原创 第八章 混合微电路与多芯片模块的材料与工艺

第八章 混合微电路与多芯片模块的材料与工艺

1、混合电路的基础是由某种耐熔陶瓷制造的基板，在基板上，通过某种膜技术制作金属化图形以形成安装焊盘和电路布线，并用来键合合互连必要的有源器件和无源器件，混合电路技术的另一个特点是能够制造无源元件；多芯片模组（MCM）与混合电路密切相关，它采用了更广泛的基板材料和金属化工艺，从而可以获得高得多的封装密度；

2、混合电路用陶瓷基板：
a.对电子应用来说，基板所需要的性能包括：
■高电阻率，基板必须具有很高的电阻率以隔离相邻的电路；
■高热导率，有助于使正常工作的电子元器件所产生的热从元器件中传导出去；
■耐高温，用于基板金属化和元器件组装的很多工艺都是在高温下进行的；
■耐化学腐蚀，溶剂、焊剂等类似材料都是有侵蚀性的，一定不想能腐蚀基板的化学结构；
■成本，基板材料的成本必须与最终产品的成本相适应；
b.陶瓷基板的性能非常适用于很多微电子系统，陶瓷就其本质来说是带有非常少自由电子的晶体，他们具有很高的电阻、热学和化学性能稳定，并具有很高的熔点。陶瓷的主要键合机理是离子键，也可能存在某种程度上的共价键；
c.陶瓷的表面性能：表面粗糙度和挠曲度；
d.陶瓷材料的热性能：
■热导率：材料的热导率是其载热能力的度量，其定义为q=-k（dT/dx），其中k为热导率W/(m?℃)，q为热流量W/m2，dT/dx为稳态温度梯度℃/m；
■比热容：即每克物质温度每升高1℃所需的热量，以W?s/（g?℃）为单位，其定义表达式为c=dQ/dT，其中c为比热容，Q为能量W?s，T为绝对温度K；
■热膨胀系数（CTE&TCE）：是由于随温度增加原子间距不对称增加引起的，大多数金属盒陶瓷在有意义的温度范围内显示了一种线性的各向同性的关系，而某些塑料本质上可能是各向异性的。其定义式为：α=[L(T2)-L(T1)]/[L(T1)(T2-T1)]；
e.陶瓷基板的力学性能：
■弹性模量：E=CTE×ΔT，S=EY（胡克定律），其中E为应变，S为应力，Y为弹性模量；
■断裂模量（弯曲强度）：定义式为σ=Mc/I，其中σ为应力MPa，M为最大弯矩N?m，c为中心到外表面的距离m，I为转动惯量N?m2，其中M、c、I等参数根据截面形状各异；
■抗拉强度和抗压强度：在切线方向上施加在陶瓷基板上的力可以产生拉伸力或压缩力，当力增加达到称之为抗拉强度或抗压强度这个数值时，发生断裂，一般来说陶瓷材料的抗压强度远大于其抗拉强度；另由于加工过程中造成材料里面存在着小裂纹，所以陶瓷基板发生断裂所需要的力要比理论预测的值低得多；
■硬度：陶瓷史已知的最硬的材料之一，因此，它的硬度是很难测定的，一般用努氏（Knoop）硬度法测量之，结果用努氏标度或HK标度显示之；
f.热冲击：当基板暴露于冷热两个极端温度很短时间时将发生冷热冲击，在这种情况下基板并未处于热平衡，因此内应力足以引起断裂。基板耐热冲击的能力是几个参数包括热导率、热膨胀系数以及比热的函数，Winkleman和Schott提出了一个称之为耐热系数的一个参数；
g.陶瓷的电性能：
■电阻率是材料在外电场作用下输送电荷能力的度量，这种能力更经常用电导率来表示，它是电阻率的倒数，定义式为σ=l/ρ，其中σ为电导率，ρ为电阻率；
■击穿电压：当施加足够高的电位时，陶瓷材料的绝缘性能被破坏，电流可以流动，提高温度可以加速这种现象，此时的电压可称之为击穿电压，击穿电压是很多参数的函数，包括可动离子杂质的浓度、晶界、偏离化学计量比的程度等，需要注意的是当环境温度很高或者材料被水分所污染时，实际击穿电压会大大降低；
■介电性能：一种材料吸引电荷的相对能力被称为相对介电常数或相对电容率，通常用符号K表示，按照定义，自由空间的相对介电常数为1，绝对介电常数为ε=（1/36π）×10-9（F/m），一般介电物质可分为极性和非极性，另一种可以分为顺电和铁电；
h.常见陶瓷基板材料的性能：
■氧化铝（三氧化二铝Al2O3）是目前电子工业最常用的基板材料，氧化铝是密排六方的刚玉结构，也存在某些亚稳结构，但它们最终都会不可逆转的转变成六方的α相，氧化铝作为厚膜、薄膜电路和电路封装以及多芯片模组的多层结构的基板材料广泛地用于微电子工业，有不同的成分可分别用于高温工艺和低温工艺，高温共烧陶瓷HTCC使用难熔金属W或Mo/Mn作为导体在1600℃烧结，而低温共烧陶瓷LTCC使用传统的Au或Pa/Ag作为导体，在850℃左右烧结；
■氧化铍BeO具有密排立方闪锌矿结构，其具有极高的导热率，比金属铝还高，广泛地用于需要高导热率的场合，BeO可以使用各种制造技术制备成各种形状，可以用厚膜、薄膜或通过一种键合铜工艺实现金属化；
■氮化铝是共价键铅锌矿结构，AlN有两个很重要的性能值得关注，一个是高的热导率，一个是与硅的CTE非常匹配，这一点在安装大功率器件时是非常重要的，AlN可以使用厚膜、薄膜和铜金属化工艺；
■金刚石基板主要是通过化学气相沉积CVD生长的，金刚石可以作为涂层直接沉积到难熔金属，氧化物，氮化物和碳化物上，金刚石具有非常高的热导率，其热导率比次最高的材料高出好几倍，其主要应用时功率器件的封装，然而金刚石的比热容较低，作为散热片与热沉一起工作时效果最好；
■氮化硼BN有两种基本类型，六方（α）BN较软，结构类似石墨，它是白色的，有时称作为白石墨，立方（β）BN是由六方BN用类似制造合成工业金刚石使用的工艺在极高的温度和压力下形成的；
■碳化硅SiC具有四面体结构，是唯一已知的硅碳合金，SiC 结构可以通过热压、干压和等静压（首选）、CVD或流延法形成，能够使用厚膜和薄膜法使SiC金属化；
i.复合材料：陶瓷一般具有低的热导率和CTE，而金属具有高的热导率和CTE，将这些性能综合起来得到一种具有高热导率和低CTE的材料在逻辑上是可行的，粉末形态或连续纤维形态的陶瓷与金属混合在一起，可以将两者的优良特性也综合在一起，这样得到的结构被称为金属基复合材料（MMC）
■铝/碳化硅：Al/SiC复合材料是将液态铝压入多孔的SiC毛坯中形成的，Al/SiC由于其导电性好，很容易镀铝，可提供良好的表面以便后续工艺，Al/SiC的另外两个优点是强度和重量；
■Dymalloy是一个I型金刚石与Cu20/Ag80合金构成的复合材料；

3、厚膜技术：厚膜混合电路是用丝网印刷方法把导体浆料、电阻浆料和绝缘材料浆料转移到一个陶瓷基板上来制造的，印刷的膜经过烘干以去除挥发性的成分，然后暴露在较高的温度下以活化粘结剂，完成膜与基板的粘接，所有厚膜浆料通常都有两个共同的特性：它们是适于丝网印刷的具有非牛顿流变能力的黏性流体，它们是有两种不同的多组分相组成，一个是功能相，提供最终膜的电和力学性能，另一个是载体相（运载剂），提供合适的流变能力。厚膜浆料可以分为聚合物厚膜、难熔材料厚膜和金属陶瓷厚膜；
a.传统的金属陶瓷厚膜浆料具有如下四种主要成分，并发挥不同的作用：
■有效物质：决定烧结膜的电性能，如果是金属则烧结膜是导体，如果是导电的金属氧化物则是一种电阻，如果是一种绝缘材料则是一种介质电体，一般以粉末形式出现，颗粒尺寸为1~10um，平均粒径约5um；
■粘接成分：主要有两类物质用于厚膜与基板的粘接，玻璃和金属氧化物，它们可以单独使用或者一起使用；
■有机粘接剂：通常是一种触变的流体，用于两种目的，可以使有效物质和粘接成分保持悬浮态直到膜烧成，此外赋予浆料良好的流动特性以进行丝网印刷；
■溶剂或稀释剂：自然形态的有机粘结剂太粘稠不能进行丝网印刷，需要使用溶剂或稀释剂，稀释剂比较粘剂较容易挥发，在大约100℃以上就会迅速蒸发，用于这种目的的典型材料是萜品醇、丁醇和某些络合的乙醇；
b.厚膜浆料的制备：制造过程开始于粉末态的物质，通过从化学溶液中沉淀出来的金形成的金粉末与细筛的玻璃粉混合，加入运载剂（由适当的溶剂、增稠剂或胶混合）后用球磨机使混合物充分混合来减小玻璃料和其他脆性材料的颗粒尺寸，最后由三辊轧膜机将浆料的组分弥散开；
c.厚膜浆料的参数：粒度（FOG细度计测量）、固体粉末百分比含量（400℃煅烧测量）、黏度（锥板或纺锤粘度计测量）。为适应丝网印刷，浆料需具有下述特性：流体必须具有一个屈服点、流体应该具有某种触变性、流体应该具有某种程度的滞后作用；
d.厚膜导体材料的功能：
■最主要的功能是在电路的节点之间提供导电布线；
■它们必须提供安装区域、以便通过钎料、环氧树脂或直接共晶键合来安装元器件；
■它们必须提供元器件与膜布线以及与更高一级组装的电互连；
■它们必须提供端接区以连接厚膜电阻；
■他们必须提供多层电路导体层之间的电连接
e.厚膜导体材料的分类：可空气烧结的、可氮气烧结的以及必须在还原气氛中烧结的；代表性的有金导体（高可靠性）、银导体（需防止银迁移）、铜导体；
f.厚膜电阻材料：把金属氧化物颗粒与玻璃颗粒混合，在足够的温度/时间进行烧结，以使玻璃熔化并把氧化物颗粒烧结在一起，所得到的结构具有一系列三维的金属氧化物颗粒的链，嵌入在玻璃基体中。大致可以按Lichtenecker的对数混合规律把厚膜电阻材料混合在一起；
g.厚膜电阻的电性能：
■零时间（刚烧结后）性能：电阻温度系数TCR、电阻电压系数VCR、电阻噪声、高压放电；
■与时间有关（老炼后）的性能：高温漂移、潮湿稳定性、功率承载容量；
h.厚膜电阻的工艺考虑：就温度控制和气氛控制而言，厚膜电阻的印刷与烧结工艺是极为关键的，温度和该温度下的停留时间微小的变化都会引起电阻平均值和数值分布的明显变化；一般而言电阻的欧姆值越高，变化越剧烈；
i.厚膜介质材料：厚膜介质材料主要是以简单的交叠结构或复杂的多层结构用作导体间的绝缘体，可以在介质层留有小的开口区或通孔以便与相邻的导体层互连。厚膜介质材料的CTE必须尽可能的接近基板材料以避免在加工几层后基板过分弯曲和翘曲，选择一种厚膜介质材料的另一种考虑是与电阻系统的兼容性；
j.釉面材料：介质釉面材料是可以在较低温度（通常在550℃）下烧结的非晶玻璃，它们可以对电路提供机械保护，免于污染和水在导体间的桥接，阻挡钎料散布，改善厚膜电阻调阻后的稳定性；
k.丝网印刷：接触工艺和非接触工艺；
l.厚膜浆料的干燥：印刷后先在空气中“流平”一段时间（通常5~15min），然后在70~150℃的温度范围内强制性干燥大约15分钟，通常在低温的链式烘干炉中进行的；
j.厚膜浆料的烧结：一个厚膜的烧结炉必须具备清洁的烧结炉环境、一个均匀可控的温度工作曲线以及均匀可控的气氛
k.厚膜小结：金属陶瓷厚膜材料在结构上和电学上都是非常复杂的，仅厚膜电阻而言，与材料的性能和工艺有关的参数就超过了120个，所以与制造商保持紧密的工作联系时取得成功的重要保证；

4、薄膜技术：与厚膜技术不同，薄膜技术是一种减法技术，整个基板用几种金属化层淀积，再采用一系列的光刻工艺把不需要的材料蚀刻掉，与厚膜工艺相比，使用光刻工艺形成的图形具有更窄、边缘更清晰的线条，这一特点促进了薄膜技术在高密度和高频率的使用；
a.淀积技术：
■溅射：三极真空管溅射、反应溅射；
■蒸发：电阻加热蒸发、电子束加热蒸发；
■蒸发可以得到较快的淀积速率，但与溅射比有如下缺点：合金的蒸发很困难、蒸发仅局限于熔点较低的金属、氮化物和氧化物的反应淀积非常难控制；
■电镀：把基板和阳极悬挂在含有待镀物质的导电溶液里，在两者之间施加电位实现的；
■光刻工艺：基板涂覆光敏材料，紫外光通过在玻璃板上的图形进行曝光；
b.薄膜材料分类：
■薄膜电阻：镍铬耐热合金（NiCr）、氮化钽TaN、二硅化铬；
■阻挡材料：金、90Ti/10W；
■导体材料：铝和铜；
■薄膜基板：高纯（99.5%）氧化铝，即蓝宝石；
c.厚膜与薄膜的比较：以下因素限制了薄膜不如厚膜应用得那样广泛
■由于相关的劳动增加，薄膜工艺要比厚膜工艺成本高，只有在单块基板上制造大量的薄膜电路时，价格才有竞争力；
■多层结构的制造极为困难，尽管可以使用多次的淀积和蚀刻工艺，但这是一种成本很高、劳动密集的工艺，因而限制在很少的用途里；
■在大多数情况下，设计者受限于单一的方块电阻率，这需要大的面积去制造高阻值和低阻值的两种电阻；

5、铜金属化技术：
a.直接键合铜（DBC）：将铜箔直接放在氧化铝上并加热到大约1065℃，可以把铜键合到氧化铝陶瓷上；
b.镀铜技术：各种把铜镀到陶瓷上的方法都开始于在表面形成一层可导电的膜；
c.活性金属钎焊铜技术（AMB）：此工艺利用周期表IV-B族的一种或几种金属作为与陶瓷作用的活化剂；
d.铜化技术的比较：DBC和AMB工艺对需要较厚铜膜的用途是十分有利的，镀铜非常适合需要精细的线条和复杂图形的用途
各种基板金属化技术的用途各有所长，很少交迭，在给出具体的要求后，选择哪种技术一般式很明显的。

6、混合电路的组装：“芯片与引线”法和“表面安装”法；
a.芯片与引线技术；
b.半导体器件的直接共晶键合；
c.有机键合材料；
d.软钎焊；
e.引线键合（热压引线键合和超声引线键合），其中引线键合的实效模式如下：
■在器件上的球（或楔形）键合可能失效
■在器件端部楔形焊点上方断丝；
■在引线的中间断开；（最理想的）
■在基板端楔形焊点上方断丝；
■楔形焊点脱开了基板；

7、封装与封装工艺：
a.气密封装：气密封装定义为在这种封装里加压后氦的漏率低于某一规定的与封装尺寸有关的速率，气密封装可以是金属、陶瓷或玻璃的；
b.金属封装：是一种常用的气密封装，它主要有ASTM F-15合金，即Fe-29Ni-10Co合金制成的，金属封装中采用的三种类型盖板为凸起的盖帽、平盖板和台阶式盖板；
c.金属封装的密封方式：钎焊密封、平行缝焊、凸焊或储能焊；
d.陶瓷封装：用与金属封装大致相同的方式把厚膜或薄膜基板置于内部的封装结构；
e.陶瓷封装的密封方法：陶瓷封装密封最常用的方法是钎焊密封，另一种比较便宜但可靠性稍差的密封方式是使用低熔点玻璃把一个陶瓷盖板直接密封到陶瓷封装上；
f.非气密性封装方法：注塑模塑技术和传递模塑技术；
g.直插式封装（DIP）；
h.小外形封装（SO）；
i.陶瓷片式载体；
j.功率混合电路的封装：一种功率封装是使用实体铜块机加工出腔体，镀Ni和镀Au，顶面四周钎焊有不锈钢的密封环，引线为铜芯的52合金，使用陶瓷绝缘子，在绝缘子的外部一般用Mo-Mn合金金属化，然后镀Ni、镀Au，用Au80/Sn20钎料吧引线一个个钎焊到封装体上；另一种方法是使用铜底座，把ASTM F-15合金框架钎焊到铜底座上，然后镀Ni镀Au；

8、多芯片模块（MCM）: 多芯片模块是混合电路技术的扩展，它比用其他方法所能得到的封装密度更高，硅与基板面积比可以大于30%；
a.MCM-L技术：为了形成多层互连结构，通过多层层压印制电路板材料形成基板；
b.MCM-C技术：与厚膜工艺类似，通过共烧陶瓷或玻璃/陶瓷结构形成基板；
c.MCM-D技术：与薄膜工艺类似，通过在衬底上交替淀积导体层和介电层形成互连
d.由于以下两个原因，多芯片模块已成为封装工程师全部技能的重要组成部分：第一是通过使用这种提高封装密度的技术，充分发挥它的优势，可以在更小的封装体积内实现更多的功能；第二是各种材料使基板/互连结构更容易定制以适合具体的用途。