一种基于铝基板的三维封装用垂直互连结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子封装领域，特别涉及一种基于铝基板的三维封装用垂直互连结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在“遵循摩尔定律”和“超越摩尔定律”的驱动下，微电子封装向着高集成密度、高功率密度、高可靠、低成本的方向发展。封装形式从单芯片封装向三维封装方向发展过程中，对封装的结构应力匹配、高温服役性能等提出了较高的要求。可满足未来三维封装对高互连密度、高功率密度、低温键合需求的互连技术正在引起学术界以及工业界的重视。
[0003]三维集成技术是实现产品小型化、批量化、高性能的关键技术，相对于传统的二维封装技术，三维集成技术是在空间尺寸、成本、技术集成和性能等方面具有巨大的优势，具有较高封装效率。目前开发的三维集成技术都是以硅晶圆为基础，主要分为三种:(1)三维片上集成一一三维片上集成是IC技术的垂直延伸，通过外延等技在第一层IC层上依次构建多层有源半导体器件有源层，是一种均质三维系统芯片技术；(2)含TSV三维IC堆栈一一首先在单一圆片上进行加工，然后将这些圆片或IC堆叠成三维结构，并通过TSV实现圆片间互连；(3)三维封装一一通过将已封装芯片或裸芯片堆叠成三维结构，并通过引线键合或球栅阵列实现芯片间的互连。但是三维片上集成技术处于早期开发阶段，面临较多的技术挑战；含TSV的三维IC堆栈技术面临着模块成品率低、基础设施昂贵等问题。三维封装技术是目前最成熟的系统集成技术，具有成本低、成品率高、可靠性高和研发周期短的特点。
[0004]目前，三维封装采用的集成技术包括引线互连芯片堆叠、BGA堆叠、柔性基板堆叠和超薄封装堆叠四种。引线互连由于引线的寄生电阻和分布电感，在高频应用中出现的明显电磁耦合现象将会对器件产生热机械损伤、信号互扰、信号损失；BGA堆叠封装焊料金属过低的熔点、某些金属间化合物的性能差异限制了其在高密度封装领域的应用，同时焊料凸点互连由于其较高的工艺温度和较低的流变速率将导致焊点内部残余应力的存在；柔性基板不能满足高温服役的性能需求。基于超薄封装堆叠的满足“低温键合、高温服役”三维封装集成技术逐渐成为新的研究热点。
【发明内容】
[0005]本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于铝基板的三维封装用垂直互连结构及其制备方法，提高了封装效率和互连密度，采用金属间化合物垂直互连线，达到“低温制备，高温使用”的目的。
[0006]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基板的三维封装用垂直互连结构，其包括:
至少两层功能化铝基板，包括:铝通柱，铝半通柱，接地铝柱，芯片埋置腔，埋铝接地层以及埋铝互连线，其中: 所述芯片埋置腔设置在所述功能化铝基板的一面，为内凹结构；所述埋铝接地层的一面连接所述芯片埋置腔的下端，另一面连接所述接地铝柱；所述铝通柱贯通所述功能化铝基板的两表面，所述铝半通柱贯通所述功能化铝基板的设置有芯片埋置腔的一面；所述埋铝互连线的两端分别连接所述铝通柱和所述铝半通柱；
埋置芯片，埋置于所述功能化铝基板的所述芯片埋置腔内，所述埋置芯片通过所述埋铝接地层与所述接地铝柱电连接；
薄膜互连线，两端分别连接所述埋置芯片和所述铝半通柱；
介质层，设置于所述功能化铝基板的表面，其包括铝通柱介质层通孔，所述铝通柱介质层通孔贯通所述介质层的两表面；
金属间化合物垂直互连线，位于所述铝通柱介质层通孔内，用于连接相邻两层所述功能化铝基板的所述铝通柱。
[0007]将铝基板用于三维封装技术领域，具有如下技术优势:(I)铝具有良好的导热和导电性能、较低的密度、良好的强度，又是自然界含量最多的金属元素，使用铝为三维封装的主体材料，能显著降低产品的制备成本；(2)可通过选择性阳极氧化工艺铝通柱(TAV)，避免利用半导体工艺制备类似TSV通孔，减少工艺复杂性；(3)互连结构稳定，散热性能能好，提高系统级产品的可靠性；(4)利用多孔型阳极氧化铝的异性腐蚀性形成较高的工艺异构能力，将异质芯片和材料进行封装集成。
[0008]较佳地，所述金属间化合物垂直互连线通过交替沉积的高温金属与低熔点钎料的固液互扩散形成。
[0009]较佳地，所述金属间化合物包括金属间化合物相和残余的高温金属相；所述高温金属相的熔点高于400°C。
[0010]较佳地，所述高温金属为Cu、N1、Ag、Au、Pd、Ti中的一种或者多种合金，所述低恪点钎料为Sn、In、SnAg、Snln、SnPb、SnAgCu、InAg中的一种或者多种合金。
[0011]较佳地，所述铝通柱介质层通孔的内壁面设置有粘附层，用于提高所述高温金属和通孔内避面粘合强度。
[0012]较佳地，所述粘附层的材质为N1、T1、Tiff, Ta中的任意一种。
[0013]较佳地，所述介质层为热固性介质层；所述热固性介质层的材质为环氧树脂或光敏介质。
[0014]较佳地，所述介质层包括三层，分别为第一介质层、第二介质层以及第三介质层；所述第一介质层和所述第二介质层依次设置于所述功能化铝基板的设置有埋置芯片的一面，所述第三介质层设置于所述功能化铝基板的另一面。设置多层介质层起到更好的绝缘作用，且提高了铝基板的结构强度；第一介质层和第二介质层用于将薄膜互连线埋置在第一介质层和第二介质层之间，起到绝缘作用；设置在功能化铝基板另一面的第三介质层用于平衡基板双面的结构内应力。
[0015]较佳地，所述第一介质层的厚度与所述第二介质层的厚度之和等于所述第三介质层的厚度；所述第一介质层和所述第二介质层的厚度为5 μπι~20 μπι ;第一介质层与第二介质层厚度之和与第三介质层相同可以确保铝基板两侧内应力的平衡；厚度设置为5 μ m~20 μ m可以保证介质层均勾。
[0016]本发明还提供一种基于铝基板的三维封装用垂直互连结构的制备方法，其包括以下步骤:
511:功能化招基板的制备:提供一双抛招基板，通过光刻、阳极氧化制备功能化招基板，所述功能化铝基板包括:铝通柱，铝半通柱，接地铝柱，芯片埋置腔，埋铝接地层以及埋铝互连线；
512:埋置芯片的贴装:在所述功能化铝基板的被铝半通柱贯通的一面制备芯片埋置腔，将埋置芯片贴装在所述芯片埋置腔内；
513:薄膜互连线的制备:在所述埋置芯片和所述埋铝互连线之间制备薄膜互连线，用于实现所述埋置芯片和所述埋铝互连线之间的电气连接；
514:介质层的制备:在所述功能化铝基板的贴装有埋置芯片的一面制备介质层以及铝通柱介质层通孔，所述铝通柱介质层通孔贯通所述介质层的两表面；
515:金属间化合物的沉积:在介质层的表面沉积金属间化合物，使所述金属间化合物填满所述铝通柱介质层通孔，形成单层封装；
516:三维堆叠垂直互连:将至少两层所述单层封装进行堆叠，使相邻两层所述单层封装的所述铝通柱介质层通孔对准，在预定的温度下进行介质层的完全固化以及金属间化合物的扩散反应，形成金属间化合物垂直互连线，完成三维封装用垂直互连结构的制备。
[0017]较佳地，所述步骤S15具体为:在所述介质层表面交替沉积高温金属和低熔点钎料；所述高温金属和所述低恪点钎料的单层厚度为0.5 μπι~2 μπι。
[0018]较佳地，所述步骤Sll中芯片埋置腔的制备方法为:利用选择性腐蚀工艺在功能化铝基板的表面制备芯片埋置腔；
所述选择性腐蚀工艺所使用的腐蚀液为质量比为6%磷酸和1.8%络酸的混合液。采用铝基湿法腐蚀出的芯片埋置腔的侧壁倾斜角一般大于80°，与芯片形状具有较好的匹配度。
[0019]较佳地，所述步骤S14进一步包括:
5141:第一介质层的制备:在功能化铝基板的贴装有埋置芯片的一面旋涂、静置热固性介质，光刻、显影，形成第一介质层；
5142:第二介质层和第三介质层的制备，在功能化铝基板的正反两面旋涂、静置热固性介质，光刻、显影，形成第二介质层和第三介质层；
其中，所述步骤S141位于所述步骤S13之前，所述步骤S142位于所述步骤S13之后。
[0020]较佳地，所述步骤S14和步骤S15之间还包括:
S21:粘附层的制备:在所述介质层的表面沉积粘附层，使所述粘附层覆盖所述介质层、所述铝通柱的表面以及所述铝通柱介质层通孔的内壁表面。
[0021 ] 较佳地，所述步骤S15和步骤S16之间还包括:
S31:表面平坦化:对单层封装的表面进行平坦化，抛光所述介质层的表面，使得所述铝通柱介质层通孔内的金属间化合物和抛光后的介质层