全面介紹PCB嵌入式封裝技術及支持GaN器件的工藝路徑

一、PCB嵌入式封裝技術概述

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

2. 關鍵技術優勢
與傳統封裝相比，嵌入式封裝具有以下顯著優勢：

• 超高密度集成： 在X、Y、Z三個維度上節省空間，是實現電子產品小型化和輕薄化的關鍵技術。

• 優異的電性能： 極大地縮短了互連長度，減少了寄生電感和電容，非常適合高頻、高速應用。

• 增強的熱管理： 芯片產生的熱量可以通過周圍的PCB介質材料和銅層更均勻、更高效地散發出去。

• 更高的可靠性： 芯片受到PCB材料的保護，免受機械應力、潮濕和化學腐蝕的影響，提高了器件的機械強度和壽命。

• 系統級功能整合： 可以輕松地將不同工藝制造的芯片（如數字、模擬、RF、功率器件）以及無源元件（電阻、電容、電感）集成在同一個基板內，形成完整的子系統。

3. 主要工藝類型
根據介質材料的不同，主要分為兩類：

• 基于層壓板（Laminate）的嵌入式技術： 使用標準的FR-4或更高級的環氧樹脂基材料，工藝與傳統PCB制造兼容性高，成本相對較低。

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

二、為什么GaN器件需要嵌入式封裝？

GaN作為第三代半導體材料，因其高電子遷移率、高臨界擊穿電場和高飽和電子速度等特點，在高頻（5G、射頻）、高功率（快充、車載逆變器）和高溫應用中展現出巨大優勢。然而，這些特性也帶來了獨特的挑戰，而嵌入式封裝正是解決這些挑戰的理想方案。

1. 高頻性能的極致需求： GaN器件的工作頻率可達毫米波范圍。傳統封裝的長引線、鍵合線會引入巨大的寄生效應，嚴重劣化高頻性能。嵌入式封裝幾乎消除了鍵合線，實現了最短的互連，能充分發揮GaN的高頻潛力。

2. 苛刻的熱管理要求： GaN器件功率密度極高，工作時會產生大量熱量。如果不能及時散熱，結溫升高將導致性能下降和可靠性問題。嵌入式結構將GaN芯片與高導熱性的PCB介質和大面積銅層緊密接觸，提供了從芯片頂部和底部同時散熱的路徑，散熱效率遠超傳統封裝。

3. 高功率密度集成： 在有限空間內（如手機快充頭），需要將GaN功率器件、驅動IC、控制器和無源元件高度集成。嵌入式技術是實現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。將其嵌入堅固的PCB內部，可以更好地保護其免受外部機械沖擊和應力的影響。

三、支持GaN器件的PCB嵌入式封裝工藝路徑

以下是實現GaN器件嵌入式封裝的典型工藝流程，可分為以下幾個核心步驟：

第1步：芯片準備與貼裝

• 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，然后進行精密切割。

• 芯片貼裝： 使用非導電芯片粘接薄膜（DAF） 或半固化片（Prepreg）將GaN芯片倒裝（Face-Up） 或倒裝（Face-Down） 臨時固定在下層芯板上。對于散熱要求極高的場景，可能會使用燒結銀（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在加熱加壓后會流動，填充芯片周圍的空隙并完全覆蓋芯片。

• 真空層壓： 該步驟通常在真空層壓機中進行，以確保介質材料能充分填充芯片周圍的每一個角落，避免產生空洞（Voids），空洞會導致熱管理和可靠性問題。

第3步：互連結構形成
這是最關鍵的技術環節，旨在實現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層上方精確地鉆出微盲孔（Microvias），暴露芯片上的焊盤（Pads）。

• 孔金屬化： 通過化學沉銅（Electroless Copper Deposition） 和電鍍銅（Electroplate Copper） 工藝在微盲孔內壁上沉積銅，形成填實孔（Filled Vias） 或錐形孔（Tapered Vias），實現垂直方向的電氣互連。

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

第4步：堆疊與集成

• 重復上述層壓、鉆孔、電鍍過程，構建多層互連結構，從而可以集成多個芯片（如GaN HEMT、Si驅動IC、無源元件等），形成復雜的多功能模塊。

• 嵌入式無源元件： 可以將電容、電阻等元件以薄膜形式制作在層間，進一步減少表面貼裝元件數量，提高集成度。

第5步：表面處理與最終加工

• 表面 finish： 在暴露的焊盤上進行化學鍍鎳鈀金（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，開出需要焊接的區域。

• 輪廓 routing 和測試： 將整個面板切割成單個的封裝模塊，并進行電性測試和初步功能測試。

四、技術挑戰與考量

• 材料兼容性： PCB介質材料（如Prepreg）與GaN芯片的熱膨脹系數（CTE） 必須匹配，否則在溫度循環中會產生應力，導致芯片開裂或互連失效。

• 工藝精度與良率： 激光鉆孔的對準精度、介質填充的無空洞控制、精細線路的制作都是技術難點，需要高精度的設備和嚴格的工藝控制。

• 熱界面材料（TIM）： 如果采用芯片倒裝（Face-Down）結構，需要開發高熱導率的底部填充材料（Underfill）來有效傳遞熱量。

• 設計與仿真： 需要強大的3D電磁仿真（EM）、熱仿真和機械應力仿真工具來協同設計，提前預測和優化性能，避免昂貴的試錯成本。

• 成本： 目前嵌入式封裝的工藝復雜，初始投資高，更適合于高端、高附加值的產品。

五、總結與展望

PCB嵌入式封裝技術通過將GaN器件“埋入”板內，為其提供了最短的電學路徑、最優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”。

工藝路徑可以總結為：芯片準備 → DAF/燒結貼裝 → 真空層壓嵌入 → 激光鉆微盲孔 → 孔金屬化電鍍 → mSAP精細布線 → 多層堆疊集成 → 表面處理與測試。

隨著5G通信、新能源汽車、航空航天等領域對高頻高功率密度電子系統的需求爆炸式增長，PCB嵌入式封裝技術正從一種先進技術走向主流制造工藝。未來，它與GaN等寬禁帶半導體的結合將更加緊密，共同推動電子系統向更小、更快、更強、更可靠的方向發展。

六、合明科技GaN器件芯片清洗劑介紹：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。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。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，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、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質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，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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主營產品包括：集成電路與先進封裝清洗材料、電子焊接助焊劑、電子環保清洗設備、電子輔料等。

半導體技術應用節點：FlipChip ;2D/2.5D/3D堆疊集成;COB綁定前清洗；晶圓級封裝；高密度SIP焊后清洗；功率電子清洗。