有機封裝基板界面處理工藝對結合強度與可靠性的影響*

梁夢楠，陳志強，張國杰，姚昕，李軼楠，張愛兵

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫 214035）

0 引言

隨著摩爾定律接近其物理極限，集成電路工藝微縮速度放緩、成本升高，先進封裝技術在半導體產業鏈中的重要性日益凸顯。封裝基板作為先進封裝的重要原材料，主要起到為芯片提供支撐、保護、散熱和電氣互聯的作用，封裝基板是先進封裝工藝下巨量I/O引腳引出的橋梁，更是系統級封裝中多芯片互聯的核心載體[1-2]。封裝基板的概念最早形成于20 世紀80 年代的日本，當時其生產工藝不成熟，成本較高。2000 年左右，日本、韓國和中國臺灣地區封裝基板的發展形成“三足鼎立”之勢，同時封裝基板獲得了極大程度的推廣和應用，生產成本也大大降低。2004 年以后，封裝基板朝向更高技術水平、更多封裝互聯形式的方向發展。近些年，隨著高性能計算、智能駕駛、5G、AI、大數據等技術的發展，封裝基板朝著更高的布線密度、更高的封裝可靠性方向發展[3-4]。

基板的封裝可靠性與基板不同界面間的結合強度有關，封裝基板的原材料組成包含有機材料（絕緣樹脂、阻焊材料）和無機材料（銅），以半加成法（SAP）工藝制作的封裝基板涉及多個由不同材料組成的界面，分別為銅層-絕緣介質層界面、銅層-阻焊層界面、絕緣介質層-絕緣介質層界面、絕緣介質層-阻焊層界面，界面間分層是基板可靠性考核中最常見的失效問題[5-6]。以銅層-絕緣介質層界面為例，為保證銅線路與絕緣介質層具有良好的結合力，通常會在銅線路加工前對絕緣介質層做表面處理，以提高絕緣介質材料表面的粗糙度及改變材料表面的化學狀態，同時為了滿足更細線路（線寬/線距≤10 μm/10 μm）的加工要求，絕緣介質層表面粗糙度不宜過大[7]。目前對環氧樹脂類絕緣介質層的常見處理方式包括濕法化學咬蝕處理、等離子（Plasma）表面處理以及紫外-臭氧輻射表面改性等[8-10]。GRANADO 等人研究了以高錳酸鹽為主要成分的藥水對味之素堆積膜（ABF）樹脂的化學咬蝕作用，研究發現不同固化程度的ABF 樹脂耐化學咬蝕性不同，經咬蝕后形成的樹脂表面形貌和樹脂表面化學狀態有很大差異，進而影響了ABF 樹脂界面與銅線路之間的物理和化學結合力[11]。銅線路加工完成后，為保證銅線路與后續增層的絕緣介質層具有良好的結合力，通常會對光滑的銅面做表面處理以提高銅表面的粗糙度并改變其表面化學狀態。目前常見的對銅表面的處理方式包括黑化處理、棕化處理、超粗化處理、有機涂層涂覆處理等[12-13]。TANI 等人研究了光滑銅面的有機涂層涂覆處理對提升銅面與環氧樹脂結合力的影響，研究發現先使用三嗪三硫醇對銅面改性，然后用含巰基的硅烷偶聯劑處理銅面，可以顯著提高光滑銅面與環氧樹脂的結合強度，結合強度的提升與界面間形成的化學鍵合有關[14]。

本文以某4 層無芯封裝基板為例，研究了不同界面間增加處理工藝前后的結合強度及封裝可靠性，通過引入增層前烘烤、絕緣介質層表面Plasma 處理工藝、銅線路表面粗化處理工藝，解決了4 層無芯封裝基板封裝后基板分層失效的問題，同時封裝后的電路通過了預處理、溫度循環、強加速穩態濕熱、熱沖擊測試等熱可靠性考核。

1 試驗材料及方法

以Via post 工藝加工4 層無芯封裝基板，所用材料主要有硅載體和絕緣樹脂。硅載體為常州健通新能源科技有限公司的12 英寸（775 μm）顆?？刂破?。增層所用絕緣介質材料為日本味之素公司的ABF，型號為LE-T17B，增層材料厚度為150 μm，該材料由改性環氧樹脂和球形二氧化硅填料組成，填料的質量分數高達75%～85%，填料平均粒徑為2.2 μm。

使用的試驗分析設備包含掃描電子顯微鏡（蔡司，型號為Sigma300），超聲掃描顯微系統（PVA Tepla，型號為SAM 302 HD2），微機控制電子萬能試驗機（長春試驗機廠，型號為CMT6103），粗糙度測試儀（基恩士，型號為VK-X1000）。銅與ABF 界面間的結合強度測試參考印制電路板中覆箔板的剝離強度測試方法[15]。

Via post 工藝加工4 層無芯封裝基板及封裝工藝流程如圖1 所示。首先在硅載體上進行第一層種子層、圖形和銅柱的加工；然后以ABF 為絕緣介質層進行增層及銅柱減薄露出，對此段工藝重復3 次即完成4 層無芯封裝基板加工；最后通過研磨減薄工藝移除硅載體，再進行表面處理和切割成型，即完成4 層無芯封裝基板的全流程加工?；寮庸ね瓿珊笮酒c基板的互聯方式為金線互聯，其中芯片尺寸為6.919 mm×6.716 mm，芯片厚度為200 μm，基板尺寸為12 mm×12 mm，基板厚度為240 μm?；逯睬蚨撕盖虿牧蠟镾AC305，4 層無芯封裝基板回流焊溫度曲線如圖2 所示，峰值溫度為242 ℃。

圖1 Via post 工藝加工4 層無芯封裝基板及封裝工藝流程

圖2 4 層無芯封裝基板回流焊溫度曲線

2 結果與討論

2.1 無界面間處理工藝基板的封裝可靠性

對按照圖1 的工藝流程加工的4 層無芯封裝基板進行封裝，封裝前、后超聲掃描結果如圖3（a）（b）所示，超聲掃描結果表明封裝前基板內部無分層，封裝后在基板內部出現大面積分層，且進行封裝的164 顆基板全部出現分層現象。這說明未對界面間做任何處理的基板不能耐受封裝過程中的高溫，無法滿足封裝后基板無分層的可靠性要求。對封裝后發生分層的基板做失效分析，結果如圖3（c）所示，分層主要發生在銅布線層與ABF 層之間，同時相鄰兩層ABF 界面間也存在分層現象，從圖3（d）可以看出，未發生明顯分層的相鄰兩層ABF 界面間存在明顯分界線。

圖3 基板封裝前、后超聲掃描及封裝后分層現象

銅布線層與ABF 層之間的界面在封裝后即發生分層，這說明兩者界面間結合力較差，界面間無有效的物理或化學結合力形成[16-17]。相鄰兩層ABF 界面也在封裝后發生分層，同時未發生分層的相鄰兩層ABF界面間存在明顯分界線，說明增層時相鄰兩層ABF 界面間的樹脂無法完全相互融合填充，這應該與增層前襯底層ABF 界面受到磨輪機械研磨有關。另外164 顆基板在封裝后均出現大面積分層，也可能與基板內部水汽有關。ABF 的吸水率為0.4%，基板單層加工時長約為7 天，基板單層加工時在溶液中的浸泡時長約為4 h，因此基板增層前會從空氣環境以及溶液中吸收大量的水汽，如在增層前未對基板做任何除水汽處理，水汽在封裝制程的高溫下，尤其是回流焊過程中會迅速膨脹，進而引起基板界面間的大面積分層[18]。

2.2 基板界面間處理工藝

2.2.1 銅面粗化處理工藝

圖4（a）（b）分別為銅面粗化處理前、后的形貌，銅面粗化處理前、后的粗糙度以及與ABF 界面的剝離強度如圖5 所示。銅面在粗化處理前表面較為光滑，粗糙度Ra僅為0.38 μm，經粗化處理后，銅面被咬蝕出大量空腔，這些空腔的存在使光滑的銅面變得凹凸不平，對應的Ra增大到0.8 μm。圖4（c）（d）分別為銅面粗化前、后與ABF 樹脂結合的微觀形貌，其中未經粗化處理的銅面因其表面較為光滑，無法與ABF 界面形成良好的機械錨定，即兩者界面間的物理結合力較弱。經粗化處理后的銅面，因其表面空腔的存在，ABF界面的“奶油層”樹脂及部分小尺寸二氧化硅填料可以很好地填充到這些空腔中，這些空腔與樹脂的結合在兩者界面間形成了良好的機械錨定作用，即兩者界面間存在一定的物理結合力[11,19]。從圖5 可以看出，未經粗化處理的銅面與ABF 界面間剝離強度僅為0.8 N/cm，而經粗化處理后，其界面間剝離強度提升至3.1 N/cm，這說明通過粗化銅面形成銅面與ABF 樹脂間的機械錨點，可以提升兩者界面間的結合強度，進而提升基板在該界面間的抗分層能力。

圖4 銅面粗化處理前、后形貌及與ABF 樹脂結合的微觀形貌

圖5 銅面粗化處理前、后的粗糙度以及與ABF界面的剝離強度

在完成銅面與ABF 界面的剝離強度測試后，對剝離后的銅表面及ABF 樹脂表面進行EDS 元素分析，銅面與ABF 界面剝離后各界面元素占比如圖6 所示。從圖6 可以看出，未經處理的銅表面在從ABF 界面剝離后表面元素為C、O 和Cu，其中C、O 來自銅面粗化處理時粗化藥水在銅表面形成的有機絡合物[20]，該剝離界面中Cu 仍為主要元素，原子百分比為67.37%。經粗化處理后的銅表面在從ABF 界面剝離后Cu 原子百分比降低至37.21%，C 原子百分比從29.93%增大至58.51%，成為該界面的主要元素，此外在剝離后的銅表面出現了新的元素Si。C 原子百分比增加和新元素Si 的出現，說明粗化處理后的銅表面在從ABF 界面剝離時有ABF 樹脂殘留。在剝離后的樹脂界面元素分析中，與未處理的銅表面相結合的樹脂面元素組成為C、O 和Si，這與ABF 材料供應商提供的ABF 材料元素組成相同，而與經過粗化處理的銅表面相結合的樹脂面元素組成中出現了新的元素Cu，這說明粗化處理的銅表面在從ABF 界面剝離時，有銅殘留在ABF 樹脂界面。結合以上分析，可以認為經粗化處理的銅表面在從ABF 界面剝離時，斷裂界面發生在粗糙的銅牙與ABF 樹脂形成的機械錨定界面，此界面因兩種材料的機械互鎖效應存在，導致其剝離強度相對較大。而未經處理的銅表面因其較為光滑，無法與ABF 樹脂形成機械錨定界面，斷裂發生在兩種材料接觸的表面，所以其剝離強度相對較小。

圖6 銅面與ABF 界面剝離后各界面元素占比

2.2.2 ABF 表面Plasma 處理工藝

從圖3 所示的基板封裝后的界面分層現象中可明顯觀察到相鄰兩層ABF 界面間存在明顯分界線，分界線的存在可能與研磨后ABF 表面樹脂受到磨輪的機械研磨有關。圖7（a）為研磨后未經Plasma 處理的ABF 表面圖，圖7（b）為研磨后經Plasma 處理后的ABF 表面圖。Plasma 處理是一種有效清潔樹脂表面的方法，其對ABF 表面清潔處理的原理是氮氣、氧氣和四氟化碳3 種氣體在高壓電場的作用下電離形成等離子體，等離子在電場作用下高速運動對ABF 表面造成物理轟擊，以達到清潔的作用。同時電離后形成的氧自由基、氟自由基和自由電子會和ABF 表面的樹脂發生反應形成二氧化碳和水，同樣達到對ABF 表面清潔的目的[21]。對比Plasma 工藝處理前后的ABF 表面可以看出，研磨后未經Plasma 處理的ABF 表面殘留大量的樹脂，這些樹脂包覆著部分二氧化硅填料，表面相對平整，而經Plasma 工藝處理后的ABF 表面裸露著大量二氧化硅填料，基本無樹脂殘留，這些二氧化硅填料尺寸略有差異，在ABF 表面形成凹凸不平的表面，相對于未經Plamsa 處理的表面更為粗糙。

圖7 Plasma 處理前、后ABF 表面微觀形貌及ABF 壓合界面

圖7（c）（d）分別為Plasma 處理前、后的ABF 壓合界面，其中研磨后未經Plasma 處理的樣品在任意相鄰兩層的ABF 界面可以看到明顯的分界線，分界線的存在說明兩者界面結合較差。研磨后經過Plasma 處理的樣品在任意相鄰兩層的ABF 界面無分界線，說明界面處兩層ABF 樹脂完全融合，兩者界面結合較好。圖8為增層前有無Plasma 處理的相鄰兩層ABF 界面分界線形成示意圖，研磨后未經Plasma 處理的ABF 表面球形填料被樹脂包覆，同時該樹脂表面經研磨機械拉扯，樹脂材料特性可能遭到破壞，在與增層ABF 相結合時界面間“奶油層”樹脂無法完全融合[11,22]。而經過Plasma 處理后的ABF 表面充分暴露的不同尺寸的二氧化硅填料形成了凹凸不平的界面，該表面可被增層ABF 樹脂的“奶油層”樹脂完全填充，增層ABF 樹脂與襯底層ABF 填料完全融合。

圖8 增層前有無Plasma 處理的相鄰兩層ABF 界面分界線形成示意圖

Plasma 處理前、后ABF 表面的粗糙度及其與銅線路的剝離強度如圖9 所示。未經處理的ABF 表面Ra為0.22 μm，此時銅線路與該界面的剝離強度僅為1.5 N/cm，經Plasma 處理后的ABF 界面Ra增大到0.36 μm，此時銅線路與該界面的剝離強度提升至4.2 N/cm。銅線路與ABF 界面之間結合力的提升與ABF 表面粗糙度增大相關，兩者界面間的結合力僅為錨定效應形成的物理結合力[9]。ABF 界面的粗糙度對基板細線路加工同樣存在影響，當ABF 表面粗糙度過大時，容易在細密線路的底部形成短路或斷路，也不利于細密線路的線形控制，因此在利用Plasma 工藝解決相鄰兩層ABF 界面分界線問題、提升銅線路與該界面結合強度的同時，需考慮細密線路的加工能力[23]。研磨后的ABF 表面經Plasma 處理后，在解決了相鄰兩層ABF 界面分界線問題的同時，提升了布線層線路與ABF 界面的結合強度，進而提升了基板在該界面間的抗分層能力。

圖9 Plasma 處理前、后ABF 表面的粗糙度及其與銅線路的剝離強度

2.2.3 基板加工過程的吸水、除水效果

塑封電路中的分層開裂現象是一種與水汽強相關的失效現象，整個塑封體吸收的水汽會在回流焊、溫度循環測試等熱考核時迅速膨脹，造成分層開裂并形成“爆米花”現象[18]。封裝基板的加工過程涉及在生產環境中長時間停留及多種濕制程，因此研究基板加工過程中的吸水及除水情況對提升基板可靠性有重要意義。

單層基板吸水率測試曲線如圖10（a）所示，結果表明基板僅在生產環境中放置時，吸水率均值為0.016%，在此基礎上增加單層基板加工過程中的浸水工藝后，吸水率均值達到0.032%。這說明基板加工過程中在生產環境里停留會吸收水汽，濕制程的浸水工藝會加速水汽的吸收。單層基板除水率測試曲線如圖10（b）所示，在80 ℃烘烤條件下，隨著時間增加除水率逐漸增加，80 min 時達到0.025%，與更高烘烤溫度下的除水率對比結果表明此時水汽未完全消除。110 ℃和150 ℃烘烤條件下，烘烤時間在60 min、80 min 時除水率均為0.027%，表明此時水汽已完全消除。結合實際生產效率，在基板增層前選用110 ℃、60 min 的烘烤參數進行烘烤除水，可以降低基板因水汽存在導致分層失效的風險。

圖10 基板吸水率、除水率測試曲線

2.3 增加界面間處理工藝的基板封裝可靠性

以Via post 工藝加工相同設計的4 層無芯封裝基板，在增層前增加銅面粗化處理工藝、烘烤除水汽工藝，研磨減薄后增加Plasma 處理工藝。該4 層無芯封裝基板封裝后超聲掃描無分層，參考GJB 548C—2021的方法對塑封電路先進行預處理測試，預處理后的電路分為3 組，第一組進行1 000 次溫度循環測試，第二組進行500 h 強加速穩態濕熱測試，第三組進行100次熱沖擊測試。對完成測試后的電路分別進行超聲掃描和截面SEM 分析，其中圖11 為基板封裝考核后超聲掃描圖，圖12 為基板封裝考核后截面SEM 圖，超聲掃描結果表明所有電路在經歷考核后均未見異常分層，SEM 結果同樣未見基板或封裝部分有異常分層。以上測試結果說明，通過增加基板界面間處理工藝可以顯著提升基板的封裝可靠性，解決基板封裝后分層失效的問題。

圖11 基板封裝考核后超聲掃描圖

圖12 基板封裝考核后截面SEM 圖

3 結論

本文研究了無芯封裝基板界面間處理工藝對結合強度與封裝可靠性的影響，未對界面做任何處理的基板在封裝后即發生分層失效，分層的原因包括界面間結合強度不足以及基板自身的水汽在封裝過程中的迅速膨脹。分別通過增加銅面粗化處理、AFB 界面Plasma 清潔，提高了光滑銅面的粗糙度和ABF 界面的粗糙度，進而提升了界面間物理結合強度及基板的封裝可靠性。通過在增層前增加烘烤工藝，解決了基板加工過程中吸收大量水汽的問題，進而避免了因水汽在封裝過程中的迅速膨脹造成的分層失效問題。在界面間增加以上3 種處理工藝解決了無芯基板封裝后即分層失效的問題，且封裝后的電路通過了預處理、溫度循環、強加速穩態濕熱和熱沖擊的可靠性測試?；宀煌缑骈g除了存在因錨定效應形成的物理結合力外，還存在因分子間鍵合形成的化學結合力，物理結合力與界面粗糙度有關，考慮到細密線路的加工能力和電信號的趨膚效應，界面粗糙度存在一定的極限，因此為進一步提升基板界面間的結合強度，使基板滿足未來更高的封裝可靠性要求，還需要研究基板不同界面間的化學結合力的影響因素及提升方法。