氮化铝共烧基板金属化及其薄膜金属化特性研究

【摘要】： 大规模集成电路的发展，对芯片之间的互连提出了更高的要求，高端电子系统中高密度封装技术逐渐成为发展的主流。多芯片组件(MCM)是微电子封装的高级形式，它是把裸芯片与微型元件组装在同一个高密度布线基板上，组成能够完成一定的功能的模块甚至子系统。MCM还能够实现电子系统的小型化、高密度化，是实现系统集成的重要途径，在MCM中高密度布线的多层基板技术是实现高密度封装的关键。 氮化铝(AlN)陶瓷具有高导热率、低介电常数、高强度、高硬度、无毒性、热膨胀系数与Si相近等良好的物理性能，采用氮化铝作为介质隔离材料制备的AlN多层布线共烧基板，在高密度、大功率MCM的封装以及MEMS封装等方面具有广泛的应用前景。 共烧导带浆料与AlN生坯之间的烧结应力是造成基板失效的原因。为了消除二者之间的烧结应力，共烧导带浆料与AlN生坯必须同时进入烧结状态，具有相同的收缩特性。通过采用单质SiO_2玻璃粉，代替Y_2O_3、CaO和SiO_2等的混合物添加剂，得到了在烧结初期优良的AlN共烧基板材料收缩一致性。 AlN陶瓷的助烧剂是CaO和Y_2O_3，在烧结过程中会形成YAlO和CaAlO液相。通过改变导带浆料中SiO_2的含量，在促使导带浆料完成烧结的同时，在导带中也保留一定数量的孔隙。这样在烧结过程的保温阶段，为AlN烧结过程中的YAlO和CaAlO液相扩散达到基板表面提供了一定的扩散通道和驻留空间，导带在保温阶段也能够随着AlN一起自由收缩。从而保证了AlN陶瓷介质材料和导带浆料，在保温阶段的收缩一致性。 在陶瓷介质和导带浆料之间的界面位置，有SiO_2、AlN，以及AlN的添加剂CaO和Y_2O_3存在，它们四种单质材料发生反应，在界面位置形成ysialon，casialon玻璃相和CaSiAlO和YSiO的晶相，提高了焊盘的附着力。 经过实验，发现SiO_2含量在0.45％质量分数时，浆料与基板之间能够满足匹配性要求，烧结应力小，AlN共烧基板能够达到足够的致密度和平整度。这时的导带方阻达到10mΩ／口，基板的翘曲度小于50μm／50mm，导带焊盘的键合强度大于3kgf／mm~2，共烧基板的层数达到9层，AlN共烧基板尺寸达到50×50mm~2。这些指标达到了国外九十年代初期的研究水平，完全满足实用化的要求。 电子科技大学博士学位论文 聚酚亚胺（PI）是薄膜多层布线的重要介质材料，它是由两种单体在热处理 后聚合而成。它与金属薄膜的相互作用会影响金属薄膜材料的导电率，并且导 致自身的性能变坏。n与CU反应后，形成络合物，热处理时自身降解，击穿强 度降低，介电常数提高；CZ在热处理后从络合物离解出来形成CllO和CUZO。 这些缺陷可以通过在PI和Cu之间采用Cr膜作为阻挡层来解决。 Cr／Cu／Cr是目前常用薄膜互连结构。通过分析AW衬底上沉积的Cr／Cu／Cr 簿膜在不同热处理温度下的特性。得到以下结论：在 3 00 oC处理温度下，Cr、Cu 之间的相互扩散小，Cr膜致密，Cu膜没有显著的氧化，能够满足薄膜导带的要 求；但是升高温度至500oC以上，Cr、Cu膜之间的扩散加剧，Cr膜表面出现裂 纹，Cu膜被氧化。Cr、Cu之间没有形成合金或化合物。