JP5211396B2 - ３ｄ電子モジュールを集積的に製造する方法 - Google Patents

Description

本発明の分野は、３Ｄ電子モジュールの製造の分野である。

３Ｄ電子モジュールは電子ウェーハの積層体を備え、積層体の面を用いて三次元に相互接続されてウェーハ間の接続を成している。ウェーハ５は、その一例を図１に示すが、通常、電気的接続要素２ｂまたは２ａを有する１つ以上の能動素子１ｂまたは受動素子１ａを備えており、これらの素子は電気的絶縁樹脂６内に被覆されている。素子の接続要素２ａまたは２ｂは、電気的絶縁基板４によって支持された接続端子に連結されている。絶縁基板４によって支持された１つ以上の導電トラック３が、これらの素子を相互に連結するか、またはウェーハの電気的接続要素を相互に連結している。ウェーハは、積層体の側面、つまり、ウェーハの端部７に配置された導体によって電気的に相互に連結されている。

素子の端子を基板の端子に接続する方法がいくつかある。

一つの方法は、超音波を送ることによって素子の端子を絶縁基板の端子に直接接続することである。送られるエネルギーは、接続される端子の数に比例する。多くの端子を有する素子については、接続に必要とされるエネルギーが素子を破壊することがある。このエネルギーを低下させるための一つの解決策は、基板を加熱して柔らかくし、送られた超音波エネルギーのうち接続を非常に困難にさせる部分を吸収させることである。さらに、素子が約１５０°で行われる重合によって被覆される場合、素子の膨張係数が基板の膨張係数と異なり、典型では４倍低いため、基板が湾曲する傾向にある。

本発明の目的は、これらの欠点を克服することである。

本発明の原理は、素子を相互に電気的に絶縁する一方で、素子と基板との間の材料の良好な導通を維持し、接続工程および／または重合工程の間の膨張差を回避することである。

より具体的に言うと、本発明の主題は、ｎ個の電子モジュールを製造する方法であって、ｎが１よりも大きい整数であり、モジュールがＫ枚の電子ウェーハの積層体を備え、ウェーハｉ（ｉは１〜Ｋの範囲である）が絶縁基板に少なくとも１つの電子素子を備え、Ｋ枚のウェーハが積層体の側面に配置された導体によって電気的に相互に連結された方法において、
製造が集積的なものであり、
ウェーハｉ毎に、
Ａ１）厚さｅ_ｉの薄い電気的絶縁層によって一方の面が被覆され、この面に幅Ｌ１でありｅ_ｉよりも深くｅ_ｐ＋ｅ_ｉよりも浅い深さの溝部を有する基板を形成する、シリコンを含む厚さｅ_ｐの同一の平らな薄いシートに、１組のｎ枚のウェーハｉを製造する工程であって、これらの溝部が少なくともｎ個の幾何学的パターンを画定し、各パターンに前記面に配置された電気的接続要素に接続された少なくとも１つの電子素子が設けられ、端子が少なくとも溝部まで延長した電気的接続要素に連結され、溝部および電気的接続要素の交点にホール開口領域が設けられ、この領域の横断寸法がＬ１よりも小さく、素子が溝部をも埋める絶縁樹脂により被覆された工程と、
Ｂ１）溝部の樹脂を露出するようにシートの他方の面を平面研削することにより薄膜化する工程とを含む第１の工程と、
Ａ２）第１の工程を完了した際に得られたＫ個の組を、開口領域を実質的に上下に重ね合わせるように、積層し組み立て、
Ｂ２）シリコンがホールの側壁から樹脂によって絶縁されるように、樹脂に、横断寸法がＬ１よりも小さいホールを、開口領域に垂直な積層体の全体の厚さにかけてシートの面に垂直に開け、
Ｃ２）ホールの側壁を金属被覆し、
Ｄ２）ｎ個の電子モジュールを得るために積層体を溝部に沿って切断する第２の工程とを含むことを特徴とする方法である。

これは、第２の工程の前に、シートの他方の面を平面研削することによりシートを薄膜化する追加の工程をも含むことが有益である。

本発明の一つの特徴では、これは、シートに平行な積層体の一方の面に電気的絶縁層を堆積する工程を含み、この層は、各パターンの平面に、ウェーハの開口領域の中央に開口領域をもたらし、かつこれらの領域まで延長した、モジュールを電気的に相互接続する要素を備える。

本発明の別の特徴では、第２の工程はまた、ホールの側壁を金属被覆する工程の後に、次の積層体の切断を容易にするためにホールを樹脂により再び埋める工程も含む。

電子素子は、ベアチップなどの能動素子または受動素子またはＭＥＭＳ（英語表現の微小電子機械システムの頭字語）であり得る。

シートは、少なくとも１つの受動素子がシート内またはシートの上に配置されたものである。

本発明の一つの特徴では、薄い絶縁層は絶縁樹脂で作製されている。

本発明の別の特徴では、電気的接続要素は溝部をまたいでいる。

必要に応じて、電気的接続要素は溝部の両側に配置された２つの端子を連結している。

これは、工程Ｄ２の切断の前に、結果として得られた積層体を電気的に検査する工程も含むことが好ましい。

本発明の一実施形態では、電気的接続要素はエッチングされたブリッジである。これらは、溝部を樹脂により埋めた後、素子を樹脂により被覆する前に、エッチングされる。

本発明の別の実施形態では、電気的接続要素が配線されたフィラメントであり、溝部に沿って切り取られ得る。

ホールは、ドライエッチングまたは液体エッチングによって開けられる。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な例により添付の図面を参照して提供する以下の詳細な説明を読解することにより明らかになる。

各図を通して、同一の要素を同一の参照符号によって定めている。

３Ｄ電子モジュール１００は、図１０にその一例を示すが、Ｋ枚の電子ウェーハ５の積層体を備えている。ウェーハｉ（ｉは１〜Ｋの範囲である）は、絶縁基板４に少なくとも１つの電子素子１を備えている。Ｋ枚のウェーハは、積層体の側面に配置された導体２３によって電気的に相互に連結されている。Ｋは例えば４であるが、典型では２〜１００の範囲である。

本発明は、ｎ個のモジュール（ｎは２〜５００である）の製造に関し、この製造は集積的なものである。

これは、同一のシートに１組のｎ枚のウェーハｉを製造する工程であって、この工程をＫ回繰り返す工程と、その後Ｋ枚のシートを積層し、ウェーハを相互に接続することを意図した金属被覆されたホールを積層体の厚さにかけて形成し、その後積層体を切断してｎ個の３Ｄモジュールを得る工程とを含む。

ｎ枚のウェーハｉの組５０は、その一例を図２に示すが、シリコンを含む厚さｅ_ｐの同一の平らな薄いシート１０の上に得られる。シート１０の厚さは数百μｍ程度のものである。受動素子は、必要に応じて、シート内かまたはシートの上にすでにある。このシートは、集積的な製造の間、連続性を維持するのに用いられる。これは、例えば、直径が約２５ｃｍの円形のシートである。

これは、一方の面１１が、数μｍの厚さｅ_ｉの絶縁基板４を形成する薄い電気的絶縁層によって被覆されている。この面は、幅Ｌ１（Ｌ１は、典型では１００μｍから２００μｍまでである）であり、かつｅ_ｉよりも深くｅ_ｐ＋ｅ_ｉよりも浅い深さである溝部２０を有している。これらの溝部は、少なくともｎ個の幾何学的パターン２５を画定しており、各パターンには、前記面に配置された電気的接続端子２’に接続された少なくとも１つのシリコン製の電子素子１が設けられている。典型では、１つの素子が、５０μｍから５００μｍまでの厚さを有している。端子２’は、少なくとも溝部２０まで延長したトラック３などの素子の電気的接続要素に連結されており、ホール用の開口領域２１が溝部２０および相互接続要素３の交点に設けられている。これらの開口領域の寸法は、シート間で異なり得る。例えば、円形の領域がある。素子１は、溝部２０をも埋める絶縁樹脂６によって被覆されている。シート１０は、溝部の樹脂を露出するように、他方の面１２を平面研削することによって薄膜化されている。このため、厚さｅ_ｐは、数μｍから１００μｍまでの間である。このため、これらの溝部２０は、各３Ｄモジュール１００を電気的に絶縁するのを可能にする。平面研削は、機械的または化学的な研磨によって行われる。

本方法はまた、シートの面１１の側を平面研削することにより、つまり、素子および可能であれば樹脂を平面研削することにより、その素子が設けられたシートを薄膜化する工程も含むのが好ましい。このため、シートおよびその素子の厚さＥ_ｐは、その素子が設けられたシートの両面に行われる平面研削により減じられる。結果として得られる厚さは、例えば、５０μｍ＜Ｅ_ｐ＜２００μｍである。

第２の工程は、第１の工程を完了した際に得られたＫ個の組を、図３に示すように、各組５０の開口領域２１を実質的に上下に重ね合わせるように、積層し組み立てることを含む。これらの領域２１は、同一の寸法であることが好ましいが必須ではない。その後、開口領域２１に垂直な積層体の厚さを通してシートの面に垂直に、ホール２２が開けられる。ホールの横断寸法はＬ１よりも小さいため、各ウェーハ１０のシリコンは、ホールの側壁から樹脂により絶縁されている。ホールが円形である場合、その直径は例えば５０μｍから１００μｍである。ホール２１の側壁はその後、金属層２３によって金属被覆される。積層体は、ｎ個の電子モジュール１００を得るために、溝部２０に沿って切断される。この切断は、例えば鋸引きにより行われる。

薄い絶縁層４は、絶縁樹脂で作製され得る。

結果として得られた積層体を電気的に検査する工程を、積層体の切断の前に設けるのが好ましい。これにより、得られた各モジュールを個別に検査するのではなく、集合的に検査する手段がもたらされる。

これは、積層体の切断の前に、積層体の２つの面のうち一方に振動膜を堆積する工程を含むことが有益である。

ここで、２つの例示的実施形態を説明する。

第１の実施形態では、図４〜１０に関して説明すると、シートの一方の面１１に絶縁材料の薄い層４を堆積し、次に溝部２０を、例えば、同一の矩形パターン２５（図４ａ、図４ｂ、図４ｂ’）に従ってシートのこの同一面に切り入れる。溝部２０にはその後、絶縁樹脂６を堆積する（図４ｃ）。

変形例では、ベアシートに溝部を切り入れ、樹脂６を、このシートに薄い層４を形成するように、溝部内かつシートの上に一度堆積する。

電気的接続領域２’、つまり素子に接続する端子、およびトラック３などの素子相互接続要素を（図５ａ）、当業者に知られる従来の方法を用いて、例えばエッチングによってシートのこの面に形成する。相互接続要素３は、少なくとも溝部２０まで延長しているか、または図５ａ’および図５ｂ’に見られるように、溝部２０をまたぐブリッジを形成しさえもする。必要であれば、これに溝部２０との交点で穴を開けて、シートを積層する際にホールを開けることを意図した開口領域２１（図５ａ’および図５ｂ’）を形成し、次の集合的な検査のために素子を相互に電気的に絶縁する。この検査を行わない場合、開口領域２１は、例えば相互接続要素が溝部２０の両側に配置された２つの接続端子を連結する場合、溝部の平面にこの要素の導通を設けることにより形成できる。

素子１を、各素子がその接続端子と接続するように、いわゆる「フリップチップ」方式により、能動面をシートに向けて、シートのこの面のパターン２５の平面に表面実装する（図５ｂおよび図５ｂ’）。

その後、従来の方法で、絶縁樹脂６によって素子１を被覆する（図６）。

この工程までは、シリコンシート１０は、ｎ枚のウェーハｉの組を製造するための連続的な支持をもたらしている。この連続性は、次の工程でなくなる。

実際には、その後、溝部の樹脂６を露出するように、シートを他方の面１２を平面研削することにより薄膜化する（図７）。

Ｋ枚のシートを得るため、このｎ枚のウェーハの組５０の製造をＫ回繰り返す。

Ｋ枚のシートを、開口領域を一列に並べることにより、例えば接着によって一方のシートを他方のシートの上にして積層する（図８）。

シート１０に平行な積層体の一面に絶縁層４を堆積し、その上に積層体の電気的相互接続要素２’、３を配置する。ウェーハの開口領域の中央に配された開口領域２１も設ける。このため、ウェーハに連結することを意図した相互接続要素は、この領域まで延長している。この層は、積層体上で作製することもでき、積層する前に作って積層体に加えることもできる。

ホール２２つまりビアホールを、この最終層の開口領域に垂直に積層体を通して開ける（図９ａ’）。この穿孔２２は、例えば、プラズマドライエッチングプロセス（つまり、英語表現のリアクティブイオンエッチングを意味する頭字語である「ＲＩＥ」）を用いるか、またはエキシマ型のレーザーアブレーションにより、マスクを介して得られる。ホールが開けられると同時にエッチングを停止する。このエッチングを完了すると、得られたホールは、Ｌ１よりも短い横断寸法（つまり、溝部の幅方向の寸法）を有しているため、シートのシリコンがホール２２の側壁から樹脂６によって絶縁されており、ブリッジはホールの側壁と同一平面を成している。

その後、ホールの側壁を金属層２３により金属被覆し（図９ｂ）、これにより同一平面を成すブリッジとホールとの接続が確立されるため、ウェーハ間の接続が確立される。

通常は鋸引きにより行われる切断を容易にするために、ホール２２を樹脂６により埋めることもある（図９ｂ、図１０、図１０’）。

ｎ個の電子モジュール１００を得るため、積層体を溝部に沿って切断する（図１０）。

別の実施形態では、シートの一方の面に絶縁材料の薄い層を堆積し、基板を形成する。素子の電気的接続端子およびこれらが連結される電気的相互接続要素の電気的接続端子をこの面に配置する。素子の相互接続要素は、例えば同一の矩形パターンに従ってその後に形成される溝部の位置を設けるように配置される。

素子を、各素子がその接続端子に接続するように、いわゆる「フリップチップ」方式により、能動面をシートに向けて、シートのこの面の各パターンに表面実装する。接続要素を、後のホールの側壁と同一平面を成すことが意図されたフィラメントに連結する。この目的のため、これらは、溝部を少なくとも部分的にまたいでいる。これらのフィラメントは、溝部の両側に配置された接続要素を連結することもある。直径が２５μｍ程度のこれらのフィラメントが細いため、事実上、フィラメントおよび溝部の交点に、フィラメントよりも当然広く、シートが積層される際にホールを開けることを意図した開口領域が位置している。

素子を、溝部をも埋める絶縁樹脂によって被覆する。前述の実施形態に関してのように、これらの溝部は、各モジュールを電気的に絶縁する手段をもたらしている。

フィラメントが溝部の両側に配置された接続要素を連結している場合、これらは、Ｌ１よりも狭い幅Ｌ２にわたって溝部に沿って切断され得る。このため、この位置に配置された樹脂も切断される。

この工程までは、シリコンシートは、ｎ枚のウェーハｉの組の製造のための連続的な支持をもたらしている。この連続性は、次の工程でなくなる。

その後、シートを、溝部の樹脂を露出するように他方の面を平面研削することにより薄膜化する。平面研削は、機械的または化学的な研磨により行う。

Ｋ枚のシートを得るため、このｎ枚のウェーハの組の製造をＫ回繰り返す。

Ｋ枚のシートを、開口領域を一列に並べることにより、例えば接着によって一方のシートを他方のシートの上にして積層する。

シートに平行な積層体の一面に絶縁層を堆積し、その上に積層体の電気的相互接続要素を配置する。ウェーハの開口領域の中央に置かれた開口領域も設ける。このため、ウェーハに連結することを意図した相互接続要素は同様にこの領域まで延長している。この層は、積層する前に作り、その後積層体に加えることができる。

ホールつまりビアホールを、開口領域に垂直に積層体を通して開ける。この穿孔は、配線が溝部をまたいでいる場合にはフィラメントに垂直に位置する樹脂も除去されるように、例えばフォトリソグラフィ液体エッチングを用いてマスクを介して得られる。他の方法では、上に説明したようなドライエッチングが使用可能である。ホールが開けられると同時にエッチングを停止する。このエッチングが完了すると、得られたホールはＬ１よりも小さい横断寸法（つまり、溝部の幅方向の寸法）を有しているため、ウェーハのシリコンがホールの側壁から樹脂によって絶縁されており、フィラメントはホールの側壁と同一平面を成している。

ホールの側壁をその後金属被覆し、これにより同一平面を成すフィラメントとホールとの間の接続を確立する手段がもたらされるため、ウェーハ間の接続が確立される。

切断を容易にするために、ホールを樹脂により埋めることもある。

ｎ個の電子モジュールを得るため、積層体を溝部に沿って切断する。

既述の従来技術の３Ｄモジュールの電子ウェーハを概略的に示したものである。 本発明により得られた薄膜化の前の電子ウェーハを概略的に示したものである。 本発明により得られた４枚のウェーハの積層体を概略的に示したものである。 図４ａは、本発明によるシリコンシートに溝部を形成してその溝部を埋める工程を概略的に示したものである。図４ｂは、本発明によるシリコンシートに溝部を形成してその溝部を埋める工程を概略的に示したものである。図４ｂ’は、図４ｂの大縮尺詳細図である。図４ｃは、本発明によるシリコンシートに溝部を形成してその溝部を埋める工程を概略的に示したものである。 図５ａは、図４ｃに示した工程を完了した際に得られたシートに電気的接続要素を配置する工程を概略的に示したものである。図５ａ’は、図５ａの大縮尺詳細図で、図４ｃに示した工程を完了した際に得られたシートに電気的接続要素を配置する工程を概略的に示したものである。図５ｂは、電子素子を表面実装する工程を概略的に示したものである。図５ｂ’は、図５ｂの大縮尺詳細図で、電子素子を表面実装する工程を概略的に示したものである。 素子を被覆する工程を概略的に示したものである。 両面薄膜化工程を概略的に示したものである。 積層して組み立てる工程を概略的に示したものである。 図９ａは、積層体の一面に絶縁層を堆積し、相互接続要素を配置し、ホールを開ける工程を概略的に示したものである。図９ａ’は、図９ａの大縮尺詳細図で、積層体の一面に絶縁層を堆積し、相互接続要素を配置し、ホールを開ける工程を概略的に示したものである。図９ｂは、ホールに金属層を堆積し、金属被覆したホールを樹脂により再び埋めるのを概略的に示したものである。 切断後に得られた３Ｄモジュールを概略的に示したものである。図１０’は、図１０の大縮尺詳細図で、切断後に得られた３Ｄモジュールを概略的に示したものである。

Claims (17)

1. ｎ個の電子モジュールを製造する方法であって、ｎが１よりも大きい整数であり、モジュールがＫ枚の電子ウェーハの積層体を備え、ウェーハｉ（ｉは１〜Ｋの範囲である）が絶縁基板に少なくとも１つの電子素子を備え、前記Ｋ枚のウェーハが前記積層体の側面に配置された導体によって電気的に相互に連結された方法において、
   前記製造が集積的なものであり、
   ウェーハｉ毎に、
   Ａ１）厚さｅ_ｉの薄い電気的絶縁層によって一方の面が被覆され、この面に幅Ｌ１でありｅ_ｉよりも深くｅ_ｐ＋ｅ_ｉよりも浅い深さの溝部を有する基板を形成するシリコンを含む厚さｅ_ｐの同一の平らな薄いシートに、１組のｎ枚のウェーハｉを製造する工程であって、これらの溝部が少なくともｎ個の幾何学的パターンを画定し、溝部が絶縁樹脂で埋められ、各パターンには前記面に配置された電気的接続端子に接続された少なくとも１つのシリコン電子素子が設けられ、前記端子が少なくとも溝部を埋める絶縁樹脂の表面まで延長した電気的接続要素に連結され、前記溝部および前記接続要素の交点にホール開口領域が設けられ、この領域の横断寸法がＬ１よりも小さく、前記素子が前記溝部をも埋める絶縁樹脂により被覆された工程と、
   Ｂ１）前記溝部の前記樹脂を露出するように前記シートの他方の面を平面研削することにより薄膜化する工程とを含む第１の工程と、
   Ａ２）前記第１の工程を完了した際に得られたＫ個の組を、前記開口領域を実質的に上下に重ね合わせるように、積層し組み立て、
   Ｂ２）前記シリコンが前記ホールの側壁から前記樹脂によって絶縁されるように、前記樹脂に、横断寸法がＬ１よりも小さく、かつ、溝部を埋める絶縁樹脂の全ての層と、電気的接続要素の全てのホール開口領域を貫通するホールを、前記開口領域に垂直な積層体の全体の厚さにかけてシートの面に垂直に開け、
   Ｃ２）前記ホールの前記側壁を金属被覆し、
   Ｄ２）前記ｎ個の電子モジュールを得るために前記積層体を前記溝部に沿って切断する第２の工程とを含むことを特徴とする方法。
2. 前記第２の工程の前に、前記素子を備える前記シートの面を平面研削することにより前記シートを薄膜化する工程も含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記工程Ｄ２の前に、前記シートに平行な前記積層体の一方の面に電気的絶縁層を堆積する工程を含み、この層が、各パターンの平面に、前記ウェーハの前記開口領域の中央に開口領域をもたらし、かつこれらの領域まで延長した、前記モジュールを電気的に相互接続する要素を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第２の工程が、前記ホールの前記側壁を金属被覆する工程の後に、次の前記積層体の切断を容易にするために前記ホールを樹脂により再び埋める工程も含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記電子素子が、能動素子または受動素子またはＭＥＭＳであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記能動素子がベアチップである請求項５に記載の方法。
7. 少なくとも１つの受動素子が、前記シート内または前記シートの上に配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記薄い絶縁層が絶縁樹脂で作製されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記電気的接続要素が前記溝部をまたいでいることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記電気的接続要素が溝部の両側に配置された２つの端子を連結していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記工程Ｄ２の切断の前に、前記結果として得られた積層体を電気的に検査する工程も含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記電気的接続要素がエッチングされたブリッジであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記溝部を樹脂により埋めた後、前記素子を樹脂により被覆する前に、前記ブリッジをエッチングすることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記ホールがドライエッチングによって開けられることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記電気的接続要素が配線されたフィラメントであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記フィラメントが前記溝部に沿って切り取られることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記ホールが液体エッチングによって開けられることを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。

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