摘要：综述了聚酰亚胺（PI）材料在集成电路制造和先进电子封装中的应用与发展情况。从聚酰亚胺封装材料的基础理论、发展现状、未来发展趋势等几个方面进行了详细的阐述。重点论述了ZKPI系列聚酰亚胺封装材料在芯片表面钝化、层间介电绝缘层膜以及应力缓冲涂层等方面的应用情况。 关键词：聚酰亚胺；先进电子封装；层间介电绝缘层膜 中图分类号： TN305.94 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2003)10-0037-05 1 引言 微电子工业已经成为对国家的经济、政治、社会、安全以及文化等具有重要影响的产业之一。电子产品小型化、薄型化、高性能化、多功能化、高可靠性和低成本化的市场需求使得集成电路封装密度急剧增加；目前芯片的特征尺寸为0.25~0.18 mm，0.13~0.10mm的时代已经到来，预计2005~2006年芯片特征尺寸将突破0.09mm。随着芯片特征尺寸的不断缩小，单个芯片的功率也在不断提高；0.25 ~0.18mm芯片的功率为30~40W/芯片，而0.1mm芯片的最大功率将高达120~200 W/芯片。单芯片的尺寸面积也将从600~800mm2 提高到1000~1250mm2; 信号的输入输出引脚数（I/O）由原来的100提高到目前的1700。 为了改善电性能，提高可靠性和封装速度，表面安装(SMT)已经成为主流技术，正在逐步取代传统的通孔插装（PTH）；适宜SMT 的各种先进封装形式，如TQFP、BGA、CSP 等逐渐成为近年来的发展热点。 微电子封装技术所涵盖的内容非常丰富，涉及面广泛，涉及许多主要科学和工程技术领域。 目前微电子工业正在发生的重大变化使业已成熟的微电子封装工艺和封装材料面临严重的挑战。0.13~0. 10mm时代的到来将不但影响封装工艺技术，同时对封装材料性能的要求也将发生重大的变化。聚合物材料包括环氧树脂、聚酰亚胺、BCB树脂、BT树脂等已经成为与金属、陶瓷材料同样重要的电子封装材料。封装的作用已不再是过去意义上的简单包埋，而被视为挖掘集成电路极限(最优)性能的决定性因素。因此，现代的电子封装技术需要将互连、动力、冷却和器件钝化保护等技术组合成一个整体以确保器件表现出最佳的性能和可靠性。 为达到此目的所使用的材料既包括高导电率的金属导线、高性能陶瓷，同时也包括耐高温、低介电常数和低介电损耗的聚酰亚胺、BCB树脂和环氧树脂封装材料等。 目前，适用于微电子封装的聚合物材料有许多种类（表1），不同的应用对材料的性能要求是不尽相同的。表2给出了聚合物封装材料的理想性能指标。可以看出，虽然IC封装对于材料的性能要求是多种多样的，但可以归纳为“5高与5低”，即高纯度、高耐热及热氧化稳定性、高力学性能、高电绝缘性能、高频稳定性能；低介电常数与介电损耗、低吸潮性、低内应力、低热膨胀系数和低成型工艺温度。聚酰亚胺和环氧树脂、硅橡胶等材料可在很大程度上满足上述的性能要求，因而在IC 封装中得到了广泛的应用。 2 聚酰亚胺的化学性质 聚酰亚胺树脂通常由有机芳香族四酸二酐和有机芳香族二胺在有机溶剂中通过缩合反应，首先生成聚酰亚胺的前置体-聚酰胺酸树脂。与聚酰亚胺不同，聚酰胺酸树脂通常可以溶解在非质子强极性有机溶剂中，因此，将聚酰胺酸溶液涂覆成膜，然后经加热固化使聚酰胺酸转化为聚酰亚胺。表3列出了聚酰亚胺常用的有机芳香族四酸二酐单体和芳香族二胺单体。聚酰亚胺的化学名称也通常以“二酐-二胺”的形式表示，例如，“PMDA-ODA”指的是由二酐单体PMDA与二胺单体ODA聚合而成的。如果在聚合过程中使用多于一种的二酐或二胺，则用“／”将其分隔开。例如，“BTDA- ODA/MPDA”系指由二酐单体BTDA与两种二胺单体，ODA与MPDA共同聚合制备的材料。 聚酰亚胺材料应用于微电子领域已有近30年的历史。60~70年代，电子器件封装所用的绝缘材料几乎都是无机材料，如陶瓷、Al 2O3及SiO2等。在许多尖端应用中，这些陶瓷主要是Al 2O3，其介电常数高达9。70年代末期至80年代初期，随着集成电路制造技术水平的不断发展，芯片的所谓软错误、信号延迟、降低制造成本等因素使具有优良耐热性能的聚酰亚胺材料在微电子领域得到广泛的应用。典型的应用主要包括：芯片的表面一级钝化层膜或二级钝化层膜；芯片的a-粒子屏蔽层膜； 塑封器件的应力缓冲涂层膜；多层互连金属电路的层间介电/绝缘层；耐热导电/导热粘结剂；结点保护膜；高耐热硬质基板；PI柔性基板；液晶趋向层膜。 表4列出目前市场上商品化聚酰亚胺树脂情况，其中北京波米公司是一家（POME Sci-tech Lth. Beijing）国内生产、销售、研发各种聚酰亚胺树脂的专业公司。该公司向市场推出4个系列（标准型、光敏型、低温固化型、液晶趋向型），总共50多个品种的聚酰亚胺产品，目前正在稳定地供应国内几十条生产线使用。 3 聚酰亚胺的典型应用 3.1 a-粒子屏蔽层膜 1978年4月，Intel公司的研究人员首次报道了在动态存储器中由于a-粒子所诱发的“软错误”问题。a-粒子等射线辐射的主要来源是核辐射和空间的宇宙射线以及集成电路原材料中残留的放射性物质，如铀、钍等。集成电路在遭受射线辐射后，将有可能发生性能劣化或瞬间失效。如果集成电路安装在导弹上，在受到射线的辐照后，导弹的电脑系统可能会发生逻辑误差，使得导弹失控。如果安装在核电站、核潜艇等设备中的集成电路受到射线的辐射，就会导致仪器设备的失控。因此人们采取了多种措施来解决这个问题。这些措施主要集中在以下三个方面：（1）设计具有足够操作窗口的电路，尤其是电荷存储元件来保证由于射线所引起的载荷子不足以影响集成电路的逻辑状态；（2）使用含有非常低含量辐射物质的材料来封装集成电路；（3）使用可吸收 a-粒子等射线的材料来保护集成电路的活性表面。第一类措施由于采用电荷存储设备，势必会增加集成电路的尺寸；第二类措施最为有效，但却难以实施，主要是因为目前还很难得到足够低含量杂质离子的材料；第三种措施由于操作简单、屏蔽效果好，因此成为目前主要采用的方法。 采用第三种措施对IC芯片进行表面屏蔽主要有两种形式：（1）采用预制好的柔性带，如PI薄膜，在封装前将其粘结在IC活性表面上；（2）采用液体材料，如PI前体溶液，使用时将其分散于IC活性表面上，封装前进行固化。第一种形式由于操作过程中的均一性以及批量性等问题难以在实际生产中得到广泛应用。第二种形式虽然也存在诸如溶液与芯片表面的粘结性、固化后屏蔽膜厚度的控制以及固化过程中的应力造成引线或芯片破坏等问题，但这些问题均可以通过调节溶液性质与操作工艺来加以改善，因此第二种方式成为目前IC工业中主要采用的手段。 Hitachi公司已在其64k存储器中使用聚酰亚胺前体溶液来对其表面进行保护。Motorola公司在其64k动态存储器中使用Dupont公司的PI前体溶液 PyralinPI2562进行a-粒子屏蔽保护，得到了满意的结果。屏蔽层厚度为1mil（约25mm）时，在10000h 的测试中，软错误发生的次数不超过一次。 3.2 芯片的钝化膜 聚酰亚胺作为芯片钝化层和应力缓冲涂层在微电子工业中应用非常广泛。聚酰亚胺层膜既可以单独使用作为芯片的钝化膜（一级钝化），也可以和 SiO2等无机钝化膜配合形成复合钝化膜（二级钝化）。PI钝化膜可有效阻滞电子迁移、防止腐蚀。具有PI钝化保护层的元器件具有很低的漏电流、较强的机械性能以及耐化学腐蚀性能。同时，PI膜也可有效地遮挡潮气，增加元器件的抗潮湿能力。 3.3 应力缓冲膜 聚酰亚胺作为应力缓冲涂层已广泛用于半导体器件的塑性封装中，其可吸收由于塑封料与硅片及引线框架间热膨胀系数不同而产生的内应力，有效地降低由于热应力引起的电路崩裂断路，保护元器件在后续的加工、封装和后处理过程中免受损伤，增加产品的成品率。 封装工艺中常见的崩裂问题是一个重要的问题（图1），它是由于在焊接过程中塑封料和芯片或引线接触表面上残留水分的突然挥发而引起的。崩裂来自于焊接时残留于塑封料和芯片底座之间水份的突然蒸发；在受热情况下，残留在器件内部的水份受热变成水蒸气，水蒸气逸出产生的压力导致器件产生崩裂。因此，在芯片底座与塑封料的界面上插入一层低模量的涂层可有效避免崩裂现象。通常，工业上在芯片的表面涂覆PI作为保护层以防止封装崩裂（图2）。PI涂层虽可有效避免塑封器件的崩裂，但效果与使用的聚酰亚胺材料的性能密切相关。通常具有良好的粘接性能，玻璃化转变温度高于焊接温度，低吸水率的聚酰亚胺是理想的防止器件崩裂的内涂材料。 在倒装焊芯片的焊球制作过程中，经常会在焊球与芯片的SiO2钝化层之间产生应力而导致钝化层破裂。Motorola公司报道了一种制作焊球的新工艺（图3）。在SiO 2钝化层的表面涂覆PI层，作为二级钝化层；PI层不但可延伸到SiO 2钝化层的边缘，而且处于金属焊接区上。焊球在金属垫与PI 层上制作，PI层可防止焊球与SiO2钝化层接触，以防止SiO2钝化层发生应力破裂。 北京波米公司的ZKPI-305系列钝化膜材料对于电子元器件具有优良的表面钝化效果。某硅pnp三极管生产厂家利用ZKPI-305材料对其产品进行表面钝化研究，取得了很大的成功。该厂对于PI钝化膜的应用研究历时10年，但因PI与二氧化硅表面粘附性差，亚胺化后的烧结、键合工艺中易发生表面剥离脱落等现象，一直未能应用于其高端产品中。当该厂采用ZKPI-305涂层胶进行试验后，经过试验条件的优化与探索后，所有分组实验均零失效通过。ZKPI-305 PI 树脂为浅黄色透明液体，树脂的粘度低、流动性好，同时具有很好的流平性能。在芯片表面上涂覆约2mm厚的PI膜，经光刻通孔后，可得到高品质的引线孔；引线孔和钝化膜边缘整齐、无锯齿，刻蚀窗口干净，并与钝化膜色差明显。PI钝化膜在芯片划片、分片、组装、烧结以及键合等过程中无破损现象，起到了良好的保护作用。图4示出了PI钝化膜在芯片表面钝化的示意图。 某高压器件生产厂家采用北京波米公司的 ZKPI-600聚酰亚胺树脂对其高压器件产品进行表面钝化处理后，取得了非常好的效果。经PI钝化保护得器件经500h的高压水煮试验（PCT）后，器件的反向漏电流不超过10mA；经1000次的高低温循环试验后，材料的钝化效果没有明显降低（图5）。可见，与目前采用的材料比较，ZKPI-600钝化膜对于高压器件的钝化效果具有本质的变化。 3.4 多层金属互联电路的层间介电绝缘膜 高密度高速度多层互连金属电路要求所适用的层间介电绝缘材料具有低的介电常数和介电损耗，以尽可能减少寄生电容，从而防止信号传输的延迟、串音以及噪音等。另外，还要求层间介电材料具有如下的性能：低吸湿性；与金属间的强粘附性；化学惰性；良好的热稳定性；优良的力学性能；优良的表面平坦化特性；简单、易掌握的精密制图工艺；优良的可靠性等。作为层间绝缘材料，聚酰亚胺材料比无机材料具有明显的性能和成本优势。首先，聚酰亚胺材料的介电常数和介电损耗比较低，介电常数一般约低于3.8，而介电损耗低于0.004；其次，聚酰亚胺材料的成型工艺比无机材料要简单，适于大面积、流水线生产，制造成本低。 感谢有关半导体厂家及研究所为本文提供的资料图片与试验数据。 本文摘自《半导体技术》