IC 封装载板用有机复合基板材料研究进展
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陈忠红 任英杰 王亮 陈佳 周蓓 刘国兵 谢志敏
（浙江华正新材料股份有限公司）
摘要：
有机复合基板材料在电子封装中主要起到半导体芯片支撑、散热、保护、绝缘及与外电路互连的作用。随着电子产品高速化、高性能化、小型化、低成本化以及先进封装技术的不断出现和高密度封装基板的发展需求，对封装基板材料提出了更高的性能要求，包括高弯曲模量、高玻璃化转变温度、高热分解温度、低的热膨胀系数、高电绝缘性、高的导热等性能。本文综述了各种改性树脂制备IC 封装载板有机复合基板材料研究进展。
1 引言
电子产品发展日新月异，离不开芯片封装技术的快速进步；封装基板材料作为IC 载板的关键原材料一直都是技术开发的重要方向。IC 芯片集成度的发展仍基本遵循著名的Moore 定律[1-4]，致使数字网络时代电子设备向微型、轻质、超薄、高性能发展，为匹配这趋势；小型、细引脚节距、立体化、高频高速、大功率密度等成为电子封装发展方向。电子封装技术也从DIP、PGA、QFP 等初级水平向微系统叠层三维封装、叠层MCM、BGA、模块叠层三维封装、芯片叠层三维封装等方向推进。
基板材料在整个电子封装领域有着极其重要的地位。基板主要起到为芯片及元器件提供机械支撑保护、散热及绝缘等重要作用，其性能的好坏影响着IC 制造水平的高低[5]。高频高速化是电子封装技术的发展方向，其导致芯片及其封装结构的整体尺寸越来越小，局部热量积累的现象更加严重，这就给电子封装用基板材料提出了更加苛刻的要求。为了保障电子元器件持续稳定地高效运行，电子封装用基板材料应当具备以下几点性能[6,7]：1
（1）高的机械强度：基板起到搭载支撑元器件的作用，其较高的机械性能是元器件能够稳定持续工作的外部保障；如弯曲模量达28Gpa 以上。
（2）良好的加工性：基板需要加工成所需的各种形状，特别是多层超薄HDI 加工，所以加工性能对于基板材料也极为关键；
（3）热膨胀系数与连接材料相匹配：与基板连接的材料基本上指的是硅。两者间若热膨胀系数差别太大容易诱发界面结合失效；如CTE-XY<13ppm。
（4）高热导率：基板材料承担着散热的角色，所以需要高的热导率来加快热量的扩散；
（5）易金属化：印刷的电路图案在基板上的附着力要足够强，避免脱落；剥离强度需达0.7N/mm 以上。
（6）较低的介电常数及介电损耗：高介电常数容易导致信号延迟；
（7）高绝缘性：基板应能保证部分的电绝缘作用；
（8）吸湿率低，化学稳定性优良；
（9）价格低廉，利于大规模生产。
理想很丰满现实很骨感，现实应用同时满足以上要求难之又难。最早工程师因陶瓷基板具有化学稳定性高，机械强度高，导热系数高，热膨胀系数小选用其作为电子封装基板材料。但其热膨胀系数和Si 的差异较大、制作成本高且某些剧毒性、同时难加工难金属化都限制了其发展。有机树脂基板因为其易加工、成本低、轻质化等优异性能成为了陶瓷基板的代替选项，但其热稳定差、导热低、热膨胀系数偏大也使其走得很长远。有机复合基板材料很好的复合了无机材料的优点和有机材料的优点而成为封装载板基板材料的热门选择。本文将从有机复合基板材料的树脂改性、填料、玻纤布、应用等方面综述有机复合基板材料的发展。
2 环氧树脂复合封装基板材料
环氧树脂/玻璃玻纤布复合基板因其成本低、加工性优良、良好的尺寸稳定性和粘结性很早就在封装载板基板材料中得到应用[8]。为了克服环氧树脂耐热性不足和热膨胀系数偏高及导热能力不足等问题环氧树脂复合封装基板通过复合环氧树脂及功能性填料的优异性能使基板向多功能化方向发展。日本日立化成工业株式会开发了一种低热膨胀系数高弹性模量的环氧树脂封装用基板材料[9]。它在树脂配方中，采用了一种新型工艺技术，借助于种特有的界面处理形式，使填料与树脂间可实现高比例分散，获得以往制造技术难以达到的高填料比的设计目标。该基材具有以下优良特性：①在X，Y 方向的热膨胀系数低于10-20ppm/℃(为传统FR-4 板的60—80％)；②具有高弹性模量(为传统的FR-4 板的1.3-1.5 倍)；③高表面硬度(为传统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；同时还具备优良的耐热性，PCT 处理后能承受T288/5h 耐热处理。该基材很好的复合了环氧与功能填料优异性能，实现了材料性能质的提升。除了使用高填料比方案，选用高刚性环氧树脂高玻璃转变固化剂也是制备封装基板材料的方向；覆铜板资讯张*[10]译了一种低翘曲度、吸湿耐热性好的PCB 基材，该基材使用高刚性萘型环氧树脂作为主体树脂，用萘型酚醛固化，再使用环氧改性丙烯酸树脂增韧复合功能化改性SiO2 填料改善热膨胀系；最终制备出翘曲度为480um~485um; 热膨胀系数CTE 为7.0~7.2ppm/℃,低吸湿的封装基材材料。封装基板材料除在树脂上做文章也可在填料上进行探索；吴*[11]等人为解决环氧树脂导热低及介电常数高的问题，使用高温烧结技术制备了不同孔隙率的Al2O3网状多孔陶瓷，并将其加入环氧树脂基体中，使复合材料导热率达到了1.598 W/m·K；为降低环氧树脂的介电常数又在环氧树脂基体中引入中空玻璃微珠骨架填料使复合材料的介电常数降低到3.0，以上研究可在封装基材有一定的应用前景。
环氧树脂复合封装基材未来开发方向将紧跟封装技术变动而动，高模量、低翘起、低介电常数、高玻璃转变温度、低CTE、高表面光滑度等。
3 BT 树脂及改性BT 树脂复合封装基板材料
双马来酰亚胺三嗪（BT）树脂具高的耐热性、较低热膨胀系数、低吸水率、较低的介电常数及介质损耗等性能成为环氧复合材料外应用于封装基板争相追捧的材料。BT 树脂复合封装基板材料应用最成功的属日本三菱瓦斯化学公司(MGC)，其开发的BT 基板大量的应用于封装基板。但由于其技术难模仿及独立开发难度较大，需要一些路径来实现BT树脂在封装基板材料中更广泛的应用。改性BT 树脂获得一种“类BT”树脂系列的树脂组合物成为开发的热门方向。
3.1 环氧改性BT 树脂复合封装基板材料
BT 树脂虽然有着许多优异性能，但由于其自身结构易结晶及交联密度较高也有导致其溶解性差及韧性差的问题。环氧树脂对BT 树脂相容性好、粘度低，可溶于低沸点溶剂，能降低固化温度及时间，提高韧性、加工工艺性、耐湿热性，还改善对玻璃纤维的浸润性，提高了对铜箔的粘接强度，降低成本等。粟**[12]分别采用联苯苯酚型环氧和邻甲酚醛型环氧与增容改性树脂(类BT 树脂)制备了覆铜板材料，经改性较好的改善了预浸料相容性问题，同时制备覆铜板具有较低的CTE，同时Tg 达到了高Tg 封装基板水平。李**[13]在增容改性氰酸酯/双马来酰亚胺的基础上引入低粘度环氧组分,构成了增容改性的氰酸酯/双马来酰亚胺/环氧体系(三元树脂体系)。发现制备的覆铜基板很好的保持了原有的耐热性，同时介电性能下降较小。
3.2 增韧化合物改性BT 树脂复合封装基板材料
双马来酰亚胺三嗪（BT）树脂使用双马来酰亚胺（BMI）和氰酸酯CE 共聚交联而成，由于BT树脂固化交联密度极高，具有很高的玻璃化转变温度（Tg）。交联密度高必定带来材料偏脆的缺点，为了改善BT 树脂脆性的缺陷，起初使用技术员们使用环氧改性增韧，但这会或多或少的导致BT 树脂体系Tg 降低。后来技术员发现使用烯丙基化合物改性BT 树脂不仅可以改善BT 树脂的韧性，同时还不会降低BT 树脂体系的Tg。王*[14]采用二烯丙基双酚A(DBA )为改性剂制备了改性BT 树脂解决了由于氰酸酯及双马来酰亚胺（BMI）强结晶性以及BMI 高熔点不溶于丙酮等因素造成覆铜板加工工艺上的难题，同时经改性的BT树脂制备的覆铜板具有较好的韧性和耐热性、介电性能等。孙*[15]使用间苯二甲酸二烯丙酯（DAIP）作为改性剂对双马来酰亚胺三嗪(BT)树脂进行改性，制备了一系列DAIP 改性BT树脂并用改性BT 树脂制备玻璃纤维布层压复合材料，发现DAIP 的引入改善了BT 树脂的粘性，提供Tg、降低介电常数；制备的玻纤布复合材料具有很好的力学性能、介电性能、热性能和耐湿热性能等。为增韧陈*[16]合成了一种烯丙基苯并恶嗪，并用其改性BT 树脂，经固化后复合材料韧性得明显改善。
3.3 低介电树脂改性BT 树脂复合封装基板材料
BT 树脂有结构对称等特点分子极性较小，因而其具有较低的介电常数和介质损耗；但在一些高端高频高速信号传输的封装载板应用中BT 树脂的介电性能就显得有一点力不从心。聚苯醚树脂(PPO)及碳氢树脂是分子极性极低，具有非常低的介电常数（Dk：2.45）和介质损耗（Df：0.0007）；同时聚苯醚的苯醚键结构具兼顾刚性又兼顾韧性，是一种BT 树脂较佳的改性剂。张**[17]研制出了双烯封端棒状酰亚胺，另用PPO 改性BT 树脂制得低介电常数的BT/玻璃布覆铜板其介电常数可小到3.6( 1MHz),厚度方向膨胀系数为4.07 *10-5/℃。刘*[18]采用PPO 改性BT 树脂体系制备了介电常数为2.76( 1MHz) 损耗正切为0.0025(IMHz) 的改性体系; 且PPO 是以分散相形式存在于体系中;改性后的BT 树脂其DMA曲线表现出Tg 现象; 电镜结果表明改性BT 树脂与玻璃纤维之间具有较好的界面粘结能力。
4 其他有机树脂复合封装基板材料
封装基板材料对各项性能的需求越来越丰富，开发者们也在利用各种技术途径来满足封装基板材料。为满足封装基材的导热性能的需求，赵**[19]将经过改性的的氮化硼微粒（BN-CTAB)填充双马来酰亚胺-三嗪树脂制备了BT/BN-CTAB 导热绝缘复合材料，引入氮化硼微粒不仅提升了材料的导热性能而且还提升了材料的耐热性。为避开BT 树脂的复杂预聚工艺，冯**[20]合成了一种新型聚酰亚胺树脂体并在封装基板中试用，在耐热性和CTE 等级上都与外国开发产品持平。严**[21]以4，4 一二苯甲烷双马来酰亚胺、二氨基二苯甲烷、环氧树脂为主要原料合成性能优良的改性聚酰亚胺树脂体系；以此树脂为基体，以芳酰胺无纺布为增强材料制作覆铜板；该板材具有玻璃化温度高、热膨胀系数小、介电常数低等优异的综合性能，可满足制作封装用印制线路板技术要求。为制备较低CTE 的封装基板，张**[22]采用低膨胀系数的BT 树脂搭配石英玻纤布制备覆铜板，利用石英玻纤布的低膨胀系数及低的介电性能制备出介电性能优异、膨胀系数低的封装基板材料。为满足载板的超细布线及高密走线，日本味之素公司开发了一种改性环氧ABF 膜搭配超薄封装基板制备了超薄高密度HDI 板，能实现超薄铜其表面高密度布线，解决了信号线路布线不足的问题。国内华正新材也开发一款类似性能的CBF 膜，并在各载板加工厂评估试用，取得了很好的效果。
5 展望
封装基板材料多种多样但它们的开发路径都是围绕着封装基板发展趋势要求进行，单一的材料很难满足IC 封装载板用基板需求；充分融合各功能材料的性能优势制备出多功能的复合封装基板材料将长时间是材料开发人员工作的重点。封装基板材料的开发离不开下游客户的支持，上下游联动方能跟上这个快速更新的电子信息时代
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