面向下一代封裝技術(shù)的超細(xì)線蝕刻工藝

??????低成本的高密度互連（HDI）有機(jī)襯底是實(shí)施系統(tǒng)級(jí)封裝（SOP）技術(shù)的最重要條件。問題的關(guān)鍵在于：必須在FR4這樣的有機(jī)板上蝕刻出間距極小的超精密走線。NEMI、SIA、IPC和ITRI研究機(jī)構(gòu)的報(bào)告表明， 在今后的芯片設(shè)計(jì)過程中，基材供應(yīng)商必須具備制造低成本精細(xì)線的工藝。本文介紹在佐治亞技術(shù)學(xué)院封裝研究中心（PRC）對(duì)超精細(xì)線進(jìn)行的研究。

??????目前，集成度呈越來越高的趨勢(shì)，許多公司紛紛開始SOC技術(shù)，但SOC并不能解決所有系統(tǒng)集成的問題，因此在封裝研究中心（PRC）以及許多其它研究機(jī)構(gòu)，均將系統(tǒng)封裝（SOP或稱SiP）視為SOC解決方案的補(bǔ)充。SOP與SOC提供的集成度，能夠滿足新一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。 PRC研究的SOP技術(shù)包括無源元件如電阻、電容、電感、光器件以及采用MEMS工藝的射頻元件的集成，同時(shí)，也包括低成本冷卻裝置、混合信號(hào)設(shè)計(jì)和測(cè)試、相關(guān)設(shè)計(jì)工具以及不采用底部填充材料的低成本倒裝芯片安裝工藝。當(dāng)然，SOP技術(shù)的基礎(chǔ)是可靠的高密度互連材、工藝和材料，這也是本文討論的重點(diǎn)。 高密度布線技術(shù)要求目前，印制布線板（PWB）加工工藝嚴(yán)重落后于電子器件封裝的發(fā)展，解決該問題的關(guān)鍵在于走線和過孔形成過程的光刻技術(shù)。線寬及間距從62.5微米向25微米發(fā)展， 加工工藝差別很大。在ITRI和NEMI等集團(tuán)的努力下75微米到100微米線寬和間距加工工藝在大面積PWB上的應(yīng)用日益廣泛，從而在PWB走線成形技術(shù)方面取得重大的突破。

??????目前，采用HDI襯底工藝已能做到30到40微米線寬和線間以及75到100微米的微過孔。PRC正致力于開發(fā)25微米及其以下加工技術(shù)，以滿足大面積有機(jī)板材對(duì)精密走線和線間距的要求。 其目標(biāo)地開發(fā)15到25微米超密布線和25到50微米微過孔的加工工藝，從而最終實(shí)現(xiàn)6到10微米線以及10到15微米過孔的加工。 MCM技術(shù) 多芯片模組（MCM）技術(shù)能滿足SOP的要求，但是成本太高。MCM-D（沉積MCM）的布線密度很高，可以安裝無源器件和波導(dǎo)，但生產(chǎn)成本高昂。MCM-C（陶制MCM）也符合SOP的要求， 可以集成RF結(jié)構(gòu)，然而同樣是成本原因使其難以推廣應(yīng)用。有機(jī)多層板材成本低廉，加工方便，適合于大型板材加工，因而能滿足SOP對(duì)價(jià)格和性能的要求。 PWB制造業(yè)通常把小于100微米一線寬稱為“精細(xì)線”，現(xiàn)在線寬最小可以做到50到35微米之間，因此，目前對(duì)精細(xì)線、極精細(xì)線和超精細(xì)線和線間距的概念并未清晰地定義。本文討論的極精細(xì)線（very fine）指的是50微米以下的線寬，該線寬能滿足現(xiàn)在及今后一段時(shí)期業(yè)界的需求。 “超細(xì)線”（Uitrafine）指的是寬度為15微米以下線寬，該線寬能夠滿足在未來幾年后精密間距陣列內(nèi)連倒裝芯片的要求。PRC正在開發(fā)基于低成本板材以期滿足SOP/SLIM的下一代封裝和其它應(yīng)用的需要。 影響“極細(xì)”與“超細(xì)”細(xì)和線間呀加工的兩個(gè)關(guān)鍵因素是：

?????? 1、將高分辯率光阻圖通過設(shè)計(jì)或光罩工具印刷到襯底上；

?????? 2、低成本的極細(xì)銅金屬線材。兩個(gè)因素中，光阻成像工藝更為關(guān)鍵，要將目標(biāo)特征幾何圖形印刷到低成本的襯底上，困難不少。與半導(dǎo)體加工工藝相比可以看到，PWB制造必須選擇價(jià)格低廉的光阻材料。 另一個(gè)要注意的因素是基材。硅片與其它的半導(dǎo)體襯底的表面極為光滑平整，而FR4這樣的低成本有機(jī)板材質(zhì)地堅(jiān)硬、表面粗糙，新技術(shù)和工藝的開發(fā)必須考慮這些問題。 目前，正在進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，探索在剛性有機(jī)板材上加工精細(xì)線的可行性。完成評(píng)估的光阻材料包括：厚度不同的兩種干膜和兩種應(yīng)用廣泛的液體光阻材料。 在工藝評(píng)估過程中，采用了高TgFR4板材（無覆銅板、單面覆銅板和雙面覆銅板）。實(shí)驗(yàn)中，環(huán)氧基干膜在FR4多層板材間構(gòu)成無電極鍍銅絕緣層。 這樣配置的板材比基本FR4板材表面平整光滑。所有光阻材料都與水溶性加工工藝兼容。實(shí)驗(yàn)板的長(zhǎng)度為300毫米。 兩種液態(tài)光阻通過旋轉(zhuǎn)涂覆或彎月形涂覆沉積而成。Dujpont SMVL-100真空層疊裝置將干膜光阻材料C1（15mm厚）和C2(37.5mm厚)層疊在電路板中。在這項(xiàng)研究中，采遙了軟硬光罩方法。 實(shí)驗(yàn)表明，采用干膜和液態(tài)光阻材料可以在覆銅FR4板材上完美地成像，梳狀結(jié)構(gòu)線間距達(dá)到0.635mm（線寬/間距=312微米）到0.0508mm(線寬/間距=20/30微米或線寬/間距=25/25微米)。通過附加電鍍銅或減少蝕刻銅箔，可獲得間距為50微米（25微米線寬和25微米線間距）的梳狀結(jié)構(gòu)。 干膜光阻上15微米銅線線寬及線間距的顯微照片說明，蝕刻線很直，光阻粘合力可以接受，線邊沿清晰。采用低成本的液態(tài)光阻材料，成功的蝕刻出10微米線寬和線間距。使用負(fù)片液態(tài)光阻材料D，可以蝕刻出7.5微米的線寬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著加工工藝和光罩工具的改進(jìn)，將來有可能蝕刻出比5微米更精細(xì)的導(dǎo)線。通路互連 實(shí)驗(yàn)評(píng)估中，所有材料和工藝都與HDI和現(xiàn)有技術(shù)兼容。將超細(xì)線蝕刻、金屬化和微過孔互連工藝相結(jié)合，可以制造直徑為35微米的銅柱陣列（array of cop-per stud），這些銅柱陣列在超高密度內(nèi)連（ultra-HDI）襯底中，是構(gòu)成堆疊微過孔工藝的基礎(chǔ)。 此外，一系列35微米直徑的微過孔已經(jīng)制作在FR4板材的涂覆薄感光絕緣膜上。經(jīng)過了2，000次熱循環(huán)之后，50微米微過孔斷面顯示，PRC典型設(shè)備具有良好的重復(fù)性。 本文結(jié)論 PRC已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了25微米的極細(xì)線和15微米超細(xì)線HDI技術(shù)，低于7.5微米和線間距的研究已經(jīng)完成，未來幾年內(nèi)，還將開發(fā)6微米線和間距以及10到15微米過孔工藝。 下一代芯片技術(shù)要求，線和線間距必須達(dá)到10微米以下，只有這樣，才能使微電子行業(yè)正在開的SOP技術(shù)取得真正的成功。