) Dai Nippon 的說(shuō)法，使用玻璃芯載板 (GCS) 可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的間距，因此可以實(shí)現(xiàn)極其密集的布線，因?yàn)樗膊⑶也灰滓蚋邷囟蛎?。DNP展示的示意圖甚至完全從封裝中省略了細(xì)間距載板，暗示這部分可能不再需要。
DNP 在報(bào)道中還表示，其玻璃芯載板可以提供高縱橫比的高玻璃通孔 (TGV) 密度（與 FPS 兼容）。在這種情況下，縱橫比是玻璃厚度與通孔直徑之間的比率。隨著過(guò)孔數(shù)量的增加和比例的增加，載板的加工變得越來(lái)越困難，并且保持剛性變得更具挑戰(zhàn)性。
從DNP的介紹可以看到，其開(kāi)發(fā)的玻璃載板具有 9 的縱橫比，并確保粘合性以實(shí)現(xiàn)細(xì)間距兼容布線。該公司表示，由于 GCS 厚度限制很少，因此在保持厚度、翹曲、剛度和平滑度之間的平衡方面有很大的自由度?！拔覀冞€有新的專有制造方法增強(qiáng)了玻璃和金屬之間的粘附性，這是傳統(tǒng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的，這也幫助他們實(shí)現(xiàn)了精細(xì)間距和高可靠性。”DNP同時(shí)還強(qiáng)調(diào)。
除了DNP，韓國(guó)SK集團(tuán)旗下的Absolics也看好了玻璃帶來(lái)的機(jī)會(huì)。因?yàn)樗麄冋J(rèn)為玻璃擁有很高的耐熱性，為此他們將其視為半導(dǎo)體封裝的改革者。Absolics表示，隨著微處理的性能提升已達(dá)到極限，半導(dǎo)體行業(yè)正在積極利用異構(gòu)封裝，但現(xiàn)有的半導(dǎo)體載板必須通過(guò)稱為硅中介層的中間載板連接到半導(dǎo)體芯片，而內(nèi)置無(wú)源元件的玻璃載板可以在相同尺寸下集成更多的芯片，功耗也減少了一半。值得一提的是，Absolics在早前還獲得了美國(guó)設(shè)備大廠應(yīng)用材料的投資。
另外，玻璃大廠康寧也看好玻璃在載板中的機(jī)會(huì)。
他們?cè)谝黄撐膶懙溃雽?dǎo)體封裝的新舉措創(chuàng)造了對(duì)新材料解決方案的需求。為擴(kuò)展用于 3D-IC 堆疊的中介層技術(shù)，人們付出了巨大的努力。正在開(kāi)發(fā)多種解決方案來(lái)滿足其中一些需求，包括使用各種常用材料的傳統(tǒng)中介層以及扇出晶圓級(jí)封裝 (FOWLP)，這已成為試圖實(shí)現(xiàn)低成本的普遍考慮因素。
此外，移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的激增導(dǎo)致對(duì) RF 通信的要求越來(lái)越高。這些要求包括引入更多頻段、更小/更薄的封裝尺寸以及在引入新功能時(shí)需要節(jié)省電力以延長(zhǎng)電池壽命等要求。事實(shí)證明，玻璃是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的絕佳解決方案，因?yàn)椴ＡЬ哂性S多支持上述舉措的特性，當(dāng)中包括高電阻率和低電損耗、低或可調(diào)節(jié)的介電常數(shù)以及可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù) (CTE)。
康寧表示，3D IC 堆疊的重要挑戰(zhàn)之一是由于 CTE 不匹配而導(dǎo)致的可靠性，而玻璃提供了一個(gè)極好的機(jī)會(huì)來(lái)管理 3D-IC 堆疊的翹曲，同時(shí)優(yōu)化 CTE。
但是，如果使用 CTE 介于玻璃和有機(jī)物之間的玻璃中介層代替 Si 中介層，則可以更好地管理這種翹曲并提高可靠性，正如佐治亞理工學(xué)院封裝研究中心 (PRC) 的工作所證明的那樣 。
寫在最后
我們必須承認(rèn)，ABF載板的地位是短期內(nèi)不能動(dòng)搖的，從QYR的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)我們也可以看到。根據(jù)他們的統(tǒng)計(jì)，2021年全球ABF基板市場(chǎng)銷售額達(dá)到了43.68億美元，預(yù)計(jì)2028年將達(dá)到65.29億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為5.56%（2022-2028）。
而英特爾和AMD等廠商的大力投入，也可以看做ABF的風(fēng)向標(biāo)。
以英特爾為例，在去年，因?yàn)锳BF的短缺，給英特爾造成了困擾。為此，英特爾宣布其越南組裝和測(cè)試 (VNAT) 工廠現(xiàn)在將在內(nèi)部將電容器連接到 ABF 基板的兩側(cè)。這一變化將使英特爾在 ABF 制造過(guò)程中有效地消除對(duì)外部供應(yīng)商的依賴程度。據(jù)英特爾稱，其結(jié)果是能夠以更快的速度完成芯片組裝 80%；AMD也通過(guò)和多家廠商綁定了長(zhǎng)約，以保證ABF供應(yīng)。
但是，正如這個(gè)行業(yè)里一直上演的故事一樣，沒(méi)有什么是一成不變的。
