專(zhuān)利名稱(chēng)：使用液晶樹(shù)脂的低熱膨脹系數(shù)(cte)介電膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地，涉及半導(dǎo)體材料。
背景技術(shù)：
下一代管芯層間介電(ILD)材料是多孔的，并且機(jī)械強(qiáng)度不足。為了減小由于封裝體材料問(wèn)的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配而引起的ILD上的應(yīng)力，需要低CTE材料。此外，由于需要通過(guò)更窄間隙流過(guò)更長(zhǎng)距離的材料，因此希望消除或使典型地用于減小CTE的填料濃度(concentration)減到最小。
現(xiàn)有的減小CTE并且同時(shí)減小或消除填料濃度的技術(shù)具有許多缺點(diǎn)。一種技術(shù)增大了介電材料的交聯(lián)密度和/或填料負(fù)載。這種技術(shù)導(dǎo)致高模量和高粘度，從而導(dǎo)致內(nèi)聚破壞和粘合失效情況。


參照以下說(shuō)明和用于圖解本發(fā)明實(shí)施例的附圖，可以更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中圖1A是說(shuō)明其中可以實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的圖圖1B是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體封裝體的圖；圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的介電材料結(jié)構(gòu)的圖；圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的介電材料的另一種結(jié)構(gòu)的圖；
圖4是說(shuō)明一種提供根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的介電材料的工藝的流程圖；圖5是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種環(huán)氧樹(shù)脂的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一種提供具有可控?zé)崤蛎浵禂?shù)(CTE)的介電膜材料的技術(shù)。形成含有第一液晶組分的第一化合物。將第一化合物壓鑄成第一膜。在磁或電磁場(chǎng)中將第一膜取向?yàn)榈谝环较?。在第一溫度下固化第一膜?br> 以下的說(shuō)明中，闡述了大量的具體細(xì)節(jié)。然而，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的實(shí)施例可以不使用這些具體細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)施。在其它實(shí)例中，為了避免使該說(shuō)明不清楚，沒(méi)有示出公知的電路、結(jié)構(gòu)和技術(shù)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可以描述為通常表示為流程圖、流程表、結(jié)構(gòu)圖或方框圖的工藝。盡管流程圖可能將操作描述為順序的工藝，但是這些操作中有很多也能夠并行地或同時(shí)進(jìn)行。此外，可以重新安排操作順序。當(dāng)工藝的操作結(jié)束時(shí)該工藝終止。工藝可以對(duì)應(yīng)于方法、程序、制造或制備方法等。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是提供一種具有可控?zé)崤蛎浵禂?shù)(CTE)的介電材料?？梢酝ㄟ^(guò)控制(1)配方中液晶樹(shù)脂的量；(2)液晶樹(shù)脂取向的程度，將CTE控制在從一個(gè)小的負(fù)值到100ppm/℃以上。材料技術(shù)解決了當(dāng)前的低CTE需求并可以升級(jí)至具有極低CTE需求的未來(lái)封裝。此外，由于液晶樹(shù)脂的彈性模量在除了垂直于取向方向之外的角度中減小了很多，因此介電膜在z方向上表現(xiàn)出低模量，從而相對(duì)于封裝動(dòng)作產(chǎn)生的機(jī)械穩(wěn)定性問(wèn)題變得能復(fù)原(resilient)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供可用于多種應(yīng)用的介電材料。這些應(yīng)用的例子包括(1)傳統(tǒng)襯底構(gòu)成工藝，包括鍍銅、層疊光刻膠、曝光、顯影、蝕刻和除去光刻膠，(2)光可定義的介電膜(不必使用光刻膠)，(3)印刷電路板(PCB)制造，和(4)壓印(imprinting)。
圖1A是說(shuō)明其中可以實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件100的圖。半導(dǎo)體器件100包括襯底層110和兩個(gè)介電層120及130。
襯底層110可以是任意合適的半導(dǎo)體襯底，例如硅。在制造工藝中，可以在襯底上形成器件單元，例如場(chǎng)氧化物、源和漏極。
可以在襯底層110上沉積介電層120。作為典型的半導(dǎo)體制造工藝的一部分，可以沉積其它層，例如金屬互連、柵極。介電層120可以包括單層膜或多層膜。如圖1A所示，三層膜122、124和126可以形成介電層120。各層膜122、124和126在選定的磁場(chǎng)方向上可以具有不同的CTE。
可以在襯底層110的表面下方形成介電層130。其可以是任選的，并且可以提供附加的保護(hù)或其它功能。類(lèi)似于介電層120，介電層130可以包括單層膜或多層膜。如圖1所示，其可以包括三層膜132、134和136。類(lèi)似于介電層120，各層膜132、134和136在選定的磁場(chǎng)方向上可以具有不同的CTE。
可以根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例來(lái)構(gòu)成介電層120和130中的任意一個(gè)，以使其具有可控的CTE。CTE可以具有低的值。每個(gè)層120和130中的多層膜在具有合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度、時(shí)間、溫度和磁場(chǎng)方向的磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)中可以在不同方向上取向。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)強(qiáng)度值、時(shí)間、溫度和方向，可以得到可控的CTE值。該膜可以由包括具有圖2和3所示的通式結(jié)構(gòu)的單體的化合物或材料制成。
圖1B是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體封裝體140的圖。封裝體140可以是倒裝芯片封裝體。然而，也可以想到使用任意其它類(lèi)型的封裝體。封裝體140包括封裝襯底145和管芯150。
封裝體襯底145可以是任意合適的封裝襯底、陶瓷或有機(jī)物，例如標(biāo)準(zhǔn)FR4、高級(jí)環(huán)氧樹(shù)脂(例如雙馬來(lái)酰亞胺三嗪)和柔性電路襯底。封裝襯底145典型具有低熱膨脹系數(shù)(CTE)。管芯150可以是任意的半導(dǎo)體管芯。它可以包括集成電路(例如處理器、存儲(chǔ)器)、器件、組件等。底層填料155可以是將芯片的整個(gè)表面結(jié)合到襯底上的粘合劑。它典型為環(huán)氧樹(shù)脂。
管芯150可以具有焊塊(bump)160?？梢允褂萌我夂线m類(lèi)型的焊塊，例如受控塌陷芯片連接(C4)、電鍍焊塊、凸塊(stud bump)等。焊塊160可以提供到襯底145的導(dǎo)電和導(dǎo)熱通路。它們還可以用于提供管芯至襯底145的機(jī)械安裝的部分，及用作緩解襯底和板之間的機(jī)械應(yīng)力的短導(dǎo)線(lead)。
襯底145可以包括介電層165、跡線和通道170、和內(nèi)層板(substrate core)175。介電層165可以具有與本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的內(nèi)層板175相匹配的可控CTE。跡線和通道170可以提供到襯底的接觸和電路徑。內(nèi)層板175可以由任意合適的材料制成，例如環(huán)氧樹(shù)脂。
圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的介電材料的結(jié)構(gòu)200的圖。
該結(jié)構(gòu)200包括液晶部分210、兩個(gè)均標(biāo)記為“X”的單元(element)222和224，和(CH2)n。液晶部分210可以是類(lèi)似棒狀液晶組分。兩個(gè)X單元222和224中的每一個(gè)可以獨(dú)立地選自氧、羰基、羧基、氧基羰基、和胺構(gòu)成的組。(CH2)n中的整數(shù)n可以介于1和20之間。由結(jié)構(gòu)200形成的單體可以具有大約低于200℃的熔點(diǎn)。
圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的介電材料的另一種結(jié)構(gòu)300的圖。
該結(jié)構(gòu)300可以包括液晶部分310、兩個(gè)單元X 322和324，(CH2)n和兩個(gè)單元Y 332和334。液晶部分310可以是類(lèi)似棒狀液晶組分。兩個(gè)單元X和Y322、324、332和334中的每一個(gè)可以獨(dú)立地選自氧、羰基、羧基、氧基羰基、和胺構(gòu)成的組。(CH2)n中的整數(shù)n可以介于2和20之間。由結(jié)構(gòu)300形成的單體也可以具有大約低于200℃的熔點(diǎn)。
由結(jié)構(gòu)200和300形成的介電材料還可以加入添加劑，例如溶劑、一種或多種催化劑、一種或多種填料、和其它添加劑例如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的增粘劑、脫模劑、著色劑、穩(wěn)定劑、阻燃劑和類(lèi)似的添加劑。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可以將如上所述形成的介電材料壓鑄成膜并由磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)定向，然后用來(lái)制備襯底。采用溶劑作為稀釋劑來(lái)促進(jìn)膜形成和液晶樹(shù)脂的取向也是有用的。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，介電材料可以被壓鑄成膜，層疊到襯底上，由磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)來(lái)確定取向，同時(shí)在通常高于樹(shù)脂熔點(diǎn)的高溫下固化，然后用于制備襯底?？梢栽谑顾玫娜我馊軇└稍镏埃⒃诠袒陂g、在鑄膜上進(jìn)行介電膜的磁或電磁取向?？梢酝ㄟ^(guò)磁或電磁強(qiáng)度、時(shí)間、溫度、和磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)的取向來(lái)控制液晶樹(shù)脂取向的程度，其可能會(huì)影響CTE特性。
介電層也可以包括許多如圖1中示出的介電膜。介電膜可以包括如上所述形成的具有不同取向和/或不同程度的液晶樹(shù)脂，從而提供所需的兩維或三維特性。例如，可以使用在x方向、y方向、和z方向上取向的三個(gè)膜。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種提供介電層的工藝400的圖。
一開(kāi)始，工藝400形成含有液晶組分的化合物(方框410)?；衔锞哂腥鐖D2和3所示的結(jié)構(gòu)。接著，工藝400把該化合物壓鑄成膜(方框420)。然后，工藝400使該膜在磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)中取向?yàn)榉较騥(方框430)。方向k可以是所需的x方向、y方向、或z方向。
接著，工藝400在一溫度下使該膜固化(方框440)。該溫度通常高于樹(shù)脂的熔點(diǎn)，例如高于200℃。然后，工藝400把該膜層疊在襯底上或另一適當(dāng)?shù)哪ど?方框450)。接著，工藝400確定是否需要附加層(方框460)。如果需要，則工藝400返回到方框410，以相同或者不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度、時(shí)間、溫度、和取向來(lái)重復(fù)該工藝。否則，使工藝400結(jié)束。
已經(jīng)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，以提供對(duì)于上述介電材料的定量數(shù)據(jù)。在具有和不具有磁性或電磁性取向、以及具有或不具有填料的情況下進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證實(shí)在不同取向方向上實(shí)現(xiàn)了可控的CTE。
在第一實(shí)驗(yàn)中，形成沒(méi)有磁性或電磁性取向的介電膜。形成包括210份甲乙酮、20份二環(huán)氧甘油基(digylcidyl)雙酚A、20份四溴雙酚A、20份鄰甲酚的酚醛清漆環(huán)氧樹(shù)脂(215g/eq)、15份環(huán)氧基封端的聚丁二烯橡膠、50份溴化酚的酚醛清漆樹(shù)脂、4份2，4-二氨基-6-(2-甲基-1-imadizo1ylethyl)-1，3，5-三嗪異氰尿酸加合物、和11份二氧化硅(最大顆粒尺寸為5微米)的混合物。將這些組分添加到行星式攪拌器中，加熱至大約80℃，并且以每分鐘50轉(zhuǎn)(rpm)的轉(zhuǎn)速攪拌大約一個(gè)小時(shí)。然后在大約80℃下使混合物經(jīng)過(guò)雙輥碾碎機(jī)兩次。把上述混合物壓鑄到40微米厚的聚酯薄膜(Mylar)上并在大約100℃下干燥15分鐘，從而提供大約70微米的總膜厚。然后在大約120℃和1托(torr)下通過(guò)真空層疊把該膜層疊到襯底材料上。在大約170℃下固化該膜2個(gè)小時(shí)。由此制備的介電層在該膜的x、y平面和z方向上具有大約65ppm的CTE。
在第二實(shí)驗(yàn)中，除了在固化多層結(jié)構(gòu)時(shí)使用大約0.3特斯拉的磁場(chǎng)之外，重復(fù)第一實(shí)驗(yàn)中描述的步驟。由此制備的介電層在該膜的x、y平面中具有大約80ppm的CTE，而在z方向上具有大約40ppm的CTE。該實(shí)驗(yàn)表明不同取向的各個(gè)膜的CTE可以被控制為不同。而且，也可以得到低的CTE值(例如40ppm)。
在第三實(shí)驗(yàn)中，形成包括210份甲乙酮、60份環(huán)氧樹(shù)脂B(如圖5所示)、20份鄰甲酚的酚醛清漆環(huán)氧樹(shù)脂(215g/eq)、15份環(huán)氧基封端的聚丁二烯橡膠、50份溴化酚的酚醛清漆樹(shù)脂、4份2，4-二氨基-6-(2-甲基-1-imadizolylethyl)-1，3，5-三嗪異氰尿酸加合物、和11份二氧化硅(最大顆粒尺寸為5微米)的混合物。將這些組分添加到行星式攪拌器中，加熱至大約80℃，并且以50rpm的轉(zhuǎn)速攪拌大約一個(gè)小時(shí)。然后在大約80℃下使混合物經(jīng)過(guò)雙輥碾碎機(jī)兩次。把上述混合物壓鑄到40微米厚的聚酯薄膜(Mylar)上。把該膜放置于在z方向上大約0.3特斯拉的磁場(chǎng)中30分鐘，然后在該磁場(chǎng)中在大約100℃下干燥15分鐘，從而提供大約70微米的總膜厚。然后在大約120℃和1托(torr)下通過(guò)真空層疊把該膜層疊到襯底材料上。在大約170℃下固化該膜2個(gè)小時(shí)。由此制備的介電層在該膜的x、y平面中具有大約75ppm的CTE，而在z方向上具有大約50ppm的CTE。。
在第四實(shí)驗(yàn)中，除了不使用填料之外，重復(fù)第三實(shí)驗(yàn)中描述的步驟。由此制備的介電層在該膜的x、y平面中具有大約125ppm的CTE，而在z方向上具有大約5ppm的CTE。該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，在不使用填料的情況下，在選定的取向或方向上可以得到非常低的CTE值(例如5ppm)。
圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的環(huán)氧樹(shù)脂B的圖。該環(huán)氧樹(shù)脂B用在第三實(shí)驗(yàn)中，以制造該混合物。
盡管根據(jù)幾個(gè)實(shí)施例介紹了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到該發(fā)明不局限于所述的實(shí)施例，而是能夠在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)加以修改和變化。因此說(shuō)明書(shū)應(yīng)視為示例性的，而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括形成含有第一液晶組分的第一化合物；把該第一化合物壓鑄成第一膜；在磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)中使該第一膜取向?yàn)榈谝环较颍灰约霸诘谝粶囟认鹿袒摰谝荒ぁ?br> 2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括向該第一化合物添加至少一種添加劑。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中添加該添加劑包括添加催化劑、粘結(jié)劑、增粘劑、脫模劑、阻燃劑、穩(wěn)定劑、和著色劑中的至少一種添加劑。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在該第一化合物中添加填料。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將該第一膜層疊到襯底上。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成該第一化合物包括形成包括棒狀液晶組分、選自氧、羰基、羧基、氧基羰基、和胺構(gòu)成的組中的單元，以及(CH2)n的第一化合物，n是從1到20。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成該第一化合物包括形成包括棒狀液晶組分、獨(dú)立地選自氧、羰基、羧基、氧基羰基、和胺構(gòu)成的組中的第一和第二單元，以及(CH2)n的第一化合物，n是從2到20。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括形成含有第二液晶組分的第二化合物；把該第二化合物壓鑄成第二膜；在磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)中使該第二膜取向?yàn)榈诙较?；以及形成至少包括該第一和第二膜的多層?br> 9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括在第二溫度下固化該多層。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一和第二溫度中的至少一個(gè)高于所述第一和第二化合物之一的熔點(diǎn)。
11.一種介電層，包括由含有第一液晶組分的第一化合物壓鑄成的第一膜，該第一膜在磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)中被取向?yàn)榈谝环较虿⒃诘谝粶囟认鹿袒?br> 12.如權(quán)利要求11所述的介電層，其中該第一膜包括添加至該化合物的至少一種添加劑。
13.如權(quán)利要求12所述的介電層，其中該至少一種添加劑包括催化劑、粘結(jié)劑、增粘劑、脫模劑、阻燃劑、穩(wěn)定劑、和著色劑之一。
14.如權(quán)利要求11所述的介電層，其中該第一膜還包括添加至該第一化合物的填料。
15.如權(quán)利要求11所述的介電層，其中將該第一膜層疊到襯底上。
16.如權(quán)利要求11所述的介電層，其中該第一化合物包括棒狀液晶組分；選自氧、羰基、羧基、氧基羰基、和胺構(gòu)成的組中的單元；以及(CH2)n，n是從1到20。
17.如權(quán)利要求11所述的介電層，其中該第一化合物包括棒狀液晶組分；獨(dú)立地選自氧、羰基、羧基、氧基羰基、和胺構(gòu)成的組中的第一和第二單元；以及(CH2)n，n是從2到20。
18.如權(quán)利要求11所述的介電層，還包括由含有第二液晶組分的第二化合物壓鑄成的第二膜，該第二膜在磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)中被取向?yàn)榈诙较?，將該第二膜與該第一膜結(jié)合從而形成多層。
19.如權(quán)利要求18所述的介電層，其中使該多層在第二溫度下固化。
20.如權(quán)利要求19所述的介電層，其中該第一和第二溫度中的至少一個(gè)高于該第一和第二化合物之一的熔點(diǎn)。
21.一種器件，包括襯底層；和該襯底層上的介電層，該介電層包括由含有第一液晶組分的第一化合物壓鑄成的第一膜，該第一膜在磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)中被取向?yàn)榈谝环较虿⒃诘谝粶囟认鹿袒?br> 22.如權(quán)利要求21所述的器件，其中該第一膜包括添加至該化合物的至少一種添加劑。
23.如權(quán)利要求22所述的器件，其中該至少一種添加劑包括催化劑、粘結(jié)劑、增粘劑、脫模劑、阻燃劑、穩(wěn)定劑、和著色劑之一。
24.如權(quán)利要求21所述的器件，其中該第一膜還包括添加至該第一化合物的填料。
25.如權(quán)利要求21所述的器件，其中將該第一膜層疊到該襯底上。
26.如權(quán)利要求21所述的器件，其中該第一化合物包括棒狀液晶組分；選自氧、羰基、羧基、氧基羰基、和胺構(gòu)成的組中的單元以及(CH2)n，n是從1到20。
27.如權(quán)利要求21所述的器件，其中該第一化合物包括棒狀液晶組分；獨(dú)立地選自氧、羰基、羧基、氧基羰基、和胺構(gòu)成的組中的第一和第二單元；以及(CH2)n，n是從2到20。
28.如權(quán)利要求21所述的器件，其中該介電層還包括由含有第二液晶組分的第二化合物壓鑄成的第二膜，該第二膜在磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)中被取向?yàn)榈诙较?，將該第二膜與該第一膜結(jié)合從而形成多層。
29.如權(quán)利要求28所述的器件，其中使該多層在第二溫度下固化。
30.如權(quán)利要求29所述的器件，其中該第一和第二溫度中的至少一個(gè)高于該第一和第二化合物之一的熔點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例是一種提供具有可控的熱膨脹系數(shù)(CTE)的介電膜材料的技術(shù)。形成含有第一液晶組分的第一化合物。將第一化合物壓鑄成第一膜。該第一膜在磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)中被取向?yàn)榈谝环较颉Ｊ乖摰谝荒ぴ诘谝粶囟认鹿袒?br> 文檔編號(hào)H01L23/532GK1957451SQ200580017019
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
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