專(zhuān)利名稱(chēng)：硅基埋置型微波多芯組件的多層互連封裝結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用多層互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)的微波多芯片組件(Microwave Multi Chip Module,縮寫(xiě)為MMCM)硅基埋置型封裝結(jié)構(gòu)，屬于微波器件封 裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多芯片組件(MuW Chip Module,縮寫(xiě)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)多層高密度基板上形成一個(gè)系統(tǒng)或功能模塊的一種技術(shù)。
MCM采用的是將裸芯片直接安裝和連接到襯底基板上，芯片之間互連距 離短，降低了互連線(xiàn)上電感和阻抗，因而能在提高組裝密度的同時(shí)，降低信 號(hào)的傳輸延遲時(shí)間，提高信號(hào)的傳輸速度，這有利于實(shí)現(xiàn)電子整機(jī)向功能化 集成方向發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)的單芯片封裝，MCM省去了單個(gè)IC芯片的封裝 材料和工藝，而且組裝電路的體積尺寸、焊點(diǎn)數(shù)量、1/0數(shù)等均可大為減小， 不僅節(jié)約了原材料，簡(jiǎn)化了制造工藝，而且極大地縮小了體積，減小了重量。 因此，MCM有利于實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的多功能、高速度、小型化和輕量化。微波 多芯片組件(Microwave Multi Chip Module,縮寫(xiě)為MMCM)則是一種應(yīng)用 于高頻領(lǐng)域的多芯片模塊，通常包括若干個(gè)單片微波集成電路芯片 (Microwave Monolithic Integrated Circuit,縮寫(xiě)為MMIC)和多個(gè)無(wú)源元器件， 集成在一塊基板上形成一個(gè)多功能系統(tǒng)或功能模塊。由于MMCM提高了封裝 密度和系統(tǒng)的功能，降低了封裝成本，被廣泛的運(yùn)用于無(wú)線(xiàn)通信和雷達(dá)接受/ 發(fā)射組件當(dāng)中，是高頻系統(tǒng)級(jí)封裝的發(fā)展主流。
在MMCM中通常采用的芯片互連方式有[邱穎霞.微波多芯片組件中的 微連接.電子工藝技術(shù),2005(26): 319-322]:引線(xiàn)鍵合、載帶自動(dòng)焊、倒扣焊。 其中，引線(xiàn)鍵合是最成熟的一種互連方式，工藝成本低，操作簡(jiǎn)單，但是焊 絲長(zhǎng)度、拱高和跨距、焊點(diǎn)位置和鍵合一致性和重復(fù)性等參數(shù)均對(duì)微波傳輸具有很大影響。載帶自動(dòng)焊技術(shù)自動(dòng)化程度高、引線(xiàn)距離短、采用了扁平矩 形截面引線(xiàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓形引線(xiàn)，使線(xiàn)間寄生電容和寄生電感大為減少，但 是每塊芯片都需要根據(jù)要求設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的載帶，生產(chǎn)成本和設(shè)備成本高，且不 適用于多層布線(xiàn)[邱穎霞.微波多芯片組件中的微連接.電子工藝技術(shù),
2005(26): 319-322;謝順坤.當(dāng)代多芯片組裝技術(shù).半導(dǎo)體光電，1996(17): 218-223]。倒扣焊技術(shù)互連距離短，減少了電阻和電感的干擾，有利于提高信 號(hào)的傳輸速度和完整性。倒裝焊技術(shù)的缺點(diǎn)是[Sturdivant R, Reducing the effects of the mounting substrate on the performance of GaAs MMIC flip chips. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 1995(3): 1591-1595.， Myung Jin Yim, In Ho Jeong， Hyung扁Kyu Choi， Jin-Sang Hwang, Jin-Yong Ahn， Woonseong Kwon, and Kyung-Wook Paik. Flip chip interconnection with anisotropic conductive adhesives for RF and high-frequency applications, IEEE Transactions on Components and Packaging Technology, 2005(28》789-796.]: — 方面需要在芯片焊盤(pán)(PAD)上進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，引入了更多的工藝步驟； 另一方面倒扣焊中MMIC芯片是正面朝下放置，背面不利于添加散熱器，對(duì)于 大功率微波器件而言，散熱不暢會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的溫度而影響MMIC芯片的性能； 再者采用倒裝結(jié)構(gòu)后，芯片正面和基板之間距離很近，MMIC芯片的電磁場(chǎng)和 基板電磁場(chǎng)有可能會(huì)發(fā)生相互干擾，從而影響芯片的性能。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述原有互連方式的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種硅基埋置型微波多芯片 組件的多層互連封裝結(jié)構(gòu)及其制作方法。所提供的多層互連封裝結(jié)構(gòu)以帶有 埋置腔體和接地屏蔽層的硅晶片作為基板，以引線(xiàn)鍵合機(jī)劈刀回壓技術(shù)制備 的金凸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)層間互連，縮短了互連距離，以低介電常數(shù)有機(jī)聚合物作為 介質(zhì)層材料，利用電鍍和化學(xué)機(jī)械拋光相結(jié)合的方法制作出金屬層和介質(zhì)層 交替出現(xiàn)的多層互連結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)封裝，有效地提高了封裝密度和生產(chǎn) 效率，降低了成本。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是首先利用濕法(KOH或TMAH)腐蝕在硅 基板上形成埋置腔體，用于埋置微波芯片，此方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)有三點(diǎn)， 一是 降低成本，濕法腐蝕成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于干法刻蝕；二是將芯片埋入硅基板內(nèi) 使微波芯片的上表面與硅基板的上表面持平，利于后續(xù)圓片級(jí)工藝的實(shí)施，適
用于批量生產(chǎn)；三是硅的熱傳導(dǎo)系數(shù)高且與MMIC芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配，
有利于芯片的散熱和熱可靠性的提高。然后，在帶有埋置腔體的硅基板上制 備接地屏蔽層，此方法將芯片有效地電磁隔離起來(lái)，解決了微波芯片在硅基 板應(yīng)用中，損耗大的缺陷。第三步是微波芯片埋置、粘接以及金凸點(diǎn)的制備， 微波芯片是通過(guò)導(dǎo)電膠固定在硅基板的埋置腔內(nèi)，使微波芯片背面良好接地。
在芯片輸入輸出端的焊盤(pán)上通過(guò)引線(xiàn)鍵合機(jī)，植入金凸點(diǎn)，其尾絲通常保留5 微米到40微米，隨后利用劈刀頭回壓焊技術(shù)將帶有尾絲的金凸點(diǎn)壓焊成具有 一定高度的圓柱狀金凸點(diǎn)，來(lái)替代金絲連接，從而大大縮短了芯片間互連距 離，最大程度上減少了互連寄生效應(yīng)，降低了損耗。隨后第四步是在整個(gè)硅 晶片上涂覆液態(tài)或膠狀聚合物，例如聚酰亞胺(PI)，苯并環(huán)丁稀 (Benzocyclobutene，簡(jiǎn)稱(chēng)BCB)等，經(jīng)過(guò)固化后烘等工藝形成介質(zhì)層。然后 利用化學(xué)機(jī)械拋光使芯片上的金凸點(diǎn)顯露出來(lái)以實(shí)現(xiàn)芯片與外界信號(hào)的層間 垂直互連。隨后利用光刻電鍍等圓片級(jí)工藝形成層內(nèi)無(wú)源器件與有源器件的 平面互連。重復(fù)金凸點(diǎn)層間互連、介質(zhì)層制備和平面互連工藝步驟，可以實(shí) 現(xiàn)多層互連結(jié)構(gòu)。在多層互連結(jié)構(gòu)的最上層還可以制作微型天線(xiàn)或者通過(guò)表 面貼裝工藝(SMT)集成一些分立元器件，實(shí)現(xiàn)模塊的功能化。 本發(fā)明的具體工藝步驟如下
(1) 首先利用熱氧化的方法，在硅基板的正反面制備氧化硅層；
(2) 以氧化硅為掩膜在硅基板的正面進(jìn)行濕法腐蝕，形成具有一定深度的 埋置微波芯片用腔體；腔體的個(gè)數(shù)和大小、深度依所需埋置的微波芯 片而定；
(3) 將硅基板正面用光刻膠保護(hù)，利用濕法腐蝕去除硅片背面的氧化硅層， 利于芯片散熱；
(4) 在硅基板正面濺射一層TiW/Au金屬層，其中TiW層為粘附層，Au層 為種子層；
(5) 利用噴膠機(jī)在Au層上噴涂光刻膠，經(jīng)前烘，曝光，顯影，形成所需 圖形；
(6) 電鍍一定厚度的Au層，然后去除光刻膠，分別利用反鍍和濕法腐蝕 的方法去除種子層金屬和粘附層_金屬，形成所需的接地屏蔽層圖形和植球?qū)?zhǔn)標(biāo)記；；
(7) 將芯片埋置在含有地層金屬的硅基腔體內(nèi)，利用導(dǎo)電膠粘接；
(8) 利用引線(xiàn)鍵合機(jī)在芯片和地層上制備金凸點(diǎn)，并利用劈刀回壓，將金 凸點(diǎn)壓制為圓柱狀；
(9) 涂覆低介電常數(shù)的介質(zhì)層，靜置使其平坦化，后烘；
(10) 利用機(jī)械拋光技術(shù)使金凸點(diǎn)顯露，并控制介質(zhì)層的厚度，實(shí)現(xiàn)層間 垂直互連；
(11) 在介質(zhì)層上濺射種子層金屬，經(jīng)涂膠、曝光、顯影，形成所需布線(xiàn) 圖形；
(12) 電鍍一定厚度的Au層，形成布線(xiàn)層然后去除光刻膠和種子層金屬， 實(shí)現(xiàn)層內(nèi)器件間的平面互連；
(13) 至此完成一層介質(zhì)層/金屬互連結(jié)構(gòu)，重復(fù)8—11步驟可以實(shí)現(xiàn)多層 互連結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的實(shí)際效果在圓片工藝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了微波器件的硅基多芯片封 裝，提高了微波器件封裝的性能和可靠性，減低了封裝的成本。采用引線(xiàn)鍵 合制備金凸點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)芯片間的互連，有效的縮短了互連長(zhǎng)度，降低了寄 生電感和電容，減少了信號(hào)傳輸延遲和能耗，且降低了互連電阻和封裝尺寸; 采用在硅基板上制備地屏蔽層的方式，解決了微波芯片在硅基板應(yīng)用中，損 耗大的缺陷。同時(shí)，硅基板與微波芯片熱膨脹系數(shù)匹配，散熱性能好，有效 的提高了封裝結(jié)構(gòu)的熱可靠性。


圖1是含KOH腐蝕腔體陣列的硅基板正面俯視圖。 圖2是含腔體陣列和地層陣列的硅基板俯視圖。
圖3是芯片埋置后，經(jīng)過(guò)金凸點(diǎn)制備，介質(zhì)層涂覆，以及芯片互連后的 封裝結(jié)構(gòu)俯視圖。
圖4是采用濕法腐蝕制備硅基板和引線(xiàn)鍵合制備金凸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)MMCM互 連的工藝流程圖。其中
圖4-1正面濕法腐蝕形成埋置腔體； 圖4-2光刻電鍍形成接 地屏蔽層；圖4-3微波芯片埋置粘接以及制備金凸點(diǎn)
圖4-4介質(zhì)層涂覆以及化學(xué)機(jī)械拋光，實(shí)現(xiàn)層間垂直互連；
圖4-5沉積種子層金屬，電鍍金屬層，去膠去種子層，形成有源與無(wú)源器
件間的層內(nèi)平面互連；
圖4-6重復(fù)金凸點(diǎn)層間互連、介質(zhì)層制備以及有源與無(wú)源器件的層內(nèi)平
面互連步驟實(shí)現(xiàn)多層互連封裝結(jié)構(gòu)。
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。
在圖1中，在硅基板101的正面是5x5的單元陣列分布，每個(gè)單元內(nèi)有3 個(gè)大小不同的腔體103，適用于不同尺寸芯片的埋置，腔體103是由濕法腐蝕 形成。單元陣列分布不局限于5x5， 5x5只是一個(gè)實(shí)例，且每個(gè)單元內(nèi)的腔體 數(shù)不僅局限于3個(gè)，且大小不同，視埋置的微波芯片而定。
在圖2中，是在含有埋置腔體的硅基板上制備接地屏蔽層201，接地屏蔽 層201是由電鍍法制備而成。
圖3是完成微波芯片301埋置、金凸點(diǎn)制備、單層介質(zhì)層302涂覆以及 MCM互連303的整體封裝結(jié)構(gòu)。
圖4是硅基埋置型MCM多層互連工藝的流程圖。
1. 在硅基板上形成埋置腔體，如圖4-l所示。
(a) 首先通過(guò)熱氧化的方法，在硅基板IOI的正反面制備氧化硅層401;
(b) 旋涂光刻膠402顯影形成需要的圖形，然后以光刻膠402，腐蝕氧化 硅層401形成需要的圖形；
(c) 以氧化硅層401為掩膜在硅基板IOI的正面進(jìn)行KOH或TMAH腐蝕， 形成具有一定深度的腔體103;
(d) 將硅基板101的正面用光刻膠保護(hù)，背面進(jìn)行BOE腐蝕，去除背面 氧化硅層401;
2. 在帶有埋置腔體的硅基板上制備接地屏蔽層，如圖4-2所示。
(e) 濺射種子層金屬403 (TiW/300 500A, Au/800 1000 A)，進(jìn)行光刻膠
404噴涂、曝光顯影，形成地層圖形矛n植球?qū)?zhǔn)標(biāo)記；(f) 電鍍形成3 5)im厚的接地屏蔽層201和植球?qū)?zhǔn)標(biāo)記202，用于實(shí)現(xiàn) 屏蔽作用和金凸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，最后去光刻膠404，去種子層403;
3. 埋置微波芯片、粘接以及引線(xiàn)鍵合金凸點(diǎn)的制備，如圖4-3所示。
(g) 利用導(dǎo)電膠405將微波芯片301埋置在硅基板腔體內(nèi)，高溫固化導(dǎo)電
膠；
(h) 利用引線(xiàn)鍵合機(jī)在微波芯片和地層金屬上制備金凸點(diǎn)406;
4. 介質(zhì)涂覆以及機(jī)械拋光工藝實(shí)現(xiàn)垂直電互連，如圖4-4所示。
(i) 旋涂介質(zhì)層302，涂覆厚度20 30jLim，并靜置使其平坦化，后烘；介 質(zhì)層為液態(tài)或膠狀的PI或BCB;
(j)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，使金凸點(diǎn)406頂部露出，實(shí)現(xiàn)層間垂直 互連；
5. 沉積種子層金屬，實(shí)現(xiàn)芯片與芯片間的金屬層互連，如圖4-5所示。 (k)在介質(zhì)層302上濺射種子層403，旋涂光刻膠402，經(jīng)曝光、顯影，
形成所需布線(xiàn)圖形；
(1)電鍍形成3 5,厚的布線(xiàn)層303,去除光刻膠402，去除種子層403， 用于層內(nèi)器件間的平面互連；
6. 在布線(xiàn)層303上繼續(xù)制備金凸點(diǎn)406，涂覆介質(zhì)層302， 406經(jīng)CMP露 出頂部后，電鍍制備布線(xiàn)層303，重復(fù)上述過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)多層互連封裝結(jié)構(gòu)， 如圖4-6所示。
(m)在完成單層介質(zhì)層涂覆和金屬層布線(xiàn)后，重復(fù)歩驟(h) — (1)，可 以實(shí)現(xiàn)多層互連封裝結(jié)構(gòu)。
10
權(quán)利要求
1、一種硅基埋置型微波多芯組件的多層互連封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的多層互連封裝結(jié)構(gòu)以帶有埋置腔體和接地屏蔽層的硅晶片作為基板，以金凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)層間互連，金屬層和介質(zhì)層交替出現(xiàn)的多層互連結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)封裝。
2、 按權(quán)利要求1所述的硅基埋置型微波多芯組件的多層互連封裝結(jié)構(gòu)， 其特征在于微波芯片通過(guò)導(dǎo)電膠固定在基板的埋置腔體內(nèi)，且微波芯片的上 表面與硅基板的上表面持平。
3、 按權(quán)利要求1所述的硅基埋置型微波多芯組件的多層互連封裝結(jié)構(gòu)， 其特征在于所述的金凸點(diǎn)是以弓I線(xiàn)鍵合機(jī)劈刀回壓技術(shù)制備的。
4、 按權(quán)利要求1所述的硅基埋置型微波多芯組件的多層互連封裝結(jié)構(gòu)， 其特征在于所述的介質(zhì)層材料為低電介常數(shù)的聚酰亞胺或苯并環(huán)丁烯。
5、 按權(quán)利要求1或2所述的硅基埋置型微波多芯組件的多層互連封裝結(jié) 構(gòu)，其特征在于所述的腔體的個(gè)數(shù)、大小及深度依所需埋置的微波芯片而定。
6、 按權(quán)利要求1所述的硅基埋置型微波多芯組件的多層互連封裝結(jié)構(gòu)， 其特征在于在多層互連封裝結(jié)構(gòu)的最上層制作微型天線(xiàn)或通過(guò)表面貼裝工藝 集成分立器件，實(shí)現(xiàn)模塊的功能化。
7、 制備如權(quán)利要求1所述的硅基埋置型微波多芯組件的多層互連封裝結(jié) 構(gòu)的方法，其特征包括(1) 在硅基板上形成埋置腔體；(2) 在帶有埋置腔體的硅基板上制備接地屏蔽層；(3) 埋置微波芯片、粘接和引線(xiàn)鍵合金凸點(diǎn)的制備；(4) 介質(zhì)涂覆和化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)現(xiàn)垂直電互連；(5) 沉積種子層金屬，實(shí)現(xiàn)芯片與芯片間的金屬層互連；(6) 重復(fù)上述引線(xiàn)鍵合金凸點(diǎn)的制備、步驟(4)和步驟(5)實(shí)現(xiàn)多層 互連封裝結(jié)構(gòu)。
8、 按權(quán)利要求7所述的硅基埋置型微波多芯組件的多層互連封裝結(jié)構(gòu)的 制備方法，其特征在于(1) 首先利用熱氧化的方法，在硅基板的正反面制備氧化硅層；(2) 以氧化硅為掩膜在硅基板的正面進(jìn)行濕法腐蝕，形成具有一定深度 的埋置芯片用腔體；(3) 將硅基板正面用光刻膠保護(hù)，利用濕法腐蝕去除硅片背面的氧化硅 層，利于芯片散熱；(4) 在硅基板正面濺射一層TiW/Au金屬層，其中TiW層為粘附層，Au 層為種子層；(5) 利用噴膠機(jī)在Au層上噴涂光刻膠，經(jīng)前烘，曝光，顯影，形成所 需圖形；(6) 電鍍一定厚度的Au層，然后去除光刻膠，分別利用反鍍和濕法腐 蝕的方法去除種子層金屬和粘附層金屬，形成所需的接地屏蔽層圖形和植球 對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；；(7) 將芯片埋置在含有地層金屬的硅基腔體內(nèi)，利用導(dǎo)電膠粘接；(8) 利用引線(xiàn)鍵合機(jī)在芯片和地層上制備金凸點(diǎn)，并利用劈刀回壓，將 金凸點(diǎn)壓制為圓柱狀；(9) 涂覆低介電常數(shù)的介質(zhì)層，靜置使其平坦化，后烘；(10) 利用機(jī)械拋光技術(shù)使金凸點(diǎn)顯露，并控制介質(zhì)層的厚度，實(shí)現(xiàn)層 間垂直互連；(11) 在介質(zhì)層上濺射種子層金屬，經(jīng)涂膠、曝光、顯影，形成所需布 線(xiàn)圖形；(12) 電鍍一定厚度的Au層，形成布線(xiàn)層，然后去除光刻膠和種子層金 屬，實(shí)現(xiàn)器件層內(nèi)間的平面互連；(13) 至此完成一層介質(zhì)層/金屬互連結(jié)構(gòu)，重復(fù)8_11步驟可以實(shí)現(xiàn)多 層互連結(jié)構(gòu)。
9、按權(quán)利要求8所述的硅基埋置型微波多芯組件的多層互連封裝結(jié)構(gòu)的 制備方法，其特征在于(a) 步驟(1)所述的濕法腐蝕是用KOH或TMAH;(b) 步驟4濺射的金屬層中TiW厚度為300-500A; Au的厚度為 800-1000人；(c) 步驟6形成的接地屏蔽層厚度為3-5tim;(d) 步驟6形成的植球?qū)?zhǔn)標(biāo)記用于金凸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)；(e) 步驟9所述的涂覆的低介電常數(shù)的介質(zhì)層厚度為20-30um;呈液態(tài) 或膠態(tài)；(f) 步驟12所述的布線(xiàn)層厚度為3-5um。
全文摘要
本發(fā)明提供一種以硅片為基板的埋置微波多芯片多層互連封裝結(jié)構(gòu)及制作方法。其特征在于利用低成本的硅片作為芯片埋置基板，以引線(xiàn)鍵合植球技術(shù)制備金凸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)微波芯片間的短距離互連，以低介電常數(shù)的液態(tài)或膠狀聚合物作為介質(zhì)層，通過(guò)光刻、電鍍、化學(xué)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)，以及有源器件和無(wú)源器件的系統(tǒng)集成。整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)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)H01L23/522GK101656244SQ20091005461
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