面向FC-BGA的增层胶膜封装基板镀铜工艺

近年来, 基于增层胶膜材料, 采用半加成法工艺生产制造窄线宽/线距电子线路的倒装芯片球栅阵列(FC-BGA)封装基板的相关技术发展迅速. 增层胶膜材料微观结构及其物理、化学性质、镀铜工艺参数和化学药水等多个因素共同决定线路精细度和结合力, 并最终影响封装基板的品质和可靠性, 其内在关联性值得关注和深入研究.中国科学院深圳先进技术研究院孙蓉教授团队基于FC-BGA增层胶膜封装基板的导电互连制造技术, 重点探讨半加成法工艺所用化学药水的成分及作用, 并结合镀铜的性能评价, 提出未来进一步提高封装基板线路品质的发展方向.

当前, 印制电路板(Printed CircuitBoard, PCB)被用于几乎所有的电子产品, 为电子系统提供电气互连、力学支撑和封装保护等. 随着人工智能(Artificial Intelligence, AI)、自动驾驶、大数据、云计算等领域的快速发展, 高性能算力的中央处理器(Central Processing Unit, CPU)、图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)、现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammable Gate Array, FPGA)等高端芯片的需求日益增多, 要求承载芯片的封装基板具有层数多、线路密度高、线宽/线距窄、通孔/盲孔孔径小等特点. 半加成法(Semi-Additive Process, SAP)是能够实现封装基板上述特征的一种技术方法, 已经成为FC-BGA (Flip Chip Ball Grid Array)、Chiplet为代表的先进封装和大尺寸封装基板的重要实现途径, 但其对所用的增层胶膜(Build-up Films)及其加工工艺和化学药水等都有特殊要求. 目前, 内资企业在增层胶膜封装基板领域尚处在技术提升和优化阶段, 而包括增层胶膜在内的相关国产材料和化学药水的开发亦在同步进行, 二者都有大量科学和技术问题亟待解决. 基于作者团队在该领域已经开展的部分研究工作, 该综述文章对增层胶膜封装基板加工和镀铜工艺中的关键因素进行梳理, 对于高品质多层封装基板的发展提供一定的借鉴意义.

在印制电路板被发明之前, 电子电气设备之间主要依靠外接的电线进行电路导通. 之后, 人们为了简化电路制造, 尝试直接在绝缘介质上印刷电路来代替外接配线的方式连接电子元件. 1925年, Charles Ducas 以电镀的方式在绝缘基材上成功印刷出导体线路图案, 其在概念上归属于加成法构建电子线路的技术范畴. 1936年, Paul Eisler提出了规模化制备印制电路板的方法, 即在覆盖整面金属箔的绝缘基板上选择性涂覆抗蚀剂, 再刻蚀掉非必要铜区制备了电子线路, 并将其作为收音机的内置构件, 技术手段非常接近于当下通过减成法制备的印制电路板. 自1950年代起, 伴随着晶体管的发展, 印制电路板开始被广泛使用. 此后, 多家电子厂商开发了不同形态的印制电路板. 例如, Motorola和HazeltineCorporation利用电镀贯穿孔法分别制备了双面板(1953)和多层板(1961). 随后, 多层印制电路板(Multi-LayerBoard, MLB)通过不同工艺得以实现. 例如, 1979年的Pactel法; 1988年Siemens的Microwiring Substrate; 1990年IBM的Surface Laminar Circuit(SLC); 1995年Panasonic的Any Layer Internal Via Hole(ALIVH); 1996年Toshiba的Buried Bump Interconnection Technology(B2it). 21世纪初前后, 积层法MLB和挠性印制电路板(FlexiblePrinted Circuit, FPC)得到快速发展, 片式元器件的小型化和高密度安装方式显著提高了电子产品的互连密度. 进入21世纪20年代, 随着电子产品朝着轻薄短小、高频高速、柔性智能等方向持续发展, 印制电路板向着高输入/输出(Input/Ouput, I/O)密度、高精细度(窄线宽/线距, Line/Space,L/S)、高集成度不断演进, 呈现一体化集成和三维安装的时代特征. 作为一种特殊的印制电路板, 封装基板(即IC Substrate, IC载板)占整个印制电路板的市场规模比例不断增加, 并且预期将保持比MLB和FPC更高的复合年均增长率(Compound Annual Growth Rate, CAGR)(图1a).

图1 (a) 臻鼎科技预测的各类印制电路板的市场规模变化趋势.(b) 使用增层胶膜的倒装芯片球栅阵列结构示意图

从另一方面来说, 晶体管尺寸逼近制程极限, 摩尔定律面临失效挑战, 封装基板的出现对于提升集成电路密度和性能发挥了重要推力作用, 被应用于多种形式的先进封装工艺. 作为一种重要的先进封装技术, FC-BGA将倒置芯片以凸点互连, 极大缩小了引线长度和面积(图1b),具有引脚多、线宽/线距窄等特点, 可有效减少电性损耗、降低电磁干扰、提高元件密度、增强芯片散热等, 被广泛应用于GPU、FPGA等高端芯片, 是AI等高速算应用领域的刚需基板, 常被称为AI的“心脏”. 其中, 具有优异介电、热学、力学、抗蚀性、可靠性等物理和化学特性的增层胶膜是包括FC-BGA封装基板在内的多种先进封装技术的核心必需材料.

根据Yole的先进封装路线图, 各级输入/输出的尺寸将持续缩小, 而再布线(redistributionlayer, RDL)的线宽/线距在2029年预期将缩至2/2微米左右(图2). 作为一类非常重要的封装基板品种, 基于增层胶膜的封装基板借助半加成法工艺可以形成满足先进封装要求的窄线宽/线距的电子线路. 增层胶膜封装基板的另一个特点是其可在芯板双侧逐次堆叠多层增层胶膜来构建高密度封装基板,因此特别适用于球栅阵列(Ball Grid Array, BGA)、芯片尺寸封装(Chip Scale Packaging, CSP)等窄线宽/线距和高输入/输出密度的先进封装工艺. 然而, 面向FC-BGA的增层胶膜封装基板镀铜工艺面临一些挑战, 对镀铜层在增层胶膜上的附着力、铜线路的精细度和信号传输质量都有很高要求.

图2 Yole预测的先进封装工艺的输入/输出和再布线线宽/线距尺寸的路线图

中国科学院深圳先进技术研究院孙蓉教授团队将以面向FC-BGA的增层胶膜封装基板镀铜工艺为主题, 以封装基板制造技术和金属化技术为论述主线, 重点探讨增层胶膜封装基板半加成法工艺所用化学药水的成分及作用, 以及镀铜性能的影响因素及调控, 最后从材料角度出发提出未来进一步提高封装基板镀铜品质的可能方向.