TWI811895B - 中介層基板及使用該中介層基板的裝置之製造方法 - Google Patents
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Abstract
為一種適用於電源裝置等之安裝的中介層基板，相對於熱循環的耐久性優良。與具有1處以上的連接部之1個或複數被接合構件重疊之狀態下被接合，與上述被接合構件電性連接的該中介層基板，具備對應於被接合構件之連接部的1個以上之連接區域的基材，在基材之連接區域形成複數貫通孔，成為藉由該些複數貫通孔彼此接近而被形成，構成用以電性連接的成為1單位的區段。在連接區域內，形成1個以上的區段，在貫通孔，於貫通電極和貫通電極之端部形成寬幅的凸塊。而且，貫通電極及凸塊係由金屬粉末燒結體構成，該金屬粉末燒結體係由特定純度及平均粒徑之金等所構成的金屬粉末被燒結而構成。
Description
本發明係關於中介層基板。尤其，關於對將電源裝置等之大輸出的半導體裝置疊層安裝在封裝體系化或用以疊層安裝的安裝技術有效用，相對於裝置之發熱或熱循環所致的熱應力具有耐久性的中介層基板。
為了因應於半導體裝置之小型化、高積體化的需求，作為半導體晶片之安裝技術，利用中介層基板之2.5次元安裝被實用化。在該安裝方法中，經由中介層基板而將半導體晶片或電路基板連接於厚度方向，謀求半導體晶片之高積體化，同時謀求晶片間之訊號的高速傳送。
中介層基板係在矽或玻璃等的基材，於與半導體晶片之凸塊等之連接部對應的位置，形成貫通電極的中間基板。而且，中介層基板之貫通電極係在被形成於基材之貫通孔之內部形成導電體而製造出。作為該貫通電極，已知有藉由鍍敷在貫通孔填充(通孔填充性)銅(Cu)等之導電金屬者，或在孔全體不填充而以導電金屬膜覆蓋孔內面者等。
然而，要求小型化或高積體化的半導體裝置之範圍更進一步地擴大，相對於電源裝置或LED裝置等之大電流、高負載的半導體裝置其需求也變大。近年來，隨著電汽車領域中的EV、PHEV、HEV或該些之急速充電器等的普及，及在能源領域中的太陽能發電系統和大型太陽能系統等的普及，與因背景而增加電源裝置的需求，同時對該些的小型化和高積體化的需求也增加。於是，作為電源裝置等的小型化之對應，可考慮朝利用上述中介層基板的安裝技術的應用。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開2004-342888號公報
[專利文獻2] 日本特開2000-151060號公報
[專利文獻3] 日本特開2000-228566號公報
[發明所欲解決之課題]
但是，上述中介層基板所致的安裝技術，主要應用於記憶體(堆疊記憶體)或伺服器用、圖形用PC等的相對低電流驅動且發熱量少的半導體裝置。而且，針對至此說明的中介層基板能否適用於電源裝置等也有不少負面看法。此係因為電源裝置等的電力轉換、控制用之半導體裝置有以大電流驅動且動作溫度也成為高溫的傾向之故。尤其，預測藉由裝置之驅動的接通、斷開產生的熱循環會對中介層基板產生很大影響。在半導體裝置中，構成半導體晶片等之被接合構件和中介層基板之基材及貫通電極的熱導率或熱膨脹率分別不同。而且，由於因該些不同所引起的熱應力，有在貫通電極產生破損或連接不同之虞。預測在電源裝置等之發熱量大的半導體裝置中，其影響特別大。因此，能夠對應於電源裝置等之中介層基板的是用之報告例至今很少，其安裝方法不得不依賴以往的表面安裝。
因此，本發明之目的係提供針對半導體裝置，尤其係電源裝置等之能動裝置，能夠裝體系化和立體性的疊層安裝的中介層基板，且在高溫下或熱循嚴苛的狀態下耐久性極佳者。再者，也針對適用該中介層基板所致的安裝方法之裝置製造方法予以揭示。
[用以解決課題之手段]
解決上述課題之本發明，為一種中介層基板，其係在與具有1處以上的連接部之1個或複數被接合構件重疊之狀態下被接合，與上述被接合構件電性連接，該中介層基板之特徵在於，上述中介層基板具備基材，該基材具有對應於上述被接合構件之上述連接部的1個以上的連接區域，在上述基材之上述連接區域，形成貫通上述基材之複數貫通孔，成為藉由上述複數貫通孔彼此接近形成，構成上述連接用之成為1單位的區段，在上述連接區域內形成1個以上的上述區段，在上述貫通孔，分別形成貫通上述貫通孔之貫通電極，和在被形成於上述貫通電極之至少一方的端部之剖面形狀成為較上述貫通電極更寬幅的凸塊，上述貫通電極及上述凸塊係從純度99.9質量%以上，平均粒度為0.005μm~2.0μm之金、銀、銅選出的一種以上之金屬粉末被燒結而構成的金屬粉末燒結體。
本發明者等係對藉由半導體裝置之熱循環產生的貫通電極受到的熱應力，藉由兩個手段，抑制其影響而對中介層基板賦予耐久性。作為第1手段，在本發明中，以複數直徑小的貫通電極構成貫通電極。在以往的中介層基板中，因應半導體元件等之被接合構件具備的連接部之構造、面積等而形成1個或複數貫通電極。在本發明中，將以往技術中之上述1個貫通電極稱為電性連接的1單位。在本發明中之中介層基板中，設定複數直徑小的貫通電極，依此構成電性連接的1單位。即是，在以往技術中，雖然以1個貫通電極構成1單位的電性連接，但是本發明中，複數貫通電極構成1單位的電性連接。如此一來，藉由分散貫通電極，分斷熱應力，謀求緩和熱應力的影響。
而且，在本發明中用以提升中介層基板之耐久性的第2手段係貫通電極之構成材料的改良。在以往之中介層基板中，一般以鍍敷等形成貫通電極。藉由鍍敷等形成的金屬為緻密的塊狀且硬質，有由於反覆應力而斷裂之虞。在本發明中，以特定的粒徑、純度之金屬粉末之燒結體形成貫通電極。金屬粉末之燒結體係相對於塊狀金屬使材料構造、組織不同的材料，具有柔軟性，應具有熱循環所致的應力之緩和作用。如此一來，在本發明中，也從貫通電極之構造面，賦予相對於熱循環的耐久性。
以下，針對本發明所涉及之中介層基板之構成及其製造方法，以及適用本發明所涉及之中介層基板之安裝技術予以說明。本發明之中介層基板之基本的構成為基材和被形成在基材之貫通孔及貫通電極以及凸塊。為了容易理解以下之說明，表示圖1及圖2所示之本發明所涉及之中介層基板之一例，和將該中介層基板接合於被接合構件(電源模組等)的狀態之一例。
A 本發明所涉及之中介層基板
(I)接合對象(被接合構件)
本發明所涉及之中介層基板係與1個或複數被接合構件接合而與被接合電性連接。被接合構件為構成半導體裝置之半導體元件、積體電路、電源模組、多晶片模組、電路基板等。在與1個被接合構件的接合中，在中介層基板中之任一面上重疊被接合構件而予以接合。再者，在與2個以上之被接合構件的接合中，在1對被接合構件之間挾持中介層基板而予以接合。此時，成為能夠經由中介層基板而進行被接合構件間之電性連接。再者，即使對中介層基板之單面接合複數被接合構件亦可。
被接合構件具有1個以上的用以進行電性連接的連接部(參照圖1)。連接部係成為被接合構件之半導體元件、積體電路、多晶片模組、用以進行被設定形成在電路基板等的電極、電極墊(凸塊)、配線、端子等之電性連接的導體，其形狀及尺寸不特別限定。
(II)基材
基材係立體性地安裝1個以上之被接合構件之中介層基板之主要的構成構件。基材係在其表面，於與上述被接合構件之連接部對應的位置設定連接區域(參照圖1)。基材上之連接區域，係在安裝時基材和被接合構件重疊之時，成為與被接合構件之連接部重疊(參照圖2)。該連接區域包含1個以上以後述複數貫通孔構成的區段。接合區域係假設性地被設定在基板上的區域，在基材之外觀，無須以視覺性地辨識、掌握的劃線或凹凸等來區劃。該接合區域在中介層基板之設計中，若為用以決定區段(貫通孔、貫通電極)之配置的假設區域即可。
基材之構成材料與以往之中介層基板相同，可舉出具有氧化膜的矽、玻璃、陶瓷、樹脂等。即使基材由單層構成亦可，即使具有疊層複數層的構造亦可。再者，即使在基材中，與第1、第2被接合構件不同，內置被動元件、邏輯電路、類比電路亦可。
(III)貫通孔
在基材之接合區域內，形成複數貫通孔(參照圖1)。在以往之中介層基板中，相對於與被接合構件之連接部電性連接1單位，形成1個貫通孔，對此，在本發明之中介層基板中，藉由被設置在複數直徑小的貫通孔的複數貫通電極，形成電性連接的1單位。如上述般，由於藉由複數貫通電極分散且緩和熱應力之故。在本發明中，將形成該電性連接之1單位的複數貫通孔及貫通電極之集合稱為區段。區段係在基材之接合區域內形成1個以上，對被接合構件之連接部1處，接合1個以上的區段。另外，被形成在1個接合區域內之區段的數量及配置圖案不特別限制，可以任意設定。再者，被形成在1個區段之貫通孔(貫通電極)之數量及配置圖案也能任意設定。
貫通孔之孔徑以10μm以上100μm以下為佳。關於該孔徑，當考慮在以往之一般的中介層基板中之貫通孔之孔徑為200μm以上時，可以說係足夠微細。再者，以1個區段被形成的貫通孔(貫通電極)之數量不特別設定。相對於被接合構件之連接部，可以從成為需要的接合面積和貫通孔之面任意地設定。再者，雖然複數貫通孔彼此接近而形成區段，但是在1個區段中的貫通孔之間隔若較與相鄰的其他區段之距離短時，則不特別限定。
(IV)貫通電極
在上述貫通孔之內部形成貫通電極(參照圖2)。該貫通電極係藉由從純度99.9質量%以上，平均粒度為0.005μm~2.0μm之金、銀、銅選出的一種以上之金屬粉末被燒結而構成的金屬粉末燒結體形成。藉由本發明之金屬粉末燒結體而被形成的貫通電極，係微小的金屬粉末塑性變形同時牢固地結合而形成的成形體，作為電極有效地作用。而且，雖然金屬粉末燒結體比較緻密，但是由於具有微細的氣孔，故可以緩和被負載的應力。依此，當與由完整的塊狀金屬構成的貫通電極比對時，具有相對於熱應力的柔軟性、耐久性。在本發明中，藉由上述複數微小的貫通電極之設定和貫通電極之構造，確保相對於熱應力的耐久性。
將形成金屬粉末燒結體之金屬粉末之純度及粒徑設為上述範圍時，當粉末之純度低時，粉末之硬度變高，燒結體形成時之粉末之變形、再結晶化變得難進行，緻密性下降之故。再者，即使關於粒徑，在粗大粒徑之粉末中，燒結後之緻密性下降。在本發明中之貫通電極雖然係以藉由具有氣孔之多孔質構造緩和應力為目的，但是需要緻密性。當貫通電極之氣孔變粗大，緻密性變差時，不僅導電性下降，也有產生本質的強度不足之虞。為了在確保作為貫通電極而被要求的強度和導電性，同時獲得具有應力緩和作用的金屬粉末燒結體，需要上述金屬粉末的純度和平均粒徑。再者，將作為電極之構成金屬的金屬粉末之金屬種類設為金、銀、銅，該些金屬適合作為電極材料，同時在作為燒結體之時，具有良好的塑性變形能之故。
如同上述般，構成本發明之貫通電極的金屬粉末燒結體，具有用以確保強度同時獲得應力緩和作用之適當的氣孔。作為其具體性的基準，金屬粉末燒結體之氣孔率(空隙率)為7%以上35%以下為佳。該氣孔率係由在任意的剖面中之貫通電極中之氣孔的面積率被定義。其測量係可以藉由對例如貫通電極之任意剖面進行顯微鏡觀察、電子顯微鏡觀察，基於被攝像到的照片測量觀察區域內中之氣孔部分之面積率而獲得。面積率測量可以適當地使用用於畫像解析的軟體。
(V)貫通電極端部之凸塊
而且，在本發明中，在貫通電極之至少一方的端部，具備比貫通電極更寬幅的由金屬粉末梢結體構成的凸塊(參照圖2)。凸塊係用以獲得與作為被接合構件之半導體晶片、積體電路、電源模組、多晶片模組等穩定性的電性連接的連接構件。並且，金屬粉末燒結體係藉由被加壓及加熱而緻密化，具有與一面伴隨著金屬元素之擴散一面接觸的材料接合的作用。即是，凸塊也作為接合中介層基板和被接合構件之接合材料而發揮功能。
凸塊係由上述貫通電極相同的金屬構成的金屬粉末燒結體而構成。因藉由設為與貫通電極相同的金屬，於與被接合構件接合之時，不會產生彼此歪斜(熱應變)之故。而且，構成凸塊之金屬粉末燒結體之金屬粉末之粒徑及純度設為與貫通電極相同。再者，以凸塊之氣孔率與貫通電極之氣孔率相同，為7%以上35%以下為佳。
如後述般，凸塊及貫通電極係藉由燒結包含金屬粉末之金屬膏而形成。在此，為了凸塊形成，能設定的燒結溫度的範圍係以設為低於可以設置用於形成貫通電極的燒結溫度範圍為佳。此為考慮作為凸塊之接合材料的功能之故。在金屬膏之燒結中，藉由將燒結溫度設為高溫，進行金屬粉末彼此之接觸和氣孔之結合、生長。在低溫下的燒結，氣孔不生長而維持微小的狀態。凸塊之接合性，尤其為了確保在比較低溫的接合性，以設為氣孔直徑小，增加金屬粉末彼此之接觸點為佳。於是，將凸塊之燒結溫度設為比較低溫而確保低溫接合性。因此，關於氣孔直徑或金屬粉末之狀態，有凸塊之材料組織和貫通電極之材料組織不同之情形。再者，即使關於凸塊之氣孔率，其較佳範圍也與貫通電極相同，但是依中介層基板之製造方法不同，凸塊之氣孔率和貫通電極之氣孔率有不同之情形。
一面參照圖3一面說明本發明中之凸塊及貫通電極之外觀。凸塊係在與貫通電極接觸的面，需要較貫通電極更寬幅，貫通電極為具有微細氣孔的多孔構造。被接合構件和中介層基板之接合之時，為了使負載均勻地傳達至貫通電極之端面全體等，以將凸塊寬度設為大於貫通電極之端部直徑為佳之故。另外，至此的貫通電極及凸塊之寬度係針對相對於基板之垂直方向之剖面形狀而求出。而且，凸塊之剖面(貫通電極和邊界面中的水平方向的剖面積)係以相對於貫通電極之端部之水平方向的剖面積為1.2倍以上9倍以下為佳。
針對凸塊之垂直方向及水平方向中之形狀不特別限制。在垂直方向剖面中，即使為寬度均勻的四角形狀亦可，即使寬度變動的梯形狀或倒梯形狀或圓弧形狀亦可。再者，雖然平面方向剖面中之形狀為圓形亦可，但是即使為其他形狀亦可。
(VI)區段
藉由聚集複數上述說明的具備貫通孔和凸塊的貫通電極而形成區段。再者，被形成在1個區段之貫通孔(貫通電極)之配置圖案也能任意設定。圖4(a)表示在1個區段中之貫通孔之配置圖案的例。如圖4(a)所示，可以將貫通孔配置成貫通孔之輪廓概略地描繪圓形、多角形等之圖形或線形(直線、曲線、螺旋)。再者，因構成區段之複數貫通電極和凸塊形成電性連接之一單位者，故即使相鄰接的凸塊連結亦可(圖4(b))。
(VII)其他的任意構成
(VII-I)金屬膜
於形成上述凸塊之時，針對基材表面之基材和凸塊接觸的區域，以形成由金屬構成之金屬膜為佳。如同上述般，構成凸塊之金屬粉末燒結體係作為用以接合基材和被接合構件之接合材料而發揮作用。該接合作用係藉由加壓及加熱所致的金屬粉末之接觸和在接觸部之金屬元素的擴散而產生。藉由在基材和凸塊之接觸面形成金屬膜，可以在金屬粉末燒結體和金屬膜之接合界面，產生熱擴散所致的高度的密接，可以提高上述接合作用。再者，金屬膜也有抑制凸塊之構成金屬(金等)朝基板擴散之作用，或在為後述的基底膜之情況，抑制基底膜之構成金屬(鈦等)朝凸塊的擴散之作用。即使考慮該些作用，將由不同的金屬構成的金屬膜形成2層以上而設為金屬膜亦可。
金屬膜為由純度99.9質量%以上之金、銀、銅、鈀、鉑或鎳中之任一者構成者為佳。將金屬膜之金屬純度設為99.9質量%以上，係因純度低的金屬有雜質成為氧化膜而在金屬膜表面擴散阻礙接合之虞之故。金屬膜係以與構成凸塊及貫通電極之金屬粉末之金屬相同材料的金屬為佳。再者，將單層或複數層之金屬膜之厚度設為10nm~1000nm為佳。
金屬膜係以用以確保相對於凸塊之密接性的塊體之金屬構成為佳，藉由鍍敷(電解鍍敷、無電解鍍敷)、濺鍍、蒸鍍、CVD法等形成為佳。另外，雖然金屬膜僅以1層構成亦可，但是即使具有多層構造亦可。例如，即使在基材側形成白金側，在其上方(凸塊側)形成金膜亦可。在設為多層構造之情況，以凸塊側的金屬膜以與構成貫通電極之金屬粉末之金屬相同材質形成為佳。
再者，雖然金屬膜直接被成膜在基材上亦可，但是即使隔著基底膜而被成膜亦可。基底膜係被形成用以提升金屬膜和基板之密接性。作為基底膜，以由鈦、鉻、鎢、鈦鎢合金、鎳構成為佳。基底膜也以藉由鍍敷、濺鍍、蒸鍍、CVD法等形成為佳，以10nm~1000nm之厚度為佳。
若金屬膜及基底膜至少被形成在凸塊和基材之接觸面時即可。如同上述般，金屬膜係用以提高凸塊和基材之接合性之故。但是，即使除去要求電性絕緣之部分，超越凸塊和基材之接觸面而在寬廣範圍形成金屬膜亦可。例如，即使在成為區段之區域內形成金屬膜亦可。再者，即使在貫通孔內之內面形成金屬膜及基底膜亦可。如上述般，有該些金屬薄膜係由濺鍍或CVD法等形成之情事，有朝與凸塊之接觸面成膜之時同時也在貫通孔內面成膜之情事。即使針對在凸塊和基材之接觸面以外的區域，形成金屬膜及基底膜之情況，也設為上述各金屬膜之厚度的範圍內。另外，針對金屬膜或基底膜之厚度，可以藉由顯微鏡觀察(SEM等)確認中介層基板剖面並進行測量。
(VII-2)貫通電極和貫通孔內面之間隙
再者，雖然貫通電極和貫通孔內面密接亦可，但是即使在貫通孔內面和貫通電極之間具有間隙亦可(參照圖3)。藉由間隙，有可以緩和基材和貫通電極之熱膨脹率差所致的影響之情形。具體而言，容許相對於貫通孔之孔徑，具有1/1000以上1/10以下之間隔的間隙。間隙之間隔在貫通孔之長度方向不一定要完全一定，間隔若為上述範圍內即可。另外，此情況的貫通孔內面為貫通孔之內側的最表面，在貫通孔內壁形成金屬膜之情況，金屬膜之表面和貫通電極之間隔必須在上述範圍內。再者，孔徑為貫通孔本身的直徑，在貫通孔內壁形成有金屬膜或基底膜之情況，不包含該些厚度。
B 本發明所涉及之中介層基板之製造方法
接著，針對本發明所涉及之中介層基板之製造方法進行說明。如同至此說明般，本發明所涉及之中介層基板係以針對1個電性連接形成複數貫通電極之點，和將貫通電極及位於其端部之凸塊之構成材料設為金屬粉末之燒結體為特徵。此點，貫通孔之形成方法本身與以往之中介層基板之貫通孔之形成方法相同。即是，在本發明所涉及之中介層基板之製造方法中，在貫通電極及凸塊之形成方法中具有特徵。關於其他工程，基本上與通常的中介層基板相同。
貫通電極之形成工程係於對具有貫通孔的基板塗佈、填充包含金屬粉末之金屬膏之後，使金屬粉末膏乾燥、燒結的工程。再者，即使針對貫通電極之凸塊之形成，於與貫通電極同時或形成貫通電極之後，在貫通電極之端面塗佈金屬膏，使金屬粉末膏乾燥、燒結。在以下之說明中，說明金屬膏之構成，並且說明適用金屬膏之具體性的中介層基板之製造方法。
(1)貫通電極及凸塊形成用之金屬膏之構成
用以形成貫通電極及凸塊之金屬膏由從純度99.9質量%以上，平均粒度為0.005μm~2.0μm之金、銀、銅選出的一種以上之金屬粉末和有機溶劑構成為基本構成。將金屬粉末之純度設為99.9%以上，如上述般，除了考慮設為燒結體之時的變形能或燒結性之外，也考慮導電性之確保。再者，將金屬粉末之平均粒徑設為0.005μm~2.0μm係因為超過2.0μm之粒徑的金屬粉，在填充於微小的貫通孔之時，大的金屬粉末間之距離變大，最終難以確保所需的導電性之故。再者，當金屬粉末間的距離大時，變得難以確保接合強度。另一方面，在未達0.005μm之粒徑之金屬粉末，在糊膏中凝聚而難以分散，再者，燒結時之收縮率變大，難以填充貫通孔。另外，在本發明中，金屬粉末之平均粒徑可以藉由求出雷射衍射/散射法所致的粒徑分佈中的積算值50%粒徑，或者藉由顯微鏡觀察(SEM)觀察複數金屬粉末且以雙軸法測量到的粒徑的平均值而獲得。
作為金屬膏中使用的有機溶劑，以酯醇、松油醇、松油、丁基卡必醇乙酸酯、丁基卡必醇、卡必醇、全氯乙烯(Perchlor)和薄荷醇為佳。該些溶劑係對光阻的攻擊性低，並且即使在相對低溫(未達50℃)下亦能揮發，可以使金屬膏塗佈後之乾燥成為容易。尤其，全氯乙烯能夠在室溫下乾燥，為特佳。
針對金屬膏之金屬粉末和有機溶劑之配合比例，以將金屬粉末設為60以上99質量%以下，將有機溶劑設為1以上20質量%以下而進行配合為佳。設為如此的比例係因為對於防止金屬粉末之凝聚，並且形成電極，可以供給足夠的金屬粉末。該金屬粉末之配合比例對燒結前後之貫通電極之體積差造成影響。上述貫通孔內面和貫通電極之間隙，會影響到金屬膏之金屬粉末之配合比例和燒結條件。為了形成較佳的間隙，金屬粉末之配合比例以70質量%以上98質量%以下為更佳。
另外，在本發明中使用的金屬膏即使包含添加劑亦可。作為該添加劑，具有從丙烯酸樹脂、纖維素樹脂、醇酸樹脂選出的一種以上。例如，作為丙烯酸系樹脂，可以舉出甲基丙烯酸甲酯聚合物，作為纖維素樹脂，可以舉出乙基纖維素，作為醇酸樹脂，可以舉出鄰苯二甲酸酐樹脂。這些添加劑係具有抑制金屬膏中的金屬粉末的凝聚的作用、使金屬膏予以均質者。添加劑之添加量相對於金屬膏以設為2質量%以下的比例為佳。可以一邊維持穩定的凝聚抑制效果，一面將金屬粉含有量設為填充貫通孔足夠的範圍內。
但是，在本發明中使用的金屬膏與基板表面之配線電極、配線圖案形成等廣泛被使用的一般金屬膏不同，不含玻璃料。在金屬膏不混合玻璃溶料係因為形成緻密的貫通電極，同時使電極中不殘留會阻礙再結晶化之雜質之故。另外，因構成金屬膏之有機溶劑或任意被添加的上述添加劑等之金屬粉末以外之成分，在填充後之乾燥、燒結工程中消失，故成為成為玻璃料般的阻礙原因。
(2)適用金屬膏之本發明所涉及之中介層基板之製造方法
在此，針對適用上述金屬膏之中介層基板之製造程序，說明具體性且較佳的兩個態樣。
(2-1)本發明所涉及之中介層基板之製造方法之第1態樣
在該製造過程中，朝基材形成貫通孔(開孔)之後，同時形成貫通電極及凸塊的工程。圖5(a)~(e)係說明該製造過程之概略的圖。在該製程中，一起說明上述金屬膏之較佳的塗佈方法、燒結條件。
(a)朝基材形成貫通孔
針對基材，設定接合區域及區段，在每區段形成複數貫通孔。作為貫通孔之形成方法，與以往之中介層基板相同，可以適用雷射加工、乾蝕刻、濕蝕刻、超音波加工、鑽孔所致的開孔加工、噴砂等。在本發明中，因需要邊使微小的貫通孔接近於由矽或玻璃構成的基板邊形成複數，故以雷射加工、乾蝕刻、濕蝕刻為佳。再者，作為基材，使用矽基材之情況，以形成貫通孔後形成熱氧化膜等之絕緣層為佳。
(b)用以形成凸塊之遮罩圖案形成
於形成貫通孔後，因應所需在基材上形成金屬膜。作為金屬膜之形成方法，可以藉由鍍敷、濺鍍、蒸鍍、CVD法等。另外，在該階段，也有與基板表面一起在貫通孔之內壁形成金屬膜之情況。
在該第1態樣中，進行用以形成凸塊之遮蔽所致的圖案形成。遮罩圖案之作成係感光性膜或光阻等之感光性遮蔽材之塗佈和光蝕刻為佳。
(c)金屬膏之塗佈填充
接著，在基材上塗佈包含上述金屬粉末之金屬膏，在與貫通孔內部及遮罩圖案之凸塊的凹部填充金屬膏。金屬膏之塗佈係以適當的量對基板上供給金屬膏。可以適用通過旋轉塗佈法、網版印刷法、噴墨法等塗佈糊膏的方法，供給適量的金屬膏後用刮刀進行擴散的方法等。再者，為了適當地朝貫通孔填充，即使於供給適當量的金屬膏後，對金屬膏施予特定頻率的機械性振動亦可。在本發明中適用的金屬膏的基本形式是僅將金屬粉末分散在有機溶劑中，流動性較差。因此，為了在貫通孔無間隙地填充金屬膏，以機械性振動的施加為佳。以將施加於金屬膏的機械性振動的頻率設為60Hz~300kHz為佳。藉由在該範圍的振動，可以提升金屬膏之流動性。
作為邊施加機械性振動邊塗佈金屬膏之具體性的手法，以一面在朝基板供給金屬膏之後或同時，一面使以上述頻率振動的刀片(刮刀)接觸於金屬膏，同時塗抹在基板全體為佳。藉由對金屬膏直接施予機械振動，對金屬膏中之金屬粉末施加振動，提升流動性。
並且，在使金屬膏完全侵入至貫通孔內部上，作為更佳的態樣，即使減壓貫通孔亦可。作為貫通孔之減壓方法，以減壓後的腔室內進行塗佈，或減壓基板之背面(塗佈金屬膏之面的相反)為佳，以使成為貫通孔內部成為-10kPa~-90kPa為佳。藉由對上述金屬膏的機械性振動及貫通孔的減壓，可以對貫通孔充分地填充金屬膏。
(d)金屬粉末的燒結
金屬膏之塗佈後考以任意地進行金屬膏之乾燥。當金屬膏之塗佈、填充後立即進行燒結時，藉由有機溶劑發揮所致的急遽氣體產生，產生氣孔，會對燒結體之形狀產生影響。再者，藉由進行一次乾燥，可以暫時固定貫通孔之金屬粉末。在進行乾燥之情況，以乾燥溫度未達80℃為佳，即使在室溫程度亦可。
燒結金屬膏之時的加熱溫度設為80℃以上100℃以下為佳。設為如此的溫度範圍，係因為在未達80℃不進行金屬粉末之燒結，無法形成具有某程度之緻密性的貫通電極及凸塊之故。再者，該第1態樣之燒結工程為同時燒結貫通電極和凸塊的工程。當設為在該燒結工程超過100℃的燒結溫度時，有上述氣孔之生長等產生在成為凸塊之燒結體而使接合性受損。除此之外，高溫之燒結可能會對光阻等的遮罩圖案造成損壞。考慮該些，在第1態樣中，將燒結溫度之上限設為100℃。另外，在該燒結工程中之燒結時間設為10分鐘以上2小時以下為佳。
(e)其他的工程
藉由上述燒結工程燒結且固化金屬粉末，形成貫通電極及凸塊。之後，藉由遮罩圖案之除去，可以成為中介層基板之基本型態。僅在單面形成凸塊之情況，即使針對另一面形成金屬膜亦可。再者，即使針對製造出的中介層基板，進行樹脂等所致的氣密密封處理亦可。
(2-2)本發明所涉及之中介層基板之製造方法之第2態樣
該製造過程為分別進行貫通電極之形成和凸塊之形成的工程。因此，進行兩次金屬膏之燒結工程。圖6(a)~(e)係說明該製造過程之概略的圖。以下說明各工程。
(a)朝基材形成貫通孔
即使在第2態樣，也進行最初朝基材形成貫通孔，和因應所需形成金屬膜。針對貫通孔之形成方法等的較佳工程，與上述第1態樣相同。
(b)金屬膏之塗佈填充和燒結(第1燒結工程)
在該第2製程中，在基材形成貫通孔和因應所需形成絕緣層之後，在基材上塗佈金屬膏，在貫通孔填充金屬膏。再者，在基材上形成金屬膜之情況，於塗佈金屬膏前進行成膜處理。金屬膏之塗佈方法或較佳的具體性條件與上述第1態樣相同。
而且，朝貫通孔填充金屬膏之後，進行用以形成貫通電極的燒結。在該第2態樣中，在貫通電極形成和凸塊形成之各者進行燒結，在此的燒結工程成為第1燒結工程。雖然在該第1燒結工程中之金屬粉末之燒結溫度設為與上述第1態樣相同的溫度範圍(80℃~100℃)亦可，但是亦能在更高溫下進行燒結處理。在第2態樣中，因分別製造貫通電極和凸塊的製程，在第1燒結工程中，僅進行貫通電極之燒結，故無須考慮凸塊之接合性的下降。再者，因在該階段，不會有光阻等所致的遮罩圖案，故無須其損壞。因此，在第1燒結工程中，可以將燒結溫度設為比較高溫。具體而言，可以將燒結溫度設為100℃以上300℃以下。藉由如此地將燒結溫度設為高溫，可以將金屬粉末之燒結進行至更深度，可以形成具有強度的貫通電極。
(c)凸塊形成(遮罩圖案形成和金屬膏填充)
在形成貫通電極之後，在其上方形成凸塊。以與上述第1態樣相同的方式，在形成有貫通電極的基材上以光阻等進行圖案製作之後，塗佈金屬膏。即使在此時的金屬膏塗佈之時，可以進行在減壓下的塗佈或機械性振動的施加。
(d)凸塊之燒結(第2燒結工程)
在遮罩圖案塗佈塗佈金屬膏之後，適當地進行乾燥，為了形成凸塊，進行第2燒結工程。如同至此所述般，在凸塊之燒結，為了確保接合性(低溫接合性)，以在相對低溫下的燒結為佳。因此，該第2燒結工程之燒結溫度與在第1態樣中之凸塊之燒結溫度相同，以設為80℃以上100℃以下為佳。燒結時間設為與第1態樣相同為佳。
(e)其他的工程
藉由上述工程，凸塊之金屬粉末被燒結。之後，藉由遮罩圖案之除去，可以成為中介層基板之基本型態。即使在該態樣，可以進行針對基材之一方之表面的金屬膜形成或氣密密封處理。
C 本發明所涉及之中介層基板所致的半導體裝置之製造方法
上述說明的本發明所涉及之中介層基板適合於將半導體元件、積體電路、多晶片模組、電路基板等設為被接合構件之半導體裝置之製造。即是，該半導體裝置的製造方法係包含藉由將具有1個以上的連接部的1個或複數的被接合構件，與1個以上的中介層基板重疊接合，電性連接上述被接合構件和上述中介層基板之工程的裝置之製造方法，其中，作為上述中介層基板，使用至此所述的中介層基板，重疊並配置中介層基板和上述被接合構件，從一方向或雙方向以1MPa以上且50MPa以下加壓上述中介層基板及/或上述被接合構件，同時在150℃以上且250℃以下加熱而電性連接上述中介層基板和上述被接合構件的工程。
構成本發明所涉及之中介層基板之凸塊的金屬粉末燒結體，係藉由加壓及加熱，依據金屬粉末彼此之接觸和金屬元素之擴散，進行燒結，同時與接觸的材料密接且接合。發現該金屬粉末之燒結和接合在加壓時優先被壓縮的凸塊的外周部特別有效。而且，藉由該接合，在被接合構件之連接部和中介層基板之凸塊之間確立電性連接。
如上述般，接合時之加壓及加熱之條件設為1MPa以上50MPa以下，150℃以上250℃以下。當未達1MPa或未達150℃之時，難以產生金屬粉末燒結體之燒結，密接性較差，有接合強度不足之虞。另一方面，當以超過50MPa或超過250℃，進行加壓、加熱時，在作為被接合構件之半導體元件等，有機械性、熱性損傷之虞。該接合處理所需的時間以設為1分鐘以上60分鐘以下為佳。另外，在上述條件中的加壓力，係被形成在中介層基板上的凸塊，為相對於在接合工程被加壓的所有凸塊的加壓力。即是，為了設定加壓力，成為基準的面積適用被加壓的凸塊之面積的合計面積。
藉由經過上述接合工程，構成凸塊之金屬粉末燒結體充分壓縮變形，中介層基板和被接合構件被接合。即使在該狀態下完成接合亦可，但是為了取得更牢固的接合強度，即使於接合工程後進行加熱凸塊的後熱處理亦可(後燒結)。後燒結主要係以追加性地燒結金屬粉末為目的的處理。藉由該處理，可以使凸塊內之氣孔略消滅而謀求更進一步的緻密化。
進行後燒結之情況的加熱溫度以100℃以上250℃以下為佳。未達100℃時，無法期待燒結及緻密化的進行。因為當超過250℃時，有對裝置造成損傷之虞，同時成為燒結過度進行，凸塊過硬的狀態之故。後燒結之加熱時間以設為10分鐘以上120分鐘以下為佳。後燒結即使在無加壓下進行亦可，即使在加壓下進行亦可。在進行加壓之情況，以設為10MPa以下為佳。
後燒結除了提升凸塊和被接合構件之接合強度之外，有縮短在接合工程中之處理時間的優點。在接合工程中之金屬粉末之燒結用的加熱，需要某程度的時間。雖然在接合工程中，同時進行加壓，但是針對加壓不需要太多的時間。若預定後燒結之實施時，在接合工程中，以加壓為優先，在短時間內進行處理，即使加熱不足也可以彌補此。
經由上述接合方法和作為任意的工程之後燒結，可以牢固地接合中介層基板和被接合構件，同時也可以確立電性連接。
[發明之效果]
如上述說明般，本發明所涉及之中介層基板係藉由設定複數由金屬粉末燒結體構成的直徑小之貫通電極，使熱應力分散、緩和，並提升耐久性。本發明由於可以適用於發熱大的電源裝置等的半導體裝置之安裝。而且，可以謀求基板構成之多層化、元件之配線長度的縮短化，可以有效地發揮半導體元件之電特性。
第1實施型態：以下，說明本發明之最佳實施型態。在本實施型態中，邊準備使用金粉末作為金屬粉末之金屬膏，邊根據上述第2態樣(圖6)，製造出中介層基板。而且，進行使用該中介層基板之半導體晶片之接合強度的評估試驗。
首先，準備Si晶圓(尺寸：4英吋、厚度300 μm)作為基材，以特定的圖案形成貫通孔(參照圖6(a))。在此，如圖7所示，將1區段中之貫通孔設為7個，設為該些輪廓成為6角形的圖案。而且，以7列構成(每1列的區段數：3-4-3-4-3-4-3)形成該區段之處，在兩處形成獨立的1個區段且將該處暫定為接合區域(貫通電極之數量：182根)。貫通孔之形成係以光阻形成圖案而以乾蝕刻進行加工。貫通孔之形狀設為垂直孔，將孔徑設為50μm。於貫通孔形成後，在大氣中對矽基材進行熱處理而形成熱氧化膜。
在形成有貫通孔之矽基材之單面形成基底膜。作為基底膜，藉由濺鍍法，成膜Ti(50nm)，接著成膜金(300nm)之金屬膜(參照圖6(b))。此時，與基材表面，同時也在貫通孔之內壁形成該些金屬膜。
而且，在基材塗佈金屬膏而將金屬膏填充於貫通孔(參照圖6(c))。在本實施型態中，使用將藉由濕式還原法被製造出的純度99.99質量%之金屬粉末(藉由SEM觀察被測量的平均粒徑：0.3μm)，混入至作為有機溶劑的四氯乙烯(產品名：ASAHI PERCHLOR)後的金屬膏(金粉末含有量：90質量%)。金屬膏之塗佈係在基板上滴下上述金屬膏，以頻率200Hz振動的胺甲酸乙酯橡膠製刮刀(刀寬30mm)，將金屬膏塗散在基板全面。再者，在該金屬膏之塗佈工程中，將基板之背面設為減壓氛圍(-10kPa~-90kPa)，使基板塗佈面之糊膏被吸引至貫通孔。在塗佈金屬膏後，以70℃乾燥基板全體1小時，之後，以200℃加熱30分鐘燒結金屬粉末而形成貫通電極。
接著，在貫通電極上形成凸塊。在基材之單面，塗佈光阻(40μm)，之後，對貫通電極周圍進行曝光(以波長405nm之直接描繪曝光機，750mJ/cm
2)，進行顯像而予以開口。此時，使凸塊之直徑成為80μm。該遮蔽處理之後，與貫通電極相同，進行金屬膏塗佈。塗佈方法基本上與上述相同，在減壓至-65kPa之腔室內，使用振動頻率170Hz之刮刀進行塗佈。在將金屬膏填充於成為凸塊之空隙後，與貫通電極之時相同進行乾燥之後，以100℃進行燒結處理1小時(參照圖6(d))。
藉由燒結處理，形成凸塊之後，除去光阻而成為本實施型態所涉及之中介層基板(參照圖6(e))。另外，在本實施型態中，最後對基材之背面，藉由濺鍍法以Ti及Au形成金屬膜。
圖8為在本實施型態製造出的中介層基板之貫通電極及凸塊之剖面組織的SEM照片。再者，在圖9表示放大貫通孔內面和貫通電極之邊界附近的SEM照片。從該些可知貫通電極及凸塊具有持有微細氣孔的材料組織。再者，確認在貫通孔內面和貫通電極之間，具有約0.5μm的間隙。該間隙被認為係以兩次的燒結工程燒結金屬粉末之結果，產生些微收縮所引起之故。並且，針對該貫通電極和凸塊，測量氣孔率。該測量係以畫像解析軟體(名稱ImageJ)對貫通電極及凸塊之照片(倍率5000倍)進行處理，測量氣孔之總面積而進行。其結果，貫通電極之氣孔率為15%，凸塊之氣孔率為11%。在本實施型態中，分別形成貫通電極和凸塊，貫通電極係在230℃之高溫被燒結，凸塊係在100℃之低溫被燒結。根據該燒結溫度之不同，認為氣孔率或氣孔徑不同。
[冷熱循環試驗]
在上述製造出的中介層基板，接合半導體凸塊而製造評估用樣本，評估相對於熱循環負載的耐久性。切斷製造出的中介層基板而製作樣本(參照圖7)，在樣本之凸塊形成面載置半導體晶片(具有Ti/Au金屬膜之Si晶圓：尺寸10mm×10mm)，進行加熱及加壓而將半導體晶片接合於中介層基板。接合條件係將加熱溫度設為250℃，將負載設為3MPa、5MPa、10MPa，製造3種樣本。
製造出的樣本係以熱循環試驗機負載-50℃和150℃之冷熱循環，測量1000循環負載後之接合強度。接合強度係測量表示剪切應力的剪切強度。將樣本設置在剪切強度試驗裝置(黏合強度測試機)，設為剪切速度100μm/sec而測量剪切強度。
圖10表示各樣本之剪切強度測量後之中介層基板及半導體晶片之表面的照片。再者，圖11為剪切強度測量後之中介層基板及半導體晶片之放大照片。從圖10可知隨著接合時的加壓力增大，構成凸塊之金屬粉末朝半導體晶片轉移的料變多。再者，當在圖11參照剪切強度測量後之中介層基板之凸塊之表面形狀，及轉移至半導體晶片側之金屬粉末之形狀時，推定主要在凸塊之外周部分產生接合。
接著，針對上述各樣本(接合負載：3MPa、5MPa、10MPa)，評估中介層基板和半導體晶片之接合強度。在該評估中，如同上述般，考慮中介層基板和半導體晶片之接合主要在凸塊外周部產生，而將從凸塊全體之面積減去中心部分之貫通電極之面積後的凸塊外周面積設為有助於接合的接合面積。而且，將上述凸塊外周面積乘上樣本內之貫通電極之數量(182根)後的面積(0.54mm
2)設為接合面積。中介層基板和半導體晶片之接合強度設為以上述接合面積乘上在剪切強度試驗中之測量值之後的值。
在上述各樣本中，將接合負載設為3MPa、5MPa、10MPa的樣本之測量值亦即剪切強度，和從該剪切試驗被算出的接合強度，分別為6.8N(12.6N/mm
2)、8.0N (14.8N/mm
2)、17.4N(32.2N/mm
2)。關於中介層基板和半導體晶片之接合強度，若為10N/mm
2(10MPa)以上時，可以稱為足夠的接合強度。而且，若將此當作合格基準而進行評估時，可以說各樣本中之任一者皆發揮足夠的接合強度。藉由上述試驗結果，在本實施型態製造出的中介層基板即使接受到熱循環亦可以維持接合強度，確認出具有良好的耐久性。
第2實施型態：在本實施型態中，變更形成貫通電極及凸塊之金屬粉末之金屬種和粒徑，製造金屬膏之後，使與第1實施型態相同，根據第2態樣，製造出中介層基板。金屬膏製造之條件和貫通電極及凸塊之製造條件基本上與第1實施型態相同。但是，針對基底膜之構成適當地變更。於製造中介層基板之後，與第1實施型態相同，進行負載冷熱循環(1000次)之後的接合強度試驗。在該接合強度試驗中，將接合負載設為0.8MPa、1.0MPa、10MPa，測量冷熱循環負載前後之接合強度，將負載後之接合強度為10N/mm
2以上之情況判定為合格。將該試驗結果表示於表1。
從表1，可以確認在從適當的粒徑之金、銀、銅的金屬粉末形成貫通電極及凸塊的中介層基板中，取得良好的接合力和耐久性。在金屬粉末之粒徑超過2.0μm之情況，於冷熱循環之負載後，成為未達10N/mm
2之接合強度，在接合負載低之情況，在冷熱循環負載前(緊接著接合後)之階段，有強度不足者。此考察到當金屬粉末之粒徑過大時，在金屬粉末燒結體之內部產生間隙，由於在接合後也殘存，因此接合部之強度變低之故。另外，針對接合工程之負載，當未達1.0MPa時，即使在一部分獲得接合強度之情況，整體而言有接合強度變低之傾向。為了獲得穩定的接合強度，接合負載必須設為1.0MPa以上。
[產業上之利用可行性]
本發明係適合於半導體裝置之封裝體系化或2.5次元安裝等的疊層安裝的中介層基板，相對於熱循環所致的熱應力的耐久性優良。本發明可以滿足半導體裝置，特別是電源裝置或LED裝置等之大電流、高負載的半導體裝置的小型化、高積體化的要求。依此，期待本發明對使用電源裝置等之汽車領域或能源領域做出的貢獻。
[圖1]為說明本發明所涉及之中介層基板和被接合構件之一例的圖。
[圖2]為將中介層基板接合於被接合構件(電源模組等)之狀態。
[圖3]為本發明所涉及之中介層基板之貫通電極端部之周圍及凸塊之態樣的圖。
[圖4]為本發明所涉及之中介層基板之1個區段中之貫通孔、貫通電極之配置圖案之例及凸塊之其他態樣的圖。
[圖5]為說明本發明所涉及之中介層基板之製造方法之第1態樣之概略的圖。
[圖6]為說明本發明所涉及之中介層基板之製造方法之第2態樣之概略的圖。
[圖7]為在本實施型態製造出的中介層基板之區段及貫通孔之配置圖案的圖。
[圖8]為在本實施型態製造出的中介層基板之貫通電極及凸塊之剖面組織的照片。
[圖9]為在本實施型態製造出的中介層基板之貫通孔內面和貫通電極之邊界附近的放大照片。
[圖10]為冷熱循環試驗後之中介層基板及半導體晶片之表面的照片。
[圖11]為於冷熱循環負載後，測量剪切強度之後的中介層基板及半導體晶片之表面之1區段部分的放大照片。
Claims (8)
- 一種中介層基板，其係在與具有1處以上的連接部之1個或複數被接合構件重疊之狀態下被接合，與上述被接合構件電性連接，該中介層基板之特徵在於，上述中介層基板具備基材，該基材具有對應於上述被接合構件之上述連接部的1個以上的連接區域，在上述基材之上述連接區域，形成貫通上述基材之複數貫通孔，成為藉由上述複數貫通孔彼此接近形成，構成上述連接用之成為1單位的區段，且在上述連接區域內形成1個以上的上述區段，在上述貫通孔，分別形成貫通上述貫通孔之貫通電極，和在被形成於上述貫通電極之至少一方的端部之剖面形狀成為較上述貫通電極更寬幅的凸塊，上述貫通電極及上述凸塊係由金屬粉末燒結體構成，該金屬粉末燒結體係由純度99.9質量%以上，平均粒度為0.005μm~2.0μm之金、銀、銅選出的一種以上之金屬粉末被燒結而構成。
- 如請求項1之中介層基板，其中在基材和凸塊接觸之區域具備由金屬構成的金屬膜，上述金屬膜為由純度99.9質量%以上之金、銀、銅、鈀、鉑或鎳中之任一者構成，上述金屬膜之厚度為10nm以上1000nm以下。
- 如請求項2之中介層基板，其中 進一步在金屬膜和基材之間具備基底膜，上述基底膜係由鈦、鉻、鎢、鈦鎢合金、鎳中之任一者構成，上述基底膜之厚度為10nm以上1000nm以下。
- 如請求項1至3中之任一者之中介層基板，其中於貫通孔內面和貫通電極之間，相對於上述貫通孔之孔徑，具有1/1000以上1/10以下之間隔的間隙。
- 如請求項1至3中之任一者之中介層基板，其中凸塊之剖面積相對於貫通電極之端部之剖面積，為1.2倍以上9倍以下。
- 如請求項1至3中之任一者之中介層基板，其中1個區段係由2個以上20個以下之貫通電極構成，藉由上述2個以上20個以下之貫通電極之配列形成的輪廓成為圓形、多角形、線形。
- 如請求項1至3中之任一者之中介層基板，其中由金屬粉末燒結體構成的貫通電極及凸塊之氣孔率為35%以下。
- 一種裝置之製造方法，其包含藉由具有1個以上的連接部之1個或複數被接合構件，與1個以上的中介層基板重疊並接合，電性連接上述被接合構件和上述中 介層基板之工程，該裝置之製造方法之特徵在於，使用請求項1~請求項7中之任一項記載之中介層基板，作為上述中介層基板，重疊並配置上述中介層基板和上述被接合構件，包含從一方向或雙方向以1MPa以上50MPa以下加壓上述中介層基板及/或上述被接合構件，同時以150℃以上250℃以下進行加熱而電性連接上述中介層基板和上述被接合構件的工程。
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