布線板及使用該板的半導體封裝的製作方法

2024-03-28 22:37:05

專利名稱：布線板及使用該板的半導體封裝的製作方法
技術領域：
本發明涉及適用於半導體封裝和模塊的布線板，並涉及使用該布線板的半導體封裝。具體而言，本發明涉及一種可高密度地包含諸如半導體器件之類的多種部件的布線板，以及高速且具有改善之可靠性地驅動這些器件，並涉及一種使用該布線板的半導體封裝。
背景技術：
近年來，隨著半導體器件接線端數量的增多，間距縮小以及操作速度增大，趨向於使裝置具有更高性能和更多的功能，不斷增長有關實現更高密度精細布線和更高速度操作，並設有半導體器件的用於封裝的布線板的需求。一種廣泛使用的封裝用的常規布線板，為作為一類多層印刷布線板的組合印刷板。
圖1所示的剖面圖表示一種常規的組合印刷板。如圖1所示，這種常規的組合板設有由玻璃環氧化物製成的底芯基板73，並在底芯基板73中鑽有直徑約為300μm的穿透通孔71。在底芯基板73的兩側上形成導體布線72，並且設置層間絕緣膜75，用以覆蓋導體布線72。在層間絕緣膜75中形成通孔74，與導體布線72相連，並在層間絕緣膜75的表面上設置導體布線76，用以通過通孔74與導體布線72相連。根據需要，通過在導體布線76上另外重複設置其中形成有通孔的層間絕緣膜和導體布線，可使印刷板具有多層布線結構。
不過，這種組合印刷板由於使用玻璃環氧樹脂印刷板作為底芯基板73，耐熱性不夠充分，從而存在底芯基板73發生變形的問題，比如會因用來形成層間絕緣膜75時所進行的熱處理，會造成收縮、翹曲和發生波紋狀。結果，在通過將導體層(未示出)構圖而形成導體布線76的過程中，就存在抗蝕劑曝光梯度，曝光位置精度也明顯下降，從而難以在層間絕緣膜75上形成高密度和精細布線圖案。另外，必須在導體布線72與穿透通孔71的連接處設置臺階部分，以牢固地連接它們。即使在具有層間絕緣膜75和導體布線76的組合層上設計高速操作的布線，由於存在臺階部分，很難控制阻抗，並且回線電感較高。由此，整個組合印刷板的操作速度降低，帶來難以提供高速操作的問題。
為了解決組合印刷板的穿透通孔所導致的這些問題，例如在日本專利出版未審公開No.2000-269647和參考書目「Proceedings For TheEleventh Microelectronics Symposium，pp.131-134」中描述了一種用於形成印刷板的方法，取代在玻璃環氧基板中鑽出穿透通孔的方法。
圖2A至2C所示剖面圖依製造步驟順序示出這種傳統的印刷板。首先，如圖2A所示，製備預浸料坯82，在預浸料坯上形成預定的導體布線81。然後，利用雷射加工在預浸料坯82中形成直徑為150-200μm的通孔83。另外，如圖2B所示，用導電糊84填充各通孔83。此外，如圖2C所示，多次製造這種預浸料坯82，即具有用導電糊84填充的通孔83的預浸料坯82，然後將所製造的預浸料坯82層疊在一起。此時，導體布線81的臺階圖案86與相鄰預浸料坯的通孔83相連，這樣就能製得沒有穿透通孔的印刷板85。
但在這種傳統技術中，層疊預浸料坯82時的位置精度較低，帶來難以使臺階圖案86直徑減小的問題。從而，難以實現高密度布線，並且對改進阻抗可控性效果及減小回線電感的效果都不夠充分。此外，存在層疊後通孔連通的可靠性較差的問題。
為了解決這許多問題，本發明者研究出一種通過在諸如金屬片的支撐結構上形成布線層，並隨後去除支撐結構，從而製成布線板的方法。在日本專利出版未審公開No.2002-198462(P8-11及圖17)中描述了這種方法。
圖3A和3B所示的剖面圖依製造步驟的順序示出這種傳統的布線板。首先，如圖3A所示，製備由金屬片等製成的支撐片91。在支撐片91上形成導體布線92，形成層間絕緣膜93以覆蓋導體布線92，並在層間絕緣膜93中形成通孔94，與導體布線92連接。之後，在層間絕緣膜93上形成導體布線95。把導體布線95製成為，使得藉助通孔94與導體布線92相連。通過按照需要重複形成層間絕緣膜93、通孔94和導體布線95的步驟，可實現多層布線。然後，如圖3B所示，通過蝕刻去除部分支撐片91，露出導體布線92，並形成支撐結構96，由此製得布線板97。
與此同時，可以使用膜的強度為70MPa或更大、斷裂後伸長百分比為5％或更大、玻變溫度為150℃或更高，且熱膨脹係數為60ppm或更小的絕緣材料製成的單層膜，或者使用彈性模數為10GPa或更大、熱膨脹係數為30ppm或更小，且玻變溫度為150℃或更高的絕緣材料製成的單層膜，作為層間絕緣膜93。
按照這種技術，由於布線板97沒有穿透通孔，所以能夠解決穿透通孔所引起的問題，能設計出高速傳輸。此外，由於使用耐高熱金屬片等作為支撐片91，不會發生諸如收縮、翹曲和波紋狀的變形，這與使用玻璃環氧樹脂基板的情形不同，可實現高密度精密布線。另外，通過如上所述確定層間絕緣膜93的機械性質，可獲得具有高強度的布線板。
然而，這種傳統技術具有下面所述的問題。由於缺少底芯基板，圖3B所示的布線板97極其薄。但在開始製造時，通過有如上述那樣確定層間絕緣膜93的機械性質，可使布線板97獲得足夠大的強度。
然而，布線板97通常設置有大面積半導體器件，以形成半導體封裝，再將半導體封裝安裝到比如印刷板之類的裝配板上。在操作過程中半導體器件會產生熱，導致溫度升高，並且在靜態運用期間停止發熱，導致溫度降低。由此，在半導體器件操作過程中，由於半導體器件與裝配板之間熱膨脹係數的差異，就有熱應力加於布線板97上。於是，在有如上述那樣將半導體器件安裝到布線板97上這樣的狀態下，重複地操作半導體器件時，熱應力反覆地加於布線板97，從而在布線板97的層間絕緣膜93等中有可能會發生破裂。由此，存在不能保證布線板和半導體封裝所需的可靠性的問題。

發明內容
本發明的目的在於提供一種可靠的布線板，這種布線板能高密度地包含諸如半導體器件類的多種部件，並易於實現高速傳輸和高密度精密布線；還涉及一種使用該布線板的半導體封裝。
本發明的布線板具有厚度為20-100μm的底部絕緣膜，在底部絕緣膜中形成通孔；形成在底部絕緣膜下表面上並與通孔連接的下布線；以及形成於底部絕緣膜上並通過通孔與下布線連接的上布線。由玻變溫度為150℃或更高，且包含由玻璃或芳族聚醯胺製成的增強纖維的耐熱樹脂製成底部絕緣膜，並且在把T℃溫度下的彈性模數表示為DT(GPa)，溫度T℃下的抗斷強度表示為HT(MPa)時，具有下述物理性質(1)至(6)。
(1)沿厚度方向的熱膨脹係數為90ppm/K或更小。
(2)D23≥5(3)D150≥2.5(4)(D-65/D150)≤3.0(5)H23≥140(6)(H-65/H150)≤2.3對於通過比如在金屬片的支撐元件上形成布線層，並隨後去除支撐元件的布線板製造方法，本發明者已經注意到，重要的是充分保證抗斷強度和彈性模數，以防止由於半導體器件的操作而反覆地加給熱負荷時，底部絕緣膜處發生破裂。並且本發明者已經遞交了其中不發生破裂的布線板的製造方法的申請(日本專利申請No.2003-382418)。不過，通過進一步研究該方法，發現即使使用滿足充分保證抗斷強度和彈性模數的材料，即要求在23℃的溫度條件下抗斷強度為80MPa或更大，要求在-65℃的溫度條件下抗斷強度表示為a，而150℃溫度下的抗斷強度表示為b時，比值(a/b)為4.5或更小，並且要求-65℃溫度下的彈性模數表示為c，150℃溫度下的彈性模數表示為d時，(c/d)的值為4.7或更小，所得半導體器件的可靠性存在與其結構相關的差別。
作為對這些發現研究的結果，發現通過以新的方式形成由耐熱樹脂製成的絕緣膜，可獲得具有更高可靠性的布線板，其中該耐熱樹脂具有150℃或更高的玻變溫度，包含由玻璃或芳族聚醯胺製成的增強纖維，滿足對抗斷強度和彈性模數的要求，並且沿厚度方向熱膨脹係數為90ppm/K或更小。此外，還發現了對於抗斷強度和彈性模數的最佳要求。
如上所述，通過檢測由玻變溫度為150℃或更大、包含由玻璃或芳族聚醯胺製成的已知增強纖維的耐熱樹脂製成的材料，比如日本專利申請No.2003-382418中披露的由Ajinomoto Fine Techno有限公司製造的材料(商標名為ABF-GX-1031)和Shin-Kobe Electric Machinery有限公司製造的EA-541(商標名)，對於厚度方向的熱膨脹係數，發現所有這些材料在厚度方向具有90ppm/K或更大的熱膨脹係數。對於這些材料，發現當在上面安裝了半導體器件的電極襯墊下面緊接著形成通孔，從而用於布線板安裝的焊料球緊挨著設置在通孔下面時，在通孔接合點處會發生斷開故障，從而發現，與具有本發明實現的物理性質的底部絕緣膜材料相比，這些材料的可靠性較差。
相反，通過使用具有本發明所實現的物理性質的絕緣膜，可減小厚度方向的應變壓力。由此，在通孔緊挨著形成在安裝了半導體的電極襯墊下面的狀態下，從而用於板安裝的焊料球緊挨著形成在通孔下面時，當由於半導體器件的操作反覆地加給熱負荷時，可以防止通孔接合處發生斷開故障，從而可以獲得更為可靠的半導體封裝。
此外，進一步說明其他物理性質的最佳數值。即當把T℃溫度下的彈性模數表示為DT(GPa)，並且T℃溫度下的抗斷強度表示為HT(MPa)時，得到下述不等式。
D23≥5在半導體封裝組裝期間，數值小於5的底部絕緣膜的可轉移性差，從而，使薄膜不具有實用性。
D150≥2.5數值小於2.5的底部絕緣膜的布線粘接性不夠大，從而薄膜不具有實用性。為了滿足該不等式，必須注入具有玻變溫度至少為150℃的耐熱樹脂的增強纖維。
(D-65/D150)≤3.0當該數值較大時，低溫以及高溫下的彈性模數改變較大。數值大於3.0的底部絕緣膜，由於在半導體封裝組裝過程中反覆加熱和冷卻而將應變應力加給布線板，半導體封裝本身會發生翹曲，從而薄膜不具有實用性。
H23≥140在20μm厚布線板的半導體封裝組裝過程中，數值小於140的底部絕緣膜不易於處理，從而薄膜不具有實用性。
(H-65/H150)≤2.3當該數值較大時，低溫以及高溫下的抗斷強度改變較大。高溫下，數值大於2.3的底部絕緣膜的機械強度特別差，從而在半導體封裝的組裝，如布線粘接步驟中，底部絕緣膜會發生輕微斷裂，從而薄膜不具有實用性。
於是發現，僅在將這些因素都考慮在內時，才可能獲得可靠的布線板。
當樹脂，也即玻變溫度為150℃或更高，特別是其厚度方向的熱膨脹係數約為60ppm/K的樹脂，包含由其厚度方向的熱膨脹係數約為100ppm/K的玻璃或芳族聚醯胺製成的增強纖維時，可將其厚度方向的熱膨脹係數調節成最佳數值，同時保持彈性模數和抗斷強度最佳。
與此同時，當增強纖維的直徑為10μm或更小時，不僅通過使用二氧化碳雷射器，而且還通過使用具有短波長的UV-YAG雷射器，可在底部絕緣膜中形成具有合適形狀的更細通孔。
按照本發明的布線板，可以具有一個或多個布線結構層。每個所述布線結構層具有處於所述底部絕緣膜與所述上布線之間、通過所述通孔與所述下布線連接的中間布線；以及覆蓋所述中間布線形成的中間絕緣膜，在其中形成連接所述中間布線與所述上布線的另一通孔。從而，可實現所需的高密度布線板。
另外，在這些布線板中，在底部絕緣膜的下表面上形成凹入部分，為的是提高使用焊料窄間距地安裝具有襯墊的半導體裝置時的位置精度，所述半導體器件通過使用焊料具有窄間距的襯墊，最好將下布線嵌入凹入部分中，且下布線的下表面高於底部絕緣膜的下表面0.5-10μm。
另外，當使底部絕緣膜的下表面與下布線的下表面共面時，在通過使用金突起等窄間距地安裝具有襯墊的半導體裝置的步驟中，可以獲得用作位置偏離的餘量，從而在提高連接可靠性方面是優越的。
此外，布線板可具有保護膜，這形成在底部絕緣膜下面，覆蓋一部分下布線，並露出其餘下布線。而且，布線板可具有阻焊層，它覆蓋一部分上布線，並露出其餘的上布線。從而，易於通過印刷等將焊料形成在布線板上，並且進一步在以非常窄的間距安裝具有襯墊的半導體器件時，形成於半導體器件上的諸如焊料和金的金屬突起，通過熔化可與形成在布線板上的焊料相連，從而可獲得突起連接的可靠性突出的半導體封裝。
通過將半導體器件與下布線或上布線相連，可製造出使用上述布線板的半導體封裝。此外，可設置連接觸點，以便連接比如電路板的外部裝置。
通過使用具有較小溫度依賴性之機械性質的絕緣膜作為底部絕緣膜，本發明可提供能實現高速傳輸和高密度精細布線的布線板，當通過驅動所安裝的半導體器件而反覆地加給熱負荷時，不會在底部絕緣膜、焊料球等處產生斷裂，並且通孔連接具有卓越的可靠性。


圖1是表示一種傳統組合基板的剖面圖；圖2A至2C是依形成步驟的順序表示一種傳統製造印刷板方法的剖面圖；圖3A和圖3B是依製造步驟的順序表示另一種傳統的製造布線板方法的剖面圖；圖4是表示本發明第一實施例布線板的剖面圖；圖5是表示第一實施例半導體封裝的剖面圖；圖6是表示第一實施例的一種改型的半導體封裝的剖面圖；圖7是表示本發明第二實施例布線板的剖面圖；圖8是表示第二實施例半導體封裝的剖面圖；圖9A至9C是依製造步驟的順序表示本發明第三實施例布線板的製造方法和結構的剖面圖；圖10是表示本發明第四實施例布線板的剖面圖；圖11A至11E是依製造步驟的順序表示本發明第一實施例布線板製造方法的剖面圖；圖12A至12C是依製造步驟的順序表示本發明第一實施例半導體封裝製造方法的剖面圖；圖13A至13D是依照製造步驟的順序表示本發明第二實施例布線板和半導體封裝製造方法的剖面圖；以及圖14是表示用於評價試驗的半導體封裝剖面圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖具體描述本發明的實施例。首先，將描述本發明的第一實施例。圖4是表示所述實施例布線板的剖面圖，圖5是表示所述實施例半導體封裝的剖面圖。
如圖4所示，本實施例的布線板13設有底部絕緣膜7。由玻變溫度為150℃或更高並且包含玻璃或芳族聚醯胺製成之增強纖維的耐熱樹脂製成所述底部絕緣膜7。底部絕緣膜7的厚度為20-100μm，並且當用DT(GPa)表示在溫度為T℃下的彈性模數，用HT(MPa)表示在溫度為T℃下的抗斷強度時，具有如下物理性質(1)到(6)。
(1)沿厚度方向的熱膨脹係數為90ppm/K或更小。
(2)D23≥5(3)D150≥2.5(4)(D-65/D150)≤3.0(5)H23≥140(6)(H-65/H150)≤2.3按照增強纖維的包含能力，所述玻變溫度為150℃或更高的耐熱樹脂優選是環氧樹脂，不過也可以採用聚醯亞胺樹脂、氰酸鹽樹脂、液晶聚合物等。
在底部絕緣膜7的下表面中形成凹入部分7a，布線體6各自形成在凹入部分7a中，並且在布線體6下面各自形成蝕刻阻擋層5。蝕刻阻擋層5和布線體6構成下布線，並將下布線嵌入凹入部分7a中。蝕刻阻擋層5的下表面暴露在外，並且構成布線板13的部分下表面。布線體6比如由Cu、Ni、Au、Al或Pd製成，且薄膜厚度比如為2-20μm。由比如Ni、Au或Pd製成蝕刻阻擋層5，且厚度比如為0.1-7.0μm。蝕刻阻擋層5的下表面高於底部絕緣膜7的下表面比如0.5-10μm，也即把蝕刻阻擋層5的下表面深入地設置在凹入部分7a中。
此外，在底部絕緣膜7中各自形成通孔10，從而使通孔10處於凹入部分7a上側的一部分上。當把布線板13用於CSP半導體封裝時(晶片尺度封裝)，通孔10的直徑比如為75μm，並且當把布線板13用於FCBGA(倒裝晶片球柵陣列)半導體封裝時，通孔10的直徑比如為40μm。另外，通孔10充滿導電材料，並且上布線11形成在底部絕緣膜7上。整體地形成通孔10中的導電材料和上布線11。上布線11的厚度比如為2-20μm，並通過通孔10與下布線相連。另外，將阻焊層12形成在底部絕緣膜7上，使一部分上布線11露出，其餘上布線11被阻焊層12覆蓋。阻焊層12的厚度比如為5-40μm。上布線11的露出部分起襯墊電極的作用。
接下去將描述本實施例半導體封裝的結構。在本實施例的半導體封裝19中，如圖5所示，多個突起14各自與布線板13的蝕刻阻擋層5相連。半導體器件15設置在布線板13下面，並且半導體器件15的電極(未示出)各自與突起14相連。半導體器件15譬如是LSI(大規模集成電路)。布線板13與半導體器件15之間各突起14的周圍填充有底部填充層(underfill layer)16。焊料球18各自設置在布線板13的上布線11的暴露部分上，也即一部分襯墊電極上。焊料球18通過上布線11、通孔10(參見圖4)、由布線體6和蝕刻阻擋層5組成的下布線以及突起14，與半導體器件15的電極相連。半導體封裝19通過焊料球18安裝到封裝板(未示出)上。
以下將描述本發明各結構要求條件的數值臨界值。
底部絕緣膜的厚度20-100μm當底部絕緣膜的厚度小於20μm時，耐熱樹脂不能有效地包含由玻璃或芳族聚醯胺製成的增強纖維。相反，底部絕緣膜的厚度超過100μm時，通過雷射加工形成的通孔的加工性明顯降低，使之不可能形成精細的通孔。從而，將底部絕緣膜的厚度設定為20-100μm。
底部絕緣膜沿厚度方向的熱膨脹係數90ppm/K或更小對於沿厚度方向熱膨脹係數大於90ppm/K的底部絕緣膜而言，當上面直接安裝半導體器件的電襯墊下面形成通孔，並在通孔下面直接形成用於板封裝的焊料球時，由於在假定由於半導體器件的操作而反覆地加給熱負荷的條件下進行熱循環試驗，在圖5所示通孔10a的接合處會發生斷開故障。從而，底部絕緣膜沿厚度方向的熱膨脹係數為90ppm/K或更小。
底部絕緣膜在23℃溫度下的彈性模數為5GPa或更大當底部絕緣膜在23℃溫度下的彈性模數小於5GPa時，在半導體封裝組裝過程中，包含20μm厚底部絕緣膜的布線板的可轉移性較差，這會使生產率明顯地降低。從而，將底部絕緣膜在23℃溫度下的彈性模數設定為5GPa或更大。
底部絕緣膜在150℃溫度下的彈性模數為2.5GPa或更大在由一種材料製成的底部絕緣膜中，當底部絕緣膜在150℃溫度下的彈性模數為1.0GPa或更大時，通常能獲得良好的布線粘接性。不過，在由含有玻璃或芳族聚醯胺增強纖維的樹脂製成的底部絕緣膜中，由於將單獨增強纖維在150℃溫度下的彈性模數設定為10GPa或更大的較高數值，所以，儘管底部絕緣膜在150℃溫度下的彈性模數為1.0Gpa，單獨樹脂在150℃溫度下的彈性模數為0.1GPa或更小。這是因為，在進行布線粘接時，壓下布線體6，使之不能建立實現高強度的布線連接。由此，在通過試驗檢驗底部絕緣膜在150℃溫度下的彈性模數與布線粘接強度之間的關係時，發現當150℃溫度下彈性模數為2.5GPa或更大時，可實現良好的布線粘接性。從而，將底部絕緣膜在150℃下的彈性模數設定為2.5GPa或更大。此外，為了滿足150℃溫度下彈性模數為2.5GPa或更大的要求，發現含有增強纖維的耐熱樹脂必須具有150℃或更高的玻變溫度。該玻變溫度與JIS(日本工業標準)6481一致，並且通過DMA(動態機械分析)方法測量。
當DT(GPa)為底部絕緣膜在T℃溫度下的彈性模數時，值(D-65/D150)為3.0或更小值(D-65/D150)較大意味著低溫和高溫下彈性模數的改變較大。在日本專利申請No.2003-382418中，描述了當值(D-65/D-150)較大時，固定到布線板上的焊料球破碎，從而該值必須大於4.7或更小。不過，發現當值(D-65/D150)大於3.0時，在半導體封裝組裝過程中，通過反覆加熱和冷卻而加給布線板的應變應力，會引起半導體封裝本身產生翹曲的麻煩。因此，所述值(D-65/D150)為3.0或更小。
底部絕緣膜在23℃溫度下的抗斷強度為140MPa或更大在具有20μm厚底部絕緣膜的布線板中，當底部絕緣膜在23℃溫度下的抗斷強度低於140MPa時，在半導體封裝組裝步驟中，底部絕緣膜發生破裂。從而，將底部絕緣膜在23℃溫度下的抗斷強度設定為140MPa或更高。
當HT(MPa)為底部絕緣膜在T℃溫度下的抗斷強度時，值(H-65/H150)為2.3或更小值(H-65/H150)較大意味著，低溫和高溫下抗斷強度的改變較大。在日本專利申請No.2003-382418中，描述了當(H-65/H150)較大時，底部絕緣膜發生破裂，從而值必須為4.5或更小。不過，發現當值(H-65/H150)大於2.3時，高溫下它的機械強度顯著減小，從而在高溫下，在半導體封裝組裝如布線粘接步驟中，底部絕緣膜發生輕微破裂。因此，所述值(H-65/H150)為2.3更更小。
下布線的下表面與底部絕緣膜的下表面之間的距離為0.5-10μm當下布線的下表面與底部絕緣膜的下表面之間的距離短於0.5μm時，不能有效地保證防止突起位置偏移的效果。另一方面，當該距離超過10μm時，當該裝置安裝到布線板上時，底部絕緣膜與半導體器件之間的間隙變窄。由此，當用未充滿樹脂填充該間隙，以便在半導體器件安裝之後形成底部填充層時，難於將未充滿樹脂灌入該間隙中。從而，該距離優選為0.5-10μm。
在本實施例的半導體封裝19中，通過從裝配板(未示出)經由焊料球18、上布線11、通孔10、由布線體6和蝕刻阻擋層5組成的下布線以及突起14，向半導體器件15輸送電能以及輸入、輸出信號，來驅動半導體器件15。此時，半導體器件15產生熱量，並且所述熱量會通過布線板13傳導到裝配板。這裡，由於半導體器件15與裝配板的熱膨脹係數的差異，熱應力加給突起14、布線板13和焊料球18。從而，通過反覆操作和停止半導體器件15，熱應力反覆地加給突起14、布線板13和焊料球18。
根據本實施例，由於底部絕緣膜的厚度為20至100μm，23℃溫度下的彈性模數為5GPa或更大，23℃溫度下的抗斷強度為140MPa或更大，150℃溫度下的彈性模數為2.5GPa或更大，值(D-65/D150)為3.0或更小(其中DT為T℃溫度下的彈性模數)，且值(H-65/H150)為2.3或更小(其中HT為T℃溫度下的抗斷強度)，所以，在半導體封裝19的組裝步驟中，它的可轉移性和布線粘接性良好，可以製造出不會翹曲並且具有優異質量的半導體封裝19。此外，由於沿底部絕緣膜厚度方向的熱膨脹係數為90ppm/K或更小，所以，即使在假定通過半導體器件的操作反覆地加給熱負荷的條件下進行熱循環檢驗時，在圖5所示通孔10a的接合處也不會發生斷開故障。
此外，由於由蝕刻阻擋層5和布線體6組成的下布線處於凹入部分7a中，並且下布線的下表面高於底部絕緣膜7的下表面0.5-10μm，在突起14粘接期間，可以防止突起14發生位置偏移和流動。由此，突起14具有優異的粘接可靠性，並且可設置成窄間距，允許安裝高密度半導體器件15。
另外，由於布線板13沒有穿透通孔，所以不會發生由穿透通孔引起的那些問題，也就是難以控制阻抗和回線電感增大的問題，這樣就能夠設計出高速傳輸和高密度精細布線。
在本實施例中，可以省略底部填充層16。此外，由於倒裝晶片型半導體封裝通常不需要模塑物，本實施例的半導體封裝也沒有提供模塑物。不過，當要求半導體封裝具有更高程度的耐溼可靠性，當希望增強半導體器件的密封性質(密封性)，以及當希望增大半導體封裝的機械強度同時布線板較薄時，可以在布線板13的下表面上提供模塑物，以覆蓋底部填充層16和半導體器件15。
另外，在第一實施例中，舉例說明了通過倒裝晶片粘接方法安裝到突起14上的半導體器件15，不過對於半導體器件15的安裝方法不加限制，從而還可以採用布線粘接、帶自動粘接等。
以下將描述本實施例的一種改型。圖6所示的剖面圖表示這種改型的半導體封裝。如圖6中所示，在這種改型的半導體封裝中，半導體器件分別安裝到布線板13的兩側上。也即除了半導體器件15通過突起14與下布線相連以外，還設置半導體器件15a，以通過突起14a與上布線11相連。半導體器件15的一些電極通過突起14、由蝕刻阻擋層5和布線體6組成的下布線、通孔10、上布線11和突起14a，與半導體器件15a的電極相連(未示出)。除上述以外，這種改型例的結構與第一實施例的結構相同。從而，根據該改型例，可將兩個半導體器件安裝到單個布線板13上。
接下去將描述本發明的第二實施例。圖7是表示本實施例布線板的剖面圖，圖8是表示本實施例半導體封裝的剖面圖。
如圖7所示，本實施例的布線板21設有底部絕緣膜7。底部絕緣膜7的厚度和機械性質均與第一實施例中的底部絕緣膜7相同。在底部絕緣膜7的下表面中形成凹入部分7a，在凹入部分7a中形成布線體6，並在布線體6下面形成蝕刻阻擋層5。由蝕刻阻抗層5和布線體6組成下布線，並將下布線嵌入凹入部分7a中。蝕刻阻擋層5和布線體6的結構都與第一實施例中的相同。
在底部絕緣膜7中形成通孔10，使之處於凹入部分7a上側的一部分上。用導電材料填充通孔10，並在底部絕緣膜7上形成中間布線22。通孔10中的導電材料與中間布線22形成一體，中間布線22通過通孔10與下布線相連。此外，使中間絕緣膜23形成於底部絕緣膜7上，從而覆蓋中間布線22，並在中間絕緣膜23中形成通孔24，使它處於中間布線22上側的一部分上。用導電材料填充通孔24，並且在中間絕緣膜23上形成上布線11。通孔24中的導電材料與上布線11形成一體，並且上布線11通過通孔24與中間布線22相連。此外，在中間絕緣膜23上形成阻焊層12，從而露出一部分上布線11，並覆蓋上布線11的其餘部分。上布線11的露出部分作為襯墊電極。最好使中間絕緣膜23的厚度和機械強度與底部絕緣膜7的相同，不過根據需要，也可以與底部絕緣膜7的不同。
此外，在第二實施例的布線板中，將絕緣層設置成兩層，但本發明並不限於這種結構；布線板可具有將其中的絕緣膜設置成三層或更多層的結構。
下面將描述本實施例半導體封裝的結構。如圖8所示，在本實施例的半導體封裝25中，多個突起14與布線板21的蝕刻阻擋層5相連。半導體器件15被布置在布線板21下面，並且半導體器件15的電極(未示出)與突起14相連。在布線板21與半導體器件15之間，各突起14的外圍填充底部填充層16。將焊料球18設置在布線板21的上布線11的露出部分，即在一些襯墊電極上。焊料球18通過上布線11、通孔24、中間布線22、通孔10、由布線體6和蝕刻阻擋層5組成的下布線以及突起14與半導體器件15的電極相連。除去上面所述以外，本實施例的布線板和半導體封裝的結構以及工作情況都與第一實施例中的相同。
在本實施例中，布線板21採取雙層結構形式，其中，包括底部絕緣膜7和中間絕緣膜23，也就是說，與第一實施例的布線板不同，布線板21具有中間布線22，從而可使從半導體器件15輸入和輸出的信號數量增多。除去上面所述以外，本實施例所能實現的效果也與第一實施例相同。
接下去將描述本發明的第三實施例。圖9A至9C是依製造步驟的順序表示本實施例布線板結構的剖面圖。在本實施例的布線板中，使底部絕緣膜7的下表面與下布線的下表面共面，所述下布線由蝕刻阻擋層5和布線體6組成。在底部絕緣膜7的下面形成保護膜41。保護膜41比如由環氧樹脂或聚醯亞胺樹脂製成，並且厚度比如為1-50μm。保護膜41具有被蝕刻部分42作為開口，並且在被蝕刻部分42處露出下布線的一些部分。也就是說，按照在被蝕刻部分42處露出下布線的一些部分，並用保護膜41中除被蝕刻部分以外的部分覆蓋下布線其餘部分的方式，形成保護膜41。被蝕刻部分42是當半導體器件安裝到布線板上時與突起14相連的部分(參見圖4)。除去上面所述以外，本實施例的布線板和半導體封裝的結構以及工作情況都與第一實施例相同。
在本實施例中，可以通過提供保護膜41來增強布線板與比如底部填充層的樹脂層的粘接。除去上面所述以外，本實施例所能實現的效果與第一實施例實現的效果相同。
接下去將描述本發明的第四實施例。圖10是表示本實施例布線板的剖面圖。如圖10所示，與第三實施例的布線板不同，本實施例的布線板不具有保護膜41(參見圖9)。從而，下布線的下表面並沒有從布線板43的下表面凹入，也就是說，下布線的下表面與布線板43的下表面共面。除去上面所述以外，本實施例布線板的結構與第三實施例所述的相同。
由於本實施例的布線板不像第三實施例的布線板那樣包含保護膜，所以，可減小它的製造成本。此外，與第一實施例所述不同的是，可以不形成易蝕刻層4(參見圖11A)，這樣也可以降低其製造成本。從其製造成本的觀點看，本實施例的布線板適合於以下情形半導體器件15中設置的電極的間距不太窄的情形；由於突起14的設置密度較低，實際上不要求突起14的位置精度的情形(參見圖4)；以及無論是否存在模塑物，實際上都不要求模塑物與布線板粘接的情形。除去上面所述以外，本實施例的效果與第一實施例的效果相同。
繼而，將描述上述各實施例布線板和半導體封裝的製造方法。首先，將描述第一實施例布線板和半導體封裝的製造方法。圖11A至11E是依製造步驟順序表示本實施例布線板的剖面圖。圖12A和圖12B是依製造步驟順序表示本實施例半導體封裝的剖面圖。圖12C是表示提供有模塑物的半導體封裝的剖面圖。如圖11A所示，製備支撐基板1，它是由比如Cu之類的金屬或合金製成的，在支撐基板1上形成抗蝕劑2，用於進行構圖。然後，通過比如電鍍過程依次形成易蝕刻層4、蝕刻阻擋層5和布線體6。與此同時，在支撐基板1上面去掉抗蝕劑2的區域處形成導體布線層3，該布線層3由易蝕刻層4、蝕刻阻擋層5和布線體6組成，而在保留抗蝕劑2的區域處不形成導體布線層3。所述易蝕刻層4比如是由單個Cu層組成的電鍍層、由Cu和Ni層組成的雙電鍍層，或者是由單個Ni層組成的電鍍層，並且厚度比如為0.5-10μm。設置雙電鍍層的Ni層是為了防止高溫條件下易蝕刻層4的Cu層與蝕刻阻擋層5之間發生擴散，並且厚度比如為0.1μm或更大。所述蝕刻阻擋層5是電鍍Ni層、電鍍Au層或電鍍Pd層，並且厚度為0.1-7.0μm。使用比如Cu、Ni、Au、Al或Pd組成的電鍍導電層形成布線體6，並上厚度比如為2-20μm。此外，在使用Au形成蝕刻阻擋層5時，可在蝕刻阻擋層5與布線體6之間設置Ni層，以防止蝕刻阻擋層5與構成布線體6的Cu之間發生擴散。
如圖11B所示，去掉抗蝕劑2。然後，如圖11C中所示，形成底部絕緣膜7，以覆蓋導體布線層3。用於形成底部絕緣膜7的方法可為如下所述者把片形絕緣膜與支撐基板1層疊在一起，或者將片形絕緣膜塗覆到支撐基板1上，通過按壓形成薄膜；然後，按照以下方式對薄膜實行熱處理，使薄膜在比如100-400℃溫度下保持10分鐘至2小時；並且，最後將薄膜固化。根據絕緣膜的種類調節熱處理的溫度和時間。此外，通過雷射加工在底部絕緣膜7中形成通孔10，使其位於導體布線層3上側的一部分上。
如圖11D中所示，用導電材料填充通孔10，並在底部絕緣膜7上形成上布線層11。此時，上層11通過通孔10與布線體6相連。當把布線板13用作CSP(晶片尺度封裝)時，通孔10的直徑比如為75μm，而在把布線板13用作FCBGA(倒裝晶片球柵陣列)時，通孔10的直徑比如為40μm。由電鍍導體層，如Cu、Ni、Au、Al或Pd製成嵌入通孔10中的導電材料和上布線11，並且上布線11的厚度比如為2-20μm。然後，形成阻焊層12，以覆蓋部分上布線11，同時露出其餘上布線11。阻焊層12的厚度比如為5-40μm。不過，也可以不形成阻焊層12。
如圖11E所示，通過化學蝕刻或拋光去除支撐基板1。然後，如圖4所示，通過蝕刻去除易蝕刻層4。結果，形成圖4所示的本實施例布線板13。這時，在支撐基板1所用的材料與易蝕刻層4所用的材料不同的情況下，有如前面所述那樣，必須進行兩次蝕刻，但當用於支撐基板1的材料與用於易蝕刻層4的材料相同時，僅進行一次蝕刻。
如圖12A所示，把多個突起14各自粘接到蝕刻阻擋層5的露出部分上。然後，利用倒裝晶片粘接方法，藉助過突起14，將半導體器件15安裝到布線板13上，使半導體器件15的電極(未示出)與各突起14相連。
如圖12B所示，將底部填充層16注入布線板13與半導體器件15之間，並使之凝固。結果，使過突起14被嵌入到底部填充層16中。不過，也可以不形成底部填充層16。此外，如圖12C中所示，可以在布線板13的下表面上適當地形成模塑物17，以便保護底部填充層16和半導體器件15。
接下來，將焊料球18設置到布線板13的上布線層11露出部分上，如圖5所示。結果，形成圖5所示的第一實施例半導體封裝19。
在第一實施例中，例如，可增強布線板13的平坦度，以便在由Cu製成的硬支撐基板1上形成導體布線層3、底部絕緣膜7、上布線11等。
在第一實施例中，使用由金屬或合金製成的基板作為支撐基板1，不過，也可使用比如由矽片、玻璃、陶瓷或樹脂等絕緣體製成的基板作為支撐基板1。當使用絕緣體製成的基板時，可在形成抗蝕劑2之後通過無電鍍形成導體布線層3，或者在形成抗蝕劑2之後可通過諸如無電鍍、濺射或汽相沉積等方法，形成供電導體層，然後通過電鍍形成導體布線層3。
此外，在本實施例中，描述了通過倒裝晶片方法將半導體器件15安裝到布線板13上的一個例子，但也可以通過其他方法，如布線粘接和條帶自動粘接，將半導體器件15安裝到布線板13上。
以下將描述本發明第二實施例布線板和半導體封裝的製造方法。圖13A至13D是依製造步驟順序表示所述實施例布線板的剖面圖。首先，通過圖11A至11C所述的方法，在支撐基板1上形成由易蝕刻層4、蝕刻阻擋層5和布線體6組成的導體布線層3；形成底部絕緣層7，以便覆蓋導體布線3，並且，在底部絕緣膜7中形成通孔10。
然後，如圖13A所示，以導電材料填充通孔10，並在底部絕緣膜7上形成中間布線22。這時，中間布線22通過通孔10與布線體6相連。此後，如圖13B所示，形成中間絕緣膜23，以覆蓋中間布線22。形成所述中間絕緣膜23的方法比如與形成底部絕緣膜7的方法相同。然後，在中間絕緣膜23中形成通孔24，使通孔24處於中間布線22上側的一部分上。
繼而，有如圖13C所示，以導電材料填充通孔24，並在中間絕緣膜23上形成上布線11。這時，上布線11通過通孔24與中間布線22連接。然後，形成阻焊層12，以覆蓋一部分上布線11，並暴露其餘的上布線11。之後，如圖13D所示，通過化學蝕刻或拋光去除支撐基板1。
然後，如圖7所示，通過蝕刻去除易蝕刻層4。結果，形成圖7所示此外，如圖8所示，使多個突起14與蝕刻阻擋層5的暴露部分相連。利用倒裝晶片方法，藉助各突起14，將半導體器件15安裝到布線板21上，使半導體器件15的電極(未示出)與突起14相連。然後，將底部填充層16注入到布線板21與半導體器件15之間，並使之凝固，從而使突起14嵌入底部填充層16中。接下來，將焊料球18粘接到布線板21的上布線11的露出部分。結果，形成圖11所示實施例的半導體封裝25。如同第一和第二實施例的情形那樣，也可以不形成底部填充層16。或者，可以在布線板21的下表面上形成模塑物，以保護底部填充層16和半導體器件15。
接下去將描述第三實施例的布線板製造方法。首先，如圖9A所示，將保護膜41塗覆到支撐基板1的整個上表面上，通過比如層疊或按壓形成薄膜。然後，比如通過以下方法對薄膜實行熱處理，即把薄膜在100-400℃溫度下保持10分鐘至2小時，並使保護膜41固化。根據製造保護膜41的材料，適當調節熱處理的溫度和時間。保護膜41的厚度比如為1-50μm。
繼而，在保護膜41上形成抗蝕劑(未示出)，以便構圖。在去除了抗蝕劑的區域中形成由蝕刻阻擋層5和布線體6組成的下布線層。此外，形成底部絕緣膜7，以覆蓋下布線，在底部絕緣膜7中形成通孔10，用導電材料填充通孔10，同時，在底部絕緣膜7上形成上布線11。之後，形成阻焊層12，以覆蓋一部分上布線11。
此後，如圖9B所示，去除支撐基板1。然後，再如圖9C所示，通過蝕刻過程，以選擇的方式去除保護膜41，並在去除保護膜41的被蝕刻部分42處露出下布線，由此形成本實施例的布線板。此外，將突起14固定到被蝕刻部分42上(參見圖4)，安裝半導體器件15(參見圖4)，並將底部填充層16注入到布線板與半導體器件15之間(參見圖4)。之後，將焊料球18與上布線11連接(參見圖4)。結果，形成本實施例的半導體封裝。除上述以外，本實施例的布線板和半導體封裝的製造方法都與第一實施例的相同。
在所述各個實施例中，示出最終去掉支撐基板1的例子；不過，本發明不限於這種結構。例如，通過僅去除一部分支撐基板1，可保留其餘的支撐基板1，並且其餘部分比如可被用作加強板。此外，一旦支撐基板1被完全去除之後，可以將加強板固定到布線板上。
如上所述，參照附圖描述了本發明各實施例的布線板、它的製造方法、底部絕緣膜以及半導體封裝；不過，本發明的具體結構不限於上述第一到第四實施例，在不偏離本發明精神和範圍的條件下可進行設計的改變。
接下去按與本發明權利要求中未包含的比較例進行比較的方式具體地描述本發明的效果。圖14是表示評價試驗所用半導體封裝結構的剖面圖。
如圖14所示，通過第二實施例所述的方法製造具有兩個絕緣膜的布線板21。然後，通過倒裝晶片方法將半導體器件15a安裝到布線板21上，形成底部填充層16。通過安裝材料26將半導體器件15b設置到半導體器件15a上，並利用布線粘接通過形成布線27，與布線板21電連接。之後，形成模塑物17，以保護半導體器件15a和15b，並設置焊料球18，以製造評價試驗用的半導體封裝。表1示出該半導體封裝的數據。
表1

如圖14的部分A所示，用於評價試驗的半導體封裝具有多個部分，在這些部分中，突起14、通孔10和24以及焊料球18都垂直對準，所述突起14上裝有半導體器件15a。此外，如部分B中所示，該半導體封裝也具有多個部分，在這些部分中，突起14、通孔10和24以及焊料球18不是垂直對準的。
下面，將測量表1所示試驗樣品的絕緣膜的機械性質，即抗斷強度、彈性模數和斷裂伸長百分比。通過將絕緣膜切割成寬度為1釐米的條，並按照「JPCA Standards，Build-Up Wiring Board，JPCA-BU01，SECTION4.2」進行拉伸試驗，完成測量。測量溫度設定為三級-65℃，23℃和150℃。表2示出測量結果。
表2

此外，基於表2所示機械性質的值，計算試驗樣品的溫度依賴性。也即計算比值(D-65/D150)和比值(H-65/H150)，其中DT(GPa)為T℃溫度下的彈性模數，HT(MPa)為T℃溫度下的抗斷強度。表3示出計算結果。
表3

此外，評價表2所示試驗樣品的熱應力耐久性。使用單獨半導體封裝和安裝到封裝板上的半導體封裝作為樣品，評價熱應力耐久性。對單獨半導體封裝採取熱循環試驗，其中在使各樣品於-65℃溫度下保持30分鐘，再於+150℃溫度下保持30分鐘的情況下，重複基本周期預定的次數。此外，對安裝到封裝板上的半導體封裝樣品採取熱循環試驗，其中在使各樣品於-45℃溫度下保持30分鐘，再於+125℃溫度下保持30分鐘的情況下，重複基本周期預定的次數。此後斷開電連接，也即評價每個樣品斷開發生的周期數。根據熱循環試驗儀的性能和樣品的熱容量，適當地調節樣品的溫度從低溫(-65℃或-40℃)到高溫(+150℃或+125℃)的轉變時間，以及樣品的溫度從高溫到低溫的轉變時間。
對於半導體器件的熱應力耐久性評價而言，當在實際使用條件下(25℃至70℃)進行熱循環試驗時，將花費較長時間進行試驗。由此，按照對各樣品採取使用(-65℃至150℃)溫度或(-40℃至125℃)溫度的熱循環的方式，進行加速試驗。參照由EIAJ-ET-7404(1999年4月制定)中給出的有關溫度循環試驗加速性質的科芬-曼森(Coffin-Manson)公式所確定的數值，在比如-40℃至125℃的溫度下熱循環，具有比實際使用條件(25℃至70℃，1周期/天)高5.7倍的加速性。由此，在(-40℃到125℃)溫度下的600次循環等於實際使用條件下大約10年。
表3示出熱應力耐久性試驗的評價結果。表3中給出的術語「部分A通孔處斷開」和「部分B通孔處斷開」指的是，在如圖14所示的部分A和部分B所包含的通孔接合處發生斷開。此外，術語「布線斷開」表明，在布線30與設置在布線板21上的蝕刻阻擋層5的接合處發生斷開，其中布線30與圖14中所示半導體器件15b電連接。此外，數值「超過1500」和「超過1000」指的是分別在1500周期和1000周期的熱循環後仍未發生斷開。
表2和3中所示樣品No.1到5，為本發明的實施例。在本發明的樣品中，由於沿厚度方向的熱膨脹係數為90ppm/K或更小，在突起14、通孔10和24與焊料球18垂直對準的部分A中，所述通孔接合處未發生斷開，從而其熱應力耐久性優異。此外，在本發明的樣品中，23℃溫度下絕緣膜的彈性模數為5GPa或更大、150℃溫度下絕緣膜的彈性模數為2.5GPa或更大、23℃溫度下絕緣膜的抗斷強度為140MPa或更大、比值(D-65/D150)為3.0或更小、比值(H-65/H150)為2.3或更小，從而在布線粘接接合處不發生斷開，整個半導體封裝的熱應力耐久性優異。
相反，表2和3中所示樣品No.6到9為比較例。由於比較例No.6到8的沿厚度方向的熱膨脹係數為90ppm/K或更大，在部分B中所包含的通孔接合處未發生斷開，但在突起14、通孔10和24與焊料球18垂直對準的部分A中，在通孔接合處發生斷開，從而其熱應力耐久性較差。相反，由於比較例9的沿厚度方向的熱膨脹係數為90ppm/K或更小，在部分A和B中所包含的通孔接合處不發生斷開。不過，由於比較例9不滿足在23℃溫度下絕緣膜的彈性模數為5GPa或更大、在150℃溫度下彈性模數為2.5GPa或更大、23℃溫度下抗斷強度為140MPa或更大、比值(D-65/D150)為3.0或更小，比值(H-65/H150)為2.3或更小的要求，其布線粘接性和半導體封裝組裝期間的易處理性差。由此，在布線粘接接合處發生斷開，從而整個半導體封裝的熱應力耐久性較差。
權利要求
1.一種布線板，包括底部絕緣膜，其厚度為20μm-100μm，並在其中形成通孔；形成於所述底部絕緣膜下表面上並與所述通孔連接的下布線；形成於所述底部絕緣膜上並通過所述通孔與所述下布線連接的上布線；所述底部絕緣膜由耐熱樹脂組成，其玻變溫度為150℃或更高，並包含由玻璃或芳族聚醯胺製成的增強纖維，並在T℃溫度下的彈性模數表示為DT(GPa)，且T℃溫度下的抗斷強度表示為HT(MPa)時，具有下述物理性質(1)到(6)，(1)沿厚度方向的熱膨脹係數為90ppm/K或更小(2)D23≥5(3)D150≥2.5(4)(D-65/D150)≤3.0(5)H23≥140(6)(H-65/H150)≤2.3
2.根據權利要求1所述的布線板，其中，所述增強纖維的直徑為10μm或更小。
3.根據權利要求1所述的布線板，其中，還包括一個或多個布線結構層，每個所述布線結構層包括處於所述底部絕緣膜與所述上布線之間，並通過所述通孔與所述下布線連接的中間布線；和覆蓋所述中間布線而形成的中間絕緣膜，並在其中形成連接所述中間布線與所述上布線的其它通孔。
4.根據權利要求1所述的布線板，其中，在所述底部絕緣膜的下表面上形成凹入部分，並將所述下布線嵌入所述凹入部分中。
5.根據權利要求4所述的布線板，其中，所述下布線的下表面高於所述底部絕緣膜的下表面0.5-10μm。
6.根據權利要求4所述的布線板，其中，所述底部絕緣膜的下表面與所述下布線的下表面共面。
7.根據權利要求6所述的布線板，其中，還包括形成於所述底部絕緣膜下面的保護膜，它覆蓋一部分所述下布線，並露出所述下布線的其餘部分。
8.根據權利要求1所述的布線板，其中，還包括阻焊層，它覆蓋所述上布線的一部分，並露出所述上布線的其餘部分。
9.一種半導體封裝，包括權利要求1-8中任一項所述的布線板；以及安裝在所述布線板上的半導體器件。
10.根據權利要求9所述的半導體封裝，其中，所述半導體器件與所述下布線相連。
11.根據權利要求9所述的半導體封裝，其中，所述半導體器件與所述上布線相連。
12.根據權利要求9所述的半導體封裝，其中，還包括用於連接外部裝置並與所述上布線或下布線連接的連接接點。
全文摘要
一種布線板具有底部絕緣膜。底部絕緣膜的厚度為20－100μm，並由玻變溫度為150℃或更高的耐熱樹脂組成，所述樹脂包含由玻璃或芳族聚醯胺製成的增強纖維，並且在T℃溫度下的彈性模數表示為D
文檔編號H05K1/03GK1697163SQ20051007009
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月10日 優先權日2004年5月12日
發明者下戶直典, 菊池克, 村井秀哉, 馬場和宏, 本多廣一, 方慶一郎 申請人:日本電氣株式會社, 恩益禧電子股份有限公司