专利名称：无机中介片上的贯通封装过孔(tpv)结构及其加工方法
CN 102947931 A书明说1/11 页无机中介片上的贯通封装过孔(TPV)结构及其加工方法
对相关申请的交叉引用
依据美国法典第119(e)，本发明要求2010年3月3日提交的第61/309，952号，名称为“玻璃中介片上的新型贯通封装过孔(TPV)结构及其加工方法”的美国临时申请的权益，现将该申请以全文叙述的方式并入本申请。技术领域
本发明提出的系统基本涉及中介片(interposer)。
背景技术：
半导体封装电路中使用的基底提供了一带有一机械基座支撑以及一用于将外部通信接入容纳于该封装内的各种设备的电气接口的微电子封装。中介片是一通常用作在各封装或各集成电路(IC)之间提供互连布线的电源面或接地面的中间层。有时，术语“基底” 以及“中介片”指代的是同一个东西。一三维中介片，或“3D中介片”，是各IC和安装有这些IC的电路板或是基底之间的互连。当用在涉及IC的应用中时，借助多个小节距贯通硅过孔(TSV)以及多个贯通封装过孔(TPV)中介片可以在各3D IC之间提供极宽的带宽。TSV 是完全贯通硅晶圆或晶粒的竖直电连接路径，而TPV，·或通常被称为贯通过孔则是多个封装之间的竖直电连接或是完全贯通一个或多个封装的电连接。
在3D封装以及3D IC的形成中，TPV是重要的组件。在形成3D封装(例如，系统级封装、芯片堆栈多芯片模块)时，TPV为设计者提供了替换边沿配线的手段。通过使用TPV， 3D封装或3D IC的设计者可减小IC或封装的尺寸，例如，小型化。这是通过减小的或消除的边沿配线需要以及可在双侧安装逻辑和存储两种主动电路的能力而提供的。使用TPV还可有助于减小板上的被动器件的尺寸。这些好处还提供了为晶圆级的封装延伸出更多的I/ O的手段，从而可作为晶圆级的扇出技术的替代。
中介片的一些要求是1)在极细节距时仍具有良好的尺寸稳定性；2)与基底和晶粒相匹配的良好的热膨胀系数(“CTE”);3)从IC到板的良好的热路径；以及4)允许嵌入的被动器件以高品质因数集成
发明内容
概述
概要的讲，本发明使用了一种贯通封装过孔的应力缓解壁垒，或缓冲层，其提供了对热膨胀以及热收缩的应力缓解壁垒以及改善的金属化能力。应力缓解壁垒有助于减小由于不同的CTE而产生的应力的影响，同时，在一些应用中还促进了金属层与中介片的粘合。 这有助于增加可靠性同时还可允许更小型化的设计。
在本发明的一不例性实施例中,在一玻璃中介片材料上沉积了一应力缓冲层。该应力缓冲层还被设计为将在后续增加的金属化层的粘合促进层。该应力缓冲层的材料可变换但优选具有相对高的结构稳定性、体现低损耗属性，并且具有相对低的介电常数，例如低 K。在一些例子中，具有该一种或多种特性的该应力缓冲层不仅有助于减小热应力的影响， 还可允许高品质因数的RF集成，该特点在更高I/O数量的应用中变得日益重要。在一些实4施例中，应力缓冲层是使用一真空加热装置施加的聚合物。在进一步的例子中，该聚合物是铜包覆聚合物。
在此实施方式中，一旦该应力缓冲层被沉积后，就形成贯通过孔。可通过多种方法形成过孔，这些方法包括但不限于，机械移除法、激光切除法、或化学移除法。过孔形成后， 就再施加一金属化种子层以通过该金属化促进过孔的侧壁与应力缓冲层之间的粘合，该金属化层在一些实施方式中是铜。在施加了金属化后，就通过选择性的移除部分金属化来生成 TPV。
在另一实施方式中，本发明包括在一玻璃中介片上形成一个或多个过孔。此后，过孔被一聚合物应力缓冲层填充。然后再透过应力缓冲层形成孔。然后再形成种子层，再施加金属化。再选择性的移除金属化以形成TPV。在此实施方式中，该应力缓冲层作为TPV的支撑结构。
在进一步的示例性实施例中，本发明包括在一玻璃中介片材料中形成贯通过孔。 以及在过孔的表面以及各壁上形成种子层和缓冲层的结合层。在一些实施例中，该应力缓冲层是金属，例如钯。再为这些过孔填充金属化并随后选择性的移除该金属化的部分而形成 TPV。
在另一个进一步的示例性实施例中，本发明包括将一中介片与一聚合物层压层进行层压。再形成过孔并且在该聚合物层压层以及该过孔的侧壁上施加一缓冲层。再施加种子层和过孔填充金属化层的结合层并且继而进行选择性的移除以形成TPV。
前面对本发明的有益效果进行了总结，但其并非意在完整的反应本要求保护的发明的全部。本发明的额外的特征和有益效果将通过后续的说明，以及对本发明的实施而变得显而易见。此外，前述总结性描述以及后续的具体描述仅为示例性和解释性的，以及意在对本要求保护的发明做出进一步的解释。
作为本发明的申请文件的一部分的附图示出了本发明的多个示例性实施方式，并且与说明书一道用于解释本发明的主旨。这些附图并非意在限制本发明的范围。此处提供的标题仅以方便为目的而并非必然的影响被要求保护的方法的范围或意义。
图I示出了根据本发明的一种示例性实施方式的使用玻璃作为中介片的贯通封装过孔。
图2示出了根据本发明的一种示例性实施方式的使用玻璃作为中介片的应力缓解壁垒。
图3示出了根据本发明的一种示例性实施方式的一贯通封装过孔的仿真模型以确定电气模型。
图4、5和6示出了根据本发明的一种示例性实施方式的各种电气模型仿真的测试结果。
图7不出了根据本发明的一种不例性实施方式的在一玻璃中介片上层压一应力缓解壁垒的层压系统。
图8和9不出了根据本发明的一种不例性实施方式的在一玻璃中介片上层压的一应力缓解壁垒的侧视光学照片。
图IOaM示出了根据本发明的一种示例性实施方式的通过CO2激光切除而形成的贯通封装过孔入口和出口的照片。
图Ila和Ilb示出了根据本发明的一种示例性实施方式的通过CO2t激光切除而形成的贯通封装过孔入口和出口的照片。
图12a_d示出了根据本发明的一种示例性实施方式的通过UV激光切除而形成的贯通封装过孔入口和出口的照片。
图13示出了根据本发明的一种示例性实施方式的通过准分子激光切除而形成的贯通封装过孔入口的照片。
图14示出了根据本发明的一种示例性实施方式的用于测试不同的玻璃中介片厚度的测试布图。
图15和16示出了根据本发明的一种示例性实施方式的机械制成的贯通封装过孔的照片。
图17示出了根据本发明的一种示例性实施方式的填充有铜的一贯通封装过孔的示意图。
图18a和18b示出了根据本发明的一种示例性实施方式的金属化的贯通封装过孔的横切光学照片。
图19a示出了根据本发明的一种示例性实施方式的贯通封装过孔的俯视图从而示出了过孔的金属化。
图19b示出了根据本发明的一种示例性实施方式的贯通封装过孔的侧视图从而示出了过孔的金属化。
图20示出了根据本发明的一种示例性实施方式的制作贯通封装过孔的方法的流程图。
图21示出了根据本发明的一种示例性实施方式的具有闭合端的贯通封装过孔。
图22示出了根据本发明的一种示例性实施方式的具有互锁结构的贯通封装过孔。
图23示出了根据本发明的一种示例性实施方式的具有贯通封装过孔的一四金属层结构的侧视图。
图24示出了根据本发明的一种示例性实施方式的制作贯通封装过孔的另一种方法的流程图。
具体说明
为满足相关法律规定，下面对各种实施方式的主体都进行了详细说明。然而，说明本身并不意在限制要求保护的发明的范围。而应当理解的是，被要求保护的发明还可以结合其他当前或未来技术通过其他方式实现，或包括与本文中所描述的步骤或元件不同的步骤或元件。尽管可在本文中使用术语“步骤”来暗示所采用的方法的不同的方面，但并不应当将该术语解释为隐含了本文所公开的各种步骤的任何具体顺序，除非明确说明了需要各独立步骤的某一顺序。下面的说明是描述性的而非限制在任何一个方面。
应当注意的是，在说明书和权利要求书中用到的单数形式“一”、“一”以及“该”也包括复数参照除非上下面明确宣称不同情况。例如，对一元件的参照页意在包括多个元件的组成。对包含“一”组分的化合物的参照页意在包括除已经命名的组分职位的其他组分。另外，在说明优选的实施方式时，为清楚起见也会依赖术语。应假设的是，一术语应被解释为对本领域一般技术人员来说最大的意义范围，并且包括用于达到相似目的以相似方式运行的所有技术等同物。
在此，范围可通过从“大约”或“约” 一个具体值及/或至“大约”后“约”另一个具体值来表示。当表达了这样的范围后，其他示例性的实施方式把偶偶从一具体值及或至另一具体值。属于“包括”或“包含”或“包括”的意义是在系统或产品或方法中呈现至少一个被命名的元件、元素、颗粒或方法步骤，但并不排除其他的元件、材料、颗粒或方法步骤的出现，即便该其他的元件、材料、颗粒或方法步骤与已被命名的具有相同的功能。
还应当理解的是，对一个或多个方法步骤的提及并不排除对其他附加步骤或在已经明确表述的步骤之间的中间步骤的出现。相似的，也应当理解的是，对一个系统或化合物中的一个或多个成分的提及并不排除已经明确表述的成分之外的附加成分的出现。为了便于理解本发明的主旨和特点，现在下文中参照描述性的实施方式中的实施方案对各具体实施方式
作出解释。
中介片技术已经从陶瓷进化为了有机材料，并在最近进化为了硅。由于有机基底通常呈现较差的结构稳定性，因此其通常需要巨大的焊盘。然而，可以看到，当前使用有机基底的方案存在两个主要缺陷。首先由于有机内核的结构稳定性差，因此在细节距时通常很难实现高I/o。此外，随着层数的增加发生翘曲的情况也随之增加。在很多例子中，这些问题使得有机基底、或中介片尤其不适用于具有细节距互连的非常高的I/o的情况。归因于此，使用硅中介片替代有机中介片已成成为一种发展趋势。但是硅中介片也会带来问题。 由于硅中介片需要绕过孔壁提供电绝缘，因此其工艺成本相对较高。还有，硅中介片的尺寸还会被其源自的晶圆所限制。
作为对硅的替代，本发明使用了玻璃作为中介片以解决硅和有机中介片的局限性。相比硅和有机中介片材料而言，玻璃内在的电气特性以及大面积板尺寸可用性都为其在一些应用上该来了优势。当然，使用玻璃也存在一些挑战，即，过孔的低成本形成以及玻璃相比硅而言较低的热传导能力。
玻璃已经越来越多的被用来解决传统的中介片所带来的问题。作为基底，例如中介片，玻璃具有诸多优点。玻璃具有相对高的结构稳定性和热稳定性，玻璃的CTE与硅密切匹配，呈现相对优良的电气特性，并且在大板尺寸时相对可用。例如，可将加工用于高保真显示器的大板液晶显示器(LCD)玻璃基底的设备与加工玻璃中介片的设备简单结合，从而可实现低成本和更高的产量。
图I将玻璃、硅以及其他潜在的金属及陶瓷中介片的关键电气特性、工艺复杂性和相关成本进行了比较。
权利要求
1.一种微电子封装，其包括在一具有一顶部的玻璃中介片中的复数个具有壁的贯通过孔；在该玻璃中介片的该顶部的至少一个部分上的一应力缓解壁垒；在该应力缓解壁垒的至少一部分上的一金属化种子层；以及在该金属化种子层的至少一部分上并且贯通该复数个贯通过孔中的至少一部分的一导体以形成复数个经金属化的贯通封装过孔，其中，这些贯通过孔中的至少一部分被该应力缓解壁垒或该金属化种子层填充。
2.根据权利要求I的微电子封装，其中，该应力缓解壁垒包括一聚合物膜。
3.根据权利要求2的微电子封装，其中，该聚合物膜包括一薄型干膜积压电介质。
4.根据权利要求2的微电子封装，其中，该聚合物膜被沉积为一干膜、液态覆膜，或蒸汽相沉积薄膜。
5.根据权利要求I的微电子封装，其中，该应力缓解壁垒的热膨胀系数介于该玻璃中介片与该导体的热膨胀系数之间。
6.根据权利要求I的微电子封装，其中，该应力缓解壁垒位于该玻璃中介片的一底部的至少一部分上。
7.根据权利要求I的微电子封装，其中，该应力缓解壁垒位于该玻璃中介片中的贯通过孔的壁的至少一部分上。
8.根据权利要求I的微电子封装，其中，该应力缓解壁垒和该金属化种子层包括相同的材料。
9.根据权利要求8的微电子封装，其中，该应力缓解壁垒和该金属化种子层选自的组由钯、镍、镍合金以及铜合金组成。
10.根据权利要求I的微电子封装，其中，贯通过孔的没有被应力缓解壁垒或该金属化种子层填充的剩余部分的至少一部分被填充剂所填充。
11.根据权利要求10的微电子封装，其中，该填充剂选自的组包括空气、一聚合物、一金属合金、以及它们的组合。
12.根据权利要求I的微电子封装，其中，该导体形成至少一个互锁结构。
13.—种微电子封装,其包括位于一玻璃中介片的一上表面的至少一部分上的一聚合物，其中，该聚合物以及该玻璃中介片的至少一部分被移除以形成一贯通过孔；位于该层压层的至少一部分上的一金属化种子层；以及，其中，该贯通过孔的至少一部分被一形成一金属化层的金属导体填充，其中，该金属化层的一部分被选择性的移除以形成一经金属化的贯通封装过孔。
14.根据权利要求13的微电子封装，还包括该聚合物位于该中介片的一下表面的至少一部分上。
15.根据权利要求13的微电子封装，还包括该金属化层位于该侧壁的至少一部分上。
16.根据权利要求13的微电子封装，其中，该聚合物包括树脂涂覆的铜。
17.根据权利要求13的微电子封装，其中，该电介质层包括一顺从积压电介质层。
18.一种用于在玻璃中介片中制造贯通封装过孔的方法，其包括在一玻璃中介片的一上表面的至少一部分上层压一聚合物；移除该聚合物及该玻璃中介片的至少一部分以形成一贯通过孔；用一金属导体填充该贯通过孔的至少一部分以形成一金属化层；以及，选择性的移除该金属化层的一部分以形成一经金属化的贯通封装过孔。
19.根据权利要求18的方法，其进一步包括在用一金属导体填充该封装过孔的至少一部分之前在该层压层的至少一部分上沉积一金属化种子层。
20.根据权利要求18的方法，其进一步包括在该中介片的一下表面的至少一部分上层压该聚合物。
21.根据权利要求20的方法，其中，将该聚合物层压在该上表面的至少一部分上的步骤与将该聚合物层压在该下表面的步骤至少一部分上是同时进行的。
22.根据权利要求18的方法，其进一步包括在侧壁的至少一部分上沉积该金属化层。
23.根据权利要求18的方法，其中，用一金属导体填充该贯通过孔的至少一部分以形成一金属化层的步骤进一步包括闭合该贯通过孔的一顶部。
24.根据权利要求18的方法，其中，该聚合物包括树脂涂覆的铜。
25.根据权利要求18的方法,其进一步包括沉积一电介质层。
26.根据权利要求25的方法,其中，该电介质层包括一顺从积压电介质层。
27.根据权利要求25的方法，其中，沉积电介质层包括，旋转涂覆该电介质层、喷涂该电介质层、在电介质层中蘸该中介片，或真空涂覆该电介质层。
28.根据权利要求18的方法，其中，移除该中介片和该层压层的一部分包括使用激光打孔或机械打孔。
29.根据权利要求28的方法，其中，激光是C02激光，、UV激光或准分子激光。
30.根据权利要求18的方法，其中，选择性的移除金属层的一部分以形成一具有金属化层的贯通封装过孔进一步包括形成至少一个互锁结构。
31.一种方法，包括移除一中介片的至少一部分以形成空穴；用电介质填充该空穴；移除该电介质的至少一部分以形成少一个高密度贯通过孔；在该层压层的至少一部分上施加一金属化种子层，其中，该金属化种子层还填充至少一个贯通过孔的至少一部分，以及选择性的移除该金属化层的一部分以形成一经金属化的贯通封装过孔。
32.—种方法,包括在一中介片的一上表面和一下表面的至少一部分上层压聚合物以形成电介质层；移除该中介片和该层压层的至少一部分以形成过孔；在该中介片的至少一部分上以及该过孔的至少一侧的侧壁上施加缓冲层；在该层压层的至少一部分上以及该过孔的至少一侧的侧壁上施加一金属化种子层；在该过孔的至少一部分中填充一金属导体以形成金属化层；以及，选择性的移除该金属化层的一部分以形成贯通封装过孔。
全文摘要
本发明大体涉及使用玻璃作为中介片材料，中介片的表面及/或贯通过孔的壁被一提供热膨胀和热收缩应力缓解以及更好的金属化能力的应力缓解壁垒覆盖。本发明公开了多种方法，其中，可使用一应力缓解壁垒来削弱因不同的CTE而产生的应力所造成的影响，同时，在一些应用中，其可作为金属化层与中介片之间的粘合促进层。该应力缓解壁垒起到吸收一些因不同的CTE而产生的应力的作用并且可促进导电金属层的更好的粘合，从而有助于在提高可靠性的同时为更加小型化的设计提供可能。
文档编号H01L23/04GK102947931SQ201180022152
公开日2013年2月27日 申请日期2011年3月3日 优先权日2010年3月3日
发明者文卡特斯赫·桑德拉姆, 刘福翰, 饶R·图马拉, 维贾伊·苏库马兰, 维伟卡·斯里德哈兰, 陈乔 申请人:佐治亚技术研究公司