微电子封装材料的最新进展

趋势与展望

Outlook and Future

微电子封装材料的最新进展

陈军君, 傅岳鹏, 田民波

(清华大学材料科学与工程系, 北京100084)

摘要:总结了目前几类关键封装材料的发展现状, 包括积层多层板、挠性板、无铅焊料、电子浆料等, 指出了发展中存在的主要问题, 并对国内外的生产研发情况和未来的发展趋势进行了概述。指出积层多层板和挠性板适应未来三维形式的封装, 是21世纪基板材料的主流, 其技术走向是进一步简化工艺和降低成本; 无铅焊料满足环保要求, 但现在成本仍偏高; 导电胶可能将成为替代焊接技术的新型低温连接材料。

关键词:封装材料; 积层多层板; 挠性板; 无铅焊料; 导电胶

中图分类号:TN604 文献标识码:A 文章编号:1003-353X (2008) 03-0185-05

Recent Development of Micro Electronic Packaging Materials

Chen Junjun, Fu Yuepeng, Tian Minbo

(De p a rtment of Materials Science and Engineering , T sin ghua University , Beijing 100084, China)

Abstract:The recent situation of researching and making of key packaging materials are summarized, including B UM, FPC, lead -free solder, ACA etc. The problems of development and trend in future are given. B UM and FPC will be main substitute materials in the 21st century to fit three -dimensional packaging and the technology will be simpler and cheaper. Lead -free solder accords with environmentalism, but its c ost remains high. Electric glue will be a new connection material to replace solder at low temperature.

Key words:packaging materials; B UM; FPC; lead -free solder; AC A EEAC C:0560

0 引言

现代微电子产业逐渐演变为设计、制造和封装

三个独立产业。在国内, 封装业是微电子产业的支柱, 多年来封装销售额连续占有微电子总产值40%~60%的份额。

封装承接集成电路的制作, 保护IC 芯片, 并提供元器件间的信号传递, 完成电子产品的最终物理实现[1]。现代电子产品越来越趋于轻、薄、短、小, 相应推动了封装小型化的发展, 球栅阵列封装(B GA) 、芯片尺寸封装(CSP) 等技术成为目前先进封装形式的主流, 各种新型封装结构层出不穷[2](图1) 。一代芯片、封装、材料, 每种封装结构都要求有相应的封装材料, 如新一代高性能电路的

基金项目:国家/8630计划引导项目(2002AA001013) Ma rch 2008

I/O端子高达数千, 必须采用平面阵列的封装形式将信号引出, 平面阵列封装则必然要使用高密度布线的基板材料。封装结构能否实现高性能、低成本, 从而占领市场, 封装材料起着决定性作用。本文将分析几类关键封装材料的最新现状和发展趋势, 目前以倒装芯片形式的CSP 和三维形状的BGA

为主。

图1 封装技术的发展趋势Fig 11 Trend of packaging technology

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1 Build -up 基板

基板材料是封装的主材料之一。当前B GA 、CSP 等主流封装形式中, 芯片、R 、C 、L 等元器件趋向于超小型化和多引脚, 引脚节距急剧缩小, 这就要求搭载基板与之配合, 实现基板结构的多层化、高密度布线等。积层法多层(B UM) 印制电路板满足了上述要求, 将是本世纪印制板业的主导产品。

积层多层板技术已历经十多年发展, 其制作方法、结构形式及性能指标都趋于成熟。目前应用的BUM, 其积层材料主要采用玻纤环氧树脂板材(FR-4) , 积层工艺采用电镀通孔方式, 以FR -4为芯板, 形成通孔, 埋孔并电镀, 再填埋树脂, 随后涂积层树脂埋没孔, 多余部分经研磨除去, 然后再积层, 如此循环往复, 使绝缘层、导体层和层间连接导体一层一层顺序堆积, 构成积层印制板, 获得多层化、高密度的导体布线图形。

这种电镀埋孔方式的积层材料主要有涂树脂铜箔(RCC) 、热固性树脂、感光性树脂三大类。目前又开发出非电镀法积层的B UM, 如松下电子的聚酰亚胺和铜浆料积层的任意层内互连孔结构(ALIVH) 、东芝公司开发的印刷焊料凸点用于层间互联的预埋凸块互连技术(buriedbump Interconnec -tion technology B I T) 等。

BUM 由于需要多次积层, 反复压合、固化和布线, 整体工艺偏难, 封装精度也有一定限制, 最新的发展趋势是进一步降低成本, 提高封装密度和精度。最近日本C MK 等公司在这方面有了新的突破, 一改以往多次积层才能成型的工艺, 创立出一次性层压的新工艺。这种技术的关键是以可回收的热塑性树脂薄膜作为基材, 在通孔成形时具有优异的可加工性, 只需将各自带布线图形的热塑性树脂层压合一次即可成型, 因而简化了工艺流程, 降低了由于多次积层产生的封装误差和整体工艺难度, 极大地提高了产品的可靠性, 将加速B UM 的发展和三维封装的进程。

图2给出了日本三大PCB 厂家之一C MK 公司生产的最新积层多层板, 包括一次层压型积层板。由图可知, 一次层压技术正趋成熟, 所生产的基板结构均匀、层次明显。

积层多层板中,

积层步骤得以完成的支撑基础186 半导体技术第33卷第3期

(e) 一次层压型多层板

2

[3]

(a)

任意层内互连孔结构基板

(b) 环氧树脂-

芳酰胺纤维无纺布多层板

(c) 半固化片-

积层多层板

(d)

刚挠性多层板

图2 日本C MK 公司最新生产的积层多层板

Fig 12 Recent BUM made by C MK company in Japan

材料是可印刷涂敷的液态绝缘材料, 目前通常采用聚酰亚胺树脂。由有机芳香族四酸二酐和有机芳香族二胺在有机溶液中通过缩合反应, 首先生成聚酰亚胺的前置体) ) ) 聚酰胺酸树脂。与聚酰亚胺不同, 聚酰胺酸树脂通常可以溶解在非质子强极性有机溶液中, 因此可将聚酰胺酸溶液涂敷成膜, 然后经加热固化使聚酰胺酸转化为固态的聚酰亚胺, 形成聚合物绝缘介质薄膜层。除了采用聚酰亚胺的基板材料外, Gore 层压型基板也是未来一大发展趋势, 它采用非编织的聚四氟乙烯材料, 性能更为优

2008年3月

越, 将是build -up 基板材料的重要补充。但聚四氟乙烯材料与较成熟的聚酰亚胺材料相比, 还在进一步开发完善之中。

国、韩国等国家和中国台湾地区。我国大陆地区挠性板的研发起步不久, 深圳丹邦、湖北化学所、江

西一家等少数单位取得了一些进展。

2 挠性板材料

一般印制线路板多指刚性板。与刚性相对, 挠性电路互连技术具有轻、薄、可挠曲等特点, 满足了三维组装的需求, 特别适用于便携式电子产品和无线通讯市场。挠性板(FPC)作为B GA 和CSP 封装的基材, 最初是单面挠性板, 现在发展到双面、多层乃至刚-挠性板等, 在线路微细化、轻量化、薄型化、高散热性需求的驱动下, 已大量用于便携式电子产品中高密度、多I/O 数的封装。

挠性板的最新应用领域主要有高密度显示器、光电子封装、射频仪器、COF 封装(图3) 、COG 封装、高速设备的连接器及需要控制特征阻抗的电路。对于电路需要完全变形(液晶驱动电路、喷墨打印机等) 或使用中不断运动的产品(翻盖手机、PDA 、DV 监视器等) , 挠性板不可取代, 如一台笔记本电脑至少需用4~6块挠性板, 包括LCD 面板连接、CD -ROM 连接主板、软盘连接主板、硬盘连接主板、开关连接主板和键盘连接主板等。近两年在笔记本电脑、手机和液晶显示器的挠性板市场增长尤为引人注目, 2006年挠性板已占据近50%的

基板市场份额。

图5 多层挠性板截面图

Fig 15 Cross section of multilayer FPC

图4 挠性单面、双面和刚挠性板材结构

Fig 14 Structure of single -side, double -side and flexible -rigid

in flexible printed

circuit

3 无铅焊料

BGA 、CSP 等新型封装形式普遍采用表面贴装技术(SMT) , 其中要用到大量的焊料。传统焊料中铅锡合金占主导地位, 伴随环保意识的增强, 欧盟WEEE 、Ro HS 等禁铅法令相继实施。我国的5电子信息产品污染防治管理办法6也规定自2006年7月1日起实行焊料无铅化, 严格的禁铅条例带来了封装业对于无铅焊料的更高要求。

至今已提出几百种无铅合金焊料, 经过各国实验对比, 认为较好的替代品为SnAgCu 、SnCu 、

图3 挠性板载芯片封装(COF) 截面图

Fi g 13 Cross section of C OF PC

SnAgInBi 、SnZnBi 等几类。目前的主流产品是SnAgCu 和SnCu 两大类, 占有无铅市场份额的80%以上。SnAgC u 焊料的优点是合金中弥散分布有微细的Ag 3Sn 和Cu 6Sn 5等金属间化合物强化相, 可实现优良的机械性能和高温稳定性; 与镀Pb 元器件兼容较好, 由熔Pb 引起的焊点剥离情况比其他无铅焊料少。主要缺点为熔点(约217e ) 比SnPb 共晶合金高, 浸润性比SnPb 焊料差。SnCu 焊料的优点是原料价格便宜; 慢冷时焊接表面的孔洞较少。缺点是熔点高, 浸润性较SnAgCu 焊料差, 耐高温性能较差, 与镀Pb 元器件兼容性差等。SnAg

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[4]

当前的挠性板先用低热膨胀系数、高平整度的聚酰亚胺(PI) 薄膜和优质铜箔通过适当的工艺复合制成覆铜板(单面板和双面板) , 再通过光刻技术制成PI 薄膜基板, 并支持基础材料包括电子级PI 膜、覆铜板、覆盖膜、低温固化型PI 阻焊油墨、感光性PI 阻焊油墨、热固化胶薄膜、新型各向异性导电油墨(ACI) 、低温固化耐高温的瞬间固化绝缘封装胶NCP 等材料, 如图4、5所示。

目前全球挠性板生产商主要集中在日本、美

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焊料具有优良的高温稳定性和可操作性, 添加In 、Bi 可大幅降低熔点(208~212e ) 。主要缺点为金属In 价格昂贵, 与镀Pb 元器件兼容性差等。SnZn 焊料的优点是熔点与SnPb 焊料最接近(190~197e ) , 原料价格便宜, 连接强度高等。SnZn 焊

料在欧美已经实用化, 日本厂家则通过改良焊剂, 在大气中钎焊, 达到不亚于SnPb 焊料的封装效果。缺点是Zn 较活泼, 易氧化腐蚀, 必须在氮气中进行回流焊, 此外浸润性极差。最新发展的无铅焊料是SnCuNi 体系[5](表1所示) 。

表1 目前主要无铅焊料的性能对比

Tab 11 Perfo rmance of recent l ead -free solder

合金组成/%Sn 3Ag 015Cu Sn 315Ag 0175Cu Sn 315Ag Sn 215AgBi 015Cu Sn 8Zn 3Bi Sn 319Ag 016Cu Sn 5Sb Sn 017Cu 011Ni

热膨胀系数/@10-6

[***********])

密度/(g#cm -3)

[***********]714714

熔点/e 216~220217~219221214~221187~197217~220183~224227~229

连接强度/(N #mm -2)

[**************]3

收缩率/%

[**************]8

浸润性/%

[**************]8

与SnPb 焊料相比, 无铅焊料仍存在浸润性差、熔点高、金属融解速度快三大弱点。今后无铅焊料

的前沿课题是降低熔点、提高浸润性以及可焊性与可靠性相关焊接工艺的研究。希望新焊料的回流温

度增加不多, 尽量可以共享现有的工艺设备。另外由于焊料的用量惊人, 需考虑成本, 希望不要掺杂比例太高的贵金属造成焊料及电子产品整体价格的提高。铅的替代金属价格见表2。

表2 铅的替代金属世界年产量及价格

Tab 12 Ou tput and co st of metals to replace l ead

金属元素产量/t 容量/t 差量/t 相对Pb 成本

Sn [***********]14

A g [**************]12

Cu [***********]0000215

Zn [***********]00113

Bi [**************]

In 80~[1**********]4

Sb [***********]2

目前世界上能提供无铅焊料的公司包括Alpha Metals 、Heraeus Silica &Metals 、Indium 和Litton Kester 等。我国在该领域起步较晚, 但已引起各界高度重视, 如有色金属研究总院康普锡威、合肥精通科技、深圳亿诚达、绍兴天龙锡业、霸州邦壮等单位正在研究或生产无铅焊球。

子浆料是导电胶粘剂, 通过在有机聚合物基体中添加导电填料, 获得与焊料一样的导电和连接功能。使用导电胶可避免焊接高温, 其工艺简单, 且导电胶的密度仅为焊料的1/2~1/3, 虽然单位重量导电胶价格比焊料高, 但考虑工艺设备和密度差异, 总成本比焊料低。

正在发展的导电胶由预聚体、稀释剂、交联剂、催化剂、金属粉末和其他添加剂组成。体系在储存条件下具有流动性, 通过加热或其他方式固化而形成一定强度的连接。导电胶可分为各向同性导电胶(ICA) 、各向异性导电胶(AC A) 和芯片粘接剂(die attach adhesive) 。IC A 在各个方向导电能力基本一致; 而AC A 只在Z 方向导电, 在X 、Y 方

2008年3月

4 电子浆料

传统SnPb 焊料已逐渐被无铅焊料取代, 但无铅焊料熔点较高, 实施无铅化技术对电路板和芯片的耐热性提出了更高要求, 相应提高了总体成本。因此, 研制取代传统焊接的新型连接材料成为微互联技术领域的热点。目前最有望取代焊料的新型电188 半导体技术第33卷第3期

向上电阻很大或几乎不导电; 芯片粘接剂则作为固定芯片、导电或导热用。AC A 的特性能提高微互联精密度, 适应三维封装, 发展潜力最大。当前实用化的AC A 有两种:薄片、粘结膜形态呈现的各向异性导电膜(ACF)和膏状形态呈现的各向异性导电胶(ACP) 。

AC A 的原理是将镀金属的树脂粒子(或金属粒子、熔融金属粉等导电性微粒) 分散于树脂绝缘热压胶中制成的一种特殊薄膜, 在外包覆一层绝缘保护膜(图6)

。

IC/FPC(图3) , COG 键接IC/LCD(图9) 等。COG 键接是通过AC A 实现裸芯片直接搭载于玻璃基板上,

用于液晶显示器。

图9 玻璃基板载芯片封装截面图Fig 19 Chip on glass usi ng ACA

5 结语

日本和美国是研发和应用AC A 最早、规模最大的地区, 如日立、住友、索尼、3M 公司都在竞相研制粘结性优异、可低温(140e 以下) 快速固化、可靠性高、贮存稳定、易修复的ACF 和ACP 。国内上海合成树脂等少数单位在从事导电胶方面的研制、生产与销售。低温甚至室温连接是未来连接材料的发展趋势, 导电胶这一新固化方式材料的出

现将推动这一进程。

图6 各向异性导电膜结构Fig 16 Structure of ACF

导电微粒从内到外由有机聚合物小球、镀镍层和镀金层构成(图7) 。当在Z 方向施加压力时, 导电微粒的金属表面层相互接触而导电(图8)

。

图7 导电微粒结构

Fig 17 Structure of conductive

particle

作者简介:

图8 各向异性导电胶封装示意Fig 18 Schematic diagram of ACA packaging

陈军君(1982) ) , 男, 湖南洪江人, 硕士, 研究方向为多层基板、硅微粉材料;

ACA 各向异性和重量较轻的特性极适合于精细间距线路的互连, 平板显示器包括LCD 、PDP 等显示元器件电极的连接。倒装芯片和精细间距表面的互连等, 对难粘或低温基材、温度敏感元件的连接效果也很好, 例如带载自动键合(TAB)键接输出设备TC P/PCB, TAB 键接输入设备TCP/LCD,PDP 键接FPC/PDP, COB 键接IC/PCB, COF 键接

Ma rch 2008

傅岳鹏(1984) ) , 男, 深圳人, 硕士, 研究方向为电子浆料、各向异性导电胶;

田民波(1945) ) , 男, 河北安新人, 教授, 研究领域为电子封装材料和显示材料。

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