随着AI等大算力应用场景的快速发展，高性能CPU、GPU对于大尺寸、高层数的封装基板的制造技术和材料提出越来越严苛的标准。阻焊薄膜材料（SR）是先进封装基板的关键材料之一，对光刻显影能力、界面和可靠性都有着极高的要求，平衡热稳定性与机械性能是SR材料研发的重要挑战。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院先进电子材料研究所、深圳先进电子材料国际创新研究院研究团队在《Progress in Organic Coatings》期刊上发表重要研究成果“Balancing Mechanical and Thermal Properties in Epoxy-Based Solder Resists through Polyurethane-Polyimide Hybrids”。针对先进封装基板用阻焊薄膜耐热性与机械性能不平衡等问题进行研究，开发了PI-PU树脂低聚物实现先进封装基板阻焊薄膜耐热性与机械性能平衡。
半导体先进封装基板（如FCBGA、FCCSP）是人工智能、大数据、高性能计算、无人驾驶汽车等新兴需求应用的CPU、GPU等高端数字芯片与主板之间的重要连接载体，在高速信号传输、电源分配及热管理中发挥决定性作用。
光成像阻焊材料是一种高性能封装基板材料，经过涂布/压膜、烘烤、曝光、显影、固化等过程，在封装基板表面形成特定的图案并覆盖在金属线路表面，形成一种永久的保护层。其主要的作用为防止焊锡搭线造成的短路，可保证印刷电路板在制作、运输、贮存、使用时的安全性。光成像阻焊材料按照产品形态可分为油墨和薄膜两种类型，阻焊薄膜相比于阻焊油墨在表面平整性、开窗精细程度、可靠性（高温高湿耐性、机械性能）等方面更为优越。
随着电子器件的薄型化、高集成化发展趋势以及基板尺寸的持续增大，阻焊薄膜材料需要向高玻璃化转变温度、低线性膨胀系数、更小的开窗精度、更优异的抗裂性能等方面发展。传统的阻焊薄膜材料基体树脂主要有两种，改性环氧树脂有良好的热稳定性与附着力，但存在脆性大、柔韧性不足的问题，常导致SR薄膜脆性断裂；环氧丙烯酸酯基体树脂具有优越的柔韧性和光敏性，但其热稳定性和化学稳定性相对较差。两种单组分树脂材料在电子设备高可靠性的应用需求上均具有局限性。因此，开发出兼具刚性和柔韧性、热稳定性和化学稳定性的新SR基体树脂具有重要的研究意义。
图1 PI-PU、PE-1双组分树脂体系的结构与光热固化交联过程
团队通过分子结构设计，合成了一种含有C=C双键、氨基甲酸酯键和酰亚胺单元的新型多功能低聚物（PI-PU），并制备了特定酸值的碱溶性光固化改性环氧树脂（PE-1），通过二者化学复合进行多尺度协同网络设计，构建了刚性酰亚胺微区-柔性胺脂链段-反应性C=C基团的多尺度协同网络。C=C双键在光固化阶段发生自由基聚合，形成初始交联网络。在随后的热固化阶段，PI-PU和PE-1中丰富的羟基和羧基进一步与热固性树脂发生缩合反应，显著提高了交联密度，从而增强了SR材料的热机械性能。此外，PI-PU中的柔性聚氨酯段有效减轻内部应力并改善粘合性，而PE-1中的刚性酰亚基结构和芳香主链则协同增强了热稳定性和机械强度。该双组分体系通过光固化反应和热固化反应的协同效应实现多尺度协同网络和性能平衡，赋予SR材料卓越的综合性能。
图2 SR材料物性及开窗性能
该工作阐述了微观结构与宏观性能的关联机制，解决了阻焊薄膜材料在强韧性与耐热性之间的矛盾问题，实现了一系列高性能研究成果：玻璃化转变温度最高达186 ℃，5%热分解温度最高达369 ℃，热膨胀系数最低至30.7 ppm/K；拉伸强度可达94.3 MPa，断裂伸长率5.8%，杨氏模量保持在3.0 GPa；对铜箔的粘附强度最高达4.6 N；介电常数低至3.10；阻焊开孔分辨率可达60 µm；吸水率低至0.39%，水接触角达104.6 °，并具有优异的耐酸碱性及铅笔硬度。
本研究通过对SR基体树脂的设计合成、双组分体系的网络构建，主要实现了SR热稳定性能、强度和韧性的协同提升，能有效改善材料在加工、组装和使用过程中的抗热冲击、抗开裂等可靠性表现；揭示了分子结构对材料可靠性的影响机理，在材料设计、性能调控和应用上具有重要科学价值与工程指导意义。所取得的突破性进展，展示出下一代高性能阻焊薄膜材料的巨大应用潜力，为先进电子制造及集成电路基板材料的发展奠定了基础。
来源：项目管理办
编辑：党群与文宣办