埋嵌元件PCB的技術(shù)（一）

1 前言

埋嵌元件基板由于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(shí)現(xiàn)便攜式電子設(shè)備多功能化和高性能化的安裝技術(shù)。多層板中埋嵌LSI或者無源元件方式的埋嵌元件基板從2003年開始采用，從2006年開始正式用作高功能便攜電話或者用于表用的小型模組基板。這些基板分別采用了元件制造商和PCB制造商獨(dú)自開發(fā)的特征構(gòu)造和工藝。本文就參考日本電子電路工業(yè)協(xié)會(JPCA)的規(guī)格中埋嵌方式的埋嵌元件基板技術(shù)的分類，采用的元件和安裝技術(shù)和評價(jià)解析等加以介紹。

2 埋嵌元件基板技術(shù)的分類

埋嵌元件基板大致分為埋嵌個(gè)別制造的元件的方式和在基板上形成直接元件的方式。本人只限于前者方式的技術(shù)。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(dǎo)通孔連接方式兩大類。

圖2表示了焊盤連接方式和導(dǎo)通孔連接方式的代表性制造工藝。

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并進(jìn)行電氣連接。連接完成以后采用絕緣樹脂同時(shí)填充和埋沒元件和電極。連接時(shí)采用現(xiàn)有的表面安裝技術(shù)。連接材料采用焊料或者導(dǎo)電膠。嵌入元件的安裝：元件為裸芯片時(shí)選擇裸芯片粘結(jié)(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(shí)安裝選擇(Mounting)：裸芯片的倒芯片連接(Flip Chip Bond)采用超聲波接合、C4(Controlled Collapse Chip Connection控制熔化高度芯片連接)、ESC(Epoxy Encapsulated SolderConnection環(huán)氧樹脂囊包焊接)、導(dǎo)電性樹脂和各向異性導(dǎo)電樹脂(ACF/ACP,Auisotropic ConducliveFilm /Anisoropic Conductive Paste)和非導(dǎo)電性樹脂(NCF/NCP,Non Conductive Film / Non CondctivePaste)等安裝技術(shù)。無源元件的連接采用焊料再流焊或者導(dǎo)電性樹脂。焊盤連接方式中由于元件連接采用傳統(tǒng)的表面安裝技術(shù)而具有有效利用現(xiàn)有制造設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于實(shí)施了元件安裝連接以后和埋嵌以前的檢查，所以可以對安裝過程中發(fā)生的不良品進(jìn)行篩選或者修理和返工。

導(dǎo)通孔連接方式中，PCB和元件進(jìn)行電氣連接以前采用絕緣樹脂埋嵌元件。元件埋置以后，覆蓋元件電極的樹脂上進(jìn)行激光加工，形成導(dǎo)通孔以后采用鍍層填充導(dǎo)通孔，進(jìn)行PCB與元件的電氣連接。導(dǎo)通孔連接方式的特征是元件的電極上接合直接鍍銅(Cu)層。由于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(nèi)部線路同等的低連接電阻和高連接可靠性，另外還可以采用全層IVH(Interstitial Via Hole)使用的導(dǎo)電膠進(jìn)行導(dǎo)通孔連接，與多層板的層間連接同樣的導(dǎo)電膠用于與元件的連接，采用同時(shí)進(jìn)行埋置和連接的匯總積層工藝可以簡化工程復(fù)雜的元件埋嵌基板的制造工藝。

上面介紹了按照埋嵌元件的安裝技術(shù)分類的埋嵌元件基板的種類和大致的制造工藝。下面參照迄今的開發(fā)事例介紹埋嵌元件基板的制造中采用的各種安裝技術(shù)。

3 焊盤連接方式的埋嵌元件基板

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

3.1 裸芯片粘結(jié)方式

圖3表示了利用倒芯片安裝嵌入裸芯片的工藝。

圖3(a)表示在裸芯片的電極上形成金(Au)堆積凸塊。使用NCP與PCB的電極進(jìn)行加熱加壓連接的方式。PCB的電極表面上沒有進(jìn)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(shí)，接合部必須維持壓縮應(yīng)力，對于提高連接可靠性至關(guān)重要。圖3(a)中著眼于NCP的熱機(jī)械特性，選擇高彈性和高膨脹系數(shù)的樹脂可以獲得充分實(shí)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。在裸芯片的鋁(Al)電極上形成金(Au)球凸塊以后，涂布底膠ACP,實(shí)施加壓加熱，即可電氣連接。接合可靠性與NCP時(shí)同樣取決于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，涂布底膠ACP使用倒芯片粘結(jié)器熱壓接合。裸芯片的電極上沒有形成銅(Cu)或者金(Au)凸塊而是采用鋁(Al)進(jìn)行熱壓連接。

圖3(b)的熱壓連接銀(Ag)膠凸塊的連接技術(shù)在積層板中已經(jīng)量產(chǎn)化，它是應(yīng)用了利用導(dǎo)電性凸塊的層間連接技術(shù)(B2it,Buried Bump InterconnectionTechnology)。

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

3.2 芯片安裝方式

圖4表示了印刷焊膏的內(nèi)層的基板上采用芯片安裝器(Chip Mouuter)搭載元件并采用再流焊工藝熔融焊料的連接方式。采用使LSI WLP化的芯片安裝(Chip Mounting)和再流焊工藝同時(shí)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(shù)通用元件可以采用的嵌入技術(shù)。采用焊接連接嵌入元件時(shí)，由于基板表面上安裝元件的模組基板第二次安裝到母板上，經(jīng)過再度再流焊工藝時(shí)擔(dān)心焊料凸塊(焊料球)熔融而影響到導(dǎo)通和絕緣特性。因此采用樹脂覆蓋焊料的周圍，抑制再熔融產(chǎn)生的流動，從而可以避免上述問題。

4 導(dǎo)通孔連接方式的元件埋嵌基板

導(dǎo)通孔連接方式中，元件嵌入以后進(jìn)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(nèi)層的線路圖形，利用積層技術(shù)在元件上部形成線路層。

4.1 裸芯片粘結(jié)方式

嵌入的LSI WLP化，采用銅(Cu)線路引出WLP化的電極，擴(kuò)大了電極間節(jié)距，實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有PCB加工工藝親和性高的埋入工藝。另外由于WLP化而確保良好的裸芯片(KGD,Known GoodDie)。相對與連接以后元件難以修理的導(dǎo)通孔連接方式來說具有很大的優(yōu)越性。

圖5表示了代表性的導(dǎo)通孔連接方式的有源元件嵌入技術(shù)的制造工藝。嵌入的LSI WLP化，形成銅(Cu)線路和銅(Cu)凸塊，施行樹脂涂復(fù)。薄片化的裸芯片背面粘貼裸芯片附著膜(DAF,DieAttachment Film)以后進(jìn)行位置重合，在基板上面朝上粘結(jié)。半固化片和表層基板積層，加熱加壓以后使裸芯片嵌入。在嵌入的WLP的電極位置上從基板表面進(jìn)行激光加工，形成導(dǎo)通孔以后采用鍍層填充導(dǎo)通孔，連接WLP的電極和基板的線路。由于裸芯片的表面由樹脂保護(hù)，所以在嵌入加工工程中可以減少損傷或者污染等方面的危險(xiǎn)。

圖6是導(dǎo)通孔的材料使用導(dǎo)電膠的方式。使用多層板的層間連接所用的銅(Cu)，銀(Ag)和燒結(jié)合金等材料，通過壓接或者金屬結(jié)合而連接元件。

圖6表示了在聚酰亞胺多層板上嵌入經(jīng)過背面研磨而薄型化的WLP例。嵌入的LSI經(jīng)過WLP加工使電極的節(jié)距擴(kuò)大到與PCB的導(dǎo)通孔同樣的節(jié)距，厚度達(dá)到0.1 mm以下的薄型化?；迳闲纬傻膶?dǎo)通孔填充未固化的導(dǎo)電膠，基板/WLP和隔板(Spacer)/基板積層，一次加熱加壓。加熱過程中依次進(jìn)行導(dǎo)通孔中填充的導(dǎo)電膠固化，粘結(jié)材的流動和固化，同時(shí)完成了PCB/WLP之間的電氣連接和嵌入粘結(jié)。利用導(dǎo)電膠導(dǎo)通孔的一次積層法中，由于在PCB的積層與元件的嵌入以前已經(jīng)形成全層的線路，所以具有降低元件嵌入以后所發(fā)生的不良率的優(yōu)越性。為了使該工藝適應(yīng)將來的LSI的多針化，與裸芯片連接的導(dǎo)通孔節(jié)距的微細(xì)化是今后的課題。

4.2 芯片安裝(Mounting)方式

圖7表示了使用激光導(dǎo)通孔加工和鍍層連接的元件嵌入工藝。把嵌入的元件置于基板的一部分上設(shè)置的空腔(Cavity)內(nèi)，然后用樹脂填充而嵌入元件。使用厚銅(Cu)芯的基板，利用銅(Cu)的蝕刻形成空腔。芯板一面上貼附樹脂片，堵塞空腔的一側(cè)以后，在它的底面上固定元件?？涨坏拈_口側(cè)積層樹脂片并進(jìn)行加熱，空腔內(nèi)壁與元件的間隙用樹脂填充使元件固定。嵌入元件的電極上的樹脂形成激光導(dǎo)通孔開口。采用半加成法形成基板表層線路的同時(shí)采用鍍銅(Cu)層填充導(dǎo)通孔。基板正反面的連接，空腔形成時(shí)預(yù)先在銅(Cu)芯的一部分開口，充填樹脂以后采用激光形成貫通孔。采用該技術(shù)的基板具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，尤其是嵌入發(fā)熱量多的元件時(shí)具有高散熱性的特征。

圖8表示了利用一次積層法的元件嵌入工藝的概念圖，作為利用導(dǎo)電膠的一次積層法的無源元件埋入技術(shù)，Ag-Sn系合金材料用于導(dǎo)通孔，LCP用作絕緣材料。配置元件處形成空腔的單面板積層規(guī)定的枚數(shù)，與此同時(shí)元件插入空腔以后進(jìn)行加熱加壓。導(dǎo)通孔內(nèi)填充的由Ag和Sn構(gòu)成的膠材料由于加熱而燒結(jié)，與此同時(shí)Sn擴(kuò)散到線路板和元件的Cu電極上形成金屬結(jié)合。熱可塑性材料LCP(Liquid CrystalPolymer)由于加熱而軟化，使基板之間接合，與此同時(shí)流入到元件與空腔的間隙而嵌入元件。加熱加壓過程中由于樹脂的流動影響到導(dǎo)通孔