电子基板是半导体芯片封装的载体,搭载电子元器件的支撑,构成电子电路的基盘,按其结构可分为普通基板、印制电路板(PCB)、模块基板等几大类。其中PCB在原有双面板、多层板的基础上,近年来又出现积层(build-up)多层板。模块基板是指新兴发展起来的可以搭载在PCB之上,以BGA、CSP、TAB、MCM为代表的封装基板(Package Substrate,简称PKG基板)。小到芯片、电子元器件,大到电路系统、电子设备整机,都离不开电子基板。近年来在电子基板中,高密度多层基板所占比例越来越大。
基板有很多分类方式,按照材料可分为树脂基板、陶瓷基板、金属基板等;按照层数分为单面板、双面板、多层板等。基板的组成结构一般包括Core材、Conductor、PP和Solder Mask。其中,
Core材:内层板材。随着电子产品轻薄化需求,也发展出来coreless基板。
Conductor层即金属层。中间层一般为Cu,top和bottom层一般会做电镀镍金表面处理,电镀镍金有优良的打线性能,满足wire bonding需求。
PP(prepreg):在被层压前未半固化片,又称为预浸材料,主要用于多层印制板的内层导电图形的粘合材料及绝缘材料。
Solder Mask:绿油,又称阻焊层。相当于在基板表面覆盖的保护层,防止金属层氧化,湿气、机械应力层的影响。
基板的加工工艺流程如下图所示:
整个流程可以简化为:内层线路-压合-外层线路-绿油-电镀-终检。具体关键步骤如下,
内层线路工艺:
1) 对来料进行预处理,去除板面上的附着物,并进行微蚀增加附着力。
2) 将干膜压合在铜板上。
3) 利用光刻机将掩膜版图案转移到干膜上。
4) 利用显影液与未曝光干膜的反应,将其去除。
5) 利用药水与铜的化学反应,对未被干膜保护的铜面进行蚀刻,形成线路。
6) 将干膜去除,完成内层线路图形的制作。
压合工艺:
1) 棕化,即通过化学处理,使内层铜面上生产成氧化层,粗化铜面,以增加结合力。
2) 叠板铆合,将PP片、内层板对位叠好,用铆钉机(或者热熔机),固定在一起。
3) 压合,将辅材、(铜箔)、(PP 片)、预叠好的组件(芯板),通过自动回流线,送入压机,将各层粘结为一个整体。
4) 压合后处理,对压合后的板子进行处理,以便继续生产,其中,X-ray检层偏与铣靶孔,为最重要的一环。
外层线路工艺:外层线路的加工流程与内层线路相似。
接下来再谈谈现代PCB生产工艺之加成法、减成法、和半加成法的区别。
加成法(AP):如下图,在含光敏催化剂的绝缘基板进行线路曝光,经钻孔、沉铜、转移层压等工艺加工,直接将导电图形制作在绝缘基材上。
减成法(Subtractive):敷铜板上先整板电镀一层铜,将线路及导通孔保护起来,将不需要的铜皮选择性蚀刻掉,只留下线路及导通孔中的铜。
半加成法(MSAP/SAP):(将加成法与减成法相结合),预先处理的基材(覆铜)上,在外层线路工序中,将不需要电镀的区域保护起来,然后再次进行电镀。此工艺需要镀二次铜,称之为半加成法。根据有无基铜,可将半加成法分成改良型半加成法和半加成法。
依据工艺需求(线宽、精度),在同一款基板的制作中也可以使用减成法、半加成法、加成法等的混合工艺,比如不同层用不同的工艺。
基板制作完成后,为了确保出货需求,需要进行电测试(排除开短路异常)、外观检测(100%外观人工目检。检验范围包括焊线区、防焊区及锡球垫区)、出货检测(检测基板的各项尺寸是否符合规格,如基板的长宽,孔的大小、位置,基板的翘曲度,线宽线距,铜厚等)。
近些年,为满足高性能计算机、新一代移动通信、人工智能、汽车电子以及国防装备等领域的需求,电子产品朝着高性能、高集成度的方向发展。IC封装基板是半导体封装体的重要组成材料,用于搭载芯片,为芯片提供电连接、保护、支撑和散热等。为实现3D-SiP的系统级集成需求,满足未来5G、高性能计算机等高端应用的需求,业界对先进基板提出了提高布线密度、减小线宽线距、减小尺寸与重量,改善热性能的要求。目前,先进封装基板的研究方向主要有工艺改进、精细线路、倒装芯片球栅格阵列封装基板(flip chip ball grid array,FCBGA)、无芯封装基板、有源、无源器件的埋入基板等。
FCBGA有机基板,是指应用于倒装芯片球栅格阵列封装的高密度IC封装基板。其通常以日本味之素生产的味之素积层介质薄膜(Ajinomoto build-up film,ABF)作为积层绝缘介质材料,采用半加成法(semi-additiveprocess,SAP)制造。ABF材料是一种低热膨胀系数、低介电损耗的热固性薄膜,其易于加工精细线路、机械性能良好、耐用性好的特性,使它成为FCBGA封装基板的标准积层介质材料。高密度大尺寸FCBGA封装基板的研究方向主要有ABF材料工艺、薄型FCBGA封装基板和细线路加工工艺等。而压合工艺,则是积层法制造工艺的灵魂所在。压合工艺通常是指,将铜箔、半固化片和己做好线路的芯板(core),按一定顺序叠合,然后经由压机,先热压,在高温高压条件下,半固化片PP中的树脂会熔融,并流动填充芯板图形,之后树脂凝胶化,将各层粘结在一起;再冷压,释放应力,确保产品平整。
根据是否有芯板,IC封装基板可被分为有芯基板(core)和无芯基板(coreless)。有芯基板是带有芯板(核心支撑层)的封装基板。如下图所示是有芯基板和无芯基板的结构示意图。有芯基板由中间的芯板和上下部分的积层板构成。无芯基板,则是除去了芯板的封装基板,仅由积层板构成。
有芯基板的刚性芯板层相比于其他层更厚,其通孔直径与其他层之间的差别,导致高频信号在传输过程中存在反射和延迟问题。
无芯封装基板厚度仅为传统基板厚度的1/3,厚度降低,不仅使无芯基板更能适应消费类电子产品轻、薄、短、小的趋势,还使它具有更高的信号传输速度、更好的信号完整性、更低的阻抗、更自由的布线设计、以及能够实现更精细的图形和间距等特点。但由于无芯基板缺乏钢性芯板的机械支撑,使得无芯封装基板强度不足,易于翘曲。如何减少制造和装配过程中的翘曲,成为无芯封装基板研究和生产领域的重要课题。常见的降低无芯封装基板翘曲的方法有:在半固化片中添加玻璃纤维以增加刚度,将基板表层电介质材料更换为刚度更强的半固化片,使用低热膨胀系数电介质材料以降低Cu线路-电介质材料之间热膨胀系数失配导致的翘曲,针对制程开发能够减少翘曲的合适夹具,平衡基板各层覆铜率以减少上下层热膨胀系数失配等。
埋入式基板技术诞生于消费类电子产品轻薄短小的发展趋势下。埋入式基板技术根据埋入的元器件种类,可大致分为无源元件埋入、有源器件埋入以及无源、有源混埋技术和Intel的嵌入式多核心互联桥接(embedded multi-die interconnect bridge,EMIB)技术。相比于传统的、将元器件全部焊接至PCB板表面的技术,元器件埋入基板技术能够缩小元件间互连距离,提高信号传输速度,减少信号串扰、噪声和电磁干扰,提升电性能,降低模块大小,提高模块集成度,节省基板外层空间,提升器件连接的机械强度。对于实现高性能、高要求、小型化、薄型化的便携式电子设备具有非常重要的意义。
无源元件埋入基板可大致分为平面埋入和分立式埋入两种。平面埋入是使用电阻、电容材料通过压合、图形转移、化学蚀刻等方法,在绝缘基材上制作相应的电阻、电容图形。分立式埋入则是直接将超小尺寸无源器件埋入封装基板。无源器件埋入式基板诞生于20世纪70年代,最初无源器件埋入基板的实现基于低温共烧陶瓷基板技术,之后,得益于较低的成本和较简单的工艺,有机基板的无源元件埋入得到了快速发展。目前,有机基板埋入无源器件在国内外多家公司已实现量产,如IBM、Nortel、深南电路等。
有源元件埋入技术的概念最早在1960年被提出,Intel的无凸点积层多层法(bumpless build-up layer,BBUL)技术的诞生标志着有源器件埋入基板技术的首次实现。按照芯片埋入的制程先后顺序,有源器件埋入基板技术可分为芯片先置型(chip-first)埋入技术和芯片后置型(chip-last)埋入技术。芯片先置型埋入技术先将芯片埋入有机绝缘介质中,之后再制作电路图形以实现信号传输和电源供应。芯片后置型埋入技术(chip-last)技术由佐治亚理工大学提出。它先制作build-up基板,在制作好的基板上开槽并制作好电路图形,将芯片放置在槽中,实现电气连接后再使用树脂填充芯片与槽体之间的间隙。与芯片先置技术相比,chip-last技术埋入的芯片位于基板的最上层,可返工且散热更好,埋入芯片后没有其他基板增层工艺步骤,加工良率更高。但是芯片先置技术也有其优势,芯片后置技术埋入芯片只能埋入一层芯片,且埋入芯片的基板表面无法再贴装器件,因此芯片先置技术对基板空间纵向利用率较芯片后置技术更好。
EMIB技术于2000年代中期由Mahajan和Sane等首次提出,Intel于2015在工业量产中实现应用。如下图所示,EMIB是将带有多层导电金属(back end of line,BEOL)互连的超薄硅片埋入有机封装基板的最上层,通过焊球与倒装芯片的连接,以实现两个或多个芯片之间的局部高密度互连。这种埋入式结构可被放置在有机基板的任意位置以实现超高密度局部互连,在远大于典型掩膜版尺寸范围内集成大芯片,使用非常灵活。EMIB技术的制程简单、带宽高、功耗低、尺寸小、电性能优良、信号完整性好、灵活等特点,使其成为先进封装异构集成领域的重要技术之一。
屹立芯创 · 除泡品类开创者
————————————————
联系我们
电话:4000202002; 13327802009
地址:南京市江北新区星火北路11号
官网:www.eleadtech-global.com
邮箱:info@elead-tech.com