2.1　光敏绝缘介质材料

在集成电路先进封装中，光敏绝缘介质材料主要用在圆片级芯片封装（Wafer Level Chip-scale Package，WLCSP）、扇出型圆片级封装、集成无源器件（Integrated Passive Device，IPD）圆片级封装上作为主要的介质材料，同时可以作为芯片的机械支撑材料。可以说，所有类型的圆片级封装产品都需要使用光敏绝缘介质材料来制造介质层。

2.1.1　光敏绝缘介质材料在先进封装中的应用

在圆片级封装结构中，晶圆表面的钝化层和晶圆信号排布的再布线层结构中的介质都需要通过光敏绝缘介质材料来制造。

图2-1所示为典型的圆片级封装模块的结构。在再布线层结构中，除可以作为再布线信号层的金属布线和凸点互连材料外，光敏绝缘介质材料是其中最主要的封装结构材料。

目前，市场上虽然已经有很多不同类型的光敏绝缘介质材料，但应用于集成电路先进封装的光敏绝缘介质材料主要包括光敏聚酰亚胺（Photo Sensitive Polyimide，PSPI）和苯并环丁烯（Benzocyclobutene，BCB）两类。其中，BCB是陶氏化学（Dow Chemical）专门为了绝缘薄膜封装设计开发的光敏聚合材料，常用于MEMS等器件圆片级键合互连（Wafer Level Bondig）的介质材料，同时是前期产业界圆片级封装制造中绝缘介质材料的主要选择。

PSPI目前最大的用户是英特尔（Intel）。英特尔在制造中央处理器和图形处理器晶圆时都要使用而且仅使用PSPI来制造表面钝化层。由于此类处理器都采用倒装芯片的封装形式，因此英特尔使用PSPI作为介质来制造凸点或铜柱类的微细连接再布线层。

封装测试代工厂（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，OSAT）在不同类型的圆片级封装产品上使用光敏绝缘介质材料，几家主要的封装测试代工厂［如日月光（ASE）、安靠（Amkor）、矽品（SPIL）、星科金朋等］虽然成功实现了BCB在圆片级封装中的量产应用，但BCB主要应用于小尺寸芯片和WLCSP产品上。由于PSPI具有更好的机械与材料特性，因此较多的封装测试代工厂选择PSPI作为大尺寸芯片圆片级封装的封装材料。

从事WLP、MEMS和图像传感器（Image Sensor）封装的制造企业大部分为光敏绝缘介质材料的用户，这些制造企业包括但不限于台湾积体电路制造股份有限公司（简称台积电，Taiwan Semiconductor Manufacturing Company，TSMC）、德州仪器（Texas Instruments，TI）、三星电子（Samsung Electronics）、台湾精材科技股份有限公司（简称台湾精材，Xintec）、中芯国际集成电路制造有限公司（简称中芯国际，SMIC）、江苏长电科技股份有限公司/江阴长电先进封装有限公司（简称长电科技/长电先进，JCET/JCAP）以及苏州晶方半导体科技股份有限公司（简称晶方科技，WLCSP）等。

美国的陶氏化学（Dow Chemical）为目前世界上唯一的BCB材料供应商。日本的富士胶片（Fujifilm）则为目前世界上最大的PSPI材料供应商（英特尔是其主要客户），其他PSPI材料供应商还包括HD微系统公司（HD Microsystems）、AZ电子材料有限公司（AZ Electronics Materials）、旭化成电子材料株式会社（Asahi Kasei E-Materials）、东丽株式会社（Toray）等，其中HD 微系统公司是日立化成（Hitachi Chemical）和杜邦（DuPont）的合资公司。中国台湾律胜科技股份有限公司等企业也在开展PSPI的研究与开发，其产品目前主要应用于柔性电路板（Flexible Printed Circuit，FPC）、印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）与IC基板的制造。

2.1.2　光敏绝缘介质材料类别和材料特性

目前应用于集成电路先进封装的光敏绝缘介质材料主要为PSPI和BCB两类材料，这两类材料各自具有明显特点。

2.1.2.1光敏聚酰亚胺（PSPI）

PSPI是一类主链结构上同时连接亚胺环及光敏基团的高分子聚合物，具有稳定性好，机械、电气、化学性能和感光性能良好等优点。PSPI材料的优势主要在于其高温稳定性、良好的机械性能与较高的玻璃转化温度（Tg），在实际应用中该类材料一般需要通过200℃或以上温度的高温进行固化，同时PSPI具有较高的化学收缩率和较好的吸潮性能。

表2-1所示为东丽株式会社不同型号的PSPI的材料特性。

传统聚酰亚胺（PI）不具备光敏性，如果有图形化需求，需要与光刻胶配合使用，基本的方法是首先在PI膜上涂上一层光刻胶，刻出光刻胶图形，然后用光刻胶图形作为光刻掩蔽层，接着刻蚀下层的PI膜，移除光刻胶后，PI膜上即可留下光刻胶图形。以PSPI为基质配制成的光刻胶可直接光刻成型，同时是介电材料，大大简化了集成电路的制造工艺，并提高了光刻胶图形的精度。图2-2所示为PI和PSPI工艺流程对比。采用PI的工艺流程较复杂，而且由于引入了PI的刻蚀，加工精度相对较低；而使用PSPI制造IC器件中的有机介电层，相对于PI，可节省3～4道工序，特别是在多芯片组装和多层板的制造中，可以大幅提高生产效率、加工精度和成品率，并大大降低生产成本，具有很大的发展前景。

PSPI材料按照光化学反应机理的不同可以分为负性PSPI和正性PSPI两类，按照化学结构可分为含有光敏基团的PSPI（光敏基团可分别从主链和侧链上引入）和自增感型PSPI。

1）负性PSPI

负性PSPI所用的光敏剂一般为光交联型光敏剂，光敏树脂的溶解性随着光化学反应的进行而降低，因此曝光后得到的图形与掩模版相反，如图2-3所示。

一般情况下，负性PSPI又可分为酯型负性PSPI、离子型负性PSPI、自增感型负性PSPI三大类。这三大类材料均有商业化产品。典型PSPI的材料特性如表2-2所示。

（1）酯型负性PSPI。

最早出现的具有应用价值的PSPI是酯型负性PSPI。1976年，西门子公司的Rubner将对UV敏感的光敏性醇与均苯二酐反应制得二酸二酯，酰氯化后与芳香二胺反应得到高分子链，生成比较稳定的聚酰胺酯（PAE）。其合成过程如图2-4所示。

目前市场上销售的酯型负性PSPI结构虽然均与图2-4类似，但在光敏基团和增感剂的选取方面，不同公司有所区别。该类PSPI有较好的流平性和成膜性，缺点是膜收缩率较大，分辨力只有5～10μm，感光度较低，可在单位结构中引入较多的光敏基团进行改善。

（2）离子型负性PSPI。

离子型负性PSPI由聚酰胺酸和含有丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的叔胺组成。由这种合成方法制成的PSPI的优点是热稳定性好、电绝缘性好、制造简单、易实现商品化；缺点是因为光敏基团以离子键的形式与聚酰胺酸高分子链结合，在曝光及亚胺化的过程中大量光敏基团会脱落，所以膜的损失率比较高，分辨力下降。

离子型负性PSPI分子式如图2-5所示。

（3）自增感型负性PSPI。

自增感型负性PSPI指的是单元结构内的组分本身具有光敏性，不需要合成其他光敏剂即可实现光刻的PI材料。其光交联机理是酮羰基受UV激发后，夺取邻位烷基上的氢后产生自由基，再发生交联反应，反应过程如图2-6所示。因为这类PSPI不需要亚胺化，所以制造工艺简单，产品纯度较高，较好地改善了前两类产品留膜率低的问题，更适用于微电子产业微细化发展的路线；缺点是对曝光灯源的波长敏感度不高。

2）正性PSPI

与负性PSPI相反，正性PSPI所用的光敏剂一般为光降解型光敏剂，光敏树脂的溶解性随着光化学反应的进行而提高，因此得到的图形与掩模版相同，如图2-7所示。

正性PSPI的研究和开发较负性PSPI稍晚，负性PSPI由于光反应机理的优势，更易得到厚膜。正性PSPI在溶解时，尽管膨胀系数低，但膜的损失率较高从而难以获得厚膜。正性PSPI由于工艺路线不成熟，光刻图形重复性差等，发展较为缓慢，但其具有更高的分辨力及在碱性溶液下即可显影（无须在有机溶剂中显影）等优点，所以应用需求越来越大。

一般情况下，正性PSPI可以分为邻硝基苄酯型正性PSPI、重氮萘醌磺酸酯（DNQ）型正性PSPI、聚异酰亚胺型正性PSPI、环丁基亚胺树脂型正性PSPI等。

（1）邻硝基苄酯型正性PSPI。

邻硝基苄酯型正性PSPI能够在UV作用下重排，分解成可溶性的羧酸和醛，其反应过程如图2-8所示。

根据这个反应，高分子链上连接有邻硝基苄酯的PI在光作用下就能破坏酯键，转化为羧基，所以这类PSPI在曝光后可以溶解在碱性溶液中，而非曝光区保持不变，形成与掩模版相同的正性光刻图形。这类PSPI的图形分辨力较高，可达1μm，但是敏感度很差，一般曝光时间较长。

（2）DNQ型正性PSPI。

DNQ型正性PSPI是由具有较好溶解性的PI和抑制溶解剂重氮萘醌磺酸酯类化合物（DNQ）合成的。在光作用下，DNQ发生变化形成茚酸类物质，失去了对PI抑制剂的作用，PI的曝光部分能够溶解在碱性溶液中，因此能形成与掩模版相同的正性光刻图形。这类PSPI的优点是可以采用水基显影液，且显影液对胶膜没有溶胀作用，所以图形分辨力较高。DNQ型正性PSPI光化学反应过程如图2-9所示。

（3）聚异酰亚胺型正性PSPI。

聚异酰亚胺型正性PSPI是以溶解性优良、介电常数低、图形稳定性好的聚异酰亚胺（Polyisoimide，PII）为前躯体，基于聚异酰亚胺和聚酰亚胺的溶解性差异获得与掩模版相同的正性光刻图形的材料。

（4）环丁基亚胺树脂型正性PSPI。

环丁基亚胺树脂型正性PSPI是利用马来酸酐（顺丁烯二酐，Maleic anhydride）等经光化学反应，首先制得二聚体，然后与其他化学物质反应制得聚酰胺酸或聚酞氨酸，脱水后得到环丁基酰亚胺树脂，接着通过调配制成的。这类PSPI经UV照射后，曝光部分可以溶解在有机溶剂二甲基乙酰胺（Dimethylacetamide，DMAC）中，从而获得与掩模版相同的正性光刻图形。

近年来，随着集成电路封装技术的飞速发展，芯片的多层堆叠、超薄芯片封装及扇出型圆片级封装等相关封装形式得到了飞速的发展。对于这些封装形式，应力不匹配导致的芯片弯曲是非常严重的可靠性问题，为了解决这类问题，低应力缓冲层和再布线层都是很有必要的，因此PSPI有很好的应用前景。

2.1.2.2　BCB

BCB是陶氏化学（Dow Chemical）开发的一种先进电子干法刻蚀树脂，它是通过在高分子单体中引入一定量的硅烷基团而形成的材料，这种材料组成使得BCB作为一种有机材料拥有接近无机材料性能的特点，如化学性能稳定（不易溶于丙酮）、耐高温（可承受350℃高温）、与硅衬底热失配小及机械强度高等。

BCB种类繁多，从其感光性质上进行分类可以分为光敏BCB与非光敏BCB两类。在集成电路领域内常用的是光敏BCB，光敏BCB是专门为了绝缘薄膜封装设计而开发的，也是圆片级封装制造中再布线层材料的主要选择。光敏BCB分子结构图如图2-10所示。

表2-3所示为陶氏化学（Dow Chemical）的不同型号光敏BCB光刻胶及其特性，可以看到材料的固化厚度随黏度提高而增大。

表2-4给出了光敏BCB（CYCLOTENETM4000系列产品）的材料特性，可以总结出光敏BCB具有较多的优良的材料特性，如下。

（1）低介电常数（一般为2.7左右）。

（2）低离子含量。

（3）低吸水率。

（4）低固化温度。

（5）高温下稳定性好，同时具有低的气体挥发率。

（6）良好的抗溶剂腐蚀性等。

BCB（CYCLOTENETM4000系列产品）图形化工艺流程如图2-11所示，和PSPI一样，具有非常简单的工序，因此在实际生产中生产效率、加工精度和成品率均较高。

实际上，光敏绝缘介质材料还有一些其他材料体系，包括环氧树脂（Epoxies）、聚苯并恶唑（Polybenzoxazole，PBO）、芳香族含氟聚合物（Aromatic fluoropolymer，Al-X）等，这些材料虽然在某些特定的封装产品中得到应用，但目前还不能在圆片级封装生产制造中大规模地取代BCB和PSPI两种材料。

2.1.3　新技术与材料发展

近年来，随着芯片厚度的减小和平面尺寸的增大，BCB在大芯片封装产品上引发的高应力已不能满足产品可靠性的要求，而且BCB的断裂强度较低，所以产业界在大尺寸圆片级封装产品中开始选择其他材料来替代BCB。

对于光敏绝缘介质材料的要求，除基本的材料特性和工艺上的易操作性外，从材料应用角度考量，主要的要求是可靠性，要求材料能够通过电子元器件可靠性试验中的高低温循环和跌落试验的考核，所以材料必须有优异的拉伸、延伸机械性能和优异的抗断裂性能。

终端应用市场对便携式智能产品的小型化的需求，使得集成电路元器件趋向于轻、薄、短、小的方向发展，在提高性能的同时需要减轻元器件整体的质量和减小厚度。超薄晶圆的处理和更小的信号线间距等需求要求光敏绝缘介质材料在以下几个方面进行持续的改善。

（1）工艺具备易操作性。

（2）低杨氏模量，从而带来低的内部应力。

（3）低温可固化性。

（4）低吸潮吸水性。

（5）低介电常数。

（6）高抗断裂性能。

面向上述的改善需求，近年来研发出一些用于光敏绝缘层的新材料体系，主要包括以下几种。

1）环氧树脂（Epoxy）

无论从产量还是应用范围来说，环氧树脂材料是在电子材料中使用最多的材料。环氧树脂的优势在于具有较低的固化温度、较小的化学收缩率、较好的抗化学腐蚀性、与各种材料均具有良好的黏接强度及较低的材料成本。环氧树脂材料的局限性主要在于较高的热膨胀系数、较低的玻璃转化温度及热稳定性，会对元器件的可靠性产生一定的影响。

在如图2-12所示的扇出型圆片级封装（Fan Out Wafer Level Package，FOWLP）结构示意图中，光敏绝缘介质材料成型后形成再布线层，考虑到工艺的兼容性及可靠性，要求材料具有低温固化、低残余应力、对铜布线层的附着力较高等多种特性，环氧树脂类型的光敏绝缘介质材料基本满足上述要求，因此正在逐步应用于扇出型圆片级封装工艺。

目前环氧树脂类型的材料在光敏绝缘介质材料市场中的占有率大约为10%。基于环氧树脂的光敏绝缘介质材料的供应商和产品主要包括JSR Micro的WPR系列、陶氏化学（Dow Chemical）的Intervia系列、东京应化工业株式会社（TOK）的TMMR系列以及MicroChem的SU-8系列，相关材料的特性在表2-5中列出。

2）聚苯并恶唑（Polybenzoxazole，PBO）

PBO是一类主链含有苯并恶唑稠杂环重复单元的耐高温芳杂环聚合物，通常为正性光敏材料，曝光部分可以在水基溶液中（一般为2.38%的TMAH）显影去除。由于具有较高的曝光线条清晰度、较低的固化温度、较低的吸水性和较低的铜迁移率等特性，因此在WLP封装工艺中得到了一定的应用。

基于PBO体系的材料主要用于圆片级封装中的表面涂层。该类材料的主要用户是安靠（Amkor）、日月光（ASE）、矽品（SPIL）等OSAT。目前基于PBO的光敏绝缘介质材料的供应商和产品主要包括HD Microsystems 的Pyrlin系列和住友（Sumitomo）的Sumiresin系列。

HD Microsystems开发的HD-8940光敏PBO具有较低的固化温度（200℃）。在固化过程中，PBO通过闭环实现固化，生成机械强度较高的介电层。PBO固化过程如图2-13所示。

HD-8940光敏PBO的Tg为200℃，介电常数为2.9，杨氏模量为2.2GPa，其材料特性与包封用环氧塑封料的材料特性较接近，多应用于FOWLP封装产品中。

3）芳香含氟聚合物（Aromatic fluoropolymer，Al-X）

该材料为美国AGC公司在2010年商业化的热固化光敏低介电常数材料，主要用于圆片级封装中的表面再布线层。它具有低固化温度、高热膨胀系数、高伸缩率、高光敏分辨力和良好的电学性能参数，该材料通常需要在190℃下经过数小时实现低温固化，介电常数为2.6，目前该材料在市场上的应用主要集中于无源器件的集成及扇出型圆片级封装。