專利名稱：使用光敏bcb為介質層的圓片級mmcm封裝結構及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用大厚度光敏BCB為介質層的圓片級MMCM封裝結構及方法，屬 于高密度封裝領域。
背景技術：
微波多芯片組件(Microwave Multichip Module，縮寫為MMCM)是指一種應用于 高頻領域的多芯片模塊，是為了滿足相控陣雷達T/R組件小型化的需求而發(fā)展和成熟起來 的一種新型組裝技術。MCMM將多個匪IC芯片直接安裝和連接到襯底基板上，芯片之間互 連距離短，降低了互連線上電感和阻抗，因而能在提高組裝密度的同時，降低信號的傳輸延 遲時間，提高信號的傳輸速度，這有利于實現電子整機向功能化集成方向發(fā)展。相對于傳統(tǒng) 的封裝模式，MMCM省去了單個MMIC芯片的封裝材料和工藝，而且組裝電路的體積尺寸、焊 點數量、I/O數等均可大為減小，不僅節(jié)約了原材料，簡化了制造工藝，而且極大地縮小了體 積，減小了重量，是實現器件小型化、輕量化、多功能化、高可靠、高性能的有效途徑，被美國 列為90年代軍工六大關鍵技術之一。在高頻系統(tǒng)應用中，為了降低RC延時及功率損耗，一方面可以采用低電阻率金 屬，降低互連電阻；另一方面可以降低介質層帶來的寄生電容C。而后者減小互連延遲的效 果更明顯。MMCM通常采用兩種方式來降低寄生電容C帶來的微波損耗1.采用低介電常數 (低k)的材料作為介質層；2.增加介質層厚度。通常使用的低k材料大致上可以分為無機 和有機兩類。無機類如二氧化硅(Si02)，氟氧化硅(SiOF)、碳氧化硅(SiOC)、非晶氟化碳 (a-C:F)等，；有機類低k材料種類繁多，性質各異，其中以低k聚合物材料居多，較常用的 有聚酰亞胺(PI)，苯并環(huán)丁烯(BCB)等。有機低k材料殘余應力小、平整度高、熱穩(wěn)定性 好，因此具有很大的應用潛力。在未來的微波器件封裝研究中，以有機聚合物作為絕緣層介 質是很有必要的。而增加介質層進厚度一步提高了 MMCM封裝的微波性能。BCB具有低介電常數、低介電損耗、低的吸濕率、高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，以及 高的薄膜平整度，低的固化溫度等優(yōu)良的加工性能。綜合性能優(yōu)異的BCB樹脂是目前比較 常用的MMCM介質層材料。BCB分為光敏BCB和干刻BCB兩種，使用干刻BCB的MCM可以制 造大深寬比的層間通孔，但工藝較復雜成本較高，而使用光敏BCB的MCM工藝與微電子工藝 相兼容，工藝相對簡單，成本也較低。大厚度的BCB介質層有望可以進一步減小MMCM封裝 的損耗。目前常用的BCB厚度僅為Ium IOum/層，若要滿足高頻應用BCB的厚度應達到 15um以上，而當下使用BCB作為介質層的MCM封裝中，BCB厚度往往在15um以下，不能滿足 微波系統(tǒng)封裝的損耗要求。

發(fā)明內容
為滿足MMCM高密度封裝在保證成品率和可靠性的基礎上達到毫米波段的更小損 耗，必須在封裝結構的設計和介質層選擇上慎重考慮。本發(fā)明提出了使用大厚度(25μπι以 上)的具有低介電常數的光敏BCB為介質層的圓片級MMCM封裝結構及方法。該結構不僅能夠利用硅基板上腐蝕的淺槽埋置單片微波集成芯片(MMIC)，達到很好的散熱效果；而且 能夠利用多層大厚度光敏BCB和微帶線結構實現多層高密度圓片級封裝，并利用地屏蔽層 來減小在硅基板上的損耗，滿足了微波段應用的性能要求；采用了金屬層和介質層交替出 現形成的多層互連結構，微波無源器件可直接集成在多層介質層上，也可表貼于封裝結構 表面，提高了器件集成度，并與集成電路工藝相兼容；另外，使用在BCB上光刻顯影形成的 椎臺形通孔與電鍍工藝相結合實現了多層互連，有效地降低了工藝復雜度和工藝周期，提 高了封裝密度和生產效率，降低了成本。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是先在硅基板上濕法腐蝕(Κ0Η或 TMAH)或干法刻蝕出具有一定深度的芯片埋置用腔體；濺射或蒸發(fā)金屬種子層、光刻并電 鍍金屬地屏蔽層GND，離子刻蝕去除種子層；埋入匪IC芯片，使用導電膠粘接芯片底部 與基板；涂覆20 μ m 35 μ m的光敏BCB并光刻顯影出互連通孔圖形；固化并使用02/ SF6(5 1)氣體去除殘余物；濺射或蒸發(fā)金屬種子層、光刻、電鍍金屬，實現芯片引出與第 一層BCB介質層上的圖形，離子刻蝕去除種子層；涂覆BCB，按第一層的方式完成第二層及 以上各層互連，實現多層MMCM封裝。在多層互連結構中還可以集成電容、電阻、電感、功分 器和天線等無源器件，或者通過表面貼裝工藝(SMT)集成一些分立元器件，實現模塊的功 能化。本發(fā)明的具體工藝步驟如下1.利用熱氧化在硅基板的正反面制備氧化硅層；2.涂光刻膠光刻，形成氧化硅腐蝕掩模，并腐蝕去除氧化硅，形成腔體腐蝕窗口。3.以氧化硅為掩膜在硅基板的正面進行濕法腐蝕或干法刻蝕，形成平面尺寸與埋 置芯片相當，厚度比其略深5 10 μ m的腔體；4.硅基板正面用光刻膠保護，濕法腐蝕去除背面氧化層，利于芯片散熱；5.在硅基板正面濺射或蒸發(fā)一層TiW/Au金屬層，其中TiW層為粘附層，Au層為種 子層；6.使用噴膠機在Au層上噴涂光刻膠，光刻、顯影形成所需電鍍掩模圖形；7.電鍍3 4 μ m的Au層，然后去除光刻膠，利用離子刻蝕(ibeam)方法去除種子 層金屬和粘附層金屬，形成所需的地屏蔽層；8.將MMIC芯片埋置入硅基腔體內，利用導電膠粘接9.光敏BCB介質層制備工藝1)表面處理，增加粘附為實現更好的硅片/BCB粘附性能，必須先對硅基板進行表面處理。將硅片用水清 洗并甩干后，使用A或隊等離子清潔表面。在涂膠前在熱板上烘數十秒或使用增粘劑以進 一步提高粘附性。幻光敏BCB光刻i.懸涂25 30um光敏BCB，靜置10 20分鐘使其平坦，在110°C熱板上前烘90
秒，清邊；ii.根據公式D= [l{t)dt (D 曝光劑量，I(t)光強)計算光刻時間，并曝光；iii.曝光后將硅片放在90°C熱板上烘60秒；iv.在40°C的BCB顯影液DS3000中顯影5 7分鐘，甩干或吹干；
v.在熱板上烘60秒定型(可選)vi.檢查。3)固化并清除殘余有機物4)在200°C回流爐中固化40分鐘，達到60%的固化率，以適應多層互連的可靠性 要求。5)使用體積比為5 1的02/SF6混合氣體進行表面清潔，去除顯影過程中殘余的 有機物。6)幾點注意事項i.對于BCB下有金屬層的情況，應適當減少曝光量，以避免過曝ii.因為之前的BCB對光線有吸收作用，對于第二層或以上層的BCB應適當增加曝光量。iii.顯影后甩干不可與水接觸，否則會影響圖形的精度。iv.固化溫度和時間不可過高，防止BCB開裂。10.在介質層上濺射或蒸發(fā)種子層金屬，經光刻、顯影形成所需第一層布線的電鍍 掩模圖形。11.電鍍3 4 μ m的Au層，然后去除光刻膠，利用離子刻蝕(ibeam)方法去除種 子層金屬，實現芯片間的平面互連以及芯片與第一層布線的連接；12.制備非Au材料無源器件，重復9 11步驟可以實現多層互連結構。由上述工藝制作的封裝結構，其特征在于1)在硅基板上制作出帶有埋置腔體和金屬地屏蔽層；2)使用光敏BCB作為介質層，利用光刻顯影工藝在BCB形成互連通孔結構；3)金屬層和介質層交替出現形成多層互連封裝結構。所述的埋置腔體通過濕法腐蝕或干法刻蝕的方法形成，地屏蔽層通過電鍍形成。所述的介質層厚度為20-35 μ m。微波無源器件直接集成在介質層上，或表貼于封裝結構表面。多層互連的通孔呈錐臺型。所述的介質層厚度為20-35 μ m。本發(fā)明的實際效果在圓片級封裝的基礎上利用大厚度的低介電常數介質層材料 光敏BCB實現了微波芯片和器件的硅基MCM高密度封裝，提高了微波器件封裝的性能和可 靠性，降低了工藝復雜度和封裝成本。采用在介質層光刻出互連通孔，濺射電鍍金屬形成互 連結構，與微電子工藝相兼容；同時，采用在硅基板上制備地屏蔽層的方式，解決了微波芯 片在硅基板應用中，損耗大的缺陷。硅基板與微波芯片熱膨脹系數匹配，散熱性能好，有效 地提高了封裝結構的熱可靠性。


圖1是含腐蝕埋置腔體陣列的硅基板正面俯視圖。圖2是含腔體和地屏蔽層的硅基板俯視圖。圖3是芯片埋置后，經過BCB涂覆光刻顯影以及互連圖形、無源器件制備后的封裝 結構俯視圖。
圖4是硅基板上使用大厚度光敏BCB為介質層，實現圓片級MMCM高密度封裝的工 藝流程圖。圖4-1正面濕法腐蝕或干法刻蝕形成埋置腔體；其中，(a)在硅基板101的正反面 表面制備氧化硅層；(b)旋鍍光刻膠，腐蝕氧化硅層形成圖形；(c)形成腔體；(d)去除反面 SiO2 層。圖4-2光刻電鍍形成接地屏蔽層；其中，(a)形成掩膜圖形；(b)形成地屏蔽層。圖4-3微波芯片埋置、粘接。圖4-4涂覆光敏BCB介質層、光刻、顯影和固化，形成通孔圖形；其中，(a)涂覆厚 的BCB介質層；(b)BCB介質層光刻顯影和固化。圖4-5 (a)沉積種子層金屬；(b)懸涂光刻膠；(c)電鍍金屬層，去膠去種子層，形 成有源與無源器件間的層內平面互連。圖4-6重復涂覆BCB介質層、光亥lj、濺射或蒸發(fā)種子層、電鍍等步驟，形成第二及以 上層有源與無源器件的層內平面互連，以實現多層互連封裝結構。
具體實施例方式下面將結合參考附圖對本發(fā)明的實施例進行進一步具體描述以充分體現本發(fā)明 的優(yōu)點和積極效果。本發(fā)明的范圍不局限于下面的實施例。在圖1中，在硅基板101的正面是4X4的單元陣列分布，每個單元內有2個大小 不同的腔體，適用于不同尺寸芯片的埋置。由于這兩個腔體的制備方法相同，在實施例中以 較大腔體104為例，腔體104是由濕法腐蝕或干法刻蝕形成。在圖2中，是在含有埋置腔體的硅基板上制備地屏蔽層201，地屏蔽層201是由電 鍍的方法制備而成。圖3是完成微波芯片301埋置、單層BCB介質層401涂覆以及MCM互連404的整 體封裝結構。圖4是硅基埋置型MCM多層互連工藝的流程圖。1.制備帶有腔體的硅基板，如圖4-1所示。a)通過熱氧化的方法，在硅基板101的正反面制備氧化硅層102 ；b)旋涂光刻膠103，顯影形成需要的圖形，然后以光刻膠103為掩模，腐蝕氧化硅 層102形成需要的圖形；c)以氧化硅層102為掩膜在硅基板101的正面進行KOH腐蝕或干法刻蝕，形成具 有一定深度的埋置腔體104 ；d)將硅基板101的正面用光刻膠保護，對背面進行腐蝕，去除反面氧化硅層102 ；2.在硅基板上制備地屏蔽層，如圖4-2所示。a)濺射或蒸發(fā)種子層金屬200 (Tiff :200人,Au :800 1000 A )，進行光刻膠103噴涂、曝光顯影，形成電鍍掩模圖形；b)電鍍形成3 4μπι厚的地屏蔽層201，去除光刻膠103，去種子層200 ；3.微波芯片(MMIC)埋置、粘接，如圖4-3所示。利用高溫固化導電膠302將微波芯片301埋置在硅基板腔體104內，高溫固化導 電膠302 ；
4.涂覆光敏BCB，光刻顯影，形成通孔圖形，如圖4-4所示。a)涂覆25 30 μ m的光敏BCB介質層401，BCB厚度與涂膠過程中的轉速和時間 有關，如表1所示，將BCB在水平處靜置10 20分鐘，前烘；b)光刻、顯影，在介質層401上形成通孔圖形402，使用體積比為5 1的02/SF6 混合氣體清潔通孔402表面，去除殘余有機物，并固化；5.濺射或蒸發(fā)種子層金屬，光刻電鍍完成第一層金屬布線，實現芯片間互連和部 分無源器件結構，如圖4-5所示。a)濺射或蒸發(fā)種子層金屬403 (Cr :500 A, Au :3000 A )；b)懸涂光刻膠103，光刻顯影，形成所需圖形；c)電鍍形成3 4 μ m厚的金屬布線404，去除光刻膠103，去種子層403，實現芯 片間互連和無源器件結構；6.制備非Au材料無源器件，在第一層布線404上重復上述過程，實現帶有多層布 線和無源器件高密度MMCM封裝結構。a)制備非金材料無源器件405b)在第一層布線404上重復上述步驟4和5工藝過程，實現無源器件多層布線和 無源器件結構。表IBCB厚度與轉速、時間的對應關系
權利要求
1.一種使用光敏BCB為介質層的圓片級MMCM封裝結構，其特征在于1)在硅基板上制作出帶有埋置腔體和金屬地屏蔽層；2)使用光敏BCB作為介質層，利用光刻顯影工藝在BCB形成互連通孔結構；3)金屬層和介質層交替出現形成多層互連封裝結構。
2.按照權利要求1所述的封裝結構，其特征在于所述的埋置腔體通過濕法腐蝕或干法 刻蝕的方法形成，地屏蔽層通過電鍍形成。
3.按照權利要求1所述的封裝結構，其特征在于所述的介質層厚度為20-35μ m。
4.按權利要求1所述的封裝結構，其特征在于微波無源器件直接集成在介質層上，或 表貼于封裝結構表面。
5.按權利要求1所述的封裝結構，其特征在于多層互連的通孔呈錐臺型。
6.按權利要求3所述的封裝結構，其特征在于所述的介質層厚度為20-30μ m。
7.制作如權利要求1-5中任一項所述的封裝結構的方法，其特征在于先在硅基板上濕 法腐蝕或干法刻蝕出具有一定深度的芯片埋置用腔體；濺射或蒸發(fā)金屬種子層、光刻并電 鍍金屬地屏蔽層，離子刻蝕去除種子層；埋入微波芯片；用導電膠粘接芯片底部與基板；涂 覆光敏BCB并光刻顯影出互連通孔圖形；固化并使用體積比為5 1的02/SF6混合氣體去 除殘余物；濺射或蒸發(fā)金屬種子層、光刻、電鍍金屬，實現芯片引出與第一層BCB介質層上 的圖形，離子刻蝕去除種子層；涂覆BCB，按第一層的方式完成第二層及以上各層互連，實 現多層MMCM封裝。
8.按權利要求7所述的方法，其特征在于具體步驟為1)制備帶有腔體的硅基板a)通過熱氧化的方法，在硅基板的正反面制備氧化硅層；b)旋涂光刻膠，顯影形成需要的圖形，然后以光刻膠為掩模，腐蝕氧化硅層形成需要的 圖形；c)以氧化硅層為掩膜在硅基板的正面進行KOH或TMAH腐蝕或干法刻蝕，形成具有一定 深度的埋置腔體；d)將硅基板的正面用光刻膠保護，對背面進行腐蝕，去除反面氧化硅層；2)在硅基板上制備地屏蔽層a)濺射或蒸發(fā)種子層金屬TiW:200入和Au :800-1000 A，進行光刻膠噴涂、曝光顯 影，形成電鍍掩模圖形；b)電鍍形成3 4μ m厚的地屏蔽層，去除光刻膠和種子層；3)微波芯片匪IC埋置、粘接利用高溫固化導電膠將微波芯片埋置在硅基板腔體內，高溫固化導電膠；4)涂覆光敏BCB，光刻顯影，形成通孔圖形a)涂覆光敏BCB介質層，涂覆后將BCB在水平處靜置10 20分鐘并前烘；b)光刻、顯影，在介質層上形成通孔圖形，使用體積比為5 1的02/SF6混合氣體清潔 通孔表面，去除殘余有機物，并固化；5)濺射或蒸發(fā)種子層金屬，光刻電鍍完成第一層金屬布線，實現芯片間互連和部分無 源器件結構a)濺射或蒸發(fā)種子層金屬Cr500 A和Au 3000 A;b)懸涂光刻膠，光刻顯影，形成所需圖形；c)電鍍形成3 4μ m厚的金屬布線，去除光刻膠和種子層，實現芯片間互連和無源器 件結構；6)制備非Au材料無源器件，在第一層布線上重復上述過程，實現帶有多層布線和無源 器件高密度MMCM封裝結構。a)制備非金材料無源器件；b)在第一層布線上重復上述步驟4和5工藝過程，實現無源器件多層布線和無源器件 結構。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于①步驟4(a)中前烘是在110°C熱板上，前烘90秒；②步驟4(b)中固化是在200°C回流爐中固化40分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光敏BCB為介質層的圓片級MMCM封裝結構及方法，其特征在于1)在硅基板上制作出帶有埋置腔體和金屬地屏蔽層；2)使用光敏BCB作為介質層，利用光刻顯影工藝在BCB形成互連通孔結構；3)金屬層和介質層交替出現形成多層互連封裝結構。所述的方法是在硅基板上腐蝕或刻蝕出埋置用腔體，濺射金屬種子層并電鍍形成GND，埋入MMIC芯片，使用導電膠粘結芯片與基板，涂敷光敏BCB并光刻顯影出互連通孔圖形，固化等工藝步驟，實現多層MMCM封裝。所述的介質層厚度為20-35μm。在多層互連結構中還可集成電容、電阻、電感、功分器和天線無源器件，或者通過表面貼裝工藝集成分立元器件，實現模塊的功能化。
文檔編號H01L23/528GK102110673SQ201010523659
公開日2011年6月29日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權日2010年10月27日
發(fā)明者徐高衛(wèi), 湯佳杰, 羅樂, 袁媛 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所