具有薄衬底的半导体封装及其制造方法与流程

1.本发明一般涉及具有薄半导体衬底的半导体封装和制造多个半导体封装的方法。更具体地说，本发明涉及一种半导体封装，其在足够的安全系数范围内工作，具有厚度在25微米到75微米范围内的衬底。


背景技术：

2.诸如用于电池保护应用的公共漏极金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)芯片级封装(csp)和半导体功率封装等，半导体封装通常具有100微米或以上的半导体衬底厚度。半导体衬底提供了大量的直流电阻。比较有利的做法是将半导体衬底厚度减小到低于50微米，从而减小直流电阻并提高电性能。
3.半导体衬底提供了大量的直流(dc)电阻。减少半导体衬底的厚度以改善电性能是十分有利的做法。例如，当半导体衬底的厚度从50微米减小到25微米时，导通电阻可以减小24％。当半导体衬底厚度减小时，半导体封装的机械强度降低。在本发明的示例中，添加连接到杨氏模量为150千兆帕斯卡的金属层的刚性支撑层以增加机械强度。增加所附金属层的厚度可进一步略微降低导通电阻(比改变半导体衬底厚度的影响敏感度低)。例如，当附着的金属层的厚度从15微米增加到50微米时，导通电阻可降低5％。


技术实现要素：

4.一种半导体封装，包括一个半导体衬底、一个第一金属层、一个粘合层、一个第二金属层、一个刚性支撑层和多个接触垫。半导体衬底的厚度等于或小于75微米。刚性支撑层的厚度大于半导体衬底的厚度。第二金属层的厚度大于第一金属层的厚度。
5.公开了一种用于制造多个半导体封装的方法。该方法包括以下步骤：制备一个设备晶圆；提供一个支撑晶圆；通过一个粘合层将支撑晶片连接到设备晶圆；以及应用分离过程。
附图说明
6.图1表示一种传统的半导体封装的剖面图。
7.图2表示另一种传统的半导体封装的剖面图。
8.图3表示在本发明的示例中，一种具有薄衬底的半导体封装的剖面图。
9.图4表示在本发明的示例中，制备多个半导体封装的流程图。
10.图5a-5d表示在本发明的示例中，图4所示工艺的相应的步骤剖面图。
具体实施方式
11.图1表示一种传统的半导体封装100的剖面图。传统的半导体封装100包括多个接触垫102、一个半导体衬底120、一个金属层140和一个涂层190。在一个示例中，衬底120为100微米厚。涂层190不能为包装提供足够的机械强度支撑。在表面贴装焊料回流过程中会
发生翘曲。
12.图2表示传统的半导体封装200的剖面图。传统的半导体封装200包括多个接触垫202、一个半导体衬底220、一个金属层240和一个保护带294。在一个示例中，半导体衬底220为100微米厚。保护带294不能为封装提供足够的机械强度支撑。在表面安装焊料回流过程中会发生翘曲。
13.美国专利申请公开号2019/0189569的图3a和3b表示一种半导体封装，该半导体封装包含一个半导体衬底、一个金属层、一个粘合层、一个刚性支撑层和多个接触垫的半导体封装。如果没有附加到刚性支撑层的附加金属层，则当半导体衬底的厚度减小到50微米范围时，包括在半导体封装的机械性能要求中的安全系数并不高。
14.图3表示在本发明的示例中，半导体封装300的剖面图。半导体封装300包括一个半导体衬底320、一个第一金属层340、一个粘合层360、一个第二金属层370、一个刚性支撑层380和多个接触垫302。
15.半导体衬底320具有一个前表面322和一个后表面324。后表面324与前表面322相对。第一金属层340具有一个前表面342和一个后表面344。后表面344与前表面342相对。粘合层360具有一个前表面362和一个后表面364。所述后表面364与前表面362相对。第二金属层370具有一个前表面372和一个后表面374。后表面374与前表面372相对。刚性支撑层380具有一个前表面382和一个后表面384。后表面384与前表面382相对。
16.在本发明的示例中，第一金属层340的前表面342直连到半导体衬底320的后表面324。粘合层360的前表面362直接连接到第一金属层340的后表面344。第二金属层370的前表面372直接连接到后表面粘合层360的364。刚性支撑层380的前表面382直接连接到第二金属层370的后表面374。在一个示例中，多个接触垫302连接到半导体基板320的前表面322。在另一个示例中，多个接触垫302直接连接到半导体衬底320的前表面322。
17.在一个示例中，半导体衬底320的厚度等于或小于50微米。在另一示例中，半导体衬底320的厚度在25微米到35微米的范围内。在本发明的示例中，第二金属层370的厚度在30微米到100微米的范围内。第二金属层370提供电路径，以便减小器件的导通电阻。第一金属层340的厚度在1微米到5微米的范围内。第一金属层340的厚度小于半导体衬底320的厚度，以便减少半导体封装在制造期间的整体翘曲。第二金属层370的厚度大于第一金属层340的厚度。在一个示例中，半导体衬底320、第二金属层370和刚性支撑层380的边缘表面在所有侧面分别对齐和共面。在另一示例中，半导体衬底320、第一金属层340、第二金属层370和刚性支撑层380的边缘表面在所有侧面分别对齐和共面。在另一个示例中，半导体衬底320、第一金属层340、粘合层360、第二金属层370和刚性支撑层380的边缘表面在所有侧面分别对齐和共面。
18.本发明的示例中，支撑层的厚度为380微米至150微米。刚性支撑层380的术语“刚性”指刚性支撑层380中比胶带材料更硬的材料(例如聚酰亚胺材料或聚合物材料)。半导体衬底320越薄，多个半导体封装中的每一个的电性能越好。半导体衬底320的厚度小于50微米是十分有利的。如果半导体封装的机械性能要求中包括安全系数，则刚性支撑层380的强度要求更高。
19.在本发明的示例中，沿平行于图3的z轴的方向测量厚度。在本发明的示例中，刚性支撑层380的厚度是前表面382和后表面384之间的最短距离。在本发明的示例中，半导体衬
底320包括硅材料。在本发明的示例中，优选半导体封装(具有3.05mm
×
1.77mm的平面尺寸)能够承受5牛顿以上，而不会断裂。
20.在本发明的示例中，粘合层360包括导电粘合剂。刚性支撑层380是非导电的。电流从多个接触垫302中的第一接触垫，流过半导体衬底320、第一金属层340、粘合层360、第二金属层370、粘合层360、第一金属层340和半导体衬底320，至多个接触垫302中的第二接触垫。
21.在本发明的示例中，半导体封装300是用于电池保护应用的公共漏极金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)芯片级封装(csp)。两个栅极和两个源极位于公共漏极mosfet csp的前表面上。公共漏极位于公共漏极mosfet csp的背面。
22.在本发明的示例中，刚性支撑层380的整体由具有相对较高杨氏模量的材料制成，包括单晶硅材料、多晶硅材料或玻璃材料。在本发明的示例中，刚性支撑层380的整体由具有高杨氏模量的材料制成，包括硅材料、玻璃材料或氧化硅玻璃材料(sio2)。其优点是具有成本效益和更轻的半导体封装重量。在本发明的示例中，整个刚性支撑层380的杨氏模量在半导体衬底320杨氏模量的50％到150％范围内。整个刚性支撑层380的热膨胀系数(cte)在半导体衬底320的cte的50％到250％范围内。
23.在本发明的示例中，刚性支撑层的整体由单晶硅材料或由回收硅晶片制造的多晶硅材料制成。使用回收硅片的优点是降低成本。回收的硅片是用过的硅片或再生的硅片。在一个实例中，所使用的硅片可先前用于测试目的。蚀刻工艺和抛光工艺应用于回收的硅片。整个第一金属层340由从铝、镍和金组成的组中选择的材料制成。整个第二金属层370由从钛、镍和银组成的组中选择的材料制成。
24.图4表示在本发明的示例中，制备多个半导体封装的过程400的流程图。图5a-5d表示相应步骤的剖面图。过程400可以从区块402开始。
25.在区块402中，现在参考图5a，制备一个设备晶圆502。设备晶圆502可以是直径为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸或18英寸的晶圆。设备晶圆502包括半导体衬底520、第一金属层540和多个接触垫512。设备晶圆502还可以包括钝化层514(以虚线显示)。类似于美国专利申请公开号2019/0189569的图3a，多个接触垫512中的每个可包括铝层和镍金层。在一个示例中，第一金属层540直接沉积在半导体衬底520上。
26.半导体衬底520具有与半导体衬底520的前表面522相对的前表面522和后表面524。第一金属层540具有与第一金属层540的前表面542相对的前表面542和后表面544。第一金属层540的前表面542直接接触连接到半导体衬底520的后表面524。多个接触垫512连接到半导体衬底520的前表面522。
27.在本发明的示例中，半导体衬底520的厚度等于或小于50微米。半导体衬底520的厚度在25微米到35微米的范围内。区块402之后可以是区块404。
28.在区块404中，现在参考图5b，制备一个支撑晶圆504。支撑晶圆504包括一个第二金属层570和一个刚性支撑层580。第二金属层570具有与第二金属层570的前表面572相对的前表面572和后表面574。刚性支撑层580具有与第二金属层570的前表面582相对的前表面582和与第二金属层570的前表面582相对的后表面584刚性支撑层580。刚性支撑层580的前表面582直接连接到第二金属层570的后表面574。
29.在本发明的示例中，刚性支撑层580的厚度大于半导体衬底520的厚度。刚性支撑
层580比胶带材料更硬。第二金属层570的厚度大于第一金属层540的厚度。刚性支撑层580不导电。刚性支撑层580的整体由单晶硅材料或由回收硅晶片制造的多晶硅材料制成。整个第一金属层540由从镍、铜、钛和钢组成的组中选择的材料制成。整个第二金属层570由从镍、铜、钛和钢组成的组中选择的材料制成。区块404之后可以是区块406。
30.在区块406中，现在参考图5c，支撑晶片504通过粘合层560连接到设备晶圆502。粘合层560具有与粘合层560的前表面562相对的前表面562和后表面564。粘合层560的前表面562直接连接到第一金属层540的后表面544。前表面562第二金属层570的表面572直接附着到粘合层560的后表面564。
31.在本发明的示例中，粘合层560包括导电粘合物。区块406之后可以是区块408。
32.在区块408中，现在参考图5d，提供分离过程以形成多个半导体封装599。在一个例子中，分割过程是激光切割过程。在另一个例子中，分离过程是锯切过程。第一封装581和第二封装583与切割过程分离。尽管为了简单起见，图5d中仅仅表示出了两个封装，但由晶圆制造的封装的总数可能不同。在本发明的示例中，多个半导体封装599中的每一个都是用于电池保护应用的公共漏极金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)芯片级封装(csp)。
33.本领域的普通技术人员可以认识到，本发明公开的实施例的修改是可能的。例如，多个接触垫302的总数可以变化。本领域的普通技术人员可以进行其他修改，并且所有这些修改都被认为属于权利要求所定义的本发明的范围。