倒裝球柵陣列封裝基板及其製作工藝的製作方法
2023-08-02 18:49:01 1
專利名稱：倒裝球柵陣列封裝基板及其製作工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種集成電路(Integrated Circuit，IC)封裝基板及其製作工藝，尤其是指一種可以在增強金屬銅片上以增層工藝(Build Up)直接構建多層封裝基板線路。
背景技術：
隨著電子技術的日新月異，高科技電子產品的相繼問世，各種產品無不朝向輕、簿、短、小的趨勢設計，以提供更便利的使用。電子產品從開始製造一直到完成，集成電路封裝扮演著重要的角色，而集成電路的封裝形式以基板和晶片的互連方式來劃分，目前主要有兩個發展方向--引線鍵合互連(Bonding)和焊球互連(Solder Bump)。目前兩種封裝形式並存，但封裝技術的發展趨勢是後者將扮演越來越重要的角色。
倒裝球柵陣列(Flip Chip Ball GridArray)封裝既利用焊球(SolderBump)布滿整個基板的底面積方式，來替代傳統的金屬導線架的引腳和下級線路板互連方式，同時又在基板的表面也利用和底面相同的互連方式，來代替引線鍵合互連(Bonding)和上級的晶片互連方式。由於flip chip BGA可以利用整個基板的表面和底面積作為接點的布置空間，同時實現與上級晶片和下級線路板的互連，故和傳統的單邊或多邊線互連(Bonding to ICLead Frame to PCB)相比具有較高密度引腳布線優勢。此外，在回焊工作時，焊球溶解後的表面張力可產生自我校準的現象，故焊球的對位精度要求不高，在加上高可靠性、優良的電氣特性，使得倒裝球柵陣列封裝(Flip Chip Ball Grid Array)成為目前集成電路封裝的主流之一和發展方向。
參照附圖1～圖6，為傳統flip chip BGA封裝基板的製作過程，步驟如下首先參考附圖1，flip chip BGA封裝基板芯板(101)線路結構經過業界已知的傳統工藝形成後，如附圖2～6所示，在芯板(101)的兩面同時進行設計要求的線路結構(102)的形成工藝。利用塞孔工藝完成對PTH通孔(105)的填塞整平(圖3)。選擇可感光絕緣材料並通過圖形轉移工藝形成微盲孔(103)，或選擇熱固性絕緣材料並通過壓板和雷射工藝形成微盲孔(103)(圖4)，然後應用常規線路成形工藝實現設計要求的增層線路(104)(圖5)。上述感光絕緣材料或熱固性絕緣材料的兩種工藝都會得到相同結構的傳統Flip Chip BGA封裝基板，即必須通過通孔(PTH)(105)實現芯板兩面增層線路面之間的電氣互連。這種工藝存在布線密度不高，工藝複雜，成本高的缺點。最近幾年出現了另外一種有別於傳統Flip Chip BGA製作的工藝方法，即一次壓板工藝，其採用各層芯板同時完成圖形轉移，鑽孔，孔內塞導電材料或孔電鍍填滿後利用粘接性導電材料，通過精確對位壓板實現各層芯板之間導線的連通。此工藝存在壓板對位控制困難，工藝難度大，可靠性低，成本高的缺點。
發明內容
鑑於現有Flip Chip BGA製作工藝過程中存在上述問題，本發明的目的在於提供一種新型Flip Chip BGA封裝基板及其製作工藝。
為了達到上述目的，本發明所採取的技術方案是在增強金屬銅片(201)上首先採用圖形電鍍的方法形成複合多金屬層結構的互連用金屬導電柱(206)，此導電柱的複合多金屬層端面起到傳統Flip ChipBGA基板上凸塊拍(Bump pad)同樣的作用，同時其複合多金屬層結構還起到下面將要描述的蝕刻阻擋層的作用。在完成後的金屬導電柱上通過絲印、輥塗或簾塗的方法塗布一層絕緣介質；絕緣介質表面經整平工藝以便暴露出金屬導電柱(206)的另一端面，然後在絕緣介質表面再經金屬化和圖形電鍍工藝後得到與金屬導電柱相互連的導線面(208)，在上述導線面上利用與複合多金屬層金屬導電柱類似的形成方法形成單金屬結構的互連導電柱(209)；通過多次重複上述的工序來實現設計要求的多層互連結構。多層互連結構中包含有特殊設計的增強金屬芯層，該層旨在提高多層線路結構的強度，起到傳統Flip Chip BGA芯板類似的增強作用。完成所有的線路結構後，進行外層阻焊層的應用，之後通過機械加工和化學蝕刻的方法在增強金屬銅片的背面形成空腔。在化學腐蝕形成空腔同時暴露複合多金屬層金屬凸點的複合多金屬層端面。在空腔中放置電路晶片，並將電路晶片上作為輸入輸出等埠的焊錫球與複合多金屬層為端面的金屬凸點相對準並通過常規的Flip Chip BGA晶片與基板的封裝工藝完成晶片和基板的互連。其中所述的複合多金屬層的金屬導電柱和其相鄰線路層的互連可以採用傳統的捕獲盤(Capture Pad)，也可以採取由相鄰線路層的線路端部和導電柱端面直接搭接的結構。與用傳統捕獲盤結構相比直接搭接結構不會改變原設計導電柱位置的平面布局，不增加布線的難度。複合多金屬導電柱的多金屬層是根據不同的需求採用順序圖形電鍍Au-Ni-Cu或Ni-Cu的工藝實現的，最終得到需要的導電柱結構以便和晶片互連。
所述的絕緣材料的應用是通過業界熟知絲印、輥塗或簾塗的方法塗布。
所述的多次重複前述工序來實現設計要求的多層互連結構，是指在上述塗布的絕緣材料表面經過研磨後，首先通過業界熟知化學銅沉積，圖形轉移(加成法或減成法工藝)順利得到線路圖形和層間互連的導通孔的圖形，之後重複絕緣材料塗布、表面研磨工藝、化學銅沉積，圖形轉移來完成多層結構相鄰層間的互連工藝過程。
所述的多層互連結構中包含有特殊設計的金屬芯層，其是為了提高整個多層結構的強度和平整性而附加的增強結構層，此金屬芯層可以結合客戶的設計與其中的某一功能金屬層合併以進一步優化設計。
所述的機械加工和化學蝕刻方法在增強金屬銅片的背面形成空腔，是指首先採用機械加工的方法去除大部份金屬，以提高工藝過程的效率，之後再採用化學蝕刻的方法，並利用複合多金屬層導電柱結構中的特定金屬能抵抗蝕刻的機理，來完成用來放置晶片的空腔並暴露出與Flip Chip相互連的導電柱端面。
本發明的有益效果在於，與現有技術相比較，具有如下優點所用的絕緣介質原料可選擇範圍廣，價格適宜，且該種絕緣介質在產品的可靠性測試具有良好的性能。所得產品是不含傳統芯板的全新FC-BGA封裝基板，可以有效提高和改善封裝互連的電器性能和可靠性能，符合集成電路發展對封裝基板未來要求的發展方向。
為了讓本發明的上述技術方案能夠明顯易懂，下面特舉實例配合所附圖標，做詳細說明。
圖1～5是傳統FC-BGA的IC封裝基板製作工藝流程6是傳統FC-BGA的剖面7～26是本發明製作工藝流程圖其中圖7～12是在銅板上電鍍出複合多金屬層結構的互連用金屬導電柱圖13～17是在複合多金屬層互連用金屬導電柱完成後的第一層的絕緣介質層塗敷，絕緣介質表面整平，第一層線路圖形以及第一和第二層線路層互連導電柱的形成過程圖18～20是第二層絕緣介質層塗敷，絕緣介質表面整平，第二層線路圖形以及第二和第三層線路層互連導電柱的形成過程圖21是第四層絕緣介質層塗敷，絕緣介質表面整平後的情形圖22是在整平後的第四層絕緣介質層上增強金屬芯層線路圖形和其上的互連導電柱的形成圖23是第五層絕緣介質層塗敷，絕緣介質表面整平，第五層線路圖形的形成圖24是阻焊層的形成圖25～26是放置晶片空腔的形成圖27是生產用的整板經過分割形成基板單元圖28是本發明的基板剖視中101芯板、102芯板兩面線路、103微盲孔、104增層線路、105 PTH孔、105a填充前PTH孔、105b填充後PTH孔、106絕緣介質、107阻焊層、201增強金屬銅片、202Au、203感光抗電鍍幹膜、204Ni、205Cu、206金屬導電柱、207絕緣介質、208線路圖形、209互連導電柱、210增強芯層、211阻焊層、212後處理開口、213放置晶片的空腔、214 PAD、300基板單元301晶片、302錫球、303背面金屬銅片、304封膠層具體實施方式
所獲得的集成電路(IC)FC-BGA封裝基板的製作工藝如下步驟1、在銅板上電鍍出複合多金屬層結構的互連用金屬導電柱如圖7、8所示，對增強金屬銅片201進行表面處理後，在增強金屬銅片201表面貼感光抗電鍍幹膜203。如圖9～12所示，通過曝光、顯影和順序圖形電鍍Ni204、Au202、Cu205和褪膜的方法形成複合多金屬層結構的互連用金屬導電柱206。
2、在銅板上電鍍出複合多金屬層結構的互連用金屬導電柱206後絕緣介質層第一次應用和第一次絕緣介質層上線路圖形和互連導電柱形成如圖13～17所示，通過絲印、輥塗或簾塗的方法在銅板上電鍍複合多金屬層結構的互連用金屬導電柱後進行絕緣介質層第一次應用，塗布一層絕緣介質207，經過合適的烘烤條件，絕緣介質表面整平，化學銅沉積，之後表面貼抗電鍍層幹膜203，通過曝光、顯影、順序圖形電鍍和褪膜形成線路圖形208和互連導電柱209。
3、絕緣介質層第二次應用和第二次絕緣介質層上線路圖形和互連導電柱的形成如圖18～20所示。
4、絕緣介質層第三次應用及線路圖形和互連導電柱的形成和絕緣介質層第四次應用如圖21所示5、第四次絕緣介質層上增強金屬芯層210線路圖形和互連導電柱的形成如圖22所示6、絕緣介質層第五次應用和第五次絕緣介質層上線路圖形的形成如圖23所示7、阻焊層211的形成如圖24所示，阻焊層211是通過圖形轉移(即絲印、曝光、顯影)將可感光阻焊樹脂形成的圖形轉移到基板單元面上，阻焊層211形成線路的保護層並暴露出導線圖形208上需要後續處理的開口212。
8、放置晶片的空腔213的形成如圖25、26所示，通過銑切的方法在增強金屬銅片的中間形成一個空腔213，然後通過蝕刻去除空腔底部的全部金屬，並暴露出與Flip Chip相互連的導電柱端面。然後根據需要在空腔213上形成黑化或者棕化氧化層，以便晶片301封裝階段的應用。
9、基本單元的切割如圖27所示，將基板單元從增強金屬銅片上切割成一個一個的小基板單元300。所得的產品剖面如圖28所示，將晶片301放置在空腔213中，通過錫球302實現晶片301與基板300的導通，再注入封膠304封住晶片301與錫球302。
權利要求
1.一種倒裝球柵陣列封裝基板，該基板由絕緣介質層、增強功能的金屬芯層、包含該BGA基板焊球連接圖案與導線圖案的導電層、連接各導電層的金屬導電柱、阻焊層和背面增強金屬銅片組成，其特徵在於在粘附在基板的晶片面上的增強金屬銅片中形成空腔用來放置晶片。
2.一種倒裝球柵陣列封裝基板的製作工藝，包含以下步驟a、在增強金屬銅片上首先採用圖形電渡的方法，形成複合多金屬層結構的連接用金屬導電柱，此金屬導電柱並作為倒置晶片的封裝接點拍；b、通過絲印、輥塗或簾塗的方法塗布一層絕緣介質，c、通過刷板等表面整平工藝暴露金屬導電柱端面，然後進行絕緣介質表面金屬化，圖形電鍍銅後得到完成兩層線路之間的導電連接；d、通過多次重複前述工序以實現設計要求的多層連接結構；e、多層絕緣介質和金屬導線層結構中包含有起機械增強功能的金屬芯層；f、進行外層阻焊層的應用；g、通過機械加工和化學蝕刻的方法在增強金屬銅片面上形成空腔，用來放置晶片，並通過最初形成的複合多金屬層結構的連接用金屬導電柱完成晶片和本基板的連接。
3.根據權利要求2所述倒裝球柵陣列封裝基板的製作工藝，其特徵在於所述的複合多金屬層結構的連接用金屬導電柱和其相鄰線路層的連接可採取過孔拍結構，或由線路端部和導電柱直接搭接的結構。
4.根據權利要求2所述倒裝球柵陣列封裝基板的製作工藝，其特徵在於在增強金屬銅片上電鍍形成的複合多金屬層結構的連接用金屬導電柱採用Au-Ni-Cu或Ni-Cu等結構。
5.根據權利要求2所述倒裝球柵陣列封裝基板的製作工藝，其特徵在於所述的絕緣材料的應用是通過絲印、輥塗或簾塗的方法塗布。
6.根據權利要求2所述倒裝球柵陣列封裝基板的製作工藝，其特徵在於所述的多次重複前述工序來實現設計要求的多層連接結構，是首先在已形成的某一層線路圖形上通過圖形轉移電鍍工藝得到線路圖形層間連接的金屬導電柱，然後進行塗敷絕緣材料和表面刷板工藝，之後應用化學沉銅和線路圖形電鍍工藝完成相鄰層的線路圖形和層間連接過程。
7.根據權利要求2所述倒裝球柵陣列封裝基板的製作工藝，其特徵在於所述的多層連接結構中包含有增強金屬芯層，此金屬芯層可以與其中的電氣功能層合併以進一步優化設計。
8.根據權利要求2所述倒裝球柵陣列封裝基板的製作工藝，其特徵在於所述的機械加工和化學蝕刻的方法在增強金屬銅片上形成空腔，是指首先採用機械加工的方法在放置晶片的晶片腔部位去除大部份金屬銅片厚度，之後再採用化學蝕刻的方法去除剩餘的金屬銅片厚度，並利用複合多金屬層導電柱結構中的特定金屬層作為的蝕刻的阻擋層，來完成用來放置晶片的空腔。
全文摘要
本發明公布了一種倒裝型球柵陣列(Flip chipBGA)集成電路(Integrated Circuit，IC)封裝基板及其製造工藝，該基板由增強金屬芯層、絕緣介質層、包含該BGA基板焊錫球連接圖案與導線圖案的導電層、阻焊層和背面增強金屬銅片組成。在該基板的背面增強金屬銅片中形成空腔用來放置晶片。該發明採用在增強金屬銅片上塗布絕緣介質並在其上形成線路，通過特殊線路連接結構設計和特殊工藝單向漸次增層得到產品最終要求的結構。其製造工藝簡單，可降低基板成本，且該產品具有良好的可靠性，從而提高該產品的性價比。
文檔編號H01L23/12GK1691314SQ20041002691
公開日2005年11月2日 申請日期2004年4月21日 優先權日2004年4月21日
發明者尤寧圻, 朱惠賢, 陳金富, 蘭亦金, 張烈洋 申請人:美龍翔微電子科技(深圳)有限公司