MCM－C多层基板技术及其发展应用(续二)

孙承永 西安电子科技大学（西安710071）

3三种MCM－C多层基板技术的对比

厚膜多层技术与共烧陶瓷技术的主要区别在于：厚膜多层布线需要一个基片作为支撑点，以及厚膜多层布线需要逐层依次制造。每一布线层需要印刷6次，其中包括独立印烧介质层3次（有时4次）、填充通孔2次及印刷导体1次。并且每次印刷后都要烧结。采用共烧技术制造类似结构，所有叠压层仅仅需要烧结1次，烧结后的处理工序也只有三、四步。厚膜多层基板、HTCC多层基板、LTCC多层基板的工艺流程分别参见图3、图9和图10。上述三种MCM－C技术的对比示于表5。由表5中可看出，由于厚膜多层电路的每一布线层均须印刷、烧结各6次，所以10层布线的电路需相继印刷、烧结各60次。LTCC技术结合了共烧技术和厚膜技术的优点，可使用标准厚膜导体，在空气中低温烧结，10层布线的电路仅需每布线层印刷2次及全部布线层共烧1次。HTCC技术虽具有共烧技术的优点，但需在保护气氛中高温烧结，必须使用耐熔金属作为厚膜导体。

　　压片式（TTRAN）厚膜多层技术则把一系列厚膜工艺和流延生瓷片的应用结合起来，用单层生瓷片替代了多层丝网印刷的厚膜介质[5]。压片式厚膜多层基板的工艺流程示于图17。流延所得的生瓷带烘干后，切成一定尺寸的薄片，打好电路连接通孔后，对准位置热压在陶瓷基片上，烘干后在一定的温度和压力下进行介质烧结。由于生瓷片热压在基片表面，烧结后沿基片平面的两个方向不会收缩，但沿基片厚度方向仍要收缩。对比传统的厚膜多层基板和压片式厚膜多层基板的工艺流程后不难看出，传统的厚膜技术中独立印刷和烧结三层介质〖每层厚（15～25）μm〗才相当于压片式厚膜技术中烧结热压在基片表面的单层生瓷片（厚75μm），因此，压片式厚膜多层基板的成本低，生产效率高[6]。同时，由于压片式厚膜技术中，生瓷片烧制在陶瓷基片上，压片式厚膜多层基板的机械性能和尺寸精度均优于低温共烧陶瓷多层基板。

表5三种MCM－C技术的对比

图17压片式厚膜多层基板的工艺流程

图18应用多键合点焊架的MCM－C封装

　　低温共烧陶瓷多层基板比高温共烧陶瓷多层基板有着一系列的优点。首先，LTCC工艺中采用了高电导率金属，如金、银或铜，而HTCC工艺中采用的是钨。金和银不会氧化，所以不需要电镀保护。采用铜时并非如此。LTCC的另一个优点是陶瓷基片的组成可变化，以提供一系列具有不同电气和其它物理性质的介质材料的组合。例如，介电常数可在（4～400）之间变化，热胀系数可设计成与硅、砷化镓或铝相配。最后，为标准厚膜电路开发的厚膜电阻器和厚膜电容器材料，均可适用于LTCC电路。埋置电阻、表面电阻和电容器均可设计为LTCC电路的组成部分[7]。

　　表6、表7也示出了高温共烧陶瓷多层基板的一些优点。HTCC是一种成熟工艺，对其材料和工艺已有较好了解。并且，氧化铝的机械强度比LTCC介质材料的机械强度高得多，可使封装较牢固和更持久。此外，氧化铝的热导率比LTCC介质材料的热导率几乎要高20倍。

4MCM－C多层基板技术的应用与发展趋势

　　1992年在多芯片组件国际会议上[8]，与会人员对MCM－L、MCM－D和MCM－C等三种MCM技术的优势和发展前景进行了大量讨论。MCM－L的制造商认为他们的产品成本最低，如果在细线工艺和散热处理方面有所进展，则未来十年内MCM－L可能取得技术领先地位。MCM－D的有关工程技术人员则用同样热情着重在高速、高密度电路的未来需求方面，宣传他们的产品具有无可比拟的优越性。虽然会上没有人对MCM－C的未来进行专门的论述，但一致认为MCM－C非但是当前的技术，并且有着广阔的发展前景。

表6三种MCM－C技术的特点和优点的比较（1级最佳）

　　MCM－C技术的未来发展领域为：高频应用、新型陶瓷材料、埋置无源元件、细间距互连和热控制技术。军事系统和政府的计划中要求未来的MCM－C能工作在（40～60）GHz的高频范围内。期待LTCC材料能达到此要求。某些新型低烧陶瓷介质已可工作在这样的频率下，传输损耗低。银将用作互连金属。银的成本低，传输损耗也低，这些优点促使其取代金。生瓷带材料的低介电常数可满足高频和高速的要求。介电常数低达4的介质材料和介电常数低达2.5的正在开发的介质材料，均可应用于厚膜MCM－C和LTCCMCM－C。同时，适用于HTCCMCM－C的新型高温材料，如莫来石，其热胀系数与硅相近，而介电常数仅为6.8,低于氧化铝,将为HTCCMCM－C开辟新的应用领域[9]。

　　细线技术也将影响MCM－C的未来发展趋势，为了降低厚膜和共烧陶瓷组件中导电带的间距，已投入了大量的时间和金钱。目前，导电带的宽度和间距一般为122.5μm，未来的目标是导电带的宽度和间距在≤50.8μm范围内。途径是采用标准的丝网印刷技术和新型细线印刷导体浆料，以及采用高级丝材制作丝网。目前，可用直径17.78μm的细丝制作325目和400目的丝网。丝网网格的开区大于50％，允许印刷更密的线条。高级网丝的机械强度高，并且不像标准丝材那样容易而迅速地伸长，可印刷出分辨率高得多的锐利线条。

　　新型顶层细线技术已着手引入某些高级设计中。光刻、溅射、激光光绘和浆料描绘等都是降低导电带间距的技术。主要目标可能是把MCM－D的薄膜技术及MCM－C的厚膜多层布线和共烧陶瓷技术结合起来，发展MCM－C／D混合型多层基板技术。混合多芯片组件是为了进一步提高性能和组装密度而发展起来的高级多芯片组件[10]，主要应用于超级计算机、高速数字通信交换机系统、高速信号（数据）处理系统和军用领域。混合多芯片组件综合应用不同类型多芯片组件技术制成。目前主要有MCM－C/D和MCM－L/D两种。

　　MCM－C/D综合应用MCM－C和MCM－D两种工艺技术制成，并兼有MCM－C和MCM－D的优点。在共烧陶瓷多层基板上制作薄膜多层布线，形成混合多层布线基板，薄膜布线层为信号层，共烧陶瓷多层基板作为薄膜多层布线的载体及电源层、接地层，并连接I/O引脚。MCM－C/D的优点为组装密度高、性能优越。此外，通过几种MCM的成本和性能比较，可明显看出MCM－C/D在性能价格比方面的优势。目前，MCM－C/D的典型应用为SX－2型、SX－3型、ES9000型超级计算机及ATM交换机。MCM－C/D的发展方向是在氮化铝多层基板或氮化铝/金刚石复合多层基板上制作薄膜多层布线。

功率控制越来越重要，也越来越难于实现。不仅对高功率电路，其中热控制是关键。越来越多的低功率器件封装在陶瓷外壳中，这些封装的散热也是个问题。该领域的某些发展趋势是明显的。氮化铝对于厚膜多层电路和高温共烧陶瓷多层电路，是重要的基板材料。金、银和钨等与氮化铝相容性好的厚膜材料继续发展。氮化铝日益降低成本和扩大用途，提高了使用氮化铝的兴趣。压片式厚膜工艺也可用于氮化铝基片。已开发了与氮化铝材料相容的生瓷带。氮化铝基片／封装的应用和制造空腔的能力相结合，就可把高功率器件直接安装在基片上，综合利用新技术的前景是十分宽广的。氮化铝适用于低温共烧陶瓷结构，在氮化铝基片表面热压生瓷片的优点也是显而易见的。LTCC组件的更为标准的热控制方法是在高功率器件下方采用散热孔阵列。这种结构的潜力有限。较好的方法是在烧结后的组件上安装散热片（由氮化铝、钨／铜和若干导热性好的新型复合材料制成）。散热片可以焊接在封装的底部，器件也可直接安装在散热片上。

　　在LTCC组件体内采用埋置元件是另一个可能趋势。例如，已有采用埋置电阻的例子，但对埋置电容器和电感器的需求可能更高。

　　电路设计人员选择采用哪种MCM技术时，除考虑对该种技术的熟悉程度外，还要考虑技术推动和成本等一些因素。在厚膜技术方面有实践经验的人员自然会优先选择MCM－C。MCM－L的供应商也会宣称，他们的产品将由于成本最低而最具有吸引力[11]。可惜的是，在高密度、热控制和气密性等一些技术问题没有彻底解决之前，在一系列领域中无法采用MCM－L。选择MCM－C或MCM－D时，考虑的重点往往是布线密度和成本。MCM－C的优点是尺寸可做得大和层数可做得多，但布线密度不如MCM－D高，线距也不如MCM－D小。另有一些优

点可以弥补MCM－C的不足，这些优点是：成本

低，批量大，样品开发周期短，陶瓷介质的性质可以调整，可以外贴无源元件和密焊封装。由于MCM－C（特别是厚膜和LTCC）和MCM－D在材料和工艺技术方面不断革新，它们在性能上的差异越来越小，因此，成本、产量和生产能力往往成为今后主要的选择因素。

　　至今尚不能确定LTCC技术能否替代另外两种MCM－C技术。简单地说，层数少的电路用厚膜工艺制作时，成本低于用其它两种共烧陶瓷技术制作。曾经出现过的用增大硅片面积来提高MCM密度的观念正在更新。因此，LTCC技术所具有的成本低、制造周期短和容易掌握等优点使其占有一定程度的优势。

　　由于LTCCMCM－C使用高电导率金属，所以它比HTCCMCM－C更有许多优点。HTCC基板使用钨导体，不能用于毫米波频段（20GHz～40GHz）和更高的频率范围内。LTCC技术比HTCC技术灵活得多。LTCC基板使用的具有不同介电常数和热胀系数的介质材料也使其更具吸引力。

　　总之，厚膜多层基板技术和高温共烧陶瓷多层基板技术由于它们的成熟性，已成为今天的技术。然而，未来属于低温共烧陶瓷多层基板技术。今后，材料不断改进、工艺控制更完善和技术日趋成熟等因素将使LTCC的天然优势更为突出。当然，最可能的情况是所有这些技术将在各自的适用范围内继续发挥作用。国际上一些知名公司纷纷投资发展陶瓷厚膜型多芯片组件，如IBM公司投资10亿美元发展MCM－C和MCM－C/D即为一例。由此可见，MCM－C有着十分宽广的发展前景。