IC封装基板技术简介

1、 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

2、多数为50*70mm2。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。 介电常数r大（68）。 信号传输速度V是由来介电常数r决定的，如下式可得知。 V=k·C/(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。密度低。L/SO.1mm，加上厚度厚、孔径大，不能满足IC高集成度的要求。电阻大。大多采用钼形成的导线，其电阻率（烧结

3、后）比铜大三倍多或更大，发热量大和影响电气性能。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。薄型化困难。厚度较厚，大多数为1mm以上。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。介电常数r小（可选择性大，大多用34的材料）。高密度化好。L/S可达到2050µm，介质层薄，孔径小。电阻小。发热低，电气性能好。基板尺寸可扩大。大多数为70*100mm2。可薄型化，目前，双面/四层板，可达到100300µm。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

4、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

5、。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，其CTE为1319ppm/，采用金属丝键合（WB），然后，再BGA/µBGA焊接到PCB板上；（2）陶瓷基板封装，其CTE为68ppm/，由于陶瓷基板的缺点，逐步采用68ppm/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，

6、direct die attach）匹配的安装,其CTE接近24ppm/（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CTE（ppm/）焊接方法（类型）要求CCL的CTE（ppm/）有机封装基板1519WB(Au、Cu、Al丝搭接）常规型，1519（或1316）陶瓷封装基板68PGA低CTE型，1012BGA甚低CTE型，810-BGA超低CTE型68晶圆(片)级封装基板24BGA高弹性碳纤维型，35-BGA低弹性碳纤维型，13

7、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5ppm/3ppm/2ppm/1ppm/

8、 =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CTE差（ppm/）52120 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68ppm/）上，但是还不能安置到PCB基板上，因为PCB的CTE大小为1619ppm/，两者的CTE不匹配、差别太大。为了解决这个问题：大多采

9、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。最好而根本的办法，应该是把PCB基板的CTE=1619ppm/下降到810ppm/或68ppm/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

10、的（相对）介电常数大（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1319ppm/）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 材料硅芯片金丝铜丝Al丝有

11、机基板CTE（ppm/）24 141721231619，1315，1012，810从表3可看出：（1）典型的芯片的热膨胀系数CTE为24ppm/，这就很难可以直接封装在PCB上，因为PCB的CTE大小为1619ppm/（有的文献数据为1315ppm/、1317ppm/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2123ppm/）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

12、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24ppm/或35ppm/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24ppm/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

13、 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。低-弹性模量碳纤维。用得多的是碳纤维。低-弹性模量碳纤维具有接近于-.ppm/，当与树脂结合起来形成的复合材料，其可达到.ppm/。这样的等级已经可与传统的芯片的（ppm/）严密匹配了。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-.

14、ppm/，但当高-弹性模量PITCH纤维与树脂形成复合材料时，其CTE为1.03.0ppm/。可以应用于那些要求很低CTE（24ppm/）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，如PI材料、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

15、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24。 （3）基板厚度，0.10.3mm。 （4）导线宽度L/间距S。L/S50µm（2050µm）。 半加成法L/S40µm。全加成法L/S40µm（如5µm）。 （5）孔径为5080µm。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

16、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0.10.3mm。2.3 微小孔的形成 （1）钻/蚀孔。主要有机械钻孔和激光蚀孔。机械钻孔。采用高速钻机，转速为2030万转/分，可达到5080µ。m 激光蚀孔。（一）红外（UV）激光蚀孔，光波长（9.6µm/10.6µm）孔的厚/径比受到限制（应0.5，否则，问题多），现在已经可提供LGPP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0.365µm），孔径可更小。功率较低，生产率较低。目前已经提高到68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：图形电镀（含填孔镀），解决均匀性电镀，然后蚀刻。铜箔减薄（6µm），然后图形电镀（含填孔镀）/或全板镀，蚀刻形成。 在介质是完成孔金属化和电镀（含填孔），然后蚀刻。 （2）曝光掩膜常规菲林。不适宜，不能满足尺寸精细堵要求。玻璃底片。不适宜操作。铬片。适宜。（1） 蚀刻抗蚀剂。 干膜。厚度应选25µm