CN111081674A - 一种高硅铝合金转接板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高硅铝合金转接板及其制备方法，该转接板包括基板、连接柱阵列以及填充在所述连接柱阵列与所述基板的缝隙中的绝缘介质层，所述连接柱阵列为由所述基板通过激光垂直通孔技术加工而成的，所述基板和所述连接柱阵列为高硅铝合金，所述绝缘介质层为玻璃介质，所述连接柱阵列的连接柱与所述绝缘介质层同轴，所述连接柱、所述玻璃介质与所述基板具有同样的高度。采用本发明提供的方法制备的转接板结合界面牢固、可靠、气密性好，由于盲孔中心连接柱本身具备导电性，可直接用于电气互联，可省去通孔金属化过程，简化了转接板制备工艺流程，降低了转接板制备的时间和成本。

Description

一种高硅铝合金转接板及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子封装技术领域，尤其涉及一种高硅铝合金转接板及其制备方法。
背景技术
随着技术升级，电子产品不断向高性能、小型化发展，电子封装的互联密度越来越大、尺寸越来越小，微组装技术已经由二维向三维发展。目前业界的前沿封装技术包括以晶圆级封装(WLCSP)和载板级封装(PLP)为代表的2.1D封装，以转接板技术为核心的2.5D封装，以及基于三维硅通孔(3D TSV)工艺在Z方向上进行芯片堆叠的3D封装。
目前，由于3D TSV封装工艺在设计、量产、测试及供应链等方面还不成熟，而且工艺成本较高，2.5D封装是3D TSV技术成熟之前既经济又实用的封装方案。转接板是2.5D微组装技术的核心。基于转接板可同时实现多芯片、多模块在同一转接板上，以及转接板与基板之间的异质互联，进而形成高密度、高速、功能集成、高可靠的综合电子系统。
现有的有机基体转接板与芯片之间存在热膨胀系数不匹配，翘曲变形大等问题，难以实现高可靠、高密度互联。而采用玻璃基体制备转接板，存在通孔加工速率低、成本高等问题，常用的DRIE方法刻蚀玻璃通孔速率仅50nm/min，通孔形状和尺寸局限大，难以实现高深宽比通孔制备，而且玻璃基体的导热性差，玻璃基体转接板在与大功率芯片互联时，需要额外设计散热结构，成本高且不利于器件小型化。此外，传统转接板先制备出连接柱通孔再采用电化学等方法进行金属化，工序繁杂，成本高。
因此，需要一种与芯片热膨胀系数匹配的且工序简单的转接板。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高效、高密度、高可靠、低成本的用于系统级封装的高硅铝合金转接板及其制备方法。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种高硅铝合金转接板，包括基板、连接柱阵列以及填充在所述连接柱阵列与所述基板的缝隙中的绝缘介质层，所述连接柱阵列为由所述基板通过激光垂直通孔技术加工而成的，所述基板和所述连接柱阵列为高硅铝合金，所述绝缘介质层为玻璃介质，所述连接柱阵列的连接柱与所述绝缘介质层同轴，所述连接柱、所述玻璃介质与所述基板具有同样的高度。
优选地，所述连接柱的直径为50～250μm，所述连接柱的中心距为300～600μm。
优选地，所述绝缘介质层的宽度为80～500μm。
本发明还提供了一种高硅铝合金转接板的制备方法，包括以下步骤：
S1：利用激光垂直通孔技术在高硅铝合金基板上制备同轴连接柱盲孔阵列；
S2：在所述同轴连接柱盲孔阵列的盲孔缝隙中填充低温玻璃粉料或浆料；
S3：采用玻璃烧结技术使高硅铝合金基板与玻璃粉料或浆料之间键合；
S4：磨抛减薄所述步骤S3处理后的高硅铝合金基板的上下表面，直至上下表面平整光洁且露出玻璃和连接柱复合体。
优选地，所述同轴连接柱盲孔阵列中连接柱的直径为50～250μm，所述连接柱的中心距为300～600μm。
优选地，所述盲孔宽度为80～500μm，所述盲孔深度为500～800μm。
优选地，所述步骤S2具体包括：
S201：在所述步骤S1处理后的高硅铝合金基板表面边缘制备阻挡环，用于阻挡玻璃粉料或浆料外溢；
S202：在所述盲孔缝隙中填充低温玻璃粉料或浆料；
S203：最后采用物理或化学方法除去所述阻挡环。
优选地，所述步骤S202具体为采用超声震荡柔顺法向盲孔缝隙中填充熔融温度小于460℃的玻璃粉料或浆料；具体的操作步骤为：首先将足量的玻璃粉料或浆料转移至上述完成阻挡环制备的高硅铝合金基板正面，再将上述高硅铝合金板正面朝上置于超声震荡仪中进行10～30min超声震荡，若采用玻璃粉料，超声震荡完成后直接去除多余粉料，若采用玻璃浆料，超声震荡完成之后先静置适当时间(>30min,具体时间可根据浆料配比适当调整)再去除多余浆料。
优选地，所述步骤S3具体为采用分阶段真空低温烧结技术完成玻璃与高硅铝合金基板之间的键合，通过分段式热处理能够有效地释放转接板的残余应力，降低转接板的翘曲变形，增强玻璃与高硅铝合金基板之间的键合强度和气密性，通过真空烧结能够有效的降低盲孔缝隙内玻璃气泡的大小和数量。
具体地，所述分阶段真空低温烧结技术具体为：在真空度小于0.05个大气压下，进行第一阶段预热处理，以5～15℃/min的加热速率加热至200℃，保温时间10～20min；第二阶段加热速率为5～10℃/min，加热至430～460℃，保温20～30min，第三阶段随炉冷却至200℃，保温10～20min，第四阶段随炉冷却。
优选地，所述步骤S1中，制备同轴连接柱盲孔阵列之后，将高硅铝合金基板在一个大气压，150～200℃下进行低温回火，回火时间20～30min，以减小或消除残余应力。
优选地，重复所述步骤S2和所述步骤S3，直至烧结之后玻璃完全填充所述盲孔缝隙。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
(1)高硅铝合金具有较低的密度(2.3～2.7g/cm3)，满足微电子器件轻量化需求。具有较高的热导率(＞100W/(m·K))，为大功率芯片散热提供了良好环境。较低的热膨胀系数(4.1×10-6～23.6×10-6K-1，CTE随Si含量的增加而降低)，与Si(4.1×10-6K-1)和GaAs(6.4×10-6K-1)等芯片以及Al合金壳体间具有良好的匹配性。同时高硅铝合金还具有较高的比强度和刚度，与金、银、铜、镍等金属间的镀覆性能好，具有良好的机械加工性能。
(2)本发明利用激光垂直通孔技术在高硅铝合金板上制备同轴连接柱盲孔阵列，连接柱形状与大小可控，再向盲孔缝隙中填充玻璃粉料或浆料，最后利用玻璃烧结制备用于2.5D微组装的高硅铝合金转接板，结合界面牢固、可靠、气密性好，由于盲孔中心连接柱本身具备导电性，可直接用于电气互联，可省去通孔金属化过程，简化了转接板制备工艺流程，降低了转接板的制备时间和成本。
(3)本发明同时适用于制备传输直流、低频、高频、高低频混合信号的高硅铝合金转接板，应用范围广。以制备传输高频信号的高硅铝合金转接板为例：上述高硅铝合金转接板制备步骤的第一步先根据高频信号传输需求调整激光参数，控制盲孔阵列密度与连接柱大小，在填充玻璃粉料或浆料前，可利用电化学、物理/化学气相沉积、磁控溅射等方法在连接柱表面和盲孔缝隙内表面沉积相应的导电金属层或电磁屏蔽层，后续步骤不变。
附图说明
图1为本发明提出的高硅铝合金转接板的结构示意图；
图2为本发明实施例中制备高硅铝合金转接板的方法流程图；
图3为经激光加工完成连接柱阵列和盲孔阵列制备的转接板截面示意图；
图4为完成阻挡环制备后的转接板截面示意图；
图5为完成玻璃粉料/浆料填充后的转接板截面示意图；
图6为完成玻璃烧结后的转接板截面示意图；
图7为基于上述转接板的一种微组装结构示意图。
附图标记说明：100-基板；102a-转接板初始上表面；103a-转接板初始下表面；104-连接柱阵列；105-连接柱；106-盲孔缝隙；107-阻挡环；108a-未经烧结的玻璃粉料或浆料；108b-玻璃介质；D10-基板原始厚度；D11-连接柱底部距基板底部的厚度；D12-连接柱直径；D13-盲孔缝隙宽度(玻璃介质层宽度)；D14-连接柱中心距；102b-减薄磨抛后的转接板上表面；103b-减薄磨抛后的转接板下表面；D15-减薄后转接板的厚度；200-微组装结构；201-第一芯片；202-第二芯片；203-键合金丝；204-金属导电层(含焊盘)；205-BCB；206-BGA焊球；207-种子层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高硅铝合金转接板及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
参看图1，在一个实施例中，一种高硅铝合金转接板，包括基板100、连接柱阵列104以及填充在连接柱阵列104与基板100的缝隙中的绝缘介质层，连接柱阵列104为由基板100通过激光垂直通孔技术加工而成的，基板100和连接柱阵列104均为高硅铝合金，绝缘介质层为玻璃介质108b，绝缘介质层与连接柱阵列中的连接柱同轴，连接柱阵列104、玻璃介质108b与基板100具有同样的高度。
其中，连接柱阵列104的连接柱105的直径D12为50～250μm，连接柱105的中心距D14为300～600μm，玻璃介质108b的宽度D13为80～500μm。
参看图2，上述高硅铝合金转接板的制备方法具体包括：
S1：高硅铝合金基板经过清洗后利用激光垂直通孔技术在高硅铝合金基板上制备同轴连接柱盲孔阵列；本实施例的激光源选用但不局限于脉冲激光，根据需求通过调节脉冲重复频率(PRF)、激光输出功率比、离焦量等激光参数控制同轴连接柱盲孔阵列的密度、连接柱直径大小、盲孔缝隙宽度以及盲孔深度；
图3所示为经激光加工完成同轴连接柱盲孔阵列制备的转接板截面示意图，图中100为高硅铝合金基板，102a为转接板初始上表面，103a为转接板初始下表面，104为连接柱阵列，105为连接柱，106为盲孔缝隙，D10为基板原始厚度，D11为连接柱底部距基板底部的厚度，D12为连接柱直径，D13为盲孔缝隙宽度，D14为连接柱中心距，连接柱直径D12可为50-250μm，例如80μm、100μm、120μm、150μm、180μm、200μm，盲孔缝隙宽度D13可为80-500μm，例如100μm、120μm、150μm、200μm、250μm、300μm、400μm，D14大于连接柱半径和环缝宽度之和的两倍，以D12：100μm，D13：100μm为例，D14大于300μm，例如400μm、500μm、600μm，盲孔深宽比(D13/(D10-D11))大于4：1，如4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、7:1等；
优选地，制备同轴连接柱盲孔阵列之后，将高硅铝合金基板100在一个大气压，150～200℃下进行低温回火，回火时间20～30min，以减小或消除残余应力；
S2：在盲孔阵列的盲孔缝隙106中填充低温玻璃粉料或浆料；
具体地，步骤S2具体包括：
S201：在步骤S1处理后的高硅铝合金基板100表面边缘制备阻挡环107，用于阻挡玻璃粉料或浆料外溢；具体为经充分清洗干燥后在高硅铝合金基板100正面边缘涂覆或粘接一圈阻挡环107；
图4为完成阻挡环制备后的转接板截面示意图，阻挡环107的形状和高度可根据连接柱阵列104的整体形貌进行调节，只需满足防止玻璃粉料/浆料溢出即可，阻挡环107的材料可以是各类树脂，如环氧胶、DAM胶等，阻挡环107也可采用工装，可根据设计需求预先设计阻挡环107工装零件，通过机械连接等形式与转接板形成密合连接，需保证超声震荡过程中阻挡环107不脱落，若采用玻璃浆料进行盲孔缝隙填充，阻挡环107需满足在上述超声震荡过程中能阻挡浆料外溢；
S202：在盲孔缝隙106中填充低温玻璃粉料或浆料；优选地，采用超声震荡柔顺法向盲孔缝隙106中填充熔融温度小于460℃的玻璃粉料或浆料；具体的操作步骤为：首先将足量的玻璃粉料或浆料转移至上述完成阻挡环107制备的高硅铝合金基板100正面，再将上述高硅铝合金基板100正面朝上置于超声震荡仪中进行10～30min超声震荡，若采用玻璃粉料，超声震荡完成后直接去除多余粉料，若采用玻璃浆料，超声震荡完成之后先静置适当时间(>30min,具体时间可根据浆料配比适当调整)再去除多余浆料；
图5为完成玻璃粉料/浆料填充的转接板截面示意图，图中108a为盲孔缝隙中未经烧结的玻璃粉料或浆料。上述玻璃粉料或浆料选用低温玻璃介质，如Ferro的FX11-036，为了确保玻璃粉料/浆料在盲孔缝隙中的充分填充，先通过量具取足量玻璃粉料/浆料放置于转接板正面阻挡环107内，再将高硅铝合金基板100正面朝上平整置于超声震荡仪器内，设置合适的超声震荡功率与频率，利用超声震荡实现玻璃粉料/浆料在盲孔缝隙中的填满填实；
S203：最后采用物理或化学方法除去阻挡环107；
为了避免下一步玻璃烧结过程阻挡环107融化污染连接柱阵列104，在完成玻璃粉料/浆料超声震荡填充之后需去除阻挡环107并对阻挡环107区域进行适当清洁，确保阻挡环107无残留或者残留物在后续玻璃烧结过程中不会污染连接柱阵列104，清洗过程应避免盲孔缝隙106中的玻璃粉料/浆料外泄；
S3：采用玻璃烧结技术使高硅铝合金基板与玻璃粉料或浆料之间键合；优选地，具体为采用分阶段真空低温烧结技术完成玻璃与高硅铝合金基板之间的键合，具体操作为：在真空度小于0.05个大气压下，进行第一阶段预热处理，以5～15℃/min的加热速率加热至200℃，保温时间10～20min；第二阶段加热速率为5～10℃/min，加热至430～460℃，保温20～30min，第三阶段随炉冷却至200℃，保温10～20min，第四阶段随炉冷却；图5为完成玻璃烧结后的转接板截面示意图。图中108b为烧结之后的低温玻璃绝缘体，即玻璃介质，109为低温玻璃与高硅铝合金基板的结合界面。通过分段式热处理能够有效地释放转接板的残余应力，降低转接板的翘曲变形，增强玻璃介质108b与高硅铝合金基板100之间的键合强度和气密性，通过真空烧结能够确保玻璃介质内的气泡得到充分排出以获得气密性良好、键合强度高的玻璃/高硅铝合金界面；
玻璃粉料间的间隙熔融后将会被填满，而玻璃烧结后玻璃浆料内的助溶剂及水分将会被排出，盲孔缝隙内的玻璃介质无法完全填满盲孔缝隙，因此需要重复上述步骤S2和步骤S3，直至烧结之后玻璃介质基本完全填充盲孔缝隙106；
S4：对上述完成低温玻璃烧结的转接板的上下表面进行磨抛减薄，得到高硅铝合金转接板(即图1)，102b为减薄磨抛后转接板的上表面，103b为减薄磨抛后转接板的下表面，D15为减薄后转接板的厚度，磨抛方法为化学机械腐蚀，直至上下表面平整光洁且露出玻璃和连接柱复合体，从而得到用于系统级封装的高硅铝合金转接板。
本实施例提供的转接板使用高硅铝合金材料作为基板，高硅铝合金具有较低的密度(2.3～2.7g/cm3)，满足微电子器件轻量化需求，具有较高的热导率(＞100W/(m·K))，为大功率芯片散热提供了良好环境，较低的热膨胀系数(4.1×10-6～23.6×10-6K-1)，与Si(4.1×10-6K-1)和GaAs(6.4×10-6K-1)等芯片以及Al合金壳体间具有良好的匹配性。同时高硅铝合金还具有较高的比强度和刚度，以及良好的机械加工性能。
本实施例采用激光通孔技术制备转接板的连接柱阵列和盲孔阵列，连接柱形状与大小可控；通过分段式真空玻璃烧结技术制备连接柱与基板之间的绝缘介质层，结合界面牢固、可靠、气密性好；通过机械化学磨抛技术对转接板减薄。由于盲孔中心连接柱本身具备导电性，可直接用于电气互联，可省去通孔金属化过程，简化了转接板制备工艺流程，降低了转接板制备时间和成本。本实施例提供的工艺流程简单、高效、灵活，在保证可靠性前提下，可实现高密度高硅铝合金转接板的制备。
本实施例提供的高硅铝合金转接板用于系统级封装，参看图7，基于本实施例提供的高硅铝合金转接板的一种微组装结构200示意图，具体包括了第一芯片201和第二芯片202，键合金丝203，金属导电层204，BCB(苯丙环丁烯)205，BGA焊球206，种子层207。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种高硅铝合金转接板，其特征在于，包括基板、连接柱阵列以及填充在所述连接柱阵列与所述基板的缝隙中的绝缘介质层，所述连接柱阵列为由所述基板通过激光垂直通孔技术加工而成的，所述基板和所述连接柱阵列为高硅铝合金，所述绝缘介质层为玻璃介质，所述连接柱阵列的连接柱与所述绝缘介质层同轴，所述连接柱、所述玻璃介质与所述基板具有同样的高度。
2.根据权利要求1所述的高硅铝合金转接板，其特征在于，所述连接柱的直径为50～250μm，所述连接柱的中心距为300～600μm。
3.根据权利要求2所述的高硅铝合金转接板，其特征在于，所述绝缘介质层的宽度为80～500μm。
4.一种高硅铝合金转接板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用激光垂直通孔技术在高硅铝合金基板上制备同轴连接柱盲孔阵列；
S2：在所述同轴连接柱盲孔阵列的盲孔缝隙中填充低温玻璃粉料或浆料；
S3：采用玻璃烧结技术使高硅铝合金基板与玻璃粉料或浆料之间键合；
S4：磨抛减薄所述步骤S3处理后的高硅铝合金基板的上下表面。
5.根据权利要求4所述的高硅铝合金转接板的制备方法，其特征在于，所述同轴连接柱盲孔阵列中的连接柱的直径为50～250μm，所述连接柱的中心距为300～600μm。
6.根据权利要求5所述的高硅铝合金转接板的制备方法，其特征在于，所述盲孔缝隙的宽度为80～500μm，所述同轴连接柱盲孔阵列的盲孔深度为500～800mm。
7.根据权利要求4所述的高硅铝合金转接板的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S201：在所述步骤S1处理后的高硅铝合金基板表面边缘制备阻挡环；
S202：在所述盲孔中填充低温玻璃粉料或浆料；
S203：最后除去所述阻挡环。
8.根据权利要求7所述的高硅铝合金转接板的制备方法，其特征在于，所述步骤S202具体为采用超声震荡柔顺法向盲孔缝隙中填充熔融温度小于460℃的玻璃粉料或浆料。
9.根据权利要求4所述的高硅铝合金转接板的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体为采用分阶段真空低温烧结技术完成玻璃与高硅铝合金基板之间的键合。
10.根据权利要求9所述的高硅铝合金转接板的制备方法，其特征在于，所述分阶段真空低温烧结技术具体为：在真空度小于0.05个大气压下，进行第一阶段预热处理，以5～15℃/min的加热速率加热至200℃，保温时间10～20min；第二阶段加热速率为5～10℃/min，加热至430～460℃，保温20～30min，第三阶段随炉冷却至200℃，保温10～20min，第四阶段随炉冷却。
11.根据权利要求4所述的高硅铝合金转接板的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，制备同轴连接柱盲孔阵列之后，将高硅铝合金基板在一个大气压，150～200℃下进行低温回火，回火时间20～30min。
12.根据权利要求4-11任意一项所述的高硅铝合金转接板的制备方法，其特征在于，重复所述步骤S2和所述步骤S3，直至烧结之后玻璃完全填充盲孔缝隙。
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