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IC封装基板技术简介

时间:2012-06-27


IC 封装基板技术
随着电子产品微小型化、多功能化和信号传输高频高速数字化,要求 PCB 迅速走向高密 度化、高性能化和高可靠性发展。为了适应这个要求,不仅 PCB 迅速走向 HDIBUM 板、嵌 入(集成)元件 PCB 等,而且 IC 封装基板已经迅速由无机基板(陶瓷基板)走向有机基板 (PCB 板) 。有机 IC 封装基板是在 HDI/BUM 板的基础上继续‘深化(高密度化) ’而发展起 来的,或者说 IC 封装基板是具更高密度化的 HDI/BUM 板。 1 封装基板的提出及其类型 1.1 有机封装基板的提出 封装基板是用于把多个一级(可用二级)封装 IC 组件再封(组)装形成更大密度与容量 2 的一种基板。由于这类基板的封装密度很高,因此,其尺寸都不大,大多数为≤50*70mm 。 过去主要是采用陶瓷基板,现在迅速走向高密度 PCB 封装基板。 (1)陶瓷封装基板。 陶瓷封装基板的应用已有几十年的历史了,基优点是 CTE 较小,导热率较高。但是,随 着高密度化、特别是信号传输高频高速数字化的发展,陶瓷封装基板遇到了严厉的挑战。 ① 介电常数ε r 大(6∽8) 。 信号传输速度 V 是由来介电常数ε r 决定的,如下式可得知。 V=k·C/(ε r)1/2 其中:k——为常数;C——光速。这就是说,采用较小的介电常数ε r,就可以得到较 高的信号传输速度。还有特性阻抗值等问题。 ②密度低。L/S≥O.1mm,加上厚度厚、孔径大,不能满足 IC 高集成度的要求。 ③电阻大。大多采用钼形成的导线,其电阻率(烧结后)比铜大三倍多或更大,发热 量大和影响电气性能。 ④基板尺寸不能大,影响密度和容量提高。由于陶瓷基板的脆性大,不仅尺寸不能大, 而且生产、组装和应用等都要格外小心。 ⑤薄型化困难。厚度较厚,大多数为 1mm 以上。 ⑥成本高。 (2)有机(PCB)基板。 有机(PCB)基板,刚好与陶瓷封装基板相反。 ①介电常数ε r 小(可选择性大,大多用 3∽4 的材料) 。 ②高密度化好。L/S 可达到 20∽50?m,介质层薄,孔径小。 ③电阻小。发热低,电气性能好。 2 ④基板尺寸可扩大。大多数为≤70*100mm 。 ⑤可薄型化,目前,双面/四层板,可达到 100∽300?m。 ⑥成本低。 在 1991 年,由日本野洲研究所开发的用于树脂密封的倒芯片安装和倒芯片键合(连接) 的 PCB 和 HDI/BUM 板,这些有机封装基板和 HDI/BUM 板等比陶瓷基板有更优越的的有 利因素和条件,使它作为 IC 的裸芯片封装用基板是非常合适的,特别是用于倒芯片(FC) 的金属丝的封装上,既解决了封装的 CTE 匹配问题,又解决了高密度芯片的安装的可行性 问题。 关于 PCB 基板的 CTE 较大和导热差方面,可以通过改进和选择 CCL 基材得到较好的解 决。 1.2 IC 封装基板的类型

1.2.1 IC 封装基板主要的两个问题。 (1)搭载裸芯片的封装基板与所要封装元(组)件的 CTE(热膨胀系数)匹配(兼容) 。 (2)搭载裸芯片的封装基板的高密度化,要满足裸芯片的高集成度要求。 1.2.2 封装基板的三种类型。 到目前为止,用于裸芯片的封装基板有三种类型,如表 1 和图 1 所示。 从本质上来说,PCB 是为元(组)件提供电气互连和机械(物理)支撑的。在今天的电 子封装市场上,主要存在着三种类型的的封装: (1) 有机基板的封装, CTE 为 13∽19ppm/℃, 其 采用金属丝键合 (WB) 然后, BGA/?BGA , 再 焊接到 PCB 板上; (2) 陶瓷基板封装, CTE 为 6∽8ppm/℃, 其 由于陶瓷基板的缺点, 逐步采用 6∽8ppm/℃ 有机封装基板; (3)与晶圆片匹配的有机封装。既理想的尺寸与速度(即芯片级)匹配的封装,如采用 特别低的 CTE 封装基板与晶圆(片)级封装 (WLP, wafer level package) 直接芯片安装 、 (DDA, direct die attach)匹配的安装,其 CTE 接近 2∽4ppm/℃(参见表 1) 。 很显然,常规的 PCB 是不具备这些高级封装(低 CTE 场合)能力的,因此,PCB 工业必须 发展低 CTE 材料,以满足这些高级封装基板材料的技术和产品。 表 1 三种封装基板的 CTE 及对 CCL 的 CTE 要求 基板类型 有机封装基板 陶瓷封装基板 CTE(ppm/℃) 焊接方法(类型) 15∽19 6∽8 PGA BGA μ -BGA 晶圆(片)级封装基板 2∽4 BGA μ -BGA 要求 CCL 的 CTE(ppm/℃) 低 CTE 型,10∽12 甚低 CTE 型,8∽10 超低 CTE 型 6∽8 高弹性碳纤维型,3∽5 低弹性碳纤维型,1∽3 WB(Au、 Al 丝搭接) 常规型,15∽19(或 13∽16) Cu、

注:陶瓷封装基板对 CCL 要求是指‘裸芯片’已封装在陶瓷基板,然后再安装到 PCB 基板上而言。

目前,按元(组)件封装到封装基板上的 CTE 大小,可把封装基板分为三种类型(如图 4 所示) 。

图 1 三级基板的示意图 1.2.3 基板封装与元(组)件的 CTE 要求。 封装基板与封装元(组)件之间的 CTE 匹配(兼容)问题。两者的 CTE 不匹配或相差 甚大(如过去要求≤5ppm/℃,现在要求更高)时,焊接封装后产生的内应力便威胁着电子 产品使用的可靠性和寿命。因此,封装基板与所封装元(组)件之间的 CTE 匹配(兼容)问 题,正随着安装高密度化和焊接点面积的缩小而要求两者的 CTE 相差越来越小,即Δ ≤ 5ppm/℃→Δ ≤3ppm/℃→Δ ≤2ppm/℃→Δ ≤1ppm/℃→ Δ =0。如表 2 所示。 表 2 封装基板与所安装的元件间 CTE 差的要求是随着安装技术发展而不同 项 目 通孔插装(THT) 表面安装(SMT) 芯片级封装 (CSP) 最前端要求 ≤5 ≤2 ≤1∽2 0 CTE 差(ppm/℃)

注:CTE 差(ppm/℃)是指封装基板与所封装元(组)件之间的 CTE(差别)匹配度。

2 陶瓷基板封装技术。 陶瓷基板封装是把芯片(die,系指裸芯片)安装到陶瓷基板上,然后,它可以安装到 PCB 基板上。首先,把硅芯片(silicon die)安装到陶瓷基板(CTE 为 6∽8ppm/℃)上,但是还 不能安置到 PCB 基板上,因为 PCB 的 CTE 大小为 16∽19ppm/℃,两者的 CTE 不匹配、差别 太大。为了解决这个问题: ①大多采用圆柱形插装(column instead of balls)来解决陶瓷基板与 PCB 基板之间 的可靠性连接问题。因为,圆柱形引脚是高而细长的固体圆柱形针(pins) ,它可以随着不 同膨胀而摆动,从而是有理由提供可靠的焊接点的。但是,目前常规的 BGA 焊接已经成为主 流,要在每个连接区域除去球形(BGA)连接而改成柱形连接,那是很费时和昂贵成本为代 价的,显然这不是根本的出路。 ②最好而根本的办法,应该是把 PCB 基板的 CTE=16∽19ppm/℃下降到 8∽10ppm/℃或 6 ∽8ppm/℃的 CTE。这样,就可以不必再采用陶瓷基板了。 但是,随着 IC 组件的高集成度化、特别是信号传输的高频化和高速数字化的快速发展, 由于陶瓷基板的(相对)介电常数大(ε r=6.6) ,介电损耗也大,因此陶瓷封装基板的应用 也受到了限制,特别是在 10G 以上频率的信号传输与计算,因此,其应用的领域越来越小。 3 有机基板封装技术——金属丝连(焊)接封装。 有机基板封装是把裸芯片(die,系指裸芯片)安装到很高密度的有机基板上,然后,它 再安装到常规密度的大尺寸 PCB 基板上。即把硅芯片(silicon die)以金属丝安装 (如 TSOP, thin small-outline package 等)有机基板(CTE 为 13∽19ppm/℃)上,然后再以 BGA 安装到 常规密度的大尺寸 PCB 基板上,或直接应用到超小型的电子产品中,如表 3 所示。 表3 材料 硅芯片 金丝 14 铜丝 17 Al 丝 21∽23 有机基板 16∽19,13∽15,10∽12,8∽10 CTE(ppm/℃) 2∽4

从表 3 可看出: (1)典型的芯片的热膨胀系数 CTE 为 2∽4ppm/℃,这就很难可以直接封装在 PCB 上, 因为 PCB 的 CTE 大小为 16∽19ppm/℃(有的文献数据为 13∽15ppm/℃、13∽17ppm/℃等, 这是由基材所用类型决定着) ,很难能够与芯片的 CTE 与之相匹配; (2)采用金属丝(金的 CTE 为 14ppm/℃、铜丝的 CTE 为 17 ppm/℃、Al 丝的 CTE 为 21 ∽23ppm/℃)连(焊)接封装在不同 CTE 大小的有机基板(如目前大多数的 IC 封装基板) 上,然后,再以 TSOP(thin small-outline package)的金属引脚或 BGA 形式再在 PCB 基 板上进行安装,因此,有机封装基板与 PCB 基板之间不存在着严重的 CTE 不匹配问题。

尽管,采用金属丝键合(连接)的有机基板封装技术,比起陶瓷基板的封装已具有很多的 优点,目前正在高速发展中。但是,比起倒芯片/FCOB/DDA 封装技术,仍然存在着封装面积 大,连接路线长会降低信号传输速度的,对于很高速的信号传输是不理想的,一旦有机封装 基板的 CTE 减少到 2∽4ppm/℃或 3∽5ppm/℃时,才会把目前的有机封装基板减少下来。 4 倒芯片/FCOB/DDA 封装技术 倒芯片类型的元(组)件是具有很低的 CTE,大多处在 2∽4ppm/℃之间。很显然,把很 低的倒芯片类型的元(组)件安装到高膨胀系数的 PCB 基板上是一个巨大的挑战,特别是 高密度的细小焊盘的焊接,那是关系到焊接点的可靠性问题。很小的倒芯片在传统的 PCB 上的安装可行方法之一是借助于焊接部位不填充方法(underfill) ,但是,它限制了 PCB 返工(修)的可能性。因此,要把倒芯片可靠地安装到 PCB 板上,必须要求 PCB 具有很低的 CTE ,目前正在开发碳纤维的 CCL 基板材料。 ①低--弹性模量碳纤维。用得多的是PAN碳纤维。低--弹性模量碳纤维具有接近于0.4ppm/℃,当与树脂结合起来形成的复合材料,其CTE可达到4.5∽6.5ppm/℃。 这样的CTE等级已经可与传统的IC芯片的CTE(5∽7ppm/℃)严密匹配了。 ②高--弹性模量碳纤维。正如大家了解的高--弹性模量碳纤维 PITCH,其 CTE 也接近0.4ppm/℃,但当高--弹性模量 PITCH 纤维与树脂形成复合材料时,其 CTE 为 1.0∽ 3.0ppm/℃。可以应用于那些要求很低 CTE(2∽4ppm/℃)的 IC 芯片相匹配的场合。 总之,IC 封装基板主要体现在: (一)基板材料的 CTE 更小或匹配,即此类 IC 基板的 CTE 要明显的减小,并接近(兼容)芯片引脚的 CTE,才能保证可靠性; (二)直接用于裸芯片 (KGD)的封装,因此要求 IC 基板更高密度化; (三)封装基板的厚度薄,尺寸很小,大多 数小于 70*70mm; (四) 大多选用薄型的低 CTE 基材, PI 材料、 如 超薄玻纤布和碳纤维的 CCL 材料。 5 有机封装基板的工艺技术 有机封装基板的工艺技术路线,主要有两种: (一)传统高密度的制造方法; (二)高密度 的 HDI/BUM 方法。 2.1 有机封装基板的主要技术指标 有机封装基板的主要技术指标如下: (1)成品外形尺寸。大多数为 70*100mm (2)基板层数,目前为 2∽4。 (3)基板厚度,0.1∽0.3mm。 (4)导线宽度 L/间距 S。L/S≤50?m(20∽50?m) 。 半加成法 L/S≥40?m。 全加成法 L/S≤40?m(如 5?m) 。 (5)孔径Φ 为 50∽80?m。 2.2 CCL 材料 根据封装基板的组装要求和条件来选择, 因此要充分了解上、 下游的技术指标性能与要求。 如,采用 Cu 或 Au 丝连接(键合)的封装基板,应该采用对温度(包括高温焊接的耐热)尺 寸稳定性,关键是翘曲度问题,或 CTE 匹配问题。 (1)CTE 小、Tg 高的材料。如 BT 材料、PI 材料、改性/高 Tg 环氧材料等。 (2)薄型基材。即薄型玻纤布所形成的 CCL。如 0.1∽0.3mm。 2.3 微小孔的形成 (1)钻/蚀孔。主要有机械钻孔和激光蚀孔。

①机械钻孔。采用高速钻机,转速为 20∽30 万转/分,可达到Φ 50∽80?。m ② 激光蚀孔。 (一)红外(UV)激光蚀孔,光波长(9.6?m/10.6?m)孔的厚/径比受到 限制(应≤0.5,否则,问题多) ,现在已经可提供 LG—PP 材料。RCC 材料有缺点,介质厚 度难保证(特别是均匀性)(二)紫外(UV)激光,可不开‘窗口’ 。 ,提高位置度,光波短 (大多采用 0.365?m) ,孔径可更小。功率较低,生产率较低。目前已经提高到 6∽8 瓦,这 个问题已得到解决。 (2)孔化/电镀。 采用常规孔金属化工艺和电镀铜填孔技术是可以完成的 2.4 图形转移技术 (1)L/S 微小化。减少侧蚀和提高精细度: ①图形电镀(含填孔镀) ,解决均匀性电镀,然后蚀刻。 ②铜箔减薄(≤6?m) ,然后图形电镀(含填孔镀)/或全板镀,蚀刻形成。 ③ 在介质是完成孔金属化和电镀(含填孔) ,然后蚀刻。 (2)曝光掩膜 ①常规菲林。不适宜,不能满足尺寸精细堵要求。 ②玻璃底片。不适宜操作。 ③铬片。适宜。 (1) 蚀刻抗蚀剂。 2 ①干膜。厚度应选≤25?m(80∽120mj/cm ) 。 2 ②采用激光直接成像用干膜(8∽12mj/cm ) 。 (4)激光直接刻像。注意保证介质层厚度。 2.5 表面涂(镀)覆 一般情况下,表面涂(镀)覆层大多数采用化学镀镍/浸金,现在也可是采用化学镀银。 当然,采用化学(或电镀)镍/金/钯,更好。 ①化学镀镍/浸金。金层要厚,并属软金,其厚度应≥0.15?m 或更厚,因为金丝是键合 (焊接)在金层上的。如果采用铜丝键合(焊接)是可以用薄金的。 ②化学镀银。银是可以与金、铜丝键合(焊接) ,但银的厚度要厚些,应≥0.30?m。而 化学镀银是不能与 Al 丝键合(焊接)的。 ....


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