CN1241976C - 具有含热固材料的介质材料的半导体器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

具有含热固材料的介质材料的半导体器件及其制造方法。该器件取印刷电路板、芯片载体等形式。介质材料是非纤维结构的含氟聚合物基体，所说含氟聚合物基体中分布有无机颗粒，并浸有热固材料。

Description

具有含热固材料的介质材料 的半导体器件及其制造方法

本发明一般涉及具有含热固材料的介质材料的印刷布线板或半导体器件及其制造方法，特别涉及制造用于高性能半导体器件的介质材料的结构和方法。

在制造用于封装的有机层状芯片载体时，两导电层间需要介质材料。介质层包括的最优化特性包括：(1)低介电常数；(2)层很薄；(3)尺寸稳定；(4)低热膨胀系数(CTE)；(5)与周围良导电层的良好粘附性；(6)容易处理；及(7)可激光钻蚀性。

到目前为止，已做了许多尝试去开发合适的材料，但仍不能满足要求。授予Swei等人的美国专利5506049中展示了这种材料的一个例子，这里引用该文献、Swei提出了采用填充硅石的聚四氟乙烯(PTFE)基体作介质。具体说，Swei等人利用分散体浇铸填充硅石的PTFE基体，产生了一种非纤维结构。尽管这种结构与周围层具有粘附性，但已表明其尺寸不稳定(表现为厚度有大至20％的减小)及加工所耗的成本高和时间多(由于层压需要高温和高压)。

授予King等人的美国专利5652055教导了有关材料的另一实例，这里引用该文献。King等人提出了使用其中具有陶瓷颗粒和热固树脂的膨胀聚四氟乙烯(EPTFE)基体。由于在常规的层压温度下热固树脂可以固化，所以与Swei等人的介质相比，该介质更容易加工。由于具有高强度，所以与Swei等人的材料相比，该材料更容易搬运。然而，由于其具有较高的弹性模量，所以King等人的材料基本上不能使封装中的应力再分布。

因此，需要这种一种介质材料：(1)适用于高性能芯片载体；(2)层压Swei等人的材料不需要高温和高压；及(3)制造的性能价格比高。更具体说，需要一种具有优化特性的介质材料。这种特性包括：(1)低介电常数；(2)减小的厚度；(3)尺寸稳定性；(4)低热膨胀系数(CTE)；(5)与周围导电层的良好粘附性；(6)容易加工；及(7)可激光钻蚀性。

本发明通过提供以下半导体器件及其制造方法克服了现有技术的缺点，该半导体器件包括其中分布有无机颗粒的含热固材料的非纤维结构介质材料，能够使该介质材料具有上述优化特性。

根据本发明的一个方面，提供一种组合物，包括：导电层；其中分布有颗粒的含氟聚合物基体；及热固树脂，用于把导电层粘附到含氟聚合物基体上。

根据本发明的第二方面，提供一种器件，该器件包括：导电层；覆盖于导电层上、其中具有颗粒的聚四氟乙烯基体；用于粘合导电层与聚四氟乙烯基体的热固树脂。

根据本发明的第三方面，提供一种形成器件的方法。该方法包括以下步骤：提供提供其中具有颗粒的含氟聚合物基体；提供热固树脂；利用热固树脂层压含氟聚合物基体与导体。

根据本发明的第四方面，提供一种形成器件的方法。该方法包括以下步骤：提供其中具有颗粒的含氟聚合物基体；用热固树脂涂敷含氟聚合物基体；层压涂敷过的含氟聚合物基体与导体。

因此，本发明的优点在于提供具有含热固材料的介质材料的半导体器件及其制造方法。

因此，本发明的优点在于提供制造包括热固材料、并具有优化特性的介质材料的结构和方法。

从以下结合附图对发明的详细介绍，更容易理解本发明的这些和其它特点和优点，其中：

图1是本发明工件的侧视图；

图2A是本发明图1所示工件的剖面图；

图2B是本发明附加了热固材料的图1所示工件的剖面图；

图3是本发明器件的侧视图；

图4是本发明器件的另一实施例的侧视图；

图5是本发明器件的又一实施例的侧视图；

图6是本发明器件的再一实施例的侧视图；

图7是本发明方法的流程图；

图8是本发明另一方法的流程图。

应注意，本发明的附图未按比例绘制。这些附图仅是例示性的，并不想限制本发明的具体参数。各附图仅用于展示本发明的典型实施例，因此，不应认为是对本发明范围的限制。附图中，相同的数字表示相同的元件。

参见附图，图1和2A展示了填充了颗粒的主体9。填充体9包括其中分布有无机颗粒14的含氟聚合物基体10。无机颗粒14较好是填充体9体积的约15％到约95％。另外，含氟聚合物基体10是非纤维结构，较好是聚四氟乙烯，然而，应理解，还存在许多等同物。例如，含氟聚合物基体10可以是聚氯三氟乙烯或氟化共聚物。

氟化共聚物的例子包括：(1)具有选自六氟丙烯和全氟烃基乙烯构成的组中的单体的四氟乙烯的共聚物；(2)具有选自1，1-二氟乙烯、氟乙烯和乙烯构成的组中的单体的四氟乙烯共聚物；及(3)具有选自六氟丙烯、全氟烃基乙烯、1，1-二氟乙烯、氟乙烯和乙烯构成的组中的单体的氯三氟乙烯共聚物。此外，以上列出的含氟聚合物的混合物也可用作本发明的含氟聚合物基体10的材料。

填充非纤维结构含氟聚合物基体10的无机颗粒14较好是硅石。然而，应理解，也可以采用其它许多无机颗粒。这种无机颗粒可以包括玻璃颗粒、陶瓷颗粒、金属颗粒、碳颗粒、矿物颗粒或其任意组合。此外，无机颗粒14较好是球形，且其直径小于约10微米，其直径较好是约5微米。

如图2A所示，无机颗粒14均匀分布在整个含氟基体10中。这种分布较好是由分散体浇铸填充体9完成，其中含氟聚合物基体10和无机颗粒14以液态的形式引入。

如上所述的含有含氟聚合物基体10和无机颗粒14的混合物的填充体9可以从Rogers，Connecticut的Rogers Corporation买到。然而，如上所述，由于将填充体9与印刷布线板或层状芯片载体层压在一起，或将填充体9层压到印刷布线板或层状芯片载体内，需要高压和高温，因此，填充体很难加工。

然而，已发现，在用热固材料浸渍或涂敷填充体9(与之成一体)时，可以克服该问题。这种浸渍或涂敷可以至少利用四种不同方法完成。具体说，热固材料可以：(1)以漆的形式涂敷到未层压的未致密化填充体上，然后，局部干燥或固化，形成浸渍芯材或工件10A，如图2B所示；(2)在作为局部制造的印刷布线板或层状芯片载体的一部分的致密态时，涂敷到致密态的填充体上；(3)涂敷到然后将层压于填充体9上的金属导电层上；或(4)在最初形成填充体9期间，以分散态浇铸。

热固材料较好是热固树脂12，用于优化填充体9的特性。具体说，热固树脂12较好是例如环脂族型环氧等环氧树脂、双酚A的二环氧甘油醚、甲酚酚醛清漆、酚醛环氧、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、双马来酰亚胺-三嗪环氧，或氰酸酯-环氧混合物，然而，应理解，存在许多等同物。

图2B展示了根据上述四种方法中的第一种方法构成的工件10A。具体说，在浸入到填充体9之前，较好是通过附加低分子重量的溶剂，例如甲基乙基酮等，使热固树脂形成为漆。漆一般包括约30-75％重量的固体。此外，热固树脂12可以包括无机颗粒，例如存在于含氟聚合物基体10中及对比染粒或颜料中的硅石。如果存在无机颗粒，则在热固树脂12透过时，无机颗粒12将不穿透到填充体9中，而沿填充体9的外表面停留。此外，如果要相对于导电层增强光学对比度或荧光，所说漆中可以含有对比染料或颜料。

在热固树脂12中加入了该溶剂后，在其非致密态，漆施加或涂敷到未层压的填充体9的表面。该涂敷可利用例如博士刮刀、钢丝棒、滚压涂敷、丝网涂敷或喷涂等公知方法的任何一种完成。此外，涂层穿透到填充体9中的程度可由漆的粘度控制。用漆涂敷了填充体9后，干燥涂敷的填充体9，去除溶剂，一般称之为b阶操作。b阶操作是所属领域的公知技术，包括将涂敷的填充体9加热到足以去除漆中溶剂的程度，并部分固化或交联热固树脂12。因此，只有热固树脂12涂在填充体9上，并被部分固化。于是得到具有浸入其中且不触及使用者的树脂12的芯材或工件10A。

可选地，在其用漆涂敷之前，可以对填充体9进行等离子体处理。等离子体处理使填充体9的表面绒面化，有助于提高漆与填充体9的润湿性和粘附性，在不进行等离子体处理的某些情况下，热固树脂会沿填充体9的表面形成小珠，因而不形成均匀敷层。

图2B示出了如上所述构成的完成的工件10A。如图所示，工件10A包括均匀分布于整个含氟聚合物基体10(统称作填充体9)中的无机颗粒14，和浸入其中的热固树脂12。热固树脂浸入工件10A的深度高达约0.001英寸，填充体9的整个厚度约为0.005英寸，然而，应理解该厚度是可以改变的。

现参见图3，该图示出了在填充体9上施加热固树脂12的两种附加方法。首先，热固树脂12或漆可以涂敷到处于致密态的填充体9的表面上，在该致密态下，该填充体作为部分制造成的印刷布线板或层状芯片载体的一部分(图3中未示出)。热固树脂12将涂敷于其上的特定表面取决于使用者的需要。例如，热固树脂12可以涂敷于上表面上、下表面(未示出)上或两个表面上。涂敷了敷层后，将涂敷的填充体9层压于金属导电层16上。层压后，填充体9将具有浸入其中的热固树脂，表现出与图2B所示的工件10类似。然而，应理解，热固树脂12浸渍的均匀性和深度都是可以改变的。

图3还示出了集成填充体9与热固树脂12的第三种方法，即，用热固树脂12涂敷金属导电层16。再说一次，将涂敷的导电层16的特定表面可以根据使用者的需要改变。另外，在涂敷导电层16时，不必用热固树脂12涂敷填充体9，尽管在希望增强粘附性时可以这样做。导电层16较好是例如铜等金属，但应理解，可以使用许多金属，合适金属的例子包括镍、铬或铝。涂敷了导电层16后，将填充体9层压于其上，就象在任何印刷电路板或芯片载体上那样。与用热固树脂12涂敷填充体9的方法类似，层压使得热固树脂12浸入填充体9内，与图2B所示的类似。然而，这种浸入的均匀性和深度是可以改变的。

集成填充体9与热固树脂12的第四种方法是，在最初形成填充体9时，浇铸分散体形式的热固树脂12或漆及也为分散体形式的液态含氟聚合物基体10和无机颗粒14。该集成方法也使得热固树脂12浸入到整个填充体9中。然而，与上述方法类似，各方法之间，热固树脂12的浸入均匀性和浓度不同。

在所有上述方法中，热固树脂12的集成形成了介质材料的除容易处理外的优化性能特性。例如，层压工艺不需要这种材料通常所需要的高温和高压。相反，层压工艺只需要120-250℃的温度，和100-700psi的压力。

应理解，也可以采用其它用热固树脂12涂敷填充体9或导电层16的方法。例如，图4示出了热固树脂12可按薄片20的形式提供，并在层压之前，树脂12可传递到填充体9上和/或导电层16上。这种情况下，热固树脂设置于MYLAR等的独立层18。独立层18较好是厚约1/2密耳或1密耳。薄片20定位于填充体9和导电层16之间后，Mylar可以剥离或去掉，可以在120-250℃的降低温度下，和100-700psi的压力下，将涂敷的填充层9层压于导电层16上。另外，这也使得工件10A具有浸入其中的热固树脂12。

图5示出了在部分完成的印刷电路板17中使用工件10A和涂敷填充体9的情况。具体说，部分完成的印刷电路板17包括其间具有介质层(工件10A和填充体9)的多个导电层16、19和23。导电层16和19如图所示是连续的，然而，应理解，层16和19可构图形成电路线。为制造印刷电路板17，首先，使用者要提供定位成邻近例如填充体9等的介质的导电层16。如上所述形成填充体9和工件10A。具体说，浇铸分散形式的带有无机颗粒的含氟聚合基体，形成填充体9，同时用漆涂敷填充体9，并进行b阶处理，提供局部致密的工件10A。

如上所述，填充体9不包括热固树脂，因此，必需用热固树脂12涂敷工件9的下表面或导电层16的上表面或两者。于是，避免了在1500psi和350℃下的高温度层压，实现了填充体9与导电层16和19的粘合。这种涂敷可利用例如上述等任何已知方法。例如，涂敷可利用例如博士刮刀、钢丝棒、滚压涂敷、丝网涂敷或喷涂等公知方法的任何一种完成。

填充体9加于第一导电层16后，热固树脂12夹于两者之间，在填充体9的上表面上层叠附加的导电层19。再说一次，必需用热固树脂12涂敷填充体9的上表面、导电层19的下表面或两者。此时，通过如上所述的层压，带有需要的热固树脂12涂层的电路构件16、9和19形成为单个元件。层压后，按要求构图导电层16和19，形成部分完成的印刷电路板或层状芯片载体的电路元件。

层压后，工件10A定位于导电层19上，形成附加介质层。然而，不象填充体9那样，工件已浸有热固树脂12。因此，不需要在工件9或导电层19上加另外的热固树脂12敷层。尽管应理解，如果要求增强粘附性，使用者可以随意在层9或19的任一层上加另外的热固树脂12敷层。

最后，在工件10A上设置导电层23。类似地，不必用热固树脂12涂敷填充体10A的上表面，导电层23的下表面或两者。然而，如果使用者需要，则可以使用这些敷层。

在如上所述或以类似的变化，组装了所有层16、9、19、10A和23后，可利用上述降低的温度和压力，层压各层，形成如图5所示的印刷电路板17。如上所述，热固树脂12在180℃的降低温度和500psi的压力下的层压期间固化。层压后，热固树脂12引入到填充体9和工件10A中。然而，由于层压前工件10A浸有热固树脂12，工件10A应表现出比填充体9更大的浸入深度。

尽管示出了印刷电路板17具有填充体9和工件10A，但应理解，这些材料可以改变。例如，印刷电路板17的两介质层可以都是填充体9，两者都可以是工件10A或它们的任意组合。

如果使用者想在印刷电路板17上施加另外的导电层21，则要进行上述的各步骤。例如，使用者可以用热固树脂涂敷腐蚀的导电层23或附加填充体9的底侧，或两者都涂。然后，附加填充体9将定位于腐蚀的导电层23上面。然后，为了附加导电层21与附加填充体9间的粘附，在附加填充体9的上侧或附加导电层21的下侧，或者两者上施加热固树脂12。然后，附加导电层21设置于附加填充体9上面。最后，利用上述降低的温度和压力，新附加层9和21层压于印刷电路板17上，结果也造成了填充体9的浸渍。

然而，应理解，代替附加填充体9，可以用附加工件10A，这种情况下，不必用热固树脂12的附加层涂敷附加工件10A或导电层23和21，因为工件10A中已浸有树脂。然而，如上所述，如果要求增强粘附性，使用者也可以这样做。另外，应理解，热固树脂12在印刷电路板17或随后的附加层中的所有应用都可以采用薄片20的形式，如图4所示。

图6示出了包括涂敷填充体9的集成电路芯片载体22。芯片载体22的结构一般是所属领域的普通技术人员所了解的，尽管精确的形式会有所改变，但本发明的芯片载体22一般包括以下构件：(1)包括填充体9的介质层；(2)导电层16；(3)镀敷通孔28；(4)焊料芯片接点26；(5)球栅阵列焊料接点27；(6)导电焊盘30；(7)集成电路芯片24；(8)现用作焊料掩模的热固树脂12’。

芯片载体22可以以与上述印刷电路板17相同的方式制造。具体说，导电层16利用热固树脂12(未示出)层压于填充体9上。涂敷填充体9和/或导电层16的各种方法与上述相同，或使用薄片20。此外，所得芯片载体22将包括用热固树脂12浸渍的填充体9。作为另一种选择，利用用高压和高温层压(1500psi和350℃)，可不用热固树脂12层压任何填充体。

焊料掩模12’可通过先前介绍的任何方法涂敷于图6所示的位置。焊料掩模12’较好是通过激光烧蚀应用于导电焊盘30之上，以便暴露导电焊盘，以便于与焊料芯片接点26连接。

还应理解，代替每层填充体9，可用带有已浸入其中的热固树脂的工件10A。再说一次，这种情况下，不必用热固树脂12涂敷工件10A或导电层16，尽管如果希望增强粘附性，使用者可以这样做。在芯片载体中使用工件10A或填充体9的结果是优化了介电特性。例如，与印刷电路板17类似，在120-250℃的降低温度下和100-700psi的压力下进行芯片载体的层压。再说一次，这是由于存在热固树脂12的缘故。

如图6所示，热固树脂焊料掩模12’沿芯片载体22的下侧选择性设置于焊料接点26和导电焊盘30之间。这些位置是焊料掩模所在的普通位置。焊料掩模有助于加强集成电路芯片24和芯片载体22间的接合及芯片载体22和底层衬底(未示出)的接合。电路芯片24与芯片载体22的接合一般称作倒装芯片或控制熔塌芯片连接或C4。另外，可利用本发明的热固树脂作料掩模，来提高热循环期间芯片载体22的可靠性。或者，对于这种应用来说，热固树脂12可与各种无机填料一起供应，以改变其机械和热特性。

图7和8示出了利用上述材料形成器件的两种方法。首先参见图7，方法32的第一步34是提供其中具有颗粒14的含氟聚合物基体10。下一步36是提供热固树脂12。最后一步38是利用热固树脂12层压含氟聚合物基体10与导电体16。该方法允许利用涂敷有热固树脂的填充体9或其中已浸有热固树脂的工件10A，形成印刷电路板17、集成电路芯片载体22等。

然后，参见图8，方法40的第一步42是提供其中具有颗粒的含氟聚合物基体。下一步44，用热固树脂涂敷含氟聚合物基体。最后46，层压涂敷的含氟聚合物基体与导电体。再重申一次，这些步骤允许利用涂敷有热固树脂的填充体9或其中已浸有热固树脂的工件10A，形成印刷电路板17、集成电路芯片载体22等。

上述方法和结构包括或形成了具有优化特性的介质材料。

为展示和介绍的目的，对本发明的优选实施例做了以上说明。但并不意味着穷举或限制本发明于这里所公开的精确形式，显然，可以有许多改进和变化。这些对于所属领域的技术人员来说很明显的改进和变化将包括在由所附权利要求书所限定的本发明范围内。

Claims (39)

1.一种器件，包括：

导电层；

其中分布有颗粒的含氟聚合物基体；及

热固树脂，用于把导电层粘附到含氟聚合物基体上。

2.如权利要求1所述的器件，其中所述含氟聚合物基体是聚四氟乙烯基体。

3.如权利要求1或2所述的器件，其中所述含氟聚合物基体是非纤维结构。

4.如权利要求1所述的器件，其中所述热固树脂包括对比染料和无机填料。

5.如权利要求1所述的器件，其中所述热固树脂选自环脂族环氧、双酚A的二环氧甘油醚、甲酚酚醛清漆、酚醛环氧、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、双马来酰亚胺-三嗪环氧，或氰酸酯-环氧混合物。

6.如权利要求1或2所述的器件，其中所述热固树脂浸入含氟聚合物基体。

7.如权利要求1或2所述的器件，其中所述含氟聚合物基体中的颗粒是无机物。

8.如权利要求1所述的器件，其中按体积计，所述颗粒是含氟聚合物基体的15-95％。

9.如权利要求1所述的器件，其中所述颗粒的直径小于10微米。

10.如权利要求1或2所述的器件，其中所述热固树脂包括无机颗粒。

11.如权利要求1或2所述的器件，其中所述热固树脂涂到导电层上。

12.如权利要求2所述的器件，其中所述热固树脂涂到聚四氟乙烯基体上。

13.如权利要求2所述的器件，其中所述导电层是铜。

14.如权利要求2所述的器件，其中所述热固树脂以薄片的形式被设置于导电层和聚四氟乙烯基体之间。

15.如权利要求1或2所述的器件，其中所述器件是印刷电路板。

16.如权利要求1或2所述的器件，其中所述器件是芯片载体。

17.一种形成器件的方法，包括以下步骤：

提供其中具有颗粒的含氟聚合物基体；

提供热固树脂；

利用热固树脂层压含氟聚合物基体与导体。

18.如权利要求17的方法，其中所述含氟聚合物基体是非纤维结构的聚四氟乙烯。

19.如权利要求17的方法，其中所述颗粒是无机颗粒。

20.如权利要求17的方法，其中所述热固树脂浸入含氟聚合物基体中。

21.如权利要求17的方法，其中所述热固树脂涂到导体上。

22.如权利要求17的方法，其中所述热固树脂涂到含氟聚合物基体上。

23.如权利要求17的方法，其中所述导体是铜。

24.如权利要求17的方法，其中所述热固树脂以薄片的形式被设置于含氟聚合物基体和导体之间。

25.如权利要求17的方法，其中所述热固树脂包括对比染料。

26.如权利要求17的方法，其中所述器件是印刷电路板。

27.如权利要求17的方法，其中所述器件是芯片载体。

28.一种形成器件的方法，包括以下步骤：

提供其中具有颗粒的含氟聚合物基体；

用热固树脂涂敷含氟聚合物基体；以及

层压涂敷的含氟聚合物基体与导体。

29.如权利要求28的方法，其中所述热固树脂包括溶剂。

30.如权利要求29的方法，在层压步骤前，还包括加热涂敷的含氟聚合物基体，以去除热固树脂中的溶剂的步骤。

31.如权利要求28的方法，在涂敷步骤前，还包括等离子体处理所述含氟聚合物基体的步骤。

32.如权利要求28的方法，其中所述含氟聚合物基体是非纤维结构的聚四氟乙烯。

33.如权利要求28的方法，其中所述热固树脂中含有30-75％的固体。

34.如权利要求28的方法，其中所述层压步骤包括加热和加压。

35.如权利要求34的方法，其中在层压步骤中，加热到120-250℃。

36.如权利要求34的方法，其中在层压步骤中，加压到100-700psi。

37.如权利要求28的方法，其中在提供基体步骤前，用热固树脂浸渍含氟聚合物基体。

38.如权利要求28的方法，其中所述导体是铜。

39.如权利要求28的方法，还包括以下步骤：

在层压步骤前，用热固树脂涂敷导体；及

加热涂敷的导体，以去除热固树脂中的溶剂。

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