電子封裝基板材料研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

曾小亮 孫 蓉 于淑會許建斌汪正平

1(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)材料中心 深圳 518055)2(香港中文大學(xué)工程學(xué)院電子工程系 香港 999077)3(香港中文大學(xué) 香港 999077)

電子封裝基板材料研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

曾小亮1孫 蓉1于淑會1許建斌2汪正平3

1(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)材料中心 深圳 518055)2(香港中文大學(xué)工程學(xué)院電子工程系 香港 999077)3(香港中文大學(xué) 香港 999077)

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。隨著電子封裝技術(shù)向著高頻高速、多功能、高性能、小體積和高可靠性方向發(fā)展，電子封裝基板材料在新一代電子封裝材料中發(fā)揮著越來越重要的作用?？茖W(xué)與工業(yè)界對電子封裝基板材料提出了更高的要求，同時也促進(jìn)了電子封裝基板材料飛速發(fā)展。文章分別針對三大類基板材料：陶瓷基板、復(fù)合材料基板和有機(jī)基板的特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述。

電子封裝；基板材料；陶瓷基板；復(fù)合材料基板；有機(jī)基板

1 引 言

隨著信息技術(shù)革命的到來，集成電路產(chǎn)業(yè)在我國飛速發(fā)展，已成為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要驅(qū)動力量之一。2014 年 6 月，我國頒布的《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》提到：2013 年，中國集成電路進(jìn)口和逆差總額分別為 2313 億和 1436 億美元，與 2500 億美元的石油進(jìn)口額相當(dāng)。在國家信息安全受到日益嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的情況下，中國制造和中國需求的不斷崛起，集成電路的產(chǎn)業(yè)越來越受到國家的關(guān)注。在集成電路產(chǎn)業(yè)中，基板材料是連接與支撐電子器件的重要材料。其性能的好壞決定了集成電路的性能、質(zhì)量和制造水平。

經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，我國在基板材料制備與技術(shù)方面，都已取得巨大進(jìn)展。然而我國先進(jìn)電子產(chǎn)品制造企業(yè)與國外企業(yè)存在較明顯的差距，高端基板材料大多依賴進(jìn)口。隨著電子封裝材料及技術(shù)的革新，電子信息產(chǎn)業(yè)正面臨產(chǎn)業(yè)升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整。新材料與新技術(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)化，將對我國電子工業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動作用，也是一個極好的發(fā)展契機(jī)。因此，綜述當(dāng)前基板材料的研究現(xiàn)狀及掌握其未來發(fā)展趨勢對開發(fā)高性能基板材料具有重要的指導(dǎo)作用。

傳統(tǒng)意義上，基板材料主要分為陶瓷基板、金屬基板和有機(jī)樹脂基板。近年來，柔性電子技術(shù)特別是可穿戴電子技術(shù)的興起與迅速發(fā)展，引起全世界的廣泛關(guān)注。它的出現(xiàn)也引起了基板材料的重新分類。本文將基板材料分為：(1)陶瓷基板；(2)復(fù)合材料基板(即傳統(tǒng)上的有機(jī)樹脂基板，該類基板材料主要以無機(jī)顆粒和纖維為增強(qiáng)材料、以有機(jī)樹脂特別是熱固性樹脂為基體制備而成)；(3)有機(jī)基板(主要應(yīng)用于柔性電子領(lǐng)域)。高密度系統(tǒng)級封裝技術(shù)的發(fā)展對電子封裝基板提出了更高更全面的要求，致使傳統(tǒng)基板材料已不能滿足元器件及半導(dǎo)體芯片要求。因此，研究和開發(fā)高性能基板材料引起了科學(xué)家和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文分別對三大類基板材料，即陶瓷基板、復(fù)合材料基板和有機(jī)基板的特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行闡述。

2 基板材料發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 陶瓷基板

陶瓷(Al2O3、AlN、SiC、BN)基板，具有高化學(xué)穩(wěn)定性、高耐腐燭性、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)和低介電損耗等特點(diǎn)。根據(jù)陶瓷基板的應(yīng)用可將其分為兩大類：一類是高導(dǎo)熱基板，包括：A1N 基板、SiC 基板和 BeO 基板等，主要應(yīng)用于 LED 領(lǐng)域。長期以來，Al2O3和 BeO 陶瓷基板是大功率 LED 封裝中兩種主要基板材料。其中，Al2O3基板熱導(dǎo)率偏低，熱膨脹系數(shù)與芯片材料(如硅)不匹配，越來越難以滿足現(xiàn)代大功率 LED 對基板材料的要求。另一方面，BeO 雖然具有優(yōu)良的綜合性能，但存在生產(chǎn)成本較高和有劇毒等缺點(diǎn)。因此，從性能、成本和環(huán)保等方面考慮，這兩種基板材料均不能作為今后大功率 LED 器件發(fā)展的最理想材料。

A1N 陶瓷具有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、高電阻率、低密度、低介電常數(shù)、無毒以及低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能，將逐步取代傳統(tǒng) Al2O3和 BeO 陶瓷基板，成為今后最具發(fā)展前途的一種陶瓷基板材料。由于 A1N 基板不具有電導(dǎo)性，因此在用作大功率 LED 散熱基板之前必須對其表面進(jìn)行金屬化和圖形化處理。但 A1N 與金屬是兩類物理化學(xué)性質(zhì)完全不同的材料，在高溫下 A1N 與金屬的浸潤性較差，實(shí)現(xiàn)金屬化難度較高。因此，如何實(shí)現(xiàn) A1N 基板表面金屬化和圖形化成為大功率 LED 散熱基板發(fā)展的一個至關(guān)重要問題。為解決此問題，齊維靖[1]采用真空蒸發(fā)鍍膜和直流磁控濺射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 A1N 陶瓷基板的金屬化，并制得了 LED 封裝用高散熱的 A1N 散熱基板。雖然采用此方法實(shí)現(xiàn)了 AlN 的金屬化，但是存在真空蒸發(fā)和磁控濺射技術(shù)設(shè)備成本高，工藝復(fù)雜等缺陷。因此，采用化學(xué)方法實(shí)現(xiàn) AlN 的金屬化將是未來發(fā)展的必然趨勢。

另一類是共燒多層陶瓷基板，具有低介電常數(shù)，適用于高速器件[2]。多層陶瓷基板材料分為高溫共燒陶瓷(HTCC)和低溫共燒陶瓷(LTCC)。隨著封裝技術(shù)集成度越來越高，封裝器件的互連線尺寸和器件的體積越來越小，信號損失和生產(chǎn)成本降到最低。因此基板材料要有符合封裝要求的性能。低溫共燒陶瓷基板以其可控的介電常數(shù)，窄的布線寬度及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)等特性得到了廣泛的應(yīng)用。華東理工大學(xué)夏冬[3]針對封裝高膨脹材料時，基板材料必須具備相匹配的高膨脹系數(shù)的問題，采用微晶玻璃和玻璃/陶瓷復(fù)合材料的技術(shù)路線制備了高膨脹低溫共燒陶瓷基板。隨著封裝器件的進(jìn)一步小型化，信號損失帶來的問題將更加尖銳，如何實(shí)現(xiàn)此類材料在高頻下具有低介電常數(shù)(小于 2.0)將是未來科學(xué)家和工程師需要共同攻克的難題。我們應(yīng)該看到，陶瓷基板存在質(zhì)脆、制備工藝復(fù)雜等問題，復(fù)合材料基板和有機(jī)基板將取代陶瓷基板是未來大勢所趨。目前，陶瓷基板的市場占有率逐年減小。

2.2 復(fù)合材料基板

復(fù)合材料基板是利用有機(jī)樹脂為粘合劑，玻璃纖維和無機(jī)填料為增強(qiáng)材料，采用熱壓成型工藝所制成。與陶瓷基板相比，復(fù)合材料基板具有低介電常數(shù)、低密度、易機(jī)械加工、易大批量生產(chǎn)和成本低的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)國際半導(dǎo)體制造設(shè)備與材料協(xié)會統(tǒng)計，2010 年全球半導(dǎo)體封裝材料市場達(dá)到 187.76 億美元。其中有機(jī)樹脂型復(fù)合材料基板的銷售額達(dá)到了 76.74 億美元，占整個半導(dǎo)體封裝材料銷售額的 41.9%。隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品和移動產(chǎn)品的不斷變輕變薄和智能化，復(fù)合材料在整個基板材料領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用，同時對復(fù)合材料基板的性能提出了更高的要求，歸結(jié)為如下兩個方面：

2.2.1 低熱膨脹系數(shù)

電子元器件與基板材料熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致電子元器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成強(qiáng)度下降、耐熱沖擊差、容易老化開裂等各種缺陷。降低基板材料的熱膨脹系數(shù)已成為提高電子元器件穩(wěn)定性的重要手段，國內(nèi)外學(xué)者對此作了大量的研究。常用的方法是添加無機(jī)填料(如 SiO2)。為獲得更低的熱膨脹系數(shù)，研究者需要添加大量的無機(jī)填料。而過多的無機(jī)填料導(dǎo)致基板材料低的力學(xué)性能降低。如何在較少添加量的情況下實(shí)現(xiàn)低熱膨脹系數(shù)成為當(dāng)前研究的難點(diǎn)。

負(fù)熱膨脹材料是近年來國內(nèi)外研究者廣泛關(guān)注的一類新型材料。在負(fù)熱膨脹材料中，鎢酸鋯(ZrW2O8)由于具有負(fù)熱膨脹效應(yīng)溫度范圍寬和各向同性的特點(diǎn)而備受關(guān)注。采用負(fù)熱膨脹材料為無機(jī)填料制備的聚合物基復(fù)合材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的熱膨脹性能。江蘇大學(xué)程曉農(nóng)課題組[4-6]對負(fù)熱膨脹材料在電子封裝材料領(lǐng)域的應(yīng)用做了大量有意義的研究。如徐桂芳[5]采用固相化學(xué)法合成了高純度、粒徑在 0.5～1.0 μm 的ZrW2O8無機(jī)粒子，其在 20～700℃ 區(qū)間內(nèi)，平均熱膨脹系數(shù)為—5.33×10—6/K。將負(fù)熱膨脹材料與環(huán)氧樹脂復(fù)合后，復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)低至 10×10—6/K。由于添加無機(jī)填料降低熱膨脹系數(shù)的同時會降低基板的透光性，Jin 等[7]通過將玻璃纖維與有機(jī)硅樹脂復(fù)合制備了高透明性(＜89%)、低熱膨脹系數(shù)(＜13×10—6/K)和高熱穩(wěn)定性(378℃)的有機(jī)基板材料。 雖然采用負(fù)熱膨脹材料可以大幅度降低聚合物的熱膨脹系數(shù)，但是與硅熱膨脹系數(shù)(2.5×10—6/K)相比，仍然過高，且存在負(fù)熱膨脹材料產(chǎn)品單一的缺點(diǎn)。因此進(jìn)一步開發(fā)具有不同種類且更加低熱膨脹系數(shù)的負(fù)熱膨脹材料將是實(shí)現(xiàn)聚合物基復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)低于 10×10—6/K 行之有效的方法。

2.2.2 高熱傳導(dǎo)系數(shù)

微電子儀器及設(shè)備日益朝輕、薄、小的方向發(fā)展，芯片工作熱環(huán)境向高溫方向迅速移動，電子元器件產(chǎn)生的熱量迅速積累， 對其性能可靠性和使用壽命均產(chǎn)生不同程度影響。因此，在使用環(huán)境溫度下，要使電子元器件仍能高可靠性地正常工作，提高材料的散熱能力成為影響其使用壽命的關(guān)鍵限制因素?；遄鳛榉庋b材料的重要組成部分，提高其熱傳導(dǎo)系數(shù)是解決散熱問題的重要手段之一。開發(fā)高導(dǎo)熱基板材料受到了工業(yè)界和科學(xué)家的廣泛關(guān)注?；褰^緣層實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱性的方法主要分為：

(1)無機(jī)填料選用及其高填充

此方法已經(jīng)得到了廣泛的研究，被認(rèn)為是最行之有效、最快捷的提高基板材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法[8]。相關(guān)的研究[9]包括對填料形狀和粒度的選擇與控制，以及對填料的高填充技術(shù)的研究。

①對填料形狀和粒度的選擇與控制，以期望達(dá)到更佳的填充效果及導(dǎo)熱效率。已有大量的研究通過添加絕緣導(dǎo)熱填料提高材料導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱填料包括氮化硼(BN)[10-13]、氮化鋁(AlN)[14-16]、氮化硅(Si3N4)[17]、氧化鋁(Al2O3)[18]和碳化硅(SiC)[19]等。筆者所在課題組在此方面做了大量有意義的工作。如研究了 BN 含量對基板材料常用樹脂基體雙馬來酰亞胺—氰酸酯(BT)樹脂導(dǎo)熱性能的影響，揭示了復(fù)合材料制備—結(jié)構(gòu)—性能三者之間的關(guān)系，如圖 1。研究發(fā)現(xiàn)，隨著 BN 含量的增加，BT 樹脂導(dǎo)熱性能逐步增加，當(dāng) BN 含量為 50 wt% 時，其最高導(dǎo)熱系數(shù)為 1.11 W/(m·K)。進(jìn)一步增加 BN 含量，則將使復(fù)合材料缺乏加工性能[13]。

圖1 BT 樹脂/BN 復(fù)合材料制備—結(jié)構(gòu)—性能之間的關(guān)系[13]Fig. 1. The relationship among preparation, structure and properties of BT resin/BN composites

考慮到 Si3N4具有高導(dǎo)熱系數(shù)，我們還研究了 Si3N4對 BT 樹脂導(dǎo)熱性能的影響。研究結(jié)果表明，Si3N4的加入顯著提高了 BT 樹脂的導(dǎo)熱性能。同樣地，當(dāng) Si3N4含量為 50 wt% 時，其最高導(dǎo)熱系數(shù)為 0.94 W/(m·K)[20]。進(jìn)一步增加 Si3N4含量，會使復(fù)合材料缺乏加工性能。鑒于碳納米管具有高導(dǎo)熱系數(shù)(3000 W/(m·K))，我們期望通過添加碳納米管提高基板材料的導(dǎo)熱性能。但是碳納米管同時還具有高導(dǎo)電性能，限制了其在基板材料中的影響。為此，我們在碳納米管表面包覆一層 10 nm 以下的絕緣層(SiO2)，希望在降低碳納米管導(dǎo)電性能的同時，維持其高導(dǎo)熱系數(shù)。研究結(jié)果表明，雖然碳納米管具有高導(dǎo)熱系數(shù)，但是添加 4.0 wt% 純碳納米管時，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)僅提高至 0.39 W/(m·K)；添加 SiO2包覆的碳納米管后，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)沒有發(fā)生明顯變化(0.38 W/(m·K))。

②對填料的高填充技術(shù)的研究主要從樹脂中的混合技術(shù)、不同導(dǎo)熱粒度的復(fù)合技術(shù)[21,22]、偶聯(lián)劑處理技術(shù)[23]等方面開展。

(2)無機(jī)導(dǎo)熱粒子的表面改性技術(shù)

提高粒子與聚合物的相容性，可實(shí)現(xiàn)高的導(dǎo)熱系數(shù)。如本課題組研究了不同表面改性的納米、微米 Al2O3對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。研究結(jié)果表明，氧化石墨烯(GO)通過自組裝將微米 Al2O3連接在一起，提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。GO 被證明在體系中起到連接 Al2O3的橋梁作用，從而有利于導(dǎo)熱通道的形成。另外，我們研究發(fā)現(xiàn)，GO 對于納米級 Al2O3的改性效果并不明顯。然而導(dǎo)熱性能的提高，都離不開相關(guān)理論與測試技術(shù)的支撐。探索無機(jī)填料與聚合物熱傳導(dǎo)機(jī)理差異及實(shí)現(xiàn)對界面熱阻的定量測試技術(shù)是未來導(dǎo)熱研究的熱點(diǎn)問題[24]。

(3)高導(dǎo)熱性高聚物樹脂的應(yīng)用技術(shù)

一些研究者通過在聚合物樹脂中引入高導(dǎo)熱性的基團(tuán)(如液晶單元)來提高材料的導(dǎo)熱性能；另外，通過在外力的作用下，實(shí)現(xiàn)聚合物的定向排列同樣可以大幅度提高聚合物的導(dǎo)熱性能。如在 2010 年，Shen 等[25]在自然-納米技術(shù)(Nature Technology)上報道了通過拉升作用實(shí)現(xiàn)聚乙烯分子定向伸長，測得單個聚乙烯分子的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 104 W/(m·K)。外力作用下，由于聚乙烯高的取向度而產(chǎn)生的高結(jié)晶度是實(shí)現(xiàn)其高導(dǎo)熱的主要原因。Singh 等[26]以陣列納米級鋁孔為模板，通過電化學(xué)方式實(shí)現(xiàn)了在納米鋁孔中聚合物反應(yīng)制備了陣列聚噻吩纖維，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到 4.3 W/(m·K)。

總結(jié)復(fù)合材料基板研究進(jìn)展，展望未來，我們認(rèn)為復(fù)合材料基板材料的研究應(yīng)在以下幾個方面有所突破：

(1)高韌性低膨脹基板材料的研究

通過添加無機(jī)顆粒，特別是負(fù)熱膨脹材料，雖可以顯著降低材料的熱膨脹系數(shù)，但同時也降低了材料的韌性。因此，如何兼顧韌性與熱膨脹系數(shù)是需要進(jìn)一步的研究。采用靜電紡絲技術(shù)制備負(fù)熱膨脹纖維并將其應(yīng)用于基板材料有望解決此問題。筆者所在課題組在此方面進(jìn)行初步的探索。如為提高基板材料的韌性，制備了聚乙二醇(PEG)改性的 BT 樹脂基板材料。研究結(jié)果表明，PEG 的加入不僅提高了基板材料的韌性而且增加了其力學(xué)強(qiáng)度。PEG 的“橋梁作用”被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)基板材料增韌增強(qiáng)的主要原因[27]，如圖 2。

(2)導(dǎo)熱性高聚物樹脂的合成

雖然已有報道表明在外力等作用下可實(shí)現(xiàn)聚合物的高度取向，但是相關(guān)研究主要集中于熱塑性材料，而基板材料常用的熱固性樹脂鮮有涉及。因此，高導(dǎo)熱樹脂的研究有待進(jìn)一步的探索。

(3)無機(jī)材料與聚合物界面熱阻的精確測量

界面熱阻對材料的傳熱屬性起到至關(guān)重要的作用，因此研究材料的界面熱阻具有重要的意義。隨著微電子、光電子器件的尺寸日益向納米尺度發(fā)展，組成這些微器件的材料界面熱阻已逐漸成為微器件系統(tǒng)熱管理和熱設(shè)計的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖2 PEG 增韌增強(qiáng)的“橋梁作用”Fig. 2. Proposed “bridge effect” of PEG between glass fiber and BT resin

2.3 有機(jī)基板

隨著當(dāng)前柔性電子，尤其是可穿戴電子產(chǎn)品的“爆炸式”發(fā)展，對柔性電子的載體-有機(jī)基板的要求也越來越高。本文將有機(jī)基板分為傳統(tǒng)意義的塑料有機(jī)基板(包括聚酰亞胺(PI)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基板)和近年來興起的可降解有機(jī)基板。

2.3.1 塑料有機(jī)基板材料

塑料有機(jī)基板材料是當(dāng)前印刷電子行業(yè)的主流，成為有機(jī)光伏、柔性顯示、有機(jī)照明、柔性電子器件與電路及柔性集成智能系統(tǒng)的首選基板材料。近十年，大多數(shù)有關(guān)柔性電子的研究主要集中在電子器件性能的提高，如在有機(jī)光伏領(lǐng)域，研究者更加關(guān)注光轉(zhuǎn)化效率。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)基板材料對于提高柔性電子的綜合性能發(fā)揮著重要的作用。開發(fā)更加柔性、透明化、低吸濕率、高耐熱以及低成本化的基板材料是研究者非常關(guān)心的問題。近年來，高折射率同時具有高透明度和低雙折射的聚合物受到研究者的廣泛關(guān)注。但是常用的方法在提高折射率的同時降低了聚合物的透明度。You 等[28]為解決這一矛盾，從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，將硫原子和三氰環(huán)單元引入聚苯基硫醚中。所制備的聚合物表現(xiàn)出高折射率(1.7492)，高透明以及優(yōu)異的耐熱性。聚酰亞胺(PI)是柔性基板中最為常用的材料，但是其高熱膨脹系數(shù)和低透明度限制了其在柔性電子中的應(yīng)用。已有研究者從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)，引入氟原子和脂環(huán)族單元等提高 PI 的透明度，同時具備其他優(yōu)異的性能[29]。其中具有代表性的是，F(xiàn)ukukawa 等[30]通過將雙環(huán)戊二烯及環(huán)己烷結(jié)構(gòu)引入 PI 分子鏈中，顯著提高了 PI 的透明度，降低了 PI 的熱膨脹系數(shù)，其熱膨脹系數(shù)最低至 8×10—6/K，甚至低于純銅(17×10—6/K)，同時具有高的熱穩(wěn)定性(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度＞280℃)。

2.3.2 可降解有機(jī)基板材料

雖然塑料基板以其高的韌性和透明度成為目前印刷電子最為常用的基板材料。然而由于塑料無法降解，最終會產(chǎn)生大量的電子垃圾。若能將可降解的材料如最常用的紙張，用于基板材料和電子產(chǎn)品，可大大降低電子產(chǎn)品對環(huán)境的污染。而要將電子產(chǎn)品做在紙張上，則面臨不少困難，對相關(guān)技術(shù)和制備工藝提出了挑戰(zhàn)。普通紙張纖維粗，透光但不透明。另外，普通紙張的表面粗糙，凹凸不平，采用其作為基板材料，不僅很難形成完整、連續(xù)、均勻的膜，而且還容易導(dǎo)致晶體管漏電。針對上述存在的問題，國內(nèi)外科學(xué)家對普通造紙所用的木漿纖維進(jìn)行特殊處理，使其尺度達(dá)到納米量級。所制備的“納米紙”可有效減少對光的吸收和散射，不僅變得透明，而且其表面有如塑料一般光滑[31]。Hu 等[32-35]采用該納米紙作為基板，制造出由碳納米管、絕緣層、有機(jī)半導(dǎo)體組成的可彎曲晶體管，其透明度高達(dá) 84%。Hu 等[36]進(jìn)一步考慮到納米紙導(dǎo)熱性差的問題，同時納米氮化硼具有高導(dǎo)熱系數(shù)(1000 W/(m·K))，通過將納米氮化硼片引入納米紙中，制備了導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 145.7 W/(m·K)的基板材料。

隨著研究的深入，在滿足高透明度、高柔性化的同時，研究者希望未來有機(jī)基板材料在如下幾個方面有所突破：(1)低吸濕率。高的基板材料吸濕率將會顯著影響電子器件的穩(wěn)定性及可靠性，因此降低有機(jī)基板材料吸濕率顯得尤為重要。(2)高熱導(dǎo)率。不同于傳統(tǒng)的方式，采用無機(jī)填料填充方式提高導(dǎo)熱系數(shù)無法保持其高的透明性。因此，在不影響透明度的情況下，如何提高其導(dǎo)熱性能是未來研究的重要方向之一。(3)高熱穩(wěn)定性。電子器件的功率、密度的提升，使其使用壽命受到普遍的關(guān)注。提高有機(jī)基板的熱穩(wěn)定性有利于提高有機(jī)電子器件的壽命和環(huán)境穩(wěn)定性，這對納米紙基板材料顯得尤為重要。

3 結(jié) 論

電子封裝技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元件的高功率和日趨小型化以及柔性印刷電子器件的爆炸式發(fā)展，對電子封裝基板材料的固有性能提出了更高的要求。由于陶瓷基板存在質(zhì)脆、制備工藝復(fù)雜等問題，采用復(fù)合材料基板和有機(jī)基板取代陶瓷基板是未來電子封裝基板的發(fā)展趨勢。有機(jī)基板以其優(yōu)異的柔性和高透明性受到了科學(xué)界和工業(yè)界的推崇，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。性能方面，高導(dǎo)熱、高韌性以及高透明性是未來基板材料特別是有機(jī)基板材料追求的性能，將會受到國內(nèi)外研究者的廣泛研究。目前電子封裝基板材料主要存在以下兩個科學(xué)問題：(1)對于復(fù)合材料基板，如何在提高其導(dǎo)熱性能、降低熱膨脹性能的同時兼具高透明性和優(yōu)異的力學(xué)性能。(2)對于有機(jī)基板材料，如何在維持高柔性的同時，提高其導(dǎo)熱性能、維持低的熱膨脹系數(shù)和高的熱穩(wěn)定性能等。相信隨著研究的深入和技術(shù)的推進(jìn)，這些問題終將得到解決。

[1] 齊維靖. 大功率 LED 氮化鋁陶瓷散熱基板的制備 [D]. 南昌∶ 南昌大學(xué), 2012.

[2] 田民波, 林金堵, 祝大同. 高密度封裝基板 [M]. 北京∶ 清華大學(xué)出版社, 2003.

[3] 夏冬. 高膨脹低溫共燒陶瓷基板材料性能研究[D]. 上?！?華東理工大學(xué), 2011.

[4] 孫秀娟. 化學(xué)法制備負(fù)熱膨脹性 ZrW2O8粉體及薄膜 [D]. 鎮(zhèn)江∶ 江蘇大學(xué), 2009.

[5] 徐桂芳. 電子封裝用可控?zé)崤蛎洀?fù)合材料的制備與性能研究 [D]. 鎮(zhèn)江∶ 江蘇大學(xué), 2008.

[6] 張文學(xué). 高導(dǎo)熱低膨脹環(huán)氧塑封料的制備及性能研究 [D]. 鎮(zhèn)江∶ 江蘇大學(xué), 2008.

[7] Jin J, Ko J, Yang S, et al. Rollable transparent glassfabric reinforced composite substrate for flexible devices [J]. Advanced Materials, 2010, 22(40)∶4510-4515.

[8] 周文英. 高導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料研究 [D]. 西安∶ 西北工業(yè)大學(xué), 2007.

[9] 李名英, 周曦亞, 王達(dá), 等. 聚合物基絕緣導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究進(jìn)展 [J]. 材料導(dǎo)報, 2013,27 (01)∶80-84.

[10] Harada M, Hamaura N, Ochi M, et al. Thermal conductivity of liquid crystalline epoxy/BN filler composites having ordered network structure [J]. Composites Part B-Engineering, 2013, 55∶ 306-313.

[11] Lin Z, McNamara A, Liu Y, et al. Exfoliated hexagonal boron nitride-based polymer nanocomposite with enhanced thermal conductivity for electronic encapsulation [J]. Composites Science and Technology, 2014, 90∶ 123-128.

[12] Huang X, Zhi C, Jiang P, et al. Polyhedral oligosilsesquioxane-modified boron nitride nanotube based epoxy nanocomposites∶ an ideal dielectric material with high thermal conductivity [J]. Advanced Functional Materials, 2013,23 (14)∶1824-1831.

[13] Zeng X, Yu S, Sun R. Thermal behavior and dielectric property analysis of boron nitride-filled bismaleimide-triazine resin composites [J]. Journal of Applied Polymer Science, 2013, 128 (3)∶ 1353-1359.

[14] Zhou Y, Yao Y, Chen C, et al. The use of polyimidemodified aluminum nitride fillers in AlN@PI/Epoxy composites with enhanced thermal conductivity for electronic encapsulation [J/OL]. Scientific Reports, 2014, doi∶ 10.1038/srep04779.

[15] Choi S, Im H, Kim J. Flexible and high thermal conductivity thin films based on polymer∶ Aminated multi-walled carbon nanotubes/micro-aluminum nitride hybrid composites [J]. Composites Part A-Applied Science and Manufacturing, 2012, 43 (11)∶ 1860-1868.

[16] Zhou Y, Wang H, Wang L, et al. Fabrication and characterization of aluminum nitride polymer matrix composites with high thermal conductivity and low dielectric constant for electronic packaging [J]. Materials Science and Engineering B-Advanced Functional Solid-State Materials, 2012,177 (11)∶892-896.

[17] Zhu Y, Chen K, Kang F. Percolation transition in thermal conductivity of beta-Si3N4filled epoxy [J]. Solid State Communications, 2013, 158∶ 46-50.

[18] Zhang S, Ke Y, Cao X, et al. Effect of Al2O3fibers on the thermal conductivity and mechanical properties of high density polyethylene with the absence and presence of compatibilizer [J]. Journal of Applied Polymer Science, 2012,124 (6)∶ 4874-4881.

[19] Zhou T, Wang X, Mingyuan GU, et al. Study of the thermal conduction mechanism of nano-SiC/ DGEBA/EMI-2,4 composites [J]. Polymer, 2008, 49 (21)∶ 4666-4672.

[20] Zeng X, Yu S, Sun R, et al. High thermal conductive BT resin/silicon nitride composites [C] // Proceedings of 12th IEEE International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging, 2011∶ 1-3.

[21] Hong J, Yoon S, Hwang T, et al. High thermal conductivity epoxy composites with bimodal distribution of aluminum nitride and boron nitride fillers [J]. Thermochimica Acta, 2012, 537∶ 70-75.

[22] Pak SY, Kim HM, Kim SY, et al. Synergistic improvement of thermal conductivity of thermoplastic composites with mixed boron nitride and multi-walled carbon nanotube fillers [J]. Carbon, 2012, 50(13)∶ 4830-4838.

[23] Wattanakul K, Manuspiya H, Yanumet N. Effective surface treatments for enhancing the thermal conductivity of BN-filled epoxy composite [J]. Journal of Applied Polymer Science, 2011,119 (6)∶3234-3243.

[24] Cahill DG, Braun PV, Chen G, et al. Nanoscale thermal transport. II. 2003-2012 [J/OL]. Applied Physics Reviews, 2014, 1(1), http∶//dx.doi. org/10.1063/1.4832615.

[25] Shen S, Henry A, Tong J, et al. Polyethylene nanofibres with very high thermal conductivities [J]. Nature Nanotechnology, 2010, 5(4)∶ 251-255.

[26] Singh V, Bougher TL, Weathers A, et al. High thermal conductivity of chain-oriented amorphous polythiophene [J]. Nature Nanotechnology, 2014, 9 (5)∶ 384-390.

[27] Zeng X, Yu S, Lai M, et al. Tuning the mechanical properties of glass fiber-reinforced bismaleimidetriazine resin composites by constructing a flexible bridge at the interface [J]. Science and Technology of Advanced Materials, 2013, 14(6)∶ 065001.

[28] You N, Higashihara T, Oishi Y, et al. Highly refractive-poly(phenylene thioether) containing triazine unit [J]. Macromolecules, 2010, 43(10)∶4613-4615.

[29] Damaceanu MD, Constantin CP, Nicolescu A, et al. Highly transparent and hydrophobic fluorinated polyimide films with ortho-kink structure [J]. European Polymer Journal, 2014, 50∶ 200-213.

[30] Fukukawa K, Okazaki M, Sakata Y, et al. Synthesis and properties of multi-block semi-alicyclic polyimides for thermally stable transparent and low CTE film [J]. Polymer, 2013, 54(3)∶ 1053-1063.

[31] Nogi M, Iwamoto S, Nakagaito AN, et al. Optically transparent nanofiber paper [J]. Advanced Materials, 2009, 21(16)∶ 1595-1598.

[32] Fang ZQ, Zhu HL, Yuan YB, et al. Novel nanostructured paper with ultrahigh transparency and ultrahigh haze for solar cells [J]. Nano Letters, 2014, 14(2)∶ 765-773.

[33] Zhu H, Fang Z, Preston C, et al. Transparent paper∶fabrications, properties, and device applications [J]. Energy & Environmental Science, 2014, 7(1)∶ 269-287.

[34] Huang J, Zhu H, Chen Y, et al. Highly transparent and flexible nanopaper transistors [J]. Acs Nano, 2013, 7(3)∶ 2106-2113.

[35] Zheng G, Cui Y, Karabulut E, et al. Nanostructured paper for flexible energy and electronic devices [J]. MRS Bulletin, 2013, 38(4)∶ 320-325.

[36] Zhu H, Li Y, Fang Z, et al. Highly thermally conductive papers with percolative layered boron nitride nanosheets [J]. Acs Nano, 2014, 8(4)∶ 3606-3613.

The Research Development and Trend of Substrates in Electronic Packages

ZENG Xiaoliang1SUN Rong1YU Shuhui1XU Jianbin2WONG Chingping31
( Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China )2( Department of Electronic Engineering, Faculty of Engineering, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China )3( The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong 999077,China )

The main functions of substrates in electronic packaging include supporting, cooling, protection of semiconductor chips, as well as insulation and electronic interconnection with external chips. With the electronic packaging developing towards high speed, multi-functionalization, high performance, good stability and small dimension, substrates play more and more important role in the field of new generation electronics packaging. Scientists and engineers have higher requirement to substrate materials, which advances their brilliant progress. In this review, the characteristic, recent progress and future development of three kinds of substrates were summerized, including ceramic, composite and organic substrates.

electronic packaging; substrate materials; ceramic substrate; composite substrate; organic substrate

TB 332

A

2014-07-23

廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊計劃(2011D052 )；深圳市孔雀計劃團(tuán)隊(KYPT20121228160843692)；三維高密度基板及高性能 CPU 封裝技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，國家 02 專項(2011ZX02709)；深圳市電子封裝材料工程實(shí)驗(yàn)室(深發(fā)改【2012】372 號)

曾小亮，博士研究生，研究方向?yàn)楦邔?dǎo)熱電子封裝基板材料；孫蓉(通訊作者)，博士，研究員，研究方向?yàn)樾乱淮娮臃庋b材料及其產(chǎn)業(yè)化，E-mail：rong.sun@siat.ac.cn； 于淑會，博士，副研究員，研究方向?yàn)榧{米復(fù)合功能材料、電子封裝材料、埋入式電子器件與超級電容器；許建斌，博士，教授，研究方向?yàn)楦咝阅芄怆姴牧希煌粽?，美國工程院院?中國工程院外籍院士，研究方向?yàn)榫酆衔锛{米復(fù)合材料與高密度電子封裝材料。