埋置無源元件和有源元件技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

埋置無源元件和有源元件技術(shù)開覺察狀和進(jìn)展趨勢〔1〕清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授田民波2023年JPCA〔〔embeddedpassivedevices，EP〕和埋置有源器件embeddedactivedevice，EAD，并實現(xiàn)3D封裝的展位。很多大型印制線路板制造商和與之相配的二線廠商都針對印制線路板埋置元器件技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)表了推介演講。206040余年后發(fā)生技術(shù)“爆發(fā)”，主要基于下述幾個緣由：布線，削減寄生效應(yīng)；高牢靠性要求少焊點，結(jié)實鍵合?？赡苄?。多層基板的進(jìn)展供給了適宜的載體；高密度封裝實踐〔特別是3D封裝〕積存了有益的閱歷；微互聯(lián)技術(shù)的進(jìn)展供給了足夠的技術(shù)支撐?，F(xiàn)實性。簡約工藝的承受提高了生產(chǎn)效率，降低了本錢，而且供給了牢靠的質(zhì)量保證。針對埋置無源元件和有源元件的技術(shù)開覺察狀和進(jìn)展趨勢，作簡潔介紹。元器件嵌入基板技術(shù)的提出、實現(xiàn)和進(jìn)展開發(fā)歷史和現(xiàn)狀2080年月后期，以美國為中心，藉由在印制板內(nèi)部形成電阻及電容，開頭了代替?zhèn)鹘y(tǒng)片式元件的埋置方式的探究于電子元器件在印制線路板內(nèi)部形成由于焊料鍵合點數(shù)削減，可提高焊料〔特別是無鉛焊料〕鍵合的牢靠性等。〔寄生〕電感問題日益凸現(xiàn)。由于三維元器件配置可有效縮短回路長度，因此元器件嵌入技術(shù)從20世紀(jì)90年月后半期重引起人們的關(guān)注。實際上，關(guān)于有源芯片嵌入印制板的概念，早在1968年就由Philips公司以專利的形式提出。但是，受到當(dāng)時的技術(shù)所限，難以做進(jìn)一步的開發(fā)。2090年月后半期，芬蘭工業(yè)大學(xué)的爭論組以“IntegratedModuleBoard”的名稱發(fā)表了他們的爭論成果。幾乎在同一時期，柏林工業(yè)大學(xué)和夫瑯和費〔FraunhoferIZM〕的ChipinPolyme〔CIPFlipChipinFle〔FC”的更進(jìn)一步的埋置技術(shù)?？赡苄缘臓幷?。歐盟向“HIDINGDIES”和“SHIFT”打算供給經(jīng)費資助，使業(yè)界和學(xué)會的元器件實現(xiàn)系統(tǒng)級功能集成的優(yōu)點是〔1〕布線簡化，長度縮短〔2〕〕寄生效應(yīng)削減，電氣性能提高。然而，在日本，上述問題沒有像歐、美那樣外表化，而且僅限定在電阻和電容的形成技術(shù)及材料等，加之受專利限制，從而沒有被注目。但是，進(jìn)入21世紀(jì)，由于信號高速化、有源元件〔LSI等〕的嵌入技術(shù)。在美國，一般稱部件嵌入技術(shù)為EPD〔EmbeddedPassiveDevices，無源部件埋置EAD〔EmbeddedActiveDevices，有源器件埋置〕的概念。在日本，在限定的手機模塊部件及主板中，承受埋置半導(dǎo)體元件的方式始于2023年。2023年，用于手機單段調(diào)諧〔one-seg-tuner〕等模塊部件的，承受埋置半導(dǎo)體元件方式的基板實現(xiàn)量產(chǎn)化。至此，元器件嵌入技術(shù)正式登場。關(guān)于部件嵌入技術(shù)，歐、美及臺灣地區(qū)，還有日本，都是作為財團支持的活動而進(jìn)展?fàn)幷撻_發(fā)的。特別是在歐洲，作為由歐盟〔EU〕及歐洲納米電子學(xué)創(chuàng)詢問委員會〔ENIAC〕供給資金資助的工程，正在進(jìn)展將MEMS及無源器件、天線及半導(dǎo)體等埋置印制板中的技術(shù)開發(fā)。而且，針對手機的薄形化，藉由撓性印制電路板的積層，在其內(nèi)部埋置半導(dǎo)體及IP〔IntegratedPassiveDevice被集成的無源器件的爭論開發(fā)工程分別在德國的FraunhoferIZM，比利時的IMEC及法國的Leti等爭論機構(gòu)進(jìn)展美國的手機廠商承受埋置無源元件的機種已實現(xiàn)量產(chǎn)而臺灣的印制線路板廠商向其供給埋置電阻及電容等的嵌入式印制線路板。而且，臺灣工業(yè)技術(shù)爭論院電子與光電爭論所與FranhoferIZM通過聯(lián)合爭論，共同開發(fā)埋置半導(dǎo)體元器件的嵌入型印制線路板，爭論成果可由參與 AdvancedPackagingTechnologyAlliance〔先進(jìn)封裝技術(shù)聯(lián)盟〕供給鏈的34個公司實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。與海外依靠代表性爭論機構(gòu)進(jìn)展嵌入部件技術(shù)開發(fā)的狀況相比日本的技術(shù)開發(fā)多為民間水平或私有企業(yè)水平再加上爭論人員及爭論設(shè)備缺乏資金資助也相當(dāng)有限但這些企業(yè)的爭論開發(fā)卓有成效。1以元器件埋置技術(shù)開發(fā)財團及資助工程為例，列出世界各國的開發(fā)狀況。1元器件埋置技術(shù)開發(fā)財團及資助工程典型實例地區(qū)

開發(fā)財團和爭論機構(gòu) 目的FR-4基板及高周波基材為對

應(yīng)用產(chǎn)品 參與企業(yè)Nortel，Delphi，HP，NIST，美國 AdvancedEmbeddedPassivesTechnology芬蘭 IntegratedModuleBoard德國 FraunhoferIZM

周波模擬模型開發(fā)線路基板開發(fā)中埋置有源/無源部件的開發(fā)Flex〕埋置有源器件的嵌入技術(shù)開發(fā)ChipinPolymerDRAM撓性基板內(nèi)嵌入DRAMModule工程的開發(fā)HidingDie嵌入有源器件的開發(fā)

手機，汽車等智能卡手機，智能卡16個SRAM芯片嵌入50μmDRAM芯片的模塊在基板中嵌入件嵌入

Foresight，MacDermid，IPC，Cadence，NCMSHelsinki University Technology，ImberaHightecMCIMECTechnologyIZMElectronik，F(xiàn)raunhoferIZMInfineon，F(xiàn)raunhoferIZMNokiDataconT&Philips，IMEC，TechnischUniversitatBerlin，F(xiàn)raunhoferIZM法國 LETI Micro pipe Cooling，Micro 手機，其他Battery埋置用基板〔substrate〕

Liten，LETI，CEA嵌入有源器件/天線的開發(fā)比利時 IMECChip-in-board，Chip-in-Flex

手機，RF天線模塊

Alcatel，Nokia，NationalSemiconductor臺灣地區(qū) AdvancedPackagingTechnologyAllianceSIPOS〔SystemIntegrationPlatformOrganizationStandards〕日本EWLP財團

先端半導(dǎo)體封裝的開發(fā)〔含元器件嵌入技術(shù)〕發(fā)在印制線路板內(nèi)埋置WL-CSP的嵌入技術(shù)的開發(fā)

藍(lán)牙模塊其他手機，SiP，其他手機，SiP，其他

TSMC，UMC，MXIC，ASE，OSESPIChipMosMEGI，Compeq，Nanya，Unimicron，PPT，Mitac，F(xiàn)oxConn，Tong34ノロジー，平井周密，ケイレクス，その他カシオ計算機，イビデン，日本シイエムケイ，京セラSLCテクノロジーTNCSi，その他EPD/EAD技術(shù)的開發(fā)背景進(jìn)入211所示，支撐20世紀(jì)后半期的依靠數(shù)字回路的有線信息傳輸輸。因此，在電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)，相對于有源器件個數(shù)的無源器件的數(shù)量明顯增加。例如，對最近的手機來說，在總的電子元器件數(shù)量中無源元件的數(shù)量已到達(dá)接近95%。應(yīng)此需要，件的EPD印制板進(jìn)展樂觀開發(fā)，由于這對于系統(tǒng)電子設(shè)備的小型、輕量、薄型化是必不行缺的。2020世紀(jì)后半期超級計算機/主機21世紀(jì)初期數(shù)字規(guī)律回路有線信息傳輸無線信息傳輸無源元件的數(shù)量〔無源元件+有源元件〕總元件的數(shù)量進(jìn)一步增加>80%~95%無源元件 高集成度無源元件化 嵌入無源元件的印制線路板：無源元件高集成度無源元件化嵌入無源元件的印制線路板：EPD〔EmbeddedPassiveDevices〕嵌入有源元件的印制線路板：EAD〔EmbeddedActiveDevices〕MPU嵌入有源元件的印制線路板：EAD〔EmbeddedActiveDevices〕高周波元件的消滅圖1 EPD/EAD技術(shù)開發(fā)的背景21202320GHz的超高速元件。但是，Intel4GHz的超高速MPU〔microprocessorunit〕的開發(fā)。這是由于，相比于推動MPU芯片單體的高速化的努力，實行并行數(shù)據(jù)處理傳送方式，對于高速的大量信息的傳輸更為有利5.8GHz帶域的AHAdvancedcruise-assisthighwaysyste，高速大路先進(jìn)巡察幫助系統(tǒng)，以及在防止汽車碰撞回路裝置的自動雷達(dá)傳感器等70GHz~100GHz2表示電磁波應(yīng)用進(jìn)一步向高頻方向進(jìn)展。HF短波HF短波VHFUHFSHF微波EHF亞毫米波短波播放船舶通信航空無線簡易無線各種雷達(dá)大氣觀測雷達(dá)

30MHz

300MHz

3GHz

30GHz 300GHzFM播放電視播放微波中繼電視播放汽車用衛(wèi)星通信航空無線海事衛(wèi)星通信衛(wèi)星播放袖珍個人無線〔手機〕各種雷達(dá)通信障礙對策

TV重影現(xiàn)象列車無線/航空無線 FWA下一代無線LAN無線LANETC〔高速交通治理系統(tǒng)〕雷達(dá)偽像對策

航空雷達(dá)船舶雷達(dá)

防止碰撞雷達(dá)評價設(shè)備

EMC電波暗室〔EMI/EMS〕天線評價暗室噪聲防止對策

個人電腦/周邊設(shè)備

PHS/手機RFID光傳輸裝置/2電磁波應(yīng)用進(jìn)一步向高頻方向進(jìn)展上述高速器件的封裝必需承受全的方式，目前正從無引線到無凸點，進(jìn)一步向EADEAD技術(shù)，是在印制線路板中嵌入有源器件，藉由zx-y軸方IT時代得以過渡到ubiquitous社會〔網(wǎng)絡(luò)社會〕時代。因此，EPD、EAD技術(shù)具有劃時代的意義。嵌入式基板的分類及其特征分類方法3表示元器件嵌入〔埋置〕技術(shù)的分類方法和種類。按嵌入技術(shù)分類按嵌入元器件的種類分類〔又稱被動、受動器件〕〔又稱主動、能動器件〕按嵌入技術(shù)分類按嵌入元器件的種類分類現(xiàn)有元器件埋入基板中〔拿來嵌入型〕在基板制作時，將元器件〔無源器件〕做在其中〔制作嵌入型〕按嵌入有源器件〔半導(dǎo)體〕的形態(tài)分類帶有凸點的裸芯片按嵌入有源器件〔半導(dǎo)體〕的形態(tài)分類WLP封裝WLP以外按嵌入連接技術(shù)分類〔釬焊〕銅直接連接按嵌入連接技術(shù)分類3元器件嵌入〔埋置〕技術(shù)的分類方法和種類按嵌入元器件的種類，分為無源器件〔又稱被動、受動器件〕嵌入和有源器件〔又稱主動、能動器件〕嵌入。其中，作為有源器件的半導(dǎo)體芯片〔或以封裝形式〕嵌入技術(shù)更受注目。按嵌入技術(shù)，分為現(xiàn)有元器件埋入基板中〔拿來嵌入型，和在基板制作時，將元器件作在其中〔制作嵌入型〕的兩種類型。前者多用于有源元件，后者多用于無源元件。即使嵌板中?；瘜印彩褂镁埘啺?，PBO，BCB等〕加以保護(hù)。關(guān)于這些端子與基板布線間的連接，有〔粘結(jié)劑法?！埠浮车耐獗戆惭b處理，便成為介于基板間的嵌入形態(tài)，其結(jié)果，實現(xiàn)了元件的埋置，從技術(shù)上講，頗具外表追加加工的意味。因此，元器件埋置所承受的最根本連接技術(shù)是焊料連接。藝等。被稱為EWLP〔embeddedWLP，埋置型WLP〕的方法，是預(yù)先將需要嵌入的半導(dǎo)體元件加工成帶銅柱型的WLP，它不是搭載用于通常外表安裝的焊料球，再經(jīng)由減薄加工，將其內(nèi)藏于基板積層〔build-up〕加工〔疊層加工〕之前，此后，在絕緣層中開孔，進(jìn)展布EWLP過程，如圖4所示。4WLP〔EWLP〕的形成過程由此制作的EWLP1〕〔2SiP和PoP，前者為系統(tǒng)封裝，后者為封裝疊層封裝的3D〔3〕模塊，元器件埋置型模塊等。無源元器件嵌入〔EPD〕技術(shù)的分類及其特征圖5〔a〕表示無源元器件嵌入〔EPD〕技術(shù)的類型分類及其特征。大體上分為兩類，一類是利用市場上現(xiàn)有的陶瓷類標(biāo)準(zhǔn)片式元件，在有機印制板中實現(xiàn)嵌入封裝，稱其為“拿來嵌入型”。另一類是利用厚膜或薄膜工藝，在有機印制板內(nèi)部形成具有L、R、C功能的厚膜或薄膜元器件，實現(xiàn)元器件嵌入，稱其為“制作嵌入型”。5元器件嵌入印制線路板〔EPD/EAD〕技術(shù)的類型分類及其特征在上述其次類機“制作嵌入型”中的厚膜工藝中，又有兩種方式。一種是，為了形成電阻膜元件及介電體〔電容用〕膜元件，利用相應(yīng)的低溫?zé)峁袒瘶渲瑵{料〔聚合物型〕固化成型的方式；另一種是，利用陶瓷等無機印制板制作中已成功承受的高溫?zé)蓾{料〔燒成型，在Cu箔上燒成元件后，再利用印制線路板制作工藝而在有機印制板中嵌入的方式。而在上〔還包括陽極氧化法及氣溶膠沉積法等C元件的方式和便于利用印制線路板制作工藝，預(yù)先在銅箔上貼附薄膜Ni電膜及薄膜介電體膜，再進(jìn)展嵌入的方式?！澳脕砬度胄汀焙汀爸谱髑度胄汀薄澳脕怼敝苯映惺?，因此作為被動元件的電氣特性和牢靠性均有保證。也就是說，假設(shè)是片式電阻，不僅其電阻值精度，而且額定功率、電阻溫度系數(shù)等電氣特性均有保證；假設(shè)是片式電感，GKD〔knowngooddi，確保質(zhì)量芯片，由于是作為KGknowngoodcomponen，確保質(zhì)量組件〕而直用戶所要求且在使用條件下有保證的電氣特性。后者“制作嵌入型”要形成高精度的無源元件，修邊〔trimming〕技術(shù)的開發(fā)必不行缺。有源元器件嵌入〔EAD〕技術(shù)的分類及其特征圖5〔b〕表示有源元器件嵌入〔EAP〕技術(shù)的分類及其特征。作為有源器件的裸芯片度有可能超越EPA技術(shù)。這是由于，EPA技術(shù)最早不是在有機印制板，而是在無機基板——基板〔lowtemperatureco-firedceramics，LTCC〕技術(shù)同時開發(fā)，作為模板而到達(dá)有用化的。但是，由于承受玻璃和陶瓷混合物制作LTCC800~1000℃，在無機基板這樣高EADEAD技術(shù)只能與有機基板的印制線路板技術(shù)或積層印制板技術(shù)相融合。因此，為滿足今后板內(nèi)，嵌入高集成度、多引腳、高速器件芯片的EAD技術(shù)開發(fā)是必不行缺的。關(guān)于EAD的技術(shù)分類，也類似于EPD，分為“拿來嵌入型”和“制作嵌入型”兩大類。前者“拿來嵌入型”是將有源器件以裸芯片的狀態(tài)直接安裝在印制板內(nèi)層，完成EAD模塊；后者“制作嵌入型”DCACWL-CSP〔Waferlevelchipscalepackage，晶圓級芯片尺寸封裝〕安裝在印制板的內(nèi)層，完成EAD模塊。對“拿來嵌入型”和“制作嵌入型”進(jìn)展比較，可以看出，前者藉由硅片剪薄，芯片簡潔做EADKGD〔knowngooddie，質(zhì)量確保芯片制作嵌入型”是將超小型封裝嵌入，因此相當(dāng)有利。假設(shè)價格比現(xiàn)在廉價多的KGD裸芯片得以流通，則薄型化和低價格方面的優(yōu)勢將是“拿來嵌入型”望塵莫及。6〔定義為作為有源器件的硅面積之和與實裝印制板面積之比100%以上，由此可實現(xiàn)超高密度嵌入的三維封裝。6簡單多樣化的封裝技術(shù)形態(tài)和封裝效率19911996料凸塊實現(xiàn)層間連接的積層板技術(shù)B2iTMBuriedBumpinterconnectiontechnolog，經(jīng)打日本印刷公司〔DNP〕開發(fā)并到達(dá)有用化，在上述積層板內(nèi)層混載嵌入〔埋置〕無源片式元有源器件的EPD/EAD技術(shù)e-2iTMembedded2iT。作為有源器件的裸芯片的嵌入〔埋置〕方式，首先介紹在印制板上形成凸點，再進(jìn)展壓合連接的倒裝片〔flipchip〕安裝技術(shù)“BossB2itTM：BumpforflipchipattachformedonthesubstratewithsquareB2itTM”，再介〔flipchip〕〔埋置〔EPEA-2iTMembedded-B2itTM”。利用BossB2itTM倒裝片安裝方式的有源器件嵌入〔埋置〕技術(shù)由東芝公司開發(fā)的B2itTM積層板是利用導(dǎo)電漿料形成的錐形凸塊實現(xiàn)層間連接的的〔flipchi〔埋置有源器件的EADe-2iTM。圖7表示上述B2iTM1利用傳統(tǒng)的通孔電鍍PTHplatedthroughhol〕2在另外的Cu箔之上印刷Ag3再在其上積層半固化片prepre，使錐形凸塊4在芯板的上、下方，分別將帶錐形凸塊的銅箔與之層壓，得到表、反面都帶有電路圖形的四層組合式B2iTM56在該芯板的導(dǎo)體焊盤上印刷Ag漿料，枯燥后形成BossB2iTM安裝用的凸點；7藉由下填充〔under-fillin〕ACP〔anisotropicconductivepast，各向異性導(dǎo)電漿料，使作為有源器件的裸芯片上的Al電極〔焊墊〕7D8~11表示雙面BossB2iTM布線板的制作過程，在做好的雙面BossB2iTMA1上，利用芯板印刷法〔并不是在Cu經(jīng)枯燥后形成〔12中用黑色圖文表示，13由1214B15B的BossB2iTMB上、下對稱構(gòu)造，印刷比芯片厚度更高，體積更大