专利名称：半导体模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体模块及其制造方法，尤其涉及没有所谓底层填料的封装内的倒装片布置。
背景技术：
使用较高时钟频率、由此提高半导体器件(尤其是存储芯片)的性能需要采用外壳技术(housing technology)。由于外壳的寄生效应，半导体芯片的功能性和可靠性可能会被限制或者不再能得到保障。因此，在产生高频的情况下，需要对外壳或封装构造的结构方面采取措施，使诸如无抗电阻、容抗和感抗(R、1/ωC，ωL)等寄生变量最小化。
举例来说，在已知的封装结构内的倒装片中，用倒装片连接代替接合线，用柔性或刚性衬底代替引线框。这种情况的问题在于，在温度交变周期中，由于半导体器件与衬底的热膨胀系数(CTE)不同，例如半导体器件的热膨胀系数大约为3ppm/K，衬底的热膨胀系数为18ppm/K，因此产生机械应变。这些问题会导致断裂，从而中断诸如芯片等半导体器件与衬底之间的电连接。
因此，通常封装中的这种倒装片构造根据图6和图8被底层填料(underfill)，或者是完全被密封的，或者是在注塑步骤中被过度模塑(参考图7)。结果，芯片A连接至衬底C，两者通过焊球B接触电连接，并且两者连接得非常牢固、从而在温度交变周期中均匀地膨胀和收缩。然而，这样会使整个封装产生轻微的弯曲。根据图7，芯片A的薄片与模塑料D同时用于机械保护。对于倒装片连接，除了根据图6和图7的焊球B以外，还使用了其他接触元件，例如金柱块隆起、镍隆起、或类似物。在倒装片制造过程中，接触元件通过焊球B、导电粘合剂、利用压缩或类似方法导电地连接至衬底C。
相对于在温度变化的情况中用于由于芯片A与衬底C之间的热膨胀系数不同而引起的热应变的补偿，接触元件B只有非常有限的柔性。因此，在底层填料过程中底层填料材料D、D’、D”的引入硬化了芯片A与衬底C之间的连接。在这种情况下，底层填料过程或者在倒装片安装过程之后实施(根据图7的毛细流动底层填料D，根据图7的底层填料模塑料D’)，或者早在倒装片安装过程之前实施(例如，根据图8，没有流动底层填料，各向异性导电粘合剂D”)。同样地，已知在被底层填料的倒装片式构造中使用盖子(热扩散器)以实现较好的热耗散。
已知的上述结构具有这样的缺点主要在相对较大的半导体芯片的情况下，由于芯片A，衬底C和模塑料D、D’、D”之间的热膨胀系数不同，因此整个封装会产生翘曲或者变形。这样可能对封装测试和封装安装产生不利影响。并且，封装的翘曲可能引起模塑料D脱离衬底C或者芯片A。更甚者，具有较差导热性的模塑料D，D’通常会阻止热量分散到衬底C或者热量发散到周围环境中。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种半导体模块以及制造半导体模块的方法，通过它能够制造出稳固和可靠的半导体模块，同时免去底层填料或者模塑过程，而且能够避免在半导体器件与承载衬底之间产生热应力，电连接设置在半导体器件与承载衬底之间。
根据本发明，通过权利要求1所述的半导体模块以及权利要求12所述的用于制造半导体模块的方法，可以实现所述目的。
本发明所基于的思想主要在于，通过柔性接触元件使半导体器件接触电连接至承载件，半导体器件被覆盖元件保护。
在本发明中，尤其是基于以下的事实使得上述问题得以解决，即半导体模块设有至少一个半导体器件；在所述至少一个半导体器件之上的刚性覆盖元件，用于保护至少一个半导体器件和分散来自至少一个半导体器件的热量；以及承载件，其具有连接元件，用于接纳半导体器件和覆盖元件，所述至少一个半导体器件通过承载件利用柔性接触元件电连接至接触元件，并且通过接触元件机械连接至覆盖元件。
这种结构具有以下优点即半导体器件和承载件和/或优选是半导体器件和覆盖元件通过柔性材料相互连接。结果，不会产生热应变。然而，同时，通过被固定地安装的覆盖元件，能够确保半导体模块、即封装的稳固性。因此，半导体模块不会产生翘曲。根据本发明的构造尤其适于大的半导体器件或者芯片，其中离芯片中心有较大的距离。优选覆盖元件由具有良好导热性的材料构成，诸如金属等，从而提高热耗散。
并且，这种金属盖能够同时被用于电磁干扰场的电流动。覆盖元件边缘的完全焊接或粘接给予提供对周围环境的密封屏蔽的可能性，尤其是能够对抗环境的影响，诸如空气湿度等。附加的优点在于，能够以复杂性低于具有刚性接触元件的半导体器件的晶片级，测试具有柔性接触元件的半导体器件(晶片级测试)。除此之外，没有底层填料材料的结构给予“再制(rework)”的可能性，即在故障的情况下为了修理而分解构造。
根据本发明的半导体模块以及根据本发明的用于制造半导体模块的方法的有利发展和改进可以在从属权利要求中获得。
根据一个优选发展，其中柔性接触元件具有可弹性变形的接触隆凸，所述接触隆凸优选由聚合物制成，诸如硅酮等，特别地是由导电粘合剂制成。
根据进一步的优选发展，其中柔性接触元件具有金属弹簧元件。
根据进一步的优选发展，其中刚性覆盖元件的热膨胀系数与承载件的热膨胀系数相等或相近似。
根据进一步的优选发展，其中刚性覆盖元件形成为井状样式，并且优选由金属制成。
根据进一步的优选发展，其中刚性覆盖元件是粘接或焊接到承载件上的，优选具有气密密封。
根据进一步的优选发展，其中多种半导体器件设置在模块中。
根据进一步的优选发展，其中至少一个半导体器件具有存储元件。
根据进一步的优选发展，其中覆盖元件通过粘合剂至少在预定区域中粘接至半导体器件，所述粘合剂具有低的弹性模量。
根据进一步的优选发展，其中通过焊料或者导电粘合剂，在至少一个半导体器件的柔性接触元件与承载件的连接元件之间提供接触电连接。
根据进一步的优选发展，其中覆盖元件至少在它的外侧具有突出和/或凹陷，以增大表面积。
根据进一步的优选发展，其中通过将至少一个柔性隆凸印制到至少一个半导体器件上，优选地是将重新布线元件施加到至少一个半导体器件上并形成图案，特别地是施加到至少一个柔性隆凸上制成所述柔性接触元件。
根据进一步的优选发展，作为连接元件，焊球施加到承载件上。
本发明的示例性实施例示出在附图中，并且在以下的描述中得以详细解释。
附图简述
图1示出了为了说明本发明第一实施例的半导体模块的安装顺序的图解剖视图；图2示出了为了说明本发明第一实施例的半导体模块的图解剖视图；图3示出了为了说明本发明第二实施例的半导体模块的图解剖视图；图4示出了为了说明本发明第三实施例的半导体模块的图解剖视图；图5示出了为了说明本发明第四实施例的半导体模块的图解剖视图；以及图6至图8中每种情况都示出了已知半导体模块的图解剖视图。
标号列表10 半导体器件，优选为存储器11 柔性接触元件12 可弹性变形得接触隆凸13 重新布线元件，例如在接触隆凸上14 覆盖元件，优选是金属盖14’覆盖元件的边缘
15 弹性粘合剂16 隔离物17 承载件18 焊料/导电粘合剂垫19 连接元件，优选为焊球20 承载件的接触垫21 屏蔽元件22 具有接触元件的柔性层23 导电弹簧元件24 成型件A 半导体芯片B 焊料壁，特别是互连芯片/衬底C 衬底D 毛细流动底层填料D’模塑底层填料D”各向异性导电粘合剂E 焊球具体实施方式
在图中，相同的标号表示相同或者功能相同的组成部分。
图1图示出进行安装以形成半导体模块期间，半导体器件10的一种分解剖视视图，半导体器件10优选为半导体存储器。根据图1中的优选实施例，半导体器件10具有柔性接触元件11，所述柔性接触元件11采用可弹性变形接触隆凸12的形式，并且优选带有在柔性接触隆凸12上分几部分分布的重新布线元件13。重新布线元件13导电地连接至半导体器件10。根据示例性的实施例，在施加可弹性变形接触隆凸12之后，使重新布线元件13施加到半导体器件10上并形成图案，尤其是施加到可弹性变形的接触隆凸12上。
可弹性变形的接触隆凸12包括聚合物，诸如硅酮等，并且可以以导电形式和非导电形式实施。如果接触隆凸12由非导电材料制成，那么就需要延伸到柔性接触隆凸12上的重新布线元件13。在柔性接触隆凸12由导电材料制成的情况下，诸如导电粘合剂等，就只需要导电接触隆凸12例如通过重新布线元件13接触电连接至半导体器件10。
根据图1中的示例性实施例，半导体器件10被引入覆盖元件14中并且在远离接触元件11的一侧。覆盖元件14具有大致呈U形或井状轮廓的横截面，并且优选由具有良好导热性的材料制成，诸如金属等，以便在操作期间能较好的分散来自半导体器件10的热量。
半导体器件10优选通过弹性粘合剂15粘接在预定区域中，例如中心处。为了保持覆盖元件14与半导体器件10之间的距离，优选将两个成型突起形式的隔离物16设置在覆盖元件14上。如果半导体器件10被引入覆盖元件14中，并且抵碰覆盖元件14的隔离物16，那么包括接触元件11的半导体器件10沿垂直方向延伸，直到或者稍远于覆盖元件14的边缘14’。优选阻焊层(未示出)设置在半导体器件10上的柔性接触隆凸12周围的预定区域中。
随即，在倒装片过程中，承载件17或者承载衬底优选通过焊料隆起焊盘或者导电粘合剂18电连接至半导体器件10的接触元件11。同时优选的是，在这种情况下，覆盖元件14的边缘14’分几部分或者完全地焊接或者粘接到承载件17上。优选覆盖元件14的材料具有与承载件17相同或者相类似的热膨胀系数(CTE)。优选粘合剂15非常柔软，即具有低的弹性模量，诸如硅酮等，以致于半导体器件10与承载件17之间的热应力能被粘合剂15补偿。所述粘合剂15施加于柔性接触元件11。
这以后连接元件19施加到承载件17的远离半导体器件10的一侧。优选连接元件19具有设置在承载件的接触垫20上的焊球。承载件17的接触垫20电连接至半导体器件10的接触元件11。优选地是，承载件21具有内层(重新布线层，电源或者GND层)。
根据图1所示组装的半导体模块被图1中的剖视图示出。虽然根据图1和图2，柔性粘合剂15设置在覆盖元件14与半导体器件10之间，然而也可以省略所述粘合剂15，即覆盖元件14只通过隔离物16接触连接至半导体器件10，优选在微小压力作用下，以便在经历温度周期时确保覆盖元件14与半导体器件10之间的均匀的较高灵活性。
图3图解示出了与参考图1和图2而进行说明的半导体模块不同的半导体模块的剖视图，主要不同点在于根据图1和图2的单个可弹性变形的接触隆凸没有作为接触元件11设置在半导体器件10上，而是设有被形成图案的重新布线元件13的柔性层22用作半导体元件10与承载件17之间的电连接。优选柔性层22由可弹性变形的聚合物构成，诸如硅酮等。
图4不同于根据图1和图2的实施例，主要使用了导电弹簧元件23作为接触元件11，用来将半导体器件10接触电连接至连接元件19。
图5所示的结构不同根据图1和图2的构造，主要不同在于覆盖元件14的形状，所述覆盖元件14设有成型部分24，以便增大表面积，从而改善对来自半导体器件10的热量的分散。
虽然以上在优选示例性实施例的基础上描述了本发明，然而不限于此，而是可以以不同方式进行变更实施。这样，除了所述覆盖元件14的变化实施例外，可以有另外的带有对应表面结构的盖状形式，诸如散热片或类似物。也可以对覆盖元件的尺寸以及材料的例子进行扩展。覆盖元件14与半导体器件10之间的粘合剂15，如果存在，可以由具有良好导热性的柔性材料制成，以便进一步优化对来自半导体器件10的热量的分散。
主要地，柔性接触元件11能够以多种方式产生，诸如利用聚合物凸起、聚合物区、弹性元件(诸如微弹簧或者纳米弹簧)、或者它们的任一组合。接触元件11也不局限于利用焊料或者导电粘合剂导电连接至承载件17。通过简单地将柔性接触元件11压至承载件17上，也能够实现接触元件11与承载件17之间的电接触。更甚者，在覆盖元件之下的半导体器件10的数量是可变的，它们可以是一个设置在另一个旁边和/或一个设置在另一个之上，特别地是，它们具有不同的芯片尺寸。示出在图中的相对尺寸和材料厚度只是作为例子。
权利要求
1.一种半导体模块，具有至少一个半导体器件(10)；在所述至少一个半导体器件(10)之上的刚性覆盖元件(14)，用于保护至少一个半导体器件(10)和分散来自至少一个半导体器件(10)的热量；以及承载件(17)，所述承载件(17)具有连接元件(19)，用于接纳半导体器件(10)和覆盖元件(14)，所述至少一个半导体器件(10)通过承载件(17)利用柔性接触元件(11)电连接至接触元件(19)，并且通过接触元件(15，16)机械连接至覆盖元件(14)。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述柔性接触元件(11)具有可弹性变形的接触隆凸(12)，所述接触隆凸(12)优选由诸如硅酮的聚合物制成，特别是由导电粘合剂制成。
3.根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于，所述柔性接触元件(11)具有金属弹簧元件(23)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其特征在于，所述刚性覆盖元件(14)的热膨胀系数与承载件(17)的热膨胀系数相等或相近似。
5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其特征在于，所述刚性覆盖元件(14)形成为井状样式，并且优选由金属制成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其特征在于，所述刚性覆盖元件(14)粘接或焊接到承载件(17)上，优选具有气密密封。
7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其特征在于，多种半导体器件(10)设置在模块中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其特征在于，至少一个半导体器件(10)具有存储元件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其特征在于，覆盖元件(14)通过粘合剂(15)至少在预定区域中粘接至半导体器件(10)，所述粘合剂具有低的弹性模量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其特征在于，通过焊料或者导电粘合剂(18)或者简单的按压，在至少一个半导体器件(10)的柔性接触元件(11)与承载件(17)的连接元件(19)之间提供接触电连接。
11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块，其特征在于，覆盖元件(14)至少在它的外侧具有突出(24)和/或凹陷，以增大表面积。
12.一种用于制造半导体模块的方法，具有以下步骤(a)将柔性接触元件(11)施加到所述至少一个半导体器件(10)上(b)将所述至少一个半导体器件(10)容纳在刚性覆盖元件(14)中，用来保护至少一个半导体器件(10)和分散来自所述至少一个半导体器件(10)的热量；(c)将所述至少一个半导体器件(10)施加到承载件(17)上；(d)将覆盖元件(14)装配到承载件(17)上；以及(e)将连接元件(19)装配到承载件(17)上，所述至少一个半导体器件(10)通过承载件(17)并且利用柔性接触元件(11)电连接至连接元件(19)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，同时实施步骤(c)和(d)，并且所述至少一个半导体器件(10)接触电连接至承载件(17)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，通过将所述至少一个柔性隆凸(12)印制到至少一个半导体器件(10)上，优选将重新布线元件施加到至少一个半导体器件(10)上形成图案，且特别是施加到至少一个柔性隆凸(12)上形成所述柔性接触元件(11)。
15.根据权利要求12、13或14所述的方法，其特征在于，所述覆盖元件(12)优选通过柔性粘合剂(15)至少分几部分地粘接至半导体器件(10)。
16.根据前述权利要求12至15中任一项所述的方法，其特征在于，焊球施加到承载件(17)的接触垫(20)上作为连接元件(19)。
全文摘要
本发明提供一种半导体模块，具有至少一个半导体器件(10)；在所述至少一个半导体器件(10)之上的刚性覆盖元件(14)，用于保护至少一个半导体器件(10)和分散来自至少一个半导体器件(10)的热量；以及承载件(17)，具有连接元件(19)，用于接收半导体器件(10)和覆盖元件(14)，所述至少一个半导体器件(10)通过承载件(17)利用柔性接触元件(11)电连接至接触元件(19)，并且通过接触元件(15，16)机械连接至覆盖元件(14)。同样，本发明提供一种用于制造半导体模块的方法。
文档编号H01L21/48GK1604313SQ200410055859
公开日2005年4月6日 申请日期2004年8月4日 优先权日2003年9月30日
发明者哈里·黑德勒, 罗兰·伊尔西格勒, 托尔斯滕·迈耶 申请人:印芬龙科技股份有限公司