電子封裝材料及其制備工藝一課程的性質及任務

本課程為電子封裝與技術專業(yè)本科學生的一門核心專業(yè)必修課，面向信息電子制造/電子制造產(chǎn)業(yè)，涉及集成電路先進封裝關鍵材料及其應用，包括電子封裝材料的種類、性質、功能、新技術與材料發(fā)展及相關工藝等。通過本課程的學習，初步地掌握先進電子封裝材料分類、性能及一些基本知識和工藝，同時了解目前電子封裝材料研究的熱點及前沿、國內外電子封裝材料企業(yè)，為綠色電子材料的設計、加工及應用打下良好的基礎。二、內容提要《電子封裝材料及其制備工藝》從集成電路先進封裝用材料著手，較詳細地介紹電子器件封裝用的各類材料，包括：光敏材料、芯片黏接材料、包封保護材料、熱界面材料、硅通孔相關材料、電鍍材料、靶材、微細連接材料及助焊劑、化學機械拋光液、臨時鍵合材料、晶圓清洗材料、芯片載體材料等。

(美)DanielLu//陳明祥.《先進封裝材料》,機械工業(yè)出版社，2012年第1版周良知編.《微電子器件封裝—封裝材料與封裝技術》,化學工業(yè)出版社，2006年第1版3.中國電子學會生產(chǎn)技術學分會叢書編委會組編.《微電子封裝技術》,中國科學技術大學出版社,2011年第2版李可為編.《集成電路芯片封裝技術》,電子工業(yè)出版社，2013年第2版5.(美)RichardK.Ulrich//李虹.《高級電子封裝》，機械工業(yè)出版社，2010年第1版6.王謙等，電子工業(yè)出版社，2021-09-01三、參考書目考試期末考試（70%）+平時成績（30%）要求：按時認真上課。第1章緒論第2章光敏材料第3章芯片黏接材料第4章包封保護材料第5章熱界面材料第6章硅通孔相關材料第7章電鍍材料第8章靶材第9章微細連接材料及助焊劑第10章化學機械拋光液第11章臨時鍵合材料第12章晶圓清洗材料第13章芯片載體材料（略講）第1章緒論目錄1.1IC產(chǎn)業(yè)及IC封裝測試產(chǎn)業(yè)1.2IC先進封裝1.3

IC先進封裝材料概述1.1IC產(chǎn)業(yè)及IC封裝測試產(chǎn)業(yè)1947年，貝爾實驗室(威廉·肖克利、約翰·巴頓、沃爾特·布拉頓)，發(fā)明第一只晶體管（transistor）；1956年度的諾貝爾物理學獎。1958年，第一塊IC(杰克·基爾比，2000年獲得諾貝爾物理學獎)。歷經(jīng)半個世紀，成巨無霸產(chǎn)業(yè)。1.1IC產(chǎn)業(yè)及IC封裝測試產(chǎn)業(yè)圖1-1全球半導體市場規(guī)模（美國半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SIA）發(fā)布數(shù)據(jù)，中國半導體行業(yè)協(xié)會提供）

IC產(chǎn)業(yè)被視為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基礎和核心產(chǎn)業(yè)之一，是關系國民經(jīng)濟和社會發(fā)展全局的基礎性、先導性戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是國際競爭的焦點，是衡量國家或地區(qū)現(xiàn)代化程度及綜合國力的標志。應用：計算機、消費類電子、網(wǎng)絡通信、汽車電子等中國半導體行業(yè)協(xié)會（CSIA）

圖1-2

中國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模（數(shù)據(jù)來源：中國半導體行業(yè)協(xié)會）集成電路產(chǎn)業(yè)鏈IC生產(chǎn)制造流程

IC設計ICdesignhouse晶圓制造：Foundry封裝測試：PackagingandTest整機制造投放市場圖1-3

IC產(chǎn)業(yè)鏈

封裝測試產(chǎn)業(yè)占比1/3圖1-4中國IC封裝測試產(chǎn)業(yè)規(guī)模

1.2

IC先進封裝1.2.1

倒裝芯片封裝1.2.2圓片級封裝1.2.3三維集成封裝封裝是將芯片（半導體/集成電路）包封在某一種標準組件中的方法，通過這種包封，半導體芯片可以用于終端產(chǎn)品。?電互連?機械支撐?機械和環(huán)境保護?導熱通道?實現(xiàn)空間尺度的變化?完成系統(tǒng)集成的功能封裝的基本功能封裝的層次一級封裝的主要互連技術?互連密度高?互連長度短?信號傳輸快，損耗低封裝類型—封裝外殼封裝形式發(fā)展IntelCPU發(fā)展歷程1.2

IC先進封裝圖1-5全球2019—2025年先進封裝市場規(guī)模預測（數(shù)據(jù)來源：YoleDevelopment報告）三維封裝1.2

IC先進封裝傳統(tǒng)封裝：LF(LeadFrame),基于WB(WireBonding)的BGA先進封裝：FC,WLP,TSV3DIntegration,

SiP28先進封裝先進封裝AdvancedPackage也稱為高密度先進封裝HDAP（HighDensityAdvancedPackage），是當今芯片封裝發(fā)展的red，受整個半導體產(chǎn)業(yè)鏈的高度關注。先進封裝定義：采用了先進的設計思路和先進的集成工藝，對芯片進行封裝級重構，并且能有效提高系統(tǒng)功能密度的封裝。先進封裝特點：1.不采用傳統(tǒng)的封裝工藝，例如：無BondingWire2.封裝集成度高，封裝體積小3.內部互聯(lián)短，系統(tǒng)性能得到提升4.單位體積內集成更多功能單元，有效提升系統(tǒng)功能密度29先進封裝先進封裝的四要素：BumpRDLWaferTSV1.2.1

倒裝芯片封裝指基于凸點結構實現(xiàn)芯片與芯片載體互聯(lián)的形式。高速信號處理、散熱特性、小型化有優(yōu)勢，應用于CPU，GPU，F(xiàn)PGA，DSP，AP，LED。源于20世紀60年代IBM

C4技術。1.2.1

倒裝芯片封裝圖1-6典型倒裝芯片封裝結構示意圖1.2.2

圓片級封裝WLPITRS定義：(1)封裝和測試是基于圓片（或圓片形式）實現(xiàn)的。（2）封裝后形成的單個封裝體可以直接應用于電路組裝工藝。亦稱晶圓級封裝，分為I/O端Fan-in，F(xiàn)an-out，IPD(IntegratedPassiveDevices)及各類傳感器圓片級封裝。EPROM,模擬芯片、RF及集成無源器件、MEMS，普遍采用WLP。EPROM：ErasableProgrammableReadOnlyMermory1.2.2

圓片級封裝WLP圖1-7圓片級封裝示意圖（來源：Infineon公司的扇出型圓片級封裝——eWLB）eWLB:embeddedWaferLevelBallGridArray1.2.3

三維集成縮短互連線總長度，短短互連延遲，降低互連功耗，減小集成面積，進一步促進小型化。按封裝和集成層次劃分：CoC，PoP。CoC，ChiponChip;PoP,PackageonPackage1.2.3

三維集成圖1-8芯片堆疊1.2.3

三維集成圖1-9疊層封裝（a）下封裝為引線鍵合形式的疊層封裝（b）下封裝為倒裝鍵合形式的疊層封裝三維封裝的發(fā)展1.2.3

三維集成材料：傳統(tǒng)鍵合引線，芯片黏接材料，芯片載體，微細連接材料，包封保護材料。若為倒裝互連，還包括互連凸點及底部填充料。1.2.3

三維集成TSV產(chǎn)品三星電子64GBDDR4RDIMM，美國賽靈思(Xilinx)2.5DSiinterposerFPGA（Virtex-72000T,RFMEMS）。圖1-10

DRAM截面結構（來源：三星電子（SamsungElectronics）報告）DualDataRateRegisteredDualIn-lineMemoryModuleXilinxVirtex7FPGA中的2.5D集成?StackedSiliconInterconnect基于硅通孔互連的三維封裝?TSV/TGV？?Through-Silicon/Glass-Via（TSV/TGV）/Through-wafer-interconnection/Through-via-interconnection?一種互連技術?3DPackaging/Integration?高速；低功耗；…TSV的核心技術TXVfamily摩爾定律的后續(xù)？從系統(tǒng)級封裝到異質集成封裝層次變遷中道(Middle-End)制程的提出IDM及設計公司的創(chuàng)新Fab廠、OSAT及終端產(chǎn)品公司的創(chuàng)新各研究機構的探索實現(xiàn)異質集成的多樣化手段?無TSV（TSV-less）的異質集成技術?基于TSV的集成技術（CoWoS等）TSMC-InFOIntegratedFanout（集成扇出型封裝）Intel-EMIBEMIB:EmbededMulti-dieinterconnectBridge（嵌入式多芯片互連橋）Sibridge替代Si轉接板方案（制造成本↓，工藝復雜性↓）-高密度、高帶寬、低成本互連Samsung-RDLinterposerRDLinterposer(再布線層轉接板)-面向高性能計算等應用的低成本封裝方案基于TSV技術的異質集成Xilinx-Virtex7FPGA2.5D,SiinterposerTSMC-CoWoSCoWoS:Chip-on-wafer-on-substrate（基板上晶圓疊加芯片）-基于TSVinterposer的多芯片晶圓級系統(tǒng)集成(WLSI：wafer-levelsystemintegration)Intel-Foveros?英特爾酷睿處理器“Lakefield”Intel-Co-EMIBEMIB+FOVEROS→Co-EMIB-EMIB(芯片間的橫向互連）+Foveros（芯片3D堆疊）巨頭們的先進封裝技術解讀

/wiki/WikiChip1.3

IC先進封裝材料概述SEMI協(xié)會封裝材料成本：40%~60%外圍封裝結構及封裝工藝中需要相關材料先進封裝中材料成本分析?按照產(chǎn)品別存在差異。1.3

IC先進封裝材料概述圖1-11

先進封裝中所涉及的材料及部位示意圖1.3

IC先進封裝材料概述按材料在最終產(chǎn)品存在與否及作用：主材料（直接材料）和輔材料（輔助材料或間接材料）主材料：形成元器件主體主要原材料，保留。輔材料：起輔助作用，最后不參與構成完成封裝的電子元器件。1.3

IC先進封裝材料概述章節(jié)號章節(jié)名稱說明備注第2章光敏材料包括介質層材料、鈍化層材料及光刻掩模材料介質層材料、鈍化層材料為主材料光刻掩模材料為輔材料第3章芯片黏接材料包括貼片膠、貼片膜、焊料等主材料第4章包封保護材料包括環(huán)氧塑封料、底部填充料等主材料第5章熱界面材料TIM材料主材料第6章硅通孔相關材料包括硅通孔的絕緣層、介質層、種子層等主材料第7章電鍍材料包括TSV填充電鍍液、凸點電鍍液及電鍍陽極材料等輔材料第8章靶材主要包括濺射靶材輔材料第9章微細連接材料及助焊劑包括微凸點及助焊劑材料等主材料第10章化學機械拋光液主要指TSV拋光材料輔材料第11章臨時鍵合膠封裝工藝中輔助或臨時鍵合材料輔材料第12章晶圓清洗材料主要包含PRStripper等清洗材料輔材料第13章芯片載體材料基板及Interposer等芯片載體材料主材料表1-1本書包含的先進封裝材料分類及說明光敏材料-光敏絕緣介質材料光敏材料-光阻材料（光刻膠）包封保護材料-底部填充料包封保護材料-環(huán)氧模塑料包封保護材料-NCP/NCF包封保護材料-熱界面材料電鍍材料-TSV電鍍材料電鍍材料-凸點電鍍材料濺射靶材微細連接材料-凸點材料化學機械拋光液臨時鍵合膠硅通孔相關材料-無機介質絕緣層材料硅通孔相關材料-TSV粘附層和種子層晶圓清洗材料互連基板材料先進封裝用材料別現(xiàn)狀集成電路先進封裝材料發(fā)展戰(zhàn)略調研組調研的企業(yè)、高校和科研院所清單類別公司名稱先進封裝材料及相關產(chǎn)品

先進封裝生產(chǎn)企業(yè)江蘇長電科技股份有限公司FC、MIS封裝產(chǎn)品江陰長電先進封裝有限公司凸點及WLCSP產(chǎn)品通富微電子股份有限公司FC、凸點及WLCSP產(chǎn)品華天科技（昆山）電子有限公司FC、CIS、指紋傳感器及模組、圓片級MEMS傳感器封裝測試、凸點、WLCSP等華天科技（西安）有限公司凸點及WLCSP產(chǎn)品蘇州晶方半導體科技股份有限公司W(wǎng)LCSP封裝及測試華進半導體封裝先導技術研發(fā)中心有限公司系統(tǒng)級封裝/集成先導技術研究，包括2.5D/3DTSV互連及集成關鍵技術、WLCSP、SiP產(chǎn)品應用等研發(fā)類別公司名稱先進封裝材料及相關產(chǎn)品

先進封裝用材料生產(chǎn)及研發(fā)單位浙江中納晶微電子科技有限公司晶圓臨時鍵合膠/膠帶、晶圓臨時鍵合隔離膜等寧波江豐電子材料有限公司集成電路芯片制造用超高純金屬材料及濺射靶材的研發(fā)與生產(chǎn)寧波康強電子股份有限公司各類半導體塑封引線框架、鍵合絲、電極絲和生產(chǎn)框架所需的專用設備等的生產(chǎn)有研億金新材料有限公司高純金屬濺射靶材工程化研發(fā)與生產(chǎn)安集微電子（上海）有限公司化學機械拋光液上海新陽半導體材料股份有限公司TSV、Bumping等晶圓電鍍、光刻膠剝離清洗等工藝所需高純電子化學品江蘇中鵬新材料股份有限公司塑封材料連云港華威電子集團有限公司塑封材料江蘇華海誠科新材料有限公司塑封材料天津百恩威新材料科技有限公司微波功率器件、集成功率模塊、T/R模塊等器件的封裝基座及外殼等德邦科技有限公司底部填充材料、熱界面材料等安捷利實業(yè)有限公司柔性基板材料天永誠高分子材料有限公司電子元器件黏接密封膠、硅脂、硅樹脂、線路板涂覆膠、耐紫外線耐老化耐腐蝕膠、防潮防水膠等清華大學先進封裝技術與材料研發(fā)與教學武漢大學先進封裝技術與材料研發(fā)與教學哈爾濱工業(yè)大學先進封裝技術與材料研發(fā)與教學中國電子科技集團公司第十三研究所陶瓷外殼研發(fā)、生產(chǎn)及圓片級MEMS傳感器封裝測試中國電子科技集團公司第四十五研究所電子元器件關鍵工藝設備技術、設備整機系統(tǒng)及設備應用工藝研究開發(fā)和生產(chǎn)制造北京微電子技術研究所封裝測試、可靠性試驗、失效分析、MEMS器件加工等技術服務先進封裝材料分類編號封裝材料類別說明調研單位M1光敏材料包括介質層材料、鈍化層材料及光刻掩模版材料浙江中納晶微電子科技有限公司煙臺德邦科技有限公司M2包封保護材料包括塑封材料、底部填充料、TIM、芯片互連有機材料等江蘇中鵬新材料股份有限公司煙臺德邦科技有限公司通富微電子股份有限公司M3電鍍材料包括TSV填充電鍍液、凸點電鍍液、凸點電鍍靶材等上海新陽半導體材料股份有限公司M4靶材包括濺射靶材等有研億金新材料有限公司M5微細連接材料包括凸點及Flux材料等清華大學江陰長電先進封裝有限公司寧波康強電子股份有限公司M6化學機械拋光液主要指TSV拋光材料安集微電子（上海）有限公司M7臨時鍵合膠封裝工藝中的輔助或臨時鍵合材料浙江中納晶微電子科技有限公司M8硅通孔相關材料包括刻孔材料、介質層、種子層等天水華天微電子股份有限公司M9晶圓清洗材料主要包含PRStripper和TSV通孔清洗劑等上海新陽半導體材料股份有限公司M10封裝基板有機基板、硅基板等關鍵材料中國電子科技集團公司第十三研究所第2章光敏材料1.1IC產(chǎn)業(yè)及IC封裝測試產(chǎn)業(yè)1947年，貝爾實驗室(威廉·肖克利、約翰·巴頓、沃爾特·布拉頓)，發(fā)明第一只晶體管（transistor）；1956年度諾貝爾物理學獎。1958年，第一塊IC(杰克·基爾比，2000年獲得諾貝爾物理學獎)。SIA、

CSIAIC生產(chǎn)制造流程封裝測試產(chǎn)業(yè)占比1/3復習：第１章緒論封裝及其作用一級封裝的主要互連技術封裝外殼IC先進封裝三維集成里所用的材料TSV帶來的優(yōu)勢TSV的核心技術、材料及設備TXVTSMC-InFO、Intel-EMIB、Samsung-RDLinterposer、基于TSV技術的異質集成、TSMC-CoWoS、Intel-Foveros、EMIB+FOVEROS→Co-EMIB1.2

IC先進封裝封裝材料成本：先進封裝中所涉及的材料主材料（直接材料）和輔材料（輔助材料或間接材料）1.3

IC先進封裝材料概述光敏材料：對特定波段的光輻射敏感，吸收光子能量而發(fā)生光敏反應，引發(fā)相應物質結構、光學特性改變的光學材料。根據(jù)作用分類：光敏絕緣介質材料（PhotoSensitiveDielectricMaterial），主材料光阻材料（PhotoResistMaterial），輔材料目錄2.1光敏絕緣介質材料2.2光刻膠主要應用在WLCSP、FoWLP、IPD

WLP中，作為主要介質材料，同時作為芯片機械支撐材料。即用光敏絕緣介質材料來制造介質層。2.1光敏絕緣介質材料2.1光敏絕緣介質材料2.1.1

光敏絕緣介質材料在先進封裝中的應用2.1.2光敏絕緣介質材料類別和材料特性2.1.3新技術與材料發(fā)展2.1.1

光敏絕緣介質材料在先進封裝中的應用WLP中，晶圓表面鈍化層、晶圓信號排布再布線結構中介質都需要光敏絕緣介質材料來制造。圖2-1典型的圓片級封裝模塊的結構2.1.2

光敏絕緣介質材料在先進封裝中的應用主要材料：光敏PI（PSPI），BCBPSPI，最大用戶Intel，作為介質來制造凸點或銅柱類的微細連接再布線層。大尺寸芯片。BCB（陶氏化學，常用于MEMS器件WLP的介質材料）。小尺寸芯片。OSAT，ASE，Amkor,SPIL(矽品)，星科金朋使用。封裝制造企業(yè)：TSMC，TI，SamsungElectronics，臺灣晶材(Xintec)，中芯國際（SMIC），江蘇長電/江陰長電（JCET/JCAP），蘇州晶方半導體科技有限公司（蘇州晶方）。2.1.2

光敏絕緣介質材料在先進封裝中的應用BCB供應商，美國陶氏唯一供應商。PSPI：日本富士膠片F(xiàn)ujifilm（最大，），HD微系統(tǒng)公司(HDMicrosystem，日立化成HitachiChemical和杜邦Dupont合資)，AZ電子材料有限公司（AZElectronicsMaterials），旭化成電子材料株式會社(AsahiKaseiE-Material)，東麗株式會社(Toray)，中國臺灣律勝科技有限公司（用于FPC,PCB，IC基板制造）2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）優(yōu)勢：高溫穩(wěn)定性、良好機械性能，高Tg，較高化學收縮率和較好吸潮性能。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性表2-1東麗株式會社不同型號的PSPI的材料特性型號LT-6100LT-6300LT-6500LT-6600類別低應力型高光敏型高Tg型低應力及稍高Tg型抗拉強度MPa（200℃）100110121112伸長率170℃固化%30303030200℃固化%20202020250℃固化%20202020楊氏模量GPa（200℃）2.62.63.42.9熱膨脹系數(shù)（CTE）ppm/℃（200℃）70616560殘余應力170℃固化MP固化MP固化MPa252339265%失重溫度200℃固化℃382374393367250℃固化℃388380412371Tg（TMA）200℃固化℃160180232194250℃固化℃201287212介電常數(shù)（200℃）3.73.43.13.4體積電阻Ω·cm>1016>1016>1016>1016表面電阻Ω/□>1016>1016>1016>1016擊穿強度kV/mm>420395>420>420水吸收率%（200℃）1.71.31.11.62.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）傳統(tǒng)PI不具備光敏性，圖形化時要與光刻膠配合使用。PI上涂光刻膠，圖形化處理光刻掩蔽層，刻蝕PI，移除光刻膠，PI上留下圖形。PSPI，節(jié)省3~4道工藝，加工精度高，降低成本。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）圖2-2

PI與PSPI工藝對比2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）按化學反應機理：分為負性PSPI和正性PSPI。按化學結構：含光敏基團PSPI（主鏈或側鏈引入）和自增感型PSPI2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）1)負性PSPI一般為光交聯(lián)型光敏劑，光敏樹脂溶解性隨光化學反應進行而降低，圖形與掩模板相反。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）1)負性PSPI圖2-3負性PSPI與掩模版的對比2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）1)負性PSPI分為酯型，離子型和自感型三大類。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）1)負性PSPI公司商品名類型曝光量/（mJ/cm2）亞胺化溫度/℃留膜率/%AsahiPimel酯型負性PSPI30035050DupontPyralin酯型負性PSPI20035050OCGProbimide酯型負性PSPI15035060TorayPhotoneece離子型負性PSPI25035060AmocoUltradel自增感型負性PSPI23035092波米科技ZKPI———92表2-2典型PSPI的材料特性2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）酯型負性PSPI：最早出現(xiàn)，西門子公司的Rubner將對UV敏感的光敏性醇與均苯二酐反應制得二酸二酯，酰氯化后與芳香二胺反應得高子鏈，生成穩(wěn)定的聚酰胺酯(PAE)。

圖2-4酯型負性PSPI的合成過程有較好的流平性和成膜性，膜收縮率大，分辨率5~10mm，感光度低。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）離子型負性PSPI:聚酰胺酸和含有丙烯酸脂或甲基丙烯酸酯的叔胺組成。圖2-5離子型負性PSPI分子式優(yōu)點：熱穩(wěn)定性好，電絕緣性好，制造簡單，易實現(xiàn)商品化；缺點是光敏基團會脫落，膜損失率比較高，分辨力下降。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）自感型負性PSPI:機理是酮羰基受UV激發(fā)后，奪取鄰位烷基上的氫基產(chǎn)生自由基，再發(fā)生交聯(lián)反應。反應過程2-6圖2-6酮羰基光化學反應過程優(yōu)點：不需要胺化，制造工藝簡單，產(chǎn)品純度高，更適用于微細化發(fā)展線路。缺點：對曝光燈源波長敏感度不高。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）正性PSPI:所用光敏劑一般為光降解型光敏劑，光敏樹脂溶解性隨著光化學反應的進行而提高，所得圖形與掩模板相同。圖2-7正性PSPI與掩模版的對比2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）負性PSPI易得到厚膜，正性PSPI具有更高分辨力及在堿性溶液下即可顯影（無須有機溶劑），需求量增加。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）正性PSPI分類:鄰硝基芐酯型，重氮萘醌磺酸酯（DNQ）型、聚異酰亞胺型、環(huán)丁基亞胺樹脂型。鄰硝基芐酯型正性PSPI：能夠在UV下重排，分解成可溶性羧酸和醛。反應過程2-8：2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）圖2-8

鄰硝基芐酯型正性PSPI的光化學反應過程分辨率高，可達1mm，敏感度差，曝光時間長。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）DNQ型正性PSPI：較好溶解性的PI和抑制溶解劑重氮萘醌磺酸酯類化合物（DNQ）合成。光作用下，DNQ發(fā)生變化形茚酸類物質，失去對PI的抑制劑作用，PI曝光部分溶解在堿性溶液中。反應過程2-9：圖2-9DNQ型正性PSPI光化學反應過程2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）DNQ型正性PSPI：優(yōu)點：可水基顯影，且顯影液對膠膜沒有溶脹作用，分辨率高。可達1mm，敏感度差，曝光時間長。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性

光敏PI（PSPI）聚異酰亞胺型正性PSPI：溶解性優(yōu)良，介電常數(shù)低，圖形穩(wěn)定性好的聚異酰亞胺(PII)為前驅體，基于PII和PI的溶解性差異獲得的材料。環(huán)丁基亞胺樹脂型正性PSPI：利用馬來酸酐等經(jīng)光化學反應，首先向得二聚體，然后與其它物質反應制得聚酰胺酸或聚酞氨酸，脫水后得到環(huán)丁基酰亞胺樹酯，再通過調配制成。UV照射后，曝光部分可溶解在二甲基乙酰胺（DMAC）中，獲得正性光刻圖形。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性BCBBCB：陶氏化學開發(fā)的先進電子干法刻蝕樹脂，通過在高分子單體中引入一定量的硅烷基團而形成的材料。化學性能穩(wěn)定（不溶于丙酮）、耐高溫（350oC）、與硅襯底失配小、機械強度高。分為光敏BCB和非光敏BCB，IC領域常用用光敏BCB。光敏BCB分子結構2-10：圖2-10光敏BCB分子結構圖2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性BCB表2-3陶氏化學（DowChemical）的不同型號光敏BCB光刻膠及其特性型號黏度（cSt）（25℃）固化厚度/μm4022-25340.8～1.84022-351922.5～5.04024-403503.5～7.54026-4611007.0～14.0XU35078type3195015～30二次方毫米每秒2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性BCB材料特性數(shù)值擊穿強度VB/（MV·cm-1）5.3介電損耗0.0008介電常數(shù)（1kHz～20GHz）2.65漏電流/（A·cm-2）4.7×10-10熱導率λ/（W·m-1·K-1）0.29體電阻率ρ/（Ω·cm）1×1010熱膨脹系數(shù)CTE/（ppm/℃）42拉伸模量E/GPa2.9±0.2玻璃化溫度Tg/℃＞350泊松比0.34抗張強度σb/MPa87±9硅表面應力σ/MPa28±2表2-4光敏BCB（CYCLOTENETM4000系列產(chǎn)品）的材料特性2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性BCBBCB材料特性：（1）低介電常數(shù)(~2.7)，（2）低離子含量，（3）低吸水率，（4）低固化溫度，（5）高溫穩(wěn)定性好及低氣體揮發(fā)率，（6）良好抗溶劑腐蝕性。2.1.2

光敏絕緣介質材料類別和材料特性BCB圖2-11

BCB（CYCLOTENETM4000系列產(chǎn)品）圖形化工藝流程2.1.3

光敏絕緣介質材料類別和材料特性其它光敏絕緣介質材料：環(huán)氧樹酯，聚苯并惡唑(PBO)，芳香族含氟聚合物（A1-X）等，在某些特定封裝中得到應用。2.1.3

新技術與材料發(fā)展光敏絕緣介質材料改善方面：（1）工藝具備易操作性。（2）低楊氏模量，從而帶來低內部應力。（3）低溫可固化。（4）低吸潮吸水性。（5）低介電常數(shù)。（6）高抗斷裂性能。2.1.3

新技術與材料發(fā)展環(huán)氧樹脂：從產(chǎn)量、應用范圍上講，環(huán)氧樹脂是電子材料中應用最多的材料。較低固化溫度、較小化學收縮率、較好抗化學腐蝕性、與各種材料均有良好黏接強度及成本較低。局限性在于：較高CTE、較低Tg及熱穩(wěn)定性。2.1.3

新技術與材料發(fā)展圖2-12扇出型圓片級封裝結構示意圖2.1.3

新技術與材料發(fā)展環(huán)氧樹脂：在光敏絕緣介質材料中占比10%，供應商和產(chǎn)品主要包括JSR

Micro的WPR系列，陶氏化學的Intervia系列，京東應化工業(yè)株式會社（TOK）的TMMR系列及MicroChem的SU-8系列。2.1.3

新技術與材料發(fā)展材料供應商類型厚度/μm抗拉強度/MPa楊氏模量/GPaTg/℃CTE/(ppm/℃)WPR-5100JSRMicro正性5～10802.521054Intervia-8023-10DowChemical負性8～16/4.018162TMMRN-A1000T-3TOK負性15～401030.718050SU-83015BXMicroChem負性15～3573220052表2-5基于環(huán)氧樹脂的光敏絕緣介質材料特性2.1.3

新技術與材料發(fā)展苯并惡唑（Polybenzoxazole,PBO)主鏈含有苯并惡唑雜環(huán)重復單元的耐高溫芳雜環(huán)聚合物，通常為正性光敏材料，曝光后可溶在水基溶液中（2.38%的TMAH四甲基氫氧化銨）較高曝光線條清晰度，較低固化溫度，較低吸水性和較低同遷移率，在WLP中得到一定應用。表面涂層，主要用戶Amkor,ASE,SPIL等OSAT。2.1.3

新技術與材料發(fā)展圖2-13PBO固化過程2.1.3

新技術與材料發(fā)展PBO：光敏絕緣層供應商：HDMicrosytems的Pyrin系列和住友（Sumitomo）的Sumirresin系列。HDMicrosytems的HD-8940，具有低固化溫度(200oC)。PBO通過閉環(huán)實現(xiàn)固化，生成機械強度高的介電層。Tg為200oC，介電常數(shù)為2.9，楊氏模量為2.2Gpa，多應用于FOWLP。2.1.3

新技術與材料發(fā)展芳香族含氟聚合物（A1-X）：美國AGC公司在2010年商業(yè)化熱固化光敏低介電常數(shù)材料，主要用于WLP的表面再布線層。具有低固化溫度，高CTE系數(shù)，高伸縮率，高光敏分辨率，良好的電學性能。190oC經(jīng)過數(shù)小時低溫固化，介電常數(shù)2.6，主要用于無源器件集成及FOWLP。2.2.1光刻膠在先進封裝中的應用2.2.2光刻膠類別和材料特性2.2.3新技術與材料發(fā)展2.2光刻膠2.2.1光刻膠在先進封裝中的應用也叫光阻材料：指光源（UV,準分子激光器，電子束，離子束，X射線）照射使其在某些特定溶劑中溶解度發(fā)生變化的耐刻蝕材料。是輔材或耗材，主要應用于再布線金屬層制造，完成后被剝離，完全不留在器件上。應用于先進封裝技術：高密度基板，中介轉接層，再布線技術，TSV技術，高密度凸點技術，圓片級封裝。分辨力在微米數(shù)量級，厚度為數(shù)微米至十微米量級。2.2.1光刻膠在先進封裝中的應用圖2-14結合光刻和電鍍技術制造的銅凸點2.2.1光刻膠在先進封裝中的應用圖2-15光刻技術示意圖2.2.1光刻膠在先進封裝中的應用光刻技術：利用光刻膠的光化學反應，通過曝光，將掩版上圖形轉移到襯底上的技術。2.2.1光刻膠在先進封裝中的應用光刻膠體系成膜樹脂感光劑曝光波長主要用途紫外負性光刻膠環(huán)化橡膠雙疊氮化合物紫外全譜300～450nm2μm以上集成電路及半導體分立器件的制造紫外正性光刻膠酚醛樹脂重氮酚醛化合物g線436nmi線365nm特征尺寸0.5μm以上集成電路制造特征尺寸0.35～0.5μm集成電路制造248nm光刻膠聚對羥基苯乙烯及其衍生物光致產(chǎn)酸試劑KrF，248nm特征尺寸0.25～0.15μm集成電路制造193nm光刻膠聚酯環(huán)族丙烯酸酯及其共聚物光致產(chǎn)酸試劑ArF，193nm干法ArF，193nm濕法特征尺寸150～65nm集成電路制造13.4nm光刻膠聚對羥基苯乙烯衍生物和聚碳酸酯類衍生物—10～14nm高分辨力電子束光刻膠甲基丙烯酸酯及其共聚物光致產(chǎn)酸試劑電子束高分辨力，不需要掩模版表2-6

集成電路中主要使用的光刻膠2.2.1光刻膠在先進封裝中的應用生產(chǎn)企業(yè)主要包括：日本東京應化工業(yè)株式會社（TOK），JSR株式會社（JSR），富士膠片株氏會社(Fujifilm)，信越化學工業(yè)株式會社(Shin-EtsuChemical)，住友化學株式會社(SumitomoChemical)。美國Shipley,DowChemical;歐洲Clariant和AZEM;韓國錦湖石油化學(Kumho

Petrochemical)，東進世美肯(DongjinSemichem)2.2.1光刻膠在先進封裝中的應用主流為分辨率0.25~0.18

mm深紫外正性光刻膠，應用于8~12inch超在規(guī)模集成電路。中國大陸，北京科華微電子材料有限公司，蘇州瑞紅電子化學品有限公司，濰坊星泰克微電子材料有限公司，無錫化式研究設計院有限公司，永光（蘇州）光電材料有限公司。g/i線[g-線(436nm)和i-線(365nm)]用光刻膠已量產(chǎn)，KrF與ArF光刻膠小批量生產(chǎn)，目前不具備EUV光膠研發(fā)、生產(chǎn)能力。2.2.2光刻膠類別和材料特性

光刻膠主要技術參數(shù)構成：感光物質（PAC），成膜樹脂，助劑（穩(wěn)定劑、阻聚劑、黏度控制劑）。一般為液態(tài)，厚膠光刻應用，也會用到干膜。干膜通常由PE薄膜、光刻膠膜、聚酯（PET）薄膜三部分組成。PE,PET為保護模，分別在壓膜前和顯影前去掉，真正起作用的是光刻膠膜。2.2.2光刻膠類別和材料特性

光刻膠主要技術參數(shù)技術參數(shù)：分辨力：可獲得到最小線寬尺寸。影響因素：自身特性、曝光設備源源系統(tǒng)。厚度大于最小分辨尺寸時，容易坍塌造成圖形變形。正大于負。對比度：亮區(qū)、暗區(qū)分辨能力，對比度大，分辨力高，圖形邊緣清晰。正優(yōu)于負。敏感度：對一定能量的光的反應程度，mJ/cm2。2.2.2光刻膠類別和材料特性

光刻膠主要技術參數(shù)圖2-16三種不同光刻膠的曝光曲線2.2.2光刻膠類別和材料特性

光刻膠主要技術參數(shù)技術參數(shù)：抗蝕性：耐熱能力；抗化學腐蝕能力，避免側蝕；抗等離子體轟擊能力；抗離子注入能力。黏滯性：流動特性。高黏滯性，厚膜；低，薄膜。黏附性：保證后續(xù)工藝，同時有利于形成均一光刻膠膜。2.2.2光刻膠類別和材料特性

光刻膠類別曝光前后光刻膠膜溶解性變化：正性膠，負性膠。曝光和輻射源：UV（g436

nm，i365nm線），DUV（248nm,193nm,157nm）,EUV（10~14nm）、電子束光刻膠、離子束光刻膠、X射線光刻膠。2.2.2光刻膠類別和材料特性

光刻膠類別先進封裝制程用：紫外正性膠，負性膠。紫外正性光刻膠：見光分解。分辨力高，但黏附性差，抗刻蝕能力差，成本高。酚醛樹酯－－重氮萘醌型（Novlac/DNQ）（主力光刻膠），化學放大型(Chemically

AmplifiedResistCARs).2.2.2光刻膠類別和材料特性

光刻膠類別紫外正性光刻膠：根據(jù)曝光設備不同，分為寬譜紫外（2~3mm,0.8~1.2

mm線寬）、g線（436nm)(0.5~0.6mm線寬），i線(365nm)(0.35~0.6mm線寬)。i線取代g線技術，滿足0.25mm制造要求，是國內應用廣泛的光刻技術。2.2.2光刻膠類別和材料特性

光刻膠類別紫外負性光刻膠：見光固化，圖形相反。具有良好黏附能力，良好阻擋作用，感覺光速度快，但顯影易變形、膨脹，分辨力差，適合加工線寬大于0.35mm線條。聚乙烯醇肉桂酸酯體系（聚酯膠）和環(huán)化橡膠－雙疊氮體系兩大類。聚酯膠：是期重要光刻膠之一，分辨力好，敏感度高，黏附性差。環(huán)化橡膠－雙疊氮：由環(huán)化橡膠（聚烴樹脂）、感光材料（雙疊氮型交聯(lián)劑）、增感劑和溶劑組成。與硅有良好黏附性、抗刻蝕能力好、感光速度快，缺點是分辨力較低，只可進行2

mm以上制造，不能滿足微細加工要求。2.2.3新技術與材料發(fā)展１）深紫外(DUV)光刻膠：g、h、i使用光源為高壓汞燈，且譜線較強。DUV波長短，分辨力高。KrF248nm,ArF193nm,F2157nm稀有氣體鹵化物準分子激發(fā)態(tài)激發(fā)光源DUV采用化學增幅技術，在光刻膠中加入光致產(chǎn)酸劑，H+作為催化劑，曝光能量顯著降低，提高敏感度。248nm：聚對羥基苯乙烯及期衍生物是理想的成膜樹脂，親油性好，與硅襯底黏附力差，通過化學增強幅技術改進。應用于0.25~0.15mm,1GBDRAM及其器件制造。2.2.3新技術與材料發(fā)展193nm：聚甲基丙烯酸酯體系，側鏈上引入多元酯結構，解決原聚合物抗干法刻蝕性能差問題，黏附性通過在成膜樹脂側鏈上引入極性基團改善。開發(fā)了降冰片烯－馬來酸酐及其衍生物，有機－無機雜化樹脂和PAG接枝聚合物主鏈作為成膜樹脂。2.2.3新技術與材料發(fā)展2）極紫外(EUV)光刻膠10~14nm極短紫外線。13.4nm成功應用于商業(yè)。線寬可達10nm以內，Samsung及TSMC量產(chǎn)中化學化入。關鍵問題：光源（功率和壽命）、光刻膠材料（分辨力和敏感度）、掩模板（缺陷密度）。EUV光源光子數(shù)比ArF光源光子數(shù)少1/10。對材料要求：吸收率低，透光度高，抗刻蝕性強，曝光能量低。2.2.3新技術與材料發(fā)展3）電子束光刻膠

：高速電子照射使光刻膠膜化學性質改變。分為投影式和直寫式曝光（不需要掩模板）。分辨力高，30nm，可達5nm，黏附力好，工藝簡單，應用于光學及非光學掩模板制造及微納結構器件制造。電子束光刻膠寫場較小，敏感度低，限制其大規(guī)模應用。2.2.3新技術與材料發(fā)展負性電子束光刻膠：SAL-601,NEB-22,環(huán)氧基、乙烯基或環(huán)硫化物聚合物，常用環(huán)烯烴聚合物（COP）。典型特性：敏感度0.3~0.4mC/cm2(加速電壓10kV），分辨力為1.0mm，對比度為0.95。限制分辨力的因素為顯影溶脹。正性電子束光刻膠：APEX-8,UVⅢ,UV5，主要成分為甲基丙烯酸甲酯、烯硯、重氮類材料，聚甲基丙烯酸甲酯常用。分辨力高，0.1mm量產(chǎn)，缺點是敏感度差，20kV下加速電壓敏感度為40~80mC/cm2抗干法刻蝕性能差。2.2.3新技術與材料發(fā)展4）X射線光刻膠：需要配置昂貴的同步加速器X射線源，主要用于MEMS上LIGA技術，是將X射線刻蝕電鑄成型及塑鑄等有機結合的一種微細加工技術，適用于高深寬比、大尺寸的三維立體結構。高分辨力、大深焦、較大曝光窗口、高生產(chǎn)效率等技術優(yōu)勢，是非常有競爭力的新一代光刻技術。聚丁烯砜Ｘ射線光刻膠，聚1,2二氯丙烯酸X射線光刻膠等類型。2.2.3新技術與材料發(fā)展5）離子束光刻膠：將氣體離子源發(fā)出的離子通過多級靜電離子透鏡投射于掩模版上并將圖形縮小后聚焦于硅片上，再進行曝光和步進重復操作的一種光刻方式。分為FIB,IBS,MIB光刻類型。優(yōu)點：曝光時可同步刻蝕、沉積工藝，簡化工藝流程；缺點：生產(chǎn)效率不高。目前可以制造微、納結構，但需要完善。商業(yè)應用和發(fā)展有限。2.2.3新技術與材料發(fā)展6）納米壓印光刻膠NIL：新一代光刻技術，分為熱壓印、紫外壓印、步進式壓印、滾動式壓印。熱壓光刻膠（熱固性/熱塑性）、紫外固化光刻膠。不會受曝光光源波長限制，具有高分辨力，工藝本本低廉。掩模板制造困難及自身局限性，處于實驗室研究階段。光敏材料-光敏絕緣介質材料光敏材料-光阻材料（光刻膠）第3章芯片黏接材料復習第2章光敏材料光敏材料及其分類PI與PSPI工藝對比PSPI分類BCB材料特性及圖形化工藝流程2.1光敏絕緣介質材料光刻膠、光刻技術、光刻膠構成、形態(tài)光刻膠主要技術參數(shù)光刻膠類別新技術2.2光刻膠芯片黏接(DieattachDA)材料：芯片與芯片載體(Chipcarrier)間黏接工藝的封裝材料。芯片載體，又稱為基板，可分為有機基板、金屬基板、陶瓷基板、硅基板，玻璃基板。芯材黏接工藝要求：機械強度高，穩(wěn)定化學性能，導電，導熱，熱匹配，低固化溫度，可操作性。材料要求：高純度、快速固化、低應力、良好導電性或絕緣及導熱性。目錄3.1芯片黏接材料在先進封裝中的應用3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.3新技術與材料發(fā)展芯片黏接材料是傳統(tǒng)封裝中關鍵材料，其基本功能是將集成電路芯片機械地、高可靠性地連接安裝在芯片載體上。集成電路封裝中，應用主要體現(xiàn)在以下：1)芯片堆疊及多芯片黏接2)倒裝芯片黏接3.1芯片黏接材料在先進封裝中的應用1)芯片堆疊及多芯片黏接芯片固定、安裝3.1芯片黏接材料在先進封裝中的應用圖3-1芯片堆疊中的芯片黏接材料1)芯片堆疊及多芯片黏接芯片黏接材料功能：機械、熱、電學等材料性能綜合表征。黏接應用：足夠的黏接強度，確保芯片固定；熱性能：CTE接近，且具有優(yōu)良的導熱系數(shù)。優(yōu)勢：可以沒有用于導電金屬層、不需要精確定位，只需要將材料放置在芯片和芯片載體之間后，進行必要的黏結工藝處理即可，工藝簡單。3.1芯片黏接材料在先進封裝中的應用1)芯片堆疊及多芯片黏接芯片黏接主要應用于先進封裝中芯片堆疊。黏接層厚度在50mm以下乃至20mm左右，薄膜型芯片黏接材料應運而生DAF3.1芯片黏接材料在先進封裝中的應用圖3-2芯片堆疊技術發(fā)展歷程膠狀2)倒裝芯片黏接IBM公司，1960年開發(fā)FC技術，縮短芯片和載體互連距離，同時增強各電子元器件黏接穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率，降低成本。機械互連+電互連，通過Bump實現(xiàn)精準互連和電互連。Bump材料：單質金屬、合金或聚合物。向低成本、無鉛化、無助焊劑的方向發(fā)展。3.1芯片黏接材料在先進封裝中的應用3.2芯片黏接材料類別和材料特性芯片黏接方法：黏接法、焊接法傳統(tǒng)芯片黏接材料按黏接方法不同、材料不同，可分為有機貼片膠（導電膠、緣緣膠）、裝片膠膜（導電膠膜、緣緣膠膜）、焊料和低溫封裝玻璃。3.2芯片黏接材料類別和材料特性圖3-3芯片黏接方法及芯片黏接材料圖3-3芯片黏接方法及芯片黏接材料3.2芯片黏接材料類別和材料特性黏接法：指用高分子樹脂（如環(huán)氧樹脂）把芯片黏接到焊盤上，使兩者實現(xiàn)連接。按物理狀態(tài)不同，環(huán)氧樹脂分為貼片膠和裝片膠膜。貼片膠（DA），廣泛應用于塑封封裝，工藝溫度低、成本低、熱應力低、易返修優(yōu)點，但材料熱穩(wěn)定性差，需高溫固化工藝時間長。分壓力導電膠和緣緣膠。導電膠，是一種具有一定導電性能的黏接劑，分為ICA、ACA。導電膠主要成分為導電填料（Au,Ag等導電粒子）和環(huán)氧樹脂。導電膠有導電性、黏接性，同時還具有熱的良導體。Ag具有優(yōu)異的物理化學性能，可接受的價格及氧化物導電，被廣泛應用。3.2芯片黏接材料類別和材料特性絕緣膠（NCA）：廣泛應用于IC封裝中的絕緣黏接、灌封，如芯片背面不需要導電的黏接情況。裝片膠膜（DAF）：是一種超薄型薄膜黏接材料，主要成分是樹脂，與導電膠不同，以膠膜形式應用于芯片粘貼，可吸收熱脹冷縮引起的應力而有效防止不同物質交界面分層現(xiàn)象。DAF可以把IC芯片與封裝基板、芯片與芯片連接在一起。可通過熱焊接的方式封裝倒裝芯片，讓無法使用Underfill進行封裝的問題得到解決。分為導電膠膜和緣緣膠膜。3.2芯片黏接材料類別和材料特性焊接法：通過加熱焊料Solder，利用液態(tài)焊料潤濕母材，填充接頭空隙并與母材相互擴散，從而實現(xiàn)芯片黏接。FC結構中，裸芯片和襯底可以直接通過焊點進行機械連接同時實現(xiàn)電互連，省去貼片、打線過程，減小封裝體積并降低成本。低溫玻璃（Low-MeltingSealingGlass），指軟化溫度低于600oC的玻璃。低溫玻璃作變芯片黏接和封接材料，可實現(xiàn)半導體、金屬、陶瓷、玻璃間的相互封接，應用范圍很大。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.1

導電膠3.2.2導電膠膜3.2.3焊料3.2.4低溫封接玻璃3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.1

導電膠導電膠通過高分子樹脂基體中添加金屬導電填料形成的。導電填料主要提供電學、熱學特性，樹脂基體提供機械特性和密封性。通過調整金屬導電填料和樹脂的配比，導電膠可以體現(xiàn)出截然不同的電學和機械性能，與金屬焊料有明顯區(qū)別。區(qū)別于本征導電高分子，導電膠在一定儲存條件下具有流動性，經(jīng)過印刷/點膠工藝后，需要進行加熱或其它工藝，使導電膠固化方可起到一定強度的連接作用。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.1

導電膠圖3-4導電膠3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.1

導電膠導電膠以高分子樹脂及導電填料為主體，添加固化劑、增塑劑、稀釋劑及其它助劑組成。組成基本材料導電填料高分子樹脂固化劑增塑劑稀釋劑常用材料環(huán)氧樹脂、聚氨酯、酚醛類樹脂等胺類、咪唑化合物、酸酐、TDI三聚體等鄰苯二甲酸脂類、磷酸三苯脂等丙酮、乙二醇乙醚、丁醇等銀、金、銅、碳粉及復合粉體基本功能導電膠黏接強度的主要來源與高分子樹脂反應，生成網(wǎng)狀立體結構的不溶不熔聚合物提高材料抗沖擊能力降低黏度便于使用，提高使用壽命提供導電性能表3-1導電膠的常用材料及功能3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.1

導電膠導電機理：滲流理論（導電通路學說）、隧道效應、有效介質理論、場致發(fā)射理論，其中滲流理論是研究最成熟、最多的導電機理。滲流理論認為，導電膠通過導電粒子在樹脂基體中形成導電通路進行導電；導電膠的電導率并不隨著導電粒子濃度增加發(fā)生線性變化，而存在一個滲流閾值，閾值大小取決于導電粒子和樹脂基體類型，以及導電粒子在樹脂基體中的分散狀態(tài)。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.1

導電膠按結構分：本征型導電膠（結構型導電膠）和復合型導電膠（填充型導電膠）。本征型導電膠指分子結構本身具有導電功能的導電膠，電阻率高，導電穩(wěn)定性及重復性差，成本也高，實用價值有限。復合型導電膠以高分了聚合物為基體，在其中加入各種導電物質，經(jīng)過物理或化學方法復合后得到。聚合物基體一般環(huán)氧樹脂、硅酮或聚酰亞胺，加入的導電物包括銀、鎳、銅、金等金屬及炭黑、石墨等非金屬。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.1

導電膠按導電方向分：ICA和ACA。ICA

在各方向有相同的導電性能，多以Ag、Au、Ni、Cu和石墨為導電粒子，典型填料尺寸為1~10

mm。ACA

可在單一方向進行導電，即線性導電，多以Au、Ni、Cu和金屬鍍覆粒子為導電粒子，典型填料尺寸為3~5

mm。兩者區(qū)別來源于滲流理論的導電機理，導電填料體積占比不同及分散狀態(tài)不同造成的差異。ICA中導電填料含量高于ACA中。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.1

導電膠各向同性導電膠（ICAs）

各向異性導電膠（ACAs）圖3-5導電膠連接示意圖3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.1

導電膠按基體材料分：熱固型導電膠和熱塑型導電膠。固化條件分：熱固化型導電膠（室溫、中溫、高溫）、光固化型導電膠（紫外光固化）、電子束固化型導電膠。根據(jù)導電粒子分類：金屬導電膠（Ag系，Cu系，Ni系）及非金屬導電膠(碳系)等。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.1

導電膠導電膠比焊料具有更高的工藝精度。作為新一代綠色環(huán)保型電子封裝材料，導電膠作為焊料的補充替代品有著廣闊的前景。相比于焊料：較低溫度下甚至室溫固化，避免焊接高溫對元器件的損害；傳遞應力比較均勻，可避免在黏接部位出現(xiàn)力集中而造成的機械破壞。導電填料的含量與電阻率關聯(lián)。某個填料含量以下，電阻過大；增加填料含量，樹脂含量相對減少，導電膠抗沖擊強度和黏接強度下降。需要在導電、導熱、力學及連接可行性方面提升。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.2

導電膠膜低溫、低彈性模量裝片膠膜材料的研發(fā)。導電膠膜是熱固型導電膠的一種，由電電粒子、樹脂基體和添加劑組成，是一種具有導電性、黏接性的高分子聚合物薄膜。圖3-6導電膠膜實物圖（Henkel）3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.2

導電膠膜按導電方向分為：ICF和ACF。主要性能指標：電學性能，尤其是電阻率。導電膠膜厚度及其均勻性也是重要指標。IC領域，導電膠膜正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊料和傳統(tǒng)膠黏劑。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.2

導電膠膜導電膠膜優(yōu)點：消除側邊爬膠，減小芯片與芯片焊盤距離，提高芯片設計密度，配套封裝材料（金絲、基板和塑封料）的用量顯著減少，降低生產(chǎn)成本；不需要高溫互連，應力小，具有較高的柔性和抗疲勞性，可以多種基板連接；工藝簡單，生產(chǎn)效率高；不含鉛等有毒金屬成分，減少環(huán)境污染。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.2

導電膠膜導電膠膜研究集中在對基本性能（黏接、電學、熱學）和特殊性能（低吸濕、熱應力）的提高，研究內容包括導電粒子，基體樹脂組成，結構及固化工藝等的優(yōu)化。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.2

導電膠膜提高電導率和熱導率：固化膠體時使導電粒子之間緊密接觸，在導電膠膜中形成更多的導電和導熱通路；增加導電膠膜中金屬粒子的填充量及采用納米級填充粒子達到低溫燒結。黏接度提高：在樹脂體系中加入偶聯(lián)劑以增加導電膠膜與元器件、基板等的結合力，或是提高導電膜與元器件接觸表面的粗糙度以增大表面接觸面積。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.3

焊料IC封裝中常用互連焊料，起到機械連接、電互連、熱交換作用，具有靈活、簡單、設備投資少的優(yōu)點。焊料熔點是一個重要參數(shù)，要求比被焊母材低。焊料工作溫度在焊料熔點與基板熔點之間，焊料熔化后浸潤基板，并與基板發(fā)生化學反應產(chǎn)生金屬間化合物，從而實現(xiàn)兩者互連。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.3

焊料圖3-7不同類型焊料實物圖3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.3

焊料焊料基本要求：（1）熔點低于基板熔點，具有合適的熔化溫度范圍。（2）具有較好的浸潤性，覆蓋母材表面的能力較好，鋪展面積越大，焊接效果越好。（3）焊接部位具有良好的抗熱疲勞性能、電學性能、機械性能和物理、化學性能。（4）化學成分穩(wěn)定，可靠性高，有良好的抗氧化及抗腐蝕能力。（5）成本低廉，供給能力足。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.3

焊料Sn-Pb焊料早期廣泛應用于電子封裝行業(yè)中。Pb降低了焊料的表面張力，抑制Sn的相變從而提高焊點的可靠性。圖3-8

Sn-Pb二元合金相圖共晶點183oCSn-37Pb，高可靠性，軍用、測井、航空航天等領域電子產(chǎn)品用Sn-Pb合金焊料。

3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.3

焊料2006年歐盟ROHS，WEEE(廢棄電氣電子產(chǎn)品指令)的發(fā)布，歐、美、日相繼規(guī)定在電了組裝行業(yè)中禁止使用含Pb物質。無Pb焊料以Sn為基礎，多為二元、三元及以上多元合金，加工過程較Sn-Pb復雜，熔點普遍較高。二元合金添加劑金屬為Ag,Cu,Bi,Zn,In等元素。Sn-Cu,Sn-Ag,Sn-Au,Sn-Zn,Sn-Bi,Sn-In.Sn-Ag-Cu(SAC)，Sn-Ag-Bi三元合金。SAC可焊性好，抗熱疲勞性能好，最有可能替代Sn-Pb合金焊料，已大量應用到工業(yè)中。WasteElectricalandElectronicEquipment

3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.3

焊料焊料共晶點/℃特點Sn系二元焊料Sn-3.5Ag221很好的強度和抗蠕變性Sn-0.7Cu227很好的強度Sn-57Bi139很好的流動性Sn-51In120很好的焊接性能Sn-9Zn198很好的強度Sn-5Sb245機械性能好Sn-80Au278好的耐腐蝕性和抗蠕變性Sn-Ag系三元焊料Sn-3Ag-0.5Cu（日本JEIDA）217較好的力學性能和焊接性能Sn-3.9Ag-0.6Cu（美國NEMI）Sn-3.8Ag-0.7Cu（歐洲IDEALS）表3-2一些可能取代Sn-Pb焊料的無鉛焊料3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.3

焊料合金粉末可用化學還原法、電（解）沉積法、機械加工法、合金霧化法等技術方法制造。大多采用合金霧化法生產(chǎn)得到。焊粉粒度要達到20mm以下甚至更低。國外主要供應商有日本千住金屬工業(yè)株式會社（有鉛及無鉛金屬焊片、焊膏、焊球及助焊劑）、美國愛法公司（各種有鉛及無鉛焊條、焊線、焊膏及助焊劑）和銦泰公司（各種焊接材料，包手高鉛合金、錫銻合金、鋅基合金、金基合金、鉍基合金、銀銦、銀錫和銅錫及納米銀和納米銅等助焊劑）。國內供應商：北京康普錫威科技有限公司、廊坊邦壯電子材料有限公司。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.4

低溫封接玻璃指能將同類及不同類材料（如陶瓷、金屬、復合材料和特種玻璃等）連接并密封的中間層玻璃，其軟化溫度顯著低于普通玻璃，一般低于600oC。功能應用：涂層、封裝材料和填充材料。封裝材料應用最為廣泛，如真空玻璃封邊焊接劑、在MEMS中最新應用等。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.4

低溫封接玻璃圖3-9低溫封接玻璃粉3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.4

低溫封接玻璃作為無機非金屬材料，其氣密性和抗高溫性能優(yōu)于導電膠/膜這類有機高分子材料，電絕緣性能優(yōu)于焊料這類金屬材料，因此在特定封裝領域有很好的應用價值。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.4

低溫封接玻璃組成Tg/℃Tf/℃?zhèn)渥bO-B2O3340～500300～430常用于玻璃與玻璃、玻璃與金屬之間的封裝PbO-ZnO-B2O3400～500350～450PbO-Al2O3-B2O3400～500350～500PbO-Bi2O3-B2O3400～500300～400PbO-B2O3-SiO2400～500400～450PbO-B2O3-V2O5550～650—表3-3鉛系封接玻璃的組成與溫度特性3.2芯片黏接材料類別和材料特性低溫封接玻璃一般要滿足以下幾項要求：（1）軟化溫度低，必須低于被封接材料所能承受的溫度。（2）與被封接材料的CTE匹配，這樣產(chǎn)生的熱應力小，可避免應力集中引起的元器件出現(xiàn)可靠性問題。（3）與被封接材料的浸潤性要好，良好的浸潤性能保證封接的黏接強度、滿足元器件氣密性要求。（4）具備必要的化學穩(wěn)定性，在大氣環(huán)境中有較好的耐酸堿、耐濕性能。（5）具備必要的電學性能，如較高的表面電阻、體積電阻，較高的耐擊穿電壓。（6）工藝適應性。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.4

低溫封接玻璃低溫封接玻璃無鉛化是今后發(fā)展方向，新型封接玻璃主要集中在磷酸鹽、釩酸鹽、鉍酸鹽、硼酸鹽和鉈酸鹽玻璃等幾種玻璃系統(tǒng)。磷酸鹽玻璃，以P2O5為主要原材料，具有較低的Tg（250~480oC）、較低的軟化溫度(Tf270~510oC)及較高且范圍較大的CTE（6~25×10-6/oC）。P2O5極易吸水潮解，導致磷酸鹽玻璃化學穩(wěn)定性差，提高其化學穩(wěn)定性是該玻璃體系成功使用的前提。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.4

低溫封接玻璃釩酸鹽玻璃，以V2O5為主要原材料，具有較低的Tg（260~420oC）、較低的軟化溫度(Tf270~440oC),V2O5–B2O3-ZnO是常見體系，介電性良好。V2O5在蒸汽狀態(tài)下有毒，且價格相對較高。3.2芯片黏接材料類別和材料特性3.2.4

低溫封接玻璃組成Tg/℃Tf/℃SnO-ZnO-P2O5<350<400ZnO-B2O3-P2O5280～500<400SnO-B2O3-P2O5280～380<500SnO-SiO2-P2O5250～350<500表3-4

無鉛磷酸鹽玻璃的溫度特性組成Tg/℃Tf/℃V2O5-P2O5-Sb2O3<330<400V2O5-P2O5-CaO170～300<500V2O5-B2O3-ZnO280～330<500V2O5-TeO2-SnO250～400<500表3-5

無鉛釩酸鹽玻璃的溫度特性3.3新技術與材料發(fā)展3.3.1

芯片黏接材料發(fā)展方向3.3.2新型導電填料對芯片黏接材料的改性研究3.3新技術與材料發(fā)展1）高導熱性和高可靠性導電膠/膜溫度不低于260oC，濕度敏感度等級1級（MSL1）的工作環(huán)境要求。以Ag為導電、導熱介質，同時要求高導熱性與高可靠性，把銀含量做到86%以上已經(jīng)非常困難，很多功率器件導熱性已無法滿足要求。用銀以外材料，銀包銅、銀鋁合金、多金屬合金等來兼顧高導熱性、低電阻、主可靠性要求。3.3.1

芯片黏接材料發(fā)展方向3.3新技術與材料發(fā)展2）大芯片用低應力、高可靠性導電膠/膜QFP等大芯片封裝有一定導熱性要求，且需要滿足高可靠性要求。3）晶圓背面涂覆膠(WaferBacksideCoating,WBC)貼片膠膜（DAF）等芯片尺寸變大，厚度降低，需要低應力芯片膠/膜降低廢品率。WBC和DAF是較了選擇。3.3.1

芯片黏接材料發(fā)展方向3.3新技術與材料發(fā)展1）納米顆粒填充芯片黏接材料納米化后，熔點降低。納米Ag，燒結溫度可低于200oC，遠低于塊體Ag的961oC。有利于低溫互連實現(xiàn)。3.3.2

新型導電填料對芯片黏接材料的改性研究圖3-10理論計算的Sn的熔點和顆粒尺寸的LSM模型關系曲線3.3新技術與材料發(fā)展1）納米顆粒填充芯片黏接材料（a）Ag系導電黏接材料保持了金屬穩(wěn)定性好，不易氧化，燒結溫度大幅度降低。導電理論為滲流理論、隧道效應和場致發(fā)射理論。3.3.2

新型導電填料對芯片黏接材料的改性研究圖3-11A g外形與導電膠電阻率關系圖3.3新技術與材料發(fā)展1）納米顆粒