CN102208372A - 一种高密度导电通道基板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及芯片封装、制造、加工技术领域，具体涉及一种高密度导电通道基板。所述高密度导电通道基板，包括芯板和芯板表面的布线层，所述芯板是由垂直于基板表面的包覆绝缘层的柱状导线紧密排列而成的，所述相邻的包覆绝缘层的柱状导线之间填充有粘接材料。本发明还提供一种高密度导电通道基板的制造方法。本发明提供的基板结构具有低成本高密度，易于埋入无源器件的特点；而本发明提供的基板的制造方法，工艺步骤简单，生产效率高，由于没有采用高难度高成本的工艺，因此极大降低了加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及芯片封装、制造、加工技术领域，具体涉及一种高密度导电通道基板及其制造方法。
背景技术
随着信息技术的不断发展，手机和各种电子产品越来越向轻薄短小的方向发展，手机电脑的性能越来越高，体积变得越来越小，对芯片和器件的集成度要求也越来越高。随着大规模集成电路的不断发展和革新，线宽已经接近22纳米，集成度达到空前的水平。对于技术和设备的要求也达到了一个全新的高度。线宽进一步变小的难度越来越大，技术和设备的加工能力的提升难度更大，技术和设备水平的发展趋于减缓。这种情况下，3D高密度封装受产业界广泛的重视，一个器件中的芯片不再是一个，而是多个，并且不再是只在一层排列，而是堆叠成三维高密度微组装芯片。芯片三维堆叠有效减少了器件的三维尺寸，芯片间的堆叠方式也在不断的改进。从FLIP CHIP到硅基TSV（Through Silicon Via）通孔互联技术，器件的三维尺寸变得越来越小。封装工艺也从原来的键合、贴片、塑封，演变成引入前段工艺的RDL、Flip Chip、晶圆键合、TSV等等关键工艺技术，使得更芯片密度更大、尺寸更小的封装结构不断涌现。
其中TSV技术，被世界封装技术领域公认为下一代最重要的封装技术。如图1所示，在硅105中制作高深宽比的硅通孔，在孔壁上沉积的绝缘层101、隔离层102、电镀种子层103，最后用电镀的方法将金属104填满通孔，形成连接两侧电路的导电通孔。这种硅通孔的加工工艺和设备的成本都非常高，工艺过程复杂，目前没有完全彻底的解决方法。填孔的要求非常高，填充后的通孔中不能有气泡，否则，将在后续的使用过程中，导致断裂、发热等问题，使通孔连接失效，影响器件的电性能。
目前硅基TSV加工，普遍被大家采用的加工方法如下图2至图7所示。
首先用DRIE设备在硅105表面刻蚀高深宽比的微孔201。DRIE是一个高成本的工艺，能够在硅表面进行高深宽比刻蚀的设备，设备价格非常高，高深宽比深孔加工虽然已经能够在许多设备供应商的多种ICP刻蚀设备上实现，但是，由于设备价格和工艺难度较大，因此，工艺加工成本非常高。
第二步，绝缘层101沉积工艺到目前为止，虽然有众多的设备供应商声称他们的设备能够在高深宽比的微孔中沉积优质的绝缘层101。即便如此，孔壁表面的绝缘层101厚度均匀性非常差，孔壁底部的厚度只能达到上开口处的厚度的20-30%。现在的绝缘层沉积设备主要为以TEOS为源的PECVD和ALD设备。PECVD设备对于深宽比为5:1的深孔，底部的绝缘层沉积厚度只能达到外表面沉积厚度的20-30%.ALD的原子层外延的情况会好些，但是效率非常低，所有高质量的薄膜的沉积速率非常低，一台原子层外延设备沉积氧化硅70nm需要四个小时。效率低下。
后面的隔离层102和种子层103的沉积存在同样的问题。
电镀金属填充高深宽比孔，必须非常慢，才能够保证填孔没有空洞。即使控制好速度，也难以保证孔内填孔后无空洞。TSV专用的电镀设备价格非常昂贵。填孔电镀仍然存在效率底，工艺管控难的问题。
填好孔的硅片105表面的电镀金属和绝缘层101都必须通过精密减薄去除，设备虽然成熟，但是，价格昂贵，导致工艺成本较高。
同样要实现通孔互联，硅片105微孔下面的硅也要被研磨减薄去掉。由于高深宽比的孔的深度很小，多半在几十微米的量级，这样薄的硅片，非常易碎，减薄过程中碎片是一个非常严重的问题，导致良率下降。
减薄完成后，几十微米厚的硅片的转移和拾放都是需要专用设备来完成，这样的工艺难度比常规的芯片加工大得多。
在高端封装中，封装基板是芯片载体。因为制造成本考虑，高端基板的主流是有机基板，而且是以环氧树脂或BT树脂为主的封装基板。有机封装基板与常规的PCB板的主要区别是封装基板具有小的线宽线距，其线宽线距小于3mil，目前具有良好量产的基板水平达到25μm的线宽线距，相应的过孔层间过孔在30微米以上。因其线宽线距的尺寸过小，常规的PCB工艺和设备无法满足加工需要。高端封装基板的板内贯通孔主要还是用机械钻孔的方式，孔径在1mm-1.5mm。当基板上需要大量这样的过孔时，钻孔的数量就受到了，机械钻孔的尺寸就受到了限制，单位面积内能够加工的过孔数量是有限的，将导致封装面积无法缩得更小，因此，有机基板的尺寸受到机械钻孔的限制不可能做得很小。
综上所述，硅基通孔互联存在众多问题，没有彻底解决。高密度封装基板同样受到过孔加工技术的限制，成为进一步提高封装集成度的技术障碍。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种高密度导电通道基板，其加工工艺简单，同时具有良好的机械性能和无源器件埋入能力。
本发明的另一目的在于提供一种高密度导电通道基板的制造方法，工艺步骤简单，成本低。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高密度导电通道基板，包括芯板和芯板表面的布线层，所述芯板是由垂直于基板表面的包覆绝缘层的柱状导线紧密排列而成的，所述相邻的包覆绝缘层的柱状导线之间填充有粘接材料。
上述方案中，所述绝缘层外表面设有导电包层。
上述方案中，所述导电包层的材料为金属。
上述方案中，所述柱状导线为金属导线。
上述方案中，所述绝缘层的材料为有机材料。
上述方案中，所述粘接材料为有机粘接剂或低熔点金属。
上述方案中，所述布线层为多层布线，包括至少一层绝缘层和一层金属线。
上述方案中，所述布线层设置于芯板的一侧表面或者两侧表面。
一种高密度导电通道基板的制造方法，包括如下步骤：
将包覆绝缘层的柱状导线平行排列成束；
在包覆绝缘层的柱状导线之间的缝隙中灌装粘接材料，将所述柱状导线粘接起来，固化后形成柱状导线束；
沿所述柱状导线的横截面方向对所述柱状导线束进行切片，得到带有高密度导电通道的芯板；
在芯板表面做布线层，形成高密度导电通道的基板。
上述方案中，在沿所述柱状导线的横截面方向对所述柱状导线束进行切片后，对切片的上下表面进行磨平处理。
一种高密度导电通道基板的制造方法，包括如下步骤：
在包覆着柱状导线的绝缘层外表面包覆一层导电包层，将依次包覆了所述绝缘层和所述导电包层的柱状导线平行排列成束；
在包覆了所述绝缘层和所述导电包层的柱状导线之间的缝隙中灌装粘接材料，将所述柱状导线粘接起来，固化后形成柱状导线束；
沿所述柱状导线的横截面方向对所述柱状导线束进行切片，得到带有高密度导电通道的芯板；
在芯板表面做布线层，形成高密度导电通道的基板。
上述方案中，在沿所述柱状导线的横截面方向对所述柱状导线束进行切片后，对切片的上下表面进行磨平处理。
与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：
本发明提供的基板结构具有低成本高密度，易于埋入无源器件的特点；而本发明提供的基板的制造方法，工艺步骤简单，生产效率高，由于没有采用高难度高成本的工艺，因此极大降低了加工成本。
附图说明
图1为现有技术中硅基TSV结构剖视图；
图2-图7为现有技术中制作硅基TSV结构的工艺流程图；
图8为本发明实施例中高密度导电通道基板的结构剖面图；
图9为本发明实施例中芯板里柱状导线排列的结构示意图；
图10为图9的A-A’剖面图；
图11为图9的B-B’剖面图；
图12为本发明另一实施例中芯板里柱状导线排列的结构示意图；
图13为本发明实施例中包覆了绝缘层的柱状导线的结构示意图；
图14为本发明实施例中柱状导线束的结构示意图；
图15为本发明实施例中切片后芯板的结构示意图；
图16为本发明另一实施例中带有导电包层的柱状导线的结构示意图；
图17为本发明另一实施例中柱状导线束的结构示意图；
图18为本发明另一实施例中切片后芯板的结构示意图；
图19为图18所示芯板的放大俯视图；
图20-图23为本发明实施例中在芯板表面制作布线层的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
实施例1：
如图8、图9、图10和图11所示，本实施例提供一种高密度导电通道基板，包括芯板801和芯板801表面的布线层802，芯板801是由垂直于基板表面的若干包覆绝缘层902的柱状导线901紧密排列而成的，柱状导线的数量由其横截面积决定，柱状导向的横截面积满足最终基板面积要求；相邻的包覆绝缘层902的柱状导线901之间填充有粘接材料903。
本实施例中，所有柱状导线的尺寸完全一致，均为金属导线，其材料是铜、镍、钨、钼、钛、金、铂、铝、钽，镍铬合金、钛钨合金等金属中的任何一种。
本实施例中，绝缘层的厚度与柱状导线的直径相同，绝缘层的材料为有机材料，有机材料为聚酰亚胺、聚酯、PTFE等有机材料的任何一种。
本实施例中，粘接材料为有机粘接剂或低熔点金属。其中，有机粘接剂为环氧树脂、聚酰亚胺、聚酯、有机硅树脂或橡胶等材料，或以上述材料为主要成分的有机填充材料；低熔点金属为低熔点的锡合金、铋合金、金合金、铟合金、银合金等。
本实施例中，布线层802设置于芯板801的两侧表面，布线层的包括两层绝缘层804和一层金属线806，绝缘层804上有过孔803，表面有布线焊点805。
实施例2：
如图12所示，本实施例中包覆绝缘层902的柱状导线901的采用另一种排列方式，其他结构特征与实施例1相同。
实施例3：
本实施例还提供了一种高密度导电通道基板，其结构是在实施例1的基础上，在绝缘层902外表面又设有导电包层904，如图16所示。这层导电包层904可以是完整包覆在绝缘层902表面的同心金属筒，也可以是连接两个端面的贴服在绝缘层902表面的任意形状的金属。
实施例4：
本实施例提供如图8所示基板的制造方法，具体包括如下步骤：
（1）按照导电孔径要求，选用包覆有绝缘层902的柱状导线901，如图13所示，并将包覆绝缘层902的柱状导线901平行排列成束，束的横截面积满足最终基板面积要求；
（2）在包覆绝缘层902的柱状导线901之间的缝隙中灌装粘接材料，将柱状导线901粘接起来，固化后形成柱状导线束，如图14所示；
（3）沿所述柱状导线的横截面方向对所述柱状导线束进行切片，磨平切片的上下两表面，得到带有高密度导电通道的芯板，如图15所示；当切片质量好时，磨平步骤可省略；
（4）在芯板表面做布线层，形成高密度导电通道的基板；其中做布线层的具体步骤为：
A．在芯板表面做一层绝缘层804，如图20所示；
B．绝缘层804表面加工过孔803，如图21所示；可以采用光刻腐蚀的方法，也可以使用激光钻孔的方式；绝缘层材料可以是芯片加工用的PI等绝缘介质，也可以是封装基板材料ABF、BT以及环氧树脂的半固化片。
C．在绝缘层804表面进行金属化，如图22所示；
D．制作金属线806，如图23所示，制作金属线的方法可以使光刻腐蚀，也可以是图形电镀方式做的加成、减成或半加成法。
E．重复步骤A-B即可形成多层布线，最顶层为布线焊点805。
实施例5：
本实施例提供实施例3所述基板的制造方法，具体包括如下步骤：
（1）按照导电通道的孔径要求选用包覆绝缘层902的柱状导线901，在绝缘层902外包覆导电包层，如图13所示，将包覆绝缘层902和导电包层的柱状导线901平行排列成束，束的横截面积满足最终基板面积要求；
（2）在包覆绝缘层902的柱状导线901之间的缝隙中灌装粘接材料，将柱状导线901粘接起来，固化后形成柱状导线束，如图14所示；
（3）沿所述柱状导线的横截面方向对所述柱状导线束进行切片，磨平切片的上下两表面，得到带有高密度导电通道的芯板，如图15所示；当切片质量好时，磨平步骤可省略；
（4）在芯板表面做布线层，形成高密度导电通道的基板；其中做布线层的具体步骤与实施例4中的描述相同。
上述两种制造高密度导电通道基板的方法中，将柱状结构切成芯板的方法最佳选择是采用内圆切割机的切割方式，切出来的芯板表面损伤小，表面状态好。目前市场上有非常成熟的内圆切割机出售，这是用于单晶硅棒切割成硅片的专用设备，目前由于最大的单晶硅棒是12英寸的，所以现有的内圆切割机可切直径12英寸的高密度导电通道基板。
本发明提供的基板结构及其制造方法，与制作硅基TSV通孔技术相比具有低成本高密度，易于埋入无源电阻电感电容的特点，具体体现在如下方面：
（1）具有更好的高频特性：当导线周围填充低熔点金属后，将填充金属接地，每一个导电通道都是一个同轴电缆，整个基板是一个屏蔽层统一接地的具有众多同轴导电通道的基板。因此高频特性远远好于硅基板TSV和有机基板的高频特性。实施例5所述方法更适于制造以金属铜做导电材料的同轴高密度TSV导电通道基板。
（2）工艺简单：
本发明基板结构本身具有高密度的互联通道，不需要DRIE制作高深宽比的孔的工艺过程，因而不需要DRIE这种价格昂贵的设备。
不需要打孔，节省钻孔机和钻孔工艺，减少了机械钻孔机的使用有效提高生产效率。既然不需要打孔，也就不需要在孔中沉积绝缘层、隔离层、种子层以及电镀填孔。不需要这些低效率，高成本的工艺，不需要相关价格昂贵的设备。由于前述工艺都省去了，电镀填孔后表面铜的CMP去除工艺和设备也就不需要了，表面的高精度减薄和背面减薄工艺和设备同样也不需要。
（3）本发明不再受机械钻孔的孔径限制，可以做成尺寸更小的基板，而且具有更好的机械性能，不易破碎。
（4）本发明具有更好的散热特性，由于基板内部大量的金属导线，使得这种基板的热特性非常好，特别是在纵向热传导方面。
（5）本发明的基板结构，表面可以做更多的I/O数。
（6）本发明中的基板将垂直方向的导电线与以适当方式在两个断面进行互联，可以形成多种螺线管结构，构成各种感抗的电感；相邻的两根导线间具有电容，通过这些导线的串并联可以形成各种容值的电容，因此基板本身就埋由众多的电感电容和电阻。电阻可以通过导线连接得到各种阻抗的电阻。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种高密度导电通道基板，其特征在于：包括芯板和芯板表面的布线层，所述芯板是由垂直于基板表面的包覆绝缘层的柱状导线紧密排列而成的，所述相邻的包覆绝缘层的柱状导线之间填充有粘接材料。
2.如权利要求1所述的高密度导电通道基板，其特征在于：所述绝缘层外表面设有导电包层。
3.如权利要求2所述的高密度导电通道基板，其特征在于：所述导电包层的材料为金属。
4.如权利要求1所述的高密度导电通道基板，其特征在于：所述柱状导线为金属导线。
5.如权利要求1所述的高密度导电通道基板，其特征在于：所述绝缘层的材料为有机材料。
6.如权利要求1所述的高密度导电通道基板，其特征在于：所述粘接材料为有机粘接剂或低熔点金属。
7.如权利要求1所述的高密度导电通道基板，其特征在于：所述布线层为多层布线，包括至少一层绝缘层和一层金属线。
8.如权利要求1所述的高密度导电通道基板，其特征在于：所述布线层设置于芯板的一侧表面或者两侧表面。
9.一种高密度导电通道基板的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
将包覆绝缘层的柱状导线平行排列成束；
在包覆绝缘层的柱状导线之间的缝隙中灌装粘接材料，将所述柱状导线粘接起来，固化后形成柱状导线束；
沿所述柱状导线的横截面方向对所述柱状导线束进行切片，得到带有高密度导电通道的芯板；
在芯板表面做布线层，形成高密度导电通道的基板。
10.如权利要求9所述的高密度导电通道基板的制造方法，其特征在于：在沿所述柱状导线的横截面方向对所述柱状导线束进行切片后，对切片的上下表面进行磨平处理。
11.一种高密度导电通道基板的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
在包覆着柱状导线的绝缘层外表面包覆一层导电包层，将依次包覆了所述绝缘层和所述导电包层的柱状导线平行排列成束；
在包覆了所述绝缘层和所述导电包层的柱状导线之间的缝隙中灌装粘接材料，将所述柱状导线粘接起来，固化后形成柱状导线束；
沿所述柱状导线的横截面方向对所述柱状导线束进行切片，得到带有高密度导电通道的芯板；
在芯板表面做布线层，形成高密度导电通道的基板。
12.如权利要求11所述的高密度导电通道基板的制造方法，其特征在于：在沿所述柱状导线的横截面方向对所述柱状导线束进行切片后，对切片的上下表面进行磨平处理。
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