关键词：
集成电路封装
转接板
啮合微结构
晶须
复合材料
摘要：
集成电路微型化和多功能化集成发展的趋势,推动了电路封装技术的持续发展,传统封装技术在传输速率、体积和可靠性等方面已远远不能满足高密度集成的要求,三维封装技术应运而生。与传统封装相比较,三维封装能够极大地压缩封装体积,实现了短距离互连的同时提高了芯片传输效率,大幅提升系统性能。TSV封装是三维封装的典型代表,其中通过转接板来实现的2.5D堆叠封装最具近期实用化潜力,作为2.5D封装技术的核心,转接板的性能受到了广泛的关注。根据基体材料的不同,转接板可分为硅基转接板、玻璃基转接板和聚合物基转接板等,其中硅基转接板技术相对最成熟,但是仍然面临许多挑战,例如孔的隔离、孔的填充、晶片减薄及其表面金属化处理等。玻璃基转接板也是近年来研究的热点,玻璃基转接板具有良好的热稳定性和优越的电性能,但是在通孔制备工艺上存在较大困难,应用并不广泛。聚合物基转接板因为制备工艺简单、通孔互连成品率高、成本低等优势而受到重视,但是由于聚合物材料本身的局限性,它的缺点也是显而易见的:机械强度低,与芯片材料的热膨胀系数差距大,热导率低。这些缺点极大地限制了它的应用范围。鉴于此,对聚合物基转接板基体材料进行有目的改性成为研究的方向,其中利用有序分布金属网状结构强化力学性能的尝试取得了显著效果,然而,金属和聚合物间的结合强度较低,转接板承受载荷时增强结构与聚合物基体之间容易发生剥离与滑移,导致增强作用容易失效;另外金属和聚合物间的性能差异较大,也容易导致界面结合性能变差。为了解决上述问题,本文提出了两种界面结合增强机制,一种是在网状金属增强结构与聚合物界面设置金属啮合微结构,通过机械互锁效应强化聚合物和金属的界面性能;另一种是无序增强机制,用晶须掺杂聚合物形成的复合材料代替原有的单纯聚合物,使得聚合物基体的整体性能得到有效提升,缩小了金属和聚合物间在热导率、热膨胀及刚度等方面的差异。两种增强效应协同作用形成复合增强型聚合物基转接板。为此,首先针对转接板集成制造应用的要求,研究了晶须增强聚合物复合材料的制备工艺,重点优化了晶须在聚合物中的分散效果,比较了不同的晶须含量对复合材料性能的影响,确定了最佳比例。通过仿真分析,研究了啮合微结构和晶须增强聚合物复合材料对转接板性能的影响。结果表明,相比于原有转接板设计,啮合微结构的添加使得转接板的力学和热学性能均有显著的提升;转接板的性能随晶须含量的增加而增强,当晶须含量达到7%左右时,转接板的性能达到最佳,晶须含量进一步增加使得晶须团聚现象越来越明显,导致复合材料的性能变差,从而影响转接板的性能。将上述晶须增强的聚合物基复合材料制备工艺与现有MEMS微加工工艺深度整合,形成了复合增强型聚合物转接板集成制造工艺流程,并流片制造了新型转接板小批量样品,同时制备了原有金属网状结构增强聚合物基转接板作为对比试样。对上述两种转接板的力学、热学及电学性能进行测试,结果表明,与原有设计相比,复合增强机制显著提升了转接板的综合性能,杨氏模量增加35.89%,热导率增加65.60%,热膨胀系数降低21.17%。转接板样品上下表面之间的电阻值一致性良好,垂直互连的导电金属柱良率较高,拥有明显的实用化潜力。
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