刚性有机封装基板标准的研制与进展.pdf

2024年1月第1期18刚性有机封装基板标准的研制与进展乔书晓(广州兴森快捷电路科技有限公司，广东 广州 5 1 0 6 6 3)封装基板(package substrate)是指可以安装并互连有裸芯片的印制板，其可以进一步被装焊到成品板上并形成模块或器件。随着对先进封装需求的快速增加，作为封装载体的刚性有机封装基板的需求也大幅度增加，但缺乏相应的产品标准。作为密度比高密度互连(HDI)板更高的印制板，以及与封装配套的更高的质量要求，它并不能沿用传统印制板的产品标准。这样，生产厂家、用户对产品的质量要求和检验方法等无法有效统一，容易造成重复认证和质量问题的经济索赔等。要解决这些矛盾，就需要研制用户和生产厂家都能接受的产品标准。1.1 封装基板在广义封装中的地位广义的封装包括了零级、一级、二级、三级/四级封装，如图 1 所示。其中零级封装指芯片上的互连，得到的是裸芯片。一级封装，即狭义上的封装，得到0 引言【摘要】随着对先进封装需求的快速增加，作为封装载体的封装基板的需求也大幅度增加，而国际和国内的标准化组织暂时都还没有制订出刚性有机封装基板的产品标准，生产厂家、用户对产品的质量要求和检验方法等无法有效统一，容易造成重复认证和质量问题的经济索赔等。要解决这些矛盾，就需要研制用户和生产厂家都能接受的产品标准。本文就刚性有机封装基板标准的研制进行了探讨，并展示了最新的进展。【关键词】刚性有机封装基板；封装；金属丝键合；倒装封装Development and Progress of Rigid Organic Packaging Substrate StandardsQiao ShuxiaoA b s t r a c t Wi t h t h e r a p id in c r e a s e in d e ma n d f o r a d v a n c e d p a c k a g in g,t h e d e ma n d f o r p a c k a g in g s u b s t r a t e s a s p a c k a g i n g c a r r i e r s h a s a l s o s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d.H o we v e r,i n t e r n a t i o n a l a n d d o me s t i c s t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n s h a v e n o t y e t f o r mu la t e d p r o d u c t s t a n d a r d s f o r r ig id o r g a n ic p a c k a g in g s u b s t r a t e s,a n d ma n u f a c t u r e r s a n d u s e r s c a n n o t e f f e c t iv e ly u n if y t h e ir q u a lit y r e q u ir e me n t s a n d in s p e c t io n me t h o d s,wh ic h c a n e a s ily le a d t o r e p e a t e d c e r t if ic a t io n a n d e c o n o mic c la ims f o r q u a lit y p r o b le ms.T o s o lv e t h e s e c o n t r a d ic t io n s,We n e e d t o d e v e lo p p r o d u c t s t a n d a r d s t h a t a r e a c c e p t a b le t o b o t h u s e r s a n d ma n u f a c t u r e r s.T h is a r t ic le e x p lo r e s t h e d e v e lo p me n t o f s t a n d a r d s f o r r ig id o r g a n ic p a c k a g in g s u b s t r a t e s a n d p r e s e n t s t h e la t e s t d e v e lo p me n t s.K e y Wo r d s r i g i d o r g a n i c p a c k a g i n g s u b s t r a t e;p a c k a g i n g;me t a l wi r e b o n d i n g;f l i p c h i p p a c k a g i n g1 封装基板标准制订的背景19JAN.2024 NO.1 PCB Information图 2 集成电路产业链及封装基板在产业链中的位置图 3 金属丝键合类封装材料的类别和占比图 4 倒装封装类封装材料的类别和占比装基板是最重要的封装材料，对于先进的倒装封装，更是如此。的是芯片，指将裸芯片焊盘与封装基板或引线框架的内引脚互连并进行保护性包封。二级封装为板级封装，将芯片装配到印制板上，即得到印制电路板组装件。三级/四级封装将得到一个完整的电子产品。1.2 封装基板在集成电路产业链中的位置在一级封装产业链中，使用的裸芯片又以集成电路为多，因此又可狭义称之为集成电路封装，其产业链主要可划分为三个环节：芯片设计、晶圆制造和封装测试，如图 2 所示。封装基板在这里属于封装材料，是集成电路产业链封测环节的关键载体和关键配套材料。封装基板在这里是为芯片和电子部件提供电信号连接、封装与组装功能的核心载体，具有高密度、高精度、高引脚数、高性能、小型化及薄型化等特点。图 1 广义封装的分级资料来源：CNKI，国泰君安证券研究1.4 封装基板的规模根据 Prismark 的报告，2022 年全球封装基板产值为 174.15 亿美元，在全部印制板类别中封装基板占比达到了 21.3%，并维持了 20.9%的高增长率，也是唯一正增长的印制板类别，如表 1 所示。1.3 封装基板在封装材料中的重要位置在集成电路封装材料中，主要细分种类为：封装基板、引线框架、键合线、塑封材料等。金属丝键合类封装和倒装封装类封装中，各种封装材料的占比如下图 3 和图 4 所示。从图中可以看出，封装基板在金属丝键合类封装材料中的占比已接近 50%，而在倒装封装中，其占比已经达到了 70%80%，毫无疑问，封种类/年份2 0 2 0年2 0 2 1年2 0 2 2年2 0 2 2/2 0 2 1增长率单/双面板7 9.1 19 5.8 98 8.7 5-7.4%多层板2 4 7.6 33 1 0.5 32 9 8.4 6-3.9%H D I9 8.7 41 1 8.1 11 1 7.6 3-0.4%封装基板1 0 1.8 81 4 4.1 01 7 4.1 52 0.9%挠性板1 2 4.8 31 4 0.5 81 3 8.4 2-1.5%合计6 5 2.1 98 0 9.2 08 1 7.4 01.0%表 1 2022 年不同种类线路板产值及增长率单位：(亿美元)资料来源：Prismark，2023 年版广东省电路板产业发展调查研究报告2024年1月第1期202.1封装基板的分类封装基板可以从材料类别、材料的物理性能、产品的工艺或产品用途等维度进行分类，如图 6 所示。封装基板大类中，有机封装基板比例远高于无机封装基板，而有机封装基板中，刚性封装基板的比例又远高于挠性封装基板，整体刚性有机封装基板占整个封装基板的比例约为 94%。无机封装基板中，平面陶瓷基板是指单、双面陶瓷基板，如采用 DBC、DPC 和AMB 工艺的陶瓷基板，而多层陶瓷基板则可按加工工种类/年份2 0 2 0年 2 0 2 1年 2 0 2 2年 2 0 2 2/2 0 2 1增长率F C P G A/L G A/B G A4 6.27 0.3 39 2.6 53 1.7%F C C S P/F C-D R A M2 1.12 5.6 52 9.2 51 4.0%WB P B G A/C S P2 1.93 0.3 23 2.5 77.4%模块1 2.71 7.8 01 9.6 81 0.5%合计1 0 1.8 8 1 4 4.1 0 1 7 4.1 52 0.9%表2 各类封装基板的规模 单位：(亿美元)1.5 各类封装基板的规模根据 Prismark 的报告，2022 年全球各类别封装基板的规模如表 2 所示。从表中可以看出金属丝键合类封装基板的规模占比较小，且增长率也远低于倒装封装类封装基板。资料来源：Prismark，2023 年版广东省电路板产业发展调查研究报告1.6 封装基板市场规模的发展趋势根据 Prismark 的报告，20052027 年全球封装基板的市场规模发展趋势如图 5 所示。从图中可以看出在产量和产值上未来 3 年仍存在较高的复合增长率。图 5 封装基板市场规模的发展趋势图 6 封装基板的分类2.2 封装基板标准的现状从国际和国内标准机构的公开信息看，有机封装基板部分的产品标准都是空缺的。而无机封装基板部分则有部分的国际和国内标准，主要有以下标准：SJ 21040-2016 低温共烧陶瓷多层基板制造 主要工艺设备术语SJ 21041-2016 低温共烧陶瓷多层基板制造 工艺设备通用规范SJ 21042-2016 低温共烧陶瓷多层基板制造联线 测试验证产品技术要求SJ 21526-2018 多层共烧陶瓷 切片工艺技术要求SJ 21532-2018 多层共烧陶瓷 化学镀镍镀金工艺技术要求SJ 21533-2018 多层共烧陶瓷 电镀镍镀金工艺技术要求SJ 21528-2018 多层共烧陶瓷薄膜金属化表层电镀工艺技术要求IPC TM-650 2.1.1.1-1987 陶瓷基板微部分ISO 17841:2015 精细陶瓷(先进陶瓷 先进技术陶瓷)-精细陶瓷基板的热疲劳试验方法从无机封装基板的现存标准看，多为工艺、设备要求和试验方法，产品标准也是不足的。2.3 刚性有机封装基板标准制订的必要性从前述的背景信息可以知道，封装基板作为集成电路产业链的关键载体，为集成电路的发展提供了重要支撑；封装基板的产品要求和技术要求随着集成电路封装技术的快速发展也在发生变化。封装基板在所有的印制板类别中占比已超过了五分之一，成为了增长最快的印制板类别，并将在未来几年内也保持较高的增长速度，份额将进一步提升。2 封装基板标准的现状艺分为低温共烧和高温共烧陶瓷基板。21JAN.2024 NO.1 PCB Information共同承担标准的编制，项目计划编号为 20220107-T-339，项目周期为 22 个月。封装基板产品标准的缺乏不利于封装基板生产企业的内部管控，以及和可以统一产品的质量等要求。因此，对于已经成为主要印制板类别的封装基板，显然很有必要制订出针对性的适用的产品标准。而标准的制订与实施有利于统一刚性有机封装基板生产厂家、用户(封测厂家)和最终用户统一产品的质量要求和检验方法等。有利于保障产品质量、推动上下游互信、规范市场竞争，促进封装基板产业的发展和产品质量的提升。2.4 刚性有机封装基板标准制订的可行性中国国内的封装基板从 10 年前开始起步，到最近2 年已开始进入了快速发展阶段，预计未来 35 年内还将进入更快的增长阶段，兴森快捷、越亚半导体、深南电路等企业已经具备了封装基板规模化量产的能力，并都具备了一定的高端 FC-BGA 封装基板生产能力。在 2022 年封测代工厂营收前三十榜单中，中国大陆上榜四家，其中长电科技、通富微电和华天科技稳居前十，排名分别是第三、第四和第六，甬矽电子作为行业新秀营收排名为二十二名，中国封测的总市场占比已超过 20%。中国封装基板生产企业与封测企业的快速发展为两者之间的合作提供了良好的基础。目前两者已建立了良好的合作关系，对封装基板的产品标准已逐步达成共识。3.1 刚性有机封装基板标准国家标准立项的批准基于在封装基板将近 10 年生产制作经验的积累，广州兴森快捷电路科技有限公司在 2021 年正式提出了刚性有机封装基板国家标准的立项申请，经过一系列准备、答辩和审批，国家标准化管理委员会 2022 年 4月 22 日下发文件国家标准化管理委员会关于下达2022 年第一批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知(国标委发202217 号)，如图 7 和图8 所示。刚性有机封装基板通用规范正式立项，由广州兴森快捷电路科技有限公司、深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司、华为技术有限公司、通富微电子股份有限公司、天水华天科技股份有限公司、江苏长电科技股份有限公司、中国电子技术标准化研究院图 7 国家标准计划通知图 8 通知中的详细立项计划3 刚性有机封装基板标准的研制3.2 刚性有机封装基板标准编制的基本原则标准所规定的条款应明确而无歧义，且具有其适用范围所规定的内容，满足任务书规定的要求；标准的技术内容协调、简明、清楚、准确、逻辑性强，具有实用性和可操作性，且充分考虑封装基板最新技术水平并为未来技术发展提供框架；标准编制与已发布的相关标准协调一致。标准编制结构要求、编排顺序、层次划分、表述规则和编制格式遵循GB/T1.1-2020 标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则和 GB/T 20001.10-2014标准编写规则 第 10 部分：2024年1月第1期22产品标准中相应条款规定。3.3 刚性有机封装基板标准在相关标准体系中的位置因为封装基板既属于印制板，又属于封装材料，因此需要综合考虑其在相关的标准体系中的位置。在全国半导体设备和材料标准化技术委员会封装分技术委员会(SAC/TC203/SC3)的电子封装材料标准体系中的位置如图 9 所示，属于“封装基板”中的“产品标准”；在全国印制电路标准化技术委员会(SAC/TC47)的电子装联技术标准体系中的位置如下图 10 所示，属于“印制电路板”中的“印制电路板产品/详细规范”。3.4 刚性有机封装基板标准的范围刚性有机封装基板的范围应包括产品的要求、检验方法、质量保证规定、标识、包装、运输和贮存等；适用于金属丝键合封装用刚性有机封装基板(如图 11)和倒装封装用刚性有机封装基板(如图 12)的设计、生产及检验，不适用于陶瓷封装基板和挠性封装基板。图 9 在电子封装材料标准体系中的位置图 1 1 金属丝键合封装用刚性有机封装基板的背面(上)和正面(下)图 1 2 倒装封装用刚性有机封装基板的正面(左)和背面(右)图 1 0 在电子装联技术标准体系中的位置3.5 刚性有机封装基板标准的架构作为印制板的一个类别，刚性有机封装基板标准的架构参照现有印制板标准的架构，包括范围、规范性引用文件、术语和定义、应用等级、要求、检验方法、质量保证规定、标识、包装、贮存等，核心是要求和检验方法。要求和检验方法中除了一般要求、设计、材料外要一一对应，包括：外观和尺寸(外部特性)、结构完整性(内部特性)、化学性能、物理性能、电气性能、环境性能。3.6 刚性有机封装基板的产品等级根据客户和/或最终用途的要求，参照相关国际、23JAN.2024 NO.1 PCB Information3.9 化学性能与电气性能的要求封装基板的化学性能至少应包括：清洁度、镀铜层特性(伸长率和抗拉强度)、抗盐雾腐蚀(仅限有板边连接器的产品)和耐溶剂性要求等。封装基板的电气性能至少应包括：连通性、非连通性、镀覆孔电阻、特性阻抗和插入损耗。3.1 0 物理性能的要求封装基板的物理性能至少应包括：标记附着力、金属镀涂层的附着力、阻焊的物理性能(附着力、硬度、固化度、接触角、表面能等)、可焊性、表面剥离强度、金属丝的键合强度(键合拉力和键合剪切力)、预置锡球的结合强度(锡球剪切力和锡球拉脱强度)。和传统的印制板相比，对阻焊的要求更多，增加了金属丝的国内和行业的相关标准，将产品分为 1 级、2 级和 3 级三个应用等级：1 级对应于一般电子产品；2 级对应于耐用电子产品；3 级对应于高可靠性电子产品。3.7 外观和尺寸要求外观和尺寸部分的要求至少应包括图 13 中这些要求。图 1 3 外观和尺寸的要求图 1 4 结构完整性的要求图 1 5 F C-B G A封装基板显微剖切示意图图 1 6 电镀填充 X孔示意图3.8 结构完整性的要求结构完整性的要求是封装基板显微剖切后所能观察到的内在特性，至少应包括图 14 中的要求。显微剖切后的倒装封装用封装基板的示意如图 15，电镀填充的 X 孔如图 16 所示。2024年1月第1期24一致性检验的项目、试样的选取、试样的数量和检验频率，其中质量一致性检验又包括逐批检验(A 组检验)和周期检验(B 组检验)。目前，国家标准刚性有机封装基板通用规范的研制已进入到征求意见阶段，已由全国印制电路板标准化委员会(SAC/TC47)在 2023 年 12 月 21 日正式发文公开征求意见。在征求到全国范围内设计、生产、使用等单位的相关意见后，再由编制组根据意见进行标准文本的修改和完善，并推动下一步的专家评审工作，以期尽快完成编制和报批。键合强度要求(对金属丝键合用封装基板)和预置锡球的结合强度(倒装封装用封装基板)。3.1 1 环境性能的要求封装基板的环境性能至少应包括：可靠性测试前的预处理、热应力、温度冲击、无偏置高加速温湿测试、高加速温湿测试、高温存储测试、耐离子迁移和耐无铅再流的要求等，其中可靠性测试前的预处理、高温存储测试和耐无铅再流来源于封装后的芯片测试要求。在温度冲击、无偏置高加速温湿测试、高加速温湿测试前应进行可靠性测试前的预处理试验。如果采用了高加速温湿测试，则可以不进行无偏置高加速温湿测试。3.1 2 质量保证的要求封装基板的质量保证要求包括：鉴定检验和质量(责任编辑 谭雯倩)4 刚性有机封装基板标准的研制进展