具有电介质厚度改进控制的多层电子结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有电介质厚度改进控制的多层电子结构及其制造方法，所述多层电子结构包括层压在介电材料内的铜子结构层，所述介电材料包括在聚合物基质中的连续玻璃纤维，其特征在于，所述介电材料是无孔隙的并且每个介电材料层的厚度控制在预定厚度的+-3微米内，标准偏差小于1微米。
【专利说明】具有电介质厚度改进控制的多层电子结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及多层电子支撑结构例如插件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]在对于越来越复杂的电子元件的小型化需求越来越大的带动下，诸如计算机和电信设备等消费电子产品的集成度越来越高。这已经导致要求支撑结构如IC基板和IC插件具有通过介电材料彼此电绝缘的高密度的多个导电层和通孔。
[0003]这种支撑结构的总体要求是可靠性和适当的电气性能、薄度、刚度、平整度、散热性好和有竞争力的单价。
[0004]在实现这些要求的各种途径中，一种广泛实施的创建层间互连通孔的制造技术是采用激光钻孔，所钻出的孔穿透后续布置的介电基板直到最后的金属层，后续填充金属，通常是铜，该金属通过镀覆技术沉积在其中。这种成孔方法有时也被称为“钻填”，由此产生的通孔可称为“钻填通孔”。
[0005]但是，钻填孔方法存在大量缺点。因为每个通孔需要单独钻孔，所以生产率受限，并且制造复杂的多通孔IC基板和插件的成本变得高昂。在大型阵列中，通过钻填方法难以生产出高密度和高品质、彼此紧密相邻且具有不同的尺寸和形状的通孔。此外，激光钻出的通孔具有穿过介电材料厚度的粗糙侧壁和内向锥度。该锥形减小了通孔的有效直径。特别是在超小通孔直径的情况下，也可能对于先前的导电金属层的电接触产生不利影响，由此导致可靠性问题。而且，在被钻的电介质是包括聚合物基体中的玻璃或陶瓷纤维的复合材料时，侧壁特别粗糙，并且这种粗糙度可能会产生附加的杂散电感。
[0006]钻出的通孔的填充过程通常是通过铜电镀来完成的。电镀沉积技术会导致凹痕，其中在通孔顶部出现小坑。或者，当通孔通道被填充超过其容纳量的铜时，可能造成溢出，从而产生突出超过周围材料的半球形上表面。凹痕和溢出往往在如制造高密度基板和插件时所需的后续上下堆叠通孔时造成困难。此外，应该认识到，大的通孔通道难以均匀填充，特别是在其位于插件或IC基板设计的同一互连层内的小通孔附近时。
[0007]虽然可接受的尺寸范围和可靠性正在随着时间的推移而改善，但是上文所述的缺点是钻填技术的内在缺陷，并且会限制可制造的通孔的尺寸范围。还应该注意的是，激光钻孔是制造圆形通孔通道的最好方法。虽然可以通过激光铣削制造狭缝形状的通孔通道，但是，可有效制造的钻填孔的几何形状范围比较有限。通过钻填工艺制造通孔是昂贵的，并且难以利用相对具有成本效益的电镀工艺用铜来均匀和一致地填充由此形成的通孔通道。
[0008]在复合介电材料中激光钻出的孔实际上被限制在60X10_6m直径，并且由于所涉及的烧蚀过程以及所钻的复合材料的性质，甚至因此而遭受到显著的锥度形状以及粗糙侧壁的不利影响。
[0009]除了上文所述的激光钻孔的其它限制外，钻填技术的另一限制在于难以在同一层中产生不同直径的通孔，这是因为当钻出不同尺寸的通孔通道并随后用金属填充以制造不同尺寸通孔时，通孔通道的填充速率不同。因此，作为钻填技术的特征性的凹痕或溢出的典型问题被恶化，因为不可能对不同尺寸通孔同时优化沉积速率。
[0010]克服钻填方法的许多缺点的可选解决方案是利用又称为“图案镀覆”的技术，通过将铜或其它金属沉积到在光刻胶中形成的图案内来制造。
[0011]在图案镀覆中，首先沉积种子层。然后在其上沉积光刻胶层，随后曝光形成图案，并且选择性移除该图案以制成暴露出种子层的沟槽。通过将铜沉积到光刻胶沟槽中来形成通孔柱。然后移除剩余的光刻胶，蚀刻掉种子层，并在其上及其周围层压通常为聚合物浸溃玻璃纤维毡的介电材料，以包围所述通孔柱。然后，可以使用各种技术和工艺来减薄所述介电材料，将其平坦化并暴露出所述通孔柱顶部以允许由此导电连接到底平面或基准面，用于在其上形成下一金属层。可在其上通过重复该过程来沉积后续的金属导体层和通孔柱，以形成所需的多层结构。
[0012]在一个替代但紧密关联的技术即下文所称的“面板镀覆”中，将连续的金属或合金层沉积到基板上。在其顶部沉积光刻胶层，并在其中显影出图案。剥除显影光刻胶的图案，选择性地暴露出其下的金属，该金属可随后被蚀刻掉。未显影的光刻胶保护其下方的金属不被蚀刻掉，并留下直立的特征结构和通孔的图案。剥除未显影光刻胶后，在所述直立的铜特征结构和/或通孔柱上及周围层压介电材料，如聚合物浸溃玻璃纤维毡。
[0013]通过上述图案镀覆或面板镀覆方法创建的通孔层通常被称为铜制“通孔柱”和特征层。
[0014]应该认识到，微电子演化的一般推动力涉及制造更小、更薄、更轻和更大功率的高可靠性产品。使用厚且有芯的互连不能得到超轻薄的产品。为了在互连IC基板或“插件”中形成更高密度的结构，需要具有甚至更小连接的更多层。事实上，有时希望在彼此的顶部上堆叠元件。
[0015]如果在铜或其它合适的牺牲基板上沉积镀覆层压结构，则可以蚀刻掉基板，留下独立的无芯层压结构。可以在预先附着在牺牲基板上的侧面上沉积其它层，由此能够形成双面累积，从而最大限度地减少翘曲并有助于实现平坦化。
[0016]一种制造高密度互连的灵活技术是构建由在介电基质中的金属通孔或特征结构构成的图案或面板镀覆多层结构。所述金属可以是铜，所述电介质可以是纤维增强聚合物，通常使用的是具有高玻璃化转变温度(Tg)的聚合物，例如聚酰亚胺。这些互连可以是有芯的或无芯的，并可包括用于堆叠元件的空腔。它们可具有奇数或偶数层。实现技术描述在授予 Amitec-Advanced Multilayer Interconnect Technologies Ltd.的现有专利中。例如，赫尔维茨(Hurwitz)等人的题为“高级多层无芯支撑结构及其制造方法(Advancedmultilayer coreless support structures and method for their fabrication)，，的美国专利US7，682，972描述了一种制造包括在电介质中的通孔阵列的独立膜的方法，所述膜用作构建优异的电子支撑结构的前体。该方法包括以下步骤:在包围牺牲载体的电介质中制造导电通孔膜，和将所述膜与牺牲载体分离以形成独立的层压阵列。基于该独立膜的电子基板可通过将所述层压阵列减薄和平坦化，随后终止通孔来形成。该公报通过引用全文并入本文。
[0017]赫尔维茨(Hurwitz)等人的题为“用于芯片封装的无芯空腔基板及其制造方法(Coreless cavity substrates for chip packaging and their fabrication)，，的美国专利US7，669，320描述了一种制造IC支撑体的方法，所述IC支撑体用于支撑与第二 IC芯片串联的第一 IC芯片；所述IC支撑体包括在绝缘周围材料中的铜特征结构和通孔的交替层的堆叠，所述第一 IC芯片可粘合至所述IC支撑体，所述第二 IC芯片可粘合在所述IC支撑体内部的空腔中，其中所述空腔是通过蚀刻掉铜基座和选择性蚀刻掉累积的铜而形成的。该公报通过引用全文并入本文。
[0018]赫尔维茨(Hurwitz)等人的题为“集成电路支撑结构及其制造方法(integratedcircuit support structures and their fabrication)，，的美国专利US7, 635，641 描述了一种制造电子基板的方法，包括以下步骤:(A)选择第一基础层；(B)将蚀刻阻挡层沉积到所述第一基础层上；(C)形成交替的导电层和绝缘层的第一半堆叠体，所述导电层通过贯穿绝缘层的通孔而互连；(D)将第二基础层涂覆到所述第一半堆叠体上；(E)将光刻胶保护涂层涂覆到第二基础层上；(F)蚀刻掉所述第一基础层；(G)移除所述光刻胶保护涂层；(H)移除所述第一蚀刻阻挡层；(I)形成交替的导电层和绝缘层的第二半堆叠体，导电层通过贯穿绝缘层的通孔而互连；其中所述第二半堆叠体具有与第一半堆叠体基本对称的构造；(J)将绝缘层涂覆到交替的导电层和绝缘层的所述第二半堆叠体上；(K)移除所述第二基础层，以及，(L)通过将通孔末端暴露在所述堆叠体的外表面上并对其涂覆终止物来终止基板。该公报通过引用全文并入本文。
【发明内容】
[0019]本发明的第一方面涉及提供一种电子支撑结构，该结构包括层压在介电材料内的铜子结构层，所述介电材料包括在聚合物基质中的连续玻璃纤维，其特征在于介电材料层是无孔隙的并且每个介电材料层的厚度控制在预定厚度的+/-3微米内，其标准偏差小于I微米。
[0020]通常，铜子结构包括铜特征层和从铜特征层延伸的铜通孔层，其中每个介电材料层包括包覆在介电材料层内的特征层和铜通孔层二者，并且每个介电材料层的厚度在20微米至60微米的范围内。
[0021]通常，相邻的介电材料层具有相同的厚度+-3微米。
[0022]通常，聚合物基质包括选自热固性树脂和热塑性树脂的聚合物树脂。
[0023]通常，聚合物基质还包括无机填料。
[0024]本发明的第二方面涉及多层电子支撑结构的外层，其包括层压在介电材料内的铜子结构，所述介电材料包括在聚合物基质中的连续玻璃纤维，其特征在于，介电材料层是无孔隙的并且具有20微米至60微米范围内的厚度，其中在固化之后和进一步处理之前，所述介电材料层的特征在于具有平滑的上表面并且覆盖最高的铜子结构的介电材料层不超过10微米厚。
[0025]优选地，所述最高的铜子结构是铜通孔柱，并且介电材料层覆盖所述通孔柱的两端不超过10微米。
[0026]本发明的再一方面涉及提供一种制造多层电子支撑结构的方法，所述方法包括电镀铜子结构；在所述铜子结构上层叠包括聚合物树脂的介电预浸料；对离型膜施加200-600psi的压力，所述离型膜的硬度高于预浸料的硬度，但低于固化树脂的硬度；以及在保持压力的同时通过固化循环进行加热。
[0027]通常，所述铜子结构包括通孔柱。[0028]通常，所述方法的特征在于所述固化树脂具有高度平坦的表面，所述表面通过小于10微米的固化树脂覆盖所述通孔柱上端。
[0029]通常，所述离型膜包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
[0030]优选地，所述离型膜的厚度至少为25 μ m。
[0031]优选地，所述离型膜的厚度不超过75 μ m。
[0032]在一些实施方案中，所述离型膜的至少一个表面上涂覆有硅氧烷。
[0033]在一些实施方案中，所述离型膜的两个表面上涂覆有硅氧烷。
[0034]在一些实施方案中，所述铜子结构包括特征层。
[0035]在一些实施方案中，所述固化循环包括加热至完全固化温度并在完全固化温度维持30至90分钟。
[0036]在一些实施方案中，所述固化循环包括加热至部分固化温度并保持30至90分钟，冷却并施加选自机械、化学和化学机械加工的减薄及平滑化过程，然后再加热至完全固化温度30至90分钟。
[0037]在全文中，术语微米或μ m是指微米或10_6米。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]为了更好地理解本发明并示出本发明的实施方式，纯粹以举例的方式参照附图。
[0039]具体参照附图时，必须强调的是特定的图示是示例性的并且目的仅在于说明性地讨论本发明的优选实施方案，并且基于提供被认为是对于本发明的原理和概念方面的描述最有用和最易于理解的图示的原因而被呈现。就此而言，没有试图将本发明的结构细节以超出对本发明基本理解所必需的详细程度来图示；参照附图的说明使本领域技术人员认识到本发明的几种形式可如何实际体现出来。在附图中:
[0040]图1是现有技术中的多层复合支撑结构的简化截面图；
[0041]图2是一种常规制造工艺的流程图；
[0042]图3是第二常规制造工艺的流程图；
[0043]图4是对硬表面进行层压的示意图；
[0044]图5是对软表面进行层压的示意图；
[0045]图6a_c示出对双动压机垫进行层压的示意图；
[0046]
[0047]图6d是示出通过图6a_c的过程可得到的结构的显微照片；
[0048]图7a和7b是一个实施例中在通孔柱密集区和通孔柱稀疏区中的通孔柱上方及周边的电介质的截面显微照片，示出可得到无孔隙、平坦光滑的介电材料，只需移除相对很少的材料来暴露出铜通孔柱的端部，以及
[0049]图8a和Sb是另一个实施例中在通孔柱密集区和通孔柱稀疏区中的通孔柱上方及周边的电介质的截面显微照片，示出可得到无孔隙、平坦光滑的介电材料，只需移除相对很少的材料来暴露出铜通孔柱的端部。
【具体实施方式】
[0050]在以下说明中，涉及的是包括在介电基体中的金属通孔的支撑结构，特别是在聚合物基体中的铜通孔柱，所述聚合物基体例如是玻璃纤维增强的聚酰亚胺、环氧树脂或BT(双马来酰亚胺/三嗪)或它们的共混物。
[0051]其它实施方案使用其它的热塑性或热固性聚合物。
[0052]图1是现有技术的多层复合支撑结构的简化截面图。如US7，682，972、US7, 669，320和US7, 635，641中所述，例如，现有技术的多层支撑结构100包括被绝缘各层的介电层110、112、114、116隔离的元件或特征结构108的功能层102、104、106。穿过介电层的通孔118提供在相邻的功能层或特征层102、104、106与特征结构108之间的电连接。因此，特征层102、104、106包括在X-Y平面内通常敷设在所述层内的特征结构108，以及跨介电层110、112、114、116导通电流的通孔118。通孔118大体设计为具有最小的电感并得到充分的隔离以在其间具有最小的电容。
[0053]参照图2，在一些实施方案中，特征层可以通过下列步骤制造:获得包括在电介质层中的上通孔层的基板，在其周围进行抛光、减薄、平坦化或以其他方式进行处理以暴露出其中的铜一步骤(a)。在具有暴露的通孔端部的基板上覆盖通常是铜的种子层一步骤(b)。种子层通常具有约0.5微米至1.5微米的厚度，并且可通过例如溅射或化学镀来沉积。
[0054]为了帮助粘附，种子层可包括第一粘附金属薄层，其可由例如钛、铬或镍-铬合金制造，并且通常具有0.04微米至0.1微米范围的厚度。随后，在种子层上沉积光刻胶层一步骤(C)，并且进行曝光以形成特征结构的负性图案一步骤(d)。通过电镀或化学镀在所述金属图案内沉积金属通常是铜一步骤(e)以制造特征层。移除光刻胶层以留下直立特征层一步骤(f)。接着，在种子层和直立特征层上沉积更深的第二光刻胶层一步骤(g)，并且在所述更深的第二光刻胶层中显影出包括至少一个沟槽的通孔柱图案，所述至少一个沟槽在X-Y平面内的长尺寸是其在X-Y平面内的短尺寸的至少3倍长一步骤(h)。在所述更深的第二光刻胶层的图案内电镀或化学镀铜以制造通孔柱以及至少一个非圆柱形通孔柱，所述至少一个非圆柱形通孔柱在X-Y平面内的长尺寸是其在X-Y平面内的短尺寸的至少3倍长一步骤(i)。然后，剥除第二光刻胶层，保留下通孔柱和至少一个非圆柱形通孔柱，所述至少一个非圆柱形通孔柱在X-Y平面内的长尺寸是其在X-Y平面内的短尺寸的至少3倍长一步骤(j)。然后，通过将所述结构暴露于例如氢氧化铵或氯化铜的湿蚀刻来移除种子层一步骤(k)，接着在特征层和通孔层上层压介电层一步骤(I)。接着，可以通过机械、化学或化学机械研磨或抛光对介电材料进行减薄以暴露出金属，同时也使上表面平坦化一步骤U)，然后可以在减薄表面上沉积第二金属种子层一步骤U)。
[0055]介电材料可包括聚合物，例如聚酰亚胺、环氧树脂、双马来酰亚胺、三嗪及其混合物，所述介电材料可包括无机增强物，其通常包括玻璃纤维和陶瓷颗粒。实际上，介电材料通常由聚合物树脂浸溃的包括陶瓷颗粒填料的织造纤维预浸料制成。
[0056]应该认识到，除了图2所述的图案镀覆外，在图3所示的替代方法中，至少一个通孔层由以下步骤制造:获得包括具有暴露的铜的底部特征层的基板一步骤(i)。利用通常为铜的种子层覆盖所述底部特征层一步骤(ii)。通常利用电镀或化学镀在所述种子层上沉积通常为铜的金属层一步骤(iii)。在所述金属层上沉积光刻胶层一步骤(iv)，并且显影出通孔的正性图案一步骤(V)。蚀刻掉暴露的金属层一步骤(Vi)。当用铜制造时，可以使用湿的铜蚀亥Ij剂，例如氢氧化铵或氯化铜。剥除残留的光刻胶一步骤(Vii)，留下在所述通孔层中直立的至少一个元件，以及在所述通孔层中的至少一个元件上层压介电材料一步骤(Viii)。为了构建其它层，可以减薄电介质以暴露出金属一步骤(ix)，然后可以在底表面上沉积金属种子层一步骤(X)。
[0057]在上述两种方法中，将包括在树脂预浸料中的纤维的介电层敷设在通孔柱上并随后在加热压机中固化以生成覆盖通孔的介电层。为了暴露出通孔端部并且确保用于敷设进一步的特征层和通孔层以构建结构的平坦度，通过机械、化学或化学机械加工(CMP)对介电材料进行减薄和平坦化。
[0058]参照图4，示出具有覆盖电介质16的特征层12和通孔层14的基板10.电介质包括在聚合物树脂中的连续纤维，其作为预浸料提供并在压机20中进行热压以固化树脂。已经发现，当电介质预浸料材料被压机20的硬表面直接压下时，电介质16的上表面可以变得平坦并且电介质16的厚度得到良好控制，但是存在在介电层内形成孔隙18的趋势，通常是在与基板10 (或底层)的界面处。
[0059]参照图5，因为介电层被施加在特征结构12或者特征结构12和通孔柱14的表面形貌上，所以当在电介质预浸料16和压机20之间插入较软的离型材料22时，预浸料顺应铜特征结构12和通孔柱14，从而消除孔隙18。但是，如此形成的介电层16的上表面24趋向于跟随下方形貌而成波浪形起伏。需要在进一步构建之前移除这种波浪状起伏，因而需要移除较不为人所知量的材料并且难以获得所期望的厚度。此外，有时介电层18的上表面24的凹部26可能下陷至所需厚度t之下，所以减薄至所需厚度t导致所得到的表面包括该凹部26，消除该凹部需要移除更多的材料，使得所得到的厚度小于t，这再次引起精确厚度控制的困难。为了克服这个问题，使用厚的预浸料，但是然后必须移除更多的材料以获得所需厚度t，并且为了暴露出通孔柱14的端部需要进行额外的研磨，使得难以获得高容许度的电介质厚度t。
[0060]因此，是否使用软的离型层，都难以在控制介电层厚度的同时，避免产生孔隙和获得平滑的上表面。
[0061]图5a是通过参照图5描述的方法制造的实际结构的显微照片。
[0062]通过在研磨后使用两种层压技术，已经发现有可能实现+-10微米且标准偏差为+-3微米的厚度控制。使用不需要进行减薄和平坦化的钻填技术，电介质的厚度可以控制到+-7.5微米，所以虽然钻填技术存在其它缺点，但是对于介电层厚度控制而言，钻填技术是有利的。
[0063]参照图6，在本发明中，在将介电材料层压至金属结构上时使用双动压机垫，该金属结构可以是铜通孔柱和/或铜特征层。在一个实施方案中，双动压机垫由聚酯制成。用于此目的的一种特别有用的聚酯是聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，膜形式的PET通常是BoPET(双轴取向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯)。为了防止粘住预浸料和压机，在双动压机垫的一个表面并且优选两个表面上涂覆硅氧烷。
[0064]BoPET (双轴取向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜具有高粘度和热稳定性。它被广泛用于电容器、绘图材料、薄膜基材和录音磁带等。
[0065]聚对苯二甲酸丁二醇酯的性质示于下表中:
[0066]
【权利要求】
1.一种电子支撑结构，其包括层压在介电材料内的铜子结构层，所述介电材料包括在聚合物基质中的连续玻璃纤维，其特征在于，介电材料层是无孔隙的，并且每个介电材料层的厚度控制在预定厚度的+-3微米内，标准偏差小于I微米。
2.如权利要求1所述的电子支撑结构，其中所述铜子结构包括铜特征层和从所述铜特征层延伸的铜通孔层，其中每个介电材料层包括均包覆在所述介电材料内的所述铜特征层和所述铜通孔层，并且每个介电材料层的厚度在20微米至60微米的范围内。
3.如权利要求2所述的电子支撑结构，其中相邻的介电材料层具有相同的厚度+-3微米。
4.如权利要求1所述的电子支撑结构，其中所述聚合物基质包括选自热固性树脂和热塑性树脂中的聚合物树脂。
5.如权利要求4所述的电子支撑结构，包括所述聚合物基质还包括无机填料。
6.—种多层电子支撑结构的外层,所述多层电子支撑结构的外层包括层压在介电材料内的铜子结构，所述介电材料包括在聚合物基质中的连续玻璃纤维，其特征在于，介电材料层是无孔隙的并且具有20微米至60微米范围内的厚度，其中在固化之后和进一步处理之前，所述介电材料层的特征在于具有平滑的上表面并且覆盖最高的铜子结构的介电材料层不超过10微米厚。
7.如权利要求6所述的多层电子支撑结构的外层，其中所述最高的铜子结构是铜通孔柱，并且所述介电材料层覆盖所述通孔柱的厚度不超过10微米。
8.—种制造多层电子支撑结构的方法，所述方法包括电镀铜子结构；在所述铜子结构上层叠包括聚合物树脂的介电预浸料；对离型膜施加200-600psi的压力，所述离型膜的硬度高于所述预浸料的硬度，但低于固化树脂的硬度；以及在保持压力的同时通过固化循环进行加热。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述铜子结构包括铜通孔柱。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述方法的特征在于所述固化树脂具有高度平坦的表面，所述表面覆盖所述通孔柱的端部的固化树脂厚度小于10微米。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述离型膜包括聚对苯二甲酸乙二醇酯PET。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述离型膜具有至少25微米的厚度。
13.如权利要求8所述的方法，其中所述离型膜具有不大于75微米的厚度。
14.如权利要求8所述的方法，其中所述离型膜的至少一个表面上涂覆有硅氧烷。
15.如权利要求8所述的方法，其中所述离型膜的两个表面上均涂覆有硅氧烷。
16.如权利要求8所述的方法，其中所述铜子结构包括特征层。
17.如权利要求8所述的方法，其中所述固化循环包括加热至完全固化温度和保持所述完全固化温度30至90分钟。
18.如权利要求8所述的方法，其中所述固化循环包括加热至部分固化温度并保持30至90分钟，冷却并施加选自机械、化学和化学机械加工的减薄及平滑化过程，然后再加热至完全固化温度持续30至90分钟。
【文档编号】H05K1/00GK103731970SQ201310157155
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2012年10月15日
【发明者】卓尔·赫尔维茨, 陈先明, 黄士辅 申请人:珠海越亚封装基板技术股份有限公司