第2章 刚性高密度封装基板材料
高密度封装基板是影响电子封装整体性能的最重要因素之一，主要可以分为陶瓷封装基板、有机封装基板和柔性封装基板3类。陶瓷封装基板具有稳定性高、热膨胀系数低、设计灵活等特点，可以实现被动集成、堆叠穿孔和无电镀穿孔（PTH）连接等，缺点是介电常数高、价格昂贵，难以大面积应用。陶瓷封装基板主要是多层陶瓷基板（MLC），主要用于多芯片模块、光学传感器、射频模块、被动集成射频模块等。有机封装基板的优点在于介电常数及介电损耗低，价格相对较低，应用广泛，缺点是热膨胀系数较高，主要应用在CSP、BGA和SiP等高密度封装上。柔性封装基板是在聚酰亚胺薄膜上形成的封装基板，主要用在T-BGA、FC-BGA等封装上。
印制电路板（Printed Circuits Board，PCB）是由有机树脂（如环氧树脂FR-4、FR-5等）作为黏合剂，玻璃纤维布作为增强材料，采用传统的制造工艺方法制成的，主要包括单层、双层和多层产品等。自20世纪90年代开始，针对BGA、CSP等先进电子封装的使用需求，在传统PCB基础上逐渐形成了高密度封装基板技术。有机高密度多层基板（High Density Multilayer Substrate，HDMS）或积层多层基板（Build-up Multilayer Substrate，BUM）是以多层PCB作为多层互连芯板的，在其单面或双面上，通过积层工艺制作多层互连基板，通过超微细多层立体布线、微细孔层间互连技术，实现高密度的立体布线，具有节距微细化、薄型化、微型化、轻量化等特征。据统计，2002年，日本制造的BGA和CSP用封装基板的产值达到了7000亿日元，主要用于计算机、手机、照相机、摄像机、家用电器等，市场用量已经超过陶瓷封装基板，占整个封装基板市场的60%～70%。
高密度封装基板主要具有以下优点。①高耐热性。基板具有高玻璃化转变温度（Tg）和高热分解温度，可以提高电子封装的耐再流焊性、基板在高温再流焊过程中的适配性和在倒装焊微组装过程中的再流焊反复性，以及在再流焊中的稳定性等。同时，基板还具有良好的封装基板通孔可靠性，使其在热冲击、超声波等作用下对金属线进行压焊时，仍能够保持稳定的物理性能，如保持表面平整性、尺寸稳定性，以及保持硬度和弹性的稳定等。②高耐湿性。通常有机树脂材料比陶瓷材料的吸水率高，所制成的封装基板在高湿环境中易吸湿，进而在微组装时使基板与IC芯片的界面产生“爆玉米花”（Popcorn）似的剥离问题。高密度封装基板通过采用高耐热性及高耐湿性的树脂基体，有效提高了耐高温性及耐湿性，避免了上述“爆玉米花”现象的出现。③低热膨胀性。FR-4环氧树脂PCB的面内热膨胀系数（CTE）为（13～18）×10-6/℃，而高密度有机封装基板的CTE可降低至8×10-6/℃，更接近于硅圆芯片的CTE，可明显提高焊接的可靠性。如果IC芯片与封装基板的CTE相差较大，即基板的CTE较高，则在温度变化的过程中，界面间将会产生应力。该应力会施加在连接两者的焊球端子上，位于周边端角处的焊球所受的应力最大。尤其对于芯片尺寸较大而端子节距较窄的倒装芯片BGA及CSP等连接，这种应力对结合界面更具破坏性。为了保证封装基板微细线路的精度，必须选用CTE较低的树脂基体制作封装基板。④低介电损耗性。与陶瓷封装基板相比，有机封装基板通常具有较低的介电常数，也具有较低的介电损耗，更适合高频信号的传输，有利于电路信号的高速化。随着电子封装技术的快速发展及信号传输速度的提高，进一步降低封装基板的介电常数及介电损耗成为一个令人关注的问题。
随着电子封装技术的快速发展，近年来出现了许多新的封装结构形式。不同类型的封装结构对封装基板有各自特殊的性能需求。例如，对于采用金丝键合的封装结构，重点要求封装基板在高温下仍具有较高的硬度保持率，以保证金丝焊接具有较高的可靠性；同时，要求高温下具有较高的模量，以降低基板在再流焊时的翘曲度。而对于采用倒装焊连接（FC-BGA）的封装结构，重点要求封装基板在高温焊接过程中具有优异的耐热性和高弹性模量，以保证高温下的焊接可靠性和倒装焊连接的基板平滑性，即倒装焊连接的封装更加重视基板的耐热性。而对于薄型的FC-BGA封装，更关注基板在微组装过程中的工艺性，要求基板具有高温下的高弹性模量，以及具有更薄的绝缘层、更低的吸湿性、可靠的通孔可靠性等。
有机封装基板主要担负着导电、绝缘、耐热和力学功能。其中，导电功能主要由基板上的铜布线电路提供，绝缘功能和耐热功能主要由基板上的有机树脂提供，力学功能主要为搭载的芯片及组装上的端子、凸块等提供足够的强度保证。有机封装基板的综合性能、加工性、可靠性及制造成本等在很大程度上由所用的树脂基体性能决定。
有机封装基板制造技术主要包括两大关键技术，即高密度多层互连芯板制造技术和高密度积层多层基板制造技术。其中，高密度多层互连芯板主要是由以FR-4为代表的环氧树脂和玻璃纤维布层压覆铜板并通过电镀通孔形成的多层印制线路板；高密度积层多层基板是在高密度多层互连芯板的单面或双面上通过积层工艺形成的具有更多层数、更密布线的多层互连基板。按照耐热等级，有机封装基板分为：①通用型封装基板，Tg低于150℃，主要用于搭载IC芯片封装形成母板；②高耐热封装基板，Tg高于150℃，主要用于搭载IC芯片形成不同形式的封装结构；③高频封装基板，介电常数低于3.0，介电损耗低于0.0030，主要用于搭载高频IC芯片形成封装结构。
有机高密度封装基板的制备包括两个阶段。①高密度多层互连芯板的制备：将热固性树脂溶液涂敷在增强纤维布表面，经适当热处理后形成B阶段的半固化片（Prepreg）；将半固化片按照设计方向叠层后，在上、下两面放置铜箔后放入模具，在一定压力和温度下使半固化片的树脂发生固化交联反应，形成树脂/纤维布层压覆铜板（Copper Clad Laminate，CCL）；经过刻蚀形成布线电路，经过机械钻孔、电镀、焊接等工序后形成单面或双面芯板。将单面或双面芯板与半固化片上下叠合压制后，形成含单面或双面芯板的多层压覆铜板，再将铜箔刻蚀形成布线电路，经机械通孔、电镀等工序后形成多层互连芯板。②高密度积层多层基板的制备：以多层互连基板作为芯板，在单面或双面上将绝缘层与导电线路层逐步积层，构成更高密度的多层立体布线结构。为了实现立体电气连接，常规的机械通孔方法不再适用，需要使用新的通孔方法，如激光制孔、等离子体制孔、喷砂制孔、光刻制孔等。这些制孔方式能够保证在每一层线路上制作足够多致密的微细孔，从而有效地实现高密度的层间互连。
高密度多层互连芯板和高密度积层多层基板的制造工艺方法及使用性能主要取决于所使用的关键材料。制造高密度多层互连芯板用的关键材料包括导电铜箔、热固性树脂和增强纤维布（玻璃纤维布和芳纶纤维布等）等。其中，热固性树脂包括高耐热性环氧树脂（EP）、双马来酰亚胺三嗪树脂（BT）、聚苯醚树脂（PPE）、氰酸酯树脂（CN）、聚酰亚胺树脂（PI）等。制造高密度积层多层基板用的关键材料包括感光性绝缘树脂、热固性绝缘树脂、附树脂铜箔（Resin Coated Copper Foil，RCC）。其中，感光性绝缘树脂在通孔制造中经常采用光致成孔技术；热固性绝缘树脂及RCC可采用微细通孔的CO2激光法进行通孔加工。
本章将重点介绍高密度封装基板用关键材料、制造方法及结构与性能，主要内容包括高密度多层互连芯板材料、高密度积层多层基板材料、高密度封装基板制造方法及高密度封装基板结构与性能。