專利名稱：使用光敏bcb為介質(zhì)層的圓片級(jí)mmcm封裝結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用大厚度光敏BCB為介質(zhì)層的圓片級(jí)MMCM封裝結(jié)構(gòu)及方法，屬 于高密度封裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微波多芯片組件(Microwave Multichip Module，縮寫為MMCM)是指一種應(yīng)用于 高頻領(lǐng)域的多芯片模塊，是為了滿足相控陣?yán)走_(dá)T/R組件小型化的需求而發(fā)展和成熟起來 的一種新型組裝技術(shù)。MCMM將多個(gè)匪IC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) 的封裝模式，MMCM省去了單個(gè)MMIC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、I/O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，是實(shí)現(xiàn)器件小型化、輕量化、多功能化、高可靠、高性能的有效途徑，被美國(guó) 列為90年代軍工六大關(guān)鍵技術(shù)之一。在高頻系統(tǒng)應(yīng)用中，為了降低RC延時(shí)及功率損耗，一方面可以采用低電阻率金 屬，降低互連電阻；另一方面可以降低介質(zhì)層帶來的寄生電容C。而后者減小互連延遲的效 果更明顯。MMCM通常采用兩種方式來降低寄生電容C帶來的微波損耗1.采用低介電常數(shù) (低k)的材料作為介質(zhì)層；2.增加介質(zhì)層厚度。通常使用的低k材料大致上可以分為無機(jī) 和有機(jī)兩類。無機(jī)類如二氧化硅(Si02)，氟氧化硅(SiOF)、碳氧化硅(SiOC)、非晶氟化碳 (a-C:F)等，；有機(jī)類低k材料種類繁多，性質(zhì)各異，其中以低k聚合物材料居多，較常用的 有聚酰亞胺(PI)，苯并環(huán)丁烯(BCB)等。有機(jī)低k材料殘余應(yīng)力小、平整度高、熱穩(wěn)定性 好，因此具有很大的應(yīng)用潛力。在未來的微波器件封裝研究中，以有機(jī)聚合物作為絕緣層介 質(zhì)是很有必要的。而增加介質(zhì)層進(jìn)厚度一步提高了 MMCM封裝的微波性能。BCB具有低介電常數(shù)、低介電損耗、低的吸濕率、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及 高的薄膜平整度，低的固化溫度等優(yōu)良的加工性能。綜合性能優(yōu)異的BCB樹脂是目前比較 常用的MMCM介質(zhì)層材料。BCB分為光敏BCB和干刻BCB兩種，使用干刻BCB的MCM可以制 造大深寬比的層間通孔，但工藝較復(fù)雜成本較高，而使用光敏BCB的MCM工藝與微電子工藝 相兼容，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本也較低。大厚度的BCB介質(zhì)層有望可以進(jìn)一步減小MMCM封裝 的損耗。目前常用的BCB厚度僅為Ium IOum/層，若要滿足高頻應(yīng)用BCB的厚度應(yīng)達(dá)到 15um以上，而當(dāng)下使用BCB作為介質(zhì)層的MCM封裝中，BCB厚度往往在15um以下，不能滿足 微波系統(tǒng)封裝的損耗要求。

發(fā)明內(nèi)容
為滿足MMCM高密度封裝在保證成品率和可靠性的基礎(chǔ)上達(dá)到毫米波段的更小損 耗，必須在封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和介質(zhì)層選擇上慎重考慮。本發(fā)明提出了使用大厚度(25μπι以 上)的具有低介電常數(shù)的光敏BCB為介質(zhì)層的圓片級(jí)MMCM封裝結(jié)構(gòu)及方法。該結(jié)構(gòu)不僅能夠利用硅基板上腐蝕的淺槽埋置單片微波集成芯片(MMIC)，達(dá)到很好的散熱效果；而且 能夠利用多層大厚度光敏BCB和微帶線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多層高密度圓片級(jí)封裝，并利用地屏蔽層 來減小在硅基板上的損耗，滿足了微波段應(yīng)用的性能要求；采用了金屬層和介質(zhì)層交替出 現(xiàn)形成的多層互連結(jié)構(gòu)，微波無源器件可直接集成在多層介質(zhì)層上，也可表貼于封裝結(jié)構(gòu) 表面，提高了器件集成度，并與集成電路工藝相兼容；另外，使用在BCB上光刻顯影形成的 椎臺(tái)形通孔與電鍍工藝相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了多層互連，有效地降低了工藝復(fù)雜度和工藝周期，提 高了封裝密度和生產(chǎn)效率，降低了成本。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是先在硅基板上濕法腐蝕(Κ0Η或 TMAH)或干法刻蝕出具有一定深度的芯片埋置用腔體；濺射或蒸發(fā)金屬種子層、光刻并電 鍍金屬地屏蔽層GND，離子刻蝕去除種子層；埋入匪IC芯片，使用導(dǎo)電膠粘接芯片底部 與基板；涂覆20 μ m 35 μ m的光敏BCB并光刻顯影出互連通孔圖形；固化并使用02/ SF6(5 1)氣體去除殘余物；濺射或蒸發(fā)金屬種子層、光刻、電鍍金屬，實(shí)現(xiàn)芯片引出與第 一層BCB介質(zhì)層上的圖形，離子刻蝕去除種子層；涂覆BCB，按第一層的方式完成第二層及 以上各層互連，實(shí)現(xiàn)多層MMCM封裝。在多層互連結(jié)構(gòu)中還可以集成電容、電阻、電感、功分 器和天線等無源器件，或者通過表面貼裝工藝(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.利用熱氧化在硅基板的正反面制備氧化硅層；2.涂光刻膠光刻，形成氧化硅腐蝕掩模，并腐蝕去除氧化硅，形成腔體腐蝕窗口。3.以氧化硅為掩膜在硅基板的正面進(jìn)行濕法腐蝕或干法刻蝕，形成平面尺寸與埋 置芯片相當(dāng)，厚度比其略深5 10 μ m的腔體；4.硅基板正面用光刻膠保護(hù)，濕法腐蝕去除背面氧化層，利于芯片散熱；5.在硅基板正面濺射或蒸發(fā)一層TiW/Au金屬層，其中TiW層為粘附層，Au層為種 子層；6.使用噴膠機(jī)在Au層上噴涂光刻膠，光刻、顯影形成所需電鍍掩模圖形；7.電鍍3 4 μ m的Au層，然后去除光刻膠，利用離子刻蝕(ibeam)方法去除種子 層金屬和粘附層金屬，形成所需的地屏蔽層；8.將MMIC芯片埋置入硅基腔體內(nèi)，利用導(dǎo)電膠粘接9.光敏BCB介質(zhì)層制備工藝1)表面處理，增加粘附為實(shí)現(xiàn)更好的硅片/BCB粘附性能，必須先對(duì)硅基板進(jìn)行表面處理。將硅片用水清 洗并甩干后，使用A或隊(duì)等離子清潔表面。在涂膠前在熱板上烘數(shù)十秒或使用增粘劑以進(jìn) 一步提高粘附性?；霉饷鬊CB光刻i.懸涂25 30um光敏BCB，靜置10 20分鐘使其平坦，在110°C熱板上前烘90
秒，清邊；ii.根據(jù)公式D= [l{t)dt (D 曝光劑量，I(t)光強(qiáng))計(jì)算光刻時(shí)間，并曝光；iii.曝光后將硅片放在90°C熱板上烘60秒；iv.在40°C的BCB顯影液DS3000中顯影5 7分鐘，甩干或吹干；
v.在熱板上烘60秒定型(可選)vi.檢查。3)固化并清除殘余有機(jī)物4)在200°C回流爐中固化40分鐘，達(dá)到60%的固化率，以適應(yīng)多層互連的可靠性 要求。5)使用體積比為5 1的02/SF6混合氣體進(jìn)行表面清潔，去除顯影過程中殘余的 有機(jī)物。6)幾點(diǎn)注意事項(xiàng)i.對(duì)于BCB下有金屬層的情況，應(yīng)適當(dāng)減少曝光量，以避免過曝ii.因?yàn)橹暗腂CB對(duì)光線有吸收作用，對(duì)于第二層或以上層的BCB應(yīng)適當(dāng)增加曝光量。iii.顯影后甩干不可與水接觸，否則會(huì)影響圖形的精度。iv.固化溫度和時(shí)間不可過高，防止BCB開裂。10.在介質(zhì)層上濺射或蒸發(fā)種子層金屬，經(jīng)光刻、顯影形成所需第一層布線的電鍍 掩模圖形。11.電鍍3 4 μ m的Au層，然后去除光刻膠，利用離子刻蝕(ibeam)方法去除種 子層金屬，實(shí)現(xiàn)芯片間的平面互連以及芯片與第一層布線的連接；12.制備非Au材料無源器件，重復(fù)9 11步驟可以實(shí)現(xiàn)多層互連結(jié)構(gòu)。由上述工藝制作的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于1)在硅基板上制作出帶有埋置腔體和金屬地屏蔽層；2)使用光敏BCB作為介質(zhì)層，利用光刻顯影工藝在BCB形成互連通孔結(jié)構(gòu)；3)金屬層和介質(zhì)層交替出現(xiàn)形成多層互連封裝結(jié)構(gòu)。所述的埋置腔體通過濕法腐蝕或干法刻蝕的方法形成，地屏蔽層通過電鍍形成。所述的介質(zhì)層厚度為20-35 μ m。微波無源器件直接集成在介質(zhì)層上，或表貼于封裝結(jié)構(gòu)表面。多層互連的通孔呈錐臺(tái)型。所述的介質(zhì)層厚度為20-35 μ m。本發(fā)明的實(shí)際效果在圓片級(jí)封裝的基礎(chǔ)上利用大厚度的低介電常數(shù)介質(zhì)層材料 光敏BCB實(shí)現(xiàn)了微波芯片和器件的硅基MCM高密度封裝，提高了微波器件封裝的性能和可 靠性，降低了工藝復(fù)雜度和封裝成本。采用在介質(zhì)層光刻出互連通孔，濺射電鍍金屬形成互 連結(jié)構(gòu)，與微電子工藝相兼容；同時(shí)，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。硅基板與微波芯片熱膨脹系數(shù)匹配，散熱性能好，有效 地提高了封裝結(jié)構(gòu)的熱可靠性。


圖1是含腐蝕埋置腔體陣列的硅基板正面俯視圖。圖2是含腔體和地屏蔽層的硅基板俯視圖。圖3是芯片埋置后，經(jīng)過BCB涂覆光刻顯影以及互連圖形、無源器件制備后的封裝 結(jié)構(gòu)俯視圖。
圖4是硅基板上使用大厚度光敏BCB為介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)MMCM高密度封裝的工 藝流程圖。圖4-1正面濕法腐蝕或干法刻蝕形成埋置腔體；其中，(a)在硅基板101的正反面 表面制備氧化硅層；(b)旋鍍光刻膠，腐蝕氧化硅層形成圖形；(c)形成腔體；(d)去除反面 SiO2 層。圖4-2光刻電鍍形成接地屏蔽層；其中，(a)形成掩膜圖形；(b)形成地屏蔽層。圖4-3微波芯片埋置、粘接。圖4-4涂覆光敏BCB介質(zhì)層、光刻、顯影和固化，形成通孔圖形；其中，(a)涂覆厚 的BCB介質(zhì)層；(b)BCB介質(zhì)層光刻顯影和固化。圖4-5 (a)沉積種子層金屬；(b)懸涂光刻膠；(c)電鍍金屬層，去膠去種子層，形 成有源與無源器件間的層內(nèi)平面互連。圖4-6重復(fù)涂覆BCB介質(zhì)層、光亥lj、濺射或蒸發(fā)種子層、電鍍等步驟，形成第二及以 上層有源與無源器件的層內(nèi)平面互連，以實(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4X4的單元陣列分布，每個(gè)單元內(nèi)有2個(gè)大小 不同的腔體，適用于不同尺寸芯片的埋置。由于這兩個(gè)腔體的制備方法相同，在實(shí)施例中以 較大腔體104為例，腔體104是由濕法腐蝕或干法刻蝕形成。在圖2中，是在含有埋置腔體的硅基板上制備地屏蔽層201，地屏蔽層201是由電 鍍的方法制備而成。圖3是完成微波芯片301埋置、單層BCB介質(zhì)層401涂覆以及MCM互連404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.制備帶有腔體的硅基板，如圖4-1所示。a)通過熱氧化的方法，在硅基板101的正反面制備氧化硅層102 ；b)旋涂光刻膠103，顯影形成需要的圖形，然后以光刻膠103為掩模，腐蝕氧化硅 層102形成需要的圖形；c)以氧化硅層102為掩膜在硅基板101的正面進(jìn)行KOH腐蝕或干法刻蝕，形成具 有一定深度的埋置腔體104 ；d)將硅基板101的正面用光刻膠保護(hù)，對(duì)背面進(jìn)行腐蝕，去除反面氧化硅層102 ；2.在硅基板上制備地屏蔽層，如圖4-2所示。a)濺射或蒸發(fā)種子層金屬200 (Tiff :200人,Au :800 1000 A )，進(jìn)行光刻膠103噴涂、曝光顯影，形成電鍍掩模圖形；b)電鍍形成3 4μπι厚的地屏蔽層201，去除光刻膠103，去種子層200 ；3.微波芯片(MMIC)埋置、粘接，如圖4-3所示。利用高溫固化導(dǎo)電膠302將微波芯片301埋置在硅基板腔體104內(nèi)，高溫固化導(dǎo) 電膠302 ；
4.涂覆光敏BCB，光刻顯影，形成通孔圖形，如圖4-4所示。a)涂覆25 30 μ m的光敏BCB介質(zhì)層401，BCB厚度與涂膠過程中的轉(zhuǎn)速和時(shí)間 有關(guān)，如表1所示，將BCB在水平處?kù)o置10 20分鐘，前烘；b)光刻、顯影，在介質(zhì)層401上形成通孔圖形402，使用體積比為5 1的02/SF6 混合氣體清潔通孔402表面，去除殘余有機(jī)物，并固化；5.濺射或蒸發(fā)種子層金屬，光刻電鍍完成第一層金屬布線，實(shí)現(xiàn)芯片間互連和部 分無源器件結(jié)構(gòu)，如圖4-5所示。a)濺射或蒸發(fā)種子層金屬403 (Cr :500 A, Au :3000 A )；b)懸涂光刻膠103，光刻顯影，形成所需圖形；c)電鍍形成3 4 μ m厚的金屬布線404，去除光刻膠103，去種子層403，實(shí)現(xiàn)芯 片間互連和無源器件結(jié)構(gòu)；6.制備非Au材料無源器件，在第一層布線404上重復(fù)上述過程，實(shí)現(xiàn)帶有多層布 線和無源器件高密度MMCM封裝結(jié)構(gòu)。a)制備非金材料無源器件405b)在第一層布線404上重復(fù)上述步驟4和5工藝過程，實(shí)現(xiàn)無源器件多層布線和 無源器件結(jié)構(gòu)。表IBCB厚度與轉(zhuǎn)速、時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種使用光敏BCB為介質(zhì)層的圓片級(jí)MMCM封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于1)在硅基板上制作出帶有埋置腔體和金屬地屏蔽層；2)使用光敏BCB作為介質(zhì)層，利用光刻顯影工藝在BCB形成互連通孔結(jié)構(gòu)；3)金屬層和介質(zhì)層交替出現(xiàn)形成多層互連封裝結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的埋置腔體通過濕法腐蝕或干法 刻蝕的方法形成，地屏蔽層通過電鍍形成。
3.按照權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的介質(zhì)層厚度為20-35μ m。
4.按權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于微波無源器件直接集成在介質(zhì)層上，或 表貼于封裝結(jié)構(gòu)表面。
5.按權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于多層互連的通孔呈錐臺(tái)型。
6.按權(quán)利要求3所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的介質(zhì)層厚度為20-30μ m。
7.制作如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的封裝結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于先在硅基板上濕 法腐蝕或干法刻蝕出具有一定深度的芯片埋置用腔體；濺射或蒸發(fā)金屬種子層、光刻并電 鍍金屬地屏蔽層，離子刻蝕去除種子層；埋入微波芯片；用導(dǎo)電膠粘接芯片底部與基板；涂 覆光敏BCB并光刻顯影出互連通孔圖形；固化并使用體積比為5 1的02/SF6混合氣體去 除殘余物；濺射或蒸發(fā)金屬種子層、光刻、電鍍金屬，實(shí)現(xiàn)芯片引出與第一層BCB介質(zhì)層上 的圖形，離子刻蝕去除種子層；涂覆BCB，按第一層的方式完成第二層及以上各層互連，實(shí) 現(xiàn)多層MMCM封裝。
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于具體步驟為1)制備帶有腔體的硅基板a)通過熱氧化的方法，在硅基板的正反面制備氧化硅層；b)旋涂光刻膠，顯影形成需要的圖形，然后以光刻膠為掩模，腐蝕氧化硅層形成需要的 圖形；c)以氧化硅層為掩膜在硅基板的正面進(jìn)行KOH或TMAH腐蝕或干法刻蝕，形成具有一定 深度的埋置腔體；d)將硅基板的正面用光刻膠保護(hù)，對(duì)背面進(jìn)行腐蝕，去除反面氧化硅層；2)在硅基板上制備地屏蔽層a)濺射或蒸發(fā)種子層金屬TiW:200入和Au :800-1000 A，進(jìn)行光刻膠噴涂、曝光顯 影，形成電鍍掩模圖形；b)電鍍形成3 4μ m厚的地屏蔽層，去除光刻膠和種子層；3)微波芯片匪IC埋置、粘接利用高溫固化導(dǎo)電膠將微波芯片埋置在硅基板腔體內(nèi)，高溫固化導(dǎo)電膠；4)涂覆光敏BCB，光刻顯影，形成通孔圖形a)涂覆光敏BCB介質(zhì)層，涂覆后將BCB在水平處?kù)o置10 20分鐘并前烘；b)光刻、顯影，在介質(zhì)層上形成通孔圖形，使用體積比為5 1的02/SF6混合氣體清潔 通孔表面，去除殘余有機(jī)物，并固化；5)濺射或蒸發(fā)種子層金屬，光刻電鍍完成第一層金屬布線，實(shí)現(xiàn)芯片間互連和部分無 源器件結(jié)構(gòu)a)濺射或蒸發(fā)種子層金屬Cr500 A和Au 3000 A;b)懸涂光刻膠，光刻顯影，形成所需圖形；c)電鍍形成3 4μ m厚的金屬布線，去除光刻膠和種子層，實(shí)現(xiàn)芯片間互連和無源器 件結(jié)構(gòu)；6)制備非Au材料無源器件，在第一層布線上重復(fù)上述過程，實(shí)現(xiàn)帶有多層布線和無源 器件高密度MMCM封裝結(jié)構(gòu)。a)制備非金材料無源器件；b)在第一層布線上重復(fù)上述步驟4和5工藝過程，實(shí)現(xiàn)無源器件多層布線和無源器件 結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于①步驟4(a)中前烘是在110°C熱板上，前烘90秒；②步驟4(b)中固化是在200°C回流爐中固化40分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光敏BCB為介質(zhì)層的圓片級(jí)MMCM封裝結(jié)構(gòu)及方法，其特征在于1)在硅基板上制作出帶有埋置腔體和金屬地屏蔽層；2)使用光敏BCB作為介質(zhì)層，利用光刻顯影工藝在BCB形成互連通孔結(jié)構(gòu)；3)金屬層和介質(zhì)層交替出現(xiàn)形成多層互連封裝結(jié)構(gòu)。所述的方法是在硅基板上腐蝕或刻蝕出埋置用腔體，濺射金屬種子層并電鍍形成GND，埋入MMIC芯片，使用導(dǎo)電膠粘結(jié)芯片與基板，涂敷光敏BCB并光刻顯影出互連通孔圖形，固化等工藝步驟，實(shí)現(xiàn)多層MMCM封裝。所述的介質(zhì)層厚度為20-35μm。在多層互連結(jié)構(gòu)中還可集成電容、電阻、電感、功分器和天線無源器件，或者通過表面貼裝工藝集成分立元器件，實(shí)現(xiàn)模塊的功能化。
文檔編號(hào)H01L23/528GK102110673SQ201010523659
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者徐高衛(wèi), 湯佳杰, 羅樂, 袁媛 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