MCM－C多层基板技术及其发展应用(续一)

孙承永西安电子科技大学（西安710071）

2共烧陶瓷多层基板技术

2．1共烧陶瓷多层基板的基本结构

　　共烧陶瓷多层基板是由印有导电带图形和含有互连通孔的多层陶瓷生片相叠烧结而形成的一种互连结构。高密度多层互连基板可以最大限度地增大布线密度和尽可能地缩短互连线长度，从而提高组装密度和信号传输速度。共烧陶瓷多层基板由于使用多层导电带金属化烧结和多层陶瓷生片烧成同时完成的工艺（陶瓷多层共烧工艺），其层数可以做得较多（理论上没有限制），因此布线密度也较高。此外，基板材料的热胀系数可以调整到和硅器件一致，有利于在基板表面安装硅器件。由于共烧陶瓷多层基板能适应电子整机对电路小型化、高密度、多功能、高可靠、高速度、大功率的要求，所以获得了广泛应用。

共烧陶瓷多层基板是导体和绝缘介质交替形成的一种致密的独石结构。共烧陶瓷多层结构由未经烧结的介质带切成的生片组成，介质带由氧化铝粉体、少量玻璃和各种有机成分的混合物采用流延法制成。流延法是由流延浆料形成生瓷带的方法，使用位于传送带上方的刀片监控浆料厚度。由浆料形成的介质带烘干后的厚度通常为0.25mm。共烧陶瓷结构展开图参见图5。

图6示出了共烧陶瓷多层基板的典型结构，左上角示出了多层陶瓷基板的横截面，顶层有各种尺寸的焊盘，用于焊接芯片或其它元器件与键合引线。基板内部导体层与介质层交替排列，导体层包括信号层、电源层与接地层，可根据组件的互连要求，对它们作适当的交叉排列。导体之间由通孔实现立体互连。多层基板的通孔，可根据布线要求而灵活设计，图6右上角示出了相叠孔和阶梯孔等两种形式。

　　规模较大的系统包含数字电路与模拟电路，为了防止信号干扰和便于调试，设计出一种子母式多层陶瓷基板，如图7所示。图中的子母板由四块子板和一块母板组成，数字电路子板实际上是一个单独的MCM－C，子板底部有多个引出焊点，可与母板连接。模拟电路子板采用表面安装结构。母板有四层布线，用以实现各子板之间的互连。母板的上下两面各安装两块子板，两边有标准数量的双列引线，与外电路连接。

　　高温共烧多层陶瓷的共烧过程是在（1600～1850）℃的高温下完成，高温共烧陶瓷多层基板的特点是结构强度高、电热性能好、化学性能稳定和布线密度高。目前，高温共烧陶瓷多层基板的技术水平为60层，导体线宽为0.2mm，导体线距为0.5mm，通孔直径为0.2mm，布线密度为40cm/cm2，基板最大尺寸为127mm×127mm。VLSI、ASIC、微波半导体器件、各类大功率器件均采用高温共烧陶瓷多层基板封装技术。美国IBM公司于八十年代初开发的用于大型计算机的高热导组件TCM，就是具有300W功率耗散能力的大规模MCM－C，其中使用的高温共烧陶瓷多层基板共有33层，基板尺寸为90mm×90mm×5.5mm。使用96％氧化铝陶瓷和钼导体。基板上安装了110个LSI芯片，每个芯片有121个焊点，采用倒装焊安装在基板上。芯片间互连线的总长度为30m，层间互连通孔共16000个，是一个典型的高密度互连结构。TCM是全密封结构，在组件全部使用期内，进入腔体的空气量不得超过原有气体总量的13％。为了降低腔体内部气体的热阻，腔体内部充以1.6个大气压的氦气。氦气的热导率高，并与组件的各种材料有很好的兼容性。

图5共烧陶瓷结构展开图

图6共烧陶瓷多层基板的典型结构

图7共烧陶瓷多层子母板组件

图8共烧陶瓷多层基板的主要工艺步骤

　　低温共烧多层陶瓷基板的共烧温度一般在（800～950）℃之间。低温共烧陶瓷多层基板由于烧结温度低，可用电阻率低的金属作为多层布线的导体材料，可以提高组装密度、信号传输速度及内埋与多层基板一次烧成的钌系电阻、电容。低温共烧陶瓷多层基板的性能优良，目前已在计算机、通信、军事等领域获得应用。NEC公司制成78层的低温共烧多层基板，其面积为22.5cm×22.5cm，可安装100个LSI芯片，用于超大型计算机多芯片组件。

　　高温共烧陶瓷多层基板和低温共烧陶瓷多层基板有着良好的发展前景，前者将在大功率电路中得到广泛应用，后者可用作高速MCM的高密度互连基板。

2．2共烧陶瓷多层基板的工艺技术

　　共烧陶瓷多层基板的主要工艺步骤见图8，其中包括配料、流延、打孔、填充通孔、印刷导体浆料、叠层热压、切片和共烧等工序。下面先介绍两种共烧陶瓷多层基板的工艺流程，然后针对主要工艺技术进行较详细的讨论。

　　(1)共烧陶瓷多层基板的工艺流程

高温共烧陶瓷多层基板中所用导体材料的电导率低，因而限制了其应用范围。如果把厚膜技术中所用的较高电导率的导体（如金、银、铜等金属）用于共烧技术，则必须把共烧陶瓷多层基板的烧结温度降低到850℃左右，因而开发了低温共烧陶瓷技术。高温共烧陶瓷（HTCC）多层基板和低温共烧陶瓷（LTCC）多层基板的工艺流程分别示于图9和图10。

(2)共烧陶瓷多层基板的关键制造技术

1)生瓷带流延技术

　　流延的目的是把陶瓷粉料转变为易于加工的生瓷带，对生瓷带的要求是：致密、厚度均匀和具有一定的机械强度。流延工艺包括配料、真空除气和流延等三道工序。在陶瓷粉料中加入适当的粘合剂，经过球磨混料后形成高粘度浆料。流延技术要求陶瓷粉料的粒度小和形状好（一般为球形），流延浆料的流动性好，溶剂挥发速度适当。粘合剂是流延工艺中的关键材料，在流延工艺中起着十分重要的作用。粘合剂通常包括树脂、增塑剂、润湿剂、溶剂等成分。树脂是瓷粉的载体，瓷粉颗粒均匀地分散和镶嵌在树脂中，形成既具有一定强度和塑性，又便于打孔和印刷金属导体图形的生瓷带。增塑剂控制生瓷带的韧性；润湿剂可以打开瓷粉的团粒，使瓷粉的每一颗粒包裹一层树脂薄膜；溶剂用来溶解树脂，并可控制流延浆料的粘度。粘合剂在基板成形后要全部排除。因此，粘合剂中各成分的排除温度要有一个合理的梯度。流延后，浆料中一部分溶剂在100℃左右挥发出去，继续加热时生瓷带中含有的各种溶剂不断挥发，加热到300℃时可以排除干净。温度不到600℃时树脂在空气中就可氧化分解完毕，而在氢气中完全分解的温度则是1100℃。流延浆料中的树脂必须具有良好的热塑性，即温度升高时生瓷带变软的特性，以便叠层热压时各层之间能形成很好的结合，而且这种变软的温度最好在（50～100）℃之间。不同陶瓷材料所采用的流延粘合剂配方不尽相同，表2针对不同材料类型示出了常用的流延粘合剂配方，列出了各成分的重量百分比。目前，国际上常用的粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛（PVB）系统，属溶剂型粘合剂系统，其主要优点是工艺成熟和性能稳定，其最大缺点是有毒，要求采取必要的环保和防护措施。

图9高温共烧陶瓷多层基板的工艺流程

图10低温共烧陶瓷多层基板的工艺流程

　　我国自行开发了水溶性粘合剂系统。该粘合剂用水作溶剂，无毒、无气味、无污染，容易清洗。粘合剂可以预先配制，使用时按比例与瓷粉混合即可。用水溶性粘合剂制成的流延生瓷带在热压温度下有一定的粘性，所以叠层时不用粘结剂，热压时所需压力小。由于热压温度低（50℃），所以不要求真空环境。此外，排胶温度范围窄（180℃～285℃）和排胶速度快。高温烧结后基片各方向的收缩率相同，平整度好，不易分层、起泡和变形。

表2常用的流延粘合剂中各成分所占

的重量百分比（wt％）

　　由于流延浆料中含有大量气泡，所以流延前必须进行真空除气，以免在生瓷带中出现针孔。真空除气时，要求真空室具有良好的气密性，以免浆料氧化而出现结皮、起渣等现象。浆料在除气过程中产生的大量水汽和有机气体，会污染真空泵油，使油泵无法正常工作。选用真空泵时必须注意这个问题。

　　通常，流延浆料由氮气或压缩空气压入料斗，用位于传送带上方的刮刀控制流延层的厚度，传送带移动时一定厚度的浆料便均匀分布在载带上。在（80～120）℃温度下烘干后，即可将生瓷带卷在轴上备用。为了便于从载带上剥离生瓷带，作为载带的钢带或聚酯带上应涂复适当的脱膜剂。溶剂型浆料的干燥比约为3∶1，水溶性浆料的干燥比约为2∶1。生瓷带的比重为2.6g·cm－3，应达到反折180度不断裂。生瓷带厚度可做到小于0.1mm。

2)生瓷片打孔技术

生瓷片上打孔是共烧陶瓷多层基板制造中极为关键的工艺技术。孔径大小、位置精度均将直接影响布线密度与基板质量。在生瓷片上打孔就是要求在生瓷片上形成（0.1～0.5）mm直径的通孔。打孔过程中要求对孔周围的影响要小。生瓷片上打孔的方法有以下三个：

①数控钻床钻孔

利用计算机控制钻床对生瓷片打孔的优点是打孔位置正确与精度较高（可达±50μm）。孔的大小取决于钻头尺寸，一般来说，最小孔径一般在0.3mm左右。数控钻床的对位可采用模拟方法，即将标有打孔位置的版图置于摄象机前，通过荧光屏确定在生瓷片上打孔的位置，既方便又准确。由于数控钻床钻孔是按照预先设计的程序依次进行的，所以打孔效率不高，打孔速度为每秒（3～5）孔。此外，机械钻孔对孔的边缘会产生一定影响。

②数控冲床冲孔

数控冲床冲孔是对生瓷片打孔的一种较好方法，特别对定型产品来说，冲孔更为有利。可用冲床模具一次冲出上千个孔，其最小孔径可达0.05mm。打孔效率高，打孔速度为每秒（8～10）个孔，精度为±10μm，适合于批量生产。由于孔的数量和排列都不同，不同层的生瓷片上打孔所需的模具不同，因而提高了成本。通过冲模设计标准化，可以减少模具的品种和数量，降低成本。

③激光打孔

激光打孔是生瓷片的理想打孔方法。目前常用二氧化碳激光器作为生瓷片打孔机的光源。二氧化碳激光器功率大，生瓷片内的有机粘合剂容易被二氧化碳激光所汽化，打孔过程中对生瓷片的影响小，其最小孔径可达50μm。Q开关Nd－YAG激光器的打孔速度可达每秒（250～300）孔，打孔精度为±25μm。激光打成的孔有25μm左右的倾斜度，有利于留存导体浆料，也可提高叠层时上下对准的精度。

3)生瓷片金属化技术

　　生瓷片金属化技术的内容可分为两部分：通孔填充与导电带图形的形成。

①通孔填充

　　通孔填充的方法一般有两种：丝网印刷和导体生片填孔。目前使用最多的是丝网印刷法。丝网印刷时采用负压抽吸的方法，可使孔的周围均匀印有导体浆料。印刷机工作台的四角上各有一个与生瓷片定位孔相对应的定位柱，直径为（1.5～1.6）mm。用真空泵在工件下方抽气，形成负压，压力一般为（665～865）Pa。丝网印刷以采用250目以上的不锈钢丝网或高开孔率尼龙丝网为宜，最好采用接触式印刷。填充通孔的导体浆料与形成导电带的导体浆料的组分不同，其粘度应加以控制，充分使其凝胶化，使通孔填充饱满。高温共烧氧化铝陶瓷多层基板通孔和导电带所用的导体浆料组成的比较示于表3。

　　导体生片填孔法是将比生瓷片略厚的导体生片冲进通孔内，以达到通孔金属化的目的，此法有利于提高多层基板的可靠性。导体生片也是使用流延法制作的，填充高温共烧氧化铝陶瓷多层基板通孔的导体生片流延浆料的配方示于表4。尽管此法是通孔金属化的有效方法，但尚须解决较多工艺问题，才能推广应用。

表3高温共烧氧化铝陶瓷多层基板通孔和导电带所用的导体浆料组成的比较

图11热压压力与坯体收缩率的关系

　　②导电带形成

导电带形成的方法有两种：传统的厚膜丝网印刷工艺和计算机直接描绘法。采用丝网印刷技术制作导电带时，最细的线宽可达100μm，最小的线间距可达150μm。生瓷片上印刷的导电带的厚度应比一般厚膜工艺要求的厚度薄一些，此外，各层生瓷片之间的对位精度要高。直接描绘法应用计算机控制对位、布线，用导体浆料直接描绘出导电带图形。膜厚均匀，并且可控。线宽均匀，可细达(50～100)μm。描绘速度可在(1.3～125)mm·s－1范围内调节。导电带图形直接描绘法对导体浆料的细度、粘度、烘干速度均有很高要求。计算机直接描绘法无需照相、制版、对位和印刷，方便灵活，但设备投资大，操作复杂，生产效率低。

4)叠片与热压技术

　　烧结前应把印刷好金属化图形和形成互连通孔的生瓷片，按照预先设计的层数和次序叠到一起，在一定的温度和压力下，使它们紧密粘接，形成一个完整的多层基板坯体。该过程包括叠片和热压两道工序。叠片时除严格按照设计顺序外，还要求精确定位，以确保各层之间图形的对准精度。利用生瓷片的热塑性进行热压，热压温度通常为(60～120)℃，压力为(50～300)kg·cm－2，视基板面积和层数而定。为了避免烧结过程中产生分层、起泡、开裂等现象，生坯热压过程应该在真空环境中进行，有利于排除气体和提高粘附强度。用水溶性粘合剂制成的生瓷片，热压时温度和压力均取下限，也不需要在真空环境中进行。热压压力应均匀一致，热压压力对坯体烧结时的收缩率有很大影响[3]，图11示出了两者之间的关系。

由图11中可以看出，AB区间是收缩率的敏感区，压力越大，收缩率越小。在A点以前，压力太小，坯体压合不好，会出现分层，并且收缩率较大，收缩率的一致性较差；在B点之后，收缩率趋于稳定。如果热压压力过大，则排胶时会起泡分层。为了精确控制收缩率（通常为15％），压力应略超过B点。用等静压机可使生坯受压比较均匀，烧结时收缩率的一致性好，有利于提高对位精度。NEC公司的收缩率一致性误差为0.3％。

5)排胶与共烧技术

①排胶工艺

　　将叠片热压后的陶瓷生坯放入炉中排胶。由于使用的导体材料不同，排胶时所采用的气氛也不同。对于钼、铜、镍等贱金属材料，需要在氮、氢等气氛中进行排胶；如果导体为金、银、钯银等贵金属材料，只需在空气中进行排胶。排胶是有机粘合剂汽化和烧除的过程，升温过程中生坯内的溶剂首先挥发，温度升到200℃以上，树脂开始氧化分解，排胶结束时分解量应为(60～65�玻ァ；�板坯体的排胶温度曲线与生坯中粘合剂成分有关。对于溶剂型粘合剂，升温速度为每小时(20～50)℃,升到450℃后,保温(3～5)小时；对于水溶型粘合剂，升温速度为每小时(20～30)℃,升到285℃后，保温(4～6)小时。然后自然冷却。排胶的升温速度取决于生坯在该温度下失重率的高低。在失重率高的温度区间，升温速度应尽可能放慢，使坯体中树脂氧化分解产生的大量气体得以充分排出。保温时间长短视基板厚度而定，对于层数多、尺寸大、形状复杂的基板，排胶速度要相应放慢。排胶工艺对共烧多层陶瓷基板的质量有着严重影响。排胶不充分，烧结后基板会起泡、变形或分层；排胶过量，又可能使金属化图形脱落或基板碎裂。

②共烧技术

　　高温共烧陶瓷（HTCC）多层基板和低温共烧陶瓷（LTCC）多层基板分别采用高温共烧技术和低温共烧技术。

　　高温共烧陶瓷多层基板的烧结一般分为两个阶段。以96％氧化铝为例，(285～1200)℃是生坯中树脂残留物继续分解和彻底排除的阶段，(1350～1650)℃是坯体中玻璃相生成、润湿氧化铝颗粒、瓷体和金属导体烧结及基板尺寸收缩定型的阶段。高温共烧过程所用气氛至关重要，必须采用湿氢气氛，以便保护基板上的金属化材料和烧结炉的加热元件不被氧化。适当的氧分压可使坯体中残留的树脂分解干净，还能保护陶瓷中的氧化物不被氢气还原。氢气进入时通过加湿器中的水槽，带入了一定量的水汽。通过水温高低控制水汽量的大小，水温一般为(40～55)℃。

图12高温共烧陶瓷多层基板的典型烧结曲线

图13共低温共烧陶瓷多层基板的典型烧结曲线

图14Cu－O－C系统的热力学特性

　　陶瓷材料的密度为其重要技术指标之一，因为它直接影响陶瓷的机械、电气特性。96％氧化铝陶瓷的密度应为3.7g·cm－3。残留碳的多少是影响陶瓷密度的重要因素。1200℃以上残留碳继续与湿氧中所含氧气反应，生成二氧化碳气体排出。如果这过程在瓷体中的气孔封闭（1450℃）以前尚未完成，则少量二氧化碳气体将由于无法排出而夹杂在陶瓷颗粒之间，使瓷体的体密度下降。为了得到密度高和机械、电气性能良好的高温共烧陶瓷多层基板，必须严格控制烧结过程中的升温速度，使残留的碳有足够时间进行氧化和排出。通常在温度范围(300～1450)℃之间，升温速度应控制在每小时200℃以下。高温共烧陶瓷多层基板的典型烧结曲线如图12所示。96％氧化铝陶瓷的烧结规范是：300℃以前快速升温，(300～1450)℃之间为每小时升温200℃，(1450～1650)℃之间为每小时升温300℃，在1650℃下保温(1～1.5)小时。冷却速度为每小时300℃，烧结全过程约(12～15)小时。由于烧结温度高，必须采用钨和钼锰合金等耐熔金属作为导体，而且烧结时必须采取保护措施，防止导体氧化。

　　高温共烧陶瓷多层基板烧成后，沿X、Y轴方向约有17％的收缩，沿Z轴约有20％的收缩。必须检查基板的尺寸精度、体密度、晶粒大小、吸水率和外观缺陷，还要使用在线测试仪对基板的多层而线进行通断测试。通常在线测试仪分为飞针式和针床式，大批量生产时可按所设计的测试点设置针床，通过一次测试即可得知各通路的电阻值和有关导体之间的绝缘电阻值。

　　低温共烧技术的关键是烧结曲线和炉膛温度的均匀性。烧结时升温速度过快，会导致基板的平整度差和收缩率大。炉膛温度的均匀性差，烧结后基板收缩率的一致性也差。低温共烧陶瓷多层基板的烧结温度一般在（800～950）℃之间。导体浆料可用金、银、钯银、铜等电阻率低的材料。目前使用最多的是金浆料，有不少公司已开发出铜导体多层基板。使用金或钯银导体的低温共烧陶瓷多层基板可在空气中进行烧结，典型烧结曲线示于图13[4]。铜导体无论是导电性，还是可焊性，均优于金导体，并且价格低廉，但其需要在中性或还原气氛中烧结。

　　IBM的ES9000计算机采用了63层铜导体低温共烧陶瓷多层基板。铜浆料和玻璃陶瓷的共烧过程对基板性能有着重大影响。选择烧结气氛时必须保证生瓷带中有机成分能够排除干净。这两种材料开始收缩的温度对最终收缩率有着很大影响，存在着明显的收缩率失配问题。

　　制造铜导体低温共烧陶瓷多层基板时遇到的第一个困难是：常规生瓷带中的粘合剂PVB，在还原气氛中温度低于1150℃时不可能完全排除。许多聚合物加热时的失重行为，单独存在时和形成生瓷带时大不相同。因此，开发了一些新型粘合剂系统，如聚丙烯、聚氧化甲烯等。制造铜导体低温共烧陶瓷多层基板时遇到的第二个困难是：在大气或还原气氛中排除粘合剂的时间太长，铜会发生氧化。按结晶学原理，氧化铜还原要发生体积变化，又会影响基板的平整度。

　　只要环境中含有很少量的氧气，就可使铜氧化。大多数商用氮气的含氧量为（2～100）ppm，就足以使铜氧化。研究结果示于图14。烧结过程中必须严格控制气氛中氢气与水汽的比例，以求做到只氧化碳，而不氧化铜。并且要按预先设定的加热程序，在玻璃封闭气孔之前，排除掉生坯中所有的气体成分。

　　必须对烧结好的低温共烧陶瓷多层基板进行检测，以验证多层布线的连接性。主要使用探针测试仪进行检测。美国BSL公司生产的双向探针测试仪可对基板两面进行开路、短路和高阻失效测试。