基板的封装可靠性与基板不同界面间的结合强度有关,封装基板的原材料组成包含有机材料(绝缘树脂、阻焊材料)和无机材料(铜),以半加成法(SAP)工艺制作的封装基板涉及多个由不同材料组成的界面,分别为铜层-绝缘介质层界面、铜层-阻焊层界面、绝缘介质层-绝缘介质层界面、绝缘介质层-阻焊层界面,界面间分层是基板可靠性考核中最常见的失效问题。以铜层-绝缘介质层界面为例,为保证铜线路与绝缘介质层具有良好的结合力,通常会在铜线路加工前对绝缘介质层做表面处理,以提高绝缘介质材料表面的粗糙度及改变材料表面的化学状态,同时为了满足更细线路(线宽/线距≤10μm/10μm)的加工要求,绝缘介质层表面粗糙度不宜过大。目前对环氧树脂类绝缘介质层的常见处理方式包括湿法化学咬蚀处理、等离子(Plasma)表面处理以及紫外-臭氧辐射表面改性等。

等离子(Plasma)表面处理

等离子体轰击使得材料微观上具有一定的粗糙度,在粘接界面产生了机械咬合作用力。表面粗糙值越大,粘接面粘接强度越高;其本质上是由于界面粗糙使得断裂时会消耗更多的粘弹性或者塑性能量。等离子体对材料表面进行处理,材料表面会产生不同化学组成与氧化物,形成稳定的化学键连接,亦可提高材料的粘接性能。

ABF表面Plasma处理工艺

图1(a)为研磨后未经Plasma处理的ABF表面图,图1(b)为研磨后经Plasma处理后的ABF表面图。Plasma处理是一种有效清洁树脂表面的方法,其对ABF表面清洁处理的原理是氮气、氧气和四氟化碳3种气体在高压电场的作用下电离形成等离子体,等离子在电场作用下高速运动对ABF表面造成物理轰击,以达到清洁的作用。同时电离后形成的氧自由基、氟自由基和自由电子会和ABF表面的树脂发生反应形成二氧化碳和水,同样达到对ABF表面清洁的目的。对比Plasma工艺处理前后的ABF表面可以看出,研磨后未经Plasma处理的ABF表面残留大量的树脂,这些树脂包覆着部分二氧化硅填料,表面相对平整,而经Plasma工艺处理后的ABF表面裸露着大量二氧化硅填料,基本无树脂残留,这些二氧化硅填料尺寸略有差异,在ABF表面形成凹凸不平的表面,相对于未经Plamsa处理的表面更为粗糙。

图1 Plasma处理前、后ABF表面微观形貌及ABF压合界面图1(c)(d)分别为Plasma处理前、后的ABF压合

图1(c)(d)分别为Plasma处理前、后的ABF压合界面,其中研磨后未经Plasma处理的样品在任意相邻两层的ABF界面可以看到明显的分界线,分界线的存在说明两者界面结合较差。研磨后经过Plasma处理的样品在任意相邻两层的ABF界面无分界线,说明界面处两层ABF树脂完全融合,两者界面结合较好。图2为增层前有无Plasma处理的相邻两层ABF界面分界线形成示意图,研磨后未经Plasma处理的ABF表面球形填料被树脂包覆,同时该树脂表面经研磨机械拉扯,树脂材料特性可能遭到破坏,在与增层ABF相结合时界面间“奶油层”树脂无法完全融合。而经过Plasma处理后的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,该表面可被增层ABF树脂的“奶油层”树脂完全填充,增层ABF树脂与衬底层ABF填料完全融合。

图2 增层前有无Plasma处理的相邻两层ABF界面分界线 形成示意图

Plasma处理前、后ABF表面的粗糙度及其与铜线路的剥离强度如图3所示。未经处理的ABF表面Ra为0.22μm,此时铜线路与该界面的剥离强度仅为1.5N/cm,经Plasma处理后的ABF界面Ra增大到0.36μm,此时铜线路与该界面的剥离强度提升至4.2N/cm。铜线路与ABF界面之间结合力的提升与ABF表面粗糙度增大相关,两者界面间的结合力仅为锚定效应形成的物理结合力。ABF界面的粗糙度对基板细线路加工同样存在影响,当ABF表面粗糙度过大时,容易在细密线路的底部形成短路或断路,也不利于细密线路的线形控制,因此在利用Plasma工艺解决相邻两层ABF界面分界线问题、提升铜线路与该界面结合强度的同时,需考虑细密线路的加工能力。研磨后的ABF表面经Plasma处理后,在解决了相邻两层ABF界面分界线问题的同时,提升了布线层线路与ABF界面的结合强度,进而提升了基板在该界面间的抗分层能力。

图3 Plasma处理前、后ABF表面的粗糙度及 其与铜线路的剥离强度