薄膜高密度互连技术及其应用

薄膜高密度互连技术及其应用云振新(国营970厂，四川成都610051)1 引言现代电子装置对小型化、轻量化、高性能化、多功能化、低功耗化和低成本化的要求不断提高且日益迫切。

手机等便携式电子装置是体现这些要求的典型例子。

现代电子装置的需求推动微电子集成技术迅速发展，系统芯片(SoC)、系统级封装(SIP)、多芯片组件(MCM)、高密度互连(HDI)等多种新技术不断涌现。

高密度互连结构可以采用不同的技术来实现。

每一种技术都有其优点和缺点。

但就高互连密度和最佳电气性能而言，一般认为多层薄膜技术是最佳选择。

使用这一技术可使线宽和线距很容易达到20μm、甚至10μm的极小尺寸，而且仅需两层细线布线层就能实现密度非常高的互连结构。

此外，薄膜高密度互连技术还能制造高质量的集成无源元件，包括电阻器、电容器、电感器和各种传输线。

薄膜多层高密度互连结构不仅尺寸小、互连密度高，而且具有优异的高频性能。

薄膜高密度互连技术是一种应用广泛的小型化集成技术，更是实现RF电路和微波电路低成本集成的一种优先解决方案。

2 概述[1]、[2]高密度互连(HDI)基片被定义为比一般PCB具有更高单位面积连线密度的基片。

同普通PCB相比，HDI基片的线宽和线距更加精细(<75 μ m)、通孔小(<150μm)、定位焊盘(Capture Pad)也小(<400μm)、连接焊盘(Connection Pad)密度较大(>20个焊盘·cm-2)。

HDI基片在微电子集成技术中用来缩小尺寸、减轻重量和提高电气性能。

HDI基片在日本称作"积层板"(build-up board)，在美国又被称作"序列积层"(SBU，Seauential build-up)板或"微孔"(Microuia)板。

虽然有多种技术都可用来制造HDI基片，按照上述定义，从尺寸缩小角度来看，薄膜技术显然是获得高互连密度的最佳技术。

MCM-D(淀积薄膜型多芯片组件)基片就是一种薄膜高密度互连基片。

这种基片是制造MCM-D最重要的基础，直接决定着MCM-D的尺寸、封装密度和性能。

众所周知，MCM-D是一种十分重要的高密度小型化封装技术。

这从一个侧面充分反映了薄膜高密度互连技术在微电子集成方面的重要意义。

薄膜高密度互连技术是在薄膜制备、光刻等IC工艺技术基础上发展起来的。

其主要特点是相继地沉积用做导体的金属薄膜和作介质隔离层的绝缘膜．薄膜高密度互连基片采用半导体加工的薄膜工艺、设备和方法进行制造，一种广泛使川的工艺是在硅或氧化铝圆片(也可用其他基片)上形成多层结构。

先将聚酰亚胺涂覆在圆片上，逐步升高温度到425℃时固化。

接着，用光刻作为掩膜或使用光刻出图案的金属或旋转涂覆玻璃(SOG)作为掩膜，等离子刻蚀通孔。

然后，将金属(一般为铝或铜)溅射在整个表面上，同时覆盖通孔的壁上。

之后，用光刻工艺刻蚀成所需的导体图案。

通过重复上面的工艺，旋转涂覆另一层聚酰亚胺，固化、刻蚀通孔和进行金属化，直到产生所要求层数的信号层、接地层和电源层为止。

除聚酰亚胺之外，还可采用其他介质作绝缘膜。

图1是一种MCM-D用薄膜多层高密度互连基片的剖面示意图。

3 设计与工艺考虑薄膜高密度互连基片在设计过程中要涉及许多技术参数和材料。

通过对信号线、尺寸、噪声和响应条件进行恰当的选择与设置，可以实现不同的设计要求。

用途不同，设计方案也就不一样。

适合某些应用场合的基片材料、金属化结构和互连技术对其他应用场合就不完全适用。

无论是需要电阻器网络、集成电阻器-电容器网络、多层元件、定制薄膜网络、还是需要特定形状的基片，都必须对不同的方案进行充分的比较、评价然后择优确定。

这对设计工作无疑是十分重要的。

制定薄膜高密度互连基片的设计方案。

通常包含下面几个主要的步骤：①选择基片材料。

②确定导体金属材料。

③根据功率和单元尺寸要求来确定电阻器是设置在基片正面还是底面。

④如果从正面至底面的各层间需要电气连接，则必须考虑是用固体填充通孔还是用金属化通孔来实现这种连接。

⑤根据电容器、空气交叉、耦合器等其他元件的设置情况，设计另外一个布线层连接这些元件，用以完成高密度互连。

3.1 基片基片既是电气互连图案和制造膜电阻器的基底又是装配器件的机械支撑和器件散热的媒质。

它必须满足一系列电气、物理、化学、热学、机械等多方面的性能要求。

基片选择是电路设计中最重要的工作之一。

基片材料多种多样，每种材料都有其独特的性能。

基片选择时考虑的主要因素是终端应用要求。

必须充分了解各种基片材料的特点和性能。

只有这样才能选出最适合终端应用的基片材料。

薄膜高密度互连采用氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、氮化铝陶瓷、硅、石英等多种材料作基片、氧化铝陶瓷基片广泛用于一般薄膜集成电路和微波中功率集成电路，要求基片的氧化铝含量大于99.6％(重量百分数)和表面光洁度0.025～0.15μm CLA(中心线平均值)。

在质量和等级方面，薄膜用氧化铝基片比厚膜用氧化铝基片要求高得多。

石英基片具有表面光洁、损耗因数低、热膨胀系数很小(仅为0.55×10-6／℃，是氧化铝基片的l／10左右)等特点，可制作很高密度的互连图形，特别适合微波、毫米波、小功率、低并联电容场合使用。

但石英基片的价格较高。

硅、氧化铍、氮化铝等三种基片的导热性能好，它们的热导率比氧化铝基片和石英基片高得多。

硅基片可在中功率、大功率直流场合使用，而且是高密度多层细线布线的最佳基片。

氧化铍是一种集高绝缘电阻和高热导率于一身的基片材料。

其热导率接近金属铝并具有极好的塑料才有的绝缘电阻。

而且，它的热导率值与材料纯度密切相关。

高纯度氧化铍陶瓷的热导率比典型的环氧塑料高l200倍，比大多数玻璃高200倍，优于氧化铝陶瓷6～10倍。

常用氧化铍材料的热导率在25℃时一般为300W(m·k)-1，在l00℃时通常为240W(m·k)-1。

它的主要问题是成本高和制造中的毒性。

氧化铍适合在大功率混合电路和大功率微波电路中做互连基片。

氮化铝的性能与用途同氧化铍类似，具有高热导率(170 W(m·k)-1～200W(m·k)-1)和优良的电气、机械性能，但是不像氧化铍那样有毒性。

氮化铝的另外一个优点是热膨胀系数(4.4×10-6／℃)低，可与硅的热膨胀系数(3×10-6／℃)形成良好的匹配。

由于氮化铝性能上的这些优点，使其作为高功率混合电路、大功率微波电路和高密度多芯片组件的互连基片而受到重视。

3.2 导体基片材料选定之后，电路设计的重要工作是确定导体材料和导体图案。

电流密度和导体阻抗对电路性能有很重要的影响，设计上要认真考虑。

作为互连线的导体带既要能承受要求的电流又要具有很低的电阻(对信号线尤其重要)，以保证电路性能的实现。

铝和金是最常用的导体金属材料。

金的导电性能优良，可传导很大的电流。

美国《混合微电路总技术规范》(MIL-H一38534)指出，在导体宽度同为500μm时，金的电流容量比铝大五倍。

金常常用作键合引线材料。

当键合引线长度大于1mm时，金的电流容量虽有较大降低，但仍然相当高。

但是，金线的直径是有限制的，通常在50μm以下，这就限制了可使用的电流容量的范围。

而铝线的直径就没有这种使用上的限制，因此通过增大铝线的直径可得到很高的电流容量。

在导体设计中必须考虑通孔的设置。

通孔用于穿过介质进行金属化层之间的电气连接，是高密度互连基片的重要组成部份之一。

通孔技术是薄膜多层高密度互连技术的关键技术之一。

通孔有多种形状，如叠加式、阶梯式、螺旋式、交错式、埋入式、偏移式、一端封闭式等。

导体图案结构不同，互连通孔的形状也不一样。

除了形状之外，通孔的尺寸及其纵横比、通孔壁的剖面形状等因素，也是通孔设计必须考虑的问题。

3.3 电阻器选择电阻器时，有如下几个重要问题需要考虑：(1)在实际的厚度范围内，具有可控制的、能重复的面电阻率(Ω／口)；(2)低的电阻温度系数(TCP)；(3)紧密的阻值跟踪；(4)长期的稳定性(在加电或热老化时有低的漂移)。

制造电阻器的常用材料有镍铬、氧化钽和铬硅氧化物金属陶瓷。

镍铬具有很低的电阻温度系数，而面电阻率比氮化钽高，是薄膜高密度互连技术中最常用的一种电阻器材料。

但镍铬电阻器的性能比氮化钽电阻器更易受环境条件变化的影响而不很稳定。

表1对镍铬电阻器和氮化钽电阻器的特性作了比较。

[1]铬硅氧化物金属陶瓷是一氧化硅和铬(SiO-Cr)的复合物。

它具有很高的面电阻率，能在最小的基片面积上制造出高阻值电阻器。

通过改变一氧化硅对铬的配比，可在较宽的范围内调整面电阻率的大小。

这为电阻器提供了设计灵活性。

最实用的面电阻率的范围是1 000 Ω／口～3 000 Ω／口。

这种电阻器的电阻温度系数一般是负的，当氧化物含量增加时，它将变得更负。

对于组份为70％Cr、30％SiO的陶瓷金属电阻，其电阻温度系数为一60×10-6／℃～-40×10-6／℃。

标准电阻器的电阻值为5Ω～2MΩ，绝对公差为5％～0.1％，比公差为1％～0.0l％。

而且，其比公差的大小与电阻值有关。

微波电阻器的电阻值范同较窄，为10 Ω～1 000Ω；其绝对公差和比公差均为0.5％；电阻温度系数小于200×10-6／℃。

无论是设计方法还是可用电阻值的范同，微波电阻器同一般的直流电阻器截然不同，它所考虑的问题更为复杂。

微波电阻器设计源于微波带状线技术。

微波电阻图形通常是一个不带任何切口的简单矩形。

切口会引起反射并将对电压驻波比特性产生不良影响。

当对电阻器的公差要求较严时，通常都在制造上采用调阻的方法来提高生产的合格率。

为了把调阻方法的不利影响减到最小，可以利用中心线来确定边界进行调阻，以保持频率响应特性不变。

当前的检验要求允许去除电阻器的一半。

采用高温稳定工艺可以制造出性能十分稳定的电阻器，其时间稳定性和温度稳定性都很好。

表2列出了主要的基片特性及其参数水平[3]。

3.4 切口、特殊成形和互连层在薄膜高密度互连技术的应用中，有许多场合需要将基片装入器件内的特定空腔中；而另一些场合则要求在基片上开出切口，用来放置与其表面齐平的芯片元件。

要满足这些应用要求，必须对基片进行加工。

CO2切割技术可以在基片上加工出各种形状，从圆片形到复杂的U形结构都可以实现。

U形结构具有多个孔位。

另外，CO2切割技术也可以用来对电镀通孔作钻孔加工、制作填充通孔以及在基片正反两面刻制图形。

加工的参数要求包括：定位公差为75μm，基片边沿与电路之间的距离不得小于50μm，最小内角半径为125μm，基片去除量为25％。

一般来说，应用装置对薄膜高密度互连基片提出的尺寸要求决定了互连层的层数。