先进电子封装用 聚合物材料研究进展 杨士勇 主任/研究员 高技术材料实验室 2010全国半导体器件技术研讨会，杭州，2010.07.16 杨士勇 主任/研究员 中国科学院化学研究所 高技术材料实验室 Tel： 010－62564819 E-mail: shiyang@iccas.ac.cn

报告内容 二、高性能环氧塑封材料 三、液体环氧底填料 四、聚合物层间介质材料 五、多层高密度封装基板材料 六、光波导介质材料 结束语 一、电子封装技术对封装材料的需求 二、高性能环氧塑封材料 三、液体环氧底填料 四、聚合物层间介质材料 五、多层高密度封装基板材料 六、光波导介质材料 结束语

微电子封装技术--发展现状与趋势 05’s 00’s 90’s 80’s 60-70’S MCM/SiP BGA/CSP PGA/BGA 小型化 轻薄化 高性能化 多功能化 高可靠性 低成本 QFP 90’s DIP 80’s 60-70’S

Future Assembly Technology 微电子封装技术-发展现状与趋势 3D CSP System In Package FC BGA Stacked PTP High Speed / High Integration EBGA PBGA TBGA Stacked FBGA Future Assembly Technology 3 stacked BGA Stacked CSP Near Future VFBGA QFP BOC LQFP Wafer　Level CSP mBGA QFN BCC FPBGA Miniaturization SOIC TSOP Current

微电/光子混合封装技术

聚合物封装材料的重要作用 This is a typical application of polyimide materials in the microelectronic packaging. With the rapid advance in microelectronics manufacturing and packaging technology, more severe requirements for polyimide materials were taken.

1、高性能环氧塑封材料 关 键 性 封 装 材 料 2、层间介电绝缘材料 3、高密度多层封装基板 4、光波传导介质材料 5、导电/热粘结材料 . . . . . .

重要的聚合物材料 1、功能性环氧树脂 2、高性能聚酰亚胺 3、特种有机硅树脂 4、光敏性BCB树脂 5、高性能氰酸酯树脂 … …

聚合物封装材料的性能需求 9H: 9L: High Thermal Stability High Dimensional Stability High Tgs High Mechanical Properties High Electrical Insulating High Chemical Purity High Optical Transparency High Solubility High Adhesive 9L: Low Viscosity Low Curing Temperature Low Dielectric Constant Low Thermal Expansion Low Moisture Absorption Low Stress Low Ion Contents Low Price Low Shrinkage

二、高性能环氧模塑材料 1、本征阻燃化：无毒无害 2、耐高温化：260-280 oC 3、工艺简单化: 低成本、易加工

环氧塑封材料的无卤阻燃化 WEEE & RoHS 环氧树脂 的阻燃性 不利 火灾疏散 救援工作 燃烧 有毒气体 大量烟尘

实现环氧塑封材料无卤阻燃的途径 金属 氢氧化物 本征 阻燃体系 无卤阻燃 含氮 阻燃体系 含磷 阻燃体系 含硅 阻燃体系

本征阻燃性环氧塑封材料 FBN FBE 玻璃化 温度 介电常数 吸水率 650℃ 残炭in N2 FBE/FBN 151℃ 3.8 0.27 55.8％ PBE/PBN 129℃ 4.2 0.36 32.7％ 极限氧指数 UL-94 37.6 V-0 35.9 V-1

本征阻燃性环氧塑封材料 样品尺寸：φ50*3 mm 测试条件：沸水中浸泡8小时 Water uptake % SiO2 % F series B series 80% 0.13 0.14 81% 0.12 83% 0.08 0.11 85% 0.07 0.10 样品尺寸：φ50*3 mm 测试条件：沸水中浸泡8小时

本征阻燃性环氧树脂的阻燃机理 主链中含有联苯结构和苯撑结构的酚醛型环氧树脂和酚醛型环氧固化剂在固化反应后形成了高度阻燃的网络结构，其阻燃性主要归功于在高温下的低弹性和高抗分解性导致燃烧时形成稳定的泡沫层。泡沫层主要由树脂体，炭和分解时产生的挥发性物质构成，有效地阻隔了热传递。

最近研制无卤阻燃塑封料的性能 性能 单位 指标 粘度 Pas 40 螺旋流动长度 175 oC/cm 112 弯曲强度 MPa 145 弯曲模量 GPa 27 玻璃化温度 oC 155 CTE1 ppm/ oC 8.2 CTE2 28.1 阻燃 （无卤阻燃） UL-94 V-0 t1+t2(s) 1.2 3.5 1.1 4.3 tf(s) 11.3

高耐热PI塑封材料 注射温度：360 oC 注射压力：150 MPa 模具温度：150 oC 拉伸强度 MPa 拉伸模量 GPa 断裂伸长率 % 弯曲强度 弯曲模量 注塑件 100 2.9 50 142 3.2 模压件 99 3.0 7.4 152 3.4 薄 膜 108 2.3 -

三、液体环氧底填料

Underfill 的作用: 1) 增强机械稳定性 2) 降低CTE及内应力 3) 防尘防潮防污染

环氧底填料的填充工艺 1、毛细管流动型填充工艺 a) 标准毛细管流动填充 2、非流动型填充工艺 3、模压填充工艺 4、圆片级填充工艺 b) 真空辅助毛细管填充 c) 加压辅助毛细管填充 d) 重力辅助毛细管填充 2、非流动型填充工艺 3、模压填充工艺 4、圆片级填充工艺 在工艺上，如何将Underfill填充到芯片与沉底之间的间隙中存在着许多困难。近年来，出现了许多填充工艺，包括….. 其中，毛细管流动型填充和非流动型填充成为逐渐成熟的技术，并形成一定规模的产业化，而模压填充与圆片级填充也是近年来的新技术，值得加以重视。值得指出的是，无论哪种填充工艺，都对underfill具有各自不同的、特殊的要求，因此材料成为核心技术。 环氧底填料成为工艺成败的关键因素

典型Underfill材料的性能 1、粘度：4000-5000 mPa.s (25 oC) 2、玻璃化温度：150 ℃ 3、热膨胀系数： 20 ppm/℃。 4、弯曲模量：9.5 GPa。 5、吸水率：0.8% (85℃/85RH/72h) 6、室温保存时间：13000-15000cps （25℃/16h） 7、低温保存时间：16000-18000cps （-40℃/6 months）

四、Low-k 层间介质材料 1、光敏聚酰亚胺树脂 2、光敏BCB树脂 3、光敏PBO树脂

聚酰亚胺材料的优异性能 耐高温/耐低温 抗高温湿热 尺寸稳定好 /抗蠕变 耐化学腐蚀 物理稳定性好 低CTE 吸潮率低 高电绝缘性 Polyimides 吸潮率低 高电绝缘性 击穿强度高 低介电常数 低介电损耗 宽频/高温稳定

聚酰亚胺在电子封装中的应用 1、芯片表面钝化保护； 2、多层互连结构的层间 介电绝缘层（ILD）； 3、凸点制作工艺 4、应力缓冲涂层； 5、多层封装基板制造

PI在FC-BGA/CSP中的典型应用

先进封装对PI材料的性能要求

PSPI树脂的发展趋势

PSPI树脂的光刻工艺 非光敏性PI树脂 光敏性PI树脂

化学所层间介质树脂的研究

国产正性PSPI树脂的光刻图形

光敏性苯并环丁烯(BCB)树脂

光敏性BCB树脂的化学过程

光敏性BCB树脂的光刻工艺

五、高密度封装基板 1、低介电常数与损耗 2、耐高温化：>260 oC 3、多层高密度化

先进聚合物封装基板 微孔连接 微细布线 多层布线 薄型化

封装基板对材料性能的要求 高韧性 高密度化 高Tg 无铅化 封装技术发展 低CTE 低介电常数 高速高频 低吸水率 综合性能优异 系统集成化 微细互联 多层化 薄型化 高韧性 高密度化 高Tg 封装技术发展 回流焊温度提高约30oC 液态经历时间延长 降温速率加快 无铅化 低CTE 低介电常数 高频信号 集肤效应 信号衰减 高速高频 低吸水率 综合性能优异 系统集成化 多类型系统混杂 植入无源有源器件 37

封装基板用基体树脂 环氧树脂 BT树脂 PI树脂 优点： 加工性能好 成本低 缺点： Tg低（~150oC） 韧性差 优点： 高力学性能 综合性能优异 缺点： 加工困难 38

高密度PI封装基板材料 优点： 1）耐高温: 可耐受无铅焊接温度 及耐受热冲击实验（240-270oC)； 2）力学性能高，尺寸稳定性好， 热膨胀系数小，翘曲度小，平 整性好； 3）化学稳定性好，可耐受电镀 液的侵蚀及其它化学品的腐蚀； 4）电性能优良，e, tand 低，高频 稳定； 5）本征性阻燃，不需要添加阻 燃剂，环境友好。 6）适于高密度互连（HDI）的 积层多层板（BUM）的基板。

高密度封装基板的性能 有芯板 无芯板 PI/Glass芯板 积层树脂 Tg，oC ≥260 介电常数 ≤4.4 ≤2.7 线宽，µm ≤17 有芯板 无芯板 PI/Glass芯板 积层树脂 Tg，oC ≥260 介电常数 ≤4.4 ≤2.7 线宽，µm ≤17 ≤3 线间距，µm ≤75/75 ≤15/15 层数 2~4 2 焊间距，mm ≤1.00 ≤0.18 PI无芯基材 积层树脂 Tg，oC ≥260 介电常数 ≤4.46 ≤2.7 线宽，µm ≤17 ≤3 线间距，µm ≤75/75 ≤15/15 层数 2~3 2 焊间距，mm 1.27~1.00 ≤0.18

代表性封装基板性能 测试依据 测试条件 类别 技术指标 热循环 JESD22-A104-B -55~125oC（B） 基板/芯片 ≥500次 -0~125oC（K） ≥700次 热冲击 JESD22-A106-A -55~125oC（C） 焊锡浸渍 IPC-TN-650 2.6.8 288oC，10Sec 基板 ≥5次 回流焊 255oC，Max.20 Sec ≥2次 高温储存 JESD22-A103-B 150oC ≥500小时 高湿热 JESD22-A101-B 85oC/85% RH 85oC/85% RH/5.5V

化学所PI封装基板树脂研究 热塑性聚酰亚胺 热固性聚酰亚胺 42 42

PI封装基板材料性能 性能 HTPI-3/EG HGPI-3/EG Tg，oC 288 299 T5，oC 488 474 CTE，ppm/oC 11,50 12,65 弯曲强度，MPa 730 604 弯曲模量，GPa 24.2 18.6 冲击强度，kJ/m2 54 59 介电常数，（1MHz） 4.3 4.2 介电损耗，（1MHz） 0.0069 0.0063 介电强度，kV/mm 29 25 体积电阻率，Ω·cm ~1016 表面电阻率，Ω 吸水率，% 0.60 0.53 剥离强度，N/mm 1.23 1.38 288oC热分层时间（CCL），min 16 >60

六、光波导介质材料

PI光波传导介质材料

PI光波传导材料的典型性能 PI d (μm) a nTE b nTM c nAV d Δn e εf PI-1 4.18 1.5684 1.5474 1.5614 0.0210 2.68 PI-2 4.27 1.5613 1.5475 1.5567 0.0138 2.67 PI-3 3.52 1.5558 1.5421 1.5512 0.0137 2.65 PI-4 4.99 1.5120 1.5021 1.5087 0.0099 2.50

结束语 微电子封装材料对微电子封装技术的发展具有重要的推动作用。但我国在该领域处于严重的落后状态，必须加强研究，以适应我国微电子封装技术快速发展的需求。

THANKS!