專利名稱：金屬芯襯底封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于微電子封裝的承載襯底，尤其涉及具有金屬芯的承載襯底。
背景技術(shù)：
微電子封裝包括與承載襯底電氣連接的微電子管芯(die)以及相關(guān)聯(lián)的其他元件，比如電氣互連、管芯蓋(lid)、散熱器件，及其它。微電子封裝的一個(gè)例子是集成電路微處理器。承載襯底提供導(dǎo)電通道，微電子管芯的微電路通過這些通道與系統(tǒng)基板連通(communicate)。系統(tǒng)基板，例如母板，是電子元件(比如微電子封裝)在其上面互連的平臺(tái)。所述系統(tǒng)板提供了電氣通道，元件通過這些通道連通。
現(xiàn)在所使用的大多數(shù)承載襯底都是基于有機(jī)復(fù)合物芯的，比如玻璃纖維增強(qiáng)的還氧復(fù)合物芯襯底。該芯作為基礎(chǔ)或者中心層，襯底薄層(lamina)被施加在其上。襯底薄層是指用于建立承載襯底的材料層或者材料薄片。有機(jī)芯承載襯底提供了電介質(zhì)材料的中央芯，其具有突出的介電性質(zhì)，但是具有特定的封裝技術(shù)所不期望的機(jī)械性質(zhì)。尤其是，剛性(stiffness)低，并且熱膨脹系數(shù)(CTE)相對(duì)較高。由于操作以及CTE失配的原因，這在微電子管芯和容納結(jié)構(gòu)負(fù)荷的承載襯底之間的互連上造成了負(fù)擔(dān)。
有機(jī)芯承載襯底具有典型的9Gpa的彈性模量。該模量不足以抵抗微電子器件在制備和測試過程中以及從消費(fèi)者操作和拔插活動(dòng)中所經(jīng)受的結(jié)構(gòu)負(fù)荷狀況。在某些負(fù)荷狀況下，承載襯底在剛性微電子管芯下彎曲，將拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和/或壓應(yīng)力加在將元件耦合在一起的互連材料上以及該微電子管芯上。例如，在封裝裝配中所遭遇到的典型負(fù)荷可以超過互連材料的強(qiáng)度而導(dǎo)致電連接的失效，或者超過微電子管芯的強(qiáng)度而導(dǎo)致管芯分層(delaminate)。在微電子管芯和承載襯底之間的彎曲彈性模量(flexural modulus ofelasticity)(材料剛性的一個(gè)指標(biāo))失配呈現(xiàn)出在微電子封裝可靠性方面的挑戰(zhàn)。
另外，有機(jī)芯承載襯底不具有足以抵抗由于CET在互連的微電子管芯和承載襯底之間的失配所導(dǎo)致的彎曲的彎曲彈性模量；通常，翹曲(warpage)能夠被觀察到。微電子管芯典型地具有大約3ppm/C的CET，基于還氧玻璃的承載襯底具有大約16至21ppm/C范圍內(nèi)的CET，這取決于玻璃纖維織物、樹脂系統(tǒng)以及銅含量。在CET上的失配影響熱驅(qū)動(dòng)應(yīng)力(thermally driven stress)并且可以在許多方面影響封裝的可靠性。
在某些方式中，所有的微電子封裝技術(shù)都受到結(jié)構(gòu)負(fù)荷以及由CET失配造成的應(yīng)力的影響。而且，與需要高I/O數(shù)目以及大的微電子封裝和微電子管芯尺寸相反，這些熱驅(qū)動(dòng)應(yīng)力隨芯片尺寸而增加。與引線結(jié)合(wirebond)或者帶式自動(dòng)結(jié)合(TAB)連接(attachment)不同，倒裝芯片陣列(FCA)封裝，例如，要求封裝技術(shù)在微電子管芯的整個(gè)面上形成和維持在微電子管芯和承載襯底之間的電氣互連。
耦合到承載襯底的加強(qiáng)板(stiffening plate)已被用于增強(qiáng)承載襯底以抵抗機(jī)械以及熱負(fù)荷的影響。但是，外部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的使用增加了微電子封裝的成本，以及減少了承載襯底上可用于微電子管芯和元器件連接的表面面積的總量。
承載襯底的設(shè)計(jì)和材料特征在微電子封裝的電氣性能中扮演關(guān)鍵的角色。功率傳輸、電壓衰頹以及電磁干擾(EMI)是在承載襯底層面上需要處理的主要顧慮中的三個(gè)。交流(AC)的性能是以電流隨時(shí)間的變化(di/dt)或開關(guān)噪聲來度量的。芯電源噪聲在某些場合被測量，這些場合被稱為“第一衰頹”、“第二衰頹”以及“第三衰頹”。第一衰頹通常通過有效設(shè)置高頻管芯上(on-die)的解耦電容器以及中頻封裝上(on-package)的解耦電容器而得到緩解。第二衰頹被封裝級(jí)(package-level)以及低頻系統(tǒng)基板的解耦所影響，第三衰頹被系統(tǒng)基板解耦以及電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)的設(shè)置所影響。要求解耦電容與微電子管芯緊密接近，這減少了承載襯底上可用于微電子管芯的空間。
由于di/dt開關(guān)所產(chǎn)生的電壓噪聲與Ldi/dt成比例，這里的L代表電源回路電感。用于緩解該電感的電源傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對(duì)于微電子封裝設(shè)計(jì)是關(guān)鍵性的。在承載襯底設(shè)計(jì)過程中，在正確設(shè)置電源和接地面、電源和接地通路(via)、以及電容中的盤(in-capacitor pad)的設(shè)計(jì)方面需要仔細(xì)考慮，以確保低電感的電源傳輸回路。
電源傳輸網(wǎng)絡(luò)的回路電感受到分立電容的位置和取向的影響，所述分立電容是用來解耦微電子封裝的各種元件的。但是，在電容、互連盤、電源和接地面，以及電源和接地總線之間的互感可以顯著地降低電容的總有效電感。并且，需要另外的電容來控制回路電感，這提高了微電子封裝的成本和復(fù)雜性。
因?yàn)樯鲜龅脑蛞约跋旅骊愂龅钠渌?，在閱讀和理解本說明書時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，以下內(nèi)容將變得明顯，即在本領(lǐng)域的存在一個(gè)顯著的需求，也就是需要一種來能解決與復(fù)合物芯襯底相關(guān)聯(lián)的局限性和不期望的特征的微電子承載襯底。
附圖簡述

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的剛性金屬芯承載襯底的剖面圖；圖2是公知的2-2-2有機(jī)芯承載襯底的剖面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方案的剛性金屬芯承載襯底的剖面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方案的剛性金屬芯承載襯底的剖面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的剛性金屬芯承載襯底制造方法的實(shí)施方案的流程圖6A-C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案所制造的剛性金屬芯承載襯底在生產(chǎn)的各種階段的剖面圖；圖7是對(duì)于有機(jī)芯承載襯底和根據(jù)本發(fā)明的金屬芯承載襯底，模擬的和測得的的性能數(shù)據(jù)表；以及圖8是對(duì)有機(jī)芯承載襯底與根據(jù)本發(fā)明的金屬芯承載襯底所測量得的性能數(shù)據(jù)表。
具體實(shí)施例方式
在以下的詳細(xì)描述中，參照作為本文組成部分的附圖，其中，同樣的數(shù)字始終表示同樣的部分，并且以說明的方式顯示了本發(fā)明可以在其中實(shí)施的具體實(shí)施方案。應(yīng)該可以理解，可以利用其他的實(shí)施方案，并且在沒有偏離本發(fā)明范圍的情況下，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)或邏輯的變化。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案提供了承載襯底以及制造用于微電子封裝中含有剛性金屬芯的承載襯底的方法。該承載襯底適合于擁有比常規(guī)的有機(jī)芯承載襯底更大的彎曲彈性模量。這種承載襯底包括金屬片(metal sheet)，所述金屬片在每一面具有至少一個(gè)導(dǎo)電層以及至少一個(gè)使所述導(dǎo)電層和所述金屬片電絕緣的電介質(zhì)層。金屬片每一面上的導(dǎo)電層由鍍覆通孔(PTH)互連，這些通孔延伸通過金屬片和電介質(zhì)層，并且與所述金屬片絕緣。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的剛性金屬承載襯底10的剖面圖。承載襯底10包括金屬芯110；一個(gè)電介質(zhì)層120，它與一個(gè)導(dǎo)電層130以及金屬芯110的第一芯表面112鄰接；一個(gè)電介質(zhì)層121，它與一個(gè)導(dǎo)電層131和金屬芯110的第二芯表面113鄰接；以及至少一個(gè)鍍覆通孔(PTH)100。每個(gè)PTH 100包括電介質(zhì)襯102，它與導(dǎo)電襯(liner)103以及芯通孔(CTH)117的芯通孔壁114鄰接。導(dǎo)電襯103適合于在金屬芯110的相對(duì)側(cè)上相應(yīng)的導(dǎo)電層130、131之間建立電氣互連。電介質(zhì)襯102適合于使導(dǎo)電襯103與金屬芯110絕緣。提供導(dǎo)電層130、131以在電介質(zhì)層120、121上產(chǎn)生預(yù)定的導(dǎo)電圖形，有選擇地使PTH 100互相隔離。金屬芯110適合于具有超過20Gpa的彎曲彈性模量。
圖2是公知的2-2-2有機(jī)芯承載襯底20的剖面圖。與圖1中所示的金屬芯承載襯底10形成對(duì)照，該有機(jī)芯承載襯底包括電介質(zhì)芯210；形成在第一電介質(zhì)芯表面212上的三個(gè)導(dǎo)電層230、232、234和三個(gè)電介質(zhì)層220、222、224；形成在第二電介質(zhì)芯表面223上的三個(gè)導(dǎo)電層231、233、235和三個(gè)電介質(zhì)層221、223、225；以及至少一個(gè)PTH 200。每一個(gè)導(dǎo)電層230、231、232、233、234被設(shè)置與至少一個(gè)電介質(zhì)層220、221、222、223、224、225和/或第一和第二電介質(zhì)芯表面212、223鄰接。
每個(gè)PTH 200包括在電介質(zhì)芯通孔217的電介質(zhì)芯通孔壁214上的導(dǎo)電襯203。導(dǎo)電襯203適合于在電介質(zhì)芯210的相對(duì)側(cè)上相應(yīng)的導(dǎo)電層230、231之間建立電氣互連。導(dǎo)電層230、231、232、233、234和電介質(zhì)層220、221、222、223、224、225被提供來產(chǎn)生預(yù)定的導(dǎo)電圖形，所述導(dǎo)電圖形適合于在承載襯底30內(nèi)部以及其上面產(chǎn)生單個(gè)的和隔離的導(dǎo)電路徑。每個(gè)在電介質(zhì)芯210中形成的PTH200用電介質(zhì)材料的栓204填充。
承載襯底通常以三位數(shù)字的標(biāo)記來識(shí)別。例如，用于如圖2所示的有機(jī)芯承載襯底的“2-2-2”標(biāo)記被用來指明出現(xiàn)在特定的承載襯底中的導(dǎo)電層的數(shù)目。第二位數(shù)字表明在被PTH的長度所橫越的區(qū)域中導(dǎo)電層的數(shù)目，包括與PTH直接接觸的兩個(gè)導(dǎo)電層。第一和第三位數(shù)字代表在被PTH橫越的區(qū)域之外導(dǎo)電層的數(shù)目。參照有機(jī)芯承載襯底20，中間的數(shù)字可識(shí)別出沿PTH 200的長度有兩個(gè)導(dǎo)電層230、231。第一和第三位數(shù)字代表在PTH200之外的任一側(cè)的導(dǎo)電層232、234；233、235的數(shù)目。
再次參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的剛性金屬芯承載襯底10具有鄰近PTH的3導(dǎo)電層標(biāo)記(X-3-X)，而有機(jī)芯承載襯底具有2(X-2-X)。相對(duì)于有機(jī)芯承載襯底而言，這樣的設(shè)置提供了眾多結(jié)構(gòu)性和電氣方面的益處，這將在下面討論。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案的1-3-1剛性金屬芯承載襯底30的剖面圖。承載襯底30包括金屬芯110；與兩導(dǎo)電層130、132和/或金屬芯110的第一芯表面112鄰接的三個(gè)電介質(zhì)層120、122、124；與兩導(dǎo)電層131、133和/或金屬芯110的第二芯表面123鄰接的三個(gè)電介質(zhì)層121、123、125；以及至少一個(gè)PTH 100。每個(gè)電介質(zhì)層120、121、122、123、124、125被設(shè)置在一個(gè)導(dǎo)電層130、131、132、133和/或金屬芯110之間。
每個(gè)PTH 100包括與導(dǎo)電襯103以及CTH 117的CTH壁114鄰接的電介質(zhì)襯102。導(dǎo)電襯103適合在金屬芯110的相對(duì)側(cè)上相應(yīng)的導(dǎo)電層130、131之間建立電氣互連。電介質(zhì)襯102適合于使導(dǎo)電襯103與金屬芯110電絕緣。每個(gè)形成在金屬芯110中的PTH 100用電介質(zhì)材料栓104填充。導(dǎo)電層130、131、132、133、和電介質(zhì)層120、121、122、123、124、125被提供來產(chǎn)生預(yù)定的導(dǎo)電圖形，該導(dǎo)電圖形適合于在承載襯底30內(nèi)部以及其上面產(chǎn)生單個(gè)的和隔離的導(dǎo)電路徑。金屬芯110適合于具有超過20Gpa的彎曲彈性模量。
特別地，在多個(gè)PTH 100之中，第一PTH 100A經(jīng)導(dǎo)電層130以及層間互連139與導(dǎo)電層132暴露的第一部分132A電連通。第一PTH 100A經(jīng)導(dǎo)電層131以及層間互連139與導(dǎo)電層133暴露的第二部分133A電連通，這提供了承載襯底第一側(cè)32與承載襯底第二側(cè)34之間的電連通路徑。暴露的第一部分132A與暴露的第二部分133A適合于為與電子元件的互連提供互連盤(pad)，這些電子元件比如，但不限于形成微電子器件的微電子管芯；形成球柵陣列封裝的互連材料；以及形成引線柵格陣列封裝的互連引線(pin)。承載襯底第一與第二側(cè)32、34上的電介質(zhì)層124、125在承載襯底30的一些應(yīng)用中被用作抗焊層(solder resist)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方案的2-3-2剛性金屬芯承載襯底40的剖面圖。承載襯底40包括金屬芯110；四個(gè)電介質(zhì)層120、122、124、126，它們與三個(gè)導(dǎo)電層130、132、134和/或金屬芯110的第一芯表面112鄰接；四個(gè)電介質(zhì)層121、123、125、127，它們與三個(gè)導(dǎo)電層131、133、135和/或金屬芯110的第二芯表面123鄰接；以及至少一個(gè)PTH100。每個(gè)電介質(zhì)層120、121、122、123、124、125、126、127被設(shè)置在一個(gè)導(dǎo)電層130、131、132、133、134、135和/或金屬芯110之間。
每個(gè)PTH 100包括與導(dǎo)電襯103以及CTH117的CTH壁114鄰接的電介質(zhì)襯102。導(dǎo)電襯103適合于在金屬芯110的相對(duì)側(cè)上相應(yīng)的導(dǎo)電層130、131之間建立電氣互連。電介質(zhì)襯102適合于使導(dǎo)電襯103和金屬芯110電絕緣。每個(gè)形成在金屬芯110中的PTH100用電介質(zhì)材料栓104填充。導(dǎo)電層130、131、132、133、134、135和電介質(zhì)層120、121、122、123、124、125、126、127被提供來產(chǎn)生預(yù)定的導(dǎo)電圖形，該導(dǎo)電圖形適合于在承載襯底40內(nèi)部和/或其上面產(chǎn)生單個(gè)的和隔離的導(dǎo)電路徑。金屬芯110適合于具有超過20Gpa的彎曲彈性模量。
外電介質(zhì)層126、127中的預(yù)定圖形形成開口以暴露下面的導(dǎo)電層132、133的部分。第一PTH 100A經(jīng)導(dǎo)電層130、層間互連139以及導(dǎo)電層132與導(dǎo)電層134暴露的第一部分134A電連通。導(dǎo)電層135暴露的第二部分135A經(jīng)導(dǎo)電層131、層間互連139以及導(dǎo)電層133，在承載襯底第一表面42與承載襯底第二表面44之間提供電連通路徑。暴露的第一部分134A和暴露的第二部分135A適合于為與電子元件互連提供互連盤，這些電子元件比如，但不限于形成微電子器件的微電子管芯；形成球柵陣列封裝的互連材料；以及形成引線柵格陣列封裝的互連引線。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案中，金屬芯110經(jīng)層間互連139與導(dǎo)電層130的部分130C處于電連通。金屬芯110能夠被用來把熱量從與導(dǎo)電層130的部分130C互連的元件傳導(dǎo)走，并且為與導(dǎo)電層130的部分130C互連的元件提供電源、接地或者偏壓。
金屬芯承載襯底10、30、40的實(shí)施方案已被描述成包括具體數(shù)目的電介質(zhì)層和導(dǎo)電層。但是，電介質(zhì)層和導(dǎo)電層的數(shù)目可以根據(jù)所期望的配置適當(dāng)?shù)匦薷摹?br> 圖5是說明根據(jù)本發(fā)明制造圖1中所示的金屬芯承載襯底10的方法的實(shí)施方案的流程圖。該方法包括以金屬片的形式提供剛性金屬芯，該金屬片具有超過20Gpa的彎曲彈性模量(502)。該金屬片設(shè)有一個(gè)或多個(gè)芯通孔(CTH)(504)。在金屬片的兩側(cè)都沉積有電介質(zhì)材料層或薄層(506)。固化該電介質(zhì)材料，其中電介質(zhì)材料在高溫下流動(dòng)并完全填充CTH，在其中形成電介質(zhì)栓(508)。每個(gè)電介質(zhì)栓設(shè)有電介質(zhì)通孔(DTH)，所述通孔位于CTH中的電介質(zhì)栓的中心(510)。DTH在直徑上小于CTH，留下一層電介質(zhì)材料作為CTH的襯。
在電介質(zhì)覆蓋的金屬芯上預(yù)定的圖形中(包括每個(gè)DTH的表面)沉積導(dǎo)電材料，以生成鍍覆通孔(PTH)，所述通孔通過作為CTH襯的電介質(zhì)材料層與金屬芯電隔離，但與電介質(zhì)覆蓋的金屬芯的每一面上的導(dǎo)電層電連通(512)。
圖6A-C是根據(jù)圖5的本發(fā)明方法的實(shí)施方案的金屬芯承載襯底10在制造的各個(gè)階段的剖面圖，如圖10所示。圖6A是設(shè)有CTH 117的金屬芯110的剖面圖。圖6B是形成電介質(zhì)層120、121以及在每個(gè)CTH 117中的電介質(zhì)栓111的電介質(zhì)材料的剖面圖。圖6C是設(shè)有DTH 118的每個(gè)電介質(zhì)栓111的剖面圖。DTH 118在CTH的壁114上界定了電介質(zhì)襯102。圖1是在電介質(zhì)襯102以及電介質(zhì)層120、121已被分別鍍以形成PTH 100以及導(dǎo)電層130、130的導(dǎo)電材料以后，已完成的剛性金屬芯承載襯底的剖面圖。
在根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方案中，電介質(zhì)層和導(dǎo)電層的一個(gè)或多個(gè)其他應(yīng)用從圖1中的承載襯底10被建立起來，以產(chǎn)生剛性金屬芯承載襯底，比如如圖3和4所示的剛性金屬芯承載襯底30、40，或者適合于特定目的的其他構(gòu)造。
金屬芯110以擁有一定厚度的片的形式提供，該厚度賦予了20Gpa或更大的彎曲彈性模量。所獲得的承載襯底10、30、40的剛性取決于材料的彎曲彈性模量以及厚度。適合用于金屬芯110的金屬的實(shí)施例包括，但不局限于，鋼、不銹鋼、鋁、銅，以及金屬層壓板，比如銅-因鋼(invar)-銅、銅-鎢-銅，具有超過約0.2mm的厚度。
選擇用于金屬芯的金屬還取決于具體的應(yīng)用。例如，與被電氣耦合到承載襯底110的微電子管芯具有大致相同的熱膨脹系數(shù)的金屬芯110可以減少熱致應(yīng)力(thermal inducedstress)。在剛性金屬芯承載襯底的又一應(yīng)用中，用于金屬芯110的材料因其優(yōu)選的熱傳導(dǎo)性質(zhì)而被選擇。
使用合適的方法在金屬芯110和電介質(zhì)栓111中分別生成CTH 117和DTH118，這些方法包括，但不限于，鉆孔、蝕刻、沖孔以及激光燒蝕。機(jī)械鉆孔不適合于生成小于約150μm的通孔。因此機(jī)械鉆孔僅適合于大直徑的通孔以及較大的間距(pitch)(通孔之間的間隔)。對(duì)一些應(yīng)用來說，由于要求直徑在50mm和更小的情況下具有超過10,000個(gè)PHT 100，要求采用先進(jìn)的激光鉆孔工藝。激光鉆孔提供了通孔的高生產(chǎn)率以及大約±10微米的位置精度。已知的激光鉆孔工藝還可以生成具有最小的壁錐度(wall taper)的通孔。
導(dǎo)電層包括適合于特定目的的材料，這些材料包括，但不限于，銅、鋁、金以及銀。使用本領(lǐng)域已知的適當(dāng)方法將導(dǎo)電層沉積在預(yù)定圖形中的電介質(zhì)材料上。三種合適的方法，以及其它方法，包括加法、半加法以及減法平板印刷技術(shù)(lithographic technique)。舉例說明，半加法平版印刷技術(shù)被用來在電介質(zhì)襯102上提供導(dǎo)電襯103的同時(shí)，也在電介質(zhì)層上提供導(dǎo)電層。負(fù)的(negative)圖形光致抗蝕劑掩模(photoresist mask)被施加在電介質(zhì)層上，為導(dǎo)電材料的選擇性電鍍提供溝槽。電鍍?cè)跍喜壑谐练e導(dǎo)電材料，而同時(shí)在電介質(zhì)襯102上提供導(dǎo)電襯103。在電鍍工藝以后，光致抗蝕劑掩模被除去。
使用本領(lǐng)域中的適當(dāng)方法在預(yù)定圖形中沉積電介質(zhì)層，這些方法包括，但不限于，電泳沉積和層壓。舉例說明，在使用層壓的一種方法中，電介質(zhì)材料包括一片或多片環(huán)氧樹脂預(yù)浸(prepreg)材料，在高溫固化處理過程中，所述環(huán)氧樹脂流動(dòng)以覆蓋金屬芯或者導(dǎo)電層，并且完全充滿CTH，在其中形成電介質(zhì)栓。
根據(jù)本發(fā)明，電介質(zhì)層由適于應(yīng)用的已知電介質(zhì)材料形成。電介質(zhì)材料的選擇是依據(jù)某些所期望的材料屬性和器件應(yīng)用而定的。材料性質(zhì)除別的以外，還包括介電常數(shù)、耐熱性。合適的電介質(zhì)材料包括，但不限于，熱塑性層壓制品(laminates)、ABF、BT、聚酰亞胺以及聚酰亞胺層壓制品、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂與其他樹脂材料的組合、有機(jī)材料，上述單獨(dú)的或者任何一種與填料的組合，包括紡織纖維基體(woven fiber matrices)。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的剛性金屬芯的實(shí)施方案，提供了具有彈性模量至少為20Gpa的金屬芯的承載襯底。根據(jù)本發(fā)明的承載襯底在所預(yù)期的負(fù)荷狀況下對(duì)于撓曲有高抵抗力，這允許承載襯底以及隨后的微電子器件和微電子封裝，在組裝和測試過程中以及在被消費(fèi)者拔插過程中，可以在不需要外部加強(qiáng)件的情況下被處理。無需使用外部加強(qiáng)件在承載襯底上為微電子管芯以及輔助器件，比如電容器，提供了更大的表面面積。
在根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，具有低CTE的剛性金屬芯被用來更好地匹配耦合到襯底的微電子管芯的CTE。該CTE匹配用來減少由于熱負(fù)荷引起的管芯應(yīng)力。有機(jī)芯承載襯底的CTE高至大約40ppm/C。微電子管芯的CTE能夠低至約7ppm/C。除別的以外，包括銅(CTE為16ppm/C)或者包括銅合金(CTE低至4.5ppm/C)的剛性金屬芯的結(jié)合能夠被使用在剛性金屬芯承載襯底中，從而更接近地匹配承載襯底與微電子管芯的CTE。
承載襯底的設(shè)計(jì)與材料特征在微電子封裝所獲得的的電性質(zhì)中扮演關(guān)鍵的角色。將第一衰頹(1stdroop)、第二衰頹以及第三衰頹中測得的在芯電源上的噪聲降到最小是原則性的考慮。
由于di/dt開關(guān)而產(chǎn)生的電壓噪聲與L di/dt(L代表電源回路電感)成比例，因此為了減小寄生電感而進(jìn)行的電源傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是電源傳輸設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵的方面，尤其是在封裝級(jí)。承載襯底的設(shè)計(jì)需要仔細(xì)的考慮以確保低電感電源傳輸回路。
剛性金屬芯承載襯底還提供了隱埋電容(buried capacitance)，它幫助降低在微電子管芯上同時(shí)產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。剛性金屬芯提供了低電阻的電源或接地面，其改善了微處理器第三衰頹性能。另外，金屬芯結(jié)構(gòu)為孔中孔(via-in-via)設(shè)計(jì)的方便一體化提供鍍覆通孔，從而獲得改進(jìn)的封裝回路電感以及改進(jìn)的微處理器第一衰頹性能。
金屬芯襯底改進(jìn)的性能以及設(shè)計(jì)的靈活性可以使得具有較少的層的設(shè)計(jì)成為可能，從而降低襯底的成本。例如，1-3-1剛性金屬芯承載襯底可以以較低的成本取代2-2-2有機(jī)芯承載襯底。
金屬芯承載襯底改進(jìn)的性能以及設(shè)計(jì)的靈活性可以使得電源傳輸電容器的減少成為可能。剛性金屬芯承載襯底具有比有機(jī)芯承載襯底更低的電感，其中，在產(chǎn)品性能的一個(gè)固定水平上，解耦電容器的數(shù)量相對(duì)于有機(jī)芯承載襯底可以減少。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，剛性金屬芯由于具有高導(dǎo)熱性而為熱耗散提供了路徑。在要求熱量管理的應(yīng)用中，剛性金屬芯可以被用來分散和分配熱量。將熱能從耦合到承載襯底表面的元件吸出并且通過由金屬層以及層間互連形成的導(dǎo)電途徑流到金屬芯。
圖3和4的剛性金屬芯承載襯底30、40已被評(píng)估并且與常規(guī)的聚酰亞胺芯承載襯底20(比如圖2所示)相比較。測量和比較電的性能以確定金屬芯承載襯底的益處是否超越常規(guī)承載襯底。
圖7和8呈現(xiàn)了顯示標(biāo)準(zhǔn)的2-2-2有機(jī)芯承載襯底與根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的2-3-2剛性金屬芯承載襯底相比較的數(shù)據(jù)表格。圖7是模擬以及所測得的結(jié)果的表格，顯示了對(duì)于一個(gè)模型單位單元(model unit cell)的降低的回路電感。還有，剛性金屬芯承載襯底呈現(xiàn)出較高的電容值，較低的電阻，以及較高的諧振頻率。
圖8是2-3-2剛性金屬芯承載襯底，與2-2-2有機(jī)芯承載襯底相比，隨著電容器被移走，其第一衰頹、第二衰頹以及第三衰頹的性能對(duì)比結(jié)果的表格。清楚地顯示了對(duì)于第一衰頹，少了5個(gè)電容器的剛性金屬芯承載襯底性能與有機(jī)芯承載襯底相似。在第三衰頹性能中也見到了金屬芯承載襯底的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的方法與用于襯底制造的現(xiàn)有的裝備基礎(chǔ)設(shè)施兼容，因此不需要任何主要新裝備的花費(fèi)。
雖然，出于描述優(yōu)選的實(shí)施方案的目的，在此舉例說明和描述了具體的實(shí)施方案，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到很多種變化和/或者等同實(shí)現(xiàn)，它們被認(rèn)為達(dá)到了同樣的目的，可以替代所顯示和描述的具體實(shí)施方案而沒有偏離本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地意識(shí)到本發(fā)明可以在非常多的實(shí)施方案中執(zhí)行。本申請(qǐng)是要覆蓋在此討論的實(shí)施方案的所有的修改或變化。因此，應(yīng)明白地認(rèn)為僅僅由權(quán)利要求書以及它們的等同物來限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種制造剛性金屬芯承載襯底的方法，包括以金屬片的形式提供金屬芯，所述金屬片具有第一側(cè)、相對(duì)的第二側(cè)，以及至少一個(gè)通孔，所述的金屬芯具有至少20Gpa的彎曲彈性模量；以預(yù)定圖形沉積電介質(zhì)材料而形成電介質(zhì)層，所述沉積是在所述第一側(cè)、所述第二側(cè)以及每個(gè)通孔上進(jìn)行，以在所述通孔中形成電介質(zhì)栓；在所述電介質(zhì)栓中形成通孔，所述通孔的直徑小于所述芯通孔以形成電介質(zhì)襯；通過在界定鍍覆通孔的所述電介質(zhì)襯上沉積導(dǎo)電材料形成導(dǎo)電襯，所述電介質(zhì)襯使所述導(dǎo)電襯與所述金屬芯絕緣；以及以預(yù)定圖形在所述電介質(zhì)層上沉積導(dǎo)電材料。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中在所述第一側(cè)、所述第二側(cè)以及所述通孔上沉積電介質(zhì)材料，形成電介質(zhì)層在所述第一側(cè)、所述第二側(cè)上，以及形成電介質(zhì)栓的步驟包括用電介質(zhì)材料的層壓制品覆蓋所述第一和第二側(cè)；以及在高溫下固化所述層壓制品，在所述第一和第二側(cè)上形成電介質(zhì)層，部分層壓制品流入并填充所述通孔。
3.如權(quán)利要求1的方法，還包括在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線并且與預(yù)定的一個(gè)或多個(gè)鍍覆通孔電連通。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線并且與預(yù)定的一個(gè)或多個(gè)鍍覆通孔電導(dǎo)通的步驟包括使用加法、半加法或減法鍍覆工藝在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線并且與預(yù)定的一個(gè)或多個(gè)鍍覆通孔電連通。
5.如權(quán)利要求3的方法，還包括在所述第一和第二側(cè)上沉積另外的一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)和/或?qū)щ妼?；在一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層之間產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)層間互連；以及使用加法、半加法或減法鍍覆工藝在所述第一和第二側(cè)上的預(yù)定的一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)層上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線并與所述的一個(gè)或多個(gè)層間互連電連通。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中提供金屬片的步驟包括提供具有至少200μm厚的金屬片，所述金屬片包括選自由銅、銀、鋁、鋼和金組成的組的材料。
7.一種制造金屬芯襯底的方法，包括以金屬片的形式提供金屬芯，所述金屬片具有第一側(cè)、相對(duì)的第二側(cè)，以及至少一個(gè)通孔，所述金屬芯具有至少100Gpa的彎曲彈性模量；用電介質(zhì)材料的層壓制品覆蓋所述第一和第二側(cè)，以及每個(gè)通孔；在高溫下固化所述層壓制品，在所述第一和第二側(cè)上形成電介質(zhì)層，部分層壓制品流入并填充所述通孔；在所述栓中形成電介質(zhì)通孔，所述通孔的直徑小于所述導(dǎo)電通孔；以及在形成鍍覆通孔的每一個(gè)電介質(zhì)襯上沉積導(dǎo)電層，所述電介質(zhì)襯使所述導(dǎo)電層與所述金屬芯絕緣。
8.如權(quán)利要求7的方法，還包括在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線并且與預(yù)定的一個(gè)或多個(gè)鍍覆通孔電連通。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線并且與預(yù)定的一個(gè)或多個(gè)鍍覆通孔電連通的步驟包括使用加法、半加法或減法鍍覆工藝在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線并且與預(yù)定的一個(gè)或多個(gè)鍍覆通孔電連通。
10.如權(quán)利要求7的方法，其中提供金屬片的步驟包括提供具有至少200μm厚的金屬片，所述金屬片包括選自由銅、銀、鋁、鋼和金組成的組的材料。
11.一種制造金屬芯承載襯底的方法，包括以金屬片的形式提供金屬芯，所述金屬片具有第一側(cè)、相對(duì)的第二側(cè)，以及至少一個(gè)芯通孔，所述金屬芯具有至少20Gpa的彎曲彈性模量；在所述第一側(cè)、所述第二側(cè)上以及在每個(gè)芯通孔中沉積電介質(zhì)材料，在所述第一和第二層上形成電介質(zhì)層，以及在每個(gè)芯通孔中形成電介質(zhì)栓；通過在所述電介質(zhì)栓中提供電介質(zhì)通孔在每個(gè)芯通孔中形成電介質(zhì)襯，所述電介質(zhì)通孔位于所述芯通孔的中心并且直徑小于所述芯通孔；以及在每個(gè)電介質(zhì)襯上沉積導(dǎo)電材料以形成界定鍍覆通孔的導(dǎo)電襯，所述電介質(zhì)襯使所述導(dǎo)電襯與所述金屬芯絕緣。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中在所述第一側(cè)、所述第二側(cè)以及所述芯通孔上沉積電介質(zhì)材料，以在所述第一側(cè)、所述第二側(cè)上形成電介質(zhì)層，以及在每個(gè)芯通孔內(nèi)形成電介質(zhì)栓的步驟包括用電介質(zhì)材料的層壓制品覆蓋所述第一和第二側(cè)；以及在高溫下固化所述層壓制品，以在所述第一和第二側(cè)上形成電介質(zhì)層，部分層壓制品流入并填充所述通孔。
13.如權(quán)利要求11的方法，還包括在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層并且與預(yù)定的一個(gè)或多個(gè)鍍覆通孔電連通。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層的步驟包括在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線，以形成電路圖形。
15.如權(quán)利要求14的方法，在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線，以形成電路圖形的步驟包括使用選自由離散布線、減法、半加法和加法平版印刷技術(shù)組成的組的工藝在所述第一和第二側(cè)上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線，以形成電路圖形。
16.如權(quán)利要求13的方法，還包括在所述第一、第二側(cè)上的交替圖形中沉積另外的一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)和/或?qū)щ妼?；在一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層之間生成一個(gè)或多個(gè)鉆孔；在所述鉆孔中沉積導(dǎo)電材料以使一個(gè)導(dǎo)電層與另一個(gè)導(dǎo)電層電氣互連；以及使用加法、半加法或減法鍍覆工藝在所述第一和第二側(cè)上的預(yù)定的一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)層上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電跡線并與在預(yù)定的一個(gè)或多個(gè)鉆孔內(nèi)的導(dǎo)電材料電連通。
17.如權(quán)利要求11的方法，其中提供金屬片的步驟包括提供具有至少200μm厚的金屬片，所述金屬片包括選自由銅、銀、鋁、鋼和金組成的組的材料。
18.一種剛性金屬芯承載襯底，包括金屬芯，所述金屬芯包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的金屬片，所述金屬片具有包括200-500μm范圍內(nèi)的厚度以及具有至少20Gpa的彎曲彈性模量；至少一個(gè)電介質(zhì)層，所述至少一個(gè)電介質(zhì)層覆蓋所述第一側(cè)和所述第二側(cè)；至少一個(gè)導(dǎo)電層，所述至少一個(gè)導(dǎo)電層覆蓋所述第一側(cè)和所述第二側(cè)上的所述電介質(zhì)層；以及多個(gè)鍍覆通孔，所述鍍覆通孔包括襯在所述電介質(zhì)襯內(nèi)表面的管狀的電介質(zhì)襯和導(dǎo)電襯，所述鍍覆通孔延伸穿過所述金屬片以及覆蓋在第一和第二側(cè)上的所述電介質(zhì)層，所述導(dǎo)電襯與在第一和第二側(cè)上的所述導(dǎo)電層電連通，所述電介質(zhì)襯使所述金屬片與所述導(dǎo)電襯絕緣。
19.如權(quán)利要求18的剛性金屬芯承載襯底，還包括另外的一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)和/或?qū)щ妼樱隽硗獾囊粋€(gè)或多個(gè)電介質(zhì)和/或?qū)щ妼釉谒龅谝缓偷诙?cè)上；以及至少一個(gè)層間互連，所述至少一個(gè)層間互連位于一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層或者所述金屬片之間，并且與所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層或者所述金屬片電連通。
20.如權(quán)利要求18的剛性金屬芯承載襯底，其中所述金屬片包括選自由銅、銀、鋁、鋼和金組成的組的材料。
21.一種高彎曲彈性模量的微電子器件，包括金屬芯，在所述金屬芯上具有至少一個(gè)形成在其中的余量，所屬金屬芯具有包括200-500μm范圍內(nèi)的厚度，以及至少20Gpa的彎曲彈性模量；至少一個(gè)電介質(zhì)層，所述至少一個(gè)電介質(zhì)層設(shè)置在所述金屬芯的頂面和底面的每一面上；至少一個(gè)導(dǎo)電層，所述至少一個(gè)導(dǎo)電層設(shè)置在每個(gè)所述電介質(zhì)層上；至少一個(gè)導(dǎo)電通路，所述至少一個(gè)導(dǎo)電通路電連接所述導(dǎo)電層，并且與所述金屬芯電絕緣，所述襯底適合于與微電子管芯電氣地和機(jī)械互連；以及微電子管芯，所述微電子管芯與所述至少一個(gè)導(dǎo)電層中的至少一個(gè)電氣和機(jī)械互連。
22.如權(quán)利要求21的高彎曲彈性模量的微電子器件，還包括至少一個(gè)層間互連，所述至少一個(gè)層間互連在一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層或者所述金屬片之間，并且與一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層或者所述金屬片電連通。
23.如權(quán)利要求21的高彎曲彈性模量的微電子器件，其中所述金屬片包括選自由銅、銀、鋁、鋼和金組成的組的材料。
全文摘要
提供了用于剛性金屬芯承載襯底的裝置和方法。所述金屬芯將所述承載襯底的彈性模量提高到大于20Gpa，從而更好地抵抗在裝配、測試和消費(fèi)者操作過程中所遭遇到的彎曲負(fù)荷和應(yīng)力。所述承載襯底不需要提供外部的加強(qiáng)構(gòu)件，導(dǎo)致了一種減少了尺寸和復(fù)雜性的微電子封裝。所述承載襯底的熱膨脹系數(shù)可以被調(diào)適到更接近地與微電子管芯的熱膨脹系數(shù)相匹配，提供了對(duì)熱致應(yīng)力具有更好抵抗力的器件。在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案中，使用標(biāo)準(zhǔn)的加工技術(shù)將電介質(zhì)材料和導(dǎo)電材料層壓在金屬片的兩面以形成承載襯底，所述金屬片具有在包括200－500μm的范圍內(nèi)的厚度，并且具有至少20Gpa的彎曲彈性模量。
文檔編號(hào)H01L21/768GK1720617SQ200380105243
公開日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2003年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者約翰·格澤克, 哈密德·阿茲米, 達(dá)斯廷·伍德, 華盛頓·莫布利 申請(qǐng)人:英特爾公司