介紹先進(jìn)封裝基板的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)方向

摘要：

封裝基板作為半導(dǎo)體封裝的載體，為芯片提供電連接、保護(hù)、支撐和散熱。受到電、熱、尺寸、功能性以及周期成本的綜合驅(qū)動(dòng)，封裝基板向著薄厚度、高散熱性、精細(xì)線路、高集成度、短制造周期方向發(fā)展。介紹了先進(jìn)封裝基板的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)方向，重點(diǎn)介紹了FCBGA、無芯封裝基板和埋入基板等幾種先進(jìn)封裝基板前沿技術(shù)的定義、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀。

0 引言

近些年，為滿足高性能計(jì)算機(jī)、新一代移動(dòng)通信、人工智能、汽車電子以及國(guó)防裝備等領(lǐng)域的需求，電子產(chǎn)品朝著高性能、高集成度的方向發(fā)展。在摩爾定律接近極限，先進(jìn)晶圓制程成本過高的大環(huán)境下，先進(jìn)封裝技術(shù)在產(chǎn)業(yè)鏈中的重要性越來越突出。作為先進(jìn)封測(cè)產(chǎn)業(yè)中，子模塊和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成以及終端產(chǎn)品的核心基礎(chǔ)，先進(jìn)基板是支持先進(jìn)工藝下巨量I/O提升以及SIP（系統(tǒng)級(jí)封裝）的核心載體，是異質(zhì)集成技術(shù)的基礎(chǔ)與支撐，后摩爾時(shí)代，對(duì)國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)與重點(diǎn)領(lǐng)域起到核心支撐作用。

1 先進(jìn)封裝基板發(fā)展方向與市場(chǎng)概況

IC封裝基板是半導(dǎo)體封裝體的重要組成材料，用于搭載芯片，為芯片提供電連接、保護(hù)、支撐和散熱等。為實(shí)現(xiàn)3D-SiP的系統(tǒng)級(jí)集成需求，滿足未來5G、高性能計(jì)算機(jī)等高端應(yīng)用的需求，業(yè)界對(duì)先進(jìn)基板提出了提高布線密度、減小線寬線距、減小尺寸與重量，改善熱性能的要求。目前，先進(jìn)封裝基板的研究方向主要有工藝改進(jìn)、精細(xì)線路、倒裝芯片球柵格陣列封裝基板（flipchipballgridarray，F(xiàn)CBGA）、無芯封裝基板、有源、無源器件的埋入基板等。

2018～2021年，先進(jìn)封裝基板行業(yè)的年銷售額增長(zhǎng)率達(dá)12%，預(yù)計(jì)到2022年，基板行業(yè)將有100億美元市場(chǎng)。目前，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)的品類集中于引線鍵合球柵陣列封裝（wirebondingballgridarraypackage，WBBGA）封裝基板、倒裝芯片尺寸封裝（flipchipchipscalepackage，F(xiàn)CCSP）封裝基板、無芯封裝基板、無源元件埋入，對(duì)于高端FCBGA基板、有源元件埋入基板等少有涉及，先進(jìn)基板在國(guó)內(nèi)仍處藍(lán)海市場(chǎng)。

2 FCBGA基板

FCBGA有機(jī)基板，是指應(yīng)用于倒裝芯片球柵格陣列封裝的高密度IC封裝基板。FCBGA有機(jī)基板的基礎(chǔ)——build-up（積層）基板技術(shù)，最初誕生時(shí)被IBM應(yīng)用于筆記本電腦，以作為板級(jí)封裝基板，在較小的空間內(nèi)承載大量電子元器件。由于build-up基板優(yōu)秀的電學(xué)性能和低廉的制造成本，它開始取代陶瓷基板，被應(yīng)用于倒裝芯片封裝領(lǐng)域。之后，英特爾逐漸推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的成熟化和標(biāo)準(zhǔn)化，在其整個(gè)CPU產(chǎn)品線中使用build-up基板。近年來，AI、5G和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的蓬勃發(fā)展使得市場(chǎng)對(duì)高性能CPU、GPU、FPGA以及網(wǎng)絡(luò)路由器/轉(zhuǎn)換器用ASIC等器件的需求陡增，大尺寸FCBGA封裝基板產(chǎn)能十分緊缺。由于FCBGA基板具有層數(shù)多、面積大、線路密度高、線寬線距小以及通孔、盲孔孔徑小等特點(diǎn)，其加工難度遠(yuǎn)大于FCCSP封裝基板。目前，F(xiàn)CBGA封裝基板產(chǎn)業(yè)主要集中在中國(guó)臺(tái)灣、日本和韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)，如三星、南亞、欣興、京瓷、景碩等公司，中國(guó)大陸僅深南、越亞、華進(jìn)等少部分企業(yè)具備小批量量產(chǎn)線寬/線距為15/15μm，盲孔直徑≤40μm的FCBGA封裝基板的能力，大陸FCBGA基板行業(yè)仍有很大發(fā)展空間。

FCBGA封裝基板通常以日本味之素生產(chǎn)的味之素積層介質(zhì)薄膜（Ajinomotobuild-upfilm，ABF）作為積層絕緣介質(zhì)材料，采用半加成法（semi-additiveprocess，SAP）制造。ABF材料是一種低熱膨脹系數(shù)、低介電損耗的熱固性薄膜，其易于加工精細(xì)線路、機(jī)械性能良好、耐用性好的特性，使它成為FCBGA封裝基板的標(biāo)準(zhǔn)積層介質(zhì)材料。高密度大尺寸FCBGA封裝基板的研究方向主要有ABF材料工藝、薄型FCBGA封裝基板和細(xì)線路加工工藝等。Lee等針對(duì)味之素的適用于高頻場(chǎng)景的低介電常數(shù)、低介電損耗ABF材料GL102，研究了壓合、預(yù)固化、除膠、激光打孔等關(guān)鍵條件對(duì)ABF與Cu之間的結(jié)合力以及盲孔加工能力的影響，以解決GL102可能表現(xiàn)出的低ABF-Cu結(jié)合力和難以去除膠渣等現(xiàn)象帶來的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。Chiang等研究無芯封裝基板與標(biāo)準(zhǔn)FCBGA封裝基板在電源完整性和信號(hào)完整性上的差異，為芯片封裝設(shè)計(jì)人員提供參考。

3 無芯封裝基板

根據(jù)是否有芯板，IC封裝基板可被分為有芯基板和無芯基板。有芯基板是帶有芯板（核心支撐層）的封裝基板。如圖2所示是有芯基板和無芯基板的結(jié)構(gòu)示意圖。有芯基板由中間的芯板和上下部分的積層板構(gòu)成。無芯基板，則是除去了芯板的封裝基板，僅由積層板構(gòu)成。如圖3所示是無芯封裝基板的一種制造方法，它使用帶有雙面銅箔的聚酰亞胺（polyimide，PI）作為基材，PI膜作為絕緣層，通過加成法實(shí)現(xiàn)高密度布線。

3 無芯封裝基板

消費(fèi)類電子產(chǎn)品的薄型化驅(qū)使封裝基板也向輕薄方向發(fā)展。2004年，富士通發(fā)布了首款無芯封裝基板“GigaModule-4”，隨后，基板廠商和電子產(chǎn)品廠商一道推動(dòng)了無芯封裝基板的發(fā)展，目前無芯封裝基板的制造技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并且在消費(fèi)類電子產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)了批量化應(yīng)用，國(guó)內(nèi)越亞、深南電路、興森快捷等多家廠商無芯封裝基板技術(shù)能力與國(guó)際先進(jìn)水平齊平。

有芯基板的剛性芯板層相比于其他層更厚，其通孔直徑與其他層之間的差別，導(dǎo)致高頻信號(hào)在傳輸過程中存在反射和延遲問題。無芯封裝基板厚度僅為傳統(tǒng)基板厚度的1/3，厚度降低，不僅使無芯基板更能適應(yīng)消費(fèi)類電子產(chǎn)品輕、薄、短、小的趨勢(shì)，還使它具有更高的信號(hào)傳輸速度、更好的信號(hào)完整性、更低的阻抗、更自由的布線設(shè)計(jì)、以及能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的圖形和間距等特點(diǎn)。

與此同時(shí)，缺乏鋼性芯板的機(jī)械支撐，使得無芯封裝基板強(qiáng)度不足，易于翹曲。如何減少制造和裝配過程中的翹曲，成為無芯封裝基板研究和生產(chǎn)領(lǐng)域的重要課題。三星電子的Kim[8]、矽品的David等通過仿真和實(shí)際試驗(yàn)等方式分析無芯封裝基板翹曲的熱、機(jī)械等因素，指導(dǎo)無芯封裝基板的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。常見的降低無芯封裝基板翹曲的方法有：在半固化片中添加玻璃纖維以增加剛度，將基板表層電介質(zhì)材料更換為剛度更強(qiáng)的半固化片，使用低熱膨脹系數(shù)電介質(zhì)材料以降低Cu線路-電介質(zhì)材料之間熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致的翹曲，針對(duì)制程開發(fā)能夠減少翹曲的合適夾具，平衡基板各層覆銅率以減少上下層熱膨脹系數(shù)失配等。

4 埋入式封裝基板

埋入式基板技術(shù)誕生于消費(fèi)類電子產(chǎn)品輕薄短小的發(fā)展趨勢(shì)下。埋入式基板技術(shù)根據(jù)埋入的元器件種類，可大致分為無源元件埋入、有源器件埋入以及無源、有源混埋技術(shù)和Intel的嵌入式多核心互聯(lián)橋接（embeddedmulti-dieinterconnectbridge，EMIB）技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的、將元器件全部焊接至PCB板表面的技術(shù)，元器件埋入基板技術(shù)[10]能夠縮小元件間互連距離，提高信號(hào)傳輸速度，減少信號(hào)串?dāng)_、噪聲和電磁干擾，提升電性能，降低模塊大小，提高模塊集成度，節(jié)省基板外層空間，提升器件連接的機(jī)械強(qiáng)度。對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能、高要求、小型化、薄型化的便攜式電子設(shè)備具有非常重要的意義。

4.1 無源元件埋入基板技術(shù)

無源元件埋入基板可大致分為平面埋入和分立式埋入兩種。平面埋入[10]是使用電阻、電容材料通過壓合、圖形轉(zhuǎn)移、化學(xué)蝕刻等方法，在絕緣基材上制作相應(yīng)的電阻、電容圖形。分立式埋入則是直接將超小尺寸無源器件埋入封裝基板。無源器件埋入式基板誕生于20世紀(jì)70年代，最初無源器件埋入基板的實(shí)現(xiàn)基于低溫共燒陶瓷基板技術(shù)，之后，得益于較低的成本和較簡(jiǎn)單的工藝，有機(jī)基板的無源元件埋入得到了快速發(fā)展。目前，有機(jī)基板埋入無源器件在國(guó)內(nèi)外多家公司已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，如IBM、Nortel、深南電路等。

4.2 有源器件埋入基板技術(shù)

有源元件埋入技術(shù)的概念最早在1960年被提出，Intel的無凸點(diǎn)積層多層法（bumplessbuild-uplayer，BBUL）技術(shù)的誕生標(biāo)志著有源器件埋入基板技術(shù)的首次實(shí)現(xiàn)。按照芯片埋入的制程先后順序，有源器件埋入基板技術(shù)可分為芯片先置型（chip-first）埋入技術(shù)和芯片后置型（chip-last）埋入技術(shù)。

芯片先置型埋入技術(shù)先將芯片埋入有機(jī)絕緣介質(zhì)中，之后再制作電路圖形以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸和電源供應(yīng)。HUT提出的集成模塊埋入基板（integratedmoduleboard，IMB）技術(shù)和IZM以及柏林工業(yè)大學(xué)共同提出的聚合物芯片埋入（chip-in-polymer）技術(shù)都屬于芯片先置型埋入技術(shù)，這兩種技術(shù)均可同時(shí)實(shí)現(xiàn)有源和無源元器件的埋入。圖4是IMB技術(shù)的一個(gè)模型，將芯片放置在基板上預(yù)先制作好的芯片槽里，使用樹脂將芯片塑封后，打孔、制作電路圖形以實(shí)現(xiàn)互連。圖5是chip-in-polymer技術(shù)的模型，區(qū)別于IMB技術(shù)將芯片放置在預(yù)先制作好的凹槽內(nèi)，chip-in-polymer技術(shù)是將裸芯片直接粘貼在基板上，使用樹脂包封芯片，再進(jìn)行打孔、制作電路圖形以實(shí)現(xiàn)電氣互連。

芯片后置型埋入技術(shù)（chip-last）技術(shù)由佐治亞理工大學(xué)提出。圖6是芯片后置型埋入技術(shù)的一個(gè)模型，它先制作build-up基板，在制作好的基板上開槽并制作好電路圖形，將芯片放置在槽中，實(shí)現(xiàn)電氣連接后再使用樹脂填充芯片與槽體之間的間隙。

與芯片先置技術(shù)相比，chip-last技術(shù)埋入的芯片位于基板的最上層，可返工且散熱更好，埋入芯片后沒有其他基板增層工藝步驟，加工良率更高。但是芯片先置技術(shù)也有其優(yōu)勢(shì)，芯片后置技術(shù)埋入芯片只能埋入一層芯片，且埋入芯片的基板表面無法再貼裝器件，因此芯片先置技術(shù)對(duì)基板空間縱向利用率較芯片后置技術(shù)更好。

4.3 EMIB技術(shù)

EMIB技術(shù)于2000年代中期，由Mahajan和Sane等首次提出，Braunisc等和Starkston擴(kuò)展發(fā)展，并由Intel于2015在工業(yè)量產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。如圖7所示，EMIB是將帶有多層導(dǎo)電金屬（backendofline，BEOL）互連的超薄硅片埋入有機(jī)封裝基板的最上層，通過焊球與倒裝芯片的連接，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)芯片之間的局部高密度互連。這種埋入式結(jié)構(gòu)可被放置在有機(jī)基板的任意位置以實(shí)現(xiàn)超高密度局部互連，在遠(yuǎn)大于典型掩膜版尺寸范圍內(nèi)集成大芯片，使用非常靈活。如圖8所示，Intel使用EMIB將SKHynix的堆疊式高帶寬存儲(chǔ)器（highbandwidthmemory，HBM）與高性能Stratix10FPGA和SoC集成互連。EMIB技術(shù)的制程簡(jiǎn)單、帶寬高、功耗低、尺寸小、電性能優(yōu)良、信號(hào)完整性好、靈活等特點(diǎn)，使其成為異構(gòu)集成領(lǐng)域的重要技術(shù)。