液晶高分子聚合物印刷電路板封裝技術
提供高效能的保護
Linas Jauniskis, Brian Farrell, Andrew Harvey, Foster Miller, Inc.
Scott Kennedy, Rogers Corp.
適合的電子特性已使得液晶高分子聚合物(LCP)成為最適用於高頻率電路板的電子基材和包裝材料。其射出成形與相關的技術，譬如共射射出成型和雙射射出成形，也是相對地成熟技術。
藉由液晶高分子聚合物印刷電路板技術，光纖收發器、微流體化學藥品感應器和砷化鎵(GaAs)、單晶片微波積體電路(MMIC)元件已可製造出原型元件來展現使用液晶高分子聚合物材料系統和印刷電路板製程平臺的價值。有多項功能，譬如：光學輸出/輸入端(I/O)、微流體元件、高頻率電子元件、數位控制電子元件、微機電子感應器和熱管理系統等皆可被整合至一個射出成形的元件(圖一)。
當這種方法提供一種製造高度整合的高性能元件和模組的方向時，對有機封裝基板的共同的考量是可靠性，特別是與金屬和陶瓷封裝相比較之下的阻絕濕氣滲透效能。
液晶高分子聚合物印刷電路板技術已展現了其阻絕濕氣滲透的效能。根據理論和實驗的分析顯示，使用液晶高分子聚合物印刷電路板技術的測試元件能保持內部濕氣含量遠低於MIL-標準883-1018的規定(暴露在85℃/85%相對濕度1000個小時以後，濕氣維持在5000 ppm之下)。
在複雜的元件組裝導入液晶高分子聚合物印刷電路板技術的關鍵大多在於製程與材料的匹配。所以，各式的盒蓋封合技術與洩漏測試方式都被修改。塑膠焊接製程係用於接合塑料盒蓋與液晶高分子聚合物印刷電路板。銲料封合的腔封裝直接使用金屬盒蓋，而射出成型的盒蓋則需要將表面金屬化後再用銲料銲接。晶粒輸出/輸入端(I/O)的互聯製程，譬如打線接合與覆晶封裝，則需要適當的材料選擇和製程開發，方能導入液晶高分子聚合物材料系統。
在這三種原型元件開發的過程中，我們發現一些獨特且實用的設計和使用液晶高分子聚合物印刷電路板封裝和互連技術的好處。首先，液晶高分子聚合物材料系統比陶瓷和金屬封裝還輕。液晶高分子聚合物的密度為1.4到1.6 g/ cm3，鋁土的密度為3.97 g/ cm3，而Kovar(Fe-Ni-Co合金)的密度為8.36 g/cm3。使用液晶高分子聚合物印刷電路板介電質的厚度可降到1密爾；而低溫共燒多層陶瓷(LTCC)的最小厚度為4密爾，所以使用液晶高分子聚合物印刷電路板技術可以做更薄的多層電路板。
於量產時，射出成形技術可產出用於盒蓋封合組裝的複雜且精密的組件，而且其成本低於用金屬加工製造的相同功能組件。相較於傳統的金屬和陶瓷封裝技術，使用液晶高分子聚合物印刷電路板技術的系統級封裝(SiP)模組也較不受物理特性和成本結構的限制。最後，與低溫共燒多層陶瓷(LTCC)相比較，多層印刷電路板的設計較簡單、前置時間較短、成本也較低廉。雖然射出成形技術有模具的成本與前置時間的考量，它還是可以藉由模流分析和快速原型製作來達成高效率的組件設計。這些好處顯示液晶高分子聚合物印刷電路板技術適用於高性能、小尺寸和低成本同等重要的系統級封裝應用。
材料的滲透性與密封性
由於低滲透性，液晶高分子聚合物在腔封裝技術應用上已逐漸被用來取代傳統的金屬和陶瓷封裝材料。與其它有機材料比較，液晶高分子聚合物的低濕度和氧氣滲透性，顯示液晶高分子聚合物適合用作為「近乎密封」或「半密封」的封裝材料。
圖二顯示在穩態滲透條件下，即曝露在85℃/85%相對濕度的條件下，濕氣通過0.04"厚的各式薄膜阻絕材料到達5000ppm的計算時間。這結果表示，在一般的結構下，只有液晶高分子聚合物並無法達到阻絕濕氣1,000小時的標準，而液晶高分子聚合物與銅箔的複合結構則可以符合此一標準。以積層印刷電路板的方式，液晶高分子聚合物薄膜可以和銅箔結合起來，如此濕氣便只能從這個多層膜的側邊滲入，而無法直接穿透薄膜。藉由適當的設計，使用液晶高分子聚合物印刷電路板技術的腔封裝可以有足夠的濕氣阻絕能力，通過曝露在85℃/85%相對濕度的條件下1,000小時的測試。
模型計算
大多數的材料的濕氣滲透性資料是藉由以大面積的薄膜(直徑約3 "，厚度約數個密爾)將乾濕的兩邊隔開的測試所取得。在滲透速率達到平衡後，測量其穩態的滲透性。由於大面積的薄膜在達到平衡前的過渡期很短，在這個做法中就將過渡期忽略不計。
使用液晶高分子聚合物印刷電路板技術的腔封裝被設計成濕氣只能經由側向通過介電質滲入。這個實驗中使用實心的銅做為盒蓋，以利於評估液晶高分子聚合物印刷電路板技術的濕氣阻絕效能。圖四是濕氣直接穿透薄膜和由多層膜的側邊滲入的示意圖。驗證這種設計方法的測試元件包含4密爾厚的液晶高分子聚合物與半盎司的銅箔。電路板的背部是連續的接地銅箔。正面做成直徑1.5"、寬0.25"的環型銲接圓環。直徑1.5"、深0.25"的銅蓋用錫－銀銲錫銲接到銲接圓環。
在這個設計下，有許多因素可用來防止濕氣進入。首先，阻絕層的滲透性與厚度成正比，與在氣體遷移的方向上的阻絕層面積成反比。單純的尺寸上的變化就能造成重大的影響。假設在穩態滲透條件下，經過曝露在85℃/85%相對濕度，1,000小時後，腔體內的濕氣才會達到大約500 ppm。這已經遠低於5,000 ppm的標準。
第二個因素是，由於需由正向直接穿透阻絕層，第一個水分子從潮濕側到乾燥側的時間(過渡時間)不能再被忽略不計。我們可以用Fick定律計算濕氣如何穿透阻絕層。運用圖解微分方程可求得過渡時間。我們必須知道阻絕層的擴散係數(由滲透性和溶解度計算得之)，才能估算過渡時間。使用這種方法估算，我們的測試元件暴露在85℃/85%相對溼度的環境下的過渡時間為1,700小時。
這個演算顯示，在85℃/85%相對溼度的環境下，在1,700小時以內，腔體內不會有濕氣滲入。接著會有一個平衡期，因為滲透性的增加會由於乾濕兩側的濕度差異梯度減少而減緩。做一個較保守的估計，假設滲透性採用穩態值，再暴露在85℃/85%相對溼度的環境下1,000 個小時只會增加內部濕氣密度到500 ppm。
實驗
測試元件先經過真空烘烤，然後被密封在濕氣含量少於50 ppm的氮氣環境內。測試元件先經過氦氣轟擊後，再做微量和總量的洩漏測試。同時也準備了金屬腔封裝元件做為液晶高分子聚合物測試元件的對照組。這些測試元件的頂層沒有圖案，其採用整層的銅箔與銲接的銅盒，以建構出一個沒有濕氣滲入路徑的純金屬腔體。將通過洩漏測試的測試元件分為數組。零小時控制組(測試元件和金屬腔封裝元件對照組)被送到外面的測試服務機構做內部氣體分析(IVA)，以測量其腔體內的濕氣含量。其餘的測試元件則被置入環境測試機，維持在85℃/85%相對濕度的條件下。分別於儲放172小時和1,000小時後，取出液晶高分子聚合物測試元件和金屬腔封裝元件對照組送去做IVA測試。表一為IVA測試的結果。大多數的資料點皆是小於100 ppm(小於偵測極限)，其餘的氣體主要是氮氣和些許其它的微量氣體。
在氦氣轟擊後靜置0 -、1 -和6個小時的微量氦氣洩漏結果參照圖四。圖中也包括沒有經過靜置的光學洩漏測驗資料。我們推論這些有機材料會吸收氦氣而隨時間逐漸釋出，所以一開始會有較高的洩漏率。微量氦氣洩漏測驗的資料就反應出這個性質；最初有高洩漏率，而數小時後洩漏率就降低下來。MIL標準883/測試方法1014規範微量洩漏測試要在氦氣轟擊後1個小時之內執行，因此這個性質會影響氦氣洩漏測試的判讀。但藉由光學洩漏測試證實，不論有沒有釋氣，腔體的洩漏率是低於5 × 10-8 的水準。所以，液晶高分子聚合物腔體通過5 × 10-8 的洩漏標準。氦氣在液晶高分子聚合物的表面吸附會干擾微量氦氣洩漏測試，而使用光學洩漏測試可以避免這個問題。
結論
經由濕氣從側向滲入多層的液晶高分子聚合物結構的計算與測試元件的實驗驗證，液晶高分子聚合物印刷電路板的封裝技術係確認符合阻絕濕氣滲入的密封標準。由Fick定律演算推估，在85℃/85%相對濕度的條件下，濕氣穿透這個多層結構所需的時間超過1,000 個小時。我們的測試元件曝露在85℃/85%相對濕度的條件下，1,000個小時後，濕氣含量是在檢測極限(100 ppm)之下。這個結果與演算相符合。充分靜置讓表面吸附的氦氣釋放後，微量氦氣洩漏測驗符合MIL標準(洩漏率小於5 × 10-8 atm cc/sec)。而沒有釋氣，做光學洩漏測試也有5 × 10-8 的表現。
液晶高分子聚合物印刷電路板技術對於腔封裝的應用提供了良好的密封性(良好的濕氣阻絕與氦氣洩漏測試的表現)。此外，液晶高分子聚合物包含以下優點；優異的電子特性、能夠精準的射出成型和適用多種金屬化與組件接合技術，使得液晶高分子聚合物印刷電路板封裝技術在腔封裝(特別是在要求高性能和成本控制的複雜封裝)的應用上非常有價值。SST-AP/Taiwan
圖一：液晶高分子聚合物印刷電路板封裝結構示意圖。
圖二：在85蚓/85%相對濕度下，濕氣透過各種阻氣膜(1 x 1 x 0.04")，含量達到5000 ppm所需時間的計算值。