先进封装基板

摘要：封装基板作为半导体封装的载体，为芯片提供电连接、保护、支撑和散热。受到电、热、尺寸、功能性以及周期成本的综合驱动，封装基板向着薄厚度、高散热性、精细线路、高集成度、短制造周期方向发展。介绍了先进封装基板的发展趋势和技术方向，重点介绍了FCBGA、无芯封装基板和

先进封装基板

桂萌琦方志丹

（华进半导体封装先导技术研发中心有限公司中国科学院微电子研究所）

摘要：

封装基板作为半导体封装的载体，为芯片提供电连接、保护、支撑和散热。受到电、热、尺寸、功能性以及周期成本的综合驱动，封装基板向着薄厚度、高散热性、精细线路、高集成度、短制造周期方向发展。介绍了先进封装基板的发展趋势和技术方向，重点介绍了FCBGA、无芯封装基板和埋入基板等几种先进封装基板前沿技术的定义、应用及研究现状。

0引言

近些年，为满足高性能计算机、新一代移动通信、人工智能、汽车电子以及国防装备等领域的需求，电子产品朝着高性能、高集成度的方向发展。在摩尔定律接近极限，先进晶圆制程成本过高的大环境下，先进封装技术在产业链中的重要性越来越突出。作为先进封测产业中，子模块和子系统设计与集成以及终端产品的核心基础，先进基板是支持先进工艺下巨量I/O提升以及SIP（系统级封装）的核心载体，是异质集成技术的基础与支撑，后摩尔时代，对国家重点行业与重点领域起到核心支撑作用。

1 先进封装基板发展方向与市场概况

IC 封装基板是半导体封装体的重要组成材料，用于搭载芯片，为芯片提供电连接、保护、支撑和散热等。为实现 3D-SiP 的系统级集成需求，满足未来5G 、高性能计算机等高端应用的需求，业界对先进基板提出了提高布线密度、减小线宽线距、减小尺寸与重量，改善热性能的要求。目前，先进封装基板的研究方向主要有工艺改进、精细线路、倒装芯片球栅格阵列封装基板（ flip chip ball grid array ，FCBGA）、无芯封装基板、有源、无源器件的埋入基板等。

2018～2021 年，先进封装基板行业的年销售额增长率达 12% ，预计到 2022 年，基板行业将有 100 亿美元市场[1]。目前，国内制造企业的品类集中于引线键合球栅阵列封装（ wire bonding ball grid array package ，WBBGA）封装基板、倒装芯片尺寸封装（ flip chip chip scale package ，FCCSP）封装基板、无芯封装基板、无源元件埋入，对于高端 FCBGA 基板、有源元件埋入基板等少有涉及，先进基板在国内仍处蓝海市场。

2 FCBGA 基板

FCBGA 有机基板，是指应用于倒装芯片球栅格阵列封装的高密度 IC 封装基板。FCBGA 有机基板的基础[2]——build-up（积层）基板技术，最初诞生时被 IBM 应用于笔记本电脑，以作为板级封装基板，在较小的空间内承载大量电子元器件。由于 build-up基板优秀的电学性能和低廉的制造成本，它开始取代陶瓷基板，被应用于倒装芯片封装领域。之后，英特尔逐渐推动这项技术的成熟化和标准化，在其整个 CPU 产品线中使用 build-up 基板。近年来，AI 、5G和大数据等技术的蓬勃发展使得市场对高性能CPU 、GPU 、FPGA 以及网络路由器/转换器用 ASIC等器件的需求陡增，大尺寸 FCBGA 封装基板产能十分紧缺。由于 FCBGA 基板具有层数多、面积大、线路密度高、线宽线距小以及通孔、盲孔孔径小等特点，其加工难度远大于 FCCSP 封装基板。目前，FCBGA 封装基板产业主要集中在中国台湾、日本和韩国等国家和地区，如三星、南亚、欣兴、京瓷、景硕等公司，中国大陆仅深南、越亚、华进等少部分企业具备小批量量产线宽/线距为 15/15 μm ，盲孔直径 ≤40 μm 的 FCBGA 封装基板的能力，大陆 FCBGA 基板行业仍有很大发展空间。图 1 是华进半导体小批量量产的 FCBGA 封装基板。

FCBGA 封装基板通常以日本味之素生产的味之素积层介质薄膜（ Ajinomoto build-up film ，ABF）作为积层绝缘介质材料，采用半加成法（ semi-additive process ，SAP ）制造。 ABF 材料是一种低热膨胀系数、低介电损耗的热固性薄膜，其易于加工精细线路、机械性能良好、耐用性好的特性，使它成为FCBGA 封装基板的标准积层介质材料。高密度大尺寸 FCBGA 封装基板的研究方向主要有 ABF 材料工艺、薄型 FCBGA 封装基板和细线路加工工艺等。

Lee[3] 等针对味之素的适用于高频场景的低介电常数、低介电损耗 ABF 材料 GL102 ，研究了压合、预固化、除胶、激光打孔等关键条件对 ABF 与 Cu 之间的结合力以及盲孔加工能力的影响，以解决 GL102 可能表现出的低 ABF-Cu 结合力和难以去除胶渣等现象带来的可靠性风险。 Chiang[4]等研究无芯封装基板与标准 FCBGA 封装基板在电源完整性和信号完整性上的差异，为芯片封装设计人员提供参考。

3 无芯封装基板

根据是否有芯板，IC 封装基板可被分为有芯基板和无芯基板。有芯基板是带有芯板（核心支撑层）的封装基板。如图 2[5]所示是有芯基板和无芯基板的结构示意图。有芯基板由中间的芯板和上下部分的积层板构成。无芯基板，则是除去了芯板的封装基板，仅由积层板构成。如图 3[6]所示是无芯封装基板的一种制造方法，它使用带有双面铜箔的聚酰亚胺（polyimide ，PI）作为基材，PI 膜作为绝缘层，通过加成法实现高密度布线。

消费类电子产品的薄型化驱使封装基板也向轻薄方向发展。2004 年，富士通发布了首款无芯封装基板“GigaModule-4”[7] ，随后，基板厂商和电子产品厂商一道推动了无芯封装基板的发展，目前无芯封装基板的制造技术已经日趋成熟，并且在消费类电子产品上实现了批量化应用，国内越亚、深南电路、兴森快捷等多家厂商无芯封装基板技术能力与国际先进水平齐平。

有芯基板的刚性芯板层相比于其他层更厚，其通孔直径与其他层之间的差别，导致高频信号在传输过程中存在反射和延迟问题。无芯封装基板厚度仅为传统基板厚度的 1/3 ，厚度降低，不仅使无芯基板更能适应消费类电子产品轻、薄、短、小的趋势，还使它具有更高的信号传输速度、更好的信号完整性、更低的阻抗、更自由的布线设计、以及能够实现更精细的图形和间距等特点。

与此同时，缺乏钢性芯板的机械支撑，使得无芯封装基板强度不足，易于翘曲。如何减少制造和装配过程中的翘曲，成为无芯封装基板研究和生产领域的重要课题。三星电子的 Kim[8] 、矽品的 David[9]等通过仿真和实际试验等方式分析无芯封装基板翘曲的热、机械等因素，指导无芯封装基板的设计和生产。常见的降低无芯封装基板翘曲的方法有：在半固化片中添加玻璃纤维以增加刚度，将基板表层电介质材料更换为刚度更强的半固化片，使用低热膨胀系数电介质材料以降低 Cu 线路-电介质材料之间热膨胀系数失配导致的翘曲，针对制程开发能够减少翘曲的合适夹具，平衡基板各层覆铜率以减少上下层热膨胀系数失配等。

4 埋入式封装基板

埋入式基板技术诞生于消费类电子产品轻薄短小的发展趋势下。埋入式基板技术根据埋入的元器件种类，可大致分为无源元件埋入、有源器件埋入以及无源、有源混埋技术和 Intel 的嵌入式多核心互联桥接（ embedded multi-die interconnect bridge ，EMIB ）技术。相比于传统的、将元器件全部焊接至PCB 板表面的技术，元器件埋入基板技术[10]能够缩小元件间互连距离，提高信号传输速度，减少信号串扰、噪声和电磁干扰，提升电性能，降低模块大小，提高模块集成度，节省基板外层空间，提升器件连接的机械强度。对于实现高性能、高要求、小型化、薄型化的便携式电子设备具有非常重要的意义。

4.1 无源元件埋入基板技术

无源元件埋入基板可大致分为平面埋入和分立式埋入两种。平面埋入[10]是使用电阻、电容材料通过压合、图形转移、化学蚀刻等方法，在绝缘基材上制作相应的电阻、电容图形。分立式埋入则是直接将超小尺寸无源器件埋入封装基板。无源器件埋入式基板诞生于 20 世纪 70 年代，最初无源器件埋入基板的实现基于低温共烧陶瓷基板技术，之后，得益于较低的成本和较简单的工艺，有机基板的无源元件埋入得到了快速发展。目前，有机基板埋入无源器件在国内外多家公司已实现量产，如 IBM 、Nortel 、深南电路等。

4.2 有源器件埋入基板技术

有源元件埋入技术的概念最早在 1960 年被提出[11] ，Intel 的无凸点积层多层法（bumpless build-up layer ，BBUL）技术[12]的诞生标志着有源器件埋入基板技术的首次实现。按照芯片埋入的制程先后顺序，有源器件埋入基板技术可分为芯片先置型（ chip-first）埋入技术和芯片后置型（ chip-last）埋入技术。

芯片先置型埋入技术先将芯片埋入有机绝缘介质中，之后再制作电路图形以实现信号传输和电源供应。 HUT[13] 提出的集成模块埋入基板（ integratedmodule board ，IMB）技术和 IZM 以及柏林工业大学[14]共同提出的聚合物芯片埋入（ chip-in-polymer）技术都属于芯片先置型埋入技术，这两种技术均可同时实现有源和无源元器件的埋入。图 4[15]是 IMB 技术的一个模型，将芯片放置在基板上预先制作好的芯片槽里，使用树脂将芯片塑封后，打孔、制作电路图形以实现互连。图 5 是 chip-in-polymer 技术的模型，区别于 IMB 技术将芯片放置在预先制作好的凹槽内，chip-in-polymer 技术是将裸芯片直接粘贴在基板上，使用树脂包封芯片，再进行打孔、制作电路图形以实现电气互连。

芯片后置型埋入技术（ chip-last）技术由佐治亚理工大学[16]提出。图 6 是芯片后置型埋入技术的一个模型，它先制作 build-up 基板，在制作好的基板上开槽并制作好电路图形，将芯片放置在槽中，实现电气连接后再使用树脂填充芯片与槽体之间的间隙。

与芯片先置技术相比，chip-last 技术埋入的芯片位于基板的最上层，可返工且散热更好，埋入芯片后没有其他基板增层工艺步骤，加工良率更高。但是芯片先置技术也有其优势，芯片后置技术埋入芯片只能埋入一层芯片，且埋入芯片的基板表面无法再贴装器件，因此芯片先置技术对基板空间纵向利用率较芯片后置技术更好。

4.3 EMIB 技术

EMIB 技术于 2000 年代中期，由 Mahajan 和Sane[17] 等首次提出，Braunisc 等[18] 和 Starkston[19] 扩展发展，并由 Intel 于 2015 在工业量产中实现应用。如图 7 所示[20-21] ，EMIB 是将带有多层导电金属（back end of line ，BEOL）互连的超薄硅片埋入有机封装基板的最上层，通过焊球与倒装芯片的连接，以实现两个或多个芯片之间的局部高密度互连。这种埋入式结构可被放置在有机基板的任意位置以实现超高密度局部互连，在远大于典型掩膜版尺寸范围内集成大芯片，使用非常灵活。如图 8[22] 所示，Intel 使用EMIB 将 SK Hynix 的堆叠式高带宽存储器（ high bandwidth memory ，HBM）与高性能 Stratix® 10FPGA 和 SoC 集成互连。EMIB 技术的制程简单、带宽高、功耗低、尺寸小、电性能优良、信号完整性好、灵活等特点，使其成为异构集成领域的重要技术。