第五章：基板技術(shù)

1、第五章：基板技術(shù)第五章：基板技術(shù) 微電子行業(yè)所用的基板材料主要有金屬、合金、陶瓷、玻璃、塑料和復(fù)合材料等?；逯饕幸韵聨讉€(gè)功能： (1)互連和安裝裸芯片或封裝芯片的支撐作用。 (2)作為導(dǎo)體圖形的絕緣介質(zhì)。 (3)將熱從芯片上傳導(dǎo)出去的導(dǎo)熱媒體。 (4)控制高速電路中的特性阻抗、串?dāng)_以及信號延遲。一、基板的作用一、基板的作用 首先，基板必須具有很高的絕緣屯阻；其次，在暴露的各種環(huán)境中例如高溫、高濕時(shí)具有很好的穩(wěn)定性j實(shí)用的基板材料氧化鋁和大多數(shù)陶瓷基板都能滿足這一要求。一般地，通常，陶瓷絕緣電阻在高溫和(或)高濕的外境小變化不大，除非陶瓷含有其他雜質(zhì)。然而,選擇塑料(高聚物)基板材料需格外小

2、心。盡管塑料的絕緣電阻開始也是很高的，但在高濕或高溫條件下其阻值會迅速下降幾個(gè)數(shù)量級。1、電性能要求二、基板的性能要求二、基板的性能要求絕緣電阻絕緣電阻 介電常數(shù)和損耗因子是高頻、高速、高性能MCM，的兩個(gè)主要的電性能參數(shù)，降低電容、控制特性阻抗對于工作頻率大于100 MHz的電路的性能是主要的?；ミB基板是影響組件整體電性能的一個(gè)主要因素：信號延遲直接和導(dǎo)帶材料的介電常數(shù)平方根成正比例關(guān)系，電容也和介電常數(shù)成比例關(guān)系。 因而，要求具有低介電常數(shù)(4)和低電容的基板和介質(zhì)層。介電常數(shù)介電常數(shù)不同基板的介電常數(shù)和信號傳輸延遲的關(guān)系 最佳的低介電材料為高純度的聚合物，例如聚酰亞胺(PI)、苯并環(huán)丁烯

3、(BCB)，碳氟化合物、以及某些環(huán)氧樹脂。許多聚合物的介電常數(shù)在23之間，是創(chuàng)造多芯片組件(MCML)的理想基板材料。 2、熱性能要求 基板的導(dǎo)熱性能應(yīng)可能高,尤其是在封裝功率芯片時(shí)要求更高。 盡管氧化鋁陶瓷的導(dǎo)熱性較差，但對目前生產(chǎn)的混合電路和多芯片組件還足能滿足的。對于大電流或大功率芯片應(yīng)用的情況，可以利用金屬、氧化鈹、氮化鋁、金剛石薄膜或加散熱片來提高導(dǎo)熱性。在基板設(shè)計(jì)中，也采用熱通道或熱墻，可以直接將熱傳到基板或封裝體底面的散熱片上。導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 熱穩(wěn)定性是對基板的另一個(gè)要求。 基板在受熱加工過程中以及后來的MCM篩選試驗(yàn)中，必須做到不分解、不漏氣、尺寸穩(wěn)定、不開裂：陶瓷可以經(jīng)受很高的

4、燒結(jié)溫度，因而，陶瓷基板被廣泛地用于厚、薄膜電路。低溫下熱穩(wěn)定性好的基板，例如聚合物，也可 用于薄膜電路和聚合物厚膜電路，因?yàn)椴恍枰邷兀旱统杀镜木酆衔锘蹇稍?25175度溫度下處理，因而適合疊層基板；聚合物疊層基板包括環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺等，這些材料都具有低的介電常數(shù)，此外，還要求基板各種材料之間具有良好的熱匹配性能。但是和陶瓷相比，聚合物的導(dǎo)熱性明顯不佳：所以設(shè)計(jì)人員要綜合考慮，根據(jù)不同應(yīng)用情況盡量選取具有較佳電性能的基板材料。 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 基板的化學(xué)穩(wěn)定性在薄膜加工中是很重要的，比如在刻蝕導(dǎo)體、電阻和介電層，清除光刻膠以及電鍍中所用的化學(xué)物質(zhì)對基板都有腐蝕作用，因此必須要求基板的化

5、學(xué)穩(wěn)定性好。例如，腐蝕氮化鉭電阻的氫氟酸也同樣能腐蝕氧化鋁陶瓷基板，尤其是玻璃含量高的陶瓷玻璃組織。3化學(xué)性能要求 基板的機(jī)械性能主要是指表面平整度，特別對制造薄膜電路尤為重要。對于厚膜電阻，情況恰好相反，基板表面有一定的粗糙度，以獲得一定的機(jī)械附著作用而增加附著力。4機(jī)械性能要求平整度平整度 對整塊基板的機(jī)械強(qiáng)度要求較高：隨著基板的尺寸增大，復(fù)合性能、形狀的復(fù)雜程度增加，對它的機(jī)械強(qiáng)度要求越來越高。拐角或邊緣裂縫處的高壓力區(qū)是開裂聚集的地方。一般情況下，陶瓷強(qiáng)度相當(dāng)高，但隨著史多的玻璃加進(jìn)去，抗彎強(qiáng)度降低，脆性增加。機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度 陶瓷，特別是氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷被廣泛用于厚、薄膜電路和M

6、CM的基板。然而，依據(jù)不同的用途(厚膜還是薄膜)，將采用不同等級的基板?；瘜W(xué)成分和表面平整度是影響基板性能及成本的兩個(gè)關(guān)鍵因素。薄膜要求基板的氧化鋁含量高，表面平整度高；否則，細(xì)線分辨率和薄膜的精密性能就達(dá)不到。相反，基板具有一定的粗糙度和相對較低的氧化鋁含量有利于厚膜的制作，這兩點(diǎn)保證燒結(jié)后的焊膜漿料具有良好的附著性。 三、幾種主要基板材料三、幾種主要基板材料Al2O3氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷的玻璃成分一般由二氧化硅和其他氧化物組成。玻璃含量可由很高(在LTCC中，玻璃含量約50)變化到很低(在薄膜電路基板中的玻璃含量(1)，由于玻璃的導(dǎo)熱性很差，玻璃含量高的陶瓷的導(dǎo)熱性在

7、制造高密度、大功率電路時(shí)必須予以特別注意。 高純度氧化鋁陶瓷的介電常數(shù)相對較高，然而，隨著氧化鋁含量的減少，玻璃含量的增加，陶瓷的介電常數(shù)將隨之減少(參見圖72)。氧化鋁陶瓷基板的介電常數(shù)和氧化鋁含量的關(guān)系A(chǔ)lN具有以下特點(diǎn)： (1)熱導(dǎo)率高。 (2)熱膨脹系數(shù)與硅接近。 (3)各種電性能優(yōu)良。 (4)機(jī)械性能好。 5)無毒性。 (6)成本相對較低。 氮化鋁氮化鋁和氧化鋁不一樣，在自然并沒有天然形成的，因此，需要人工制造氮化鋁，氮化鋁的價(jià)格比氧化鋁要貴。為了充分利用它的高導(dǎo)熱性能以及和硅芯片之間良好的匹配性能，才得到開發(fā)應(yīng)用。它突出的優(yōu)良性能是具有和氧化鈹一樣的導(dǎo)熱性，以及良好的電絕緣性能、介

8、電性能。氮化鋁是既有良好的導(dǎo)熱性，同時(shí)又具有良好的電絕緣性能的為數(shù)很少的幾種材料之一。此類材料還有金剛石、氧化鈹和立方晶體氮化硼。 氮化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷 硅是一種可作為幾乎所有半導(dǎo)體器件和集成電路的基板材料。與其他基板材料相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)通過熱氧化硅表面，形成二氧化硅，將隔離電容成批制作并集成在硅基板中。在MCM電路中電容集成后可減少頂層芯片鍵合面積的20，這樣，就可以互連更多的IC芯片。電容成批制造，除增加IC密度外，還降低和片式電容有關(guān)的購買、檢測、處理和安裝成本?；ミB數(shù)量減少也改善了可靠性。 (2)電阻和有源器件也可在硅中單獨(dú)制作。 (3)通過高摻雜(高導(dǎo)電性硅基扳)，基板可

9、以起接地層的作用，免去金屬化。 (4)硅基板和硅IC芯片完全匹配。 (5)硅的熱導(dǎo)率比氧化鋁陶瓷高得多。據(jù)報(bào)道，硅的熱導(dǎo)率在85135 w(mK)， 取決于硅的純度及晶體結(jié)構(gòu)。 (6)硅易于用鋁或其他金屬進(jìn)行金屬化。硅基板硅基板 硅作為MCM基板也存在一些問題。其中，硅的抗彎強(qiáng)度比氧化鋁低，在淀積厚的介質(zhì)層和金屬層后產(chǎn)生較大的彎曲和翹曲。硅材料的機(jī)械強(qiáng)度低，加工時(shí)要倍加小心，以免開裂或損壞。對于大的基板，在封裝過程中，還要考慮機(jī)械強(qiáng)度和脆裂問題。減少硅基板翹曲的幾種方法包括采用厚的硅基片，采用與硅相匹配的介質(zhì)材料，在硅片雙面淀積介質(zhì)材料和金屬。金剛石金剛石 金剛石是一種適合于大多數(shù)高性能微電路

10、的理想材料，它具有最高的熱導(dǎo)率(單晶天然HA型金剛石的熱導(dǎo)率超過2000 w(mK)、低的介電常數(shù)、高的熱輻射阻值和優(yōu)良的鈍化性能它也是巳知材料中最硬的和化學(xué)穩(wěn)定性最好的材料。 理論上，采用CVD方法制作的金剛石格不昂貴，原因是采用的材料相對低廉，然而，由于淀積速率低，即使淀積幾微米厚的膜所要求的時(shí)間也很長，能量消耗大，最終產(chǎn)平品的成本仍較高，金剛石成本受其質(zhì)量的影響，而質(zhì)量又受其熱導(dǎo)率的影響。其至低質(zhì)量金剛石的導(dǎo)熱性也仍然高于大多數(shù)金屬的導(dǎo)熱性。因此對于每種應(yīng)用都要在成本與導(dǎo)熱性之間作出綜合分析，加以權(quán)衡。 在傳統(tǒng)印制電路板中，封裝后的元器件被焊到板上，一般不需要兩層以上的布線層；事實(shí)上，通

11、過制作雙面板，采用鍍通孔，將元器件和另一面連接起來是可以實(shí)現(xiàn)的。這類板通常采用500 微米或更大的線寬和間距。對于MCM，多個(gè)裸芯片被互連到多層PWB上。光刻工藝的水平應(yīng)用到最大限度，以保證互連圖形適應(yīng)IC芯片互萬連的要求。總體上，包含用于頂面兩層的細(xì)線圖形，可以獲得不大于150微米的導(dǎo)體線間距。四、多層印制線路板四、多層印制線路板PWB 廣泛用于消費(fèi)品市場的多層基板材料是玻璃或增強(qiáng)型帶有覆銅層的環(huán)氧樹脂或聚脂，軍用、航空工業(yè)應(yīng)用的多層基板材料包括環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、BT樹脂、氰酸酯帶玻璃的增強(qiáng)型碳氟化合物、石英、纖維材料和覆銅板。1、有機(jī)多層基板材料、有機(jī)多層基板材料 膜有機(jī)聚合物在現(xiàn)代電子

12、行業(yè)中具有很大的作用。有機(jī)聚合物用作印制電路安裝件、混合電路和芯片器件的保護(hù)涂層；作為電氣絕緣、柔性電纜、電容和小固定體的保護(hù)層；近來又作為多層介質(zhì)材料用于MCM。具有低介電常數(shù)(4)的聚合物一般用來制造高速數(shù)字和模擬電路，通稱為高密度多芯片互連(HDMI)或高密度互連(HDI)基板。這類互連基板主要用于MCM組件。薄膜互連在基板底面上，例如在氧化鋁或硅襯底上，通過淀積有機(jī)介質(zhì)、蝕刻通孔、金屬化、光刻圖形金屬區(qū)，并反復(fù)進(jìn)行這些工序來完成。介質(zhì)層的厚度從2微米到25微米不等，取決于聚合物的介電常數(shù)以及電路所要求的電容和阻抗特性。 由于聚酰亞胺(PI)具有優(yōu)良的電性能熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，尤其是容

13、易成膜容易成膜的特性，因而作為高性能介質(zhì)材料廣泛應(yīng)用。 PI作為高性能電絕緣材料，特別是在高溫應(yīng)用場合，已經(jīng)使用多年。PI廣泛用于印制電路板的單層和多層疊層材料，用于IC的電路絕緣，芯片的保護(hù)性涂層，應(yīng)力釋放徐層以及用于存儲器IC的粒子阻擋層。盡管市場上有幾百種PI，但只有幾種能滿足MCM用層間介質(zhì)材料的要求。在介質(zhì)材料所要求的許多性能中，以下幾種性能是關(guān)鍵的，在選擇和確定時(shí)必須予以重視，即介電常數(shù)、吸水性和CTE。光固化聚酰亞胺熱固化聚酰亞胺聚酰亞胺聚酰亞胺(PI) 2無機(jī)多層基板材料無機(jī)多層基板材料 厚膜介質(zhì)無論是漿料形式生成還是生瓷帶形式，都可用于MCMC，作為支撐基板的層間介質(zhì)材料。厚

14、膜漿料介質(zhì)由陶瓷粉料陶瓷粉料，例如氧化鋁、玻璃料、各種金屬氧化物、氧化鋁、玻璃料、各種金屬氧化物、有機(jī)粘接劑和溶劑混合而成有機(jī)粘接劑和溶劑混合而成，用于共燒陶瓷的生瓷帶主要由同樣的混合物成分組成，只不過玻璃含量較高； 聚合物粘接劑使生瓷帶在加工、干燥后具有橡膠狀特性橡膠狀特性。不同厚度的陶瓷生瓷帶都可買到，并可以控制燒結(jié)收縮后的最終厚度，團(tuán)此，可以制作帶有若干個(gè)通孔、高達(dá)60層的結(jié)構(gòu)：生瓷帶在層壓、燒結(jié)前易于一片片處理、加工和檢查。共燒陶瓷多層基板材料共燒陶瓷多層基板材料 基于氧化鋁的高溫共燒陶瓷(HTCC)和低溫共燒陶瓷(LTCC)材料都可用作MCM的互連基板，而LTCC比HTCC具有工程制

15、作和設(shè)計(jì)上的優(yōu)點(diǎn)，就使得LTCC更適合于制造高性能的MCM。 HTCC與LTCC之間的主要差異在于玻璃含量不同。對于HTCC，玻璃含量較低，大約也815之間；而LTCC有較高的玻璃含量，大于或等于50。生瓷帶中玻璃含量的這一差異導(dǎo)致燒結(jié)溫度不同、這又影響所用金屬導(dǎo)體的類型不同。對于HTCC，只有難熔的金屬，例如鎢(W)或鉬(Mo)在還原性氣氛中燒結(jié)才適合12001600度的燒結(jié)溫度。然而，對于LTCC，金、銀、銅與鈀銀導(dǎo)體漿料通合在較低濕度850950度的燒結(jié)。LTCC較低的燒結(jié)溫度以及可以在電氣中燒結(jié)的性能，有助于工程技術(shù)人在共燒結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)汁和集成無源元件(例如電阻、電容、電感)、LTCC的玻

16、璃含量雖降低了它的介電常數(shù)，這有利于制作高速電路；遺憾地是，同時(shí)也降低共燒陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能。出于這些原因，大多數(shù)LTCC基板常要求粘接高強(qiáng)度支撐材料或開設(shè)熱通道或熱墻，以便將器件上的熱轉(zhuǎn)移到散熱片上。1 厚膜多層基板的制作技術(shù)厚膜多層基板的制作技術(shù) 厚膜多層基板分兩種類型：一種是導(dǎo)體-介質(zhì)的純互連系統(tǒng)；另一種是有電阻器(電容器)的導(dǎo)體-介質(zhì)-阻容系統(tǒng)。前者具有互連WB區(qū)、通孔和引出端，其表面可組裝各種元器件或IC芯片，構(gòu)成厚膜MCM，后者在頂層印制電阻器和電容器(或在層間埋置電阻器或電容器)最后再組裝各種元器件和IC芯片，構(gòu)成厚膜MCM。 厚膜工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，成本低，投資小，

17、研制和生產(chǎn)周期短：其缺點(diǎn)是導(dǎo)體線寬、間距、布線層數(shù)及通孔尺寸受到絲網(wǎng)印刷的限制。厚膜導(dǎo)體的典型線寬間距為254微米，導(dǎo)體布線層數(shù)一般為25層，最高達(dá)10層。如果使用微細(xì)網(wǎng)眼的絲網(wǎng)和專門配方漿料，導(dǎo)體線寬可達(dá)50 微米。五、多層基板的制作技術(shù)五、多層基板的制作技術(shù) 圖712所示為常規(guī)厚膜多層基板制造的工藝流程。首先在燒結(jié)過的氧化鋁陶瓷基扳上絲網(wǎng)印刷導(dǎo)體漿料圖形，烘干后，在850度左右溫度燒結(jié)。接著，印刷介質(zhì)絕緣層，通過有通孔圖形的掩膜印刷介質(zhì)的同時(shí)形成通孔和絕緣層：為避免針孔，介質(zhì)層要印二次，干燥后在850度左右燒結(jié)：然后重復(fù)印刷、燒結(jié)第二導(dǎo)體層和第二介質(zhì)層直至達(dá)到所要求的層數(shù)為止。層間互連是通

18、過金屬化通孔實(shí)現(xiàn)的。通孔一般為152254微米,在印刷下一層導(dǎo)體漿料時(shí)，導(dǎo)體漿料填充通孔。對于3層或3層以的導(dǎo)體層，為保證表面平整性和提高成品率，可使用單獨(dú)的通孔填充步驟。2 低溫共燒多層基板的制作技術(shù)低溫共燒多層基板的制作技術(shù) 低溫共燒陶瓷(LTCC)多層基板20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的一種比較新的多層基板工藝，較之高溫共燒陶瓷(HTCC)多層陶瓷基板和厚膜多層基板工藝，具有許多優(yōu)點(diǎn)。LTCC基板非常適合于制作高密度、高速M(fèi)CM。它的主要優(yōu)點(diǎn)是燒結(jié)溫度低，可使用導(dǎo)電率高的材料，如Au、PdAg、Cu,陶瓷的介電常數(shù)低(可低到4.0)，信號的傳輸速度快,可提高系統(tǒng)性能；可埋入阻容元件，增加組裝密

19、度；投資費(fèi)用低，可利用現(xiàn)有的厚膜設(shè)備和工藝，只需添置程控沖床設(shè)備和層壓機(jī)。 低溫共燒多層陶瓷基板是通過在陶瓷中添加玻璃含量來降低燒結(jié)溫度的 LTCC基板的制作方法與HTCC基板類似，所不同的是可內(nèi)埋電阻器,電容器和電感器等無源元件，構(gòu)成多功能基板.3 有機(jī)多層基板的制作技術(shù)有機(jī)多層基板的制作技術(shù) 1典型工藝技術(shù) 薄膜多層互連基板作為互連密度相對最高的基板，是采用真空蒸發(fā)、濺射、化學(xué)汽相淀積、電鍍和涂覆等成膜工藝以及光刻、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)等圖形形成技術(shù)，在絕緣基板上制作相互交疊的互連導(dǎo)體層和介質(zhì)層，從而構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)。 圖718和圖719分別為美國休斯飛機(jī)公司的HDMI(高密度多層互連高密度

20、多層互連)1型基板的制作流程和5層Al-PI多層基板的截面圖。HDMIl型基板是典型的常規(guī)制作工藝，基板為直徑50MM的硅圓片或陶瓷片，是在100級的潔凈室內(nèi)制作的，介質(zhì)材料為DPPI2216，導(dǎo)體材料為Al。 對于大多數(shù)數(shù)字電路，只需5層導(dǎo)體布線層：一層接地層，一層電源層，兩層信號層和用于安裝互連芯片的頂層。4 層壓多層基板層壓多層基板PWB的制作技術(shù)的制作技術(shù) 原則上說，MM用的PB基板的制作工藝與普通的PWB基板并大大的差別,可以說大體相同。只是MCML用的PWB基板電路布線更龐大復(fù)雜，完成的功能更多，性能要求更高等，因此相應(yīng)的PB基板的布線密度更高，線寬及間距更小，圖形尺寸要求更精密，

21、基板層數(shù)疊加更多，多層間又需適宜的通孔連接起來，無疑會使PWB基板的制作工藝難度大為增加。但多層技術(shù)是建立在單層PWB基板制作基礎(chǔ)之上的，在未形成多層疊加之前，每一層也就如同一般PB單層板樣疊加起來，無非增加一些特殊的工藝技術(shù)，主要是通孔及其連接技術(shù)。PB基板制作的般工藝流程如圖726所示。 多層基板的層間互連是通過金屬化通孔和金屬柱通孔實(shí)現(xiàn)的。六、互連通孔六、互連通孔 (1)金屬化通孔金屬化通孔 通孔刻蝕有干刻蝕和濕刻蝕兩種，前者包括等離子刻蝕和激光刻蝕，后者使用光敏PI和非光敏PI。無論干刻蝕還是濕刻蝕，都需要使用光刻膠，通過曝光、顯影等工藝來確定通孔圖形。使用光敏PI介質(zhì)材料，直接形成通孔可簡化工序。因光敏PI中包含一種光敏劑它能在曝光時(shí)使聚合物變成光交聯(lián)聚合物。723示出了光敏PI和非光敏PI工藝的比較。使用光敏PI的不利因素是固化時(shí)PI收縮比較大，高達(dá)50，造成通孔邊緣及通孔斜面邊緣的PI堆集和CTE增大。激光刻蝕是使用聚焦激光束在選擇區(qū)域使介質(zhì)揮發(fā)掉，通孔形成后必須金屬化通孔金屬化是通過蒸發(fā)、濺射淀積AI、Cu、A