TW463537B - Metal core substrate printed wiring board enabling thermally enhanced ball grid array (BGA) packages and method - Google Patents

Metal core substrate printed wiring board enabling thermally enhanced ball grid array (BGA) packages and method Download PDF

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TW463537B TW089106768A TW89106768A TW463537B TW 463537 B TW463537 B TW 463537B TW 089106768 A TW089106768 A TW 089106768A TW 89106768 A TW89106768 A TW 89106768A TW 463537 B TW463537 B TW 463537B
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Scott Chen
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Description

經濟部智慧財產局具工消費合作社印製 46353 7 Α7 Β7 五、發明說明（/ ) 參照相關之申請書 本申請書乃是基於暫時的申請書，序號第60/128946 號，於1999年四月13日入檔，標題爲”致能熱加強球型柵 極陣列封裝之金屬芯基質”。 習知技術之說明
Prolinx C2BGAs C2BGAs乃是使用複雜的蝕刻可調磁控管之絕緣方法 、在芯上產生由一些絕緣材質所懸吊的銅質島狀物、以及 之後藉由表面處理與光照通孔步驟所製造的。對複雜的步 驟以及產生複雜的架構而言，所招致的成本乃是相當昂貴 的。 本發明之槪要 對於細微程度、高接腳數的半導體封裝而言，球型柵 極陣列(BGA)乃是一種先進的封裝方式，其在今日ic工業 中，通常使用於包裝積體電路架構的多層晶片上（chip-up) 印刷接線板(PWB)基座之中。然而，由於諸如Pentium Π & ΠΙ等高速的CPUs、以及高速的製圖方式、DSP和可程式 的邏輯晶片之出現’熱散逸仍是主要關心的因素。爲了滿 足Μ世紀1C產品的需求，因此需要較隹的熱BGA封裝之 解決方式。 本發明的目的爲提供一種新穎且較爲簡單的PWB架 構以及方法，具有比得上或較佳的熱效能，致使較低的成 本與較佳的可靠性。在材質與層數以及每層厚度的選擇上 ，其高度的彈性提供封裝應用廣泛的範圍以及高密度的印 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ml------裝-------訂---------讀 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 6 35 3 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（A ) 刷電路板或PWB。鍍銅的通孔同樣也提供較佳的熱效能， 並且對所產生的封裝而言致使整體較佳的熱效能。 處理步驟同樣也已經證明，用來實現封裝應用中高密 度之相互連接。 附圖之簡略說明 當結合附圖考慮以下的說明，則本發明上述以及其它 的目的優點與特點將會是顯而易見的，其中相似的參考符 號與所相應組件或元件視爲同一事物，而且其中： 圖1A以剖面圖顯示合倂本發明的初始金屬芯架構， 圖1B合倂本發明，顯示在各別的玻璃纖維層上附加 兩額外的功能層之後的金屬芯架構， 圖1C顯示合倂本發明的五層架構， 圖1D顯示在圖1的架構上使用焊接劑掩蔽塗刷， 圖2根據本發明’闡述一種型式1的通孔， 圖3根據本發明，闡述一種型式2的通孔， 圖4根據本發明，闡述一種型式3的通孔， 圖5闈述合併本發明的整體架構之剖視圖，以及 圖6爲合倂本發明所完成之具有基座的bGA ic封裝 之俯視圖，其架置於一PWB上，而PWP可以是傳統的薄 片板或是合併本發明的。 元件符號之說明 110金屬芯 120建立層 210銅箔 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS)A4規格（210 X 297公釐） ------------( 裝-------訂---------旅 (锖先閱讀背S之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印W
4 6 35 3 T Α7 _ Β7___ 五、發明說明（）） 220鑽孔電鍍的穿洞(PTH) 230玻璃纖維之內預浸漬體 240遮光或雷射鑽孔&電鍍之通孔 310頂層建立層 320建立通孔 330穿洞鑽孔 340外預浸漬體 350底層建立層 本發明之細節說明 結構 圖1A顯示在初始的金屬芯110形成階段期間中的架 構。圖1B顯示在起初的兩個建立層120製作之後的架構 。圖1B顯示在其架構中的兩個鑽孔電鍍之穿洞(PTH)220 。如果所需要的是3層的架構210-110-210，則如此便是完 整的PWB架構，其較爲簡單且成本較低。請注意的是， 1/3盎司的銅箔210以及5-10盎司的銅芯110爲玻璃纖維 之預浸漬體層230所絕緣隔離的。同樣地，遮光或雷射鑽 孔&電鍍的通孔240用來連接到充當接地的金屬芯11〇。在 圖1C中的五層架構預期更爲複雜並且用於高密度的應用 中。圖1C顯示兩個額外的建立層310與建立通孔320以 及PTH 220。在以下的說明中，我們將集中注意於欽述於 圖1C中的五層架構，其包含實現於本發明之三種各不相 同的通孔型式。 如圖2所闡述的，型式1通孔220乃是用來實現同樣 5 本紙張尺度適用中國@家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐） -----------~ 裝！- ---訂.---！ — !^ (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 46353 7 A7 B7 五、發明說明（f) 在圖1B、圖1C所示的架構中大多數之通孔。型式1之通 孔隔離於金屬芯並且經由建立通孔320連接到外層’其中 的建立通孔320若不是由雷射鑽孔便是由深度控制的機械 式鑽孔所得到的。 如圖3所闡述的，型式2通孔乃是一種與金屬芯相連 接的通孔，其中的金屬芯典型地用來充當接地平面。藉由 直接在金屬芯Π0上的穿洞鑽孔330’並且之後藉由電鍍 來實現型式2之通孔，其產生與金屬芯側壁的連接。 型式2通孔的優點乃是提供從頂層31〇至金屬芯11〇 且之後再到底層350的直接之熱傳送路徑，其對實現封裝 應用中的熱通孔而言乃是理想的。 型式2通孔唯一的缺點乃是側壁電鍍具有與包含金屬 芯110和預浸漬體230的各層之接觸面，以及傳導層210 、310和預浸漬體之間的接觸面，其若不適當地處理，則 將會含有細微的裂縫，而讓水份滲入。細微的裂縫可能會 導致金屬芯110和預浸漬體230之間的接觸面分解。 如圖4所闡述的型式3通孔同樣也是一種連接到金屬 芯110上的接地面之通孔，並且同樣也提供金屬芯110良 好的熱路徑。型式3之通孔乃是藉由建立芯通孔240和 320經雷射或深度控制鑽孔所實現的，其同樣也顯示於圖 1B和1C中。就熱效能而言，型式3之通孔乃是良好的， 並且不具有如同型式2的通孔之可靠性缺點。 材質 金屬芯110較佳的選擇爲5-10盎司或5-15密爾厚度 6 本紙張尺度適用中0國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 (請先閱讀背面之注意ί項再填寫本頁> 裝 訂---------線一 經濟部智慧財產局員X消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 46353 7 Α7 ------- Β7 五、發明說明（) 的銅C 194薄片，如圖1A所示的。注入金屬芯孔洞120的 液體可以是PHP900或其等效的材質。 內預浸漬體230若不是具有1.5-3密爾厚度的玻璃纖 維之BT(雙順丁烯亞胺三嗪)是47N。玻璃纖維的成份提供 架構的增強功能，藉以對抗金屬芯110與預浸漬體材質 230之間不匹配的熱擴展係數。 外預浸漬體340可以是B.T.或R.C.C(樹脂塗層之銅質 )材質，典型地使周於雷射鑽孔之建立。外漬體34〇的厚度 同樣也是在1.5-3密爾的範圍之內。儘管對各種的應用而 言，廣泛的厚度範圍乃是適當的（1/8、1/4或1/2盎司），而 用於非芯層的銅箔210可以是1/3盎司的厚度。 處理 儘管藉由眾所周知的印刷電路板技術以及HDI(高密度 的相互連接）之製造，而能夠接受種種的改變，然以下說明 一種較佳的處理步驟之順序。 1.開始於金屬芯Π0,在通過金屬芯的通孔位置上鑽 孔或蝕刻出洞孔，如圖1B和圖1C所示的，洞孔的大小大 約在於25密爾附近(對BGA的應用而言，15密爾至40密 爾乃是可允許的）。所要注意的是，典型的嵌鑲板大小爲 12”χ18”或18”χ24” '或者其變化。爲了薄片板狀的預浸漬 體210、230、310、250與340較爲良好的附著，在金屬表 面上執行黑色氧化物之處理。 對條帶或單一傳送格式中簡易的單一特性而言，在第 一通孔的鑽孔飽刻步驟期間中，能夠將每一個基座單元邊 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------^ 裝！ {靖先閲讀背面之注意事項再填窝本頁)
訂---------I Α7
46353 T Β7____ 五、發明說明（έ ) 緣上的單一線路預先鑽孔或預先蝕刻8 2. 液體(PHP900)注入洞孔120(如同圖1A中所示的密 平行線區域）。在較薄的金屬芯U0之狀況下，諸如大約5 密爾附近的，由於在壓成薄片的期間中，內預浸漬體230 會自然地流入並且充滿洞孔，因此可以不用將液體注入洞 孔120。對較厚的金屬芯而言，則起初較佳地將其注入洞 孔之中。 3. 從事預浸漬體230和34〇之製作。例如，於圖1C中 ，使用具有1/3盎司銅箔之3密爾的預浸潰體。所要注意 的是，爲了保持對稱的理由，而同時將用於頂側及底側的 每一預浸漬體層製成薄片。 4. 鑽製用於與金屬芯隔離的通孔之洞孔。鑽錐的直徑 大約爲10密爾左右用於通孔的雷射鑽錐或深度控制之機械 式鑽錐，而其中的通孔連接到金屬芯，如圖1B所示。所 要注意的是，在步驟2，注入預浸漬體材質120的液體流 進第一鑽孔之中，藉以將所電鍍的通孔220與金屬芯隔離 〇 5. 傳送內層210和250的圖像，藉以形成墊片及圖形 電路。 . 6. 以BT或R.C.C材質將外預浸漬體層310和34〇製 成薄片狀。如果只是需要3層的架構，則並不需外預浸潰 體層310和340。以相同的原理，如果只是需要4層的架 構，則並不需底部的BT或R.C.C層。 7. 藉由雷射鑽孔或深度控制的機械鑽孔，形成建立通 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------；----J 裝--------訂---------暴 <請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 46353 經濟部智慧財產局貝工消黌合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7) 孔 320。 8.若有需要，則從事型式2通孔之機械洞孔鑽孔。 將銅質310和350電鍍至通孔並且從事嵌鑲板之電 鍍。 10. 視Ni/Au電鍍技術以及應用的需求而定’停止其步 驟。其包含外層以及Ni/Au電鍍420的圖樣傳送。 11. 焊接掩蔽罩410塗層，如圖1D所示的。 12. 完成’將其嵌鑲板單一化爲個別的單元或者成爲用 於封裝組合的條帶。 優點 1. 用於高熱量傳導的有效率之對稱層以及通孔架構。 2. 相較於習知技術，以成熟的處理技術以及已證明的 材質，實現相同或較佳的熱效能。 3. 僅僅需要增加成本，便能提供比塑膠球型柵極陣列 (PBGA)更爲良好的效能。 本發明之特點 1_新穎的銅質芯基架構，使用3層(金屬芯+ 1頂層+ 1底層）、4層(金屬芯+ 2頂層+ 1底層)以及5層(金屬芯 + 2頂層+ 2底層），用於晶片組合之高,熱量效能封裝。再 者，能夠簡易地建立5或更多層。3和5層的選擇乃是對 稱的’藉以從事較佳的彎曲老化預防。 2.使用鑽孔/蝕刻、有所選擇地充滿液體、製成薄片狀 、鑽孔、以及電鍍處理步驟，用來形成通過金屬芯的洞孔 〇 9 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 « 297公釐） ---------^--------訂---------線' ί靖先閱讀背面之注惠事項再填寫本頁) 4 6 353 A7 B7 五、發明說明（？） 3. 雷射掩蔽通孔之組合建立於金屬芯架構之頂部，賦 予用於高密度應甩的額外之建立層。 4. 藉由電鍍建立以及從頂側和底側連接到金屬芯，致 使有效率的熱通孔。 5. 在第一通孔的鑽孔-蝕刻步驟期間中，對條帶或單一 傳送格式中簡易的單一特性而言，能夠預先鑽孔或預先蝕 刻每一個基座單元邊緣上的單一線路。 6. 應用：a)用於熱加強微調強度BGAs的金屬芯基 座，以及b)金屬芯基的高密度板，諸如用於高熱輸出 SDRAM DIMM 模組的。 儘管已經以本發明相關的實施例來說明本發明，然而 將會察知的是對熟習技術者而言，本發明的適合體以及變 體乃是顯而易見的。 請 先 閱 讀 背
意 事 !裝 萸I 訂 养 經濟部智慧財產局具工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 46353 7
    、申請專利範圍 1·—種製作用於球型柵極稹體電路封裘的熱加強印刷 電路接線板基座之方法，包含以下的步驟： a) 提供具有相對的表面之初始薄而傳導性之金屬芯； b) 在每一個多數的通過金屬芯之通孔位置上，於該金 屬芯中形成一個或多個的洞孔； c) 將硬化處理的非傳導性介質薄板分別疊至該每一個 相對的表面：及 d) 將至少一個的薄傳導層應用於該硬化處理的非傳導 性介質薄板之其中一個的表面上，並且在該多數的通過金 屬芯之其中一個通孔位置上，達成至該初始的薄傳導金屬 芯之至少一個的電氣連接。 2.如申請專利範圍第1項所定義之方法，包含在一個 或多個通孔的位置上，製作一個或多個在此所定義的型式 1通孔之步驟。 3·如申請專利範圍第1項所定義之方法，包含在一個 或多個通孔的位置上，形成一個或多個在此所定義的型式 2通孔之步驟。 4·如申請專利範圍第丨項所定義之方法，包含在一個 或多個通孔的位置上，形成一個或多個在此所定義的型式 3通孔之步驟。 5. 如申請專利範圍第2項所定義之方法，包含在—個 或多個通孔的位置上，形成一個或多個型式2或型式3通 孔之步驟。 6. 如申請專利範圍第4項所定義之方法’其中該型式 ------：----^------1T------線 ί { (請先閱讀背面之注意事項再填寫本f ) 本紙張尺度適用_國國家榡準（CNS > A4規格（2丨0乂2<?7公缝） 463537 Λ 8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 3通孔隔離於金屬芯並且連接到外層，藉以建立其通孔。 7. 如申請專利範圍第3項所定義之方法，其中該通孔 乃是藉由直接從事金屬芯層的通洞電鍍所製作的，以及接 著電鍍致使側壁與金屬芯連接所產生的。 8. 如申請專利範圍第1項所定義之方法，其中該多數 個通過金屬芯的通孔位置乃是鑽孔、電鍍的通洞(PTH)。 9. 如申請專利範圍第1項所定義之方法，其中該通孔 乃是藉由印刷建立以及將其頂側和底側兩者連接到金屬芯 所製作的。 10. 如申請專利範圍第1項所定義之方法，包含在該基 座邊緣形成單一線路的步驟，可以在用於條帶每一個單一 特性的第一通孔之鑽孔步驟期間中，預先從事其基座之鑽 孔或蝕刻，或者可以單一化以傳送格式。 11. 一種用於球型柵極積體電路封裝的熱加強印刷電路 (PC)接線板，包含·_ 一相對較薄、傳導性的金屬芯層，具有相對面的表面 在多數個通過金屬芯的通孔位置上的以及一個或多個在金 屬芯中的洞孔， 第一和第二薄而硬化的非傳導性薄片板，分別附著於 該相對面的表面，以及 至少一個在該薄而硬化的非傳導性薄片板，以及其上 的多數個通孔上的至少一個上的傳導性電路圖樣° 12. 如申請專利範圍第11項所定義之PC接線板，包含 多數個藉由電鍍建立並且從其頂側及底側連接到金屬芯所 -----------^------1T------線 f (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經.-部^总財4^只工消#合作钍印製 本紙伕义度適用中國國家標準（CNS ) A4規格{ 210X297公釐） 4 6 353 T Λ8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 製作的通孔。 13.如申請專利範圍第11項所定義之PC接線板，其中 該傳導性的金屬芯層乃是5-15密爾的厚度範圍內之銅[質， 而該薄片板則是玻璃纖維的。 Μ.如申請專利範圍第13項所定義之PC接線板，其上 包含一個或多個額外的非傳導以及傳導層。 15. 如申請專利範圍第11項所定義之PC接線板，包含 多數個在此所定義的型式1、型式2或型式3中所選出的 通孔。 16. 如申請專利範圍第I2項所定義之PC接線板，包含 多數個在此所定義的型式1、型式2或型式1中所選出的 通孔。 ----------裝------訂------線 i f (請先闆讀背*之注悉事項再填寫本頁) 本紙浪尺度適用中國國家標孪（CNS ) A4規格[210X2W公釐） 1
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