半导体封装基板微细间距金属凸块和增强结构的制作方法

半导体封装基板微细间距金属凸块和增强结构


背景技术：
技术领域
1.本文所述的实施方案涉及半导体封装，并且更具体地讲，涉及金属凸块和机械增强结构。
2.背景技术
3.小型化是半导体工业中的趋势以驱使小尺寸外型更薄。无芯基板，尤其是具有基于味之素(ajinomoto)堆积膜(abf)的材料的那些基板，已在工业中用于生产没有玻璃织造物增强结构的薄介电层。然而，从机械角度来看，此类薄基板本质上较弱，尤其是由于没有厚的内芯。
4.另外，高级倒装芯片封装基板需要更微细的凸块间距，以便支持更小晶圆节点的技术。在一些具体实施中，由于成品率和工具限制，常规焊垫上焊料(sop)表面修整趋于仅支撑大于100μm的凸块间距。表面安装(smt)金属凸块已被引入工业中以适应更微细的凸块间距，其中该封装基板smt金属凸块用作用于管芯连接的功能通孔着落焊垫。


技术实现要素：

5.本发明描述了用于形成图案化金属基体层的封装基板及其制造方法，该图案化金属基体层包括smt金属凸块阵列、金属围堤结构或它们的组合，其中该图案化金属基体层部分地嵌入堆积结构内并从该堆积结构突出。根据实施方案的smt金属凸块和金属围堤结构可具有特有的直侧壁，该特有的直侧壁用于图案化金属基体层的嵌入该堆积结构中的部分以及用于图案化金属基体层的在与该smt金属凸块或金属围堤结构侧向相邻的该堆积结构的最顶部表面上方延伸的部分。
6.根据实施方案的图案化金属基体层可使用回蚀技术来显现，其中可在形成表面修整层之前或之后执行回蚀操作。
附图说明
7.图1是根据实施方案的包括堆积结构和图案化金属接触层的封装基板的特写横截面侧视图图示，该图案化金属接触层部分地嵌入该堆积结构内并从该堆积结构突出。
8.图2是根据实施方案的各种金属围堤结构的示意性顶视图图示。
9.图3a是根据实施方案的半导体封装件的特写横截面侧视图图示，该半导体封装件包括安装在封装基板上的器件，该封装基板是利用回蚀之后表面修整技术制造的。
10.图3b是根据实施方案的半导体封装件的特写横截面侧视图图示，该半导体封装件包括安装在封装基板上的器件，该封装基板是利用回蚀之前表面修整技术制造的。
11.图4是根据实施方案的示出利用回蚀之后表面修整技术以及回蚀之前表面修整技术制造封装基板的方法的流程图。
12.图5a至图5g是根据实施方案的回蚀之后表面修整制造顺序的示意性横截面侧视
图图示。
13.图6a至图6g是根据实施方案的回蚀之前表面修整制造顺序的示意性横截面侧视图图示。
14.图7a至图7c是根据实施方案的根据回蚀之后表面修整制造顺序制造的smt金属凸块的示意性横截面侧视图图示。
15.图8a至图8c是根据实施方案的根据回蚀之前表面修整制造顺序制造的smt金属凸块的示意性横截面侧视图图示。
16.图9a至图9b是根据实施方案的封装基板变型的特写横截面侧视图图示，该封装基板变型包括在smt金属凸块阵列上方突出的金属围堤结构。
17.图10a至图10g是根据实施方案的用于形成图9a的结构的回蚀之后表面修整制造顺序的示意性横截面侧视图图示。
18.图11a至图11g是根据实施方案的用于形成图9b的结构的回蚀之后表面修整制造顺序的示意性横截面侧视图图示。
19.图12a至图12b是根据实施方案的封装基板变型的特写横截面侧视图图示，该封装基板变型包括在smt金属凸块阵列与金属围堤结构之间的堆积结构中形成的沟槽。
20.图13a至图13f是根据实施方案的用于形成图12a的结构的回蚀之后表面修整制造顺序的示意性横截面侧视图图示。
21.图14a至图14f是根据实施方案的用于形成图12b的结构的回蚀之后表面修整制造顺序的示意性横截面侧视图图示。
具体实施方式
22.实施方案描述了半导体封装基板处理顺序和结构，其中可同时形成表面安装(smt)金属凸块和增强结构以实现微细凸块间距和结构增强两者。
23.已经观察到，smt金属凸块技术面临实现精确且稳固的凸块直径和高度的挑战，特别是对于在多芯片模块(mcm)中应用具有大尺寸的多个管芯的情况。使用处理顺序来制造根据实施方案的smt金属凸块结构，在该处理顺序中在蚀刻(减薄)封装基板堆积结构之后显现smt金属凸块(在本文中还简称为金属凸块)。根据实施方案，该金属凸块可通过平版印刷工艺形成，该平版印刷工艺导致该金属凸块嵌入介电层中，诸如用于封装基板堆积结构的顶部介电层(包封)。例如，这可以是无芯基板。之后进行金属晶种蚀刻，该蚀刻不侵蚀金属凸块(焊垫)侧壁并将焊垫尺寸保持为设计值。另外，不需要另外的镀铜后处理。可将各种表面光修与金属凸块的形成结合在一起，诸如化学镀镍钯浸金(enepig)、有机可焊性保护剂(osp)等。
24.已经观察到，由于在管芯拐角处的通孔或迹线开裂，在热循环、下落测试等期间，在薄封装基板(诸如无芯基板)中可能发生电子故障。还观察到，管芯拐角周围的管芯底层填料体积可能不一致。根据实施方案的增强结构可在指定位置处机械地增强封装基板以抵抗机械应力以及抵抗苛刻条件下的制造和可靠性问题。此外，该增强结构可将底层填料材料流限制在指定位置并保持形状(例如，圆角)。例如，该增强结构可在管芯拐角处保持足够的底层填料材料以覆盖该管芯硅厚度的至少50％。该增强结构可另外被设计成通过各种类型的表面修整或后处理(例如，ni/au、ni、晶粒尺寸和金属有机涂层)来适应不同类型的底
层填料材料。另外重要的是，该增强结构可与smt金属凸块图案同时形成，从而提供用于微细间距管芯附接和封装基板增强的集成方法和结构。
25.在各种实施方案中，参照附图来进行描述。然而，可在不具有这些特定细节中的一者或多者的情况下或与其他已知的方法和构造组合地实践某些实施方案。在以下的描述中，示出许多具体细节诸如特定构型、尺寸和工艺等，以提供对实施方案的透彻理解。在其他情况下，未对熟知的半导体工艺和制造技术进行特别详细地描述，以免不必要地模糊实施方案。整个说明书中所提到的“一个实施方案”是指结合实施方案所描述的特定特征、结构、构造或特性被包括在至少一个实施方案中。因此，整个说明书中多处出现短语“在一个实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，特定特征、结构、构造或特性可以任何适当的方式组合在一个或多个实施方案中。
26.本文所使用的术语“在...之上”、“在...上方”、“至”、“在...之间”、“跨越”和“在...上”可指一层相对于其他层的相对位置。一层相对于另一层来说为“在...之上”、“在...上方”、“跨越”或“在...上”或者键合“至”另一层或者与另一层“接触”可为直接与其他层接触或可具有一个或多个居间层。一层在多层“之间”可为直接与该多层接触或可具有一个或多个居间层。
27.现在参考图1，提供了封装基板100的特写横截面侧视图图示，该封装基板包括堆积结构110，以及部分地嵌入该堆积结构110内并从该堆积结构突出的图案化金属接触层120。应当理解，图1的该图示仅为示出若干相关特征的封装基板100的一部分。如图所示，图案化金属接触层120包括着落区域123a、123b等中的表面安装(smt)金属凸块122的阵列。根据实施方案的smt金属凸块122可用作着落焊垫，并且其尺寸和间隔的设定取决于要安装的器件结构。例如，着落区域123a中的smt金属凸块122的尺寸可被设定用于接收芯片(或管芯)诸如soc芯片。着落区域123b中的smt金属凸块122可更大并且尺寸可被设定用于接收芯片级封装件(csp)。图案化金属接触层120可另外包括支撑区域125中的金属围堤结构124。该金属围堤结构124可与着落区域123a、123b中的smt金属凸块122侧向相邻地形成。
28.堆积结构110可包括一个或多个介电层114和金属布线层114。通孔116可用于连接金属布线层114。通孔116可另外用于将金属布线层114连接到stm金属凸块122和封装基板100背侧上的接触焊垫118。例如，接触焊垫118可用于接收焊料凸块(例如，球栅阵列)以用于安装到电路板上。仍然参考图1，堆积结构110可包括金属化层120嵌入其内的顶部介电层115。另选地，该金属化层可嵌入堆积结构110的多个层内。
29.可使用薄膜处理技术形成根据实施方案的堆积结构110。例如，该堆积结构100可使用半加成abf工艺来形成，该工艺包括abf树脂的层压和固化步骤、激光通孔开口形成、以及镀铜，以形成通孔116和金属布线层114。根据实施方案，介电层112、115可以是非玻璃增强有机材料。此外，该封装基板100可为无芯基板。根据实施方案的金属围堤结构124可向封装基板100提供结构完整性，而不需要来自芯或玻璃增强结构的附加机械支撑。然而，根据实施方案的金属围堤结构124不排除结合芯或玻璃增强结构。
30.现在参见图2，提供了根据实施方案的各种金属围堤结构的示意性顶视图图示。在实施方案中，金属围堤结构124包括平行于安装在smt金属凸块122阵列上的器件200的边缘202延伸的多条平行金属线124a。在实施方案中，金属围堤结构124包括与安装在smt金属凸块阵列上的器件200的拐角相邻的重复几何形状124b的阵列或金属平面124c。在实施方案
中，金属围堤结构124可侧向地围绕(例如，完全侧向地围绕)芯片安装区域125中的smt金属凸块122阵列。多种金属围堤结构是可能的。
31.在一个方面，金属围堤结构124可由于弯曲和热循环而为封装基板100提供机械完整性，并且附加的金属围堤结构可起到容纳用于安装在封装基板上的器件(例如，芯片、csp)的底层填料材料的作用。例如，金属线124a可用作加强筋。也可在器件(例如，芯片、csp)拐角的阴影处定制金属围堤结构，诸如蜂巢状结构、金属平面、栅格等。具体地讲，已观察到应力可集中在安装的器件(例如，芯片、csp)拐角处，从而导致迹线开裂。在图2所示的具体实施方案中，金属围堤结构124位于安装的器件200拐角的正下方。
32.该金属围堤结构124和安装的器件200布置的特征还可在于各种排除区(koz1、koz2、koz3)。例如，金属线124a可被放置成与由koz1限定的已安装器件200边缘202相距一定侧向距离。该金属围堤结构124的远侧边缘可由koz2限定。另外，在最靠近最近的smt金属凸块122的已安装器件200下方侵入金属围堤结构124可限定koz3。例如，该距离在分配侧可小于800μm。在已安装的器件200拐角下方遮蔽金属围堤结构124可有助于保持底层填料材料和/或在这些高应力区域处提供更致密的机械支撑结构。
33.通过整合各种表面修整层或后处理，可另外设计金属围堤结构的表面能以适应不同类型的底层填料材料。在一些实施方案中，对于smt金属凸块122和金属阻挡结构124两者，图案化金属接触层120可包括相同的块体金属层和在该块体金属层上方的相同表面修整层。使用根据实施方案的回蚀制造技术，smt金属凸块和金属围堤结构124均可具有特有的直侧壁，该特有的直侧壁用于嵌入堆积结构中的部分以及用于在侧向相邻的堆积结构的最顶部表面117上方延伸的部分。该smt金属凸块和金属围堤结构124的最终结构特征可取决于在表面修整之前还是之后执行回蚀。还可以添加附加结构，包括在smt金属凸块阵列与金属围堤结构之间的堆积结构中形成沟槽，以及升高该金属围堤结构使得其在smt金属凸块阵列上方突出。
34.图3a是根据实施方案的半导体封装件的特写横截面侧视图图示，该半导体封装件包括安装在封装基板上的器件200，该封装基板是利用回蚀之后表面修整技术制造的。图3b是根据实施方案的半导体封装件的特写横截面侧视图图示，该半导体封装件包括安装在封装基板上的器件200，该封装基板是利用回蚀之前表面修整技术制造的。参见图3a至图3b两者，包括接触件212(例如，螺柱、焊垫等)的器件200安装在smt金属凸块122上，并且用底层填料材料210进行底层填充。器件200可使用例如焊料凸块214来接合。金属围堤结构124可用于将底层填料材料210保持在器件边缘下方并沿着器件边缘保持，并且可防止底层填料材料210跨封装基板的表面进一步扩散。在实施方案中，底层填料材料沿着器件边缘芯吸，使得沿着器件边缘的底层填料高度(t
h
)覆盖器件200厚度(t
t
)的至少50％，例如硅管芯厚度的至少50％。
35.根据实施方案的图案化金属接触层120可以是多层结构。如图所示，图案化金属接触层120可包括块体金属层142(例如，铜)和该块体金属层142上方的表面修整层144。表面修整层也可以是多层结构。所示的具体实施方案示出了enepig结构，该enepig结构包括化学镀镍层146、以及化学镀钯浸金层148。根据实施方案，每个smt金属凸块122包括直侧壁132，该直侧壁用于smt金属凸块的嵌入堆积结构中的部分132a，以及用于smt金属凸块的在与smt金属凸块122侧向相邻的堆积结构的最顶部表面117上方延伸的部分132b。类似地，每
个金属围堤结构124包括直侧壁134，该直侧壁用于金属围堤结构124的嵌入堆积结构中的部分134a，以及用于该金属围堤结构的在与该金属围堤结构124侧向相邻的堆积结构的最顶部表面117上方延伸的部分134b。
36.现在具体参见图3a，对于smt金属凸块122和金属围堤结构124两者，块体金属层142的顶部表面143在恰好侧向相邻的堆积结构的最顶部表面117上方延伸。另外，对于smt金属凸块122和金属围堤结构124两者，直侧壁132、134由块体金属层142限定，并且表面修整层144分别覆盖块体金属层142的顶部表面146以及smt金属凸块122和金属围堤结构124的部分132b、134b的直侧壁132、134两者，该部分132b、134b在堆积结构的恰好侧向相邻的最顶部表面117上方延伸。这样，块体金属层142(例如，铜)被堆积结构和表面修整层144完全包封。
37.现在具体参见图3b，每个smt金属凸块122和每个金属围堤结构124的直侧壁132、134跨越块体金属层142和表面修整层144。如图所示，每个smt金属凸块122和每个金属围堤结构124的块体金属层142完全嵌入堆积结构中并被表面修整层144覆盖。另外，用于每个smt金属凸块122和每个金属围堤结构124的每个表面修整层144部分地嵌入堆积结构中，并且部分地在恰好侧向相邻的堆积结构的最顶部表面117上方延伸。例如，这可具有镍层146。
38.仍然参见图3a至图3b，根据实施方案，底层填料材料210可从器件200向外延伸或溢料(flash)，并且覆盖相邻金属围堤结构124中的一些但不是全部。这样，可使用多个金属围堤结构124诸如平行线或重复的几何图案来支撑彼此。另外，多个金属围堤结构124可用于提供机械支撑而不是用于容纳底层填料材料210。另外，该金属围堤结构124可位于器件200的阴影中，使得它们至少部分地位于器件200的侧边缘或(一个或多个)拐角下方(和内部)。
39.图4是根据实施方案的示出利用回蚀之后表面修整技术以及回蚀之前表面修整技术制造封装基板的方法的流程图。图5a至图5g是根据实施方案的回蚀之后表面修整制造顺序的示意性横截面侧视图图示。图6a至图6g是根据实施方案的回蚀之前表面修整制造顺序的示意性横截面侧视图图示。为了清楚、简洁起见，同时描述图4的流程图与图5a至图5g和图6a至图6g所示的顺序。
40.在操作4010处，在承载基板300上形成图案化金属基体层305。例如，该图案化金属基体层305可包括块体金属层142和阻挡层150。如图5a至图5b和6a至图6b所示，这可通过在承载基板300上形成晶种层302(例如，铜)然后形成干膜光致抗蚀剂310并电镀阻挡层150和块体金属层142来实现。在实施方案中，阻挡层150可由在移除晶种层302期间用作蚀刻阻挡件的材料形成。阻挡层150还是有利于回蚀技术的临时层。如图所示，阻挡层150和块体金属层142的总高度可小于干膜光致抗蚀剂310的总厚度以控制smt金属凸块高度。然而，也可进行后续平面化操作。现在参见附图5c和图6c，移除干膜光致抗蚀剂310，并且在操作4020处，在图案化金属基体层305上形成堆积结构。在所示的具体实施方案中，仅示出了堆积结构的单个顶部介电层115，但是可以形成图1的完整堆积结构。在该阶段，该图案化金属基体层305嵌入该堆积结构(例如，顶部介电层115)中。
41.现在参见图5d至图5e和图6d至图6e，在操作4030处，移除载体基板300和晶种层302。阻挡层150可在移除铜晶种层302期间保护铜块体金属层142。然后移除阻挡层150，从而在堆积结构中产生开口151或凹陷部。在该阶段，块体金属层142凹陷到堆积结构内部。
42.块体金属层142的厚度可取决于特定处理顺序。例如，在图5a至图5g所示的顺序中，阻挡层150可具有用作蚀刻阻挡件所需的最小厚度。在图6a至图6g所示的顺序中，然而，阻挡层150可以更厚，并且移除阻挡层可以在块体金属层142上方的堆积结构中留下足以形成表面修整层144的凹陷部。同样，块体金属层142的相对厚度可取决于该处理顺序。
43.在图5f所示的回蚀之后表面修整制造顺序中，在操作4050处减小堆积结构(例如，顶部介电层115)的厚度，使得块体金属层142的顶部表面143从堆积结构突出(例如，在该堆积结构的最顶部表面117上方)。在一个实施方案中，回蚀是等离子干蚀刻或湿化学蚀刻技术。例如，这可包括cf4化学反应或化学机械抛光(cmp)。然后可以在操作4052处在暴露的块体金属层142上形成表面修整层144，如图5g所示。
44.在图6g所示的回蚀之前表面修整制造顺序中，然后在块体金属层142上形成表面修整层144，该暴露的块体金属层位于堆积结构中因移除阻挡层150而产生的开口151(凹陷部)内。在实施方案中，表面修整层144完全包含有开口151以便控制形状和高度。在操作4062处减小堆积结构(例如，顶部介电层115)的厚度，使得表面修整层144的顶部表面149从该堆积结构突出，并且块体金属层142的顶部表面143嵌入该堆积结构中，如图6g所示。在一个实施方案中，回蚀是等离子干蚀刻或湿化学蚀刻技术。例如，这可包括cf4等离子体化学反应或cmp。
45.对于回蚀之后表面修整制造顺序和回蚀之前表面修整制造顺序两者，晶种层302蚀刻操作不侵蚀块体金属层142的侧壁，或者就此而言，该块体金属层内的侧壁将成为堆积结构(例如，顶部介电层115)中的凹陷部或开口151。这将焊垫尺寸保持为根据两个顺序的设计值。
46.图7a至图7c是根据实施方案的根据回蚀之后表面修整制造顺序制造的smt金属凸块122的示意性横截面侧视图图示。图8a至图8c是根据实施方案的根据回蚀之前表面修整制造顺序制造的smt金属凸块122的示意性横截面侧视图图示。
47.参见图7a，该结构示出了在操作4040处在移除阻挡层150之后形成的开口151。还示出了块体金属层142与形成于一个或多个介电层115、112中的通孔116之间的电连接和物理连接。图7b示出了在操作4050处在回蚀之后在堆积结构的最顶部表面117上方凸起的块体金属层142顶部表面143。图7c示出了在操作4052处形成表面修整层144，该表面修整层还可包封该块体金属层142以提供化学保护。金属围堤结构124可被类似地处理，具有类似的物理布置。
48.参见图8a，该结构示出了在操作4040处在移除阻挡层150之后形成的开口151。需注意的是，该块体金属层142比图7a中的薄，并且凹陷部或开口151更深。还示出了块体金属层142与形成于一个或多个介电层115、112中的通孔116之间的电连接和物理连接。图8b示出了在操作4060处形成表面修整层144。如图所示，开口151可未被完全填充。这可有助于保持smt金属凸块122的相同尺寸。图8c示出了在操作4062处在回蚀之后的smt金属凸块122。如图所示，表面修整层144再次包封块体金属层142以提供化学保护。金属围堤结构124可被类似地处理，具有类似的物理布置。
49.现在参见图9a至图9b，提供了根据实施方案的封装基板变型的特写横截面侧视图图示，该封装基板变型包括在smt金属凸块阵列上方突出的金属围堤结构。图9a是根据实施方案的使用回蚀之后表面修整制造顺序(诸如图10a至图10g所提供的)来制造的。图9b是根
据实施方案的使用回蚀之前表面修整制造顺序(诸如图11a至图11g所提供的)来制造的。该封装基板变型和处理顺序变型与已经参照图1至图8c示出和描述的结构和处理顺序具有相似之处。因此，为了清楚和简洁起见，以下描述集中于特定变型而不是共享的特征和过程。
50.参见图9a和图9b，金属围堤结构124被示出为在smt金属凸块122的阵列上方突出。此外，该堆积结构、或更具体地为顶部介电层115突出到金属围堤结构124的内部部分中。此处，位于金属围堤结构124内的堆积结构的顶部表面119高于恰好侧向地与金属围堤结构124相邻并且也恰好侧向地与smt金属凸块122相邻的堆积结构的最顶部表面117。在两个结构中，金属围堤结构124可具有嵌入堆积结构中的特有的倒置的u形或马蹄形状。
51.现在参见附图10a至图10b和图11a至图11b，该处理顺序以类似于先前关于图5a和图6a所示和所述的方式开始，包括在载体基板300上形成晶种层302。然后在晶种层302之上形成图案化围堤层304。在一个实施方案中，围堤层304是导电层，并且可以是金属层。例如，围堤层304为镀铜层。可通过以下方式形成围堤层304：形成其中示出了开口306的图案化抗蚀剂层，之后进行电镀，然后剥离抗蚀剂层以形成围堤层304和开口306。图10c至图10g和图11c至图11g中的处理顺序然后可分别与先前关于图5b至图5g和图6b至图6g所示所述和所示的那些类似地继续进行。
52.图12a至图12b是根据实施方案的另一封装基板变型的特写横截面侧视图图示，该封装基板变型包括在smt金属凸块阵列与金属围堤结构之间的堆积结构中形成的沟槽。图12a是根据实施方案的使用回蚀之后表面修整制造顺序(诸如图13a至图13f所提供的)来制造的。图12b是根据实施方案的使用回蚀之前表面修整制造顺序(诸如图14a至图14f所提供的)来制造的。该封装基板变型和处理顺序变型与已经参照图1至图8c示出和描述的结构和处理顺序具有相似之处，因此，为了清楚和简洁起见，以下描述集中于特定变型而不是共享的特征和过程。
53.参见图12a和图12b两者，沟槽160形成在smt金属凸块122阵列与金属围堤结构124之间的堆积结构(例如，顶部介电层115)中。沟槽160可具有底部表面162，该底部表面在smt金属凸块122阵列和金属围堤结构124的可由块体金属层142限定的底部表面141下方。沟槽160可完全围绕着落区域123a、123b或仅围绕着落区域的一部分。
54.现在参见图13a至图13b和图14a至图14b，该处理顺序以类似于先前关于图5a至图5e和图6a至图6e所示和所述的方式开始。然后可在块体金属层142中的仿真金属结构145之上形成掩模层320(例如，抗蚀剂)，如图13c和图14c所示，然后进行蚀刻以移除仿真金属结构145，如图13d和图14d所示，该图13d和图14d也示出了掩模层320的移除。图13e至图13f和图14e至图14f中的处理顺序然后可分别与先前关于图5f至图5g和图6f至图6g所示所述和所示的那些类似地继续进行。需注意的是，在回蚀顺序期间，沟槽160的底部表面162也被回蚀，使得它们降低到块体金属层142的底部表面下方，并且因此降低到smt金属凸块122阵列和金属围堤结构124的底部表面141下方。
55.应当理解，虽然已经单独地描述和示出了根据实施方案的各种结构变型和处理顺序，但是可以将该结构和处理顺序中的许多结构和顺序进行组合。在利用实施方案的各个方面中，对本领域技术人员显而易见的是，上述实施方案的组合或变型对于形成封装基板内的smt金属凸块和增强结构是可能的。尽管以特定于结构特征和/或方法行为的语言对实施方案进行了描述，但应当理解，所附权利要求并不一定限于所描述的特定特征或行为。所
公开的特定特征和行为相反应当被理解为用于进行例示的权利要求的实施方案。