CN100463128C - 半导体芯片埋入基板的三维构装结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体芯片埋入基板的三维构装结构及其制作方法，将具有至少一贯穿开孔的承载件接置在第一绝缘层上，并将至少一半导体芯片接置在该第一绝缘层上且收纳在该承载件开孔中，接着形成第二绝缘层在该承载件及芯片上，同时将第一及第二绝缘层进行压合粘着，使绝缘树脂充填入该承载板与芯片间的空隙，在该第二绝缘层上形成有电性连接到芯片的第二线路层，及在该第一绝缘层中形成连通到芯片的散热盲孔，将散热盲孔与导热线路层连接，协助半导体芯片将运行产生的热量逸散到外部；该构装结构及其制作方法可提供高密度及高性能结构，该方法均匀控制位于芯片及承载件上绝缘层的平整性，均匀控制位于芯片及承载件上绝缘层的平整性，提升芯片的散热效能。

Description

半导体芯片埋入基板的三维构装结构及其制作方法
技术领域
本发明是关于一种半导体芯片埋入基板的三维构装结构及其制作方法，特别是关于一种整合芯片与承载件的半导体构装结构及其制法。
背景技术
随着电子产业的蓬勃发展，电子产品也逐渐进入多功能、高性能的研发方向。为满足半导体封装件高积集度(Integration)以及微型化(Miniaturization)的封装要求，提供多个有源、无源元件及线路连接的电路板(Circuit board)也逐渐由单层板演变成多层板(Multi-layer bord)，在有限的空间下，借由层间连接技术(Interlayer connection)扩大电路板上可利用的电路面积配合高电子密度的集体电路(Integrated circuit)需求。
电路板的导电线路层数以及元件密度提高，配合高度积集化(Integration)半导体芯片运行产生的热量也会大幅增加，这些热量若不及时排除，将导致半导体封装件过热严重威胁芯片寿命。目前，球栅阵列式(BGA)结构在更高脚数(1500pin)以上及高频应用上已无法符合电性及散热性的需求。倒装芯片球栅格阵列(FCBGA)结构可以使用在更高脚数及更高频的产品，但若是多芯片覆晶封装其整体的封装成本高，在技术上仍有许多限制，尤其芯片放置在外表面占据空间不容易缩小尺寸到较轻薄短小及高功能的目的。
为此，新的解决方法，即是将半导体芯片直接埋入基板。如图1所示，它是美国专利第6,709,898号提出的散热型半导体封装件。如图所示，该半导体封装件包括一散热板102，该散热板102具有至少一凹部104；一半导体芯片114，该半导体芯片114的非电路面118借由一粘着层120接置在该凹部104中；一线路结构122，形成在该散热板102及该半导体芯片114上。
请参阅图2，它是该散热板102的剖视图。如图所示，该半导体芯片114接置在散热板102上位在凹部104内，从该散热板102的上表面延伸到该散热板102内部一定开孔深度处。
请参阅图3，第一绝缘层126形成在散热板102上填入凹部104内，填充在半导体芯片114旁的空隙。惟，欲将绝缘树脂填入凹部104内的空隙。但该空隙较小，如树脂的绝缘材料填入困难，在填充过程中该空隙中容易产生气泡，导致后续加热工序会产生爆米花(pop corn)现象，造成整体构装结构质量不稳定。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种半导体芯片埋入基板的三维构装结构及其制作方法，将半导体芯片埋入基板及在基板表面作半导体封装形成三维的封装或组装结构，提供高密度及高性能结构。
本发明的另一目的在于提供一种半导体芯片埋入基板的三维构装结构及其制作方法，均匀控制位于芯片及承载件上绝缘层的平整性。
本发明的另一目的在于提供一种半导体芯片埋入基板的三维构装结构及其制作方法，提升后续进行线路结构的工序质量与电性连接可靠度。
本发明的另一目的在于提供一种半导体芯片埋入基板的三维构装结构及其制作方法，提升芯片的散热效能。
为达上述及其它目的，本发明提供一种半导体芯片埋入基板的三维构装结构及其制作方法，它包括以下实施步骤：(1)首先，将具有至少一贯穿开孔的承载件接合在第一绝缘层上；(2)将至少一半导体芯片接置在该第一绝缘层上且收纳在该承载件开孔中；(3)在该承载件及芯片上形成第二绝缘层，接着，两边同时作压合粘着该第一绝缘层与该第二绝缘层，使绝缘树脂填充在该承载件与半导体芯片间的间隙；(4)以及热硬化该第一绝缘层与第二绝缘层。其中该第一绝缘层与该第二绝缘层可由相同材料制成，或由不同材料组成。
接着，在该第二绝缘层中形成有盲孔露出该芯片的电极垫；以及在该第二绝缘层上形成第二线路层及在该盲孔中形成导电盲孔，令该第二线路层电性连接到该芯片的电极垫。
第一绝缘层与第二绝缘层材料可选自预浸料(prepeg)或薄膜状(film)材料，例如环氧树脂(epoxy resin)、聚酰亚胺(polyimide)、LCP、双顺丁烯二酸酰亚胺/三氮阱(BT，Bismaleimide triazine)、ABF(AjinomotoBuild-up Film)、聚苯醚(PPE)、聚四氟乙烯(PTFE)或苯丙环丁稀(BCB，benzoncylobutene)。第二绝缘层形成在该承载件的表面压合粘着时，可自动填充在芯片和承载件之间的空隙，不需要额外步骤填充胶状树脂在该空隙，减少制法步骤并节省成本。此外，可避免该空隙中的残存气泡，成为填充在空隙的绝缘材料中的气泡，影响整体构装结构的质量。更可控制绝缘材料自然地往真空状态的空隙流动，因此芯片不会被绝缘材料推挤，容易在控制芯片的位置。在两边加压真空压合时，由于第一绝缘层和第二绝缘层都会被压平，再进行加热硬化，因此可达到良好的平整性，减少制法步骤并节省成本。
此外，在将芯片接置在该第一绝缘层上形成第二绝缘层之后，还可在该第一绝缘层形成盲孔，和该芯片的具有散热垫的非电路面连通，在第二绝缘层形成导电盲孔及第二线路层时，同时在该第一绝缘层上形成至少一金属层及散热盲孔，使得该芯片产生的热量可借由散热盲孔与第二线路层导通到半导体构装结构的外部。
再者，第一绝缘层与第二绝缘层上也可进行多层的增层结构，并需要在该增层结构的线路层上植设多个导电元件，供该半导体芯片埋入基板的三维构装结构电性导接到外部装置。该第一绝缘层上的第一线路层与第二绝缘层上的第二线路层中间隔着承载件，两者可借由电镀导通孔电性连接。
经过上述工序，本发明的半导体芯片埋入基板的三维构装结构包括：一第一绝缘层；一具有至少一贯穿开孔的承载件，接置在该第一绝缘层上；至少一具有电路面及相对非电路面的半导体芯片，用它的非电路面接置在该第一绝缘层上且收纳在该开孔中；一第二绝缘层，形成在该承载件及半导体芯片的表面且填充在该开孔与该半导体芯片间的空隙；以及一接置在该第一绝缘层上的第一线路层，该第一线路层可借由至少一形成在该第一绝缘层中的散热盲孔导通到半导体芯片的非电路面。在该第一绝缘层上形成有线路结构，且该线路结构包括形成有至少一导热线路和该散热盲孔连接，该半导体芯片运行产生的热量可借由散热盲孔与导热线路分散到半导体构装结构的外部。且在该第二绝缘层上形成有电性连接到芯片的线路结构。
在该第一绝缘层及该第二绝缘层及其对应的线路上分别形成有第一及第二线路增层结构。其中，该第一绝缘层和第二绝缘层上的第一及第二线路层间，两者可以电镀导通孔电性连接。最后，可在该第一及第二线路增层结构的外表面设置多个例如焊球、接脚或金属凸块等导电元件提供该半导体芯片埋入基板的三维构装结构电性连接到外部装置，之后可在该结构外表面设置覆晶封装。
因此，本发明的半导体构装结构可借由整合半导体芯片封装与线路工序，同时结合芯片承载件与半导体封装技术的工序，避免现有半导体封装技术的缺点，另外本发明可通过散热盲孔及线路提高半导体装置的散热能力，同时，借由真空压合第二绝缘层在嵌埋有芯片的承载件上提供高密度及高性能结构，均匀控制位于芯片及承载件上绝缘层的平整性，提高优良率，节省成本，提高产量，得到良好的半导体芯片埋入结构的质量及产品可靠性。
附图说明
图1是美国专利第6,709,898号案提出的半导体装置的剖面示意图；
图2是美国专利第6,709,898号案提出的散热板容置芯片的剖面示意图；
图3是美国专利第6,709,898号案提出的散热板在容置芯片时，填充第一绝缘层产生缺失的局部剖面示意图；
图4A至4F是本发明的半导体构装结构的制法实施例1的剖面示意图；以及
图5A至5H是本发明的半导体构装结构的制法实施例2的剖面示意图。
具体实施方式
请参阅图4A至4F，它将详细说明本发明的半导体构装结构的制法第一较佳实施例的剖面示意图。此处须注意的一点是，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本架构，因此其仅显示与本发明有关的构成，所显示的构成并非以实际实施时的数目、形状、及尺寸比例绘制，其实际实施时的数目、形状及尺寸比例为一种选择性的设计，其构成布局形态可能更为复杂。
实施例1
请参阅图4A，首先提供具有贯穿开孔400a的承载件400。该承载件400可以是绝缘核心板、金属板或具有线路的电路板，该承载件400的厚度可视需要而定。
请参阅图4B，接着将该承载件400接合在第一绝缘层401上。该第一绝缘层401可以是预浸料(prepeg)或薄膜状(film)材料，例如环氧树脂(epoxy resin)、聚酰亚胺(polyimide)、LCP、双顺丁烯二酸酰亚胺/三氮阱(BT，Bismaleimide triazine)、ABF(Ajinomoto Build-up Film)、聚苯醚(PPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、苯丙环丁稀(BCB，benzoncylobutene)等。
请参阅图4C，借由一导热粘着层42将一半导体芯片43的非电路面430接置在该第一绝缘层401上并且容纳在该承载件400的开孔400a中。该芯片43的电路面431上具有多个电极垫431a。
请参阅图4D，接着在该承载件400及该半导体芯片43电路面431上形成第二绝缘层402。该第二绝缘层402和第一绝缘层401可以是由相同或不同材料制成。接着用压合粘着制法，两边同时加热压合该第一绝缘层401与该第二绝缘层402，获得一平整表面，并使绝缘材料充填入该承载板400与芯片43间的空隙。
请参阅图4E，可利用例如激光钻孔(laser drilling)或等离子体蚀刻等方式，也或对应光感应性树脂以曝光、显影方式在该第二绝缘层402上形成多个盲孔402a，外露出该芯片43电路面431上的电极垫431a。
请参阅图4F，接着，在该第二绝缘层402上形成第二线路层44，并对应该盲孔402a形成导电盲孔402b，令该导电盲孔402b电性连接到该芯片43的电极垫431a，使得该电极垫431a借由该导电盲孔402b和第二线路层44向外作电性延伸。其中，导电盲孔402b的结构可采用全填满导电层(Cu via filled)或未填满的一般盲孔导电层，全填满导电层的结构形态可提升构装结构的电气特性及散热效能。
之后，还可在该第一绝缘层401及该第二绝缘层402上形成线路增层结构(图未标)，并可在该线路增层结构上形成焊球、接脚或金属凸垫等导电元件(图未标)，供该嵌埋入承载件400的半导体芯片43电性导接到外部装置。上述工序是该项技术领域中具通常知识者了解，在此不加以赘述。
实施例2
请参阅图5A至5H，它们是本发明的半导体构装结构的制法实施例2的剖面示意图。本发明的半导体构装结构及其制法的实施例2与实施例1近似，主要差异在于第一绝缘层中形成有连通半导体芯片非电路面的散热盲孔，该散热盲孔填有散热材料及连接到线路结构中的导热线路层，进而连通到外部，或可进一步提供直接外接其它散热装置提升半导体构装结构的散热效果。
请参阅图5A，首先提供具有贯穿开孔500a的承载件500。该承载件500可以是绝缘核心板、金属板或具有线路的电路板，该承载件500的厚度可视需要而定。
请参阅图5B，将该承载件500接置在第一绝缘层501上。该第一绝缘层501可以是预浸料(prepeg)或薄膜状(film)材料，例如环氧树脂(epoxy resin)、聚酰亚胺(polyimide)、LCP、双顺丁烯二酸酰亚胺/三氮阱(BT，Bismaleimide triazine)、ABF(Ajinomoto Build-up Film)、聚苯醚(PPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、苯丙环丁稀(BCB，benzoncylobutene)等。
请参阅图5C，借由导热粘着层52将半导体芯片53的非电路面530接置在该第一绝缘层501上且容纳在该承载件500的开孔500a中。其中，该开孔500a的尺寸对应该半导体芯片53的尺寸。该芯片53的电路面531上具有多个电极垫531a，非电路面530上具有多个芯片散热垫530a。
请参阅图5D，接着在该承载件500及该半导体芯片53电路面531上形成第二绝缘层502。该第二绝缘层502和第一绝缘层501可以由相同或不同材料制成。接着用压合粘着制法，两边同时加热压合该第一绝缘层501与该第二绝缘层502，获得一平整表面。
请参阅第5E图，还可利用例如激光钻孔(laser drilling)或等离子体蚀刻等方式，也或对应光感应性树脂以曝光、显影方式，在该第一绝缘层501上形成多个盲孔501a，在该第二绝缘层502上形成多个盲孔502a。该盲孔501a是外露该芯片53的芯片散热垫530a，盲孔502a是外露出该芯片53电路面531上的电极垫531a。
请参阅图5F，接着，在该第一绝缘层501上形成第一线路层55，且在该第二绝缘层502上形成第二线路层54。对应在盲孔501a处形成散热盲孔501b，该散热盲孔501b填充如铜金属等散热材料构成，并与该第一线路层55的导热线路550连接，该导热线路550可延伸到外部。对应该盲孔502a处形成导电盲孔502b，该第二线路层54借由该导电盲孔502b电性连接到该芯片53的电极垫531a。其中，该导电盲孔502b的结构型能可采用全填满导电层(Cu via filled)或未填满的一般盲孔导电层，对于全填满导电层的结构形态可提升电气特性及散热效能。
请参阅图5G，可持续在该第一绝缘层501与第一线路层55，以及在第二绝缘层502与第二线路层54上进行线路的增层工序，在该收纳有半导体芯片53的承载件500两侧形成有第二线路增层结构56及第一线路增层结构57。其中，该承载件500上、下表面的线路是以电镀导通孔59作电性连接。
请参阅图5H，接着在该第一及第二线路增层结构57及56的外缘表面形成防焊层58a，58b，并使该防焊层58a，58b形成有多个的开孔外露出该第一及第二线路增层结构57，56外缘表面的电性连接垫560及570部分。在该第二线路增层结构56外缘表面的电性连接垫560与该第一线路增层结构57外缘表面的电性连接垫570上形成有多个例如焊球、接脚或金属凸垫等导电元件59a，59b，供例如一半导体元件60接置并电性连接于该导电元件59a上，同时提供该嵌埋入承载件500的半导体芯片53借由导电元件59b电性导接到外部装置。
因此，如图5H所示，通过本发明上述的工序所得的半导体构装结构主要包括：一第一绝缘层501；具有至少一贯穿开孔500a的承载件500，接合在该第一绝缘层501上；至少一半导体芯片53，通过一导热粘着层52接置于该第一绝缘层501上并收纳在该承载件500的开孔500a中；一第二绝缘层502，借由压合粘着方式形成在该承载件500及该半导体芯片53电路面531上，并填充在开孔500a与芯片53之间的空隙；至少一第二线路层54形成在该第二绝缘层502上，与至少一第一线路层55形成在该第一绝缘层501上，且该第二线路层54借由导电盲孔502b电性连接到该半导体芯片53的电极垫531a，该第二线路层54可借由电镀导通孔59和第一线路层55电性连接。其中该线路层57还包括导热线路550，与散热盲孔501b连接，该散热盲孔501b是连通该半导体芯片53的芯片散热垫530a。因此半导体芯片53运作时产生的热量，可经由芯片散热垫530a、散热盲孔501b、导热线路550散逸到半导体构装结构的外部，增加半导体构装结构的散热能力。
该半导体构装结构还包括有第二线路增层结构56，形成该第二绝缘层502及第二线路层54上，该第二线路增层结构56包括至少一绝缘层、迭置在绝缘层上的线路层以及贯穿该绝缘层以电性连接该线路层的导电盲孔。在该第二线路增层结构56的最外表面的线路层上形成有多个电性连接垫560，提供植置有多个例如焊球、导电凸块等导电元件59a，供接置半导体元件60，提供收纳在该承载件500的该半导体芯片53通过其表面的电极垫531a、导电盲孔502b、第二线路层54以及导电元件59a电性连接到外部装置。
另外在该第一绝缘层501及第一线路层55上，还形成有第一线路增层结构57，它的结构类似第二线路增层结构56，且该第一线路增层结构57可借由形成在承载件中的电镀导通孔59与第二线路增层结构56电性连接。在该第一线路增层结构57的最外表面的线路上则形成有多个电性连接垫570，用来提供植置有多个例如焊球、导电凸块等导电元件59b。

Claims (10)

1.一种半导体芯片埋入基板的三维构装结构的制作方法，其特征在于，该半导体芯片埋入基板的三维构装结构的制作方法包括：
将具有至少一贯穿开孔的承载件接置在第一绝缘层上；
提供至少一半导体芯片，该半导体芯片具有一电路面及相对的一非电路面，将该半导体芯片的非电路面接置在该第一绝缘层上并且收纳在该承载件的贯穿开孔中；
在该承载件及该半导体芯片的电路面上形成第二绝缘层；
将该第一绝缘层与该第二绝缘层同时压合粘着在该承载件的贯穿开孔及半导体芯片间的空隙；
在该第一绝缘层外露表面上形成第一线路层与导热线路，及在该第一绝缘层中形成至少一连通该半导体芯片的非电路面的散热盲孔，使该散热盲孔与导热线路连接，且该导热线路延伸到外部；
在该第二绝缘层上形成第二线路层，并借由设置在该第二绝缘层中的导电盲孔电性连接到该半导体芯片的电极垫；形成电镀导通孔以贯穿该第一绝缘层、第一线路层、该承载件、该第二绝缘层和第二线路层，使该第二绝缘层上的第二线路层通过该电镀导通孔电性连接该第一绝缘层上的第一线路层；以及
进行增层工序在该第一绝缘层、导热线路及第一线路层上形成第一线路增层结构，并在该第二绝缘层及第二线路层上形成第二线路增层结构。
2.如权利要求1所述的半导体芯片埋入基板的三维构装结构的制作方法，其特征在于，该第一绝缘层与该第二绝缘层是由相同材料制成。
3.如权利要求1所述的半导体芯片埋入基板的三维构装结构的制作方法，其特征在于，该第一绝缘层与该第二绝缘层是由不同材料制成。
4.如权利要求1所述的半导体芯片埋入基板的三维构装结构的制作方法，其特征在于，该第一绝缘层是尚未完全硬化绝缘层，以及该第二绝缘层是具有流动性的胶状绝缘层。
5.如权利要求1所述的半导体芯片埋入基板的三维构装结构的制作方法，其特征在于，该第二线路层的制法包括：
在该第二绝缘层形成有盲孔露出该半导体芯片的电路面上的电极垫；以及
在该第二绝缘层上形成第二线路层及在该盲孔中形成导电盲孔，使该第二线路层电性连接到该半导体芯片的电极垫。
6.如权利要求1所述的半导体芯片埋入基板的三维构装结构的制作方法，其特征在于，该承载件是绝缘核心板、金属板或具有线路的电路板。
7.一种半导体芯片埋入基板的三维构装结构，其特征在于，该半导体芯片埋入基板的三维构装结构包括：
一第一绝缘层；
一具有至少一贯穿开孔的承载件，接置在该第一绝缘层上；
至少一具有电路面及相对非电路面的半导体芯片，用它的非电路面接置在该第一绝缘层上并且收纳在该贯穿开孔中；
一第二绝缘层，形成在该承载件及半导体芯片的电路面上并填充在该贯穿开孔与该半导体芯片间的空隙；
一接置在该第一绝缘层外露表面上的第一线路层与导热线路，该导热线路借由至少一形成在该第一绝缘层中的散热盲孔导通到半导体芯片的非电路面；
一接置在该第二绝缘层上的第二线路层，并借由设置在该第二绝缘层中的导电盲孔电性连接到芯片的电极垫；电镀导通孔，将该第一绝缘层、第一线路层、该承载件、该第二绝缘层和第二线路层贯穿，从而使该第一绝缘层上的线路层及该第二绝缘层上的线路层电性连接；以及
第一及第二线路增层结构，是分别形成在该第一绝缘层、导热线路及第一线路层上，与该第二绝缘层及第二线路层上。
8.如权利要求7所述的半导体芯片埋入基板的三维构装结构，其特征在于，该承载件是绝缘核心板、金属板或具有线路的电路板。
9.如权利要求7所述的半导体芯片埋入基板的三维构装结构，其特征在于，该第一绝缘层及该第二绝缘层由相同材料制成。
10.如权利要求7所述的半导体芯片埋入基板的三维构装结构，其特征在于，该第一绝缘层及该第二绝缘层由不同材料制成。
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