电子组件立体封装技术.docx

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1、电子组件立体封装技术最近几年应用现金支付功能、行动电话数字电视(One Segment)收讯功能、GPS定位功能、触感式电子游乐器功能的携带型数字电子终端机器急遽高性能化，这类电子机器大多要求轻巧、小型、薄型化，然而构成电子电路的玻璃环氧树脂基板，与可挠曲基板等印刷布线基板，只允许在 最近几年应用现金支付功能、行动电话数字电视(One Segment)收讯功能、GPS定位功能、触感式电子游乐器功能的携带型数字电子终端机器急遽高性能化，这类电子机器大多要求轻巧、小型、薄型化，然而构成电子电路的玻璃环氧树脂基板，与可挠曲基板等印刷布线基板，只允许在上、下面作平面性电子组件封装，面临高功能化市场要求

2、时，传统封装技术已经出现小型、薄型化的物理极限。在此背景下射出成形整合组件(MID: Molded Interconnect Devices，以下简称为整合成形立体基板)的应用与发展，立即成为全球注目的焦点。整合成形立体基板(MID)是在树脂材质射出成形组件表面制作铜箔图案，接着将电子组件高密度封装在铜箔图案表面，形成所谓多次元封装模块，大幅缩减电子电路的外形尺寸，有效提高封装精度。发展经纬如图1所示整合成形立体基板(MID)利用模具制作陶瓷或是树脂射出成形组件，接着在成型组件表面制作铜箔图案，由于此机构整合机械特性与印刷电路导线基板电气特性，因此可以削减功能复合化与电子组件小型化时，引发的模

3、块组件数量以及电路模块基板组立的作业时数。传统印刷电路导线基板通常是在上、下或是基板内部封装电子组件，如果改用整合成形立体基板(MID)，就可以在理想位置高精度、多次元封装电子组件，同时还可以有效抑制电气性噪讯对周围环境的影响。整合成形立体基板(MID)对医疗机器的小型化也很有贡献，例如鼻腔型医疗用相机、一次丢弃型吞服胶囊相机，都可以减轻病患就诊时的痛苦。一般认为未来高辉度LED照明市场，与车用照明灯具可望大幅成长，高辉度LED封装要求高散热、高反射、长寿命等基本特性。由于整合成形立体基板(MID)可以在高散热陶瓷表面制作图案，具有极高的形状自由度，因此它的未来应用备受高度期待。目前已经实用化

4、的人体传感器，透过多次元电子组件的封装实现小型化宿愿，未来如果应用在其它领域，例如应用在感测人体的点灯照明系统，可望获得减碳、省能源等多重效果。随着汽车电子化的发展，各种传感器的使用数量急遽增加，典型的加速、温/湿度、压力传感器模块，透过整合成形立体基板(MID)的导入，同样可以实现小型化等目标。行动电话使用的电子组件之中，相机模块是最不易小型化的光学电子组件，不过市场对行动电话用相机模块的超薄型化、高画素化却越来越强烈，透过整合成形立体基板(MID)的使用，未来行动电话的超薄型、高画素化、高功能化，势必出现全新的风貌。 应用范例人体检测传感器图2是利用整合成形立体基板(MID)封装的小型化人

5、体检测组件应用范例，该人体检测模块实现小型化与可靠度提升等多重目标。本模块使用的整合成形立体基板(MID)，利用后述1行程雷射(One Shot Laser)技术制作高精度图案。如图所它是将IC、芯片、红外线传感器等电子组件，高密度封装在整合成形立体基板(MID)的6个表面上，驱动电路则收容在外径9mm的TO-5CAN封装体内部，整体体积是传统人体检测封装模块的1/10。具体结构是将红外线传感器、特殊应用芯片(ASIC: Application Specific Integrated Circuit)等9种芯片组件，封装在整合成形立体基板(MID)相异的3个表面上，另外3个表面则当作检查用垫块

6、(Pad)的侧边通孔(Side Through Hole)，或是接头(Stem)封装用接地板使用。如图所示IC封装面呈凹凸状，结构上它可以防止保护IC与固定导线(Bonding Wire)的密封树脂流动，红外线传感器封装表面同样呈凹凸状，它可以支撑组件两端，受光部位悬浮在空中，同时兼具良好的电气性接合与热绝缘性。相机模块图3是内嵌于行动电话的相机模块，应用整合成形立体基板(MID)的代表性范例。一般相机模块是由对焦的镜片、光圈、消除红外线的IR(Infrared Rays)滤波器、取像组件(CCD或是CMOS传感器)、处理取像组件信号的数字信号处理器(DSP: Digital Signal P

7、rocess)，以及封装这些组件的基板构成。图3(a)是使用传统封装基板的相机模块断面结构，使用传统印刷布线基板的相机模块会有以下问题，分别是：(1)要求光轴调整作业支撑镜片模块的筐体与印刷布线基板的设置精度不足，容易发生光轴偏异，必需进行调整作业，特别是取像组件与镜片透过许多微细组件组立，因此很容易发生光轴偏异现象。(2)要求光路长度调整作业对焦镜片至取像组件之间的距离，亦即光路长度非常重要，然而实际上受到镜片模块、镜胴、印刷布线基板三组件精度的影响，必需进行光路长度调整作业。(3)不易降低模块高度调整光轴时受到取像组件的固定导线等影响，模块低厚度化有结构上的极限。图3(b)是使用整合成形立

8、体基板(MID)的相机模块范例；照片1是镜头模块用整合成形立体基板(MID)时的实际外观。如图所示整合成形立体基板(MID)的上方设有镜片与红外线滤波器，形成可以发挥光学功能的结构；整合成形立体基板(MID)的下方设有封装覆晶(Flip Chip)的电子电路单元；取像组件的内侧电路基板表面收容覆晶封装的数字信号处理器(DSP)；整合成形立体基板(MID)的中心部位设有取像组件受光开口部。镜片支撑部位与电子组件基板呈一体化设置，不需要作光轴调整，可以大幅简化组装制程，电路基板则与连接端子呈3次元布线，可以有效应用空间实现小型化。整合成形立体基板(MID)整体结构，对小型化与低厚度化非常有利，它与

9、传统印刷布线基板(PCB: Printed Circuit Board)最大差异如下：(1)镜片单元与取像组件一体化，有效削减组件使用数量实现小型化。(2)透过高精度电路图案，确保镜片与取像组件的光学性位置精度，实现光轴调整简易化的目标。行动电话用小型相机模块，随着终端客户的要求越来越多元化(高画质、变焦、轻巧等等)，图4是高功能化的整合成形立体基板(MID)应用范例。传统印刷布线基板(PCB)如果置换成整合成形立体基板(MID)，可望大幅削减材料、提高抗噪讯特性、产生其它附加功能与特性，尤其是不增加组件数量的全面覆膜(Coating)噪讯遮蔽(Shield)效果，与闪光灯用高辉度白光LED的

10、封装，还可以充分发挥整合成形立体基板(MID)的优势。IC封装大多使用环氧树脂等热硬化性树脂，相较之下传统相机模块则使用聚醋酸乙烯酯(PPA: Polyphthalamide)等热可塑性树脂，因此对高画素化后越来越严苛的组件内部粉屑管理具有一定的效益。使用整合成形立体基板(MID)的小型相机模块，除了拥有小型化、薄型化、高附加价值化之外，还可以提高封装组装的可靠性与复合化等革命性特征。应用领域磁器传感器与加速传感器的应用图5是利用整合成形立体基板(MID)封装的磁器传感器与加速传感器应用范例，如图5(a)所示传统印刷布线基板封装的场合，预定检测的马达位置几乎不在容易检测的位置上，因此设计上必要

11、利用辅助基板，将检测物封装、固定在最佳感度可以检测的位置、角度上。然而传感器依照此状态封装，辅助基板与主基板作电气性连接，必需使用跳线与连接器，辅助基板还需要使用筐架固定，此时如果改用整合成形立体基板(MID)，就不需要使用固定辅助基板的筐架与辅助基板。由于制程上可以在整合成形立体基板(MID)表面铺设铜箔图案，因此能够与主基板作面封装，大幅省略筐架、辅助基板、跳线、连接器等组件，实现使用组件削减、模块小型化、工程削减等多重目标。指纹辨识模块的应用图6是利用整合成型立体基板(MID)封装的指纹认证传感器范例，指纹辨识系统为消除手指的静电，通常都设有金属遮蔽物，封装静电容量传感器的辅助基板，则利

12、用软性印刷电路板(FPC: Flexible Printed Circuit)与主基板连接。传统封装方式要求消除手指静电的金属遮蔽物，组件的追加与组装工程的增加，经常成为困扰的课题。此外指纹认证传感器使用软性印刷电路板(FPC)连接，信号处理容易受到外部噪讯影响，此时如果改用整合成形立体基板(MID)，封装静电容量传感器的部位周边射出成形组件可以铺设电镀覆膜，不需使用金属遮蔽物，同样可以获得噪讯遮蔽效果。由于结构上不需使用软性印刷电路板(FPC)，因此可以将指纹认证传感器的资料传递给主基板，同时降低组件使用数量与模块的耐噪讯特性。此外封装在传统主基板的组件可以封装在辅助基板，对模块的小型化具有

13、直接帮助。整合成形立体基板(MID)的制作方法 整合成形立体基板(MID)的制作方法，分成2行程法(Shot)与雷射法2种，代表性的4大工法制作流程如图7所示。接着接口四大工法的制作流程。制程(1)2行程法1a.首先利用射出成形模具制作整合成形立体基板(MID)的外形结构。b.整合成形立体基板(MID)进行蚀刻，利用无电解电镀技术使涂布触媒析出金属。c.接着制作图案以外的形状(光罩化)，进行最终成品的加工。d.最后进行无电解电镀，表面形成触媒露出图案。(2)2行程法2a.首先利用射出成形模具，制作最终整合成形立体基板(MID)的外形结构。b.接着使用溶融素材进行第2次成形，使图案以外的部位光罩

14、化。c.在整合成形立体基板(MID)表面涂布触媒，该触媒同样进行电解电镀析出金属。d.去除2次成形材料部位e.最后再进行无电解电镀，触媒涂布部位的表面形成图案。(3)雷射直接成型(LDS: Laser Direct Structuring)a.首先利用射出成形模具，制作最终整合成型立体基板(MID)的外形结构。b.图案部位照射雷射，使射出成形品含有的触媒浮出表面。c.最后接着进行电解电镀形式图案。(4)1行程雷射法a.首先利用射出成形模具，制作最终整合成型立体基板(MID)的外形结构。b.利用金属喷敷(metalizing)制程，在整合成型立体基板(MID)外表制作铜膜。c.接着使用雷射将铜箔

15、图案与非铜箔图案部位分离确保绝缘。d.铜箔图案部位进行电气电镀，增加铜膜厚度。e.利用软蚀刻(Soft Etching)制程，使整体变薄均匀溶解去除铜箔图案以外的铜膜。f.最后进行镀镍、镀金形成铜箔图案。加工方法比较(1)模具使用数量由于2行程法要求2次成形(光罩化)，必需使用更多的模具，因此2行程法除外，其它工法都可以在1个表面制作封装外形。(2)材料射出成形品必需使用整合成形立体基板(MID)专用材料，而且材料随着制作工法不同。(3)尺寸精度封装尺寸精度取决于射出成形模具的精度，不论使用哪种制作工法，要求尺寸精度都是50m。(4)铜箔图案的微细度导线的宽度与间距随着制作工法不同。(5)铜箔

16、图案的修正容易性雷射成型法必需制作雷射加工CAD程序再进行图案制作，图案变更时只需修改雷射加工CAD程序即可，雷射成型法因此比2行程法更方便。(6)表面粗糙度表面粗糙度会影响导线固定性，一般认为表面粗糙度越小，对导线固定性比较有利。 1行程雷射法的整合成形立体基板(MID)制作技术目前整合成形立体基板(MID)大多采用雷射法制作。接着要深入介绍1行程雷射法的整合成形立体基板(MID)的制作技术。使用1行程雷射法制成的整合成形立体基板(MID)应用组件，已经进入量产化阶段，具体范例例如上述的相机模块，与人体检测传感器模块等等。日本电子组件封装业者已经正式采用整合成形立体基板(MID)技术，并将此

17、工法称为微细复合加工技术(MIPTEC: Micro Integrated Processing TEChnology)。到目前为止整合成形立体基板(MID)大多是在射出成形组件表面制作铜箔图案，使印刷布线基板形成3次元结构。由于市场要求薄型化、小型化，因此具备封装功能的整合成形立体基板(MID)逐渐成为主流，在此背景下开始突显1行程雷射法的优点。照片2使用聚醋酸乙烯酯(PPA: Polyphthalamide)，等热可塑性树脂材料的整合成形立体基板(MID)，封装贯通芯片(Via Chip)后的实际外观。贯通芯片的封装是一般导线固定技术封装面积小型化的改良版，非常适合覆晶封装。贯通芯片封装整

18、合成形立体基板(MID)具有以下2大特征，分别是：适合导线固定，可以获得铜箔图案表面固定导线时铜箔图案表面太粗糙，导线的接合会非常不稳定，利用射出成形组件表面的锚点(Anchor)效果，可以确保射出成形组件与铜箔图案的密着力，因此一般整合成形立体基板(MID)制程，为了使射出成形组件表面粗糙化，必需将铜箔图案表面粗化，它相当于上述图7的2行程法与雷射直接成型法 (LDS)。1行程雷射法利用长膜时表面图案活性化处理形成化学结合，确保射出成形组件与铜箔图案的密着力。使用覆晶芯片封装材料一般树脂材料会随着温度变化膨胀、收缩，XYZ方向的变形量彼此不均匀。如图8所示覆晶芯片封装受到温度变化的影响，膨胀

19、收缩(线膨胀率)与膨胀收缩时的XYZ方向变形量差异(异方性)很大时，受到加热炉与实际使用环境的温度循环影响，经常变成与贯通芯片出现线膨胀率差异主要原因，进而造成接合不稳定，严重时还有接合完全迸裂之虞。如图9所示微细复合加工技术(MIPTEC)，透过材料内部填充物(Filler)种类、配合量、配合比的最佳化，使用比一般线膨胀率与异方性更低的材料，因此可以确保温度循环时的接合稳定性，实现适合封装覆晶芯片用整合成形立体基板(MID)。1行程雷射法的整合成形立体基板(MID)，利用雷射图案化技术制作铜箔图案。图10是雷射图案化设备的概要，如图所示为支持制作各式各样微细图案，雷射焦点高精度描准射出成形组

20、件表面非常重要。一般认为组合可以使射出成形组件倾斜的5轴加工台、同步描绘动作的高速控制系统，以及即使高低差异很大的基板，也可以进行对焦的动态焦点镜片等技术，铜箔图案的宽度、间距可以获得30m的精度。陶瓷的图案制作如上所述1行程雷射法利用射出成形组件与铜箔图案界面的化学结合，确保铜箔图案的密着力，不过对化学特性很稳定的陶瓷表面图案制作却很困难。经过反复试验研究人员发现部份铜薄膜长膜制程的改良，同样可以在陶瓷表面制作铜箔图案，获得其它整合成形立体基板(MID)制程没有的特征。如图11所示有关陶瓷表面制作铜箔图案，理论上多层陶瓷基板也可行，不过受到铜箔图案位置精度与形状自由度有落差影响，此时整合成形

21、立体基板(MID)反而可以突显它的优势。有关铜箔图案位置精度，由于制作陶瓷基板时必需经过烧结制程，烧结后的基板会收缩，尤其是陶瓷基板铜箔图案制成后必需经过烧结制程，其结果造成铜箔图案本身也会收缩，因此射出成形组件铜箔图案的位置精度大幅降低，一般只有50m左右的精度。多层陶瓷基板是由绿带(green sheet，陶瓷粉末薄片)堆积制成，制程上不易制作凸状与变形组件，相较之下整合成形立体基板(MID)的陶瓷，大多是在压制技术或是陶瓷射出成形(CIM: Ceramic Injection Molded)技术制成，接着再利用雷射加工法制作铜箔图案，因此不论是凸状或是3次元形状都可以制作铜箔图案，换言之

22、陶瓷整合成形立体基板(MID)的铜箔图案位置精度比比多层陶瓷基板优秀，而且可以取得很大的形状自由度。陶瓷具有高热传导率、低线膨胀率、高耐热性等特征。图12是包含聚醋酸乙烯酯(PPA)在内，各种材料与陶瓷的热传导率比较。以陶瓷材料而言，一般氧化铝的热传导率是树脂的85倍，陶瓷材料如果使用氮化铝，可以获得比氧化铝高6倍的热传导率。陶瓷材质的整合成形立体基板(MID)，适合应用在要求高散热、高加热炉耐热特性等高辉度LED的贯通芯片封装。图13是使用陶瓷整合成形立体基板(MID)技术的3芯片LED封装范例；图14是陶瓷整合成型立体基板(MID)的直角方向发光LED封装范例。上述两范例都是利用Au-Sn

23、胶将贯通芯片，在陶瓷整合成形立体基板(MID)进行晶粒固定(Die Bonding)封装，接着作导线固定与树脂密封，形成所谓的LED封装，本封装技术也支持覆晶封装。使用陶瓷材质的整合成形立体基板(MID)，具备以下特征分别是：(1)高热传导率(2)可制作微细铜箔图案(3)高形状自由度图13的3芯片LED封装范例，是将三个超高辉度、数W等级的LED，封装于5mm正方的整合成形立体基板(MID)，实现数百流明(lm)超高照明辉度目标，未来该技术还可以应用在建筑用、照明用(Illumination)，等要求多色度照明的领域。可以复数封装贯通芯片的复芯片型陶瓷材质整合成形立体基板(MID)，在小型化、

24、热传导性、成本、功能面非常有利，一般认为未来可望成为微电子组件封装主流。 今后展望 传感器与半导体等封装市场要求高度微细化、小型化、模块化，整合成形立体基板(MID)必需充分反映市场需求，持续改善加工技术追求更微细化铜箔图案。最近几年封装技术的变革浪潮中，多层陶瓷与整合成型立体基板(MID)的融合，已经成为全球注目焦点，特别是以往整合成形立体基板(MID)，只能在射出成形组件的表面制作铜箔图案，如果改用多层陶瓷整合成型立体基板(MID)，内层也可以制作铜箔图案。图15的整合多层陶瓷基板与陶瓷整合成形立体基板(MID)技术的复合式基板，具备以下特征分别是：(1)以往斜面与侧面无法制作铜箔图案的多

25、层陶瓷，透过整合成型立体基板(MID)技术获得实现，而且还兼具噪讯遮蔽效果与高密度化等多重特性。(2)实现30m铜箔图案位置精度传统多层陶瓷基板制作铜箔图案后才进行烧结，该烧结制程受到陶瓷特有收缩率影响，出现铜箔图案位置精度不良等问题，此时如果应用整合成形立体基板(MID)技术，可以有效克服上述问题。今后随着贯通芯片的微细化，势必要求封装的铜箔图案高位置精度，整合成形立体基板(MID)技术变成非常有效封装工法。(3)多层陶瓷基板可作微细铜箔图案业者已经开发Line/Space=70/70m与Line/Space=30/30m微细铜箔图案制作技术。结语传统玻璃环氧树脂基板与可挠曲基板等印刷布线基板，只能在基板上、下面作平面性电子组件封装，面临电子机器小型化、薄型化、多功能化时，传统印刷布线基板面临物理极限。整合成形立体基板(MID)是在树脂材质射出成型组件表面，制作铜箔图案高密度封装电子组件，形成所谓多次元封装模块，因此大幅缩减电子电路的外形尺寸，有效提高封装精度。一般认为随着整合成型立体基板(MID)技术的普及与周边技术的建立，未来可望成为小型携带型电子机器的主流封装方式。