埋嵌元件PCB的EPASD 评价解析
2022-06-20

  5 嵌入用元件

  焊盘连接方式时,嵌入可以采用再流焊或者粘结剂等表面安装技术的大多数元件。为了避免板厚的极端增大而要使用元件厚度小的元件。裸芯片或者WLP情况下,它们的大多数研磨了硅(Si)的背面,包括凹块等在内的安装以后的高度为(300~150)mm以下。无源元件中采用0603型,0402型或者1005的低背型。导通孔连接方式时,上面介绍的镀层连接和导电胶连接的各种事例都是采用Cu电极的元件。用作嵌入元件时铜(Cu)电极的无源元件厚度150 mm成为目标之一,还有更薄元件的开发例。

  6 EPASD 评价解析T V (TestVehicle)

  6.1 测试运载工具(TV)概要

  以阐明元件嵌入PCB的技术课题为目的,制作了评价解析WG中的TV(Test Vehicle)并进行了评价。从2007年再次关于构造和设计的讨论,最终制作了如图9所示的裸芯片嵌入基板的构造。线路层为4层,L2~L3之间嵌入元件。根据元件嵌入PCB的用途,初期应该相同于HDI基板的评论,而提出元件嵌入特有的课题被视为最本质的问题,嵌入部分以外极为容易的优先制造,层间连接为贯通孔。分别使用无卤FR-4和FR-5基材进行制造。

埋嵌元件PCB的技术(二)  

  嵌入的元件是由SIPOS(System IntegrationPlatform Organization Standard)提供的“SIPOSTEG”,形成与PCB连接的菊链式图形那样的焊盘配置。图10表示了这种图形和主要规格。其中电极上形成金(Au)螺拴形凸块(Stud Bump),采用面朝下(Facedown)的倒芯片连接的安装方式。这时采用热压接合法和超声波法2种方法。因此制作成两种材料和两种安装方式的共计4种样品。

  埋嵌元件PCB的技术(二)

  6.2 评价结果

  2008年实施了TV制作,2009年度进行了评价解析。首先为了评价再流焊耐热性,采用JEDEC3级的条件实施前处理。许多样品再流焊以后发生起泡。

  另外还伴随着发生断线或者电阻上升。

  图11表示了截面解析的一例。嵌入的芯片下方的底胶树脂与芯片之间发生剥离,部分剥离发生在螺栓形凸块与PCB电极界面。这种剥离是起泡的发生原因。耐热性的FR-5也发生若干起泡。由于四种条件中没有显着差别。所以认为发生起泡的主要原因在于构造本身。根据截面解析的结果芯片本身显着翘曲,由于嵌入以后内在的残留应力在再流焊时被释放而发生变形,或者由于芯片本身的尺寸或者PCB图形的影响等。关于翘曲方面,在内层板上安装时由于芯片与内层板的热膨胀系数差别而表现出凸状翘曲,但是如图11所示的起泡以后的截面中反而逆转为凹状翘曲而值得注意。

埋嵌元件PCB的技术(二)

  发生起泡的评价本质上是由于爆玉米花(Popcorn)现象引起的,使用不同的两种底胶树脂的安装方式都发现同样的起泡,因此认为PCB构造有很大影响。为了调查这种现象,第二次制作了TV-1′芯材厚度为0.1 mm和0.3 mm,导体图形有TV-1采用的铜(Cu)中间(Beta)图形和PCB的网且(Mesh)图形两种。共计四种样品。图12表示了TV-1′PCB的导体图形和层构造。各种构造实施了5次再流焊耐热试验,与TV-1′同样构造的芯材0.1mm/Cu中间图形再现起泡现象,而其它构造都没有发生起泡或者电阻上升,确认了构造变更的效果。

埋嵌元件PCB的技术(二)

  6.3 热变形解析

  为了考察基材的厚度或者线路导体图形给予元件嵌入PCB的热变形行为的影响,利用模拟迄今获得的试验结果进行解析。根据前节叙述的EPADS TV的Geber数据制成三D模型(Model),通过解析从室温加热到260 ℃时的热变形行为而求得。解析时使用ADINA8.6(美国ADINA公司制造)进行非线性的弹性解析。解析以TV-1′为标准。基材厚度为0.1 mm和0.3 mm两种,PCB的导体设定为铜(Cu)中间图形和网目图形两种,实施共计组合成四种的解析。制成的模型如下。

  (a)模型1 芯材0.1 mm厚/网目图形。

  (b)模型2 芯材0.1 mm厚/中间图形。

  (c)模型3 芯材0.3 mm厚/网目图形。

  (d)模型4 芯材0.3 mm厚/中间图形。

  另外嵌入的芯片为0.1 mm,厚度10 mm□,与TV同样的周边配置金(Au)凸块和下面填充底胶树脂的构造。实际的制造状况有所不同,在解析中室温下的应力和变形设定为0,求出加热到260 ℃时的热变行为。图13表示了热变形解析结果的一例。途中的PCB L1表示上面的,裸芯片嵌入部分的中心部表现出凸形状变形的倾向。它的周围收到裸芯部嵌入部变形的影响。变形行为随着部位而有所不同,这是由于导体图形的形状和疏密的影响所致。解析的四种模型中。模型2相当于TV-1发生起泡的构造。

  解析所获得的热变形量以模型2为最大,表现出与实际基板同样的倾向。模型2的变形量为108 mm,其它模型的变形量范围为46 mm ~ 60 mm.

埋嵌元件PCB的技术(二)

  6.4 与热变形实测的比较

  为了验证热变形解析的准确性,进行了热变形行为的实测。样品制造成TV-1′,构造相当热变形解析的模型1~模型4供给试验。根据莫瑞光影法(Shadow Moire)的非接触翘曲测量一边加热到最高260 ℃一边进行测量。图14表示了室温初始状态下翘曲分布图。与解析结果相反,由于L4侧具有凸状翘曲,所以在上面配置PCB L4.由于这种翘曲方向对应于图11中表示的起泡以后芯片翘曲方向,所以芯片在嵌入时和安装时表现出不同的翘曲。

埋嵌元件PCB的技术(二)  

  从室温初始状态到260 ℃一边升温一边进行数点的测量,确认了室温初始状态时翘曲小的倾向,即L1侧表现出翘曲行为,这一点与模拟的倾向一致。以室温初始状态的翘曲量为基准求出L1测变位量,表1表示了它与模拟结果的比较结果。厚度0.1 mm的构造中实测结果大大超出模拟结果的变形量。特别是模型2中呈现出很大剥离,虽然外观没有确认,但是也有可能发生微细的层间剥离。然而厚度0.3 mm的构造中,实测结果与模拟结果比较一致,表明元件嵌入PCB的热变形预测是有效的。0.1 mm厚度的构造中两者的剥离点今后还有研究的余地,可以采用弹性解析预测热变形行为,在工业上比较有用,期待着有助于元件嵌。

  埋嵌元件PCB的技术(二)

  7 标准化WG中无源元件嵌入的课题

  图15表示了无源元件嵌入构造的三种代表性形态。这种形态已经有10年左右的实用化,其优点是可以使用特性保证的元件,可以使用现有设备进行制造。

  另一方面,对PCB的市场要求是“更薄”.特别是模组元件中“低背化”是重要的关键词。因此第一要求嵌入元件特别是无源元件芯片的低背化。由于元件制造商的开发努力,已经实现0.15 mm厚度(1005尺寸,0603尺寸)的薄型化。另外PCB本身也要求成品板厚的薄型化,但是由于为了实现高集成度的线路,不得不增加厚度,因此希望使用更薄的内层芯板,部分嵌入铜(Cu)箔的0.05 mm左右的内层芯板也已经实用化。在表面安装时的再流焊工程或者基板制造工程中存在处理困难的担心。根据这种状况,近年来采用图15(b)所示的导通孔连接方式。这种方法是在内层上安装的元件电极上进行直接线路板的导通孔连接的方式(有源元件情况下面朝上)。采用这种方式,元件安装只有安装(Mount)工程,与再流焊方式比较,简化嵌入工艺的同时降低了成本,然而为了实现这种方式正在提出若干技术课题。EPADS研究会的标准化WG中正在进行讨论。

埋嵌元件PCB的技术(二)  

  第一是确保导通孔与元件外部电极的位置精度,它的影响因素如下。

  (1)外部电极尺寸。目前的0603尺寸通用品中外部电极幅度为0.10 mm ~ 0.15 mm左右。一般PCB中激光导通孔内层焊盘径为φ0.20 mm左右。这样导通孔的一部分有可能偏离电极。

  (2)元件安装精度。现在的安装机中一般安装精度为±0.05 mm程度。考虑到元件尺寸,咋一看数值较大,但是在表面安装中利用焊料的自动调准(Selfalignment)效果可以确保再流焊以后的元件位置精度。但是安装采用导通孔连接方式的元件时使用树脂系粘结剂,这时不能期望有自动调准效果。

  (3)激光导通孔的调准(Alignment)。一般的激光导通孔加工时,以事前形成的线路层的对准标记(Alinment Mark)为基准进行加工。内层与元件的位置精度不能保证时,就会引起元件与导通孔的位置偏离。

  第二是元件端子电极的镀层。通用元件的电极最外层一般是镀锡(Sn)层。由于激光导通孔进行镀铜(Cu)层连接,因此元件电极也希望是镀铜层。这时要经过PCB的去沾污和化学镀铜工程,因此必须形成经得起这些工程的保护膜。

  第三是元件高度的波动度。元件高度的波动度即成为导通孔深度的波动度。希望从激光加工和镀层两方面进行导通孔深度的统一。

  导通孔连接方式中,这些因素还会相互影响和重叠,希望以PCB制造商,元件制造商和安装机制造商为主的关系者作为开发的共同目标。

  如图15(C)所示,PCB内层上制造进入元件的构造于1990年代后期进行研究开发,现在已有许多开发例,还没有适用的实用品事例。然而它对于PCB的薄板化极为有利,期待着它的实现。为此实现稳定的元件特性是第一的,希望同时进行材料研究和工艺技术的确认。

  8 结语

  进入21世纪以来,将会迎来元件嵌入PCB正式实用化的时期,今后将会迅速发展,为此嵌入元件的规格化或者评价方法等的标准必须紧紧跟上。新的嵌入技术的开发将会层出不穷,数年以后元件嵌入基板将会克服各种课题,成为通用的安装技术而固定下来。

  关于元件嵌入PCB的可靠性评价本文只是介绍了制造上的技术课题,此外还有CAD设计上的相应课题或者包括元件检查在内的最终检查技术,PCB制造商与用户之间的品质保证契约上的课题等。

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