淺談埋嵌元件PCB的技術(一)

　　1 前言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/248537.htm

　　埋嵌元件基板由於元器件的三維配置而使PCB或者模組小型化，縮短元件之間的連接路徑，降低傳輸損失，它是可以實現可攜式電子設備多功能化和高性能化的安裝技術。多層板中埋嵌LSI或者無源元件方式的埋嵌元件基板從2003年開始採用，從2006年開始正式用作高功能便攜電話或者用於表用的小型模組基板。這些基板分別採用了元件製造商和PCB製造商獨自開發的特徵構造和工藝。本文就參考日本電子電路工業協會(JPCA)的規格中埋嵌方式的埋嵌元件基板技術的分類，採用的元件和安裝技術和評價解析等加以介紹。

　　2 埋嵌元件基板技術的分類

　　埋嵌元件基板大致分為埋嵌個別製造的元件的方式和在基板上形成直接元件的方式。本人只限於前者方式的技術。圖1表示了埋嵌型的埋嵌元件基板按照嵌入元件的安裝方式的分類。PCB上的元件安裝方式大致有焊盤連接方式和導通孔連接方式兩大類。

　　

 

　　圖2表示了焊盤連接方式和導通孔連接方式的代表性製造工藝。

　　

 

　　在焊盤連接方式中，首先在基板上形成的電極上安裝嵌入的元件並進行電氣連接。連接完成以後採用絕緣樹脂同時填充和埋沒元件和電極。連接時採用現有的表面安裝技術。連接材料採用焊料或者導電膠。嵌入元件的安裝：元件為裸晶片時選擇裸晶片粘結(Die Bonding);元件為無源元件或者模塑封裝(Mould Package)或者WLP(Wafer LevelChip Scale Package)時安裝選擇(Mounting)：裸晶片的倒晶片連接(Flip Chip Bond)採用超聲波接合、C4(Controlled Collapse Chip Connection控制熔化高度晶片連接)、ESC(Epoxy Encapsulated SolderConnection環氧樹脂囊包焊接)、導電性樹脂和各向異性導電樹脂(ACF/ACP,Auisotropic ConducliveFilm /Anisoropic Conductive Paste)和非導電性樹脂(NCF/NCP,Non Conductive Film / Non CondctivePaste)等安裝技術。無源元件的連接採用焊料再流焊或者導電性樹脂。焊盤連接方式中由於元件連接採用傳統的表面安裝技術而具有有效利用現有製造設備的優點。另外，由於實施了元件安裝連接以後和埋嵌以前的檢查，所以可以對安裝過程中發生的不良品進行篩選或者修理和返工。

　　導通孔連接方式中，PCB和元件進行電氣連接以前採用絕緣樹脂埋嵌元件。元件埋置以後，覆蓋元件電極的樹脂上進行雷射加工，形成導通孔以後採用鍍層填充導通孔，進行PCB與元件的電氣連接。導通孔連接方式的特徵是元件的電極上接合直接鍍銅(Cu)層。由於沒有介入表面安裝中使用的焊料或者凸塊那樣的接合部，所以期待著與多層板的內部線路同等的低連接電阻和高連接可靠性，另外還可以採用全層IVH(Interstitial Via Hole)使用的導電膠進行導通孔連接，與多層板的層間連接同樣的導電膠用於與元件的連接，採用同時進行埋置和連接的匯總積層工藝可以簡化工程複雜的元件埋嵌基板的製造工藝。

　　上面介紹了按照埋嵌元件的安裝技術分類的埋嵌元件基板的種類和大致的製造工藝。下面參照迄今的開發事例介紹埋嵌元件基板的製造中採用的各種安裝技術。

　　3 焊盤連接方式的埋嵌元件基板

　　焊盤連接方式中在內層基板上安裝元件以後，採用絕緣樹脂埋置。嵌入的元件分為裸晶片(Bare Die)和其它元件，下面介紹連接用的表面安裝技術。

　　3.1 裸晶片粘結方式

　　圖3表示了利用倒晶片安裝嵌入裸晶片的工藝。

　　

 

　　圖3(a)表示在裸晶片的電極上形成金(Au)堆積凸塊。使用NCP與PCB的電極進行加熱加壓連接的方式。PCB的電極表面上沒有進行鍍金(Au)或者鍍錫(Sn)等，而是原本的銅(Cu)。銅(Cu)表面上施行粗化處理，旨在提高與樹脂的附著力。加熱加壓連接時，接合部必須維持壓縮應力，對於提高連接可靠性至關重要。圖3(a)中著眼於NCP的熱機械特性，選擇高彈性和高膨脹係數的樹脂可以獲得充分實用的連接可靠性。

　　另外還有使用ACP代替NCP的熱壓連接的安裝方法。在裸晶片的鋁(Al)電極上形成金(Au)球凸塊以後，塗布底膠ACP,實施加壓加熱，即可電氣連接。接合可靠性與NCP時同樣取決於底膠樹脂的物理性能。圖3(b)表示了使用銀(Ag)膠凸塊和ACP的連接方式。PCB的電極上印刷銀(Ag)膠形成銀(Ag)凸塊，塗布底膠ACP使用倒晶片粘結器熱壓接合。裸晶片的電極上沒有形成銅(Cu)或者金(Au)凸塊而是採用鋁(Al)進行熱壓連接。

　　圖3(b)的熱壓連接銀(Ag)膠凸塊的連接技術在積層板中已經量產化，它是應用了利用導電性凸塊的層間連接技術(B2it,Buried Bump InterconnectionTechnology)。

　　圖3(a)和(b)與多層板製造技術相組合的元件嵌入基板的實用化比例，利用NCP和ACP的元件連接技術，採用導電性凸塊進行層間連接。製造利用導電性樹脂凸塊連接的雙面板，在內層上安裝元件以後，與外層的基板組合在一起加熱加壓而埋入元件，同時採用凸塊使線路層間匯總連接。採用元件埋入以前進行線路形成的工藝有利於減少不良率和提高生產性。

　　3.2 晶片安裝方式

　　圖4表示了印刷焊膏的內層的基板上採用晶片安裝器(Chip Mouuter)搭載元件並採用再流焊工藝熔融焊料的連接方式。採用使LSI WLP化的晶片安裝(Chip Mounting)和再流焊工藝同時的搭載和連接有源元件和無源元件。它是模型封裝的LSI或者模組等大多數通用元件可以採用的嵌入技術。採用焊接連接嵌入元件時，由於基板表面上安裝元件的模組基板第二次安裝到母板上，經過再度再流焊工藝時擔心焊料凸塊(焊料球)熔融而影響到導通和絕緣特性。因此採用樹脂覆蓋焊料的周圍，抑制再熔融產生的流動，從而可以避免上述問題。

　　

 

　　4 導通孔連接方式的元件埋嵌基板

　　導通孔連接方式中，元件嵌入以後進行與基板的連接。有源元件和無源元件的全部元件的電極視為內層的線路圖形，利用積層技術在元件上部形成線路層。

　　4.1 裸晶片粘結方式

　　嵌入的LSI WLP化，採用銅(Cu)線路引出WLP化的電極，擴大了電極間節距，實現了與現有PCB加工工藝親和性高的埋入工藝。另外由於WLP化而確保良好的裸晶片(KGD,Known GoodDie)。相對與連接以後元件難以修理的導通孔連接方式來說具有很大的優越性。

　　圖5表示了代表性的導通孔連接方式的有源元件嵌入技術的製造工藝。嵌入的LSI WLP化，形成銅(Cu)線路和銅(Cu)凸塊，施行樹脂塗復。薄片化的裸晶片背面粘貼裸晶片附著膜(DAF,DieAttachment Film)以後進行位置重合，在基板上面朝上粘結。半固化片和表層基板積層，加熱加壓以後使裸晶片嵌入。在嵌入的WLP的電極位置上從基板表面進行雷射加工，形成導通孔以後採用鍍層填充導通孔，連接WLP的電極和基板的線路。由於裸晶片的表面由樹脂保護，所以在嵌入加工工程中可以減少損傷或者汙染等方面的危險。