隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G通訊、智能駕駛的快速商用化，市場(chǎng)對(duì)高性能計(jì)算芯片的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，直接推動(dòng)了芯片功耗的顯著提升。FCBGA封裝技術(shù)目前已成為高端芯片封裝的主流解決方案。
根據(jù)觀研天下數(shù)據(jù)顯示，從全球市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，2024年全球先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模達(dá)519.00億美元，同比增長(zhǎng)10.9%；預(yù)計(jì)2025年全球先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)571億美元。從市場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，先進(jìn)封裝市場(chǎng)主要以FCBGA為主，占比達(dá)34%；2.5D/3D封裝和FCCSP封裝在全球市場(chǎng)占比均為20%。
圖1 全球先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模（鴻富誠(chéng)根據(jù)公開資料整理）
最近幾年，全球及中國(guó)ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）芯片市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局呈現(xiàn)“外資巨頭主導(dǎo)+本土廠商崛起”的雙重特征，NVIDIA、高通和Mobileye在全球范圍內(nèi)獲得市場(chǎng)認(rèn)可，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)以華為、地平線、黑芝麻智能為主，隨著算力TOPS上升，SOC熱流密度急劇上升，芯片尺寸也在逐步增大，芯片封裝多采用帶Lid蓋的FCBGA封裝結(jié)構(gòu)。FCBGA封裝技術(shù)因其在高性能計(jì)算組件中的高度集成、高效散熱、高可靠性等優(yōu)勢(shì)而受到業(yè)界的廣泛認(rèn)可和采納。
圖2 采用FCBGA封裝設(shè)計(jì)的ASDS 智駕芯片（鴻富誠(chéng)根據(jù)公開資料整理）
FCBGA封裝技術(shù)具備以下核心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
1、高密度互連
倒裝芯片設(shè)計(jì)縮短電氣互連距離，支持更多I/O引腳，降低寄生效應(yīng)，提升高頻信號(hào)完整性和準(zhǔn)確性。
2、高效散熱
Die在運(yùn)算過(guò)程中90%以上熱量直接從Lid蓋傳導(dǎo)至外部散熱器進(jìn)行散熱。散熱路徑的TIM和Lid的有效散熱面積和低熱阻至關(guān)重要。
3、高集成度
10+層布線支持復(fù)雜供電/信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，薄型化設(shè)計(jì)滿足車載/移動(dòng)設(shè)備空間限制。
4、長(zhǎng)期可靠性
Underfill材料提升機(jī)械強(qiáng)度，TIM材料提供長(zhǎng)期穩(wěn)定傳熱，Lid蓋提供散熱和機(jī)械抗壓抗震動(dòng)沖擊雙重保護(hù)。
圖3 典型帶Lid蓋結(jié)構(gòu)的FCBGA橫截面示意圖
FCBGA封裝散熱技術(shù)的挑戰(zhàn)與材料革新
作為高性能芯片的主流封裝方案，芯片算力和功耗的節(jié)節(jié)攀升，對(duì)FCBGA的散熱效能和長(zhǎng)期運(yùn)算的可靠性提出了更高的要求。隨著AI加速芯片、高階智能駕駛SOC芯片的普及，主流芯片熱流密度和芯片尺寸顯著增大 ，傳統(tǒng)散熱材料體系正面臨根本性挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)材料（硅脂、銦片）在大尺寸大功率FCBGA封裝應(yīng)用中面臨重重困境
1、硅脂
導(dǎo)熱系數(shù)低：導(dǎo)熱系數(shù)僅3-6W/m·K，難以應(yīng)對(duì)高熱流密度場(chǎng)景
材料風(fēng)險(xiǎn)：長(zhǎng)期使用存在干涸老化問題，導(dǎo)致界面熱阻（TIM Resistance）非線性增長(zhǎng)。大尺寸封裝覆蓋率低。
2、銦片
工藝瓶頸：雖然具有86 W/m·K高導(dǎo)熱性，但需要Flux Spray、真空回流焊等復(fù)雜制程，原材料、設(shè)備投入與維護(hù)、工藝成本居高不下。
材料缺陷顯著：
易氧化性使長(zhǎng)期熱老化后界面熱阻上升30%以上；
低延展性易引發(fā)機(jī)械應(yīng)力集中，疊加循環(huán)熱應(yīng)力和機(jī)械振動(dòng)，導(dǎo)致CTE不匹配，熱界面易剝離；
熔點(diǎn)低，高溫真空回流焊導(dǎo)致微空隙率（Void Rate）>5%，覆蓋率不足，回流焊時(shí)溢料風(fēng)險(xiǎn)威脅器件可靠性。
熱界面材料技術(shù)迭代的優(yōu)選路徑
為更好的解決高功耗大尺寸FCBGA的散熱難題，業(yè)內(nèi)采取具有更低熱阻的Lidless封裝，但Lid在芯片物理保護(hù)、均熱效率、防污防塵上仍具有較大優(yōu)勢(shì)，因此在FCBGA場(chǎng)景中，行業(yè)內(nèi)正加速驗(yàn)證石墨烯導(dǎo)熱墊片在TIM1場(chǎng)景的可行性，通過(guò)其本征低熱阻、可應(yīng)對(duì)大尺寸芯片翹曲、長(zhǎng)周期可靠性的特性，構(gòu)建下一代FCBGA封裝散熱解決方案。
圖4 鴻富誠(chéng)石墨烯導(dǎo)熱墊片由縱向連續(xù)、高導(dǎo)熱、低密度石墨烯構(gòu)成
鴻富誠(chéng)針對(duì)高功率大尺寸FCBGA芯片封裝TIM1場(chǎng)景提出創(chuàng)新石墨烯導(dǎo)熱墊片產(chǎn)品解決方案：
1. 超低熱阻，工藝簡(jiǎn)化，高效熱收益
采用鴻富誠(chéng)石墨烯導(dǎo)熱材料，可直接自動(dòng)化貼裝并施加合適的封裝壓力，熱阻低至0.04℃cm2/W，無(wú)需Flux Spray、真空reflow，在相同功耗下，芯片結(jié)溫與銦片相當(dāng)，可減少因芯片過(guò)熱導(dǎo)致的降頻和壽命問題。
2. 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適配CTE且抗翹曲
鴻富誠(chéng)石墨烯導(dǎo)熱墊片采用定向排列技術(shù)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)導(dǎo)熱，海綿結(jié)構(gòu)的多孔特性負(fù)責(zé)形變，回彈率高，壓縮應(yīng)力小，能自適應(yīng)0.1-0.2mm的Lid和Die翹曲。
3. 超高可靠性，高覆蓋，零外溢
鴻富誠(chéng)石墨烯導(dǎo)熱墊片通過(guò)內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室及量產(chǎn)客戶實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)苛的1000h以上的高溫、高低溫沖擊、雙85老化測(cè)試，石墨烯導(dǎo)熱墊片熱阻變化率均＜5%，相對(duì)于硅脂85%-95%、銦片80%-95%的覆蓋率，石墨烯導(dǎo)熱墊片老化測(cè)試后仍接近100%覆蓋，可靠性顯著優(yōu)于硅脂和銦片。
圖5 鴻富誠(chéng)石墨烯導(dǎo)熱墊片150℃ 1000h老化后CSAM，孔隙率＜0.1%，無(wú)脫層
圖6 鴻富誠(chéng)石墨烯導(dǎo)熱墊片
鴻富誠(chéng)縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片積累多年芯片散熱應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化產(chǎn)線和量產(chǎn)交付，產(chǎn)品品質(zhì)獲得國(guó)內(nèi)外多家芯片行業(yè)龍頭企業(yè)認(rèn)可。助力高功率大尺寸芯片簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和制造難度，并提供長(zhǎng)期高效可靠散熱，為先進(jìn)封裝提供創(chuàng)新產(chǎn)品方案。
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