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半导体封装装置及其制造方法与流程

2022-04-13 19:26:00 来源:中国专利 TAG:


1.本公开涉及半导体封装技术领域,具体涉及半导体封装装置及其制造方法。


背景技术:

2.在半导体封装领域,随着制程不断微缩,传统的焊料(solder)遇到许多问题。铜(cu)-cu的对接方式相较于传统的solder,具有有助于微缩与电性佳等优点,但较高的结合温度和压力以及高成本是该技术所面临的问题。而在导电垫(pad)上制作纳米线(nanowire)作为接合件,可以有效降低接合温度。
3.但nanowire接合也面临一些问题,包括:
4.(1)接合时,nanowire之间间距(pitch)较小,可能无法让底部填充胶(under fill)流通过而造成空洞(void)。
5.(2)nanowire直接接合对侧的pad时,可能因nanowire的共面性(coplanarity)问题而导致无法完全接合,即部分nanowire无法与pad结合。


技术实现要素:

6.本公开提出了半导体封装装置及其制造方法。
7.第一方面,本公开提供了一种半导体封装装置,包括:第一封装结构,所述第一封装结构包括第一导电垫;第二封装结构,所述第二封装结构包括第二导电垫;多个第一纳米线,从所述第一导电垫向所述第二导电垫方向延伸;以及导电互连体,位于所述多个第一纳米线的包覆范围内,电连接所述第一导电垫和所述第二导电垫。
8.在一些可选的实施方式中,所述半导体封装装置还包括:多个第二纳米线,从所述第二导电垫向所述第一导电垫方向延伸,其中,所述导电互连体还位于所述多个第二纳米线的包覆范围内。
9.在一些可选的实施方式中,所述导电互连体具有颈缩形状。
10.在一些可选的实施方式中,所述第一导电垫、所述第二导电垫和所述第一纳米线的材料为第一金属,所述导电互连体的材料为熔点低于所述第一金属的第二金属。
11.在一些可选的实施方式中,所述第一金属包括铜。
12.在一些可选的实施方式中,所述导电互连体的材料包括镓或铜镓合金。
13.在一些可选的实施方式中,所述多个第一纳米线和所述多个第二纳米线相互交错。
14.在一些可选的实施方式中,所述多个第一纳米线与所述第二导电垫不接触。
15.在一些可选的实施方式中,所述多个第二纳米线与所述第一导电垫不接触。
16.第二方面,本公开了提供了一种制造半导体封装装置的方法,包括:提供第一封装结构,所述第一封装结构包括第一导电垫,从所述第一导电垫延伸出多个第一纳米线,并且提供第二封装结构,所述第二封装结构包括第二导电垫;利用所述多个第一纳米线蘸取液态导电材料;以及将所述第一封装结构键合到所述第二封装结构,使得所述液态导电材料
连接所述第二导电垫。
17.在一些可选的实施方式中,从所述第二导电垫延伸出多个第二纳米线;以及所述将所述第一封装结构键合到所述第二封装结构,使得所述液态导电材料连接所述第二导电垫,包括:将所述第一封装结构键合到所述第二封装结构,使得所述液态导电材料连接所述第二纳米线。
18.在一些可选的实施方式中,所述方法还包括:固化所述液态导电材料。
19.在一些可选的实施方式中,所述方法还包括:对所述第一封装结构或所述第二封装结构施加压力。
20.在一些可选的实施方式中,所述第一导电垫、所述第二导电垫和所述第一纳米线的材料为第一金属,所述液态导电材料为熔点低于所述第一金属的第二金属。
21.为了解决纳米线之间间距较小可能无法让底部填充胶流通过而造成空洞,以及纳米线直接接合对侧的导电垫时可能无法完全接合的问题,本公开提供的半导体封装装置及其制造方法,至少在一侧的导电垫上延伸出多个纳米线,并在多个纳米线的包覆范围内形成导电互连体,该导电互连体填充纳米线间的空隙可有效避免空洞问题;且该导电互连体起到电连接导电垫的作用,可以避免一侧的纳米线与对侧的导电垫无法完全结合的问题;且该导电互连体位于纳米线的包覆范围内,不易造成桥接现象。
附图说明
22.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
23.图1是根据本公开的半导体封装装置的实施例1a的纵向截面结构示意图;
24.图2是根据本公开的半导体封装装置的实施例2a的纵向截面结构示意图;
25.图3是根据本公开的半导体封装装置的实施例3a的纵向截面结构示意图;
26.图4a、4b、4c、4d和4e是根据本公开的制造半导体封装装置的方法在各个阶段制造的半导体封装装置的纵向截面结构示意图。
27.附图标记:
28.11:第一封装结构;12:第二封装结构;13:第一导电垫;14:第二导电垫;15:第一纳米线;16:导电互连体;17:第二纳米线;18:液态导电材料。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对说明本公开的具体实施方式,通过本说明书记载的内容本领域技术人员可以轻易了解本公开所解决的技术问题以及所产生的技术效果。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明,而非对该发明的限定。另外,为了便于描述,附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
30.应容易理解,本公开中的“在...上”、“在...之上”和“在...上面”的含义应该以最广义的方式解释,使得“在...上”不仅意味着“直接在某物上”,而且还意味着包括存在两者之间的中间部件或层的“在某物上”。
31.此外,为了便于描述,本文中可能使用诸如“在...下面”、“在...之下”、“下部”、“在...之上”、“上部”等空间相对术语来描述一个元件或部件与附图中所示的另一元件或
部件的关系。除了在图中描述的方位之外,空间相对术语还意图涵盖装置在使用或操作中的不同方位。设备可以以其他方式定向(旋转90
°
或以其他定向),并且在本文中使用的空间相对描述语可以被同样地相应地解释。
32.本文中所使用的术语“层”是指包括具有一定厚度的区域的材料部分。层可以在整个下层或上层结构上延伸,或者可以具有小于下层或上层结构的范围的程度。此外,层可以是均质或不均质连续结构的区域,其厚度小于连续结构的厚度。例如,层可以位于连续结构的顶表面和底表面之间或在其之间的任何一对水平平面之间。层可以水平地、垂直地和/或沿着锥形表面延伸。基板(substrate)可以是一层,可以在其中包括一个或多个层,和/或可以在其上、之上和/或之下具有一个或多个层。一层可以包括多层。例如,半导体层可以包括一个或多个掺杂或未掺杂的半导体层,并且可以具有相同或不同的材料。
33.本文中使用的术语“基板(substrate)”是指在其上添加后续材料层的材料。基板本身可以被图案化。添加到基板顶部的材料可以被图案化或可以保持未图案化。此外,基板可以包括各种各样的半导体材料,诸如硅、碳化硅、氮化镓、锗、砷化镓、磷化铟等。可替选地,基板可以由非导电材料制成,诸如玻璃、塑料或蓝宝石晶片等。进一步可替选地,基板可以具有在其中形成的半导体装置或电路。
34.需要说明的是,说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等,仅用于配合说明书所记载的内容,以供本领域技术人员的了解与阅读,并非用以限定本公开可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本公开所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本公开所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“第一”、“第二”及“一”等用语,也仅为便于叙述的明了,而非用以限定本公开可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当也视为本公开可实施的范畴。
35.还需要说明的是,本公开的实施例对应的纵向截面可以为对应前视图方向截面,横向截面可以为对应右视图方向截面,而水平截面可以为对应上视图方向截面。
36.另外,在不冲突的情况下,本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
37.参考图1,图1是根据本公开的半导体封装装置的一个实施例1a的纵向截面结构示意图。
38.如图1所示,半导体封装装置1a包括:第一封装结构11、第二封装结构12、多个第一纳米线15和导电互连体16;其中,第一封装结构11包括第一导电垫13,第二封装结构12包括第二导电垫14,第一导电垫13和第二导电垫14相对;多个第一纳米线15连接于第一导电垫13,从第一导电垫13向第二导电垫14方向延伸;导电互连体16位于多个第一纳米线15的包覆范围内,电连接第一导电垫13和第二导电垫14。
39.半导体封装装置1a利用导电互连体16填充第一纳米线15间的空隙,可有效避免因纳米线间距较小无法让底部填充胶(under fill)流通过而造成的空洞(void)问题;且该导电互连体16起到电连接第一纳米线15和第二导电垫14的作用,可以避免一侧的纳米线与对侧的导电垫无法完全结合的问题;且该导电互连体16位于第一纳米线15的包覆范围内,不易造成桥接(bridge)现象。
40.这里,多个第一纳米线15与第二导电垫14可以相互接触电连接,也可以不接触,而
是通过导电互连体16实现电连接。由于导电互连体16的作用,可以彻底避免一侧纳米线与对侧导电垫无法完全接合的问题。
41.这里,第一导电垫13和第二导电垫14以及第一纳米线15的材料例如为铜(cu),导电互连体16的材料例如为熔点低于铜的金属或合金,比如镓(ga)或铜镓合金(cuga2)。由于导电互连体16的熔点低于铜,则在半导体封装装置的制造过程中可以以液态方式存在,作为液态导电材料,方便加工制造,方便填充纳米线之间的间隙,方便实现一侧纳米线与对侧导电垫的电连接。更详细的说明涉及到制程,可参考后文的方法实施例,此处不再赘述。
42.这里,第一纳米线15和导电互连体16共同构成一混合键合结构20,实现第一导电垫13和第二导电垫14之间的对接。
43.参考图2,图2是根据本公开的半导体封装装置的一个实施例2a的纵向截面结构示意图。
44.图2所示的半导体封装装置2a类似于图1所示的半导体封装装置1a,不同之处在于:半导体封装装置1a只包括设在第一封装结构11一侧的第一纳米线15,半导体封装装置2a还包括设在第二封装结构12一侧的多个第二纳米线17,第二纳米线17从第二导电垫14向第一导电垫13方向延伸,其中,导电互连体16还位于多个第二纳米线17的包覆范围内。
45.这里,通过在两侧导电垫的对侧分别设置纳米线,可以提高电连接的可靠性,使半导体封装装置2a的电性更佳。
46.这里,导电互连体16同时位于多个第一纳米线15和多个第二纳米线17的包覆范围内,其具有两端宽度大于中间宽度的颈缩形状(neck shape)。该中间收缩的颈缩形状,可以进一步避免造成桥接现象。
47.这里,多个第二纳米线17与第一导电垫13可以相互接触电连接,也可以不接触,而是通过导电互连体16实现电连接。由于导电互连体16的作用,可以彻底避免一侧的纳米线与对侧的导电垫无法完全接合的问题。
48.在一些可选的实施方式中,多个第一纳米线15和多个第二纳米线17相互交错。两侧的纳米线相互交错,可以相互固定位置,确保连接的可靠性。
49.在一些可选的实施方式中,第一纳米线15和第二纳米线17的长度均可以在10μm左右。
50.这里,第一纳米线15、导电互连体16和第二纳米线17共同构成一混合键合结构20,实现第一导电垫13和第二导电垫14之间的对接。
51.为便于理解本公开,下面结合一个具体的应用实施例3a进行补充说明。
52.请参考图3,是根据本公开的半导体封装装置的一个应用实施例3a的纵向截面结构示意图。该实施例的半导体封装装置3a类似于图2所示的半导体封装装置2a,不同之处在于:
53.如图2,第一导电垫13和第二导电垫14之间,第一纳米线15、导电互连体16、第二纳米线17构成一混合键合结构20。
54.如图3,在实际应用中,第一封装结构11通常会包括很多个第一导电垫13,第二封装结构12通常会包括很多个第二导电垫14,两者之间可能会通过很多个这样的混合键合结构20实现对接,键合在一起。
55.这里,导电互连体16是混合键合结构20的主要组成部分。所说的混合键合结构20
包括导电互连体16,还可以包括第一纳米线15和/或第二纳米线17。
56.例如,第一封装结构11可能是一倒装芯片(flip chip,简称:fc),第二封装结构12可能是一基板(substrate),两者通过很多个上述的混合键合结构20实现对接,键合在一起。当然,应当理解,芯片和基板只是用来举例,并不构成对第一封装结构11和第二封装结构12的限制。
57.下面参考图4a-4e,图4a-4e是根据本公开的制造半导体封装装置的方法在各个阶段制造的半导体封装装置的纵向截面结构示意图。为了更好地理解本公开的各方面,已简化各图。
58.请参考图4a,提供第一封装结构11和第二封装结构12。
59.这里,第一封装结构11包括第一导电垫13,从第一导电垫13延伸出多个第一纳米线15。第二封装结构12包括第二导电垫14。这里,第一导电垫13和第二导电垫14以及第一纳米线15的材料例如为铜(cu)。
60.请参考图4b和图4c,利用第一纳米线15蘸取液态导电材料18,使液态导电材料18填充并束缚于第一纳米线15的包覆范围内。
61.这里,液态导电材料18例如为熔点低于铜的金属或合金,比如镓(ga)或铜镓合金(cuga2);ga的熔点仅为29.8℃,为低温熔融金属,可以在常温下保持液态。这里所说的蘸取,可以是将第一纳米线15的部分或全部浸渍(dipping)于液态导电材料18,由第一纳米线15利用其毛细力吸附液态导电材料18;也可以是以印刷(printing)方式使得液态导电材料18蘸取到第一纳米线15上。
62.第一纳米线15的细间距和液态导电材料18的高表面张力产生毛细现象,使得第一纳米线15能够以毛细力将液态导电材料18束缚于第一纳米线15的包覆范围内而不会轻易流出,如图4c所示。因纳米线毛细力的束缚作用,使得例如ga等低温熔融的液态导电材料具备应用于微小化电路的能力,不因流动问题而造成桥接(bridge)现象。并且,因毛细力可以将液态导电材料控制束缚在固定区域,因此能够选择黏度更低的液态导电材料,对材料选择层面有正向的帮助。
63.接下来,将第一封装结构11键合到第二封装结构12。
64.请参考图4d所示的实施例,将第一封装结构11键合到第二封装结构12,使得液态导电材料18连接第二导电垫14。图4d中只在第一封装结构11一侧设有从第一导电垫13延伸出的多个第一纳米线15。
65.或者,请参考图4e所示的另一实施例,与图4d的不同之处在于,还在第二封装结构12一侧设有从第二导电垫14延伸出的多个第二纳米线17。如图4e所示,将第一封装结构11键合到第二封装结构12时,同时使得液态导电材料18连接第二纳米线17。
66.如图4e所示,液态导电材料18被两侧的纳米线利用毛细力吸附控制,更多的集中于两端,使得液态导电材料18成为两端宽而中间窄的颈缩形状(neck shape)。从而,进一步将液态导电材料18控制和收容于纳米线的包覆范围内,避免液态导电材料外溢而造成桥接现象。并且,两侧分别设置纳米线,可以提高电连接的可靠性,使半导体封装装置2a的电性更佳。
67.这里,多个第一纳米线15与第二导电垫14可以不接触,而是通过液态导电材料18实现电连接;同时,多个第二纳米线17与第一导电垫13也可以不接触,而是通过液态导电材
料18实现电连接。由于液态导电材料18的电连接作用,可以彻底避免纳米线与导电垫无法完全接合的问题。
68.在一些可选的实施方式中,多个第一纳米线15和多个第二纳米线17相互交错。两侧的纳米线相互交错,可以相互固定位置,确保连接的可靠性。
69.在一些可选的实施方式中,本公开的方法还包括:对第一封装结构11或第二封装结构12施加压力。通过在键合步骤中施加压力,以确保键合成功,提高第一封装结构11和第二封装结构12连接的可靠性。
70.在一些可选的实施方式中,本公开的方法还可以包括对液态导电材料18进行固化的步骤,通过将液态导电材料18固化,使之转变成为连接第一导电垫13、第一纳米线15、第二纳米线17和第二导电垫14的导电互连体16。
71.在一些可选的实施方式中,本公开的方法可以结合倒装芯片键合(flipchip bonding,简称:fcb)技术实现键合和固化,或者,结合fcb技术和压力键合(gain bond)技术实现键合和固化。可选的,由于纳米线相互交错具固定特性,可以先行flip chip后再一次进行大量芯片(chip)加压键合。
72.在一些可选的实施方式中,本公开的方法也可以结合激光辅助键和(laser assisted bonding,lab)技术实现键合和固化。
73.本公开的制造半导体封装装置的方法,藉由纳米线吸附液态导电材料18,以其毛细力控制液态导电材料18位于纳米线的包覆范围内,可以解决液态导电材料18流动到纳米线区域范围以外而可能发生的桥接问题;利用液态导电材料18填充纳米线的间隙,可以解决因纳米线间距较小无法让底部填充胶(under fill)流通过而造成的空洞(void)问题;利用液态导电材料18的电连接作用,可以避免一侧的纳米线与对侧的导电垫无法完全结合的问题。
74.综上,为了解决纳米线之间间距较小可能无法让底部填充胶流通过而造成空洞,以及纳米线直接接合对侧的pad时可能无法完全接合的问题,本公开提供半导体封装装置及其制造方法,通过在纳米线间加上液态导电材料进行接合作业,形成位于纳米线包覆范围内的导电互连体,即,通过固态纳米线(solid phase nanowire)与液态导电材料(liquid phase conductive metal)形成的混合键合结构(hybrid bonding structure)实现封装结构间的键合,来解决纳米线结合所存在的问题。本公开取得的有益效果包括:
75.1.纳米线间有间隙,纳米线有多长则交错长度就可以有多长,就能克服相应的共面性问题;例如某个第一导电垫与对侧的第二导电垫因共面性问题具有约10μm的距离而无法结合时,如果设计有长度约10μm的纳米线就可以使两者利用纳米线实现结合。
76.2.以液态导电材料填充纳米线间空隙形成位于纳米线包覆范围内的导电互连体,能够有效避免纳米线间产生空洞;
77.3.导电互连体起到电连接纳米线和导电垫的作用,可以避免一侧的纳米线与对侧的导电垫无法完全结合的问题;
78.4.纳米线能够以毛细力保留住液态导电材料,除非超过容纳体积,否则不易造成桥接现象;
79.5.因纳米线表面积大促进扩散机率,接合温度能够降得更低,例如降到180℃以下;实验验证,在温度170℃、压力12mpa的条件下,利用铜纳米线对接,能够成功结合,取得
良好的效果。
80.7.当纳米线材料为铜,液态导电材料为ga或包含ga的材料时,因铜纳米线占据大部分体积而ga所占比例较小,两者结合容易形成导电良好的共相金。
81.8.与传统倒装芯片键合(flip chip bonding,简称:fcb)大部分制程兼容,也能配合热压焊(thermo compression bonding,简称:tcb)、压力键合(gain bond)、激光辅助键合(laser assisted bonding,lab)制程。
82.9.本公开的技术方案可应用于2.5d封装结构(structure)、3d集成电路(integrated circuit,ic)以及细间距(例如,间距小于35um)等领域。
83.尽管已参考本公开的特定实施例描述并说明本公开,但这些描述和说明并不限制本公开。所属领域的技术人员可清楚地理解,可进行各种改变,且可在实施例内替代等效元件而不脱离如由所附权利要求书限定的本公开的真实精神和范围。图示可能未必按比例绘制。归因于制造过程中的变量等等,本公开中的技术再现与实际实施之间可能存在区别。可存在未特定说明的本公开的其它实施例。应将说明书和图示视为说明性的,而非限制性的。可作出修改,以使特定情况、材料、物质组成、方法或过程适应于本公开的目标、精神以及范围。所有此些修改都落入在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法,但应理解,可在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此,除非本文中特别指示,否则操作的次序和分组并不限制本公开。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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