专利名称：包含纳米复合电介质累积材料和纳米复合阻焊膜的微电子封装的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体衬底和阻焊膜，特别但不排它地涉及纳米复合阻焊膜和包含纳米复合层间电介质的衬底。
背景技术：
电子器件通常由形成于或固定在某种类型的衬底上的许多电子元件构成。其中，衬底提供了元件固定的平台，还提供了元件之间的电连接。
图1举例说明衬底100的实施方案。衬底100包含许多导电层102以及许多将导电层102分开并使它们之间相互电绝缘的电绝缘层间电介质(ILD)层104。通常这样构造衬底100，即交替沉积导电层102和ILD层104，直到形成电气互连所需的层数目的衬底为止。ILD层104由某些形式的电介质材料构成。在一些实施方案中，该材料可以是某种聚合物或基于聚合物的材料；用于电介质的特定材料的选择依赖于这样的因素，如所需的介电常数k和可制造性所需的物理性质。虽然在图1中并未显示，导电层102和ILD层104均可以在其上具有通孔。例如在填充以导电材料时，通孔实现在衬底内的不同导电层之间的电连接和连通。缩小电子封装和提升功率要求以及具有低介电常数的ILD(即低-k值ILD)的出现使电介质累积层104具有日益提高的性能水平。
在衬底100的使用寿命期间，多种因素可能促成衬底或其个别层的逐渐劣化。使ILD层104的性能劣化的一个重要的因素就是迁移进入和通过ILD电介质材料的离子和分子，非排它性最显著的有水、氧、卤素离子和金属离子。这些分子可能产生自衬底100之外的环境根源，如箭头106所示。分子和离子(特别是金属离子)也可能产生自导电层102内部，或沿导电层102和ILD层104之间的界面产生，如箭头108所示。最后，分子和离子可能产生自ILD层104本身内部例如，ILD材料可能通过称为“脱气”的方法释放卤素离子和氧。虽然在图1中的箭头108和110仅示例了在一个方向上的分子和离子的迁移，分子和离子也可以在相反方向迁移进入和通过ILD。
图2举例说明将电子器件附着在衬底上的实施方案200。使用许多焊球206将芯片202附着于衬底204。除了将芯片202紧固到衬底上之外，焊球206还提供了与衬底内的下部导电层212的电连接。在所示的组件中，在使用焊球206附着芯片202之前，通常要在衬底表面设置阻焊膜层208。正如其名称的含义所指，阻焊膜的目的是阻隔焊料；其中，阻焊膜防止焊料流到或流入衬底的不需焊料的部分，并防止焊球与衬底的其它区域之间的电连接。阻焊膜层208如在衬底内部的ILD层210一样，可以由电介质材料形成，因此随着时间的推移，由于存在与ILD遭受到的同样的分子和离子迁移问题(即离子和分子的迁移，如水、氧、卤素离子和金属离子)，它将遭受劣化。如同ILD的情况一样，进入或迁移通过ILD的离子或分子可以起源于外部，例如来自环境当中或者衬底中的相邻层，也可以起源于内部，例如通过脱气方法。
现在用来减少分子和离子通过ILD和阻焊膜层的迁移的解决方法集中在ILD或阻焊膜聚合物的化学改性上，例如使用对水解和氧化更加稳定的单体等。通常加入二氧化硅以韧化聚合物和降低阻焊膜层的热膨胀系数(CTE)。然而，这些方法都不能实质地延缓或阻止离子和分子通过材料的迁移，因此几乎不能阻止随着时间的推移由于这些离子和分子的迁移而发生的劣化。
附图简述参考下面的附图叙述本发明的非限制性和非穷举的实施方案，其中除非另外指出，在不同的图示中相同的标号代表相同的部件。若非指出，附图不是用来按比例衡量的，也不表示其中所示结构或其任何元件的绝对或相对的精确尺寸。
图1为衬底实施方案侧视图。
图2为芯片安置在衬底(例如图1所示的衬底)上的实施方案侧视图。
图3为可以在例如图1所示的衬底实施方案或例如图2所示的阻焊膜层实施方案中用作层间电介质(ILD)的纳米复合电介质实施方案侧视图。
图4A为纳米粘土(nanoclay)内的叠胶(tactoid)结构实施方案放大侧视图。
图4B为图4A所示的叠胶结构内的层片(platelet)的化学组成图示。
图5为包含如图3所示纳米复合层间电介质(ILD)的衬底实施方案侧视图。
图6为使用如图3所示纳米复合阻焊膜层使芯片安置在衬底上(例如图1所示衬底)的实施方案侧视图。
图7为使用如图3所示纳米复合层间电介质(ILD)和纳米复合阻焊膜层使芯片安置在衬底上(例如图1所示衬底)实施方案侧视图。
示例性实施方案详述此处描述包括纳米复合电介质层和纳米复合阻焊膜的衬底的实施方案。在下面的说明中描述了许多具体细节以提供对本发明实施方案的透彻理解。然而，相关领域技术人员应意识到在不存在一种或多种具体细节或采用其它方法、元件、材料等情况下可以实践本发明。在其它情况下，为避免使本发明各方面不清楚，没有详细地显示或描述熟知的结构、材料或操作。
本说明书通篇中所涉及的“一个实施方案”或“实施方案”是指所描述的与该实施方案相联系的具体特性、结构或特征包含在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书中出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不必全部指代相同的实施方案。而且，在一个或多个实施方案中可以任意的适当方式将这些具体特性、结构或特征组合在一起。
图3举例说明可以用作层间电介质(ILD)或阻焊膜层的纳米复合材料300。该纳米复合材料300包含在内部嵌有许多纳米粘土粒子304(例如纳米粘土材料的层片或叠胶)的聚合物粘合剂302。在一个实施方案中，层片或叠胶304的径厚比(aspect ratio)(即层片的直径除以其厚度)大于200，而在另外的实施方案中，层片304的径厚比可以低至50。层片或叠胶还优选具有高的表面积。由于层片粒子的原因，纳米复合材料具有改善的可靠性能，所有这些都源于水、氧卤离子和金属离子的扩散过程的减慢。
在一个实施方案中，纳米复合材料制剂包含低于约25％重量的纳米粘土层片粒子，但在另外的实施方案中，包含低于约10％重量的粘土层片粒子。在进一步的另外实施方案中，纳米复合材料可包含低于5％重量的层片粒子，或在某些情况下，包含低于％重量的层片粒子。优选将纳米粘土粒子304分散在聚合物粘合剂中，使得大部分粘土粒子以单独的层片、小叠胶和尺寸低于约20nm的叠胶的小聚集体的形式存在。优选具有较大比例的单独的层片粒子和较少叠胶或聚集体的组成。在纳米复合材料300的某些实施方案中，层片或叠胶304均匀地分布在聚合物粘合剂中，但在另外的实施方案中，可以期望在层300的不同区域中具有不同数量的层片或叠胶。同样，虽然在图中所示的实施方案中，所有纳米粘土粒子304具有相同取向，在其它实施方案中，纳米粘土粒子可具有不同取向。
用于纳米复合材料300的聚合物粘合剂302的组成取决于将纳米复合材料300用作ILD层还是阻焊膜层。不论是用作ILD层还是阻焊膜层，依照其性能要求(例如物理性质如粘度、强度和硬度，及电学性质如介电常数k)，聚合物粘合剂302可具有不同组成。表1给出了用于热固化层间电介质的聚合物粘合剂302实施方案的组成；用于粘合剂各组分的确定的化学品和化合物都是本领域技术人员所熟知的。当然，在其它聚合物粘合剂实施方案中，可以使用同表1所示组分相比更多、更少或不同的组分。例如，可以使用其它聚合物树脂例如聚酯、聚醚酯、聚酰胺、聚酯酰胺、聚氨酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚脲、聚酰胺酰亚胺、聚苯醚、苯氧基树脂、环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)等或它们的组合及共混物。还可以使用此处没有列举的其它聚合物以及它们的组合或共混物。
环氧树脂酚类硬化剂催化剂(胺、酐或咪唑型催化剂)二氧化硅填充剂橡胶抗冲改性剂促进混合及转化为薄膜的溶剂任选用于粘度控制的触变剂(例如蒸气沉积二氧化硅)任选发泡抑制剂任选颜料或染料任选阻燃剂表1热固化层间电介质(ILD)的实施方案表2给出了用于热固化阻焊膜层的聚合物粘合剂302的实施方案的组成；用于各组分的确定的化学品和化合物都是本领域技术人员所熟知的。当然，在粘合剂的其它实施方案中，可以使用更多、更少或不同的组分。例如可以使用除环氧以外的其它聚合物树脂，如上面讨论到的与表1联系的那些。
环氧树脂酚类硬化剂催化剂(胺、酐或咪唑型催化剂)促进混合及转化为薄膜的溶剂任选用于粘度控制的触变剂(例如蒸气沉积二氧化硅)任选发泡抑制剂任选颜料或染料任选阻燃剂表2热固化阻焊膜的实施方案表3给出了用于光固化阻焊膜层的聚合物粘合剂的实施方案的组成；用于各组分的确定的化学品和化合物都是本领域技术人员所知的。当然，在粘合剂的其它实施方案中，可以使用更多、更少或不同的组分。例如可以使用除了丙烯酸酯以外的其它聚合物树脂，如上面讨论到的与表1联系的那些。
丙烯酸酯树脂(例如三(羟乙基)异氰尿酸酯二丙烯酸酯)光敏催化剂促进混合及转化为薄膜的溶剂任选用于粘度控制的触变剂(例如蒸气沉积二氧化硅)任选发泡抑制剂任选颜料或染料任选阻燃剂表3光固化阻焊膜的实施方案图4A和4B示例了适合于获得纳米粘土粒子304的粘土材料结构的实施方案，所述纳米粘土粒子304与聚合物粘合剂302混合得到纳米复合材料。图4A中显示的叠胶400包含如卡片一样紧密堆积的单独层片402的团聚体。优选单独层片402的厚度低于约2nm，直径大于约10nm，通常为约10nm至约3000nm。除了具有图中所示的层片结构外，层状粘土材料通常为可膨胀的自由流动粉体，具有阳离子交换容量约0.3至约3.0毫克当量/每克矿物质(meq/g)，优选约0.90至约1.5meq/g。图4B示例了从叠胶400剥落的滑石层片402的化学组成和结构。
在本发明的各种实施方案中有用的粘土材料包括天然粘土、人造粘土和改性的层状硅酸盐。天然粘土包括绿土粘土，例如蒙脱石、皂石、锂蒙脱石、云母、蛭石、膨润土、绿脱石、贝保石、铬膨润石(volkonskoite)、magadite、斜水硅钠石(kenyaite)等。人造粘土包括人造云母、人造皂石、人造锂蒙脱石等。改性粘土包括氟化蒙脱石、氟化云母等。还可以使用这些粘土材料的组合或共混物，以及此处未列举的其它粘土材料及它们的组合或共混物。
一旦选定了适当的聚合物粘合剂和纳米粘土材料，必须将它们结合以形成纳米复合ILD或阻焊膜。在一个实施方案中，通过将层片或叠胶从选定的纳米粘土剥离到聚合物粘合剂中使聚合物粘合剂和纳米粘土相结合。在可以将聚合物粘合剂与纳米粘土混合形成纳米复合ILD层或阻焊膜层之前，通过本领域已知的方法降低粘土材料的粒度，所述方法包括但不限于研磨、粉碎、锤磨、喷射研磨及它们的组合。平均粒度优选降低至直径小于100微米，更优选直径小于50微米，最优选直径小于20微米。
在降低粒度之后，可以将纳米粘土作进一步的处理，以帮助在复合材料中的剥离和/或改善聚合物粘合剂/粘土界面的强度。有用的处理的实例包括用水溶性或水不溶性的聚合物、有机试剂或单体、硅烷化合物、金属或有机金属化合物和/或它们的组合的插层。插层涉及到在层状材料的邻近层片粒子或叠胶之间化学嵌入插层物(intercalant)，以增加在邻近层片和叠胶之间的层间间距，使得更容易从材料中剥离单独的层片，在一个实施方案中，所述插层物是有机阳离子。在本发明的一个实施方案中，通过可膨胀层状粘土与一种或多种有机阳离子的反应以达到部分或完全的阳离子交换来制备插层的层状粘土材料，所述有机阳离子优选铵化合物。用有机阳离子对层状粘土进行改性的许多方法是已知的，可以采用这些方法中的任何一种来实践本发明。本发明的一个实施方案是通过下面的方法用有机阳离子盐对层状粘土进行有机改性，将层状粘土或粘土混合物分散到热水中(50至80℃)，在搅拌下加入有机阳离子盐(纯的或溶于水或醇的)，在足以使有机阳离子与存在于粘土材料的层间通道中的金属阳离子中的大部分进行交换的一段时间内进行混合。然后，用本领域中已知的方法分离有机改性的层状粘土材料，所述方法包括过滤、离心、喷雾干燥以及它们的组合。
在制备了用于剥离的纳米粘土材料后，必须将它与聚合物粘合剂相混合以形成纳米复合材料300。在一个实施方案中，通过对聚合物粘合剂和层状粘土材料混合物的熔融处理使层状粘土材料混合物与聚合物粘合剂结合在一起。在其它的实施方案中，可以采用本领域中已知的其它方法进行混合。当混合纳米复合材料300之后，可以将它铸成薄膜，或者另外将它形成为ILD层或阻焊膜层，看情况而定可以采用本领域中已知各种方法。
图5示例了包含被纳米复合ILD层504分开的许多导电层502的衬底500的实施方案。如同衬底100(参见图1)那样，纳米复合材料层504将导电层502分隔开并使它们之间相互电绝缘。与衬底100的情况不同，纳米复合ILD层504内的层片或叠胶还可以减慢或阻止分子和离子迁移进入和通过ILD层，因此减缓或防止随着时间的推移这些分子和离子的迁移对衬底造成的不合乎需要的作用。最终结果是得到更坚固、高性能的ILD层和更坚固的封装。
图6示例电子器件附着于衬底上的实施方案600。使用许多焊球606将芯片602附着于衬底604。除了将芯片602紧固到衬底上之外，焊球606还提供了与衬底内的下部导电层612的电连接。在使用焊球606附着芯片602之前，在衬底表面施加纳米复合阻焊膜层608。与阻焊膜层208(参见图2)不同，在本实施方案中的阻焊膜层608是能够减慢或停止分子和离子迁移以及它们所带来的不利后果的纳米复合材料。最终结果是得到更坚固、高性能的阻焊膜层和更坚固的封装。
图7示例电子元件附着于衬底上的另一个实施方案700。图7所示的实施方案700与图6所示的实施方案600相似，主要区别在于，图7所示实施方案包括具有纳米复合ILD层和纳米复合阻焊膜层的衬底。纳米复合ILD层和纳米复合阻焊膜层的用途不是相互排斥的，在单一的组件或器件中两者都可以使用。
上面所描述的本发明示例的实施方案，包括在摘要中所描述的内容，并不是穷举性的，也不意味着将本发明限定于所公开的确定形式。此处所描述的本发明的具体实施方案和实施例用于举例说明目的，相关领域技术人员应意识到在本发明范围之内可以做出各种等价修改。可以依照上面的详细描述对本发明做出这些修改。
下面的权利要求中使用的术语不应该解释为将本发明限定到在说明书和权利要求中所公开的具体实施方案。相反，本发明的范围完全由下面的权利要求所确定，其依照已建立的权利要求解释原则进行解释。
权利要求
1.一种装置，所述装置包括包含许多导电层的衬底；和夹在导电层之间的纳米复合层间电介质(ILD)，其中纳米复合ILD层包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物，所述纳米粘土粒子具有高的径厚比。
2.权利要求1的装置，其中纳米粘土粒子的径厚比大于约50。
3.权利要求1的装置，其中纳米粘土粒子的径厚比大于约200。
4.权利要求1的装置，其中纳米粘土粒子为层片或叠胶。
5.权利要求1的装置，其中纳米复合材料包含低于25％重量的纳米粘土粒子。
6.权利要求5的装置，其中纳米复合材料包含低于10％重量的纳米粘土粒子。
7.权利要求6的装置，其中纳米复合材料包含低于5％重量的纳米粘土粒子。
8.权利要求7的装置，其中纳米复合材料包含低于％重量的纳米粘土粒子。
9.权利要求1的装置，其中纳米粘土包括天然粘土、人造粘土、改性层状硅酸盐或它们的组合或共混物。
10.权利要求1的装置，其中聚合物粘合剂包括热固化聚合物。
11.一种装置，所述装置包括具有接触表面的衬底；和置于接触表面上的纳米复合阻焊膜层，其中阻焊膜包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物粘合剂，所述纳米粘土粒子具有高的径厚比。
12.权利要求11的装置，其中纳米粘土粒子的径厚比大于约50。
13.权利要求11的装置，其中纳米粘土粒子的径厚比大于约200。
14.权利要求11的装置，其中纳米粘土粒子为层片或叠胶。
15.权利要求11的装置，其中纳米复合材料包含低于25％重量的纳米粘土粒子。
16.权利要求15的装置，其中纳米复合材料包含低于10％重量的纳米粘土粒子。
17.权利要求16的装置，其中纳米复合材料包含低于5％重量的纳米粘土粒子。
18.权利要求17的装置，其中纳米复合材料包含低于％重量的纳米粘土粒子。
19.权利要求11的装置，其中纳米粘土包括天然粘土、人造粘土、改性层状硅酸盐或它们的组合或共混物。
20.权利要求11的装置，其中聚合物粘合剂包括热固化聚合物。
21.权利要求11的装置，其中聚合物粘合剂包括光固化聚合物。
22.权利要求11的装置，其中衬底包括许多导电层；和夹在导电层之间的纳米复合层间电介质(ILD)，其中纳米复合ILD层包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物粘合剂，所述纳米粘土粒子具有高的径厚比。
23.一种系统，所述系统包括具有接触表面的衬底；置于接触表面上的纳米复合阻焊膜层，其中阻焊膜包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物粘合剂，所述纳米粘土粒子具有高的径厚比；和附着于接触表面并与接触表面电接触的芯片，使用沉积在纳米复合阻焊膜层的孔中的焊料使芯片附着。
24.权利要求23的装置，其中纳米粘土粒子的径厚比大于约50。
25.权利要求23的装置，其中纳米粘土粒子的径厚比大于约200。
26.权利要求23的装置，其中纳米粘土粒子为层片或叠胶。
27.权利要求23的装置，其中纳米复合材料包含低于25％重量的纳米粘土粒子。
28.权利要求27的装置，其中纳米复合材料包含低于10％重量的纳米粘土粒子。
29.权利要求28的装置，其中纳米复合材料包含低于5％重量的纳米粘土粒子。
30.权利要求29的装置，其中纳米复合材料包含低于％重量的纳米粘土粒子。
31.权利要求23的装置，其中纳米粘土包括天然粘土、人造粘土、改性层状硅酸盐或它们的组合或共混物。
32.权利要求23的装置，其中聚合物粘合剂包括热固化聚合物。
33.权利要求23的装置，其中聚合物粘合剂包括光固化聚合物。
34.权利要求23的装置，其中衬底包括许多导电层；和夹在导电层之间的纳米复合层间电介质(ILD)，其中纳米复合ILD层包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物粘合剂，所述纳米粘土粒子具有高的径厚比。
35.一种方法，所述方法包括提供许多导电层；和将纳米复合层间电介质(ILD)夹在导电层之间，其中纳米复合ILD层包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物粘合剂，所述纳米粘土粒子具有高的径厚比。
36.权利要求35的方法，其中纳米粘土粒子的径厚比大于约50。
37.权利要求35的方法，其中纳米粘土粒子的径厚比大于约200。
38.权利要求35的方法，其中纳米粘土粒子为层片或叠胶。
39.权利要求35的方法，其中纳米复合材料包含低于25％重量的纳米粘土粒子。
40.权利要求39的方法，其中纳米复合材料包含低于10％重量的纳米粘土粒子。
41.权利要求40的方法，其中纳米复合材料包含低于5％重量的纳米粘土粒子。
42.权利要求41的方法，其中纳米复合材料包含低于％重量的纳米粘土粒子。
43.权利要求35的方法，其中纳米粘土包括天然粘土、人造粘土、改性层状硅酸盐或它们的组合或共混物。
44.权利要求35的方法，其中聚合物粘合剂包括热固化聚合物。
45.一种方法，所述方法包括提供具有接触表面的衬底；将纳米复合阻焊膜层置于接触表面上，其中阻焊膜包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物粘合剂，所述纳米粘土粒子具有高的径厚比；和将芯片附着于衬底，使它与接触表面电接触，使用沉积在纳米复合阻焊膜层的孔中的焊料使芯片附着。
46.权利要求45的方法，其中纳米粘土粒子的径厚比大于约50。
47.权利要求45的方法，其中纳米粘土粒子的径厚比大于约200。
48.权利要求45的方法，其中纳米粘土粒子为层片或叠胶。
49.权利要求45的方法，其中纳米复合材料包含低于25％重量的纳米粘土粒子。
50.权利要求49的方法，其中纳米复合材料包含低于10％重量的纳米粘土粒子。
51.权利要求50的方法，其中纳米复合材料包含低于5％重量的纳米粘土粒子。
52.权利要求51的方法，其中纳米复合材料包含低于％重量的纳米粘土粒子。
53.权利要求45的方法，其中纳米粘土包括天然粘土、人造粘土、改性层状硅酸盐或它们的组合或共混物。
54.权利要求45的方法，其中聚合物粘合剂包括热固化聚合物。
55.权利要求45的方法，其中聚合物粘合剂包括光固化聚合物。
56.权利要求45的方法，其中衬底包括许多导电层；和夹在导电层之间的纳米复合层间电介质(ILD)，其中纳米复合ILD层包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物粘合剂，所述纳米粘土粒子具有高的径厚比。
全文摘要
本申请公开了一种包含衬底的装置，所述衬底包括许多导电层和夹在导电层之间的纳米复合层间电介质(ILD)，其中纳米复合ILD层包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物，纳米粘土粒子具有高的径厚比。还公开了一种装置，所述装置包括具有接触表面的衬底和置于接触表面上的纳米复合阻焊膜层，其中阻焊膜包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物粘合剂，纳米粘土粒子具有高的径厚比。进一步公开了一种方法，所述方法包括提供许多导电层和将纳米复合层间电介质(ILD)夹在导电层之间，其中纳米复合ILD层包括纳米复合材料，所述纳米复合材料包含具有许多纳米粘土粒子分散在其中的聚合物粘合剂，纳米粘土粒子具有高的径厚比。还公开和请求保护其它的装置和方法的实施方案。
文档编号H05K3/28GK1938849SQ200580009873
公开日2007年3月28日 申请日期2005年3月25日 优先权日2004年3月30日
发明者P·A·科宁, J·C·小马塔亚巴斯 申请人:英特尔公司