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第四章微电子封装的基板技术(1)

3.1概论 3.2按封装材料、封装器件、封装结构分类 3.2.1金属封装(M) 3.2.2塑料封装(P) 3.2.3陶瓷封装 (C) 3.3按封装的外形、尺寸、结构分类
4.1 概论 4.2 基板分类 4.3 有机基板 4.4 陶瓷基板 4.5 低温共烧陶瓷基板 4.6 其他类型的无机基板 4.7 复合基板
4.1概论
基板是实现元器件功能化、组件化的一个平台,是 微电子封装的重要环节。随着集成电路芯片技术和组 装技术的持续发展,对基板技术性能方面的要求也越 来越高。因此,基板技术将面临来自三个不同方面的 挑战:
(1) 微电子芯片发展的要求,即大面积化、针脚四边引出 和表面贴装化、引脚阵列化和引脚间距密度化; (2) 元器件发展的要求,即无引线化、小型化、片式化和 集成化都需要与基板一起设计和制造并制成埋入式结构; (3)MEMS 应用方面的要求,布线高密度化、层间互联精 细化、结构的三维化/立体化。 (4)应用环境的要求.
上述要求反映到基板材料及结构上,主要体现在:
精细化的布线图形 小孔径的层间互连孔 多层布线以实现布线最短 低介电常数的基板材料
特性阻抗匹配以及防止噪声的图形布置
4.2 封装基板的分类
在人们的印象中,PCB(printed circuit board: 印刷电路板)无非就是使绝缘体和导体组合,能实 现元器件和芯片搭载以及电气连接即可,并没有什 么特殊复杂之处。 实际上,PCB不仅种类繁多,而且涉及的材料 和工艺多种多样。因此,PCB的分类方法很多,一 般情况下可按照绝缘材料及其软硬程度、导体材料、 导体层数、Z方向的连接方式来分类。
在微电子封装中主要按照基板的基体材料来分,可 以分为三类: (1)有机基板:包括纸基板、玻璃布基板、复合 材料 基板、环氧树脂类、聚酯树脂类、耐热塑性基板和多 层基板等; (2) 无机基板:包括金属类基板、陶瓷类基板、玻璃 类基板、硅基板和金刚石基板等; (3) 复合基板:包括功能复合基板、结构复合基板和 材料复合基板等。
4.3 有机基板
1. 概述
有机基板是指由绝缘隔热、不易弯曲的有机材料 制成,并在表面制造金属导线图形,用来提供板上 器件和芯片的电路连接或电磁屏蔽,具有介电常数 低、工艺简单和成本低廉等特点。 通常采用的有机材料有 FR-4 环氧玻璃、 BT 环氧 树脂、聚酰亚胺和氰酸盐脂等。
基板制作一般采用PCB工艺,形成的基板叫印刷 电路板。随着电子设备越来越复杂,需要的器件和 芯片自然越来越多,PCB上的线路、器件和芯片也 越来越密集,需要没有器件和芯片的裸板,这种裸 板 常 被 称 为 印 刷 线 路 板 (printed wiring board:
单面板结构图
由于单面板在设计线路上有许多严格的限制(如布线 间不能交叉,必须绕独自的路径),所以只有早期的电 路才使用这类板子。
(2)双面板
为了能保持芯片和器件的固有性能,不引起信号传 输性能的恶化,需要认真选择基板材料,精心设计布 线图形。因此,基板选择与设计时需要重点考虑基板 的材料参数、电参数、热参数和结构参数等,具体体 现在以下方面:
(1) 材料参数方面:介电常数、热膨胀系数和热导率等重 要参数; (2) 在结构方面:实现布线图形的精细化、层间互连小孔 径化和电气参数最优化; (3)在热性能方面:重点考虑耐热性、与Si等芯片材料的热 匹配 和系统的良好导热性;
(2)全面电镀法工艺流程
全面电镀法工艺如下: a. 在双面覆铜基板上钻孔; b. 表面触媒处理后,在孔的内壁化学镀铜,实 现电气导通; c. 再全面电镀一层铜膜; d. 涂光刻胶; e. 曝光、显影; f. 刻蚀掉不需要的铜膜,去除光刻胶。
全面电镀法工艺流程图
(3)全电镀法的优缺点
(a)电镀层均匀分布,不会发生由于导线不均匀而使 线路稀疏部电流集中的情况; (b)不需要像图形电镀法那样根据导电图形的面积而 进行电镀电流调整作业,适合批量生产,实际采用较 多; (c)光刻形成刻蚀阻挡层,对光刻胶的性能要求也不 苛刻。 (4)为减少水汽等有害气体成分,封盖工艺一般在氮 气等干燥保护气氛下进行。 缺点:要刻蚀的铜膜较厚,不易制成高分辨率图形
(4)图形电镀工艺
图形电镀法也是基于基板钻孔之后,表面触媒处理 和化学电镀在孔中形成铜膜,实现电气导通。 与全面电镀法不同之处在于,图形电镀法是通过在 不需要电路的部分涂敷光刻胶,然后在电路部分镀铜 和表面保护金属层,再剥离光刻胶、最后经刻蚀来实 现电路连接,制成PWB电路图形。
(5)图形电镀工艺优缺点
(4)电参数方面:
a. 减小信号传输延迟时间Tpd,
T pd r /c
b. 系统内部特性阻抗的匹配; C. 降低L、C和R等的寄生效应,使引线间距最短化,使用 低磁导率的导体材料、低介电常数的基板材料等; d. 降低交调噪声,要尽量避免信号线之间距离太近和平 行布置,同时为了减小此影响,应选用低介电常数的基板 材料; e.电路图形设计要考虑到防止信号发射噪声。
优点:光刻胶形成电镀阻挡层,侧壁光滑、平直、 线条规则,可以实现精细化产品。 缺点:对不同的电路图形设计和面积的变化存在逐 个对应的问题,而且同一板面上镀层厚度的一致性也 较差。
3. 有机基板的分类
通用的有机基板按导体布线层数可分为:单面 板、双面板和多层板。
(1)单面板 在最基本的PCB上,器件集中在其中一面,导 线则集中在另一面,由于导线只出现在其中一面, 所以就称这种PCB叫作单面板,如下图所示:
PWB)。 目前,国际封装专业越来越多的场合采用
PWB代替PCB。
2. PWB制作方法 (1)电路的形成方法
通用PWB的制造按照表面金属层制备方法不同 分为:加成法和减成法两类。
加成法是指通过在绝缘板表面添加导电性材料 形成电路图形的方法。在加成法中又可分为全加 成法、半加成法和部分加成法。 减成法是指在预覆铜箔的基材上通过化学腐蚀 铜箔所形成的电路图形的方法。作为主流工艺的 减成法又可分为全面电镀法和图形电镀法。
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