专利名称：顺序制作的集成电路封装的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成电路封装，特别是一种顺序制作并容纳着至少一个集成电路的球网格阵列衬底封装。
用于安装一集成电路的集成电路封装已经有好几代产品了。最近，一种被称作球网格阵列衬底封装的新一代产品的开发已经显示出优于前几代集成电路封装的多个优点。早期的几代集成电路封装包括陶瓷和金属封装，其价格昂贵且难于制造。与球网格阵列衬底封装有关的优点大体上包括(1)消除了对通向集成电路封装的外缘的路径封装的需要；(2)允许更小的封装和安装在同一印制电路板上的封装之间保持更小的间距；以及(3)缩短了互连长度以提高电性能。
球网格阵列衬底封装已经被进一步分为增强球网格阵列或微型球网格阵列。微型球网格阵列通常用于具有相对较少数目的输入和输出的集成电路中。这样的集成芯片包括不同的存储芯片。微型球网格阵列通常被构造成一个其尺寸与集成芯片尺寸相似的单层带。
增强球网格阵列用于可以产生超过3瓦特(的功率)或具有相对较大数目的输入和输出的集成电路。一个相对较大数目的输入和输出是指在300-1000的范围内。与增强球网格阵列结合使用的集成电路通常为专用集成电路、数字信号处理器或微处理器。
增强球网格阵列的一个例子将在下面做一简略讨论，并被公开在美国专利No.5,583,378中。该专利已于1996年11月10日授予Marrs等人，并被转让给Amkor Electronics，Inc.
参见
图1，示出了一增强球网格阵列封装100、一集成电路102和一热导体104的横截面图，所有这些均在并被公开的美国专利No.5,583,378中做了描述。热导体104通常为一薄铜层(即0.127-0.254mm厚)，覆盖增强球网格阵列100的整个外表面。
热导体104通过一粘附层108附着在一互连衬底106上。互连衬底106为一多层印制电路板叠层，其具有多个将集成电路102置于其中的井区。集成电路102可以直接附着在热导体104的一个表面上，或者在它们之间有一可选粘附层112。
互连衬底106通过一公知方法交替地由至少一个绝缘层114和至少一个导电迹线层116组成。绝缘层114和导电迹线层116的数目根据集成电路102的类型、电路设计要求以及所要求的电路互连数目而定。绝缘层114和导电迹线层116用环氧树脂层叠在一起。导电通路或镀通孔118随后经钻孔或激光融化形成，并电镀以形成用于在多重导电迹线层116之间电连接的导体。
一个焊接(硬焊)掩蔽层120施加在导电迹线层116最外层上方，并起一绝缘体的作用。焊接掩蔽层120进一步包括通过在焊接掩蔽层120上产生可选择的开口的方式形成的多个电触头122。电触头122通常镀以镍或金，并与集成电路120电连接。电触头122与集成电路120之间的电连接从由导电通路118相连的电触头开始，直到不同的导电迹线层116，之后，多个连接导线124将导电迹线层与集成电路相连。
多个焊料球126附着在电触头122上，从而使增强球网格阵列100可以与例如一印制电路母板(未示出)的较大电子系统电边通。
如前所述，集成电路102置于井区110中，该井区110中可以填入预定程度的绝缘密封材料128。绝缘密封材料128典型地为环氧基塑料树脂，其作用是保护集成电路102和多个连接导线124，防止它们与外界环境接触。
由于在互连衬底106中采用了玻璃增强环氧树脂叠层，因而导致了与现有的增强球网格阵列100相关的低产出和高制造成本的缺点。另外，目前的增强球网格阵列100在制造过程中很易于产生如翘曲、装饰性缺陷、以及不可靠地将镍和金施加到电触头122上等问题。
此外，将镍和金施加到电触头122上需要一可以利用位于互连衬底外的有用空间的总线网(bussing network)。该总线网还要求用金涂覆焊料球，在此，当使用不同的金属将增强球网格阵列100与具有通常由铜制成的接线的印制电路母板相连时，就会产生问题。
因此，需要提出一种新一代的球网格阵列衬底封装，其通过采用了顺序制作技术的制造工艺构成。也存在着在形成于球网格阵列衬底封装的金属芯中的一对应腔中布置至少一个集成电路的需要。这些和其它一些需要都可以通过本发明的球网格阵列衬底封装得到满足。
本发明为一种适合于采用一球网格阵列的增强衬底封装及其制造方法，其中该衬底封装包括一个带有一第一表面和与第一表面相对的第二表面的金属芯。该金属芯进一步包括至少一个腔，在该腔中布置有至少一个集成电路。一电介质层固接在所述金属芯的第一表面上，并包括一个形成于其中的模腔。之后，一导电籽晶层化学沉积在电介质层的暴露部分和金属芯的第一表面上。紧邻着籽晶层，一电路电解地或可选择地成形在一第一电路图样中。一电阻性焊接掩蔽层可以布置在电介质层和电路上。
根据本发明的一个方面，第一表面具有一粘合促进导电表面层，其允许电介质层直接附着在所述芯上，而不需要采用一粘合剂。
根据本发明的另一个方面，所述电介质层具有一沿着金属芯外周的至少一部分布置的外部凹进边缘和/或一沿着所述腔外周的至少一部分布置的内部凹进边缘。在每一种情况下，该凹进边缘都可以被所述焊接掩蔽层覆盖，从而防止水分的侵入。
另外，本发明的衬底封装也可以进一步包括穿过电介质层和焊接掩蔽层延伸的通路或通孔，以及一个穿过所述通路从焊接掩蔽层的一个外表面延伸至粘合促进层的一个上表面的电导体，从而金属芯可以穿过该电导体而被接地。
根据本发明，提供了一种采用顺序制作技术制成的球网格阵列衬底封装。而且根据本发明，提供了一种球网格阵列衬底封装，其具有一电解地或可选择地形成于一部分电路上方的焊接区域。根据本发明，还提供了一种球网格阵列衬底封装，其采用一差分蚀刻工艺来除去一导电籽晶层。根据本发明，进一步提供了一种球网格阵列衬底封装，其具有一个可选择地用位于一预定位置上的一内部镍层和一外部金层形成的焊接区域。
根据本发明的一种制造一球网格阵列衬底封装的工艺包括以下步骤用一粘合促进剂氧化一个金属芯的一个第一表面，施加一电介质至该金属芯的第一表面上，在所述电介质中产生至少一个腔以暴露出金属芯的第一表面的一部分，金属化一导电籽晶层至所述电介质层的一暴露部分以及金属芯的第一表面的至少一个暴露部分，以及电解形成一电路。本发明提供的制造工艺的改进进一步包括无需使用一粘合剂而电解形成多个连续层，以及采用一半加成金属化技术，其采用一个籽晶层，该籽晶层具有这样的厚度，以使得足以在其上面形成一个电路，然后当该电路已经形成后除去该籽晶层。本发明的这些和其它一些方面将在下面做进一步详细说明。
结合附图并参考下面的详细说明，将会更加全面地理解本发明。其中，图1为现有技术的一剖视图，示出了一具有一薄的热导体的增强球网格阵列衬底；图2a-2o为与本发明的球网格阵列衬底封装相关的各种构造水平的剖视图；图3为具有多层电路的衬底封装的一剖视图；图4为本发明的一模式板电路和一接合区域的平面视图；图5为一焊接掩蔽层的平面视图；图6为在分割前一片衬底封装的立体图；图7为本发明的球网格阵列衬底封装的一个变化形式的剖视图。
参见各附图，其中各视图中的相同标号代表相同部件，并公开了根据本发明的一个球网格阵列衬底封装(图3)。
尽管本发明的衬底封装的一个优选实施例采用了将在下面描述的光成像技术制成，但本领域的技术人员可以理解，这样的制造工艺仅仅是多种不同的顺序制作技术中的一种。其它的一些顺序制作技术包括有激光融化和等离子体蚀刻。因此，所述的衬底封装不应以一种限制的方式构成。
参见图2a-2o，示出了与本发明的球网格阵列衬底封装200相关的不同构造水平的横截面视图，其中，图2a显示了开始阶段的结构，而图2o显示了最后阶段的结构；然而，结构也可以认为在图2m所示水平时已经完成。
参见图2a，示出了具有一个与第二表面208相对的第一表面206的金属芯204。该金属芯204的第一表面206用一氧化物210例如采用起一粘合促进剂的作用一还原氧化铜或氧化铝进行处理。或者，金属芯204的上表面可以经机械处理使之粗糙化，例如，通过喷射-洗刷或化学微蚀刻，以提供一个将使电介质层更好地粘附在其上的表面层。理想的是，该表面促进层是导电的，以允许金属芯204通过它接地，并从而不需要采用传统的粘合剂。一个在最小化晶粒尺寸的同时能够使表面区域最大化的粘合促进表面层是一个最佳的选择。
金属芯204优选为由一导电金属例如铜构成，并具有大约为0.75mm的厚度；然而，其它的金属以及尺寸也是可以的。金属芯204除了为衬底封装200提供结构上的完整性外，还起一散热器和电磁干扰(EMI)屏蔽的作用。
参见图2b，示出了一施加到金属芯204的第一表面206上的电介质层212。该电介质层212优选为一以液态施加的可光成像的聚酰亚胺。施加完液体聚酰亚胺后，进行加热，以使电介质层212固化。或者，该电介质可以以固态薄膜的方式施加，然后经加热软化和真空成形，从而直接粘结在金属芯204上，特别是粘结在位于其表面上的粘合促进层上，而不需要采用一传统粘合剂的介入层。该电介质层212通常具有0.002英寸的固化厚度，该厚度小于衬底封装200总厚度的1/16。
以下表格列出了与由聚酰亚胺制成的电介质层212有关的典型性能。尽管该电介质层212为聚酰亚胺基的，并具有比玻璃增强B-级环氧树脂材料高的吸收水分的趋势，但与常用于传统增强球网格阵列衬底封装中的环氧树脂材料相比，聚酰亚胺电介质层212更不易翘曲变形。而且，电介质层212的薄的属性允许电介质层的一边缘和/或一内边缘凹进去，并随后用一焊接掩蔽232(见图3右侧)密封，以使水分侵入的潜在路径减至最少。图7示出了在两边具有更大层叠焊接掩蔽232的一实施例。
焊接掩蔽232优选为由电阻性丙烯基环氧树脂例如具有低丙烯酸成分的Ciby-Geigy Probimer 52制成。这样便提供了较低的脆性和更高的柔韧性，从而使衬底封装在随后的操作例如热丝键合中更不易失效。所述凹进边缘或内部凹进边缘可以通过光刻工艺或类似工艺形成。所述凹进边缘或内部凹进边缘也可以在一单个和/或多层衬底封装200中形成。
参见图2c，示出了该电介质层212，其具有形成于其中的一对通路214和一个模腔216。根据应用的需要，在其中可以有任何数目的通路214或模腔(大通路)216。在产生通路214和模腔216时，优选采用光刻工艺。该光刻工艺包括将一个图样照相传递到电介质层212的表面，在此该图样接着被显影，以形成通路214和模腔216。
与形成传统封装的层叠的多个层相比，用来使电介质层212凹进(在电介质层212上产生凹槽)以形成通路214和模腔216的同样的光分辨率操作能够提供改进的机加工性能和可靠性。
参见图2d，示出了粘附在电介质层212和氧化物层210的表面上的一导电籽晶层218，在此该电介质层被活化。导电籽晶层218的成功应用通常取决于该导电籽晶层的抗剥强度和均匀一致的包覆分布。抗剥强度是表示导电籽晶层218粘附在电介质层212上的性能优劣的数值。一个在例如为6-71bs/sq.in.范围内的抗剥强度是比较适宜的。
导电籽晶层218可以通过一化学无电方法或一直接电镀方法来施加，在此每种方法均与一铜闪相结合。首先沉积一个极薄(例如10-100埃)的钯-锡层，随后再接着一个基本上较厚的铜层。由于导电籽晶层218随后要在一个差分蚀刻工艺(将在下面参考图2i进行描述)中以均匀的方式被去除，因此要求基本上均匀一致的包覆分布。导电籽晶层218优选为具有大约5μm的厚度，并具有+/-0.5μm的分布。
参见图2e，示出了一个粘附并产生于导电籽晶层218之上的第一电路图样220。第一电路图样220的产生包括施加一第一电阻层222，光成像以及接着显影第一电阻层222的步骤。首先，将第一电阻层222施加到电介质层212的整个外表面上。光成像步骤进一步包括将一个预定图样照相传递到第一电阻层222的表面上，在此该预定图样接着被显影从而形成该第一电路图样220。
参见图2f，示出了一个以电解方式形成于第一电路图样220内的电路224。该电路224优选由一导电金属例如铜制成，并可以被称为一图样印板电路。电解工艺可以实现是由于导电籽晶层218的存在和使用，在此导电籽晶层218起一总线或电导体的作用。第一电路图样220和电路224的产生可以被称为一半加成法工艺，在此导电籽晶层218起一汇流连接机构(bussing mechanism)的作用。电路220将在后面结合图5进一步详细说明。
参见图2g，示出了粘附并产生于第一电路图样220之上的第二电路图样226。该第二电路图样226的产生包括施加一第二电阻层228，光成像以及接着显影第二电阻层228和第一电阻层222的步骤。首先，将第二电阻层222施加到第一电阻层222的整个表面上。电阻层222，228可以例如由一Dupont Riston干薄膜感光性树脂制成。产生第二电路图样226的工艺非常类似于第一电路图样220的产生过程。
参见图2h，示出了一电解形成于第二电路图样226内的结合区或层230。同样，电解工艺可以实现是由于导电籽晶层218的存在和使用。结合层230通常围绕着每个模腔216的周围产生，并覆盖电路224的一部分；然而，其它一些路径也是允许的。结合区230通常由一镍内层231a(图2i)和一金外层213b(图2i)构成。
参见图2i，示出了一差分蚀刻工艺或者一淡微蚀过硫酸盐溶液处理后的结果，其中，导电籽晶层218、第一电路图样220和第二电路图样226被去除。电路224建立在电介质层212之上，这是因为去除相对较薄的导电籽晶层218基本上不影响电路的位置。整个衬底封装200经差分蚀刻工艺处理，其允许更精细的线分辨率和更高的图象质量。
该差分蚀刻工艺实质上是基于衬底封装200的无电层和电解层厚度之上的化学侵蚀作用。该差分蚀刻工艺可以实现要归因于导电籽晶层218的有限厚度。在该工艺中，导电籽晶层218以基本均匀的方式被去除，因此，平整的板分布是很重要的。
参见图2j，示出了一覆盖在电路224和电介质层212上的焊接掩蔽232。该焊接掩蔽232由一UV固化聚合物绝缘材料，例如现有技术中公知的环氧树脂构成。既然焊接掩蔽不需要如电介质层212那样纯，因而其可以由不同的不太纯的树脂制成。通路214和模腔216通常具有一个穿过焊接掩蔽232的畅通通道。与每个通路214相关联的畅通通道中具有一个焊料区233。该焊接掩蔽232将在后面结合图4进一步详细说明。
参见图2k，示出了一个形成于金属芯204内的腔234。腔234的深度可以通过采用带有Z轴控制深度铣削的标准通路设备定制。腔234可以通过机械和/或化学铣削的方法形成。腔234的侧壁的导电特性通过提供附加电磁干扰屏蔽的方式起到增强电性能的作用。根据特定的应用，可以有多个腔234(见图3)。
参见图2l，示出了多个焊料球236通过电触头238与电路224的连接。通过光刻技术或类似工艺在焊接掩蔽232中形成多个孔，焊料球236和电触头238布置在其中。焊料球236如图4，5详细所示那样连接到电路224上。焊料球236的施加也可以在开通腔234之前已经完成。
参见图2m，示出了位于腔234内的集成电路202。该集成电路202通过多个连接导线240与焊接区230连接起来。该接合线240通常采用热声波接合，将集成电路202的一特定区域与接合区230连接起来(图4)。
参见图2n，示出了施加在集成电路202和焊丝240上的电绝缘密封材料244。该密封材料244优选为一环氧基塑料树脂，并可以施加到任何所需水平，以密封集成电路202。如需要，也可以采用一个以一树脂坝246方式形成的边框，以帮助封锁密封材料244。树脂坝246通常位于焊接掩蔽232的上方并环绕着腔234的周围。该密封材料244保护集成电路202和焊丝240，防止它们与外部环境接触。
参见图2o，示出了一个位于由树脂坝246形成的一个开口上方的盖248。盖248的使用是可选择的，其可以进一步帮助与外部环境隔绝。根据特定应用需求，盖248或密封材料244可以单独使用，或者结合在一起使用。
现在参见图3，示出了具有多层电路250的衬底封装200。多层电路250中的每一层包括连续重复的构造步骤，该步骤中包括通过差分蚀刻工艺(图2i)施加电介质层212(图2b)。包括施加电介质层212和差分蚀刻工艺以及它们之间的步骤已经在前面做了描述。此外，在多层电介质层212内也可以形成单个的不同深度的盲通路256。该盲通路256和/或通路214被电镀以形成导体，从而在多层电路250之间提供附加的电连接。该通路214和盲通路256也可以在屏面上填充入导电材料。被电镀并与金属芯204相连的通路214可以有效地将金属芯转变为一个接地层。
在腔234内使用密封材料244是可选择的。即使没有利用密封材料244，也可以采用树脂坝246和盖248。之后，衬底封装200的构造便可以参考图2j到2o如前所述得以完成。
参见图4，示出了电路224和接合区域230的平面视图。该电路224包括多个导电迹线252。该电路242还包括多个如前所述的通路214、盲通路256和模腔216。该接合区域230包括由外部金层231b、接合丝240连接在其上。导电迹线252通过通路214和256与外部金层231b相连，从而形成一预定电路。
现在参见图5，示出了焊接掩蔽232的平面视图。该焊接掩蔽232包括通过在焊接掩蔽232中产生可选择的开口的方式形成的电触头238。该电触头238将暴露电路234的可选择部分。每个电触头238可以对应地并与电路224电连接。焊料球(图21)随后被连接到该电触头238上，之后，该衬底封装200可以与一较大的电子系统，例如一印制电路母板电连接。
参见图6，示出了包含有多个衬底封装200的一个片254，该衬底封装200具有多层电路250。该片254典型地具有12″长，9″宽的尺寸；然而，其它尺寸也是允许的。每个衬底封装200被标记并被隔开或从片254中切下。
尽管本发明已经参照所示实施例进行了描述，但其并不意味着对本发明的限制，相反，应该认为，其覆盖了可能包含在本发明的精神和范围中的、如以下权利要求所限定的改进、替换或同等物。
权利要求
1.一种适合采用一球网格阵列的衬底封装，包括一个带有一第一表面和与第一表面相对的第二表面的金属芯，该金属芯具有一个形成于其中的腔，该腔开口于金属芯的第一表面上，该第一表面进一步具有一个不需要采用粘合剂的粘合促进导电表面层；一个施加于该金属芯的第一表面上并通过所述粘合促进导电表面层粘附在其上的电介质层，该电介质层具有一个形成于其中的模腔，该模腔与所述的腔保持一致；一个布置在该电介质层上的电路，该电路电解地及可选择地形成于一个第一电路图样中；以及一个位于该电介质层和电路上的电阻性焊接掩蔽层。
2.根据权利要求1的衬底封装，进一步包括位于所述电路上的接合区域，该接合区域电解地及可选择地形成于一个第二电路图样中。
3.根据权利要求2的衬底封装，进一步包括一个位于所述腔中的集成电路和多个将所述集成电路于所述接合区域相连的接合丝。
4.根据权利要求1的衬底封装，进一步包括一个位于所述腔周围的边框，其适合于容纳一电绝缘材料。
5.根据权利要求1的衬底封装，进一步包括一个位于所述边框上方的盖。
6.根据权利要求1的衬底封装，其特征在于，所述焊接掩蔽进一步包括多个开口，每个开口具有一个与所述电路相连的电触头。
7.根据权利要求6的衬底封装，进一步包括多个焊料球，每个焊料球分别与所述的电触头相连。
8.根据权利要求1的衬底封装，其特征在于，所述电介质层进一步包括一个沿着金属芯外周的至少一部分布置的外部凹进边缘和一个沿着所述腔外周的至少一部分布置的内部凹进边缘，该内部凹进边缘和外部凹进边缘被所述焊接掩蔽层覆盖。
9.根据权利要求1的衬底封装，进一步包括多个电介质层和不同图样的电路，它们在所述焊接掩蔽层的下方层叠布置。
10.根据权利要求1的衬底封装，其特征在于，所述粘合促进表面层为所述金属芯的一个化学蚀刻表面部分。
11.根据权利要求1的衬底封装，其特征在于，所述粘合促进表面层为所述金属芯的一个机械粗糙化表面部分。
12.根据权利要求1的衬底封装，其特征在于，所述粘合促进表面层为一氧化物层。
13.一种适合采用一球网格阵列的衬底封装，包括一个带有一第一表面和与第一表面相对的第二表面的金属芯，该金属芯具有一个形成于其中的腔，该腔开口于金属芯的第一表面上，该第一表面进一步具有一个不需要采用粘合剂的粘合促进导电表面层；一个施加于该金属芯的第一表面上的电介质层，该电介质层具有一个形成于其中的模腔，该模腔与所述的腔保持一致，该电介质层进一步具有一个凹进边缘，其沿着一个或同时沿着金属芯外周的至少一部分和所述腔外周的至少一部分布置；一个布置在该电介质层上的电路，该电路电解地及可选择地形成于一个第一电路图样中；以及一个位于该电介质层和电路上的电阻性焊接掩蔽层，该焊接掩蔽层覆盖着该电介质层的凹进边缘。
14.根据权利要求13的衬底封装，其特征在于，所述粘合促进表面层可以从所述金属芯的一个化学蚀刻表面部分、所述金属芯的一个机械粗糙化表面部分、以及一个氧化层中进行选择。
15.根据权利要求13的衬底封装，其特征在于，所述电介质层包括一个金属芯的外周边和一个沿着所述腔外周的至少一部分布置的内部凹进边缘，该内部凹进边缘和外部凹进边缘均被所述焊接掩蔽层覆盖。
16.根据权利要求15的衬底封装，其特征在于，所述焊接掩蔽进一步包括多个开口，每个开口具有一个与所述电路相连的电触头。
17.一种适合采用一球网格阵列的衬底封装，包括一个带有一第一表面和与第一表面相对的第二表面的金属芯，该金属芯具有一个形成于其中的腔，该腔开口于金属芯的第一表面上，该第一表面进一步具有一个不需要采用粘合剂的粘合促进导电表面层；一个施加于该金属芯的第一表面上并通过所述粘合促进导电表面层粘附在其上的电介质层，该电介质层具有一个形成于其中的模腔，该模腔与所述的腔保持一致；一个布置在该电介质层上的电路，该电路电解地及可选择地形成于一个第一电路图样中；一个位于该电介质层和电路上的电阻性焊接掩蔽层；一个穿过所述电介质层和焊接掩蔽层而延伸的通路；一个穿过所述通路从所述焊接掩蔽层的一个外表面开始延伸到所述粘合促进表面层的一个上表面的电导体，借此该金属芯可以被接地。
18.根据权利要求17的衬底封装，其特征在于，所述粘合促进表面层可以从所述金属芯的一个化学蚀刻表面部分、所述金属芯的一个机械粗糙化表面部分、以及一个氧化层中进行选择。
19.根据权利要求17的衬底封装，其特征在于，所述电导体包括一镀在所述通路中的导电金属。
20.一种用于制造一球网格阵列衬底的方法，包括以下步骤用一粘合促进剂氧化一个金属芯的一个第一表面；施加一电介质至该金属芯的第一表面上；在所述电介质内产生至少一个腔，以暴露出金属芯的所述第一表面的一部分；金属化一导电籽晶层至所述电介质层的一暴露部分以及金属芯的第一表面的至少一个暴露部分；以及电解形成一电路。
全文摘要
本发明公开了一种增强球网格阵列衬底封装及其制造方法,其中该衬底封装包括一个带有一第一表面和与该第一表面相对的一第二表面的金属芯(204)。该金属芯进一步包括至少一个腔,在该腔中布置有至少一个集成电路(202)。一电介质层固接在所述金属芯的第一表面上,并包括至少一个形成于其中的模腔。之后,一导电籽晶层(218)化学沉积在电介质层的暴露部分和金属芯的第一表面上。紧邻着籽晶层,一电路电解地及可选择地成形在一第一电路图样中。
文档编号H01L23/498GK1260909SQ98806363
公开日2000年7月19日 申请日期1998年6月22日 优先权日1997年6月20日
发明者艾布拉姆·M·卡斯特罗, 艾伦·R·卡斯特罗 申请人:基底技术公司