李志光，胡曾銘，張江陵，范國(guó)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能制造學(xué)院，廣東深圳 518055）

0 引言

隨著AI、5G 通信、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，業(yè)界對(duì)高性能CPU、GPU、FPGA 的需求劇增，大尺寸芯片因其具備超高的運(yùn)算能力，迎來(lái)了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。基板是連接芯片與PCB 的橋梁，為芯片提供互連、保護(hù)、支撐等功能[1]。大尺寸芯片封裝對(duì)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(shù)的最大挑戰(zhàn)之一。芯片和基板的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配導(dǎo)致在封裝過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而造成基板翹曲?；迓N曲有三大危害：1）翹曲過(guò)大導(dǎo)致焊球與PCB 接觸面積變小，甚至完全不接觸，出現(xiàn)開(kāi)路現(xiàn)象；2）應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致焊球開(kāi)裂或芯片開(kāi)裂[2]；3）局部翹曲和過(guò)大的應(yīng)力可能導(dǎo)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(chǎn)能力受限。相較于玻璃基板、陶瓷基板及金屬基板，有機(jī)基板具有成本低、加工能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，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(shù)多、尺寸大、線寬/線距小、I/O 引腳數(shù)量多等特點(diǎn)，非常適合用于大尺寸芯片封裝[5]。Yole 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，為了滿足對(duì)運(yùn)算能力的需求，預(yù)計(jì)芯片尺寸將從30 mm×30 mm 增加到70 mm×70 mm 甚至更大。FCBGA 有機(jī)基板的尺寸也會(huì)不斷增大，從80 mm×80 mm 增大到110 mm×110 mm 或更大的尺寸。同時(shí)，互連密度進(jìn)一步提高，線寬/線距將小于5 μm/5 μm，這對(duì)封裝翹曲的控制提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。“一代材料決定一代技術(shù)”，隨著技術(shù)要求的不斷提高，有機(jī)基板材料的技術(shù)突破已成為未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵。

有機(jī)基板材料主要分為芯板材料和增強(qiáng)材料，本文主要研究有機(jī)基板的芯板材料，即覆銅板。覆銅板是以有機(jī)樹(shù)脂為黏結(jié)劑，以玻璃纖維布和無(wú)機(jī)填料為增強(qiáng)材料，采用熱壓成型工藝制成的產(chǎn)品。本文重點(diǎn)討論芯板的性能需求、材料設(shè)計(jì)及生產(chǎn)控制。

1 大尺寸有機(jī)基板的材料設(shè)計(jì)

1.1 有機(jī)基板材料的性能需求

翹曲度是有機(jī)基板的關(guān)鍵性能參數(shù)之一，主要由有機(jī)基板材料的性能決定[6]。MIYATAKD 等人的研究[7]結(jié)果顯示，使用不同級(jí)別有機(jī)基板材料的有機(jī)基板的翹曲度不同，總體表現(xiàn)為：1）有機(jī)基板材料的CTE 越小，翹曲越?。?）有機(jī)基板材料的模量越高，翹曲越小；3）CTE 對(duì)翹曲的影響超過(guò)模量對(duì)翹曲的影響；4）芯片尺寸越大，翹曲越大。

1.1.1 有機(jī)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(jī)基板材料，CTE 是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。有機(jī)基板材料的CTE 一般為9×10-6/℃～12×10-6/℃。隨著對(duì)有機(jī)基板材料性能要求的提高，市面上已出現(xiàn)CTE 為5×10-6/℃～7×10-6/℃的有機(jī)基板材料。低CTE、高剛性的有機(jī)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(guò)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(guò)200 μm，而使用MCL-E-700G 材料制備的封裝基板，翹曲超過(guò)300 μm，使用MCL-E-679G 材料制備的封裝基板，翹曲甚至達(dá)到472 μm，有機(jī)基板材料和芯片尺寸對(duì)翹曲的影響如表1 所示。

表1 有機(jī)基板材料和芯片尺寸對(duì)翹曲的影響

隨著芯片尺寸的進(jìn)一步增大，有機(jī)基板的尺寸也隨之增大，對(duì)有機(jī)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(jī)基板材料應(yīng)運(yùn)而生，超低CTE、超高模量的有機(jī)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(guò)55 mm×55 mm的芯片封裝對(duì)翹曲的要求。

預(yù)計(jì)到下一代芯片封裝，當(dāng)芯片尺寸增加到70 mm×70 mm、封裝基板尺寸超過(guò)100 mm×100 mm時(shí)，有機(jī)基板將具有更細(xì)、更密集的線路互連特性，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)量等參數(shù)將是當(dāng)前產(chǎn)品的10 倍以上。技術(shù)進(jìn)步對(duì)有機(jī)基板材料的翹曲性能提出了更為嚴(yán)格的要求，研發(fā)CTE 接近0、彈性模量＞45 GPa 的有機(jī)基板材料是一個(gè)極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。據(jù)英特爾公司預(yù)測(cè)，2026—2030 年，玻璃基板可大量生產(chǎn)并用于下一代大尺寸芯片封裝，這會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的有機(jī)基板行業(yè)造成巨大沖擊[9]。

1.1.2 樹(shù)脂收縮率

有機(jī)基板材料的模量并非越高越好。SUZUKI 等人[10]發(fā)現(xiàn)，使用低CTE、高模量的有機(jī)基板材料進(jìn)行封裝，基板與PCB 之間的焊球在回流焊等加工過(guò)程中會(huì)因應(yīng)力過(guò)大出現(xiàn)開(kāi)裂，而采用具有超低CTE、較低模量（23～27 GPa）的有機(jī)基板材料可解決開(kāi)裂問(wèn)題，且封裝基板翹曲下降。HAO 等人[11]通過(guò)研究具有不同CTE和模量的有機(jī)基板材料對(duì)翹曲的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)基板材料的模量越高，在封裝過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力越難以釋放，會(huì)導(dǎo)致更大的翹曲。封裝基板通常為不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)有機(jī)基板材料的CTE 和模量不能滿足封裝基板的抗形變要求時(shí)，封裝基板會(huì)發(fā)生翹曲，因此，降低封裝基板的翹曲還需要考慮有機(jī)基板材料的應(yīng)力緩沖能力，它可以在一定程度上降低對(duì)高模量的要求。

TONOUCHI 等人[12]的研究結(jié)果表明，樹(shù)脂基體采用硬段樹(shù)脂和軟段樹(shù)脂的組合有助于緩沖應(yīng)力，硬段樹(shù)脂由含有苯環(huán)等剛性結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂組成，有助于降低CTE，軟段樹(shù)脂由含有長(zhǎng)鏈烷基等結(jié)構(gòu)的低模量樹(shù)脂組成，有助于緩沖應(yīng)力，此類(lèi)樹(shù)脂可減少有機(jī)基板材料在回流焊等封裝過(guò)程中的應(yīng)力集中問(wèn)題，并具有收縮率低的特性。KOTAKE 等人[13]研究了有機(jī)基板材料的樹(shù)脂收縮率對(duì)翹曲的影響，對(duì)比了日本昭和電工的2 款CTE 和模量接近的有機(jī)基板材料，MCL-E-770G材料的樹(shù)脂收縮率為0.08%，MCL-E-705G 材料的樹(shù)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(shuō)明有機(jī)基板材料的樹(shù)脂收縮率越低，翹曲越小。采用降低樹(shù)脂收縮率的技術(shù)，有利于獲得翹曲性能表現(xiàn)優(yōu)異的有機(jī)基板材料。

1.2 有機(jī)基板材料的選擇

翹曲性能是評(píng)價(jià)有機(jī)基板材料性能的重要指標(biāo)之一，而控制翹曲的關(guān)鍵在于控制有機(jī)基板材料的CTE 和模量。有機(jī)基板材料是一種特殊類(lèi)型的覆銅箔層壓板，以熱固性樹(shù)脂為樹(shù)脂基體，添加無(wú)機(jī)填料和玻璃纖維布作為增強(qiáng)材料，在基板的兩面覆蓋銅箔，通過(guò)熱壓成型工藝制成[14]。有機(jī)基板材料CTE 的計(jì)算公式為

式中：αp為有機(jī)基板材料的CTE，Er、Eg、Ef分別為基材、玻璃纖維、無(wú)機(jī)填料的彈性模量，Vr、Vg、Vf分別為基材、玻璃纖維、無(wú)機(jī)填料的體積分?jǐn)?shù)。通過(guò)降低樹(shù)脂基體的CTE、提高玻璃纖維布的強(qiáng)度及增加無(wú)機(jī)填料的體積分?jǐn)?shù)等方式，可以實(shí)現(xiàn)更低的CTE。

1.2.1 樹(shù)脂基材

為了滿足有機(jī)基板材料對(duì)低CTE 和高模量的需求，有機(jī)基板材料所用的樹(shù)脂基體以雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（BMI）為主體，該樹(shù)脂的模量高、CTE 低，可在較大的溫度范圍內(nèi)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(rùn)性以及BMI 與銅箔的黏合性，BMI 經(jīng)常與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)配使用。日本企業(yè)（如日本化藥、DIC 株式會(huì)社等）推出多個(gè)型號(hào)的高性能環(huán)氧樹(shù)脂，如萘環(huán)型多官能環(huán)氧樹(shù)脂、聯(lián)苯型多官能環(huán)氧樹(shù)脂等，可降低環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)CTE 和模量的影響，高性能環(huán)氧樹(shù)脂已在有機(jī)基板材料中得到大規(guī)模應(yīng)用[16-17]。

以BMI 為主體，樹(shù)脂基材有2 條技術(shù)路線。1）以雙馬來(lái)酰亞胺-三嗪樹(shù)脂（BT 樹(shù)脂）為主體，將BT 樹(shù)脂與高性能環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)配[18]，形成BT 板。以日本三菱瓦斯的產(chǎn)品為代表，其中HL832NS 材料主要用于倒裝芯片級(jí)封裝，HL832RS（LCA）材料主要用于FCBGA 封裝，相關(guān)有機(jī)基板材料性能如表2 所示。2）以馬來(lái)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(lái)酰亞胺化合物進(jìn)行加成反應(yīng)，使其表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，如低樹(shù)脂收縮率、低CTE 等，再將其與高性能環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)配[19]。以日本昭和電工的產(chǎn)品為代表，其中MCL-E-705G、MCL-E-795G 材料主要用于FCBGA 封裝，相關(guān)有機(jī)基板材料性能如表3 所示。兩家日本企業(yè)各自專(zhuān)注不同的樹(shù)脂基材路線并進(jìn)行技術(shù)深耕，CTE＜3×10-6/℃的有機(jī)基板材料將是未來(lái)市場(chǎng)的重點(diǎn)。

表2 日本三菱瓦斯的有機(jī)基板材料性能

表3 日本昭和電工的有機(jī)基板材料性能

馬來(lái)酰亞胺化合物在有機(jī)基板材料上的應(yīng)用前景廣闊，廣東生益科技在技術(shù)上進(jìn)行深耕，其開(kāi)發(fā)的有機(jī)基板材料性能如表4 所示。

表4 廣東生益科技的有機(jī)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(jù)玻璃紗成分，玻璃纖維布可分為E-glass、T-glass、S-glass、Q-glass 等類(lèi)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(qiáng)度越高，同時(shí)有機(jī)基板材料的CTE 越低、模量越高。在厚度近似的情況下，通過(guò)增加織布密度可進(jìn)一步降低有機(jī)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(guò)調(diào)整玻璃纖維布的類(lèi)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(shù)脂基體的增強(qiáng)材料，對(duì)有機(jī)基板材料的CTE 和模量有重要影響。

FCBGA 基板具有層數(shù)多的特性，需要使用良半加成工藝（mSAP）進(jìn)行制作，基板使用超薄半固化片進(jìn)行增層，這一過(guò)程需要使用超薄玻璃纖維布。超薄玻璃纖維布的主要型號(hào)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(shí)使用半固化片與ABF 膜是可行的技術(shù)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(guān)注超薄玻璃纖維布的質(zhì)量是否滿足封裝基板對(duì)漲縮一致性、表面共面性的要求。后續(xù)需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)極薄玻璃纖維布[24-26]。

1.2.3 無(wú)機(jī)填料

在樹(shù)脂中添加大量的無(wú)機(jī)填料是線寬/ 線距≤10 μm/10 μm 的有機(jī)基板材料實(shí)現(xiàn)低CTE 和高模量的重要技術(shù)手段之一，無(wú)機(jī)填料的體積分?jǐn)?shù)通常＞50%，粒徑為亞微米級(jí)別，其D50為0.1～1.0 μm，甚至可以達(dá)到納米級(jí)別，即10～100 nm。無(wú)機(jī)填料的重要技術(shù)特征是內(nèi)部雜質(zhì)控制、表面修飾和粒徑分布，這些特征對(duì)填料性能有著顯著的影響。球形二氧化硅因其流動(dòng)性好、力學(xué)性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性高、表面可修飾性強(qiáng)等特點(diǎn)，在封裝基板材料中被大量應(yīng)用。日本Admatech 株式會(huì)社生產(chǎn)的SC2500、SC2050 系列的球形二氧化硅產(chǎn)品，通過(guò)采用表面處理技術(shù)、分散技術(shù)和精密篩分技術(shù)，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(jī)基板材料中得到了廣泛應(yīng)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(huì)導(dǎo)致基板的鉆孔加工性變差，二氧化硅需要與硬度低、與樹(shù)脂基體具有良好親和性的填料進(jìn)行復(fù)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(jī)械孔加工性能成功占據(jù)了FCBGA 基板的大部分市場(chǎng)份額。近年來(lái)，日本三菱瓦斯致力于改善BT 板的機(jī)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(jī)基板材料的翹曲控制

有機(jī)基板材料在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是引發(fā)翹曲的主要原因之一，殘余應(yīng)力包括內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力是由有機(jī)基板材料在固化過(guò)程中收縮、樹(shù)脂厚度分布不均等引起的，會(huì)導(dǎo)致基板出現(xiàn)本質(zhì)性翹曲，內(nèi)應(yīng)力引發(fā)的翹曲與有機(jī)基板材料的技術(shù)參數(shù)和生產(chǎn)制造水平有關(guān)。外應(yīng)力是由有機(jī)基板材料在運(yùn)輸、加工等過(guò)程中受機(jī)械外力引起的，會(huì)導(dǎo)致基板出現(xiàn)外源性翹曲，外源性翹曲與有機(jī)基板材料的生產(chǎn)制造水平有關(guān)。

2.1 內(nèi)應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力有2 個(gè)來(lái)源：1）半固化片中的樹(shù)脂在固化過(guò)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(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，在加熱和冷卻過(guò)程中各組分的熱脹冷縮程度不同[27]，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。在樹(shù)脂的交聯(lián)過(guò)程中，由于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，其體積和熱機(jī)械性能的非線性變化會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，升降溫條件下各組分的物理機(jī)械行為和各組分的相互作用也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

使用有限元模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法來(lái)分析封裝基板翹曲情況，仿真結(jié)果可指導(dǎo)有機(jī)基板材料的設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求[28-29]。由于受到加工方法和工藝參數(shù)的影響，材料的CTE、固化收縮等性能呈現(xiàn)出非線性特征，增加了有限元仿真的難度。

有機(jī)基板材料在固化成型過(guò)程中，樹(shù)脂的CTE 會(huì)隨著固化度的改變而改變[30-31]。為了表征樹(shù)脂的固化度與CTE 的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)提出了一些具有代表性的方法。CHO 等人[32]使用熱機(jī)械分析法測(cè)試半固化片的CTE，針對(duì)變形曲線，對(duì)溫度上升時(shí)因尺寸變化大而難以擬合的區(qū)間進(jìn)行細(xì)分，通過(guò)測(cè)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(jié)構(gòu)以及動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析法的三點(diǎn)彎曲測(cè)試模式，結(jié)合公式推導(dǎo)，得到有機(jī)基板材料在平面方向上的非線性CTE 值，雙層梁結(jié)構(gòu)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(shí)的剪切速率，lc是材料2的長(zhǎng)度，l 為雙層梁的長(zhǎng)度。

圖1 雙層梁結(jié)構(gòu)

有機(jī)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(duì)曲率κ對(duì)溫度T 的導(dǎo)數(shù)。

結(jié)果表明，樹(shù)脂固化收縮過(guò)程與封裝基板不同材料間的CTE 失配對(duì)翹曲的影響顯著。固化收縮過(guò)程非常復(fù)雜，其本質(zhì)是高分子材料在固化過(guò)程中發(fā)生分子交聯(lián)，導(dǎo)致體積收縮，該過(guò)程存在化學(xué)和熱機(jī)械耦合行為[34]，隨著固化時(shí)間的增加，翹曲呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)溫度超過(guò)樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時(shí)，樹(shù)脂的交聯(lián)反應(yīng)速率加快，翹曲的增長(zhǎng)速度變快，采用有限元分析預(yù)測(cè)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(guò)測(cè)量布拉格位移的偏移值來(lái)測(cè)量EMC 在成型過(guò)程中的固化收縮率，并將固化收縮率與固化程度、應(yīng)變發(fā)展相關(guān)聯(lián)，探究了化學(xué)收縮率和模量隨時(shí)間變化的規(guī)律，并引入有限元分析法，結(jié)果表明，固化收縮率對(duì)封裝翹曲有顯著的影響。SHIRANGI[36]通過(guò)測(cè)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(gè)未知的擬合參數(shù)，通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)，最終得到EMC 的固化收縮率。

內(nèi)應(yīng)力控制主要涉及2 個(gè)方面：1）有機(jī)基板材料參數(shù)的適配性；2）有機(jī)基板材料生產(chǎn)制造技術(shù)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(duì)大尺寸芯片封裝內(nèi)應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)了封裝基板的內(nèi)應(yīng)力集中點(diǎn)，通過(guò)對(duì)材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行適配，解決了超大尺寸芯片封裝的應(yīng)力集中問(wèn)題。因此，有限元分析軟件可作為改善封裝基板內(nèi)應(yīng)力的重要工具，其仿真結(jié)果可以為有機(jī)基板材料的選取提供參考。

有機(jī)基板材料的生產(chǎn)制造技術(shù)是“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)開(kāi)發(fā)最先進(jìn)的樹(shù)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(cè)試方案等，可以精準(zhǔn)控制半固化片樹(shù)脂層的均勻一致性和生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量穩(wěn)定性，另外采用先進(jìn)的高溫壓機(jī)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(chǎn)制作過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

如何精確地測(cè)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(jié)果的可靠性，有限元分析法經(jīng)常與其他技術(shù)結(jié)合。受到制造工藝和殘余應(yīng)力的影響，封裝中的元件會(huì)產(chǎn)生微米級(jí)別的變形，因此需要使用特殊設(shè)備來(lái)測(cè)量元件的翹曲。隨著技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)（3D-DIC）技術(shù)[38]和陰影摩爾技術(shù)[39]等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于研究溫度變化下封裝的翹曲行為。

3D-DIC 技術(shù)是一種非接觸式光學(xué)方法，3D-DIC技術(shù)具有高靈敏度，當(dāng)物體在環(huán)境箱中加熱或冷卻時(shí)，3D-DIC 技術(shù)可測(cè)量物體的平面內(nèi)和平面外變形，同時(shí)，其具有優(yōu)秀的多模板和原位翹曲測(cè)量能力，也被JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定為一種值得推薦的實(shí)際翹曲測(cè)量方法[40]。自從PARK 等人[41]將三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)引入封裝可靠性測(cè)試中，3D-DIC 技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用于電子封裝的可靠性評(píng)估和有效有限元模型的驗(yàn)證中[42-43]。

陰影摩爾技術(shù)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(cè)量干涉圖案中每個(gè)像素位置的相對(duì)垂直移位，該技術(shù)采用相位步進(jìn)技術(shù)來(lái)提高測(cè)量分辨率，使干涉條紋從高到低自動(dòng)排序[44]。這種技術(shù)通過(guò)在垂直于光柵的方向上移動(dòng)樣品，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的位移測(cè)量。

2.2 外應(yīng)力

有機(jī)基板材料的生產(chǎn)過(guò)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(yīng)力的產(chǎn)生集中在層壓、分發(fā)、裁切、包裝等過(guò)程，減少或杜絕上述過(guò)程中的外應(yīng)力，可有效減少外應(yīng)力導(dǎo)致的翹曲。本文針對(duì)有機(jī)基板材料的生產(chǎn)提出工程化的翹曲控制方法，滿足有機(jī)基板材料的生產(chǎn)要求。建立先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，減少人工等因素導(dǎo)致有機(jī)基板材料翹曲、銅箔表面損傷等的可能性，該生產(chǎn)線采用大量的氣動(dòng)、伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)及無(wú)損輸送帶設(shè)備，通過(guò)可編程邏輯控制器系統(tǒng)使設(shè)備自動(dòng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成對(duì)有機(jī)基板材料的剪切及厚度測(cè)試等，還配備了高性能電荷耦合器件、熱變形測(cè)試儀等，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，確保有機(jī)基板材料的翹曲得到有效控制。

圖2 有機(jī)基板材料生產(chǎn)過(guò)程

3 趨勢(shì)及展望

2022 年11 月，OpenAI 推出ChatGPT，AI 開(kāi)始邁入大規(guī)模商業(yè)化階段，這意味著AI 產(chǎn)業(yè)進(jìn)入類(lèi)似iPhone 時(shí)代的快速發(fā)展時(shí)期，未來(lái)對(duì)高算力的需求將會(huì)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，現(xiàn)有的有機(jī)基板材料技術(shù)無(wú)法滿足產(chǎn)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(shí)代，研發(fā)CTE＜1×10-6/℃的有機(jī)基板材料及相關(guān)技術(shù)成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，掌握相關(guān)技術(shù)的企業(yè)將搶先占據(jù)市場(chǎng)份額。英特爾等器件制造商已經(jīng)開(kāi)始在玻璃基板材料領(lǐng)域進(jìn)行布局，勢(shì)必對(duì)有機(jī)基板材料行業(yè)造成沖擊。因此，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破才能保證有機(jī)基板材料的翹曲更小、可靠性更高。

為了滿足對(duì)更小翹曲、更高可靠性的要求，以BMI 為主體去設(shè)計(jì)有機(jī)基板材料時(shí)，新結(jié)構(gòu)的BMI 及其應(yīng)用技術(shù)是關(guān)鍵，通過(guò)在BMI 結(jié)構(gòu)中引入酯基等能產(chǎn)生強(qiáng)分子間作用力的基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)微相分離結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)鏈段之間的作用力。同時(shí)需要解決新結(jié)構(gòu)的BMI 在溶解、固化等方面的工藝難題，否則難以避免浸潤(rùn)玻璃纖維布的工序。

在無(wú)機(jī)填料方面，為應(yīng)對(duì)更小的線寬/線距和更高填充量的需求，日本Admatech 株式會(huì)社使用燃爆法開(kāi)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xì)鉆孔的需求，球形鉆孔助劑的研究也被提上日程。這些技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍然處于空白狀態(tài)。

在材料性能方面，有機(jī)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(shí)，其對(duì)翹曲的影響并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。日本三菱瓦斯使用TMA 膨脹法來(lái)評(píng)估材料的CTE，針對(duì)CTE＜1×10-6/℃的有機(jī)基板材料，TMA 膨脹法將是一個(gè)重要的工具，可幫助評(píng)估和區(qū)分不同級(jí)別材料的CTE。

日資廠家在有機(jī)基板材料市場(chǎng)中占據(jù)了90%以上的份額。對(duì)于中國(guó)廠家來(lái)說(shuō)，要想把握住市場(chǎng)機(jī)遇，技術(shù)提升和工藝水平的提高是關(guān)鍵。要不斷降低基板材料的CTE、提高模量、降低翹曲并增強(qiáng)基板的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)基板材料的國(guó)產(chǎn)化。