CN105405838A - 一种新型tsv转接板及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型TSV转接板及制作方法。该转接板包括基板，所述基板上有若干个自由柱，其一端通过空隙与基板相分离，另一端通过绝缘材料与基板固定与绝缘，所述基板上下两面以及所述的自由柱的侧壁覆盖着一层绝缘层，自由柱的自由端面和固定端面均存在由金属层构成的欧姆接触。所述基板为低阻硅材料(≤0.1Ω·cm)，所述自由柱与基板间接接触所使用的绝缘材料为二氧化硅、玻璃浆料和树脂的一种；所述与自由柱的自由端及固定端构成欧姆接触的金属层是铜、铝、金、锡等的一种。本发明从根本上避免了像Cu、Au、W与硅衬底存在热膨胀系数失配造成的热应力问题，实现了低热应力TSV转接板。
Description
技术领域
本发明涉及微电子封装领域，更具体的涉及一种低应力封装的新型TSV转接板及制作方法。
背景技术
硅通孔技术(ThroughSiliconVia,TSV)是通过微纳加工等方法制作贯穿硅晶片的电互连，具有尺寸小、密度高、适用于构建三维叠层封装等特点，可以有效缩小封装尺寸，减小传输延时、降低噪声、提高电学性能、降低功耗等，是一种新的三维集成互连解决方案。
TSV技术领域中主要有使用W-TSV、Cu-TSV、Au-TSV，Cu-TSV等实现电互连，TSV在温度变化较大的环境状况下由于热膨胀系数失配会产生热应力，导致芯片在工作中性能下降甚至功能失效。
为了解决热应力问题，已公开的文献主要通过TSV结构设计与尺寸参数优化、材料选择等方式降低TSV电互连热应力，如Marella(Marella,SravanK.,S.V.Kumar,andS.S.Sapatnekar."Aholisticanalysisofcircuittimingvariationsin3D-ICswiththermalandTSV-inducedstressconsiderations."IEEE/ACMInternationalConferenceonComputer-AidedDesign,DigestofTechnicalPapers2012:317-324.)，Jung,Moongon(Jung,Moongon,D.Z.Pan,andS.K.Lim."Chip/packageco-analysisofthermo-mechanicalstressandreliabilityinTSV-based3DICs."DesignAutomationConference(DAC),201249thACM/EDAC/IEEEIEEE,2012:317-326.)，Chen(Chen,Qianwen,C.Huang,andZ.Wang."Developmentofultra-lowcapacitancethrough-silicon-vias(TSVs)withair-gapliner."Proceedings-ElectronicComponentsandTechnologyConference2013:1433-1438.)，Steller,W(Steller,W.；Meinecke,C.；Gottfried,K.；Woldt,G.；Günther,W.；Wolf,M.J.；Lang,K.D."SIMEIT-project:Highprecisioninertialsensorintegrationonamodular3D-Interposerplatform."ElectronicComponentsandTechnologyConference(ECTC),2014IEEE64th,Pages:1218–1225.)等。
其中，CN2011101128047.2公开了一种内部填充有机物的环形TSV互连技术方案，Chen，Steller,W等提出了一种空气隔离的CuTSV互连设计，这些方法一定程度的缓解热膨胀系数失配造成的热应力及可靠性问题。但是，即使是空气隔离的CuTSV设计，CuTSV互连和衬底及周围介质材料仍然存在热膨胀系数失配，而且它对工艺技术要求高、成本高。
发明内容
为了解决现有技术方案存在的问题与不足，本发明公开了一种新型的TSV转接板及其制作方法。
本发明公开了一种新型的硅通孔(TSV)转接板，包括基板，所述基板上有若干个自由柱；所述自由柱的一端通过空隙与基板相分离，另一端通过绝缘材料与基板固定并绝缘；所述基板的上下两面以及所述自由柱的侧壁覆盖一层绝缘层；所述自由柱的自由端面和固定端面均存在由金属层构成的欧姆接触。
优选地，所述基板为低阻硅材料(≤0.1Ω·cm)，所述自由柱与基板间接接触所使用的绝缘材料为二氧化硅、玻璃浆料和树脂的一种；
优选地，所述与自由柱的自由端及固定端构成欧姆接触的金属层是铜、铝、金、锡等的一种。
作为本发明的进一步改进，自由柱的自由端以及自由柱的固定端与金属铜、铝、金、锡等材料的一种形成金属微焊球(microsolder)、微焊垫(micropad)、微焊点(microbump)等。
作为本发明的进一步改进，所述绝缘层为二氧化硅、苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PI)等。
作为本发明的进一步改进，基板正面(基板上对应自由柱固定端的一面)上存在一层金属互连层(RDL)，金属互连层包括所述基板上的绝缘层上形成的金属线路层，所述的金属线路层存在一层很薄的阻挡层，阻挡层材料包括Ta、TaN、TiW的至少一种。
作为本发明的进一步改进，基板背面(基板上对应自由柱自由端的一面)上存在一层金属互连层(RDL)，金属互连层包括所述基板上的绝缘层上形成的金属线路层，所述的金属线路层存在一层很薄的阻挡层，金属线路层桥接自由柱的欧姆接触与基板表面，阻挡层材料包括Ta、TaN、TiW的至少一种。
作为本发明的进一步改进，在自由柱自由端上存在至少一颗微电子芯片，微电子芯片输入/输出端口通过金属微焊球、微焊垫、微焊点等固定在自由柱自由端的欧姆接触上，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn等至少一种。
作为本发明的进一步改进，在所述基板的正面存在至少一颗微电子芯片，微电子芯片表面输入/输出端口通过微焊球、微焊垫、微焊点等固定在基板正面金属互连层(RDL)上，微电子芯片表面输入/输出端口通过金属互连(RDL)与自由柱的固定端的欧姆接触实现电气连接,所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn等至少一种。
作为本发明的进一步改进，在所述基板背面存在至少一个微电子芯片，微电子芯片通过微焊球、微焊垫、微焊点等固定于基板背面金属互连层(RDL)上，微电子芯片表面输入/输出端口通过基板表面金属互连层(RDL)与自由柱自由端欧姆接触实现电气连接，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn等至少一种。
本发明还公开了该新型TSV转接板的制备方法，包括如下步骤：
1)对低阻硅圆片基板进行刻蚀，获得到环形盲孔，为形成自由柱做准备；
2)将绝缘材料填充入环形盲孔空腔内；
3)对步骤2)所得的晶圆片进行减薄处理；
4)在步骤3)所得的晶圆片上覆盖一层绝缘层；
5)在步骤4)所得的晶圆片上的圆柱两端端面开一个窗口，暴露出圆柱两端表面。
优选地，步骤1)通过DRIE或激光技术对基板进行刻蚀获得到环形盲孔；步骤2)通过物理或化学方法包括PECVD、CVD、真空灌胶中的至少一种将二氧化硅(SiO2)或BCB、PI、或玻璃浆料半填充入环形槽孔空腔内；步骤3)通过机械减薄、机械化学抛光(CMP)技术进行减薄处理；步骤4)通过物理或化学方法包括PECVD、CVD、旋涂、喷涂中的至少一种覆盖所述绝缘层；步骤5)通过物理或化学方法包括RIE、等离子体刻蚀、湿法腐蚀中的至少一种，在步骤4)所述的晶圆片上圆柱两端端面开一个窗口，暴露出圆柱两端表面。
作为本发明制备方法的进一步改进，步骤5)之后通过金属微焊球、微焊垫、微焊点等至少一颗微电子芯片固定在TSV转接板背面的自由柱自由端欧姆接触上，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn等至少一种。
作为本发明制备方法的进一步改进，，其特征在于：步骤5)之后在基板背面或正面或背面与正面上制作RDL互连层，所述基板背面RDL互连层跨越空气间隙桥接自由柱自由端的欧姆接触与基体表面，所述RDL互连层包括一层金属线路层和一层绝缘介质层，所述金属线路层包括一层阻挡层和金属层，阻挡层材料包括Ta、TaN、TiW的至少一种，金属线路层包括铝、铜、金的至少一种，所述金属线路层可以通过溅射、蒸发、电镀、化学镀等方法制作。
作为本发明制备方法的进一步改进，通过微焊球、微焊垫、微焊点等至少在TSV转接板RDL层上固定至少一颗微电子芯片，微电子芯片表面输入/输出端口通过RDL互连层与自由柱实现电气连接，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn等至少一种。
本发明的有益效果如下：
本发明公开的新型的TSV转接板设计，通过采用空气隔离低阻硅柱作为导电通道，硅柱与硅衬底之间不存在热膨胀系数失配，从根本上避免了像Cu、Au、W与硅衬底存在热膨胀系数失配造成的热应力问题，实现了低热应力TSV转接板。同时，空气隔离低阻硅互连具有寄生电容小的优点。
更进一步的，空气隔离的硅自由柱可以为设置在其上的微电子芯片提供应力缓冲释放机制，当封装体经历温度变化时空气隔离硅自由柱会发生形变，进而使其上的微电子芯片免受热应力影响，实现了低应力三维封装。
更进一步的，低应力可以有效提高三维封装体的可靠性。
附图说明
图1为转接板结构俯视图示意图；
图2为图1中A截面的转接板结构示意图；
图3为图2转接板结构示意图中B的局部示意图；
图4为转接板结构仰视图示意图；
图5、图6分别为具体实施方案中所提供的一种封装方案；
图7—图13为工艺流程图。
结合附图，作以下说明：
| 100 | 基板 | 201 | 焊球 | 300 | M金属-硅欧姆接触 |
| 101 | 自由柱 | 202 | 下层芯片 | 301 | 焊垫、焊点等 |
| 102 | 绝缘材料 | 203 | 焊球 | 302 | 上层芯片 |
| 103 | 绝缘层 | 303 | 金属互连层 | ||
| 104 | 金属互连层 | 304 | 焊球 | ||
| 105 | 自由柱自由端端面 | 305 | 上层芯片 | ||
| 106 | 转接板背面 | ||||
| 107 | 自由柱固定端端面 | ||||
| 108 | 转接板正面 | ||||
| 109 | 自由柱自由端 | ||||
| 110 | 自由柱固定端 |
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
实施例一、
一种新型的TSV转接板结构如图2所示：
基板100，所述基板上有若干个自由柱101，其特征为一端通过空隙与基板相分离，另一端通过绝缘材料102与基板固定，并与基板绝缘，所述的基板上下两面106、108(见图1、图4)以及所述的自由柱的侧壁覆盖着一层绝缘层103，自由柱的自由端面105和固定端面107均存在由金属层构成的欧姆接触300(300见图11)；
优选的，基板与自由柱的材质均为低阻硅材料(≤0.1Ω·cm)；
优选的，所述自由柱101与基板100间接接触所使用的绝缘材料102为二氧化硅、玻璃浆料和树脂的一种；
优选的，基板100上的正反两面以及自由柱的侧壁覆盖着一层绝缘层103，绝缘层103为二氧化硅、BCB、PI等。
实施例二、
一种新型的TSV转接板结构如图2所示：
基板100，所述基板上有若干个自由柱101，其特征为一端通过空隙与基板相分离，另一端通过绝缘材料102与基板固定，并与基板绝缘，所述的基板上下两面106、108以及所述的自由柱的侧壁覆盖着一层绝缘层103，自由柱的自由端面105和固定端面107均存在由金属层构成的欧姆接触300(300见图11)。
优选的，基板与自由柱的材质均为低阻硅材料(≤0.1Ω·cm)，
优选的，所述自由柱101与基板100间接接触所使用的绝缘材料102为二氧化硅、玻璃浆料和树脂的一种。
优选的，基板100上的正反两面以及自由柱的侧壁覆盖着一层绝缘层103，绝缘层为二氧化硅、BCB、PI等。
优选的，基板正面上存在一层金属互连层(RDL)104，如图2、图3所示，金属互连层(RDL)包括所述基板上的绝缘层103上形成的金属线路层，所述的金属线路层存在一层很薄的阻挡层，阻挡层材料包括Ta、TaN、TiW的至少一种。
优选的，在自由柱自由端端面105上存在至少一颗微电子芯片302或305，微电子芯片输入/输出端口通过金属微焊球、微焊垫、微焊点等(即图中的201、203、301、304)固定在自由柱自由端的欧姆接触300上，如图5、图6、图12、图13所示，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn等至少一种。
实施例三、
一种新型的TSV转接板结构如图2所示：
基板100，所述基板上有若干个自由柱101，其特征为一端通过空隙与基板相分离，另一端通过绝缘材料102与基板固定，并与基板绝缘，所述的基板上下两面106、108以及所述的自由柱的侧壁覆盖着一层绝缘层103，自由柱的自由端面105和固定端面107均存在与金属层构成的欧姆接触300。
优选的，基板与自由柱的材质均为低阻硅材料(≤0.1Ω·cm)，
优选的，所述自由柱101与基板100间接接触所使用的绝缘材料102为二氧化硅、玻璃浆料和树脂的一种。
优选的，基板100上的正反两面以及自由柱的侧壁覆盖着一层绝缘层103，绝缘层为二氧化硅、BCB、PI等。
优选的，基板正面上存在一层金属互连层(RDL)104，如图2、图3所示，金属互连层(RDL)包括所述基板上的绝缘层103上形成的金属线路层，所述的金属线路层存在一层很薄的阻挡层，阻挡层材料包括Ta、TaN、TiW的至少一种。
优选的在自由柱自由端105上存在至少一颗微电子芯片，微电子芯片输入/输出端口通过金属微焊球、微焊垫、微焊点等固定在自由柱自由端的欧姆接触300上，如图5、图6、图12、图13所示，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn等至少一种。
优选的，基板的正面存在至少一颗微电子芯片202，如图5所示，微电子芯片表面输入/输出端口通过微焊球、微焊垫、微焊点等固定在基板正面金属互连层(RDL)104上，微电子芯片表面输入/输出端口通过金属互连(RDL)104与自由柱的固定端107的欧姆接触实现电气连接,如图5、图6所示，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn等至少一种。
实施例四、
本发明还公开了该新型TSV转接板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)提供低阻硅圆片作为基板，通过DRIE、激光等技术对基板100进行刻蚀获得到环形盲孔，为形成自由柱101做准备，如图7；
2)通过物理或化学方法包括PECVD、CVD、真空灌胶中的至少一种将二氧化硅SiO2或BCB、PI、或玻璃浆料102填充入环形槽孔空腔内，如图8；
3)通过机械减薄、机械化学抛光(CMP)等技术对步骤2所述的硅圆片进行减薄；
4)通过物理或化学方法包括PECVD、CVD、旋涂、喷涂中的至少一种，在步骤3所述的硅圆片上覆盖一层绝缘层103，绝缘层材料可以是SiO2、SiNx、BCB、PI等，如图9；
5)通过物理或化学方法包括RIE、等离子体刻蚀、湿法腐蚀中的至少一种，在步骤4所述的硅圆片上圆柱两端端面(105、107)开窗口，暴露出圆柱两端表面硅，如图10；
6)通过物理或化学方法包括溅射、蒸发、电镀、化学镀中的至少一种在圆柱自由端表面窗口上金属层制作欧姆接触300(见图11)，其中金属层可以是铝、金、铜中的至少一种。
实施例五、
本发明还公开了该新型TSV转接板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)提供低阻硅圆片作为基板，通过DRIE、激光等技术对基板100进行刻蚀获得到环形盲孔，为形成自由柱101做准备，如图7；
2)通过物理或化学方法包括PECVD、CVD、真空灌胶中的至少一种将二氧化硅(SiO2)或BCB、PI、或玻璃浆料102填充入环形槽孔空腔内，如图8；
3)通过机械减薄、机械化学抛光(CMP)等技术对步骤2所述的硅圆片进行减薄；
4)通过物理或化学方法包括PECVD、CVD、旋涂、喷涂中的至少一种，在步骤3所述的硅圆片上覆盖一层绝缘层103，绝缘层材料可以是SiO2、SiNx、BCB、PI等，如图9；
5)通过物理或化学方法包括RIE、等离子体刻蚀、湿法腐蚀中的至少一种，在步骤4所述的硅圆片上圆柱两端端面(105、107)开窗口，暴露出圆柱两端表面硅，如图10；
6)通过物理或化学方法包括溅射、蒸发、电镀、化学镀中的至少一种在圆柱自由端表面窗口上金属层制作欧姆接触300，其中金属层可以是铝、金、铜中的至少一种。
7)通过物理或化学包括溅射、蒸发、化学气相沉积、MOCVD、电镀等的方法中的至少一种，在基板正面108形成绝缘层103的表面和窗口上形成金属互连层(RDL)104，如图12、图13所示，所述的金属互连层包括一层阻挡层及其上的金属层，所述阻挡层包括Ta、TaN、TiW等中至少一种，金属层包括Cu、Al、Au等至少一种。
8)通过金属微焊球、微焊垫、微焊点等在TSV转接板背面的自由柱自由端105的欧姆接触300上至少固定一颗微电子芯片302，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn等至少一种，如图12所示。
优选的，微电子芯片为MEMS芯片、集成电路IC芯片，如图5、图6、图12。
9)通过微焊球、微焊垫、微焊点等至少在TSV转接板金属互连层(RDL)104上固定至少一颗微电子芯片202，微电子芯片表面输入/输出端口通过RDL互连层与自由柱101实现电气连接，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn等至少一种。
优选的，微电子芯片为MEMS芯片、集成电路IC芯片。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (12)
1.一种新型的硅通孔转接板，其特征在于，包括基板，所述基板上有若干个自由柱；所述自由柱的一端通过空隙与基板相分离，另一端通过绝缘材料与基板固定并绝缘；所述基板的上下两面以及所述自由柱的侧壁覆盖一层绝缘层；所述自由柱的自由端面和固定端面均存在由金属层构成的欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的硅通孔转接板，其特征在于：所述基板为低阻硅材料，自由柱与基板间接接触所使用的所述绝缘材料为二氧化硅、玻璃浆料、树脂中的一种；与自由柱的自由端及固定端构成所述欧姆接触的金属层是铜、铝、金、锡中的一种；所述绝缘层为二氧化硅、苯并环丁烯、聚酰亚胺中的一种。
3.根据权利要求1所述的硅通孔转接板，其特征在于：所述基板正面上存在一层金属互连层，金属互连层包括所述基板上的绝缘层上形成的金属线路层，所述金属线路层存在一层阻挡层，阻挡层材料包括Ta、TaN、TiW的至少一种。
4.根据权利要求1所述的硅通孔转接板，其特征在于：所述基板背面上存在一层金属互连层，金属互连层包括所述基板上的绝缘层上形成的金属线路层，所述金属线路层存在一层阻挡层，金属线路层桥接自由柱的欧姆接触与基体表面，阻挡层材料包括Ta、TaN、TiW的至少一种。
5.根据权利要求1所述的硅通孔转接板，其特征在于：在自由柱自由端上存在至少一颗微电子芯片，微电子芯片输入/输出端口通过金属微焊球、微焊垫、微焊点固定在自由柱自由端的欧姆接触上，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn中至少一种。
6.根据权利要求1所述的硅通孔转接板，其特征在于：在所述基板的正面存在至少一颗微电子芯片，微电子芯片表面输入/输出端口通过微焊球、微焊垫、微焊点固定在基板正面金属互连层上，微电子芯片表面输入/输出端口通过金属互连层与自由柱的固定端的欧姆接触实现电气连接，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn中至少一种。
7.根据权利要求1所述的硅通孔转接板，其特征在于：在所述基板背面存在至少一颗微电子芯片，微电子芯片通过微焊球、微焊垫、微焊点固定于基板背面金属互连层上，微电子芯片表面输入/输出端口通过基板表面金属互连层与自由柱自由端欧姆接触实现电气连接，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn中至少一种。
8.一种新型硅通孔转接板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对低阻硅圆片基板进行刻蚀，获得到环形盲孔；
2)将绝缘材料填充入环形盲孔空腔内；
3)对步骤2)所得的晶圆片进行减薄处理；
4)在步骤3)所得的晶圆片上覆盖一层绝缘层；
5)在步骤4)所得的晶圆片上的圆柱两端端面开一个窗口，暴露出圆柱两端表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤1)通过DRIE或激光技术对基板进行刻蚀获得到环形盲孔；步骤2)所述绝缘材料为二氧化硅、苯并环丁烯、聚酰亚胺或玻璃浆料；步骤3)通过机械减薄、机械化学抛光技术进行减薄处理；步骤4)通过物理或化学方法包括PECVD、CVD、旋涂、喷涂中的至少一种覆盖所述绝缘层；步骤5)通过物理或化学方法包括RIE、等离子体刻蚀、湿法腐蚀中的至少一种来暴露出圆柱两端表面。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤5)之后通过金属微焊球、微焊垫、微焊点将至少一颗微电子芯片固定在TSV转接板背面的自由柱自由端欧姆接触上，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn中至少一种。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤5)之后在基板背面和/或正面制作金属互连层，所述基板背面的金属互连层跨越空气间隙桥接自由柱自由端的欧姆接触与基体表面，所述金属互连层包括一层金属线路层和一层绝缘介质层，所述金属线路层包括一层阻挡层和金属层，阻挡层材料包括Ta、TaN、TiW的至少一种，金属层包括铝、铜、金的至少一种，所述金属线路层通过溅射、蒸发、电镀或化学镀方法制作。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：通过微焊球、微焊垫、或微焊点至少在TSV转接板金属互连层上固定至少一颗微电子芯片，微电子芯片表面输入/输出端口通过金属互连层与自由柱实现电气连接，所述微焊球、微焊垫、微焊点包括AgSn、AuSn、CuSn中至少一种。
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