聚合物-陶瓷复合电子衬底制造技术

一种包含聚合物和陶瓷材料的复合电子和／或光学衬底，其中，复合衬底具有小于４的介电常数和１００℃下为８－１４ｐｐｍ／℃的热膨胀系数。复合衬底可以是填充陶瓷的聚合物材料，也可以是填充聚合物的陶瓷材料。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术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。美国专利5571609(M.E.St.Lawrence等)，其内容在此引作参考，描述了一种衬底材料，该材料包括含有丁二烯和异戊二烯的聚丁二烯和聚异戊二烯的热凝基体、玻璃布、陶瓷填充物、阻燃物以及过氧化物固化起始物。所述的复合材料具有在z方向更低的CTE以及提高的电气性能。然而，此种材料是不令人满意的，因为其抗拉强度差、Tg低、热稳定性低、固化时间长、热膨胀高、上限使用温度低、抗溶剂性差以及易感光氧化。美国专利4810563(DeGree等)，其内容在此引作参考，描述了一种包括顶部和底部金属层以及填充陶瓷的聚酰胺-聚酰亚胺基体树脂绝缘层的多层衬底工件。聚酰胺-聚酰亚胺层用环氧树脂接合层粘附起来。所述工件具有因聚(酰胺-酰亚胺)基体引起的对显著吸湿性的限制，以及环氧树脂粘附层在低热稳定性、低Tg方面的性能限制，同时复合物的介电常数相对较高，导致整个封装的较差性质。在塑料封装结构中，集成电路(IC)器件连接到用可固化的复合物制成的有机衬底，该复合物包含诸如无机填充物增强的聚环氧化物、氰酸酯/环氧树脂混合物的热凝粘合剂。具有低介电常数的热塑复合介电材料，如填充颗粒的含氟聚合物复合层板，已由Roger公司生产用于互连结构。其它已被描述用于有机衬底结构的低介电常数层叠材料通过往含氟聚合物层板中注入热凝树脂而制造，该热凝树脂一般为氰酸盐酯化树脂。因此，本专利技术的一个目的是提供一种制造经济的有机-无机复合电子衬底。本专利技术的另一目的是提供一种具有低介电常数、低阻抗、低CTE、低重折率(birefringence)、高封装-卡片可靠性以及应力组件较低的互连应力。本专利技术的又一目的是提供一种具有高Tg和良好热稳定性的复合电子衬底。本专利技术的再一目的是提供一种具有低吸湿性的复合电子衬底。在参照以下的对本专利技术的描述之后，本专利技术这些以及其它的目的会变得更显而易见。根据本专利技术的第一方面提供一种复合电子和/或光学衬底，该衬底包括多个相邻的层，每个相邻层包含聚合物和陶瓷材料的混合物，其中，所述衬底具有在100℃下为8-14ppm/℃的热膨胀系数和小于4的介电常数，从而实现了本专利技术的目的。根据本专利技术的第二方面，提供一种包括多个层的复合电子和/或光学衬底，每个层包含填充聚合物的陶瓷材料，其中，所述衬底具有在100℃下为8-14ppm/℃的热膨胀系数和小于4的介电常数。根据本专利技术的第三方面，提供一种包括多个相邻层的复合电子或光学衬底，每个相邻层包含填充陶瓷的聚合物材料，其中，聚合物材料占30-90wt％而陶瓷材料占10-70wt％，所述衬底具有在100℃下为8-14ppm/℃的热膨胀系数和小于4的介电常数。根据本专利技术的第四方面，提供一种制作复合电子和/或光学衬底的方法，该方法包括以下步骤形成聚合物和陶瓷材料的弥散物；形成多个含有所述弥本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合衬底，包括多个相邻层，每个相邻层包含聚合物和陶瓷材料的混合物，其中，所述衬底具有１００℃下为８－１４ｐｐｍ／℃的热膨胀系数和小于４的介电常数，所述复合衬底适于用作光学和／或电子衬底。

【技术特征摘要】
US 2000-6-29 09/606,3591.一种复合衬底，包括多个相邻层，每个相邻层包含聚合物和陶瓷材料的混合物，其中，所述衬底具有100℃下为8-14ppm/℃的热膨胀系数和小于4的介电常数，所述复合衬底适于用作光学和/或电子衬底。2.如权利要求1所述的复合衬底，其中，每个层包含30-90wt％的聚合物材料和10-70wt％的陶瓷材料。3.如权利要求1所述的复合衬底，其中，每个层包含40-60wt％的聚合物材料和40-60wt％的陶瓷材料。4.如权利要求1所述的复合衬底，其中进一步包括含有100wt％聚合物材料的表面层，并且该表面层适于承载至少一个光学波导。5.如权利要求4所述的复合衬底，其中，聚合物材料从包括氟化聚合物、丙烯酸聚合物、聚醚酮、聚酯、以及尿烷-丙烯酸聚合物的组中选择。6.如权利要求1所述的复合衬底，其中，多个相邻层中的一层承载至少一个光学波导，并进一步包括与所述多个相邻层中的一层相邻的表面层，该表面层包含100wt％的聚合物材料。7.如权利要求6所述的复合衬底，其中，至少一个光学波导是槽，该槽进一步包括含100wt％聚合物材料的衬层。8.如权利要求7所述的复合衬底，其中，用于衬层和表面层的聚合物材料从包括氟化聚合物、丙烯酸聚合物、聚醚酮、聚酯、以及尿烷-丙烯酸聚合物的组中选择。9.如权利要求1所述的复合衬底，其中，所述陶瓷从包括二氧化硅、熔融的二氧化硅、石英、矾土硅酸盐、镁土硅酸盐、硼硅酸盐以及它们的混合物的组中选择。10.如权利要求1所述的复合衬底，其中，聚合物材料从包括热塑聚酯、LC聚酯、LCP-热塑聚合物混合物、聚酰亚胺、氟化聚酰亚胺、杆状结构的低热膨胀系数的聚酰亚胺、热塑聚合物、多环-烯烃、聚苯并环丁烯、氰酸盐酯化树脂、氰酸酯/环氧树脂混合物、双马来酰亚胺树脂、聚乙烯醇缩丁醛、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚(α-甲基苯乙烯)以及它们的混合物的组中选择。11.如权利要求1所述的复合衬底，其中，多个层中的每层具有至少一个通路。12.如权利要求1所述的复合衬底，其中进一步包括位于每对层之间的导线。13.一种复合衬底，包括多个层，每个层包含填充聚合物的陶瓷材料，其中，所述衬底具有100℃下为8-14ppm/℃的热膨胀系数和小于4的介电常数，所述衬底适于用作光学和/或电子衬底。14.如权利要求13所述的复合衬底，其中进一步包括含有100wt％聚合物材料的表面层，并且该表面层适于承载至少一个光学波导。15.如权利要求14所述的复合衬底，其中，聚合物材料从包括氟化聚合物、丙烯酸聚合物、聚醚酮、聚酯、以及尿烷-丙烯酸聚合物的组中选择。16.如权利要求13所述的复合衬底，其中，多个层中的一层承载至少一个光学波导，并进一步包括与所述多个层中的一层相邻的表面层，该表面层包含100wt％的聚合物材料。17.如权利要求16所述的复合衬底，其中，至少一个光学波导是槽，该槽进一步包括含100wt％聚合物材料的衬层。18.如权利要求17所述的复合衬底，其中，用于衬层和表面层的聚合物材料从包括氟化聚合物、丙烯酸聚合物、聚醚酮、聚酯、以及尿烷-丙烯酸聚合物的组中选择。19.如权利要求13所述的复合衬底，其中，所述陶瓷从包括二氧化硅、熔融的二氧化硅、石英、矾土硅酸盐、镁土硅酸盐、硼硅酸盐以及它们的混合物的组中选择。20.如权利要求13所述的复合衬底，其中，填充陶瓷材料的聚合物材料从包括聚酰亚胺、低CTE聚酰亚胺、氟化聚酰亚胺、聚亚芳基醚、SILK、多环-烯烃、聚苯并环丁烯、氰酸盐酯化树脂、氰酸酯/环氧树脂混合物、双马来酰亚胺(BMI)树脂以及它们的混合物的组中选择。21.如权利要求13所述的复合衬底，其中，多个层的每层具有至少一个通路。22.如权利要求13所述的复合衬底，其中进一步包括位于每对层之间的导线。23.一种复合衬底，包括多个相邻层，每个相邻层包含填充陶瓷的聚合物材料，其中，聚合物材料占30-90wt％，陶瓷材料占10-70wt％，所述衬底具有100℃下为8-14ppm/℃的热膨胀系数和小于4的介电常数，所述衬底适于用作光学和/或电子衬底。24.如权利要求23所述的复合衬底，其中进一步包括含有100wt％聚合物材料的表面层，并且该表面层适于承载至少一个光学波导。25.如权利要求24所述的复合衬底，其中，聚合物材料从包括氟化聚合物、丙烯酸聚合物、聚醚酮、聚酯、以及尿烷-丙烯酸聚合物的组中选择。26.如权利要求23所述的复合衬底，其中，多个相邻层中的一层承载至少一个光学波导，并进一步包括与所述多个相邻层中的一层相邻的表面层，该表面层包含100wt％的聚合物材料。27.如权利要求26所述的复合衬底，其中，至少一个光学波导是槽，该槽进一步包括含100wt％聚合物材料的衬层。28.如权利要求27所述的复合衬底，其中，用于衬层和表面层的聚合物材料从包括氟化聚合物、丙烯酸聚合物、聚醚酮、聚酯、以及尿烷-丙烯酸聚合物的组中选择。29.如权利要求23所述的复合衬底，其中，所述陶瓷从包括二氧化硅、熔融的二氧化硅、石英、矾土硅酸盐、镁土硅酸盐、硼硅酸盐以及它们的混合物的组中选择。30.如权利要求23所述的复合衬底，其中，聚合物材料从包括LC聚酯、聚酰亚胺、氟化聚酰亚胺、低热膨胀系数的聚酰亚胺、聚苯并环丁烯、聚亚芳基醚、氰酸盐酯化树脂、氰酸酯/环氧树脂混合物、双马来酰亚胺树脂以及它们的混合物的组中选择。31.如权利要求23所述的复合衬底，其中，多个层的每层具有至少一个通路。32.如权利要求23所述的复合衬底，其中进一步包括位于每对层之间的导线。33.一种制作复合衬底的方法，其中，包括以下步骤形成聚合物和陶瓷材料的弥散物；形成多个含有所述弥散物的复合坯板；在每个坯板中形成通路孔；在每个坯板的通路孔中填充金属导体；在每个复合坯板的表面上形成金属导体；以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔G伯杰，沙吉法卢克，莱斯特W赫隆，詹姆斯N胡门尼克，约翰U尼克伯克，罗伯特W帕斯克，查尔斯H佩里，克里什纳G萨克德夫，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]