詳細解讀高密度IC載板

以下文章來源于不懂聊封裝 ，作者大名叫懂懂

一.前言

IC載板(封裝基板)具備高密度、高精度、高性能、小型化和輕薄化等一系列優(yōu)良特性，成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品中不可或缺的關(guān)鍵組件。IC載板的結(jié)構(gòu)如下圖所示，在中間芯板的兩面多次壓合增層制成，其作用是為芯片提供電氣連接和機械支撐。一個完整的芯片系統(tǒng)通常由裸芯片(即晶圓片)和封裝體組成，而封裝體包括封裝基板、固封材料和引線等部分。封裝基板作為核心部分，連接裸芯片與外部電路，確保電信號的傳輸與散熱效果。同時，IC載板還具備抗高溫、高頻性能，能夠支撐未來更多電子器件的高速運算與數(shù)據(jù)處理需求。

有機IC載板的起源可以追溯到集成電路(IC)封裝技術(shù)的發(fā)展早期。隨著半導體行業(yè)的快速進步，芯片的集成度和性能需求不斷提高，傳統(tǒng)的封裝技術(shù)如陶瓷和金屬基板逐漸無法滿足更高密度、低成本和輕量化的要求。

20世紀70年代，電子設備的需求開始呈現(xiàn)小型化、低成本和高性能的發(fā)展趨勢，推動了有機封裝材料的應用。在這個階段，陶瓷和金屬基板，它們雖然具備良好的熱導率和機械強度，但加工成本高且材料本身較重，不利于小型化和大規(guī)模生產(chǎn)，而有機材料(如環(huán)氧樹脂)具備重量輕、易于加工和低成本的優(yōu)勢，成為一個理想的替代選擇。有機IC載板最初是從印刷電路板(PCB)技術(shù)中發(fā)展而來，借鑒了PCB中常用的有機材料，如FR-4和聚酰亞胺(PI)等。

有機IC載板在20世紀90年代開始廣泛應用，這是因為隨著消費電子和計算機產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對集成電路封裝的需求從低端產(chǎn)品擴展到高性能計算和通信領(lǐng)域。有機基板的優(yōu)點不僅體現(xiàn)在材料成本上，還在于其適應性強、可以實現(xiàn)更復雜的多層結(jié)構(gòu)，適用于各種先進封裝技術(shù)如BGA(球柵陣列封裝)和CSP(芯片尺寸封裝)。

與常規(guī)PCB板相比，有機IC載板的線寬和線距更為精細，板子的尺寸也更小，這使得它能夠滿足主流芯片的嚴苛要求。在線寬/線距達到50μm/50μm時，常規(guī)PCB已經(jīng)屬于高端產(chǎn)品，而在封裝基板制造領(lǐng)域，30μm/30μm以內(nèi)的線寬/線距已屬于常規(guī)標準。這種更精密的設計滿足了現(xiàn)代高性能芯片對于體積小、信號傳輸效率高的需求。

隨著技術(shù)朝著高密度和高精度方向發(fā)展，封裝基板在PCB市場中的占比逐步提升。根據(jù)Prismark的數(shù)據(jù)顯示，2000年封裝基板在PCB市場中的占比為8.43%，到2020年這一比例已增長至15.68%。預計到2026年，封裝基板在PCB市場的占比將進一步上升至21.11%。這一增長趨勢反映出封裝基板在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的重要性，特別是在高性能計算、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)和其他先進應用領(lǐng)域，封裝基板已成為核心基礎材料。

二.材料選擇

1. 芯板材料—BT樹脂

“BT”樹脂是由日本三菱瓦斯化學公司開發(fā)的一種具有特殊性能的樹脂材料，其名稱來源于該公司推出的化學商品名。BT樹脂由雙馬來酰亞胺(Bismaleimide，簡稱BMI)和氰酸酯(Cyanate Ester，簡稱CE)樹脂通過合成反應制備而成，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、機械強度和電氣性能[1]。這種材料的開發(fā)始于1972年，當時三菱瓦斯化學公司就著手研究如何將BT樹脂應用于電子封裝領(lǐng)域。到1977年，BT板首次成功應用于芯片封裝，標志著其作為高性能封裝材料的潛力得到了初步驗證。

在隨后的幾十年中，三菱瓦斯化學公司持續(xù)優(yōu)化和改進BT樹脂的性能，特別是針對電子封裝和高頻應用的需求。通過對基礎BT樹脂的不斷改性，該公司開發(fā)出了多種不同類型的BT樹脂材料，以滿足電子產(chǎn)品性能日益復雜的需求。到20世紀90年代末，三菱瓦斯化學已推出十幾種不同品類的BT樹脂產(chǎn)品，覆蓋多個應用領(lǐng)域。

在日本、美國、歐洲等地區(qū)，BT樹脂在高性能、高頻電路用PCB的制造中得到了越來越廣泛的應用。尤其是在過去兩三年里，它已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)迅速崛起的高密度互連(HDI)技術(shù)中積層多層板(Build-Up Multilayer, BUM)和封裝用基板的重要材料之一。BT樹脂憑借其出色的電氣性能、低損耗和高穩(wěn)定性，特別適用于需要精密互連和高頻傳輸?shù)膽脠鼍?，推動了這些先進封裝技術(shù)的發(fā)展，并成為電子行業(yè)中不可或缺的基礎材料。

2. 增層材料—BT樹脂

ABF膠膜(Ajinomoto Build-up Film)的起源可以追溯到20世紀90年代，由日本味之素公司開發(fā)，最初是為了應對半導體封裝技術(shù)日益復雜的需求而誕生的。隨著芯片集成度的提高，傳統(tǒng)的PCB材料難以滿足高密度互連(HDI)和微型化封裝的要求。為解決這一問題，味之素利用其在化工領(lǐng)域的優(yōu)勢，開發(fā)出了一種專門用于IC載板制造的增層膠膜材料——ABF膠膜。

ABF材料的開發(fā)標志著半導體封裝材料的一次重要技術(shù)突破。它不僅滿足了更精細、更密集的電路互連需求，還具備良好的電氣性能和熱穩(wěn)定性，適用于高速、高頻信號的傳輸環(huán)境。這一材料的推出推動了積層多層板(BUM)和先進封裝技術(shù)的快速發(fā)展，并迅速在全球半導體制造行業(yè)中獲得廣泛應用，成為IC封裝中的關(guān)鍵材料之一。

這種膠膜材料通常被應用于IC載板的增層工藝中，通過半加成法(SAP)或改良半加成法(mSAP)將其壓合在芯板上，形成精細的導線圖形，支持更密集的互連布局。隨著芯片封裝的復雜性不斷增加，ABF材料在滿足高密度和高性能需求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，已成為現(xiàn)代高端封裝技術(shù)的標準材料之一。

三.工藝制備(增層SAP)介紹

有機IC載板是一種采用半加成法(SAP)工藝的封裝基板，通過在增層膠膜上構(gòu)建電子線路。增層膠膜的一個顯著特點是其不含玻纖成分，這種設計使得它在制造高精細度電子線路方面表現(xiàn)優(yōu)異。由于沒有玻纖的干擾，增層膠膜能夠更好地適應微小電路結(jié)構(gòu)的需求，確保信號傳輸?shù)目煽啃院鸵恢滦浴?/p>

此外，增層膠膜封裝基板的另一個重要優(yōu)勢在于其疊層技術(shù)的應用。這種技術(shù)使得制造多層線路板成為可能，從而在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)高密度互連，滿足現(xiàn)代電子設備對小型化和高性能的要求。通過精確的層疊設計，增層膠膜可以支持多層電路的集成，極大地提升了電路板的功能密度和性能[2]。

通過這些技術(shù)和工藝的結(jié)合，有機IC載板在高端封裝領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，為現(xiàn)代電子產(chǎn)品提供了強大的支持。隨著技術(shù)的不斷進步，有機IC載板的應用前景將更加廣泛，成為推動電子行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵力量。

加工流程的核心包括多個關(guān)鍵步驟，每個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，以確保最終產(chǎn)品的高質(zhì)量和可靠性。

真空壓合：首先，將增層膠膜與芯板進行真空壓合。此步驟需要在特定的溫度和壓力下進行，以確保兩者的緊密結(jié)合。通常會使用熱壓機，在精確控制的條件下使增層膠膜與芯板充分融合，形成穩(wěn)定的基礎結(jié)構(gòu)。良好的層壓質(zhì)量對后續(xù)工藝的成功至關(guān)重要。

激光鉆孔：緊接著，通過激光鉆孔技術(shù)形成微孔。此過程利用高能激光束精確打孔，能夠在不損傷材料的情況下實現(xiàn)微米級的孔徑。關(guān)鍵在于激光的焦點控制和移動速度，確保孔的直徑和位置精確，且孔壁光滑，為后續(xù)的化學處理打下良好基礎。

除膠渣：鉆孔后，進行除膠渣，以清潔孔壁。這一步驟通常使用化學溶劑或超聲波清洗，確?？變?nèi)無任何殘留物。殘留物不僅會影響導電性，還可能導致電路缺陷，因此徹底清潔至關(guān)重要。

種子層形成：接下來，通過化學鍍銅或濺射技術(shù)形成導電的種子層。這個過程要求對化學藥水的濃度、溫度和反應時間進行嚴格監(jiān)控，以實現(xiàn)均勻的鍍層厚度。種子層的質(zhì)量直接影響后續(xù)電鍍的效果，是確保良好導電性能的基礎。

電鍍加厚：然后，進行電鍍工藝對線路進行加厚，并填充激光鉆孔形成的微孔。電鍍過程中，必須控制電流密度和時間，以確保電鍍層的均勻性和厚度。這一步驟至關(guān)重要，確保導電路徑的完整性，同時提供足夠的機械強度。

干膜移除：接下來，移除干膜，清除多余的材料。此步驟通常通過化學溶劑進行，目的是去掉覆蓋在電路上的保護膜，以露出電鍍完成的導電線路，確保電路的清晰和準確。

閃蝕：最后，通過閃蝕去除多余的種子層。閃蝕是一種選擇性去除技術(shù)，使用適當?shù)幕瘜W藥水，僅去除未被電鍍覆蓋的種子層。這一步驟確保電路的純凈度，同時提升產(chǎn)品的電氣性能。

整個過程中，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于精確控制每個步驟的化學藥水及工藝參數(shù)，確保形成高精度的導電互連線路，特別是在種子層的形成和微孔填充過程中。工藝必須高度精確，以確保電氣性能和結(jié)構(gòu)完整性。由于這些特點，該封裝基板技術(shù)在先進封裝領(lǐng)域具有廣泛的應用，尤其適用于高密度封裝需求，如高性能計算、5G通信和人工智能設備等領(lǐng)域，推動著電子產(chǎn)品向更高性能和更小型化的方向發(fā)展。

四.國內(nèi)發(fā)展的特點

1. 產(chǎn)業(yè)鏈高度集中，公司間關(guān)系穩(wěn)定且緊密

有機封裝基板的產(chǎn)能集中度遠高于其他類型的印制電路板(PCB)。全球約80%的市場份額由日本、韓國和中國臺灣地區(qū)的前十大有機封裝基板生產(chǎn)商占據(jù)，展現(xiàn)出明顯的規(guī)模優(yōu)勢。相比之下，中國大陸目前只有華南地區(qū)的少數(shù)幾家公司具備相對簡單的封裝基板生產(chǎn)技術(shù)。

最終采購需求主要集中在高通、三星、蘋果、小米和聯(lián)發(fā)科等大型科技公司。這些公司由于訂購數(shù)量龐大且交期集中，通常采用包產(chǎn)方式進行采購，以確保供應的穩(wěn)定性。該行業(yè)對供應商資質(zhì)要求極高，尤其是在產(chǎn)品質(zhì)量和交期方面，認證過程復雜且耗時。例如，三星的供應商認證周期長達24個月。一旦供應商通過認證，企業(yè)通常不會輕易更換合作伙伴。

從產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)系來看，相當一部分的有機封裝基板巨頭源自集成電路設計或封測行業(yè)，體現(xiàn)了垂直整合的特點。例如，矽品科技通過其封測業(yè)務拓展了全懋科技，進入有機封裝基板市場;聯(lián)電科技則通過欣興科技在這一領(lǐng)域展開業(yè)務。而南亞與景碩則來自其他行業(yè)背景。

2. 盡管技術(shù)發(fā)展迅速，但基板材料仍處于壟斷狀態(tài)

有機封裝基板在技術(shù)特征、工藝方法以及產(chǎn)品形態(tài)上，具備多種技術(shù)發(fā)展路線。其關(guān)鍵技術(shù)特征在于對線寬和線距(L/S)的把控。目前，有機封裝基板的典型線寬和線距達到15 μm/15 μm級別，而傳統(tǒng)的“板級”印制電路板(PCB)的線寬和線距則為30 μm/30 μm級別之間。為了滿足更高密度的芯片封裝需求，出現(xiàn)了一種介于二者之間的新產(chǎn)品形態(tài)——類載板(SLP)，其線寬和線距小于30 μm/30 μm，特別適用于芯片封裝。

在工藝方法方面，有機封裝基板的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出減成蝕刻法、半加成法(SAP)和改良半加成法(mSAP)共同應用的趨勢。這些工藝方法不斷改進，不僅使引線扇出更加精細、導線間距更加密集，還減少了產(chǎn)品所需的層壓次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。

在產(chǎn)品形態(tài)方面，為了應對晶圓扇出封裝技術(shù)(InFo-WLP)帶來的潛在價值鏈轉(zhuǎn)移和產(chǎn)業(yè)鏈整合，有機封裝基板生產(chǎn)商逐漸從傳統(tǒng)的標準芯片級封裝(CSP)和焊球陣列(BGA)等產(chǎn)品形態(tài)，轉(zhuǎn)向開發(fā)更具前景的三維嵌入式基板產(chǎn)品。這種三維嵌入技術(shù)不僅能提升封裝密度，還能增強產(chǎn)品的整體性能。

盡管工藝技術(shù)在不斷進化，但大多數(shù)剛性有機封裝基板仍主要依賴幾種關(guān)鍵基材，尤其是雙馬來酞亞胺三嗪樹脂(BT樹脂)和增層膠膜(ABF)材料。這些材料由少數(shù)幾家日本公司壟斷，如三菱瓦斯和昭和電工掌握的BT樹脂，以及味之素公司掌握的ABF膠膜。由于這些材料經(jīng)過多年測試和迭代，與客戶的生產(chǎn)工藝高度匹配，因此在市場上具有較強的壟斷性。

3. 企業(yè)和行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵是穩(wěn)定的供應和用戶聯(lián)系

從當前行業(yè)現(xiàn)狀來看，有機封裝基板的發(fā)展面臨著兩大主要障礙：高技術(shù)難度和材料壁壘。由于這些基板的生產(chǎn)和應用需要較高的專業(yè)技術(shù)，許多潛在客戶在初始階段難以進入市場，這使得行業(yè)內(nèi)競爭格局變得復雜且高度集中。

這一現(xiàn)狀說明了封裝基板發(fā)展必須依賴于兩個關(guān)鍵因素：一方面，需要建立廣泛的客戶基礎，以確保產(chǎn)品的市場需求和應用場景;另一方面，穩(wěn)定的材料供應同樣至關(guān)重要，材料供應鏈的可靠性直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。這意味著行業(yè)參與者不僅要關(guān)注與下游客戶的緊密聯(lián)系，還需要積極整合上游材料供應商，以保障原材料的及時供應和技術(shù)支持。

一旦企業(yè)能夠成功構(gòu)建起穩(wěn)定的上下游關(guān)系，將有助于降低市場風險，并增強行業(yè)的整體競爭力。在我國集成電路快速發(fā)展的背景下，有機封裝基板的發(fā)展?jié)摿薮?，有望再現(xiàn)中低端印制電路板在歷史上的快速崛起。因此，行業(yè)各方應共同努力，打破現(xiàn)有的技術(shù)壁壘和材料限制，以推動有機封裝基板的創(chuàng)新與應用，為未來的市場增長奠定堅實基礎[3]。