電路板嵌入元器件有機(jī)模塊技術(shù)的開發(fā)

魏 昊，樊利軍

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，北京 100042)

電路板嵌入元器件有機(jī)模塊技術(shù)的開發(fā)

魏 昊，樊利軍

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，北京 100042)

為了提高電子組裝密度，基板嵌入元器件的三維安裝模式受到人們更多的關(guān)注。介紹了一種以銅芯為基板核心材料的元器件嵌入技術(shù)(EOMIN)，詳細(xì)敘述了其外形結(jié)構(gòu)和制造工藝，并通過實(shí)驗(yàn)與FR-4基板嵌入元器件和低溫共燒陶瓷基板(LTCC)安裝元器件進(jìn)行比較，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比得出EOMIN元器件嵌入技術(shù)具有導(dǎo)熱性能好，抗疲勞性強(qiáng)，承受熱沖擊時(shí)銅的塑性變形量小，連接可靠性高等優(yōu)良特性的結(jié)論。

電子組裝；元器件嵌入；鍍銅連接；導(dǎo)熱性；抗疲勞性

近年來，對(duì)電子設(shè)備小型化、高功能化以及高速化的要求，促進(jìn)了電子安裝技術(shù)的高密度化，從而沖破了原來在印制板上器件二維高密度安裝的界限，向樹脂基板內(nèi)部嵌入元器件的三維式器件嵌入技術(shù)已經(jīng)受到人們的關(guān)注。這里介紹“EOMIN”技術(shù)，即元器件嵌入有機(jī)模塊相關(guān)的微電子連接技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是在銅芯上形成的腔槽內(nèi)嵌入電子元器件，利用鍍銅技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子器件與電路的連接。在EOMIN模塊結(jié)構(gòu)中，由仿真結(jié)果得知，當(dāng)嵌入發(fā)熱量大的電子元器件時(shí)，能夠使發(fā)出的熱向銅芯擴(kuò)散，從而達(dá)到了向母板放熱的目的(母板有散熱器)。而且，與過去的電子焊接相比，嵌入器件的鍍銅連接在受熱沖擊時(shí)銅的塑性變形小，連接可靠性高，堪稱下一代高密度安裝技術(shù)。

1 EOMIN器件嵌入的結(jié)構(gòu)與制造工藝

1.1 EOMIN器件嵌入的結(jié)構(gòu)

圖1示出了EOMIN器件嵌入結(jié)構(gòu)概略圖。所用基板的芯材是2枚銅芯，中間介入樹脂，2枚銅芯分上下層壓在樹脂上。銅芯可以是電解銅或壓延銅等均可。半導(dǎo)體器件藏于開槽的上層銅芯內(nèi)且用連接芯片的樹脂固定。這種結(jié)構(gòu)當(dāng)嵌入的半導(dǎo)體器件發(fā)熱量大時(shí)，其熱將向下層的銅芯擴(kuò)散，從而達(dá)到了向母板放熱的目的。另一方面，對(duì)厚度達(dá)300 μm無源片式元件，則嵌入于上層與下層形成的腔槽內(nèi)用樹脂固定。并且用環(huán)氧樹脂等組成的基板用材料密封這些電子元器件，確保用鍍銅法形成的配線與嵌入器件的電子連接。由此可見，對(duì)于EOMIN嵌入器件的固定和電子連接而言，一切都不用焊料連接。

圖1 EOMIN器件嵌入結(jié)構(gòu)概圖

1.2 EOMIN制造工藝

圖2示出了EOMIN制造工藝概略圖。首先，EOMIN中基本核心是使用2枚銅芯，樹脂介于兩枚銅芯的中間。兩枚銅芯分上下層壓在樹脂上，然后在銅芯上由減成法形成腔槽。在腔槽中，由于貼合銅芯用的樹脂露出，所以由二氧化碳激光將其除去。而在下層的銅芯內(nèi)部層壓樹脂，把嵌入器件搭載腔槽內(nèi)。分別用裸芯片連接用的樹脂(又稱綁定樹脂)以及底層填充樹脂將嵌入的半導(dǎo)體器件以及片式元件固定在腔槽內(nèi)，而且嵌入的元器件要低于銅芯表面。隨后，由真空壓力將環(huán)氧樹脂等基板用的材料對(duì)嵌入元器件進(jìn)行密封，在嵌入器件的焊盤上用激光開孔。在上層以及下層的銅芯中形成腔槽的同時(shí)，用蝕刻加工出通孔用的余量間隙Φ280 μm，當(dāng)嵌入器件密封時(shí)用樹脂填充該間隙。像開盲孔一樣，由激光在上述余量間隙的中心開Φ90 μm的通孔。激光開孔后，用半加成法形成鍍銅配線，同時(shí)形成與嵌入器件的配線連接。其中Φ50 μm的盲孔經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)電鍍填充銅，有可能形成層狀通路。這就是EOMIN器件嵌入工藝。在由配線量及電源數(shù)量導(dǎo)致層數(shù)增多的場(chǎng)合，則形成的層數(shù)多于通常的組合工藝。最后在表層安裝器件，由加工切出單個(gè)模塊，完成模塊商品。

圖2 EOMIN制造工藝概圖

在上述工藝中，由于收納嵌入元器件的腔槽是由高剛性的銅芯構(gòu)成，所以在從搭載器件到用真空壓力密封樹脂的工藝中，呈現(xiàn)出基板容易操控、嵌入器件不直接承受橫向機(jī)械應(yīng)力的特點(diǎn)。

2 基于EOMIN的模型制作實(shí)例

為了檢驗(yàn)嵌入器件的動(dòng)作及其性能，EOMIN實(shí)驗(yàn)選擇了回路規(guī)模小，在低頻動(dòng)作的小型DC/DC轉(zhuǎn)換器為例。圖3示出了小型DCDC轉(zhuǎn)換器模型的截面結(jié)構(gòu)圖。1個(gè)半導(dǎo)體嵌入于上層銅芯的腔槽內(nèi)，而另外1個(gè)片式電容和1個(gè)片式電阻嵌入于上層及下層銅芯形成的腔槽內(nèi)，組建的層數(shù)里外共2層。圖4是EOMIN實(shí)驗(yàn)用的小型轉(zhuǎn)換器模塊與ECD036-030A04-25模塊的電壓轉(zhuǎn)換效率的比較結(jié)果。上述模塊的輸入及輸出電壓分別為3.7 V和1.5 V，由結(jié)果得知，用EOMIN作實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電壓轉(zhuǎn)換效率，盡管其中嵌入半導(dǎo)體器件以及片式元件，但也與ECD036-030A04-25的性能相等。

圖3 小型DC DC轉(zhuǎn)換器模型的截面結(jié)構(gòu)圖

圖4 兩種模塊轉(zhuǎn)換效率的比較結(jié)果

3 EOMIN的模塊放熱特性

在EOMIN中為了把半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量釋放掉，采用了把半導(dǎo)體器件嵌入在下層銅芯上的結(jié)構(gòu)。即在EOMIN中，由于銅芯介于半導(dǎo)體器件與母板之間，所以促進(jìn)了半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱向母板擴(kuò)散。為了推算EOMIN放熱特性的優(yōu)越性，將樹脂基板嵌入半導(dǎo)體的情形和低溫共燒陶瓷基板(LTCC)安裝半導(dǎo)體器件的情形與之對(duì)比，并用有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)進(jìn)行分析[1-2]。

首先，圖5示出了用FEM分析的1/4模型。圖5a是利用EOMIN法在下層的銅芯上用厚度為20 μm的綁定樹脂固定半導(dǎo)體器件，然后由環(huán)氧樹脂對(duì)半導(dǎo)體器件密封的模型。圖5b是在樹脂基板上嵌入半導(dǎo)體器件的模型，在35 μm的FR-4基板上形成銅焊盤，在銅焊盤上用厚度達(dá)20 μm的綁定樹脂固定半導(dǎo)體器件，然后全部用FR-4基板把半導(dǎo)體器件密封起來。圖5c是利用低溫共燒陶瓷基板安裝的模型，即在厚度為60 μm的低溫共燒陶瓷基板形成的Ni/Cu焊盤上介入厚度為20 μm的綁定樹脂，在正面搭載半導(dǎo)體器件。在用FEM分析中，模塊內(nèi)部的焊盤結(jié)構(gòu)為LGA( Land Grid Array)，半導(dǎo)體發(fā)熱量為1 J，把與主板相連接的LGA的錫焊溫度定為室溫25 ℃左右。表1示出了半導(dǎo)體芯片尺寸、基板尺寸以及LGA的尺寸與間距；表2示出了經(jīng)FEM分析，其所用各材料的熱傳導(dǎo)率。

圖5 半導(dǎo)體模擬放熱的1/4模型

結(jié)構(gòu)尺寸芯片尺寸1．2mm×1．2mm芯片厚度/μm150基板尺寸5mm×5mm熱焊盤(TP)尺寸900μm×900μmLGA尺寸500μm×500μmTP和LGA的間隙/μm850

表2 用于散熱分析的材料及熱傳導(dǎo)率

圖6示出了上述模型當(dāng)進(jìn)行FEM分析時(shí)溫度的分布結(jié)果?；贓OMIN的模塊結(jié)構(gòu)，銅芯高效傳熱，可以想像，除放熱用的焊盤以外，LGA焊盤也向母板側(cè)放熱。另一方面，在樹脂基板嵌入半導(dǎo)體器件的場(chǎng)合與低溫共燒陶瓷基板安裝半導(dǎo)體器件的場(chǎng)合，熱傳導(dǎo)僅僅在半導(dǎo)體附近，不能有效地向母板放熱。還有，從半導(dǎo)體的發(fā)熱部分到各個(gè)基板與母板連接的焊盤焊料，這之間的熱電阻分別是：EOMIN半導(dǎo)體器件嵌入為8.5 ℃/W，有機(jī)基板上的半導(dǎo)體器件嵌入為31.6 ℃/W，低溫共燒陶瓷基板上的半導(dǎo)體安裝為80.1 ℃/W。可以看出，基于EOMIN的模塊結(jié)構(gòu)達(dá)到最小值。盡管低溫陶瓷的熱傳導(dǎo)率比環(huán)氧樹脂以及FR-4都高，但是低溫共燒陶瓷基板的熱電阻達(dá)到最大的原因可能是從半導(dǎo)體的發(fā)熱部分到母板的放熱處的距離長。另外，在此次FEM分析中把半導(dǎo)體大、配線容量多的情況作為前提，假定熱通路不能配置在半導(dǎo)體下部。因此，從以上結(jié)果可以推測(cè)，EOMIN在上述前提條件下對(duì)半導(dǎo)體的放熱是有利的[3]。

圖6 半導(dǎo)體器件模擬熱釋放的結(jié)果

4 嵌入器件的鍍銅連接可靠性

如上所述，EOMIN中用鍍銅配線與嵌入器件進(jìn)行電氣連接。圖7示出了在半導(dǎo)體器件上進(jìn)行鍍銅配線的情形。在半導(dǎo)體焊盤上形成的銅凸點(diǎn)，當(dāng)半導(dǎo)體焊盤是Au或是Al的場(chǎng)合，由于密著性差，是勉強(qiáng)形成的東西，所以粗化銅凸點(diǎn)，以確保與樹脂的密著性。這種方式的連接可靠性，經(jīng) -55～+125 ℃的液體熱沖擊試驗(yàn)，獲得非常好的效果。即當(dāng)在Φ55 μm通路的半導(dǎo)體焊盤上鍍銅連接時(shí)，其熱沖擊達(dá)1 000個(gè)周期后電阻變化率非常低，僅為±2%以下。

為了理解該性能，以用彈塑性變形分析獲得的鍍銅與半導(dǎo)體焊盤連接處的金屬塑性變形為基礎(chǔ)，考察其連接處的疲勞壽命。而且與C4(Controlled Collapsed Chip Connection)連接的疲勞壽命相比較，目的是為了把握EOMIN鍍銅連接的可靠性。圖8示出了此次彈塑性分析中所有的EOMIN的1/2模型。Si芯片被固定在下層銅芯上，利用銅凸點(diǎn)進(jìn)行鍍銅，形成銅配線連接在Si芯片上的結(jié)構(gòu)。另外，EOMIN的各結(jié)構(gòu)因素的尺寸如表3所示。EOMIN各材料的楊氏模量、泊松比(橫的應(yīng)變與縱的應(yīng)變比)以及線膨脹系數(shù)(CTE)如表4所示。

圖7 鍍銅連接半導(dǎo)體的外觀

圖8 EOMIN的1/2 模型的結(jié)構(gòu)有限元分析(截圖)

結(jié)構(gòu)尺寸芯片尺寸4mm×4mm芯片厚度/μm80板尺寸8mm×8mm銅凸點(diǎn)直徑/μm110銅凸點(diǎn)高度/μm10通孔直徑(頂邊)/μmΦ77通孔直徑(底邊)/μmΦ60通孔高度/μm40焊盤直徑/μm140焊盤厚度/μm15通孔間距/μm200

表4 EOMIN用于等效塑性變形分析的材料特征

另一方面，圖9示出了此次彈性分析中所用的C4連接的1/2模型[4-5]。Si芯片安裝在FR-4基板上，中間介入焊錫球，形成芯片與FR-4基板之間用填充樹脂填充的結(jié)構(gòu)。C4連接中各結(jié)構(gòu)因素的尺寸如表5所示。銅連接的各材料的楊氏模量、泊松比以及CTE如表6所示。

圖9 C4的1/2 模型的結(jié)構(gòu)有限元分析

結(jié)構(gòu)尺寸芯片尺寸4mm×4mm芯片厚度/μm150板尺寸8mm×8mm板厚度/μm400銅焊盤直徑/μmΦ110銅焊盤厚度/μm18錫凸點(diǎn)直徑/μm120錫凸點(diǎn)高度/μm60錫凸點(diǎn)間距/μm200

表6 C4用于等效塑性變形分析的材料特征

圖10示出了EOMIN以及C4連接時(shí)熱沖擊時(shí)所產(chǎn)生的塑性變形分布形態(tài)。EOMIN的最大塑性變形發(fā)生在遠(yuǎn)離Si芯片中心的通路，是在銅凸點(diǎn)與Si芯片的界面處。而C4連接的塑性變形也發(fā)生在遠(yuǎn)離Si芯片中心的錫凸點(diǎn)上，是在Si芯片與錫凸點(diǎn)的界面一端。

圖10 由熱沖擊所產(chǎn)生的等效塑性變形

圖11示出了EOMIN與C4連接的累積塑性變形與周期的關(guān)系。由圖可知，EOMIN的鍍銅連接與C4連接相比，EOMIN的累積塑性變形的幅度小。另外，疲勞壽命是從塑性變形振幅值與周期數(shù)的關(guān)系(S-N特性)求得的。但是由于通常一次熱沖擊的塑性變形振幅值是在兩周期以內(nèi)，所以當(dāng)評(píng)價(jià)負(fù)荷反復(fù)1 000周期的現(xiàn)象時(shí)，采用1個(gè)周期的數(shù)值是不恰當(dāng)?shù)摹Ｒ虼?，這里采用3個(gè)周期數(shù)值的塑性變形振幅值。由圖11可知，EOMIN以及C4的3個(gè)周期數(shù)的塑性變形振幅值分別為0.1%以及0.4%。圖12和圖13分別示出了銅與Sn-3.5Ag焊料的S-N特性。由這些圖可知，EOMIN以及C4連接的疲勞壽命分別是100 000周期以及約10 000周期[6-7]。

圖11 熱沖擊與等效塑性變形積累的關(guān)系

圖12 銅的S-N特性圖

圖13 共晶焊料的S-N特征圖

從上述結(jié)果可知，EOMIN的結(jié)構(gòu)與材料都比C4連接更不易疲勞破壞。

5 結(jié)語

可以確認(rèn)，利用EOMIN制作小型DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了充分的性能數(shù)據(jù)。其中由FEM分析EOMIN的放熱特性，預(yù)測(cè)出比通常樹脂系器件嵌入基板以及低溫共燒陶瓷基板搭載半導(dǎo)體器件的效果更好。此外，EOMIN上基于鍍銅的嵌入器件上的電氣連接，由熱沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證具有充分的可靠性。還有，從彈塑性分析的結(jié)果認(rèn)定，EOMIN的結(jié)構(gòu)與材料均比C4連接更不易疲勞破壞。今后將繼續(xù)驗(yàn)證EOMIN放熱特性的效果，同時(shí)還將開發(fā)在高頻模塊上的應(yīng)用。

[1]韓西， 鐘厲.有限元分析在結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算機(jī)仿真中的應(yīng)用[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)， 2001(20)： 124- 126.

[2]師劍英， 高艷茹.金屬基PCB基板的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[ J].電子電路與貼裝， 2003(5)：1-2

[3]劉瑞豐.多芯片組裝技術(shù)中的C4技術(shù)[J].微處理機(jī)，2004(2)：10-11.

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[5]崔浩，何為．用模擬仿真軟件預(yù)測(cè)嵌入元件的熱效應(yīng)[J].印制電路信息，2007 (9)：45-50.

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[7]李民善，紀(jì)成光，杜紅兵，等.嵌入元器件板推力研究[J].印制電路信息，2013 (9)：33-37.

Development of Embedded Organic Module Technology in PCB Board

WEI Hao，F(xiàn)AN Lijun

(SchoolofElectronicalandInformationEngineering，BeijingPolytechnicCollege，Beijing100042，China)

In order to increase the density of electronic assembly， three-dimensional installation mode is very popular which base board is embed in components， and a kind of components embedded technology with copper as the substrate core material (EOMIN) is striking.Compared with FR-4 substrate embedded components and LTCC substrate， EOMIN has better thermal conductivity，fatigue resistance，and smaller plastic strain of copper when subjected to heat shock， and its connection reliability is high.

electronic assembly； components embedded； copper connection； thermal conductivity； fatigue resistance

TN605

B

10.16280/j.videoe.2015.05.017

2014-07-23

【本文獻(xiàn)信息】魏昊，樊利軍.電路板嵌入元器件有機(jī)模塊技術(shù)的開發(fā)[J].電視技術(shù),2015，39(5).

魏 昊(1978— )，碩士，講師，主要從事電子檢測(cè)技術(shù)與電子產(chǎn)品制造工藝方面的教學(xué)與研究。

責(zé)任編輯：閆雯雯