一种基于铝阳极氧化技术的高密度转接板及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于铝阳极氧化技术的高密度转接板及其制造方法，该高密度转接板包括：微穿孔铝基板，薄膜互连层以及BGA结构，其中：微穿孔铝基板包括多孔铝结构、金属柱阵列、埋铝互连层以及铝通柱。该制造方法包括以下步骤：提供一表面抛光铝基板，进行多孔型阳极氧化，形成多孔铝结构，在多孔铝结构的孔隙中形成金属柱阵列，在铝基板中形成埋铝互连层和铝通柱，形成微穿孔铝基板；在微穿孔铝基板第二表面形成薄膜互连层；在微穿孔铝基板的第一表面和薄膜互连层表面形成BGA结构。本发明提供的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板及其制造方法，能够满足微米级高密度三维互连的需求，此外该转接板还具备优异的散热性能和可靠性。
【专利说明】一种基于铝阳极氧化技术的高密度转接板及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体封装领域，特别涉及一种基于铝阳极氧化技术的高密度转接板及其制造方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体技术按照摩尔定律不断进步和发展，IC体积越来越小，集成度越来越高。由于半导体特征尺寸变得越来越小，正在接近原子尺度，达到了其物理极限，因此人们将研究的焦点转向了封装设计的改进、功能的多样化和材料的创新，即超出摩尔定律之外的后摩尔时代(More than Moore)。在后摩尔时代中，由于市场对于便携化、小型化、高性能及多功能电子产品的巨大需求，致使封装密度和封装内元器件功能多样化(封装内可以包括IC芯片、传感器、无源元件、MEMS以及生物芯片等)不断提高。由此导致单芯片封装已经不能满足系统设计的要求，而系统级封装(System in Package,简称SiP)正是在此基础上提出并得到人们高度重视。
[0003]系统级封装是指在一个封装体中集成多个芯片、无源元件及其它功能组件并且能够完成特定任务的系统，其结合了先进的1C、组件、封装及测试等技术，可以满足系统产品高性能、低功耗、小型化、异质工艺集成、低成本要求，是微电子科学与技术从“延续摩尔定律”到“超越摩尔定律”方向发展的重要技术途径。
[0004]三维封装技术是实现系统级封装产品小型化和高性能的关键技术之一。三维封装技术需要解决芯片与芯片之间，芯片与PCB板之间垂直电互连，目前采用转接板是实现上述垂直电互连的有效方式之一。此外，转接板还需具备较低热膨胀系数，高电互连密度，高刚度以及低介电常数等。目前，常见的转接板主要有共烧陶瓷转接板、有机材料转接板、带硅通孔(TSV)转接板与玻璃基转接板。
[0005]共烧陶瓷转接板在金属布线中受工艺限制，其线宽线距较大，无法满足高密度封装结构的设计要求。而有机材料转接板的热膨胀系数(CTE)与芯片CTE差别大，容易产生热失配并形成翘曲，严重影响封装体的可靠性和电性能。
[0006]TSV转接板可以实现微米级线宽和线间距的金属布线，可应用于高密度封装结构中，其制造过程为:首先在硅晶圆正面采用干法刻蚀(DRIE)或者激光加工等方法制作深宽比为5:1至10:1的硅通孔，然后再采用电镀或填充等方法将硅通孔金属化，接着从硅晶圆背面减薄至几十微米，最后根据三维封装设计需求在TSV表面进行薄膜布线和植球。由于TSV转接板制造技术面临着很多技术挑战，而且其工艺复杂，包括硅通孔刻蚀、硅通孔填充、化学机械研磨、晶圆临时键合与减薄等，导致其成本过高，效率低下，还不能大规模生产。
[0007]对于玻璃基转接板的制造流程与TSV转接板的类似，包括通孔制作、填充、减薄及金属布线，其主要区别是在玻璃上制作通孔难度很大。目前，主要采用DRIE和激光加工两种方法进行通孔的加工，前者不仅刻蚀速率很低，而且无法实现大高宽比，后者加工出的通孔形状一致性不高，尤其加工几个微米尺寸的小孔时难度极大。因此，玻璃基转接板同样面临着成本过闻、效率低等问题。
[0008]虽然，现在已有一些铝穿孔基板能够用于制作转接板。但是，在现有的基于多孔型阳极氧化技术的铝穿孔基板中，多孔型阳极氧化的各向同性特性会使铝通柱剖面成纺锤形，从而导致铝通柱之间的间距无法进一步缩小，即铝穿孔基板无法实现高密度电互连。
【发明内容】
[0009]本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于铝阳极氧化技术的高密度转接板及其制造方法，克服了现有转接板技术中的低成本制造、效率高和高密度互连三者无法同时兼具的问题。
[0010]为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的:
本发明提供一种基于铝阳极氧化技术的高密度转接板，其包括:微穿孔铝基板，薄膜互连层及BGA结构。其中，所述微穿孔铝基板包括多孔铝结构、金属柱阵列、埋铝互连层以及铝通柱，所述金属柱阵列填充在需互连区域的所述多孔铝结构的孔隙中，所述埋铝互连层埋置在微穿孔铝基板中，所述铝通柱连通所述埋铝互连层和所述微穿孔铝基板的第二表面；所述薄膜互连层覆盖在所述微穿孔铝基板的第二表面，包括金属互连线、介质层以及通孔，所述金属互连线位于所述微穿孔铝基板第二表面，所述介质层覆盖在所述微穿孔铝基板的第二表面上，所述通孔连通所述金属互连线和所述介质层的表面；所述BGA结构形成在所述微穿孔铝基板的第一表面和所述薄膜多层互连结构的表面需互连的区域，包括凸点下金属层和所述凸点下金属层表面的金属球。
[0011]埋铝互连层埋置于微穿孔铝基板的内部，通过金属柱阵列和铝通柱来实现上下互连。
[0012]较佳地,所述微穿孔招基板还包括绝缘填充物,所述绝缘填充物填充在不需互连区域的所述多孔铝结构的孔隙中，填充了绝缘填充物之后，能够增加缓冲应力，提高了高密度转接板的刚度。
[0013]较佳地，所述多孔铝结构中的孔垂直于所述微穿孔铝基板，孔隙为几十纳米至几百纳米，所述多孔铝结构的孔的深度为十几微米至两百微米。。
[0014]较佳地，所述金属柱阵列无缺陷填充于所述多孔铝结构的孔隙中，所述金属柱阵列的材料为铜、金、镍或其他金属。
[0015]较佳地，所述介质层的材料为聚酰亚胺、苯丙环丁烯、二氧化硅或其他介电材料。
[0016]本发明还提供一种制造上述基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的方法，其包括如下步骤:
提供一表面抛光的招基板，其具有两相对的第一表面及第二表面，对其第一表面进行多孔型阳极氧化形成多孔铝结构，接着在需互连区域的所述多孔铝结构的孔隙中填满金属，形成金属柱阵列，然后在铝基板的接近第二表面部分形成埋铝互连层以及连接所述埋铝互连层和所述铝基板第二表面的铝通柱，完成微穿孔铝基板的制作；
采用薄膜布线技术在微穿孔铝基板的第二表面形成薄膜互连层，具体为:在所述微穿孔铝基板的第二表面制备金属互连线，再在微穿孔铝基板的第二表面涂覆介质层，在所述介质层上开孔，在所述开孔中填满金属，即形成了薄膜互连层；
在形成薄膜互连层后的所述微穿孔铝基板的第一表面以及所述薄膜互连层的表面需互连区域形成BGA结构，具体为:在所述微穿孔铝基板的第一表面及所述薄膜互连层的表面需互连区域形成凸点下金属层，接着在所述凸点下金属层形成金属球，即形成了 BGA结构。
[0017]较佳地，在形成所述铝通柱的步骤之后，进一步包括在不需垂直互连区域的所述多孔铝结构的孔隙中填充绝缘填充物。
[0018]较佳地，所述多孔铝结构采用铝阳极氧化技术制备，电解液系统是草酸溶液体系，硫酸溶液体系或包含硫酸、草酸和甘油的混酸体系。
[0019]较佳地，所述金属柱阵列采用电镀铜、电镀金或电镀镍技术制备，但不限于所述三种电镀技术。
[0020]较佳地，所述埋铝互连层是通过光刻和致密型铝阳极氧化在所述铝基板的第二表面形成作为暂时性掩膜的致密型氧化铝薄层，然后再进行多孔型铝阳极氧化的方法形成的。
[0021]相较于现有技术，本发明具有以下优点:
本发明提供的基于铝阳极氧化技术高密度转接板及制造方法，采用铝或铝合金作为转接板的主体材料，利用微穿孔金属化技术和埋铝互连技术，克服了现有铝穿孔基板无法实现高密度电互连的缺点，使基于铝阳极氧化技术高密度转接板能够满足微米级高密度三维互连的需求，降低了高密度转接板的制造成本，此外该转接板还具备优异的散热性能和可靠性，效率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明:
图1为本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的剖面图；
图2为本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法的工艺流程图；
图3a为本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法的SI步骤对应的铝基板不意图；
图3b为本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法的S2步骤对应的铝基板不意图；
图3c本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法的S3步骤对应的铝基板不意图；
图3d本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法的S4步骤对应的铝基板不意图；
图3e为本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法的S5步骤对应的铝基板不意图不意图；
图3f为本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法的S6步骤对应的微穿孔招基板不意图；
图3g为本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法的S7步骤对应的微穿孔招基板不意图；
图3h为本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法的S8步骤对应的微穿孔招基板不意图；
图3i为本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法的S9步骤对应的高密度转接板示意图；
图4为现有的基于多孔型阳极氧化技术的铝穿孔基板结构示意图。
[0023]标号说明:1_高密度转接板，2-微穿孔铝基板，100-铝基板，11-微穿孔铝基板，111-多孔铝结构，112-金属柱阵列，113-埋铝互连层，114-铝通柱，115-绝缘填充物，116-致密型氧化铝薄层，117-光刻胶膜，12-薄膜互连层，121-金属互连线，122-介质层，123-通孔，13-BGA结构，131-UMB层，132-金属球，201-贯通铝通柱，202-多孔铝介质。
【具体实施方式】
[0024]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0025]请参阅图1，此实施例的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板I包括微穿孔铝基板11、薄膜互连层12、BGA结构13。微穿孔铝基板11具有两相对的第一表面及第二表面，微穿孔铝基板11包括多孔铝结构111和金属柱阵列112 ;薄膜互连层12位于铝基板11的第二表面，包括金属互连线121、介质层122和通孔123，BGA结构13位于微穿孔铝基板的第一表面及薄膜互连层12的表面，BGA结构13包括凸点下金属层(UBM层)131和金属球132。
[0026]本实施例的高密度转接板I还包括填充在不需互连区域的多孔铝结构111的孔隙中的绝缘填充物115，绝缘填充物115可以增加缓冲应力，提高了高密度转接板I的刚度。
[0027]较佳实施例中，多孔铝结构111中的孔垂直于微穿孔铝基板11，孔隙为几十纳米至几百纳米，多孔铝结构111的孔的深度为十几微米至两百微米。
[0028]较佳实施例中，金属柱阵列112无缺陷填充于多孔铝结构111的孔隙中，金属柱阵列112的材料可以为铜、金、镍或其他金属。
[0029]不同实施例中，金属互连线121的材料为铜、金、铝或其他金属；介质层122的材料为聚酰亚胺、苯丙环丁烯、二氧化硅或其他介电材料。
[0030]不同实施例中，凸点下金属层131的结构为TiW/Au、TiW/Cu/Ni/Au、Tiff/Cu/Ni/Pd/Au或其它常规凸点下金属层；金属球132的材料为金、铜、铝、镍、锡铅、锡银、锡银铜或其他焊料，直径在10-150微米之间。
[0031]请参阅图2、图3，本发明的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法，包括以下步骤:
S1:提供一铝基板100，对其第一表面进行抛光和清洗；
52:对铝基板100的第一表面进行多孔型铝阳极氧化，氧化电压为50-60伏，时间4-7小时，电解质溶液为3%的磷酸溶液、5%草酸溶液、5%硫酸溶液或混酸溶液，混酸溶液成分为
5.5%硫酸、0.2%草酸和1.5%甘油，形成多孔铝结构111，多孔铝孔隙尺寸为几十微米至几百微米，孔的深度为十几微米至两百微米；
53:通过光刻和电镀在需互连区域的多孔铝结构111的孔隙内填满金属，使其金属化，形成金属柱阵列112，金属柱的材料为铜、金、镍或其他金属，同时为了保证孔隙内完全金属化，电镀工艺采用单脉冲或多脉冲电镀形式；
S4:通过光刻和致密型铝阳极氧化技术在S3步骤后的铝基板100的第二表面的埋铝互连区域形成致密型氧化铝薄层116，作为暂时性掩膜，致密型铝阳极氧化的电压为40-160伏，时间5-15分钟,本实施例所使用的电解液为1%朽1檬酸溶液；
S5:在步骤S4后的铝基板100的第二表面的铝通柱114区域制作光刻胶膜117，然后对铝基板100的第二表面进行多孔型阳极氧化，暂时性掩膜116会逐渐溶解，最后在其区域形成埋铝互连层113和铝通柱114。
[0032]S6:将S5步骤后的铝基板100的铝通柱114区域的光刻胶膜117去除，然后将铝基板100侵入到液态BCB中进行多孔铝孔隙的填充，在不需互连区域的多孔铝孔隙中填充绝缘填充物115，在20(T26(TC温度下进行固化，最后通过双面抛光后获得微穿孔铝基板11 ；
S7:利用金属沉积、光刻和金属腐蚀方式在微穿孔铝基板的第二表面形成薄膜互连层12的金属互连线121 ；
58:通过旋涂或喷涂方式在S7步骤后的微穿孔铝基板的第二表面涂覆介质层122，并在介质层122的所需互连区域进行开孔，在开孔中沉积一层金属种子层，然后通过电镀或化学镀方式加厚，使开孔内填满金属，形成通孔123，接着再采用化学机械抛光(CMP)方法去除非通孔区域的表面多余金属，完成薄膜互连层12的制备；金属种子层结构为TiW/Cu、Tiff/Au或其它常规种子层，通孔123的金属材料可以为铜、金或其它金属；
59:在S8步骤后的微穿孔铝基板的第一表面以及薄膜互连结构12的表面需与外界器件进行互连的区域形成凸点下金属层131，接着在所述凸点下金属层的表面通过印刷、激光、电镀、注入成型或微压成型的方式形成金属球132，形成BGA结构13，完成高密度转接板I的制备。
[0033]不同实施例中，步骤S7中也可以采用lift-off工艺(先光刻后再进行金属沉积，然后通过去胶将非布线区域金属剥离)制作金属互连线121。
[0034]不同实施例中，步骤S8中的介质层122的材料可以为聚酰亚胺、苯丙环丁烯、二氧化硅或其他介电材料，如介质层122为苯丙环丁烯时可以采用光刻开孔，其他介质材料可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀开孔。
[0035]如图4所示，现有的基于多孔型阳极氧化技术的铝穿孔基板，由于多孔型阳极氧化的各向同性特性会使贯通铝通柱201的剖面成纺锤形，从而导致铝通柱之间的间距无法进一步缩小，即铝穿孔基板无法实现高密度电互连。而根据本发明提供的基于铝阳极氧化技术高密度转接板及制造方法，采用铝或铝合金作为转接板的主体材料，利用微穿孔金属化技术和埋铝互连技术，克服了上述铝穿孔基板无法实现高密度电互连的缺点，使基于铝阳极氧化技术高密度转接板能够满足微米级高密度三维互连的需求，此外该转接板还具备优异的散热性能和可靠性。
[0036]此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
【权利要求】
1.一种基于铝阳极氧化技术的高密度转接板，其特征在于，包括: 微穿孔铝基板，其包括多孔铝结构、金属柱阵列、埋铝互连层以及铝通柱，其中:所述金属柱阵列填充在需互连区域的所述多孔铝结构的孔隙中，所述埋铝互连层埋置在所述微穿孔铝基板中，所述铝通柱连通所述埋铝互连层和所述微穿孔铝基板的第二表面； 薄膜互连层，覆盖在所述微穿孔铝基板的第二表面，包括金属互连线、介质层以及通孔，所述金属互连线位于所述微穿孔铝基板第二表面，所述介质层覆盖在所述微穿孔铝基板的第二表面上，所述通孔连通所述金属互连线和所述介质层的表面； BGA结构，形成在所述微穿孔铝基板的第一表面和所述薄膜多层互连结构的表面需互连的区域，包括凸点下金属层和所述凸点下金属层表面的金属球。
2.根据权利要求2所述的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板，其特征在于，所述微穿孔铝基板还包括绝缘填充物，所述绝缘填充物填充在不需互连区域的所述多孔铝结构的孔隙中；所述绝缘填充物的材料为聚酰亚胺、苯丙环丁烯或其它有机填充材料。
3.根据权利要求2所述的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板，其特征在于，所述多孔铝结构的孔垂直于所述微穿孔铝基板，所述多孔铝结构的孔之间的孔隙为几十纳米至几百纳米，所述多孔铝结构的孔的深度为十几微米至两百微米。
4.根据权利要求2所述的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板，其特征在于，所述金属柱阵列无缺陷填充于所述多孔铝结构的孔隙中，所述金属柱阵列的材料为铜、金、镍或其他金属。
5.根据权利要求2所述的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板，其特征在于，所述介质层的材料为聚酰亚胺、苯丙环丁烯、二氧化硅或其他介电材料。
6.一种基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: 提供一表面抛光的招基板，其具有两相对的第一表面及第二表面，对其第一表面进行多孔型铝阳极氧化形成多孔铝结构，接着在需互连区域的所述多孔铝结构的孔隙中填满金属，形成金属柱阵列，然后在铝基板中形成埋铝互连层以及连通所述埋铝互连层和所述铝基板第二表面的铝通柱，完成微穿孔铝基板的制作； 在所述微穿孔铝基板的第二表面形成薄膜互连层； 在所述微穿孔铝基板的第一表面和所述薄膜多层互连结构的表面需互连区域形成BGA结构。
7.根据权利要求6所述的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法，其特征在于，在形成所述铝通柱的步骤之后，进一步包括在不需互连区域的所述多孔铝结构的孔隙中填充绝缘填充物。
8.根据权利要求7所述的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法，其特征在于，所述多孔铝结构采用铝阳极氧化技术制备，电解液系统是草酸溶液体系，硫酸溶液体系、磷酸溶液体系或包含硫酸、草酸和甘油的混酸体系。
9.根据权利要求7所述的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法，其特征在于，所述金属柱阵列采用电镀铜、电镀金或电镀镍技术制备。
10.根据权利要求7所述的基于铝阳极氧化技术的高密度转接板的制造方法，其特征在于，所述埋铝互连层是通过光刻和致密型铝阳极氧化在所述铝基板的第二表面形成作为 暂时性掩膜的致密型氧化铝膜层，然后再进行多孔型铝阳极氧化的方法形成的。
【文档编号】H01L21/48GK104201163SQ201410394975
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】刘米丰, 丁蕾, 杨旭一, 王立春 申请人:上海航天电子通讯设备研究所