專利名稱：一種圓片級(jí)封裝多層互連結(jié)構(gòu)、制作方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微波多芯片模塊(Microwave Multi Chip Module,縮寫 為MMCM)圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)、制備方法及應(yīng)用。尤其涉及其中包 括機(jī)械拋光等微加工技術(shù)的多層三維封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
多芯片模塊(Multi Chip Module,縮寫為MCM)，是指將多個(gè)裸露或/和封 裝的集成電路芯片以及單個(gè)或多個(gè)無(wú)源元器件，如電阻、電容、電感等，集 成到一個(gè)封裝基板上形成一個(gè)系統(tǒng)或功能模塊的一種技術(shù)，圖1所示為傳統(tǒng) MCM的示意性剖析圖，芯片和元器件是貼裝到基板上，并通過(guò)引線鍵合實(shí)現(xiàn) 芯片與基板或芯片與其他器件的互連。微波多芯片模塊(Microwave Multi Chip Module,縮寫為MMCM)則是一種應(yīng)用于高頻領(lǐng)域的多芯片模塊，其通常包 括若干個(gè)單片微波集成電路芯片(Microwave Monolithic Integrated Circuit,縮 寫為MMIC)和多個(gè)無(wú)源元器件，例如無(wú)源濾波器、微型天線、電阻和電感 等，所有這些通過(guò)微波傳輸線互連在基板上形成一個(gè)系統(tǒng)或功能模塊。由于 MMCM提高了封裝密度，降低封裝成本，被廣泛的運(yùn)用于無(wú)線通信和雷達(dá)接 受、發(fā)射組件當(dāng)中，是高頻應(yīng)用系統(tǒng)級(jí)封裝的發(fā)展主流。同時(shí)圓片級(jí)芯片尺 寸封裝有利于提高封裝的可靠性和穩(wěn)定性，降低成本，提高生產(chǎn)效率，因此， 圓片級(jí)封裝將是MMCM的發(fā)展趨勢(shì)。
多層互連(Multilayer Interconnection Structure)技術(shù)是一種金屬互連層和 介質(zhì)層交替出現(xiàn)的三維封裝集成技術(shù)[l.Morgan Jikang Chen, etc. "Multilayer Organic Multichip Module Implementing Hybrid Microelectromechanical Systems", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 56, NO. 4, APRIL 2008 pp: 952-958; 2.Mekita F. Davis, etc. "Integrated RF Architectures in Fully-Organic SOP Technology", IEEE TRANSACTIONS ON ADVANCED PACKAGING, VOL. 25， NO. 2， MAY 2002pp: 136-142; 3丄u Haijing, etc. "Fabrication and Characterization of Multi-layerLiquid Crystal Polymer (LCP) Substrate", 2007 她 Electronics PackagingTechnology Conference, pp: 514-517]，它可以將大量無(wú)源元器件制作集成到多層結(jié)構(gòu)當(dāng)中去，大大減小了封裝面積，提高集成度。同時(shí)多層互連結(jié)構(gòu)極大地縮短了元器件間的電互連，有利于減少損耗和串?dāng)_。通常介質(zhì)層由低溫共燒陶瓷(LTCC)、液晶聚合物(LCP)等預(yù)先制作好的硬質(zhì)材料組成，在介質(zhì)層上制作好金屬互連和無(wú)源元器件，然后層疊在一起，介質(zhì)層厚度通常大于IOO微米。有源電路芯片MMIC等通常是通過(guò)引線鍵合連接實(shí)現(xiàn)芯片與基板電路的電互連，引線鍵合連接的缺點(diǎn)在于引入了較大的寄生效應(yīng)，在高頻條件下有較大的損耗。較厚的介質(zhì)層使得目前MMCM模塊的封裝密度和效率還有待進(jìn)一步的提高。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高封裝密度和生產(chǎn)效率，減少寄生效應(yīng)和損耗，同時(shí)減少工藝步驟和降低成本，本發(fā)明提出了一種用于MMCM圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)及其制備方法，采用苯并環(huán)丁烯(Benzocyclobutene，簡(jiǎn)稱BCB)聚酰亞胺(PI)或Su8等有機(jī)聚合物作為介質(zhì)層，有效減少了介質(zhì)層厚度，提高了封裝密度。同時(shí)多層互連結(jié)構(gòu)采用了機(jī)械拋光等圓片級(jí)加工工藝方法，有效地提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。
本發(fā)明所采取的制備方法是首先在P型或N型硅晶片基板上利用光刻電鍍圓片級(jí)工藝形成第一層金屬層，其二是形成垂直通孔互連金凸點(diǎn)，然后涂覆BCB等有機(jī)介質(zhì)層，經(jīng)過(guò)靜置和后烘固化，因?yàn)锽CB有機(jī)聚合物和金屬的硬度相差很大，機(jī)械拋光工藝對(duì)聚合物和金凸點(diǎn)具有不同的拋光速率，其對(duì)聚合物的拋光速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)金屬的拋光速率，利用此原理可以實(shí)現(xiàn)表面平坦化，去除金凸點(diǎn)上方的BCB聚合物，顯露出金凸點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)層間垂直互連和多層互連結(jié)構(gòu)，同時(shí)也完成了鑲嵌于多層結(jié)構(gòu)中的各類無(wú)源元器件。在多層互連結(jié)構(gòu)的最上層還可以制作微型天線或者通過(guò)表面安裝工藝SMT集成一些分立元器件或者通過(guò)倒裝焊工藝集成有源電路芯片。
由此可見(jiàn)本發(fā)明提供的一種適用于微波多芯片模塊圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)，其特征包括(1) 一種用于微波多芯片模塊的金屬層和介質(zhì)層交替出現(xiàn)形成的多層互連
結(jié)構(gòu)；
(2) 至少有一個(gè)無(wú)源器件嵌入到多層互連結(jié)構(gòu)中；
(3) 利用電鍍和機(jī)械拋光相結(jié)合的方法制作多層互連結(jié)構(gòu)以及鑲嵌其中的無(wú)源元器件和層間垂直互連，屬于圓片級(jí)封裝技術(shù)；
所述的金屬層由電鍍形成，介質(zhì)層通過(guò)涂覆，固化和機(jī)械拋光的工藝形
成；
所述的聚合物介質(zhì)層是在垂直互連金凸點(diǎn)形成之后涂覆固化實(shí)現(xiàn)的，多層互連結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)層通常為有機(jī)聚合物苯并環(huán)丁稀BCB，聚酰亞胺PI或SU8;介質(zhì)層厚度為10-40nm;
所述的多層互連結(jié)構(gòu)中的金屬層通常為金、銅或者鋁，其厚度通常為1-5
U m;
所述的嵌入多層互連結(jié)構(gòu)的無(wú)源元器件包括電容器、電阻器、電感器、傳輸線、微型天線、濾波器或功分器，其中電阻器材料通常為鉻或氮化鉭等。理論上本發(fā)明所述的多層互連結(jié)構(gòu)的金屬層和介質(zhì)層的交替層數(shù)可以無(wú)
限，但考慮到工藝上可行性，層數(shù)一般在10層以下。多層互連結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入起
互連作用的傳輸線、接地層以及各類無(wú)源元器件，各無(wú)源元器件嵌入時(shí)，當(dāng)距離很近時(shí)，應(yīng)考慮它們之間的屏蔽。
本發(fā)明的多層互連結(jié)構(gòu)具體工藝步驟如下
(1) 在P型或N型濺射金屬黏附層，同時(shí)也作為電鍍種子層；通常粘附層為TiW或Cr，這是因?yàn)榛宓呐蛎浵禂?shù)與金屬層之間相差較大，所以一般先濺射粘附層再電鍍；
(2) 光刻膠涂覆，后烘，曝光，顯影，形成所需圖形；
(3) 電鍍一定厚度的金屬層形成所需的第一層互連圖形；
(4) 再次光刻膠涂覆，后烘，曝光，顯影，形成所需圖形；
(5) 電鍍一定的厚度形成所需的垂直通孔互連金凸點(diǎn)；
(6) 涂覆苯并環(huán)丁稀BCB、 PI或SU8介質(zhì)層，靜置使其平坦化，后烘；
(7) 利用機(jī)械拋光技術(shù)使金凸點(diǎn)上方突起部位平坦化并使金凸點(diǎn)顯露，并控制BCB介質(zhì)層在一定的厚度；
(8) 至此以完成一層金屬/BCB互連結(jié)構(gòu)，重復(fù)l一7步驟可以實(shí)現(xiàn)所需的多層互連結(jié)構(gòu)并集成內(nèi)嵌式無(wú)源元器件。根據(jù)本發(fā)明的多層互連結(jié)構(gòu)以低介電常數(shù)聚合物為介質(zhì)層，可以集成多種無(wú)源元器件，最上層可以SMT或倒裝焊集成器件和有源電路芯片，有效提高集成度。層間厚度較薄，有效縮短互連長(zhǎng)度，減少封裝尺寸和寄生效應(yīng)，降
低損耗。以硅晶片作為基板可以很好的實(shí)現(xiàn)散熱功能，并且與傳統(tǒng)IC工藝相兼容。


圖1是傳統(tǒng)的MCM示意性剖視圖
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例基于多層互連結(jié)構(gòu)的微波多芯片模塊
示意性剖視圖。
圖3利用機(jī)械拋光實(shí)現(xiàn)芯片與外界以及層與層之間互連的工藝流程圖。
其中圖3-1光刻電鍍形成第一層金屬層；
圖3-2光刻電鍍形成垂直互連金凸點(diǎn)；
圖3-3低介電常數(shù)的介質(zhì)層涂覆以及機(jī)械拋光；
圖3-4沉積金屬黏附種子層用于第二層金屬層制備。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步具體描述以充分體現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果。本發(fā)明的范圍不局限于下面的實(shí)施例。
如圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的微波多芯片模塊圓片級(jí)封裝結(jié)構(gòu)?；诠杌?01上的多層互連結(jié)構(gòu)120內(nèi)嵌入了起互連作用的傳輸線104，接地層102以及各類無(wú)源元器件，例如電容103，電阻105，電感106、微型天線107等。多層互連結(jié)構(gòu)內(nèi)的金屬互連(例如傳輸線104和垂直互連通孔108)，和無(wú)源元器件均由低成本的電鍍工藝實(shí)現(xiàn)。金屬厚度一般為1 5微米，可按照需求而定；每層介質(zhì)層厚度也可按需求而定， 一般為10微米到40微米。多層互連結(jié)構(gòu)的最上層還可以集成表面貼裝元器件(SMT) 110。
圖3是利用機(jī)械拋光實(shí)現(xiàn)多層垂直互連的示意圖。
h形成第一層金屬層，如圖3 — 1所示，
(a)首先在硅基板300上沉積一層金屬黏附層，同時(shí)也是用于金屬電鍍的
7種子層301;
(b) 光刻膠302曝光顯影形成所需要的圖形；
(c) 電鍍形成所需要的金屬互連層和無(wú)源器件303，去膠；2:形成垂直通孔互連金凸點(diǎn)，如圖3—2所示，
(d) 同時(shí)進(jìn)行第二次光刻膠302涂覆、曝光顯影，形成垂直通孔互連圖形;
(e) 電鍍形成一定直徑和高度的金凸點(diǎn)304用于實(shí)現(xiàn)垂直互連；
(f) 去膠，去粘附種子層；
3:涂覆介質(zhì)層以及機(jī)械拋光工藝實(shí)現(xiàn)垂直電互連，
(g) BCB涂覆305，并靜置使其平坦化，后烘；
(h) 進(jìn)行機(jī)械拋光，使金凸點(diǎn)304上方突起部分平坦化，實(shí)現(xiàn)垂直互連；4:形成第二層金屬層，
(i) 然后第二層金屬黏附層306沉積；
(j)光刻電鍍實(shí)現(xiàn)第二層金屬互連；從而完成不同層之間的電互連和內(nèi)嵌式無(wú)源器件。重復(fù)a—h步驟可以實(shí)現(xiàn)
多層三維封裝。
8
權(quán)利要求
1、一種圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)，其特征在于(1)多層互連結(jié)構(gòu)是由金屬層和介質(zhì)層交替出現(xiàn)形成的；(2)至少有一個(gè)無(wú)源器件鑲嵌到多層互連結(jié)構(gòu)中；(3)鑲嵌其中的無(wú)源器件和層間垂直互連。
2、 按權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的 金屬層由電鍍方式形成的；所述的介質(zhì)層則通過(guò)涂覆、固化和機(jī)械拋光工藝 形成的。
3、 按權(quán)利要求1或2所述的圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述的金屬層為金、銅或鋁。
4、 按權(quán)利要求1或2所述的圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述的介質(zhì)層為苯并環(huán)丁烯、聚酰亞胺或Su8。
5、 按權(quán)利要求1或2所述的圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的介質(zhì)層是在垂直互連金凸點(diǎn)形成之后涂覆固化實(shí)現(xiàn)的。
6、 按權(quán)利要求l所述的圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)，其特征在于在所述 的多層互連結(jié)構(gòu)最上層集成表面貼裝元器件SMT。
7、 制作如權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)的方法，其特征 在于步驟是(a) 在P型或N型硅基板上形成第一金屬層；(b) 在第一金屬層上形成垂直通過(guò)互連金凸點(diǎn)；(c) 涂覆有機(jī)聚合物和機(jī)械拋光工藝實(shí)現(xiàn)垂直互連；(d) 形成第二金屬層，完成不同層之間的電互連和內(nèi)嵌式無(wú)源器件，重 復(fù)(a) ~ (c)步驟實(shí)現(xiàn)多層三維封裝。
8、 按權(quán)利要求7所述的圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于具體步驟是(a) 在P型或N型硅基板上濺射金屬黏附層，同時(shí)也作為電鍍種子層；(b) 光刻膠涂覆，后烘，曝光，顯影，形成所需圖形；(c) 電鍍一定厚度的金屬層形成所需的第一層互連圖形；(d) 再次光刻膠涂覆，后烘，曝光，顯影，形成所需圖形；(e) 電鍍一定的厚度形成所需的垂直通孔互連金凸點(diǎn)；(f) 涂覆苯并環(huán)丁烯、聚酰亞胺或Su8介質(zhì)層，靜置使其平坦化，后烘;(g) 利用機(jī)械拋光技術(shù)使金凸點(diǎn)上方突起部位平坦化并使金凸點(diǎn)顯露， 并控制等介質(zhì)層在一定的厚度；(h) 至此以完成一層金屬和介質(zhì)層的互連結(jié)構(gòu)，重復(fù)a—g步驟實(shí)現(xiàn)所 需的多層互連結(jié)構(gòu)并集成內(nèi)嵌式無(wú)源元器件。
9、 按權(quán)利要求8所述的圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于a) 金屬層的厚度為1-5微米；b) 介質(zhì)層的厚度為10-40微米。
10、 按權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在 于所述的圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)用于微波多芯片模塊，在多層互連結(jié)構(gòu) 內(nèi)嵌入起互連作用的傳輸線-接地層以及各類無(wú)源元器件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于微波多芯片模塊圓片級(jí)封裝的多層互連結(jié)構(gòu)、制備方法及其應(yīng)用。特征在于利用苯并環(huán)丁烯BCB等作為介質(zhì)層，以光刻、電鍍、機(jī)械拋光等圓片級(jí)加工工藝相結(jié)合實(shí)現(xiàn)金屬/有機(jī)聚合物的多層互連結(jié)構(gòu)，并可嵌入集成多種無(wú)源元器件和互連傳輸線。整個(gè)工藝過(guò)程與IC工藝相匹配，并在圓片級(jí)的基礎(chǔ)上完成，具有較高的封裝集成度和較低的高頻傳輸損耗。該結(jié)構(gòu)在提高封裝密度和集成度，降低封裝成本的同時(shí)可以有效地集成多種功能器件單元，減小各元器件間的互連損耗，提高整個(gè)模塊的性能。
文檔編號(hào)H01L25/00GK101656249SQ20091005461
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者丁曉云, 樂(lè) 羅, 菲 耿 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所