第三讲---封装有机基板简介

第三讲封装有机基板简介.ppt封装用一般有机基板材料，是指制造电子封装基板、制造搭载电子元器件的母板(又称印制电路板，简称PCB)的基础材料。传统的PCB是由有机树脂做粘合剂、玻璃纤维布(简称玻璃布)做增强材料，采用传统的工艺法所制成。这类一般有机基板材料从组成结构划分，包括单、双PCB用基板材料(覆铜箔板)和一般多层PCB用基板材料(内芯薄型覆铜箔板、半固化片材料)。有机封装基板用基材，在整个封装印制电路板上，主要担负着导电、绝缘和支撑三大方面的功能。导电----主要是以基板材料所含有的铜箔来实现；绝缘----主要是由所含的有机树脂来实现；支撑----由所含的树脂、补强材料或填充料来实现。封装及其基板(印制电路板)的性能、可靠性、制造中的加工性、制造成本、制造水平以及新技术在封装中的实现等，在很大程度上，取决于基板材料。有机封装基板材料的发展1989年Motorola和CitigenWatch(西铁城时计)公司共同开发成功OMPAC型塑料封装。它促进了面阵列封装，即球栅阵列(BGA)封装的发展和应用。1991年，世界上又出现了刚性有机树脂基板的BGA(即称PBCA)。这一新型封装，首先开始在无线电收发报机、微型电脑，ROM和SRAM中得到应用。1993年，PBGA正式投放市场。它不但驱动了这种新型BGA进入实用化阶段，而且还标志着封装用一般有机基板高速发展时期的开始。广泛采用的有机封装基板产品BGA、CSP的封装，以日本的发展为例，到目前经历了两个发展阶段:1993-1996年为萌芽发展阶段。1997年起，开始步入一定规模的工业化发展阶段。封装基板的调查结果表明：日本所用的BGA基板和CSP基板产值，到2002年分别发展到6000亿日元和940亿日元的规模。调查结果还表明：这类封装基板所用的基材近几年将迅速地走向有机树脂化。从整机产品所用的这类封装基板的主要产品品种，以所用的BGA、CSP的市场规模大小排序分别是:携带型电脑（PC）、PC卡、移动电话、DVD等。从此调查统计数据也可以看出:以PC中的MPU为例，1997-1999年间，出现了有机封装基板迅速替代陶瓷封装基板的趋势。有机封装基板材料的发展特点①在采用树脂方面，如BT树脂(双马来酰亚胺三嗪树脂)、PPE树脂（聚苯醚树脂）等，在世界范围内（主要指在日本、美国、欧洲等）首先在最初的有机封装基板上得到应用。而后高性能环氧树脂（FR-4等）的封装基板紧追而上。它目前已成为占有很大比例的品种。②由于高密度互连（HDI）积层多层板（BUM）在封装基板中越来越占有更加突出的地位，它在有机封装基板中是最有发展前景的一类印制电路板。由此，在封装基板用基材品种上，它所用的基材在技术、生产中，都是比其他封装基板用基材发展更快的一类。③在前沿技术方面，今后有机封装基板用基材，将向高性能（高Tg、低εr、低α）、高可靠性、低成本以及适于环保发展的“绿色型”方向发展。有机树脂基材与陶瓷材料相比，有如下优点:①基板材料制造不像陶瓷材料那样要进行高温烧结，从而节省能源。②它的介电常数(εr)比陶瓷材料低。这有利于导线电路的信息高速传输;③它的密度比陶瓷材料低。表现出基材轻量的优点。④它比陶瓷材料易于机械加工。外形加工较自由。可制作大型基板。⑤易实现微细图形电路加工。⑥易于大批量生产，从而可降低封装的制造成本。二、主要性能要求1、具有高耐热性高玻璃化温度(Tg)高Tg基材所制成的基板，可以提高封装的耐再流焊性(如高温再流焊的适用性、倒装芯片微组装的再流焊反复性、再流焊接稳定性等)。高Tg基材，还可以提高封装基板通孔的可靠性，可以使它在热冲击、超声波作用下的金属线压焊时，基板保持稳定的物理特性(如平整性、尺寸稳定性、稳定的弹性模量和硬度变化等)。2、具有高耐吸湿性极性有机分子易于吸附水分子，因此有机树脂材料比陶瓷材料在高湿条件下易吸湿。根据JEDEC（联合电子器件工程理事会)标准规定:对基板材料的耐湿性考核项目之一，是“耐爆玉米花”性。爆玉米花(popcorn)现象，是指由于基板材料吸湿量较大，而造成在微组装时基板与半导体芯片的界面等易产生像“爆玉米花”似的剥离问题。在耐湿性方面，需要采用诸如耐压力锅蒸煮性试验(PCT)等进行测试，以作为对它的耐湿性可靠性的评价。基材耐湿性的提高，同时还有利于增强其耐金属离子迁移性。3、具有低热膨胀性一般FR-4基板材料的热膨胀系数(α)为：(13-18)×10-6/℃(纵、横方向)。而目前认定α小于8×10-6/℃的低热膨胀系数的基材，才是封装基板材料较理想的基材。这种应力的很大部分会传递到基板与芯片的界面上，并由连接二者的焊球端子来承担，而位于周边端角处的焊球，所受热应力最大。基材热膨胀系数的大小，是影响基板尺寸稳定性的重要因素。为了保证封装基板微细电路的精度，选用低热膨胀系数的基材制作封装基板。4、具有低介电常数特性有机封装基板用基材，一般具有较低的介电常数(εr)，与陶瓷基材相比，更适用于高频信号的传输，因此更适应电路信号高速化的发展趋势。尽管如此，随着高速电路封装技术的发展，以及封装体内信号传输速度的提高，对降低有机封装基板用基材的介电常数，提出更高的要求。OMPAC型塑料封装的发展不同类型封装对基板材料性能需求的侧重点图(a)所示结构的封装(OMPAC型PKG)：基材在高温条件下的硬度保持不下降，以保证高的金属丝焊接的可靠性。同时要求高温下弹性模量高。这样在再流焊时，基板的翘曲度会小。图（b）所示结构的封装(FCPKG)，已从金属丝对芯片的键合连接方式，转变成FC微组装方式。后者的连接方式，目前主要通过高温焊料、金-金连接、金-锡连接等。这样对基板材料性能的重点要求，就着眼于在高温焊接中具有优异的耐热性和高温下弹性模量高等方面。以达到在高温下的焊接可靠性和FC连接时好的基板平滑性。由此可以看出，FC连接方式的封装，更加注重基板材料的高Tg性。图(c)所示结构的封装(薄型PKG)，更强调要求在微组装时的工艺性良好。如基板材料要具有较高的高温弹性模量，薄型化绝缘基材，在它的耐湿性，保证导通孔可靠性方面，对基板材料也有更严的要求。三、有机封装基板用基板材料的分类从总体上按状态划分为刚性与挠性两大类。刚性基材又分为含有纤维增强的一般型PCB用基材、积层多层板用基材、复合化多层板用基材。挠性基材主要作为带载型封装用有机基材。它主要有薄膜类(聚酞亚胺树脂薄膜、其他特殊性树脂薄膜)和玻璃布/环氧树脂卷状薄型覆铜板等。刚性基材：玻璃布/环氧树脂基材（一般FR-4基材)；纤维(有机或无机)/树脂的高Tg、低α基材；积层多层板用基材。高Tg基材（Tg150℃）一般也同时具有低介电常数(εr)特性。高Tg和低α性的封装基板用基材常用的有：高耐热性的环氧树脂(简称EP树脂)、双马来酰亚胺三嗪树脂(简称BT树脂)、热固性聚苯醚树脂(简称PPE树脂)、聚酞亚胺树脂(简称PI树脂)、聚氰酸树脂等。三大类基材，绝大多数具有阻燃特性。阻燃性达到UL标准中规定的UL94-V0级的，其传统技术是加入含卤素的阻燃剂或阻燃树脂。而近几年来，随着对环境保护的重视，在阻燃型基材中，又产生出一类不含卤素化合物的新基材品种。它们被称为绿色型基材，或称作“环境协调性”基材。这种基材，目前已在上述主要三大类有机封装基板上得到应用。四、制造基板材料的主要原材料一般有机封装基板的基板材料（包括单、双覆铜板和多层板基材）在生产中所用的主要原材料：1、铜箔2、增强材料（玻璃纤维布、芳香族聚酰胺纤维无纺布）1、铜箔铜箔生产是在1937年由美国新泽西州的Anaconda公司炼铜厂最早开始的。1955年，美国Yates公司开始专门生产印制电路用的电解铜箔。经过四十几年的发展，目前这类铜箔在全世界的年产量已达到约14万吨。日本是世界上目前最大的PCB基材用铜箔生产国，其次为中国台湾。月产铜箔能力在1000t以上的厂家有：日本三井金属株式会社（Mitsui、国内部分)、日本古河电气公司(Furukawa、国内部分),中国台湾铜箔公司、日本能源公司等。日本福田金属箔粉工业公司在日本、中国内地、英国、美国各投资厂生产的铜箔，总共月产能力也达到1800t左右。电解铜箔是PCB基材用最大量的一类铜箔(约占98%以上)。近几年适于PCB制作微精细图形、处理面为低轮廓度的电解铜箔产品，无论在技术上，还是市场上都得到迅速发展。它已成为基板材料所采用的，具有更高技术含量、有广阔发展前景的新型电解铜箔。铜箔的种类分为压延铜箔（rolledcopperfoil）和电解铜箔(electrodedepositedcopperfoil)两大类；在IPC标准（IPC-MF-150）中，将两大类铜箔分别称为W类和E类。（1）压延铜箔一般制造过程是：原铜材→熔融/铸造→铜锭加热→回火韧化→刨削去垢→在重冷轧机中冷轧→连续回火韧化及去垢→逐片焊合→最后轧薄→处理→回火韧化→切边→收卷成毛箔产品。毛箔生产后，还要进行粗化处理由于耐折性优良，弹性模量高，经热处理韧化后仍可保留的延展性大于电解铜箔等，非常适用于制作挠性覆铜板它的纯度(99.9%)高于一般电解铜箔(99.8%)，而且其表面也比电解铜箔平滑，因此有利于信号的快速传输国外还推出一些压延铜箔的新品种：加入微量Nb、Ti、Ni、Zn、Mn、Ta、S等元素的合金压延铜箔(以提高、改善挠性、弯曲性、导电性等)超纯压延铜箔(纯度在99.9%）高韧性压延铜箔(如：三井金属的FX-BSH；BDH；BSO等牌号)，具有低温结晶特性的压延铜箔等。（2）电解铜箔电解铜箔是通过专用电解机连续生产出初产品(称为毛箔)，毛箔再经表面处理（单面或双面处理)，得到最终产品。对毛箔所要进行的耐热层钝化处理，可按不同的处理方式分为：①镀黄铜处理(TC处理)②呈灰色的镀锌处理TS处理或称TW处理)③处理面呈红色的镀镍和镀锌处理(CT处理)④压制后处理面呈黄色的镀镍和镀锌处理(CY处理)等种类。电解铜箔按IPC-MF-150标准，可划分为四大类(又称为四个等级)。但就目前国外电解铜箔技术和品种的发展，常用的电解铜箔种类，已超过这四种的范围。而该标准中规定的第4级-ANN型铜箔(为一般电解铜箔的再作热处理退火韧化品种)目前市场需求量甚少。按电解铜箔的厚度划分，目前市场上常见的有9µm、12µm、18µm、35µm、70µm规格目前，国外已可以批量生产带有载体9µm厚的铜箔(3µm、5µm等)。在有机封装基板上常用的电解铜箔厚度规格有12µm、18µm、35µm、70µm厚。电解铜箔的生产制造电解铜箔生产的工艺流程：造液（生成硫酸铜液）→电解（生成毛箔）→表面处理（粗化处理、耐热钝化层形成、光面处理）。造液过程：在造液槽中，通过加入硫酸和铜料，在加热条件（一般在70-90℃）下进行化学反应，并通过多道工序的过滤，而生成硫酸铜溶液。再用专用泵打到电解液储槽中。电解机中通过大电流的电解而连续生产出初产品—毛箔。电解机是由钛合金材料制成的阴极辊筒、半圆形铅锌阳极板，及可装硫酸铜的电解槽等组成。在施加直流电压条件下，电解机内硫酸铜电镀液中的二价铜离子不断移向阴极辊界面处，又经还原反应生成铜原子，并聚集结晶在不停转动的光滑阴极辊表面。随着电解过程的进行，滚筒表面形成铜结晶核心质点，并逐渐成为均匀、细小的等轴晶体。待电沉积达到一定厚度，形成牢固的金属相铜层时，随着滚筒向电解槽中电解液液面以外滚动，并将所形成的毛箔连续地从阴极辊上剥离而出。再经烘干、切边、收卷生产出毛箔产品。靠阴极一侧为毛箔的光面（shing面，简称S面），是PCB的电路面。它的质量与阴极辊表面抛光精度与质量，辊表面的维护、杂物的清除程度有密切关系。另一侧为毛面（matt面，简称为M面）。是PCB基材结合的面，它的表面粗糙度和质量，与硫酸铜溶液过滤加工的质量、添加剂、电流密度、辊筒转速及其它工艺条件的控制有密切关系。毛面处理：第一步，是通过镀铜粗化处理在毛面上形成许多凸出的小