2.4.2 多层封装基板
多层封装基板的制作过程是先将多层印制电路芯板、半固化片与铜箔等通过加热压制成含芯板的单面或双面覆铜板，然后通过机械通孔、电镀、刻蚀线路等工序得到多层封装基板［28］。较早且最成熟的将IC芯片与基板实现电气连接的技术是引线键合（WB）法，通过金属引线将一端焊接在芯片表面，另一端从芯片上面连接到基板的端子上。新的连接技术是倒装焊（FC）键合技术，将表面带凸点的芯片面朝下直接焊接在基板表面的焊盘上，对准的焊球或凸点与焊盘通过波峰焊使两者实现熔接互连。倒装焊键合技术的一种形式是金属柱焊接，通过回流或热压方法将铜柱（CuP）与焊盘焊接在一起。由于铜柱直接镀在晶片上，并且在组装过程中不会塌陷成球形，提供了迄今为止最小的互连间距及可控的芯片间距。通过调整基板尺寸（如187mm×40mm与390mm×490mm）、面板有效区域内的引线布局及基板本身的线路布局（如6个单元与12个单元，27mm×27mm），可以实现明显的成本优化。
通过倒装焊键合连接的封装基板（FC-BGA基板）通常具有较高的I/O数及良好的布线空间。FC-BGA基板的可焊表面光洁度不含金或含金量低，确保了焊点的可靠性。I/O数低于500个的小型IC封装也可以组装在PC-BGA基板上，I/O端子密度较低时可以通过层压技术实现。近年来，FC-CSP基板技术也得到了快速发展。高密度封装基板（HDI）仅用于非常高端或高密度的设计，有力支撑了系统级封装（SiP）的爆炸性增长。
通过电镀通孔（PTH）实现层间互连的多层封装基板，包括两层（2L）、四层（4L）和六层（6L）等不同的层数。其中电镀通孔包括过孔（BV）、盲孔和掩埋PTH等。多层封装基板是将环氧树脂/玻璃纤维布层压覆铜板经过机械钻孔、电镀通孔后，对铜箔进行光刻、显影形成布线电路，最后制作焊盘得到封装基板。为了实现覆铜板的薄型化，可以减少玻璃纤维布的层数，目前最薄的覆铜板只有一层玻璃布。铜箔一般使用厚度为12μm的电解铜箔。为了达到RoHS法案中环氧树脂无卤化和绿色化的要求，环氧树脂已经实现了绿色替代。代表性的两种无卤阻燃性环氧树脂包括日本三菱公司的MCL-E679系列环氧树脂产品和日立化学公司的HL832系列环氧树脂产品（见表2.21）。
表2.21 最常见的电介质CCL材料的性能
为了避免封装基板在热冲击下发生变形等问题，采用具有低热膨胀系数（CTE）的S-玻璃纤维布（S-Glass）代替E-玻璃纤维布（E-Glass），通过液晶聚合物链段及弹性体链段对环氧树脂进行改性，并通过添加特殊填料等方法，低热膨胀系数的BGA封装基板被成功研制，其CTE降至1.5～5×10-6/℃，Tg达到260～270℃。
多层封装基板的厚度已经从200μm降低至150μm和100μm，甚至更薄。需要注意的是，人的发丝直径约为100μm。目前，应用的最薄介电核心材料厚度约为40μm和25μm，其中40μm厚度的核心材料在总厚度为100μm的成品封装基板中已占据了相当大的比例。下一个目标是使封装基板的最终厚度达到80μm。
为了进一步减少封装基板厚度，必须减小并严格控制布线电路上的阻焊剂厚度。典型的阻焊层厚度平均为15～30μm，而实际的工业标准阻焊剂是液态、可光成像的油墨，通过丝网印刷，采用幕涂或辊涂方式施涂。施加油墨后，表面立即变平，成为相对平坦的表面。然而，在干燥期间，油墨将开始在迹线和空间上形成共形的形貌，即在布线之间蒸发的溶剂总量远大于迹线上蒸发的。因此，油墨就会在基板表面上形成山峰和山谷交替的波浪形状。在阻焊剂的固化过程中，由于固化收缩通常使形貌恶化——阻焊层中的两个反应性部分，用于光反应性的丙烯酸酯及用于热反应性和化学电阻率的环氧树脂，通常在聚合固化过程中都发生大量的收缩。针对这种情况，可以采用下述几种措施使形状变化最小化。①在曝光前仔细控制干燥轮廓。随着溶剂的蒸发，黏度增加，流平速度减慢，黏度的增加可以通过提高温度来抵消，当然蒸发速度也会增加。高温下还可导致结皮效应，其中表面蒸发速度快于溶剂的整体扩散速度。因此，最有效的温度控制曲线可能是阶梯状曲线。②加入不同沸点的溶剂有助于有效地管理黏度分布，但需要大量的试验来确定最佳的溶剂混合比例和浓度。③将阻焊层在一定温度和压力下干燥（或-B阶段）后，通过PET覆盖膜（聚乙烯对苯二甲酸酯）的层压可以提供一定程度的流平性能。使用PET薄膜的最大好处是提高了图像分辨率：丙烯酸酯的光反应通常受到氧气的阻碍，即使在真空曝光系统中也存在氧气，导致分辨率降低。PET薄膜可最大限度地减少在曝光过程中氧气向阻焊膜中的再扩散，从而产生更清晰的图像和分辨率。④干膜（DF）阻焊层。干膜阻焊层是减少形貌变化和减小厚度最有效和最简单的方法。本质上，它是一种与DF光刻胶相同形式的阻焊层。该阻焊层被涂覆在PET载体膜上。该PET载体膜可保护阻焊层在暴露过程中免受污染、接触和氧气的污染，并用PE（聚乙烯）隔离片将阻焊层卷起来。DF阻焊层需要真空层压（真空、压力和高温），以完全密封走线而不会残留空气。对于基板制造商来说，其确实有很大的优势，而材料涂层的清洁度要求由材料供应商来处理，而不是由基板制造商来处理。
近年来，市场上出现了几种阻焊剂新产品，具有较低的CTE和较高的Tg。表2.22比较了典型阻焊层材料的性能。
表2.22 典型阻焊层材料的性能
续表
（1）四层封装基板（4L-BGA）。最简单的4层BGA基板是将双面覆铜板经过机械钻孔、电镀通孔后，再对铜箔进行曝光、光刻，形成布线电路后，制作焊盘得到双面互连芯板；在芯板两面与半固化片和铜箔压制得到含双面互连芯板的覆铜板，再对该覆铜板进行机械钻孔及电镀通孔，对铜箔进行曝光及光刻后形成布线电路，最后制作BGA焊盘，得到四层BGA封装基板。
更复杂的四层BGA封装基板可以埋置PTH以提高引线可焊性，其工艺流程基本遵循两层基板到阻焊层的过程。通常，用于PTH连接的内部平面尺寸会增加，以确保PTH被内部平面完全包围，并避免任何孔洞破裂。配准更精确的方法是使用X射线钻机：使用X射线照相机，确定内部配准基准，并相应地放置用于后续PTH钻进的新工具孔。近年来，工业上已经引入了对PTH的激光钻孔，不是单次钻孔，而是分两次钻孔，从面板的每一侧钻孔一次，从而形成一个X形通孔（X-via），孔的定位精度得到了显著提高，可制作更小尺寸的焊盘和具有更好的布置能力。
（2）六层封装基板（6L-BGA）。随着基板层数的增加，制造工艺更加复杂，制造成本急剧上升。当其他参数保持不变时，在两层基板基础上每增加一对层，成本增加约50%。对于最简单的6L-BGA封装基板，只要通过制作层间互连的PTH，就可按顺序构建。制作顺序从制作两层芯板开始，在其两面通过压制半固化片与铜箔层形成四层覆铜板，将其进行通孔、布线形成四层芯板，再将四层芯板两面通过压制半固化片与铜箔层形成六层覆铜板，将其通孔、布线形成6L-BGA封装基板。一种变形是在两层芯板上形成掩埋通孔（BPTH），将四层埋孔芯板与半固化片和铜箔经研制形成六层覆铜板，再对通孔互连、刻蚀铜箔形成布线，形成6L-BGA封装基板。
另外，还可采用平行处理方式，通过采用两个具有不同图案的芯板形成6L-BGA基板。采用同样的制作工艺，也可以在一个或两个芯板中使用埋孔，得到含有盲孔的6L-BGA封装基板。该基板可允许更复杂的布线，而不会带来太多的制造复杂性。平行处理方式具有许多优点：①可缩短循环时间，可以同时构建四层结构；②一次层压可以代替两次；③可提高成品率，可分别检查和标记芯板。但是，平行处理需要指定一种钉扎方案，以确保层压过程中的层间位置对准，确保每个PTH的叠层焊盘都不会打孔。根据设计要求和成本优化，盲孔可放置在四层和六层基板的任意层面上。