封裝材料：光敏絕緣介質材料（包括PSPI和BCB）（6350字）

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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

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正文

在集成電路先進封裝中，光敏絕緣介質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材料，同時可以作為芯片的機械支撐材料。可以說，所有類型的圓片級封裝產品都需要使用光敏絕緣介質材料來制造介質層。

一、光敏絕緣介質材料在先進封裝中的應用

在圓片級封裝結構中，晶圓表面的鈍化層和晶圓信號排布的再布線層結構中的介質都需要通過光敏絕緣介質材料來制造。

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

圖1　典型的圓片級封裝模塊的結構

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

其中，BCB是陶氏化學（Dow Chemical）專門為了絕緣薄膜封裝設計開發的光敏聚合材料，常用于MEMS等器件圓片級鍵合互連（Wafer Level Bondig）的介質材料，同時是前期產業界圓片級封裝制造中絕緣介質材料的主要選擇。

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作為介質來制造凸點或銅柱類的微細連接再布線層。

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品上使用光敏絕緣介質材料，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］雖然成功實現了BCB在圓片級封裝中的量產應用，但BCB主要應用于小尺寸芯片和WLCSP產品上。由于PSPI具有更好的機械與材料特性，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）封裝的制造企業大部分為光敏絕緣介質材料的用戶，這些制造企業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/江陰長電先進封裝有限公司（簡稱長電科技/長電先進，JCET/JCAP）以及蘇州晶方半導體科技股份有限公司（簡稱晶方科技，WLCSP）等。    

美國的陶氏化學（Dow Chemical）為目前世界上**的BCB材料供應商。日本的富士膠片（Fujifilm）則為目前世界上*大的PSPI材料供應商（英特爾是其主要客戶），其他PSPI材料供應商還包括HD微系統公司（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也在開展PSPI的研究與開發，其產品目前主要應用于柔性電路板（Flexible Printed Circuit，FPC）、印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）與IC基板的制造。

二、光敏絕緣介質材料類別和材料特性

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

1、光敏聚酰亞胺（PSPI）    

PSPI是一類主鏈結構上同時連接亞胺環及光敏基團的高分子聚合物，具有穩定性好，機械、電氣、化學性能和感光性能良好等優點。PSPI材料的優勢主要在于其高溫穩定性、良好的機械性能與較高的玻璃轉化溫度（Tg），在實際應用中該類材料一般需要通過200℃或以上溫度的高溫進行固化，同時PSPI具有較高的化學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為基質配制成的光刻膠可直接光刻成型，同時是介電材料，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器件中的有機介電層，相對于PI，可節省3～4道工序，特別是在多芯片組裝和多層板的制造中，可以大幅提高生產效率、加工精度和成品率，并大大降低生產成本，具有很大的發展前景。    

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材料按照光化學反應機理的不同可以分為負性PSPI和正性PSPI兩類，按照化學結構可分為含有光敏基團的PSPI（光敏基團可分別從主鏈和側鏈上引入）和自增感型PSPI。

1）負性PSPI    

負性PSPI所用的光敏劑一般為光交聯型光敏劑，光敏樹脂的溶解性隨著光化學反應的進行而降低，因此曝光后得到的圖形與掩模版相反，如圖3所示。

圖3　負性PSPI與掩模版的對比

一般情況下，負性PSPI又可分為酯型負性PSPI、離子型負性PSPI、自增感型負性PSPI三大類。這三大類材料均有商業化產品。典型PSPI的材料特性如表2所示。

表2 典型PSPI的材料特性    

（1）酯型負性PSPI

*早出現的具有應用價值的PSPI是酯型負性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制得二酸二酯，酰氯化后與芳香二胺反應得到高分子鏈，生成比較穩定的聚酰胺酯（PAE）。其合成過程如圖4所示。

目前市場上銷售的酯型負性PSPI結構雖然均與圖4類似，但在光敏基團和增感劑的選取方面，不同公司有所區別。該類PSPI有較好的流平性和成膜性，缺點是膜收縮率較大，分辨力只有5～10μm，感光度較低，可在單位結構中引入較多的光敏基團進行改善。    

圖4　酯型負性PSPI的合成過程

（2）離子型負性PSPI

離子型負性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的優點是熱穩定性好、電絕緣性好、制造簡單、易實現商品化；缺點是因為光敏基團以離子鍵的形式與聚酰胺酸高分子鏈結合，在曝光及亞胺化的過程中大量光敏基團會脫落，所以膜的損失率比較高，分辨力下降。

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