埋嵌元件PCB的技術(shù)（二）

5 嵌入用元件

焊盤(pán)連接方式時(shí)，嵌入可以采用再流焊或者粘結(jié)劑等表面安裝技術(shù)的大多數(shù)元件。為了避免板厚的極端增大而要使用元件厚度小的元件。裸芯片或者WLP情況下，它們的大多數(shù)研磨了硅(Si)的背面，包括凹?jí)K等在內(nèi)的安裝以后的高度為(300~150)mm以下。無(wú)源元件中采用0603型，0402型或者1005的低背型。導(dǎo)通孔連接方式時(shí)，上面介紹的鍍層連接和導(dǎo)電膠連接的各種事例都是采用Cu電極的元件。用作嵌入元件時(shí)銅(Cu)電極的無(wú)源元件厚度150 mm成為目標(biāo)之一，還有更薄元件的開(kāi)發(fā)例。

6EPASD 評(píng)價(jià)解析T V (TestVehicle)

6.1 測(cè)試運(yùn)載工具(TV)概要

以闡明元件嵌入PCB的技術(shù)課題為目的，制作了評(píng)價(jià)解析WG中的TV(Test Vehicle)并進(jìn)行了評(píng)價(jià)。從2007年再次關(guān)于構(gòu)造和設(shè)計(jì)的討論，最終制作了如圖9所示的裸芯片嵌入基板的構(gòu)造。線路層為4層，L2~L3之間嵌入元件。根據(jù)元件嵌入PCB的用途，初期應(yīng)該相同于HDI基板的評(píng)論，而提出元件嵌入特有的課題被視為最本質(zhì)的問(wèn)題，嵌入部分以外極為容易的優(yōu)先制造，層間連接為貫通孔。分別使用無(wú)鹵FR-4和FR-5基材進(jìn)行制造。

嵌入的元件是由SIPOS(System IntegrationPlatform Organization Standard)提供的“SIPOSTEG”,形成與PCB連接的菊鏈?zhǔn)綀D形那樣的焊盤(pán)配置。圖10表示了這種圖形和主要規(guī)格。其中電極上形成金(Au)螺拴形凸塊(Stud Bump)，采用面朝下(Facedown)的倒芯片連接的安裝方式。這時(shí)采用熱壓接合法和超聲波法2種方法。因此制作成兩種材料和兩種安裝方式的共計(jì)4種樣品。

6.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

2008年實(shí)施了TV制作，2009年度進(jìn)行了評(píng)價(jià)解析。首先為了評(píng)價(jià)再流焊耐熱性，采用JEDEC3級(jí)的條件實(shí)施前處理。許多樣品再流焊以后發(fā)生起泡。

另外還伴隨著發(fā)生斷線或者電阻上升。

圖11表示了截面解析的一例。嵌入的芯片下方的底膠樹(shù)脂與芯片之間發(fā)生剝離，部分剝離發(fā)生在螺栓形凸塊與PCB電極界面。這種剝離是起泡的發(fā)生原因。耐熱性的FR-5也發(fā)生若干起泡。由于四種條件中沒(méi)有顯著差別。所以認(rèn)為發(fā)生起泡的主要原因在于構(gòu)造本身。根據(jù)截面解析的結(jié)果芯片本身顯著翹曲，由于嵌入以后內(nèi)在的殘留應(yīng)力在再流焊時(shí)被釋放而發(fā)生變形，或者由于芯片本身的尺寸或者PCB圖形的影響等。關(guān)于翹曲方面，在內(nèi)層板上安裝時(shí)由于芯片與內(nèi)層板的熱膨脹系數(shù)差別而表現(xiàn)出凸?fàn)盥N曲，但是如圖11所示的起泡以后的截面中反而逆轉(zhuǎn)為凹狀翹曲而值得注意。

發(fā)生起泡的評(píng)價(jià)本質(zhì)上是由于爆玉米花(Popcorn)現(xiàn)象引起的，使用不同的兩種底膠樹(shù)脂的安裝方式都發(fā)現(xiàn)同樣的起泡，因此認(rèn)為PCB構(gòu)造有很大影響。為了調(diào)查這種現(xiàn)象，第二次制作了TV-1′芯材厚度為0.1 mm和0.3 mm,導(dǎo)體圖形有TV-1采用的銅(Cu)中間(Beta)圖形和PCB的網(wǎng)且(Mesh)圖形兩種。共計(jì)四種樣品。圖12表示了TV-1′PCB的導(dǎo)體圖形和層構(gòu)造。各種構(gòu)造實(shí)施了5次再流焊耐熱試驗(yàn)，與TV-1′同樣構(gòu)造的芯材0.1mm/Cu中間圖形再現(xiàn)起泡現(xiàn)象，而其它構(gòu)造都沒(méi)有發(fā)生起泡或者電阻上升，確認(rèn)了構(gòu)造變更的效果。

6.3 熱變形解析

為了考察基材的厚度或者線路導(dǎo)體圖形給予元件嵌入PCB的熱變形行為的影響，利用模擬迄今獲得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解析。根據(jù)前節(jié)敘述的EPADS TV的Geber數(shù)據(jù)制成三D模型(Model)，通過(guò)解析從室溫加熱到260 ℃時(shí)的熱變形行為而求得。解析時(shí)使用ADINA8.6(美國(guó)ADINA公司制造)進(jìn)行非線性的彈性解析。解析以TV-1′為標(biāo)準(zhǔn)?；暮穸葹?.1 mm和0.3 mm兩種，PCB的導(dǎo)體設(shè)定為銅(Cu)中間圖形和網(wǎng)目圖形兩種，實(shí)施共計(jì)組合成四種的解析。制成的模型如下。

(a)模型1 芯材0.1 mm厚/網(wǎng)目圖形。

(b)模型2 芯材0.1 mm厚/中間圖形。

(c)模型3 芯材0.3 mm厚/網(wǎng)目圖形。

(d)模型4 芯材0.3 mm厚/中間圖形。

另外嵌入的芯片為0.1 mm,厚度10 mm□，與TV同樣的周邊配置金(Au)凸塊和下面填充底膠樹(shù)脂的構(gòu)造。實(shí)際的制造狀況有所不同，在解析中室溫下的應(yīng)力和變形設(shè)定為0,求出加熱到260 ℃時(shí)的熱變行為。圖13表示了熱變形解析結(jié)果的一例。途中的PCB L1表示上面的，裸芯片嵌入部分的中心部表現(xiàn)出凸形狀變形的傾向。它的周?chē)盏铰阈静壳度氩孔冃蔚挠绊憽Ｗ冃涡袨殡S著部位而有所不同，這是由于導(dǎo)體圖形的形狀和疏密的影響所致。解析的四種模型中。模型2相當(dāng)于TV-1發(fā)生起泡的構(gòu)造。

解析所獲得的熱變形量以模型2為最大，表現(xiàn)出與實(shí)際基板同樣的傾向。模型2的變形量為108 mm,其它模型的變形量范圍為46 mm ~ 60 mm.

6.4 與熱變形實(shí)測(cè)的比較

為了驗(yàn)證熱變形解析的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了熱變形行為的實(shí)測(cè)。樣品制造成TV-1′，構(gòu)造相當(dāng)熱變形解析的模型1~模型4供給試驗(yàn)。根據(jù)莫瑞光影法(Shadow Moire)的非接觸翹曲測(cè)量一邊加熱到最高260 ℃一邊進(jìn)行測(cè)量。圖14表示了室溫初始狀態(tài)下翹曲分布圖。與解析結(jié)果相反，由于L4側(cè)具有凸?fàn)盥N曲，所以在上面配置PCB L4.由于這種翹曲方向?qū)?yīng)于圖11中表示的起泡以后芯片翹曲方向，所以芯片在嵌入時(shí)和安裝時(shí)表現(xiàn)出不同的翹曲。

從室溫初始狀態(tài)到260 ℃一邊升溫一邊進(jìn)行數(shù)點(diǎn)的測(cè)量，確認(rèn)了室溫初始狀態(tài)時(shí)翹曲小的傾向，即L1側(cè)表現(xiàn)出翹曲行為，這一點(diǎn)與模擬的傾向一致。以室溫初始狀態(tài)的翹曲量為基準(zhǔn)求出L1測(cè)變位量，表1表示了它與模擬結(jié)果的比較結(jié)果。厚度0.1 mm的構(gòu)造中實(shí)測(cè)結(jié)果大大超出模擬結(jié)果的變形量。特別是模型2中呈現(xiàn)出很大剝離，雖然外觀沒(méi)有確認(rèn)，但是也有可能發(fā)生微細(xì)的層間剝離。然而厚度0.3 mm的構(gòu)造中，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果比較一致，表明元件嵌入PCB的熱變形預(yù)測(cè)是有效的。0.1 mm厚度的構(gòu)造中兩者的剝離點(diǎn)今后還有研究的余地，可以采用彈性解析預(yù)測(cè)熱變形行為，在工業(yè)上比較有用，期待著有助于元件嵌。