ABF載板需求高升下迎來新挑戰(zhàn)，替代材料已經(jīng)出現(xiàn)？
按照味之素集團網(wǎng)站所說，在 1970 年代，集團開始探索鮮味調(diào)味品副產(chǎn)品的應用。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)的樹脂和涂層劑。處理器變得越來越小，速度越來越快，印刷電路板制造商需要更好的絕緣材料來保持性能。到了1996 年，一家 CPU 制造商與該集團接洽，希望利用氨基酸技術(shù)開發(fā)一種薄膜型絕緣體。這最終推動了ABF載板的誕生。
正如大家所看到的，電路集成的進步使得由納米級電子電路組成的 CPU 成為可能。這些電路必須連接到電子設備和系統(tǒng)中的毫米級電子元件。當然，這可以通過使用由多層微電路組成的 CPU的積層載板來實現(xiàn)。而ABF促進了這些微米級電路的形成，因為它的表面可以接受激光加工和直接鍍銅。今天，ABF 是形成電路的基本材料，該電路可引導電子從納米級 CPU 終端流向印刷載板上的毫米級終端。
可以說，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也迎來了新的挑戰(zhàn)。
01
推動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龊馎股主營為IC載板的公司的業(yè)績。
從 ABF 載板下游市場規(guī)模來看，PC 用 IC 芯片仍然是 ABF 載板用量最大的下游市場，服務 器/轉(zhuǎn)換器、AI 芯片以及 5G 基站芯片 ABF 用量遜于 PC，但增長更快，是未來 ABF 基板增 長的主要動力。預計到 2023 年，ABF 載板 PC 端用量占比達 47%，服務器/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)模來看，拓璞產(chǎn)業(yè)研究院預計 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達到 3.45 億顆。
PC 出貨量回升是 ABF 載板需求增長的重要動力。長期以來，PC 用 CPU 與 GPU 是 ABF 載板的最主要的下游應用。2011 年全球 PC 出貨量達到頂封后逐年下降，ABF 載板需求也 受其影響不斷降低；2018 年起，PC 需求開始復蘇，2020 年新冠疫情極大推動了線上數(shù)字 經(jīng)濟發(fā)展，數(shù)字經(jīng)濟轉(zhuǎn)型帶動 PC 出貨量進一步提升。根據(jù) Gartner 統(tǒng)計，2021H1，全球 PC 出貨量 1.41 億臺，同比 20H1 增長 21.5%，ABF 載板需求也水漲船高。
云技術(shù)、AI 新應用落地，驅(qū)動 ABF 載板需求上升。新冠疫情激發(fā)線上經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，云服務市 場迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心作為云服務硬件基礎，其建設加速帶動服務器 CPU、Chipset 出貨量 增加，根據(jù) IDC 數(shù)據(jù)，21Q1 全球服務器服務器市場規(guī)模 209 億美元，同比增長 12%。此 外，語音識別、機器視覺等 AI 應用落地，激發(fā) AI 市場蓬勃，AI 用 CPU、GPU、FPGA 需 求暴漲。新應用推動 HPC 出貨，是未來 ABF 載板需求上升的核心推動力。
5G 基站建設拉動 ABF 載板用量。5G 相關(guān)應用從 2020 年開始大規(guī)模落地，中國 5G 基站 建設速度也于同年加速，2021 年 3 月，全球 5G 基站數(shù)量約 127 萬座，中國建成 5G 基站 89.1 萬座，占比超 70%。據(jù)拓璞產(chǎn)業(yè)研究院測算，每座 5G 基站中采用的 FPGA 在 3 個以 上，CPU 約 4-5 個，同時包括多個 ASIC 和射頻元件。此外，由于 5G 相比于頻率高，波長 短，所需建設 5G 數(shù)量預計 4G 基站的 1.5 倍以上，雙重增長因素疊加下帶動 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 的核心在于通過先進的封裝技術(shù)，將不同工藝、不同材質(zhì)的 chiplet（小芯片）封裝在同一個 芯片中，以實現(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更大。 以 AMD 高端 CPU-EPYC 為例，EPYC 采用 4 個獨立 Die（chiplet）一起封裝的方式，實現(xiàn) 了單 CPU 64 核 128 線程的設計目標。EPYC 最終的封裝面積為 852 平方毫米，是單個 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，大大增加了對載板材料的消耗。未 來，該類技術(shù)滲透率的提升亦將進一步提升市場對 ABF 載板的需求。
02
ABF，如臨大敵
從原理上看，ABF 充當了設備封裝內(nèi)的床，連接 PCB 和納米級 CPU 的多層微電路組成。
而基于其打造的ABF 基板的一個關(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在報道中也表示，現(xiàn)代芯片通常被安裝在細間距載板 (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。而如今最先進的 CPU/GPU HDI 載板都使用Ajinomoto Build-up Film (ABF)，它結(jié)合了有機環(huán)氧樹脂、硬化劑和無機微粒填料。ABF易于使用，可實現(xiàn)高密度間距（從而實現(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所主導的材料，用于導入覆晶構(gòu)裝制程等高級載板的生產(chǎn)，可制成較細線路、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浸樹脂(FR-5或BT樹脂)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，做上下對稱式的加層，但上下的增層結(jié)構(gòu)，舍去原用的預浸玻纖布壓合銅箔的銅箔載板，而在ABF膜層上改用電鍍銅取代之，如圖所示。如此一來，可以減少載板總體的厚度，突破原有含玻纖樹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)向小芯片設計，封裝的重要程度日漸提升，進而給封裝材料提出了新需求。
“因為這些多小芯片設計將更耗電（因此更熱），并且由于內(nèi)存和 I/O 接口的擴大，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)帶來了額外的壓力。多年來，尋找新材料用于半導體行業(yè)芯片的核心構(gòu)成一直是一個熱門話題。”
anandtech在報道中說。在這種情況下，玻璃成為了很多廠商探索的新目標，因為玻璃被認為比基于有機樹脂的載板更堅硬并具有多項優(yōu)勢，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，有不少廠商已經(jīng)跨出了重要一步。
03
國產(chǎn)替代空間巨大
從產(chǎn)業(yè)布局來看，F(xiàn)C-BGA 封裝基板產(chǎn)業(yè)主要集中在中國臺灣、日本和韓國等國家和地區(qū)，如三星、南亞、欣興、京瓷、景碩等公司。中國大陸，主要是奧地利公司奧特斯 AT&S在重慶的工廠。
從供應端來看，ABF缺貨的主要原因是缺少ABF基材，而ABF基材供應受限，是因為其產(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年就開展了ABF的技術(shù)立項，并一直看好ABF的市場前景，構(gòu)建了知識產(chǎn)權(quán)保護體系，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)跟不上市場需求，且擴產(chǎn)態(tài)度較為謹慎，預計到2025年產(chǎn)量復合增速約為15%。
據(jù)彭博社報道， 日本、荷蘭已經(jīng)同意加入美國針對中國的半導體制裁。日本的東京電子是美國在其他類型制造設備領域的主要競爭對手。日本材料企業(yè)在全球份額較大，如果無法獲得日本的材料產(chǎn)品，中國電子行業(yè)將受到巨大沖擊，國產(chǎn)化進程有望加速。
04
玻璃，有望接任？
日前，日本Dai Nippon Printing (DNP) 展示了半導體封裝的一項新開發(fā)成果——玻璃芯載板 (GCS：Glass Core Substrate)——據(jù)說它可以解決ABF帶來的許多問題。
DNP聲稱，其具有玻璃芯的 HDI 載板與基于有機樹脂的載板相比具有更優(yōu)越的性能。根據(jù) Dai Nippon 的說法，使用玻璃芯載板 (GCS) 可以實現(xiàn)更精細的間距，因此可以實現(xiàn)極其密集的布線，因為它更硬并且不易因高溫而膨脹。DNP展示的示意圖甚至完全從封裝中省略了細間距載板，暗示這部分可能不再需要。
DNP 在報道中還表示，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。隨著過孔數(shù)量的增加和比例的增加，載板的加工變得越來越困難，并且保持剛性變得更具挑戰(zhàn)性。
從DNP的介紹可以看到，其開發(fā)的玻璃載板具有 9 的縱橫比，并確保粘合性以實現(xiàn)細間距兼容布線。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。“我們還有新的專有制造方法增強了玻璃和金屬之間的粘附性，這是傳統(tǒng)技術(shù)難以實現(xiàn)的，這也幫助他們實現(xiàn)了精細間距和高可靠性。”DNP同時還強調(diào)。
除了DNP，韓國SK集團旗下的Absolics也看好了玻璃帶來的機會。因為他們認為玻璃擁有很高的耐熱性，為此他們將其視為半導體封裝的改革者。Absolics表示，隨著微處理的性能提升已達到極限，半導體行業(yè)正在積極利用異構(gòu)封裝，但現(xiàn)有的半導體載板必須通過稱為硅中介層的中間載板連接到半導體芯片，而內(nèi)置無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設備大廠應用材料的投資。
另外，玻璃大廠康寧也看好玻璃在載板中的機會。
他們在一篇論文寫道，半導體封裝的新舉措創(chuàng)造了對新材料解決方案的需求。為擴展用于 3D-IC 堆疊的中介層技術(shù)，人們付出了巨大的努力。正在開發(fā)多種解決方案來滿足其中一些需求，包括使用各種常用材料的傳統(tǒng)中介層以及扇出晶圓級封裝 (FOWLP)，這已成為試圖實現(xiàn)低成本的普遍考慮因素。
此外，移動設備和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的激增導致對 RF 通信的要求越來越高。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需要節(jié)省電力以延長電池壽命等要求。事實證明，玻璃是應對這些挑戰(zhàn)的絕佳解決方案，因為玻璃具有許多支持上述舉措的特性，當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 不匹配而導致的可靠性，而玻璃提供了一個極好的機會來管理 3D-IC 堆疊的翹曲，同時優(yōu)化 CTE。
但是，如果使用 CTE 介于玻璃和有機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，ABF載板的地位是短期內(nèi)不能動搖的，從QYR的統(tǒng)計及預測我們也可以看到。根據(jù)他們的統(tǒng)計，2021年全球ABF基板市場銷售額達到了43.68億美元，預計2028年將達到65.29億美元，年復合增長率（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的風向標。
以英特爾為例，在去年，因為ABF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 制造過程中有效地消除對外部供應商的依賴程度。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也通過和多家廠商綁定了長約，以保證ABF供應。
但是，正如這個行業(yè)里一直上演的故事一樣，沒有什么是一成不變的。
