3.2.3 基板设计
在对封装结构，以及内部芯片和元器件排布进行设计时，基板设计一般会同时进行。基板设计一方面需要满足芯片与底部引脚的基本互连要求，另一方面要满足产品的性能要求。基板作为封装的基本材料，本质上就是一块覆铜箔层压板，其制作工艺与PCB制作工艺类似。在进行基板设计时需要综合考虑性能与成本，力求用最低的成本实现最优的性能，同时需要兼顾可行性，以利于厂商的大批量生产。
1. 基板叠层结构设计
基板的种类很多，根据层数可分为两层、四层、六层等基板。图3-24所示为四层基板叠层结构。
图3-24 四层基板叠层结构
芯材（Core）层由环氧树脂和玻璃纤维布组成，处在基板的中间位置，起到平衡应力、提供支撑的作用。PP（Pre-Preg，半固化片）层相当于黏接剂，用层压的方法黏接成多层板。铜层（线路层）的常规材料是铜，用来传输信号，厚度通常会因不同设计需求与加工工艺而有所不同。绿漆层起到保护线路的作用，根据显影能力的不同，可分为干膜和湿膜。两层基板叠层结构在四层基板叠层结构的基础上减去了PP层和两层铜层，如图3-25所示。
图3-25 两层基板叠层结构
对于低速电路的设计，在布线可行且满足电源和接地完整性要求的情况下，优先选择两层通孔设计。在有阻抗要求或不能保证电源和接地要求时，可设计成四层通孔。由于系统级封装产品复杂度高，因此常常会用到四层、六层甚至八层等更高层别的基板。六层基板通常比两层基板和四层基板的成本高，叠层分布通常为顶层→地线层→第三层金属→第四层金属→电源→底层（Top→GND→M3→M4→Power→Bottom）。需要注意的是，相邻层走线要垂直，至少不能重叠，并保证参考平面的完整。六层基板一般是单芯材，打孔方式有通孔和错位孔（2+2+2）两种。另外，基板叠层设计要兼顾可行性、对称性，避免两个电源层相邻，重要信号优先靠近地层，相邻信号层间距加大且布线垂直。
2. 基板材料的选择及表面处理方式
基板材料一般由绿漆、铜箔和芯材组成。多层板一般还需要半固化片层。在选择基板材料时通常关注以下几个方面。
（1）合理的介电常数。
（2）合理的材料介质损耗。
（3）材料的热膨胀系数。
（4）较好的耐热性、抗化学性、抗冲击性。
（5）优先选择主流、常备的基板材料。常见的芯材厚度有60μm、100μm和150μm三种规格。
基板金属表面处理方式主要有镍金（Ni/Au）、镍钯金（Ni/Pd/Au）及有机保焊膜（Organic Solderability Preservative，OSP）三种，如表3-1所示。基板金属表面处理的主要作用是防止焊盘表面氧化及增加可焊性。
表3-1 基板金属表面处理方式的厚度（单位：μm）
由于系统级封装内部元器件及芯片多种多样，因此往往需要在同一款基板上进行不同的表面处理。例如，混合（Hybrid）键合产品结构需要局部OSP和局部镍金处理，设计过程中需要考虑各种处理方式共存的条件及适用范围，以免厂商制作困难。混合键合产品结构示意图如图3-26所示。
图3-26 混合键合产品结构示意图
3. 成本优化设计
基板成本占整个封装产品成本的比例很大，基板设计过程中一些关键因素会直接影响基板的成本。除了上述基板结构的影响，在具体设计过程中，通孔的选择及线路的成型加工方式是影响最终基板成本的重要因素。图3-27所示为机械钻孔及激光钻孔示意图。
图3-27 机械钻孔及激光钻孔示意图
机械钻孔指的是钻机在高转速和一定落速带动下，一次性钻穿基板所有叠层，形成电镀通孔（Plated Through Hole，PTH）。其特点是速度快、精度低、成本低。激光钻孔使用红外光或紫外光穿透单层基板叠层，形成相邻层之间的过孔。其特点是灵活性高、精度高、成本高。通孔的设计尺寸除了与工艺有关，还与基板的厚度有关。
4. 常见的布线优化设计
在芯片集成度、工作频率不断提高的背景下，对封装级电子系统的性能要求越来越高。在互联系统中，当信号经由过孔换层时，会在电源分布网络（Power Distribution Network，PDN）上耦合出相应的噪声。这些噪声在PDN边缘辐射，从而引起相应的电磁干扰。信号线的不连续因素包括键合线、封装引脚、焊盘、过孔、走线尺寸、介质变化、走线拐角、走线分支等。在进行封装布线优化设计时，信号完整性、串扰、阻抗匹配、电磁干扰等方面也是需要高度重视的。这部分内容将在后续章节会详细介绍。