PCB用層間絕緣膜和高功能玻纖布

蔡積慶 譯

（江蘇 南京 210018）

1 PCB用層間絕緣膜

按照Moor法則，半導(dǎo)體的集成度在今后的18～24個月將會倍增。隨著半導(dǎo)體集成度的提高，成為芯片“托盤”的半導(dǎo)體封裝基板也要求形形色色的高功能化和高集成化。日本味の素ファィンテグ(株)于1998年上市銷售的薄膜狀層間絕緣材料“ABF（Ajinomoto Build-up Film）”，用作倒芯片安裝用的半導(dǎo)體封裝基板的層間絕緣材料。為了適應(yīng)半導(dǎo)體的高集成化，ABF還進(jìn)行了各種改良。諸如適應(yīng)微細(xì)線路形成的“低粗度化”，適應(yīng)高密度層間連接可靠性要求的“低CTE化”和適應(yīng)高頻的“低介質(zhì)損失化?！?/p>

1.1 ABF的基本構(gòu)成和使用方法

ABF是由基礎(chǔ)的PET（聚酯薄膜）（38 μm），以環(huán)氧樹脂等熱硬化性樹脂為主要成分的樹脂組成物和保護(hù)膜的OPP（單向拉伸聚丙烯薄膜）（15 μm）組成的3層構(gòu)造，如圖1所示。內(nèi)層板的基層使用專用的層壓機(jī)。進(jìn)行規(guī)定的熱固化以后，形成激光盲導(dǎo)通孔，采用去沾污和電鍍處理形成線路，重復(fù)上述工程形成多層化。在半導(dǎo)體封裝板情況下，大多數(shù)要求形成微細(xì)線路，因此可以采用半加成法。

圖1 ABF的構(gòu)成

1.2 下一代層間絕緣材料的性能要求

1.2.1 旨在形成微細(xì)線路的低粗度化

半加成法是微細(xì)線路廣泛使用的方法。作為電鍍時(shí)的供電層，粗化ABF以后施行化學(xué)鍍，但是根據(jù)鍍層與ABF的附著性觀點(diǎn)，希望去沾污以后的ABF表面積粗度大一些。另一方面，電鍍以后進(jìn)行閃蝕刻（Flash Etching）時(shí)，如果表面粗度大，就會延長涂去化學(xué)鍍層的時(shí)間，線路形成就會變細(xì)，如圖2所示。因此為了形成更加微細(xì)的線路，要求實(shí)現(xiàn)確保附著性和ABF表面粗度小這種相反的性能。

圖2 樹脂表面粗度不同產(chǎn)生的閃蝕刻以后的線路形狀

1.2.2 實(shí)現(xiàn)高密度層間連接可靠性的低CTE化

由于ABF是熱固化性樹脂，因而電路的層間連接采用激光加工形成盲導(dǎo)通孔。隨著電路密度的提高，導(dǎo)通孔趨向于小徑化，但是這樣會縮小與焊盤的連接面積，熱循環(huán)或者元件安裝中的再流焊時(shí)恐怕會招致連接不良。因此要求降低ABF的CTE。此外去沾污時(shí)導(dǎo)通孔底部的樹脂殘?jiān)鍧嵭砸彩侵笜?biāo)之一。

1.2.3 適應(yīng)高頻需要的低介質(zhì)損失化

半導(dǎo)體的高性能化不僅要求提高集成密度而且要求提高處理速度。因此近年來不僅芯片內(nèi)部而且PCB內(nèi)部也流過GHL帶的高頻信號，要求絕緣材料適應(yīng)高頻的低介質(zhì)損失。高頻電信號流動時(shí)，如果絕緣材料的介質(zhì)損失大，電能轉(zhuǎn)換成熱能，不僅電信號損失而且發(fā)熱也大。因此絕緣材料低介質(zhì)損失化成為必要，它關(guān)系到節(jié)能的需要。

1.3 適合下一代需要的ABF

現(xiàn)在主要使用“ABF-GX13”，但是進(jìn)行上述3項(xiàng)性能提高時(shí)，不僅導(dǎo)入傳統(tǒng)的“環(huán)氧/酚醛”硬化體系而且還導(dǎo)入了新的“環(huán)氧/氰酸酯”硬化體系。表1表示了ABF的硬化的特性。

1.3.1 ABF-GX92

ABF-GX92與GX13同樣，采用傳統(tǒng)的“環(huán)氧/酚醛”硬化體系，適應(yīng)低粗度化和低CTE化要求。由于采用了提高疏水性的樹脂，抑制了去沾污時(shí)的蝕刻量，從而可以實(shí)現(xiàn)低粗度化。另一方面，變更高分子成分以提高延伸率，即使低粗度化也不會降低鍍層附著性。與GX13（Ra：650 μm）相比，G92的粗度Ra約為GX13的1/2（R：350 μm），可以縮短線路形成時(shí)閃蝕刻的時(shí)間。此外，GX92的CTE也由GX13的46×10-6降低15%，達(dá)到39×10-6。

表1 ABF的硬化物特性

1.3.2 ABF-GZ22

GZ22不是傳統(tǒng)的“環(huán)氧/酚醛”固化體系，而是采用“環(huán)氧/氰酸鹽（Yanate）”固化體系的絕緣材料。在環(huán)氧酚醛系中，固化反應(yīng)時(shí)生成二級羧基，由于這種羧基的極性高而難以降低介質(zhì)損失角正切。在環(huán)氧與氰酸鹽樹脂的組合中：（1）利用氰酸鹽樹脂的3量化生成三嗪（Triazine）環(huán)；（2）利用環(huán)氧樹脂與氰酸酯樹脂的反應(yīng)引起額惡唑啉（Oxazoline）的生成。圖3表示了GX和G2系列的固化體系。由于三嗪環(huán)的極性是比較低于惡唑啉環(huán)的構(gòu)造，可以降低固化物的介質(zhì)損失角正切。利用空腔諧振法與GHz的GZ22的介質(zhì)損失角正切為0.001，比GX13的0.019低。

圖3 GX和G2系列的硬化體系

由于G2系列的極性低，可以抑制去沾污時(shí)的時(shí)刻量，還可以實(shí)現(xiàn)低粗度精飾（GZ22的去沾污以后表面粗度Ra約為200 μm）。GZ22的CTE也低于環(huán)氧/酚醛體系。

1.4 含玻璃布的ABF（半固化片）

薄型化的半導(dǎo)體封裝基板沒有芯基材，即所謂“無芯基板”。積層板中采用無芯（Coreless）構(gòu)造時(shí)，為了確?；宓膭傂裕枰褂镁哂袆傂缘膶娱g絕緣材料。味の素ファィンテグ(株)開發(fā)了環(huán)纖布和ABF復(fù)合化的半固化片“GX13-GC”，用作無芯基板用絕緣材料?？梢圆捎门c通常GX13同樣的加工設(shè)備和工藝，今后的半導(dǎo)體封裝基板對于這種材料寄予很大的期望。

1.5 極薄銅箔圖形膜

為了采用半加成法形成微細(xì)線路，盡可能的降低樹脂的表面粗度至關(guān)重要。味の素ファィンテグ(株)采用由濺射或者蒸發(fā)形成的極薄銅箔，提出了可以形成微細(xì)線路的絕緣材料和工藝。

1.5.1 極薄銅箔圖形膜的構(gòu)造

在38 μm的PET薄膜上涂復(fù)堿性溶液中可以溶解除去的脫模層，再在其上采用濺射或者蒸發(fā)形成極薄銅箔，可以用作極薄銅箔圖形膜。銅箔厚度為100 μm ～ 2000 μm（2 μm）。在該膜上重合預(yù)制的ABF，形成附極薄銅箔ABF。

1.5.2 利用極薄銅箔ABF

與通常的ABF同樣在內(nèi)層板的兩面上真空層壓附極薄銅箔ABF，在附著有PET薄膜的狀態(tài)下進(jìn)行熱固化。剝離PET薄膜以后采用激光于極薄銅箔上面形成盲導(dǎo)通孔，依次去沾污和鍍銅，按照通常的半加成法形成圖形。因?yàn)椴捎酶姐~箔ABF進(jìn)行去沾污，所有的ABF表面都沒有粗化，所以可以形成非常平滑狀態(tài)的線路。樹脂表面的粗度約為50 μm，是非常平滑的精飾，如圖4所示。

圖4 ABF去沾污產(chǎn)生的粗面形狀（3500倍）

使用GX92的ABF時(shí)，與極薄銅箔的附著強(qiáng)度為0.8 N/mm以上，與利用傳統(tǒng)高錳酸鹽蝕刻工藝相比毫不遜色。圖5表示了采用公司內(nèi)的設(shè)備形成L/S＝12 μm/12 μm微細(xì)線路的狀態(tài)。當(dāng)然也可以與GX13-GC組合。

圖5 使用極薄銅箔轉(zhuǎn)寫膜的基極的截面照片

1.6 半加成法形成微細(xì)線路芯材的開發(fā)

利用ABF的樹脂配合技術(shù)，與玻纖布的復(fù)合化技術(shù)和極薄銅箔圖形膜的組合，開發(fā)了可以適用于半加成法的芯材AGL-1020（A jinomoto Green Laminute）。傳統(tǒng)的芯材由于銅箔的厚度和M面的粗糙度（Profile）而不能采用半加成形成線路。AGL-1020使用粗糙度（Profile Free）的極薄銅箔，可以形成微細(xì)線路，它是基板高密度化和減低層數(shù)的新材料。表2表示了AGL-1020的固化物特性。使用這種材料適合于下一代高密度基板的開發(fā)。

表2 AGL-1020的硬化物

味の素ファィンテグ(株)繼ABF-GXB之后開發(fā)了實(shí)現(xiàn)低CTE，低粗度和低介質(zhì)損失角正切的新的層間絕緣膜。此外還提出了也極薄銅箔圖形膜的組合，用作微細(xì)線路形成可能的材料。預(yù)計(jì)今后的半導(dǎo)體仍將是高集成度和高性能化。最近由于減少溫度氣體的排放或者節(jié)約能源產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷降低等，提高了考慮環(huán)境友好型材料和工藝開發(fā)的必要性。極薄銅箔圖形膜就是貢獻(xiàn)于環(huán)境友好型的可能材料。

2 高功能玻纖布

隨著支持高度信息化社會的電子設(shè)備小型化和薄型化的發(fā)展，使用的PCB將會發(fā)展為高密度安裝和多層化，要求更加的微細(xì)線路化，小孔徑化和高精細(xì)化。近年來，由于激光加工機(jī)的進(jìn)步或者以均勻纖維分布為特征的扁平玻纖布的上市等，利用半固化片基材的積層法成為主流。在日本封裝（PKG）用基板已成為主要的用途，不僅要求單系，薄型化而且要求兼有適合使用目的特性的高功能玻纖布。其中3微積層的模組型PKG的應(yīng)用發(fā)展要求旨在降低整體厚度的薄型基材，另一方面要求提高整體基板的剛性，以便降低諸如熱應(yīng)力所產(chǎn)生的翹曲和扭曲。隨著電子設(shè)備信號處理速度的高速化和傳送信息量的增大，作為改善傳送損失的材料，要求低介質(zhì)常數(shù)的線路材料。已經(jīng)研究了一般PCB使用的基體樹脂的低介質(zhì)常數(shù)化。為了滿足PCB的高強(qiáng)度化和薄膜化的相反要求，實(shí)現(xiàn)高速高頻化，下面介紹旭化成（株）以玻纖布為中心的增強(qiáng)材料。

表3 織物構(gòu)造

2.1 玻纖布

玻纖布是由數(shù)根玻璃絲擰成的玻纖紗織成的布。一般PCB中使用如圖3所示的相鄰玻璃紗交至浮沉的平織構(gòu)造?？椢锏臉?gòu)成根據(jù)徑線和緯線的根數(shù)或者玻纖絲和玻纖紗的粗度而沒有限制，但是PCB用途中由IPC規(guī)格（IPC-4412）詳細(xì)規(guī)定。表4表示了極薄玻纖布例。

PCB玻纖布的原料一般使用堿金屬氧化物含量少的絕緣性優(yōu)良的“E玻璃”。其它還有高強(qiáng)度玻璃的“S-2玻璃”等，后面會介紹使用S-2玻璃的基板特性。

玻璃布一般要施行利用硅烷偶聯(lián)劑的化學(xué)處理和纖加工或者扁平加工等的物理處理。為了提高基體樹脂與玻璃的親和性，改善吸濕耐熱性或者電性能，硅烷偶聯(lián)劑的選擇有很大的影響。為了提高基體樹脂的滲透性或者降低厚度，開纖處理或者扁平加工等物理處理的影響程度高，對最近PCB的薄型化貢獻(xiàn)很大。

2.2 玻纖布的高功能化

玻纖布的高功能化涉及到PCB的機(jī)械特性（彈性模數(shù)的提高，熱膨脹系數(shù)的降低）和點(diǎn)性能的提高。

2.2.1 機(jī)械特性的提高

提高PCB的機(jī)械特性中，來自增強(qiáng)材料的方法有玻璃組成，玻璃的高填充化，特殊織物構(gòu)造和填料的填充等。

2.2.1.1 玻璃組成

表5表示了高強(qiáng)度玻璃使用的S-2玻璃特性。由于玻璃組成的不同，S-2玻璃的拉伸強(qiáng)度約為E-玻璃的1.4倍，S-2玻璃的彈性模數(shù)約為E-玻璃的1.2倍。表5代表性的玻璃的組成和特性。

表4 極薄玻纖布例

表5 代表性的玻璃的組成和特性

表6表示了使用E-玻璃和S-2玻璃的PCB特性評價(jià)結(jié)果。由表6可知，由于S-2玻璃的強(qiáng)度的提高，PCB的彎曲彈性模數(shù)或者熱膨脹系數(shù)都有明顯提高。

表6 S-2玻璃布使用基板的機(jī)械特性

2.2.1.2 增強(qiáng)材料（玻纖）的高填充化和特殊織物構(gòu)造

通過增加構(gòu)成的增強(qiáng)材料的填充量可以實(shí)現(xiàn)PCB的彎曲彈性模數(shù)的提高。增加構(gòu)成的玻纖紗的根數(shù)（高密度化）通常會增加玻璃纖布的厚度。因此既可以維持厚度又可以提高玻璃填充量的扁平加工[旭化成（株），MS布]成為關(guān)鍵技術(shù)。

另一方面，為了PCB的低熱膨脹化，構(gòu)成玻纖布的玻纖紗的截面形狀應(yīng)是扁平化，各自相互垂直，玻纖紗的彎曲小都是重要的。但是玻纖紗以集束性為目的，每1時(shí)長度增加1回程度的扭絞（通常Z方向），如圖6所示，這種扭絞將會成為玻纖紗加寬的主要障礙原因，妨礙了厚度降低。因此，上述的高密度化再加上使用沒有扭絞（“無扭絞絲”）的無扭絞絲玻纖布（旭化成（株）：AZ布）至關(guān)重要。

圖6 扭絞產(chǎn)生的加寬的障礙

特殊織物構(gòu)造是1枚玻纖布厚度方向分割的組織，二重構(gòu)造玻纖布[旭化成（株），DS布]中可以提高玻纖填充量。表3中表示了織物構(gòu)造的模式圖。DS布中各層的相鄰絲之間確保了充分空間，可以同時(shí)獲得玻纖紗的加寬容易和進(jìn)一步提高均勻性的效果。

表7表示了厚度30 μm型的玻纖布（IPC規(guī)格1037）中高密度玻纖布、A2玻纖布、DS玻纖布和傳統(tǒng)玻纖布的特性和PCB評價(jià)結(jié)果。由表7可知，高密度玻纖布和DS玻纖布的重量分別為傳統(tǒng)玻纖布的約1.2倍和1.4倍，而厚度與傳統(tǒng)玻纖布同等程度。

表7 玻璃的高填充化和特殊織物構(gòu)造的效果

PCB的機(jī)械強(qiáng)度中，由于玻纖填充量的提高，從而提高了PCB的彎曲彈性模數(shù)，特別是高填充量的DS布的傾向更高。關(guān)于熱膨脹系數(shù)，獲得玻纖填充量提高效果和低扭絞化效果的A2布確認(rèn)了優(yōu)良的結(jié)果。

2.2.1.3 E-玻纖填料

為了提高PCB的機(jī)械特性，一般采用在基體樹脂中添加各種填料以便降低基板內(nèi)部脆弱的樹脂層的比例的方法。旭化成（株）開發(fā)了與玻璃布材質(zhì)相同的E玻璃填料，它具有下面的兩點(diǎn)特征。

（1）由于與玻纖布同質(zhì)，基板的特性均勻（加工性和介質(zhì)特性）。

（2）采用與玻纖布同等的表面處理，可以形成良好的界面。

表8表示了E玻璃填料，SiO2填料基板和沒有填充填料的基板的特性評價(jià)結(jié)果。

由表8可知，E玻璃填料基板的彎曲彈性模數(shù)和熱膨脹系數(shù)與SiO2填料填充基板同等程度，而且表現(xiàn)出鉆頭加工性和激光加工良好的結(jié)果。在長期絕緣可靠性方面，E玻璃填料填充基板的特性優(yōu)于SiO2填料填充基板，還具有可以施行與玻璃布同等的表面處理的效果。

2.2.2 電性能的提高

PCB的介質(zhì)常數(shù)取決于各種材料的介質(zhì)常數(shù)和各種材料的比例。由于玻纖布和基體樹脂的介質(zhì)常數(shù)存在差異，PCB在微觀上存在著介質(zhì)常數(shù)的不均勻分布。因此提高玻纖布的分布均與性成為提高介質(zhì)特性的關(guān)鍵。

圖7表示了形成不同節(jié)距的微帶線的模式圖、傳統(tǒng)玻纖布和扁平加工布（MS布）的表面照片，縱方向/橫方向/傾斜方向上形成微帶線的基板根據(jù)時(shí)域反射儀（TDR，Time-Domain Reflectometry）和時(shí)域傳送（TDT，Time-Domain Transmission）測量的反射和傳送系數(shù)計(jì)算出來的介質(zhì)常數(shù)分布。圖8表示了添加劑E玻璃填料的基板進(jìn)行同樣測量的介質(zhì)常數(shù)柱狀圖。由表面照片可知，與傳統(tǒng)玻璃布比較，MS布的玻纖在平面內(nèi)是均勻的，確認(rèn)了它具有降低基板面內(nèi)的介質(zhì)常數(shù)不均勻的效果。尤其是添加E玻璃的基板的效果更高。

圖7 基板介質(zhì)常數(shù)分布測量結(jié)果-1

圖8 基板介質(zhì)常數(shù)分布測量結(jié)果-2

綜上所述，PCB的增強(qiáng)材料所用的玻纖布的高功能化關(guān)系到PCB的機(jī)械特征和電性能。

表8 E玻璃填料的效果

為了PCB的“高強(qiáng)度化”和“薄膜化”兼?zhèn)涞囊?，確認(rèn)S-2玻璃的有效性的同時(shí)，既可以利用DS布和A2布的厚度維持又可以提高玻璃填充量，從而實(shí)現(xiàn)了基板彎曲彈性模數(shù)的提高和熱膨脹系數(shù)的降低。為了降低PCB的介質(zhì)常數(shù)波動性，利用MS布或者E玻璃填料是提高玻璃分布均勻性的有效手段。他們雖然對PCB性能提高貢獻(xiàn)很大，但是今后要求高水平的高功能化不會停止，例如降低Si芯片與PKG基板的熱膨脹系數(shù)的差的要求更加提高，開發(fā)使用高強(qiáng)度高彈性模數(shù)的有機(jī)纖維的極膜有機(jī)纖維布，以便適應(yīng)高性能PCB的要求。

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