用于改进到基板中过孔的连接可靠性的方法和装置与流程

本公开要求对2015年2月3日提交的名称为“Method and Apparatus for Improving the Reliability of a Connection to a via in a Substrate”的美国专利申请No.14/613,218的优先权，该美国专利申请要求对2014年2月7日提交的名称为“Structure to improve reliability of TGV”的美国临时专利申请No.61/937,331的优先权，它们通过引用并入本文。

技术领域

本公开的实施例涉及用于半导体集成电路的芯片封装技术，并且更特别地涉及包括过孔的芯片封装技术。

背景技术：

快速成长的便携式电子市场(例如，蜂窝电话、膝上型计算机和个人数字助理(PDA))是现代生活的组成方面，并且每种都由具有严格封装要求的集成电路(IC)来操作。集成电路具有对制造集成具有重大影响的独特属性，因为集成电路一般必须小型、重量轻、功能丰富，并且集成电路必须以相对低的成本大量地被生产。例如，存在对于特别良好适合于使用在小尺寸设备(诸如小型手持设备)中的IC封装的需求。

为了满足这种需求，制造商正在集成更多的电路功能，收缩设备特征，并且提高速度。作为IC产业的延伸，电子封装产业面临着类似的技术和市场动态。从封装的视角来看，更小的形状因数、对于更多输入/输出信号的要求、以及功率管理是主要的技术驱动力。所有类型的复杂新产品正在被开发，而常规的IC封装和工艺正不断地达到壁垒。

技术实现要素：

在各种实施例中，本公开提供了一种半导体封装中介层，该半导体封装中介层包括具有第一表面和第二表面的基板以及在基板的第一表面与第二表面之间延伸的多个过孔。该多个过孔将基板的第一表面上的电连接器或电路电连接到基板的第二表面上的电连接器或电路。该半导体封装中介层进一步包括至少部分地填充该多个过孔的金属塞。基板的(i)第一表面或(ii)第二表面中的至少一个包括处于金属塞的末端处的凹陷。

在一些实施例中，一种集成电路封装包括：至少一个半导体裸片、印刷电路板、以及将该至少一个半导体裸片与印刷电路板电互连的中介层。该中介层包括具有第一表面和第二表面的基板、以及在基板的第一表面与第二表面之间延伸的多个过孔。该多个过孔将基板的第一表面上的电连接器或电路电连接到基板的第二表面上的电连接器或电路。该中介层进一步包括至少部分地填充该多个过孔的金属塞。基板的(i)第一表面或(ii)第二表面中的至少一个包括处于金属塞的末端处的凹陷。

在一些实施例中，一种方法包括：形成从基板的第一表面延伸到基板的第二表面的过孔的孔；利用金属至少部分地填充过孔的孔以形成金属塞；以及在金属塞的末端处的基板的(i)第一表面或(ii)第二表面中的至少一个中形成凹陷。

附图说明

在以下详细描述中，对形成本文一部分的附图进行参考，其中相似的数字自始至终标示相似的部分，并且其中通过说明了本公开原理的实施例的方式被示出。将理解，可以使用其他实施例并且在不偏离本公开的范围的情况下可以进行结构或逻辑变化。因此，以下详细描述不在限制性意义上被采用，并且根据本公开的实施例的范围由所附权利要求和它们的等价物来限定。

图1是根据一些实施例的集成电路封装的侧视图。

图2是根据一些实施例的用于集成电路封装的组装工艺的侧视图。

图3是根据一些实施例的设置在中介层中的过孔的横截面视图。

图4是根据一些实施例的过孔连接的特写横截面视图。

图5是根据其他实施例的设置在中介层中的过孔的横截面视图。

图6是根据实施例的过孔连接的特写横截面视图。

图7是根据更为其他的实施例的设置在中介层中的过孔的横截面视图。

图8是根据实施例的过孔连接的特写横截面视图。

图9-14图示了根据一些实施例的制作过孔连接的工艺。

图15是图示了根据实施例的制作过孔连接的工艺的流程图。

具体实施方式

在各种实施例中，集成电路(IC)封装包括安装在中介层(interposer)上的IC裸片(例如，IC芯片)，该中介层进而可以附接到印刷电路板(PCB)。例如，中介层可以在线接合工艺期间被线接合，以将IC裸片的输入/输出(I/O)焊垫连接到PCB的外部焊盘(land)。在一些实施方式中，PCB上的导电迹线可以通过中介层被布线到IC裸片的个体引线。导电迹线可以终止于引脚焊盘，引脚焊盘对应于IC封装的中介层或任何其他部分的外部封装引线。导电迹线可以(例如，通过引脚焊盘)通过焊接电连接，以进行中介层上的引脚焊盘与PCB上所安装的其他元件之间的电连接。

在一些实施方式中，中介层可以包括具有过孔的基板，过孔将基板的(IC裸片可以位于的)第一表面上的电连接器或电路电连接到基板的(PCB可以位于的)第二表面上的电连接器或电路。基板可以包括处于过孔在基板的第一表面和/或第二表面处终止的位置处的凹陷。例如，这种凹陷可以包括下降至基板的表面平面以下的表面部分，这种凹陷为基板与连接器构造之间的接触提供相对大量的表面积，由此改进连接器构造的机械强度。

此外，在过孔处基板的凹陷可以为可以被使用在过孔处的焊料凸起或其他类型的连接提供相对大量的结构支撑。例如，设置在凹陷中的焊料凸起的一部分可以在凹陷的侧部处横向地被支撑，并且在凹陷的底部处垂直地被支撑。这与如下的情况形成对比：设置在基板的平坦表面上的焊料凸起不具有横向结构支撑并且因此可能相对易于从基板的表面被破坏(或被分离)。

图1是根据一些实施例的IC封装100的侧视图。IC封装100可以包括中介层102、模块或IC裸片104、以及PCB 106。中介层102可以包括将IC裸片104和PCB 106的电路互连的电过孔(图1中未图示)。在一些实施方式中，中介层102可以包括玻璃基板、环氧树脂或塑料材料、或半导体材料(诸如硅)。详细地说，IC裸片104可以在界面108处(例如，通过球栅阵列的焊料)机械和/或电连接到中介层102，并且中介层102可以在界面110处(例如，通过球栅阵列的焊料)机械和/或电连接到PCB 106。参考正交方向轴X、Y和Z(其中，Z在页面之外)，界面108位于X-Z平面中。用于将界面108处的电路与界面110处的电路电连接的电过孔在Y方向上传导电信号。IC裸片104的底面上的焊料凸起(例如，微凸起)或球栅阵列(BGA)可以在界面108处电连接到中介层102的顶面上的重新分布层(RDL)、落焊焊垫(landing pad)和/或其他连接。PCB 106可以在界面110处电连接到中介层102的底面上的RDL、落焊焊垫和/或其他连接。PCB 106的表面112可以包括电路，该电路包括例如导电迹线。

图2是根据一些实施例的用于IC封装的组装工艺200的侧视图。例如，这种IC封装可以与IC封装100相同或类似。中介层202可以包括第一表面206上的连接器204(例如，焊料凸起或BGA的焊垫)和第二表面210上的连接器208(例如，焊料凸起或BGA的焊垫)。中间层202的连接器204可以如由箭头212所指示的电接合到IC裸片218的表面216上的连接器214(例如，焊料凸起或BGA的焊垫)。在本文中，“电接合”包括涉及焊料凸起、接线、落焊焊垫、RDL、导电迹线、或它们的任何组合的电连接。中介层202的连接器208可以如由箭头220所指示的电接合到PCB 226的表面224上的连接器222(例如，焊料凸起或BGA的焊垫)。

在一些特定实施方式中，相邻连接器204之间的距离可以在从大约0.25毫米至大约0.4毫米的范围内，但这个范围可以至少部分地取决于例如IC裸片218中所包括的引线的数目而宽泛地变化。类似的分开距离可以应用于连接器208、214和222。中介层202可以包括例如在凸起204与凸起208之间延伸的多个过孔206。

图3是根据一些实施例的设置在中介层302中的过孔300的横截面视图。例如，中介层302可以与图2中所图示的中介层202相同或类似。中介层302的第一表面304可以包括面向IC裸片(诸如图2中所图示的218)的连接器306。因此，连接器306可以电连接到IC裸片的连接器或其他电路元件。中介层302的第二表面308可以包括面向PCB(诸如图2中所图示的226)的连接器310。因此，连接器310可以电连接到PCB的连接器或其他电路元件。在后文中，连接器(诸如306和310)被考虑为是包括焊料的凸起，但连接器可以包括多种类型的连接器(例如，落焊焊垫、RDL或接线端)中的任何类型，这些类型的连接器包括任何导电材料(例如，铜、金、锡等)。

可以包括延伸穿过中介层302的铜填充孔的过孔300例如在第一表面304和第二表面308处终止。如下文所描述的，在图3的示例实施例中，过孔300以第一表面304上的第一类型的连接器构造和第二表面308上的第二类型的连接器构造终止。特别地，第一类型的连接器构造包括过孔300的终点上的凸起下金属化(UBM)层312和凸起306，该终点与第一表面304齐平。相对照地，第二类型的连接器构造包括过孔300终点上的UBM层314和凸起310，该终点凹陷到第二表面308以下。例如，UBM层314和凸起310的至少一部分设置在凹陷316中。

图4是根据一些实施例的图3中所图示的第一类型的连接器构造的特写横截面视图。第一类型的连接器构造包括过孔300的终点400上的UMB层312和凸起306，该终点与中介层302的第一表面304齐平。第一类型的连接器构造不包括凹陷，并且因此UMB层312和凸起306在表面304上(例如，UMB层312或凸起306没有部分在表面304以下)。遗憾的是，第一类型的连接器构造可能易受物理冲击的影响，这可能会将凸起306从过孔300分离。这种物理冲击例如可能包括由IC裸片上连接到凸起306的连接器所施加的横向力402。另一方面，第二类型的连接器构造针对横向力402是相对牢固的。

在一些实施例中，第一类型的连接器构造与第二类型的连接器构造相比可以较低成本地制作。因此，尽管它的强度相对低，但第一类型的连接器构造可以用于第一表面304以便连接到IC裸片。例如，“中介层-IC裸片”连接可以在结构能够被保护免受可能的物理冲击(例如，运输与储存期间的粗鲁对待)的初始制作期间以相对受控的工艺被制作。另一方面，PCB可以在制作例如可以被运输到终端用户、供应商或第三方制造商的“中介层-IC裸片”封装之后的某个时间连接到第二表面308。因此，第二表面308上的连接器在一段时间内可能被暴露并且易受机械冲击，直到连接器连接到PCB。至少出于这个原因，使第二表面308上的连接器(例如，凸起310)被设置在凹陷316中的相对坚固的第二类型的连接器构造可能是合意的，尽管成本可能更大(与第一类型的连接器构造相比)。

图5是根据实施例的设置在中介层502中的过孔500的横截面视图。例如，图5中所图示的构造可以类似于图3中所图示的构造，除了包括凹陷的第二类型的连接器构造被使用在第一表面504和第二表面506这两者上。中介层502可以与中介层202相同或类似。中介层502的第一表面504可以包括面向IC裸片(诸如图2中所图示的218)的凸起508。因此，凸起508可以电连接到IC裸片的连接器或其他电路元件。中介层502的第二表面506可以包括面向PCB(诸如图2中所图示的226)的凸起510。因此，凸起510可以电连接到PCB的连接器或其他电路元件。

可以包括延伸穿过中介层502的铜填充孔的过孔500例如在第一表面504和第二表面506处终止。在图5的示例实施例中，过孔500在第一表面504和第二表面506上以(如上文针对图3所介绍的)第二类型的连接器构造而终止。特别地，第二类型的连接器构造包括过孔500的终点上的UBM层512和凸起508，该终点凹陷到第一表面504以下。例如，凸起508的至少一部分和UBM层512设置在凹陷514中。第二表面506上的第二类型的连接器构造包括过孔500的终点600上的UBM层516和凸起510，终点600凹陷到第二表面506以下。例如，凸起510的至少一部分和UBM层516设置在凹陷518中。

图6是根据一些实施例的图5中(和图3中)所图示的第二类型的连接器构造的特写横截面视图。虽然图6和相关联的讨论是针对第一表面504处的连接器构造，但该讨论也适用于第二表面506处的连接器构造。第二类型的连接器构造包括过孔500的终点600上的UBM层512和凸起508，终点600凹陷到中介层502的第一表面504以下。第二类型的连接器构造包括凹陷514，并且因此UBM层512和凸起508至少部分地处于表面504以下。第二类型的连接器构造针对物理冲击可能是相对坚固的，否则物理冲击可能会将凸起508从过孔500分离。如上文所提到的，这种坚固性的一个原因是：与没有凹陷的平坦表面相比，凹陷514为中介层502与UBM层512之间的接触提供更大量的表面积。这种物理冲击例如可以包括由IC裸片上连接到凸起508的连接器所施加的横向力602。

图7是根据各种实施例的设置在中介层702中的过孔700的横截面视图。例如，中介层702可以与中介层202相同或类似。中介层702的第一表面704可以包括面向IC裸片(诸如图2中所图示的218)的凸起706。因此，凸起706可以电连接到IC裸片的连接器或其他电路元件。中介层702的第二表面708可以包括面向PCB(诸如2中所图示的226)的凸起710。因此，凸起710可以电连接到PCB的连接器或其他电路元件。

可以包括延伸穿过中介层702的金属填充(例如，铜)孔的过孔700例如在第一表面704和第二表面708处终止。过孔700在第一表面704和第二表面708上以第三类型的连接器构造终止。特别地，第三类型的连接器构造包括过孔700的终点714上所设置的UBM层712和凸起706，终点714在位于或高于第一表面704的水平面处。UBM层712的至少一部分和凸起706的至少一部分设置在凹陷716中。第二表面708上的第三类型的连接器构造包括过孔700的(与终点714相对的)终点上的UBM层718和凸起720，该终点凹陷到第二表面708以下。UBM层718的至少一部分和凸起720的至少一部分设置在第二表面708中的凹陷716中。

图8是根据一些实施例的图7中所图示的第三类型的连接器构造的特写横截面视图。虽然图8和相关联的讨论是针对第一表面704处的连接器构造，但该讨论也适用于第二表面708处的连接器构造。第三类型的连接器构造包括过孔700的终点800上的UBM层712和凸起706，终点800凹陷到中介层702的第一表面704以下。第三类型的连接器构造包括凹陷716，并且因此UBM层712和凸起706至少部分地处于表面704以下。第三类型的连接器构造针对物理冲击可能是相对牢固的，否则物理冲击可能会将凸起706从过孔700分离。这种物理冲击例如可以包括由IC裸片上连接到凸起706的连接器所施加的横向力802。

在第一表面704和第二表面708处的过孔终点处，过孔的金属塞(例如，填充过孔的孔的金属)可以延伸超出凹陷716的表面。在后文中，过孔的金属塞的一部分被称为金属突出。在一些实施方式中，过孔700的终点800的顶部可以延伸到第一表面704之上，使得金属突出长于凹陷716的深度。在其他实施方式中，过孔700的终点800可以与第一表面704齐平，使得金属突出的长度与凹陷716的深度相同或类似。在更为其他的实施方式中，过孔700的终点800可以低于第一表面704但高于凹陷716的表面，使得金属突出短于凹陷716的深度。UBM层712可以共形地覆盖凹陷716的表面的至少部分以及金属突出的侧部和顶部。凸起706可以共形地覆盖金属突出。

在一些实施方式中，虽然附图中没有图示，但凸起706和/或UBM层712的部分可以交叠到第一表面704上。这可以是例如如果与凹陷716的宽度(或直径)相比凸起或UBM层相对大的情况。

图9-14图示了根据一些实施例的制作过孔连接的工艺。图9图示了可以包括玻璃、塑料(例如，环氧树脂或聚合物)、或半导体(诸如硅)的基板900的一部分。基板900例如可以是中介层(诸如图2中所图示的中介层202)的一部分。基板900包括表面902，在表面902上，连接器将在工艺中被制作。

在图10中，过孔的孔1002形成在基板900中。过孔的孔1000可以从表面902延伸到与表面902相对的第二表面(未图示)，但所要求保护的主题不这样被限制。过孔的孔1000可以通过多种技术中的任何技术来形成。例如，一些技术包括从基板900去除材料以形成过孔的孔1000的干法蚀刻工艺。其他技术可以使用通过烧蚀从基板900去除材料的激光钻孔。更为其他的技术可以使用放电。这里，高压电极可以分别放置于表面902和第二表面上。放电可以在电极之间产生电弧。基板900的在电弧附近的材料可以汽化以形成过孔的孔1000。

在图11中，过孔的孔1000可以利用金属塞1100至少部分地被填充。例如，金属塞1100可以包括铜、金、锡或合金，这只是提名几个示例。在一些实施方式中，金属塞1100可以覆盖过孔的孔1000的壁1102，而过孔的孔1000的中心部分保持无金属。

在图12中，凹陷1200可以形成在表面902中。凹陷1200可以通过多种技术中的任何技术来形成。一些技术在去除基板900的材料以形成凹陷1200时可以降低表面902，而金属塞1100的终点1202保持不变。作为结果，表面902可能以距离D低于终点1202，并且金属塞1100可能以距离D加上凹陷的深度而突出凹陷1200的表面1204上方。D可以是例如几微米。然而，在其他技术中，在去除基板900的材料以形成凹陷1200时，较低的表面902可以保持不变，而金属塞1100的终点1202被降低(未图示这种情形)。作为结果，表面902可以在终点1202之上，并且金属塞1100可能以小于凹陷的深度而突出凹陷1200的表面1204上方。

用于形成凹陷1200的一些技术可以包括从基板900去除材料以形成凹陷1200的干法蚀刻工艺。这种干法蚀刻可以使用光刻工艺来蚀刻终点1202附近的区域。金属塞1100可以抵抗干法蚀刻工艺。其他技术可以使用湿法蚀刻，诸如在用于包括玻璃的基板900的氢氟酸蚀刻剂的情况下。更为其他的技术可以使用激光烧蚀从基板900去除材料。例如，激光可以聚焦到表面902上，以具有与凹陷1200的期望宽度相同或类似的光束宽度。光束可以至少大致被中心化在终点1202上。终点1202附近的表面902可以在预定时间内被暴露到激光束。暴露时间可以至少部分地确定所产生的凹陷1200的深度。在一些示例实施例中，凹陷1200的宽度和/或直径可以在从大约20微米至大约120微米的范围中。

用于形成凹陷1200的再其他的技术可以使用放电。这里，高压电极可以彼此相对靠近地分别放置于表面902上。放电可以在电极之间产生电弧。基板900的在电弧附近的材料可以汽化以形成凹陷1200。

在图13中，UBM层1300可以被形成以共形地覆盖凹陷1200的表面1204和金属塞1100的突出的侧部和顶部。在一些示例实施例中，UBM层1300的厚度可以在从大约4微米至大约20微米的范围中。UBM层1300可以改进焊料到例如基板900或者到金属塞1100的附着性和润湿性。UBM层1300可以包括例如通过溅射工艺所应用的一层或多层的各种金属和合金，诸如铬、铜、镍、钒、钛、金、钨等。

在图14中，凸起1400可以被形成以覆盖终点1202并且至少部分地填充凹陷1200。凸起1400可以包括例如焊料。如上文所描述的，例如，凸起1400可以用于将金属塞1100连接到IC芯片(诸如图2的IC芯片218)的连接器或RDL。在这种情况下，凸起1400可以与图2中所图示的凸起204相同或类似。

图15是图示了根据实施例的用于制作过孔连接的过程1500的流程图。例如，这种过孔连接可以与上文所描述的第一连接构造(例如，如图4中所图示)、第二连接构造(例如，如图6中所图示)、或第三连接构造(例如，如图8中所图示)相同或类似。在块1502处，过孔的孔被形成以从基板的第一表面延伸到基板的第二表面。形成过孔的孔的一种示例关于图10而被描述。在块1504处，过孔的孔利用金属至少部分地被填充以形成金属塞。利用金属部分地填充过孔的孔的一种示例关于图11而被描述。在块1506处，凹陷被形成在以下至少一项中：位于金属塞的末端处的基板的(i)第一表面或(ii)第二表面。形成这种凹陷的一种示例关于图12而被描述。

本描述并入了对短语“在一种实施例中”或“在各种实施例中”的使用，它们每个都可以指代相同或不同实施例中的一个或多个实施例。此外，如关于本公开的实施例所使用的术语“包括”、“包括有”、“具有”等是同义的。

各种操作可能以最有助于理解所要求保护的主题的方式被依次描述为多个不连续的动作或操作。然而，描述的顺序不应当被解释为暗示这些操作必然依赖于顺序。特别地，这些操作可以不按展示的顺序被执行。所描述的操作可以按照与所描述的实施例不同的顺序被执行。各种另外的操作可以被执行，和/或所描述的操作可以在另外的实施例中被省略。另外，虽然中介层的各种实施例被描述并且被图示为具有位于中介层两侧(或表面)的各种类型的连接器构造，但在一些实施例中，中介层的仅一个表面(或侧部)包括如文本所描述的特定连接器构造，而相对的表面可以包括根据常规技术的连接器构造。

虽然具体的实施例已经在本文中被图示并且被描述，但要注意，各种各样的替换和/或等价实施方式可以在不偏离本公开的范围的情况下代替所示出并且所描述的具体实施例。本公开覆盖字面上或在等同原则下很大程度上落在所附权利要求的范围内的所有方法、装置和制品。本申请被意图为覆盖本文所公开的实施例的任何适配或变型。因此，所显露并且所意图的是，本公开仅由权利要求及其等价物来限制。