通过下图IPC的相关标准可以看出,基于PCB的嵌/埋入式封装技术(Embedded Packaging Technologies,后文简称“EPT”)可谓百花齐放,但该技术的核心始终没有改变,就是将各种元器件采用不同的工艺嵌埋在不同的材料中,以实现不同的特性提升。
每种技术路线的使用场景、优劣势,所对应的物料、设备、工艺也不尽相同。本文将放眼于整个电子行业,阐述广义的EPT,并按照不同的逻辑来进行系统性分类。
1.根据基板材料的类型分类:
1.1在有机层压板中嵌入芯片,“Embedded Die”
这是最早出现的嵌入式技术之一,使用制造PCB板的传统有机材料作为嵌入介质,常见的有以下几种:
①FR4: 是一种玻璃纤维增强环氧树脂覆铜板材料,是目前最常用的PCB(印制电路板)基材。主要由玻璃纤维布、环氧树脂组成。
②ABF: 是Ajinomoto Build-up Film 的缩写,中文一般称为 “味之素积层膜”或“ABF绝缘膜”。它是一种由日本 味之素公司(Ajinomoto Fine-Techno)开发的高性能有机绝缘介质膜材料,专门用于半导体封装用载板(Substrate)的积层(Build-up)工艺中。主要由环氧树脂、填料(降低CTE,提高尺寸稳定性)、硬化剂/催化剂(控制固化反应)、添加剂(调整介电常数、可加工性)等成分组成。
③BT: 是Bismaleimide Triazine Resin(双马来酰亚胺-三嗪树脂) 的缩写。它是一种高耐热、高强度、低吸湿的热固性树脂体系,最早由日本三菱电机(Mitsubishi Gas Chemical, MGC)在1970年代开发,用于替代传统环氧树脂的高性能封装材料。主要成分是BMI(提供高Tg、高强度),Cyanate Ester(氰酸酯)或Triazine基团(降低介电常数、提高耐热性),和填料 (Silica、Al₂O₃,降低热膨胀系数、增强尺寸稳定性)。
上面三种基材都是硬质材料,其实元器件还可以嵌埋进软板(Flexible Circuit Board)中,如下图所示的“UTCP Technology”:
④PI:软板中的Polyimide(聚酰亚胺,简称PI)是一种关键的高分子材料(主链含有酰亚胺基团(-CO-NH-CO-)的芳杂环高分子化合物),它作为软板的绝缘基材,赋予了软板独特的柔韧性、耐热性和电绝缘性等核心特性。
行业信息:
序号 |
代表公司 |
技术/产品简称 |
1 |
AT&S |
ECP |
2 |
TDK |
SESUB |
3 |
wuerth |
ET Solder, Microvia,Flip-Chip |
4 |
Schweizer |
i2Board, p2Pack,μ2Pack |
5 |
Amkor/J-Devices |
WFOP |
6 |
Infineon |
BLADE |
7 |
ASE |
aEASI |
8 |
Dai Nippon |
BossB2it, B2itPVVB |
9 |
Taiyo Yuden |
EOMIN |
10 |
Unimicron |
Clover embedded device |
11 |
shinko |
MCeP |
12 |
lmbera |
EWLP |
13 |
Semco |
FoWVLP LSI |
14 |
GT PRC |
EMAP |
15 |
AT&S |
2.5D CL |
1.2在环氧模塑料中嵌入芯片,“Fan-Out WLP/PLP”
这是当前最主流的扇出技术,在晶圆/面板级别加工,内置基板布线。使用与传统封装类似的环氧树脂模料(EMC)作为嵌入介质,通过模塑(Molding)工艺实现封装。
序号 |
代表公司 |
技术/产品简称 |
1 |
ASE |
aWLP |
2 |
Amkor/NANIUM |
WLFO |
3 |
Nepes |
nPLP |
4 |
SPIL |
FOWLP |
5 |
PTI |
CHIEFS |
6 |
ASE |
FOCLP |
7 |
Amkor |
LCCSP |
8 |
TSMC |
InFO PoP |
9 |
xilinx,SPIL |
sLIT |
10 |
QPL |
HDL |
注:1-5为Chip-First,6-10为Chip-Last。
1.3在无机材料中嵌入芯片,“Enlarged Die”
使用硅(Silicon)、玻璃(Glass)等无机材料作为嵌入介质。这类技术可以实现极高的互连密度和优异的性能,常用于高端应用如2.5D/3D集成。
Figure 1:Cross-sectional SEM images of a finished 3D eSiFO package
Fig 2:Schematic of proposed Glass-based active interposer
2.根据嵌埋元器件的类型分类:
2.1嵌埋无源元件 (Embedded Passive Devices, EPD):
如下图所示电阻、电容、电感、铜块(或Inlays)、热管等无源器件均可进行嵌埋。
除此之外,英特尔开发的EMIB封装结构中,Interconnect Bridge也属于一种无源器件。EMIB 技术通过嵌入式硅桥连接多个芯片裸片,提供了高带宽、低延迟的互连能力,同时避免了传统硅中介层的高成本和复杂性。
Figure 3: Schematic showing the EMIB architecture
2.2埋嵌有源元件 (Embedded Active Devices,EAD)
功率半导体器件、模拟与信号芯片、逻辑与控制器件、传感器芯片、通信与射频芯片、存储与逻辑复合芯片等都可进行嵌埋。
图4: 多颗有源芯片嵌埋示意图
2.3混合埋嵌:
同时嵌埋无源器件和有源器件,且数量不一。
3. 按元器件的集成工艺来分类:
如下图所示,第一种是将常规的SMD元器件(分立器件)直接进行嵌埋;第二种是借助PCB制作工艺,在加工过程中形成元器件,该路线以平面电容、电阻为主。
4. 按元器件的互联方式来分类:
4.1 焊接互联:
若所埋器件是常规SMD封装的,可直接在PCB内部进行焊接;
4.2 盲孔互联:
若所埋器件为裸Die,或对散热有特殊需求的可进行盲孔互联;
4.3 倒装焊互联:
若芯片为FC封装,可直接在PCB内部进行倒装焊接;
除了上面行业成熟的互联方式外,科研界也在探索新的互联工艺:
4.4 金属泡沫互联:
4.5 烧结互联(sinter-lamination technology,SLT):
烧结层压技术(SLT)的想法由Fraunhofer IZM提出,是在一个工艺步骤中同时产生电(或热)接触,并用预浸料(PCB起始材料)的树脂填充接触之间的空腔。在这个过程中,通常通过模板或丝网印刷将银烧结浆料施加到相应的接合伙伴之一上。为了填充空腔,生产了预浸料层,其中在要烧结银的位置包含开口。然后,将带有银烧结浆料和预浸料的整个连接件堆叠放置在彼此定向的位置。连接过程在多层层压机中进行。在第一阶段,进行银烧结,以及流动,从而填充腔体。在第二阶段,预浸料的环氧树脂完全热交联。在该层压过程之后,完成各个层的接合。
Fig 4: (a) vertical cross-section of the PCB Embedded assembly design (b) top view of the assembly before top IMS mounting
5. 按元器件朝向工艺来分类:
通常使用两种不同的组件组装方法:面朝上,其中半导体芯片的组装是向下的,其接触焊盘是向上的,类似于引线键合的芯片,或者面朝下,其中芯片的安装是向下的接触焊盘,如倒装芯片。由此产生的电子封装或模块是相似的,但它们对不同应用的适用性存在差异。由于半导体芯片的背面直接接触用于面朝上技术的基板,因此可以使用这种方法实现直接的电和热接触。除了非导电粘合剂外,导电粘合剂、焊料或低温烧结材料也可用于芯片附着。由于不需要从背面通过微通孔进行额外的电接触,因此可以使用各种基板,如厚铜基板或预结构化内层。这一特性使面朝上方法非常适合嵌入垂直半导体,如功率MOSFET、IGBT和二极管。芯片附着后的处理与面朝下方法相当。
面朝下工艺已广泛应用于批量生产。该工艺通常从预制薄铜箔开始,为后续工艺步骤提供对准标记:非导电粘合剂印刷和元件贴装。元件贴装完成后,将铺层压板(FR4预浸料或RCC(树脂涂层铜)),并在真空层压机中进行层压。之后,将激光钻孔至嵌入式芯片的微通孔,并通过通孔清洁、活化和电镀铜沉积实现电接触。最后,使用光刻和蚀刻工艺对基板顶部的铜层进行结构化,或者根据结构尺寸的需要,采用半加成工艺进行结构化。此类嵌入式芯片基板可以像标准PCB内层一样进行进一步加工。
图5:PCB嵌埋工艺流程: face-up (left) and face-down (right)