用于裸晶圆安装的PCB及其加工方法与流程

用于裸晶圆安装的pcb及其加工方法


背景技术：

1.封装集成电路(ic)包括一个或多个半导体晶圆(die)，这些半导体晶圆附接到芯片载体并被封装。芯片载体可以包括用于信号连接和晶粒散热的引脚框架和/或金属法兰。然后可以将封装的ic安装到印刷电路板(pcb)。封装后的ic可以通过导电胶或焊接方法安装到pcb上。
2.最近，裸晶圆(即未安装到载体或未封装的晶圆)已直接连接到pcb。为了提供晶圆的散热，pcb中的常规铜层可以增加厚度和/或可以包括从晶圆的焊盘到pcb背面的一个或多个微通孔。在其他示例中，pcb中包括导热体。导热体是一个较大的导热块，从晶圆的焊盘延伸到pcb的背面。
3.在这种pcb的制造中，在pcb层的最终层压之后添加导热体。在pcb中的层最终层压之后，可以在pcb的背面形成用于导热体的开口。将导热体和粘合剂放置在开口中并固化以将导热体固定到pcb中。


技术实现要素：

4.提供了用于电路板的实施例，其在层压的叠层中包括多个导电层和多个非导电层。层压的叠层限定正面和背面。导热体从正面上的晶圆焊盘延伸到背面上的导电层。晶圆焊盘配置为用于将裸晶圆安装在其上。围绕导热体设置的将导热体粘附到层压叠层的开口的壁的粘合剂和多个非导电层中的至少一个是整体结构。在正面上的邻近晶圆焊盘的多个引线焊盘在其上具有表面饰面材料。表面饰面材料配置为用于将引线接合至其上。
5.还提供了用于制造电路板的方法的实施例。该方法包括形成具有用于导热体的开口的叠层。叠层包括多个导电层和多个非导电层。多个非导电层包括至少一层预浸料。导热体插入开口中。层压在开口中具有导热体的叠层，形成限定正面和背面的层压的叠层。至少一层预浸料中的树脂在导热体与开口的壁之间流动，以将导热体向着开口粘附。正面和背面镀有导电镀层以将导热体耦合到多个导电层中的一个或多个。与导热体相邻的正面上的多个引线焊盘镀有表面饰面材料，该表面饰面材料配置为用于将引线接合到其上。
6.还提供了在层压的叠层中具有多个导电层和多个非导电层的另一电路板的实施例。电路板限定正面和背面。导热体从正面上的晶圆焊盘延伸到背面上的导电层。晶圆焊盘配置为用于将裸晶圆安装在其上。围绕导热体设置的将导热体粘附到层压叠层的开口的壁的粘合剂和多个非导电层中的至少一个是整体结构。裸晶圆粘附到第一焊盘。
7.还提供了用于制造电路板的另一种方法的实施例。该方法包括形成具有用于导热体的开口的叠层。叠层包括多个导电层和多个非导电层。多个非导电层包括至少一层预浸料。导热体插入开口中。叠层与开口中的导热体层压，形成限定正面和背面的层压的叠层。至少一层预浸料中的树脂在导热体与开口的壁之间流动，以将导热体向着开口粘附。正面和背面镀有导电镀层以将导热体耦合到多个导电层中的一个或多个。裸晶圆安装到限定在导热体上方的晶圆焊盘。
附图说明
8.理解附图仅描绘示例性实施例并且因此不应被视为限制范围，示例性实施例将通过使用附图以额外的特征和细节来描述，其中：
9.图1是示例pcb的剖视图，该示例pcb配置为用于具有集成的导热体的裸晶圆安装件；
10.图2-11是图1的pcb的示例制造过程中的阶段的剖视图；
11.图12是另一示例pcb的剖视图，该示例pcb配置为用于具有集成的导热体的裸晶圆安装件；
12.图13是又一示例pcb的剖视图，该示例pcb配置为用于具有集成的导热体的裸晶圆安装件；
13.图14是又一示例pcb的剖视图，该示例pcb配置为用于具有集成的导热体的裸晶圆安装件以及pcb的倒装芯片安装；
14.图15是又一示例pcb的剖视图，该示例pcb配置为用于具有集成的导热体的多个裸晶圆安装件；
15.图16是又一示例pcb的剖视图，该示例pcb配置为用于具有集成的导热体的多个裸晶圆安装件的；和
16.图17是又一示例pcb的剖视图，其配置为用于安装具有带凸缘几何形状的导热体的裸晶圆。
具体实施方式
17.图1是示例pcb 100的剖视图，该示例pcb 100配置为用于裸晶圆安装并利用pcb叠层中的预浸料作为导热体101的粘合剂。pcb 100包括形成层压的叠层的多个导电层102、104、106、108和多个非导电层。每个导电层102、104、106、108由导电材料(通常为铜)构成，并且被图案化以形成导电互连。导电层102、104、106、108由相应的绝缘(非导电)层103、105、107隔开。注意，图1中所示的非导电层和导电层的数量仅仅是一种设计选择，并且可以使用更少或更多数量的非导电层和导电层。
18.每个非导电层由非导电材料制成。在最终层压之后示出图1的pcb 100，因此每个非导电层103、105、107由完全固化的树脂组成。在层压之前，非导电层103、105、107的非导电材料可以是预浸料或基材。预浸料是一种纤维增强材料，其被树脂粘合剂浸渍或涂覆，并固结和部分固化成中间半固体产品。预浸料中的树脂仅部分固化，因此在层压过程中会流动。在层压过程中充分加热后，预浸料中的树脂冷却至完全固化状态。基材由完全固化的树脂组成，因此在层压过程中不会流动。
19.pcb 100限定安装面110和背面111。安装面110是pcb 100的暴露面，其用作主表面，在其上有一个或多个安装到pcb的组件。安装面110限定了一个或多个焊盘或类似的部件，一个或多个组件可以安装到这些部件上，例如一个或多个裸晶圆、封装ic、散热器或电连接器。背面111是pcb 100的暴露面，其与安装面110相对。pcb 100的背面111可以安装到散热器、冷却带或其他散热结构。
20.导热体101是从安装面110上的焊盘112延伸到pcb 100的背面111的导热物料。导热体101可在焊盘112的大部分表面下方水平延伸，以便为焊盘112的热量提取提供大面积。
导热体101为热量提供了从安装在焊盘112上的一个或多个晶圆到pcb 100的背面111的热路径。导热体101可由任何合适的导热材料构成，例如纯金属(例如铜)、热陶瓷或金属合金，如铜/mo70cu钼铜/铜(cpc)。导热体101可以具有任何合适的几何形状，例如圆柱形、正方形、矩形，和/或可以具有从中心体延伸的一个或多个凸缘。导热体101上方的焊盘112可以如图1的示例中所示地被限定在pcb 100的第一导电层102中，或者可以是限定在不同导电层104、106、108中的凹陷的焊盘。pcb 100还可以限定一个或多个贯穿其中的通孔114。
21.图2-11是在pcb 100的制造方法期间的示例阶段的剖视图。图2-11中所示的方法是针对具有图1的嵌入式导热体101的pcb 100进行描述的。类似的方法可用于制造具有嵌入式导热体的类似电路板。
22.在图2中，适当的层被堆叠以形成第一导电层102、非导电层103和第二导电层104，以上共同称为顶部叠层202。顶部叠层202可以包括单个非导电层103，如图1所示，在每一侧上具有相应的导电层102、104，或者非导电层103可以替代地是由一个或多个导电层和多个非导电层构成的多层叠层。应当理解，对“顶”、“底”、“后”等的引用用于描述图中所示的示例方向，然而，pcb 100可以具有任何方向。在示例中，顶部叠层202包括芯，使得其中的至少一个非导电层是基材。在替代示例中，顶部叠层中的所有一个或多个非导电层都是预浸料。导电层102、104各自是由金属例如铜(例如铜箔片)制成的导电层，其被图案化成导电迹线或互连。在该示例中，顶部叠层202的“最底层”是导电层104，然而，在其他示例中，最底层可以是非导电层。
23.在图3中，第一开口302形成在顶部叠层202中。第一开口302的尺寸适合于其中的导热体101的横截面。在一个示例中，第一开口302的尺寸被设计为考虑到设置在开口302的侧壁的一个或多个镀层(图4)。即，第一开口302的尺寸使得在对侧壁施加一层或多层镀层之后，导热体101的横截面适合于其中。在一些示例中，第一开口302通过铣削形成。可以理解，可以使用其他技术来形成第一开口302，例如激光烧蚀。
24.在图4中，第一导电镀层402设置到顶部叠层202的顶部表面和底部表面。具体地，第一镀层402设置在第一导电层102和第二导电层104上。第一镀层402也设置在第一开口302的侧壁上。侧壁上的第一镀层402将第一导电层102的与第一开口302相邻的区域电耦合到第二导电层104的与第一开口302相邻的区域。在一个示例中，第一镀层402是铜。在替代示例中，镀层不设置在顶部叠层202。
25.在图5中，具有适当开口的附加层被添加到叠层中。在一个示例中，附加层包括底部叠层502和预浸料的非导电层105。底部叠层502可以包括单个非导电层107，如图5所示，在每一侧上具有相应的导电层106、108，或者非导电层107可以替代地是由一个或多个导电层和多个非导电层组成的多层叠层。在该示例中，底部叠层502包括第三导电层106、非导电层107和第四导电层108。底部叠层502可以包括第二芯，使得其中的至少一个非导电层是基材。在替代示例中，底部叠层502中的所有一个或多个非导电层都是预浸料。导电层106、108各自是由诸如铜的金属制成的导电层，其被图案化为导电迹线或互连。在该示例中，底部叠层502的最“顶”层是导电层108，然而，在其他示例中，最顶层可以是非导电层。
26.第二开口504形成在底部叠层504中。第二开口504的尺寸被设计成适合其中的导热体101。在一些示例中，第二开口504通过铣削形成。可以理解，可以使用其他技术来形成第二开口504，例如激光烧蚀。在此处所示的示例中，第二开口504没有被电镀，并且第二开
口504的尺寸被设计为适合导热体101，而无需将镀层设置在侧壁。在其他示例中，第二开口504被电镀并且其尺寸被相应地调整。
27.预浸料的非导电层105可以设置在顶部叠层202和底部叠层502之间。特别地，预浸料的非导电层105可以设置为接触顶部202的最底层(本示例中的导电层104)和底部部分502的最顶层(本示例中的导电层106)。非导电层105包括第三开口506，该第三开口506的尺寸被设计成适合其中的导热体101。在一些示例中，第三开口506在层压之前形成在非导电层105中。在这种情况下，非导电层105与顶部部分202和底部部分502层压，使得第三开口506与第一开口202和第二开口504对齐。在另一个示例中，预浸料的未切割非导电层105可以添加到底部部分502，并且第三开口506可以与第二开口504同时制作。
28.在一些示例中，叠层中包括多于或少于两个芯。例如，第三芯可以包括在叠层中，其中预浸料的相应非导电层设置在每个相应芯之间。在一些示例中，用于导热体101的开口在最终叠层之后形成。例如，顶部部分202、底部部分502和预浸料的非导电层105可以叠层，然后制作同时通过所有层的开口。
29.在图6中，导热体101插入开口302、504、506中，使得导热体101的表面602、603大体上与外导电层102、108对齐。为了插入导热体101，叠层被放置在诸如钢板的固体表面上，并且热体101被放置在开口302、504、506中。固体表面将热体101保持在适当位置并在叠层内对齐。
30.在图7中，其中包括导热体101的叠层被层压。另一固体表面，例如第二钢板，放置在其中具有导热体101的叠层之上。对具有固体表面的叠层施加热和压力以将叠层层压在一起。在层压期间，未完全固化的任何非导电层(预浸料层)中的树脂流入701到开口的壁和导热体101之间的空间中。该材料流701可以来自预浸料的非导电层105以及叠层中其他未完全固化的任何非导电层。在图7的示例中，非导电层103和107是基材(完全固化)，其作为芯的一部分，使得非导电层105是具有部分固化树脂(预浸料)的唯一层。在其他示例中，叠层中的其他层或附加层可以包括预浸料。例如，在其他示例中，顶部和/或底部非导电层可以是流入开口的壁和导热体101之间的空间的预浸料。
31.在层压期间从预浸料进入开口的材料流701提供粘合剂以将导热体101结合到pcb 100的层。此外，由于该物料流701作为导热体101的结合剂，因此不需要使用单独的粘合剂来固定导热体101。这减少了处理步骤，这可以节省时间和金钱，并且还提供了导热体101和pcb 100的层之间更好的结合，因为结合剂与pcb 100的预浸料非导电层是一体的(材料从pcb 100的预浸料非导电层中流出)。也就是说，用于导热体101的结合剂与pcb 101的至少一层非导电层为整体结构。
32.有利地，与在叠层中的预浸料最终固化之后安装导热体101相比，在叠层中的预浸料最终固化之前集成导热体101使得用于导热体101的开口能够形成更紧密的配合。这是因为在导热体101和开口的壁之间需要更少的空间来容纳粘合剂。也就是说，如果在预浸料最终固化之后插入导热体101，如在现有pcb中所做的那样，则用于传导热体101的开口必须稍大一些，以提供空间以使粘合剂进入导热体101和开口的壁之间的空间。然而，在本文所述的制造过程中，用于导热体101的结合剂来自叠层的预浸料非导电层。因此，不需要额外的空间来允许插入额外的粘合剂。
33.此外，在预浸料的最终固化之前结合导热体101还可以提高导热体101的暴露表面
602、603与相邻的叠层的外表面的共面性。这是由于在层压过程中通过树脂流在导热体101周围的保形填充，以及预浸料流动以压缩到一定厚度使得叠层的外表面与导热体101的暴露表面602、603共面的能力。保形填充允许树脂与导热体101的形状和厚度相符，并且能够填充微空间，这减少了导热体101外周附近的间隙，并为层压后电镀提供了更好的表面。
34.在图8中，电镀应用于图7的层压叠层的顶部和底部表面。具体地，在第一导电层102上设置第二镀层802。该第二镀层802还覆盖与第一导电层102相邻的导热体101的暴露表面602。第二镀层802通过第一开口302的侧壁上的第一镀层402将导热体101耦合到第一导电层102和第二导电层104。在第四导电层108上设置第三镀层804。该第三镀层804还覆盖与第四导电层108相邻的导热体101的暴露表面603。第三镀层804将导热体101耦合到第四导电层108。在一个示例中，第二镀层802和第三镀层804是铜。
35.在图9中，层压叠层的外层被蚀刻902。可对pcb 100的安装表面110的外导电层102和背面111的外导电层108实施外层蚀刻902。外层蚀刻902可以在导热体101上方的pcb 100的安装表面110上限定晶圆焊盘112，使得晶圆可以在导热体101顶部附着到安装表面110。外层蚀刻902还可以在相邻于晶圆焊盘112的安装表面110上限定多个引线焊盘904。引线焊盘904被配置成具有连接在引线焊盘904和晶圆之间的引线。
36.在图10中，设置了一层或多层饰面镀层1002、1003。饰面镀层1002、1003可以设置在暴露的镀层802、803上，并且配置为防止氧化以及改善引线到引线焊盘904的结合和/或焊接。在一个示例中，饰面镀层1002、1003被配置用于引线接合到其上。饰面镀层1002、1003可以配置用于引线接合的一种方式是使饰面镀层1002、1003包括至少一层钯以帮助金引线接合到其上。在一个示例中，饰面镀层1002、1003是化学镀镍+化学镀钯+浸金(enepig)镀层。这种enepig镀层包括覆盖有钯层的镍层，其覆盖有金层。在其他示例中，饰面镀层1002、1003不包括镍并且可以包括其它多种饰面的组合，这些饰面运用在pcb加工中以促进引线接合或引线焊接。在一些示例中，如果不对pcb 100的背面111进行引线接合，则与正面110相比，可以在背面111施加不同的饰面镀层1003。
37.镀层802、803和饰面镀层1002、1003可以在面板电镀工艺或图案电镀工艺中，使用一种或多种已知的电镀和饰面电镀技术进行，以获得期望的总镀层厚度。
38.在图11中，裸晶圆1102安装到晶圆焊盘112处，晶圆焊盘112在pcb 100的安装面110上的导热体101上方。裸晶圆1102是未封装的晶圆。即，晶圆1102是制造的半导体衬底的切割部分，其尚未安装到法兰或引脚框架(lead frame)且其上没有模塑料。因此，在晶圆1102和焊盘112之间没有法兰或引脚框架。相反，导热体101和pcb 100用作晶圆1102的法兰和/或引脚框架。
39.可以使用导电粘合剂将裸晶圆1102附接到晶圆焊盘112上。pcb 100配置为通过并入用于对晶圆112散热的导热体101以及并入引线焊盘904上的配置为用于引线接合的饰面镀层1002，而具有安装在晶圆焊盘112上的裸晶圆。接合引线1104可以连接到晶圆1102和引线焊盘904，引线焊盘904与晶圆焊盘112相邻。接合引线1104可以由任何合适的材料(例如金或铝)构成并且可以使用任何合适的技术(例如超声波接合或热超声接合)来接合。在安装裸晶圆1102并将引线接合到pcb 100之后，可将模塑料或用于屏蔽的帽(均未示出)放置在裸晶圆1102和接合线1104周围。在一些示例中，散热器1106等可以安装到pcb 100的背面111。可以使用用于将散热器安装到电路板的任何已知技术，包括但不限于粘合剂、粘贴、焊
料、压缩和/或机械手段(例如使用适当的紧固件)。
40.如上所述，在叠层中的预浸料最终固化之前将导热体101并入到pcb 100中使得开口能够具有更小的尺寸，因为开口不需要容纳用于导热体101的额外粘合剂。这种减小的尺寸使引线焊盘904能够设置得更靠近晶圆焊盘112，这反过来又允许接合引线1104的长度减小。
41.图12是另一示例pcb 1200的剖面图，其被配置用于在其上安装裸晶圆1202。pcb 1200能够以与关于pcb 100所描述的类似的方式制造，使得导热体1201在预浸料的最终固化之前集成到pcb 1200中。与pcb 100相比，pcb 1200的顶部叠层包括芯，该芯具有作为其基底1204的射频(rf)材料。可以使用任何合适的射频基底材料，例如具有低损耗因子(df)和低介电常数(dk)的材料(例如，ptfe或陶瓷)。
42.图13是另一示例pcb 1300的剖视图，该示例pcb 1300被配置为在其上安装裸晶圆1302。pcb 1300限定有空腔1306，用于裸晶圆1302的晶圆焊盘1312在空腔1306中。pcb 1300能够以与关于pcb 100所描述的类似的方式制造，使得导热体1301在预浸料的最终固化之前集成到pcb 1300中。然而，与pcb 100相比，顶部叠层中的开口1306的尺寸适合放置裸晶圆1302在其中，而不是适合导热体1301。用于顶部叠层的芯的基底1304也可以是射频材料。用于在预浸料最终固化之前将导热体集成到空腔下方的pcb中的示例过程在美国专利no.10,499,500中进行了描述，该专利通过引用并入本文。
43.图14是配置用于安装具有集成导热体1401的裸晶圆1402的又一示例pcb 1400的剖视图。pcb 1400配置用于倒装芯片安装。pcb 1400能够以与pcb 1300类似的方式制造，然而，顶部叠层中的开口1406(在图14所示的“倒装芯片”图示中朝向底部设置)的尺寸设计成安装裸晶圆1402以及与晶圆1402相邻的引线焊盘1404。pcb 1400还包括多个支撑通孔(via)1408以提供结构支撑，以使pcb 1400能够通过其正面1410安装。在一个示例中，支撑通孔1408可以由铜构成。
44.图15是配置用于在其上安装多个裸晶圆1502的又一示例pcb 1500的剖面图。pcb 1500能够以与关于pcb 100描述的方式类似的方式制造，除了导热体1501的高度小于pcb 1500的厚度并且大到足以在其上安装多个裸晶圆1502。尽管未示出，但pcb 1500可以包括多个导电层和非导电层，如以上示例pcb中所述。
45.图16是配置用于在其上安装多个裸晶圆1602的又一示例pcb 1600的剖视图。pcb 1600可以以与关于pcb 100描述的方式类似的方式制造，除了导热体1601足够大以在其上安装多个裸晶圆1602。尽管未示出，但pcb 1600可以包括如上所述的多个导电层和非导电层。
46.图17是又一示例pcb 1700的剖视图，该示例pcb 1700配置为安装裸晶圆1702，其伴有带凸缘几何形状的导热体1701。这种带凸缘的几何形状可以具有带有凸缘的“t”形，该凸缘靠近pcb 1700的安装面和/或背面向外延伸，以充当用于接触导热体1701(例如，在pcb 1700背面的散热器)的较大表面。在这样的示例中，层中的开口的尺寸被确定为对应于该层处的导热体1701的几何形状。例如，pcb 1700的顶部叠层可以具有用于热体1701顶部部分的较小开口，而pcb 1700的底部叠层可以具有用于热体1701底部部分的较大开口。
47.尽管本文中的示例展示了单个晶圆焊盘(无论是用于单个晶圆还是用于多个晶圆)和单个导热体，但是本文描述的任何示例pcb都可以具有多个晶圆焊盘及伴随的多个对
应的导热体和引线焊盘(其中每个配置为用于安装相应的一个或多个裸晶圆)。在一些示例中，多个pcb模块可以作为单个面板的一部分同时制造。也就是说，可以制造更大的单面板pcb，其上具有多个最终的pcb模块。在完成pcb的组装后(例如，在饰面电镀后或在裸晶圆的安装和封装后)，较大的面板pcb可以分成多个用于下游制造的单独的pcb模块。
48.安装有集成导热体、配置为用于裸晶圆的示例pcb对于任何会产生大量待消散热量的裸晶圆都特别有益。这包括裸晶圆，其含有例如射频放大器的分立元件，其中导热体耦合到漏极，用作接地和散热。如本文所述，通过将裸晶圆直接安装到具有集成导热体的pcb上，pcb中的导热体充当芯片的法兰。