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氮化铝共烧基板金属化及其薄膜金属化特性研究

胡永达  
【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。


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