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2020年上半年，FC-BGA載板比去年同期增長了30%，預計在未來幾年內，隨著封裝設計需求量的不斷增加、復雜度的不斷提高，FC-CSP的市場也會持續增加。服務器、存儲器、5G網絡基礎設施等市場的增長和各類AI技術的加速發展，再加上越來越多的人選擇在芯片設計中采用異構集成技術，會促使封裝變得越來越復雜。

異構集成技術將不同元件或芯片組合在載板上，可滿足人們對低功耗、低延遲和實時數據處理的需求。移動電子產品內系統級封裝(SiP)取得的成功就是個很好的案例。這類設計可以減少功耗、增強處理能力，使當前5G技術支持的智能手機和IoT設備能夠正常運行。隨著5G技術及工業 4.0自動化技術的不斷發展，5G智能手機和IoT設備也會出現增長。

所有這些技術對布線密度的要求不斷增加，目前的有機載板制造商正在使用一系列高階金屬化技術生成接近晶圓級封裝的線寬/線距。

本文將概覽這些在IC載板上形成精細線寬和線距的金屬化工藝。主要涉及IC載板初級金屬化工藝中的電路形成、初始材料及半加成工藝(SAP)所采使用的關鍵技術。還會討論RDL使用的電鍍技術、無芯材載板以及熱量管理，用于大面積面板級封裝載板的電鍍設備，以及針對電路分辨率的各向異性最終蝕刻工藝等。

初始銅箔厚度或不使用銅箔

高端封裝的晶片尺寸一般較大(200 m㎡+)，有很多I/O(1000至10000個)，也可以與其他晶片或器件組合在同一塊載板上。這些系統的布線要求包括極高的電路密度、超細線寬/線距，需要一層或多層重新布線層。與PCB使用的HDI正相反，IC載板制造過程中使用的高密度電路在初始載板上會使用極薄的銅箔或者不用銅箔。圖1對比展示了PCB制造過程中和IC載板制造過程所采用的不同HDI生產技術使用的初始銅箔厚度趨勢。

圖1：各類高階PCB制造應用和相關商用金屬化工藝中初始銅箔厚度與線寬/線距尺寸的對比圖

SAP vs. mSAP

為滿足最高密度中介層的電氣布線需求，SAP利用化學鍍銅技術來生成初始晶種層。采用改良半加成工藝(mSAP)在薄銅箔層壓板上實現密度相對較低的IC載板設計(以及超高密度的PCB，例如手機用PCB)。SAP技術可以直接在有機層壓載板材料上制成最精細的線寬/線距結構。工藝流程始于有機積層裸材，例如ABF，這類材料已經層壓在了上一層或核芯層。激光鉆微導通孔之后，對載板進行去鉆污，然后用一層薄的化學鍍銅晶種層進行金屬化，再圖形電鍍在銅功能層上形成所要求的銅，然后蝕刻去除多余的電鍍表面銅層和初始晶種層。SAP技術可以形成10/10 μm的線寬/線距。mSAP技術目前應用于30/30 μm線寬/線距的大規模生產中。該工藝使用傳統半固化片和超薄銅箔(~3 μm)制成初始載板。采用激光鉆出微導通孔之后，給面板去鉆污，然后經過初級金屬化工藝——例如化學鍍銅或碳直接金屬化工藝，再成像、圖形電鍍、蝕刻至特征之間的層壓板。兩種工藝都采用了各向異性的最終蝕刻法，這種方法優先快速蝕刻位置較低區域的銅，蝕刻位置較高區域的蝕刻速度較慢，即在清理及界定走線之間的間距時，可限制從走線和其他特征上移除的表面銅量。與mSAP相比?，SAP之所以能制成更細的線寬和線距，主要是因為鍍銅的加成步驟更少，形成高分辨率的電鍍圖形所需的蝕刻更少。圖2列出了兩項工藝的主要差別。圖2：SAP可以在IC基板RDL上制造出更細的線寬和線距

SAP：初級金屬化技術的主要考慮因素

SAP是經生產驗證的工藝，可以通過化學鍍銅直接在聚合物樹脂上金屬化積層介質層。不再采用減成法蝕刻去除銅箔的優勢在于，能形成更細的線寬/線距和更小的焊盤，可滿足IC載板的要求。隨著人們不斷研發10/10 μm以下的線寬/線距，12/12 μm線寬/線距的良率已明顯提高。SAP化學鍍銅金屬化工藝與剛性及撓性PCB的傳統金屬化工藝類似，工藝流程為去鉆污，然后再進行表面預處理和活化，最后形成一個厚度在0.7μm至1.0 μm之間的化學鍍銅晶種層。化學鍍銅的晶種層一定要具備足夠的附著力，才能粘附在有機積層材料和盲孔目標焊盤上。這樣是為了在電解電鍍電路時提供相應支持，以及在組裝和回流焊過程中能承受熱機械應力。圖3所示是SAP工藝銅與樹脂的界面。圖3：對于半加成晶種層的性能而言，樹脂和銅界面 的銅層附著力是一個至關重要的指標制備化學鍍銅附著的載板要求同時具備化學附著力和機械附著力。高錳酸鹽去鉆污化學物質可用于氧化環氧樹脂表面，增強親水性。隨著引腳數量密度的增加，走線寬度和焊盤面積的不斷減小，以適應扇出需求。密度要求再加上信號速度加快，意味著在去鉆污過程中晶種層和介質之間的附著力不能明顯粗化積層材料是SAP技術必須具備的屬性之一。積層介質可用的環氧樹脂、玻璃珠或玻璃纖維多種多樣，成為了SAP技術的挑戰。像 Systek SAP 這樣的去鉆污工藝已經出現在商用市場，可以在低于規范粗糙度的同時與多種常用載板兼容(圖3)。圖4：對于載板電氣性能，載板材料的粗糙度在規定的要求以下是非常理想的屬性為了增強樹脂表面的化學粘合，Systek SAP還在去鉆污后加入了保護步驟，給樹脂表面添加了官能基，然后再使用一般的陽離子調節劑。下一步是利用鈀離子催化劑和退黏劑溶液來活化表面。Systek SAP Copper 850可以電鍍化學鍍銅晶種層，該工藝使用了優化配方，在初始內部應力幾乎為0的前提下可以承受高達30000 psi的抗拉強度，延伸率也能保持在10%至14%之間。SAP工藝中化學鍍銅的均鍍能力需要十分出色，才能在整個微導通孔結構中保持涂層均勻。圖5所示是Systek SAP外加Systek Copper 850工藝后得到的導通孔結構，載板表面和導通孔目標盤的銅層厚度，以及使用Systek UVF 100電鍍之后再進行的填充。圖5：若想獲得可靠的導通孔填充，SAP晶種層鍍覆的涂層必須要均勻通過電解鍍厚度最小為30 μm的電解銅層，再使用Instron Universal Testing System從介質表面剝離，測量剝離強度。受測的3種積層薄膜的剝離強度都超出了客戶的目標。研發團隊現在針對可行性項目，已經研發出可以用于制造1 μm至2 μm線寬/線距的前沿高階SAP工藝。這一高階金屬化工藝使用非甲醛溶液進行化學鍍銅和電解閃鍍，可使最終蝕刻后的側蝕最小化。圖6：使用SAP工藝鍍多種ABF基板后銅層的剝離強度

RDL的電解鍍銅

IC載板中封裝布線最常見的電鍍結構類型是重分布層(RDL)，這種結構能夠形成水平軸和垂直軸的互連，從而可重新定位集成電路的I/O焊盤。RDL可用于在異構設計中與其他元器件形成連接，實現在扇出封裝等結構中更密集地布置引腳和中介層布線。在采用前沿技術時，電鍍化學物質可以在填充縱向導通孔的同時電鍍后續板層較細的走線，整個過程只需一步就能完成。不論是在使用SAP工藝制造的載板上，還是在mSAP 和高階蓋孔工藝(ATP)中使用的超薄金屬箔載板，這類工藝都能形成尺寸精密的電解銅層，而且是高階封裝的支持技術。圖7所示為芯片封裝示意圖中RDL鍍層的位置。圖7：在二合一導通孔填充中形成的RDL特征，精細特征鍍層實現了有機載板積層RDL導通孔填充銅鍍液中，銅離子的濃度很高(高達250 g/L)，而硫酸的濃度較低(50 g/L)，其中還有潤濕劑(或載運劑)、增亮劑和整平劑以促進快速填充。這些添加劑共同作用，控制電鍍速率、沉積層平整度以及整個銅層的物理性質。增亮劑用于加速電鍍沉積。潤濕劑是高分子量聚氧化烯化合物，可通過與氯離子作用吸附在銅層表面，抑制電鍍。整平劑通過增加擴散層的厚度，抑制電鍍速率。通過這些綜合反應的作用，這些化學添加劑可以在陰極表面的多個位置改變其電氣性質，因為隨著從底部往上填充導通孔，等表面變得均勻時就會使鍍層平整。這種情況叫做曲率提升加速劑覆蓋率(圖8)。圖8：由下往上填充導通孔的過程中，潤濕劑、增亮劑和整平劑的相互作用形成了曲率完善加速劑覆蓋可針對不同電鍍方法優化導通孔銅填充添加劑。在任意層的電鍍過程中，都要為表面銅的高抑制而配制載運劑。電鍍工藝就是全板電鍍，所以幾乎不存在表面電流密度差異。導通孔填充厚度可達10 μm，跟表面銅層的厚度一致。這是在高級蓋孔工藝中采用超薄mSAP金屬箔和蓋孔－蝕刻的優勢。可為圖形電鍍優化RDL導通孔填充添加劑。運載體劑分子的設計用于改善圖形電鍍的垂直度，使形成圓頂的可能降至最低。不論是精細走線，還是焊盤區域，RDL電鍍的目標都是使讓導體高度均勻。圖9所示的面板采用Systek UVF-100進行了圖形電鍍，上面有128個特征(32 mm x 45 mm的部件)，導通孔寬60 μm、深30 μm，線寬/線距是18/25 μm，使用VCP電鍍工具在1.94ASD(18ASF)條件下電鍍50分鐘。圖9：采用Systek UVF 100圖形電鍍IC基板RDL對于IC載板制造商而言，RDL電鍍液是一種多用途工藝。該工藝主要使用垂直連續電鍍裝置(VCP)，用垂直分布器上安裝的迷你噴射器直接產生撞擊。撞擊步驟有助于微導通孔中的溶液置換，在縮短電鍍時間的同時增強了鍍層均勻性。同樣的RDL電鍍液可以用于電鍍各種直徑和深度的導通孔，同時可以在不需要調整化學組成的前提下電鍍芯材中的貫穿導通孔。圖10所示是Systek UVF 100電鍍的雙射激光鉆孔、金屬化和圖形電鍍的芯材。為了簡化工藝流程，重要的是在不同尺寸走線之間保持統一的高度，而且填充后的導通孔上凹陷最淺。圖10：最終蝕刻前，用Systek UVF 100成像電鍍的雙射激光鉆孔芯材由于篇幅有限，本文節選刊登，更多內容可點擊在線閱讀，本文發表于《PCB007中國線上雜志》11月號，更多精彩原創內容，歡迎關注“PCB007中文線上雜志”公眾號。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的装载向导_麦德美爱法：异构集成时代的高阶封装载板金属化工艺的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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