第四章微电子封装基板技术(1)
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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。
4.2 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。
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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。目前,微电子封装所 用的基板材料主要由金属、合金、陶瓷、塑料盒复 合材料等,其主要有以下几个功能:
(1)互连和安装裸芯片或封装芯片的支撑作用; (2)作为导体图形和无源元件的绝缘介质; (3)将热从芯片上传导出去的导热媒体; (4)控制高速电路中的特性阻抗,串扰以及信号 延迟。
(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)全面电镀法的优缺点
(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;
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
(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.
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:
(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。
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;
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
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。
(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;
(4)电参数方面:
a. 减小信号传输延迟时间Tpd,
Tpd r /c
b. 系统内部特性阻抗的匹配;
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:
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。
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
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。
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: PWB)。目前,国际封装专业越来越多的场合采用 PWB代替PCB。