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陳忠紅 任英杰 王亮 陳佳 周蓓 劉國兵 謝志敏

（浙江華正新材料股份有限公司）

摘要：

有機(jī)復(fù)合基板材料在電子封裝中主要起到半導(dǎo)體芯片支撐、散熱、保護(hù)、絕緣及與外電路互連的作用。隨著電子產(chǎn)品高速化、高性能化、小型化、低成本化以及先進(jìn)封裝技術(shù)的不斷出現(xiàn)和高密度封裝基板的發(fā)展需求，對封裝基板材料提出了更高的性能要求，包括高彎曲模量、高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、高熱分解溫度、低的熱膨脹系數(shù)、高電絕緣性、高的導(dǎo)熱等性能。本文綜述了各種改性樹脂制備IC 封裝載板有機(jī)復(fù)合基板材料研究進(jìn)展。

1 引言

電子產(chǎn)品發(fā)展日新月異，離不開芯片封裝技術(shù)的快速進(jìn)步；封裝基板材料作為IC 載板的關(guān)鍵原材料一直都是技術(shù)開發(fā)的重要方向。IC 芯片集成度的發(fā)展仍基本遵循著名的Moore 定律[1-4]，致使數(shù)字網(wǎng)絡(luò)時代電子設(shè)備向微型、輕質(zhì)、超薄、高性能發(fā)展，為匹配這趨勢；小型、細(xì)引腳節(jié)距、立體化、高頻高速、大功率密度等成為電子封裝發(fā)展方向。電子封裝技術(shù)也從DIP、PGA、QFP 等初級水平向微系統(tǒng)疊層三維封裝、疊層MCM、BGA、模塊疊層三維封裝、芯片疊層三維封裝等方向推進(jìn)。

基板材料在整個電子封裝領(lǐng)域有著極其重要的地位?；逯饕鸬綖樾酒?a target="_blank">元器件提供機(jī)械支撐保護(hù)、散熱及絕緣等重要作用，其性能的好壞影響著IC 制造水平的高低[5]。高頻高速化是電子封裝技術(shù)的發(fā)展方向，其導(dǎo)致芯片及其封裝結(jié)構(gòu)的整體尺寸越來越小，局部熱量積累的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，這就給電子封裝用基板材料提出了更加苛刻的要求。為了保障電子元器件持續(xù)穩(wěn)定地高效運(yùn)行，電子封裝用基板材料應(yīng)當(dāng)具備以下幾點性能[6,7]：1

（1）高的機(jī)械強(qiáng)度：基板起到搭載支撐元器件的作用，其較高的機(jī)械性能是元器件能夠穩(wěn)定持續(xù)工作的外部保障；如彎曲模量達(dá)28Gpa 以上。

（2）良好的加工性：基板需要加工成所需的各種形狀，特別是多層超薄HDI 加工，所以加工性能對于基板材料也極為關(guān)鍵；

（3）熱膨脹系數(shù)與連接材料相匹配：與基板連接的材料基本上指的是硅。兩者間若熱膨脹系數(shù)差別太大容易誘發(fā)界面結(jié)合失效；如CTE-XY<13ppm。

（4）高熱導(dǎo)率：基板材料承擔(dān)著散熱的角色，所以需要高的熱導(dǎo)率來加快熱量的擴(kuò)散；

（5）易金屬化：印刷的電路圖案在基板上的附著力要足夠強(qiáng)，避免脫落；剝離強(qiáng)度需達(dá)0.7N/mm 以上。

（6）較低的介電常數(shù)及介電損耗：高介電常數(shù)容易導(dǎo)致信號延遲；

（7）高絕緣性：基板應(yīng)能保證部分的電絕緣作用；

（8）吸濕率低，化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良；

（9）價格低廉，利于大規(guī)模生產(chǎn)。

理想很豐滿現(xiàn)實很骨感，現(xiàn)實應(yīng)用同時滿足以上要求難之又難。最早工程師因陶瓷基板具有化學(xué)穩(wěn)定性高，機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)小選用其作為電子封裝基板材料。但其熱膨脹系數(shù)和Si 的差異較大、制作成本高且某些劇毒性、同時難加工難金屬化都限制了其發(fā)展。有機(jī)樹脂基板因為其易加工、成本低、輕質(zhì)化等優(yōu)異性能成為了陶瓷基板的代替選項，但其熱穩(wěn)定差、導(dǎo)熱低、熱膨脹系數(shù)偏大也使其走得很長遠(yuǎn)。有機(jī)復(fù)合基板材料很好的復(fù)合了無機(jī)材料的優(yōu)點和有機(jī)材料的優(yōu)點而成為封裝載板基板材料的熱門選擇。本文將從有機(jī)復(fù)合基板材料的樹脂改性、填料、玻纖布、應(yīng)用等方面綜述有機(jī)復(fù)合基板材料的發(fā)展。

2 環(huán)氧樹脂復(fù)合封裝基板材料

環(huán)氧樹脂/玻璃玻纖布復(fù)合基板因其成本低、加工性優(yōu)良、良好的尺寸穩(wěn)定性和粘結(jié)性很早就在封裝載板基板材料中得到應(yīng)用[8]。為了克服環(huán)氧樹脂耐熱性不足和熱膨脹系數(shù)偏高及導(dǎo)熱能力不足等問題環(huán)氧樹脂復(fù)合封裝基板通過復(fù)合環(huán)氧樹脂及功能性填料的優(yōu)異性能使基板向多功能化方向發(fā)展。日本日立化成工業(yè)株式會開發(fā)了一種低熱膨脹系數(shù)高彈性模量的環(huán)氧樹脂封裝用基板材料[9]。它在樹脂配方中，采用了一種新型工藝技術(shù)，借助于種特有的界面處理形式，使填料與樹脂間可實現(xiàn)高比例分散，獲得以往制造技術(shù)難以達(dá)到的高填料比的設(shè)計目標(biāo)。該基材具有以下優(yōu)良特性：①在X，Y 方向的熱膨脹系數(shù)低于10-20ppm/℃(為傳統(tǒng)FR-4 板的60—80％)；②具有高彈性模量(為傳統(tǒng)的FR-4 板的1.3-1.5 倍)；③高表面硬度(為傳統(tǒng)FR-4 板的1.5-2.0 倍);④良好的表面平滑度，粗糙度只有2-3um；同時還具備優(yōu)良的耐熱性，PCT 處理后能承受T288/5h 耐熱處理。該基材很好的復(fù)合了環(huán)氧與功能填料優(yōu)異性能，實現(xiàn)了材料性能質(zhì)的提升。除了使用高填料比方案，選用高剛性環(huán)氧樹脂高玻璃轉(zhuǎn)變固化劑也是制備封裝基板材料的方向；覆銅板資訊張*[10]譯了一種低翹曲度、吸濕耐熱性好的PCB 基材，該基材使用高剛性萘型環(huán)氧樹脂作為主體樹脂，用萘型酚醛固化，再使用環(huán)氧改性丙烯酸樹脂增韌復(fù)合功能化改性SiO2 填料改善熱膨脹系；最終制備出翹曲度為480um~485um; 熱膨脹系數(shù)CTE 為7.0~7.2ppm/℃,低吸濕的封裝基材材料。封裝基板材料除在樹脂上做文章也可在填料上進(jìn)行探索；吳*[11]等人為解決環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱低及介電常數(shù)高的問題，使用高溫?zé)Y(jié)技術(shù)制備了不同孔隙率的Al2O3網(wǎng)狀多孔陶瓷，并將其加入環(huán)氧樹脂基體中，使復(fù)合材料導(dǎo)熱率達(dá)到了1.598 W/m·K；為降低環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)又在環(huán)氧樹脂基體中引入中空玻璃微珠骨架填料使復(fù)合材料的介電常數(shù)降低到3.0，以上研究可在封裝基材有一定的應(yīng)用前景。

環(huán)氧樹脂復(fù)合封裝基材未來開發(fā)方向?qū)⒕o跟封裝技術(shù)變動而動，高模量、低翹起、低介電常數(shù)、高玻璃轉(zhuǎn)變溫度、低CTE、高表面光滑度等。

3 BT 樹脂及改性BT 樹脂復(fù)合封裝基板材料

雙馬來酰亞胺三嗪（BT）樹脂具高的耐熱性、較低熱膨脹系數(shù)、低吸水率、較低的介電常數(shù)及介質(zhì)損耗等性能成為環(huán)氧復(fù)合材料外應(yīng)用于封裝基板爭相追捧的材料。BT 樹脂復(fù)合封裝基板材料應(yīng)用最成功的屬日本三菱瓦斯化學(xué)公司(MGC)，其開發(fā)的BT 基板大量的應(yīng)用于封裝基板。但由于其技術(shù)難模仿及獨立開發(fā)難度較大，需要一些路徑來實現(xiàn)BT樹脂在封裝基板材料中更廣泛的應(yīng)用。改性BT 樹脂獲得一種“類BT”樹脂系列的樹脂組合物成為開發(fā)的熱門方向。

3.1 環(huán)氧改性BT 樹脂復(fù)合封裝基板材料

BT 樹脂雖然有著許多優(yōu)異性能，但由于其自身結(jié)構(gòu)易結(jié)晶及交聯(lián)密度較高也有導(dǎo)致其溶解性差及韌性差的問題。環(huán)氧樹脂對BT 樹脂相容性好、粘度低，可溶于低沸點溶劑，能降低固化溫度及時間，提高韌性、加工工藝性、耐濕熱性，還改善對玻璃纖維的浸潤性，提高了對銅箔的粘接強(qiáng)度，降低成本等。粟**[12]分別采用聯(lián)苯苯酚型環(huán)氧和鄰甲酚醛型環(huán)氧與增容改性樹脂(類BT 樹脂)制備了覆銅板材料，經(jīng)改性較好的改善了預(yù)浸料相容性問題，同時制備覆銅板具有較低的CTE，同時Tg 達(dá)到了高Tg 封裝基板水平。李**[13]在增容改性氰酸酯/雙馬來酰亞胺的基礎(chǔ)上引入低粘度環(huán)氧組分,構(gòu)成了增容改性的氰酸酯/雙馬來酰亞胺/環(huán)氧體系(三元樹脂體系)。發(fā)現(xiàn)制備的覆銅基板很好的保持了原有的耐熱性，同時介電性能下降較小。

3.2 增韌化合物改性BT 樹脂復(fù)合封裝基板材料

雙馬來酰亞胺三嗪（BT）樹脂使用雙馬來酰亞胺（BMI）和氰酸酯CE 共聚交聯(lián)而成，由于BT樹脂固化交聯(lián)密度極高，具有很高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。交聯(lián)密度高必定帶來材料偏脆的缺點，為了改善BT 樹脂脆性的缺陷，起初使用技術(shù)員們使用環(huán)氧改性增韌，但這會或多或少的導(dǎo)致BT 樹脂體系Tg 降低。后來技術(shù)員發(fā)現(xiàn)使用烯丙基化合物改性BT 樹脂不僅可以改善BT 樹脂的韌性，同時還不會降低BT 樹脂體系的Tg。王*[14]采用二烯丙基雙酚A(DBA )為改性劑制備了改性BT 樹脂解決了由于氰酸酯及雙馬來酰亞胺（BMI）強(qiáng)結(jié)晶性以及BMI 高熔點不溶于丙酮等因素造成覆銅板加工工藝上的難題，同時經(jīng)改性的BT樹脂制備的覆銅板具有較好的韌性和耐熱性、介電性能等。孫*[15]使用間苯二甲酸二烯丙酯（DAIP）作為改性劑對雙馬來酰亞胺三嗪(BT)樹脂進(jìn)行改性，制備了一系列DAIP 改性BT樹脂并用改性BT 樹脂制備玻璃纖維布層壓復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)DAIP 的引入改善了BT 樹脂的粘性，提供Tg、降低介電常數(shù)；制備的玻纖布復(fù)合材料具有很好的力學(xué)性能、介電性能、熱性能和耐濕熱性能等。為增韌陳*[16]合成了一種烯丙基苯并惡嗪，并用其改性BT 樹脂，經(jīng)固化后復(fù)合材料韌性得明顯改善。

3.3 低介電樹脂改性BT 樹脂復(fù)合封裝基板材料

BT 樹脂有結(jié)構(gòu)對稱等特點分子極性較小，因而其具有較低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗；但在一些高端高頻高速信號傳輸?shù)姆庋b載板應(yīng)用中BT 樹脂的介電性能就顯得有一點力不從心。聚苯醚樹脂(PPO)及碳?xì)錁渲欠肿訕O性極低，具有非常低的介電常數(shù)（Dk：2.45）和介質(zhì)損耗（Df：0.0007）；同時聚苯醚的苯醚鍵結(jié)構(gòu)具兼顧剛性又兼顧韌性，是一種BT 樹脂較佳的改性劑。張**[17]研制出了雙烯封端棒狀酰亞胺，另用PPO 改性BT 樹脂制得低介電常數(shù)的BT/玻璃布覆銅板其介電常數(shù)可小到3.6( 1MHz),厚度方向膨脹系數(shù)為4.07 *10-5/℃。劉*[18]采用PPO 改性BT 樹脂體系制備了介電常數(shù)為2.76( 1MHz) 損耗正切為0.0025(IMHz) 的改性體系; 且PPO 是以分散相形式存在于體系中;改性后的BT 樹脂其DMA曲線表現(xiàn)出Tg 現(xiàn)象; 電鏡結(jié)果表明改性BT 樹脂與玻璃纖維之間具有較好的界面粘結(jié)能力。

4 其他有機(jī)樹脂復(fù)合封裝基板材料

封裝基板材料對各項性能的需求越來越豐富，開發(fā)者們也在利用各種技術(shù)途徑來滿足封裝基板材料。為滿足封裝基材的導(dǎo)熱性能的需求，趙**[19]將經(jīng)過改性的的氮化硼微粒（BN-CTAB)填充雙馬來酰亞胺-三嗪樹脂制備了BT/BN-CTAB 導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料，引入氮化硼微粒不僅提升了材料的導(dǎo)熱性能而且還提升了材料的耐熱性。為避開BT 樹脂的復(fù)雜預(yù)聚工藝，馮**[20]合成了一種新型聚酰亞胺樹脂體并在封裝基板中試用，在耐熱性和CTE 等級上都與外國開發(fā)產(chǎn)品持平。嚴(yán)**[21]以4，4 一二苯甲烷雙馬來酰亞胺、二氨基二苯甲烷、環(huán)氧樹脂為主要原料合成性能優(yōu)良的改性聚酰亞胺樹脂體系；以此樹脂為基體，以芳酰胺無紡布為增強(qiáng)材料制作覆銅板；該板材具有玻璃化溫度高、熱膨脹系數(shù)小、介電常數(shù)低等優(yōu)異的綜合性能，可滿足制作封裝用印制線路板技術(shù)要求。為制備較低CTE 的封裝基板，張**[22]采用低膨脹系數(shù)的BT 樹脂搭配石英玻纖布制備覆銅板，利用石英玻纖布的低膨脹系數(shù)及低的介電性能制備出介電性能優(yōu)異、膨脹系數(shù)低的封裝基板材料。為滿足載板的超細(xì)布線及高密走線，日本味之素公司開發(fā)了一種改性環(huán)氧ABF 膜搭配超薄封裝基板制備了超薄高密度HDI 板，能實現(xiàn)超薄銅其表面高密度布線，解決了信號線路布線不足的問題。國內(nèi)華正新材也開發(fā)一款類似性能的CBF 膜，并在各載板加工廠評估試用，取得了很好的效果。

5 展望

封裝基板材料多種多樣但它們的開發(fā)路徑都是圍繞著封裝基板發(fā)展趨勢要求進(jìn)行，單一的材料很難滿足IC 封裝載板用基板需求；充分融合各功能材料的性能優(yōu)勢制備出多功能的復(fù)合封裝基板材料將長時間是材料開發(fā)人員工作的重點。封裝基板材料的開發(fā)離不開下游客戶的支持，上下游聯(lián)動方能跟上這個快速更新的電子信息時代

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