PCB嵌入式封装支持GaN器件工艺路径和 GAN器件清洗剂介绍

全面介绍PCB嵌入式封装技术及支持GaN器件的工艺路径

一、PCB嵌入式封装技术概述

1. 定义与核心概念
PCB嵌入式封装（Embedded Die Packaging）是一种先进的系统级封装（SiP）技术。其核心思想是将裸露的半导体芯片（Die）直接埋入多层印刷电路板（PCB）的基板内部，而不是先进行封装再表面贴装（SMT）到PCB上。

2. 关键技术优势
与传统封装相比，嵌入式封装具有以下显著优势：

• 超高密度集成： 在X、Y、Z三个维度上节省空间，是实现电子产品小型化和轻薄化的关键技术。

• 优异的电性能： 极大地缩短了互连长度，减少了寄生电感和电容，非常适合高频、高速应用。

• 增强的热管理： 芯片产生的热量可以通过周围的PCB介质材料和铜层更均匀、更高效地散发出去。

• 更高的可靠性： 芯片受到PCB材料的保护，免受机械应力、潮湿和化学腐蚀的影响，提高了器件的机械强度和寿命。

• 系统级功能整合： 可以轻松地将不同工艺制造的芯片（如数字、模拟、RF、功率器件）以及无源元件（电阻、电容、电感）集成在同一个基板内，形成完整的子系统。

3. 主要工艺类型
根据介质材料的不同，主要分为两类：

• 基于层压板（Laminate）的嵌入式技术： 使用标准的FR-4或更高级的环氧树脂基材料，工艺与传统PCB制造兼容性高，成本相对较低。

• 基于薄膜（Thin-Film）的嵌入式技术： 使用Ajinomoto Build-up Film (ABF) 或聚酰亚胺（PI）等材料，可以实现更精细的线路和更小的微孔，性能更优，但成本也更高。

二、为什么GaN器件需要嵌入式封装？

GaN作为第三代半导体材料，因其高电子迁移率、高临界击穿电场和高饱和电子速度等特点，在高频（5G、射频）、高功率（快充、车载逆变器）和高温应用中展现出巨大优势。然而，这些特性也带来了独特的挑战，而嵌入式封装正是解决这些挑战的理想方案。

1. 高频性能的极致需求： GaN器件的工作频率可达毫米波范围。传统封装的长引线、键合线会引入巨大的寄生效应，严重劣化高频性能。嵌入式封装几乎消除了键合线，实现了最短的互连，能充分发挥GaN的高频潜力。

2. 苛刻的热管理要求： GaN器件功率密度极高，工作时会产生大量热量。如果不能及时散热，结温升高将导致性能下降和可靠性问题。嵌入式结构将GaN芯片与高导热性的PCB介质和大面积铜层紧密接触，提供了从芯片顶部和底部同时散热的路径，散热效率远超传统封装。

3. 高功率密度集成： 在有限空间内（如手机快充头），需要将GaN功率器件、驱动IC、控制器和无源元件高度集成。嵌入式技术是实现这种超紧凑功率模块的最佳途径。

4. 提升可靠性： GaN芯片通常较为脆弱。将其嵌入坚固的PCB内部，可以更好地保护其免受外部机械冲击和应力的影响。

三、支持GaN器件的PCB嵌入式封装工艺路径

以下是实现GaN器件嵌入式封装的典型工艺流程，可分为以下几个核心步骤：

第1步：芯片准备与贴装

• 晶圆减薄与切割： 将GaN晶圆减薄到合适的厚度（通常为50-100μm），以提高热性能并便于嵌入，然后进行精密切割。

• 芯片贴装： 使用非导电芯片粘接薄膜（DAF） 或半固化片（Prepreg）将GaN芯片倒装（Face-Up） 或倒装（Face-Down） 临时固定在下层芯板上。对于散热要求极高的场景，可能会使用烧结银（Ag Sintering） 工艺，以获得极低的热阻和极高的连接可靠性。

第2步：嵌入与层压

• 介质层压合： 在固定好芯片的芯板上层压覆盖一层半固化片（Prepreg）。这层Prepreg在加热加压后会流动，填充芯片周围的空隙并完全覆盖芯片。

• 真空层压： 该步骤通常在真空层压机中进行，以确保介质材料能充分填充芯片周围的每一个角落，避免产生空洞（Voids），空洞会导致热管理和可靠性问题。

第3步：互连结构形成
这是最关键的技术环节，旨在实现芯片与外部世界的电气连接。

• 激光钻孔（Laser Drilling）： 使用CO₂或UV激光在覆盖芯片的介质层上方精确地钻出微盲孔（Microvias），暴露芯片上的焊盘（Pads）。

• 孔金属化： 通过化学沉铜（Electroless Copper Deposition） 和电镀铜（Electroplate Copper） 工艺在微盲孔内壁上沉积铜，形成填实孔（Filled Vias） 或锥形孔（Tapered Vias），实现垂直方向的电气互连。

• 电路图形化： 通过半加成法（mSAP） 或减成法工艺在基板表面制作精细的电路线路，将芯片的焊盘与PCB上的其他线路和焊盘连接起来。mSAP工艺可以实现更细的线宽/线距（可达15μm/15μm），满足高频布线的需求。

第4步：堆叠与集成

• 重复上述层压、钻孔、电镀过程，构建多层互连结构，从而可以集成多个芯片（如GaN HEMT、Si驱动IC、无源元件等），形成复杂的多功能模块。

• 嵌入式无源元件： 可以将电容、电阻等元件以薄膜形式制作在层间，进一步减少表面贴装元件数量，提高集成度。

第5步：表面处理与最终加工

• 表面 finish： 在暴露的焊盘上进行化学镀镍钯金（ENEPIG）或沉金等表面处理，确保良好的可焊性和可靠性。

• 阻焊层（Solder Mask）： 涂覆阻焊层，开出需要焊接的区域。

• 轮廓 routing 和测试： 将整个面板切割成单个的封装模块，并进行电性测试和初步功能测试。

四、技术挑战与考量

• 材料兼容性： PCB介质材料（如Prepreg）与GaN芯片的热膨胀系数（CTE） 必须匹配，否则在温度循环中会产生应力，导致芯片开裂或互连失效。

• 工艺精度与良率： 激光钻孔的对准精度、介质填充的无空洞控制、精细线路的制作都是技术难点，需要高精度的设备和严格的工艺控制。

• 热界面材料（TIM）： 如果采用芯片倒装（Face-Down）结构，需要开发高热导率的底部填充材料（Underfill）来有效传递热量。

• 设计与仿真： 需要强大的3D电磁仿真（EM）、热仿真和机械应力仿真工具来协同设计，提前预测和优化性能，避免昂贵的试错成本。

• 成本： 目前嵌入式封装的工艺复杂，初始投资高，更适合于高端、高附加值的产品。

五、总结与展望

PCB嵌入式封装技术通过将GaN器件“埋入”板内，为其提供了最短的电学路径、最优的散热管理和最高的集成密度，是释放GaN全部性能潜力的“完美搭档”。

工艺路径可以总结为：芯片准备 → DAF/烧结贴装 → 真空层压嵌入 → 激光钻微盲孔 → 孔金属化电镀 → mSAP精细布线 → 多层堆叠集成 → 表面处理与测试。

随着5G通信、新能源汽车、航空航天等领域对高频高功率密度电子系统的需求爆炸式增长，PCB嵌入式封装技术正从一种先进技术走向主流制造工艺。未来，它与GaN等宽禁带半导体的结合将更加紧密，共同推动电子系统向更小、更快、更强、更可靠的方向发展。

六、 GaN器件芯片清洗剂介绍：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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