专利名称：用于柔性板上倒装芯片应用的柔性电路衬底的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路芯片的电路衬底，其中本发明的实施例提供用于柔性板上倒装芯片(flip-chip-on-flex)应用中的改进的柔性电路衬底。
背景技术：
直接芯片连接(DCAdirect chip attachment)指的是一种半导体组装技术，其中集成电路芯片被直接安装在其最终电路衬底上并且电连接到该最终电路衬底，而不是进行传统的组装和封装。有利地，DCA中取消了传统的器件封装既简化了制造过程，又减少了集成电路芯片在最终电路衬底上所占的空间。它还改善了性能，这是由于集成电路芯片与电路衬底之间互连路径缩短的结果。
倒装芯片与柔性电路衬底连接(柔性板上倒装芯片(FCoF))是DCA的一种变型，其正发展成构建某类电子器件的主流工艺。倒装芯片(flip chip)包括具有多个附接到芯片焊接区的导电焊料凸点(solder bump)的集成电路芯片。在FCoF中，这些焊料凸点被直接附接到柔性电路衬底。而柔性电路衬底包括用于以与传统刚性印制电路板的方式将倒装芯片与其他电子元件连接的铜电迹线(trace)。柔性电路衬底被广泛用在需要它们独特的弯曲成灵活形状的能力的应用中。柔性电路衬底用在例如笔记本电脑、硬盘驱动器、PCMCIA(个人计算机存储卡国际联合会)连接器、扩展坞(docking station)、定位设备、光盘播放器和移动电话中。
将倒装芯片安装到柔性电路衬底上包括将倒装芯片上的焊料凸点附连到被合并到柔性电路衬底中的铜电迹线。在柔性电路衬底中，这些铜电迹线通常被某种聚合物保护层覆盖，其常被称为“焊料掩模”。因此，在聚合物保护层中建立开口以形成允许倒装芯片上的焊料凸点接近下面的铜电迹线的连接区域。然后，使用高温回流焊接(reflow)工艺永久地将焊料凸点附接到铜电迹线。随后，非导电底层填充(underfill)材料被分布到倒装芯片与柔性电路衬底之间的区域内。底层填充材料保护焊料凸点不受潮湿和其他环境危害，为组装提供附加的机械强度，并且补偿倒装芯片与柔性电路衬底之间的任何热膨胀差异。
由于其众多的功能，底层填充材料优选为完全并均匀地填充倒装芯片与柔性电路衬底之间的区域。这要求精确地控制倒装芯片与柔性电路衬底之间的距离(“相隔距离standoff distance”)。不幸地，在传统的FCoF应用中，该相隔距离受许多因素的影响，这些因素包括柔性电路衬底上连接区域的尺寸、聚合物保护层(即，焊料掩模)的厚度、焊料凸点合金的延展性和焊料凸点的回流焊接温度曲线(reflowprofile)。例如，如果大的连接区域被暴露在柔性电路衬底上，则焊料凸点在该区域中着陆就将具有这样的倾向，即在高温回流焊接工艺期间沿暴露的铜电迹线通过毛细作用被传送(wick)。这导致相隔距离减小，从而危害倒装芯片与柔性电路衬底之间底层填充材料的完全且均匀的层的应用。
因此，需要一种用于FCoF应用的改进的柔性电路衬底，其在与传统的柔性电路衬底相比时，促进倒装芯片与柔性电路衬底之间更大并更均匀的间隔距离。
发明内容
本发明通过提供一种用于FCoF应用的改进的柔性电路衬底满足了上述需要。该电路衬底的实施方式使用基本上与柔性电路衬底的表面齐平的安装座。有利地，与传统的柔性电路衬底相比，通过这种方式，在柔性电路衬底与所附接的倒装芯片之间形成更大并更均匀的相隔距离。
根据本发明的一个方面，用于附接到集成电路芯片的电路衬底包括电迹线、安装座和介电层。安装座具有第一表面、一个或多个侧壁和第二表面。第一表面被附接到电迹线。而介电层基本覆盖安装座的所述一个或者多个侧壁，并且具有基本与安装座的第二表面共面的最高表面。
在一个示例性实施方式中，电路衬底是柔性的，并且被配置用于附接到具有多个焊料凸点的倒装芯片。电路衬底包括多个电迹线和相等数量的安装座。每一安装座具有下表面、侧壁和上表面。每一安装座的下表面被附接到相应电迹线。介电层覆盖安装座的侧壁，并且具有基本上与安装座的上表面共面的最高表面。另外，在安装座的上表面上设置安装座顶帽，从而使安装座顶帽从介电层的最高表面略微凸出。
有利地，在将倒装芯片附接到电路衬底时，该电路衬底结构致使倒装芯片的焊料凸点被限制到安装座顶帽。这种限制限制了焊料凸点的损毁。因此，倒装芯片与电路衬底之间的相隔距离更容易保持在有利于在倒装芯片与电路衬底之间形成底层填充材料的完全且均匀层的范围内。从而，在使用具有依照本发明各方面的特征的电路衬底时，形成更可靠的芯片/衬底组装。
本发明的这些和其他的特征和优点从以下结合附图的详细描述中变得显而易见。
图1A示出根据本发明一个示例性实施方式的电路衬底的平面图；图1B示出了图1A电路衬底的截面图；图2A示出包括被附接到图1A电路衬底的倒装芯片的组装的平面图；图2B示出图2A组装的截面图；图3示出具有附加散热器(heat sink)的图2A组装的截面图；图4A-4I示出在形成的各个阶段期间的图1A电路衬底。
具体实施例方式
这里将结合示例性电路衬底和形成示例性电路衬底的方法来说明本发明。但是，应该理解的是，本发明不限于此处所示出和描述的特定布置、材料、薄膜层以及处理步骤。对示例性实施方式的修改对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
尤其对于处理步骤，应强调的是，此处所给出的描述并非要涵盖成功形成功能性电路衬底可能需要的所有处理步骤。相反，某些用于形成这种电路衬底的传统处理步骤、诸如清洁步骤、出于描述上的经济性，有意不在此处说明。但是，本领域普通技术人员将很容易地认识到那些从该概括性描述中省略的处理步骤。而且，用于制作电路衬底的处理步骤的详细说明可以在很多出版物中找到。例如，C.A.Harper，editor，Electronic Materials and Processes Handbook，ThirdEdition，McGraw-Hill，2003，其被包含在这里用作参考。
还应该理解的是，附图中示出的各层和/或区域不是按比例绘制的。而且，为了描述上的经济性，附图仅局限于说明性电路衬底的对于展示本发明各方面所需要的那些区域。在实际应用中，根据本发明各方面的电路衬底可能比此处所图示的那些电路衬底更广阔。但是，这些更广阔的电路衬底仍然在本发明的范围之内。
图1A和1B示出了根据本发明一个说明性实施方式的电路衬底100。图1A是平面图，而图1B是在图1A中所示平面中剖开的、放大了的截面图。电路衬底包括下介电层110和上介电层120。多个电迹线被包含到这些介电层中，它们共同用电迹线130表示。共同用安装座140表示的安装座被附接到每个电迹线的上表面。最后，共同用安装座顶帽150表示的安装座顶帽被附接到每个安装座的上表面。
为了举例说明的目的，图1A和图1B中所示的安装座140在由安装座的上表面所限定的平面中是圆形的。因此，每个安装座具有一个单一侧壁。但是，这种形状完全是说明性的，其他安装座形状仍在本发明的范围内。例如，在一些应用中，可以优选使用具有正方形形状的安装座。这样的安装座具有四个侧壁。例如，正方形的安装座可以更好地适用于一些类型的照相平版印刷处理设备。
根据本发明的一个方面，图1A和图1B中所示的电路衬底100是柔性的。为了是柔性的，介电层110、120优选包含聚合材料，比如但不限于聚酰亚胺。下介电层优选在安装座下面的区域中为大约30微米厚，上介电层优选为大约25微米厚。然而，其他厚度可以同样适合，并且对本领域普通技术人员来说是显而易见的。由于铜的低电阻率，电迹线130和安装座140优选包含铜。电迹线和安装座优选具有大约25微米的厚度。安装座顶帽150优选包含在镍上沉积的金，并且具有大约5微米的总厚度。镍抑制铜安装座与那些附接到安装座顶帽相对侧的零件之间的铜相互扩散。金防止镍被氧化。
根据本发明另一方面，图1A和图1B中所示的特定电路衬底100被配置用于附接到倒装芯片。然而，应该注意的是，电路衬底不必被配置用于附接到特定类型的集成电路芯片，以落入本发明的范围内。倒装芯片的设计、工作特性和制造工艺对于本领域普通技术人员来说是熟知的。而且，倒装芯片在很多容易获得的出版物中有详细介绍，包括G.R.Blackwell，editor，The Electronic Packaging Handbook，CRC Press，1999，其被包含在此用作参考。简单地说，倒装芯片，与其他类型的集成电路芯片一样，通常利用传统的半导体处理技术在半导体晶片的表面上的重复图案中被制造。在形成倒装芯片后，焊料凸点被附接到倒装芯片顶部的焊盘，而倒装芯片仍被结合在半导体晶片中。倒装芯片的焊盘通过倒装芯片的金属化层(metallization level)被电连接到倒装芯片内的半导体电路。而焊料凸点通常包含铅，并且也可以包含锡。可以以包括蒸镀、电镀、印刷、喷注、接线柱球焊(studbumping)和直接贴装(direct placement)的很多方法来在倒装芯片上形成或安置焊料凸点。
通过参考图2A和2B，更好地理解倒装芯片与电路衬底100的附接。图2A中示出了包含被附接到电路衬底100的倒装芯片210的组装200的平面图。图2B中示出了同一组装的沿图2A中所示平面剖开的、放大的截面图。倒装芯片包括多个焊料凸点，它们共同由焊料凸点220表示。底层填充材料230填充倒装芯片与电路衬底之间的区域。
倒装芯片210上的焊料凸点220以这样一种方式被布置，即当倒装芯片以其焊料凸点朝下而被置于电路衬底的顶部时，焊料凸点的位置与电路衬底100上的安装座顶帽150的位置匹配。这种布置允许每个焊料凸点直接附接到相应的安装座顶帽。优选地，通过高温回流焊接工艺实现倒装芯片到电路衬底的实际附接。用于高温回流焊接工艺的温度取决于用于焊料凸点的特定焊料合金，并且其对于本领域普通技术人员来说是公知的。
应该注意的是，可选地，在使焊料凸点220与安装座顶帽150接触之前，焊料凸点和/或安装座顶帽可以被涂覆有助焊剂(flux)材料。助焊剂从要被焊接的表面去除氧化物，并且防止在焊接过程本身期间的进一步氧化。
一旦实现了附接，底层填充材料230优选被应用到组装200中。底层填充材料可以沿倒装芯片210的一个或两个边缘针状分配(needle-dispensed)。其通过毛细作用(capillary action)被汲取到倒装芯片与电路衬底100之间的区域内，并且然后被热固化以形成永久结合。如前面所述，底层填充材料的完全且均匀的应用是很关键的，因为底层填充材料保护焊料凸点不受潮湿和其他环境危害，为组装提供附加的机械强度，并且补偿倒装芯片与柔性电路衬底之间的任何热膨胀差异。底层填充材料优选包含环氧树脂粘合剂。
要注意的是，根据本发明一个方面，上介电层120的最上表面基本上与安装座140的上表面共面。通过这种布置，安装座顶帽150在上介电层的表面上轻微地突出。这种布置具有很多优点。至少一个优点依赖于这样的事实，即在通常的高温回流焊接工艺期间，焊料会在金属表面上扩散或通过毛细作用被传送(即“润湿”金属表面)，但不会在介电的非金属表面上扩散。因此，在高温回流焊接后，倒装芯片210的焊料凸点220将倾向于被限制到它们各自的安装座顶帽的顶部，因为安装座顶帽在电路衬底100的表面上形成离散的金属岛(metallicisland)。
高温回流焊接工艺期间焊料凸点220被限制到安装座顶帽150的顶部将限制倒装芯片附接工艺期间焊料凸点的损毁。给定焊料凸点在回流焊接期间横向扩散越多，焊料凸点的高度降低得越多。但是，如果扩散范围被精确控制，如此处所述实施方式中的情形，则给定焊料凸点在附接期间的高度降低越少。从而，与传统的电路衬底相比下，实现了电路衬底100与所附接的倒装芯片210之间更大并更均匀的相隔距离。因此，相隔距离更容易保持在有利于在倒装芯片与电路衬底之间形成完全且均匀的底层填充材料层的范围内。这样，当使用具有依据本发明各方面的特征的电路衬底时，形成更可靠的芯片/衬底组装。
而且，通过将一个或多个散热器添加到电路衬底100，可以获得更多的益处。图3图示了具有附加的散热器310的组装200。散热器310被直接附接到电迹线130其中之一的下表面。散热器优选包含具有高导热性的金属材料，诸如但不限于铜、银、金或者铝。散热器优选还具有用于增加从散热器到散热器周围环境空气的对流传热的鳍状突出。
有利地，被附接到散热器310的电迹线130和该电迹线的相关安装座140组合形成从倒装芯片210到散热器310的低热阻通道。从而增加了来自倒装芯片的热散失。而且，通过如图3所示的那样使用多个散热器，或者通过使用与附接到不止一个具有相同电势的安装座的电迹线相接合的更大的散热器，甚至可以获得更多的热散失。被附接到不止一个安装座的电迹线在传统的电路衬底中经常被使用作为例如接地母线。
现在参考图4A-4I描述形成电路衬底100的一种说明性方法。最初，利用粘合剂将电迹线层130L-优选包含铜一暂时附接到刚性支撑板420，从而形成图4A中所示的组装。刚性支撑板在初始处理步骤期间用于支撑组装。在工艺中的这一点上，电迹线层可选地可以被以化学方式粗糙化，例如如果电迹线层由铜形成，则通过使用包含盐酸的溶液。电迹线层的粗糙化将提高其后沉积的层的粘附。
接下来，通过图形电镀(pattern plating)工艺形成安装座140。首先，第一光刻胶层430被沉积在图4A组装上。第一光刻胶层优选包含适当的干膜光聚合物，诸如可以从DuPont Printed CircuitMaterials(Research Triangle Park，North Carolina，USA)购买到的那些。第一光刻胶层的厚度优选与安装座的期望厚度相同(例如，25微米)。然后，通过传统的曝光和显像技术在第一光刻胶层中形成安装座的负像。所得到的组装在图4B中示出。随后，安装座材料-优选包含铜-被电镀到图4B的组装上。安装座材料只沉积在电迹线层130L的暴露部分上。从而形成如图4C中所示的安装座140。
在形成安装座140后，第一光刻胶层430被剥去，从而形成图4D中所示的组装。随后，在组装的表面上形成上介电层120。上介电层的形成优选利用热塑性聚合物层压材料(例如聚酰亚胺)的真空辅助层压。这样的聚合物层压材料可从例如Rogers Corporation(Rogers，Connecticut，USA)购买到。这些类型聚合物层压材料的层压包括利用液压机向要被层压的组装施加压力。液压机具有两个加热的压板，其在施加压力时在整个组装上均匀分配热量。在真空辅助层压中，压板被装进真空环境中。借助于真空，在层压工艺期间需要较小的压力，并且实际上在聚合物层压材料和正将其附接到其上的衬底之间捕获不到气体。然后，固化聚合物层压材料，并且通过传统的基于碱性高锰酸盐的除胶渣(desmearing)工艺将沉积在安装座上表面的聚合物层压材料的任何残余清除。所得到的组装在图4E中示出。在这一点上，临时的刚性支撑板420不再需要继续处理，并且可以被去除。
随后，第二光刻胶层440被沉积在电迹线层130L的下表面。如在第一光刻胶层430的情形下一样，第二光刻胶层优选包含适当的干膜光聚合物。在第二光刻胶层就位的情况下，对组装进行电镀处理，以在安装座140的上表面上沉积安装座顶帽150、优选包含在镍上沉积的金。所得到的组装在图4F中示出。
接下来，通过传统的曝光和显像技术，将电迹线130的正像图案构图到第二光刻胶层440内。所得到的组装在图4G中示出。在构图后的第二光刻胶层就位的情况下，然后将组装暴露于用于蚀刻电迹线层130L的暴露部分的液体化学蚀刻剂，以便确定离散的电迹线。液体化学蚀刻剂例如可以包括氯化铁溶液。在该湿法刻蚀工艺期间，安装座顶帽150用作抗蚀剂，从而保护安装座140不被刻蚀。所得到的组装在图4H中示出。在这一点上，电迹线130的下表面可选地可以再次以化学方法被粗糙化，以提高其后沉积层的粘附。
为了完成电路衬底，利用适当的、类似于用来形成上介电层120的聚合物层压材料，将一层下介电层材料(例如聚酰亚胺)压力/真空层压到图4H组装的下部。这就形成了下介电层110。在固化下介电层后，得到图4I中所示的组装。图4I中的电路衬底与图1B中所示的电路衬底100相同。
重要地，应理解到尽管已经参考附图描述了本发明的说明性实施方式，但是本发明不局限于这些准确的实施方式。例如，电路衬底可以被配置用于附接到完全不同于说明性实施方式中描述的类型的集成电路芯片，并且仍然在本发明的范围内。而且，形成电路衬底的元件和材质在其他实施方式中可以是不同的。本领域技术人员应认识到在不偏离所附权利要求书的范围下可以进行各种其他的变化和修改。
权利要求
1.一种用于附接到集成电路芯片的电路衬底，其中所述电路衬底包括电迹线；安装座，其中所述安装座具有第一表面、一个或多个侧壁、以及第二表面，所述第一表面被附接到所述电迹线；以及介电层，其中所述介电层基本上覆盖所述安装座的所述一个或多个侧壁并具有基本上与所述安装座的第二表面共面的最高表面。
2.如权利要求1所述的电路衬底，其中，所述电路衬底是柔性的。
3.如权利要求1所述的电路衬底，其中，所述电路衬底被配置为附接到倒装芯片。
4.如权利要求1所述的电路衬底，还包括覆盖层，其中所述覆盖层在所述安装座的第二表面上形成。
5.如权利要求1所述的电路衬底，还包括第二介电层，其中在基本上覆盖所述安装座的所述一个或多个侧壁的介电层与所述第二介电层之间形成所述电迹线的至少一部分。
6.如权利要求1所述的电路衬底，还包括散热器。
7.一种组装，包括电路衬底，其中所述电路衬底包括电迹线、安装座和介电层，所述安装座具有第一表面、一个或多个侧壁、以及第二表面，所述第一表面被附接到所述电迹线，所述介电层基本上覆盖所述安装座的所述一个或多个侧壁并具有基本上与所述安装座的第二表面共面的最高表面；以及集成电路芯片，其中所述集成电路芯片被附接到所述电路衬底。
8.如权利要求7所述的组装，其中，所述集成电路芯片是包括多个焊料凸点的倒装芯片。
9.如权利要求8所述的组装，其中，所述焊料凸点的其中之一被电连接到所述电路衬底上的安装座。
10.一种形成用于附接到集成电路芯片的电路衬底的方法，所述方法包括如下步骤形成电迹线层；形成安装座，其中所述安装座具有第一表面、一个或多个侧壁、以及第二表面，所述第一表面被附接到所述电迹线层；以及形成介电层，其中所述介电层基本上覆盖所述安装座的所述一个或多个侧壁，并具有基本上与所述安装座的第二表面共面的最高表面。
全文摘要
用于附接到集成电路芯片的电路衬底包括电迹线、安装座和介电层。安装座具有第一表面、一个或者多个侧壁、以及第二表面。第一表面被附接到电迹线。介电层基本上覆盖安装座的所述一个或多个侧壁并具有基本上与安装座的第二表面共面的最高表面。
文档编号H01L23/50GK101026143SQ20061016306
公开日2007年8月29日 申请日期2006年11月30日 优先权日2006年2月23日
发明者查尔斯·科恩 申请人:艾格瑞系统有限公司