TWI762777B - 半導體封裝基板及其製法與電子封裝件及其製法 - Google Patents

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Abstract

一種半導體封裝基板及其製法，該製法包括於線路結構上形成具有開孔之防焊結構，使該線路結構部分外露於該開孔，以於該外露的線路層與開孔之孔壁上形成杯狀之焊座，故於封裝製程中，藉由該焊座之設計能增加焊錫球與金屬材之接觸面積，以提升焊錫球與焊座間的結合力，因而能有效避免該焊錫球發生斷裂或脫落之情況。本發明復提供一種應用該半導體封裝基板之電子封裝件及其製法。

Description

半導體封裝基板及其製法與電子封裝件及其製法
本發明係有關一種封裝基材，尤指一種能提升產品可靠度之半導體封裝基板及其電子封裝件。
隨著產業應用的發展，近年來逐漸朝著如人工智慧(AI)晶片、高階晶片或堆疊晶片等大尺寸晶片之封裝規格之趨勢進行研發，如3D或2.5D IC製程，以應用於高密度線路/高傳輸速度/高疊層數/大尺寸設計之高階產品，如人工智慧(AI)晶片、GPU等。
因此，業界遂改用大尺寸板面的覆晶封裝基板，如40*40、70*70或其它更厚且大結構之板型，以承載如人工智慧(AI)晶片、高階晶片或堆疊晶片等大尺寸晶片。
如第1A圖所示，該電子裝置1係包括：一電路板18、一設於該電路板18上之封裝基板1a、以及一結合於該封裝基板1a上之半導體晶片19。具體地，如第1B圖所示，該封裝基板1a係包括一核心層10、設於該核心層10上之線 路增層部11、及設於該線路增層部11上之防焊層12a,12b，且令該防焊層12a,12b外露出該線路增層部11最外側之線路層，俾供作為接點(即I/O)11a,11b，以於上側(如第1C圖所示之置晶側)藉由焊錫凸塊13a接置半導體晶片19及於下側(如第1D圖所示之植球側或BGA)藉由焊錫球13b接置電路板18，而製成電子封裝產品。
習知核心層10之製作中，係採用玻纖配合環氧樹酯所組成之基材，如BT(Bismaleimide Triazine)、FR4或FR5等，再於其上進行導通孔製程，如機械鑽孔、雷射鑽孔或雙錐狀盲孔等成孔步驟，再於孔中電鍍形成導電材及填充樹脂(plugin)。再者，線路增層部11之增層方法亦使用ABF種類的材料作為介電層，且該防焊層12a,12b之材質選擇係使用綠漆或油墨等材料。
惟，習知焊錫球13b與接點11b之金屬接觸面僅為單一表面(如該接點11b之頂面)，因而金屬接觸面積極小，致使該焊錫球13b容易於該接點11b之處發生斷裂，甚至因結合力差而發生掉球或脫落之情況(如該焊錫球13”之頂面)。
再者，如第1A圖所示，習知電子裝置1於封裝過程中，當該封裝基板1a係應用於大尺寸時，該封裝基板1a之剛性不足，造成於封裝高溫製程時，因該封裝基板1a於各層間材料之熱膨脹係數(Coefficient of thermal expansion，簡稱CTE)不一致而會發生彎翹(warpage)，導致其與該半導體晶片19之間連接不良(如焊錫材料13’未接合)、或於焊接時，其與該電路板18之間會發生連接不良(如焊錫球13”未接合)，更嚴重者，可能因為應力關係會造成該半導體晶片19本身之電性失效或破裂。
另一方面，若將該核心層10之厚度增加，以增加該封裝基板1a之剛性強度而降低該封裝基板1a之彎翹程度，但卻會產生其它缺點，例如，加厚該核心層10之方式，不符合朝薄型化或微小化的封裝設計之需求。具體地，為了防止該封裝基板1a發生彎翹，進而增加該核心層10的厚度，導致整個該封裝基板1a變厚，不利於基板之製作，且加工成本提高。
因此，如何克服上述習知技術之種種問題，實已成為目前業界亟待克服之難題。
鑑於上述習知技術之缺失，本發明提供一種半導體封裝基板，係包括：線路結構，係具有線路層；防焊結構，係設於該線路結構上，且該防焊結構具有開孔，以令該線路層部分外露於該開孔；以及焊座，係呈杯狀結構，其以電鍍形成並自該線路層外露的表面延伸到該開孔之孔壁上，該焊座的材質與該線路層相同，例如為銅。
本發明亦提供一種半導體封裝基板之製法，係包括：提供一具有線路層之線路結構；形成防焊結構於該線路結構上，且在該防焊結構形成有開孔，以令該線路層部分外露於該開孔；以及形成焊座於該外露的線路層與該開孔之孔壁上。
前述之半導體封裝基板及其製法中，該防焊結構係為單一絕緣層。
前述之製法中，該焊座係呈杯狀結構，其以電鍍形成自該線路層外露的表面並延伸到該開孔之孔壁上，該焊座的材質與該線路層相同，例如為銅。
前述之半導體封裝基板及其製法中，該防焊結構復包括金屬支撐層與包覆該金屬支撐層之絕緣層，該金屬支撐層係以結合材結合該線路結構。
前述之半導體封裝基板及其製法中，復包括設於該焊座上之導電元件。
前述之半導體封裝基板及其製法中，復包括設於該焊座上之導接塊，該導接塊係為一體積小於該開孔的焊錫球。
前述之半導體封裝基板及其製法中，該焊座與線路層的接觸部位係形成有具適當厚度之凸塊底部。
本發明更提供一種電子封裝件，係包括：前述之半導體封裝基板，其中，該線路結構具有相對之第一側與第二側，且該線路層係配置於該第一側與第二側，並使該防焊結構設於該線路結構之第二側上；以及電子元件，係設於該線路結構之第一側上並電性連接該線路結構之第一側之線路層。
本發明又提供一種電子封裝件之製法，係包括：提供一前述之半導體封裝基板，其中，該線路結構具有相對之第一側與第二側，且該線路層係配置於該第一側與第二側，並使該防焊結構設於該線路結構之第二側上；以及設置電子元件於該線路結構之第一側上，且該電子元件電性連接該線路結構之第一側之線路層。
前述之電子封裝件及其製法中，復包括封裝層，係設於該半導體封裝基板上，以結合該電子元件和半導體封裝基板。
前述之電子封裝件及其製法中，該電子元件係以複數導電凸塊設於該線路結構之第一側上。
由上可知，本發明之半導體封裝基板及其製法與電子封裝件及其製法，主要藉由於該外露的線路層與該防焊結構之開孔之孔壁上形成焊座，以增加該導電元件之金屬接觸面積，進而提升導電元件(焊錫球)與焊座間的結合力，故相較於習知技術，本發明能有效避免該導電元件發生斷裂，更能避免發生掉球或脫落之情況。
1‧‧‧電子裝置
1a‧‧‧封裝基板
10‧‧‧核心層
11‧‧‧線路增層部
11a,11b‧‧‧接點
12a,12b‧‧‧防焊層
13a‧‧‧焊錫凸塊
13b,13”‧‧‧焊錫球
13’‧‧‧焊錫材料
18‧‧‧電路板
19‧‧‧半導體晶片
2,3‧‧‧半導體封裝基板
2a‧‧‧線路結構
20‧‧‧核心層
20a‧‧‧第一側
20b‧‧‧第二側
200‧‧‧導電部
21‧‧‧增層部
210‧‧‧介電層
211‧‧‧線路層
212‧‧‧焊墊
22a,22b,32a,32b‧‧‧防焊結構
220‧‧‧開孔
23,36,36’‧‧‧焊座
32‧‧‧絕緣層
320‧‧‧第二開孔
33‧‧‧金屬支撐層
330‧‧‧第一開孔
34‧‧‧結合材
361’‧‧‧凸塊底部
37‧‧‧導接塊
4,4’,4”‧‧‧電子封裝件
40‧‧‧電子元件
400‧‧‧導電凸塊
41‧‧‧封裝層
42‧‧‧導電元件
第1A圖係為習知電子裝置之剖視示意圖。
第1B圖係為習知覆晶式封裝基板之剖視示意圖。
第1C圖係為第1B圖之上視示意圖。
第1D圖係為第1B圖之下視示意圖。
第2A至2B圖係為本發明之半導體封裝基板之第一實施例之製法之剖視示意圖。
第2C圖係為本發明之電子封裝件之第一實施例之剖視示意圖。
第3A至3C圖係為本發明之半導體封裝基板之第二實施例之製法之剖視示意圖。
第3A’圖係為第3A圖之另一方式。
第3C’及3C”圖係為第3C圖之其它態樣。
第3D圖係為本發明之電子封裝件之第二實施例之剖視示意圖。
第3D’圖係為第3D圖之其它態樣。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「第一」、「第二」及「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當視為本發明可實施之範疇。
第2A至2B圖係為本發明之半導體封裝基板2之第一實施例之製法之剖視示意圖。
如第2A圖所示，提供一線路結構2a，該線路結構2a係具有相對之第一側20a與第二側20b，兩側均可用於置放電子元件(如半導體晶片、被動元件等)，且將置放半導體晶片之外接側稱為置晶側，故為了方便以下說明，係將該第一側20a作為置晶側。
於本實施例中，該線路結構2a係具有一核心層20，其內形成有複數導電部200。例如，形成該核心層20之材質係採用含玻纖及有機樹脂之基材，如BT(Bismaleimide Triazine)、FR4或FR5等，亦或採用高剛性無玻纖但含有填充材(filler)(如SiO2)之有機基材，再於其上進行導通孔製程，如機械鑽孔或雷 射鑽孔等成孔步驟，並於孔中形成導電材。或者，於另一實施例中，形成該核心層20之材質係為有機絕緣材，該有機絕緣材可為ABF(Ajinomoto Build-up Film)、有玻纖或無玻纖之預浸材(Prepreg)、鑄模化合物(Molding Compound)，如環氧模壓樹脂(Epoxy Molding Compound，簡稱EMC)形成之核心基材，較佳者，採用高剛性及低熱膨脹係數(CTE)之EMC，此時該導電部200可由單一導電柱體或由複數相互接觸堆疊之導電柱體所組成。
再者，該線路結構2a復包括設於該核心層20上之增層部21，其具有至少一介電層210及複數結合該介電層210之線路層211。例如，該介電層210可為液狀環氧樹脂、膜狀ABF、預浸材、模壓樹脂(EMC)或感光型樹脂形成。應可理解地，有關該線路層211之佈設層數可依需求設計。
又，於該線路結構2a之增層部21上可形成一具有複數開孔220之絕緣層，以作為防焊結構22a,22b，並令該線路結構2a之最外層之線路層211外露於該些開孔220，俾供作為焊墊212。具體地，形成該防焊結構22a,22b之材質可為石墨烯、油墨、綠漆、ABF或非感光型介電材(如EMC)或其它適當材質，並無特別限制。
另外，於其它實施例中，該核心層20可改為矽基材，以令該增層部21設於該矽基材上，使該線路結構2a成為矽中介板(silicon interposer)形式。或者，於其它實施例中，該線路結構2a可為無核心層(coreless)形式。
如第2B圖所示，形成焊座23於該線路結構2a之第二側20b上之焊墊212與該防焊結構22b之開孔220之孔壁上。
於本實施例中，形成該焊座23之材質與該焊墊212之材質係相同，如銅材。例如，以電鍍方式形成於該線路層211外露的焊墊212表面上並延伸到該開孔220之孔壁上。
再者，於後續應用該半導體封裝基板2時，如第2C圖所示之電子封裝件4，可於該線路結構2a之第一側20a之外露焊墊212上設置至少一電子元件40，並形成封裝層41於該線路結構2a之第一側20a上以結合該電子元件40，且於該線路結構2a之第二側20b之焊座23上接置如焊錫球之導電元件42以結合至一電路板(圖略)上。
所述之電子元件40係為主動元件、被動元件或其二者組合，其中，該主動元件係例如半導體晶片，且該被動元件係例如電阻、電容及電感。例如，該電子元件40係為半導體晶片，其藉由複數含焊錫之導電凸塊400以覆晶方式電性連接該些焊墊212。或者，該電子元件40亦可藉由複數焊線(圖略)以打線方式電性連接該焊墊212。然而，有關該電子元件電性連接該半導體封裝基板2之方式不限於上述，且該電子元件亦可設於該線路結構2a之第二側20b上或嵌埋於該增層部21中。
所述之封裝層41可為底膠，其形成於該線路結構2a之第一側20a與該電子元件40之間以包覆該些導電凸塊400。或者，該封裝層41可為壓合製程用之薄膜、模壓製程用之封裝膠體或印刷製程用之膠材等以包覆該電子元件40與該些導電凸塊400，且形成該封裝層41之材質係為聚醯亞胺(PI)、環氧樹脂(epoxy)或模封之封裝材。應可理解地，有關該電子元件40之封裝方式並不限於上述。
所述之導電元件42係形成於該些焊座23上。
於本實施例中，該導電元件42係包含焊錫材料，如焊錫球。
因此，本實施例之半導體封裝基板2之製法係於植球側(該線路結構2a之第二側20b)之焊墊212與防焊結構22b之開孔220之孔壁上鍍覆一層材質與線路層211、焊墊212相同之銅材(即該焊座23)，以於後續封裝植球作業中，該導電元件42(焊錫球)會接觸該焊座23之底面與側壁，因而增加該導電元件42與該焊座23間之金屬接觸面積，進而提升該導電元件42(焊錫球)與該焊座23間的結合力，故相較於習知技術，本發明之導電元件42不會於其與該焊座23的結合之處發生斷裂，更能避免掉球或脫落之情況發生者。
第3A至3C圖係為本發明之半導體封裝基板3之第二實施例之製法之剖視示意圖。本實施例與第一實施例之差異在於防焊結構，其它構造大致相同，故以下僅說明相異處。
如第3A圖所示，於該線路結構2a之第二側20b上藉由結合材34結合一金屬支撐層33，且於該金屬支撐層33上形成複數第一開孔330，並使該些第一開孔330延伸穿過該結合材34，以令該些焊墊212外露於該些第一開孔330。接著，形成一絕緣層32於該焊墊212、該金屬支撐層33上及該第一開孔330中。
於本實施例中，該金屬支撐層33係為鋼板、鎳合金(alloy 42)片體等，且該結合材34係為黏著膠材，而形成該絕緣層32之材質可為石墨烯、油墨、綠漆、ABF或非感光型介電材(如EMC)或其它適當材質，並無特別限制。
再者，該絕緣層32係沿該第一開孔330之側壁佈設。或者，該絕緣層32可填滿該第一開孔330，如第3A’圖所示。
又，該絕緣層32亦形成於該線路結構2a之第一側20a上。
如第3B圖所示，於該線路結構2a之第二側20b上之絕緣層32上形成複數第二開孔320，以令該些焊墊212外露於該些第二開孔320，使該絕緣層32與該金屬支撐層33作為防焊結構32a，且該絕緣層32包覆該金屬支撐層33。
如第3C圖所示，形成焊座36於該線路結構2a之第二側20b上之焊墊212與該防焊結構32b之第二開孔320之孔壁上，以利於增加其與該導電元件42的結合接觸面積，進而有效提升二者的結合力。
於其它實施例中，亦可依需求於該杯狀焊座36上再形成一導接塊37，且形成該導接塊37之材質係例如錫或其它金屬材。具體地，如第3C’圖所示，係於該杯狀焊座36上接置一體積小於該第二開孔320之焊錫球，藉以形成為導接塊37，據此即能有效縮小後續接置的導電元件42的尺寸(請參酌後續第3D圖所示)，以滿足細間距封裝的需求。
於其它實施例中，亦可依需求於該第二開孔320中之焊墊212上先電鍍形成適當厚度(例如可為該第二開孔320的1/2深度)的凸塊底部361’(請詳第3C”圖所示)，然後再繼續延伸電鍍到第二開孔320的剩餘孔壁上，進而形成具有凸塊底部361’的杯狀焊座36’(其材質與該線路層211、焊墊212相同，例如為銅)，據此可以有效縮小後續接置的導電元件42的尺寸(請參酌第3D’圖所示)，以滿足細間距封裝的需求，且能更進一步優化電性品質(藉由電性品質佳的銅材料凸塊底部361’替代部分的錫材料導電元件42)。
另外，於後續應用中，若採用第3C及3C’圖所示之半導體封裝基板3時，將形成如第3D圖所示之電子封裝件4’。具體地，係於該線路結構2a之第一側20a之外露焊墊212上設置該電子元件40，並形成該封裝層41於該第一側20a 上以結合該電子元件40，且於該半導體封裝基板3之第二側20b之具有導接塊37之焊座36上接置該些導電元件42。
另一方面，若採用第3C”圖所示之半導體封裝基板3時，將形成如第3D’圖所示之電子封裝件4”，其中，於該具有凸塊底部361’的焊座36’上接置該些導電元件42。
因此，本實施例之半導體封裝基板3之製法係於植球側(該線路結構2a之第二側20b)之該焊墊212與該防焊結構32b之第二開孔320之孔壁上鍍覆一層銅材(即形成為該杯狀焊座36,36’)，以於後續封裝植球作業中令該導電元件42(焊錫球)接觸該焊座36,36’之底面與側壁，因而增加金屬接觸面積，進而提升該導電元件42(焊錫球)與該焊座36,36’間的結合力。故相較於習知技術，本發明之導電元件42與焊座36,36’間的結合力更加強固，促使該導電元件42不會於其與焊座36,36’的結合之處發生斷裂，更能避免發生掉球或脫落之情況。
再者，藉由將該金屬支撐層33設於該線路結構2a之第二側20b上，以增加該半導體封裝基板3之剛性強度，故相較於習知技術，當該半導體封裝基板3用於大封裝尺寸時，即使薄化該半導體封裝基板3，該半導體封裝基板3仍具有高的剛性，因而於後續封裝高溫製程時或於產品使用時，能避免該電子封裝件4’,4”發生彎翹，進而能避免其與電子元件40或電路板之間發生連接不良之問題。
又，由於該半導體封裝基板3用於大封裝尺寸時，該線路結構2a之增層部21之層數可依需求設計，故該線路結構2a可能產生各種程度之翹曲變化，因而可藉由調整該金屬支撐層33之厚度或該金屬支撐層33之構成材質，即可控制該半導體封裝基板3之剛性。故而無需增加該核心層20的厚度，甚至可降 低該核心層20之厚度或無需配置該核心層20，即能避免該半導體封裝基板3彎翹之問題。
另外，藉由該具有凸塊底部361’(其材質與線路層211、焊墊212相同，例如為銅)之杯狀焊座36’之設計，能有效縮減導電元件42的尺寸與用料，藉以滿足細間距封裝需求，且進而能優化該半導體封裝基板3之電性品質(藉由電性品質佳的銅材料凸塊底部361’替代部分的錫材料導電元件42)。
綜上所述，本發明之半導體封裝基板及藉此封裝完成之電子封裝件，係利用該焊座23,36,36’之設計，以增加該導電元件42與金屬接觸之面積，進而提升該導電元件42(焊錫球)與該焊座23,36,36’間的結合力，故本發明能有效避免該導電元件42於其與焊座23,36,36’的結合之處發生斷裂，更能避免發生掉球或脫落之情況。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
3‧‧‧半導體封裝基板
2a‧‧‧線路結構
20a‧‧‧第一側
20b‧‧‧第二側
212‧‧‧焊墊
32a,32b‧‧‧防焊結構
32‧‧‧絕緣層
320‧‧‧第二開孔
33‧‧‧金屬支撐層
34‧‧‧結合材
36‧‧‧焊座

Claims (18)

  1. 一種半導體封裝基板，係包括：線路結構，係具有線路層；防焊結構，係設於該線路結構上，且該防焊結構具有開孔，以令該線路層部分外露於該開孔；以及焊座，係呈杯狀結構，其以電鍍形成並自該線路層外露的表面延伸到該開孔之孔壁上而未凸出該防焊結構，其中，形成該焊座之材質與形成該線路層之材質相同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體封裝基板，其中，該防焊結構係為單一絕緣層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體封裝基板，其中，該防焊結構復包括金屬支撐層與包覆該金屬支撐層之絕緣層，該金屬支撐層係以結合材結合該線路結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體封裝基板，復包括設於該焊座上之導電元件，其中，該導電元件係為焊錫球。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體封裝基板，復包括設於該焊座上之導接塊，其中，該導接塊係為體積小於該開孔之焊錫球。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體封裝基板，其中，該焊座與該線路層的接觸部位係形成有一具適當厚度之凸塊底部，且該適當厚度係為不大於或大於該開孔之1/2的深度。
  7. 一種電子封裝件，係包括： 如申請專利範圍第1至6項之其中一者所述之半導體封裝基板，其中，該線路結構具有相對之第一側與第二側，且該線路層係配置於該第一側與第二側，並使該防焊結構設於該線路結構之第二側上；以及電子元件，係設於該線路結構之第一側上並電性連接該線路結構之第一側之線路層。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電子封裝件，復包括封裝層，係設於該半導體封裝基板上，以結合該電子元件及半導體封裝基板。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電子封裝件，其中，該電子元件係以複數導電凸塊設於該線路結構之第一側上。
  10. 一種半導體封裝基板之製法，係包括：提供一具有線路層之線路結構；形成防焊結構於該線路結構上，且該防焊結構具有開孔，以令該線路層外露於該開孔；以及形成焊座於該開孔內，該焊座係呈杯狀結構，其以電鍍形成並自該線路層外露的表面延伸到該開孔之孔壁上而未凸出該防焊結構，其中，形成該焊座的材質與形成該線路層之材質相同。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之半導體封裝基板之製法，其中，該防焊結構係為單一絕緣層。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之半導體封裝基板之製法，其中，該防焊結構復包括金屬支撐層與包覆該金屬支撐層之絕緣層，且該金屬支撐層係以結合材結合該線路結構。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之半導體封裝基板之製法，復包括形成導電元件於該焊座上，其中，該導電元件係為焊錫球。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之半導體封裝基板之製法，復包括形成導接塊於該焊座上，其中，該導接塊係為體積小於該開孔之焊錫球。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之半導體封裝基板之製法，其中，該焊座與該線路層的接觸部位係以電鍍形成有一具適當厚度的凸塊底部，且該適當厚度係為不大於或大於該開孔之1/2的深度。
  16. 一種電子封裝件之製法，係包括：提供一如申請專利範圍第1至6項之其中一者所述之半導體封裝基板，其中，該線路結構具有相對之第一側與第二側，且該線路層係配置於該第一側與第二側，並使該防焊結構設於該線路結構之第二側上；以及設置電子元件於該線路結構之第一側上，且該電子元件電性連接該線路結構之第一側之線路層。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電子封裝件之製法，復包括形成封裝層設於該半導體封裝基板上，以結合該電子元件及半導體封裝基板。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之電子封裝件之製法，其中，該電子元件係以複數導電凸塊設於該線路結構之第一側上。
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