应对IC衬底制造挑战

集成电路(IC)衬底在器件封装中起着至关重要的作用，它可以将电气连接从芯片级延伸到印刷电路板(PCB)。随着电子行业的发展，对提升衬底制造能力的需求也在相应增长。

目前，业界正从传统的“引线框架”设计转变为在具有复杂布线图案的多层电路衬底上安装IC，这一转变推动了对先进IC衬底的需求，并催生了对新型绝缘材料的迫切需求。

这种需求导致了在IC衬底加工过程中出现制造缺陷的关键问题，特别是在建立新的生产设施时。本文将深入介绍IC衬底制造过程中出现的主要铜缺陷，以及用于缓解这些缺陷的技术。

IC衬底概述

IC衬底是整个芯片封装的基础，可保护和支撑封装内的芯片，并促进其与底层PCB的连接。这种结构由多个层压层组成，通常包括一个中央稳定核心。与作为安装模块和封装最终平台的PCB相比，IC衬底拥有更为紧凑的钻孔和导体线路。

IC衬底通常由聚合物层压材料组成，包括双马来酰亚胺-三嗪、玻璃纤维增​​强树脂(通常称为预浸料)、味之素堆积膜(ABF)或模制互连衬底。

电路集成的不断进步促进了IC的发展。例如，CPU由纳米级尺寸的电子电路组成。这些电路必须与电子设备和系统中的毫米级电子元器件相连接。实现这一目标的有效方法是利用由多层微电路组成的CPU基座，即堆积衬底。

ABF等材料的表面适合激光加工和直接镀铜，因此可利用其表面创建微米级电路。ABF用作IC衬底的绝缘膜，以保护封装内的高性能半导体。其表面粗糙度极小，可用于薄至1µm的超薄铜涂层。这些薄铜层可作为后续电路构造的基础。

如今，ABF已成为电路制造中的一种重要材料，可引导电子从纳米级IC端子运动到印刷衬底上的毫米级端子。

图1显示了IC衬底的典型结构，以及它如何在IC(位于顶部)和PCB(位于底部)之间提供电气和机械接口。IC衬底可应用于多种封装模式，通常将几种芯片集成到一个复杂的封装中。

图1：IC衬底的典型结构。(来源：味之素集团)

倒装芯片球栅阵列(FCBGA)封装(示例如图2所示)是IC衬底衍生出的一种广泛使用的变体，可用于5G、数据中心和汽车电子等多种应用中。

FCBGA衬底通过采用多个高密度布线层、激光钻孔盲孔、埋孔和堆叠通孔以及超细线/空间金属化，实现了所有可用衬底中最高的布线密度。通过将倒装芯片连接与最先进的衬底技术相结合，FCBGA封装的电气设计可提供最佳电气性能。

图2：采用FCBGA封装的器件。(来源：Amkor Technology)

IC衬底制造中的缺陷

产品良率和可靠性对IC衬底制造的经济可行性、市场竞争力、客户满意度和长期成功至关重要。随着IC衬底复杂性的增加，解决工艺问题的能力对实现理想的高良率和可靠性至关重要。

IC衬底的组装可能会受到沉积铜走线和通孔中出现的任何误差的影响。下面将概述铜故障的主要类别。

空洞

空洞表现为IC衬底铜层内部的空隙，在横截面上很容易看到。出现空洞的原因有多种，如电镀不一致、污染或层压过程中产生的故障。电镀过程中由边缘效应和离子转移受限造成的铜沉积异常，或衬底表面存在杂质，都会导致空洞的出现。

在IC衬底中，空洞会导致一系列问题，包括电气性能下降、散热问题和机械完整性限制。其后果可能是在后续加工阶段在层间形成短路。

空洞检测是一项复杂的任务，需要复杂的高分辨率成像系统和自动光学检测(AOI)技术来实现精确的识别和表征。为保证准确识别，这些技术必须区分空洞和其他表面缺陷。

铜上铜缺陷

传统IC衬底使用ABF层压种子层，而先进IC衬底则使用铜基层(种子层)。在铜基层上放置密集的铜图案时，可能会出现铜上铜缺陷。这些缺陷最初源于机械问题，但最终可能会表现为电气问题(短路或开路)。

铜上铜检测是对位于铜基层上方的铜图案进行检查，以识别图案缺陷，例如短路、缺口、开口和凹陷(铜表面的凹痕)。由于难以识别故障，设备必须安装最先进的高分辨率AOI系统。

错位

光刻工艺中的误差、加工过程中衬底层的位移或设备错位都可能导致层间错位。

在衬底指定位置的钻孔失误和相邻层铜线的错误产生(例如在光刻过程中)都会对通孔的形成造成问题。错位有可能产生大量的定位误差，考虑到此类衬底中使用的通孔和焊盘宽度较小，这些误差可能过高。

减小缺陷

制造过程的每个阶段都需要精细管理，以纠正IC衬底中的铜缺陷。

电镀铜

该工艺是在图案化衬底上均匀地镀上一层铜，然后将衬底浸入含有铜离子的电镀液中。要获得最佳性能，必须控制铜层的均匀生长。

电镀过程中在铜层上产生的典型缺陷包括空隙和不均匀的铜走线。产生这些缺陷的原因有很多，例如电场或化学浓度波动导致的沉积不均匀、电镀液污染以及氢脆(表现为脆性和微裂纹)。

为了降低这些可能的缺陷风险，最好的解决方案是改进湿化学程序中的控制过程。

光刻胶涂覆和去除

必须涂上光刻胶，以掩盖衬底上将产生铜走线的精确区域。接下来，光刻胶将通过曝光和固化技术形成掩模。光刻胶曝光和铜沉积完成后，光刻胶就会被去除。

在涂覆光刻胶的过程中，由于涂覆不完全，可能会产生缺陷。此外，最佳的光刻胶质量对铜图案化至关重要，可避免在去除过程中出现故障，如部分去除或对铜走线造成机械损伤。

在这种情况下，可以通过精确控制湿化学处理和光刻胶处理(旋转和曝光步骤)来避免缺陷。

激光钻孔

通过该工艺，可在各层之间建立直径极小的垂直连接孔。去胶、抛光和清洁程序将完成钻孔过程。

与激光钻孔相关的典型缺陷包括漏钻和焊盘损坏。气流和CNC控制有助于减少这些缺陷的发生。

层叠和固化

制造和清洁完成后，堆积层将被堆叠和硬化，以形成最终的IC衬底。

为确保堆积膜与衬底的有效邦定，必须对固化过程进行彻底管理。如果固化不充分，可能会产生空隙或热应力，从而导致翘曲、分层或电气性能降低。

为了减少潜在的缺陷，在固化过程中必须进行热控制，通常需要加热来提高树脂的温度并引发聚合物交联化学反应。

了解了IC衬底生产过程中导致铜缺陷的因素，制造商就可以采用特定的工艺控制和检测方法来减少这些缺陷，从而保证生产出优质、可靠的IC衬底。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Embedded，参考链接：Addressing IC Substrate Manufacturing Challenges，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。