【导读】在去年芯片缺货的时候，从三星、台积电到Intel和AMD都对一个材料关注有加，那就是ABF（Ajinomoto Build-up Film ）。而这一切的故事，都要从一家原本做味精的企业味之素说起。
按照味之素集团网站所说，在 1970 年代，集团开始探索鲜味调味品副产品的应用。我们知道其中一些物质具有优异的材料特性，有可能用于电子行业的树脂和涂层剂。处理器变得越来越小，速度越来越快，印刷电路板制造商需要更好的绝缘材料来保持性能。到了1996 年，一家 CPU 制造商与该集团接洽，希望利用氨基酸技术开发一种薄膜型绝缘体。这最终推动了ABF载板的诞生。
正如大家所看到的，电路集成的进步使得由纳米级电子电路组成的 CPU 成为可能。这些电路必须连接到电子设备和系统中的毫米级电子元件。当然，这可以通过使用由多层微电路组成的 CPU的积层载板来实现。而ABF促进了这些微米级电路的形成，因为它的表面可以接受激光加工和直接镀铜。今天，ABF 是形成电路的基本材料，该电路可引导电子从纳米级 CPU 终端流向印刷载板上的毫米级终端。
可以说，ABF的存在让芯片小型化成为可能。然而，随着芯片的持续发展，ABF也迎来了新的挑战。
01 推动ABF 载板需求高升的原因
IC载板，是IC封装中用于连接芯片与PCB板的重要材料，在中低端封装中占材料成本的40-50%，在高端封装中占70-80%，为封装环节价值量最大的耗材，主要分为ABF载板和BT载板。分析人士表示，BT载板和ABF载板的供需缺口，或将增厚A股主营为IC载板的公司的业绩。
从 ABF 载板下游市场规模来看，PC 用 IC 芯片仍然是 ABF 载板用量最大的下游市场，服务 器/转换器、AI 芯片以及 5G 基站芯片 ABF 用量逊于 PC，但增长更快，是未来 ABF 基板增 长的主要动力。预计到 2023 年，ABF 载板 PC 端用量占比达 47%，服务器/交换器、AI 芯 片和 5G 基站用量占比分别为 25%、10%和 7%。从整体规模来看，拓璞产业研究院预计 2021 年 ABF 载板平均月需求量为 2.34 亿颗，2023 年平均月需求量将会达到 3.45 亿颗。
PC 出货量回升是 ABF 载板需求增长的重要动力。长期以来，PC 用 CPU 与 GPU 是 ABF 载板的最主要的下游应用。2011 年全球 PC 出货量达到顶封后逐年下降，ABF 载板需求也 受其影响不断降低；2018 年起，PC 需求开始复苏，2020 年新冠疫情极大推动了线上数字 经济发展，数字经济转型带动 PC 出货量进一步提升。根据 Gartner 统计，2021H1，全球 PC 出货量 1.41 亿台，同比 20H1 增长 21.5%，ABF 载板需求也水涨船高。
云技术、AI 新应用落地，驱动 ABF 载板需求上升。新冠疫情激发线上经济转型，云服务市 场迅速发展，数据中心作为云服务硬件基础，其建设加速带动服务器 CPU、Chipset 出货量 增加，根据 IDC 数据，21Q1 全球服务器服务器市场规模 209 亿美元，同比增长 12%。此 外，语音识别、机器视觉等 AI 应用落地，激发 AI 市场蓬勃，AI 用 CPU、GPU、FPGA 需 求暴涨。新应用推动 HPC 出货，是未来 ABF 载板需求上升的核心推动力。
5G 基站建设拉动 ABF 载板用量。5G 相关应用从 2020 年开始大规模落地，中国 5G 基站 建设速度也于同年加速，2021 年 3 月，全球 5G 基站数量约 127 万座，中国建成 5G 基站 89.1 万座，占比超 70%。据拓璞产业研究院测算，每座 5G 基站中采用的 FPGA 在 3 个以 上，CPU 约 4-5 个，同时包括多个 ASIC 和射频元件。此外，由于 5G 相比于频率高，波长 短，所需建设 5G 数量预计 4G 基站的 1.5 倍以上，双重增长因素叠加下带动 ABF 载板用量 提升。
异质异构集成与 chiplet 技术发展增大芯片封装面积，提升 ABF 载板用量。异质异构集成 的核心在于通过先进的封装技术，将不同工艺、不同材质的 chiplet（小芯片）封装在同一个 芯片中，以实现芯片性能、良率的提升和成本的降低。异质异构集成芯片的尺寸将会更大。 以 AMD 高端 CPU-EPYC 为例，EPYC 采用 4 个独立 Die（chiplet）一起封装的方式，实现 了单 CPU 64 核 128 线程的设计目标。EPYC 最终的封装面积为 852 平方毫米，是单个 Die 封装面积的 4 倍。异质异构集成在提升芯片性能的同时，大大增加了对载板材料的消耗。未 来，该类技术渗透率的提升亦将进一步提升市场对 ABF 载板的需求。
02 ABF，如临大敌
从原理上看，ABF 充当了设备封装内的床，连接 PCB 和纳米级 CPU 的多层微电路组成。
而基于其打造的ABF 基板的一个关键元件是电容器，它主要用于去耦并占据基板的两侧。
anandtech在报道中也表示，现代芯片通常被安装在细间距载板 (FPS：fine pitch substrates ) 上，然后将其放置在多层高密度互连 (HDI：high-density interconnect) 载板上。而如今最先进的 CPU/GPU HDI 载板都使用Ajinomoto Build-up Film (ABF)，它结合了有机环氧树脂、硬化剂和无机微粒填料。ABF易于使用，可实现高密度间距（从而实现高密度金属布线），具有足以满足现代芯片的绝缘性能、高刚性、高耐用性和低热膨胀等因素。
台湾工研院材化所的庄贵贻也曾撰文指出，ABF载板材料是90年代由Intel所主导的材料，用于导入覆晶构装制程等高级载板的生产，可制成较细线路、适合高脚数、高传输的IC封装。其载板核心结构仍是保留以玻纤布预浸树脂(FR-5或BT树脂)做为核心层(Core Substrate)，再使用增层材料(Build up Materials )叠加的方式增加层数，以双面核心为基础，做上下对称式的加层，但上下的增层结构，舍去原用的预浸玻纤布压合铜箔的铜箔载板，而在ABF膜层上改用电镀铜取代之，如图所示。如此一来，可以减少载板总体的厚度，突破原有含玻纤树脂载板在激光钻孔所遇到的困难度。
但是，随着产业转向小芯片设计，封装的重要程度日渐提升，进而给封装材料提出了新需求。
“因为这些多小芯片设计将更耗电（因此更热），并且由于内存和 I/O 接口的扩大，需要更高密度的金属写入。功率需求的增加给电路的外围子结构带来了额外的压力。多年来，寻找新材料用于半导体行业芯片的核心构成一直是一个热门话题。”
anandtech在报道中说。在这种情况下，玻璃成为了很多厂商探索的新目标，因为玻璃被认为比基于有机树脂的载板更坚硬并具有多项优势，但玻璃与铜（或其他金属线）之间的粘合仍然是键合方面的主要挑战。
但，有不少厂商已经跨出了重要一步。
03 国产替代空间巨大
从产业布局来看，FC-BGA 封装基板产业主要集中在中国台湾、日本和韩国等国家和地区，如三星、南亚、欣兴、京瓷、景硕等公司。中国大陆，主要是奥地利公司奥特斯 AT&S在重庆的工厂。
从供应端来看，ABF缺货的主要原因是缺少ABF基材，而ABF基材供应受限，是因为其产能几乎集中在一家公司——日本味之素。
据悉，日本味之素公司在1996年就开展了ABF的技术立项，并一直看好ABF的市场前景，构建了知识产权保护体系，不断提升技术壁垒，使其在ABF产业构建了霸主地位，并保持至今。有产业链人士称，目前味之素的ABF产能已经跟不上市场需求，且扩产态度较为谨慎，预计到2025年产量复合增速约为15%。
据彭博社报道， 日本、荷兰已经同意加入美国针对中国的半导体制裁。日本的东京电子是美国在其他类型制造设备领域的主要竞争对手。日本材料企业在全球份额较大，如果无法获得日本的材料产品，中国电子行业将受到巨大冲击，国产化进程有望加速。
04 玻璃，有望接任？
日前，日本Dai Nippon Printing (DNP) 展示了半导体封装的一项新开发成果——玻璃芯载板 (GCS：Glass Core Substrate)——据说它可以解决ABF带来的许多问题。
DNP声称，其具有玻璃芯的 HDI 载板与基于有机树脂的载板相比具有更优越的性能。根据 Dai Nippon 的说法，使用玻璃芯载板 (GCS) 可以实现更精细的间距，因此可以实现极其密集的布线，因为它更硬并且不易因高温而膨胀。DNP展示的示意图甚至完全从封装中省略了细间距载板，暗示这部分可能不再需要。
DNP 在报道中还表示，其玻璃芯载板可以提供高纵横比的高玻璃通孔 (TGV) 密度（与 FPS 兼容）。在这种情况下，纵横比是玻璃厚度与通孔直径之间的比率。随着过孔数量的增加和比例的增加，载板的加工变得越来越困难，并且保持刚性变得更具挑战性。
从DNP的介绍可以看到，其开发的玻璃载板具有 9 的纵横比，并确保粘合性以实现细间距兼容布线。该公司表示，由于 GCS 厚度限制很少，因此在保持厚度、翘曲、刚度和平滑度之间的平衡方面有很大的自由度。“我们还有新的专有制造方法增强了玻璃和金属之间的粘附性，这是传统技术难以实现的，这也帮助他们实现了精细间距和高可靠性。”DNP同时还强调。
除了DNP，韩国SK集团旗下的Absolics也看好了玻璃带来的机会。因为他们认为玻璃拥有很高的耐热性，为此他们将其视为半导体封装的改革者。Absolics表示，随着微处理的性能提升已达到极限，半导体行业正在积极利用异构封装，但现有的半导体载板必须通过称为硅中介层的中间载板连接到半导体芯片，而内置无源元件的玻璃载板可以在相同尺寸下集成更多的芯片，功耗也减少了一半。值得一提的是，Absolics在早前还获得了美国设备大厂应用材料的投资。
另外，玻璃大厂康宁也看好玻璃在载板中的机会。
他们在一篇论文写道，半导体封装的新举措创造了对新材料解决方案的需求。为扩展用于 3D-IC 堆叠的中介层技术，人们付出了巨大的努力。正在开发多种解决方案来满足其中一些需求，包括使用各种常用材料的传统中介层以及扇出晶圆级封装 (FOWLP)，这已成为试图实现低成本的普遍考虑因素。
此外，移动设备和物联网 (IoT) 的激增导致对 RF 通信的要求越来越高。这些要求包括引入更多频段、更小/更薄的封装尺寸以及在引入新功能时需要节省电力以延长电池寿命等要求。事实证明，玻璃是应对这些挑战的绝佳解决方案，因为玻璃具有许多支持上述举措的特性，当中包括高电阻率和低电损耗、低或可调节的介电常数以及可调节的热膨胀系数 (CTE)。
康宁表示，3D IC 堆叠的重要挑战之一是由于 CTE 不匹配而导致的可靠性，而玻璃提供了一个极好的机会来管理 3D-IC 堆叠的翘曲，同时优化 CTE。
但是，如果使用 CTE 介于玻璃和有机物之间的玻璃中介层代替 Si 中介层，则可以更好地管理这种翘曲并提高可靠性，正如佐治亚理工学院封装研究中心 (PRC) 的工作所证明的那样 。
写在最后
我们必须承认，ABF载板的地位是短期内不能动摇的，从QYR的统计及预测我们也可以看到。根据他们的统计，2021年全球ABF基板市场销售额达到了43.68亿美元，预计2028年将达到65.29亿美元，年复合增长率（CAGR）为5.56%（2022-2028）。
而英特尔和AMD等厂商的大力投入，也可以看做ABF的风向标。
以英特尔为例，在去年，因为ABF的短缺，给英特尔造成了困扰。为此，英特尔宣布其越南组装和测试 (VNAT) 工厂现在将在内部将电容器连接到 ABF 基板的两侧。这一变化将使英特尔在 ABF 制造过程中有效地消除对外部供应商的依赖程度。据英特尔称，其结果是能够以更快的速度完成芯片组装 80%；AMD也通过和多家厂商绑定了长约，以保证ABF供应。
但是，正如这个行业里一直上演的故事一样，没有什么是一成不变的。
来源：贤集网
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