劉曉陽(yáng) 陳文錄

（江蘇無(wú)錫35信箱 214083）

1 引言

有機(jī)基板與TSV（硅通孔）轉(zhuǎn)接板的作用是將CPU芯片的信號(hào)管腳節(jié)距逐級(jí)放大，最終將信號(hào)引出與PCB及其它器件互連，從而形成具備完整功能的模塊。從材料熱膨脹系數(shù)、形變量以及焊點(diǎn)節(jié)距對(duì)形變的容差綜合考慮，結(jié)合對(duì)熱機(jī)械應(yīng)力的設(shè)計(jì)仿真結(jié)果，芯片凸點(diǎn)節(jié)距180 μm，轉(zhuǎn)接板的凸點(diǎn)放大后信號(hào)區(qū)域節(jié)距270 μm，內(nèi)核區(qū)域?yàn)?60 μm，有機(jī)基板的BGA（球柵陣列）節(jié)距1.0 mm，經(jīng)過(guò)逐級(jí)放大后，各個(gè)層級(jí)對(duì)材料熱膨脹帶來(lái)的形變緩沖容忍度大大增強(qiáng)，提升了封裝的可靠性。與直接FCBGA（倒裝球柵陣列封裝）的有機(jī)基板相比，采用TSV轉(zhuǎn)接板的2.5D封裝整體技術(shù)復(fù)雜度提升，可靠性和集成度將大大提升，大尺寸芯片的封裝能力指標(biāo)也提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，布線層向轉(zhuǎn)接板的轉(zhuǎn)移，將有機(jī)基板的布線密度相對(duì)降低，客觀上降低了有機(jī)基板的工藝難度。但是，有機(jī)基板作為高端陣列式封裝的關(guān)鍵部件，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)其設(shè)計(jì)、材料、工藝的研究從未停止[1]。本文將針對(duì)在2.5 D封裝中實(shí)際應(yīng)用的有機(jī)基板，從工藝路線設(shè)計(jì)、材料選擇、關(guān)鍵工藝難點(diǎn)控制等方面開展研究與實(shí)驗(yàn)，并形成小批量產(chǎn)品的制造能力。

2 有機(jī)基板制造工藝選擇與設(shè)計(jì)[2]-[7]

有機(jī)基板一般根據(jù)層間互連的形成方式分類，包括：ALIVH（Any Layer Interstitial Via Hole）（任意層內(nèi)導(dǎo)通孔）、B2it（Buried Bump Interconnection Technology）（埋入凸塊焊點(diǎn)互連技術(shù)）、NMBI（Neo Manhattan Bump Interconnection）（新曼哈頓凸點(diǎn)連接）、激光盲孔等，均是以層間互連采用的不同工藝來(lái)區(qū)分的，而ALIVH從廣義上可以包含后幾種技術(shù)。ALIVH即任意層間互連導(dǎo)通孔，其導(dǎo)通材料可以是電鍍銅、導(dǎo)電銀漿凸點(diǎn)、激光盲孔鍍銅、銅凸點(diǎn)等，典型的B2it和NMBI流程對(duì)比（如圖1）。

圖1 B2it和NMBI工藝的比較示意圖

圖1中B2it工藝是多次印刷導(dǎo)電膏并多次固化，要求每次印刷的位置精度和導(dǎo)電膏量的精度很高，導(dǎo)電膏可以使用銅漿或銀漿，此工藝的缺點(diǎn)在于多次印刷均勻性難以控制，導(dǎo)電膏的直徑無(wú)法進(jìn)一步縮小，印刷導(dǎo)電膏與兩面導(dǎo)體的結(jié)合對(duì)可靠性是很大挑戰(zhàn)。NMBI工藝采用圖形的方式，將多層金屬片進(jìn)行選擇性刻蝕，從而形成層間互連所需要的銅凸點(diǎn)，再利用壓合的方式將凸點(diǎn)與下一層金屬結(jié)合，此工藝的優(yōu)點(diǎn)是銅凸點(diǎn)的一致性好，進(jìn)一步提高了互連密度，缺點(diǎn)是凸點(diǎn)與下一層的結(jié)合是機(jī)械壓力接觸式結(jié)合帶來(lái)的可靠性問(wèn)題，應(yīng)力釋放帶來(lái)的變形和尺寸精度等問(wèn)題。將B2it和NMBI相結(jié)合，以NMBI的銅柱代替導(dǎo)電膏，結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，與激光鉆孔工藝形成的ALIVH的流程對(duì)比如圖2所示。圖2給出的兩種ALIVH工藝的流程中，采用NMBI+B2it工藝的優(yōu)點(diǎn)在于提高了布線密度，互連界面的可靠性問(wèn)題仍然存在；采用激光盲孔工藝?yán)猛繕渲~箔（RCC）與芯層壓合，再通過(guò)薄銅、開窗、激光鉆孔、電鍍、蝕刻等流程，完成互連圖形的制作，多次積層重復(fù)該流程，因該流程圖形采用減成法，蝕刻工藝，當(dāng)銅厚10 μm以上時(shí)，線寬/間距很難達(dá)到50 μm以下。因此，該工藝會(huì)在布線密度上遇到瓶頸，同時(shí)電鍍填孔的凹陷會(huì)帶來(lái)可靠性隱患。

圖2 激光鉆孔工藝與NMBI+B2it流程示意圖

為實(shí)現(xiàn)超高密度互連的ALIVH技術(shù)，本文提出了半加成法（SAP）+銅凸點(diǎn)相結(jié)合的工藝路線，工藝流程設(shè)計(jì)（如圖3）。半加成工藝可實(shí)現(xiàn)15 μm，甚至更加精細(xì)的線路，關(guān)鍵在于工藝路徑設(shè)計(jì)，以及工藝過(guò)程控制。本文提出的銅凸點(diǎn)采用圖形光成像+電鍍的工藝路線，在理論上光成像可實(shí)現(xiàn)直徑30 μm的凸點(diǎn)圖形，最小節(jié)距可低于100 μm，大大提高布線互連密度，與SAP結(jié)合可實(shí)現(xiàn)很高密度的互連布線，關(guān)鍵在于如何保證凸點(diǎn)負(fù)像圖形和銅電鍍的一致性問(wèn)題，以及一系列工藝控制問(wèn)題。

圖3 SAP+銅凸點(diǎn)工藝流程示意

針對(duì)圖3中給出的工藝流程，主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：一是材料選擇，包括用于基板本身的介質(zhì)材料、導(dǎo)體材料以及過(guò)程關(guān)鍵物料的性能參數(shù)與選擇原則；二是精細(xì)線路的SAP實(shí)現(xiàn)，包括：線路與介質(zhì)材料的結(jié)合力、精細(xì)線路圖形轉(zhuǎn)移工藝、刻蝕工藝等；三是銅凸點(diǎn)的圖形以及電鍍實(shí)現(xiàn)技術(shù)，包括：凸點(diǎn)圖形顯影、電鍍以及刻蝕工藝研究；四是介質(zhì)的形成以及厚度均勻性控制工藝，包括：介質(zhì)形成方法、介質(zhì)厚度均勻性控制等。

3 材料選擇

有機(jī)封裝基板是玻纖布、有機(jī)樹脂、銅導(dǎo)體、陶瓷填充顆粒等組成的復(fù)雜非均相材料。不同材料熱膨脹系數(shù)（CTE）差異很大，硅基芯片的CTE為0.0005%/℃～0.0007%/℃（5 ppm/℃～7 ppm/℃），而有機(jī)基板基材x、y方向的CTE0.0012%/℃～0.003%/℃（12ppm/℃～30 ppm/℃）。由于基板與芯片之間熱膨脹系數(shù)的差別，在焊接溫度由高溫向低溫變化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力（在焊點(diǎn)處形成剪應(yīng)力），這種殘余應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)界面疲勞斷裂[2]。有研究表明，芯片CTE和基板的CTE之差應(yīng)小于0.0005%/℃～0.0007%/℃（5 ppm/℃～7 ppm/℃），才能保證這類產(chǎn)品焊接封裝的可靠性[8]。

根據(jù)有機(jī)基板的設(shè)計(jì)要求，本文實(shí)驗(yàn)中選擇的材料包括：芯板材料為某公司的超細(xì)玻纖改性環(huán)氧板材，積層材料選用某公司的有機(jī)絕緣膜，主要成分為環(huán)氧樹脂和無(wú)機(jī)顆粒填料。

4 關(guān)鍵工藝技術(shù)與流程設(shè)計(jì)

采用SAP研發(fā)封裝基板要解決的關(guān)鍵工藝包括三個(gè)方面：精細(xì)線路工藝、層間互連工藝（微導(dǎo)通孔工藝）以及介質(zhì)形成工藝。

4.1 精細(xì)線路工藝流程設(shè)計(jì)

精細(xì)線路實(shí)現(xiàn)是決定SAP能力最關(guān)鍵的技術(shù)之一。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的精細(xì)線路制造流程如下：

介質(zhì)層基底材料粗化→化學(xué)沉銅種子層→感光層制作（干膜壓合）→曝光→顯影→圖形電鍍→抗蝕層剝離（剝膜）→差分刻蝕，轉(zhuǎn)入層間互連工藝流程（銅柱工藝）。

4.2 層間互連工藝（微導(dǎo)孔工藝）設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)提出有機(jī)基板采用實(shí)心銅柱（凸點(diǎn)）作為層間互連導(dǎo)體，層間互連關(guān)鍵在于銅柱如何制作，以及與介質(zhì)層制作的先后順序，一般傳統(tǒng)激光鉆孔工藝均采用先介質(zhì)層后層間微導(dǎo)孔，此處采用先完成銅柱的工藝路線，設(shè)計(jì)流程如下：

精細(xì)線路電鍍完成→感光抗蝕膜壓合→選擇性曝光→顯影→銅柱電鍍→剝膜→差分刻蝕，轉(zhuǎn)入介質(zhì)層流程。

4.3 介質(zhì)層形成工藝設(shè)計(jì)

采用環(huán)氧和無(wú)機(jī)填料預(yù)成型的薄膜作為介質(zhì)，既可以采用先激光鉆孔再填孔互連，也可以采用先完成銅柱再制作介質(zhì)層，設(shè)計(jì)的流程如下：

差分蝕刻后→層間絕緣膜壓合→精密研磨→化學(xué)鍍銅，轉(zhuǎn)入精細(xì)線路流程，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

4.4 樣板制備的工藝試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果討論

樣板技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)（見表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)樣板技術(shù)指標(biāo)

4.4.1 精細(xì)線路制作

工藝試驗(yàn)采用的精細(xì)線路最小線寬為15 μm～20 μm。其關(guān)鍵點(diǎn)在于：導(dǎo)體與介質(zhì)的結(jié)合力、圖形及電鍍精度、刻蝕精度等。本實(shí)驗(yàn)采用半加成工藝方法，在介質(zhì)上制備銅線路圖形，主要通過(guò)選擇性電鍍的方式制備形成精細(xì)線路，再利用精密刻蝕工藝去除種子層。首先，用化學(xué)鍍銅作為種子層保證介質(zhì)表面導(dǎo)電，然后進(jìn)行后續(xù)的電鍍；其次，利用感光抗蝕材料將不需要形成線路的部分保護(hù)起來(lái)，需要電鍍的部分露出；第三，選擇性將線路電鍍到一定厚度；第四，剝除感光抗蝕材料，露出種子層；最后，利用精密刻蝕工藝，進(jìn)行精細(xì)線路蝕刻。

（1）導(dǎo)體與介質(zhì)的結(jié)合強(qiáng)度。

導(dǎo)體與介質(zhì)的結(jié)合力是進(jìn)行精細(xì)線路制作首要解決的問(wèn)題，其關(guān)系到后續(xù)線路工藝的可實(shí)現(xiàn)性和可靠性。采用化學(xué)鍍銅作為線路電鍍的種子層，化學(xué)銅層與介質(zhì)的結(jié)合強(qiáng)度決定了后續(xù)線路結(jié)合強(qiáng)度，而化學(xué)銅與介質(zhì)材料的結(jié)合主要是物理結(jié)合以及較弱的范德華力，因此，決定其結(jié)合強(qiáng)度的主要因素是化學(xué)鍍銅前的介質(zhì)表面粗糙度。

介質(zhì)表面粗糙度與SAP精細(xì)線路的結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出：一方面絕緣介質(zhì)膜表面形貌越粗糙，后續(xù)SAP導(dǎo)體銅層制作時(shí)，銅與絕緣介質(zhì)膜結(jié)合力越好；另一方面，粗糙的介質(zhì)膜表面，會(huì)造成導(dǎo)體銅層滲入介質(zhì)過(guò)深，層間導(dǎo)體小于安全距離，導(dǎo)體間隙變小發(fā)生電遷移短路，后續(xù)刻蝕精度降低等問(wèn)題，圖5解釋了粗糙度對(duì)精細(xì)線路影響示意圖。

從線路精度來(lái)說(shuō)，表面粗糙度越低，平整度越好，對(duì)線路精度越有利；從導(dǎo)體與介質(zhì)結(jié)合強(qiáng)度考慮，表滿粗糙度越高，接觸面積越大，線路剝離強(qiáng)度越高，結(jié)合強(qiáng)度越高，對(duì)線路可靠性有利。因此根據(jù)精細(xì)線路的結(jié)合強(qiáng)度要求，采取適當(dāng)?shù)奶幚?，使表面達(dá)到適當(dāng)?shù)拇植诙?，既保證線路精度又保證適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合強(qiáng)度（如圖4）。

表面粗糙度一般用Ra和Rz兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表示，Ra表示平均粗糙度，Ra越大表示粗糙度越大。Ra表明了平均的粗糙度概念，但不能完全表示表面的狀況，沒(méi)有界定表面高低起伏的極差范圍，即使Ra很小，但表面也可能很粗糙，因此，采用Rz表示表面的極差狀況，表面粗糙度指標(biāo)Ra和Rz越大，則表明板面粗糙度越大，線路底部與介質(zhì)的接觸面積越大，對(duì)物理結(jié)合而言，接觸面積與結(jié)合強(qiáng)度是正相關(guān)的。圖4下方對(duì)應(yīng)的拉力測(cè)試數(shù)據(jù)證明這種相關(guān)關(guān)系，測(cè)試是采用IPC-4104標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，研究經(jīng)驗(yàn)表明要獲得較好的粘結(jié)強(qiáng)度，粗糙度Ra應(yīng)大于0.2 μm，Rz大于2 μm，一般Ra在0.3 μm～0.6 μm，Rz在4 μm～6 μm，會(huì)得到較好的結(jié)合力。

（2）種子層——化學(xué)鍍銅。

化學(xué)鍍銅所形成的種子層主要作用是在線路及銅柱電鍍時(shí)作為導(dǎo)體層，對(duì)于精細(xì)線路而言，化學(xué)銅種子層越薄，對(duì)于精細(xì)線路的線寬精度控制越有利，但同時(shí)要考慮線路電鍍時(shí)的微蝕去氧化過(guò)程損失銅厚，確?；瘜W(xué)沉銅層的完整性。一般化銅厚度控制在3 μm～5 μm，均勻性±0.5 μm?；瘜W(xué)銅層與樹脂表面的結(jié)合力除取決于樹脂表面粗糙度外，化學(xué)沉銅的晶粒大小也是重要影響因素，沉積速度不宜過(guò)快，晶粒細(xì)小致密，并能滲透到樹脂粗糙的間隙內(nèi)，才能保證一定的抗剝強(qiáng)度。另外，化學(xué)沉銅前后都要將基板烘干處理，化學(xué)沉銅前烘烤主要將樹脂內(nèi)的殘留水汽全部烘干，防止水汽殘留導(dǎo)致后續(xù)化銅起泡、脫落等問(wèn)題；化學(xué)沉銅后烘烤一方面消除化銅層內(nèi)應(yīng)力，另一方面化銅層經(jīng)過(guò)烘烤處理晶格重排，進(jìn)一步增加化學(xué)銅與樹脂的結(jié)合力。

圖4 幾種介質(zhì)膜粗化后表面形貌圖

圖5 介質(zhì)膜表面粗糙度對(duì)精細(xì)線路制作的影響

（3）精細(xì)線路的圖形轉(zhuǎn)移。

采用SAP的精細(xì)線路是通過(guò)選擇性電鍍方式獲得。如上所述，在化學(xué)銅面選擇性電鍍線路，需要將不需要電鍍的部分保護(hù)起來(lái)，電鍍部分露出。感光抗蝕劑就是通過(guò)掩模選擇性曝光發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，再通過(guò)顯影的方式，得到精細(xì)線路圖形的過(guò)程。完成顯影后即可進(jìn)入線路電鍍流程，根據(jù)線路厚度要求，采用適當(dāng)?shù)碾娏骱碗婂儠r(shí)間，保證電鍍均勻性。若僅進(jìn)行單層線路，電鍍后即可將感光抗蝕干膜剝離，露出化學(xué)銅面，最后通過(guò)差分刻蝕，將非線路部分的化學(xué)銅層刻蝕掉。

實(shí)驗(yàn)中精細(xì)線路和銅柱的成像設(shè)備采用玻璃掩?；蜍浄屏盅谀５钠叫泄馄毓庠O(shè)備。選用解析能力8 μm的高解析度干膜（感光抗蝕劑），干膜厚度18 μm～20 μm，化學(xué)沉銅后微蝕前處理后貼膜，再通過(guò)真空壓膜增加干膜與銅面的結(jié)合力。影響精細(xì)線路精度和良率的因素有以下幾方面：化學(xué)沉銅前處理將影響感光抗蝕層與銅面的結(jié)合；曝光時(shí)間、抽真空時(shí)間、曝光能量等因素決定線路圖形精度；顯影過(guò)程與曝光過(guò)程是交互影響圖形精度的因素。

當(dāng)線寬/間距達(dá)到20 μm/20 μm或者以下時(shí)，光線的反射、折射、衍射等會(huì)使線路邊緣縮小或者擴(kuò)大，這種影響會(huì)隨著曝光時(shí)間的加長(zhǎng)而越發(fā)明顯，恰當(dāng)顯影是指前處理壓膜參數(shù)、曝光參數(shù)、顯影參數(shù)協(xié)同作用的結(jié)果。銅面粗糙度對(duì)線寬精度和干膜結(jié)合力的影響作用相反，粗糙度大線寬精度難以達(dá)到，粗糙度小使干膜結(jié)合力差造成飛線，與前述介質(zhì)和化學(xué)銅的結(jié)合原理相同，不再贅述。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：化學(xué)沉銅后采用H2SO4+H2O2體系進(jìn)行微蝕，表面粗糙度Ra值有較明顯增大，微蝕將疏松的化學(xué)銅界面刻蝕掉，但對(duì)表面高度差即Rz改變不明顯。而先采用噴砂或浮石粉刷磨處理再進(jìn)行微蝕處理，表面粗糙度明顯改變，Rz改變主要是由于機(jī)械處理改變了表面高度差，再經(jīng)過(guò)微蝕增大了Ra，可得到明顯的粗化面。對(duì)于顯影后的線路，表面粗糙度對(duì)線路底部和邊緣的影響明顯，因Rz值增大到一定程度，抗蝕劑貼膜時(shí)無(wú)法完全填充間隙，導(dǎo)致在顯影時(shí)溶液將底部掏空的現(xiàn)象。過(guò)大的機(jī)械處理和較大的微蝕量造成的粗糙度過(guò)大不僅無(wú)法增大感光抗蝕干膜的結(jié)合強(qiáng)度，反而出現(xiàn)底部剝離，線路邊緣粗糙，電鍍時(shí)發(fā)生短路、夾膜的風(fēng)險(xiǎn)增大。因此，在進(jìn)行精細(xì)線路制作時(shí)，應(yīng)控制好表面粗糙度Ra和Rz（見圖6）。

圖6 前處理和線路顯影后精細(xì)線路表面形貌

對(duì)于SAP工藝，選用一定厚度的高解析度感光抗蝕膜、平行光設(shè)備、恰當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?、曝光參?shù)以及顯影參數(shù)共同影響形成精細(xì)線路圖形的形成過(guò)程，而完成抗蝕劑的轉(zhuǎn)移過(guò)程只是完成線路圖形的“填充模具”，填充的過(guò)程就是線路電鍍過(guò)程。完成電鍍后，要?jiǎng)冸x感光抗蝕膜，對(duì)于超細(xì)節(jié)距線路，電鍍均勻性不良會(huì)有夾膜問(wèn)題，造成后續(xù)刻蝕過(guò)程短路。精細(xì)線路圖形電鍍，鍍銅厚度及均勻性14.5 μm±3 μm，圖形電鍍工藝上采用精密整流器控制和特殊陽(yáng)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小電流長(zhǎng)時(shí)間的電鍍方式，改善精細(xì)線路鍍銅的均勻性，防止小間距處電鍍不均勻而出現(xiàn)夾膜問(wèn)題；同時(shí)電鍍掛板采用滿掛方式，不足的加圖形陪板，避免兩側(cè)電流密度集中而出現(xiàn)夾膜問(wèn)題。圖形設(shè)計(jì)上，在板邊無(wú)效圖形區(qū)增加了相應(yīng)的輔助圖形，輔助圖形的分布密度按照?qǐng)D形區(qū)的密度設(shè)計(jì)，可以有效改善板邊電流密度過(guò)大而出現(xiàn)夾膜的問(wèn)題。

化學(xué)沉銅同時(shí)伴隨析氫過(guò)程，氫可能被滯留于化銅層之中，通常晶體缺陷包括位錯(cuò)、孿晶、晶粒邊界等；化學(xué)鍍銅層的銅百分含量、密度、延展率通常均低于電鍍銅，因此，快速蝕刻后化學(xué)銅面與介質(zhì)層之間易形成側(cè)蝕進(jìn)一步降低線路的接觸面積。側(cè)蝕咬蝕量取決于化銅層厚度、化銅與介質(zhì)結(jié)合強(qiáng)度、精細(xì)線路間距三個(gè)因素，由于IC封裝基板的線寬/間距越來(lái)越小，通過(guò)降低化銅層厚度，并采用專用蝕刻液以降低側(cè)蝕，進(jìn)而降低超精細(xì)線路制作過(guò)程線路剝離概率。采用H2SO4+H2O2體系和表面活性添加劑的蝕刻藥水，各噴頭壓力可調(diào)的噴淋蝕刻設(shè)備，蝕刻量控制在3 μm～5 μm，將化學(xué)銅層蝕刻掉，形成精細(xì)銅線路，完成了精細(xì)線路圖形的制作。各主要流程工藝參數(shù)優(yōu)化后，進(jìn)行精細(xì)線路綜合試驗(yàn)，得到理想的精細(xì)線路圖形，設(shè)計(jì)線寬15 μm/15 μm，線路厚度約15 μm（如圖7）。

4.4.2 微銅柱（凸點(diǎn)）制作

采用感光抗蝕干膜作為模板提供三維局限空間用于銅柱的電鍍，對(duì)銅柱的形態(tài)及尺寸起了決定性的作用。利用負(fù)性感光抗蝕干膜通過(guò)UV曝光成像的方式，形成規(guī)則均一的圓形陣列，再通過(guò)顯影的方式得到柱形空間，最后利用電鍍方式將柱形空間填滿形成銅柱。銅柱尺寸精度影響因素主要有以下幾個(gè)方面：干膜厚度及均勻性決定銅柱高度、解析度決定銅柱直徑規(guī)則性，曝光、顯影、電鍍和刻蝕等參數(shù)決定最終銅柱形貌。

（1）感光抗蝕干膜的選擇。

感光抗蝕干膜的選擇與銅柱最終的高度是緊密相關(guān)的。初始設(shè)計(jì)干膜厚度要高于最終銅柱的高度，主要是考慮在后續(xù)的刻蝕、介質(zhì)層研磨過(guò)程中會(huì)有工藝損耗，同時(shí)板面線路間隙填充也降低了干膜的實(shí)際厚度。在完成線路電鍍后壓合銅柱圖形干膜，可以采用兩種壓膜方式，即單層干膜和多層干膜壓合，其厚度選擇和優(yōu)劣勢(shì)比較如表2所示。可以看出采用多層薄干膜，厚度有更加靈活的選擇，可以采用不同解析度和感光度的干膜進(jìn)行壓合，解決了單層厚干膜解析度不能滿足超細(xì)銅柱圖形的解析度要求。

（2）銅柱成型

銅柱圖形工藝要解決以下兩方面問(wèn)題：一是采用多層薄干膜疊加設(shè)計(jì)時(shí)多次壓膜的界面結(jié)合問(wèn)題；二是曝光成像及厚干膜的顯影殘留問(wèn)題。對(duì)于銅柱圖形工藝問(wèn)題，主要解決厚干膜微開孔（65 μm～100 μm）、底部殘膠和干膜類型及厚度設(shè)計(jì)問(wèn)題。經(jīng)多次試驗(yàn)測(cè)試，多層薄干膜疊加，光敏度由底層向上依次增大，采用真空壓膜的方式，并且要將設(shè)計(jì)厚度流出工藝冗余；底部殘膠問(wèn)題與干膜厚度，曝光能量、顯影時(shí)間有關(guān)，更主要是與開孔直徑以及厚徑比有關(guān)，干膜越厚、孔徑越小，顯影難度越高，需要將顯影點(diǎn)提前到30%以內(nèi)，大大增加顯影時(shí)間，同時(shí)顯影后的清洗采用超聲清洗和壓縮空氣與高壓水結(jié)合的方式，保證孔內(nèi)沖洗徹底。

圖7 精細(xì)線路截面切片（×500）

表2 感光抗蝕干膜比較

（3）銅柱電鍍工藝。

實(shí)驗(yàn)中采用干膜開微盲孔，然后通過(guò)電鍍填孔形成銅柱，電鍍銅柱在線路層的焊盤上以干膜開孔后直接電鍍獲得微導(dǎo)疊孔。銅柱電鍍工藝要解決以下問(wèn)題：①銅柱圖形盲孔表面浸潤(rùn)和銅面潔凈問(wèn)題；②銅柱底部界面結(jié)合力問(wèn)題；③電鍍后銅柱高度均勻性問(wèn)題。采用等離子體處理干膜微盲孔內(nèi)表面，其實(shí)質(zhì)是解決干膜微孔內(nèi)的清潔并改善改善干膜界面的表面能，從而增加溶液的浸潤(rùn)性。在等離子處理前必須進(jìn)行80 ℃、30 min烘烤，去除板面及孔內(nèi)的水汽，否則將影響等離子體處理效果。采用等離子體處理，可以有效清除銅柱底部的干膜異物殘留，同時(shí)還能達(dá)到潤(rùn)濕干膜的效果，提高干膜的表面能，有利于后續(xù)銅柱電鍍時(shí)的藥水交換，獲得完整的銅柱圖形。等離子體潤(rùn)濕處理后，使干膜開窗底部干凈、無(wú)異物殘留，然后再進(jìn)行微蝕處理，徹底去除銅柱底盤的氧化和污染，使開窗底部獲得潔凈的銅面，有利于銅柱電鍍。

銅柱結(jié)合力與基底銅的結(jié)合力取決于電鍍前的銅面潔凈程度，電鍍填孔過(guò)程參數(shù)控制，特別是初始電鍍時(shí)的參數(shù)控制，更主要的是銅柱直徑，決定了銅柱與基底銅的接觸面積。優(yōu)化初始電鍍電流參數(shù)，采用小電流電鍍主要目的在于使結(jié)晶更細(xì)密，界面接觸更好，從而有效提高銅柱底部結(jié)合問(wèn)題，再利用較大電流電鍍，提高銅柱生長(zhǎng)速度。采用上述措施和參數(shù)，設(shè)計(jì)不同直徑的銅柱圖形并用相同的電鍍參數(shù)電鍍，通過(guò)對(duì)銅柱推力測(cè)結(jié)果來(lái)看，銅柱結(jié)合力整體較好。對(duì)于銅柱直徑與結(jié)合力的關(guān)系趨勢(shì)，如圖8所示，推力與銅柱直徑的平方是線性關(guān)系。當(dāng)銅柱直徑不斷縮小時(shí)，結(jié)合力將急劇減小，而銅柱與基底銅的結(jié)合力最小的臨界值決定了銅柱的最小直徑，也就是決定了銅柱的最高密度。當(dāng)銅柱直徑縮小到50 μm時(shí)，推力的估測(cè)值為25 g，經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，銅柱直徑50 μm左右時(shí)發(fā)生銅柱機(jī)械性剝離、缺失等缺陷概率大大增加。

圖8 銅柱結(jié)合力隨銅柱直徑變換關(guān)系

電鍍后，銅柱都會(huì)高出干膜5 μm～10 μm，高出部分由于不受干膜限制而向各個(gè)方向沉積結(jié)晶，形成俗稱“蘑菇頭”的銅帽（如圖9）。

圖9 銅柱研磨前后形貌對(duì)比圖表

為保證下一層線路及堆疊孔的高度一致性，需要將“蘑菇頭”削平，同時(shí)保證整個(gè)板面的共面性良好，須采用精密的機(jī)械刷磨工藝。機(jī)械研磨方式根據(jù)刷磨材料分為：砂帶研磨、陶瓷刷研磨、不織布研磨三種方式。通過(guò)研究陶瓷刷輪、不織布刷輪、砂帶研磨三種機(jī)械研磨方式各項(xiàng)特性，將三種研磨方式優(yōu)化搭配研磨，先用砂帶粗磨將高出的部分快速磨平，再用不織布刷磨提高表面粗糙度的均勻性，最后用陶瓷刷輪精磨起到板面整平和進(jìn)一步提高表面粗糙度均勻性的作用，為下一步沉銅及圖形制作提供平整均勻的表面。

（4）銅柱去膜工藝。

銅柱干膜較厚，去膜時(shí)優(yōu)選有機(jī)胺體系高效去膜液，采用非接觸式去膜方式，并適當(dāng)降低去膜速度。當(dāng)常規(guī)去膜后仍有夾膜時(shí)，可以采用等離子體處理，再水平剝膜，確保精細(xì)線路、銅柱之間無(wú)任何夾膜。去膜的關(guān)鍵點(diǎn)：①帶干膜銅柱研磨的參數(shù)和去披峰微蝕量要匹配，使銅柱呈現(xiàn)完美的圓形；②控制去膜速度及去膜液成分的有效成分；③當(dāng)去膜不凈時(shí)，采用等離子體處理，在能夠去除夾膜的前提下最大限度減少處理時(shí)間，避免等離子體對(duì)化銅層下樹脂的攻擊。

4.4.3 介質(zhì)層制作

積層介質(zhì)層材料一般分兩大類，感光性樹脂和熱固性樹脂材料，每種材料又有兩種產(chǎn)品形態(tài)。一種是液態(tài)狀，一種是薄膜狀。液態(tài)材料形成絕緣介質(zhì)層的加工方法多為涂覆方式，薄膜狀材料形成絕緣介質(zhì)層多為輥壓或真空貼壓方式。實(shí)驗(yàn)中采用薄膜介質(zhì)作為封裝基板的積層介質(zhì)材料。

（1）介質(zhì)厚度選擇。

介質(zhì)膜的最終厚度是根據(jù)電性能需求確定的，而工藝過(guò)程的厚度設(shè)計(jì)是與流程損耗密切相關(guān)的，結(jié)合工藝試驗(yàn)和理論計(jì)算，得出如下公式：

介質(zhì)厚度＝理論介厚＋樹脂填充厚度＋樹脂咬蝕余量＋研磨余量；

介質(zhì)膜工藝研磨余量＝5 μm～15 μm；

實(shí)驗(yàn)中采用65 μm的標(biāo)稱厚度薄膜介質(zhì)可滿足上述要求。

（2）薄膜介質(zhì)的壓合工藝。

真空壓介質(zhì)層薄膜工藝是指采用真空壓膜機(jī)將絕緣薄膜材料貼覆在完成微導(dǎo)疊孔制作的基板上。真空壓膜機(jī)能有效防止壓膜過(guò)程出現(xiàn)薄膜皺褶及氣泡，真空壓介質(zhì)層薄膜溫度及壓力隨時(shí)間變化曲線（如圖10、圖11）。

圖10 真空壓介質(zhì)層薄膜溫度及壓力隨時(shí)間變化曲線

圖11 薄膜介質(zhì)不同升溫速率固化曲線

真空壓薄膜介質(zhì)層薄膜過(guò)程中，薄膜材料受熱粘度降低，出于流動(dòng)狀態(tài)，在壓力和真空作用下完全填充到微導(dǎo)線和銅柱之間的間隙。經(jīng)過(guò)真空壓膜后的薄膜材料還需要進(jìn)一步加熱固化，原來(lái)B階樹脂材料轉(zhuǎn)化為C階，發(fā)生完全交聯(lián)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，薄膜加熱固化過(guò)程，溫度曲線的控制影響到介質(zhì)層表面樹脂沉積。升溫速率越快，固化后薄膜表面SiO2填料越少，樹脂越厚。經(jīng)粗化處理后對(duì)比可以看出，升溫速率快的試驗(yàn)組，其樹脂表面更加粗糙，這種相對(duì)粗糙的樹脂表面有利于增加抗剝離強(qiáng)度。

（3）介質(zhì)層平整。

薄膜壓制后，要使介質(zhì)膜層厚度均勻、表面共面性良好，需要對(duì)表面進(jìn)行整平。采用砂帶+陶瓷輥+不織布刷輥相結(jié)合的研磨方式，通過(guò)砂帶粗磨+陶瓷刷大電流粗磨、小電流精磨+不織布拋光相結(jié)合等方式，使表面共面性、平整性、粗糙度都適合下一個(gè)循環(huán)的精細(xì)線路和銅柱工藝。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出優(yōu)化的平整參數(shù)如下：采用1000#砂帶粗磨，功率0.2～0.6 kW，研磨1～2遍，再用4×800#陶瓷刷粗磨，電流1.0 A，研磨1～3遍，然后2×800#陶瓷0.5 A小電流精磨1遍，最后2×1000#不織布0.5 A小電流拋光一遍。最終達(dá)到控制整板面絕緣層介厚及均勻性目的，確保最終介厚與均勻性達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求（如圖12）。

圖12 薄膜研磨后露出平整的銅柱情況

（4）樣板試制。

經(jīng)過(guò)各分工序的實(shí)驗(yàn)與研究試制，完成了有機(jī)基板的綜合試制，樣板金相截面如圖13所示。從圖中可以看出，樣板經(jīng)過(guò)5次積層的任意層互連，層間對(duì)準(zhǔn)度±8 μm，介質(zhì)平均厚度40 μm±5 μm范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)電測(cè)，其互連性能完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖13 逐層對(duì)位、5次積層有機(jī)封裝基板金相圖

5 小結(jié)

針對(duì)2.5 D封裝用有機(jī)基板的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以一款實(shí)用高性能CPU的2.5 D封裝有機(jī)基板為研究對(duì)象，本文對(duì)實(shí)現(xiàn)有機(jī)基板樣品制備的流程、工藝和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和討論，最終完成了合格樣板的制備，并具備小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)能力。本文研究的有機(jī)基板制造工藝方法是半加成（SAP）工藝，關(guān)鍵技術(shù)包括三個(gè)方面：一是精細(xì)線路的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，二是可多次積層的層間微導(dǎo)孔互連工藝，三是超薄介質(zhì)層制作工藝。