[发明专利]聚合物－陶瓷复合电子衬底

说明书

本发明涉及用于高性能电子和光学封装的聚合物-陶瓷复合互连衬底。本发明具体涉及高导热的和电绝缘的衬底，通过使用用于封装衬底的填充陶瓷的聚合物和填充聚合物的陶瓷而使芯片-衬底和衬底-卡片的互连可靠性提高，其介电常数低且其热膨胀系数(CTE)接近于硅器件和衬底或衬底和印刷电路板的。

多层的互连衬底用于半导体器件的封装或安装。该衬底包括用作夹在介电层之间的电导体的构图金属层，该介电层用作电绝缘体。该衬底设计成带有用于连接半导体器件、以及连接器导线、电容器、电阻器和覆盖层等的端子焊盘。在埋入的导体层之间的互连可通过填充金属的通路来实现。该衬底可由各种陶瓷和聚合物材料制成。

多层互连封装衬底的问题是接触材料之间的热失配，在此封装衬底中带有高密度半导体器件的陶瓷衬底连接到具有引线或焊点的印刷电路板(PCB)上，该热失配是因为在陶瓷芯片载体或衬底与PCB材料的热膨胀系数(CTE)之间存在显著差异而引起的，此问题影响第二级接合的可靠性。而且，此种陶瓷衬底的制造成本一般都比较高。

印刷电路板材料一般包括：填充玻璃的环氧树脂，通常为FR-4防火环氧树脂-玻璃层板或半固化片；聚酰亚胺玻璃；BT/环氧树脂(双-顺丁烯二酰亚胺-三嗪树脂)；以及浸润氰酸盐酯化树脂的玻璃布。其它具有更高玻璃转变温度(Tg)和更低CTE的PCB基板材料可基于环氧树脂的常规电路板材料提高其热和导电性质而得到，包括：增强的热塑塑料，如增加纤维的聚酯、填充玻璃微球的聚酯；聚苯醚PPO和环氧树脂的混合物，例如GETEK层板和半固化片，以聚酯亚胺、酰胺亚胺酯或者作为基体树脂的聚酰亚胺玻璃填充物复合材料。对于低介电常数的聚合物-填充物复合物，已广泛调查研究了基于含氟聚合物的层叠材料及相关材料，此层叠材料一般是由诸如聚四氟乙烯(PTFE)的全氟烷撑、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物衍生而来。用纤维玻璃颗粒增强的含氟聚合物在工业上是可行的，如Rogers公司的商品名称标识为RO2800、RO2500的产品及相关复合物。基于含氟聚合物的复合材料的特征在于低介电常数，然而，这些材料的问题是较差的尺寸稳定性、低玻璃转变温度(Tg)、高CTE、对需要完美接合的金属的粘合力较差，并具有较高的热对流，该热对流产生热，在使用激光蚀刻形成通路的工艺中引起通路变形。另外，基于碳氟聚合物的复合基体不适于光成像，而基于环氧树脂和聚酰亚胺的绝缘材料有成像选择。一部分这样的材料的热稳定性差(即当加热到高于约250℃材料开始劣化)。

在现有技术中，有许多致力于实现或提高包含聚合物和陶瓷材料的复合衬底的性质。

美国专利5061548(Arthur等)，其内容在此引作参考，描述了一种填充陶瓷的含氟聚合物复合材料，其中，陶瓷填充物用硅烷偶合剂进行预涂敷，该复合材料是可热对流的且用作多层印刷电路板中的接合层。美国专利5287619(Smith等)，其内容在此引作参考，描述了一种填充用硅烷涂敷的二氧化硅的含氟聚合物(PTFE)复合物及其在制造作为多层MCM衬底的高密度互连器件中的应用，该制造采用使用多个铜-热塑性含氟聚合物复合电介质层的添加工艺。固体Cu通路用于MCM衬底层之间的互连或用于在模件中被封装的半导体器件。美国专利5384181(Arthur等)，其内容在此引作参考，描述了一种填充用硅烷涂敷的熔融非晶二氧化硅的含氟聚合物复合物，其中硅烷涂敷材料是苯基硅烷和氟硅烷的混合物。这些专利涉及到的含氟聚合物对金属的粘合力较差、玻璃转变温度低，且CTE高(例如，Arthur等所述的为70ppm/℃)。

美国专利5358775(A.F.Horn)，其内容在此引作参考，涉及一种高介电常数(k＞4)和相对较高CTE(＜35ppm/℃)的用于微波应用的电气衬底材料，该材料包含填充陶瓷颗粒的含氟聚合物，此含氟聚合物具有低介电损失、高介电常数(k′＞4)以及对于电容器的介电常数的高温度系数(TCK′)。

美国专利5541249(Hughes等)，其内容在此引作参考，描述了可注模的聚合物-填充物复合物，在此复合物的有机基体树脂中包含用有机硅酮聚合物处理的无机填充物或金属填充物，所述树脂包括聚烯烃类、聚酰亚胺、聚碳酸酯以及聚醛树脂。所用的各种无机填充物包括氮化硅、碳化物、矾土、氮化铝、二氧化钛、氧化锆以及它们的混合物，所述金属包括铁、不锈钢、铬合金、镍合金和青铜。此专利仅讨论这些材料，并未涉及这些材料的应用及其物理性质如CTE和介电常数。