需要说明的是，SiP与传统封装不同，由于SiP内部电气互连的复杂性，绝大多数SiP都是需要基板的，基板是SiP电气互连和物理支撑的重要载体。下面就先从基板的角度对SiP进行分类和论述。

基板技术发展到现在有80多年的历史，从最初的单面板发展到了今天的高密度互连（High Density Interconnection，HDI）板、刚柔结合板、微波电路板、埋入式元器件板、HTCC/LTCC基板、IC载板、MCM基板、SiP基板，等等。

基板技术的发展对电子技术的发展起到了巨大的推动作用，下面就对基板技术及其相关的封装技术作简单阐述。

5.1.1　有机基板

1.刚性有机基板

有机基板一般指刚性有机基板，是由有机树脂和玻璃纤维布为主要材料制作而成的，导体通常为铜箔。有机树脂通常包括环氧树脂（FR4）、双马来酰亚胺-三嗪（BT）树脂、聚苯醚（PPE）树脂和聚酰亚胺（PI）树脂等。

有机基板常用的铜箔厚度有17 um（半盎司）、35 um（一盎司）、70 um（两盎司）等多种，有时候也通过电镀、沉积等方式形成多种厚度类型。例如，17 um铜箔通过沉铜工艺形成28 um的厚度，铜箔厚度和载流量成正比关系，如果需要通过比较大的电流，则需要选择较厚的铜箔和较宽的布线。表5-1所示为线宽、铜厚、温升及电流的关系表，可供设计者参考。

有机基板介质也可以分为多种类型，以FR4为例，介质材料根据树脂和玻璃纤维含量的不同，可分为106、1080、2116、7628等多种型号。一般型号数值越大，树脂含量越低，玻璃纤维含量越高，硬度越大，介电常数也越大。例如，106树脂含量为75%，1080树脂含量为63%，2116树脂含量为53%，7628树脂含量为44%。另外，还有一种RCC（Resin Coated Copper，树脂铜箔），树脂含量为100%。树脂含量越高，材质越软，激光打孔效率越高。

表5-2中展示了不同型号有机基板介质材料的树脂含量，以及在100 MHz～1.2 GHz之间的介电常数（DK）和介质损耗（DF），可供设计者参考。

有机基板主要应用于塑封元器件，由于其成本上的优势，它是目前应用最为广泛的SiP封装基板。通常为了兼顾各方面的性能，SiP有机基板会采用多种型号的介质材料，一般表层采用树脂含量较高的介质材料（如RCC、106、1080），而内层则采用硬度较大的介质材料（如2116、7628），用于增强支撑强度。

有机基板有其自身的特点和优点。与陶瓷基板相比，有机基板不需要烧结，加工难度较小，并且可制作大型基板。同时有机基板具有成本优势，有机基板介电常数低，有利于高速信号的传输。

有机基板也存在缺点，如传热性能较差，有机基板的传热系数通常只有0.2～1 W/（m·K），而氧化铝陶瓷材料的传热系数可以达到18 W/（m·K）左右，氮化铝材料更是可达到200 W/（m·K）左右。

此外，有机基板的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）也通常（相对芯片）比较大，一般为（8～18）×10 ^-6 /℃，半导体芯片的主要成分是硅，而硅的热膨胀系数只有2.5×10 ^-6 /℃，如果半导体芯片与基板的热膨胀系数相差过大，在温度变化时，就容易在IC的焊接处产生较大的应力，并导致电气连接失效。因此，为了保证SiP或封装基板微细电路的精度，适宜用低热膨胀系数的基板材料。

SiP设计者在选用有机基板时，要综合考虑成本和可靠性（主要考虑其热膨胀系数、玻化温度、吸湿性能等），从而选择FR4、BT树脂、PPE树脂和PI树脂等基板。同时，需要设置合理的铜箔厚度和层叠结构，选用不同型号的基材，控制好介电常数（DK）和损耗因子（DF），从而使SiP或封装的性能在成本优化的前提下达到最优。

2.刚柔结合板

刚柔结合板是指将柔性电路板（FPC）和刚性的印制电路板（PCB）结合在一起的板子，通常将柔性电路作为运动部位的连接。这种板子设计的一个特点就是柔性电路和刚性电路的层数往往会不一致。例如，刚性电路有6层，而柔性电路只有2层，通常这2层和刚性PCB的第3层或第4层压合连接，如果柔性电路上也要放置元器件，则需要采用开槽或腔体等方式，将元器件直接放到第3层或第4层（柔性电路的表层），焊盘可直接从第3层或第4层出线。

刚柔结合板在翻盖、滑盖手机中的应用比较多，在航天设备中的应用也比较多，目前比较流行的折叠屏幕手机也采用刚柔结合板。

关于刚柔结合板的详细内容，请参考本书第17章内容和第27章内容。

3.基于有机基板的塑封SiP

在通常情况下，采用有机基板的封装或者SiP，其封装材料也采用有机材料，我们称之为塑封或者塑料封装。

从微观结构上看，塑封材料都是致密程度较低的，无法实现气密性，因此塑封SiP的密封性稍差。由于采用灌胶封装，塑封材料不容易拆解，需要通过强酸腐蚀等方法才能剥离封装，露出内部的裸芯片，这在一定程度上影响了问题的发现和分析。此外，塑封散热性能较差，塑封器件工作温度范围小，不太适合在严苛环境中使用。

但是在同样的条件下，塑封SiP体积小、质量小、价格便宜，适合大批生产，因此其在商业领域得到了广泛的应用，目前在各行各业应用十分普遍。图5-1所示为苹果iWatch及其采用的塑封SiP。

5.1.2　陶瓷基板

陶瓷基板通常包含HTCC、LTCC、氮化铝等基板，下面分别进行介绍。

1.HTCC基板

高温共烧陶瓷（High Temperature Co-fired Ceramic，HTCC）基板通常是氧化铝（Al ₂ O ₃ ）陶瓷基板在1600℃左右烧结而成的，一般采用熔点较高的钨（W）或钼（Mo）等金属作为导体。HTCC将钨、钼、锰等高熔点金属按照电路设计要求印刷于92%～96%的氧化铝流延陶瓷生坯上，加上4%～8%的烧结助剂后多层叠合，在1500～1600℃高温下共烧成一体，HTCC基板具有耐腐蚀、耐高温、寿命长、高效节能、温度均匀、导热性能良好、热补偿速度快等优点。

HTCC基板目前已经发展得相当成熟，在陶瓷封装材料中有大量的应用，主要在高密度陶瓷封装电路和大功率陶瓷基板中应用较多。

HTCC具有机械强度高、布线密度高、化学性能稳定、散热系数高和材料成本低等优点，它在热稳定性要求更高、高温挥发性气体要求更小、密封性要求更高及发热量较大的封装领域，得到了广泛的应用。

随着SiP及封装内集成时代的到来，电子整机对电路小型化、高密度、多功能、高性能、高可靠性及大功率化提出了更高的要求，因为HTCC基板能够满足电子整机对电路的诸多要求，所以在近几年获得了广泛的应用。

2.LTCC基板

低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）基板是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制作出所需要的电路图形。将多种无源元器件（电容、电阻、电感、耦合器等）埋入多层陶瓷基板中，制成内置无源元器件的三维电路基板，然后在800～900℃烧结而成陶瓷基板。

LTCC具有熔点低、金属电导率高、生产成本低、可以印刷电阻和电容等优势。在其表面可以贴装IC和有源元器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步实现电路小型化与高密度化。

HTCC基板通常呈深灰色，LTCC则呈乳白色或浅蓝色，HTCC基板与LTCC基板如图5-2所示。

由图5-2也可以看出，HTCC基板的引脚排列比较紧密，LTCC基板的引脚通常排列比较稀疏。因为HTCC强度较大，可以成为独立的管壳，所以HTCC陶瓷封装也被称为陶瓷管壳，而LTCC作为基板通常需要安装在金属封装内。

LTCC多用于微波射频、模拟电路等领域，特别适合用于高频通信用组件，HTCC则多用作高速陶瓷基板和高密度互连基板，它们在很长一段时间内将相互补充、相互借鉴、共同发展。

LTCC是目前封装材料界的重要发展方向，随着材料的不断改进、工艺控制的完善和技术日趋成熟，LTCC的优势会更为突出。

3.氮化铝陶瓷基板

氮化铝（AlN）基板导热性极好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料，电绝缘性能、介电性能均良好。

热传导率代表基板材料本身直接传导热能的一种能力，数值越高代表其散热能力越好。因此，散热基板热传导效果的优劣成为在大功率封装或SiP设计中选用散热基板重要的评估项目之一。

氮化铝呈白色或灰白色，单晶无色透明，常压下的升华分解温度为2450 ℃，是一种高温耐热材料。氮化铝热导率可达260 W/（m·K），是氧化铝的5～10倍；耐热冲击性能好，能耐2200℃的极热。此外，氮化铝具有不受铝液和其他熔融金属及砷化镓侵蚀的特性，特别是对熔融铝液具有极好的耐侵蚀性。

氮化铝的性能指标如下。

① 热导率高，可达到260 W/（m·K），是氧化铝的5～10倍；

② 热膨胀系数为4.5×10 ^-6 /℃，与Si（3～5）×10 ^-6 /℃和GaAs（6×10 ^-6 /℃）比较匹配；

③ 各种电性能，如介电常数、介质损耗、体电阻率、介电强度均比较优良；

④ 机械性能好，抗折强度高于氧化铝和氧化铍陶瓷，可以常压烧结；

⑤ 光传输特性好且无毒。

4.基于陶瓷基板的陶瓷封装和金属封装SiP

SiP封装按工艺或材料通常分为塑封SiP、陶瓷封装SiP和金属封装SiP三种类型。

前文提到，塑封SiP主要基于有机基板，多应用于商业级产品，具有体积小、质量小、价格便宜、可大批量生产的优势，但其在芯片散热、稳定性和气密性方面相对较差。

陶瓷封装和金属封装主要基于陶瓷基板，陶瓷封装一般采用HTCC基板，金属封装则多采用LTCC基板，对于大功耗产品，其散热性要求很高，可选用氮化铝基板。

陶瓷封装的优点包括密封性好、散热性能良好、对极限温度的抵抗性好和容易拆解；与金属封装相比，陶瓷封装的体积相对较小，适合应用于大规模复杂芯片，以及航空航天等对气密性有严格要求的环境；陶瓷封装的缺点是价格昂贵、生产周期长，质量和体积都比同类塑封产品大。

金属封装的特点包括密封性好、散热性能良好、对极限温度的抵抗性好、容易拆解和灵活性高；但其体积相对较大，引脚数量较少，不适合复杂芯片，同时，其价格较贵、生产周期长，需要组装金属外壳和基板，工序复杂。金属封装多应用于MCM设计，在航空航天领域应用较为普遍。

陶瓷封装和金属封装都具备散热性能优良、气密性好、可靠性高的特点，与塑封相比，陶瓷封装和金属封装内部均为空腔结构，具有可拆解的优势，便于故障查找和问题“归零”，因而也受到了航空航天等领域用户的欢迎。陶瓷封装和金属封装如图5-3所示。

5.1.3　硅基板

在SiP封装中，硅基板通常是作为转接板的形式出现的。

硅是一种极为常见的元素，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中，硅元素占地壳总质量的26.4%，仅次于氧。随着半导体工业的发展，硅的提纯与应用把人类带到了硅时代，硅成为现代人类社会的重要元素。

随着先进封装技术的发展及其应用的日益广泛，运用硅工艺制作出高精度的布线，同时利用硅材料的高热导率和较小翘曲满足与芯片的热膨胀系数相匹配，并结合先进的TSV技术生产出的硅基板，能有效减小封装体积，实现高密度先进封装，提高系统功能密度。

人们对3D集成封装和晶圆级封装技术的需求日益增加，硅基板可以迅速适应这些要求，且具有便利的技术移植性。将成熟的大规模集成电路的生产技术移植到硅基板生产上，可在硅基板上形成高质量的电路结构，并使得硅基板具有较低的制造成本。

硅是一种半导体材料，且硅的电导率会随着温度升高而增大，因此需要在硅基体与导电层之间增加一层绝缘层，将导电层与硅基体隔离。通常选用二氧化硅作为绝缘层，这是因为其工艺成熟、绝缘性良好、对导热性能影响较小，一般选择铜作为硅基板导电层的材料。

下面将前面介绍的HTCC基板、LTCC基板、氮化铝基板、有机基板、硅基板5种基板材料的特性做比较，如表5-3所示，设计人员可根据实际项目的需求选择合适的基板。

前面介绍完基板后，都会接着讨论与其相对应的封装，例如，有机基板对应塑封，陶瓷基板中的HTCC基板对应陶封，LTCC基板对应金属封装。那么，硅基板应该与什么封装相对应呢？

硅基板目前应用最多的就是下面要讨论的与先进封装相关的技术。