一種基于鋁基板的三維封裝用垂直互連結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子封裝領(lǐng)域，特別涉及一種基于鋁基板的三維封裝用垂直互連結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在“遵循摩爾定律”和“超越摩爾定律”的驅(qū)動(dòng)下，微電子封裝向著高集成密度、高功率密度、高可靠、低成本的方向發(fā)展。封裝形式從單芯片封裝向三維封裝方向發(fā)展過(guò)程中，對(duì)封裝的結(jié)構(gòu)應(yīng)力匹配、高溫服役性能等提出了較高的要求?？蓾M(mǎn)足未來(lái)三維封裝對(duì)高互連密度、高功率密度、低溫鍵合需求的互連技術(shù)正在引起學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界的重視。
[0003]三維集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化、批量化、高性能的關(guān)鍵技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的二維封裝技術(shù)，三維集成技術(shù)是在空間尺寸、成本、技術(shù)集成和性能等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，具有較高封裝效率。目前開(kāi)發(fā)的三維集成技術(shù)都是以硅晶圓為基礎(chǔ)，主要分為三種:(1)三維片上集成一一三維片上集成是IC技術(shù)的垂直延伸，通過(guò)外延等技在第一層IC層上依次構(gòu)建多層有源半導(dǎo)體器件有源層，是一種均質(zhì)三維系統(tǒng)芯片技術(shù)；(2)含TSV三維IC堆棧一一首先在單一圓片上進(jìn)行加工，然后將這些圓片或IC堆疊成三維結(jié)構(gòu)，并通過(guò)TSV實(shí)現(xiàn)圓片間互連；(3)三維封裝一一通過(guò)將已封裝芯片或裸芯片堆疊成三維結(jié)構(gòu)，并通過(guò)引線(xiàn)鍵合或球柵陣列實(shí)現(xiàn)芯片間的互連。但是三維片上集成技術(shù)處于早期開(kāi)發(fā)階段，面臨較多的技術(shù)挑戰(zhàn)；含TSV的三維IC堆棧技術(shù)面臨著模塊成品率低、基礎(chǔ)設(shè)施昂貴等問(wèn)題。三維封裝技術(shù)是目前最成熟的系統(tǒng)集成技術(shù)，具有成本低、成品率高、可靠性高和研發(fā)周期短的特點(diǎn)。
[0004]目前，三維封裝采用的集成技術(shù)包括引線(xiàn)互連芯片堆疊、BGA堆疊、柔性基板堆疊和超薄封裝堆疊四種。引線(xiàn)互連由于引線(xiàn)的寄生電阻和分布電感，在高頻應(yīng)用中出現(xiàn)的明顯電磁耦合現(xiàn)象將會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生熱機(jī)械損傷、信號(hào)互擾、信號(hào)損失；BGA堆疊封裝焊料金屬過(guò)低的熔點(diǎn)、某些金屬間化合物的性能差異限制了其在高密度封裝領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)焊料凸點(diǎn)互連由于其較高的工藝溫度和較低的流變速率將導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)部殘余應(yīng)力的存在；柔性基板不能滿(mǎn)足高溫服役的性能需求?；诔》庋b堆疊的滿(mǎn)足“低溫鍵合、高溫服役”三維封裝集成技術(shù)逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提出一種基于鋁基板的三維封裝用垂直互連結(jié)構(gòu)及其制備方法，提高了封裝效率和互連密度，采用金屬間化合物垂直互連線(xiàn)，達(dá)到“低溫制備，高溫使用”的目的。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明提供一種基于鋁基板的三維封裝用垂直互連結(jié)構(gòu)，其包括:
至少兩層功能化鋁基板，包括:鋁通柱，鋁半通柱，接地鋁柱，芯片埋置腔，埋鋁接地層以及埋鋁互連線(xiàn)，其中: 所述芯片埋置腔設(shè)置在所述功能化鋁基板的一面，為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)；所述埋鋁接地層的一面連接所述芯片埋置腔的下端，另一面連接所述接地鋁柱；所述鋁通柱貫通所述功能化鋁基板的兩表面，所述鋁半通柱貫通所述功能化鋁基板的設(shè)置有芯片埋置腔的一面；所述埋鋁互連線(xiàn)的兩端分別連接所述鋁通柱和所述鋁半通柱；
埋置芯片，埋置于所述功能化鋁基板的所述芯片埋置腔內(nèi)，所述埋置芯片通過(guò)所述埋鋁接地層與所述接地鋁柱電連接；
薄膜互連線(xiàn)，兩端分別連接所述埋置芯片和所述鋁半通柱；
介質(zhì)層，設(shè)置于所述功能化鋁基板的表面，其包括鋁通柱介質(zhì)層通孔，所述鋁通柱介質(zhì)層通孔貫通所述介質(zhì)層的兩表面；
金屬間化合物垂直互連線(xiàn)，位于所述鋁通柱介質(zhì)層通孔內(nèi)，用于連接相鄰兩層所述功能化鋁基板的所述鋁通柱。
[0007]將鋁基板用于三維封裝技術(shù)領(lǐng)域，具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì):(I)鋁具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能、較低的密度、良好的強(qiáng)度，又是自然界含量最多的金屬元素，使用鋁為三維封裝的主體材料，能顯著降低產(chǎn)品的制備成本；(2)可通過(guò)選擇性陽(yáng)極氧化工藝鋁通柱(TAV)，避免利用半導(dǎo)體工藝制備類(lèi)似TSV通孔，減少工藝復(fù)雜性；(3)互連結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，散熱性能能好，提高系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的可靠性；(4)利用多孔型陽(yáng)極氧化鋁的異性腐蝕性形成較高的工藝異構(gòu)能力，將異質(zhì)芯片和材料進(jìn)行封裝集成。
[0008]較佳地，所述金屬間化合物垂直互連線(xiàn)通過(guò)交替沉積的高溫金屬與低熔點(diǎn)釬料的固液互擴(kuò)散形成。
[0009]較佳地，所述金屬間化合物包括金屬間化合物相和殘余的高溫金屬相；所述高溫金屬相的熔點(diǎn)高于400°C。
[0010]較佳地，所述高溫金屬為Cu、N1、Ag、Au、Pd、Ti中的一種或者多種合金，所述低恪點(diǎn)釬料為Sn、In、SnAg、Snln、SnPb、SnAgCu、InAg中的一種或者多種合金。
[0011]較佳地，所述鋁通柱介質(zhì)層通孔的內(nèi)壁面設(shè)置有粘附層，用于提高所述高溫金屬和通孔內(nèi)避面粘合強(qiáng)度。
[0012]較佳地，所述粘附層的材質(zhì)為N1、T1、Tiff, Ta中的任意一種。
[0013]較佳地，所述介質(zhì)層為熱固性介質(zhì)層；所述熱固性介質(zhì)層的材質(zhì)為環(huán)氧樹(shù)脂或光敏介質(zhì)。
[0014]較佳地，所述介質(zhì)層包括三層，分別為第一介質(zhì)層、第二介質(zhì)層以及第三介質(zhì)層；所述第一介質(zhì)層和所述第二介質(zhì)層依次設(shè)置于所述功能化鋁基板的設(shè)置有埋置芯片的一面，所述第三介質(zhì)層設(shè)置于所述功能化鋁基板的另一面。設(shè)置多層介質(zhì)層起到更好的絕緣作用，且提高了鋁基板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層用于將薄膜互連線(xiàn)埋置在第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層之間，起到絕緣作用；設(shè)置在功能化鋁基板另一面的第三介質(zhì)層用于平衡基板雙面的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力。
[0015]較佳地，所述第一介質(zhì)層的厚度與所述第二介質(zhì)層的厚度之和等于所述第三介質(zhì)層的厚度；所述第一介質(zhì)層和所述第二介質(zhì)層的厚度為5 μπι~20 μπι ;第一介質(zhì)層與第二介質(zhì)層厚度之和與第三介質(zhì)層相同可以確保鋁基板兩側(cè)內(nèi)應(yīng)力的平衡；厚度設(shè)置為5 μ m~20 μ m可以保證介質(zhì)層均勾。
[0016]本發(fā)明還提供一種基于鋁基板的三維封裝用垂直互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟:
511:功能化招基板的制備:提供一雙拋招基板，通過(guò)光刻、陽(yáng)極氧化制備功能化招基板，所述功能化鋁基板包括:鋁通柱，鋁半通柱，接地鋁柱，芯片埋置腔，埋鋁接地層以及埋鋁互連線(xiàn)；
512:埋置芯片的貼裝:在所述功能化鋁基板的被鋁半通柱貫通的一面制備芯片埋置腔，將埋置芯片貼裝在所述芯片埋置腔內(nèi)；
513:薄膜互連線(xiàn)的制備:在所述埋置芯片和所述埋鋁互連線(xiàn)之間制備薄膜互連線(xiàn)，用于實(shí)現(xiàn)所述埋置芯片和所述埋鋁互連線(xiàn)之間的電氣連接；
514:介質(zhì)層的制備:在所述功能化鋁基板的貼裝有埋置芯片的一面制備介質(zhì)層以及鋁通柱介質(zhì)層通孔，所述鋁通柱介質(zhì)層通孔貫通所述介質(zhì)層的兩表面；
515:金屬間化合物的沉積:在介質(zhì)層的表面沉積金屬間化合物，使所述金屬間化合物填滿(mǎn)所述鋁通柱介質(zhì)層通孔，形成單層封裝；
516:三維堆疊垂直互連:將至少兩層所述單層封裝進(jìn)行堆疊，使相鄰兩層所述單層封裝的所述鋁通柱介質(zhì)層通孔對(duì)準(zhǔn)，在預(yù)定的溫度下進(jìn)行介質(zhì)層的完全固化以及金屬間化合物的擴(kuò)散反應(yīng)，形成金屬間化合物垂直互連線(xiàn)，完成三維封裝用垂直互連結(jié)構(gòu)的制備。
[0017]較佳地，所述步驟S15具體為:在所述介質(zhì)層表面交替沉積高溫金屬和低熔點(diǎn)釬料；所述高溫金屬和所述低恪點(diǎn)釬料的單層厚度為0.5 μπι~2 μπι。
[0018]較佳地，所述步驟Sll中芯片埋置腔的制備方法為:利用選擇性腐蝕工藝在功能化鋁基板的表面制備芯片埋置腔；
所述選擇性腐蝕工藝所使用的腐蝕液為質(zhì)量比為6%磷酸和1.8%絡(luò)酸的混合液。采用鋁基濕法腐蝕出的芯片埋置腔的側(cè)壁傾斜角一般大于80°，與芯片形狀具有較好的匹配度。
[0019]較佳地，所述步驟S14進(jìn)一步包括:
5141:第一介質(zhì)層的制備:在功能化鋁基板的貼裝有埋置芯片的一面旋涂、靜置熱固性介質(zhì)，光刻、顯影，形成第一介質(zhì)層；
5142:第二介質(zhì)層和第三介質(zhì)層的制備，在功能化鋁基板的正反兩面旋涂、靜置熱固性介質(zhì)，光刻、顯影，形成第二介質(zhì)層和第三介質(zhì)層；
其中，所述步驟S141位于所述步驟S13之前，所述步驟S142位于所述步驟S13之后。
[0020]較佳地，所述步驟S14和步驟S15之間還包括:
S21:粘附層的制備:在所述介質(zhì)層的表面沉積粘附層，使所述粘附層覆蓋所述介質(zhì)層、所述鋁通柱的表面以及所述鋁通柱介質(zhì)層通孔的內(nèi)壁表面。
[0021 ] 較佳地，所述步驟S15和步驟S16之間還包括:
S31:表面平坦化:對(duì)單層封裝的表面進(jìn)行平坦化，拋光所述介質(zhì)層的表面，使得所述鋁通柱介質(zhì)層通孔內(nèi)的金屬間化合物和拋光后的介質(zhì)層