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第五章 基板技术 微电子行业所用的基板材料主要有金属 合金 陶瓷 玻璃 塑料和复合材料等 基板主要有以下几个功能 1 互连和安装裸芯片或封装芯片的支撑作用 2 作为导体图形的绝缘介质 3 将热从芯片上传导出去的导热媒体 4 控制高速电路中的特性阻抗 串扰以及信号延迟 一 基板的作用 首先 基板必须具有很高的绝缘屯阻 其次 在暴露的各种环境中 例如高温 高湿时 具有很好的稳定性 j实用的基板材料 氧化铝和大多数陶瓷基板都能满足这一要求 一般地 通常 陶瓷绝缘电阻在高温和 或 高湿的外境小变化不大 除非陶瓷含有其他杂质 然而 选择塑料 高聚物 基板材料需格外小心 尽管塑料的绝缘电阻开始也是很高的 但在高湿或高温条件下 其阻值会迅速下降几个数量级 1 电性能要求 二 基板的性能要求 绝缘电阻 介电常数和损耗因子是高频 高速 高性能MCM 的两个主要的电性能参数 降低电容 控制特性阻抗对于工作频率大于100MHz的电路的性能是主要的 互连基板是影响组件整体电性能的一个主要因素 信号延迟直接和导带材料的介电常数平方根成正比例关系 电容也和介电常数成比例关系 因而 要求具有低介电常数 4 和低电容的基板和介质层 介电常数 不同基板的介电常数和信号传输延迟的关系 最佳的低介电材料为高纯度的聚合物 例如聚酰亚胺 PI 苯并环丁烯 BCB 碳氟化合物 以及某些环氧树脂 许多聚合物的介电常数在2 3之间 是创造多芯片组件 MCM L 的理想基板材料 2 热性能要求基板的导热性能应可能高 尤其是在封装功率芯片时要求更高 尽管氧化铝陶瓷的导热性较差 但对目前生产的混合电路和多芯片组件还足能满足的 对于大电流或大功率芯片应用的情况 可以利用金属 氧化铍 氮化铝 金刚石薄膜或加散热片来提高导热性 在基板设计中 也采用热通道或热墙 可以直接将热传到基板或封装体底面的散热片上 导热性 热稳定性是对基板的另一个要求 基板在受热加工过程中以及后来的MCM筛选试验中 必须做到不分解 不漏气 尺寸稳定 不开裂 陶瓷可以经受很高的烧结温度 因而 陶瓷基板被广泛地用于厚 薄膜电路 低温下热稳定性好的基板 例如聚合物 也可用于薄膜电路和聚合物厚膜电路 因为不需要高温 低成本的聚合物基板可在125 175度温度下处理 因而适合叠层基板 聚合物叠层基板包括环氧树脂 聚酰亚胺等 这些材料都具有低的介电常数 此外 还要求基板各种材料之间具有良好的热匹配性能 但是和陶瓷相比 聚合物的导热性明显不佳 所以 设计人员要综合考虑 根据不同应用情况尽量选取具有较佳电性能的基板材料 热稳定性 基板的化学稳定性在薄膜加工中是很重要的 比如在刻蚀导体 电阻和介电层 清除光刻胶以及电镀中所用的化学物质对基板都有腐蚀作用 因此必须要求基板的化学稳定性好 例如 腐蚀氮化钽电阻的氢氟酸也同样能腐蚀氧化铝陶瓷基板 尤其是玻璃含量高的陶瓷玻璃组织 3 化学性能要求 基板的机械性能主要是指表面平整度 特别对制造薄膜电路尤为重要 对于厚膜电阻 情况恰好相反 基板表面有一定的粗糙度 以获得一定的机械附着作用而增加附着力 4 机械性能要求 平整度 对整块基板的机械强度要求较高 随着基板的尺寸增大 复合性能 形状的复杂程度增加 对它的机械强度要求越来越高 拐角或边缘裂缝处的高压力区是开裂聚集的地方 一般情况下 陶瓷强度相当高 但随着史多的玻璃加进去 抗弯强度降低 脆性增加 机械强度 陶瓷 特别是氧化铝陶瓷被广泛用于厚 薄膜电路和MCM的基板 然而 依据不同的用途 厚膜还是薄膜 将采用不同等级的基板 化学成分和表面平整度是影响基板性能及成本的两个关键因素 薄膜要求基板的氧化铝含量高 表面平整度高 否则 细线分辨率和薄膜的精密性能就达不到 相反 基板具有一定的粗糙度和相对较低的氧化铝含量有利于厚膜的制作 这两点保证烧结后的焊膜浆料具有良好的附着性 三 几种主要基板材料 Al2O3氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷的玻璃成分一般由二氧化硅和其他氧化物组成 玻璃含量可由很高 在LTCC中 玻璃含量约50 变化到很低 在薄膜电路基板中的玻璃含量 1 由于玻璃的导热性很差 玻璃含量高的陶瓷的导热性在制造高密度 大功率电路时必须予以特别注意 高纯度氧化铝陶瓷的介电常数相对较高 然而 随着氧化铝含量的减少 玻璃含量的增加 陶瓷的介电常数将随之减少 参见图7 2 氧化铝陶瓷基板的介电常数和氧化铝含量的关系 AlN具有以下特点 1 热导率高 2 热膨胀系数与硅接近 3 各种电性能优良 4 机械性能好 5 无毒性 6 成本相对较低 氮化铝和氧化铝不一样 在自然并没有天然形成的 因此 需要人工制造氮化铝 氮化铝的价格比氧化铝要贵 为了充分利用它的高导热性能以及和硅芯片之间良好的匹配性能 才得到开发应用 它突出的优良性能是具有和氧化铍一样的导热性 以及良好的电绝缘性能 介电性能 氮化铝是既有良好的导热性 同时又具有良好的电绝缘性能的为数很少的几种材料之一 此类材料还有金刚石 氧化铍和立方晶体氮化硼 氮化铝陶瓷 硅是一种可作为几乎所有半导体器件和集成电路的基板材料 与其他基板材料相比 具有以下优点 1 通过热氧化硅表面 形成二氧化硅 将隔离电容成批制作并集成在硅基板中 在MCM电路中 电容集成后可减少顶层芯片键合面积的20 这样 就可以互连更多的IC芯片 电容成批制造 除增加IC密度外 还降低和片式电容有关的购买 检测 处理和安装成本 互连数量减少 也改善了可靠性 2 电阻和有源器件也可在硅中单独制作 3 通过高掺杂 高导电性硅基扳 基板可以起接地层的作用 免去金属化 4 硅基板和硅IC芯片完全匹配 5 硅的热导率比氧化铝陶瓷高得多 据报道 硅的热导率在85 135w m K 取决于硅的纯度及晶体结构 6 硅易于用铝或其他金属进行金属化 硅基板 硅作为MCM基板也存在一些问题 其中 硅的抗弯强度比氧化铝低 在淀积厚的介质层和金属层后产生较大的弯曲和翘曲 硅材料的机械强度低 加工时要倍加小心 以免开裂或损坏 对于大的基板 在封装过程中 还要考虑机械强度和脆裂问题 减少硅基板翘曲的几种方法包括采用厚的硅基片 采用与硅相匹配的介质材料 在硅片双面淀积介质材料和金属 金刚石金刚石是一种适合于大多数高性能微电路的理想材料 它具有最高的热导率 单晶天然HA型金刚石的热导率超过2000w m K 低的介电常数 高的热辐射阻值和优良的钝化性能 它也是巳知材料中最硬的和化学稳定性最好的材料 理论上 采用CVD方法制作的金刚石格不昂贵 原因是采用的材料相对低廉 然而 由于淀积速率低 即使淀积几微米厚的膜所要求的时间也很长 能量消耗大 最终产平品的成本仍较高 金刚石成本受其质量的影响 而质量又受其热导率的影响 其至低质量金刚石的导热性也仍然高于大多数金属的导热性 因此 对于每种应用都要在成本与导热性之间作出综合分析 加以权衡 在传统印制电路板中 封装后的元器件被焊到板上 一般不需要两层以上的布线层 事实上 通过制作双面板 采用镀通孔 将元器件和另一面连接起来是可以实现的 这类板通常采用500微米或更大的线宽和间距 对于MCM 多个裸芯片被互连到多层PWB上 光刻工艺的水平应用到最大限度 以保证互连图形适应IC芯片互万连的要求 总体上 包含用于顶面两层的细线图形 可以获得不大于150微米的导体线间距 四 多层印制线路板PWB 广泛用于消费品市场的多层基板材料是玻璃或增强型带有覆铜层的环氧树脂或聚脂 军用 航空工业应用的多层基板材料包括环氧树脂 聚酰亚胺 BT树脂 氰酸酯带玻璃的增强型碳氟化合物 石英 纤维材料和覆铜板 1 有机多层基板材料 膜有机聚合物在现代电子行业中具有很大的作用 有机聚合物用作印制电路安装件 混合电路和芯片器件的保护涂层 作为电气绝缘 柔性电缆 电容和小固定体的保护层 近来又作为多层介质材料用于MCM 具有低介电常数 4 的聚合物一般用来制造高速数字和模拟电路 通称为高密度多芯片互连 HDMI 或高密度互连 HDI 基板 这类互连基板主要用于MCM组件 薄膜互连在基板底面上 例如在氧化铝或硅衬底上 通过淀积有机介质 蚀刻通孔 金属化 光刻图形金属区 并反复进行这些工序来完成 介质层的厚度从2微米到25微米不等 取决于聚合物的介电常数以及电路所要求的电容和阻抗特性 由于聚酰亚胺 PI 具有优良的电性能热稳定性和机械稳定性 尤其是容易成膜的特性 因而作为高性能介质材料广泛应用 PI作为高性能电绝缘材料 特别是在高温应用场合 已经使用多年 PI广泛用于印制电路板的单层和多层叠层材料 用于IC的电路绝缘 芯片的保护性涂层 应力释放徐层以及用于存储器IC的粒子阻挡层 尽管市场上有几百种PI 但只有几种能满足MCM用层间介质材料的要求 在介质材料所要求的许多性能中 以下几种性能是关键的 在选择和确定时必须予以重视 即介电常数 吸水性和CTE 光固化聚酰亚胺 热固化聚酰亚胺 聚酰亚胺 PI 2 无机多层基板材料厚膜介质无论是浆料形式生成还是生瓷带形式 都可用于MCM C 作为支撑基板的层间介质材料 厚膜浆料介质由陶瓷粉料 例如氧化铝 玻璃料 各种金属氧化物 有机粘接剂和溶剂混合而成 用于共烧陶瓷的生瓷带主要由同样的混合物成分组成 只不过玻璃含量较高 聚合物粘接剂使生瓷带在加工 干燥后具有橡胶状特性 不同厚度的陶瓷生瓷带都可买到 并可以控制烧结收缩后的最终厚度 团此 可以制作带有若干个通孔 高达60层的结构 生瓷带在层压 烧结前易于一片片处理 加工和检查 共烧陶瓷多层基板材料基于氧化铝的高温共烧陶瓷 HTCC 和低温共烧陶瓷 LTCC 材料都可用作MCM的互连基板 而LTCC比HTCC具有工程制作和设计上的优点 就使得LTCC更适合于制造高性能的MCM HTCC与LTCC之间的主要差异在于玻璃含量不同 对于HTCC 玻璃含量较低 大约也8 15 之间 而LTCC有较高的玻璃含量 大于或等于50 生瓷带中玻璃含量的这一差异导致烧结温度不同 这又影响所用金属导体的类型不同 对于HTCC 只有难熔的金属 例如钨 W 或钼 Mo 在还原性气氛中烧结才适合1200 1600度的烧结温度 然而 对于LTCC 金 银 铜与钯银导体浆料通合在较低湿度850 950度的烧结 LTCC较低的烧结温度 以及可以在电气中烧结的性能 有助于工程技术人在共烧结构内设汁和集成无源元件 例如电阻 电容 电感 LTCC的玻璃含量虽降低了它的介电常数 这有利于制作高速电路 遗憾地是 同时也降低共烧陶瓷的机械强度和导热性能 出于这些原因 大多数LTCC基板常要求粘接高强度支撑材料或开设热通道或热墙 以便将器件上的热转移到散热片上 1厚膜多层基板的制作技术厚膜多层基板分两种类型 一种是导体 介质的纯互连系统 另一种是有电阻器 电容器 的导体 介质 阻容系统 前者具有互连WB区 通孔和引出端 其表面可组装各种元器件或IC芯片 构成厚膜MCM 后者在顶层印制电阻器和电容器 或在层间埋置电阻器或电容器 最后再组装各种元器件和IC芯片 构成厚膜MCM 厚膜工艺的主要优点是工艺简单 成本低 投资小 研制和生产周期短 其缺点是导体线宽 间距 布线层数及通孔尺寸受到丝网印刷的限制 厚膜导体的典型线宽间距为254微米 导体布线层数一般为2 5层 最高达10层 如果使用微细网眼的丝网和专门配方浆料 导体线宽可达50微米 五 多层基板的制作技术 图7 12所示为常规厚膜多层基板制造的工艺流程 首先在烧结过的氧化铝陶瓷基扳上丝网印刷导体浆料图形 烘干后 在850度左右温度烧结 接着 印刷介质绝缘层 通过有通孔图形的掩膜印刷介质的同时形成通孔和绝缘层 为避免针孔 介质层要印二次 干燥后在850度左右烧结 然后重复印刷 烧结第二导体层和第二介质层 直至达到所要求的层数为止 层间互连是通过金属化通孔实现的 通孔一般为152 254微米 在印刷下一层导体浆料时 导体浆料填充通孔 对于3层或3层以的导体层 为保证表面平整性和提高成品率 可使用单独的通孔填充步骤 2低温共烧多层基板的制作技术低温共烧陶瓷 LTCC 多层基板20世纪80年代中期出现的一种比较新的多层基板工艺 较之高温共烧陶瓷 HTCC 多层陶瓷基板和厚膜多层基板工艺 具有许多优点 LTCC基板非常适合于制作高密度 高速MCM 它的主要优点是烧结温度低 可使用导电率高的材料 如Au Pd Ag Cu 陶瓷的介电常数低 可低到4 0 信号的传输速度快 可提高系统性能 可埋入阻容元件 增加组装密度 投资费用低 可利用现有的厚膜设备和工艺 只需添置程控冲床设备和层压机 低温共烧多层陶瓷基板是通过在陶瓷中添加玻璃含量来降低烧结温度的 LTCC基板的制作方法与HTCC基板类似 所不同的是可内埋电阻器 电容器和电感器等无源元件 构成多功能基板 3有机多层基板的制作技术1 典型工艺技术薄膜多层互连基板作为互连密度相对最高的基板 是采用真空蒸发 溅射 化学汽相淀积 电镀和涂覆等成膜工艺以及光刻 反应离子刻蚀 RIE 等图形形成技术 在绝缘基板上制作相互交叠的互连导体层和介质层 从而构成多层结构 图7 18和图7 19分别为美国休斯飞机公司的HDMI 高密度多层互连 1型基板的制作流程和5层Al PI多层基板的截面图 HDMI l型基板是典型的常规制作工艺 基板为直径50MM的硅圆片或陶瓷片 是在100级的洁净室内制作的 介质材料为DPPI 2216 导体材料为Al 对于大多数数字电路 只需5层导体布线层 一层接地层 一层电源层 两层信号层和用于安装互连芯片的顶层 4层压多层基板PWB的制作技术 原则上说 M M 用的P B基板的制作工艺与普通的PWB基板并大大的差别 可以说大体相同 只是MCM L用的PWB基板电路布线更庞大复杂 完成的功能更多 性能要求更高等 因此相应的P B基板的布线密度更高 线宽及间距更小 图形尺寸要求更精密 基板层数叠加更多 多层间又需适宜的通孔连接起来 无疑会使PWB基板的制作工艺难度大为增加 但多层技术是建立在单层PWB基板制作基础之上的 在未形成多层叠加之前 每一层也就如同一般P B单层板 样 叠加起来 无非增加一些特殊的工艺技术 主要是通孔及其连接技术 P B基板制作的 般工艺流程如图7 26所示 多层基板的层间互连是通过金属化通孔和金属柱通孔实现的 六 互连通孔 1 金属化通孔通孔刻蚀有干刻蚀和湿刻蚀两种 前者包括等离子刻蚀和激光刻蚀 后者使用光敏PI和非光敏PI 无论干刻蚀还是湿刻蚀 都需要使用光刻胶 通过曝光 显影等工艺来确定通孔图形 使用光敏PI介质材料 直接形成通孔可简化工序 因光敏PI中包含一种光敏剂 它能在曝光时使聚合物变成光交联聚合物 7 23示出了光敏PI和非光敏PI工艺的比较 使用光敏PI的不利因素是固化时PI收缩比较大 高达50 造成通孔边缘及通孔斜面边缘的PI堆集和CTE增大 激光刻蚀是使用聚焦激光束在选择区域使介质挥发掉 通孔形成后必须金属化 通孔金属化是通过