封裝材料：光敏絕緣介質(zhì)材料（包括PSPI和BCB）（6350字）

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

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正文

在集成電路先進(jìn)封裝中，光敏絕緣介質(zhì)材料主要用在圓片級芯片封裝（Wafer Level Chip-scale Package，WLCSP）、扇出型圓片級封裝、集成無源器件（Integrated Passive Device，IPD）圓片級封裝上作為主要的介質(zhì)材料，同時(shí)可以作為芯片的機(jī)械支撐材料?？梢哉f，所有類型的圓片級封裝產(chǎn)品都需要使用光敏絕緣介質(zhì)材料來制造介質(zhì)層。

一、光敏絕緣介質(zhì)材料在先進(jìn)封裝中的應(yīng)用

在圓片級封裝結(jié)構(gòu)中，晶圓表面的鈍化層和晶圓信號排布的再布線層結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)都需要通過光敏絕緣介質(zhì)材料來制造。

圖1所示為典型的圓片級封裝模塊的結(jié)構(gòu)。在再布線層結(jié)構(gòu)中，除可以作為再布線信號層的金屬布線和凸點(diǎn)互連材料外，光敏絕緣介質(zhì)材料是其中*主要的封裝結(jié)構(gòu)材料。

圖1　典型的圓片級封裝模塊的結(jié)構(gòu)

目前，市場上雖然已經(jīng)有很多不同類型的光敏絕緣介質(zhì)材料，但應(yīng)用于集成電路先進(jìn)封裝的光敏絕緣介質(zhì)材料主要包括光敏聚酰亞胺（Photo Sensitive Polyimide，PSPI）和苯并環(huán)丁烯（Benzocyclobutene，BCB）兩類。    

其中，BCB是陶氏化學(xué)（Dow Chemical）專門為了絕緣薄膜封裝設(shè)計(jì)開發(fā)的光敏聚合材料，常用于MEMS等器件圓片級鍵合互連（Wafer Level Bondig）的介質(zhì)材料，同時(shí)是前期產(chǎn)業(yè)界圓片級封裝制造中絕緣介質(zhì)材料的主要選擇。

PSPI目前*大的用戶是英特爾（Intel）。英特爾在制造中央處理器和圖形處理器晶圓時(shí)都要使用而且僅使用PSPI來制造表面鈍化層。由于此類處理器都采用倒裝芯片的封裝形式，因此英特爾使用PSPI作為介質(zhì)來制造凸點(diǎn)或銅柱類的微細(xì)連接再布線層。

封裝測試代工廠（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，OSAT）在不同類型的圓片級封裝產(chǎn)品上使用光敏絕緣介質(zhì)材料，幾家主要的封裝測試代工廠［如日月光（ASE）、安靠（Amkor）、矽品（SPIL）、星科金朋等］雖然成功實(shí)現(xiàn)了BCB在圓片級封裝中的量產(chǎn)應(yīng)用，但BCB主要應(yīng)用于小尺寸芯片和WLCSP產(chǎn)品上。由于PSPI具有更好的機(jī)械與材料特性，因此較多的封裝測試代工廠選擇PSPI作為大尺寸芯片圓片級封裝的封裝材料。

從事WLP、MEMS和圖像傳感器（Image Sensor）封裝的制造企業(yè)大部分為光敏絕緣介質(zhì)材料的用戶，這些制造企業(yè)包括但不限于臺灣積體電路制造股份有限公司（簡稱臺積電，Taiwan Semiconductor Manufacturing Company，TSMC）、德州儀器（Texas Instruments，TI）、三星電子（Samsung Electronics）、臺灣精材科技股份有限公司（簡稱臺灣精材，Xintec）、中芯國際集成電路制造有限公司（簡稱中芯國際，SMIC）、江蘇長電科技股份有限公司/江陰長電先進(jìn)封裝有限公司（簡稱長電科技/長電先進(jìn)，JCET/JCAP）以及蘇州晶方半導(dǎo)體科技股份有限公司（簡稱晶方科技，WLCSP）等。    

美國的陶氏化學(xué)（Dow Chemical）為目前世界上**的BCB材料供應(yīng)商。日本的富士膠片（Fujifilm）則為目前世界上*大的PSPI材料供應(yīng)商（英特爾是其主要客戶），其他PSPI材料供應(yīng)商還包括HD微系統(tǒng)公司（HD Microsystems）、AZ電子材料有限公司（AZ Electronics Materials）、旭化成電子材料株式會社（Asahi Kasei E-Materials）、東麗株式會社（Toray）等，其中HD 微系統(tǒng)公司是日立化成（Hitachi Chemical）和杜邦（DuPont）的合資公司。中國臺灣律勝科技股份有限公司等企業(yè)也在開展PSPI的研究與開發(fā)，其產(chǎn)品目前主要應(yīng)用于柔性電路板（Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC）、印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）與IC基板的制造。

二、光敏絕緣介質(zhì)材料類別和材料特性

目前應(yīng)用于集成電路先進(jìn)封裝的光敏絕緣介質(zhì)材料主要為PSPI和BCB兩類材料，這兩類材料各自具有明顯特點(diǎn)。

1、光敏聚酰亞胺（PSPI）    

PSPI是一類主鏈結(jié)構(gòu)上同時(shí)連接亞胺環(huán)及光敏基團(tuán)的高分子聚合物，具有穩(wěn)定性好，機(jī)械、電氣、化學(xué)性能和感光性能良好等優(yōu)點(diǎn)。PSPI材料的優(yōu)勢主要在于其高溫穩(wěn)定性、良好的機(jī)械性能與較高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg），在實(shí)際應(yīng)用中該類材料一般需要通過200℃或以上溫度的高溫進(jìn)行固化，同時(shí)PSPI具有較高的化學(xué)收縮率和較好的吸潮性能。

表1為東麗株式會社不同型號的PSPI的材料特性    

傳統(tǒng)聚酰亞胺（PI）不具備光敏性，如果有圖形化需求，需要與光刻膠配合使用，基本的方法是首先在PI膜上涂上一層光刻膠，刻出光刻膠圖形，然后用光刻膠圖形作為光刻掩蔽層，接著刻蝕下層的PI膜，移除光刻膠后，PI膜上即可留下光刻膠圖形。

以PSPI為基質(zhì)配制成的光刻膠可直接光刻成型，同時(shí)是介電材料，大大簡化了集成電路的制造工藝，并提高了光刻膠圖形的精度。

圖2為PI和PSPI工藝流程對比。采用PI的工藝流程較復(fù)雜，而且由于引入了PI的刻蝕，加工精度相對較低；而使用PSPI制造IC器件中的有機(jī)介電層，相對于PI，可節(jié)省3～4道工序，特別是在多芯片組裝和多層板的制造中，可以大幅提高生產(chǎn)效率、加工精度和成品率，并大大降低生產(chǎn)成本，具有很大的發(fā)展前景。    

圖2 非光敏聚酰亞胺（PI）和光敏聚酰亞胺（PSPI）工藝流程對比

PSPI材料按照光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的不同可以分為負(fù)性PSPI和正性PSPI兩類，按照化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為含有光敏基團(tuán)的PSPI（光敏基團(tuán)可分別從主鏈和側(cè)鏈上引入）和自增感型PSPI。

1）負(fù)性PSPI    

負(fù)性PSPI所用的光敏劑一般為光交聯(lián)型光敏劑，光敏樹脂的溶解性隨著光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行而降低，因此曝光后得到的圖形與掩模版相反，如圖3所示。

圖3　負(fù)性PSPI與掩模版的對比

一般情況下，負(fù)性PSPI又可分為酯型負(fù)性PSPI、離子型負(fù)性PSPI、自增感型負(fù)性PSPI三大類。這三大類材料均有商業(yè)化產(chǎn)品。典型PSPI的材料特性如表2所示。

表2 典型PSPI的材料特性    

（1）酯型負(fù)性PSPI

*早出現(xiàn)的具有應(yīng)用價(jià)值的PSPI是酯型負(fù)性PSPI。1976年，西門子公司的Rubner將對UV敏感的光敏性醇與均苯二酐反應(yīng)制得二酸二酯，酰氯化后與芳香二胺反應(yīng)得到高分子鏈，生成比較穩(wěn)定的聚酰胺酯（PAE）。其合成過程如圖4所示。

目前市場上銷售的酯型負(fù)性PSPI結(jié)構(gòu)雖然均與圖4類似，但在光敏基團(tuán)和增感劑的選取方面，不同公司有所區(qū)別。該類PSPI有較好的流平性和成膜性，缺點(diǎn)是膜收縮率較大，分辨力只有5～10μm，感光度較低，可在單位結(jié)構(gòu)中引入較多的光敏基團(tuán)進(jìn)行改善。    

圖4　酯型負(fù)性PSPI的合成過程

（2）離子型負(fù)性PSPI

離子型負(fù)性PSPI由聚酰胺酸和含有丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的叔胺組成。由這種合成方法制成的PSPI的優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性好、電絕緣性好、制造簡單、易實(shí)現(xiàn)商品化；缺點(diǎn)是因?yàn)楣饷艋鶊F(tuán)以離子鍵的形式與聚酰胺酸高分子鏈結(jié)合，在曝光及亞胺化的過程中大量光敏基團(tuán)會脫落，所以膜的損失率比較高，分辨力下降。

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