面向下一代封装技术的超细线蚀刻工艺

      低成本的高密度互连（HDI）有机衬底是实施系统级封装（SOP）技术的最重要条件。问题的关键在于：必须在FR4这样的有机板上蚀刻出间距极小的超精密走线。NEMI、SIA、IPC和ITRI研究机构的报告表明， 在今后的芯片设计过程中，基材供应商必须具备制造低成本精细线的工艺。本文介绍在佐治亚技术学院封装研究中心（PRC）对超精细线进行的研究。

      目前，集成度呈越来越高的趋势，许多公司纷纷开始SOC技术，但SOC并不能解决所有系统集成的问题，因此在封装研究中心（PRC）以及许多其它研究机构，均将系统封装（SOP或称SiP）视为SOC解决方案的补充。SOP与SOC提供的集成度，能够满足新一代系统设计的需求。 PRC研究的SOP技术包括无源元件如电阻、电容、电感、光器件以及采用MEMS工艺的射频元件的集成，同时，也包括低成本冷却装置、混合信号设计和测试、相关设计工具以及不采用底部填充材料的低成本倒装芯片安装工艺。当然，SOP技术的基础是可靠的高密度互连材、工艺和材料，这也是本文讨论的重点。 高密度布线技术要求目前，印制布线板（PWB）加工工艺严重落后于电子器件封装的发展，解决该问题的关键在于走线和过孔形成过程的光刻技术。线宽及间距从62.5微米向25微米发展， 加工工艺差别很大。在ITRI和NEMI等集团的努力下75微米到100微米线宽和间距加工工艺在大面积PWB上的应用日益广泛，从而在PWB走线成形技术方面取得重大的突破。

      目前，采用HDI衬底工艺已能做到30到40微米线宽和线间以及75到100微米的微过孔。PRC正致力于开发25微米及其以下加工技术，以满足大面积有机板材对精密走线和线间距的要求。 其目标地开发15到25微米超密布线和25到50微米微过孔的加工工艺，从而最终实现6到10微米线以及10到15微米过孔的加工。 MCM技术 多芯片模组（MCM）技术能满足SOP的要求，但是成本太高。MCM-D（沉积MCM）的布线密度很高，可以安装无源器件和波导，但生产成本高昂。MCM-C（陶制MCM）也符合SOP的要求， 可以集成RF结构，然而同样是成本原因使其难以推广应用。有机多层板材成本低廉，加工方便，适合于大型板材加工，因而能满足SOP对价格和性能的要求。 PWB制造业通常把小于100微米一线宽称为“精细线”，现在线宽最小可以做到50到35微米之间，因此，目前对精细线、极精细线和超精细线和线间距的概念并未清晰地定义。本文讨论的极精细线（very fine）指的是50微米以下的线宽，该线宽能满足现在及今后一段时期业界的需求。 “超细线”（Uitrafine）指的是宽度为15微米以下线宽，该线宽能够满足在未来几年后精密间距阵列内连倒装芯片的要求。PRC正在开发基于低成本板材以期满足SOP/SLIM的下一代封装和其它应用的需要。 影响“极细”与“超细”细和线间呀加工的两个关键因素是：

       1、将高分辩率光阻图通过设计或光罩工具印刷到衬底上；

       2、低成本的极细铜金属线材。两个因素中，光阻成像工艺更为关键，要将目标特征几何图形印刷到低成本的衬底上，困难不少。与半导体加工工艺相比可以看到，PWB制造必须选择价格低廉的光阻材料。 另一个要注意的因素是基材。硅片与其它的半导体衬底的表面极为光滑平整，而FR4这样的低成本有机板材质地坚硬、表面粗糙，新技术和工艺的开发必须考虑这些问题。 目前，正在进行一系列的实验，探索在刚性有机板材上加工精细线的可行性。完成评估的光阻材料包括：厚度不同的两种干膜和两种应用广泛的液体光阻材料。 在工艺评估过程中，采用了高TgFR4板材（无覆铜板、单面覆铜板和双面覆铜板）。实验中，环氧基干膜在FR4多层板材间构成无电极镀铜绝缘层。 这样配置的板材比基本FR4板材表面平整光滑。所有光阻材料都与水溶性加工工艺兼容。实验板的长度为300毫米。 两种液态光阻通过旋转涂覆或弯月形涂覆沉积而成。Dujpont SMVL-100真空层叠装置将干膜光阻材料C1（15mm厚）和C2(37.5mm厚)层叠在电路板中。在这项研究中，采遥了软硬光罩方法。 实验表明，采用干膜和液态光阻材料可以在覆铜FR4板材上完美地成像，梳状结构线间距达到0.635mm（线宽/间距=312微米）到0.0508mm(线宽/间距=20/30微米或线宽/间距=25/25微米)。通过附加电镀铜或减少蚀刻铜箔，可获得间距为50微米（25微米线宽和25微米线间距）的梳状结构。 干膜光阻上15微米铜线线宽及线间距的显微照片说明，蚀刻线很直，光阻粘合力可以接受，线边沿清晰。采用低成本的液态光阻材料，成功的蚀刻出10微米线宽和线间距。使用负片液态光阻材料D，可以蚀刻出7.5微米的线宽。实验结果表明，随着加工工艺和光罩工具的改进，将来有可能蚀刻出比5微米更精细的导线。通路互连 实验评估中，所有材料和工艺都与HDI和现有技术兼容。将超细线蚀刻、金属化和微过孔互连工艺相结合，可以制造直径为35微米的铜柱阵列（array of cop-per stud），这些铜柱阵列在超高密度内连（ultra-HDI）衬底中，是构成堆叠微过孔工艺的基础。 此外，一系列35微米直径的微过孔已经制作在FR4板材的涂覆薄感光绝缘膜上。经过了2，000次热循环之后，50微米微过孔断面显示，PRC典型设备具有良好的重复性。 本文结论 PRC已经实现了25微米的极细线和15微米超细线HDI技术，低于7.5微米和线间距的研究已经完成，未来几年内，还将开发6微米线和间距以及10到15微米过孔工艺。 下一代芯片技术要求，线和线间距必须达到10微米以下，只有这样，才能使微电子行业正在开的SOP技术取得真正的成功。