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浅析封装基板的设计开发

发布时间:2022-09-27 05:52:51 来源:18新利官网 作者:18新利官网在线登陆

  摘要:简述了封装基板在 IT 时代的突出地位;须厘清或了解的相关知识;电子封装需解决的技术课题;封装基板需解决的技术课题及基板类型;有机封装基板的发展、封装用有机基板、有机封装基板的特点、主要性能要求及分类;介绍了封装基板的设计原则,从原辅材料的选择、配方设计、工艺设计等方面浅析封装基板的开发;并推荐了 DCPD 酚环氧及 DCPD 酚活性脂在封装、高频/高速、高性能、高可靠性基板中的应用。

  电子信息时代 PCB 作为最基础、最活跃的电子部件登上国际电子产业舞台,成为电子产业不可缺少的重要组成部分。从消费类到投资类电子产品,从民用到军用电子设备,PCB均发挥着前所未有的功能和作用。20 世纪末国际上逐渐将沿用上百年的 PCB 改称为电子基板(electronic substrate),此称谓的改变意味着传统的 PCB 业已跨入高密度多层基板时代,封装基板被提到突出地位。

  电子基板按其结构可分为普通基板、印制电路板、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)。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。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。

  诞生于上世纪 90 年代初,并于中期在全球得到快速发展的积层多层板(build-up multplayer board,简称 BUM 基板)是实现高密度布线的有效方式。积层多层板在欧美称为高密度互连基板(high density interconnection substrate,简称 HDI 基板);在台湾称为“微细通孔基板”(简称微孔板),尽管称谓不同,但在超微细、多层立体布线、微细孔、层间互连等方面却是完全一致的。在实现节距微细化的同时,其面积、厚度、质量可大大降低,产品的质量、稳定性、可靠性则大大提高。

  “封装”一词用于电子工程的历史并不长。在真空电子管时代,将电子管等器件安装在管座上构成电路设备一般称为“组装”或“装配”,当时还没有“封装”这一概念。

  自从三极管、IC 等半导体元件的出现,改变了电子工程的历史。一方面,这些半导体元件细小柔嫩;另一方面,其性能又高,而且多功能、多规格。为了充分发挥其功能,需要补强、密封、扩大,以便与外电路实现可靠地电气联接,并得到有效地机械支撑、绝缘、信号传输等方面的保护作用。“封装”的概念正是在此基础上出现的。

  封装(packaging,PKG):主要是在后工程*中完成的。即利用膜技术及微细连接技术,将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接,引出接线端子,并通过塑性绝缘介质灌封固定,构成整体主体结构的工艺。

  封装工程:是封装与实装工程及基板技术的总和。即将半导体、电子元器件所具有的电子的、物理的功能,转变为适用于机器或系统的形式,并使之为人类社会服务的科学技术,统称为电子封装工程。

  半导体器件制作分为前工程和后工程:所谓前工程是从整块硅圆片入手经多次重复的制膜、氧化、扩散,包括照相制版和光刻等工序,制成三极管、集成电路等半导体元件及电极等,开发材料的电子功能,以实现所要求的元器件特性;所谓后工程是从由硅圆片分切好的一个一个的芯片入手,进行装片、固定、键合联接、塑料灌封、引出接线端子、按印检查等工序,完成作为器件、部件的封装体,以确保元器件的可靠性,并便于与外电路联接。

  电子封装是一个复杂的系统工程,类型多、范围广,涉及各种各样材料和工艺。可按几何维数将电子封装分解为简单的“点、线、面、体、块、板”等。电子封装所涉及的各个方面几乎都是在基板上进行或与基板相关。在电子封装工程所涉及的四大基础技术,即薄厚膜技术、微互连技术、基板技术、封接与封装技术中,基板技术处于关键与核心地位。随着新型高密度封装形式的出现,电子封装的许多功能,如电气连接,物理保护,应力缓和,散热防潮,尺寸过渡,规格化、标准化等,正逐渐部分或全部的由基板来承担。

  封装的范围涉及从半导体芯片到整机。在这些系统中,构成整个电子设备包括 6 个层次(即装配的 6 个阶段):

  它是特指半导体集成电路元件(IC 芯片)。由半导体厂商提供,分为两类,一类是系列标准芯片,另一类是针对系统用户特殊要求的专用芯片。即未加封装的裸芯片(电极的制作、引线的连接等均在硅片之上完成)。

  分为单芯片封装和多芯片封装两大类。前者是对单个裸芯片进行封装,后者是将多个裸芯片装载在多层基板(陶瓷或有机)上进行气密性封装构成 MCM。

  它是指构成板或卡的装配工序。将多个完成层次 2 的单芯片封装和 MCM,实装在 PCB板等多层基板上,基板周边设有插接端子,用于与母板及其它板或卡的电气连接。

  将多个完成层次 3 的板或卡,通过其上的插接端子搭载在称为母板的大型 PCB 板上,构成单元组件。

  它是将多个架并排,架与架之间由布线或电缆相连接,由此构成大型电子设备或电子系

  从电子封装工程的角度,按习惯一般称层次 1 为 0 级封装;层次 2 为 1 级封装;层次 3为 2 级封装;层次 4、5、6 为 3 级封装。

  从硅圆片制作开始,微电子封装可分为 0、1、2、3 四个等级,涉及上述六个层次。基板技术现涉及 1、2、3 三个等级和 2~5 的四个层次。

  (1)0 级封装 即裸芯片电极的制作、引线的连接等均在硅片之上完成。暂与基板无关。

  (2)一级封装 经 0 级封装的单芯片或多芯片在封装基板(普通基板、多层基板、HDI基板)上的封装,构成集成电路模块(或元件)。即芯片在各类基板(或中介板)上的装载方式。

  (3)二级封装 集成电路(IC 元件或 IC 块)片在封装基板(普通基板、多层基板、HDI基板)上的封装,构成板或卡。即各种实装方式(二级封装或一级加二级封装)。如前面谈到的 DIP、PGA 属于 DIP 实装型,GFP、BGA、CSP 等属于 SMT 实装型。这些都属于二级封装。

  (4)三级封装 包含 4、5、6 三个层次。即将多个完成层次 3 的板或卡,通过其上的插接端子搭载在称为母板(或载板)的大型 PCB 板上,构成单元组件(此层次也是实装方式之一);或是将多个单元构成架,单元与单元之间用布线(刚挠 PCB)或电缆相连接;或是将多个架并排,架与架之间由布线(刚挠 PCB)或电缆相连接,由此构成大型电子设备或系统(此两个层次称为装联)。

  封装基板主要研究前 3 个层次的半导体封装(0、1、2 级封装),0 级封装暂与基板无关,因此封装基板一般是指用于 1 级 2 级封装的基板材料。母板(或载板)、刚挠结合板等用于三级封装。

  一般来说顾客所需要的并不是芯片,而是由芯片和 PKG 构成的半导体器件。PKG 是半导体器件的外缘,是芯片与实装基板间的界面。因此无论 PKG 的形式如何,封装最主要的功能应是芯片电气特性的保持功能。其主要功能如下:

  通过 PKG 的进步,满足不断发展的高性能、小型化、高频化等方面的要求,确保其功

  PKG 的芯片保护功能很直观,保护芯片表面以及连接引线等,使在电气或物理等方面相当柔嫩的芯片免受外力损害及外部环境的影响。保证可靠性。

  由于热等外部环境的影响或者芯片自身发热等都会产生应力,PKG 缓解应力,防止发生损坏失效。保证可靠性。

  由芯片的微细引线间距调整到实装基板的尺寸间距,从而便于实装操作。例如,从亚微米(目前已小于 0.13μm)为特征尺寸的芯片到以 10μm 为单位的芯片电极凸点,再到以100μm 为单位的外部引线端子,最后到以 mm 为单位的实装基板,都是通过 PKG 来实现的。在这里 PKG 起着由小到大、由难到易、由复杂到简单的变换作用。从而可使操作费用及资材费用降低,而且提高工作效率和可靠性。保证实用性或通用性。

  PKG 的尺寸、形状、引线端子数量、节距、长度都有标准规格,既便于加工又便于与实装基板相配合,相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于 PKG 用户、PCB 厂家、半导体厂家都很方便,而且便于标准化。相比之下,裸芯片实装及倒装片实装目前尚不具备这方面的优势,保证通用性。

  电子封装发展极为迅速,PKG 种类繁多、结构多样、发展变化大,而在封装结构、封装材料、加工工艺、键合技术、可靠性和成本是各有不同,因此分类的方法很多。一般按芯片的装载方式、基板类型、封接方式、PKG 的外形 结构 尺寸以及实装方式来分类。

  按芯片上电极面相对于基板来说,可分为电极面朝上的正装片和电极面朝下的倒装片;按芯片的电气连接方式分为有线键合和无线键合方式;后者又有倒装片键合、自动带状键合(TAB)及微机械键合之分。

  从材料上可分为有机基板和无机基板两大类;从结构上可分为单层(包括挠性带基)、双层、多层、复合基板等。多层基板包括通用制品(玻璃-环氧树脂)、积层多层基板、陶瓷多层基板、每层都有埋孔多层基板。

  半导体元件的封接或封装方式分为气密性封装和树脂封装两大类,气密性封装又可分为金属封装、陶瓷封装和玻璃封装。封接和封装的目的是与外部温度、湿度、气氛等环境隔绝,除了起保护和电气绝缘作用外,同时还起向外散热及应力缓和作用。一般来说,气密性封装可靠性高,但价格也高。目前由于封装技术及材料的改进,树脂封装已占绝对优势,但在有些特殊领域(军工、航空、航天、航海等),气密性封装是必不可少的。

  此分类主要是依据 PKG 接线端子的排布方式对其进行分类。依据 PKG 的发展顺序,先后出现引脚插入型、表面贴装型;DIP、PGA、QFP、BGA、CSP 等及塑料封装(P)和陶瓷封装(C)。

  此分类反映了 1979 年前后,在世界范围内电子封装从无到有,从三极管到芯片部件封装,从插入式封装到表面贴装(SMT),从金属封装、陶瓷封装、玻璃封装到塑料封装的发展过程。但由于塑料封装成本低廉、工艺简单并适于大批量生产,具有极强的生命力,自诞生起发展越来越快,在封装中占的份额越来越大,因此这种分类方法早已过时。目前塑料封装已占世界集成电路封装市场的 98%,与此同时品种越来越多,性能越来越优良,在消费类电路和器件领域基本上是塑料封装一统天下。

  可以说这是最早的 PKG,针脚分布于两侧且平行布置,直接插入 PWB 以实现机械固定和电气连接,DIP 一般仅利用 PWB 的单面。由于针脚直径和节距都不能太细,故 PWB 上的通孔直径、节距乃至布线节距都不能太细。这种 PKG 难以实现高密度封装。

  在 DIP 的基础上,为适应高速、多针脚化(提高端子密度)而出现的,针脚不是单排或双排,而是在整个平面呈栅阵排列。与 DIP 相比在不增加针脚节距的情况下,可以按近似平方的关系提高针脚数。若采用导热性良好的基板,还可以适应高速度、大功率器件的要求。

  QFP 由小外形表面封装(small out-line package,SOP)而来,其外形呈扁平状、鸟翼状,引脚一端由 PKG 的四个侧面引出,另一端沿四边布置在同一平面上。由 QFP 派生出的 PKG还有 LCCC、PLCC 以及 TCP(TAB 型)。

  BGA 实际上是在 PGA 和 QFP 的基础上发展而来,取前者端子平面阵列布置,将插入式的针脚改换成键合用的微球;取后者可以采用 SMT 等由一次再流焊完成实装等优点。从形式上看 BGA 主要有以下几种类型:

  e、FCBGA(flip chip BGA),倒装芯片 BGA,是 BGA 中多端子、窄节距、高性能的高级形式,是目前研究开发的重点。

  CSP 封装的元年应是 1996 年,CSP 技术的公开发表,在电子封装的发展史上具有划时代的意义。这种与半导体芯片尺寸几乎同样大小,具有半导体封装功能(互换性、质量保证、保护芯片即实装容易)的球栅阵列 CSP 型封装一经出现,封装成套设备厂商立即投入到超小型配套设备的竞争中。

  CSP 虽具有各种各样的结构,但并不是一种新的封装类型。CSP 具有以下特征:

  b、就封装形式而论属于已有封装形式的派生品,因此可按现有封装形式来分类;

  c、从诞生之日 CSP 逐渐在便携式电子设备中使用,其标准化、一次再流焊特性及价格等应与 QFP 不相上下;

  d、CSP 不仅在外观(实装时的互联结构),而且从内部链接方式上有多种不同的结构;

  e、CSP 可使消费类便携式电子设备实现超高密度化、小型化。因此 CSP 的发展极为迅速,各种新型的 CSP 结构会不断的出现。

  (1)封装 是指构成“体”的过程(packaging)。即通过封装(如将可塑性绝缘介质经模注、灌封、压入、下充填等),使芯片、封装基板、电极引线等封为一体,构成三维的封装体,起到密封、传热、应力缓和及保护等作用。此即狭义的封装。

  (2)实装 此词来自日文,此处借用。“块”搭载在“板”上称为实装,裸芯片实装在模块基板(BGA 基板、TAB 基板、MCM 基板)上可分别构成 BGA、TAB、MCM 封装体,称其为一级封装(或微组装);DIP、PGA 等采用引脚插入方式实装在 PCB 上;QFP、BGA、CSP、TBA 等采用表面贴装方式实装在 PCB 之上,称其为二级封装;裸芯片也可以直接实装在 PCB上,如 COB、COF 等,在此一级封装、二级封装合二为一。即实装专指上述的“块”搭载在基板上的连接过程及工艺,涵盖常用的插入、插装、表面贴装(SMT)、安装、微组装等。

  块:与下面将要涉及的“板”可以看成是多维体。带有引线端子的封装体即为“块”,进行裸芯片安装的芯片也可以看成块。

  (3)安装 即将板(主板或副板)通过插入、机械固定等方式,完成常规印制电路板承载、连接各功能电子部件,以构成电子系统的过程称为安装。

  板:搭载有半导体集成电路元件,L、C、R 等分立器件,变压器以及其他部件的电子基板即为“板”。

  (4)装联 将上述系统装载在载板(或架)之上,完成单元内(板或卡内)布线、架内(单元间)布线以及相互间的连接称为装联。

  PWB(printed wiring board,印制线路板):泛指表面和内部布置有导体图形的绝缘基板。PWB 本身是半成品,作为搭载电子元器件的基板而起作用。通过导体布线,进行连接构成单元电子回路,发挥其电路功能。

  PCB(printed ciruid board,印制电路板)是指搭载了电子元器件的 PWB 的整个基板为印制电路板。

  在多数情况下,通常将 PWB 与 PCB 按同义词处理而不加区分。实际上 PWB 和 PCB 在有些情况下是有区别的,例如,PCB 有时特指在绝缘基板上采用单纯印刷的方式,形成包括电子元器件在内的电路,可以自成一体;而 PWB 更强调搭载元器件的载体功能,或构成实装电路,或构成印制电路板组件。通常简称二者为印制板。

  多层板:随着 LSI 集成度的提高、传输信号的高速化及电子设备向轻薄短小方向的发展,仅靠单双面导体布线已难以胜任,再者若将电源线、接地线与信号线在同一导体层中布置,会受到许多限制,从而大大降低布线的自由度。如果专设电源层、接地层和信号层,并布置在多层板的内层,不仅可以提高布线的自由度而且可防止信号干扰和电磁波辐射等。此要求进一步促进了基板多层化的发展,因此,PCB 集电子封装的关键技术于一身,起着越来越重要的作用。可以说,当代 PCB 是集各种现代化技术之大成者。

  封装基板可以简单的理解为是具有更高性能或特种功能的 PCB(封装基板是可为芯片、电子元器件等提供电气连接、保护、支撑、散热、组装等功效,以实现多引脚化,缩小封装产品体积、改善电气性能及散热性、超高密度或多芯片模块化以及高可靠性的电子基板。因此可将封装基板理解为是具有更高性能或特种性能的 PCB 或薄厚膜电路基板)。即 IC 封装基板起到了芯片与常规印制电路板(多为母板、副板,背板等)的不同线路之间的电气互联及过渡作用,同时也为芯片提供保护、支撑、散热、组装等功效。

  电子基板(PCB)可用于电子封装的不同层级(主要用于 1~3 级封装的第 2~5 层次),只是封装基板用于 1、2 级封装的 2、3 层次,普通 PCB 用于 2、3 级封装的 3、4、5 层次。它们都是为电子元器件等提供互联、保护、支撑、散热、组装等功效,以实现多引脚化,缩小封装产品体积、改善电气性能及散热性、超高密度或多芯片模块化以及高可靠性为目的。属于多学科交叉的技术,它涉及到电子、物理、化工、高分子等知识。

  常规 PCB(多为母板、副板,背板等)主要用于 2、3 级封装的 3、4、5 层次。其上搭载 LSI、IC 等封装的有源器件、无源分立器件及电子部件,通过互联构成单元电子回路发挥其电路功能。一般可分为副板、主板、载板等。

  副板:又称子板或组件板,是在面积较小的 PCB 上安装部分电子元器件,构成具有各种功能的卡、存储组件、CPU 组件以及带有其它元器件的基板。再通过连接器(接插件、电缆或刚挠板等)实现与主板的承载与互联。这样使得故障元器件的维修及电子产品的升级变得更为简便。

  主板:又称为母板。是在面积较大的 PCB 上安装各种有源、无源电子元器件,并可与副板及其它器件可实现互联互通的电子基板。通讯行业一般称其为背板。

  载板:承载各类有源、无源电子器件、连接器、单元、子板及其它各式各样的电子器件的印制电路板。如封装载板、类载板、各种普通 PCB 及总装板。

  类载板(SubstrateLike-PCB,简称 SLP):顾名思义是类似载板规格的 PCB,它本是 HDI板,但其规格已接近 IC 封装用载板的等级了。类载板仍是 PCB 硬板的一种,只是在制程上更接近半导体规格,目前类载板要求的线μm,无法采用减成法生产,需要使用 MSAP(半加成法)制程技术,其将取代之前的 HDI PCB 技术。即将封装基板和载板功能集于一身的基板材料。但制造工艺、原材料和设计方案(一片还是多片)都还没有定论。类载板的催产者是苹果新款手机,在 2017 年的 iPhone8 中,首度采用以接近 IC 制程生产的类似载板的 HDI 板,可让手机尺寸更轻薄短小。类载板的基材也与 IC 封装用载板相似,主要是 BT 树脂的 CCL 与 ABF*树脂的积层介质膜。

  *HDI 基板:一般采用积层法(Build-up)制造,积层的次数越多,板件的技术档次越高。普通的 HDI 板基本上是 1 次积层,高端 HDI 采用 2 次或以上的积层技术,同时采用叠孔、电镀填孔、激光直接打孔等先进 PCB 技术。高端 HDI 板主要应用于 4G 手机、高级数码摄像机、IC 载板等。

  随着电子安装技术的不断进步与发展,电子安装各阶层的界限越来越不清晰,各阶层安装的交叉、互融,此过程中 PCB 的作用越来越重要,对 PCB 及其基板材料在功能、性能上都提出了更高、更新的要求。

  主要涉及第 2 至第 6 层次。在第 2 层次中不采用单芯片封装,而采用 MCM 此技术显得尤为重要。

  为保证电气信号衰减和延迟最小,布线越短越好;为避免同时开关造成的噪声,应精心设计布线及各条信号线的定时特性,控制布线长度偏差达到最低限度。

  2)为降低反射噪声、音串噪声以及接地噪声,需采用多层布线 层次卡用 PWB 板,第 4 层次单元中担当卡间布线 层次中 MCM用多层布线板中,都要采取措施降低反射噪声、音串噪声以及接地噪声。与此同时要保证各层次之间连接用插接端子及电缆的特性阻抗相匹配。为此需要开发高层数、高密度的多层布线基板,保证信号的平行传输。

  通常插接端子的特性阻抗为 100Ω,电缆及多层布线Ω)很难与之匹配,因此需开发特性阻抗匹配的多端子插接板;为减小接触压力,需采用低或零接触压力型插接端子。未来还要开发光插接端子。

  高效冷却、散热是大规模集成电路必须考虑的问题,这主要与封装的第 2 至第 6 层次相关联。从节能观点考虑,集成电路本身必须做到低功耗,目前正向低工作电压方向努力。即使如此,随着集成度的提高、信号速度的增加,功耗还是在不断上升。随着发热密度增加,提高散热效率是当务之急。特别是在第 2 层次中采用 MCM 的情况,需要开发高导热的多层基板,以适应在多层基板上搭载多个 LSI 元件的各种高效散热技术。

  主要与第 2、3 层次(1、2 级封装)相关联。在第 2 层次中采用单芯片封装的场合,需要开发超过 2000 条引脚的多引脚封装以及与之相适应的表面封装技术;在第 3 层次中,为了满足 QFP、PGA、LGA、TAB、BGA、CSP 等超小型、多引脚封装表面实装的要求,需开发新的 SMT 技术。特别指出的是,为满足系统高速、多功能的要求,在第 2 层次中必须采用MCM 封装。

  主要与第 5、6 层次相关联。架内单元与单元间连线 层次)及架间连线 层次)如同天线,会产生 EMC 或 EMI 等电磁波干扰。频率越高,此现象越严重。

  为解决此问题最好采用光缆,光缆通过光波传输信号不会产生 EMC 和 EMI 等问题。但从现状来看,架内及架间信号连接都采用光缆不太现实。架内的 EMC 问题相对来说比较容易解决,因此来看,架内采用电气方式、架间采用光缆方式是比较好的方案。

  电子产品的小型轻量化、多层高密度化及高速高/频化、高性能、高可靠性、多功能的发展,给封装基板提出了更为苛刻的技术要求。

  随着电子产品不断向“轻、薄、短、小”方向发展,对有机封装基板总的要求可用“密、薄、平”来概括,并以“密”为主导或核心而迅速发展着。这必然要涉及各种精细工艺技术。

  常规的印制线路板已发展成为集成电路芯片的高密度封装基板。PCB 的高密度化,主要是采用精细的线宽/间距、微小孔技术、狭小环宽(或无环宽)技术、埋/盲孔与盘中(内)孔技术和薄介质层厚度的来实现的。

  导体尺寸微细化主要是指:微小孔孔径尺寸的变化(不大于 0.15mm 的孔径成为微孔,而称 0.15-0.30mm 的为小孔,现微孔的孔径已小于 0.05mm);精细布线的线宽/间距的变化(已到 0.03mm/0.04mm)及多层板的厚度的薄型化(介质层厚度小于 0.10mm,据报道 8层板的总厚度可达 0.28mm)。

  导体尺寸的精度化:PCB 高密度的发展,必然带来高精度化的要求。即高密度是指 PCB走向“细、小、薄”的结果,必然导致精度的高要求。这一变化包含两方面要求:当误差百分数(%)相对固定时,随着产品的“细、小、薄”化程度的发展,其误差的绝对值越来越小,即精度越来越高;规定的绝对值误差的范围越来越小,其精度越来越高。

  这种精度的提高和尺寸的微细化,均需要通过 PCB 生产用的材料、设备、工艺技术、环境条件等进行变革或改革才能解决。因此,高密度化总是和高精度化相结合而得到解决的。从某种意义上来说,解决高密度化问题不如说是解决高精度化问题更确切。

  生产实践表明:PCB 的高密度化发展必须要求生产 PCB 的材料、设备、工艺技术、环境条件等需要进行相应的改进才能满足需求。例如,当线mm 时,则铜箔厚度应小于 18μm。只有薄的铜箔才能得到侧蚀小的导线;再如当要求 PCB 翘曲度更小(不大于 0.5%)时,就必须仔细全面的分析产生翘曲的原因,从各方面入手综合解决翘曲大的问题等。

  参见第 18 届 CCL 技术市场交流会论文“高频/微波覆铜板的设计开发”。

  基板材料的绿色化,即基板材料无卤化,无卤无磷化以及满足无铅焊接工艺之要求。

  主要与第 2、3 层次相关联。要求封装基板具有高强度、高模量,并且刚挠并济,以保证强度、承载、平整及消除内应力等。

  主要与第 2、3 层次相关联。要求基板高的尺寸稳定性和低 CTE,以保证与与芯片相匹配。(尺寸稳定性是不可逆过程,CTE 是可逆过程)。

  参见第 12 届 CCL 技术市场交流会论文“高导热高可靠性覆铜板的设计与开发”。

  粉体材料特别是纳米粉体可提高 CCL 的刚性,降低 CTE,提高尺寸稳定性;提高耐热性;提高阻燃性;纳米介电泡沫介电材料可降低介电常数;提高耐温性、耐化学药品性;并具有化学催化效果等。

  此外还要求覆铜板具有高耐湿热性、耐 CAF、高 CTI、多功能化、高稳定性及高可靠性

  封装用电子基板,按其电气绝缘或机械支撑材料可分为无机基板、有机基板、复合基板、带载型封装用基板材料(TAB)、封装用积层多层基板(BUM)、高密度互连基板(HDI)、类载板等几大类。

  1)无机基板:传统的无机基板是以 Al 2 O 3 、SiC、BeO、AlN 等为基材,由于其在热导率、抗弯强度、热膨胀系数等方面的优良特性,广泛应用于 HIC 和 MCM 等大功率器件。无机基板可分为一般陶瓷基板(HTCC),如氧化铝、莫来石、氮化铝、碳化硅、氧化铍基板;低温共烧陶瓷(LTCC)多层基板;其它类型的无机基板还有,如 LCD 用玻璃基板、PDP 用玻璃基板、玻璃基覆铜板。

  无机基板实现高密度多层布线的方式有 HTCC 和 LTCC 两条途径。玻璃基板一般用 PVD或 CVD 技术。HTCC 由多层 Al 2 O 3 生片与 W 或 Mo/Mn 浆料,在 1650℃共烧而成;LTCC 采用玻璃—陶瓷生片,可使烧结温度从 1650℃下降到 900℃以下,从而可以用 Cu、Ag、Ag-Pd 等低熔点的金属代替 W、Mo 等难熔作布线导体,既可以提高电导率,又可以在大气中烧成。

  采用 LTCC 便于制作较大尺寸、大容量基板,成本低,可植入电阻、电容、电感等无源元件,特别是玻璃陶瓷与硅的热膨胀系数相匹配,介电常数低,在高频带具有明显的低损耗性能,特别适合于射频、微波、毫米波器件,在无线电通讯、军事及民用等领域有广泛的应用。无机基板尽管在电子封装中所占比例不大,近年来还在进一步的下降(被有机基板取代),但在不少领域,如超级计算机用高密度多层基板、航天计算机用 MCM 基板、晶体振荡器载体、SAW 载体以及电力器件等方面,仍具有不可替代的作用。

  3)复合基板:随着高密度封装技术的发展,单一材料、单一结构的基板已不能满足使用要求。复合基板可以实现多功能、高性能。例如,除了基板搭载元器件、布线连接以及导热功能之外,还附加有电阻、电容、电感、电磁屏蔽、光学结构体等功能;在高性能方面,做到电阻降低、阻抗匹配、传输性能提高,力学性能改善,更便于高密度封装等。

  为达到上述目的,需要在结构、性能、工艺等方面采取必要地措施,例如:在结构上,采取多层化,薄膜化、微孔化及微细布线等方式;在材料上,使用不同的材料在强度、热导率、热膨胀系数、介电常数、绝缘性能等方面相互补充。与此相应,需要采取各种不同的工艺。复合基板在功能上类型各异,材料和结构上种类繁多,工艺上更是各式各样,而且还在迅速的发展,目前还没有统一的命名标准。一般按复合的目的将其分为功能复合、结构复合、材料复合三种。

  结构复合:如树脂—陶瓷复合基板、树脂—多孔陶瓷复合基板、树脂—硅复合基板;

  有机 PCB 已有百余年的发展历史,由于其体薄量轻,具有优良的电气绝缘及介电特性,而且原材料便宜,便于自动化,生成价格较低,易于实现多层化,在电子封装领域已有广泛应用。近年来,积层多层 PCB、高密度互连 PCB 的开发成功和模块基板的大量采用,为高密度多层基板开创了广阔的用武之地。在短时间内,人们就开发出二三十种不同的工艺用于积层多层板的制造。从绝缘层形成来划分,大致可分为四大类:感光树脂/光刻成孔法;热固性树脂/激光成孔法;附树脂铜箔/激光成孔法;无“芯板”全层导通孔法,如 ALIVH、B 2 it、半固化片形成法等。

  20 世纪 90 年代中末期,IC 产业迈入高密度封装时代。与之紧密配合,迅速形成积层多层板和有机封装基板这两大新市场,使 PCB 产业发生了以产品结构为主要特征的战略性转移,并对整个微电子产业产生深远的影响:

  1)电子基板产业将更有力地推动电子封装乃至整个微电子产业的进步和发展。电子基板,特别是高密度多层基板技术已成为一个国家、一个地区在发展微电子产业中的关键与核心技术之一。

  2)半导体封装所要实现的高速化、高性能、小型化、低成本等特点,将由封装基板来承担。随着半导体封装向高层次、高水平发展,基板所承载的功能越来越多,要求越来越高。因此,就需要封装基板制造技术(包括基板材料制造技术)向着更尖端方向发展。

  3)积层多层板和封装基板是尖端电子基板的主体。发展这两大类附加值高、具有广阔市场前景的高密度基板,是带动整个 PCB 产业发展的新的“经济增长点”。

  4)积层多层板和封装基板市场的形成,给 PCB 产业及其相关原材料产业、设备制造业,带来深刻的变革。这种变革涉及产品品种结构、工艺技术、经营策略、生成系统结构、跨行业和跨国界的技术合作等各个方面。

  封装用有机基板是可为芯片、电子元器件等提供电气连接、保护、支撑、散热、组装等功效,以实现多引脚化,缩小封装产品体积、改善电气性能及散热性能、超高密度或多芯片模块化以及高可靠性目的的电子基板材料。封装基板可以简单的理解为是具有更高性能或特种性能的 PCB 用基板材料。封装基板应该属于多学科交叉的技术,它涉及到电子、物理、化工、高分子等知识。有机封装基板所用基板材料包括一般环氧树脂玻璃布基的基板材料、聚酰亚胺树脂基板材料、BT 树脂基板材料、PPO 树脂基板材料、挠性覆铜箔聚酰亚胺薄膜基材、卷装环氧树脂玻璃布基挠性覆铜箔基板、RCC、高性能高热传导半固化片或胶膜等。

  近年,随着有机封装基板市场的扩大,用于制造这种基板的基板材料—覆铜板,无论是技术上,还是在产量上,都得到了迅猛的发展。目前世界许多覆铜板生产厂家,都把有机封装基板的开发、生产工作,列入企业新产品、新技术发展的重点。此类基板材料的技术发展将向高性能(高 T g 、T d 、低ε r 、低 CTE)、高可靠性、高频化、薄型化、高模量、高导热、低成本、绿色化方向发展。对有机封装基板总的要求是薄型化、高强度、高模量、平整度、高性能、刚韧性兼顾等。因此可用“密、薄、高、平”等几个字概括封装基板材料的发展。

  有机封装基板材料的特点:作为封装用基板,有机树脂基板材料与陶瓷基板材料相比,有如下优点:

  有机封装基板材料的缺点是:耐温比较低,热稳定性较差,线膨胀系数较大,强度、模量较低等。

  要使基板材料具有优异的耐热性能,需要基板材料具有较高的玻璃化温度(T g )和高的热分解温度(T d )。高耐热性基板,可以提高封装的再流焊性,封装基板的通孔可靠性,可以使它在热冲击、超声压焊等封装工艺过程中,基板材料保持稳定的物理特性(如平整度、尺寸稳定性等)。

  降低有机基板材料的吸湿性是非常重要的。如果材料的吸湿性大,将使材料的绝缘电阻下降,介电常数增加,耐热冲击性能下降,PCT 及耐 CAF 性能降低,在下游工序中容易出现爆板等现象。

  一般 FR-4 基板材料的热膨胀系数(α)为:(13~18)×10- 6 /℃(x、y 方向)。从技术角度来看,认为热膨胀系数α小于 8×10- 6 /℃低热膨胀系数的基板材料,才是封装基板较理想的基材(因为硅晶体的α约为 6×10- 6 /℃)。基材热膨胀系数的大小,是影响基板尺寸稳定性的重要因素,为了保证封装的精度、可靠性,选用低热膨胀系数的基材作为封装基板,已成为设计者的共识。

  有机封装基板材料,一般具有较低的介电常数(ε r ),与陶瓷基板相比,更适合用于高频信号的传输,因此更适应于信号高速化的发展趋势。尽管如此,随着高速电路技术的封装,以及信号传输频率的提高,对降低有机封装基板材料的介电常数提出了更高的要求。

  要求基板材料薄型化,是为了提高封装密度,使产品轻、薄、短、小,另外,由于高频化的发展也要求基板薄型化,一般经验是介质层厚度≤λ/8,以减小层间的电磁干扰。例如:在频率为 300GHz 时,基板材料的厚度应小于 0.125mm。目前薄和超薄的多层板所用覆铜板介质厚度为 0.02~0.127mm。

  基板材料良好的热传导性能,可以提高基板材料、电子元器件以及整个电子仪器设备的可靠性及寿命。

  有机封装基板材料,主要担负着导电、绝缘、支撑、信号传输等方面的功能。封装及其基板(PCB)的性能、可靠性、制造中的加工性、制造成本、制造水平以及新技术在封装中的实现等,在很大程度上取决于基板材料(CCL)。

  在全球整个印制电路板用基板材料中,使用量最大、最重要的品种当属覆铜板。制造覆铜板所用的半固化片、半固化胶膜、RCC 都是制造一般多层板不可缺少的基板材料。PCB 用基板材料已发展到上百个品种,他已成为电子元器件中不可缺少的重要基础材料。在推动电子封装技术、印制电路板技术不断向前发展起着重要的作用。

  近年有机封装基板技术和应用的迅速发展,封装基板材料,无论在市场规模上还是技术水平上,在整个 PCB 材料中,占有越来越突出的地位。他成为显示一个国家或地区 PCB 材料和技术水平的重要标志之一。

  封装基板材料,按物态一般可划分为刚性和挠性两大类。刚性基材又分为纤维增强的基板材料,如改性 FR-4、高 T g 、低α、复合基板、有机纤维增强基板材料等;积层多层板用基板材料,如感光性绝缘材料(液状、干膜)、热固性绝缘材料(液状、干膜)、RCC;复合化多层有机板用基材,如金属基、金属芯、陶瓷填充等。挠性基材主要作为带载型封装(TAB)用有机基板材料,它主要有薄膜类及环氧树脂/玻璃布卷状薄型材料。

  目前广泛采用的刚性有机封装基板材料主要有三大类,即 E-玻璃布/环氧树脂基材(FR-4基材);纤维(有机或无机)/高性能树脂的基板材料;积层多层板用基板材料。

  封装基板的设计原则是,选择满足有机封装基板要求的原、辅材料、相关助剂;开发合理的体系配方;设计实用合理的工艺路线;解决好不同工序中的各种界面等问题。

  封装基板是由基体树脂、固化剂、促进剂、玻纤布、填充材料、助剂、铜箔等组成的复合材料体系,制造过程中还需使用各种溶剂。选择好这些原辅材料非常重要,对其质量和性能均有举足轻重的影响,应特别关注各组分材料的物化性能(如填料的形状、粒径、表面状态、长径比、比表面积等)、相容性及各种助剂的正确选择(流平剂、成膜助剂、润湿分散剂、偶联剂、防沉剂、触变剂、光反射剂等)。当然也不能忽视其它因素,特别是各制造工序中,各种介质材料(介观、宏观)的界面的处理技术和控制技术。其制备是一较为复杂的过程,由于它涉及的学科门类较多,既有化学问题,又有物理问题,还有界面问题等。因此,在设计时所考虑的技术、工艺等问题应贯穿从研究开发到实际应用的整个过程,不能过于侧重某一方面的性能,才能达到综合性能的平衡,获得较好的性价比。

  封装基板常用的树脂是:聚酰亚胺树脂(BMI、PI)、CE 树脂、BT 树脂、PPO 树脂、PCH及其它耐高温热塑性树脂(PTFE 除外)。最初封装所用的基板材料多为 BT 树脂等高性能树脂基板材料,为了降低成本,近年高性能环氧封装基板得到快速的发展,在封装基板中已占有很大的比重。如高性能树脂改性环氧树脂或具有特殊结构的高性能环氧树脂。

  常用的增强材料有:E-玻璃纤维布、S-玻璃纤维布、D-玻璃纤维布、NE-玻璃纤维布、石英玻璃纤维布、HDI 专用玻璃纤维布。纤维布的厚度及其厚度均匀性对基板材料性能影响很大。增强材料 E-玻璃纤维布一般选择 2116、1080、106 或更薄的玻璃纤维布,很少选用 7628玻璃纤维布。为获得高强高模的基板材料,可选用更小纤维直径(5 或 6μm)的玻纤布以及前处理玻纤布。

  在基板制造中加入功能性填料,其目的是为了增加基板的强度和模量、调整介电常数、提高耐热性、导/散热性能、降低成本、增容等。使用时应特别关注填料的粒径大小、粒径分布以及填料的表面处理、填充材料与基体树脂的相容性和界面等情况,为获得高强高摸、刚挠兼具的基板材料,可引入纳米粉体材料,特别是纳米硅微粉。

  覆铜板的制造过程为湿法工艺,溶剂体系的选择非常重要。但是一般设计人员容易忽略此点,需引起高度重视。

  铜箔虽不属于电介质材料的范畴,但是铜箔所形成的导体(线)是用来传输信号的,因此铜箔的宏观结构(宽度、厚度、表面粗糙度等)将会影响高频信号的传输性能。

  随着信号传输频率的高频化,其波长越来越短,要求采用的介质层厚度(≤1/8 或 1/10波长)越来越薄。但是为了保持带状线或微带线阻抗(Stripline Impedance)值在 50Ω,则要求覆铜板的铜箔厚度减薄(一般铜箔厚度≤18μm、12μm),才能满足制造上的要求。

  因为只有铜箔厚度≤18μm、12μm ,在图形转移(特别是蚀刻方面的侧蚀造成)中的“线宽误差,才能满足”生产要求。带状线的特性阻抗公式如下:

  式中:Z 0 — 阻抗;D —介质层厚度;W — 导线宽度;T — 导线(铜箔)厚度;从上式看出,介质层厚度 D 减小,只有减小导线的宽度(W)和厚度(T),才能保持 Z 0值不变。如果只减小导线的宽度(W),不减小厚度(T),则侧蚀大,Z 0 值的误差很难控制,因此减小铜箔的厚度是主要的方向。

  铜箔表面粗糙度将会明显影响高频信号的传输及能量损失,而且随着频率的提高,损失更加严重。这是因为频率越高,趋肤效应约严重。趋肤深度与频率的关系如下表所示。

  首先须了解所选定的树脂体系、各种原辅材料、助剂等的物化特性;根据体系组成,分析找出各组分所含活性基团的种类和数量,活化基团之间的反应类型,反应活性,根据化学反应式计算出各组分的理论需用量;根据设计对性能以及工艺的要求,确定功能填充材料(导热、介电常数的控制等)的种类及用量,再根据实验结果来最终确定各组分的配比。

  依据反应类型、反应活性、反应机理、相容性等因素,确定加料方式和顺序,反应是一步完成,还是分步完成;然后依据相关理论及实验结果确定反应的温度、时间、填充材料的分散、搅拌方式、搅拌速度等条件。

  封装基板常需加入相当数量的功能性填料,加入前须对填充材料进行烘焙处理,,以除去填料表面吸附的水分、挥发成分及部分结晶水;并对烘焙过的填料进行偶联、包覆或接枝处理;为了增加润湿、扩散性能,在树脂合成的过程中,加入润湿剂、分散剂、偶联剂、低分子量的反应树脂,对填料进行表面处理及超声波处理,真空、高速剪切搅拌;并以一定的方式加入树脂体系,即可得到分散均匀、性能稳定的树脂浸胶液。

  依据配方设计确定物料组成、反应类型、加料顺序及各种技术要求,制定树脂合成工艺路线和技术条件。当体系中有填料时,应特别关注其表面处理、加入顺序、分散效果、储存稳定性以及分散效果的表征方法等。

  为了获得良好的浸润、扩散及界面性能,在浸胶过程中,可增加单涂、预浸装置、调整呼吸距离、降低树脂粘度、加强树脂胶液的循环流动、对胶槽进行预热,还可在浸胶生产线上增加超声装置;胶膜制备通常采用流延、刮涂、丝网漏印或涂胶设备来制备胶膜和 ACC。

  过程中应控制好各种工艺参数,如车速、温度、含量、胶化时间、流动性、光洁度、介质层厚度及均匀性等因素,特别是介质层厚度均匀性。

  介质层的结构、厚度及均匀性对高频高速信号的传输影响很大,频率越高影响越大。因此对基板介质层厚度及均匀性提出了更高的、更严格的要求。

  随着信号高频化的发展,其波长越来越短,则要求介质层也越来越薄(高密度布线中,介质层越薄,串扰就越小),但若介质层太薄,则会导致特性阻抗(Z 0 )下降。因此,要全面加以权衡,或采用低介电常数(ε 0 )和低介电损耗(tgδ)的材料来补偿。只要传输信号的波长大于 10 倍(IPC-2141 是 7 倍)的 PCB 导线长度时,PCB 导线便可以看成普通的导线,或不受特性阻抗的限制,而不必做信号传输线来处理。另外为减小信号串扰,一般介质层的厚度应小于信号传输波长的 1/8 或 1/10。例如:若按信号波长的 1/10 来计算,10GHz频率的信号(其波长为 30mm),介质层的厚度应为≤3mm,一般覆铜板均满足此条件;对于频率为 300GHz 的 1mm 波长来计算,介质层的厚度应为≤100μm 。

  由于覆铜板是电介质复合材料,它的均匀性对材料的介电性能影响很大,特别是传输信号走向“毫米波”段后,其影响更加显著。因此建议采用薄型玻璃布、扁平开纤玻璃布或玻璃纤维纸(减小 skew)。另外还要求介质层厚度均匀、厚度公差小,因为介质层的厚度及其均匀性,对 PCB 的特性阻抗及其稳定性影响极大。

  介质层厚度及其均匀性,对 Z 0 影响从下式(微带线的特性阻抗公式)可以看出,特性阻抗与介质厚度的自然对数成正比,因此介质层越厚,其特性阻抗越大。

  式中:Z 0 — 阻抗;H —介质层厚度;W — 导线宽度;T — 导线(铜箔)厚度;与带状线相比,微带线在,相同介质厚度、导线宽度和材料下,具有较高的特性阻抗,一般要大 20~40Ω。因此,对高频和高速数字信号的传输大多采用微带线结构。同时,特性阻抗随介质厚度的增加而增大。所以,对特性阻抗值需严格控制的高频线路来说,对覆铜板基材的介质厚度应提出严格的要求,一般来说,其介质厚度变化不得超过 10%,严格要求,其介质厚度变化不得超过 5%。

  对于多层板来说,介质层厚度还与加工因素相关,特别是与多层板的层压工艺密切相关,对此也应严格加以控制。特别应注意的是,随着导体走线密度的增加,其介质层厚度的增加,将会引起电磁干扰的增加。因此,对于高频线路和高速数字线路的信号传输线,随着导体布线密度的增加,应减小介质厚度以消除或降低电磁干扰(EMI)带来的杂音或串扰问题。为了兼顾阻抗匹配和降低串扰,出路只有大力降低ε r 。在此基础上,才有可能采用更薄的介质层。

  层压是制程的最后一道工序,应依配方体系的技术要求及半固化片技术指标等,来确定升温速率、时间、初始压力、保温温度、保温压力、保温时间、真空度等层压工艺的技术指标;在确定这些指标时,应考虑对前段工序一些缺陷的弥补;当体系中含有填料时,成型压力应适当提高,这些措施均是为了提高各组分材料及其界面得到良好的润湿、吸附、扩散、键合,晶须的取向等作用,获得性能优异的介质层,制造出性能优异的产品。

  本人非常看好 DCPD 酚树脂、DCPD 酚环氧树脂、DCPD 酚活性酯这几种材料及它们所组成的不同树脂体系在封装基板及其它高性能覆铜板中的应用。相信通过各业界广大工程技术人员的共同努力,可使环氧树脂成为封装、高频/高速及高性能覆铜板的一大树脂体系!理由如下:

  1、DCPD 主要来自煤焦油或石油裂解的 C 5 馏分,是一种一级原料,无需通过有机合成制得,材料易得、成本低;

  2、DCPD 的另一个优点是聚合性能活泼,因含有双键且是双官能的(如同甲醛),故易于进行加成反应和自聚反应,很容易与苯酚反应生成双环戊二烯酚树脂;

  3、DCPD 酚树脂分别与环氧氯丙烷和酰基化合物(如羧酸、酰氯等)反应生成双环戊二烯酚环氧树脂和双环戊二烯酚活性酯;

  4、DCPD 酚活性脂/环氧树脂体系;DCPD 酚环氧树脂/DCPD 酚活性酯体系固化后,产物中仅有醚键和酯基,不产生仲羟基(酯基替代羟基即以酰基替代了仲羟基中的氢原子)。因此该体系可用来制造环氧树脂高频/高速覆铜板;

  5、DCPD 酚环氧树脂/DCPD 酚活性酯体系,固化产物中的主链是由脂肪环与氧原子构成的醚键,侧基为酯基(DCPD 酚活性脂/双酚 A 环氧树脂体系,固化产物中的主链是由苯环及脂肪环组成的两类醚键,侧基为酯基)。该固化产物具有极低的吸水性、高的耐热性、优异的耐候性(克服了双酚 A 环氧树脂耐候性差、易粉化的缺点)、高的尺寸稳定性、低 CTE、高强高摸等特性(通过改变活性脂中酰基的结构使固化产物具有不同的性能)。因此该体系不仅可用来制造高频/高速覆铜板,还可用来制造其它高性能的覆铜板,特别是类载板和封装基板。

  IT 技术的飞速发展及电子产品的更新换代,不仅要求封装基板具有优异的综合性能,更是要求有很高性价比。由于环氧树脂具有比较优异的综合性能、优良的工艺性能、长期的应用经验及较好的成本优势,封装基板的绝大部分将以改性环氧及高性能环氧树脂体系为主或该树脂体系加纳米粉体技术。

  半导体经验分享,半导体成果交流,半导体信息发布。半导体行业动态,半导体从业者职业规划,芯片工程师成长历程。

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