半导体封装结构及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种半导体封装结构，特别涉及一种具有振荡器芯片的半导体封装结构。


背景技术：

2.晶体振荡器包含由石英晶体坯(所述石英晶体坯密闭性囊封在容器中)构成的晶体单元，及使用晶体单元的振荡电路。在各种电子设备中，晶体振荡器被用作频率及时间的参考源。此类晶体振荡器中的一者为恒温晶体振荡器(ocxo)，它使晶体单元的操作温度保持恒定。因为晶体单元的操作温度无论环境温度如何皆保持恒定，所以ocxo能提供特别高的频率稳定性，并且表现出很小的频率偏差。举例来说，此类ocxo用于例如基站等通信设施中。


技术实现要素：

3.在一些实施例中，半导体封装结构包含衬底、第一电子组件及支撑组件。第一电子组件安置在衬底上。第一电子组件具有面对衬底的第一表面的背面表面。支撑组件安置在第一电子组件的背面表面与衬底的第一表面之间。第一电子组件的背面表面具有连接到支撑组件的第一部分及从支撑组件暴露的第二部分。
4.在一些实施例中，半导体封装结构包含衬底、第一电子组件、第一绝缘体及第二绝缘体。第一电子组件安置在衬底上。第一电子组件具有面对衬底的第一表面的背面表面。第一绝缘体及第二绝缘体安置在第一电子组件的背面表面与衬底的第一表面之间。第一绝缘体及第二绝缘体的等效热阻大于衬底的热阻。
5.在一些实施例中，制造半导体封装结构的方法包含(a)提供具有腔的陶瓷衬底；(b)将绝缘体安置在腔的底表面上；及(c)将第一电子组件安置在绝缘体上，第一电子组件的背面表面具有连接到绝缘体的第一部分及从绝缘体暴露的第二部分。
附图说明
6.当结合附图阅读时，从以下详细描述容易理解本发明的方面。应注意，各种特征可能未按比例绘制。事实上，为论述清楚起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
7.图1示出了根据本发明的一些实施例的半导体封装结构的截面图。
8.图2a示出了根据本发明的一些实施例的半导体封装结构的截面图。
9.图2b示出了根据本发明的一些实施例的半导体封装结构的截面图。
10.图3示出了根据本发明的一些实施例的半导体封装结构的截面图。
11.图4a、图4b、图4c、图4c'、图4d及图4e示出了根据本发明的一些实施例的制造半导体封装结构的方法。
12.图5a及图5b示出了根据本发明的一些实施例的制造半导体封装结构的方法。
具体实施方式
13.贯穿所述图式及具体实施方式使用共同参考编号以指示相同或类似组件。本发明的实施例将从结合随附图式的以下详细描述更易于理解。
14.例如“以上”、“以下”、“向上”、“左”、“右”、“向下”、“顶部”、“底部”、“竖直”、“水平”、“侧”、“较高”、“下部”、“上部”、“上方”、“下方”等空间描述词是针对某个组件或一群组件指定的，或针对一个组件或一群组件的某个平面指定的，组件的定向如关联附图中所示。应理解，本文中所使用的空间描述词仅出于说明的目的，且本文中所描述的结构的实际实施方案可以任何定向或方式在空间上布置，其限制条件为本发明的实施例的优点不因此布置而有偏差。
15.为了将ocxo中的晶体单元维持在恒定温度，通常使用恒温装置。随着通信设施越来越小型化，ocxo也需要变小。具有微机电系统(mems)振荡器的ocxo采用复杂的堆叠结构或高成本材料来增强温度控制能力。例如，mems振荡器及振荡电路可封装在陶瓷腔衬底上，且由陶瓷腔衬底上的一个盖子密闭性密封。因为陶瓷的热导率被认为很高，例如大于15w
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(氧化铝)，或大于150w
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(氮化铝)，所以插入具有较低热导率(例如约1w
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(玻璃))的绝缘层以将mems振荡器及振荡电路与陶瓷腔衬底间隔开，以便使ocxo中的晶体单元保持在恒定温度。然而，陶瓷腔衬底及额外绝缘层的实施方案会增加制造成本。
16.此外，绝缘层(例如，玻璃)的热导率实际上仍无法阻止晶体振荡器及振荡电路的热损耗，使得需要提供更多功率来将晶体振荡器及振荡电路保持在恒定温度。
17.本发明使用空气腔或真空腔作为热传导阻滞区，以阻止晶体振荡器及振荡电路的热损耗。因为空气具有约0.026w
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的热导率(其大体上低于例如玻璃的绝缘材料的热导率)，所以晶体振荡器及振荡电路的热损耗可以有效地减少。真空的热导率甚至低于空气的热导率。在本发明的另一方面中，本发明提供用于封装晶体振荡器及振荡电路的有机衬底。有机衬底的聚合组件具有低于陶瓷衬底热导率的热导率(<1w
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)，且与陶瓷腔衬底及例如玻璃的额外绝缘层相比更经济。例如，以模制材料为主的衬底具有约0.8到1w
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的热导率，聚酰亚胺衬底具有约0.1到0.2w
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的热导率，fr-4衬底具有约0.3w
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的热导率，液晶聚合物(lcp)衬底具有约0.3到0.5w
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的热导率，有机衬底上的阻焊剂层具有约0.2到0.3w
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的热导率。利用有机衬底及空气腔的组合，不仅可以减少制造成本，还可减少将晶体振荡器及振荡电路保持在恒定温度的功率消耗。
18.图1示出了根据本发明的一些实施例的半导体封装结构1的截面图。半导体封装结构1包含衬底10、绝缘体11、电子组件12、13及盖14。
19.衬底10可为有机衬底，包含(但不限于)以模制材料为主的衬底、聚酰亚胺衬底、fr-4衬底、液晶聚合物(lcp)衬底、带芯衬底、无芯衬底或由有机小分子或聚合物构成的其它衬底。在一些实施例中，有机衬底的聚合组件具有低于约1w
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的热导率。在一些实施例中，衬底10界定了容纳热绝缘体11及电子组件12、13的腔10c。在一些实施例中，衬底10具有被虚线圆圈10s圈出的阶梯结构。例如，衬底10具有顶表面101及与顶表面101不共面的顶表面102。例如，顶表面102从顶表面101下凹。
20.绝缘体(也可被称作热绝缘体或支撑组件)11安置在衬底10的表面103上方。绝缘体11安置在由衬底10界定的腔10c内。在一些实施例中，绝缘体11经由粘着层11a(例如，裸
片附接膜daf)连接到衬底10的表面103。在一些实施例中，绝缘体11的热导率等于或低于约1.2w
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。在一些实施例中，绝缘体11的热导率为约0.2w
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。例如，绝缘体11可包含玻璃材料或任何其它合适的材料。
21.电子组件12安置在绝缘体11上方。在一些实施例中，电子组件12可为或包含有源组件，例如裸片或芯片。电子组件12具有面对绝缘体11的背面表面及与绝缘体11相对的有源表面。在一些实施例中，电子组件12的背面表面经由粘着层12a连接到绝缘体。在其它实施例中，电子组件12的背面表面直接接触绝缘体11。为了有效地为电子组件12提供热绝缘，电子组件12的背面表面的宽度(或面积)等于或小于绝缘体11的宽度(或面积)。例如，电子组件12的背面表面完全被绝缘体11或粘着层12a覆盖。
22.电子组件12可包含控制电路，所述控制电路经配置以控制电子组件13及/或处理从电子组件13接收到的信号。在一些实施例中，电子组件12进一步包含靠近电子组件12的有源表面的热源区12h。热源区12h可包含从有源表面暴露的电阻器图案，且准备好在适当的电力作用下将热传导到与其物理接触的对象。在一些实施例中，电子组件12可经由导电线12w电连接到衬底10。
23.电子组件13安置在电子组件12上方。在一些实施例中，电子组件13安置在电子组件12的热源区12h上方。电子组件13经由导电线13w电连接到电子组件12。当然，还可应用例如导孔、导电柱或焊接点的其它电连接来电连接电子组件12、电子组件13及衬底10。电子组件13具有背对电子组件12的有源表面及与有源表面相对的背面表面。在一些实施例中，电子组件13的背面表面经由接合层13a(例如，daf)连接到或接合到电子组件12的有源表面。接合层13a可能薄到足以允许热源区12h与电子组件13之间的有效热传导。接合层13a还可具有高热导率材料。
24.在一些实施例中，电子组件13可为或包含振荡器，例如晶体振荡器或可受底层控制芯片(例如，电子组件12)控制的微机电系统(mems)振荡器芯片。在一些实施例中，电子组件12经配置以由热源区12h维持电子组件13的恒定温度。
25.盖14安置在衬底10的表面101上，覆盖绝缘体11、电子组件12、13及腔10c。在一些实施例中，由盖14及腔10c界定的空间密闭性密封。例如，空间与半导体封装结构1的外部绝缘，这可以增强空间的热绝缘性。
26.图2a示出了根据本发明的一些实施例的半导体封装结构2a的截面图。半导体封装结构2a类似于图1中所示的半导体封装结构1，且它们之间的一些差异在下文描述。
27.图2a中的衬底10可为或包含陶瓷衬底。例如，衬底10可由al2o3形成。在一些实施例中，陶瓷衬底的热导率为约15w
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。与有机衬底相比，陶瓷衬底具有较高的稳定性。有机衬底可具有气体泄漏问题。例如，在操作温度下，一些有机气体可从有机衬底挥发，这将改变由盖14及衬底10界定的空间内空气的组成，并且会不利地影响电子组件13的性能(例如，振荡频率精度)。另外，挥发的有机气体可能损坏由盖14及衬底10界定的空间内的组件(例如，电子组件12及13)，并且减少半导体封装结构的使用寿命。根据图2a中所示的实施例，因为陶瓷衬底在由盖14及衬底10界定的空间内的操作温度下相对稳定，所以气体(例如，有机气体)将不会挥发。因此，电子组件13可具有较佳性能(例如，精确振荡频率)。另外，半导体封装结构2a的使用寿命可增加。
28.参考图2a，一或多个绝缘体21安置在电子组件12(例如，电子组件12的背面表面)
与衬底10之间。绝缘体21可充当支撑电子组件12的支撑结构。绝缘体21经由粘着层11a连接到衬底10的表面103。在一些实施例中，绝缘体21经由粘着层12a连接到电子组件21的背面表面。在其它实施例中，粘着层12a可以省略，且绝缘体21与电子组件12的背面表面直接接触。例如，绝缘体21可为或包含安置在电子组件12的背面表面上的经图案化光致抗蚀剂。在一些实施例中，绝缘体21的热导率等于或小于约1.2w
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。在一些实施例中，绝缘体11的热导率为约0.2w
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。例如，绝缘体21可包含玻璃材料或任何其它合适的材料。在一些实施例中，绝缘体21可包含相同材料或由相同材料形成。或者，绝缘体21可包含不同材料或由不同材料形成。例如，一些绝缘体21可包含一种材料，且其它绝缘体21可包含另一种材料。
29.在一些实施例中，每一绝缘体21可为柱(或支柱)或任何其它形状的支撑结构。如图2a中所示，绝缘体21可安置在电子组件12的背面表面的边缘处或附近。在一些实施例中，绝缘体21可完全环绕电子组件12的背面表面。例如，电子组件12的背面表面、衬底10的表面103及绝缘体21可形成密封空间。在一些实施例中，绝缘体21可彼此分隔。例如，两个邻近绝缘体21之间可存在间隙。在一些实施例中，如图2b中所示，绝缘体21可安置在电子组件12的中心处或附近。在一些实施例中，所有绝缘体21的几何中心与电子组件12的几何中心大体上对准。在一些实施例中，绝缘体21中的每一者的高度(或电子组件12的背面表面与衬底10的表面103之间的距离)处于约15微米到约500微米的范围内。
30.绝缘体21连接到电子组件12的背面表面的一部分。例如，电子组件12的背面表面的一部分连接到绝缘体21，而电子组件12的背面表面的其它部分从绝缘体21暴露(或暴露于由盖14及衬底10界定的空间)。例如，所有绝缘体21的顶表面的总面积小于电子组件12的背面表面的面积。在一些实施例中，所有绝缘体的顶表面的总面积为电子组件12的背面表面的面积的约3％到约50％(例如，约6％、10％、15％、20％、25％、30％、40％等等)。电子组件12的背面表面与衬底10之间的热传导可由两个路径实现，一个路径包含绝缘体21(或绝缘体21及粘着层11a、12a)，另一路径包含电子组件12的背面表面中未连接到绝缘体21的一部分与衬底10的表面103之间的空间(例如，空气、气体或真空)。
31.在一些实施例中，电子组件12的背面表面与衬底10的表面103之间的等效热阻(例如，绝缘体21的等效热阻及电子组件12的背面表面中未连接到绝缘体21的一部分与衬底10的表面103之间的腔/空间)小于衬底10的热阻。
32.如图1中所示，因为绝缘体11连接到电子组件12的整个背面表面，所以电子组件12的背面表面与衬底10之间的热传导可由仅一个路径(例如，绝缘体11)实现。因此，电子组件12的背面表面与衬底10之间的等效热导率(或等效热阻)大体上等于绝缘体11的热导率(或等效热阻)。根据如图2a及图2b中所示的实施例，电子组件12的背面表面与衬底10之间的热传导可由绝缘体21及空气(或真空)实现。因为空气的热导率为约0.026w
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，所以电子组件12的背面表面与衬底10之间的等效热导率小于绝缘体21的热导率，或电子组件12的背面表面与衬底10之间的等效热阻大于绝缘体21的热阻。因此，与图1中所示的半导体封装结构1相比，由半导体封装结构2a或2b的盖14及衬底10界定的空间内的热绝缘可以得到改进，这将改进电子组件13的性能(例如，精确的振荡频率)。另外，半导体封装结构2a或2b具有较佳热绝缘性，电子组件12在操作温度下加热电子组件13的功率消耗可以减少。
33.在一些实施例中，在绝缘体11的厚度及每一绝缘体21的高度为约500微米的情况
下，半导体封装结构2a的电子组件12的背面表面与衬底的表面103之间的热阻(绝缘体的总面积为电子组件12的背面表面的面积的约6％)比半导体封装结构1高约186％，且半导体封装结构2b的电子组件12的背面表面与衬底的表面103之间的热阻(绝缘体的总面积为电子组件12的背面表面的面积的约3％)比半导体封装结构1高约357％。另外，半导体封装结构2a的电子组件12的功率消耗比半导体封装结构1小约65％，且半导体封装结构2b的电子组件12的功率消耗比半导体封装结构1小约78％。
34.在一些实施例中，在绝缘体11的厚度及每一绝缘体21的高度为约200微米的情况下，半导体封装结构2a的电子组件12的背面表面与衬底的表面103之间的热阻(绝缘体的总面积为电子组件12的背面表面的面积的约6％)比半导体封装结构1高约302％，且半导体封装结构2b的电子组件12的背面表面与衬底的表面103之间的热阻(绝缘体的总面积为电子组件12的背面表面的面积的约3％)比半导体封装结构1高约525％。另外，半导体封装结构2a的电子组件12的功率消耗比半导体封装结构1小约75％，且半导体封装结构2b的电子组件12的功率消耗比半导体封装结构1小约84％。
35.图3示出了根据本发明的一些实施例的半导体封装结构3的截面图。半导体封装结构3类似于图2a中所示的半导体封装结构2a，且它们之间的一些差异在下文描述。
36.如图3中所示，衬底10不包含如图2a中所示的阶梯结构。例如，衬底10仅包含一个顶表面102。盖34具有大体上平行于衬底10的表面103的第一部分及连接到第一部分且大体上垂直于第一部分的第二部分。盖34的第二部分安置在衬底10的表面102上。在图2a中，电子组件13在大体上平行于衬底10的表面103的方向上不与盖14重叠。在图3中，电子组件13可在大体上平行于衬底10的表面103的方向上与盖34(例如，盖34的第二部分)重叠。
37.图4a、图4b、图4c、图4c'、图4d及图4e示出了根据本发明的一些实施例的制造图2a中所示的半导体封装结构2a的方法。
38.参考图4a，提供包含电子组件12的多个电子组件。在一些实施例中，电子组件可以呈条带形式或晶片形式。提供绝缘体21'，其具有大体上平行于电子组件12的背面表面(例如，背对热源区12h的表面)的第一部分及连接到第一部分且大体上垂直于第一部分的第二部分。绝缘体21'的第二部分经由例如粘着层12a连接到包含电子组件12的电子组件的背面表面。
39.参考图4b，绝缘体21'的第一部分被移除，留下绝缘体21'的第二部分以形成多个绝缘体21。在一些实施例中，绝缘体21'的第一部分是例如通过蚀刻或任何其它合适的工艺移除。
40.在其它实施例中，绝缘体21可通过将包含电子组件12的电子组件的背面表面的光致抗蚀剂图案化而形成，且粘着层12a可以省略。
41.参考图4c，可以执行单切以分离出包含电子组件12的个别电子组件。单切可例如通过使用切割机、激光器或其它适当的切割技术来执行。
42.如示出了图4c中示出的电子组件12的仰视图的图4c'中所示，绝缘体21可安置在电子组件12的背面表面的角处或附近。在其它实施例中，绝缘体21可安置在电子组件12的背面表面的中心处或附近。绝缘体21的数量可取决于不同的设计规范而改变。
43.参考图4d，提供具有腔10c的衬底10。如图4c中所示的结构安置在腔10c内。绝缘体21经由粘着层11a连接到衬底10的表面103。电子组件13随后安置在电子组件12的有源表面
上(例如，在热源区12h上)。电子组件13经由导电线13w电连接到电子组件12。电子组件12经由导电线12w电连接到衬底10。
44.参考图4e，盖14安置在衬底的表面101上。盖14连接到衬底10的表面101以形成密闭性密封空间。
45.图5a及图5b示出了根据本发明的一些实施例的制造图3中所示的半导体封装结构3的方法。在一些实施例中，图5a中的操作可在图4c中的操作之后执行。图5a及图5b中的操作类似于图4d及图4e中的操作，而它们之间的一些差异在下文描述。
46.如图5a中所示，衬底10不包含如图4d中所示的阶梯结构。例如，衬底10仅包含一个顶表面102。如图5b中所示，盖34具有大体上平行于衬底10的表面103的第一部分及连接到第一部分且大体上垂直于第一部分的第二部分。盖34的第二部分安置在衬底10的表面102上，以形成密闭性密封空间。
47.如本文中所使用且不另外定义，术语“大体上”、“大体”、“大致”及“约”用以描述及解释小变化。当与事件或情形结合使用时，术语可涵盖事件或情形精确发生的情况以及事件或情形极近似于发生的情况。举例来说，当结合数值使用时，术语可涵盖小于或等于所述数值的
±
10％的变化范围，例如小于或等于
±
5％、小于或等于
±
4％、小于或等于
±
3％、小于或等于
±
2％、小于或等于
±
1％、小于或等于
±
0.5％、小于或等于
±
0.1％、或小于或等于
±
0.05％。术语“大体上共面”可指沿着同一平面处于微米内的两个表面，例如沿着同一平面处于40μm内、30μm内、20μm内、10μm内或1μm内。
48.除非上下文另外明确规定，否则如本文中所用，单数术语“一”及“所述”可包含多个指示物。在对一些实施例的描述中，一组件设置在另一组件“上”或“上方”可涵盖前一组件直接在后一组件上(例如，与后一组件物理接触)的情况以及一或多个介入组件位于前一组件与后一组件之间的情况。
49.尽管本发明已参看其特定实施例进行描述及说明，但这些描述及说明并不为限制性的。所属领域的技术人员应理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神及范围的情况下，可做出各种改变且可取代等效物。图示可能未必按比例绘制。归因于制造工艺及公差，在本发明中的工艺再现与实际设备之间可能存在区别。可存在并未具体说明的本发明的其它实施例。应将本说明书及图式视为说明性而非限定性的。可做出修改，以使具体情形、材料、物质组成、方法或工艺适应于本发明的目标、精神及范围。所有此类修改意欲在此随附的权利要求书的范围内。尽管已参考按特定次序执行的特定操作描述了本文中所揭示的方法，但应理解，在不脱离本发明的教示的情况下，可组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中具体指示，否则操作的次序及分组并非限制。