大尺寸有機基板的材料設計與封裝翹曲控制

李志光，胡曾銘，張江陵，范國威，唐軍旗，劉潛發(fā)，王珂

（1.廣東生益科技股份有限公司，廣東東莞 523808；2.南方科技大學系統(tǒng)設計與智能制造學院，廣東深圳 518055）

0 引言

隨著AI、5G 通信、大數據等技術的發(fā)展，業(yè)界對高性能CPU、GPU、FPGA 的需求劇增，大尺寸芯片因其具備超高的運算能力，迎來了爆發(fā)式的增長?；迨沁B接芯片與PCB 的橋梁，為芯片提供互連、保護、支撐等功能[1]。大尺寸芯片封裝對大尺寸封裝基板提出了更高的要求，控制封裝基板的翹曲成為大尺寸芯片封裝技術的最大挑戰(zhàn)之一。芯片和基板的熱膨脹系數（CTE）不匹配導致在封裝過程中產生過大的內應力，進而造成基板翹曲?；迓N曲有三大危害：1）翹曲過大導致焊球與PCB 接觸面積變小，甚至完全不接觸，出現開路現象；2）應力過大導致焊球開裂或芯片開裂[2]；3）局部翹曲和過大的應力可能導致錫球相互接觸并發(fā)生短路。MCCANN 等人[3]提出使用與芯片CTE（約為3×10-6/℃）接近、高剛性、低收縮性的玻璃基板作為芯片載板，玻璃基板能有效降低大尺寸芯片封裝的翹曲，但其成本高、加工難度大、量產能力受限。相較于玻璃基板、陶瓷基板及金屬基板，有機基板具有成本低、加工能力強的優(yōu)勢，因而成為大尺寸芯片封裝的首選。

倒裝芯片球柵陣列（FCBGA）基板具有層數多、尺寸大、線寬/線距小、I/O 引腳數量多等特點，非常適合用于大尺寸芯片封裝[5]。Yole 的統(tǒng)計結果顯示，為了滿足對運算能力的需求，預計芯片尺寸將從30 mm×30 mm 增加到70 mm×70 mm 甚至更大。FCBGA 有機基板的尺寸也會不斷增大，從80 mm×80 mm 增大到110 mm×110 mm 或更大的尺寸。同時，互連密度進一步提高，線寬/線距將小于5 μm/5 μm，這對封裝翹曲的控制提出了更嚴峻的挑戰(zhàn)?！耙淮牧蠜Q定一代技術”，隨著技術要求的不斷提高，有機基板材料的技術突破已成為未來發(fā)展的關鍵。

有機基板材料主要分為芯板材料和增強材料，本文主要研究有機基板的芯板材料，即覆銅板。覆銅板是以有機樹脂為黏結劑，以玻璃纖維布和無機填料為增強材料，采用熱壓成型工藝制成的產品。本文重點討論芯板的性能需求、材料設計及生產控制。

1 大尺寸有機基板的材料設計

1.1 有機基板材料的性能需求

翹曲度是有機基板的關鍵性能參數之一，主要由有機基板材料的性能決定[6]。MIYATAKD 等人的研究[7]結果顯示，使用不同級別有機基板材料的有機基板的翹曲度不同，總體表現為：1）有機基板材料的CTE 越小，翹曲越小；2）有機基板材料的模量越高，翹曲越??；3）CTE 對翹曲的影響超過模量對翹曲的影響；4）芯片尺寸越大，翹曲越大。

1.1.1 有機基板材料的CTE 與模量

大尺寸芯片封裝需要具有低CTE、高模量的有機基板材料，CTE 是關鍵技術指標。有機基板材料的CTE 一般為9×10-6/℃～12×10-6/℃。隨著對有機基板材料性能要求的提高，市面上已出現CTE 為5×10-6/℃～7×10-6/℃的有機基板材料。低CTE、高剛性的有機基板材料，如日本昭和電工推出的MCL-E-705G 材料和廣東生益科技推出的SI07NR 材料，適用于尺寸不超過25 mm×25 mm 的芯片封裝，能夠有效控制翹曲。YAO等人[8]使用厚度為0.8 mm 的MCL-E-705G 材料，搭配尺寸為25 mm×25 mm 的芯片，制備出的封裝基板的翹曲不超過200 μm，而使用MCL-E-700G 材料制備的封裝基板，翹曲超過300 μm，使用MCL-E-679G 材料制備的封裝基板，翹曲甚至達到472 μm，有機基板材料和芯片尺寸對翹曲的影響如表1 所示。

表1 有機基板材料和芯片尺寸對翹曲的影響

隨著芯片尺寸的進一步增大，有機基板的尺寸也隨之增大，對有機基板材料的性能要求更高，特別是翹曲性能。具有更低CTE（2×10-6/℃～4×10-6/℃）、更高剛性（彈性模量＞35 GPa）的新一代有機基板材料應運而生，超低CTE、超高模量的有機基板材料，如日本昭和電工推出的MCL-E-795G 材料和廣東生益科技推出的SI03NR 材料，可滿足尺寸不超過55 mm×55 mm的芯片封裝對翹曲的要求。

預計到下一代芯片封裝，當芯片尺寸增加到70 mm×70 mm、封裝基板尺寸超過100 mm×100 mm時，有機基板將具有更細、更密集的線路互連特性，數據處理和數據傳輸速率、數據存儲數量等參數將是當前產品的10 倍以上。技術進步對有機基板材料的翹曲性能提出了更為嚴格的要求，研發(fā)CTE 接近0、彈性模量＞45 GPa 的有機基板材料是一個極大的技術挑戰(zhàn)。據英特爾公司預測，2026—2030 年，玻璃基板可大量生產并用于下一代大尺寸芯片封裝，這會對傳統(tǒng)的有機基板行業(yè)造成巨大沖擊[9]。

1.1.2 樹脂收縮率

有機基板材料的模量并非越高越好。SUZUKI 等人[10]發(fā)現，使用低CTE、高模量的有機基板材料進行封裝，基板與PCB 之間的焊球在回流焊等加工過程中會因應力過大出現開裂，而采用具有超低CTE、較低模量（23～27 GPa）的有機基板材料可解決開裂問題，且封裝基板翹曲下降。HAO 等人[11]通過研究具有不同CTE和模量的有機基板材料對翹曲的影響，發(fā)現有機基板材料的模量越高，在封裝過程中產生的應力越難以釋放，會導致更大的翹曲。封裝基板通常為不對稱結構，當有機基板材料的CTE 和模量不能滿足封裝基板的抗形變要求時，封裝基板會發(fā)生翹曲，因此，降低封裝基板的翹曲還需要考慮有機基板材料的應力緩沖能力，它可以在一定程度上降低對高模量的要求。

TONOUCHI 等人[12]的研究結果表明，樹脂基體采用硬段樹脂和軟段樹脂的組合有助于緩沖應力，硬段樹脂由含有苯環(huán)等剛性結構的樹脂組成，有助于降低CTE，軟段樹脂由含有長鏈烷基等結構的低模量樹脂組成，有助于緩沖應力，此類樹脂可減少有機基板材料在回流焊等封裝過程中的應力集中問題，并具有收縮率低的特性。KOTAKE 等人[13]研究了有機基板材料的樹脂收縮率對翹曲的影響，對比了日本昭和電工的2 款CTE 和模量接近的有機基板材料，MCL-E-770G材料的樹脂收縮率為0.08%，MCL-E-705G 材料的樹脂收縮率為0.23%，MCL-E-770G 材料的翹曲約為MCL-E-705G 材料的60%，說明有機基板材料的樹脂收縮率越低，翹曲越小。采用降低樹脂收縮率的技術，有利于獲得翹曲性能表現優(yōu)異的有機基板材料。

1.2 有機基板材料的選擇

翹曲性能是評價有機基板材料性能的重要指標之一，而控制翹曲的關鍵在于控制有機基板材料的CTE 和模量。有機基板材料是一種特殊類型的覆銅箔層壓板，以熱固性樹脂為樹脂基體，添加無機填料和玻璃纖維布作為增強材料，在基板的兩面覆蓋銅箔，通過熱壓成型工藝制成[14]。有機基板材料CTE 的計算公式為

式中：αp為有機基板材料的CTE，Er、Eg、Ef分別為基材、玻璃纖維、無機填料的彈性模量，Vr、Vg、Vf分別為基材、玻璃纖維、無機填料的體積分數。通過降低樹脂基體的CTE、提高玻璃纖維布的強度及增加無機填料的體積分數等方式，可以實現更低的CTE。

1.2.1 樹脂基材

為了滿足有機基板材料對低CTE 和高模量的需求，有機基板材料所用的樹脂基體以雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）為主體，該樹脂的模量高、CTE 低，可在較大的溫度范圍內保持穩(wěn)定的性能[15]。為了降低成本，提升BMI 與玻璃纖維布的浸潤性以及BMI 與銅箔的黏合性，BMI 經常與環(huán)氧樹脂復配使用。日本企業(yè)（如日本化藥、DIC 株式會社等）推出多個型號的高性能環(huán)氧樹脂，如萘環(huán)型多官能環(huán)氧樹脂、聯(lián)苯型多官能環(huán)氧樹脂等，可降低環(huán)氧樹脂對CTE 和模量的影響，高性能環(huán)氧樹脂已在有機基板材料中得到大規(guī)模應用[16-17]。

以BMI 為主體，樹脂基材有2 條技術路線。1）以雙馬來酰亞胺-三嗪樹脂（BT 樹脂）為主體，將BT 樹脂與高性能環(huán)氧樹脂進行復配[18]，形成BT 板。以日本三菱瓦斯的產品為代表，其中HL832NS 材料主要用于倒裝芯片級封裝，HL832RS（LCA）材料主要用于FCBGA 封裝，相關有機基板材料性能如表2 所示。2）以馬來酰亞胺化合物為主體，使用二元胺化合物、烯丙基化合物、丙烯基化合物等與馬來酰亞胺化合物進行加成反應，使其表現出更優(yōu)異的性能，如低樹脂收縮率、低CTE 等，再將其與高性能環(huán)氧樹脂進行復配[19]。以日本昭和電工的產品為代表，其中MCL-E-705G、MCL-E-795G 材料主要用于FCBGA 封裝，相關有機基板材料性能如表3 所示。兩家日本企業(yè)各自專注不同的樹脂基材路線并進行技術深耕，CTE＜3×10-6/℃的有機基板材料將是未來市場的重點。

表2 日本三菱瓦斯的有機基板材料性能

表3 日本昭和電工的有機基板材料性能

馬來酰亞胺化合物在有機基板材料上的應用前景廣闊，廣東生益科技在技術上進行深耕，其開發(fā)的有機基板材料性能如表4 所示。

表4 廣東生益科技的有機基板材料性能

1.2.2 玻璃纖維布

玻璃纖維布的性能受到玻璃紗成分、織布密度、厚度等因素影響。根據玻璃紗成分，玻璃纖維布可分為E-glass、T-glass、S-glass、Q-glass 等類型。玻璃紗的主要成分是石英，石英含量越高，玻璃纖維布的強度越高，同時有機基板材料的CTE 越低、模量越高。在厚度近似的情況下，通過增加織布密度可進一步降低有機基板材料的CTE 并提高模量[20-21]。MCL-E-795G 材料采用2116 E-glass 玻璃纖維布，MCL-E-795G（LH）材料采用2118 T-glass 玻璃纖維布，通過調整玻璃纖維布的類型，基板材料的CTE 顯著降低，從5×10-6/℃下降到約1×10-6/℃，彈性模量從大約37 GPa 提高到42 GPa。因此，玻璃纖維布作為樹脂基體的增強材料，對有機基板材料的CTE 和模量有重要影響。

FCBGA 基板具有層數多的特性，需要使用良半加成工藝（mSAP）進行制作，基板使用超薄半固化片進行增層，這一過程需要使用超薄玻璃纖維布。超薄玻璃纖維布的主要型號為1027#（厚度為0.019 mm）、1017#（厚度為0.014 mm）[22]。若半固化片的CTE 為1×10-6/℃～3×10-6/℃，壓合后的厚度≤25 μm，則使用半固化片替代ABF 膜或同時使用半固化片與ABF 膜是可行的技術方案，可以降低大尺寸芯片封裝基板的CTE和翹曲，提高封裝的可靠性[23]。另外，還需關注超薄玻璃纖維布的質量是否滿足封裝基板對漲縮一致性、表面共面性的要求。后續(xù)需要進一步開發(fā)極薄玻璃纖維布[24-26]。

1.2.3 無機填料

在樹脂中添加大量的無機填料是線寬/ 線距≤10 μm/10 μm 的有機基板材料實現低CTE 和高模量的重要技術手段之一，無機填料的體積分數通常＞50%，粒徑為亞微米級別，其D50為0.1～1.0 μm，甚至可以達到納米級別，即10～100 nm。無機填料的重要技術特征是內部雜質控制、表面修飾和粒徑分布，這些特征對填料性能有著顯著的影響。球形二氧化硅因其流動性好、力學性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性高、表面可修飾性強等特點，在封裝基板材料中被大量應用。日本Admatech 株式會社生產的SC2500、SC2050 系列的球形二氧化硅產品，通過采用表面處理技術、分散技術和精密篩分技術，獲得了最大粒徑＜10 μm、D50約為0.5 μm、粒徑分布單一的高純度球形二氧化硅，該球形二氧化硅在有機基板材料中得到了廣泛應用。

大尺寸FCBGA 基板的厚度多為0.8 mm、1.2 mm及以上，二氧化硅的大量填充會導致基板的鉆孔加工性變差，二氧化硅需要與硬度低、與樹脂基體具有良好親和性的填料進行復配。日本昭和電工的MCL-E-705G 和MCL-E-795G 材料由于其優(yōu)異的機械孔加工性能成功占據了FCBGA 基板的大部分市場份額。近年來，日本三菱瓦斯致力于改善BT 板的機械孔加工性能，也推出了具有優(yōu)異加工性能的HL832RS材料。

2 有機基板材料的翹曲控制

有機基板材料在生產過程中產生的殘余應力是引發(fā)翹曲的主要原因之一，殘余應力包括內應力和外應力。內應力是由有機基板材料在固化過程中收縮、樹脂厚度分布不均等引起的，會導致基板出現本質性翹曲，內應力引發(fā)的翹曲與有機基板材料的技術參數和生產制造水平有關。外應力是由有機基板材料在運輸、加工等過程中受機械外力引起的，會導致基板出現外源性翹曲，外源性翹曲與有機基板材料的生產制造水平有關。

2.1 內應力

內應力有2 個來源：1）半固化片中的樹脂在固化過程中發(fā)生體積收縮；2）由于封裝基板各組分的CTE不匹配和結構不對稱，在加熱和冷卻過程中各組分的熱脹冷縮程度不同[27]，導致內應力的產生。在樹脂的交聯(lián)過程中，由于化學反應的進行，其體積和熱機械性能的非線性變化會導致內應力產生，升降溫條件下各組分的物理機械行為和各組分的相互作用也會產生內應力。

使用有限元模擬和實驗驗證的方法來分析封裝基板翹曲情況，仿真結果可指導有機基板材料的設計，以滿足實際應用需求[28-29]。由于受到加工方法和工藝參數的影響，材料的CTE、固化收縮等性能呈現出非線性特征，增加了有限元仿真的難度。

有機基板材料在固化成型過程中，樹脂的CTE 會隨著固化度的改變而改變[30-31]。為了表征樹脂的固化度與CTE 的關系，國內外團隊提出了一些具有代表性的方法。CHO 等人[32]使用熱機械分析法測試半固化片的CTE，針對變形曲線，對溫度上升時因尺寸變化大而難以擬合的區(qū)間進行細分，通過測試各子區(qū)間的CTE，最終繪制出非線性曲線，從而得到非線性的CTE 值。ZHANG 等人[33]采用了雙層梁結構以及動態(tài)機械熱分析法的三點彎曲測試模式，結合公式推導，得到有機基板材料在平面方向上的非線性CTE 值，雙層梁結構如圖1 所示，ρ 是曲率半徑，θ 是曲率半徑圓弧的角度，vmax是材料發(fā)生最大熱變形時的剪切速率，lc是材料2的長度，l 為雙層梁的長度。

圖1 雙層梁結構

有機基板材料在平面方向上的非線性CTE 值為

式中：αEMC(T)為環(huán)氧塑封料（EMC）的CTE，vmax(T)為雙層梁的界面最大撓度，Cstiff(T)為雙層梁的最大剛度，αBT(T)為BT 板的CTE，dκ/dT 為雙層梁的絕對曲率κ對溫度T 的導數。

結果表明，樹脂固化收縮過程與封裝基板不同材料間的CTE 失配對翹曲的影響顯著。固化收縮過程非常復雜，其本質是高分子材料在固化過程中發(fā)生分子交聯(lián)，導致體積收縮，該過程存在化學和熱機械耦合行為[34]，隨著固化時間的增加，翹曲呈現出增大的趨勢，當溫度超過樹脂的玻璃化轉變溫度Tg時，樹脂的交聯(lián)反應速率加快，翹曲的增長速度變快，采用有限元分析預測翹曲十分困難。為了獲取EMC 的非線性特征，BAEK 等人[35]采用在EMC 中埋入光纖布拉格光柵（FBG）傳感器的方式，通過測量布拉格位移的偏移值來測量EMC 在成型過程中的固化收縮率，并將固化收縮率與固化程度、應變發(fā)展相關聯(lián)，探究了化學收縮率和模量隨時間變化的規(guī)律，并引入有限元分析法，結果表明，固化收縮率對封裝翹曲有顯著的影響。SHIRANGI[36]通過測量雙層梁在不同溫度下的翹曲度，采用有限元分析法，將固化收縮量作為一個未知的擬合參數，通過反復調節(jié)，最終得到EMC 的固化收縮率。

內應力控制主要涉及2 個方面：1）有機基板材料參數的適配性；2）有機基板材料生產制造技術的適配性。侯耀偉等人[37]利用有限元分析法，研究封裝基板所用不同材料的CTE、模量、固化收縮率對大尺寸芯片封裝內應力的影響，發(fā)現了封裝基板的內應力集中點，通過對材料及結構進行適配，解決了超大尺寸芯片封裝的應力集中問題。因此，有限元分析軟件可作為改善封裝基板內應力的重要工具，其仿真結果可以為有機基板材料的選取提供參考。

有機基板材料的生產制造技術是“卡脖子”的關鍵技術之一。通過開發(fā)最先進的樹脂膠液黏度在線控制系統(tǒng)、夾軸間隙精密控制系統(tǒng)、張力一致性控制系統(tǒng)，采用翹曲在線監(jiān)控方案、黏度在線測試方案等，可以精準控制半固化片樹脂層的均勻一致性和生產過程中的質量穩(wěn)定性，另外采用先進的高溫壓機以保證基板材料的固化一致性和厚度均勻性。以上措施有效控制了FCBGA 基板用封裝基板材料在生產制作過程中產生的內應力。

如何精確地測量微電子器件的尺寸變化是電子封裝行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一。為了確保結果的可靠性，有限元分析法經常與其他技術結合。受到制造工藝和殘余應力的影響，封裝中的元件會產生微米級別的變形，因此需要使用特殊設備來測量元件的翹曲。隨著技術的發(fā)展，三維數字圖像關聯(lián)（3D-DIC）技術[38]和陰影摩爾技術[39]等已經被廣泛應用于研究溫度變化下封裝的翹曲行為。

3D-DIC 技術是一種非接觸式光學方法，3D-DIC技術具有高靈敏度，當物體在環(huán)境箱中加熱或冷卻時，3D-DIC 技術可測量物體的平面內和平面外變形，同時，其具有優(yōu)秀的多模板和原位翹曲測量能力，也被JEDEC 標準認定為一種值得推薦的實際翹曲測量方法[40]。自從PARK 等人[41]將三維數字圖像相關技術引入封裝可靠性測試中，3D-DIC 技術被越來越多地應用于電子封裝的可靠性評估和有效有限元模型的驗證中[42-43]。

陰影摩爾技術利用參考光柵與其在樣品上的陰影之間形成的幾何干涉，測量干涉圖案中每個像素位置的相對垂直移位，該技術采用相位步進技術來提高測量分辨率，使干涉條紋從高到低自動排序[44]。這種技術通過在垂直于光柵的方向上移動樣品，實現對樣品的位移測量。

2.2 外應力

有機基板材料的生產過程如圖2 所示，包括混膠、上膠、配料、配銅箔、疊卜（疊BOOK）、層壓、分發(fā)、裁切、包裝等環(huán)節(jié)。外應力的產生集中在層壓、分發(fā)、裁切、包裝等過程，減少或杜絕上述過程中的外應力，可有效減少外應力導致的翹曲。本文針對有機基板材料的生產提出工程化的翹曲控制方法，滿足有機基板材料的生產要求。建立先進的自動化生產線，減少人工等因素導致有機基板材料翹曲、銅箔表面損傷等的可能性，該生產線采用大量的氣動、伺服系統(tǒng)驅動及無損輸送帶設備，通過可編程邏輯控制器系統(tǒng)使設備自動連續(xù)運轉，完成對有機基板材料的剪切及厚度測試等，還配備了高性能電荷耦合器件、熱變形測試儀等，以便實時監(jiān)控生產過程，確保有機基板材料的翹曲得到有效控制。

圖2 有機基板材料生產過程

3 趨勢及展望

2022 年11 月，OpenAI 推出ChatGPT，AI 開始邁入大規(guī)模商業(yè)化階段，這意味著AI 產業(yè)進入類似iPhone 時代的快速發(fā)展時期，未來對高算力的需求將會呈現爆炸式增長，現有的有機基板材料技術無法滿足產業(yè)新需求。為了迎接30 mm×30 mm 到100 mm×100 mm 的大尺寸芯片封裝時代，研發(fā)CTE＜1×10-6/℃的有機基板材料及相關技術成為行業(yè)發(fā)展的關鍵，掌握相關技術的企業(yè)將搶先占據市場份額。英特爾等器件制造商已經開始在玻璃基板材料領域進行布局，勢必對有機基板材料行業(yè)造成沖擊。因此，實現技術突破才能保證有機基板材料的翹曲更小、可靠性更高。

為了滿足對更小翹曲、更高可靠性的要求，以BMI 為主體去設計有機基板材料時，新結構的BMI 及其應用技術是關鍵，通過在BMI 結構中引入酯基等能產生強分子間作用力的基團，實現微相分離結構，進一步增強鏈段之間的作用力。同時需要解決新結構的BMI 在溶解、固化等方面的工藝難題，否則難以避免浸潤玻璃纖維布的工序。

在無機填料方面，為應對更小的線寬/線距和更高填充量的需求，日本Admatech 株式會社使用燃爆法開發(fā)出D50為0.18 μm 的小粒徑球形二氧化硅以及高分散性球形二氧化硅，高分散性球形二氧化硅能滿足高固含量（固體的質量分數為80%）漿料的要求。另外，為了滿足大尺寸FCBGA 基板更高密度、更精細鉆孔的需求，球形鉆孔助劑的研究也被提上日程。這些技術在國內仍然處于空白狀態(tài)。

在材料性能方面，有機基板材料的CTE 在0×10-6/℃～0.09×10-6/℃、0.10×10-6/℃～0.19×10-6/℃、0.20×10-6/℃～0.39 ×10-6/℃、0.40×10-6/℃～0.59×10-6/℃或0.60×10-6/℃～0.99×10-6/℃時，其對翹曲的影響并不是簡單的線性關系。日本三菱瓦斯使用TMA 膨脹法來評估材料的CTE，針對CTE＜1×10-6/℃的有機基板材料，TMA 膨脹法將是一個重要的工具，可幫助評估和區(qū)分不同級別材料的CTE。

日資廠家在有機基板材料市場中占據了90%以上的份額。對于中國廠家來說，要想把握住市場機遇，技術提升和工藝水平的提高是關鍵。要不斷降低基板材料的CTE、提高模量、降低翹曲并增強基板的穩(wěn)定性，從而實現有機基板材料的國產化。