IC封装用基板材料在日本的发展

1、HKPCA Journal No.19IC 封裝用基板材料在日本的新發展中國電子材料行業協會經濟技術管理部 祝大同摘要：本文主要闡述了日本 IC 封裝基板用基板材料，近年在新技術、新產品方面的發展。關鍵字：印製電路板 覆銅板 IC 封裝基板The Newest Progress About Base Material Used For IC Package Substrate in JapanZhu DatongAbstract: In the paper, the development of technology and product was introduced about base

2、materialUsed for IC package substrate in Japan.Key words： printed circuit board（PCB）Copper Clad Laminate（CCL） IC package substrate（IC PKGsubstrate）根據有關機構統計，當前正在高速發展的 IC 封裝用材料世界市場在 2004 年達到約 119.8 億美元規模，年增長率為 23 %。預測在 2005 年，IC 封裝用材料世界市場規模仍會有約 16% 的年增長率，達到約 134 億美元。而 IC 封裝基板 ( IC Package Substrate ，又

3、稱為 IC 封裝載板 ) 在整個 IC 封裝材料市場中所占比例最高，2004 年達到 48% ，居五類主要構成 IC 封裝的電子材料（封裝基板、引線框架、環氧模塑膠、鍵合金絲、錫球）之首。另一方面，IC 封裝基板在整個 IC 封裝製造成本中，也佔有相當大的比例（在 BGA 中約占 40-50%，在撓性基 CSP 中約占 50-60%，在 FC 基板中約占 70-80%）。以 BGA、CSP、COF 以及倒裝晶片（Flip Chip，FC）等為主要形態的 IC 封裝基板，近年來在應用領域上已得到迅速擴大、廣為流行。未來隨著電子資訊產品的不斷更新換代，未來在其所用高檔 IC 封裝中，IC 封裝基板

4、的用量比例及成本比例都將還會有相當大的增長潛力。IC 封裝基板的高速發展，帶動 IC 封裝基板用覆銅板（CCL）在技術和生產方面的大發展。IC封裝基板用 CCL 是一類具有高技術含量、高附加值的 CCL 產品。它與常規的母板、背板等用的CCL，在性能要求上有所差別。日本是發展 IC 封裝基板用 CCL 開發最早、目前世界市場佔有率最高（現約占 60% 以上）的國家。在世界上，三菱瓦斯化學公司的 BT 樹脂基板材料，在世界剛性 IC 封裝基板用覆銅板市場上名聲響、用量大；而後來居上的松下電工公司，近年在薄型 IC 封裝基板用覆銅板方面技術創新快、市場增長強勁。當前世界 IC 封裝對所用基板材料要

5、求的關鍵性能有哪些？有哪些新的特點?有哪些新技術方面的發展？其發展的方向又是什麼？為使 PCB 及其基板材料業對 IC 封裝基板用 CCL 在性能水準、品種特性、技術進展等有個更深的瞭解，本文以日本這兩個廠家的 IC 封裝基板用 CCL 產品為解剖例，圍繞上述提出的問題，加以綜述、分析研究。1三菱瓦斯化學公司 IC 封裝基板用 BT 樹脂基覆銅板的近年發展11 BT 樹脂的特性優勢雙馬來醯亞胺-三嗪樹脂（簡稱為 BT 樹脂）是帶有OCN 的氰酸酯樹脂（CE）和雙馬來醯亞胺樹脂（BMI）在 170240進行共聚反應所得到的高聚物樹脂。最終獲得的產物是由高耐熱性的三嗪環、醯亞胺環等氮雜環結構組成的

6、高聚物。這種 BMICE 共聚物的固化物，既具 BMI 樹脂的1PDF created with pdfFactory trial version HKPCA Journal No.19抗衝擊性、電絕緣性（主要表現在低、低 tan）和工藝操作性，也同時改善了氰酸酯樹脂的耐水解性，並保持了兩者都具有的高耐熱性。半固化（B 階段）的 BT 樹脂具有以下特性： 對人體安全：毒性低、皮膚刺激性低、積蓄性低。具有很好的加工工藝性：粘度低，便於對增強材料的浸潤。可使用一般有機溶劑（醇類溶劑除外）；固化溫度較低。易採用多種其他樹脂進行改性。通過對催化劑的選擇，可調整它的凝

7、膠速度。固化成形的 BT 樹脂具有以下特性：優異的耐熱性 Tg：200300，長期耐熱溫度：160230 。低介電常數2.83.5（1MHz）。低介質損耗角正切 tan1.510-33.010-3（1MHz）。 高耐金屬離子遷移性，吸濕後仍保持優良的絕緣性。 有優良的機械特性、耐藥品性、耐放射性、耐磨性以及尺寸穩定性。由於它制出的基板材料，在耐 PCT 性、耐金屬離子遷移性、耐熱性、介電特性等方面都表現得優良。特別是在穩定的高溫態機械特性（主要包括高溫下的抗彎強度特性、彈性模量、銅箔粘接強度特性、表面硬度等）方面，比其他樹脂的基板材料（如：一般的環氧樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚苯醚樹脂等制出的基板材

8、料）有著更突出的優勢。因此，它在 IC 封裝基板應用方面提高了在晶片安裝、高密度佈線上的絕緣可靠性及工藝加工性。為此，BT 樹脂製造的基板材料在 IC 封裝基板所用的各類基板材料中，佔有很大的比例。12 品種發展與性能提高121 常規品種 HL 83220 世紀 90 年代中期，有機樹脂剛性基板的 IC 封裝（以 BGA、CSP）迅速興起。它對其基板材料的需求量也出現很快提升。在此類基板材料市場的初期發展中，有很長的一段時期（沒有太明顯的時間界限，一般粗略估計：從 90 年代中期起至 21 世紀最初的幾年）佔有 80% 以上 IC 封裝基板用基板材料市場份額的 CCL 品種，是由三菱瓦斯化學公

9、司所提供的 BT 樹脂-玻纖布基覆銅板。三菱瓦斯化學於 1972 年開始對 BT 樹脂進行研究，1977 年開始實用化，80 年代中期應用於覆銅板製造方面已初見成效，到 90 年代末已開發出十幾個 CCL 品種。最早期開發並推向市場的用於 IC 封裝基板的品種是 CCL-HL830 / 832（HL830 的板面外觀為褐色、HL832 的板面外觀為褐色，以下簡化通稱為 HL832）。它是一種採用環氧改性 BMICE 樹脂的工藝路線制出的基板材料。發展到 90 年代後期，CCL-HL832 成為專門為 IC 封裝基板配套的品種（覆銅板、半固化片）。在當時眾多的三菱瓦斯化學的 BT 樹脂基 CCL

10、 品種中，為什麼最早選擇了 CCL-HL830 / 832 作為 IC 封裝基板用基板材料？筆者分析，主要是此種的 BT 樹脂基板材料，通過環氧的改性後，更加突出表現出板材製造中的工藝性、板的耐濕熱性（耐 PCT 性）、柔韌性、成本性等，要略優於其他的 BT 樹脂 CCL 品種特點。它的基本性能指標與其他典型的品種（如 90 年代中後期問世的 HL800、HL820、HL810、HL870、HL 870M、HL 950、HL 955，以及 21 世紀初問世的 HL 950K 等）相比，有許多是相同的，但在楊氏彈性模量（young s modulus of elasticlty）性能方面，它與其

11、他板有所不同。HL 832 的楊氏彈性模量為 2300/ 2100 KN/cm2 ( 縱 / 橫 )，其他 BT 樹脂基 CCL 的楊氏彈性模量，一般在 2000/ 1900 KN/cm2 ( 縱 / 橫 )左右。122 用於 IC 封裝基板的 HL 832 系列品種以一種主體樹脂為基礎，發展起的一個系列的基板材料品種，實際上應看作是這類基板材料不僅是品種上的增加，更重要的是在這類基板材料用的樹脂組成物的改性技術上進步，也是根據市場要求在某些性能專案上的提高。在近幾年間，三菱瓦斯化學公司又在 HL832 的基礎上開發出並投入市場六個用於 IC 封裝的新型覆銅板品種。可以將三菱瓦斯化學的這些 B

12、T 樹脂 IC 封裝用 CCL 品種，根據問世年代和性能水準檔次不同，劃分為三代產品。2PDF created with pdfFactory trial version HKPCA Journal No.19第一代產品，是最基礎的品種HL 832。產生於 90 年代中期。它也是目前應用量最大的 BT 樹脂類 IC 封裝用 CCL 品種。HL832NB、HL832HS（後又細分為 LT 型和 HS 型兩個小品種）為第二代產品。它們於 2001 年左右投入市場。主要是在板的剛性、無鹵化性方面得到提高或創新。而HL832EX、 HL832NX、 HL832TF

13、為第三代品種。其中 HL832EX 和 HL832NX 問世於 2002 年 2003 年，HL832TF 是近一、兩年開發出的最新品種。三菱瓦斯化學公司的用於 IC 封裝的最常規品種（HL832）及六種新型覆銅板品種的主要牌號與性能特點，見表 1 所示。它們所達到的主要性能，見表 2 所示。表 1用於 IC 封裝基板的 CCL 各個牌號與性能特點覆銅板牌號半固化片性能特點用途牌號CCL-HL832GHPL-830常規 IC 封裝用標準型的 CCL。是應用時間BGA、PGA最長的品種CCL-HL832NBGHPL-無鹵化，其他性能同 CCL-HL832BGA、PGA830 NBCCL-HL83

14、2EXGHPL-適應無鉛化的新型 CCL。有無機填料；BGA、PGA（New Material）830 EX高剛性、低熱膨脹率CCL-HLTypeGHPL高剛性的基板材料。適應無鉛化；可直接倒晶片安裝832HSLT-830 HS進行 CO2 鐳射的通孔加工的 IC 封裝TypeGHPL高剛性、薄型化的基板材料。適應無鉛化；有薄型化、高HS-830 HS可直接進行 CO2 鐳射的通孔加工密度要求的IC 封裝CCL-HL832TFGHPL耐韌性優良的薄型基板材料。適應無鉛化；CSP、存儲卡-830 TFCCL-HL832NXGHPL無鹵化，其他性能同 CCL-HL832 HS，有優BGA、CSP、

15、-830 NX異的浸焊耐熱性、高剛性、低熱膨脹率倒晶片安裝的 IC 封裝表 2各種要于 IC 封裝的 BT 樹脂基板材料的主要性能對比單位HL832HLHLHL832HL832HLHL832NB832EX（）HS（HS）832NX832TFHS LT表面電阻5 5 5 5 5 5 5 1014-161014-161014-161014-161014-161014-161014-16體積電阻率-cm5 5 5 5 5 5 5 1012-141012-141012-141012-141012-141012-141012-14絕緣電阻5 5 5 5 5 5 5 1013-151013-151013-

16、151013-151013-151013-151013-15玻璃化溫TMA210220210215215215210度DMA180190185185185190185熱X 方向ppm/15141413141414膨Y 方向ppm/15141413141414脹Z 方向ppm/55454535453045係1/ 2/220/160/160/140/160/120/120數3PDF created with pdfFactory trial version HKPCA Journal No.19介電常數1MHz4.61GHz4

17、.介質損失1MHz0.0070.0060.0060.0060.0060.0060.006角正切1GHz0.0150.0090.0090.0130.0130.0130.011剝離強度KN/m1.00.91.01.01.00.91.0(Cu:18m)彎曲彈性模量KN/cm22600230026002800260028002500( 縱 / 橫 )/2200/2200/ 2500/ 2700/ 2500/2700/ 2400彎曲強度 (縱/橫)KN/cm255/5455/5455/5045/4045/4052/50抗張強度 (縱/橫)KN/cm235/3023/

18、2128/2526/2328/2535/3329/26楊氏彈性模量KN/cm22300250029003100290029002900( 縱 / 橫 )/ 2100/2400/2800/2900/2800/2800/2800阻燃性（UL94）V-0V-0V-0V-0V-0V-0V-0CCL-HL832EX 是一種提高了剛性（具體體現在：橫向的彎曲彈性模量的提高）、具有低熱膨脹係數性的新型封裝用覆銅板品種。特別是 Z 方向的1 和2 較低。1 只是 HL832 的 82%，2 只是 HL832 的 73 %。由於具有此特點，因此它對無鉛焊接工藝的具有很好的適應性。它的上述性能提高的原因，主要是在

19、環氧樹脂改性 BT 樹脂的組成物中，加入了填料。而在 IC 封裝基板用 CCL 樹脂組成物中運用新型填料技術，現已成為世界此類 CCL 提高性能上的一種新潮流。HL832NB 是一種不含鹵素類阻燃劑的-HL832 系列產品之一。它的基本性能同於 HL832，並在Tg、楊氏彈性模量方面比 HL832 有所提高，在抗張強度、剝離強度方面略低於 HL832。在 Z 方向的熱膨脹係數方面，性能同於 HL832EX。HL832HS（LT）最突出的性能特點是它具有高的剛性。它的彈性模量( 縱 / 橫 ) 為 3100/2900 KN/cm2，縱、橫彈性模量分別比 HL832 高出 7.7 %和 22.7%

20、。楊氏彈性模量分別比 HL832 高出 35%和 38%。高的彈性模量, 是 IC 封裝在製造過程的晶片與基板鍵合加工中, 防止基板樹脂的塌陷問題發生的重要性能專案。特別是倒晶片安裝（FC）更需要 IC 封裝基板用 CCL 具有高彈性模量。它還在這六種 BT 樹脂制的 IC 封裝基板用 CCL 中，是一種熱膨脹係數較低的品種（Z 方向的1/ 2： 35/140 ppm/）。這種高剛性的 CCL 還很適於無鉛焊接的 FC 安裝方式的 IC 封裝基板使用。HL832HS（LT）還在微細導通孔的機械或 CO2 鐳射的加工中，表現出很好的特性。HL832HS（HS）是針對 CSP、COF、存儲卡等需求

21、所開發的品種。它突出的特性項目是高剛性。這樣可利於在 IC 封裝的晶片安裝時，以及將 IC 封裝器件組裝在母板時的操作工藝性提高。 這種薄型化的 CCL，還有不容易變形的優點。HL832HS（HS）的半固化片最薄厚度為 0.03mm。它的絕緣層是由 2 張半固化片疊在一起，經壓制成為撓性 IC 封裝基板用的薄型化 CCL。其樣品在 2005 年 6 月 JPCA 召開的展覽會上首次露面。13 優異的高溫下機械特性優異的高溫下機械特性是三菱瓦斯化學的 IC 封裝基板用 BT 樹脂基 CCL 產品的重要特點之一。在高溫下能夠保持高的機械強度，是 IC 封裝基板在對基板材料性能要求方面較突出的性能專

22、案。用於 IC 封裝（特別是倒晶片安裝形式的 IC 封裝）的 CCL，必須應具有在高溫下的優異抗彎強度、彈性模量、銅箔粘接強度特性、表面硬度等特性。表 3 給出了 HL 832 系列與 FR4 型 CCL、高 Tg 性 FR4 型 CCL 在高溫下機械特性方面對比。4PDF created with pdfFactory trial version HKPCA Journal No.19表 3高溫下機械特性的性能對比FR-4Tg 性 FR4HL 832 系列產品性能專案數值高溫下數值高溫下數值高溫下保持率保持率保持率剝離強度常態 301.81.5-1.2Cu

23、: 35m高溫下 1750.317%1.3-1.187%-92%（kN/m ）高溫下 2500.211%0.7-0.647%-50%彎曲強度常態 30506345-55（KN/cm2）高溫下 1501224%4063%43-4896%-87%高溫下 200816%1727%20-2544%-45%彈性模量常態 30210023002300-2800（KN/cm2）高溫下 15050024%220096%2100-260091%-93%高溫下 250201%904%1600-190074%-67%注: 在高溫下的性能保持率,是以常態 (30)時為基準。2. 松下電工公司 IC 封裝基板用覆銅板的

24、近年發展2. 1 IC 封裝用基板材料已成為松下電工重點發展的品種在有機封裝基板最初的(在 90 年代中後期)發展階段，松下電工公司由於自主開發的這類 CCL 走入市場略為遲緩，以至在前幾年中此類板市場的佔有率方面, 松下電工公司的產品很大程度的落後于日本其他同行廠家產品。近年來，松下電工公司把此類 CCL 產品轉變為開發和市場開拓的重點，從而它的技術開發步伐加快，市場也有很大的擴展。其中 FC 用積層法多層封裝基板用 CCL，在日本國內，松下電工公司產品現已佔有了此類產品整個市場份額的首位（約占 80%）。而 CSP 基板用 CCL，日本市場需求量的 20%是由松下電工所提供。為了滿足下一代

25、立體組裝的超薄封裝對所用基板材料的要求，松下電工投入了大量的資源（包括人力、設備、資金等），力圖在這種下一代的 IC 封裝領域上，成為全球擁有市場佔有主導性的基板材料供應商。它的 IC 封裝用 CCL 主要生產基地是下屬的郡山西廠。該廠位於日本福島縣郡山市，是一座於 2001 年 4 月建成並試產的高度生產自動化的新企業。在 IC 封裝用 CCL 產品的板厚精度控制方面，一般 CCL 產品只達到 1.0% , 而郡山西廠所生產的 IC 封裝用 CCL，則提高了板厚度精度的水準,可控制在0.5%，以滿足特定客戶的需求。當前，郡山西廠大批量生產的封裝基板用薄型化CCL 產品的厚度規格，已有 40m

26、、50m、60m、100m 等。其中 40m 厚度的封裝基板用 CCL，已達到了世界領先的水準，而 30m 厚度的封裝載板用 CCL 也正在積極開發、研試之中，不久將會問世。2. 2 主要品種松下電工在 IC 封裝用基板材料方面有兩大系列中的四個品種。每個 IC 封裝用 CCL 品種的各有明顯的性能特點，與明確的應用市場領域相對應。兩大系列中的四個品種的牌號及特點見表 4 所示。5PDF created with pdfFactory trial version HKPCA Journal No.19表 4松下電工兩大系列四種 IC 封裝用 CCL 產品的牌

27、號及特點主要樹產品牌號主要性能特點投入市場脂組成時間“MET聚苯醚MEGTRON3低 Dk、耐熱性及低吸濕性優異、BGA 焊球2002-2003 年RON”（PPE）R-5715 （SL）的拉脫強度高系列改性環MEGTRON3與 R-5715 （SL）基本性能同等，並且還具2004 年氧樹脂R-5715（ES）有高彎曲彈性模量、低膨脹係數“ GX高性能R-1515 T低膨脹係數、高彎曲彈性模量、無鹵化2003-2004 年”環氧樹R-1515 B低膨脹係數、高彎曲彈性模量、薄型化、2005 年系列脂UV 遮蔽性優異2. 3 IC 封裝用基板材料各品種的主要性能表 5 所示了松下電工兩大系列四種

28、 IC 封裝用基板材料產品的主要性能。表 5 松下電工 IC 封裝用 CCL 產品的主要性能單位試驗方法R-1515 BR-1515 TR-5715 SLR-5715 ES體積電阻率M-mJIS C64816.5 1061.0 1076.5 107表面電阻MJIS C64812.91082.91081.3109絕緣電阻MJIS C64818.7 1078.3 1077.0108玻璃化溫度TMA180187173（Tg）DMA205228203熱膨X 方向ppm/TMA121114脹係Y 方向ppm/TMA121215數Z 方向ppm/TMA30/14027/14061/26027/1401/2

29、介電常數1MHzJIS C6484.51GHzIPC TM-650介質損失1MHzJIS C64810.0120.0120.0080.007角正切1GHzIPC TM-6500.0110.0090.0130.013剝離強度(Cu:18m)kN/mJIS C64811.0吸水率%JIS C6481熱分層時間（T288）分IPC TM-650 1201730抗張強度 (縱)MPaJIS C69112327彎曲強度KN/cm2JIS C64814762熱傳導率W/mk鐳射 flash 法0.640.32耐熱性( )MPa

30、JIS C648128060 分26060 分25060 分25060 分阻燃性（UL94）JIS C6481V-0V-0V-0V-06PDF created with pdfFactory trial version HKPCA Journal No.192. 4 各品種的性能特點241 彎曲彈性模量是關鍵性能用於 IC 封裝基板的覆銅板，其中一十分關鍵的性能專案，是高溫下的彎曲彈性模量。特別是在焊接時溫度條件下的彎曲彈性模量，要求要保持較高的值。薄型化的 IC 封裝基板更是非常注重高溫下保持板的高剛性的性能。松下電工在近年開發的“GX” 系列的 IC 封

31、裝用 CCL 品種中，著重提高這項性能值。所開發的三種可適用于薄型封裝基板的 CCL（R-1515 T、R-1515 B、R-5715 ES），都是在高溫下彎曲彈性模量方面得到提高（見圖 1）。例如，它們在 250下的彎曲彈性模量，要比幾年前問世的 IC 封裝基板用 CCLR-5715 SL 出高 3 倍以上。另外在“MEGTRON”系列中的 R-5715 ES 品種，也同樣具有在高溫下保持高彎曲彈性模量的特性。表 6 所示了松下電工四種 IC 封裝用基板材料產品的高溫下彎曲彈性模量性能。圖 1 松下電工三種 CCL 的高溫下彎曲彈性模量的對比表 6四種 IC 封裝用基板材料產品的高溫下彎曲彈

32、性模量性能對比R-1515 BR-1515 TR-5715 SLR-5715 ES彎曲彈常態 302600260023002500性模量高溫下 1502100220015001900（KN/cm2）高溫下 250100010503201100242 適應無鉛化方面的性能在提高所謂 IC 封裝用 CCL 適應無鉛化方面的性能，是熱膨脹係數、熱分層時間（T260、T288、T300）、玻璃化溫度（Tg）等項性能所構成的綜合性能體現。 新開發的 R-1515 B 是最能夠體現滿足無鉛焊接需求的性能的 CCL。它的板面顏色為黑色，有 40100m 的各種規格品種。適應無鉛化性突出表現在以下幾個方面：

33、低熱膨脹係數（CTE）。其 縱向 CTE 小於 11ppm/；縱向 CTE 小於 12ppm/ ；厚度方向熱膨脹係數（1）小於 30 ppm/，（2）小於 140 ppm/。 具有高剛性，它的彎曲彈性模量達到 1050KN/cm2（在 250下），是一般玻纖布基 CCL 的幾倍。 高耐熱性，Tg 為185（TMA 法）。熱分層時間（T288）在 120 分以上。 具有高絕緣可靠性：絕緣層厚度 40m的 CCL 試驗樣品，在 130/85%/5V 條件下處理 500h，它的層間絕緣電阻值沒有明顯的下降（見圖2）。在厚度為 0.2mm 的 R-1515 B 試樣板上，制有導通孔（通孔壁之間距離：150m）的電路圖形。將它在 130/85%/5V 條件下處理 500h，導通孔間絕緣電阻沒有明顯的下降（見圖 3）。具有優異的 UV 遮蔽性等。7PDF created with pdfFactory trial version HKPCA Journal No.19圖 2 層間絕緣電阻可靠性（HAST 條件處理）(處理條件:130/85%/5V)圖 3 導通孔間絕緣電阻可靠性（HAST 條件處理）(處理條件:130/85%/5V)薄型