芯片基板及框架介绍

芯片基板及框架介绍演讲人：日期:目录CATALOGUE02.核心材料构成04.技术演进方向05.性能测试标准01.03.关键制造工艺06.典型应用场景基础概念与功能01基础概念与功能PART芯片基板作为集成电路的载体，通过精密布线实现芯片与外部电路的电气连接，确保高频信号的低损耗传输，同时减少电磁干扰（EMI）对信号完整性的影响。芯片基板的定义与作用电气连接与信号传输基板通常采用高导热材料（如陶瓷或金属基复合材料）以快速传导芯片产生的热量，并通过结构设计增强机械强度，防止因热膨胀或外力导致的形变损坏。散热与机械支撑现代基板通过多层堆叠技术（如HDI基板）实现高密度互连，支持芯片与其他被动元件（如电容、电感）的集成，推动电子设备小型化发展。封装集成与微型化物理保护与结构固定高端框架集成散热片或热沉结构，优化热量从芯片向外部环境的传递路径，同时通过铜合金等材料实现大电流承载能力，适用于功率器件应用。热管理与功率分配标准化接口设计框架的引脚布局遵循行业标准（如JEDEC），确保芯片与PCB的兼容性，并支持自动化贴装工艺，提高生产效率。框架（如引线框架或BGA基板）为芯片提供刚性支撑，防止封装过程中因应力导致的芯片破裂，并通过塑封材料（如环氧树脂）隔绝外界湿气和污染物。框架的核心功能解析基板与框架的协同关系02

03

封装工艺集成01

热-力耦合优化基板通过倒装焊（Flip-Chip）或引线键合（WireBonding）与框架连接，需协同考虑焊点可靠性、填充胶流动性与回流焊温度曲线等工艺参数。信号与电源完整性协同基板的微带线设计与框架的接地层共同构成完整参考平面，降低电源噪声并抑制串扰，尤其在高频（如5G毫米波）应用中至关重要。基板与框架的材料热膨胀系数（CTE）需匹配以减少热循环下的界面应力，例如采用铜-陶瓷复合结构平衡导热与机械稳定性。02核心材料构成PART陶瓷基板材料特性陶瓷基板（如Al₂O₃、AlN）具有优异的热导率（AlN可达170-200W/m·K），能有效传导芯片产生的热量，同时保持高绝缘强度（>10kV/mm），适用于高功率器件封装。高导热性与绝缘性陶瓷材料的热膨胀系数（CTE）与硅芯片（2.6ppm/°C）接近（如Al₂O₃为6.5-8.5ppm/°C），可减少热循环过程中的应力开裂问题，提升器件可靠性。低热膨胀系数匹配耐酸碱腐蚀且硬度高（莫氏硬度9级），适合恶劣环境应用，如航空航天电子封装中的多层共烧陶瓷（LTCC/HTCC）基板。化学稳定性与机械强度C194（Cu-Fe-P）和C7025（Cu-Ni-Si）合金因导电率（>80%IACS）与强度（抗拉强度400-600MPa）平衡，成为引线框架主流材料，适用于高密度IC封装。金属框架合金选择铜合金框架主导地位因瓦合金（Fe-Ni36）因超低CTE（1.5ppm/°C）用于光电器件封装，柯伐合金（Fe-Ni29-Co17）则因其与玻璃密封性优，广泛用于气密封装。铁镍合金特殊应用框架常采用镀银（2-5μm）或镀钯镍（0.1-0.3μm）工艺以降低接触电阻（<10mΩ）并防止氧化，满足高频信号传输需求。表面处理技术高密度互连（HDI）基板采用BT树脂/ABF材料构建微细线路（线宽/间距≤15μm），通过半加成法（SAP）工艺实现5G芯片的10层以上高密度布线，传输损耗<0.3dB/cm@10GHz。柔性基板创新应用聚酰亚胺（PI）基材的柔性电路板（FPC）可弯曲半径达1mm，用于可穿戴设备的3D封装，耐高温性（长期300°C）支持芯片级封装（CSP）回流焊工艺。嵌入式元件技术在FR4基板中埋入无源元件（0402尺寸电阻/电容），实现系统级封装（SiP）的尺寸缩减30%以上，寄生电感降低至0.1nH级别。有机封装基板应用03关键制造工艺PART精密蚀刻成型技术通过光刻技术将设计图案转移到基板表面，确保线路宽度和间距达到微米级精度，满足高频信号传输需求。高精度图形转移采用特定蚀刻液对铜层进行选择性去除，需严格控制温度、浓度和时间，以避免过蚀刻或残留问题。化学蚀刻控制通过调整蚀刻参数和掩膜材料，保证蚀刻后的线路侧壁接近垂直，减少信号传输损耗和阻抗波动。侧壁垂直度优化多层基板压合工艺层间对准技术利用光学对位系统确保各层基板在压合前精确对齐，避免因偏移导致的线路短路或断路缺陷。树脂填充均匀性选择与铜箔热膨胀系数相近的基材，减少压合后因温度变化产生的应力变形，提升产品可靠性。在高温高压条件下，半固化片（PP）需完全填充层间空隙，消除气泡并保证介电层厚度一致性。热膨胀系数匹配化学镀镍/金工艺对非焊接区域涂覆有机保焊膜（OSP），防止铜面氧化，同时保持后续焊接时的润湿性。抗氧化OSP处理电镀均匀性检测通过X射线荧光光谱仪（XRF）检测镀层厚度分布，确保关键区域镀层覆盖率达到100%且无漏镀现象。在焊盘区域沉积镍层作为扩散阻挡层，再镀金以增强抗氧化性和焊接性能，需控制镀层厚度在1-3μm范围内。表面镀层处理规范04技术演进方向PART高导热材料创新通过氮化铝、碳化硅等陶瓷材料与金属层的复合结构设计，显著提升基板导热系数，解决高功率芯片的散热瓶颈问题，同时保持优异的绝缘性能。复合陶瓷基板开发石墨烯导热膜应用液态金属界面材料利用石墨烯的超高导热特性（理论值达5300W/m·K），在芯片封装中嵌入定向排列的石墨烯薄膜，实现热量快速横向扩散，降低局部热堆积风险。采用镓基合金等低熔点金属作为TIM（热界面材料），填充芯片与散热器间的微观空隙，导热效率比传统硅脂提升3-5倍，且具备长期稳定性。微缩化布线技术半加成法工艺突破通过光刻-电镀组合工艺实现5μm以下的精细线路成型，配合低粗糙度铜箔处理技术，减少信号传输损耗，满足高频高速信号完整性要求。异质材料共烧技术开发低温共烧陶瓷（LTCC）与高温共烧陶瓷（HTCC）的混合工艺，解决不同膨胀系数材料间的层间对准难题，实现多层高密度互连结构。嵌入式无源元件集成将电阻、电容等被动元件直接埋入基板介质层，通过激光钻孔和填孔电镀实现三维互连，节省表面布线空间达40%以上。三维封装框架设计扇出型晶圆级封装通过重构晶圆工艺将芯片重新排布在更大尺寸的载体上，实现多芯片系统集成，I/O密度提升至传统QFN封装的8倍以上。硅通孔（TSV）堆叠架构在芯片间垂直打通直径10-50μm的硅通孔，采用铜填充和绝缘层包裹技术，实现层间互连距离缩短至微米级，传输延迟降低90%。光学互连框架在封装内部集成光波导和微型光电转换模块，用光信号替代部分电互连，解决高频信号串扰问题，数据传输速率突破100Gbps/mm²。05性能测试标准PART电气导通性检测接触电阻测试通过四线法或微欧计测量基板与框架间的接触电阻，确保连接点导电性能符合设计要求，避免因电阻过大导致发热或信号衰减。绝缘耐压测试施加高压检测基板绝缘层的耐压能力，验证其在额定电压下是否会发生击穿或漏电现象，保障电路安全运行。高频信号完整性分析利用网络分析仪评估高频信号传输时的阻抗匹配和损耗特性，确保信号在基板传输中无畸变或延迟。模拟芯片工作时的温度变化环境，通过多次冷热循环检测基板与框架的热膨胀系数匹配性，防止因热应力导致开裂或变形。热循环疲劳测试将样品置于高温高湿环境中持续暴露，观察金属层氧化、焊点腐蚀等失效模式，评估材料在恶劣条件下的耐久性。高温高湿老化试验通过振动台模拟运输或使用中的机械应力，检测基板结构强度及焊点抗疲劳能力，确保其在动态环境中保持稳定。机械振动与冲击测试热机械可靠性验证使用拉力机定量分析基板与框架粘接层的剥离力，结合金相显微镜观察断裂面形貌，判断界面结合质量是否达标。剥离强度测量通过剪切试验仪测定焊点或粘接剂承受剪切力的极限值，结合有限元仿真优化界面材料选择与工艺参数。剪切强度评估非破坏性检测界面层的气孔、裂纹等缺陷，结合三维重建技术量化结合区域的均匀性与致密性。X射线断层扫描（CT）界面结合强度测试06典型应用场景PART消费电子芯片封装智能手机SoC封装芯片基板作为核心载体，需满足高密度布线、低介电损耗及轻薄化要求，例如采用ABF（AjinomotoBuild-upFilm）材料实现5G芯片的微间距互连。TWS耳机主控芯片封装框架需具备优异的电磁屏蔽性能，同时通过铜合金蚀刻工艺降低信号传输损耗，确保音频处理的高保真度。智能手表PMIC封装基板需集成柔性电路设计以适应曲面穿戴设备，并采用嵌入式被动元件技术缩小封装体积。汽车电子功率模块自动驾驶ECU基板需具备16层以上HDI堆叠结构，集成阻抗控制走线和局部厚铜层，满足ADAS系统对高速信号完整性的严苛要求。新能源汽车IGBT模块框架需选用高热导率铜钼合金材料，配合DBC（直接键合铜）基板实现300A以上大电流承载，同时耐受-40℃~150℃极端温度循环。车载充电器SiC模块采用三维立体封装框架设计，通过银烧结工艺降低界面热阻，使碳化硅器件结温控制在175℃以下以提升转换效率。数据中心处理器载板交换机PHY芯片载板通过低损耗PTFE介质