基于陶瓷襯底的薄膜再布線工藝及組裝可靠性研究

朱喆，黃陳歡，李林森，劉俊夫

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所微系統(tǒng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所，合肥 230088）

1 引言

隨著微系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，武器裝備導(dǎo)引系統(tǒng)在體積微縮的前提下，仍然要提升其信息處理能力。高算力、大容量計(jì)算芯片在武器裝備導(dǎo)引系統(tǒng)中必不可少，這類芯片通常具有相當(dāng)數(shù)量的I/O 引腳和高的引腳密度，這使其封裝技術(shù)遇到了挑戰(zhàn)?；谔沾煞庋b技術(shù)的薄膜陶瓷多芯片組件（MCM-C/D），通過在陶瓷外殼上制備高精度的薄膜布線，為內(nèi)部電路元器件提供氣密環(huán)境[1]。該封裝技術(shù)可滿足航天等領(lǐng)域?qū)ζ骷呖煽糠庋b的需求。而使用該技術(shù)對(duì)計(jì)算類芯片進(jìn)行封裝時(shí)，在滿足組裝可靠性要求的同時(shí)，其封裝載板布線的制備工藝也遇到了高密度細(xì)線條的調(diào)整等難題。

常規(guī)薄膜布線工藝可以在陶瓷、金屬等表面實(shí)現(xiàn)數(shù)μm 到數(shù)十μm 級(jí)別的布線，常規(guī)的陶瓷布線能力大于100 μm。而常見計(jì)算芯片多以球柵陣列封裝（BGA）形式引出，焊盤節(jié)距為200 μm 左右，球徑在100 μm 左右。由于其I/O 數(shù)量較多，若要將引腳互連散出，直至達(dá)到陶瓷布線120 μm/120 μm 的密度，需要一層50～120 μm 線密度的布線層作為過渡，因此至少需要兩層薄膜布線。多層薄膜布線結(jié)構(gòu)在硅轉(zhuǎn)接板、玻璃轉(zhuǎn)接板等領(lǐng)域有較多研究，以陶瓷為襯底的薄膜再布線工藝業(yè)內(nèi)多見于基于低溫共燒陶瓷的MCM-C/D 研究，應(yīng)用于微波射頻領(lǐng)域。相比而言，高溫共燒陶瓷（HTCC）在機(jī)械強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、氣密性上均有優(yōu)勢(shì)，有望形成高氣密性、高可靠的MCM-C/D 載板[2-5]。在高溫共燒陶瓷襯底上制備兩層薄膜布線，需要合理設(shè)計(jì)復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)、處理層間工藝界面，使薄膜圖形仍然具有高精度、高密度的優(yōu)勢(shì)。因此，有必要對(duì)陶瓷襯底上的薄膜多層布線技術(shù)進(jìn)行研究。針對(duì)以上問題，本文進(jìn)行了再布線層結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)及膜層附著力、可焊接性等相關(guān)研究。

2 陶瓷襯底上的再布線層設(shè)計(jì)

計(jì)算芯片對(duì)封裝布線載板的布線能力要求高，所使用的陶瓷襯底為多層疊燒的共燒陶瓷，共燒陶瓷層間通過金屬鎢漿料填充的通孔互連。在共燒過程中，生瓷帶與金屬漿料發(fā)生不同程度的收縮，由于生瓷帶的收縮程度大于金屬漿料，在陶瓷燒結(jié)整平后，表層的通孔位置存在鎢柱凸起現(xiàn)象，需要通過研磨拋光，消除鎢柱凸起，為薄膜布線提供平整、致密的工藝平面[6]。圖1 為共燒陶瓷襯底表面鎢柱凸起示意圖，拋光與未拋光的共燒陶瓷襯底表面狀態(tài)如圖2 所示。

圖1 共燒陶瓷襯底表面鎢柱凸起示意圖

圖2 拋光與未拋光的共燒陶瓷襯底表面狀態(tài)

在研磨拋光處理的陶瓷襯底上制備薄膜再布線層需要綜合考慮薄膜與陶瓷附著力、薄膜再布線層層間附著力以及與封裝芯片I/O 管腳的組裝適配性。因此，設(shè)計(jì)了如圖3 所示的基于共燒陶瓷襯底的薄膜多層再布線結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)為HTCC-2M2P 結(jié)構(gòu)。

圖3 基于共燒陶瓷襯底的薄膜多層再布線結(jié)構(gòu)剖面

采用光敏聚酰亞胺作為薄膜再布線介質(zhì)層。金屬膜層導(dǎo)體為Cu，為了增強(qiáng)金屬導(dǎo)體與陶瓷襯底的結(jié)合，同時(shí)防止Cu 向介質(zhì)層中擴(kuò)散，造成可靠性問題，需要在導(dǎo)體Cu 下設(shè)計(jì)過渡層[7]。M2 層起元器件組裝和互連功能，為了提升布線密度，降低因?qū)訑?shù)增加和工藝界面增加帶來(lái)的可靠性風(fēng)險(xiǎn)，M2 層采用可焊接的膜層結(jié)構(gòu)。將P2 層制備在M2 層上，形成表層焊盤開窗。金屬層間的絕緣與通孔互連，采用光敏聚酰亞胺材料制備介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)，該材料介電常數(shù)低（＜3.5），有利于降低高速信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間，提高傳輸速率?；谔沾梢r底的薄膜再布線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 基于陶瓷襯底的薄膜再布線結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 薄膜再布線層制備

薄膜再布線結(jié)構(gòu)的工序流程如圖4 所示，通過逐層制備實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)。首先對(duì)研磨拋光過的陶瓷襯底進(jìn)行高溫烘烤、化學(xué)試劑清洗等處理，然后使用真空濺射工藝沉積M1 層的金屬種子層。為了提升金屬與陶瓷的結(jié)合力，在金屬Cu 之前沉積一層黏附層[8]，M1層圖形使用局部生長(zhǎng)的加法工藝制備。M1 層種子層腐蝕去除后，開始制作P1 層。P1 層使用光敏聚酰亞胺，通過旋涂、曝光、顯影，在M1 層金屬圖形上制備出具有通孔的P1 層圖形。介質(zhì)通孔的填充與M2 層金屬生長(zhǎng)同步完成，通過種子層沉積、光刻掩模、局部生長(zhǎng)，然后腐蝕去除種子層，完成M2 層金屬的制備。為了減少布線層數(shù)和提升再布線結(jié)構(gòu)的可靠性，將M2 層金屬設(shè)計(jì)成可焊膜層，不單獨(dú)制備焊盤下金屬層。M2層作為可組裝平面，其圖形間的阻焊通過制備P2 層實(shí)現(xiàn)。

圖4 薄膜再布線結(jié)構(gòu)的工序流程

本文所述的陶瓷基薄膜再布線結(jié)構(gòu)應(yīng)用于計(jì)算芯片封裝領(lǐng)域，布線線寬/間距在40 μm/40 μm 及以下[9]，并且具有大量平行的差分信號(hào)線。若采用整面鍍覆再蝕刻的減法工藝制備圖形，濕法腐蝕液的鉆蝕難以保證細(xì)線條圖形的完整度，并且干法刻蝕4 μm 的金屬Cu 對(duì)于光刻掩模的抗性將是巨大的挑戰(zhàn)。因此本文采用加法工藝制備金屬圖形，通過光刻膠形成圍壩來(lái)約束密線條生長(zhǎng)的形貌，然后去除光刻膠圍壩，蝕刻掉較薄的種子層來(lái)獲得金屬線條。經(jīng)此工藝制備的M1 和M2 層金屬圖形照片如圖5 所示，圖6 為陶瓷基薄膜再布線結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖5 M1 和M2 層金屬圖形照片

圖6 共燒陶瓷基薄膜再布線結(jié)構(gòu)剖面

薄膜再布線的介質(zhì)層采用光敏聚酰亞胺材料制備，介質(zhì)層通孔的質(zhì)量影響層間金屬互連，進(jìn)而影響電信號(hào)在多層結(jié)構(gòu)中的傳輸，是再布線技術(shù)的核心。通過調(diào)整曝光、顯影、固化參數(shù)，可以獲得形貌良好的介質(zhì)通孔，為金屬填孔提供有利條件[10]。圖7 給出了幾種典型的光敏聚酰亞胺介質(zhì)層通孔形貌。經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，剖面呈倒梯形且孔底無(wú)膠殘留的通孔最有利于金屬化填充。

圖7 光敏聚酰亞胺介質(zhì)層通孔形貌

4 測(cè)試與評(píng)價(jià)

4.1 結(jié)構(gòu)測(cè)試

參考標(biāo)準(zhǔn)GJB548C 方法2032.1 中平面薄膜元件檢查條目對(duì)金屬化突出和多層薄膜缺陷的判定標(biāo)準(zhǔn)：1）金屬化突出與相鄰工作金屬化之間的初始間隔減小了50%以上，不得接收；2）絕緣材料擴(kuò)展超出金屬化的寬度未達(dá)到8 μm，不得接收。由于本研究在膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了金屬絕緣和多層薄膜介質(zhì)層圖形與金屬圖形匹配的問題，因此參考GJB548 判定標(biāo)準(zhǔn)，在本文所述的結(jié)構(gòu)下，金屬線條寬度在15～45 μm和50～150 μm、介質(zhì)層通孔孔徑在42～58 μm 視為合格，介質(zhì)層厚度的設(shè)計(jì)值為4 μm，偏差需在±20%以內(nèi)。金屬膜層厚度設(shè)計(jì)在2.8～4.2 μm。

金屬膜層的形成由真空沉積工藝沉積種子層和電鍍工藝生長(zhǎng)共同完成，造成厚度偏差的主要因素是電鍍過程中的藥水狀態(tài)、工藝參數(shù)等。本研究在樣品研制過程中，通過添加輔助陰極、增強(qiáng)藥水?dāng)嚢璧确绞?，提升鍍覆過程中電力線分布的均勻性，從而獲得比較均勻的膜層生長(zhǎng)速率。而介質(zhì)層厚度主要受旋涂參數(shù)、顯影參數(shù)的影響，本研究在樣品研制過程中，通過優(yōu)化滴膠量、旋涂速率、顯影時(shí)間等參數(shù)，將聚酰亞胺介質(zhì)膠的厚度損失量與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能力進(jìn)行了匹配，從而獲得了比較穩(wěn)定的光刻工藝參數(shù)。

分別使用德國(guó)Fischer 公司的X 射線熒光儀、美國(guó)KLA 公司的臺(tái)階儀、日本Keyence 公司的光學(xué)測(cè)量顯微鏡，使用5 點(diǎn)測(cè)試法對(duì)制備的樣品進(jìn)行膜層厚度和圖形形貌測(cè)量，多層薄膜再布線結(jié)構(gòu)的膜層厚度測(cè)量結(jié)果如表2 所示，多層薄膜再布線結(jié)構(gòu)的線條寬度/通孔直徑測(cè)量結(jié)果如表3 所示。從表2、3 可以看出，膜層厚度、線條寬度和通孔直徑偏差均滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 多層薄膜再布線結(jié)構(gòu)的膜層厚度測(cè)量結(jié)果

表3 多層薄膜再布線結(jié)構(gòu)的線條寬度/通孔直徑測(cè)量結(jié)果

4.2 可靠性評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步考核薄膜再布線膜層的可組裝性，設(shè)計(jì)了如表4 所示的可靠性評(píng)價(jià)分組實(shí)驗(yàn)。其中A 組樣品5 只，在再布線層表面焊接0201 端頭電容，按順序經(jīng)歷表4 中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，抽取3 只樣品進(jìn)行剪切評(píng)價(jià)。B 組樣品5 只，在再布線層表面鍵合25 μm 金絲，按順序經(jīng)歷表4 中的烘烤條件后，抽取3 只樣品依次進(jìn)行拉力和球剪切力評(píng)價(jià)。

表4 可靠性評(píng)價(jià)分組實(shí)驗(yàn)

4.2.1 A 組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了摸底再布線層的可焊接性和焊接可靠性，對(duì)A 組實(shí)驗(yàn)后的樣品進(jìn)行目檢和剪切力評(píng)價(jià)。經(jīng)過A 組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，參考GJB548C 方法2019.3 進(jìn)行電容的剪切強(qiáng)度評(píng)價(jià)，電容端頭的焊料未產(chǎn)生可見裂紋或脫落。A 組檢驗(yàn)的電容剪切數(shù)據(jù)如表5 所示。根據(jù)有效焊接面積（焊盤尺寸）換算得到剪切斜率，剪切斜率為被剪切器件單位面積內(nèi)的剪切力，代表了芯片剪切強(qiáng)度。從表5 可知，樣品的芯片剪切強(qiáng)度在13.1 N·mm-2以上，滿足方法2019.3 中附著區(qū)面積小于4.13 mm2的被試件最小剪切強(qiáng)度為12.2 N·mm-2的合格判據(jù)，且剪切后的焊接面完整，未發(fā)生膜層脫落現(xiàn)象，再布線層剪切后的樣品照片見圖8。

表5 A 組檢驗(yàn)的電容剪切數(shù)據(jù)

圖8 再布線層剪切后的樣品照片

4.2.2 B 組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了摸底再布線層表層的附著力，對(duì)B 組實(shí)驗(yàn)后的樣品進(jìn)行拉力和球剪切力評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法與判據(jù)分別參照GJB548C 方法2011.2 與方法2011 附錄A 中的評(píng)價(jià)方法與判據(jù)。本文使用25 μm 金絲，考慮到有兩個(gè)鍵合球，因此拉力應(yīng)≥6 gf，單個(gè)鍵合球剪切力應(yīng)≥22.8 gf。

圖9 為不同溫度存儲(chǔ)條件下的引線鍵合拉力和金球剪切力數(shù)據(jù)點(diǎn)線圖。10 h 之內(nèi)高溫烘烤后，拉力數(shù)據(jù)仍能滿足GJB548 的合格要求。鍵合絲斷裂位置為第一點(diǎn)絲頸部斷裂，未發(fā)生膜層剝離現(xiàn)象，圖10 為B 組樣品實(shí)驗(yàn)前后的照片。對(duì)比不同高溫烘烤時(shí)間下的金球剪切數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)剪切力滿足GJB548 規(guī)定的合格判定要求。剪切失效模式為焊球部分脫落，焊盤完整。

圖9 不同溫度存儲(chǔ)條件下的引線鍵合拉力和金球剪切力

圖10 B 組樣品實(shí)驗(yàn)前后的照片

為了進(jìn)一步研究B 組樣品在引線鍵合拉力和金球剪切評(píng)價(jià)中呈現(xiàn)的現(xiàn)象，對(duì)該組樣品進(jìn)行了掃描電子顯微鏡分析。通過制備剖面樣品，觀察到了金球與薄膜再布線層的結(jié)合界面，照片如圖11 所示。界面處的結(jié)合情況是影響鍵合球與再布線層結(jié)構(gòu)結(jié)合力的關(guān)鍵因素，因此采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)了鍵合界面處的金-金結(jié)合界面，從圖中可以看出，隨著高溫烘烤時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)合界面的邊界變得模糊，表明兩者的結(jié)合更加緊密。

圖11 薄膜再布線層上金球焊接界面剖面掃描電鏡照片

5 結(jié)果和討論

薄膜再布線樣品在實(shí)驗(yàn)條件下未發(fā)生剝離、破損等失效現(xiàn)象，數(shù)值滿足GJB548 中的合格判據(jù)。在本檢驗(yàn)條件下，再布線層的膜層附著力滿足要求，具體表現(xiàn)為：引線鍵合拉力在經(jīng)歷過不同時(shí)間的高溫（300 ℃）烘烤后，均表現(xiàn)為鍵合絲頸部斷裂，且未觀察到明顯的變化趨勢(shì)，表明在本實(shí)驗(yàn)條件下，鍵合金絲與薄膜再布線層的結(jié)合力相對(duì)較強(qiáng)，在豎直拉力下，斷裂位置發(fā)生在金絲頸部而未破壞膜層。

樣品表面存在鍵合金球與薄膜布線表層金的金-金同質(zhì)界面，引線鍵合結(jié)束后，該界面處存在較薄的互擴(kuò)散層，隨著高溫烘烤的進(jìn)行，結(jié)合界面處位錯(cuò)、缺陷逐漸析出和消除，界面處兩側(cè)金屬結(jié)合更加致密，表現(xiàn)為金球經(jīng)歷高溫烘烤后剪切強(qiáng)度增加。從掃描電鏡照片可以看到比較清晰的金球與薄膜金層的界面，隨著高溫存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)，該界面漸漸變得模糊，表明兩者結(jié)合更加緊密。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并研制了一種基于高溫共燒陶瓷襯底的多層薄膜再布線結(jié)構(gòu)，布線密度（線寬/ 間距）≤40 μm/40 μm。對(duì)制備出的HTCC-2M2P 結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行了外觀測(cè)量和可靠性評(píng)價(jià)。其線條寬度偏差、通孔直徑偏差、復(fù)合膜層厚度偏差均滿足設(shè)計(jì)要求。

本文成功制備的以共燒陶瓷為襯底的薄膜多層再布線結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于高密度集成的計(jì)算領(lǐng)域，作為MCM-C/D 封裝的高密度載板。未來(lái)需要繼續(xù)解決該類結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期可靠性問題，并進(jìn)一步提升其集成密度（如線條密度、層數(shù)等），并需要與微系統(tǒng)電路進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，優(yōu)化載板的膜層結(jié)構(gòu)，以滿足Chiplet 生態(tài)系統(tǒng)下高密度、高可靠系統(tǒng)集成的需求。