第四章微电子封装的基板技术

4.1概论4.2基板分类4.3有机基板4.4陶瓷基板4.5低温共烧陶瓷基板4.6其他类型的无机基板4.7复合基板4.5低温共烧陶瓷基板(LTCC)1.概述前面讨论的氧化铝、莫来石、氮化铝和氧化铍等基板，由于其烧结温度在1500-19000C，图形布线若采用同时烧成法，则导体材料只能选择难容金属Mo和W等；为了防止其氧化，需要在氮等保护性气氛及氢等还原性气氛中烧成，这样势必造成一系列难解决的问题。主要体现在以下几个方面：(1)共烧需要在还原性气氛中进行，增加工艺难度，烧结温度过高，需要采用特殊烧结炉；(2)由于Mo和W本身的电阻率较高，布线电阻大，信号传输容易造成失真，增大损耗、布线细化受到了限制；(3)介质材料的介电常数都偏大，因此会增大信号传输延迟时间，特别不适用于超高频电路；(4)氧化铝的热膨胀系数与Si的热膨胀系数相差太大，若用于裸片实装，则热循环过程中产生的热应力不易解决。2.低温共烧陶瓷为了解决上述问题，开发了玻璃与陶瓷混合共烧的低温共烧陶瓷基板(lowtemperatureco-firedceramicsubstrate),其烧结温度在9000C左右，导线布线材料采用电阻率低的Au、Ag、Ag-Pt、Cu等，可实现微细化布线，其中贵金属浆料可在大气中烧成。特别是共烧基板材料的介电常数较低；热膨胀系数通过调整材料成分及结构可以与Si的热膨胀系数接近，而且容易实现多层化；具有足够强的机械强度。而且LTCC制造工艺的发展趋势是小孔，细线和高布线密度；另外，LTCC材料的发展方向是开发成本更低、性能更高的新型生瓷带系统，以及零收缩生瓷带和用于高频的低损耗生瓷带。近年来，LTCC基板发展很快，在高性能封装、高速MCM封装，以及BGA、CSP等高密度封装中应用越来越多。因此，低温共烧陶瓷技术具有一系列的优点。主要体现在以下几个方面：(1)陶瓷材料具有优良的高频Q特性，使用频率可高达几十GHz；(2)使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子；(3)可以制作线宽小于50um的精细结构电路；(4)可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性；(5)具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数，较小的介电常数和温度系数；(6)可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提高电路的组装密度；(7)能集成的元件种类多、参量范围大，除R、L、C外，还可以将MEMS器件、敏感元件、EMI抑制元件、电路保护元件等集成在一起；(8)可以在层数很高的三维电路基板上，用多种方式键连IC和各种有源器件，实现无源/有源集成；(9)可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可用于恶劣环境；(10)非连续式的生产工艺，允许对生坯基板进行检查，从而提高成品率，降低生产成本；(11)可采高导电材料进行多层金属化布线。3.LTCC基板应具有的性能低温共烧陶瓷多层基板，顾名思义，应具有的最重要性能应该是，在兼顾其他性能的基础上，能做到低温烧成。那么，多高的温度算低温呢？电阻率比较低的金属Ag、Au、Cu等，其熔点都在11000C以下，一般以此作为低温的标准。若利用共烧法制作多层板，则基板的烧结温度必须能控制在850-9500C。由于采用Ag、Au、Cu等低电阻率材料，电路图形可以做到更加微细，便于高密度布线。为适应高速电路的要求，必须降低信号延迟时间，即必须降低介质材料的介电常数。另外，在MCM中由于采用大尺寸LSI芯片的裸芯片实装，实装工程及实际工作状态都处于热循环中。因此，为确保焊接部位的可靠性并保护芯片，基板材料必须做到与LSI芯片的热膨胀系数尽量接近。再者，在基板组装，实装等工程中会承受各种各样的机械应力和热应力，因此材料也必须有足够的强度。综合起来，对LTCC基板的主要要求如下：(1)烧成温度必须能控制在9500C下；(2)介电常数要低；(3)热膨胀系数要与搭载芯片的热膨胀系数相接近；(4)有足够的机械强度；4.LTCC种类与特点为了实现上述玻璃基板的性能，研究开发了各种各样的组合系统，下面针对几种现正开发或已到达实用化的玻璃陶瓷基板系统材料的种类和特性作简要的介绍。(1)硼硅酸铅玻璃-Al2O3系由硼硅酸铅晶化玻璃(质量分数45%)和Al2O3(质量分数55%)组成的玻璃陶瓷粉末在850-9500C以下烧成。其中，9300C左右烧成材料的最大弯曲强度为350MPa，与Al2O3不相上下。一般认为，高强度的原因在于烧结过程中，Al2O3与玻璃界面发生反应，生成新的晶相富硅高岭石所致。这种材料的缺点是含有铅。(2)硼硅酸玻璃+石英玻璃+堇青石系基板材料组成质量分数为：硼硅酸玻璃65%、石英玻璃15%、堇青石20%。在该组成下，烧成体的热膨胀系数为4.4。这种玻璃陶瓷的特点是具有低介电常数以及热膨胀系数可控制在与硅相近的水平。(3)硼硅酸玻璃-Al2O3-镁橄榄石系该系统可达到最高密度的组成为：Al2O335%、镁橄榄石25%、硼硅酸玻璃40%。在该组成下，9000C烧成时相对密度可达97%，这种基板的弯曲强度为200MPa，介电常数为6.5，热膨胀系数为6.0*10-6/0C(4)硼硅酸玻璃-Al2O3系该系统最佳组成:Al2O350%和硼硅酸玻璃50%，9000C烧成体的热膨胀系数为4.0*10-6/0C，弯曲强度为245MPa。这种系统玻璃陶瓷的最佳烧成温度也随硼硅酸玻璃的含量而变化。(5)硼硅酸玻璃-Al2O3处理的氧化锆系该系统玻璃陶瓷的组成以硼硅酸玻璃质量分数(40%-60%),Al2O3处理的氧化锆质量分数(40%-60%)为最佳，9000C烧成。该材料的特点是在相当宽的温度范围内，其热膨胀系数与GaAs单晶的热膨胀系数相近。因此，它可作为HEMP(高电子迁移率三极管)的实装基板。5.LTCC基板制造工艺LTCC介质材料主要由玻璃/陶瓷组成，与有机粘合剂、增塑剂和有机溶剂等有机载体充分混合后，流延成厚度精确而且致密的生瓷片，在生瓷片上利用激光打孔或机械钻孔后填充厚膜导体浆料，作为层与层之间的互连的通路，在每一层上印刷厚膜金属化图形，多层之间对准后热压或包封液压，在经排胶烧结，形成具有独立结构的多层基板。LTCC多层基板的工艺流程在制造过程具体工艺要求如下：(1)流延要求流延出的生瓷片致密并且厚度均匀，生膜片的宽度不小于110mm，且具有足够的强度。(2)打孔打孔主要有三种方法：钻孔、冲孔和激光打孔。钻孔法：打孔速递为3-5孔/s，精度为正负50um，最小孔径一般在0.25mm以上。冲孔法：打孔速度为8-10孔/s，精度为正负10um，最小孔径可达0.05mm。激光打孔法：打孔速度为250-300孔/s，精度为正负25um，最小孔径可达0.1mm。(3)通孔填充通孔填充的方法一般有三种：丝网印刷、掩模印刷和流延型印刷。通过浆料应有良好的流变性能和合适的黏度，印刷时才不易形成盲孔。(4)对位对位包括印刷时丝网与生瓷片之间的对位和叠片时生瓷片与生瓷片之间的对位。若对位精度太差基板布线网络可能会断路或短路，一般采用定位孔或图像识别定位。影响对位精度的主要因素是：打孔精度误差、照相版精度误差和印刷机手动调节对位视觉误差。(5)布线设计在进行CAD布线设计时，必须根据电参数要求、对位精度及通孔大小来设计线宽、线间距及其他参数。对用于高频且要求高传输速度的基板，应选择细线条、细间距设计。为了降低成本，在能保证质量的前提下，应尽可能选择层数多，宽线条宽间距设计。(6)金属化LTCC基板金属化分为内层金属化和表层金属化两种。内层金属化方法有丝网印刷和计算机直接描绘两种；表层金属化方法有丝网印刷、计算机直接绘图、光刻浆料、薄膜沉积。几种金属化方法比较LTCC基板的应用中，随着外贴片的引脚数增多、密度增大，使得互连导体的宽度及间距要求越来越细，并且要求线条边缘整齐，这对传统的厚膜印制工艺来说，一般难以实现，必须用薄膜工艺来解决这一难题。LTCC基板薄膜金属化时，要先将基板表面抛光处理后，再采用磁控溅射方法镀上多层薄膜，然后经过光刻、形成焊区和导带，热处理后，制成产品。LTCC基板薄膜金属化工艺流程(7)叠层与热压将填充好通孔和金属化的生瓷片放入叠模中，叠模上设计有与生瓷片对位孔一致的对位柱，保证对位精度。模具最好用硬质材料加工，防止多次使用后变形。叠压工艺中最关键的是压力须均匀一致，因为基板烧结收缩力与热压压力有密切关系。热压压力过大时，排胶时会起泡分层；过小时也会分层，且基板烧结收缩率较大，收缩率一致性差，必须进行深入的摸底试验。等静压机的压力均匀、叠压效果比较好，基板烧结收缩率一致性好，对提高焊区对位精度及后烧结表面导体与通孔对位精度有利。(8)排胶与烧结排胶就是排除陶瓷坯体中含有大量塑化剂和黏结剂的工艺过程。排胶可在普通马弗炉中进行，排胶速度根据基板而定，若升温速度过快，回导致基板起泡分层。烧结既可在马弗炉中进行也可在链式炉中进行，烧结工艺的关键是烧结曲线和炉膛温度的均匀性，它与烧结后基板的平整度和收缩率有关。炉膛温度均匀性差，基板烧结收缩率的一致性就差。(9)测试烧结后的LTCC基板必须进行测试，验证基板布线的连接性。由LTCC基板制作高密度混合集成基板的结构示意图6.LTCC多层基板的应用LTCC性能优良、成本低廉、适用面广，已经在器件的封装、高性能基板等方面得到大量应用。适用于高密度电子封装用的三维立体布线多层陶瓷基板，特别适合于射频、微波、毫米波器件等。目前，随着电子设备向轻、薄、短、小方向的发展，设备工作频率的提高，以及军用设备向民有设备的转化，LTCC多层板将以其极大的优势成为无线通讯、军事及民用等领域重要发展方向之一。因此，LTCC多层基板的用途主要集中在以下四个方面：(1)超级计算机用多层板，用以满足元器件小型化、信号超高速化的要求；(2)下一代汽车用多层基板，利用其高密度、多层化、混合电路化等特点，以及其良好的耐热性，作为下一代汽车电子控制系统部件，受到了广泛注意；(3)高频部件，对于进入GHz频带的超高频通信，LTCC基板将在手机、GPS定位系统等许多高频部件广泛使用；(4)光通信用界面模块及高电子迁移率三极管(HEMT)模块。7.LTCC多层基板的发展动向LTCC材料的介电常数低于氧化铝、莫来石及氧化铍，这是其优势之一，但现在看来，LTCC材料的介电常数的下限大致为4.0，要达到有机材料聚酰亚胺的3.0-3.5是困难的。通常在玻璃陶瓷中引入闭气孔，可使其介电常数下降到3.4，但机械强度也进一步下降。因此，LTCC材料的发展必须兼顾到介电常数、机械强度、热膨胀系数、热导率等各个方面，使其综合性能得以提高。这就需要在原材料的成分、粒度、形貌、基板结构、制作工艺、复合材料的微观结构等方面进行系统的研究开发。此外，在材料的无铅化和进一步降低高频损耗等方面也是目前研究的重点内容。4.5其他类性的无机基板1.液晶显示器(LCD)用玻璃板LCD用玻璃基板分前基板和后基板两块；前基板上形成偏光膜、滤光膜；后基板上形成TFT(thinfilmtransistor，薄膜三极管)、金属布线及绝缘膜等，液晶夹在于二者之间。作为电子用玻璃，一般采用硅酸玻璃、硼硅玻璃、磷酸玻璃等；对于TFT应用来说，特别要求采用无碱金属离子玻璃、低碱金属离子玻璃和低热膨胀系数的合成石英玻璃等；而且对于LCD用基板的表面粗糙度要求很高，需要精密研磨达到Ra=4-5nm的镜面程度。此外，对平坦度、伤痕、气泡数量及间距等也有严格的规定。TFT用玻璃复合基板的构造2.等离子体显示板(PDP)用玻璃板等离子体显示板有各种不同的结构，但它都是由两块玻璃板，在其上形成各种各样的功能层，贴合在一起，中间封入气体构成。通常，前面的玻璃基板称为前基板，后面的称为后基板。目前，PDP用玻璃基板多采用苏打石灰玻璃。这种玻璃与普通平板窗玻璃基本相同，比LCD中薄膜三极管用无碱金属离子玻璃要便宜得多。对于PDP基板用玻璃的最主要要求是高屈服点。在PDP中，除前、后玻璃基板外，障壁及透明介电质层、封接层等也都要使用玻璃材料。PDP的结构示意图4