摘要
在半导体封装的 “微观世界” 里，Substrate（基板）是衔接芯片与终端设备的 “精密桥梁”—— 它以层叠的电介质与金属线路，承载信号传输、散热与机械支撑的核心使命。其工艺的精髓，藏在 “材料取舍” 与 “步骤协同” 之中：金属以铜为绝对主力，焊点依赖无铅 SAC 焊料；电介质则按需求选择 FR-4（性价比之选）、BT 环氧树脂（耐高温低介电）或 ABF（高性能信号场景），且可实现 “多层异质材料” 组合。工艺流程围绕 “芯层奠基 — 导通孔连接 — 线路图形化 — 层压成型” 展开，每一步都需微米级精度控制（如微导通孔直径、线路蚀刻精度）。本文重构 “角色 — 材料 — 工艺 — 问答” 的逻辑脉络，既解析 Substrate 如何平衡性能与成本，也通过行业研发与应用视角的深度探讨，揭示先进封装下 Substrate 的技术瓶颈与突破方向，为理解这一 “封装核心” 提供全景视角。
引言
当一颗 3nm 芯片在晶圆厂完成制造，它并非直接成为终端设备的 “核心”—— 要将运算信号传递到手机屏幕、汽车传感器或服务器接口，需要一个 “中间枢纽” 来衔接：这就是半导体封装中的 Substrate（基板）。
它像一块 “微型线路板”，却比普通 PCB 精密百倍：层叠的电介质材料需耐受芯片工作时的高温，细微的铜线路要避免信号串扰，精准的导通孔得让电流与热量顺畅传递。没有它，芯片的性能再强也无法 “落地”；没有精湛的工艺，它也难以支撑先进封装的需求。可以说，Substrate 是半导体封装的 “隐形骨架”—— 它不直接承载运算，却以极致的精密，让芯片性能稳定释放，堪称 “连接之美” 的技术典范。
一、Substrate 的 “材料密码”：金属与电介质的精准搭配
Substrate 的性能，从根源上由 “金属导电层” 与 “电介质绝缘层” 共同决定。两者的选择与组合，并非简单的 “性能堆砌”，而是 “需求适配” 与 “成本平衡” 的结果。
1. 金属：导电与连接的 “单一选择”
在 Substrate 中，金属的角色清晰且专一 —— 负责导电与物理连接，材料选择高度集中：
主体导电层
：99% 以上采用铜。铜的导电性仅次于银，且成本远低于银，同时具备良好的延展性与耐腐蚀性，能适配线路图形化与层叠压合工艺。无论是芯层的初始覆铜，还是后续电镀的导电层，铜都是无可替代的主力；
焊点连接
：无铅工艺已成行业主流，SAC（锡 / 银 / 铜）焊料占据主导。典型的 SAC305（含 3% 银、0.5% 铜）焊料，熔点约 217℃，既能满足焊接温度需求，又具备优异的机械强度，可有效避免焊点开裂。
与电介质的 “多元选择” 不同，金属的单一性源于 “性能与成本的最优解”—— 铜与 SAC 焊料的组合，已成为 Substrate 导电连接的 “行业标准”。
2. 电介质：绝缘与支撑的 “多元博弈”
电介质是 Substrate 的 “绝缘骨架”，决定了基板的耐高温性、信号完整性与成本，行业形成了三种核心材料方案，各有适配场景：
| 电介质类型 | 核心成分 | 关键性能指标 | 优势 | 适用场景 | 成本水平 |
| FR-4 | 玻璃纤维布 + 环氧树脂 | Tg≈130-150℃，介电常数≈4.5 | 性价比高、工艺成熟、易获取 | 中低端封装（如消费电子入门级芯片） | 低 |
| BT 环氧树脂 | 双马来酰亚胺三嗪树脂 | Tg≈180-220℃，介电常数≈3.8 | 耐高温、低介电（减少信号串扰） | 中高端封装（如汽车电子、5G 芯片） | 中 |
| ABF（味之素积层薄膜） | 特种热固性树脂 | Tg≈200-240℃，介电常数≈3.0 | 热膨胀系数（CTE）与铜匹配度高、信号完整性优 | 先进封装（如 CPU、GPU、先进制程芯片） | 高 |
值得注意的是，电介质还有一种 “便捷形态”—— 预浸料（prepreg）。它由纤维布浸渍树脂后部分固化制成，形态稳定如 “柔性薄片”，可直接铺叠在芯层或金属层上，待所有层就位后再整体压合固化。这种形态大幅简化了层叠工艺，是 FR-4 与 BT 环氧树脂的主流应用形式。
而 ABF 则以 “卷材” 供应，两侧包覆 OPP（邻苯基苯酚）与 PET 保护膜，使用时按需裁切、剥膜铺设，部分 ABF 还预先覆有铜箔，进一步缩短制程 —— 这种 “定制化形态”，正是其适配先进封装的关键。
二、Substrate 的 “层叠艺术”：从芯层到一体化的工艺流程
Substrate 的制造，是一场 “以芯层为起点，逐层叠加、精准连接” 的精密操作。每一步都像 “微型工程”，需在微米尺度下控制精度，最终实现 “多层线路无缝衔接”。
1. 第一步：芯层奠基 —— 封装的 “初始骨架”
一切从芯层开始。芯层是 Substrate 的 “基础载体”，通常为两侧已覆铜的复合材料（如 FR-4 或 BT 树脂芯板）。这层初始覆铜的厚度（通常 12-35μm）与平整度，直接影响后续线路的精度 —— 若覆铜表面有凸起，可能导致光刻时图形偏移，进而影响信号传输。
2. 第二步：导通孔 —— 层间连接的 “生命线”
导通孔是 Substrate 层间信号与电流的 “通道”，其加工是工艺核心难点之一，分四步完成：
钻孔
：根据导通孔类型（埋孔、盲孔、贯通孔）选择机械钻孔或激光钻孔。机械钻孔适合直径≥100μm 的孔，成本低但精度有限；激光钻孔（如紫外激光）可实现 50μm 以下的微导通孔，是先进封装的首选，但设备成本更高；
去粘污与清洁
：钻孔后孔壁会残留树脂碎屑（粘污），需通过化学蚀刻或等离子体处理去除，否则会影响后续电镀的导电性；
沉积铜籽晶层
：在清洁的孔壁与基板表面，通过化学镀沉积一层薄铜（约 0.5-1μm），作为后续电镀的 “导电基底”—— 这一步若厚度不均，会导致后续电镀层出现空洞；
电镀增厚
：通过电解电镀，将孔壁与表面的铜层增厚至目标厚度（通常 5-15μm），形成完整的导电通道。
3. 第三步：线路图形化 ——“雕刻” 导电路径
这一步是在金属层上 “画出” 所需的线路，如同在微观世界里 “雕刻”，分五步精准操作：
涂覆光刻胶
：在铜层表面均匀涂覆一层光刻胶（厚度约 1-3μm），通过 spin-coating（旋涂）保证平整度；
光刻曝光
：将线路图形的掩模版覆盖在光刻胶上，用紫外光照射，使曝光区域的光刻胶发生化学变化（正胶曝光后可溶解，负胶则相反）；
显影
：用显影液冲洗基板，去除已发生变化的光刻胶，露出需要蚀刻的铜层区域；
蚀刻
：通过酸性溶液（如氯化铁溶液）蚀刻露出的铜层，直至形成所需的线路图案。蚀刻时间需精准控制 —— 时间太短会导致铜层残留，太长则可能蚀刻过度，破坏线路；
脱胶与清洁
：用脱胶液去除剩余的光刻胶，再用去离子水清洗基板，至此，一层线路正式成型。
4. 第四步：层叠与压合 —— 一体化成型
若需制作多层 Substrate，重复 “添加新树脂层（预浸料或 ABF）— 覆铜 — 导通孔加工 — 线路图形化” 的流程，直至所有层数完成。最后，将叠好的基板放入压合机，在高温（180-220℃）与高压（20-40kg/cm²）下持续一段时间（通常 60-120 分钟），使各层树脂完全固化、紧密结合，形成一个不可分割的整体。
这一步的关键是 “温度与压力的协同”—— 若温度过高，树脂可能碳化；压力不足，则层间结合不紧密，易出现分层缺陷。
三、深度问答：Substrate 工艺的 “关键考题”
角度一：行业研发视角 —— 先进封装下，微导通孔与线路的技术瓶颈
问：随着封装向 Chiplet（芯粒）、CoWoS（晶圆级系统集成）等先进形式升级，Substrate 的微导通孔直径需缩小至 30-50μm，线路宽度 / 间距需达到 20/20μm 以下，当前工艺面临哪些核心瓶颈？如何突破？答：核心瓶颈集中在 “钻孔精度” 与 “线路蚀刻均匀性” 两点。首先是微导通孔钻孔：激光钻孔虽能实现小直径，但孔壁易出现 “热影响区”（树脂碳化层），导致电镀时铜层与孔壁结合不牢，高温循环后易出现空洞 —— 解决方案是采用 “短脉冲紫外激光”，将脉冲宽度控制在 10ns 以下，减少热影响区，某研发团队通过这种方式，将 50μm 孔的孔壁粗糙度从 1.5μm 降至 0.8μm；其次是线路图形化：20/20μm 的线路间距下，光刻胶的边缘易出现 “锯齿”，导致蚀刻后线路边缘不平整，影响信号完整性 —— 可通过 “多重曝光” 技术（分两次曝光精细修正图形），配合高分辨率光刻胶，将线路边缘粗糙度控制在 1μm 以内。目前某龙头企业已实现 30μm 微导通孔与 20/20μm 线路的量产，适配 CoWoS 封装需求。
角度二：应用研究视角 —— 汽车电子场景下，Substrate 的材料与工艺适配
问：汽车电子对 Substrate 的可靠性要求极高，需承受 - 40℃~150℃的温度循环（1000 次以上）、1000 小时的抗振动测试，同时要适配高压电路（如车载芯片），在材料选择与工艺优化上需重点关注哪些点？答：核心是 “材料耐候性” 与 “工艺抗应力” 的双重优化。材料选择上，BT 环氧树脂是基础 —— 需通过改性提升其耐高温与抗老化性，比如添加二氧化硅纳米粒子，将 Tg 从 200℃提升至 220℃，同时降低热膨胀系数（CTE）至 15ppm/℃以下，减少温度循环时的层间应力；若为高端车载芯片（如自动驾驶芯片），则需选用 ABF，其 CTE 与铜的匹配度（ABF≈12ppm/℃，铜≈17ppm/℃）更优，可大幅降低开裂风险。工艺优化上，重点在导通孔与层压：导通孔电镀时需增加 “退火处理”（200℃保温 30 分钟），消除电镀应力；层压时采用 “梯度升温”（从 120℃逐步升至 220℃），避免树脂因热膨胀过快产生内部气泡。某车载 Substrate 厂商通过这些优化，将温度循环后的故障率从 5% 降至 0.5%，满足汽车电子的严苛要求。
结语：Substrate 的未来 —— 向 “更密、更薄、更可靠” 迈进
如今的 Substrate，已从 “简单连接载体” 升级为 “先进封装的核心支撑”。当 Chiplet 技术让多颗芯片在封装内协同工作，当汽车电子要求 Substrate 在极端环境下长期稳定，当服务器芯片需要更低的信号损耗 —— 这些需求都在推动 Substrate 工艺不断突破极限。
未来，它还将面临更多挑战：如何实现 20μm 以下的微导通孔？如何在更薄的基板（总厚度＜100μm）上集成更多层数？如何开发环保型树脂（减少有机溶剂使用）？这些问题的答案，不仅关乎 Substrate 自身的进化，更决定着半导体封装向更高性能、更小尺寸迈进的速度。
