什么是电子树脂？芯片、封装基板与电路板里的高分子材料

“电子树脂”并不是单一物质，而是一个工作性的统称，指的是一大类电子级高分子材料——它们在电子器件中起绝缘、支撑、封装和图形转移的作用。同一种基础化学（最常见的是环氧）会以截然不同的形态出现：可以是熔化后包覆芯片的粉末料饼，可以是玻璃布增强后做成电路板的片材，可以是逐层压合用来制作封装基板的薄膜，也可以是用来定义电路图形的感光涂层。

把它们联系在一起的，不是一个固定配方，而是一组性能目标。衡量一种电子树脂，看的是它的电学表现（对信号的储存和损耗有多小）、热学表现（软化前能承受多高温度、导热和热膨胀如何），以及尺寸表现（相对于周围的硅和铜会发生多大位移）。化学体系是为了命中这些数字而选择的。

基础化学：热固性环氧

大多数电子树脂是热固性材料。热固性材料从液体或可熔固体开始，固化后形成刚性的交联网络，再加热也不会重新熔化。占主导地位的化学是环氧树脂，且常以双酚 A 二缩水甘油醚（DGEBA）这种双官能环氧化物为基础。

固化过程把这种小分子转化为致密的聚合物网络。多官能固化剂（硬化剂）——常见的是多元胺、酰胺胺或酚类化合物——会打开张力很大的环氧环。以胺类硬化剂为例，氮原子对环氧基进行亲核进攻，生成新的碳—氮键和一个羟基（即 β-羟基醚结构）；酚类硬化剂的反应方式类似。这一过程在大量反应位点上重复，最终形成高度交联的热固体，以机械强度、粘接力和耐化学性见长。

由于网络一旦固化便被固定，固化后的环氧这类热固性材料可以经受高温工序——例如峰值约 260 °C 的回流焊温度曲线——而不会再次熔化流动。这种耐热性，正是环氧体系成为电子封装骨干材料的原因之一。

封装：环氧塑封料（EMC）

当一颗完成的半导体芯片被密封进黑色塑料体内时，承担密封任务的材料通常是环氧塑封料（EMC）。EMC 是一种配方体系，由固态热固性环氧树脂、酚类固化剂、占比很高的细无机填料（典型是熔融二氧化硅 SiO₂），以及阻燃剂、偶联剂、脱模剂、应力调节剂等添加剂组成。

实际使用时，EMC 以压制成型的固体料饼供应。在低压传递模塑（transfer molding）中，料饼被加热到可流动状态，被推送通过浇口，包覆芯片及其引线键合或凸点，然后就地固化。微米级的二氧化硅既让熔体具有足够流动性以填满狭窄缝隙，又占据了成品的大部分体积，从而降低热膨胀和收缩。据行业说法，超过 80% 的半导体器件采用环氧塑封料封装。

EMC 的性能目标包括低吸水率、低离子污染、接近硅的热膨胀，以及越来越受重视的高导热和低翘曲——后两者对功率模块和大尺寸封装尤为重要，它们既要把热量导出，又要在组装过程中保持平整。

电路板：覆铜板树脂

刚性印刷电路板的起点是覆铜板（CCL）：铜箔与绝缘介质粘合而成，而介质是由树脂浸渍增强材料（如玻璃布）构成。树脂的选择决定了电路板大部分的电学和热学行为。已被记载的介质树脂类别包括酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯（PTFE）和双马来酰亚胺—三嗪树脂（BT）。

• 环氧体系 最为常见。人们熟悉的“FR-4”就是一种玻璃布增强环氧；阻燃性传统上由溴化环氧树脂提供，目前也有无卤替代方案在使用。
• BT 树脂（双马来酰亚胺—三嗪，常与环氧共混）耐热性更高，被广泛用于 IC 封装基板。
• 聚酰亚胺 树脂经玻璃布增强后，用于需要高温稳定性和机械韧性的场合。
• PTFE、聚苯醚（PPE/PPO）、氰酸酯和碳氢树脂 则用于必须把高频信号损耗降到最低的场合（见下文）。

关键的电学描述量是介电常数（Dk），它衡量材料对电磁信号的减速与储存程度；以及损耗因子（Df，又称损耗角正切），它衡量有多少信号能量以热的形式损耗。Dk 和 Df 越低，互连通常越快、损耗越小。

高频与高速树脂

随着数据速率和载波频率上升——即 5G 与高速数字的场景——介质中的损耗成为限制因素。这里各类树脂因极化率不同而分化。常规环氧、改性环氧、氰酸酯和聚酰亚胺具有有用的热学和机械性能，但在高频下通常无法达到超低损耗（Df 低于约 0.003）。而 PTFE、PPE 以及部分碳氢树脂可以做到，原因在于其分子极化率低。

PTFE 介电常数低（Dk 约 2.1）、损耗很低，因此成为射频、微波和毫米波电路板的参照材料；其代价是加工要求更高。聚苯醚（PPE/PPO）常被描述为介电性能仅次于 PTFE，而加工性优于 PTFE，这推动了一系列改性 PPE 配方用于“甚低损耗”和“超低损耗”高速基板。在这些材料中，反复出现的目标是：低 Dk、低 Df、低热膨胀系数（CTE）以及足够的导热。

封装基板：积层介质膜

在硅芯片和电路板之间是封装基板，在高性能处理器中，它的绝缘层往往是一种积层介质膜。其中最知名的是味之素积层膜（Ajinomoto Build-up Film，ABF），一种含填料的树脂薄膜。它的制法是把树脂以约 10–100 µm 的厚度涂覆在 PET 载体膜上，外层用聚丙烯保护膜覆盖，然后逐层压合，构建高密度互连基板。

ABF 于 1999 年首次用于封装 IC，此后一直是高性能 CPU、GPU、FPGA 和 ASIC 基板的首选介质材料，看重的正是它的热稳定性、低介电损耗，以及在反复热循环下的绝缘可靠性。味之素集团曾披露其在这一细分市场中占据绝大多数份额。

图形转移材料：光刻胶

光刻胶是另一种用途的电子树脂：它不会留在器件中，而是临时的感光涂层，用来转移电路图形，之后被去除。它的行为由“曝光后溶解性如何变化”来定义。

经典的正性光刻胶把酚醛树脂（novolak）与重氮萘醌（DNQ）光活性化合物搭配在一起。DNQ 使酚醛树脂在碱性水溶液中难以溶解；紫外曝光使 DNQ 转化，曝光区域因而变得可溶，在显影中被去除。面对深紫外（DUV）和极紫外（EUV）光刻更小的特征尺寸，则使用化学放大胶（CAR）：曝光产生酸，每吸收一个光子可催化多次脱保护反应，从而大幅提高灵敏度，使亚 10 纳米特征成为可能。其基础聚合物和保护基化学会针对每个曝光波长进行调整。

定义电子树脂的那些数字

在上述所有形态中，有一组一致的参数描述一种树脂是否适合电子应用：

• 介电常数（Dk） 与 损耗因子（Df）——信号的速度/储存与信号损耗；在高速和高频应用中通常以低为佳。
• 玻璃化转变温度（Tg）——固化树脂从玻璃态软化为橡胶态的温度，界定了尺寸与刚度保持稳定的温度范围。
• 热膨胀系数（CTE）——树脂随温度膨胀的程度；与硅和铜不匹配会带来机械应力和翘曲。
• 导热系数——材料把热量从芯片导出的能力，对功率器件和高性能器件越来越重要。
• 阻燃性——例如 UL-94 体系以及 FR-4 等级别，通过溴化或无卤化学实现。
• 吸水率与离子纯度——吸附的水分和可移动离子会影响绝缘、可靠性和腐蚀，因此电子级配方追求低值。

这些目标解释了为什么一个词可以涵盖如此多的材料。环氧塑封料、FR-4 覆铜板、ABF 积层层、EUV 光刻胶，在最终形态和角色上几乎没有共同点，但每一种都是为满足特定电学、热学和尺寸规格而设计的有机高分子体系——这正是“电子树脂”这个名字真正指代的东西。

参考资料

• Sumitomo Bakelite：半导体器件封装用环氧塑封料（SUMICON EME）
• Wikipedia: Epoxy molding compounds
• Shin-Etsu Chemical：环氧封装材料
• Wikipedia: Bisphenol A diglycidyl ether（DGEBA）
• PMC：环氧树脂固化过程中的表面化学与分子动力学
• JLCPCB：什么是覆铜板（CCL）？
• PCBCart：覆铜板综合介绍
• MDPI/PMC：用于高频覆铜板的低介电损耗 MPPE/SEBS 复合材料
• Cadence：为什么 IC 封装使用味之素积层膜（ABF）
• Polymer Innovation Blog：倒装芯片半导体基板的积层膜
• Shin-Etsu MicroSi：I-line / G-line / 酚醛与化学放大胶
• RSC Polymer Chemistry：EUV 光刻用聚合物光刻胶的新趋势