全面介紹PCB嵌入式封裝技術(shù)及支持GaN器件的工藝路徑

一、PCB嵌入式封裝技術(shù)概述

1. 定義與核心概念
PCB嵌入式封裝（Embedded Die Packaging）是一種先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)。其核心思想是將裸露的半導(dǎo)體芯片（Die）直接埋入多層印刷電路板（PCB）的基板內(nèi)部，而不是先進(jìn)行封裝再表面貼裝（SMT）到PCB上。

2. 關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)封裝相比，嵌入式封裝具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

• 超高密度集成： 在X、Y、Z三個(gè)維度上節(jié)省空間，是實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品小型化和輕薄化的關(guān)鍵技術(shù)。

• 優(yōu)異的電性能： 極大地縮短了互連長(zhǎng)度，減少了寄生電感和電容，非常適合高頻、高速應(yīng)用。

• 增強(qiáng)的熱管理： 芯片產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)周?chē)腜CB介質(zhì)材料和銅層更均勻、更高效地散發(fā)出去。

• 更高的可靠性： 芯片受到PCB材料的保護(hù)，免受機(jī)械應(yīng)力、潮濕和化學(xué)腐蝕的影響，提高了器件的機(jī)械強(qiáng)度和壽命。

• 系統(tǒng)級(jí)功能整合： 可以輕松地將不同工藝制造的芯片（如數(shù)字、模擬、RF、功率器件）以及無(wú)源元件（電阻、電容、電感）集成在同一個(gè)基板內(nèi)，形成完整的子系統(tǒng)。

3. 主要工藝類(lèi)型
根據(jù)介質(zhì)材料的不同，主要分為兩類(lèi)：

• 基于層壓板（Laminate）的嵌入式技術(shù)： 使用標(biāo)準(zhǔn)的FR-4或更高級(jí)的環(huán)氧樹(shù)脂基材料，工藝與傳統(tǒng)PCB制造兼容性高，成本相對(duì)較低。

• 基于薄膜（Thin-Film）的嵌入式技術(shù)： 使用Ajinomoto Build-up Film (ABF) 或聚酰亞胺（PI）等材料，可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的線路和更小的微孔，性能更優(yōu)，但成本也更高。

二、為什么GaN器件需要嵌入式封裝？

GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，因其高電子遷移率、高臨界擊穿電場(chǎng)和高飽和電子速度等特點(diǎn)，在高頻（5G、射頻）、高功率（快充、車(chē)載逆變器）和高溫應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。然而，這些特性也帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，而嵌入式封裝正是解決這些挑戰(zhàn)的理想方案。

1. 高頻性能的極致需求： GaN器件的工作頻率可達(dá)毫米波范圍。傳統(tǒng)封裝的長(zhǎng)引線、鍵合線會(huì)引入巨大的寄生效應(yīng)，嚴(yán)重劣化高頻性能。嵌入式封裝幾乎消除了鍵合線，實(shí)現(xiàn)了最短的互連，能充分發(fā)揮GaN的高頻潛力。

2. 苛刻的熱管理要求： GaN器件功率密度極高，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量。如果不能及時(shí)散熱，結(jié)溫升高將導(dǎo)致性能下降和可靠性問(wèn)題。嵌入式結(jié)構(gòu)將GaN芯片與高導(dǎo)熱性的PCB介質(zhì)和大面積銅層緊密接觸，提供了從芯片頂部和底部同時(shí)散熱的路徑，散熱效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)封裝。

3. 高功率密度集成： 在有限空間內(nèi)（如手機(jī)快充頭），需要將GaN功率器件、驅(qū)動(dòng)IC、控制器和無(wú)源元件高度集成。嵌入式技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這種超緊湊功率模塊的最佳途徑。

4. 提升可靠性： GaN芯片通常較為脆弱。將其嵌入堅(jiān)固的PCB內(nèi)部，可以更好地保護(hù)其免受外部機(jī)械沖擊和應(yīng)力的影響。

三、支持GaN器件的PCB嵌入式封裝工藝路徑

以下是實(shí)現(xiàn)GaN器件嵌入式封裝的典型工藝流程，可分為以下幾個(gè)核心步驟：

第1步：芯片準(zhǔn)備與貼裝

• 晶圓減薄與切割： 將GaN晶圓減薄到合適的厚度（通常為50-100μm），以提高熱性能并便于嵌入，然后進(jìn)行精密切割。

• 芯片貼裝： 使用非導(dǎo)電芯片粘接薄膜（DAF） 或半固化片（Prepreg）將GaN芯片倒裝（Face-Up） 或倒裝（Face-Down） 臨時(shí)固定在下層芯板上。對(duì)于散熱要求極高的場(chǎng)景，可能會(huì)使用燒結(jié)銀（Ag Sintering） 工藝，以獲得極低的熱阻和極高的連接可靠性。

第2步：嵌入與層壓

• 介質(zhì)層壓合： 在固定好芯片的芯板上層壓覆蓋一層半固化片（Prepreg）。這層Prepreg在加熱加壓后會(huì)流動(dòng)，填充芯片周?chē)目障恫⑼耆采w芯片。

• 真空層壓： 該步驟通常在真空層壓機(jī)中進(jìn)行，以確保介質(zhì)材料能充分填充芯片周?chē)拿恳粋€(gè)角落，避免產(chǎn)生空洞（Voids），空洞會(huì)導(dǎo)致熱管理和可靠性問(wèn)題。

第3步：互連結(jié)構(gòu)形成
這是最關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)，旨在實(shí)現(xiàn)芯片與外部世界的電氣連接。

• 激光鉆孔（Laser Drilling）： 使用CO?或UV激光在覆蓋芯片的介質(zhì)層上方精確地鉆出微盲孔（Microvias），暴露芯片上的焊盤(pán)（Pads）。

• 孔金屬化： 通過(guò)化學(xué)沉銅（Electroless Copper Deposition） 和電鍍銅（Electroplate Copper） 工藝在微盲孔內(nèi)壁上沉積銅，形成填實(shí)孔（Filled Vias） 或錐形孔（Tapered Vias），實(shí)現(xiàn)垂直方向的電氣互連。

• 電路圖形化： 通過(guò)半加成法（mSAP） 或減成法工藝在基板表面制作精細(xì)的電路線路，將芯片的焊盤(pán)與PCB上的其他線路和焊盤(pán)連接起來(lái)。mSAP工藝可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)的線寬/線距（可達(dá)15μm/15μm），滿足高頻布線的需求。

第4步：堆疊與集成

• 重復(fù)上述層壓、鉆孔、電鍍過(guò)程，構(gòu)建多層互連結(jié)構(gòu)，從而可以集成多個(gè)芯片（如GaN HEMT、Si驅(qū)動(dòng)IC、無(wú)源元件等），形成復(fù)雜的多功能模塊。

• 嵌入式無(wú)源元件： 可以將電容、電阻等元件以薄膜形式制作在層間，進(jìn)一步減少表面貼裝元件數(shù)量，提高集成度。

第5步：表面處理與最終加工

• 表面 finish： 在暴露的焊盤(pán)上進(jìn)行化學(xué)鍍鎳鈀金（ENEPIG）或沉金等表面處理，確保良好的可焊性和可靠性。

• 阻焊層（Solder Mask）： 涂覆阻焊層，開(kāi)出需要焊接的區(qū)域。

• 輪廓 routing 和測(cè)試： 將整個(gè)面板切割成單個(gè)的封裝模塊，并進(jìn)行電性測(cè)試和初步功能測(cè)試。

四、技術(shù)挑戰(zhàn)與考量

• 材料兼容性： PCB介質(zhì)材料（如Prepreg）與GaN芯片的熱膨脹系數(shù)（CTE） 必須匹配，否則在溫度循環(huán)中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致芯片開(kāi)裂或互連失效。

• 工藝精度與良率： 激光鉆孔的對(duì)準(zhǔn)精度、介質(zhì)填充的無(wú)空洞控制、精細(xì)線路的制作都是技術(shù)難點(diǎn)，需要高精度的設(shè)備和嚴(yán)格的工藝控制。

• 熱界面材料（TIM）： 如果采用芯片倒裝（Face-Down）結(jié)構(gòu)，需要開(kāi)發(fā)高熱導(dǎo)率的底部填充材料（Underfill）來(lái)有效傳遞熱量。

• 設(shè)計(jì)與仿真： 需要強(qiáng)大的3D電磁仿真（EM）、熱仿真和機(jī)械應(yīng)力仿真工具來(lái)協(xié)同設(shè)計(jì)，提前預(yù)測(cè)和優(yōu)化性能，避免昂貴的試錯(cuò)成本。

• 成本： 目前嵌入式封裝的工藝復(fù)雜，初始投資高，更適合于高端、高附加值的產(chǎn)品。

五、總結(jié)與展望

PCB嵌入式封裝技術(shù)通過(guò)將GaN器件“埋入”板內(nèi)，為其提供了最短的電學(xué)路徑、最優(yōu)的散熱管理和最高的集成密度，是釋放GaN全部性能潛力的“完美搭檔”。

工藝路徑可以總結(jié)為：芯片準(zhǔn)備 → DAF/燒結(jié)貼裝 → 真空層壓嵌入 → 激光鉆微盲孔 → 孔金屬化電鍍 → mSAP精細(xì)布線 → 多層堆疊集成 → 表面處理與測(cè)試。

隨著5G通信、新能源汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω哳l高功率密度電子系統(tǒng)的需求爆炸式增長(zhǎng)，PCB嵌入式封裝技術(shù)正從一種先進(jìn)技術(shù)走向主流制造工藝。未來(lái)，它與GaN等寬禁帶半導(dǎo)體的結(jié)合將更加緊密，共同推動(dòng)電子系統(tǒng)向更小、更快、更強(qiáng)、更可靠的方向發(fā)展。

六、合明科技GaN器件芯片清洗劑介紹：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長(zhǎng)期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類(lèi)。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長(zhǎng)枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤(rùn)濕劑、樹(shù)脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來(lái)而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹(shù)脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開(kāi)路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國(guó)外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國(guó)產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

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