CN1170314C - 聚合物-陶瓷复合电子衬底 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

聚合物-陶瓷复合电子衬底
技术领域
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。
背景技术
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。
发明内容
因此，本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明的再一目的是提供一种具有低吸湿性的复合电子衬底。
在参照以下的对本发明的描述之后，本发明这些以及其它的目的会变得更显而易见。
本发明的代表性方案可概括如下：
(1)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(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(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(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(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(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(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(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(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(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、PBTP-LCP和PEN-LCP的混合物、LCP和聚醚酰亚胺的混合物、LCP和聚醚砜的混合物、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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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(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；以及堆积和层叠多个坯板形成相邻复合层的复合衬底，该衬底具有100℃下为8-14ppm/℃的热膨胀系数和小于4的介电常数，该衬底适于用作光学和/或电子衬底。
(34)如(33)所述的方法，其中进一步包括使每个坯板的通路孔中的金属导体致密化的步骤。
(35)如(33)所述的方法，其中进一步包括使每个坯板表面上的金属导体致密化的步骤。
(36)如(33)所述的方法，其中，每个坯板的通路孔中的金属导体包含固体金属元素。
(37)如(33)所述的方法，其中，每个坯板表面上的金属导体包含金属釉。
(38)如(33)所述的方法，其中，所述弥散物包含30-90wt％的聚合物材料和10-70wt％的陶瓷材料。
(39)如(33)所述的方法，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。
(40)如(33)所述的方法，其中，聚合物材料从包括热塑聚酯、LC聚酯、聚酰亚胺、氟化聚酰亚胺、低热膨胀系数的聚酰亚胺、聚亚芳基醚、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。
(41)如(33)所述的方法，其中，在堆积和层叠步骤之前，进一步包括把至少两个坯板形成子单元的步骤。
(42)如(33)所述的方法，其中，在堆积和层叠步骤之后，进一步包括形成适于用作光学波导的表面层并接合表面层与复合衬底的步骤。
(43)如(42)所述的方法，其中，表面层包含100wt％的聚合物材料。
(44)如(43)所述的方法，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。
(45)如(33)所述的方法，其中，多个坯板中的一个适于承载至少一个光学波导，并在堆积和层叠步骤之后，进一步包括接合与所述多个坯板中的一个相邻的表面层，该表面层包含100wt％的聚合物材料。
(46)如(45)所述的方法，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。
(47)如(46)所述的方法，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。
(48)一种制作复合电子衬底的方法，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；在每个坯板的表面上形成金属导体；堆积和层叠多个坯板形成复合衬底层板；加热复合衬底，热去除聚合物材料和任何含碳的残余物；局部使陶瓷材料致密化，生成刚性骨架结构；用聚合物材料至少局部地填充刚性骨架结构，形成复合衬底，该衬底具有100℃下为8-14ppm/℃的热膨胀系数和小于4的介电常数，该衬底适于用作光学和/或电子衬底。
(49)如(48)所述的方法，其中，在对陶瓷材料进行局部致密化的步骤中，进一步包括使每个坯板的通路孔中的金属导体致密化。
(50)如(48)所述的方法，其中，在对陶瓷材料进行局部致密化的步骤中，进一步包括使每个坯板表面上的金属导体致密化。
(51)如(48)所述的方法，其中，每个坯板的通路孔中的金属导体包含固体金属元素。
(52)如(48)所述的方法，其中，每个坯板表面上的金属导体包含金属釉。
(53)如(48)所述的方法，其中，所述弥散物包含30-70wt％的聚合物材料和30-70wt％的陶瓷材料。
(54)如(48)所述的方法，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。
(55)如(48)所述的方法，其中，用于形成聚合物和陶瓷材料弥散物的聚合物材料从包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PMMA-聚-n-丁基丙烯酸酯共聚物、聚(t-丁基丙烯酸酯)、PαMS(聚(α-甲基苯乙烯))、聚乙烯醇缩丁醛、聚环氧丙烷、PIB(聚异丁烯)、PMMA-PIB混合物的组中选择。
(56)如(48)所述的方法，其中，用于至少局部填充刚性骨架陶瓷结构的聚合物材料从包括聚酰亚胺、氟化聚酰亚胺、低CTE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。
(57)如(48)所述的方法，其中，在至少局部填充步骤之后，进一步包括形成适于用作光学波导的表面层并接合表面层与复合衬底的步骤。
(58)如(57)所述的方法，其中，表面层包含100wt％的聚合物材料。
(59)如(58)所述的方法，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。
(60)如(48)所述的方法，其中，多个坯板中的一个适于承载至少一个光学波导，并在至少局部填充的步骤之后，进一步包括接合与所述多个坯板中的一个相邻的表面层，该表面层包含100wt％的聚合物材料。
(61)如(60)所述的方法，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。
(62)如(61)所述的方法，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。
(63)如(48)所述的方法，其中进一步包括：
形成至少一个适于承载至少一个光学波导的辅助层；
形成包含100wt％聚合物材料的表面层；以及
在至少局部填充步骤之后，把所述至少一个辅助层和表面层接合到复合衬底上。
(64)如(63)所述的方法，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。
(65)如(64)所述的方法，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。
附图说明
本发明的新颖特征和元件特性在后附权利要求中具体提出。附图仅用于示范目的，并不是按比例描绘。然而，对于本发明的组织及操作方法，可通过以下结合附图进行的详细描述而更好地理解。
图1为本发明的第一实施例的横截面视图，示出填充陶瓷的聚合物复合衬底。
图2为本发明的第二实施例的横截面视图，示出填充聚合物的陶瓷复合衬底。
图3为本发明的第二实施例的变型的横截面视图，示出填充聚合物的陶瓷衬底，其中，聚合物仅位于复合衬底的表面区域和周围，从而封装整个结构。
图4为示出形成本发明第一实施例的方法的流程图。
图5为示出形成本发明第二实施例的方法的流程图。
图6为与图1相似的横截面视图，但在适当位置具有用于信号光学传输的表面层。
图7为与图2相似的横截面视图，但在适当位置具有用于信号光学传输的表面层。
图8为与图3相似的横截面视图，但在适当位置具有用于信号光学传输的表面层。
图9为与图1相似的横截面视图，但具有在适当位置用于支持信号光学传输的层以及覆盖表面层。
图10为与图2相似的横截面视图，但具有在适当位置用于支持信号光学传输的层以及覆盖表面层。
图11和12为与图3相似的横截面视图，但在适当位置具有用于支持信号光学传输的层。
具体实施方式
本发明涉及一种包含聚合物和陶瓷材料的复合电子和/或光学衬底，其中该衬底具有低介电常数和低CTE。更具体地，对衬底的功能要求包括低CTE，优选在100℃时该CTE在8-14ppm/℃的范围内，即，位于FR-4 PCB的(CTE 15-17ppm(在x、y方向)和60ppm(在z方向))和半导体器件的(CTE 3ppm)之间；介电常数＜4，优选＜3.5以允许更密地配置高密度细线/通路；在热应力条件下良好的尺寸稳定性；提高的第二级互连可靠性；以及即使模具大小增加也能保证封装完整性。
相似地，对本发明所用聚合物材料的功能要求应包括：低面内CTE；低重折率与各向同性的光学和机械性质；3.5或更小的低介电常数；在温度＞300℃时较高的机械强度和较高的热稳定性；可任选形成层板/板、半固化片或溶液铸膜；适于注模的低熔体粘性；层-层和层-金属的粘附可靠性；聚合物-填充物复合材料在工艺条件下的化学稳定性；热氧化稳定性；以及与光成象技术的兼容性。
本发明复合衬底所用的典型聚合物材料包括：热塑聚酯，例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBTP)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚亚芳基醚、以及聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯混合物；液晶聚合物(LCP)聚酯，如p-羟基苯酸(HBA)/p-羟基萘酸(HNA)；PBTP-LCP和PEN-LCP混合物；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；聚(α-甲基苯乙烯)；聚乙烯醇缩丁醛；LCP和聚醚酰亚胺(PEI)的混合物，及LCP和聚醚砜的混合物；挠性平面链聚酰亚胺；杆状结构的低CTE聚酰亚胺；氟化聚酰亚胺和硅氧烷聚酰亚胺；聚酰亚胺/聚酯膜/层板，如热传导的KAPTON(DuPont商品名称)、UPILEX(Ube Industries商品名称)；聚酰亚胺与LC聚酯、B级玻璃增强的聚酯片的混合物；聚苯醚-环氧树脂(PPO-环氧树脂)混合物(如General Electric的GETEK层板)；多环-烯烃/聚降冰片烯，如AVATREL树脂(商品名称，B.F.GoodrichCompany)；SILK聚合物(Dow Chemical，Inc.商品名称)；聚苯并环丁烯聚合物，如BCB-DVS、CYCLOTENE树脂(Dow Chemicals商品名称)；聚倍半硅氧烷；以及氰酸盐酯化树脂、氰酸酯/环氧树脂、BT/环氧树脂、及BMI(双马来酰亚胺)树脂。
在作为适用于本发明复合衬底的聚合物材料之一的上述聚酰亚胺材料中，更为优选的种类是低CTE聚酰亚胺，包括：BPDA-PDA；BPDA-ODA；PMDA-PDA；在酐和/或在胺段中带有全氟异丙叉官能度的局部氟化的聚酰亚胺(如Pyralin RC2566；FPI氟化聚酰亚胺，DuPont)；局部氟化的聚酰亚胺，如分别从2，2-二[4-(4-氨基苯氧基)苯基]-六氟丙烷(BDAF)和1，2，3，4-四羧酸二酐或苯均四酸二酐(PMDA)、共-联苯四羧酸二酐和3，3′，4，4′-苯酮四羧酸二酐衍生的PMDA-BDAF、BPDA-BDAF和BTDA-BDAF。另外还可使用的非氟化半挠性链聚酰亚胺的实例包括那些从PMDA-ODA衍生的材料，如Pyralin RC5878聚酰胺酸前体或DuPont的KAPTON膜；以及BPDA-ODA聚酰胺酸前体溶液或相应的预酰亚胺化的膜，如UbeIndustries Inc.的Upilex R。在高达350-400℃的固化之后，未填充的聚酰亚胺膜的典型性质的一般范围包括：Tg，大于260℃；介电常数，2.9-3.5；Eb％(断裂延伸率)，50-90％；弹性模量，2.5-10GPa；CTE，在100℃下为3-50ppm/℃。本发明的局部氟化的聚酰亚胺具有优秀的自粘附性和与其它聚合物和金属的极佳粘附强度，因而可用于层间接合和不需要层间接合层的自接合复合层板。
用于本发明目的的低CTE聚酰亚胺是那些从优选可选材料的直线-平面的或半挠性的前体衍生而来的材料，优选可选材料是BPDA-PDA(共-联苯四羧酸二酐(BPDA)-p-苯撑双胺(PDA))聚酰亚胺溶液铸膜，以及Ube Industries的商品名称为UPILEX的层板，该层板是化学机械拉伸的或热凝固的。由于其刚性杆或半挠性-平面的分子结构，此种聚酰亚胺具有特殊性质：低面内CTE(在100℃下为大约5ppm/℃，在300℃下为大约8ppm/℃)，低介电常数(2.9-3.1)，高弹性模量(8-11GPa)，高抗拉强度(400-450MPa)，低吸湿性(小于1％)以及高Tg(＞400℃)。
用于复合衬底的优选陶瓷材料具有低热膨胀系数(优选在室温到400℃的范围内小于8ppm/℃)和低介电常数(优选小于6)。一些这样的陶瓷材料可包括：电子级SiO2、硅烷化的二氧化硅、石英、熔融的二氧化硅、Al2O3-SiO2、3Al2O3.2SiO2(富铝红柱石)、BeO、Al或Fe或Mg的硅酸盐如5SiO2-2AlO3-2MgO(堇青石)、其它诸如硼硅酸盐玻璃的玻璃、以及它们的混合物。陶瓷材料可为粉末状、纤维、球形、微球形、中空球形、薄片形、须状等的形式。对于聚合物-填充物复合物的各向同性性质，具体地指在x、y和z方向的CTE，优选使用颗粒形式的填充物。
本发明的复合衬底可通过如下制成：制作多个聚合物-陶瓷复合坯板层，然后层叠它们形成复合衬底。复合衬底的构造可平行地或连续地完成。复合衬底至少具有一个这样的表面，该表面尤其适合承载用于转换电子和/或光子的高密度电子金属导体和/或高密度光学波导。以下将更加详细地描述，复合衬底可由填充陶瓷的聚合物材料或填充聚合物的陶瓷材料制成。首先描述前一结构。
I.填充陶瓷的聚合物材料
包括填充陶瓷的有机聚合物复合材料层的复合衬底与用于层间互连的金属通路，可为高性能半导体应用提供优良的封装结构，这些复合材料层用标准技术进行金属化。形成聚合物-填充物复合物的方法如可模塑的或可板浇铸的形成方法，以及层板/B级半固化片的方法在本领域中是众所周知的。作为本发明的一个实施例，增加陶瓷的聚酰亚胺复合物通过如下形成：在聚酰胺酸前体溶液中弥散陶瓷填充物，然后通过去除第一溶剂而转换成模塑化合物，再酰亚胺化形成聚酰亚胺。模塑粉末可在适当的温度和压力条件下进行压塑形成复合板。作为替代方案，聚酰胺酸-陶瓷填充物的弥散物或浆液可用如帘涂、滚涂等的常规涂敷工艺在载体板上浇铸，随后去除溶剂并(可选地)局部或完全地固化和从载体移出获得复合半固化片。陶瓷填充物的含量优选在占填充陶瓷的有机聚合物复合材料的10-70wt％的范围内。
此种复合多层衬底的好处在于其热膨胀系数位于半导体器件的(在100℃下为大约3ppm/℃)和常规印刷电路板的(在100℃下为大约17-18ppm/℃)之间。复合衬底包括多个填充陶瓷的聚合物材料介电层与用导电浆料填充的通路孔，或者(替代地)用固体金属填充通路以提供层间互连。
复合衬底可由平行处理的层或连续处理的层或综合两者而制作。例如，复合衬底可用诸如电源芯板的层叠三重板平行地构造，该芯板在其任一侧上具有信号层且在芯板之间有单个电源层。然后往复合衬底上添加至少一个适当的顶层。作为替代方案，芯板结构可通过顺序添加介电层和金属导体而形成。然后，往芯板上添加至少一个适当的顶层。
用于层间互连的导电浆料的金属填充物为例如Cu、Ni、Pd或Ag粉末，以及低熔点的二元或三元合金如共晶体Bi/Sn、In/Sn、Pb/Sn/Ag、在Cu或Ni上的In/Sn、在Cu上的Pb/Sn、在Cu上的Bi/Sn/Pb、镀Sn的Cu、涂敷Bi的Cu。导电浆料可构成占总浆料固体60-90wt％的金属填充物，此浆料包括有机粘合剂、导电颗粒、添加剂，还可包括诸如玻璃粉末的无机成分。表面特征包括高导电率的金属(如Cu)，该金属可具有Ni层，随后，添加镀Cu的薄层或者对于半导体器件和PCB的锡焊连接可进行表面抛光。
现在详细参照附图，具体参照图4，描述如何形成填充陶瓷的聚合物复合衬底，在含有适当添加剂的溶剂载体中，陶瓷填充物和聚合物基体一起混合形成弥散物52，添加剂例如为增塑剂、表面活化剂/弥散剂、抗氧化剂和着色剂。前述成分在高剪切混合工艺中使用行星式混合器或球磨机或辊式破碎机进行混合，形成用于浇铸的均匀浆液。对于填充物的可湿性和弥散物的稳定性，一般希望在用聚合物粘合剂系统进行混合之前，用诸如有机硅烷或有机钛酸酯的偶合剂对填充物粉末进行表面改良。作为替代方案，填充物表面改良剂在陶瓷填充物中混合之前，先与聚合物-溶剂载体和其它带有粘合剂系统的添加剂一起混合。
用于对填充物颗粒进行表面改良以使与基体树脂的相互作用得到改善的典型方法包括：在甲醇或乙醇中用0.1-1.0wt％的γ-氨基丙基三乙氧硅烷或A-1100(Union Carbide)的溶液混合陶瓷粉末；在真空中除去此液体之后在室温下进行辗磨几小时；通过把此被处理的固体加热到约100℃而烘干。其它用于对陶瓷粉末进行表面改良的硅烷偶合剂包括乙烯基二甲基乙氧硅烷、乙烯基三烷氧基硅烷、六甲基二硅氮烷(HMDS)、二乙烯基四甲基二硅氧烷(DVS)以及有脂族胺如n-丙基胺存在的相关材料。如果需要可把粘附促进剂添加到浆料成分中。优选地，被选择的聚合物基体是那些包含附属物官能度的材料，例如对陶瓷颗粒表面具有亲合力的烷氧基硅烷或乙烯基烷氧基硅烷，从而提供原位置表面改良。相似地，在填充物与粘合剂系统混合之前，有机钛酸酯偶合剂可用于对填充物进行表面改良，或者在粘合剂系统与陶瓷填充物混合之前，有机钛酸酯偶合剂可添加到粘合剂系统中。一般用于二氧化硅填充物改良的典型钛酸酯包括异丙基三(二辛基焦磷酸基)钛酸酯、异丙基三(乙氨基-乙氨基)钛酸酯以及相关材料。
由此形成的复合浆液可用普遍应用的板浇铸工艺，在一般为PET、聚乙烯的载体上，或在聚丙烯背衬材料或半固化片上浇铸成板(称为坯板)(图4中的54)。作为替代方案，复合聚合物半固化片/板可采用本领域中众所周知的熔化-挤压或注模技术形成。在后一工艺中，无溶剂的热塑聚合物和无机填充物的混合物作为在易于达到的温度下具有适于注模的熔体粘性的模塑粉末，被压塑成层板。在浆液铸板的情况下，一般继续执行烘干操作以除去铸板中的溶剂。相似地，载有挠性链聚酰胺酸的溶剂或聚酰胺酯前体溶液用陶瓷材料颗粒进行填充，接着，通过在100-200℃下加热除去溶剂和酰亚胺化而转变成模塑料，并压塑成B级层板。
下料(冲切)操作产生所需尺寸的单个复合衬底层，并冲校准所需的配准孔。然后除去衬板，采用机械冲孔、激光钻孔、机械钻孔、电子束切削或化学蚀刻在每个层中形成通路(图4中的56)，再填充导电金属(图4中的58)。
通路可用常规方法进行金属浆料填充，例如通过与复合层板接触的金属掩膜而丝网印刷或橡皮滚刮涂浆料。作为替代方案，通路金属可通过填充固体金属而形成，该金属是采用已知的技术如电镀或除去蚀刻或者对导电金属球进行机械定位而淀积的。在通路用导电浆料填充时，对金属化的坯板进行烘干。然后，采用常规多层陶瓷制作技术，通过丝网印刷或挤压筛除由低熔点金属填充物配制的导电浆料，在坯板层的表面上形成信号和连线金属化图案(图4中的60)。作为替代方案，信号和连线金属化可由固体金属(例如通过印花釉法(decal))形成，然后转换到层的表面上。
在100-250℃对金属化的层进行热循环，除去残余的溶剂，并且局部固化(B级)或完全固化树脂基体。
对单个层进行检查或电气测试，接着校准并堆积所需数量的层(图4中的62)，在堆层的顶部和底部放置不粘的聚合物薄板，在150-350℃温度和200-2000psi压力下使用液力同轴冲压进行层叠而形成多层复合互连结构。随后，对层叠结构执行用于表面抛光金属淀积的电镀工艺，一般为Ni/Au的无电工艺。
在表面抛光之前，可增加至少一个表面层，该层尤其适于承载分别用于传输电子和/或光子的高密度电子金属导体和/或高密度光学波导，此表面层如图6中表面层80所示，表面层80具有波导82(如光纤)和/或84(如开口槽)。表面层80的成分为30-100wt％的聚合物材料和70-0wt％的陶瓷。
作为替代方案，如图9所示，可形成承载波导82和/或槽84的填充陶瓷的聚合物层92。在此实施例中，槽84应衬有聚合物材料层94。注意，槽84是未填充的。最后形成聚合物表面层96。
在表面层80、102和衬层94用于高密度光学波导和槽时，在表面层中不应该有陶瓷填充物。所述聚合物材料应为光学透明的和低(光学)损失的材料。用于表面层的一些示范材料为氟化聚合物，如氟化的和全氟化的聚酰亚胺；诸如氟烷基甲基丙烯酸酯、全氟化甲基丙烯酸酯的丙烯酸聚合物，以及诸如PMMA和PMMA/聚苯乙烯共聚物的烷基甲基丙烯酸酯同聚物/共聚物；聚醚酮；聚酯；以及尿烷-丙烯酸聚合物。波导可为光纤以及用于光学传输或光学波导的开口槽。介电材料应优选具有不同的折射率以便折射光并使光保留在波导中。
如果没有充分的层间粘附完整性，粘合剂聚合物薄层可在不同的工艺和使用条件下用于层间粘附和接合完整性。示例性地而非限制地，能用于接合基于聚酰亚胺的复合金属化层的各种粘附剂包括：聚丙烯；硅氧烷聚酰亚胺；末端接有乙二叉的聚酰亚胺，如从BTDA-APB(3，3′，4，4′-四羧酸苯酮二酐/3，3″-二氨基苯氧基苯)聚异酰亚胺低聚物衍生的IP-610或IP-615 Thermid-Isoimide系列、以及相关的由6FDA-APB衍生的聚合物(National Starch)；双苯并环丁烯；二乙烯基硅氧烷-双苯并环丁烯聚合物，如DVS-二-BCB聚合物(CYCLOTENE树脂，DowChemical商品名称)、6FDA-ODA和BTDA-ODA聚酰胺酸(DuPont)；聚酯；聚烷基丙烯酸酯；或低分子量的芳香烃共聚酯或均聚酯。置于复合层之间的聚合物粘附层导致在层叠步骤中的温度和压力条件下的层-层接合。在完全固化复合板的情况中，在用喷涂、滚涂或其它普遍应用的表面涂敷技术涂敷粘附层之前，优选用O2等离子体曝光或化学方式如化学蚀刻激活其表面。然后烘焙粘附剂涂层以除去溶剂或其它挥发物并局部烘干/固化形成B级固化非粘性表面。后续工艺可如上述那样进行，形成通路图案、层组合、层板，淀积抛光冶金形成包含填充陶瓷的聚合物复合物的互连结构。另一方面，粘附层可为完全固化的热塑熔体可流动的聚合物膜，该膜可在通路冲孔或激光钻孔之前，使用与工业上可行的聚丙烯粘合剂或接合TEFLON(DuPont的商品名称)的KAPTON(DuPont的商品名称)相似的标准技术，通过层叠粘合层板、PYRALUX(DuPont的商品名称)热塑层板以及相关材料，从而接合到填充陶瓷的聚合物复合层。
被抛光的复合衬底10在图1中示出。对多个填充陶瓷的聚合物材料层12进行堆积和层叠，使它们互相毗邻。尽管没在图1中示出，如果需要的话，粘附剂材料可选地夹在上述层之间以形成层-层接合。所选择的粘附剂材料应该不降低但优选补充复合衬底的上述性质(CTE、介电常数、Tg、热稳定性等)。复合衬底10还优选包括通路14和连线16。
复合衬底现在就准备好用于半导体器件与PCB的接合和互连。半导体接合可使用具有或不具有底层填料的常规表面阵列互连。可使用如球状格栅阵列(BGA)、平面格栅阵列(LGA)或可插件互连的常规表面安装技术制作到PCB的连接。所述结构和工艺的好处在于：低成本；尺寸控制；低介电常数；低阻抗；高频特征尺寸的均匀性；更薄的介电层；处理小特征尺寸的能力；调整诸如CTE、介电常数、韧性、热和热氧化稳定性的产品属性的能力；所需的电气和机械性质。
II.填充聚合物的陶瓷衬底
根据本发明的第二实施例包括金属导体和局部致密化的陶瓷基体，该陶瓷基体已用具有低介电常数、低CTE和低吸湿性的有机的或有机金属的聚合物绝缘体进行表面密封或整体填充。此结构可用多层-陶瓷(MLC)类工艺制作，该工艺包括：在溶剂载体中制备包含陶瓷填充物和聚合物粘合剂系统的坯板浆液；在载体上浇铸板，挥发溶剂形成坯板。在烘干除去溶剂和下料操作之后，对单个层构图，用机械冲孔、激光钻孔、机械钻孔、电子束切削或化学蚀刻确定通路。通路冲孔之后的步骤包括：分别地使用网上(screen-on)金属浆料；烘干；检查单个被遮蔽的板；堆积和校准；层叠；接合剂熔化；金属致密化；以及陶瓷的局部烧结，通过加热至高温产生烧制素瓷的“颈缩”刚性骨架网络或多孔陶瓷主体而进行。此结构然后用有机的或有机金属的聚合物溶液或无溶剂的可聚合的活性单聚物/低聚物成分进行处理，从而形成表面皮肤状的密封或填充主体基体多孔结构。后续除去溶剂的热处理以及固化或聚合作用形成聚合物封装结构。随后的工艺包括淀积接线块冶金、电气测试、半导体器件接合、模件电气测试和PCB连接。
聚合物填充物相对于金属化的陶瓷复合主体的比例取决于陶瓷中的孔隙率、整体多孔结构的或仅仅是表面区域的和封装的填充、以及金属图案的密度。
用于形成填充聚合物的陶瓷结构的坯板浆液的优选聚合物，是那些在粘合剂熔化加热循环中常规加热到300-400℃时基本上完全解聚成可挥发的单元物质或热解成可挥发的单元/齐分子物质的聚合物。适用于此目的的各种聚合物包括聚烷基丙烯酸酯，优选包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PMMA-聚-n-丁基丙烯酸酯共聚物、聚(t-丁基丙烯酸酯)、PαMS(聚(α-甲基苯乙烯))、聚乙烯醇缩丁醛、聚环氧丙烷、PIB(聚异丁烯)、PMMA-PIB混合物，它们易于在低于400℃的温度下解聚。
用于通路填充的导电金属浆料可在聚合物粘合剂系统中包含诸如Au、Au-Cu、Au-Sn、Cu-Sn金属间化合物、镀Ag的Cu、或镀Au的Ni的金属粉末，以及可选地包含诸如玻璃熔体的无机颗粒，该粘合剂系统通过在低于350-450℃的温度下加热可容易地除去。此混合物在辊式破碎机中碾磨形成均匀浆料。
为了在表面层上形成聚合物密封或封装，或为了填充衬底主体中的多孔区域，此结构通过使无溶剂溶液或溶剂中载有聚合物或预聚物的溶液，优选无溶剂活性低聚物复合物在陶瓷网络的多孔区域之间流动而进行处理。为了示范目的，BCB树脂溶液或二乙烯基硅氧烷-双苯并环丁烯(DVS-BCB)预聚物溶液(Dow Chemical Co.的CYCLOTENE树脂)在多次涂敷中都在衬底上弥散，在中间涂敷时在100-150℃下加热，在每次涂敷之后缓慢地除去溶剂或低分子量物质，并且，在程控烘箱或炉中加热到350℃进行最后固化，形成热稳定的、抗溶剂的和封装陶瓷主体多孔结构的聚合物基体。BCB聚合物用作溶剂中局部聚合(B级)的树脂。被固化的交联聚合物有几个好处，具体为：较低的介电常数(在1kHz-1MHz时为2.65)和介电损失正切值(在1kHz＜0.0008)；当完全交联时的抗溶剂性；高热稳定性以及低吸湿性。其它低粘性材料也可用于回填陶瓷多孔结构，例如，SILK聚合物、聚亚芳基醚、低分子量的可交联的聚硅氧烷、诸如可在高颗粒浓度溶液中获得的聚甲基倍半硅氧烷[poly(methylsilsesquioxane)]，可相似地弥散到BCB溶液中，然后在高达400℃的温度下进行烘焙，在陶瓷骨架网络中形成交联的绝缘基体。
其它可用于后烧结表面密封或可用于整体注入到颈缩陶瓷主体中的热凝聚合物系统实例包括：诸如Thermid-Isoimide系列材料的末端接有乙二叉的聚酰亚胺，如IP-610或615低聚物；低CTE聚酰亚胺，如BPDA-PDA、BPDA-ODA；双马来酰亚胺-三嗪树脂(BT树脂)，氰酸酯-环氧树脂混合物，诸如PMDA-ODA酰胺-乙酯、BPDA-PDA酰胺-乙酯的聚酰胺乙酯；以及相关的材料。
“颈缩”陶瓷结构还可通过涂敷高粘性聚合物和高温固化而表面密封。同样是为了示范目的，衬底用后述材料在含约20wt％颗粒的NMP中通过喷射、浸渍或其它液体涂敷方法进行处理，接着用带有N2清洗的程控烘箱或炉进行烘焙/固化，所用材料包括：诸如BTDA-ODA、BPDA-ODA的聚酰亚胺复合物；诸如六氟异亚丙基苯二甲酸氢酐(6FDA)-含氧双苯胺(ODA)(6FDA-ODA)(RC2566，DuPont的商品名称)的局部氟化的聚酰胺酸或聚酰胺酯。典型的温度曲线包括：在大约70-80℃下开始，接着是斜率为2-4℃/min的程控曲线，上升到150℃、210-240℃、300℃，在每个温度下保持大约20min，最后在350-375℃固化45-60分钟并在除去成分之前缓慢冷却到至少70-80℃。聚酰亚胺溶液还可用于多次涂敷中，以便除了渗入到表面层中之外还增加对主体的渗入。在此情况中，优选在每次涂敷之后，聚合物在大约150℃下进行中间烘焙，并且在另一涂层被涂敷之前冷却到室温。在最终涂敷之后，在高达350-375℃温度下进行完全固化。
现在参照图2，示出本发明的第二实施例。复合衬底20包括多个具有孔28的陶瓷层22，孔28被聚合物材料30填充。多孔结构28连续分布在复合衬底20中，以便聚合物材料30能渗透所有的孔28。复合衬底20还优选包括通路24和连线26。
本发明第二实施例的变型如图3所示。在此，复合衬底20′包括具有多孔结构28的陶瓷层22。然而在复合衬底20′的情况中，聚合物材料32密封复合衬底20′的外侧并只局部地渗透进孔28，由此留下大部分孔28没有聚合物材料32。聚合物材料32被从区域34除去或被阻止淀积进区域34，从而可制作与半导体器件(未示出)或PCB(未示出)的电连接。
现在参照图5，讨论制作本发明第二实施例的方法。陶瓷材料在含有适当添加剂的溶剂载体中与聚合物粘合剂材料混合，形成弥散物63，亦称作坯板浆液，添加剂例如为增塑剂、表面活化剂/弥散剂、抗氧化剂和着色剂。前述成分在高剪切混合工艺中使用行星式混合器或球磨机或辊式破碎机进行混合，形成用于浇铸的均匀浆液。对于填充物和聚合物粘合剂系统的可湿性和弥散物的稳定性，一般希望在用聚合物进行混合之前，用诸如有机硅烷或有机钛酸酯的偶合剂对陶瓷材料进行表面改良。作为替代方案，颗粒表面改良剂可与有机粘合剂系统混合，然后再混合陶瓷材料形成复合浆液。如先前所述，选择可解聚的聚合物粘合剂。
由此形成的复合浆液可用板浇铸工艺，在一般为PET、聚乙烯或聚丙烯的载体上，浇铸成板(称为坯板)(图5中的64)。在进行烘干操作除去铸板中的溶剂之后，下料操作产生所需尺寸的单个复合衬底层，并冲校准所需的配准孔。
然后，除去衬板材料，用机械冲孔、激光钻孔、或化学蚀刻在每个层中形成通路(图5中的66)，接着填充导电金属(图5中的68)。通路可用常规的金属浆料填充。作为替代方案，通路冶金可通过填充固体金属而形成，该金属是采用已知的技术如电镀或除去蚀刻或者对导电金属元素进行机械定位而淀积的，例如金属冶金在适当位置上通过在金属球中压制而被模制或被插入。在通路用导电浆料填充时，对坯板进行烘干而除去挥发物。然后，采用常规多层陶瓷制作技术，通过丝网印刷或挤压筛除由金属填充物配制的导电浆料，信号和连线金属化图案在坯板层的表面上形成(图5中的70)。作为替代地，信号和连线金属化可由固体金属(例如通过印花釉法)形成，然后转换到层的表面上。
对单个层进行检查，接着校准并堆积所需数量的层(图5中的72)，在堆层的顶部和底部放置不粘的聚合物薄板，在150-350℃温度和200-2000psi压力下使用液力同轴冲压进行层叠而形成多层复合互连结构。
随后，把陶瓷主体加热到足以对聚合物粘合剂解聚和除去含碳残余物的温度(图5中的74)，此工艺是一般已知的且实践上用作粘合剂熔化。烧结温度然后升高到足以对陶瓷局部致密化的温度(76)。陶瓷的局部致密化或“素瓷”烧制产生在陶瓷领域中众所周知的多孔或骨架陶瓷主体。在多孔陶瓷主体冷却到室温并从炉内移出之后，先前指出的聚合物材料局部地或完全地渗透进多孔陶瓷主体中(图5中的78)。接着，对层叠结构执行用于表面抛光金属淀积的电镀工艺，一般为Ni/Au的无电工艺。
在表面抛光之前，可增加至少一个表面层，该层尤其适于承载分别用于传输电子和/或光子的高密度电子金属导体和/或高密度光学波导，此表面层如图7和8中表面层86所示，表面层86具有波导88(如光纤)和/或90(如开口槽)。图7一般对应于图2，但图7中有表面层86。相似地，图8一般对应于图3，但图8中有表面层86。表面层86的成分为30-100wt％的聚合物材料和70-0wt％的陶瓷。
作为替代方案，如图10和11所示，可形成承载波导88和/或槽90的填充陶瓷的聚合物层98。在此实施例中，槽90应衬有聚合物材料层100。注意，槽90是未填充的。最后，形成聚合物表面层102。
如图12所示，还有另一个实施例，可以省去如图11中所示的密封层32。那么层104可为填充陶瓷的聚合物材料或未被填充的陶瓷材料，与衬底其余部分相似。由聚合物表面层102提供对衬底的密封。
在表面层86、102和衬层100用于高密度光学波导时，在表面层中不应该有陶瓷填充物。所述聚合物材料应为光学透明的和低(光学)损失的材料。用于表面层的一些示范材料为氟化聚合物，如氟化的和全氟化的聚酰亚胺；诸如氟烷基甲基丙烯酸酯、全氟化甲基丙烯酸酯的丙烯酸聚合物，以及诸如PMMA和PMMA/聚苯乙烯共聚物的烷基甲基丙烯酸酯同聚物/共聚物；聚醚酮；聚酯；以及尿烷-丙烯酸聚合物。波导可为用于光学传输或光学波导的光纤及开口槽。介电材料应优选具有不同的折射率以便折射光并使光保留在波导中。
本领域技术人员易于理解，对于本文所述的具体的本发明实施例，只要不脱离本发明的精神，可对本发明实施例进行改变。因此，此种改变也应认为包括在本发明后附权利要求书的范围之内。

Claims (65)

1.一种复合衬底，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、PBTP-LCP和PEN-LCP的混合物、LCP和聚醚酰亚胺的混合物、LCP和聚醚砜的混合物、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
堆积和层叠多个坯板形成相邻复合层的复合衬底，该衬底具有100℃下为8-14ppm/℃的热膨胀系数和小于4的介电常数，该衬底适于用作光学和/或电子衬底。
34.如权利要求33所述的方法，其中进一步包括使每个坯板的通路孔中的金属导体致密化的步骤。
35.如权利要求33所述的方法，其中进一步包括使每个坯板表面上的金属导体致密化的步骤。
36.如权利要求33所述的方法，其中，每个坯板的通路孔中的金属导体包含固体金属元素。
37.如权利要求33所述的方法，其中，每个坯板表面上的金属导体包含金属釉。
38.如权利要求33所述的方法，其中，所述弥散物包含30-90wt％的聚合物材料和10-70wt％的陶瓷材料。
39.如权利要求33所述的方法，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。
40.如权利要求33所述的方法，其中，聚合物材料从包括热塑聚酯、LC聚酯、聚酰亚胺、氟化聚酰亚胺、低热膨胀系数的聚酰亚胺、聚亚芳基醚、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。
41.如权利要求33所述的方法，其中，在堆积和层叠步骤之前，进一步包括把至少两个坯板形成子单元的步骤。
42.如权利要求33所述的方法，其中，在堆积和层叠步骤之后，进一步包括形成适于用作光学波导的表面层并接合表面层与复合衬底的步骤。
43.如权利要求42所述的方法，其中，表面层包含100wt％的聚合物材料。
44.如权利要求43所述的方法，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。
45.如权利要求33所述的方法，其中，多个坯板中的一个适于承载至少一个光学波导，并在堆积和层叠步骤之后，进一步包括接合与所述多个坯板中的一个相邻的表面层，该表面层包含100wt％的聚合物材料。
46.如权利要求45所述的方法，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。
47.如权利要求46所述的方法，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。
48.一种制作复合电子衬底的方法，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；
在每个坯板的表面上形成金属导体；
堆积和层叠多个坯板形成复合衬底层板；
加热复合衬底，热去除聚合物材料和任何含碳的残余物；
局部使陶瓷材料致密化，生成刚性骨架结构；
用聚合物材料至少局部地填充刚性骨架结构，形成复合衬底，该衬底具有100℃下为8-14ppm/℃的热膨胀系数和小于4的介电常数，该衬底适于用作光学和/或电子衬底。
49.如权利要求48所述的方法，其中，在对陶瓷材料进行局部致密化的步骤中，进一步包括使每个坯板的通路孔中的金属导体致密化。
50.如权利要求48所述的方法，其中，在对陶瓷材料进行局部致密化的步骤中，进一步包括使每个坯板表面上的金属导体致密化。
51.如权利要求48所述的方法，其中，每个坯板的通路孔中的金属导体包含固体金属元素。
52.如权利要求48所述的方法，其中，每个坯板表面上的金属导体包含金属釉。
53.如权利要求48所述的方法，其中，所述弥散物包含30-70wt％的聚合物材料和30-70wt％的陶瓷材料。
54.如权利要求48所述的方法，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。
55.如权利要求48所述的方法，其中，用于形成聚合物和陶瓷材料弥散物的聚合物材料从包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PMMA-聚-n-丁基丙烯酸酯共聚物、聚(t-丁基丙烯酸酯)、PαMS(聚(α-甲基苯乙烯))、聚乙烯醇缩丁醛、聚环氧丙烷、PIB(聚异丁烯)、PMMA-PIB混合物的组中选择。
56.如权利要求48所述的方法，其中，用于至少局部填充刚性骨架陶瓷结构的聚合物材料从包括聚酰亚胺、氟化聚酰亚胺、低CTE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。
57.如权利要求48所述的方法，其中，在至少局部填充步骤之后，进一步包括形成适于用作光学波导的表面层并接合表面层与复合衬底的步骤。
58.如权利要求57所述的方法，其中，表面层包含100wt％的聚合物材料。
59.如权利要求58所述的方法，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。
60.如权利要求48所述的方法，其中，多个坯板中的一个适于承载至少一个光学波导，并在至少局部填充的步骤之后，进一步包括接合与所述多个坯板中的一个相邻的表面层，该表面层包含100wt％的聚合物材料。
61.如权利要求60所述的方法，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。
62.如权利要求61所述的方法，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。
63.如权利要求48所述的方法，其中进一步包括：
形成至少一个适于承载至少一个光学波导的辅助层；
形成包含100wt％聚合物材料的表面层；以及
在至少局部填充步骤之后，把所述至少一个辅助层和表面层接合到复合衬底上。
64.如权利要求63所述的方法，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。
65.如权利要求64所述的方法，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。
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