(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と、該第１の面から離れた第２の面とを有し、熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃よりも小さい基板と、
前記第１の面と前記第２の面とを結ぶ方向に延在する開口部と、
前記開口部内に延在している導電性ビアであって、それぞれが、第１の金属とは異なる第２の金属の層で略被覆され、前記第１の金属でできた第１の金属領域を有する複数の基材粒子を含んでおり、前記基材粒子同士は冶金接合されており、前記粒子の前記第２の金属の層は、前記第１の金属領域内に少なくとも部分的に拡散し、該導電性ビアは前記接合された基材粒子同士の間に散在する間隙領域を有し、該間隙領域は、該導電性ビアの体積の１０％以上を占める、導電性ビアと
を含んでなり、
それぞれの前記基材粒子は、前記第１の金属領域と前記第２の金属の層との間のバリア層を含む、コンポーネント。
【請求項２】
前記接合された基材粒子同士の間に散在し、前記導電性ビアの体積の１０％以上を占める前記間隙領域は、空気で充填されている、請求項１に記載のコンポーネント。
【請求項３】
前記接合された基材粒子同士の間に散在し前記開口部内で前記第１の面及び前記第２の面のうちの少なくとも一方から少なくとも貫入深さまで延在するポリマー媒体を更に含む、請求項１に記載のコンポーネント。
【請求項４】
前記接合された基材粒子同士の間に散在し前記開口部内で前記第１の面及び前記第２の面のうちの少なくとも一方から少なくとも貫入深さまで延在するはんだを更に含む、請求項１に記載のコンポーネント。
【請求項５】
前記導電性ビアは、導電性パッドと電気的に接続された前記基板内の第２の導電性ビアに接続しており、前記第２のビアは不純物をドープされた半導体材料を含む、請求項１に記載のコンポーネント。
【請求項６】
前記第２の金属の層のうちの少なくともいくつかの部分は、溶融温度が前記第１の金属領域よりも低い、請求項１に記載のコンポーネント。
【請求項７】
前記導電性ビアのヤング率は、最大で前記ビアに含まれる前記第１の金属及び前記第２の金属のヤング率の５０％である、請求項１に記載のコンポーネント。
【請求項８】
前記基材粒子のうちの少なくともいくつかは、前記第１の金属領域に囲まれた非金属の核領域を更に有する、請求項１に記載のコンポーネント。
【請求項９】
それぞれの前記基材粒子の前記第１の金属領域は、厚さが前記基材粒子の前記第２の金属の層の厚さよりも厚い、請求項８に記載のコンポーネント。
【請求項１０】
コンポーネントを製造する方法であって、
第１の面と、該第１の面から離れた第２の面とを有する基板を準備するステップであって、該基板は熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃よりも小さく、該基板は前記第１の面から前記第２の面に向かって延在する開口部を有する、準備するステップと、
前記開口部内に複数の基材粒子を堆積させるステップであって、それぞれの基材粒子は、第１の金属領域と、該第１の金属領域を被覆する第２の金属層とを含み、該第２の金属層は融点が４００℃よりも低く、前記第１の金属領域は融点が５００℃以上である、堆積させるステップと、
それぞれの前記第２の金属層が前記基材粒子を溶融して互いと一体にして前記開口部内に延在する連続的な導電性ビアを形成するように、前記基材粒子を加熱するステップであって、前記導電性ビアは、前記接合された基材粒子同士の間に散在する間隙領域を有し、該間隙領域は前記導電性ビアの体積の１０％以上を占める、加熱するステップと
を含んでなり、
それぞれの前記基材粒子は、前記第１の金属領域と前記第２の金属層との間のバリア層を含む、コンポーネントを製造する方法。
【請求項１１】
前記接合された基材粒子同士の間に散在し、前記導電性ビアの体積の１０％以上を占める前記間隙領域は、空気で充填されている、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記基材粒子は液体キャリア材料内に設けられており、前記液体キャリア材料は流動性の成分を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
コンポーネントを製造する方法であって、
第１の面と、該第１の面から離れた第２の面とを有する基板を準備するステップであって、該基板は熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃よりも小さく、該基板は前記第１の面から前記第２の面に向かって延在する開口部を有する、準備するステップと、
前記開口部内に複数の基材粒子を堆積させるステップであって、それぞれの基材粒子は、第１の金属領域と、該第１の金属領域を被覆する第２の金属層とを含み、該第２の金属層は融点が４００℃よりも低く、前記第１の金属領域は融点が５００℃以上である、堆積させるステップと、
それぞれの前記第２の金属層が前記基材粒子を溶融して互いと一体にして前記開口部内に延在する連続的な導電性ビアを形成するように、前記基材粒子を加熱するステップであって、前記導電性ビアは、前記接合された基材粒子同士の間に散在する間隙領域を有し、該間隙領域は前記導電性ビアの体積の１０％以上を占める、加熱するステップと
を含んでなり、
前記第２の金属層は前記第１の金属領域を被覆するバイメタル層であり、前記加熱するステップは、前記基材粒子を転移液相反応温度まで加熱し、それぞれの前記バイメタル層は前記第１の金属領域の回りで低融点共晶を形成する、コンポーネントを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超小型電子デバイスのパッケージング、特に半導体デバイスのパッケージングに関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１１年６月９日に出願された米国特許出願第１３／１５６，６０９号の継続出願であり、その米国特許出願の開示は本明細書に引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【背景技術】
【０００３】
超小型電子素子は、一般にダイ又は半導体チップと呼ばれる、シリコン又はガリウムヒ素等の半導体材料の薄いスラブを一般的に備えている。半導体チップは、一般的に、個々の予めパッケージされたユニットとして提供される。いくつかのユニット設計では、半導体チップは基板又はチップキャリアに実装され、その基板又はチップキャリアは更にプリント回路基板（以下、「ＰＣＢ」（Printed Circuit Board）とよぶ）等の回路パネル上に実装される。
【０００４】
半導体チップの第１の面（例えば表面）には能動回路が作製される。能動回路との電気的接続を容易にするように、チップは同じ面上にボンドパッドを設けられる。ボンドパッドは通常、ダイのエッジの周囲に、又は多くのメモリデバイスの場合にはダイの中央に、規則的なアレイに配置される。ボンドパッドは一般的に、約０．５μｍ厚の銅又はアルミニウム等の導電性金属から形成される。ボンドパッドは、単一層又は複数層の金属を含みうる。ボンドパッドのサイズはデバイスタイプによって異なるが、通常は一辺が数十ミクロンから数百ミクロンである。
【０００５】
シリコン貫通ビア（以下、「ＴＳＶ」（Through-Silicon Via）とよぶ）を用いて、ボンドパッドが半導体チップの第１の面とは反対側の第２の面（例えば裏面）に接続される。従来のビアは、半導体チップを貫通するホールと、第１の面から第２の面までホールを通って延在する導電性材料とを有している。ボンドパッドをビアに電気的に接続することにより、ボンドパッドと半導体チップの第２の面の導電性素子との連通を可能にすることができる。
【０００６】
従来のＴＳＶホールは、能動回路を含むように使用することができる第１の面の部分を低減する可能性がある。このように、能動回路に使用することができる第１の面の利用可能な空間が低減することにより、各半導体チップを製造するのに必要なシリコンの量が増大する可能性があり、それにより、各チップのコストが増大する可能性がある。
【０００７】
従来のビアには、ビアの内側の非最適な応力分布と、例えば半導体チップとチップが結合される構造体との間の熱膨張係数（以下、「ＣＴＥ」（Coefficient of Thermal Expansion）とよぶ）の不整合とのために、信頼性の問題がある可能性がある。例えば、半導体チップ内の導電性ビアが、比較的薄くかつ堅い誘電材料によって絶縁されている場合、ビア内に著しい応力が存在する可能性がある。さらに、半導体チップがポリマー基板の導電性素子に結合されている場合、チップと基板のＣＴＥがより高い構造との間の電気的接続が、ＣＴＥ不整合のために応力を受けることになる。
【０００８】
チップのいかなる物理的構成においても、サイズは重要な考慮事項である。チップのより小型の物理的構成に対する要求は、携帯型電子デバイスの急速な発展により、更に強くなってきている。単に例として、一般に「スマートフォン」と呼ばれるデバイスは、携帯電話の機能を、強力なデータプロセッサ、メモリ、並びに全地球測位システム受信機、電子カメラ及びローカルエリアネットワーク接続等の補助デバイスを、高解像度ディスプレイ及び関連する画像処理チップと一体化している。このようなデバイスは、完全なインターネット接続、最大解像度の映像を含むエンターテイメント、ナビゲーション、電子銀行等の機能を、全てポケットサイズのデバイスで提供することができる。複雑な携帯型デバイスでは、多数のチップを小さい空間に詰め込む必要がある。さらに、チップのうちのいくつかは、一般に「Ｉ／Ｏ」と呼ばれる多くの入出力接続を有している。これらのＩ／Ｏを、他のチップのＩ／Ｏと相互接続しなければならない。相互接続は、短くあるべきであり、信号伝播遅延を最小限にするように低インピーダンスであるべきである。相互接続を形成するコンポーネントは、アセンブリのサイズを大幅に増大させるべきではない。同様の必要性は、例えばインターネット検索エンジンで使用されるもの等のデータサーバにおける用途等の、他の用途でも発生する。例えば、複雑なチップ間に多数の短い低インピーダンス相互接続を提供する構造により、検索エンジンの帯域幅を増大させ、その電力消費量を低減することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体ビアの形成及び相互接続において上記のような進歩があったが、電気的相互接続の信頼性を向上させつつ半導体チップのサイズを最小にするためには、依然として改善が必要である。本発明のこれらの特徴は、以下に説明する超小型電子パッケージの構造によって達成することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、コンポーネントは、第１の面と第１の面から離れた第２の面とを有する基板と、前記第１の面と前記第２の面とを結ぶ方向に延在する開口部と、該開口部内に延在する導電性ビアとを含みうる。前記基板は、ＣＴＥが１０ｐｐｍ／℃よりも小さいものとすることができる。前記導電性ビアは、それぞれが、第１の金属とは異なる第２の金属の層で略被覆された、前記第１の金属でできた第１の領域を有する、複数の基材粒子を含みうる。前記基材粒子同士は冶金接合されることができ、前記粒子の前記第２の金属層は、前記第１の領域内に少なくとも部分的に拡散することができる。前記導電性ビアは、前記接合された基材粒子同士の間に散在する空隙を有することができる。該空隙は前記導電性ビアの体積の１０％以上を占めることができる。
【００１１】
特定の実施形態において、上記コンポーネントは、前記接合された基材粒子同士の間に散在し前記開口部内で前記第１の面及び第２の面のうちの少なくとも一方から少なくとも貫入深さまで延在するポリマー媒体も含みうる。一実施形態において、上記コンポーネントは、前記接合された基材粒子同士の間に散在し前記開口部内で前記第１の面及び第２の面のうちの少なくとも一方から少なくとも貫入深さまで延在するポリマー媒体も含みうる。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、コンポーネントは、第１の面と第１の面から離れた第２の面とを有する基板と、前記第１の面と前記第２の面とを結ぶ方向に延在する開口部と、該開口部内に延在する導電性ビアとを含みうる。前記基板は、ＣＴＥが１０ｐｐｍ／℃未満でありうる。前記導電性ビアは、それぞれが、第１の金属とは異なる第２の金属の層で略被覆された、前記第１の金属でできた第１の領域を有する、複数の基材粒子を含みうる。前記基材粒子同士は冶金接合されることができ、前記粒子の前記第２の金属層は、前記第１の領域内に少なくとも部分的に拡散することができる。前記導電性ビアは、前記接合された基材粒子同士の間に散在し前記開口部内で前記第１の面及び第２の面のうちの少なくとも一方から少なくとも貫入深さまで延在する、はんだを含みうる。
【００１３】
例示的な一実施形態において、前記貫入深さは前記導電性ビアの高さと等しいものでありうる。特定の実施形態において、前記導電性ビアは、前記接合された基材粒子同士の間に散在する空隙も有することがある。該空隙は前記導電性ビアの体積の１０％以上を占めることができる。一実施形態において、前記基板は、前記第２の面に隣接する複数の能動半導体デバイスを実装することができ、前記導電性ビアは、前記第２の面における複数の導電性素子のうちの少なくとも１つと電気的に接続することができる。例示的な一実施形態において、前記導電性ビアは、前記導電性パッドと電気的に接続された前記基板内の第２の導電性ビアに接続することができる。特定の実施形態において、前記第２のビアは不純物をドープした半導体材料を含みうる。一実施形態において、前記開口部は、前記基板の前記第１の面と前記第２の面との間に延在することができる。
【００１４】
特定の実施形態において、前記基板は、半導体材料、セラミックス、及びガラスからなる群から選択される材料でありうる。例示的な一実施形態において、それぞれの前記第１の金属領域は、銅及び銅を含む合金からなる群から選択された金属でありうる。一実施形態において、それぞれの前記第２の金属層は、銀、銅、インジウム、亜鉛、及びビスマスからなる群から選択された金属を含む錫合金でありうる。特定の実施形態において、前記第２の金属層のうちの少なくともいくつかの部分は、溶融温度が前記第１の金属領域よりも低いものとすることができる。例示的な一実施形態において、前記導電性ビアのヤング率は、最大で前記ビアに含まれる前記金属のヤング率の５０％とすることができる。一実施形態において、前記基材粒子の平均長さは、最大で前記導電性ビアの平均直径の半分とすることができる。特定の実施形態において、それぞれの前記基材粒子の前記第２の金属層は、厚さが前記基材粒子の厚さの２％から２５％の間とすることができる。
【００１５】
一実施形態において、前記開口部は前記第１の面から前記第２の面に向かって延在する内面を画定することができる。コンポーネントは、該内面をコーティングする絶縁誘電体層も含みうる。該誘電体層は少なくとも前記開口部内において前記導電性ビアを前記基板から分離し絶縁することができる。例示的な一実施形態において、コンポーネントは、前記誘電体層の上にある第３の金属層も含みうる。特定の実施形態において、前記基材粒子のうちの少なくともいくつかは、前記第２の金属層によって前記第３の金属層に冶金接合することができる。
【００１６】
特定の実施形態において、前記基材粒子のうちの少なくともいくつかは、前記第１の金属領域に囲まれた非金属の核領域も有することがある。例示的な一実施形態において、それぞれの前記非金属の核領域は、シリカ、セラミックス、グラファイト、及びポリマーからなる群から選択される材料でありうる。特定の実施形態において、それぞれの前記基材粒子の前記第１の金属領域は、厚さが前記基材粒子の前記第２の金属層の厚さよりも厚いものとすることができる。一実施形態において、前記非金属の核領域は固体の無機誘電材料とすることができる。前記導電性ビアのヤング率は、最大で、前記ビア内に含まれる前記金属及び前記固体の無機誘電材料のヤング率の５０％とすることができる。
【００１７】
本発明の更に他の態様によれば、コンポーネントは、第１の面と第１の面から離れた第２の面とを有する基板と、前記第１の面と前記第２の面とを結ぶ方向に延在する開口部と、該開口部内に延在する導電性ビアとを含みうる。前記基板は、ＣＴＥが１０ｐｐｍ／℃未満でありうる。前記導電性ビアは、それぞれが、第１の金属とは異なる第２の金属の層で略被覆された、前記第１の金属でできた第１の領域を有する、複数の基材粒子を含みうる。前記基材粒子同士は冶金接合することができる。前記粒子の前記第２の金属層は、前記第１の領域内に少なくとも部分的に拡散することができる。前記導電性ビアは、該導電性ビアの体積の少なくとも１０％である体積を占める間隙粒子を含みうる。
【００１８】
例示的な一実施形態において、前記間隙粒子はＣＴＥが１０ｐｐｍ／℃よりも小さいものとすることができる。一実施形態において、前記導電性ビアのヤング率は、最大で、前記ビア内に含まれる前記間隙粒子の前記金属及び前記材料のヤング率の５０％とすることができる。特定の実施形態において、前記間隙粒子のうちの少なくともいくつかは第３の金属粒子でありうる。例示的な一実施形態において、前記間隙粒子のうちの少なくともいくつかは非金属の核領域を有することがある。該非金属は、シリカ、セラミックス、グラファイト、及びポリマーからなる群から選択することができる。一実施形態において、それぞれの前記非金属の核領域は、第３の金属層に囲まれていることがある。
【００１９】
本発明の更なる態様は、本発明の上述した態様による超小型電子構造体、本発明の上述した態様による複合チップ、又はその両方を、他の電子デバイスとともに組み込んだシステムを提供する。例えば、本システムを単一のハウジング内に配置することができる。このハウジングは携帯型ハウジングとすることができる。本発明のこの態様の好ましい実施形態によるシステムは、同等の従来システムよりも小型にすることができる。
【００２０】
本発明のまた別の態様によれば、コンポーネントを製造する方法が、第１の面と、第１の面から離れた第２の面とを有する基板を準備するステップであって、該基板はＣＴＥが１０ｐｐｍ／℃よりも小さく、該基板は前記第１の面から前記第２の面に向かって延在する開口部を有する、準備するステップを含みうる。本方法は、前記開口部内に複数の基材粒子を堆積させるステップであって、それぞれの該基材粒子は、第１の金属領域と、該第１の金属領域を被覆する第２の金属層とを含み、該第２の金属層は融点が４００℃よりも低く、前記第１の金属領域は融点が５００℃以上である、堆積させるステップも含みうる。本方法は、それぞれの前記第２の金属層が前記基材粒子を溶融して互いと一体にして前記開口部内に延在する連続的な導電性ビアを形成するように、前記基材粒子を加熱するステップであって、該導電性ビアは、前記接合された基材粒子同士の間に散在する空隙を有し、該空隙は前記導電性ビアの体積の１０％以上を占める、加熱するステップを更に含みうる。
【００２１】
一実施形態において、前記基板は、前記第２の面に隣接する複数の能動半導体デバイスを実装することができる。前記導電性ビアは、前記第２の面における複数の導電性素子のうちの少なくとも１つと電気的に接続することができる。例示的な一実施形態において、本方法は、前記基材粒子を加熱するステップの後に、前記第１の面を平坦化するステップも含みうる。特定の実施形態において、本方法は、前記接合された基材粒子同士の間に散在する前記空隙のうちの少なくともいくつかの中にポリマー媒体を堆積させるステップも含みうる。該ポリマー媒体は、前記開口部内で前記第１の面及び第２の面のうちの少なくとも一方から少なくとも貫入深さまで延在することができる。一実施形態において、本方法は、前記接合された基材粒子同士の間に散在する前記空隙のうちの少なくともいくつかの中にはんだを堆積させるステップも含みうる。該はんだは、前記開口部内で前記第１の面及び第２の面のうちの少なくとも一方から少なくとも貫入深さまで延在することができる。
【００２２】
特定の実施形態において、それぞれの前記第１の金属領域は、銅、ニッケル、アルミニウム、及びタングステン、並びに銅を含む合金からなる群から選択された金属でありうる。例示的な一実施形態において、それぞれの前記第２の金属層は、錫、ビスマス、インジウム、カドミウム、セレン、亜鉛、及びその合金からなる群から選択された金属でありうる。一実施形態において、それぞれの前記基材粒子は、前記第１の金属領域と前記第２の金属層との間のバリア層を含みうる。特定の実施形態において、前記基材粒子は液体キャリア材料内に設けることができる。例示的な一実施形態において、前記開口部内に前記基材粒子を堆積させる前記ステップは、吐出、インクジェット印刷、レーザ印刷、スクリーン印刷、又はステンシルによって行うことができる。一実施形態において、前記液体キャリア材料は前記加熱ステップの結果蒸発することができる。特定の実施形態において、前記液体キャリア材料は流動性の成分を含みうる。例示的な一実施形態において、本方法は、前記加熱ステップの間又は後に、前記流動性の成分を除去するように真空処理を行うステップも含みうる。
【００２３】
例示的な一実施形態において、前記第２の金属層は前記第１の金属領域を被覆するバイメタル層とすることができる。前記加熱するステップは、前記基材粒子を転移液相反応温度まで加熱することができる。それぞれの前記第２のバイメタル層は前記第１の金属領域の回りで低融点共晶を形成することができる。一実施形態において、前記基材粒子のうちの隣接するもの同士のうちの少なくともいくつかの前記低融点共晶は、前記互いに隣接する基材粒子の前記第１の金属領域内へと拡散することができる。特定の実施形態において、それぞれの前記第２のバイメタル層は、錫の層と、銀、銅、インジウム、亜鉛、及びビスマスからなる群から選択された金属を含む合金の層とを含みうる。例示的な一実施形態において、前記開口部は前記第１の面から前記第２の面に向かって延在する内面を画定することができる。本方法は、前記導電性ビアを形成する前記ステップの前に、前記内面をコーティングする絶縁誘電体層を堆積させるステップも含みうる。
【００２４】
一実施形態において、本方法は、前記導電性ビアを形成する前記ステップの前に、前記誘電体層の上にあり前記開口部の内側を覆う第３の金属層を形成するステップも含みうる。特定の実施形態において、前記導電性ビアを形成する前記ステップは、前記基材粒子のうちの少なくともいくつかを前記第３の金属層に冶金接合することができる。例示的な一実施形態において、前記開口部内に前記基材粒子を堆積させる前記ステップは、前記基材粒子と間隙粒子との混合物を前記開口部内に堆積させるステップを含みうる。前記間隙粒子は前記導電性ビアの構造体に組み込むことができる。
【００２５】
特定の実施形態において、前記間隙粒子のうちの少なくともいくつかは第３の金属粒子でありうる。一実施形態において、前記間隙粒子は、銀、金、タングステン、モリブデン、及びニッケルからなる群から選択された少なくとも１つの金属を含む。例示的な一実施形態において、前記間隙粒子のうちの少なくともいくつかは非金属の核領域を有することがある。該非金属は、シリカ、セラミックス、グラファイト、及びポリマーからなる群から選択することができる。特定の実施形態において、前記基材粒子のうちの少なくともいくつかは、前記第１の金属領域に囲まれた非金属の核領域を有することがある。一実施形態において、それぞれの前記非金属の核領域は、シリカ、セラミックス、グラファイト、及びポリマーからなる群から選択される材料でありうる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ−１Ｄ】図１Ａは、本発明の一実施形態による積層型超小型電子アセンブリの概略断面図である。図１Ｂは、本発明による導電性ビアを示す、図１Ａの一部の拡大部分断面図である。図１Ｃは、本発明による導電性ビアを示す、図１Ａの一部の拡大部分断面図である。図１Ｄは、図１Ｃの代替的な実施形態の拡大部分断面図である。
【図１Ｅ．１Ｆ】図１Ｅは、隣接する基材粒子同士の間の電気的接続を示す、図１Ｂの一部の拡大部分断面図である。図１Ｆは、基材粒子と開口部内面との接触を示す、図１Ｂの一部の拡大部分断面図である。
【図２】図２Ａおよび図２Ｂは、図１Ｆの代替的な実施形態の拡大部分断面図である。
【図３】図１Ａのコンポーネントを製造する方法の例示的な一方法における各プロセスを示すフローチャートである。
【図４】図４Ａは、図１Ｂの代替的な実施形態の拡大部分断面図である。図４Ｂは、金属層でコーティングした間隙粒子を示す、図４Ａの一部の拡大部分断面図である。
【図５】図１Ａの基材粒子の代替的な実施形態の拡大部分断面図である。
【図６】図１Ａの基材粒子の別の代替的な実施形態の拡大部分断面図である。
【図７】本発明の一実施形態によるシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、コンポーネント１０は、裏面すなわち第１の面２１と第１の面から離れた表面すなわち第２の面２２とを有するシリコン基板２０と、第１の面と第２の面との間のそれぞれの開口部３０内でシリコン基板２０を貫いて延在する複数の導電性ビアすなわちシリコン貫通ビア４０とを含みうる。コンポーネント１０は、超小型電子素子の導電性素子１１を通じて基板２０に電気的に接続された、第１の面２１に隣接する超小型電子素子１４も含みうる。コンポーネント１０は、第２の面２２に隣接するパッケージ基板すなわちＰＣＢ１２と電気的に接続することができる。
【００２８】
いくつかの実施形態において、基板２０は、半導体チップ、ウエハ等とすることができる。基板２０は、好ましくは熱膨張係数（「ＣＴＥ」）が１０×１０−６／℃（すなわちｐｐｍ／℃）未満である。特定の実施形態において、基板２０はＣＴＥが７ｐｐｍ／℃未満でありうる。基板２０は、本質的にシリコン等の無機材料からなることがある。基板２０がシリコン等の半導体からできている実施形態では、基板内の、第１の面２１又は第２の面２２に隣接して位置するその能動半導体領域２３において、複数の能動半導体デバイス（例えば、トランジスタ、ダイオード等）を実装する（embodied）ことができる。基板２０の、第２の面２２と第１の面２１との間の厚さは、通常２００μｍ未満であり、それよりも非常に小さく、例えば１３０μｍ、７０μｍ、又は更に小さくすることができる。特定の実施形態において、基板２０は、半導体材料、セラミックス、及びガラスからなる群から選択される材料で作製することができる。
【００２９】
図１Ａにおいて第１の面２１に平行な方向を、本明細書においては「水平」又は「横」方向と称するのに対し、第１の面に垂直な方向を、本明細書においては上向きの又は下向きの方向と称し、本明細書においてはまた「鉛直」方向とも称する。本明細書において称する方向は、言及する構造体の基準系におけるものである。したがって、これらの方向は、標準基準系すなわち重力基準系に対していかなる向きであってもよい。１つの特徴部が「或る面の上方」で別の特徴部より高く配置されている、という表現は、その１つの特徴部が他方の特徴部よりも、その面から同じ垂直方向に、より大きな距離だけ離れている、ということを意味する。逆に、１つの特徴部が「或る面の上方」で別の特徴部より低く配置されている、という表現は、その１つの特徴部が他方の特徴部よりも、その面から同じ垂直方向に、より小さな距離だけ離れている、ということを意味する。
【００３０】
基板２０は、第２の面２２において露出している、導電性パッド２４等の複数の導電性素子も含みうる。図１Ａ及び図１Ｂには具体的に示していないが、能動半導体領域２３における能動半導体デバイスは、存在している場合には通常、導電性パッド２４に導電接続されている。したがって能動半導体デバイスは、基板２０の１つ又は複数の誘電体層の中又は上方に延在している、組み込まれた配線を通じて導電的にアクセス可能である。いくつかの実施形態（図示せず）においては、導電性パッド２４を基板２０の第２の面２２において直接露出させなくてもよい。その代わりに、導電性パッド２４を、基板２０の第２の面２２において露出している端子まで延在するトレースに電気的に接続することができる。導電性パッド２４及び本明細書において開示するいかなる他の導電性構造体も、例えば、銅、アルミニウム、又は金を含む、任意の導電性金属で作製することができる。導電性パッド２４及び本明細書において開示するいかなる導電性パッドも、円形、楕円形、三角形、正方形、長方形、又は任意の他の形状を含む、任意の上面から見た形状を有することがある。
【００３１】
本開示において用いられる、導電性素子が基板の面「において露出している」という表現は、基板のその面に垂直な方向に、基板の外側から基板のその面に向かって動いている理論上の点に、その導電性素子が接触することができる、ということを示している。したがって、基板の面において露出している端子又は他の導電性素子は、そのような面から突出していてもよく、そのような面と同一平面上にあってもよく、そのような面に関して引っ込んでいて基板の孔又は窪みを通して露出していてもよい。
【００３２】
基板２０は、第２の面２２と導電性パッド２４との間に位置する誘電体層（図示せず）を更に含みうる。このような誘電体層は、導電性パッド２４をシリコン基板２０から電気的に絶縁することができる。この誘電体層を、基板２０の「パッシベーション層と呼ぶことができる。誘電体層は、無機若しくは有機の誘電材料又はその両方を含みうる。誘電体層は、電着コンフォーマルコーティング又は他の誘電材料、例えば光画像形成可能（photoimageable）ポリマー材料、例えばはんだマスク材料を含みうる。基板２０は、第１の面２１の上にある別の誘電体層（図示せず）を更に含みうる。一例において、このような誘電体層は、存在している場合には、導電性素子を基板２０の第１の面２１から電気的に絶縁することができる。
【００３３】
本明細書において説明する実施形態において、第１の面２１又は第２の面２２の上にある誘電体層は、厚さを基板２０の厚さよりも実質的に薄くすることができ、誘電体層のＣＴＥが基板材料のＣＴＥよりも実質的に高い場合であっても、基板の実効ＣＴＥが基板材料のＣＴＥと略等しくなることができるようになっている。一例において、基板２０は実効ＣＴＥが１０ｐｐｍ／℃未満とすることができる。
【００３４】
基板２０は、第１の面２１から基板の厚さＴを部分的に又は完全に貫いて第２の面２２に向かって延在する、複数の開口部３０を含みうる。図示の実施形態において、それぞれの開口部３０は、第１の面２１から導電性パッド２４のうちの対応する１つまで延在している。開口部３０は、例えばｍ個×ｎ個のアレイを含む、任意の上面から見た幾何学的形状を有することができる。ｍとｎとはそれぞれ１よりも大きい。
【００３５】
それぞれの開口部３０は、第１の面２１から第２の面２２に向かって延在する内面３１を有する。内面３１は、導電性パッド２４から基板２０を通って、第２の面２２によって規定される水平面に対して０度から９０度の間の角度で延在することができる。内面３１は、一定の傾斜又は変化する傾斜を有することができる。例えば、第２の面２２によって規定される水平面に対する内面３１の角度すなわち傾斜は、内面が第１の面２１に向かって貫入するにしたがって小さくなる（すなわち、正方向の大きさが小さくなる又は負方向の大きさが小さくなる）ことができる。特定の実施形態において、それぞれの開口部３０は、対応する導電性パッド２４から第１の面２１に向かう方向に先細りになっていることができる。いくつかの例において、それぞれの開口部３０は、例えば、とりわけ円錐台形、円柱、立方体、又は角柱を含む、任意の三次元形状を有することがある。
【００３６】
複数の開口部３０は、開口部３０のそれぞれの中に延在する複数の導電性ビア４０を含みうる。それぞれの導電性ビアは、それぞれの導電性パッド２４と、超小型電子素子１４等の別の素子と相互接続を行う、第１の面２１において露出している導電性コンタクト（図示せず）との間に延在している。特定の実施形態において、第１の導電性ビア及び第２の導電性ビア４０は、それぞれ第１の電位及び第２の電位に接続可能とすることができる。一例において、導電性ビア４０のうちの少なくともいくつかは、それぞれがそれぞれの導電性パッド２４と電気的に接続された基板２０内の第２の導電性ビア（図示せず）と電気的に接続することができる。そのような第２の導電性ビアは、不純物をドープした半導体材料を含みうる。
【００３７】
導電性ビア４０（又は本明細書において説明する任意の他の導電性素子）のそれぞれと、基板２０の外部のコンポーネントとの間の接続は、導電性塊２８等の導電性塊すなわち導電性接合材料を通してのものとすることができる。図１Ａに示すように、それぞれのはんだボール２８は、基板２０の導電性パッド２４を、パッケージ基板１２の対応する導電性パッド２７に電気的に接続することができる。そのような導電性塊は、溶融温度が比較的低い可融金属、例えば、はんだ、錫、又は複数の金属を含む共融混合物を含みうる。代替的には、そのような導電性塊は、濡れ性金属、例えば、銅、又ははんだ若しくは別の可融金属よりも溶融温度が高い他の貴金属若しくは非貴金属を含みうる。そのような濡れ性金属は、対応する特徴部、例えば相互接続素子の可融金属でできた特徴部と接合することができる。特定の実施形態において、そのような導電性塊は、媒体内に散在する導電性材料、例えば導電性ペースト、例えば金属充填ペースト、はんだ充填ペースト、又は等方性の導電性接着剤若しくは異方性の導電性接着剤を含みうる。
【００３８】
それぞれの導電性ビア４０は、第２の面２２において単一の共通の導電性パッド２４に、第１の面２１において導電性コンタクトに電気的に接続することができる、複数の接合された基材粒子５０を含みうる。代替的には、それぞれの導電性ビア４０は、超小型電子素子１４及びパッケージ基板１２等、他の素子と電気的相互接続される基板２０の第１の面２１及び第２の面２２のうちの少なくとも一方において露出している接触部を有することができる。一実施形態において、それぞれの導電性ビア４０は、対応する導電性パッド２４を通してその底面２５から面２６まで延在することができる。特定の実施形態において、それぞれの導電性ビア４０は、第２の面２２において複数の導電性パッド２４のうちの少なくとも１つと電気的に接続することができる。一例において、基材粒子５０は、平均長さＬが最大で導電性ビア４０の平均直径Ｄの半分とすることができる。
【００３９】
それぞれの導電性ビア４０は、接合された基材粒子５０同士の間に散在する空隙６０も有することがある。このような空隙６０（及び本明細書において説明する他の空隙の全て）は、空気で充填することができる。一例において、空隙は導電性ビア４０の体積の１０％以上を占めることができる。
【００４０】
例示的な実施形態において、このような空隙６０は、基板２０内での、及び／又は第２の面２２において導電性パッド２４に対する、若しくは第１の面２１において導電性コンタクトに対する応力を、空隙が存在しない場合ほど発生させることなく膨張する更なる余地を導電性ビア４０の基材粒子５０に提供することができる。特に基板２０の材料のＣＴＥと導電性ビア４０の材料のＣＴＥとが比較的大きくずれている場合、このような空隙によって、このような実施形態における超小型電子ユニット１０の性能を改善することができる。
【００４１】
それぞれの導電性ビア４０は、第１の面２１及び第２の面２２のうちの少なくとも一方に隣接して位置する境界領域６５を有することができる。それぞれの境界領域６５は、例えば、開口部３０内で接合された基材粒子５０同士の間に散在し第１の面２１又は第２の面２２のそれぞれから貫入深さＤ１又はＤ２まで延在する、はんだ又はポリマーの媒体を含みうる。
【００４２】
基板２０が、第２の面２２に隣接して位置するその能動半導体領域２３において内部に実装された複数の能動半導体デバイスを含む、特定の実施形態において、コンポーネント１０は図１Ａの代替の構成を有することができる。そのようなコンポーネント１０の代替の構成において、基板２０の第２の面２２は超小型電子素子１４に隣接して配置することができ、基板の導電性素子（例えば導電性パッド２４）は、例えばはんだ等の導電性塊を用いて、超小型電子素子の導電性素子１１と接合することができる。そのような実施形態において、基板２０の第１の面２１はパッケージ基板１２に隣接して配置することができ、基板２０の第１の面２１における導電性素子は、はんだボール２８等の導電性塊を通してパッケージ基板１２の導電性素子２７に接合することができる。
【００４３】
図１Ｃに示す代替的な導電性ビアの実施形態において、それぞれの導電性ビア４０’ははんだ領域６６を含むことができ、はんだ領域６６において、はんだは接合された基材粒子５０同士の間に散在し貫入深さを貫いて延在する。貫入深さは、導電性ビアの高さＨと等しいものとすることができる。
【００４４】
図１Ｄに示す別の代替的な導電性ビアの実施形態において、それぞれの導電性ビア４０’’は、基板２０の第１の面２１の上方に延在する基材粒子５０を含みうる。一例において、基材粒子５０は基板２０の第１の面２１の上にあることができる。導電性ビア４０’’ははんだ領域６７を含むことができ、はんだ領域６７において、はんだは、基板２０の開口部３０の中及び第１の面２１の上方において、接合された粒子５０同士の間に散在する。特定の実施形態において、基材粒子５０は最初に、基板２０の第１の面２１の上方に延在するよう開口部３０内に堆積させることができ、基材粒子同士が接合される前に導電性ビア４０’’を第１の面に合わせて平坦化し、それによって図１Ｃに示す導電性ビア４０’を結果として得ることができる。一例（図示せず）において、それぞれの導電性ビアは、基板２０の第１の面２１及び第２の面２２のうちの一方又は両方の下方に引っ込んだ位置に延在する基材粒子５０を含みうる。
【００４５】
図１Ｅに示すように、それぞれの基材粒子５０は、第２の金属層５２で略被覆された、第１の金属でできた第１の領域５１を含みうる。それぞれの基材粒子５０は、第２の金属層のうちの少なくともいくつかの部分は第１の金属領域よりも溶融温度が低くなるように、それぞれの第２の金属層５２を構成する金属とは異なる金属でできた第１の金属領域５１を含みうる。隣接する基材粒子５０同士は、自身の第２の金属層５２によって冶金接合することができる。隣接する接合された粒子５０同士の第２の金属層５２は、接合された粒子の第１の領域５１内に少なくとも部分的に拡散することができる。特定の例において、それぞれの基材粒子５０の第２の金属層５２は、厚さが基材粒子の厚さの２％から２５％の間とすることができる。
【００４６】
例示的な実施形態において、それぞれの第１の金属領域５１は、銅及び銅を含む合金からなる群から選択された金属とすることができる。一例において、それぞれの第２の金属層は、銀、銅、インジウム、亜鉛、及びビスマスからなる群から選択された金属を含む錫合金とすることができる。一例において、それぞれの第２の金属層５２は、融点が４００℃よりも低いものとすることができ、それぞれの第１の金属領域５１は、融点が５００℃以上とすることができる。一例において、導電性ビア４０のヤング率は、最大で導電性ビアに含まれる金属（例えば、基材粒子５０及び金属層８０）のヤング率の５０％とすることができる。
【００４７】
一実施形態において、図１Ｆに示すように、特定の開口部３０の内面３１は露出していて、導電性ビア４０の、導電性ビア４０を貫いて延在する粒子５０と接触することができる。
【００４８】
別の例において、図２Ａに示すように、特定の開口部３０の内面３１は、対応する導電性ビア４０が絶縁誘電体層内に延在するように、第１の面２１と第２の面２２との間に延在する絶縁誘電材料７０でコーティングすることができる。そのような絶縁誘電体層７０によって、少なくとも開口部内において、導電性ビア４０を基板２０の材料から分離し電気的に絶縁することができる。一例において、そのような絶縁誘電体層７０は、開口部３０内で露出している内面３１をコンフォーマルコーティングすることができる。絶縁誘電材料７０は、無機若しくは有機の誘電材料又はその両方を含みうる。特定の実施形態において、絶縁誘電材料７０はコンプライアントな（compliant）誘電材料を含んでおり、その係数と厚さとの積がコンプライアンシ（compliancy）を提供するように絶縁誘電材料の弾性係数を十分低くするとともに厚さを十分にすることができる。
【００４９】
更に他の例において、図２Ｂに示すように、絶縁誘電体層７０と特定の開口部３０の内面３１との上に金属層８０が存在することがある。そのような金属層８０は、開口部３０内で第１の面２１と第２の面２２との間で延在することができる。一例において、金属層８０は、開口部３０内で露出している絶縁誘電体層７０をコンフォーマルコーティングすることができる。特定の実施形態において、金属層８０は、銅、銀、金、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅とタングステンとの合金、及びチタンとタングステンとの合金からなる群から選択された少なくとも１つの金属を含みうる。基材粒子５０のうちの少なくともいくつかは、それぞれの第２の金属層５２によって金属層８０に冶金接合することができる。特定の実施形態において、金属層８０は、基材粒子５０の金属が基板２０内に拡散するのを防止するのに役立つことができるバリア（barrier）材料とすることができる。
【００５０】
また別の例において、金属層８０は、誘電体層７０に隣接するバリア又は接着層を含む、金属の多数の層、及びそのようなバリア又は接着層の上にあって基材粒子５０を接合することができる、別の金属層とすることができる。
【００５１】
特定の例において、基板２０が本質的に誘電材料からなる場合には、絶縁誘電体層７０は省くことができ、基板２０の開口部３０の内面３１に金属層８０が直接接触することができる。
【００５２】
次に、図３に示すフローチャート３００を参照して超小型電子ユニット１０（図１Ａ及び図１Ｂ）を製造する方法を説明する。フローチャート３００のステップ３１０において、基板２０を準備することができる。フローチャート３００のステップ３２０において、第１の面２１から第２の面２２に向かって延在する複数の開口部３０を形成するように、基板２０の第１の面から材料を除去することができる。
【００５３】
開口部３０は例えば、第１の面２１が残る部分を保護することが所望される箇所にマスク層を形成した後、基板２０を選択的にエッチングすることによって、形成することができる。例えば、光画像形成可能層、例えばフォトレジスト層を堆積し、第１の面２１の一部のみを被覆するようパターニングすることができ、その後決められた時間エッチングプロセスを行って開口部３０を形成することができる。
【００５４】
第１の面２１から第２の面２２に向かって下向きに延在する、それぞれの開口部３０の内面３１は傾斜していることができる、すなわち、第１の面に対して垂直な角度（直角）以外の角度をなして延在していることができる。ウェットエッチングプロセス、例えば特に等方性エッチングプロセスとテーパ刃を使用する鋸引きとを用いて、内面３１が傾斜した開口部３０を形成することができる。特に、レーザダイシング、機械的フライス加工を用いて、内面３１が傾斜した開口部３０を形成することもできる。
【００５５】
代替的には、それぞれの開口部３０の内面３１は、傾斜する代わりに、第１の面２１から下向きに、（図１Ａに示すように）第１の面に対して略直角をなす鉛直又は略鉛直方向に延在することができる。特に、異方性エッチングプロセス、レーザダイシング、レーザドリル加工、機械的除去プロセス、例えば、鋸引き、フライス加工、超音波加工を用いて、内面３１が略鉛直の開口部３０を形成することができる。
【００５６】
一例（図示せず）において、そのようなエッチングプロセスを基板の第２の面２２の上方から基板２０に適用して、開口部３０を形成することができる。エッチングプロセスを導電性パッド２４の上方から行うと、開口部３０が導電性パッドを貫いて延在してしまう可能性がある。
【００５７】
開口部３０の形成中に、基板２０の第１の面２１及び／又は第２の面２２の上にあるパッシベーション層の一部分もまた除去することができ、基板２０のエッチング中に、又は別個のエッチングステップとして、そのような部分を貫いてエッチングすることができる。エッチング、レーザドリル加工、機械的フライス加工、又は他の適切な技法を使用して、そのようなパッシベーション層の一部分を除去することができる。
【００５８】
フローチャート３００のステップ３３０において、（図２Ａに示す）特定の実施形態において、開口部３０の形成後、開口部３０の内面３１の上に絶縁誘電体層７０を堆積して、導電性ビア４０が、開口部内に堆積されるときに絶縁誘電体層内で延在するようにすることができる。一例において、それぞれの内面３１をコーティングする絶縁誘電体層７０を堆積することができる。
【００５９】
開口部３０の内面３１の上に絶縁誘電体層を有する一実施形態において、基板の第１の面２１の、そのような誘電体層を形成することが所望されない開口部を有する部分に、マスクを施すことができる。開口部３０のうちの、そのようなコーティングを施していないものは、基板２０の材料に直接接触する部分を有する（図１Ｆに示す）導電性ビア４０で後に満たすことができる。そのような導電性ビア４０は、例えば、導電性パッド２４の接地パッドまで延在する特定の開口部３０に含まれうる。
【００６０】
様々な方法を用いて開口部３０の内面３１の上にそのような絶縁誘電体層７０を形成することができ、そのような方法を、図２Ａを参照して以下に説明する。特定の例において、化学蒸着（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）、プラズマ蒸着、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）等の蒸着プロセスを用いて、開口部３０の内面３１の上に薄い絶縁誘電体層を堆積することができる。一例において、そのような絶縁誘電体層を堆積する低温プロセス中にテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）を用いることができる。例示的な実施形態において、開口部３０の内面３１の上に、二酸化ケイ素、ホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）、ホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）、又はリンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）の層を堆積することができ、そのようなガラスは不純物をドープしてもしなくてもよい。
【００６１】
一例において、流動性の誘電材料を基板２０の第１の面２１に施すことができ、そして、その流動性の材料は「スピンコーティング」操作中に開口部３０の内面３１にわたってより均一に分散でき、その次に、加熱を含みうる乾燥サイクルが続く。別の例において、誘電材料でできた熱可塑性フィルムを第１の面２１に施すことができ、その後アセンブリは加熱されるか、又は真空環境で、すなわち、周囲圧力よりも低圧の環境に配置されて加熱される。
【００６２】
また別の例において、基板２０を含むアセンブリを誘電体堆積浴に浸漬して、コンフォーマル誘電体コーティングすなわち絶縁誘電材料７０を形成することができる。本明細書において用いるとき、「コンフォーマルコーティング」とは、絶縁性の誘電材料７０が開口部３０の内面３１の輪郭に沿う場合等、コーティングされている面の輪郭に沿う特定の材料でできたコーティングのことである。例えば、電気泳動堆積法又は電解堆積法を含む電気化学堆積法を用いて、コンフォーマル誘電材料７０を形成することができる。
【００６３】
一例において、電気泳動堆積法を用いてコンフォーマル誘電体コーティングを形成し、コンフォーマル誘電体コーティングがアセンブリの露出している導電性及び半導電性の面上にのみ堆積するようにすることができる。堆積中、半導体デバイスウエハは所望の電位に保持され、それとは異なる所望の電位に浴を保持するように浴に電極が入れられる。そしてアセンブリは、開口部３０の内面３１沿いを含むがそれに限定されない導電性又は半導電性の基板の露出面に電着したコンフォーマル誘電材料７０を形成するのに十分な時間、適切な条件下でこの浴内に保持される。電気泳動堆積は、それによってコーティングされる面と浴との間に十分強力な電場が維持されている限り起こる。電気泳動によって堆積したコーティングは、その堆積の、例えば電圧、濃度等のパラメータによって決まる或る特定の厚さに達すると堆積が停止するという点で、自己制御的である。
【００６４】
電気泳動堆積によって、基板２０の導電性及び／又は半導電性の面上に、連続的で厚さが均一のコンフォーマルコーティングが形成される。加えて、電気泳動コーティングは、その誘電（非導電）特性のために、基板２０の第１の面２１の上にある残存するパッシベーション層の上に形成されないよう堆積することができる。言い換えれば、電気泳動堆積の特性の１つは、誘電材料の層上には通常形成されず、導体の上にある誘電体層上には、その誘電材料の層の厚さが十分である場合にはその層が誘電性なので、形成されない、ということである。電気泳動堆積は通常、厚さが約１０ミクロンを超え数十ミクロンまでである誘電体層上では起こらない。コンフォーマル誘電材料７０は、陰極エポキシ堆積前駆体から形成することができる。代替的には、ポリウレタン又はアクリルの堆積前駆体を使用することができる。以下の表１に、電気泳動コーティング前駆体のさまざまな組成と供給業者を列挙する。
【００６５】
【表１】
0005941983.tif 000002
【００６６】
別の例において、誘電材料７０は電解によって形成することができる。このプロセスは、堆積した層の厚さが、それが形成される導電性又は半導電性の面に近接していることによって制限されない、という点を除き、電気泳動堆積に類似している。このように、電解堆積誘電体層を、要件に基づいて選択される厚さまで形成することができ、処理時間は達成される厚さの一要因である。
【００６７】
フローチャート３００のステップ３４０では、特定の実施形態（図２Ｂに示す）において、絶縁誘電体層７０の堆積後、絶縁誘電体層とそれぞれの開口部３０の内面３１との上に金属層８０を形成することができる。一例において、それぞれの開口部３０の内側を覆う（lining）金属層８０を形成することができる。
【００６８】
金属層８０を形成するのに、例示的な一方法は、絶縁誘電体層７０の露出している面上への主要金属層のスパッタリングによる形成、めっき、化学蒸着、プラズマ蒸着、又は機械的堆積のうちの１つ以上のものにより金属層を堆積させることを含む。機械的堆積は、コーティングされる面上に加熱された金属粒子の流れを高速で向けることを含みうる。このステップは、例えばブランケット堆積により絶縁誘電体層７０上に行うことができる。
【００６９】
導電性素子を形成するのに使用できる本質的に任意の技法を用いて、金属層８０又は第１の面２１及び第２の面２２の上に他の金属素子を形成することができるが、本明細書に引用することにより本明細書の一部をなす、本願と同一の所有者によって所有される２０１０年７月２３日に出願された米国特許出願第１２／８４２,６６９号においてより詳細に説明されている特定の技法を用いることができる。このような技法は、例えば、面を、導電性素子がその面の他の部分とは異なるように形成される経路に沿って面のそういった部分を処理するように、レーザで、又はフライス加工若しくはサンドブラスト等の機械的プロセスで選択的に処理することを含みうる。例えば、その面から、特定の経路に沿ってのみ、レーザ又は機械的プロセスを用いて犠牲層等の材料をアブレーション又は除去し、そのようにしてその経路に沿って延在する溝を形成することができる。その後その溝内に触媒等の材料を堆積させることができ、溝内に１つ以上の金属層を堆積させることができる。
【００７０】
フローチャート３００のステップ３５０において、開口部３０の形成後（そして所望であれば、誘電体層７０及び金属層８０の形成後）、開口部内に基材粒子を堆積させることができる。特定の実施形態において、後にフローチャート３００のステップ３６０又はステップ３７０で除去することができる液体キャリア材料内に基材粒子５０を入れることができる。開口部３０内への基材粒子５０の堆積は、例えば、吐出、インクジェット印刷、レーザ印刷、スクリーン印刷、又はステンシル（stenciling）によって行うことができる。一実施形態において、液体キャリア材料は流動性の成分を含みうる。そのような堆積ステップは、真空チャンバ内で堆積を行って開口部３０内への基材粒子５０の堆積を助けることによって向上させることができる。代替的には、最初の堆積の間又は後に基板２０の反対側から真空を与えて、基材粒子を開口部３０内に引き込むのを助けることができる。
【００７１】
例示的な実施形態において、基材粒子５０がその中にある状態で開口部３０内に送達される液体キャリア材料は、導電性マトリクス材料を含みうる。その後の焼結プロセスにおいて、基板２０は焼結温度まで加熱することができる。その加熱中に導電性マトリクス材料は変化を受け、それによってその後、基材粒子５０同士を電気的かつ機械的に、永久に接合する。
【００７２】
堆積時、すなわち焼結前、導電性マトリクス材料は、銅や銀等の高融点材料の粒子や薄片と、錫、ビスマス、若しくは錫とビスマスとの組み合わせ等の低融点材料の粒子又は薄片とを含みうる。粒子によっては、金属又は非金属の核、例えばポリマー、シリカ又はグラファイトの核と、その上の、低融点金属等のそれとは異なる金属とを含む構造を有することができる。
【００７３】
いくつかの例において、導電性マトリクス材料は「反応性」すなわち未硬化のポリマーを含みうる。堆積後、次にその構造体を導電性マトリクス材料の焼結温度まで加熱することができる。この焼結プロセス中、高融点金属と低融点金属とが融解して一緒になり、通常は両者の間に金属間化合物を形成し、オープンセルの泡状の外観を有することができる金属の固体マトリクスを形成する。堆積された導電性マトリクス材料は、焼結プロセス中に蒸発等によってその金属成分から出て行き、導電性マトリクス材料内部に空隙ができるようにする媒体を含みうる。代替的には、導電性マトリクス材料は、反応性ポリマー成分を含みうる。ポリマー成分は通常、焼結プロセスの結果、架橋し硬化する。焼結プロセスの結果、ポリマー成分は金属マトリクスの全体にわたって散在状態になることができ、ポリマー材料は通常その金属マトリクスのオープンセル内でつながって一緒になっている。そして、金属マトリクスと全体にわたって散在するポリマーとが、固体の導電性構造体を形成することができる。
【００７４】
或る特定の条件下では、焼結後、導電性マトリクス材料は固体構造体を形成することができ、この固体構造体は焼結プロセスを行う温度よりも実質的に高温でなければ再溶融（reflowed）できない。特に、導電性材料、例えば、銅でできた少なくとももう１つの他の金属成分との金属間化合物の形成において、低融点金属、例えば錫又はビスマスが実質的に使い果たされる場合に、焼結によってこのような結果を得ることができる。
【００７５】
用途によっては、導電性マトリクス材料の焼結温度を、はんだでできた代替的な接続を形成するのに必要な再溶融温度よりも実質的に低い温度にすることができる。銅又は銀等の金属をはんだに加えて、はんだの機械的弾性を向上させ溶融温度を上げることができる。したがって、導電性マトリクス材料で形成した導電性ビア４０の構造体は、対応するはんだ接続よりも低い接合温度で、機械的により強固なシステムを提供することができる。
【００７６】
そのような場合、そのような導電性マトリクス材料の使用は、より高温の接合プロセスに伴う諸問題を回避するのに役立つことができる。例えば、導電性マトリクス材料を用いて達成されるより低温の接合プロセスは、ガラス転移温度が比較的低い有機材料を含む基板内での望ましくない変化を回避するのに役立つことができる。より低温の接合プロセスはまた、超小型電子素子１４と比べて基板２０の熱膨張に差があるということに関する、そのような接合プロセス中の諸問題に対処することができる。この場合、より低温の接合プロセスであればパッケージの信頼性の改善につなげることができる。接合プロセス中の熱エクスカーション（thermal excursion：熱変動）が減ると、組み立てた超小型電子ユニット１０内に閉じ込められる応力低減につなげることができるからである。
【００７７】
特定の例において、導電性マトリクス材料は堆積される流動性の成分を含みうる。この流動性の成分は、焼結プロセス中の酸化の副生成物を除去するのに役立つことができる。一実施形態において、流動性の成分のない導電性マトリクス材料を用いて接合プロセスを行うことができる。そのような場合、低圧の、例えば部分真空の環境、又は、酸素を取り除いたか若しくは別の気体で置換した環境で、接合プロセスを行うことができる。
【００７８】
フローチャート３００のステップ３６０において、開口部３０内に基材粒子５０を堆積させた後、それぞれの第２の金属層５２によって基材粒子同士が互いに溶融して、開口部内に延在する連続的な導電性ビア４０を形成するように、基材粒子を加熱することができる。特定の例において、加熱ステップ３６０の後、導電性ビア４０は、接合された基材粒子５０同士の間に散在する空隙６０を有することができる。そのような空隙６０は、導電性ビア４０の体積の１０％以上を占めることができる。
【００７９】
一例において、４００℃と５００℃との間の温度まで基材粒子を加熱することによって基材粒子５０同士を冶金接合することができるように、それぞれの第２の金属層５２の融点は４００℃よりも低いものとすることができ、それぞれの第１の金属領域５１の融点は５００℃以上とすることができる。一実施形態において、開口部３０のうちの少なくともいくつかにおける基材粒子５０のうちの少なくともいくつかは、それぞれの導電性パッド２４の底面２５にも冶金接合することができる。特定の実施形態において、フローチャート３００の加熱ステップ３６０は、基材粒子５０のうちの少なくともいくつかを金属層８０に冶金接合することができる。一例において、加熱ステップ３６０の後に、第１の面２１を平坦化するステップを行うことができる。
【００８０】
フローチャート３００のステップ３７０において、開口部３０内からキャリア材料を除去することができる。一実施形態において、基材粒子５０を加熱した結果、液体キャリア材料は蒸発することができる。特定の実施形態において、加熱ステップ中又はその後に真空処理を行って開口部３０から流動性の成分を除去することができる。
【００８１】
その後、それぞれの開口部３０内で延在する境界領域６５を形成することができる。境界領域６５がポリマーである実施形態において、絶縁誘電体層７０に関して上述した方法と同様の方法を用いて境界領域を形成することができる。一例において、境界領域６５はフローチャート３００の加熱ステップ３６０及び／又はキャリア除去ステップ３７０の後で導電性ビア４０内に残っている空隙６０のうちの少なくともいくつかの中に堆積されるポリマー媒体とすることができる。そのようなポリマー媒体は、開口部３０内で第１の面２１及び第２の面２２のうちの少なくとも一方から少なくとも貫入深さＤ１及び／又はＤ２まで延在することができる。
【００８２】
境界領域６５がはんだである実施形態において、導電性塊２８に関して上述した方法と同様の方法を用いて境界領域を形成することができる。特定の例において、境界領域６５はフローチャート３００の加熱ステップ３６０及び／又はキャリア除去ステップ３７０の後で導電性ビア４０内に残っている空隙６０のうちの少なくともいくつかの中に堆積されるはんだでありうる。そのようなはんだは、開口部３０内で第１の面２１及び第２の面２２のうちの少なくとも一方から少なくとも貫入深さＤ１及び／又はＤ２まで延在することができる。
【００８３】
図４Ａ及び図４Ｂは、代替の構成を有する図１Ａ及び図１Ｂの導電性ビア４０の変形例を示す。導電性ビア４０ａは、間隙粒子９０及び９０ａを含むということを除き、上述の導電性ビア４０と同じである。特定の実施形態において、例示的な間隙粒子９０及び９０ａのうちの一方又は両方は、導電性ビア４０ａの接合された基材粒子５０同士の間に散在することができる。一例において、間隙粒子９０及び／又は９０ａは、導電性ビア４０ａの構造体に組み込むことができる。一実施形態において、間隙粒子９０及び／又は９０ａは、導電性ビア４０ａの体積の少なくとも１０％の体積を占めることができる。
【００８４】
１つ以上の間隙粒子９０は、図４Ａに示すように単一の材料領域を有することができる。そのような材料が単一の間隙粒子９０は、金属、シリカ、セラミックス、グラファイト、又はポリマー等の材料を含みうる。代替的には、図４Ｂにおいて見てとることができるように、１つ以上の間隙粒子９０ａは、非金属の核領域９１を有することがある。非金属の各領域９１は例えば、シリカ、セラミックス、グラファイト、又はポリマー等の材料を含みうる。そのような非金属の核領域９１は、銅やアルミニウム等の金属でできた第３の金属層９２に囲まれることがある。
【００８５】
特定の実施形態において、それぞれの間隙粒子９０及び／又は９０ａは、ＣＴＥが１０ｐｐｍ／℃よりも小さいものとすることができる。一例において、導電性ビア４０のヤング率は、最大でビアに含まれる金属（例えば、基材粒子５０及び金属層８０）及びビアに含まれる間隙粒子の材料（例えば、間隙粒子９０及び／又は９０ａの材料）のヤング率の５０％とすることができる。
【００８６】
それぞれの導電性ビア４０ａは、接合された基材粒子５０と間隙粒子９０及び／又は９０ａとの間に延在する間隙領域６２を含みうる。間隙領域６２は、例えばはんだ又はポリマー媒体を含みうる。図４Ａに示すように、間隙領域６２は導電性ビア４０ａの高さと等しいものとすることができる貫入深さを貫いて延在することができる（図１Ｃに示すはんだ領域６６と同様）、又は代替的には、間隙領域は、第１の面２１及び第２の面２２のうちの少なくとも一方に隣接して位置することができ、開口部３０内で第１の面２１又は第２の面２２それぞれから貫入深さＤ１又はＤ２まで延在することができる（図１Ｂに示す境界領域６５と同様）。
【００８７】
導電性ビア４０ａは、基材粒子５０を開口部３０内に堆積させるステップ３５０が基材粒子と間隙粒子９０及び／又は９０ａとの混合物を開口部内に堆積させることを含みうるということを除き、図３に示すフローチャート３００を参照して上述したのと同じ方法を用いて形成することができる。加熱ステップ３６０において、基材粒子５０と間隙粒子９０及び／又は９０ａとを一緒に導電性ビア４０ａの構造体に組み込むことができる。
【００８８】
図５は、図３のフローチャート３００に示す加熱ステップ３６０の前の図１Ｅの基材粒子５０の実施形態を示す。図５に示す基材粒子５５０は、外層５５３と内層５５４とを有する第２のバイメタル層５５２を含むということを除き、上述の基材粒子５０と同じである。一例において、外層５５３及び内層５５４のうちの一方は錫の層とすることができ、外層及び内層のうちの他方は、銀、銅、インジウム、亜鉛、及びビスマスからなる群から選択された金属を含む合金の層とすることができる。
【００８９】
基材粒子５５０は、第１の金属領域５５１と第２のバイメタル層５５２との間に延在するバリア層５５５も含む。そのようなバリア層５５５は、タングステン等のバリア金属を含むことができ、バリア金属は、フローチャート３００の加熱ステップ３６０中に第２のバイメタル層５５２の金属が第１の金属領域５５１内に拡散する速度を下げることができる。
【００９０】
導電性ビア４０、４０’、４０’’、及び４０ａは、加熱ステップ３６０において、それぞれの第１の金属領域５５１の回りでそれぞれの第２のバイメタル層５５２が低融点共晶を形成することができるよう、基材粒子を転移液相反応温度まで加熱することができるということを除き、図３に示すフローチャート３００を参照して上述した方法と同じ方法を用いて、基材粒子５５０を使って形成することができる。一実施形態において、基材粒子５５０のうちの隣接するもの同士のうちの少なくともいくつかでできた低融点共晶は、互いに隣接する基材粒子の第１の金属領域５５１内へと拡散することができる。フローチャート３００の加熱ステップ３６０中に基材粒子５５０を加熱した後、基材粒子５５０は図１Ｅに示す基材粒子５０に変わることができる。そのような基材粒子５０はそれぞれ、隣接する基材粒子同士を接合して一緒にする第２の金属層５２を有することができ、第２の金属層は、内層５５３及び外層５５４の金属を含む。
【００９１】
図６は、図３のフローチャート３００に示す加熱ステップ３６０の前の、図５の基材粒子５５０の代替のタイプを示す。図６に示す基材粒子６５０は、第１の金属領域６５１に囲まれた非金属の核領域６５７を含むということを除き、上述の基材粒子６５０と同じである。それぞれの非金属の核領域６５７は、シリカ、セラミックス、グラファイト、及びポリマーからなる群から選択された１つ又は複数の材料で作製することができる。
【００９２】
一実施形態において、それぞれの基材粒子６５０の第１の金属領域６５１は、厚さが基材粒子の第２の金属層６５２の厚さよりも厚いものとすることができる。特定の例において、非金属の核領域６５７は固体の無機誘電材料とすることができ、そのような基材粒子６５０を含む導電性ビア４０、４０’、４０’’、又は４０ａのヤング率は、最大で、導電性ビア内に含まれる金属及び固体の無機誘電材料のヤング率の５０％とすることができる。
【００９３】
一例において、特定の導電性ビア４０、４０’、４０’’、又は４０ａは、基材粒子５０、５５０、及び６５０のうちのいずれか又は全ての混合物を用いて形成することができる。別の例において、特定の導電性ビア４０、４０’、４０’’、又は４０ａは、間隙粒子９０又は９０ａと基材粒子５０、５５０、及び６５０のうちのいずれか又は全てとの混合物を用いて形成することができる。
【００９４】
図７に示すように、上述した超小型電子ユニットを、多様な電子システムの構成で利用することができる。例えば、本発明の更なる実施形態によるシステム７００は、他の電子コンポーネント７０８及び７１０とともに上述したような超小型電子アセンブリ７０６を含む。説明した例では、コンポーネント７０８は半導体チップであり、コンポーネント７１０が表示画面であるが、他の任意のコンポーネントを使用することができる。当然ながら、例示を明確にするように図７には２つの追加のコンポーネントのみを示すが、本システムは、任意の数のこのようなコンポーネントを含みうる。上述した超小型電子アセンブリ７０６を、上述したような超小型電子ユニットのうちのいずれかとすることができる。更なる変形形態では、任意の数のこのような超小型電子アセンブリ７０６を使用することができる。
【００９５】
構造体７０６並びにコンポーネント７０８及び７１０は、破線で概略的に示す共通ハウジング７０１内に取り付けることができ、必要に応じて互いに電気的に相互接続されて所望の回路を形成することができる。図示する例示的なシステムでは、システムは、可撓性プリント回路基板等の回路パネル７０２を含むことができ、回路パネルは、コンポーネントを互いに相互接続する多数の導体７０４を含むことができ、それらのうちの１つのみを図７に示す。しかしながら、これは単に例示的なものであり、電気接続をもたらす任意の適切な構造を使用することができる。
【００９６】
ハウジング７０１は、例えば携帯電話又は携帯情報端末における使用可能なタイプの携帯型ハウジングとして示されており、画面７１０は、ハウジングの表面において露出していることができる。電子アセンブリ７０６が、撮像チップ等の感光素子を含む場合、光を構造体に誘導するように、レンズ７１１又は他の光学デバイスも提供することができる。この場合もまた、図７に示す簡略化システムは単に例示的なものであり、上述した構造体を用いて、例えばデスクトップコンピュータ、ルータ等、一般に固定構造体とみなされるシステムを含む他のシステムを作製することができる。
【００９７】
本明細書に開示されているキャビティ、孔及び導電性素子は、２０１０年７月２３日に出願された、同時係属の本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／８４２，５８７号、同第１２／８４２，６１２号、同第１２／８４２，６５１号、同第１２／８４２，６６９号、同第１２／８４２，６９２号及び同第１２／８４２，７１７号に、かつ公開されている米国特許出願公開第２００８／０２４６１３６号により詳細に開示されているもの等のプロセスによって形成することができ、それらの開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなす。
【００９８】
本発明は特定の実施形態を参照しながら本明細書において説明されてきたが、これらの実施形態は本発明の原理及び応用形態を例示するにすぎないことを理解されたい。それゆえ、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に数多くの変更を加えることができること、及び他の構成を案出できることを理解されたい。
【００９９】
特許請求の範囲において記述される種々の従属請求項及び特徴は、初期の請求項において提示されるのとは異なる方法において組み合わせることができることを理解されるであろう。また、個々の実施形態との関連で説明された特徴は、記述される実施形態のうちの他の実施形態と共用できることも理解されるであろう。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、限定はしないが、電子コンポーネント及び電子コンポーネントを製造する方法を含む、広範な産業上の利用可能性を有する。
【図１Ａ−１Ｄ】
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【図１Ｅ．１Ｆ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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