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1、067材料世界網 tw 功率電子用關鍵材料與製程 技術專題 工業材料雜誌 307 2012 07 高耐溫無鹵基板材料技術簡介 Halogen free Substrate Materials with Highly Thermal Resistance 曾峰柏F P Tseng 工研院材化所 MCL ITRI 研究員 隨著環保法令的訂定 基板材料朝向環保無鹵方向的設計開發已是不可抗拒的趨勢 然而 當 電子產品系統愈朝輕薄短小 多功能化 高密度化 高可靠性 低成本及電氣特性等高功率的 應用發展方向 其體積越小的產品在運算速度加快時所產生的熱量也將越來越大 如果熱累積 在系統中無法適時排出至外在環
2、境時 也將使元件因溫度過高而影響到產品的可靠性 甚至造 成使用壽命減低 再者 若是溫度超過基板Tg而使其彎曲變形 也會造成元件 線路等之龜 裂或損壞等 開發高耐溫與高散熱基板可解決以上問題的產生 本文將對現行使用有機高耐溫 基板材料開發做一介紹 With the establishment of environmental laws substrate materials toward the direction of environmentally friendly halogen free design and development are an irresistible trend E
3、lectronic systems move towards light thin short small multi functional high density high reliability low cost and good electrical characteristics for high power applications The volume of electronic products is smaller and the computing speed is faster so the heat density becomes higher Reliability
4、and pot life of an IC device will be decreased by high temperature because heat generated by the system can t be properly exhausted Furthermore the bending of substrate may result in device cracking or damage if the temperature exceeds its Tg Therefore the development of thermal resistant and therma
5、l conductive substrate will prevent such problems Organic materials for high thermal resistance substrates will be introduced in this article 關鍵詞 Key Words 耐熱性 Thermal Resistance 基板材料 Substrate Materials 散熱 Heat Dissipating 雙馬來醯 亞胺 BMI 無鹵無磷 Halogen free Phosphorus free 前 言 現 今終端電子產品朝多功能整合 輕 薄 快速 高頻等
6、方向發展 對於 封裝元件的要求也愈來愈多 除了必須滿 足輕薄短小的基本要求外 更大的訊號傳 輸頻寬 更少的電路干擾 更快的傳輸速 度等要求都必須逐一克服 因此透過直通 矽晶穿孔 Through Silicon Via TSV 連結傳 遞訊號的 3D IC產品便應運而生 不論透過 傳統的 SiP或新興的 3D IC 都可在 IC元件 封裝端上滿足小體積又兼具高整合的優點 然而其搭配的被動元件數量卻也隨之遽增 特別是消費性電子產品 例如平板電腦 068材料世界網 tw 工業材料雜誌 307 2012 07 功率電子用關鍵材料與製程 技術專題 DVD錄 放影機或智慧型手機等 須使用為 數眾多的被動元
7、件 其與 IC 的比例甚至可 高達 60 倍以上 由於元件使用數目日增 在體積越來越小 運算速度越來越快的情 形下 其產生的熱量也越來越大 若是熱 累積在系統中無法適時排出至外在環境 將使元件因溫度過高而影響產品的可靠性 甚至造成使用壽命減低 所以如何將產生的 熱排出系統以維持系統穩定的運作將越顯重 要 由於電路基板是承載這些元件的載體 因此若能開發高散熱的基板材料 將熱有 效率地傳導到散熱片排出至外在環境 可 防止此類問題的產生 此外 若是系統產生熱能無法快速 有效率地排出到外在環境 所生成的熱會 慢慢累積造成系統溫度上升 此時承載之 電路基板必須具備高的玻璃轉移溫度 Tg 如此 才不會因為
8、溫度超過其 Tg而導致基 板彎曲變形 造成元件 線路等龜裂或損 壞 另外 因應環保法規 目前開發的無 鉛銲錫材料 其熔點都比傳統的錫鉛銲料 高 而較高的銲錫溫度將導致較大的 Z 軸膨 脹 可能會影響通孔的可靠度 Through Hole Reliability 而且 在高銲錫溫度作業下 若是基板的耐溫性不佳 可能會產生高分 子材料裂解或斷鏈的問題 而使材料的特 性變差 由於銲錫溫度較高問題 基板材 料必須注意以下兩點 Z 軸膨脹 Z axis Expansion 及裂解 Decomposition 的問題 電路基板材料技術發展 目前在電子產業中 常用的有機高分子 電路基板包括印刷電路基板 Pr
9、inted Circuit Board PCB IC 載板 IC Substrate 及可撓 性電路基板 Flexible Printed Circuit Board 印刷電路基板較常使用之材料為玻璃布基 材環氧樹脂銅箔積層板及紙基材苯酚樹脂銅 箔基層板 是價格低廉 用途最廣的基板 IC 載板則是做為晶片直接承載之用 如 COB FCOB及 DCA 等 特性是 I O 數目 高 連接密度高 目前 IC載板所使用的樹 脂 材 料 以 BT 樹 脂 Bismaleimide Triazine Resin 為主 國內開發之類 BT 載板材料則 因為日本 311地震而出現替代 BT 樹脂材料 的契機
10、可撓性電路基板比 PCB 更薄 所 使 用 的 耐 熱 性 樹 脂 材 主 要 為 聚 醯 亞 胺 Polyimide 或 液 晶 高 分 子 Liquid Crystal Polymer LCP 1 印刷電路基板 以環氧樹脂為主的 PCB 基板 其耐溫 性商品如表一所示 目前 TMA 所測得基板 材料的 Tg大部分約在 180 C 左右 雖然已 經可稱作是耐溫性基板 但是要做為高耐 溫基板 Tg值仍稍低 Tg值約 210 C 以上 方可稱作高耐溫基板材料 目前藉以提升 環氧樹脂耐溫性的方法有 泝使用多官能 基環氧樹脂或多官能基的硬化劑 藉由交 聯程度的提高來增加環氧樹脂的耐溫性質 沴將剛硬結
11、構導入環氧樹脂結構中 例如 Biphenyl Naphthalene 及 雙 五 雙 烯 環 Dicyclopentadiene DCPD 此類在具有耐溫 性的同時 雖交聯密度低 但因剛硬結構 導致自由體積降低 加上疏水結構的相乘效 果 亦可達到低吸濕性的效果 沊使用高 功能性樹脂改質環氧樹脂 此類為高功能 性樹脂如 BT 樹脂 氰酸酯樹脂 Cyanate Ester CE 聚醯亞胺樹脂等改質環氧樹脂 所得之 Tg普遍高於傳統環氧樹脂 對於尺 寸安定性有很大的助益 但價格昂貴 主 要應用於特殊規格的材料上 另外 利用 Benzoxazine 為基礎的 Poly p vinylphenol 與
12、069材料世界網 tw 功率電子用關鍵材料與製程 技術專題 工業材料雜誌 307 2012 07 環氧樹脂產生新型的樹脂材料 其玻璃轉 移溫度由 DSC 量測 亦可高達 205 C 由於環保法令的規定 以環氧樹脂為 主的 PCB 基板 在使用時多會加入難燃 劑 使其達到 UL 94測試標準 目前以磷系 難燃劑為主 其具有毒性較低 加工性佳 添加量少 發煙量低 且與樹脂的相容性 好等優點 磷系難燃劑的抑燃功效不僅與 難燃劑存在於高分子的方式有密切關係 難燃劑本身及高分子之結構亦有極大的影 響 雖然此類無鹵材料可符合環保的訴求 但在製造的過程中 磷化合物相較於溴化 合物而言 其穩定性較差 再者 未
13、來最 終處理含磷廢棄物時 仍可能會對地球水 生環境造成危害 因為磷系難燃劑會因水 解導致河川或湖泊優氧化 衍生另一種環 境課題 故對於含磷類的材料研發過程 須特別注意對環境潛在危害性問題的產生 環氧樹脂是一項高功能性樹脂 在國內 的發展歷史已久 產業結構發展相當完整 美中不足的是對於高功能性產品仍無法自 給 必須依賴進口 因此就市場面來看 國內對於環氧樹脂未來的發展仍有相當大 的空間及潛力 值得國內業者進行發展 2 IC 載板 以 BT 樹脂為主的 IC 載板 是日本三 菱瓦斯化學公司於 1982 年經拜耳化學公司 技術指導所開發出來 擁有專利並商業化 量產 因此是目前全球最大的 BT樹脂製造
14、 商 主要以 B Bismaleimide and T Triazine 聚合而成 以 BT樹脂為主要原料所製作的 載板具有高 Tg 255 330 C 低介電常數 Dk 及低散失因素 Df 等優點 但是樹脂的 脆性和吸水率是其缺點 BT樹脂分子構造 剛硬 耐熱性雖然高 但是樹脂的韌性很 低 脆性較高 加工性不佳 同時 在分 子構造中 極性的 Imide 基團吸水率大 這 些缺點可藉由添加環氧樹脂來改善 但是 加入環氧樹脂會造成耐熱性下降 Tg降為 170 210 C 近來三菱瓦斯化學公司以 BT 樹脂所開發製作的載板 不僅符合綠色環 保訴求 而且 Tg可高達 250 C 以上 而國內廠商如南
15、亞塑膠與長春化工也 Company Mitsubishi Gas s CCL HL 832 Hitachi s MCL E 679F Panasonic s R 1755V HiperV Toshiba s TLC W 556M Sumitomo s ELC 4781 Risho s CS 3667 NanYa s NP 200R ITEQ s IT 180TC Uniplus s Tg 200 Isola s G200 Tg C 180 TMA 173 183 TMA 173 TMA 160 170 TMA 175 TMA 215 TMA 190 5 DSC 180 TMA 200 DSC
16、185 DSC ppm C 5534 354451503750 705540 60 Dk 1 MHz 4 54 6 4 84 44 8 5 04 64 34 4 4 64 64 64 1 Df 1 MHz 0 00680 013 0 0150 0160 010 0 0170 0170 0190 0150 0190 0160 013 1 5 1014 2 10141 10144 10155 101210141014 1 5 1015 2 10155 10151 10167 101210141013 Flexural Strength 50 kg mm2 24 26 GPa 2 500 kN cm2 440 540 MPa 540 N mm2 600 N mm2 70 000 psi 69 000 psi 87 000 psi UL 94 V0V0V0V0V0V0V0V0V0V0 Peel Strength 1 2 oz 1 5 kN m 1 0 1 4 kN m 1 2 kN m 0 9 kN m 8 12 1oz lb in 6 lb in 7 lb in 5 0 lb in Wate
