埋嵌元件PCB技术的技术解析和应用探索

发布时间：2020-10-26

来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)

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随着电子行业向高功率、微型化和组件高密度集中化方向迅速发展，电子产品的功率密度不断增大，体积越来越小。因此，寻求和优化最佳散热方法及其结构设计已成为当前电子工业设计面临的重大挑战。研究表明，当电子元器件的工作温度在(70~80)℃范围内每升高1℃时，其可靠性将下降5%。因此，对于PCB行业来说，开发PCB散热管理技术以降低PCB工作温度，是提高PCB及其系统可靠性的重要途径。

所谓埋嵌金属块板是一种在PCB板上的特定位置嵌入金属块（如紫铜块或铝块）的技术。在客户使用时，高功率元器件直接贴装到金属块上，而产生的大量热量则通过金属块传导到PCB另一侧的专用散热器件，从而有效地降低元器件和PCB的工作温度，提高设备的使用寿命。埋嵌式元件的PCB技术的开发可以促进PCB的高密度发展，提高PCB组装的可靠性，改善电子互连电气性能。与常规金属基板相比，这种技术不仅节约成本，而且具有光明的前景。

由于埋嵌元件基板中元器件的三维配置，可以实现PCB或模组的小型化，并缩短元件之间的连接路径，从而降低传输损失。因此，埋嵌LSI或无源元件的多层板在2003年开始采用，并从2006年起正式用于高功能便携电话和表用小型模组基板。这些基板采用了元件制造商和PCB制造商独立开发的特征构造和工艺。本文参考日本电子电路工业协会（JPCA）关于埋嵌方式的埋嵌元件基板技术的分类、元件和安装技术以及评价解析等内容进行介绍。

一、埋嵌元件基板技术的分类

埋嵌元件基板可大致分为埋嵌个别制造元件的方式和在基板上直接形成元件的方式。本文仅限于前者的技术介绍。图1展示了按照嵌入元件的安装方式对埋嵌型元件基板进行分类。通常有两种主要的元件安装方式：焊盘连接方式和导通孔连接方式。

图2描绘了焊盘连接方式和导通孔连接方式的典型制造工艺。

在焊盘连接方式中，首先在基板上形成电极，并将嵌入的元件安装到电极上并进行电气连接。连接完成后，采用绝缘树脂填充和埋没元件和电极。在连接过程中采用现有的表面安装技术，连接材料可使用焊料或导电胶。元件的安装方法包括裸点点taptap安卓粘结（Die Bonding）和无源元件或模塑封装（Mould Package）或WLP（Wafer Level Chip Scale Package）时的安装选择（Mounting），例如倒点点taptap安卓连接（flip Chip Bond）、C4（Controlled Collapse Chip Connection控制熔化高度点点taptap安卓连接）、ESC（Epoxy Encapsulated Solder Connection环氧树脂囊包焊接）、导电性树脂和各向异性导电树脂（ACF/ACP，Anisotropic Conductive Film/Anisotropic Conductive Paste）以及非导电性树脂（NCF/NCP，Non-Conductive Film/Non-Conductive Paste）等安装技术。无源元件的连接可采用焊料再流焊或导电性树脂。焊盘连接方式通过使用传统的表面安装技术，具有有效利用现有制造设备的优点。此外，由于在进行元件安装连接之前和埋嵌之后进行了检查，可以对安装过程中出现的不良品进行筛选、修理和返工。

在导通孔连接方式中，首先在进行PCB与元件的电气连接之前，采用绝缘树脂将元件埋入基板中。埋置元件后，在覆盖元件电极的树脂上进行激光加工，形成导通孔，并通过镀层填充导通孔来实现PCB与元件之间的电气连接。导通孔连接方式的特点是元件的电极直接与镀铜层连接。由于没有介入表面安装中使用的焊料或凸块等连接部分，因此期望实现与多层板内部线路相同的低连接电阻和高连接可靠性。此外，还可以使用全层IVH（Interstitial Via Hole）中使用的导电胶进行导通孔连接，与多层板层间连接相同。采用同时进行埋置和连接的汇总积层工艺可以简化制造复杂元件埋嵌基板的工程流程。

上述介绍了按照埋嵌元件的安装技术分类的埋嵌元件基板的种类及大致的制造工艺。接下来，将参考迄今的开发案例，介绍在埋嵌元件基板制造过程中使用的各种安装技术。

二、焊盘连接方式的埋嵌元件基板

焊盘连接方式中，在内层基板上安装元件后，采用绝缘树脂进行埋置。嵌入的元件包括裸点点taptap安卓（Bare Die）和其他元件，下面将介绍用于连接的表面安装技术。

2.1 裸点点taptap安卓粘结方式

图3展示了利用倒点点taptap安卓安装嵌入裸点点taptap安卓的工艺。

图3(a)显示了在裸点点taptap安卓的电极上形成金（Au）堆积凸块的过程。使用非导电性胶（NCP）与PCB的电极进行加热加压连接。PCB的电极表面没有镀金（Au）或镀锡（Sn），而是保持原有的铜（Cu）。为提高与树脂的附着力，铜（Cu）表面经过粗化处理。在加热加压连接时，接合部必须保持压缩应力，这对于提高连接可靠性至关重要。图3(a)针对NCP的热机械特性，选择具有高弹性和高膨胀系数的树脂可以实现可靠的连接。

此外，还有一种使用导电性胶（ACP）代替NCP进行热压连接的安装方法。在裸点点taptap安卓的铝（Al）电极上形成金（Au）球凸块，然后涂覆底胶ACP，在加压加热下实现电气连接。与NCP时相似，接合可靠性也取决于底胶树脂的物理性能。图3(b)展示了使用银（Ag）胶凸块和ACP的连接方式。在PCB的电极上印刷银（Ag）胶形成银（Ag）凸块，然后涂布底胶ACP，并使用倒点点taptap安卓粘结机进行热压接合。裸点点taptap安卓的电极没有形成铜（Cu）或金（Au）凸块，而是采用铝（Al）进行热压连接。

图3(b)中使用热压连接的银（Ag）胶凸块连接技术已经在多层板制造中得到量产应用，它是应用了利用导电性凸块的层间连接技术（B2it，Buried Bump Interconnection Technology）。图3(a)和(b)通过将其与多层板制造技术相结合，实现了嵌入元件基板的实用化比例，利用NCP和ACP的元件连接技术，并采用导电性凸块进行层间连接。制造双面板利用导电性胶凸块连接，在内层上安装元件后，与外层基板进行加热加压，使元件埋入，并同时使用凸块进行线路层间的总体连接。在元件埋入之前形成线路的制造工艺有助于降低不良率并提高生产效率。

2.2 点点taptap安卓安装方式

图4展示了在印刷焊膏的内层基板上采用点点taptap安卓安装器（Chip Mouuter）搭载元件，并通过再流焊工艺熔融焊料进行连接的方式。这种方法同时适用于LSI WLP点点taptap安卓安装和再流焊工艺，可用于嵌入有源元件和无源元件。它是模型封装的通用元件，如LSI或模组等常见元件所采用的嵌入技术。在焊接连接嵌入元件时，由于在基板表面上安装元件的模组基板需要第二次安装到母板上，担心焊料凸块（焊料球）在再度进行再流焊工艺时熔融，可能会影响导通和绝缘特性。因此，采用树脂覆盖焊料周围的方法来抑制再熔融引起的流动，以避免上述问题。

三、导通孔连接方式的元件埋嵌基板

在导通孔连接方式中，元件嵌入后与基板进行连接。所有有源元件和无源元件的电极被视为内层线路图形，在元件部分采用积层技术形成线路层。

3.1 裸点点taptap安卓粘结方式

通过嵌入LSI WLP化（Wafer Level Packaging），采用铜（Cu）线路引出WLP化的电极，扩大了电极间距，实现了与现有PCB加工工艺高度兼容的埋入工艺。此外，由于WLP化，确保了良好的裸点点taptap安卓（KGD，Known Good Die）。相对于连接后难以修复的导通孔连接方式，这种方法具有显著优势。

图5展示了代表性的导通孔连接方式中有源元件嵌入技术的制造工艺。通过嵌入LSI WLP化，形成铜（Cu）线路和铜（Cu）凸块，并施行树脂涂覆。将薄片化的裸点点taptap安卓背面贴上裸点点taptap安卓附着膜（DAF，Die Attachment Film），然后进行位置对准，将其粘结在基板上。进行半固化片和表层基板的层叠，经过加热加压使裸点点taptap安卓嵌入。在嵌入的WLP电极位置上，从基板表面进行激光加工，形成导通孔后，在导通孔中采用镀层填充的方法来连接WLP的电极和基板的线路。由于裸点点taptap安卓表面受到树脂保护，在嵌入过程中可以减少损伤和污染等风险。