专利名称：层叠封装器件及封装半导体管芯的方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地来说，涉及层叠封装件。
背景技术：
作为实例，半导体器件被用于各种电子应用中，例如，个人计算机、手机、数码相机以及其他电子设备。通常通过在半导体衬底上方顺序沉积绝缘层或者介电层、导电层以及半导体层的材料，并且使用光刻图案化各种材料层以在其上形成电路部件和元件来制造半导体器件。半导体产业通过不断减小最小特征尺寸来继续提高各种电子部件(例如，晶体管、二极管、电阻器、电容器等)的集成密度，这使得更多部件集成在给定区域内。在一些应用中，这些较小的电子部件也需要比过去的封装件使用更少面积的较小封装件。层叠封装(PoP)技术由于其允许集成电路更密集地集成在较小的整体封装中的能力而变得日益流行。在许多先进的诸如智能手机的手持设备中采用PoP技术。尽管PoP技术已经允许较薄的封装轮廓，但是目前通过顶部封装件和底部封装件之间的锡球接合高度来限制总厚度减小。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种层叠封装(PoP)器件，包括:第一封装管芯；第二封装管芯，与所述第一封装管芯耦合；以及多个金属柱形凸块，设置在所述第一封装管芯和所述第二封装管芯之间，其中，所述多个金属柱形凸块中的每一个都包括凸块区域和耦合至所述凸块区域的尾部区域，并且所述多个金属柱形凸块中的每一个都内嵌在焊点中。在该器件中，所述第一封装管芯包括耦合至第一衬底的第一管芯，并且所述第二封装管芯包括耦合至第二衬底的第二管芯。在该器件中，所述第二封装管芯包括垂直堆叠在所述第二衬底上方的多个第二管芯。在该器件中，所述多个金属柱形凸块耦合至所述第一衬底，并且所述多个金属柱形凸块中的每一个都包括大约50 μ m至300 μ m的高度以及包括与所述第一衬底邻近的大约50 μ m到200 μ m的直径。在该器件中，所述第一衬底或者所述第二衬底包括设置在其中的多个衬底通孔。在该器件中，所述多个金属柱形凸块包括选自基本上由Cu、Al、Au、Pt、Pd以及它们的组合所组成的组的材料。根据本发明的另一方面，提供了一种层叠封装(PoP)器件，包括:底部封装管芯，包括设置在其顶面上的多个金属柱形凸块，所述多个金属柱形凸块中的每一个都包括凸块区域和耦合至所述凸块区域的尾部区域；以及顶部封装管芯，与所述底部封装管芯耦合，所述顶部封装管芯包括形成在其底面上的多个接触件，其中，所述底部封装管芯上的所述多个金属柱形凸块中的每一个都内嵌在与所述顶部封装管芯上的所述多个接触件中的一个接触件耦合的焊点中。该器件进一步包括设置在所述底部封装管芯的底面上的多个焊球。在该器件中，所述多个金属柱形凸块中的每一个都完全延伸至所述顶部封装管芯上的所述多个接触件中的一个。在该器件中，所述多个金属柱形凸块中的每一个都部分延伸至所述顶部封装管芯上的所述多个接触件中的一个。在该器件中，所述底部封装管芯包括位于其顶面上的多个接合焊盘，并且所述多个金属柱形凸块中的每一个都接合至所述底部封装管芯的顶面上的接合焊盘。在该器件中，所述多个金属柱形凸块中的一个接合至所述底部封装管芯上的所述多个接合焊盘中的每一个。在该器件中，所述多个金属柱形凸块中的一个接合至所述底部封装管芯上的所述多个接合焊盘中的一些。在该器件中，所述多个金属柱形凸块中的一个接合至所述底部封装管芯的角部区域中的所述多个接合焊盘中的每一个。在该器件中，所述多个金属柱形凸块中的一个接合至所述底部封装管芯的中心边缘区域中的所述多个接合焊盘中的每一个。根据本发明的又一方面，提供了一种封装半导体管芯的方法，所述方法包括:将第一管芯耦合至第一衬底的顶面；将多个金属柱形凸块耦合至所述第一衬底的顶面，所述多个金属柱形凸块中的每一个都包括凸块区域和耦合至所述凸块区域的尾部区域；将第二管芯耦合至第二衬底的顶面；在所述第二衬底的底面上形成多个焊球；在所述第二衬底的顶面上的所述第二管芯的上方形成模塑料；以及将所述第一衬底的顶面上的所述多个金属柱形凸块中的每一个都耦合至所述第二衬底的底面上的所述多个焊球中的一个。在该方法中，将所述第一管芯耦合至所述第一衬底的顶面包括:将所述第一管芯的底面上的焊料凸块耦合至所述第一衬底的顶面上的接合焊盘或导线。在该方法中，将所述第二管芯耦合至所述第二衬底的顶面包括:将所述第二管芯的顶面上的接触件引线接合至所述第二衬底的顶面上的接触焊盘，其中，所述方法进一步包括:将所述第二管芯上方的第三管芯耦合至所述第二衬底的顶面上的所述接触焊盘并且将所述第三管芯的顶面上的接触件引线接合至所述第二衬底的顶面上的所述接触焊盘，并且形成所述模塑料进一步包括在所述第三管芯上方形成所述模塑料。在该方法中，将所述多个金属柱形凸块耦合至所述第一衬底的顶面包括:提供导线，在所述导线的端部处形成焊球，将所述焊球紧靠所述第一衬底的顶面上的接合焊盘放置，超声振动紧靠所述接合焊盘的所述焊球，并且加热所述第一衬底。该方法进一步包括加热所述第一衬底和所述第二衬底以回流位于所述第二衬底的底面上的所述多个焊球的焊料并且在所述第一衬底和所述第二衬底之间形成多个焊点，所述多个焊点中的至少一些包括所述多个金属柱形凸块中的一个。
为更完整的理解本发明及其优点，现将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中:图1至图5示出了根据本发明的实施例处于各个阶段的封装第一管芯并且在其顶面上形成金属柱形凸块的方法的横截面图；图6至图8示出了形成金属柱形凸块的方法实例的横截面图；图9是金属柱形凸块的横截面图，示出了根据实施例金属柱形凸块的部分的尺寸；图10至图12是第一封装管芯的衬底的俯视图，示出了根据实施例形成金属柱形凸块的衬底上的区域；图13示出了第一封装管芯的衬底的较详细的俯视图；图14示出了图13所示的衬底的一部分的较详细的俯视图，示出了实施例中用于将管芯附接至衬底的凸块导线直连图案。图15示出了管芯的仰视图，示出了根据实施例的焊料凸块接触件的图案；图16至图19示出了根据实施例处于各个阶段的封装至少一个第二管芯的方法的横截面图；图20示出了根据实施例将第二封装管芯附接至第一封装管芯的横截面图；图21是根据本文描述的方法的封装的PoP器件的横截面图；图22是根据另一个实施例的PoP器件的横截面图；以及图23是根据本发明的实施例示出封装半导体管芯的方法流程图。除非另有说明，不同附图中相应的标号和符号通常指的是相应的部件。绘制附图以清楚地示出实施例的相关方面并且不必按比例绘制。
具体实施例方式下面详细讨论本发明实施例的制造和使用。然而，应该理解本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的创造性概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。本发明的实施例涉及半导体器件的封装。在本文中将描述新型的封装结构和将多个半导体器件封装在PoP封装件中的方法。如图5所示，封装第一管芯118以形成第一封装管芯126，并且如图19所示，封装一个或者多个第二管芯168a和168b以形成第二封装管芯176。如图21和图22所示，封装第二封装管芯176与第一封装管芯126，以形成本文进一步描述的PoP器件180。注意，为了简化，并非在每个附图中都包括所有元件标号:更确切地，在每个绘图中都包括与每个绘图的说明最相关的元件标号。图1至图5示出了根据本发明实施例的处于各个阶段的封装第一管芯118以及在其顶面上形成金属柱形凸块112的方法的横截面图。首先参考图1，提供了第一衬底100。在附图中仅示出了一个第一衬底100 ;然而，在包括多个第一衬底100的工件上加工几个第一衬底100，并且在将第一管芯118封装第一衬底100上之后，稍后切割该工件。在一些实施例中，第一衬底100包括由绝缘材料或者玻璃构成的中介层。在其他实施例中，第一衬底100包括半导体材料，诸如半导体晶圆。在一些实施例中，第一衬底100可以包括形成在其上的电子部件和元件，或者可选地，第一衬底100可以没有电子部件和元件。接合焊盘102形成在第一衬底100的顶面上，并且在俯视图中，位于第一衬底100的外围区域(未在图1中示出:参见图10中外围区域146)中。接合焊盘和/或导线106形成在第一衬底100的顶面上，并且在俯视图中位于第一衬底100的中心区域(也未在图1中示出:参见图13中的中心区域148)中。接合焊盘108形成在第一衬底100的底面上。接合焊盘108可以以阵列或者以行或者列布置在第一衬底100的底面上(未示出)。作为实例，接合焊盘108可以完全填充底面或者可以布置成各种图案，例如，用于球栅阵列(BGA)或者格栅阵列(LGA)封装器件的图案。作为实例，接合焊盘102、接合焊盘和/或导线106以及接合焊盘108包括导电材料，例如，Al、Cu、Au、它们的合金；其他材料或者它们的组合和/或它们的多层。可选地，接合焊盘102、接合焊盘和/或导线106以及接合焊盘108可包括其他材料。在一些实施例中，第一衬底100包括形成在其中的多个衬底通孔(TSV) 104。TSV104包括完全延伸穿过第一衬底100的导电或者半导体材料，任选地衬有绝缘材料。TSV104提供从第一衬底100的底面至顶面的垂直电连接件(例如，图1中的y轴连接件)。第一衬底100包括形成在一个或者多个绝缘材料层内的布线110。例如，在一些实施例中,布线Iio提供水平电连接件(例如，图1示出的视图中的X-轴连接件)。布线110可以包括扇出区域，该扇出区域含有用于将第一管芯的覆盖区(未在图1中示出:参见图3中第一管芯118)扩展到接合焊盘108的第一衬底100的底面的覆盖区的导电材料的导线。第一衬底100的布线110可以包括一个或者多个再分布层(RDL)。RDL可以包括一个或者多个绝缘层和布线层。RDL可以包括层间电介质(ILD)和设置或者形成在其内的金属化层中布线。例如，布线Iio可以包括一个或者多个通孔和/或导线。布线110和TSV 104可以使用一个或者多个金属蚀刻(subtractive etch)工艺形成,例如,单镶嵌技术和/或双镶嵌技术。布线110的部分可以存在于第一衬底100的顶面和底面上；例如,第一衬底100的布线110的部分可以包括耦合至其他元件的接合焊盘102、接合焊盘和/或导线106以及接合焊盘108。可选地，在其他实施例中，接合焊盘102，接合焊盘和/或导线106以及接合焊盘108可单独形成并且附接至布线110的部分。根据本发明的实施例，如图2所示，多个金属柱形凸块112附接至衬底100顶面上的接合焊盘102。可以使用类似于引线接合方法(例如，使用引线接合器(未示出))的方法附接多个金属柱形凸块112。金属柱形凸块112包括凸块区域114以及连接至的凸块区域114的尾部区域116。凸块区域114包括扁球形状，并且尾部区域116包括尾状或者柱形。多个金属柱形凸块112包括导电材料,例如,金属。例如,在一些实施例中，多个金属柱形凸块112包括Cu、Al、Au、Pt、Pd和/或它们的组合。可选地，金属柱形凸块112可以包括其他导电材料和/或金属。在一些实施例中，多个金属柱形凸块112中的每个都包括接近第一衬底100大约50 μ m至300 μ m的高度以及大约50 μ m至200 μ m的直径。可选地，多个金属柱形凸块112可以包括其他材料和尺寸。本文分别参考图6至图8和图9进一步描述了金属柱形凸块112及其尺寸的形成。接下来，如图3所示，提供了第一管芯118并且该第一管芯附接至第一衬底100。第一管芯118包括集成电路或者芯片，将集成电路或者芯片与第二管芯168a以及可选地还与第三管芯168b封装在单个PoP器件180 (参见图21)中。第一管芯118可以包括含有半导体衬底的工件，该半导体衬底包含硅或者其他半导体材料并且可以通过诸如绝缘层覆盖该第一管芯。第一管芯118可以包括形成在工件中和/或上方的一个或者多个部件和/或电路(未示出)。第一管芯118可以包括导电层和/或半导体元件，例如，晶体管、二极管、电容器等(也未示出)。例如，第一管芯118可以包括逻辑电路、存储器件或者其他类型的电路。第一管芯118可以包括形成在其底面上的多个接触件(未示出)。在第一管芯118的底面上形成多个焊料凸块120，例如，第一管芯118底面上的多个接触件。例如，焊料凸块120可以包括微凸块或者焊球。如图3所示，第一管芯118上的焊料凸块然后附接至第一衬底100的顶面上的接合焊盘和/或导线106。将焊料回流工艺用于回流焊料凸块120的焊料并且将第一管芯118附接至第一衬底100，例如，将焊料凸块120电和机械附接至第一衬底100的接合焊盘或者导线106。可以可选地使用其他方法将焊料凸块120附接至第一衬底100。在一些实施例中，使用导线上倒装芯片接合(BOT)附接技术将第一管芯118连接至第一衬底100。可选地，可使用其他倒装芯片附接技术和其他类型的接合焊盘106。如图4所示，然后在第一管芯118下方，第一衬底100和第一管芯118之间施加底部填充材料122。尽管也可以使用其他方法形成底部填充材料122，但是例如，使用分配针(dispensing needle)沿第一管芯118的一个或者多个边缘施加底部填充材料122。尽管可以可选地使用其他材料，但是在一些实施例中，底部填充材料122包括环氧树脂或者聚合物。如图5所示，然后，多个焊球124形成在第一衬底100的底面上。焊球124附接至第一衬底100的底部上的接合焊盘108。例如,可以使用植球工艺(ball mount process),随后的焊料回流工艺来形成焊球124。焊球124可以可选地使用其他方法形成。然后，从工件上的其他第一衬底100切割第一衬底100，以形成第一封装管芯126。例如，第一封装管芯126本文中还称为底部封装管芯。底部封装管芯126包括在其顶面129上的多个接合焊盘102，并且包括形成在位于其底面128上的接合焊盘108上的多个焊球124。多个金属柱形凸块112中的每个都接合至底部封装管芯126的顶面129上的接合焊盘102。然后，在第一或者底部封装管芯126上实施最终测试。图6至图8示出了形成图2至图5所示的金属柱形凸块112的方法实例的横截面图。使用引线接合器形成金属柱形凸块112，该引线接合器包括用于分配金属导线133的毛细管132、电子火焰熄灭(electric flame off,EF0)杆以及传感器(在附图中未示出引线接合器以及它的一些元件)。在图6中示出了具有设置在毛细管132内部的导线133的引线接合器的部分130。毛细管132适合在接合工艺期间控制和移动金属丝。例如，导线133包括Cu、Al、Au、Pt、Pd和/或它们的组合。可选地，导线133可以包括其他导电材料和/或金属。导线133的端部134从毛细管132的顶部突出。如图7所示，EFO杆用于在导线133端部134附近产生电火花136，该电火花136在导线133的端部134形成焊球138。焊球138使用无空气焊球(FAB)技术形成。还如图7所示，焊球138紧靠第一衬底100上的接合焊盘102放置。毛细管132使用超声振动或者力140在图8所示的视图中的水平方向上振动焊球138。还如图8所示，向接合焊盘102施加力142，并且向第一衬底100施加热144，将导线133上的焊球138附接至接合焊盘102。如图9的横截面图所示，然后去除毛细管132，同时将导线133断开并且形成具有预定长度(在图8中未示出:参见图9)的尾部区域116，留下附接至或者接合至接合焊盘102顶部上的第一衬底100的金属柱形凸块112。可选地，可以使用其他方法形成金属柱形凸块112并且接合至第一衬底100。图9还根据实施例示出了金属柱形凸块112的部分的尺寸。如图所示，金属柱形凸块112具有邻近第一衬底100的凸块直径BD、焊球高度BHl、凸块区域114的底座高度BH2、尾部区域116的尾部长度TL、以及总高度0H。尺寸BD、BH1、BH2、TL和OH根据导线133的直径变化，例如，在一些实施例中，导线133的直径可以在大约Imm至2mm范围内变动。例如，在一些实施例中，BD在大约50 μ m至200 μ m范围内变动；TL在大约10 μ m至200 μ m范围内变动；0H在大约50 μ m至300 μ m范围内变动；并且BHl和BH2小于0H。在一种实施例中，总高度OH在大约50 μ m至300 μ m范围内变动并且邻近第一衬底100的凸块直径BD在大约50μπι至200μπι范围内变动。在另一个实施例中，总高度OH包括大约300 μ m。在一些实施例中，作为另一个实例，总高度OH与凸块直径BD的比率大于大约I至大约6。可选地，导线133和金属柱形凸块112可以包括其他尺寸。图10至图12是第一封装管芯126的第一衬底100的俯视图，不出了根据实施例形成新型金属柱形凸块112的第一衬底100上的区域。如图所示，第一衬底100具有设置在中心区域148周围的外围区域146。外围区域146可以包括以一行或者多行形成在其内的多个接合焊盘102。作为实例，在图10至图12的外围区域146中示出了两行接合焊盘102 ;可选地，可使用其他数目的行。中心区域148包括多个接合焊盘和/或导线106 (在图10至图12中未示出:参见图13)。在一个实施例中，如图10所示，金属柱形凸块112耦合至位于外围区域146中的接合焊盘102的每一个。多个金属柱形凸块112中的一个接合至底部封装管芯126上多个接合焊盘102中的每一个(例如，位于外围区域146中)。在其他实施例中，多个金属柱形凸块112中的一个仅接合至位于底部封装管芯126上的多个接合焊盘102中的一些。例如，图11示出了其中金属柱形凸块112耦合至第一衬底100的角部区域150中(例如，位于外围区域146中)的接合焊盘102的每一个。多个金属柱形凸块112中的一个接合至位于底部封装管芯126的角部区域150中的多个接合焊盘102中的每一个。在一些实施例中，位于外围区域146中的第一衬底100上的至少10%的接合焊盘102具有耦合至其的金属柱形凸块112。在又一个实施例中，如图12所示，金属柱形凸块112耦合至位于角部区域150中的接合焊盘102，并且还耦合至中心边部区域152 (例如，位于外围区域146中)。多个金属柱形凸块112中的一个接合至中心边部区域152中的多个接合焊盘中的每一个，并且还接合至位于底部封装管芯126的角部区域150中的多个接合焊盘中的每一个。注意，金属柱形凸块112未在图10至图12中示出；金属柱形凸块112附接的接合焊盘102在所示的视图中可见。例如，位于所示的中心边部区域152和角部区域150中的接合焊盘102的数目为示例性并且可以基于半导体器件设计而变化。图13示出了第一封装管芯126的第一衬底100的更详细的俯视图。示出了形成在第一衬底100的中心区域148中的接合焊盘和/或导线106。在图14中示出了图13的部分的更详细视图，示出了在一个实施例中用于将管芯附接至衬底的凸块导线直连图案，其中，使用BOT封装技术封装第一管芯118。可选地，在其他实施例中，接合焊盘106的图案可以包括通常用于焊球的图案。图15示出了第一管芯118的仰视图，示出了根据实施例的焊料凸块120的图案。焊料凸块120可以更密集地填充在外围区域和/或角部区域中，并且可以具有在其某些部分中没有形成焊料凸块120的间隙。在图15中示出的图案仅是实例:根据半导体器件设计，许多其他类型的图案还可以用于焊料凸块120。图16至图19示出了根据实施例处于各个阶段的封装至少一种第二管芯168a的方法的横截面图。提供了第二衬底160，第二衬底160可以包括类似于本文中描述的第一衬底100的衬底并且可以包括类似的材料和部件。第二衬底160可以包括形成在带(未示出)上的多个第二衬底160，例如，包括4行和3列的第二衬底160的4个区的带。可选地，在其他布置中，可以在衬底的带上形成其他数目的第二衬底160。第二衬底160可以包括类似于针对第一衬底100描述的TSV 104和布线110的TSV 164和布线170。第二衬底160包括位于外围区域中顶面上的接触焊盘162和位于底面上的接触件166。例如，接触焊盘162和接触件166可以包括针对诸如第一衬底100的接合焊盘102、接合焊盘或者导线106以及接合焊盘108描述的类似材料。如图16所示，提供了第二管芯168a。例如，第二管芯168a可以包括类似于针对第一管芯118描述的管芯。至少一个第二管芯168a附接至第二衬底160的顶面。第二管芯168a包括位于外围区域中其顶面上的多个接触件169a。使用胶粘剂或者粘合剂(未示出)将第二管芯168a附接至第二衬底160的顶面。然后，使用接合引线172a沿第二管芯168a的两个或者多个边缘将第二管芯168a电连接至第二衬底160。例如，可以沿所有四个边缘将第二管芯168a引线接合至第二衬底160。将第二管芯168a耦合至第二衬底160的顶面包括使用接合引线172a将第二管芯168a顶面上的接触件169a引线接合至第二衬底160的顶面上的接触焊盘162。在一些实施例中，一个管芯168a耦合至第二衬底160，并且然后模塑料173形成在第二管芯168a上方和第二衬底160的顶面上方(在附图中未示出)。在其他实施例中，如图18所示，第二管芯168a和168b耦合在第二衬底160上方。例如，多个第二管芯168a和168b垂直堆叠在第二衬底160上方。第二管芯168b在本文中还称为第三管芯。如图18所示，第三管芯168b耦合在第二管芯168a上方，例如，使用胶粘剂或者粘合剂附接至第二管芯168a的顶面。也如图18所示，使用焊线172b将位于第三管芯168b顶面上的接触件16%引线接合至位于第二衬底160顶面上的接触焊盘162。例如，类似于本文描述的第二管芯168a引线接合至第二衬底160，第三管芯168b引线接合至第二衬底160。两行或者多行接触焊盘162可以形成在第二衬底160的顶面上。如图18所示，接触焊盘162的最内一行引线接合至第二管芯168a，并且接触焊盘162的最外一行引线接合至第三管芯168b。模塑料173形成在第三管芯168b以及第二衬底160的暴露部分的上方。例如，模塑料173包括保护接合引线172a和172b的绝缘材料。例如，在一些实施例中，使用倒装芯片晶圆级封装(WLP)技术和引线接合工艺将第二管芯168a和168b封装在第二衬底160上。可选地，可以使用其他类型的封装工艺将第二管芯168a和168b封装在第二衬底160上。在一些实施例中，第二衬底160可以不包括布线170内的RDL。在这些实施例中，可以使用接合引线172a和172b进行所有或者一些X-轴线或者水平电连接。在其他实施例中，作为另一个实例，第二衬底160可以包括布线170中的RDL。在这些实施例中，可以在RDL中进行所有的或者一些X-轴或者水平电连接。在施加模塑料173以后，多个焊球174形成在第二衬底160的底面上，例如，如图19所示，焊球174耦合至接触件166，并且如图5所示，与对第一衬底100的底面上焊球124的描述一样。然后，从在其上制造第二衬底160的工件(例如，包括第二衬底160的带)上的其他第二衬底160切割第二衬底160，以形成第二封装管芯176。例如，第二封装管芯176本文中还称为顶部封装管芯。顶部封装管芯176包括在其顶面179处的模塑料173，并且包括耦合至位于其底面178处的接触件166的焊球174。在第二封装管芯176上实施最终测试。图20示出了根据实施例的将第二封装管芯176附接至第一封装管芯126的横截面图。如图21所示，图21是根据本文描述的方法封装的PoP器件180的横截面图，降低第二封装管芯176直到焊球174耦合至金属柱形凸块112为止，并且焊球174回流，使得焊点182形成在每个金属柱形凸块112的上方。焊点182在横截面图中具有大体上的桶型。多个金属柱形凸块112的每一个都内嵌在焊点182中。例如，如图所不，多个金属柱形凸块112设置在第一封装管芯126和第二封装管芯176之间。焊点182将第一封装管芯126的接合焊盘102和第二封装管芯126的接触件166电耦合在一起，并且还将第一封装管芯126和第二封装管芯176机械耦合在一起。在一些实施例中，通过加热第一衬底100和第二衬底160以使第二衬底160的底面178上的多个焊球174的焊锡材料回流并且在第一衬底100和第二衬底160之间形成多个焊点182来形成焊点182。多个焊点182中的至少一些包括多个金属柱形凸块112中的一个。例如，一种说明性工艺可以包括将具有形成在其上(在底部封装管芯126上)的金属柱形凸块112的第一衬底100加热至焊料熔点(大约10°C )以上；对准焊球174(位于顶部封装管芯176上)；并且将它放置在金属柱形凸块112顶部以形成临时焊点，并且接着进行形成永久焊点182的工艺。顶部封装管芯176上的多个焊球174 (在焊料回流工艺以后变成焊点182的部分)中的每一个都耦合至顶部封装管芯176的底面上的接触件166，并且多个金属柱形凸块112中的每一个都部分延伸至焊点182内的顶部封装管芯176上的接触件166。在图21所示的实施例中，金属柱形凸块112没有完全延伸至顶部封装管芯176的接触件166。可选地，如图22所示，图22是根据另一个实施例的PoP器件180的横截面图，金属柱形凸块112可以完全延伸至顶部封装管芯176的接触件166。优选地，由于金属柱形凸块112包括较低的总高度0H(参见图9)，第一封装管芯和第二封装管芯126和176可以更紧密的放置在一起，降低了 PoP器件180的厚度。例如，PoP器件180的大约0.5mm至大约1.5mm的总厚度可使用本文描述的本发明的新实施例来实现。可选地，PoP器件180的厚度可以包括其他尺寸。PoP器件180厚度可以通过使用本发明的实施例减少大约10%或者更大。在一些应用中，作为另一个实例，PoP器件180隔开高度(standoff height)可以降低大约40%或者更大，例如，降低大约280 μ m至大约150 μ m。图23是示出根据本发明的实施例的封装半导体器件(即，第一管芯118、第二管芯168a以及此外可选地第三管芯168b)的方法的流程图190。在步骤191中，将第一管芯118耦合至第一衬底100的顶面。在步骤192中，将多个金属柱形凸块112耦合至第一衬底100的顶面。在步骤193中，将第二管芯168a耦合至第二衬底160的顶面。在步骤194中，多个焊球174形成在第二衬底160的底面上。在步骤195中，模塑料173形成在位于第二衬底160顶面上的第二管芯168a的上方(并且如果包括，还位于第三管芯168b上方)。在步骤196中，位于第一衬底100顶面上的多个金属柱形凸块112中的每一个都耦合至位于第二衬底160底面上的多个焊球174中的一个。在一些实施例中，第二管芯168a和168b包括存储器件，例如，随机存取存储器(RAM)或者其他类型的存储器件，并且第一管芯118包括逻辑器件。可选地，第二管芯168a和168b以及第一管芯118可以包括其他功能电路。如图所示，可以使用与将第一管芯118附接至第一衬底100所使用的方法不同的方法将第二管芯168a和168b附接至第二衬底160。可选地，可以使用与将第一管芯118附接至第一衬底100使用的方法相同的方法将第二管芯168a和168b附接至第二衬底160。在一些实施例中，作为实例，使用倒装芯片WLP技术以及引线接合封装第二管芯168a和168b，并且使用倒装芯片和BOT技术封装第一管芯118。可选地，可使用其他方法或者技术封装第二管芯168a和168b以及第一管芯118。本发明的实施例包括使用在第一封装管芯126和第二封装管芯176之间的电连接(例如，焊点182)中的金属柱形凸块112将多个半导体器件(例如，第一管芯118，第二管芯168a以及此外可选地，第三管芯168b)封装在单个PoP器件180中的方法。本发明的实施例还包括含有本文描述的新型金属柱形凸块112的PoP器件180。本发明的实施例的优点包括提供了减少PoP器件180中的第一封装管芯126和第二封装管芯176之间距离，因此减少了包括金属柱形凸块112的PoP器件180的总厚度的新型金属柱形凸块112。金属柱形凸块112总高度OH和宽度(直径)很小，因此减少了用于焊球174所需的焊料量。在焊球174的焊料回流工艺以后，金属柱形凸块112的较小OH围绕金属柱形凸块112形成较低的焊料轮廓，减少了第一封装管芯126和第二封装管芯176之间的隔开高度，因此还减小了 PoP器件180的厚度。本文描述的新型结构有利于生产超薄堆叠封装件以及用于半导体器件的封装技术。而且，由于诸如金属柱形凸块112的凸块部分114的凸块直径BD的直径非常小，所以可以减小顶部封装管芯176的底面上的接触件166的间距以及底部封装管芯126的顶面上的接合焊盘102的间距，导致用于封装管芯126和176以及还用于PoP器件180的俯视图中的较小宽度。例如，使用本发明的实施例在俯视图中可实现具有大约14nmX14nm的宽度或者较小尺寸的主体尺寸的PoP器件180。可以利用较低成本生产本文描述的金属柱形凸块112，以提供在封装工艺中节约成本。在一些实施例中，焊点182中的金属柱形凸块112的存在便于防止相邻的焊点182的桥接，减少或者防止短路并且提高了器件产量。在半导体器件封装工艺流程中容易实现本文描述的新型PoP结构和设计。本发明的实施例尤其有利于用于需要低轮廓封装件的终端应用中，例如，手持产品。在多个金属柱形凸块112中的一个接合至底部封装管芯126上的多个接合焊盘102中的仅一些接合焊盘的实施例中，没有耦合至其金属柱形凸块112的其他接合焊盘102使用焊球174接合至顶部封装管芯176上的接触件166。用于这些不包括金属柱形凸块112的接合焊盘102的焊点182仅含有焊料。优选地，金属柱形凸块112放置在角部区域150中的PoP器件180的整个外围中或者角部外围区域150和中心外围区域152中，使得PoP器件180更坚固。金属柱形凸块112在诸如如图21和22所示的横截面图中的垂直方向上穿过封装管芯126和176的表面在封装管芯126和176之间还提供了一致间隔。根据本发明的一个实施例，PoP器件包括第一封装管芯和耦合至第一封装管芯的第二封装管芯。多个金属柱形凸块设置在第一封装管芯和第二封装管芯之间。多个金属柱形凸块中的每一个都包括凸块区域以及耦合至凸块区域的尾部区域。多个金属柱形凸块中的每一个都内嵌在焊点中。根据本发明的另一个实施例，PoP器件包括含有设置在其顶面上的多个金属柱形凸块的底部封装管芯。多个金属柱形凸块中的每一个都包括凸块区域和耦合至凸块区域的尾部区域。PoP器件还包括耦合至底部封装管芯的顶部封装管芯。顶部封装管芯包括形成在其底面上的多个接触件。底部封装管芯上的多个金属柱形凸块中的每一个都内嵌在耦合至顶部封装管芯上多个接触件中的一个的焊点。根据又一个实施例，封装半导体管芯的方法包括将第一管芯耦合至第一衬底的顶面，以及将多个金属柱形凸块耦合至第一衬底的顶面。多个金属柱形凸块中的每一个都包括凸块区域和耦合至凸块区域的尾部区域。第二管芯耦合至第二衬底的顶面，并且多个焊球形成在第二衬底的底面上。模塑料形成在第二衬底顶面上的第二管芯上方。方法包括将位于第一衬底的顶面上的多个金属柱形凸块中的每一个都耦合至位于第二衬底底面上的多个焊球中的一个。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种改变，替换和更改。例如，本领域技术人员容易理解，本文描述的许多部件、功能、工艺以及材料可以改变而保持在本发明的范围内。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应该容易理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。
权利要求
1.一种层叠封装(PoP)器件，包括: 第一封装管芯； 第二封装管芯，与所述第一封装管芯耦合；以及 多个金属柱形凸块，设置在所述第一封装管芯和所述第二封装管芯之间，其中，所述多个金属柱形凸块中的每一个都包括凸块区域和耦合至所述凸块区域的尾部区域，并且所述多个金属柱形凸块中的每一个都内嵌在焊点中。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一封装管芯包括耦合至第一衬底的第一管芯，并且所述第二封装管芯包括耦合至第二衬底的第二管芯。
3.根据权利要求2所述的器件，其中，所述第二封装管芯包括垂直堆叠在所述第二衬底上方的多个第二管芯。
4.根据权利要求2所述的器件，其中，所述多个金属柱形凸块耦合至所述第一衬底，并且所述多个金属柱形凸块中的每一个都包括大约50 μ m至300 μ m的高度以及包括与所述第一衬底邻近的大约50 μ m到200 μ m的直径。
5.根据权利要求2所述的器件，其中，所述第一衬底或者所述第二衬底包括设置在其中的多个衬底通孔。
6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述多个金属柱形凸块包括选自基本上由Cu、Al、Au、Pt、Pd以及它们的组合所组成的组的材料。
7.一种层叠封装(PoP)器件，包括: 底部封装管芯，包括设置在其顶面上的多个金属柱形凸块，所述多个金属柱形凸块中的每一个都包括凸块区域和耦合至所述凸块区域的尾部区域；以及 顶部封装管芯，与所述底部封装管芯耦合，所述顶部封装管芯包括形成在其底面上的多个接触件，其中，所述底部封装管芯上的所述多个金属柱形凸块中的每一个都内嵌在与所述顶部封装管芯上的所述多个接触件中的一个接触件耦合的焊点中。
8.根据权利要求7所述的器件，进一步包括设置在所述底部封装管芯的底面上的多个焊球。
9.根据权利要求7所述的器件，其中，所述多个金属柱形凸块中的每一个都完全延伸至所述顶部封装管芯上的所述多个接触件中的一个。
10.一种封装半导体管芯的方法，所述方法包括: 将第一管芯耦合至第一衬底的顶面； 将多个金属柱形凸块耦合至所述第一衬底的顶面，所述多个金属柱形凸块中的每一个都包括凸块区域和耦合至所述凸块区域的尾部区域； 将第二管芯耦合至第二衬底的顶面； 在所述第二衬底的底面上形成多个焊球； 在所述第二衬底的顶面上的所述第二管芯的上方形成模塑料；以及 将所述第一衬底的顶面上的所述多个金属柱形凸块中的每一个都耦合至所述第二衬底的底面上的所述多个焊球中的一个。
全文摘要
本发明公开了一种层叠封装(PoP)器件以及封装半导体管芯的方法。PoP器件包括第一封装管芯以及耦合至第一封装管芯的第二封装管芯。金属柱形凸块设置在第一封装管芯和第二封装管芯之间。金属柱形凸块包括凸块区域和耦合至凸块区域的尾部区域。金属柱形凸块内嵌在焊点中。
文档编号H01L23/538GK103094260SQ20121039794
公开日2013年5月8日 申请日期2012年10月18日 优先权日2011年10月31日
发明者余振华, 李建勋, 陈永庆 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司