由导电胶光刻界定的电子互连件

本发明涉及电子模块内的装置的电子互连。更具体而言，本发明涉及离散电子装置之间的电子互连，该离散电子装置是单一的或作为模块的部分，在附接至印刷电路板之前是经封装或未经封装的。甚至更具体而言，本发明涉及由导电胶(conductive paste)形成的精细特征电子互连及光刻界定的模具。

移动电子产业正在迅速发展。新产品代次的市场驱动者是不断朝向具有较长电池寿命的较便宜、较轻产品的较快性能及较高功能性。电子产业的所有环节正在改变以满足这些需求。这包含离散电子装置及封装方案以及用于互连该离散电子装置的架构。

传统上，有源半导体装置已经各个封装且然后连同产品发挥功能所必需的所有装置一起组装至电路板的表面上。移动电子装置的较早代次中的大小减小的多数是归因于每单位面积的有源半导体晶粒及功能性的性能的增加。各个晶粒封装小至约晶粒的大小的缩减是对第二波小型化的产品缩减的显著贡献。当前波次的移动电子产品演变的重点是多个装置-有源及无源两者-至单个封装中的整合，及通过在组装至电路板上之前形成增强速度及功能性的封装的组合。

此新一波的封装整合已鞭策对多种新封装策略及架构的探索。封装整合趋势的一项主要方面是从二维架构至三维架构的转变。存在需要虑及的众多电子性能、机械性能及可靠性考虑以支持三维整合封装架构。在每单位面积信号互连点不断增加的情况下，这在高性能半导体装置的封装中是特别紧迫的。针对这些装置，三维架构是与二维阵列中的经增加电子互连件密度同时演变。

封装之间的垂直轴中的电子互连是特别活跃的开发区域。用于堆叠电子互连的两个或多于两个半导体封装的产业术语是“封装上封装”或“POP”POP架构中的封装之间的电子互连称为z轴互连。

电子性能、机械性能及可靠性是POP架构中的z轴互连的生产中的所有显著挑战。Z轴互连通常在横截面积上必须是小的且经常被紧密地放置在一起，但待横跨的z轴距离可明显变化。通常优选的是使互连的z轴高度高于是宽的电子导体。另外，z轴导体尽管通常在横截面积上是小的，但还必须提供从一个封装电子终端至另一个的强健机械及电子连接。z轴互连还必须能够经受因所结合封装的热膨胀差而强加的机械应变以及由将互连与封装机械耦接在一起的周围材料强加的那些机械应变。z轴互连件还必须能够经受多个焊料回流循环以确保至电路板的组装，且可适应任何潜在重加工。最后，在任何z轴互连策略的设计中，成本也是在POP的制造、良率及可靠性中显现的因素。

已提出数个策略来在POP架构中形成z轴互连。周边上的焊料球、包覆模制焊料球、由模制化合物包裹的电镀凸块(又名，铜柱)及填充至制备于模制化合物中的孔中的焊料球已全部提出横贯从下伏封装基板互连垫至上覆封装上的那些互连垫的z轴距离。还已提出且研究各种中介层结构。所有这些解决方案具有限制性且开发的领域是非常活跃的。

现有经提出解决方案遭受多种缺陷。扩大下部封装基板的占用面积以容纳在沉积于有源装置上方的模制化合物的周界的外面的周边焊料球是不期望的，这是因为其消极地影响总体产品的小型化可能性且形成不均匀翘曲效应。包裹模制化合物的周界内的焊料球实现某一封装缩减且减少翘曲影响，但焊料球互连件的高度及接近度受球的形状限制。在包覆模制之前使电镀凸块生长至下部基板上的互连件垫上允许在剖面上是小的，可能是相当高的且可放置成彼此紧密接近的互连件特征，但电镀(plate up)凸块是耗时且昂贵的，且上部互连件表面具有太小而无法产生(effect)机械强健互连的可能性。在模制化合物中形成孔以接受多个焊料球产生大多数所期望几何形状，但至上部封装的连接是由至焊料球的颈部支撑，该焊料球不能很好地由模制化合物支撑且焊料球在后续焊料组装循环期间易受再熔化影响。中介层通常是外侧模具周界解决方案，有时是由业界不擅长处置(例如，玻璃)且可以是昂贵的材料制成。

在其最简单术语中，本发明结构是基板上的光刻界定的聚合物模具，其中界定于所述模具内的特征填充有导电组合物，该导电组合物形成与该基板的电子连接且经热处理为热固性形式使得其在后续加热循环期间不熔化或改变形式。

该光刻界定的聚合物经施加至该基板作为涂层，经曝露于辐射以建立该模具的图案，且经化学显影以界定该模具。其粘附至该基板，不与该导电组合物化学反应，可经受热处理以产生该导电组合物中的热固性状态而不降解、前进或变形；且可在热处理以产生该导电组合物中的该热固性状态之后化学移除。

该导电组合物是以胶(paste)形式提供，可安装至该光刻界定的模具中的凹陷部中使得该模具大体上充满胶。在热处理期间，导电胶形成至基板上的导电特征的电子互连且变成穿过该胶的本体的电子互连组件，其在后续加热循环期间将不熔化或改变形式。一旦经热处理，该胶获得固定形状且可经电镀或焊接以产生至覆盖于上的电子互连件(诸如上覆POP基板上的垫)的电子互连。

一旦导电z轴互连件特征已被光刻界定至聚合物模具中，填充有导电胶，且经热处理以产生至下伏基板且穿过热固性组合物的剩余部分的电子互连，光刻界定的聚合物可保持为最终产品的一部分，或可经化学移除以使热固性导电胶沉积物作为独立特征。

虽然本发明特别适合于POP架构中的z轴互连件的应用，但考虑其中精细几何形状、互连件图案是建立于光刻界定的聚合物模具中的多种实施。这些替代实施中的某些替代实施包含，但不限于，x-y平面中的再分布电路、电镀凸块的终端处的接触垫、用于半导体芯片测试卡的接触指、各个半导体晶粒或封装的区域阵列互连件、中介层、用于焊料互连的高度延伸部、直接位于半导体晶粒之间的互连、热传递阵列等。

图1绘示POP架构的常见现有技术实施。注意，下部封装的基板延伸超出包裹半导体晶粒的模制化合物的周界，使得焊料球的周边阵列可经添加以用于上部封装与下部封装之间的互连。在一项实施方案中，本发明结构代替焊料球的此周边环。在另一实施方案中，本发明结构允许周边阵列在模制化合物的周界中的区域内移动，因此使得能够形成具有较小占用面积的POP架构。可结合多种特定半导体封装类型及多种POP架构有利地采用本发明结构。

图2是承载聚合物涂层的半导体晶圆的剖面，该聚合物涂层已经光刻界定而以矩形形状孔阵列的图案形成模具。注意孔的良好界定形状，且其横贯聚合物涂层的整个厚度以曝露下伏晶圆。此特征是本发明结构的关键以促进导电胶的安装以形成可实体接触且电子互连至孔的经曝露底部的一致形状互连。还注意孔的形状的特殊性，且特定而言矩形的z轴高度明显长于宽度以及轻微梯形构造。可在本发明的实践中操纵用于模具的形成中的光刻敏感聚合物及光刻方法两者以形成具有多种几何特殊性的模具特征而作为最佳适合实施。例如，可使z轴高度尺寸相当大以在POP模块中容纳相对厚的下部封装，同时在小区域占用面积内维持高密度的垂直互连。在另一实例中，倒梯形形状可经扩大以在z轴互连件的顶部处形成较大终端垫以促进至上覆封装的强健机械及电子互连。本发明结构的一关键因素是所选择光刻敏感聚合物能够在用于形成导电互连件的导电胶的安装及热处理整个过程期间维持光刻界定的特征的形状。

图3是发明结构的剖面，其中光刻界定的聚合物模具已经填充有导电胶且经热处理以产生热固性电子互连件特征。注意，模具经良好填充，不存在如由模具界定的特征的形状的规则性的明显退化，且导电胶互连件在形状上是高度规则的且横贯模具的z轴厚度以与下伏基板直接接触。还注意到，沿着聚合物模具与导电胶互连件之间的边界存在明显区别，这暗示在两种材料之间不存在可能有害地影响导电胶互连件特征的电子特性的化学干扰。进一步注意到具有经测量为大约180微米的z轴高度及大约80微米的z轴互连的宽度的电子互连件的精细尺寸。

图4是本发明结构的光学图像，其中光刻界定的聚合物模具已由选择性方法移除，使导电胶互连特征作为独立式元件。

本发明是一种电子互连件结构，其包括：

·基板，其在其至少一个表面上承载导电元件；

·聚合物涂层，其位于该基板上，其中该聚合物涂层已经光刻界定于以下各项特征的图案中：

○在垂直于该表面的轴中横贯该聚合物涂层，

○曝露该表面上的该导电元件，

○其中特征的该图案在不与该基板接触的该涂层的表面处是敞开的；及

·导电胶，其安装于该特征中使得：

○该导电胶大体上填充该特征，

○该导电胶与该导电元件实体及电子接触，且

○该导电胶已经热处理以产生热固性电子互连件。

本发明的电子互连件结构可或可不随后经处理以选择性地移除聚合物涂层。

本发明结构可有利地部署于各种电子互连件应用中，包括但不限于离散电子装置之间的电子互连，该离散电子装置是单一的或作为模块的部分，在附接至印刷电路板之前经封装或未经封装。特定而言，本发明结构可有利地部署于各种电子互连件应用中，包括但不限于POP架构中的z轴互连、xy平面中的再分布电路、电镀凸块的终端处的接触垫、用于半导体芯片测试卡的接触指、各个半导体晶粒或封装的区域阵列互连件、中介层、用于焊料互连的高度延伸部、直接位于半导体晶粒之间的互连、热传递阵列等。目前优选的是以POP架构中的z轴互连件的实施。

取决于特定实施，基板可以是通常存在于电子模块中的各种结构中的任一者。经考虑作为基板的结构包括但不限于半导体晶粒、无源电子组件、引线框架、经封装半导体组件、印刷电路板、电子基板、经堆叠晶粒、柔性电路、太阳能面板、电子模块及电子子系统。目前优选的是用于半导体晶粒的封装中的基板。通常，这样的基板承载半导体晶粒，该半导体晶粒机械附接至一个表面且电子互连至位于两个相对主表面上且横贯基板的厚度的电路。典型的基板材料是聚合物、聚合物层合体、陶瓷、聚合物涂布的金属片、玻璃等。

本发明结构中的基板的表面上的导电元件同样可以是各种材料，取决于特定实施。供在本发明的实践中使用的所考虑导电元件包含铜垫、承载金属表面饰层(例如，镍上金(gold over nickel)、银、镍上钯上金(gold over palladium over nickel))的铜垫，具有有机表面处理的铜垫、铝垫、导电胶沉积物、金凸块、焊料沉积物、焊料球、铜柱、铜凸块、烧结金属、厚膜导体等。最典型地，本发明结构的导电元件是可或可不承载金属涂层的铜垫。

本发明结构的聚合物涂层可以是可经光刻图案化以形成所期望几何形状的特征，曝露下伏导电元件，且在导电胶的安装及热处理整个期间大体上维持经界定特征几何形状的任一者。

本发明结构的聚合物涂层可通过本领域技术人员通常已知的任何方法施加至基板。可采用的涂布技术包括但不限于旋转涂布、挤出、狭缝式涂布、帘幕式涂布、刮刀涂布、喷涂、丝网印刷等。

本发明结构中所考虑的聚合物涂层包含光刻胶材料。正型(例如，聚合物主链内的键在辐照期间断裂)及负型(例如，在辐照期间在聚合物分子之间形成交联)抗蚀剂两者均考虑用于本发明中。考虑化学增强的抗蚀剂来促进穿过厚涂层(例如，50微米至500微米)精细特征几何形状的形成。在其中期望随后从本发明电子互连件结构选择性地移除聚合物涂层的实施中，在引起热固性电子互连件的形成所必需的热处理之后从基板化学剥离聚合物涂层的能力也是重要选择因素。透过导电胶的热处理的聚合物涂层的热稳定性是决定性因素。例如，在处理导电胶所必需的热曝露期间熔化、炭化或具有显著尺寸改变的聚合物涂层材料将不适合于本发明。另外，透过厚涂层准确成像以形成良好界定、热稳定、高纵横比模具的能力在本发明的应用中是有利特征。在某些实施方案中，可期望具有适合于保留于最终构造中的聚合物涂层化学性质。因此，将容易降解、导致翘曲、阻碍至其他封装组件的粘附等的聚合物涂层可不适合于这些实施方案。最后，作为液体施加的聚合物涂层的使用对于本发明的某些实施方案可以是有利的，以整平不均匀形貌或提供涂布厚度的多功能性(versatility)。特别适合的聚合物涂层是化学增强的负型厚膜抗蚀剂，诸如由EMDPerformance Materials Corp提供的AZ 200nXT系列。

界定于聚合物涂层中的特征的图案可通过本领域技术人员已知的任何光刻方法来形成。用于产生图案的屏蔽的性质将取决于所选择聚合物涂层的性质。同样地，特定涂层施加、烘烤、曝光及显影方法将特定于针对使用所选择的特定聚合物涂层。

任何导电胶可用于本发明结构中，只要其是用于填充特征的适合稠度，形成至导电元件的电子连接，且可经热处理以形成是热固性且将在后续热偏差中不经历形状上的显著改变的电子互连件。在本发明的此说明中，术语热固性意指导电胶的某一部分必须在热处理期间经历不可逆反应，使得所得电子互连件特征在随后热曝露中维持其形式，即使界定特征的周围聚合物涂层已被移除。金属填充的热固性聚合物胶、具有经历烧结的纳米粒子的胶，其中有机物分解以产生熔融金属的有机金属胶及瞬时液相烧结胶全部均具体考虑在内。目前，瞬时液相烧结胶(诸如由Ormet Circuits,Inc.提供的Ormet系列产品)是优选的。适合导电胶是阐述于例如专利公开第WO2014/082100号、第WO2016/174584号、第WO2018/231612号及第WO2019/113208号中，该公开中的每一者的全文以引用的方式并入本文中。

瞬时液相烧结(TLPS)导电胶提供热固性金属系统而非热固性聚合物系统。在TLPS导电胶中，相对低熔点合金及相对高熔点金属以微粒形式混合。在温度上升至合金的熔点时，合金粒子变成熔化的。相对低熔点合金内的反应性元素然后与接受性高熔点金属反应以形成新合金组合物及/或金属间化合物。TLPS组合物因此在胶的本体内及在与可焊接材料的任何界面处两者经历热固性反应以形成金属间化合物与合金产物的混合物，该合金产物全部具有比初始焊接合金粉末熔化温度显著更高的熔化温度。出于此原因，TLPS组合物提供良好导电性，几乎不具有由于氧化、腐蚀或热膨胀及收缩而导致的导电性退化的机会。TLPS反应是不可逆的且所形成的可电镀及可焊接互连件特征将在任何后续高温暴露中不经历形状上的显著熔化或改变。

可通过本领域技术人员已知的任何手段将导电胶安装于本发明结构中。刮刀片、涂刷器(squeegee)、压力辅助涂刷器、压力头、施配工具及真空室的使用全部被明确地考虑作为在横贯聚合物涂层将导电胶安装至特征中的潜在有用工具。导电胶可经安装以大体上填充特征的图案。术语“大体上填充”意欲是指多于50％填充、多于75％填充、多于85％填充、多于90％填充或多于95％填充的特征。特定而言，特征的图案应经填充使得导电胶与该导电元件实体、电子及/或热接触。

导电胶的热处理可通过本领域技术人员已知的任何手段来实现。特定处理制度(regime)将取决于所选择的特定材料及待形成的电子互连件结构的性质。

若需要，则可选择性地移除聚合物涂层。聚合物涂层的移除可通过本领域技术人员已知的任何手段来实现。特定处理制度将取决于所选择的特定材料及待形成的电子互连件结构的性质。通常，聚合物涂层的移除将在导电胶的热处理之后执行。

本领域技术人员将了解，可以归属于本公开的实际范围内的各种配置及排列来实践此申请的发明。

可通过以下非限制性实施例来更好地理解本发明。

实施例

现在将参考本公开的更多特定实施方案及为这样的实施方案提供支持的实验结果。然而，申请人注意以下公开内容是仅出于说明性目的且并非意欲以任何方式限制所要求保护的主题的范围。

本发明结构的可行性证实以以下方式准备。

用AZ 200nXT厚膜抗蚀剂涂布承载3500埃的铜的硅晶圆。在两次旋转涂布施加中施加涂层以实现180微米的总涂层厚度。该涂层在140摄氏度下经受960秒软性烘烤且然后透过掩模以1800mJ/cm2的剂量来辐照。所使用曝光单元是具有40微米接近度间隙的SussMA200CC掩模对准器。

使用化学显影溶液AZ 300MIF来显影硅晶圆上的涂层中的图案以从图案选择性地移除聚合物涂层，使得形成横贯聚合物涂层的厚度且终止于铜层的裸表面处的所期望几何形状的开口。

使用Mass VHF 300V填孔机，用Ormet 710导电胶来填充横贯聚合物涂层的开口。填充操作是借助压力辅助涂刷器头在真空室中进行。

一旦填充，便在100摄氏度下干燥聚合物涂层中的开口中的Ormet 710以使溶剂蒸发且然后将该胶在200psi及200摄氏度下在层压机(lamination press)中烧结达10分钟。在烧结方法中，Ormet 710导电胶中的金属反应以形成热固性金属基质。

在烧结反应完成之后，使硅晶圆形成剖面且在高放大倍数下拍照。

如可在图3中看出，Ormet 710完全填充横贯聚合物涂层的厚度的开口且与铜表面接触。Ormet 710已在彩上从生胶的棕改变为银，这指示烧结操作在形成及导电特征中是成功的，且聚合物涂层的化学性质不干扰烧结方法。所期望特征形状已透过填充及烧结操作维持。当从晶圆剥掉聚合物涂层时，经烧结导电胶的一部分保持固定至铜的表面且显现为已冶金接合至该表面。

此实验证明可成功生产本发明结构。