半导体封装结构的制作方法

1.本公开涉及一种具有半导体热电元件的半导体封装结构，具体地讲，涉及一种使用半导体热电元件来散热的半导体封装结构。


背景技术：

2.在现有技术中，随着芯片集成密度和用户的迫切需要，电子行业的最新趋势是向小型化、轻量化和多功能化方向发展。然而，这些需求会导致电子装置的功耗逐渐增加，使得在包含半导体芯片的半导体封装件的工作期间，从半导体芯片产生的热量会增加，并且半导体芯片在被封装后实际上难以散热，从而容易导致发热严重。
3.目前，经常使用散热块或散热通道来传递半导体封装件中产生的热量以达到散热的目的，但是散热块或散热通道仅能用于传递热量，其不能用于致冷，因此其散热效果有限。


技术实现要素：

4.本公开的目的在于提供一种能够显著改善位于其中的芯片封装件的散热的半导体封装结构，从而解决了半导体封装结构难以散热而致使电子装置性能稳定性差的缺陷。
5.为了实现上述目的，本公开提供了一种半导体封装结构，半导体封装结构包括：半导体封装件；基板；焊球，设置在半导体封装件与基板之间；以及半导体热电元件，包括至少一对热电偶，并且一对热电偶包括一个p型半导体和一个n型半导体，其中，半导体热电元件设置在半导体封装件与基板之间，并且通过基板而被施加有电压。
6.根据本公开的实施例，半导体封装件可以包括芯片封装件和封装件基板，芯片封装件可以包括半导体芯片和至少部分地覆盖半导体芯片的包封材料，并且其中，芯片封装件中的半导体芯片通过引线键合或芯片倒装的形式电连接到封装件基板。
7.根据本公开的实施例，封装件基板可以通过焊球电连接到基板。
8.根据本公开的实施例，焊球和半导体热电元件可以设置在基板与封装件基板之间。
9.根据本公开的实施例，封装件基板可以包括与半导体热电元件电连接的贯穿过孔，并且贯穿过孔在剖视图中与芯片封装件中的芯片叠置。
10.根据本公开的实施例，p型半导体、n型半导体以及焊球的高度彼此相同。
11.根据本公开的实施例，半导体封装件可以包括芯片封装件，并且芯片封装件可以包括半导体芯片和至少部分地覆盖半导体芯片的包封材料，其中，芯片封装件中的半导体芯片通过芯片倒装的形式电连接到基板，焊球和半导体热电元件设置在芯片封装件与基板之间。
12.根据本公开的实施例，半导体封装件可以为晶圆片级芯片规模封装件。
13.根据本公开的实施例，半导体封装结构还可以包括设置在基板的第一表面上的散热片，散热片通过形成在基板中的散热块与形成在基板的第二表面上的半导体热电元件连
接，基板的第一表面与基板的第二表面相对。
14.根据本公开的实施例，半导体封装结构还可以包括设置在基板中的散热通道，散热通道的一端连接到半导体热电元件，另一端连接到半导体封装结构的外部。
15.本发明的有益效果是：利用半导体热电元件，热量从半导体热电元件的顶部传递到底部，从而实现从半导体封装件吸热并且在基底散热。由此，芯片封装件中产生的热量可以在半导体热电元件的作用下进一步向基板移动，从而达到散热的目的。另外，半导体热电元件可以设置在封装件基板与基板之间，从而为将半导体封装件电连接到基板的焊球提供支撑。起到支撑作用的半导体热电元件可以确保焊球具有稳定的高度，避免由于焊球变形而造成焊球的高度变低，因此，示例性实施例的半导体封装结构可以在提高散热效果的同时改善板级的温度循环可靠性。
附图说明
16.通过下面结合示例性地示出的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，在附图中：
17.图1是示出了根据本发明的示例性实施例的具有半导体热电元件的半导体封装结构的示意性剖视图；
18.图2是示出了根据本发明的另一示例性实施例的具有半导体热电元件的半导体封装结构的示意性剖视图；
19.图3是示出了根据本发明的示例性实施例的具有半导体热电元件的半导体封装结构的示意性剖视图；
20.图4至图7是示出根据本发明的示例性实施例的用于制造半导体封装结构的方法的剖视图；
21.图8至图11是示出根据本发明的示例性实施例的用于制造半导体封装结构的方法的剖视图。
具体实施方式
22.现在将参照附图更充分地描述本公开的实施例，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，而不应被解释为局限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并且这些实施例将向本领域的普通技术人员充分地传达本发明的实施例的构思。在下面详细的描述中，通过示例的方式阐述了多处具体的细节，以提供对相关教导的充分理解。然而，本领域技术人员应该清楚的是，可以实践本教导而无需这样的细节。在其它情况下，以相对高的层次而没有细节地描述了公知的方法、步骤和组件，以避免使本教导的多个方面不必要地变得模糊。附图中的同样的标号表示同样的元件，因此将不重复对它们的描述。在附图中，为了清晰起见，可能会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。
23.为了易于解释，在此可以使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“下”、“在
……
下面”、“在
……
上方”、“上”等的空间相对术语，以描述如附图中所示出的一个元件或特征与另一(另一些)元件或特征的关系。将理解的是，除了附图中所描绘的方位之外，空间相对术语旨在涵盖装置在使用或操作中的不同的方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述
为“在”其它元件或特征“下方”或“之下”或“下面”的元件将随后被定向为“在”所述其它元件或特征“上方”。因此，示例术语“在
……
下方”和“在
……
下面”可以涵盖上方和下方两种方位。
24.此外，在本说明书中，短语“在平面上”或“平面图”意味着从顶部观看目标部分，并且短语“在剖面上”意味着从侧面观看通过垂直切割目标部分而形成的剖面。此外，“竖直方向”指示在剖视图中的上下方向。
25.现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明。
26.图1是示出了根据本发明的示例性实施例的具有半导体热电元件的半导体封装结构的示意性剖视图。
27.参照图1，根据本发明的示例性实施例的半导体封装结构100包括半导体封装件110、基板130、焊球140以及半导体热电元件150。半导体封装件110可以包括芯片封装件101和封装件基板102，芯片封装件101可以包括半导体芯片和至少部分地覆盖半导体芯片的包封材料。芯片封装件101中的半导体芯片可以通过引线键合或倒装的方式等电连接到封装件基板102。封装件基板102可以通过焊球140电连接到基板130。基板130可以包括印刷电路板、存储器模块板、移动装置板或计算机主板。
28.半导体热电元件150可以设置在封装件基板120与基板130之间，基板130可以向半导体热电元件150施加电压。半导体热电元件150可以包括至少一个热电偶15，其通过帕尔贴(peltier)效应来执行冷却过程。所述至少一个热电偶15可以布置在封装件基板102与基板130之间以在竖直方向上与芯片封装件101中的芯片叠置。热电偶15可以包括一对p型半导体15p和n型半导体15n。半导体热电元件150可以包括多个热电偶15，并且构成一个热电偶15的p型半导体15p和n型半导体15n可以通过形成在封装件基板102中的贯穿过孔151彼此电连接，但是本公开不限于此。例如，构成一个热电偶15的p型半导体15p和n型半导体15n可以通过形成在封装件基板102下面的导电金属层彼此电连接。
29.包括在一个热电偶15中的n型半导体15n可以通过形成在基板130中的与n型半导体15n接触的垫(也可以称为焊盘、焊垫)152连接到多个热电偶15中的与所述一个热电偶15相邻的另一个热电偶15中所包括的p型半导体15p。可以通过基板130中的垫向半导体热电元件150施加电压。例如，可以通过与多个热电偶15之中的第一个热电偶15的p型半导体15p连接的垫和与多个热电偶15之中的最后一个热电偶15的n型半导体15n连接的垫(或设置在基板130上的导电金属层)向半导体热电元件150施加电压，使得第一个热电偶15的p型半导体15p被施加有负电压，并且最后一个热电偶15的n型半导体被施加有正电压。在这种情况下，热量从半导体热电元件150的顶部传递到底部，从而实现在半导体热电元件150上方吸热并且在半导体热电元件150下方散热。由此，芯片封装件101中产生的热量可以在半导体热电元件150的作用下经由封装件基板102中的贯穿过孔151进一步向基板130移动，从而达到散热的目的。也就是说，贯穿过孔151不仅用于使一个热电偶15中的p型半导体15p和n型半导体15n彼此电连接，而且用于传递芯片封装件101中的芯片产生的热量。此外，基板130中可以设置有与p型半导体15p和/或n型半导体15n接触的散热通道160，从而将通过半导体热电元件150释放的热量传递到半导体封装结构100外部。
30.尽管以上通过举例的方式描述并示出了p型半导体15p和n型半导体15n以及向其施加电压的示例，但是本公开不限于此，半导体热电元件150的结构只要可以实现半导体封
装件110的散热即可。
31.此外，尽管在图1所示出的剖视图中半导体封装件110仅包括一个芯片，并且半导体热电元件150设置在该芯片下方且与该芯片叠置，但是本公开不限于此。
32.另外，在示例性实施例中，半导体热电元件150可以设置在封装件基板120与基板130之间，从而为将半导体封装件110电连接到基板130的焊球140提供支撑。因此，与普通的半导体封装结构相比，不需要额外的空间来容纳半导体热电元件150。此外，起到支撑作用的半导体热电元件150可以确保焊球140具有稳定的高度，避免由于焊球140变形而造成焊球140的高度变低，因此，示例性实施例的半导体封装结构100可以在提高散热效果的同时改善板级的温度循环可靠性。
33.在示例性实施例中，半导体封装件110可以是细间距球栅阵列封装件(fbga)，但本公开不限于此。例如，半导体封装件110可以是晶圆级芯片规模封装件(wlcsp)，如下面图2中所示。
34.图2是示出了根据本发明的另一示例性实施例的具有半导体热电元件的封装结构的示意性剖视图。
35.图2的实施例与图1的实施例的不同之处在于：半导体热电元件150设置在芯片封装件101与封装件基板(或称为，基板)102之间，并且芯片封装件101可以是晶圆级芯片规模封装件(wlcsp)。在图2中，将省略与图1的实施例重复的描述。
36.用于将芯片封装件101电连接到封装件基板102的焊球140设置在芯片封装件101与封装件基板102之间，并且半导体热电元件150同样设置在芯片封装件101与封装件基板102之间。半导体热电元件150包括多个热电偶15，每个热电偶15中的p型半导体15p和n型半导体15n可以通过芯片封装件101的凸块垫bp彼此电连接，凸块垫bp布置在芯片封装件101的与封装件基板102面对的表面处。多个热电偶15可以通过设置在封装件基板102中的垫彼此连接。在这种情况下，半导体热电元件150可以从芯片封装件101吸收热量，并且向封装件基板102释放热量。
37.在实施例中，半导体热电元件150设置在芯片封装件101与封装件基板102之间，由此可以支撑芯片封装件101并且可以确保焊球140的高度。因此，示例性实施例的半导体封装结构200可以在提高散热效果的同时改善板级的温度循环测试性能。
38.图3是示出了根据本发明的示例性实施例的具有半导体热电元件的半导体封装结构的示意性剖视图。
39.除了散热片和散热块以外，图3示出的半导体封装结构300与图1示出的半导体封装结构100相同，因此，将省略与图1的实施例重复的描述。
40.参照图3，半导体热电元件150形成在基板130的第一表面10上，散热片180设置在基板130的与第一表面10相对的第二表面20上。散热块170形成在基板130中，并且散热块170的一端通过基板130的第一表面10处的垫152连接到形成在基板130的第一表面10上的半导体热电元件150，散热块170的另一端接触散热片180。由此，散热片180和散热块170一起构成传递由半导体热电元件150释放的热量的通道。在示例性实施例中，散热片180和散热块170可以是一体的。
41.以下给出用于制造半导体封装结构100的方法的示例性实施例。
42.图4至图7是示出根据本发明的示例性实施例的用于制造半导体封装结构的方法
的剖视图。在下文中，将参照图4至图7详细描述根据本发明的示例性实施例的用于制造半导体封装结构的方法。
43.首先，如图4中所示，准备半导体封装件110。半导体封装件110可以是已经完成塑封后的封装件，并且半导体封装件110可以包括封装件基板102和设置在封装件基板102上的芯片封装件101。芯片封装件101中的芯片通过引线键合或倒装的形式连接到封装件基板102。封装件基板102具有用于后续与热电偶15连接的多个贯穿过孔151，其中，贯穿过孔151与芯片封装件101中的芯片接触。
44.第二，如图5中所示，将多个热电偶15贴装到封装件基板102的与其上设置有芯片封装件101的表面相对的表面上，使得多个热电偶15分别接触封装件基板102中的相应的贯穿过孔151。
45.第三，如图6中所示，在封装件基板102的其上贴装有热电偶15的表面上形成焊球140，但是本公开不限于此。例如，可以在形成焊球140后，在封装件基板102的形成有焊球140的表面上贴装热电偶15。
46.第四，如图7中所示，将形成有焊球140和热电偶15的半导体封装件110贴装到基板130上以形成半导体封装结构100。基板130可以具有内部散热通道，从而将通过半导体热电元件150释放的热量传递到半导体封装结构100外部，但是本公开不限于此。例如，如图3中所示，可以不在基板130中形成散热通道。
47.另外，在另一示例性实施例中，可以先在基板130上形成多个热电偶15，并且热电偶15中的相应的n型半导体15n和p型半导体15p可以与形成在基板130的表面处的垫152接触，从而多个热电偶15可以彼此串联/并联。然后，将形成有焊球140的半导体封装件110贴装到形成有热电偶15的基板130上，从而形成半导体封装结构100。
48.在本公开的示例性实施例中，半导体热电元件150设置在封装件基板102与基板130之间，因此，半导体热电元件150在提高散热效果的同时为设置在其上的半导体封装件110提供了支撑。由此，避免了焊球140的变形并且确保了焊球140的高度，进而改善了板级的温度循环可靠性。
49.图8至图11是示出根据本发明的示例性实施例的用于制造半导体封装结构的方法的剖视图。在下文中，将参照图8至图11详细描述根据本发明的示例性实施例的用于制造半导体封装结构的方法，并且将省略与图4至图7示出的实施例重复的描述。
50.首先，如图8中所示，准备芯片封装件101。芯片封装件101可以是已经完成塑封后的封装件，并且在芯片封装件101的一个表面上形成有凸块垫bp，其中，凸块垫bp中的一部分可用于后续与热电偶15电连接。
51.第二，如图9中所示，将多个热电偶15贴装到芯片封装件101的相应的凸块垫bp上。
52.第三，如图10中所示，芯片封装件101的一部分凸块垫bp上形成焊球140，但是本公开不限于此。例如，可以在形成焊球140后，再将多个热电偶15贴装到芯片封装件101的相应的凸块垫bp上。
53.第四，如图11中所示，将形成有焊球140和热电偶15的芯片封装件101贴装到封装件基板102上以形成半导体封装结构200。封装件基板102可以具有内部散热通道，从而将通过半导体热电元件150释放的热量传递到半导体封装结构200外部，但是本公开不限于此。例如，如图3中所示，可以不在封装件基板102中形成散热通道。
54.综上所述，根据本发明的示例性实施例的半导体封装结构可以在利用半导体热电元件提高半导体封装件的散热效果的同时，为半导体封装件提供支撑。由此，可以确保焊球具有稳定的高度，避免焊球变形而造成焊球的高度变低，因此，示例性实施例的半导体封装结构可以在提高散热效果的同时改善板级的温度循环可靠性。
55.虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式上和细节上的各种变化。