MCM－C多层基板技术及其发展应用

孙承永西安电子科技大学（西安710071）

微组装技术是九十年代以来在半导体集成电路技术、混合集成电路技术和表面组装技术（SMT）的基础上发展起来的新一代电子组装技术。微组装技术是在高密度多层互连基板上，采用微焊接和封装工艺组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片，形成高密度、高速度、高可靠的三维立体结构的高级微电子组件的技术。多芯片组件（MCM）就是当前微组装技术的代表产品。

多芯片组件是一种可以满足军用、宇航电子装备和超级巨型计算机在微小型化、高可靠、高性能等方面迫切需求的先进的微电子组件。它是将多个集成电路芯片和其他片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上，然后封装在外壳内。多层互连基板是多芯片组件（MCM）的重要支撑，其作用有三：一是给裸芯片和外贴元器件提供安装平台，二是实现MCM内部元器件之间的互连，三是为MCM工作时产生的热量提供传输通路。MCM多层基板的共同特点是：各导体布线层之间夹有低介电常数介质作为绝缘隔离层，层内含有多个纵向互连通孔。多芯片组件根据多层互连基板的结构和工艺技术的不同进行分类，基本类型有MCM－L（叠层型多芯片组件）、MCM－C（陶瓷厚膜型多芯片组件）、MCM－D（淀积薄膜型多芯片组件）等。MCM－C是在高密度厚膜多层布线或共烧陶瓷多层互连基板上组装多个片式元器件和芯片构成的。其优点是布线层数多，布线密度、封装效率和性能均较高，主要用于工作频率（30～50）MHz的高可靠产品。MCM－C的发展非常迅速，其重点是低温共烧陶瓷型。应用领域除移动通讯、医疗电子设备外，还扩展到汽车电子系统、个人计算机和消费类产品，预计MCM－C的应用领域还将进一步扩大。目前的水平是：线宽细达50μm，陶瓷介质的介电常数可小于4，布线层数可多达100层。

多层基板技术是制作MCM的关键技术。MCM－C多层基板的共同特点是：各导体布线层之间夹有低介电常数陶瓷介质作为绝缘隔离层，层内含有多个纵向互连通孔。MCM－C采用陶瓷多层基板，陶瓷多层基板分为厚膜多层（TFM）基板与共烧陶瓷多层基板两类，共烧陶瓷多层基板又可分为高温共烧陶瓷（HTCC）多层基板和低温共烧陶瓷（LTCC）多层基板两种。陶瓷多层基板技术的基础是厚膜技术和陶瓷多层技术。

陶瓷多层基板包括元器件安装层（顶层）、信号层、电源层、接地层和对外连接层（底层）等几部分，陶瓷介质位于各导体层之间，起着电绝缘的作用。顶层含各种焊盘，用以安装相应的电子元器件。为了提高组装密度，可以采用双面安装多层基板，即在基板的顶面和底面都安装电子元器件。多层基板的信号层设置在顶层下方，主要布置元器件之间的互连线，层数视组件规模和布线密度而定。电源层和接地层一般都独立设置，可按组件电性能的要求进行设计。陶瓷基板的以上各层之间由垂直通孔进行互连。

1厚膜多层基板技术

1．1厚膜多层基板的基本结构

厚膜多层基板的基本结构如图1所示。它是在陶瓷基片表面交替印刷、烧结厚膜导体浆料和玻璃介质浆料而形成的一种多层布线结构，布线层之间通过通孔进行互连。厚膜多层基板有两种类型：一种是导体／介质的纯互连系统；另一种是含阻容元件的导体／介质／阻容系统。前者在顶层上可组装各种外贴元器件或单片集成电路。后者可在顶层印制或层间埋置阻容元件，然后再在顶层上组装各种外贴元器件或单片集成电路。厚膜多层基板的布线层数可以高达50层，但由于每层厚膜导体或介质都要经过丝网印刷、烘干、烧结等工序制成，布线图形的不连续性使复盖介质表面出现凹凸不平，层数越多则介质表面不平整程度越严重，影响了厚膜多层基板实用层数的增加。目前，一般采用的层数是10层。

1．2厚膜多层基板的工艺技术

厚膜多层基板的工艺技术中，最主要的是厚膜浆料的丝网印刷技术和烧结技术。为了得到所需要的厚膜图案，必须使用各种掩模。丝网印刷时，厚膜浆料通过丝网掩模开区的网孔，漏印于基底表面。经置放、干燥后，放入高温炉中烧结，形成具有一定性能的厚膜互连线和厚膜元件。

　　厚膜多层基板中某一层的制作工序如图2所示。为了防止厚膜介质中出现针孔而引起漏电，采用三次印烧介质的方法，以提高厚膜介质的厚度和致密性。厚膜多层基板的工艺流程如图3所示。

图1厚膜多层基板的结构

1－第三布线层；2－第二介质层；3－第二布线层；

4－第一介质层；5－埋置电阻；6－互连通孔；

7－第一布线层；8－陶瓷基片。

图2厚膜多层基板中某一层的制作工序

图3厚膜多层基板的工艺流程

图4典型的厚膜烧结曲线

　　(1)丝网印刷工艺

　　丝网印刷是最通用的厚膜成膜方法，它与一般的蜡纸誊印法相似。用橡皮刮板或印刷机的辗辊推压厚膜浆料，使其通过丝网掩模开区的网孔，漏印到基底表面，这就是丝网印刷厚膜图案的工艺。丝网印刷工艺包含厚膜浆料的配制或选用、丝网掩模的设计与制作、印刷工艺等三部分。必须熟练掌握印刷技术、正确设计制作丝网掩模与严格控制基片和浆料的特性，才能得到高质量的厚膜布线层和介质层。

1)厚膜浆料

用于厚膜多层基板的导体和介质浆料除一般由专门的公司[1]生产供应外，也可自行配制。厚膜浆料应具有良好的印刷特性，主要是触变性和流动性。触变性是指在刮板或辗辊的推动力的作用下浆料粘度急剧下降的特性。这种特性可使浆料易于通过丝网掩模的开区，在基底上得到分辨率较高的厚膜图案。浆料的触变性与其配方、粘度、粉体粒径有关。通常，粉体粒径越小，浆料的触变性越好。此外，印刷到基底上的浆料应有很好的流动性，这种性质对厚膜导体和厚膜介质的致密性有着重要影响。

2)丝网掩模

表1列举了常用丝网的结构参数。丝网的主要参数是丝径和目数，目数是指每英寸长度上的孔数。由丝径D（μm）和目数M可按式（1）计算出网格开区所占的丝网面积百分比ρ。

表1常用丝网的结构参数

　　对于目数一定的丝网，丝径越细则开区越大。例如丝径为28μm的325目丝网的开区面积百分比是41.2％，而丝径为23μm?25目丝网的开区面积百分比是49.8％。常用的丝网材料有尼龙和不锈钢两种。后者丝径细、目数多、尺寸稳定，适合印刷精细图形。选择丝网时，要求网格的孔长为浆料粉体粒径的（2.5～5）倍。

　　丝网掩模是贴有感光胶膜的丝网，经用玻璃负片曝光和显影后，感光胶膜呈现与设计版图互补的图形。浆料可通过丝网掩模的开区漏印到基片或隔离介质层上，形成符合设计要求的图形。目前，厚膜多层基板所用的丝网掩模的制备工艺流程如下：

感光胶膜→敏化负片

丝网——→贴膜→烘干→剥离载体→回烘—→曝光→显影→烘干

感光胶膜可用清水喷淋显影，工艺简单，分辨率高，使用寿命长。

3)印刷工艺

　　印刷是保持厚膜再现性的最重要的工序之一，影响因素较多。要想获得良好的再现性，必须熟练掌握印刷技术与严格控制基片、浆料等材料的有关特性[2]。对丝网印刷工艺制成的厚膜图形的要求是：边缘清晰、厚度均匀、表面平整和没有明显印痕。影响厚膜图形质量的关键因素众多，包括：丝网类型和目数、乳胶类型、浆料粘度、印刷速率、刮板或辗辊的硬度和接触角度、压力和丝网的变形量等，必须严加控制。印刷图形的湿厚度是丝网和乳胶层的厚度之和，干厚度是湿厚度的（30～40）％。丝网厚度约为丝径的两倍，可按印刷图形所需厚度选择丝网。例如，感光乳胶层厚度为10μm时，使用250目尼龙丝网印刷的图形的干厚度为（20～35）μm，使用325目不锈钢丝网印刷的图形的干厚度为（15～25）μm。通常，刮板或辗辊的硬度越低、与丝网的夹角越小，印刷图形的厚度越大。印刷时丝网的变形量太大，也就是丝网与基片间的距离太大，会影响图形的分辨率、表面质量和丝网的寿命；而变形量太小时图形又容易模糊。通常应注意选取适当的丝网变形量。

丝网印刷机分自动进料和手工进料两种。自动进料系统可包括显像系统，以减少准备时间和优化印刷过程。

(2)烧结工艺

丝网印刷完成后，要进行烘干，以除去浆料中的有机溶剂，对印刷图案进行定形。（55～150）℃温度下的干燥时间一般为（5～10）分钟，典型干燥规范是85℃下10分钟。干燥工艺是控制图形清晰度的重要环节，可以避免图形污染和烧结时起泡等问题。厚膜印刷图形的干燥工艺可在箱式炉中进行，也可在带排气装置的链式烘干炉中进行。

当厚膜多层基板的每一层烘干完毕后，就要进行烧结。烧结一般在链式烧结炉中进行，按设定的厚膜烧结曲线加温。典型的厚膜烧结曲线示于图4。烧结的主要参数是峰值温度、保温时间、升温和降温速率。一般情况下厚膜多层基板被加热到500℃时，浆料中的有机成分就全部燃烧掉。（500～800）℃时浆料中的玻璃和氧化物组分软化，并与浆料中的其它成分、基片或绝缘介质层发生反应，出现熔结和致密化现象。大多数浆料要在850℃峰值温度下，于干燥清洁的空气中保温10分钟。升温速率决定有机物排除速率和彻底程度，降温速率决定各厚膜层之间及厚膜层和基片之间的热应力。它们对厚膜多层基板的质量有着重要影响，应该严格控制。如果基板面积很大，或者基片是用激光切割或打孔的，则降温过程中可能出现裂缝。