一种半导体芯片的导热薄膜封装方法与流程

本技术涉及半导体器件封装，具体涉及一种半导体芯片的导热薄膜封装方法。

背景技术：

1、随着半导体器件功率密度的日益提升，新的热管理技术亟需被开发。目前半导体器件，尤其是芯片的封装方式主要是将芯片通过焊球连接在基板上(bga封装工艺)。在这种结构中电子器件产生的热量主要通过焊球向基板传导，然而焊球与基板较小的接触面积造成传热热阻较大。目前对该结构提出的散热优化方案是对半导体器件进行高导热薄膜保形封装，使高导热薄膜整体包覆半导体器件。这种结构中热量能够向更多方向扩散并且换热面积得到显著增加，继而通过自然对流冷却或引入微脉动热管即可实现散热需求。然而由于半导体器件工作环境的特殊性以及对低热阻的高要求，其对导热薄膜制备工艺提出了高要求，如：要求沉积材料绝缘性好从而提高电子器件工作安全性、与电子器件包覆紧密度高从而降低接触热阻、使用尽可能少层的结构从而消除各层间的接触热阻等。一种典型工艺是依次通过化学气相沉积(cvd)沉积绝缘层、通过物理气相沉积(pvd)沉积铜颗粒种子层、通过非电镀化学工艺沉积连续铜薄膜，并最后通过电镀的方法生长铜薄膜从而使铜薄膜包覆整个半导体器件，利用铜薄膜进行导热散热。然而该方案虽能满足保形封装的需求，但工艺流程复杂且引入了低热阻聚合物，并且使用金属薄膜会降低器件整体的绝缘性能。而在半导体器件的全表面制作绝缘膜，则工艺更加复杂，难以形成均匀且厚度较低的膜层。

技术实现思路

1、本技术的目的之一在于提供一种半导体芯片的导热薄膜封装方法，以解决半导体芯片的导热薄膜工艺复杂，难以同时兼顾高贴合性、高导热性、高绝缘性能及较低的厚度的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、在本技术的一个方面，本技术提供一种半导体芯片的导热薄膜封装方法，包括以下步骤：

4、制备导热材料颗粒分散系，将导热材料颗粒分散至分散系溶剂中，形成导热材料颗粒分散系；

5、构建电荷注入装置，电荷注入装置包括分散系容器，适于容置导热材料颗粒分散系；

6、导热薄膜沉积，将待封装器件置入容置有导热材料颗粒分散系的分散系容器中；待封装器件固定连接于基板，且与基板之间存在间隔；待封装器件与基板共同置入分散系容器中；

7、通过电荷注入装置向分散系注入电荷，并通过电荷注入装置的电极提供电场，在电场影响下使导热材料颗粒在半导体器件表面沉积形成导热薄膜。

8、本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，通过电荷注入装置向分散系注入电荷，并通过电荷注入装置的电极电场使得分散系中的颗粒在电荷和电场的影响下电荷附着在导热材料颗粒表面和待封装器件表面，使导热材料颗粒受电场影响逐渐沉积至待封装器件而在器件表面形成封装薄膜。从而实现以类似电镀的方式沉积形成绝缘导热薄膜。由于沉积过程中待封装器件中芯片整体位于分散系中，因此可以导热薄膜对实现芯片的全包覆，增大芯片与导热薄膜的接触面积，提升散热能力，既实现了器件周边的绝缘介质填充，同时具有良好的散热能力。由于待封装器件放置在分散系中，待封装器件与分散系充分接触，各个位置沉积速度基本一致，形成的薄膜各个位置均一性好。由于薄膜是从器件表面沉积生长形成，因此与器件表面贴合性好。分散系的导热颗粒可以根据需要选择相对合适的导热材料颗粒，而无需使用金属材料，因此可以在保证导热能力的同时具有良好的绝缘性能。此外还可以通过条件控制沉积速度，可以将薄膜厚度控制得相对较低。工艺整体步骤简单容易实现。因此本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，可以解决半导体芯片的导热薄膜工艺复杂，难以同时兼顾高贴合性、高导热性、高绝缘性能及较低的厚度的问题。

9、在本技术的一些实施例中：

10、电荷注入装置为基于离子风的电荷注入装置，至少包括：

11、低曲率电极，位于分散系容器的底部；

12、高曲率电极，悬置于分散系容器的开口上部；

13、电源，连接低曲率电极和高曲率电极，为低曲率电极和高曲率电极供电。

14、在本技术的一些实施例中：

15、电荷注入装置为基于电喷雾的电荷注入装置，至少包括：

16、低曲率电极，位于分散系容器的底部；

17、注射器电极，悬置于分散系容器的开口上部；

18、电源，连接低曲率电极和高曲率电极，为低曲率电极和高曲率电极供电。

19、本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，电荷注入装置可以选择为基于离子风的电荷注入装置或者基于电喷雾的电荷注入装置，均可通过悬置于分散系上方的高曲率电极/注射器电极进行电荷注入，并通过分散系容器底部的低曲率电极电场影响实现导热材料颗粒的沉积形成导热薄膜。

20、在本技术的一些实施例中：分散系容器中设置有辅助分散装置，用于使分散系溶剂保持流动，辅助维持导热材料颗粒在分散系溶剂中均匀分散。

21、本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，可以通过分散系容器中设置的辅助分散装置，例如风扇、搅拌器等，使分散系溶剂保持流动，辅助维持导热材料颗粒在分散系溶剂中均匀分散，从而使分散系保持均一性，保证形成的导热薄膜的均匀性。

22、在本技术的一些实施例中：低曲率电极包括多个可替换的低曲率电极；

23、其中包括：

24、至少一个未经图形化处理的平面电极；

25、至少一个经图形化处理的图案化电极；

26、导热薄膜沉积的步骤包括：

27、使用平面电极进行第一次沉积，形成初始导热薄膜，初始导热薄膜为均匀分布在待封装器件表面的薄膜；

28、将平面电极替换为图案化电极进行第二次沉积，使初始导热薄膜形成与图案化电极图案相符的图形化薄膜。

29、本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，通过准备多个可替换的低曲率电极，可以以替换电极分段沉积的方式，在后段沉积中使用图形化的电极实现特殊的电场分布，以使沉积的导电材料颗粒分布随电场分布变化而变化，最终形成与图案化电极图案相对应的图形化薄膜。以此实现图形化导热薄膜的沉积。

30、在本技术的一些实施例中：导热薄膜沉积的步骤还包括：

31、调整电源的电压，控制导热材料颗粒的沉积速度。

32、本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，可以通过控制电荷注入装置的电源电压控制电荷注入的速率，进而影响导热材料颗粒的沉积速度，也即导热薄膜的生长速度。

33、在本技术的一些实施例中：导热薄膜沉积的步骤在10000级超净间中进行；

34、电荷注入装置在使用前，还包括清洗干燥步骤；

35、清洗干燥步骤中，清洗液包括无水乙醇和去离子水，使用真空干燥箱进行干燥。

36、本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，通过洁净间操作和清洗干燥操作，最大程度去除待封装器件表面的灰尘等杂质，避免影响沉积的导热播磨的质量。

37、在本技术的一些实施例中：高曲率电极的形状包括针或丝；

38、高曲率电极的材料包括铜或铁；

39、低曲率电极的形状包括导电材料的平板或具有导电材料涂层的平板；

40、低曲率电极包括金属板或具有导电涂层的绝缘板；

41、金属板的材料包括铜；导电涂层包括ito涂层；绝缘板包括玻璃板；

42、分散系容器的材料为绝缘材料，包括玻璃或亚克力。

43、在本技术的一些实施例中：导热材料颗粒包括金刚石颗粒、bn颗粒或液态金属颗粒；

44、分散系溶剂包括硅油或空气。

45、在本技术的一些实施例中：

46、待封装器件包括存储芯片、处理器芯片或显示芯片。

47、本技术的有益效果在于：

48、1.本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，通过电荷注入装置向分散系注入电荷，并通过电荷注入装置的电极电场使得分散系中的颗粒在电荷和电场的影响下电荷附着在导热材料颗粒表面和待封装器件表面，使导热材料颗粒受电场影响逐渐沉积至待封装器件而在器件表面形成封装薄膜。从而实现以类似电镀的方式沉积形成绝缘导热薄膜。由于沉积过程中待封装器件中芯片整体位于分散系中，因此可以导热薄膜对实现芯片的全包覆，增大芯片与导热薄膜的接触面积，提升散热能力，既实现了器件周边的绝缘介质填充，同时具有良好的散热能力。由于待封装器件放置在分散系中，待封装器件与分散系充分接触，各个位置沉积速度基本一致，形成的薄膜各个位置均一性好。由于薄膜是从器件表面沉积生长形成，因此与器件表面贴合性好。分散系的导热颗粒可以根据需要选择相对合适的导热材料颗粒，而无需使用金属材料，因此可以在保证导热能力的同时具有良好的绝缘性能。此外还可以通过条件控制沉积速度，可以将薄膜厚度控制得相对较低。工艺整体步骤简单容易实现。因此本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，可以解决半导体芯片的导热薄膜工艺复杂，难以同时兼顾高贴合性、高导热性、高绝缘性能及较低的厚度的问题。现有导热薄膜主要受限于工艺复杂度、成本控制、特定场景适配等原因多位于器件单侧。本技术提供的全包覆膜层能够提供多向散热路径，提高热传导效率，同时也可以提高对一些复杂结构的适配(比如曲面、多孔、立体封装，如3d ic、芯片堆叠等)。

49、2.本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，可以通过分散系容器中设置的辅助分散装置，例如风扇、搅拌器等，使分散系溶剂保持流动，辅助维持导热材料颗粒在分散系溶剂中均匀分散，从而使分散系保持均一性，保证形成的导热薄膜的均匀性。

50、3.本技术提供的半导体芯片的导热薄膜封装方法，通过准备多个可替换的低曲率电极，可以以替换电极分段沉积的方式，在后段沉积中使用图形化的电极实现特殊的电场分布，以使沉积的导电材料颗粒分布随电场分布变化而变化，最终形成与图案化电极图案相对应的图形化薄膜。以此实现图形化导热薄膜的沉积。