一种线路预排布散热嵌埋封装结构及其制造方法与流程

本发明涉及电子器件封装结构，具体涉及线路预排布散热嵌埋封装结构及其制造方法。

背景技术：

随着半导体器件的应用场景越来越广泛，集成度越来越高，散热成为嵌入式封装设计要求中首要考虑的因素之一。目前，主要的散热方案是在封装基板的嵌埋器件背面形成金属导热通孔柱进行散热，其散热效率远高于利用热接触层材料。因为热接触层材料的导热系数通常只有0.8w/(m.k)～2w/(m.k)，相对于器件与金属层直接接触，散热效果差了接近150倍。

中国专利公报cn106997870b公开了一种嵌入式封装结构，如图1所示，其中芯片12具有被芯片高度分隔开的端子面14和背面16，其中芯片背面16被厚铜层36所覆盖，且与封装材料的一个面共平面。这样的结构，由于厚铜层覆盖了整个芯片背面，有利于芯片散热。

但是，现有技术中的厚铜层仅覆盖芯片背面，而基板的其它区域并无厚铜覆盖，容易造成基板的局部区域出现翘曲问题；只能在芯片的背面设置铜层进行散热，散热面积有限；而且背面厚铜层在增层后需要通过铜柱法来露出铜表面，使得增层介质层厚度难以控制，导致介质层和铜厚难以达到规格。

技术实现要素：

本发明的实施方案涉及提供一种线路预排布散热嵌埋封装结构及其制造方法，以解决上述技术问题。本发明通过在支撑框架内预置布线层，改善了嵌埋式封装基板的局部翘曲问题，降低了基板制造过程中的操作难度及折板的风险；减少了嵌埋芯片的再布线流程，减少后端工艺带来的缺陷，提升嵌埋基板的良率；增加了散热面积，进一步提升了散热效率；并且通过预置布线层解决了框架磨板减薄造成的玻纤暴露问题，解决了玻纤暴露带来的可靠性问题。

本发明第一方面涉及一种线路预排布散热嵌埋封装结构，包括至少一个芯片和包围所述至少一个芯片的支撑框架，其中所述支撑框架包括沿高度方向贯穿所述支撑框架的通孔柱、在所述支撑框架的第一表面上的第一布线层以及在所述芯片的背面上的散热层，其中所述第一布线层与所述第一表面齐平或高出所述第一表面，所述第一布线层与所述散热层导通连接，所述芯片与所述框架之间的间隙完全被电介质材料填充，其中在所述芯片的端子面上形成有第二布线层，所述第二布线层与所述第一布线层通过所述通孔柱导通连接。

在一些实施方案中，所述电介质材料包括半固化片、膜状有机树脂或它们的组合。

在一些实施方案中，所述支撑框架包括有机电绝缘材料；优选地，所述有机电绝缘材料包括聚酰亚胺、环氧树脂、双马来酰亚胺/三嗪树脂、聚苯醚、聚丙烯酸酯、半固化片、膜状有机树脂或它们的组合。

在一些实施方案中，所述通孔柱包括铜通孔柱。

在一些实施方案中，所述散热层的材料选自铜、镍、银、金和其合金中的至少其一。

在一些实施方案中，在所述第一布线层和/或所述第二布线层上还通过增层形成有附加层以形成多层互连结构。优选地，所述附加层包括介质层、布线层和通孔柱层。

在一些实施方案中，在所述散热层和所述第一布线层上以及所述第二布线层上分别设置有阻焊层和阻焊开窗。

本发明的第二方面提供一种线路预排布散热嵌埋封装结构的制造方法，包括如下步骤：

(a)预制支撑框架，所述支撑框架包括沿高度方向贯穿所述支撑框架的通孔柱、在所述支撑框架的第一表面上的第一布线层以及被所述支撑框架包围的贯通空腔，其中所述第一布线层与所述第一表面齐平或高出所述第一表面，所述第一布线层与所述通孔柱导通连接；

(b)在所述贯通空腔中安装芯片，使得所述芯片的背面朝向所述第一表面，并且将所述芯片与所述框架之间的间隙完全填充电介质材料；

(c)在所述芯片的背面上形成散热层，并使所述散热层与所述第一布线层导通连接；

(d)在所述芯片的端子面上形成第二布线层，所述第二布线层与所述第一布线层通过所述通孔柱导通连接。

在一些实施方案中，步骤(b)还包括：

(b1)在所述支撑框架的第二表面上贴附粘合层；

(b2)将芯片的端子面粘贴固定在所述粘合层上；

(b3)在所述支撑框架的第二表面上施加电介质材料，完全填充所述芯片与所述框架之间的间隙；

(b4)减薄所述电介质材料，暴露出所述第一布线层；

(b5)通过等离子体蚀刻或激光开孔暴露出所述芯片的背面；

(b6)移除所述粘合层。

优选地，所述支撑框架包括有机电绝缘材料，所述有机电绝缘材料包括聚酰亚胺、环氧树脂、双马来酰亚胺/三嗪树脂、聚苯醚、聚丙烯酸酯、半固化片、膜状有机树脂或它们的组合。

在一些实施方案中，所述粘合层包括胶带。

在一些实施方案中，所述电介质材料包括半固化片、膜状有机树脂或它们的组合。

在一些实施方案中，通过加热或照射紫外光使所述粘合层分解来移除所述粘合层。

在一些实施方案中，步骤(c)包括：

(c1)在所述支撑框架的第一表面和所述芯片的背面上沉积第一金属种子层；

(c2)在所述支撑框架的第二表面上施加第一蚀刻阻挡层；

(c3)在所述第一金属种子层上电镀形成第一金属层；

(c4)在所述第一金属层上施加第一光刻胶层；

(c5)图案化所述第一光刻胶层形成第一特征图案；

(c6)通过所述第一特征图案蚀刻所述第一金属层形成散热层，其中所述散热层与所述第一布线层导通连接；

(c7)移除所述第一蚀刻阻挡层和所述第一光刻胶层，并蚀刻掉所述第一金属种子层。

优选地，步骤(c2)包括在所述第一金属种子层上电镀铜、镍、银、金或其合金形成第一金属层。

在一些实施方案中，步骤(d)包括：

(d1)在所述散热层上施加第二蚀刻阻挡层；

(d2)在所述支撑框架的第二表面上沉积第二金属种子层；

(d3)在所述第二金属种子层上电镀形成第二金属层；

(d4)在所述第二金属层上施加第二光刻胶层；

(d5)图案化所述第二光刻胶层形成第二特征图案；

(d6)通过所述第二特征图案蚀刻所述第二金属层形成第二布线层；

(d7)移除所述第二蚀刻阻挡层和所述第二光刻胶层，并蚀刻掉所述第二金属种子层。

优选地，所述第一金属种子层和第二金属种子层包括钛、铜或其合金。

在一些实施方案中，所述方法还包括分别在所述散热层和所述第一布线层上以及在所述第二布线层上施加阻焊层，并对暴露的金属进行表面处理形成阻焊开窗。

在一些实施方案中，所述方法还包括以下步骤：

(e)在所述散热层和/或所述第二布线层上进行增层工艺形成附加层，以形成多层互连结构。

优选地，步骤(e)还包括：

(e1)分别在所述散热层和所述第二布线层上层压电介质材料，形成第一介质层和第二介质层；

(e2)分别在所述第一介质层和所述第二介质层中形成第一通孔和第二通孔；

(e3)在所述第一介质层上和所述第一通孔内沉积第三金属种子层，在所述第二介质层上和所述第二通孔内沉积第四金属种子层；

(e4)在所述第三金属种子层上电镀铜形成第一铜层和第一铜柱，在所述第四金属种子层上电镀铜形成第二铜层和第二铜柱；

(e5)分别在第一铜层和第二铜层上施加第三光刻胶层和第四光刻胶层；

(e6)图案化所述第三光刻胶层和所述第四光刻胶层形成第三特征图案和第四特征图案；

(e7)通过所述第三特征图案和所述第四特征图案分别蚀刻所述第一铜层和所述第二铜层形成第三布线层和第四布线层；

(e8)移除所述第三光刻胶层和所述第四光刻胶层，并蚀刻掉所述第三金属种子层和所述第四金属种子层。

优选地，通过激光工艺分别在所述第一介质层和所述第二介质层中形成第一通孔和第二通孔。

在一些实施方案中，还包括分别在所述第三布线层和所述第四布线层表面施加阻焊层，并对暴露的金属进行表面处理形成阻焊开窗。

附图说明

为了更好地理解本发明并示出本发明的实施方式，以下纯粹以举例的方式参照附图。

具体参照附图时，必须强调的是特定的图示是示例性的并且目的仅在于说明性地讨论本发明的优选实施方案，并且基于提供被认为是对于本发明的原理和概念方面的描述最有用和最易于理解的图示的原因而被呈现。就此而言，没有试图将本发明的结构细节以超出对本发明基本理解所必须的详细程度来图示；参照附图的说明使本领域技术人员认识到本发明的几种形式可如何实际体现出来。在附图中：

图1为现有技术中一种具有散热层的嵌入式封装结构的截面示意图；

图2为根据本发明的一个实施方案的线路预排布散热嵌埋封装结构的截面示意图；

图3为根据本发明的另一个实施方案的线路预排布散热嵌埋封装结构的截面示意图；

图4(a)～4(i)示出图2和图3所示的封装结构的制造方法的各步骤中间结构的截面示意图。

具体实施方式

参照图2，示出线路预排布散热嵌埋封装结构100的截面示意图。封装结构100包括支撑框架101、位于支撑框架101的上表面的第二布线层102、位于支撑框架101的下表面的散热层103，支撑框架101内设置有贯穿支撑框架101的通孔柱1011、贯通空腔1012及预置在支撑框架101的上表面内的第一布线层1013，通孔柱1011将第一布线层1013和第二布线层102导通连接，第一布线层1013与散热层103导通连接。散热层103的材料选自导热率良好的金属，优选铜、镍、银、金和其合金中的至少其一。支撑框架101内设置有至少一个通孔柱1011，通孔柱1011为铜通孔柱作为io通道。

第一布线层1013的外表面与支撑框架101的下表面平齐或超出支撑框架101的下表面。在支撑框架101内预制第一布线层1013并且将第一布线层1013与散热层103导通连接，使得封装结构100的应力得到均匀分布，解决了基板局部翘曲问题；并且第一布线层1013增大了散热面积，解决了芯片背面单一散热的问题，将热量分散至第一布线层1013提高了散热效率；同时热量也可以通过铜通孔柱1011进一步分散至第二布线层102，从而进一步提高散热效率。

贯通空腔1012内嵌埋有芯片104，芯片端子1041与第二布线层102连接，芯片背面1042被散热层103覆盖，由此实现芯片双面散热。贯通空腔1012内还填充有电介质材料105以包覆芯片104。通常，芯片104包括选自集成电路、电阻器、电容器、电感器、闪存和集成无源器件中的至少一个组件。芯片可以是单面具有端子的单面芯片，也可以是在芯片的两面上均具有端子的双面芯片或叠合芯片。

在一些实施方案中，在同一支撑框架内可以包括多个芯片，所述芯片由电介质材料105分隔开。

电介质材料105包括半固化片(pp)、膜状有机树脂(abf)或它们的组合；例如pp和abf的组合。支撑框架101的材料为有机电绝缘材料，可以是聚酰亚胺、环氧树脂、双马来酰亚胺/三嗪树脂(bt)、聚苯醚、聚丙烯酸酯、半固化片(pp)、膜状有机树脂(abf)或它们的组合，例如bt和pp的组合。

如图2所示，封装结构100包括在散热层103上形成的第一阻焊层110和在第二布线层102上形成的第二阻焊层111，第一阻焊层110和第二阻焊层111内分别设置有第一阻焊开窗1101和第二阻焊开窗1111。

参照图3，示出线路预排布散热嵌埋封装结构200的截面示意图。封装结构200与封装结构100之间的区别在于，在散热层103上形成有第一介质层106，在第二布线层102上形成有第二介质层107，第一介质层106和第二介质层107可以包括相同的材料，也可以包括不同的材料。第一介质层106上形成有第三布线层108，第二介质层107上设置有第四布线层109，贯穿第一介质层106的第一铜柱1061可以将散热层103与第三布线层108连通，贯穿第二介质层107的第二铜柱1071可以将第二布线层102和第四布线层109连通。第一导通柱1061和第二导通柱1071可以是实心铜柱，也可以是边缘镀铜的空心铜柱。由此，在封装结构100通过增层形成封装结构200时，散热层103依然可以通过导通连接至封装结构200的表面线路，进一步增加散热面积。

如图3所示，还可以在第三布线层108上形成第一阻焊层110，在第四布线层109上形成第二阻焊层111，第一阻焊层110和第二阻焊层111内分别设置有第一阻焊开窗1101和第二阻焊开窗1111。

参照图4(a)～4(i)，示出图2的线路预排布散热嵌埋封装结构100及图3的线路预排布散热嵌埋封装结构200的制造方法的各个步骤的中间结构的截面示意图。

所述制造方法包括如下步骤：准备支撑框架101—步骤(a)，如图4(a)所示。支撑框架101包括贯穿支撑框架101的通孔柱1011、位于支撑框架101内的贯通空腔1012及第一布线层1013，第一布线层1013与支撑框架101的下表面101b平齐或高出支撑框架101的下表面101b。

第一布线层1013预埋在支撑框架101的下表面101b内，厚度分布均匀，使得在支撑框架101的制备过程中在支撑框架101上暴露的玻纤被掩盖在第一布线层1013之下，由此减少了玻纤暴露带来的可靠性问题。并且，在后续嵌埋芯片的工序中，第一布线层1013能够进一步提升支撑框架101的刚性，从而改善基板翘曲，减少折板的风险。

在支撑框架101中预埋置入第一布线层1013的方法是已知的，可以通过光刻电镀或覆铜蚀刻等方法实现，在此不作详述。

接着，在支撑框架101的上表面101a上施加粘合层120，并在贯通空腔1012中暴露出的粘合层上贴装芯片104，芯片端子面1041与粘合层120贴合—步骤(b)，如图4(b)所示。粘合层为胶带，通常胶带为市售的可热分解或可在紫外线照射下分解的透明膜。将芯片104设置在支撑框架101内并将芯片端子面1041贴合在暴露出的粘合层120上，以固定芯片104的位置。

然后，采用电介质材料105覆盖芯片104和支撑框架101的下表面，减薄电介质材料105以暴露第一布线层1013和芯片背面1042—步骤(c)，如图4(c)所示。电介质材料105包括半固化片(pp)、膜状有机树脂(abf)或它们的组合；例如pp和abf的组合。通常，通过磨板或等离子蚀刻的工艺减薄电介质材料105以暴露第一布线层1013和芯片背面1042；优选地，首先通过磨板或等离子蚀刻的工艺减薄电介质材料105以暴露第一布线层105，再继续以等离子蚀刻工艺暴露出芯片背面1042。

然后，移除粘合层120，并在支撑框架101的上表面101a上施加第一感光干膜121作为第一蚀刻阻挡层—步骤(d)，如图4(d)所示。通常，可以通过加热或紫外光照射分解直接移除粘合层110。

接着，在支撑框架101的下表面101b上形成散热层103，并将散热层103与第一布线层1013连接，移除第一感光干膜121—步骤(e)，如图4(e)所示。通常，包括以下子步骤：

在支撑框架101的下表面101b上沉积第一金属种子层；

在第一金属种子层上电镀形成第一金属层；

在第一金属层上施加第一光刻胶层；

图案化第一光刻胶层形成第一特征图案；

通过第一特征图案蚀刻第一金属层形成散热层103，其中散热层103与第一布线层1013导通连接；

移除第一蚀刻阻挡层和第一光刻胶层，并蚀刻掉第一金属种子层。

通常，可以通过化学镀或磁控溅射工艺在支撑框架101的下表面101b上沉积第一金属种子层；第一金属种子层为铜或钛或其合金。第一金属种子层覆盖支撑框架101的下表面101b和芯片背面1042。在第一金属种子层上整板电镀铜、镍、银、金和其合金中的至少其一，形成第一金属层。将散热层103与第一布线层1013连接，利用第一布线层1013增大了散热面积，解决了芯片背面单一散热的问题，将热量分散至第一布线层1013进一步提高了散热效率。

然后，在散热层103上施加感光干膜作为第二蚀刻阻挡层，并在支撑框架101的上表面101a上形成第二布线层102，并移除第二蚀刻阻挡层—步骤(f)，如图4(f)所示。通常，包括以下子步骤：

在散热层103上施加第二蚀刻阻挡层；

在支撑框架101的上表面101a上沉积第二金属种子层；

在第二金属种子层上整板电镀铜形成第二金属层；

在第二金属层上施加第二光刻胶层例如感光干膜；

图案化第二光刻胶层形成第二特征图案；

通过第二特征图案蚀刻第二金属层形成第二布线层102；

移除第二蚀刻阻挡层和第二光刻胶层，并蚀刻掉第二金属种子层。

通常，第二金属种子层为铜或钛或其合金；可以通过化学镀或磁控溅射工艺在支撑框架101的上表面101a上沉积第二金属种子层；第二金属种子层覆盖支撑框架101的上表面101a和芯片端子面1041。

然后，承接步骤(f)，分别在散热层103和第二布线层102的表面上制备第一阻焊层110和第二阻焊层111，并分别进行金属表面处理形成第一阻焊开窗1101和第二阻焊开窗1111—步骤(g)，如图4(g)所示。制备第一阻焊层110和第二阻焊层111后，可在散热层103和第二布线层102的暴露金属上分别形成焊盘，对焊盘做金属表面处理，分别形成第一阻焊开窗1101和第二阻焊开窗1111；例如，涂覆绿油等。

接着，承接步骤(f)，可以继续对封装结构进行增层—步骤(h)，如图4(h)所示。通常，包括如下子步骤：

分别在散热层103和第二布线层102上层压电介质材料105，形成第一介质层106和第二介质层107；

分别在第一介质层106和第二介质层107中形成第一通孔和第二通孔；

在第一介质层106上和第一通孔内沉积第三金属种子层，在第二介质层107上和第二通孔内沉积第四金属种子层；

在第三金属种子层上电镀铜形成第一铜层和第一铜柱1061，在第四金属种子层上电镀铜形成第二铜层和第二铜柱1071；

分别在第一铜层和第二铜层上施加第三光刻胶层和第四光刻胶层；

分别图案化形成第三特征图案和第四特征结构；

通过第三特征结构和第四特征结构分别蚀刻第一铜层和第二铜层形成第三布线层108和第四布线层109；

移除第三光刻胶层和第四光刻胶层，并蚀刻掉第三金属种子层和第四金属种子层。

通常，第一介质层106和第二介质层107可以为相同材料，也可以为不同材料；可以通过激光工艺分别在第一介质层106中和第二介质层107中形成第一通孔和第二通孔。第三金属种子层和第四金属种子层为钛或铜或其合金；可以通过化学镀或磁控溅射工艺形成第三金属种子层和第四金属种子层。第一铜柱1061和第二铜柱1071可以是实心铜柱，也可以是边缘镀铜的空心铜柱。

然后，可以分别在第三布线层108的表面和第四布线层109的表面分别制备第一阻焊层第一阻焊层110和第二阻焊层111，并分别进行金属表面处理形成第一阻焊开窗1101和第二阻焊开窗1111—步骤(i)，如图4(i)所示。形成第一阻焊层110和第二阻焊层111后，可在第三布线层108和第四布线层109的暴露金属上分别形成焊盘，对焊盘做金属表面处理，分别形成第一阻焊开窗1101和第二阻焊开窗1111；例如，涂覆绿油等。

本领域技术人员将会认识到，本发明不限于上下文中具体图示和描述的内容。而且，本发明的范围由所附权利要求限定，包括上文所述的各个技术特征的组合和子组合以及其变化和改进，本领域技术人员在阅读前述说明后将会预见到这样的组合、变化和改进。

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