半导体器件及其制造方法与流程

[0001]
本发明实施例涉及一种半导体器件及其制造方法。


背景技术：

[0002]
随着电子产品不断小型化，封装管芯的散热(heat dissipation)已成为封装技术的重要问题。另外，对于多管芯封装来说，管芯的排列已影响到管芯之间的数据传输速度及封装产品的可靠性。


技术实现要素：

[0003]
根据本发明的一些实施例，提供一种半导体器件。所述半导体器件包括封装件及冷却盖。封装件包括第一管芯，第一管芯具有有源表面及与有源表面相对的后表面。后表面具有冷却区及封闭冷却区的外围区。第一管芯包括位于后表面的冷却区中的多个微沟槽。冷却盖堆叠在第一管芯上。冷却盖包括位于冷却区之上且与多个微沟槽连通的流体入口端口及流体出口端口。
[0004]
根据本发明的一些实施例，提供一种半导体器件。所述半导体器件包括封装件及冷却盖。封装件包括衬底、中介层及管芯。中介层设置在衬底之上且电连接到衬底。管芯设置在中介层之上且电连接到中介层。管芯在管芯的与中介层相对的上部表面上包括连续环图案及被连续环图案封闭的多个不连续图案。冷却盖堆叠在管芯上。冷却盖包括位于多个不连续图案之上的流体入口端口及流体出口端口。
[0005]
根据本发明的一些实施例，提供一种半导体器件的制造方法。所述方法包括至少以下步骤。提供管芯。管芯具有有源表面及与有源表面相对的后表面。后表面具有冷却区及封闭冷却区的外围区。在后表面的冷却区中形成多个微沟槽。将管芯放置在中介层上，以使得管芯的有源表面面向中介层。将中介层放置在衬底上。将冷却盖贴合到管芯的后表面。冷却盖包括位于冷却区之上且与多个微沟槽连通的流体入口端口及流体出口端口。
附图说明
[0006]
将附图包括在内以提供对本公开内容的进一步理解且将附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。图式示出本公开的示例性实施例，且与说明一起用于解释本公开内容的原理。
[0007]
图1a到图1f是示出根据本公开一些实施例的在封装件的制造方法的各个阶段所形成的结构的示意性剖视图。
[0008]
图2a及图2b分别是根据本公开一些实施例的管芯的示意性俯视图。
[0009]
图3a到图3c分别是根据本公开一些实施例的微柱的示意性俯视图。
[0010]
图4a及图4b分别是根据本公开一些实施例的管芯的示意性剖视图。
[0011]
图5a及图5b分别是根据本公开一些实施例的管芯的示意性剖视图。
[0012]
图6a及图6b分别是根据本公开一些实施例的管芯的示意性剖视图。
[0013]
图7a是根据本公开一些实施例的管芯的示意性俯视图。
[0014]
图7b到图7d分别是根据本公开一些实施例的管芯的示意性剖视图。
[0015]
图8a是示出根据本公开一些实施例的半导体器件的示意性剖视图。
[0016]
图8b是根据本公开一些实施例的在使用中的半导体器件的示意性剖视图。
[0017]
图8c是根据本公开一些实施例的在使用中的半导体器件的示意性俯视图。
[0018]
图9a是根据本公开一些实施例的半导体器件的示意性剖视图。
[0019]
图9b是根据本公开一些实施例的半导体器件的示意性侧视图。
[0020]
图9c是根据本公开一些实施例的半导体器件的示意性侧视图。
[0021]
图10a到图10d分别是根据本公开一些实施例的冷却盖的示意性立体图。
[0022]
附图标号说明
[0023]
10、12：封装件
[0024]
15、25、35、45：半导体器件
[0025]
100：半导体晶片
[0026]
101、111、131、210：半导体衬底
[0027]
101a：前侧表面
[0028]
110、110a、110b、130、1101、1102、1103、1104、1105：管芯
[0029]
110s：边缘
[0030]
111a：有源表面
[0031]
111r、131r：后表面
[0032]
113、133：接触垫
[0033]
115、135：钝化层
[0034]
117、1171、1172、1173、1175：不连续图案
[0035]
117a：条带形图案
[0036]
117b、117b1、117b2、117b3：微柱
[0037]
119：连续环图案
[0038]
120、121、122、1201、1202、1203、1204、1205：微沟槽
[0039]
120a：条带形微沟槽
[0040]
120b：网状微沟槽
[0041]
200：中介层
[0042]
220：半导体穿孔
[0043]
230：内连结构
[0044]
231：介电层
[0045]
233：导电迹线
[0046]
300、310：导电端子
[0047]
400：衬底
[0048]
400b、1201b、1202b、1203b、1204b：底表面
[0049]
400t：顶部表面
[0050]
500：连接端子
[0051]
600a、600b、600c、600d、600e：冷却盖
[0052]
610：壳体
[0053]
612：底板面板/面板
[0054]
614：侧面板/面板
[0055]
616：顶板面板/面板
[0056]
620、6201、6202、6203、6204：流体端口
[0057]
620in：流体入口端口
[0058]
620out：流体出口端口
[0059]
622in、622out：界面管道
[0060]
624in、624out：连接管道
[0061]
630、6301、6302、6303：流体沟道
[0062]
630in：流体入口沟道
[0063]
630out：流体出口沟道
[0064]
640：密封沟槽
[0065]
650、660：垂直管道
[0066]
661：较窄流体端口
[0067]
662：较宽流体端口
[0068]
700：密封环
[0069]
810：螺钉
[0070]
820：夹具
[0071]
822：上臂
[0072]
824：下臂
[0073]
826：夹具主体
[0074]
830：散热层
[0075]
1174：不连续图案/条带形图案
[0076]
1191、1192、1193、1194：区段
[0077]
1201s、1202s、1203s、1204s：侧壁
[0078]
c-c：切割线
[0079]
cl：冷却流体
[0080]
cs：循环空间
[0081]
cr：冷却区
[0082]
d：深度
[0083]
d1：第一流动方向
[0084]
d2：第二方向
[0085]
l：长度
[0086]
p：节距
[0087]
pr：外围区
[0088]
r：尖端
[0089]
t111：最大厚度
[0090]
w：宽度
[0091]
i-i、ii-ii、iii-iii、iv-iv：线
[0092]
α：角度
具体实施方式
[0093]
以下公开内容提供诸多不同的实施例或实例以实施所提供主题的不同特征。下文阐述组件及排列的具体实例以使本公开简明。当然，这些仅是实例并不旨在进行限制。例如，在以下说明中，第一特征形成在第二特征之上或形成在第二特征上可包括第一特征与第二特征形成为直接接触的实施例，且还可包括额外特征可形成在第一特征与第二特征之间以使第一特征与第二特征不可直接接触的实施例。另外，本公开可在各种实例中重复使用参考编号及/或字母。此重复使用是出于简明及清晰目的，本质上并不规定所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。
[0094]
此外，为便于说明，本文中可使用例如“在
…
下边(beneath)”、“在
…
下方(below)”、“下部(lower)”、“在
…
上方(above)”、“上部(upper)”等空间相对性用语来阐述一个元件或特征与另外的元件或特征的关系，如图中所说明。除图中所绘示的取向之外，所述空间相对性用语还旨在囊括器件在使用或操作中的不同取向。可以其他方式对设备进行取向(旋转90度或处于其他取向)，且同样地可对本文中所使用的空间相对描述符加以相应地阐释。
[0095]
还可包括其他的特征及工艺。例如，可包括测试结构来辅助对三维(three dimensional，3d)封装或三维集成电路(three dimensional integrated circuit，3dic)器件进行验证测试。所述测试结构可包括例如形成在重布线层中或形成在衬底上的测试接垫(test pad)，所述测试垫允许对三维封装或三维集成电路进行测试，允许使用探针及/或探针卡(probe card)等。可对中间结构及最终结构执行验证测试。另外，本文中所公开的结构及方法可与测试方法结合使用，所述测试方法包括在中间阶段验证出已知良好的管芯(known good die)以提高良率且降低成本。
[0096]
图1a到图1f是示出根据本公开一些实施例的在封装件10的制造方法的各个阶段形成的结构的示意性剖视图。参考图1a，提供半导体晶片100。在一些实施例中，半导体晶片100可被划分成多个管芯110。在一些实施例中，半导体晶片100可以是由半导体材料(例如，周期表中iii-v族的半导体材料)制成的晶片。在一些实施例中，半导体晶片100可包含：元素半导体材料，例如硅或锗；化合物半导体材料，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟或磷化铟；或合金半导体材料，例如硅锗、碳化硅锗、磷化镓砷或磷化铟镓。举例来说，半导体晶片100可以是硅块晶片。在一些实施例中，管芯110是半导体晶片100的部分且每一管芯110的侧壁沿着切割线c-c延伸。每一管芯110可包括半导体衬底111，半导体衬底111是半导体晶片100的半导体衬底101的一部分。多个接触垫113及钝化层115可形成在半导体晶片100的前侧表面101a上。在图1a中，示出两个管芯110以表示形成在半导体晶片100中的多个管芯110，但半导体晶片100中可形成多于两个的管芯110。管芯110中的每一者可包括形成在半导体衬底111中的有源组件(例如，晶体管等)及可选地包括形成在半导体衬底111中的无源组件(例如，电阻器、电容器、电感器等)。管芯110中的每一者可以是逻辑管芯，例如中央处理单元(central processing unit，cpu)管芯、图形处理单元(graphic processing unit，gpu)管芯、微控制单元(micro control unit，mcu)管芯、输入/输出(input-output，i/o)管芯、基
带(baseband，bb)管芯或应用处理器(application processor，ap)管芯。在一些替代实施例中，管芯110可以是存储器管芯，例如高频宽存储器(high bandwidth memory，hbm)管芯。
[0097]
在一些实施例中，接触垫113形成在每一管芯110的半导体衬底111的有源表面111a上。即，每一有源表面111a可对应于半导体晶片100的半导体衬底101的前侧表面101a的一部分。在某些实施例中，接触垫113包括铝垫、铜垫或其他适合的金属垫。如图1a中所示，钝化层115在半导体晶片100的前侧表面101a之上延伸。在一些实施例中，钝化层115形成有显露出接触垫113的开口。在一些实施例中，钝化层115可以是单层结构或多层结构，其包括氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层、由其他适合的介电材料形成的介电层或其组合。钝化层115的开口可至少部分地暴露出接触垫113。
[0098]
参考图1b，在一些实施例中，微沟槽120形成在半导体衬底111的与有源表面111a相对的后表面111r上。在一些实施例中，通过移除半导体衬底111的部分形成微沟槽120。在一些实施例中，可经由刻蚀工艺形成微沟槽120。在一些实施例中，刻蚀工艺包括干式刻蚀工艺或湿式刻蚀工艺。在一些替代实施例中，可经由切割工艺形成微沟槽120。在一些实施例中，可采用激光锯割或机械管芯锯割作为切割工艺。在一些实施例中，经由刻蚀工艺或切割工艺形成微沟槽120，使得微沟槽120可以节约成本的方式形成。在一些实施例中，在形成微沟槽120的情况下，可在管芯110的后表面111r上同时形成多个不连续图案117。举例来说，不连续图案117位于两个邻近的微沟槽120之间。在一些实施例中，在半导体衬底111的部分被移除以形成微沟槽120之后，不连续图案117是存留在管芯110的后表面111r上的半导体微结构。在一些实施例中，微沟槽120部分地穿入半导体衬底111，且半导体衬底111的部分可在微沟槽120的侧面及底部处暴露出来。即，微沟槽120的深度d(从后表面111r的水平高度到微沟槽120的底部的距离)可小于半导体衬底111的最大厚度t111。在一些实施例中，不连续图案117被连续环图案119封闭。在一些实施例中，不连续图案117位于管芯110的冷却区cr中，且连续环图案119位于围绕冷却区cr的外围区pr中。在一些实施例中，最大厚度t111可对应于外围区pr(与连续环图案119对应)的厚度。
[0099]
参考图1b及图1c，对半导体晶片100实行单体化工艺以分离出个别管芯110。举例来说，沿着排列在个别管芯110之间的切割线c-c贯穿半导体晶片100的整个厚度切割半导体晶片100。在一些实施例中，单体化工艺通常涉及使用机械管芯锯割及/或激光锯割来实行晶片锯切工艺。
[0100]
参考图1d，将管芯110结合到中介层200。在一些实施例中，中介层200包括半导体衬底210、形成在半导体衬底210中的半导体穿孔(through semiconductor via，tsv)220及形成在半导体衬底210的一侧上的内连结构230。半导体衬底210可由与管芯110的半导体衬底111的材料相同的材料制成，因此本文中不再对其加以赘述。在一些实施例中，中介层200包括硅晶片。
[0101]
在一些实施例中，在半导体衬底210上设置内连结构230，且内连结构230包括介电层231及导延伸穿过介电层231的导电迹线233。为简单起见，将介电层231示为单个介电层且将导电迹线233示为嵌置在介电层231中。然而，从制造工艺的角度看，介电层231由至少两个介电层构成。导电迹线233可夹置在两个邻近的介电层之间。导电迹线233中的一些导电迹线可垂直地延伸穿过介电层231以建立内连结构230的不同金属化层级之间的电连接。在一些实施例中，可将最外介电层231(当介电层231中存在多个介电层时)图案化以暴露出
下伏的导电迹线233。在一些实施例中，介电层231的材料包括聚酰亚胺、环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、苯并环丁烯(benzocyclobutene，bcb)、聚苯并恶唑(polybenzoxazole，pbo)或任何其他适合的聚合物系介电材料。介电层231例如可通过适合的制作技术来形成，例如旋转涂布、化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)、等离子增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition，pecvd)等。在一些实施例中，导电迹线233的材料包括铝、钛、铜、镍、钨或其合金。可通过例如电镀、沉积及/或光刻及刻蚀形成导电迹线233。应注意，图1d中所示出的介电层231的数目及导电迹线233的数目仅出于说明目的，而本公开并不仅限于此。在一些替代实施例中，可根据电路设计形成更少层或更多层的介电层231或导电迹线233。
[0102]
如图1d中所说明，在半导体衬底210中形成半导体穿孔220以提供双侧电连接。在一些实施例中，半导体穿孔220的一端连接到内连结构230的导电迹线233且另一端经由导电端子300连接到管芯110。在一些实施例中，半导体穿孔220的材料包括一种或多种金属。举例来说，半导体穿孔220的金属材料包括铜、钛、钨、铝、其组合等。
[0103]
在一些实施例中，管芯110经由导电端子300结合到中介层200。在一些实施例中，导电端子300是安置在半导体穿孔220及/或接触垫113上的微凸块。在一些实施例中，管芯110设置有面向中介层200的有源表面111a(上面形成有接触垫113的表面)。即，上面形成有微沟槽120的后表面111r背对中介层200。在一些实施例中，后表面111r被称为管芯110的上部表面。
[0104]
尽管图1a到图1d示出在后表面111r已被图案化以形成微沟槽120之后再将管芯110结合到中介层200，但本公开并不仅限于此。在一些替代实施例中，可在移除半导体衬底111的部分以形成微沟槽120之前将管芯110放置在中介层200上，如图1e中所示。随后，可在后表面111r上形成微沟槽120以获得图1d中所示的结构。即，在一些实施例中，可在将管芯110结合到中介层200之后再形成微沟槽120。
[0105]
参考图1f，将图1d中所示的结构放置在衬底400上以获得封装件10。举例来说，可将顶部上结合有管芯110的中介层200连接到衬底400，例如印刷电路板、母板等。在一些实施例中，中介层200设置在管芯110与衬底400之间。如图1f中所示，在中介层200与衬底400之间形成多个连接端子500以建立中介层200与衬底400之间的电连接。在一些实施例中，连接端子500可以是受控塌陷芯片连接(controlled collapse chip connection，c4)凸块。在一些实施例中，可经由回焊工艺(reflow process)等将中介层200紧固到衬底400。在一些实施例中，封装件10可被称为衬底上晶片上芯片(chip on wafer on substrate，cowos)封装件。
[0106]
图2a及图2b分别是管芯110a、管芯110b的示意性俯视图。在一些实施例中，可由管芯110a或管芯110b替换图1f中所示封装件10的管芯110。参考图2a，管芯110a具有被外围区pr围绕的冷却区cr。在一些实施例中，冷却区cr中形成有条带形微沟槽120a。在一些实施例中，条带形微沟槽120a彼此平行。在一些实施例中，条带形微沟槽120a也平行于管芯110a的边缘110s中的一者。在一些实施例中，所述管芯110a具有位于两个邻近的条带形微沟槽120a之间的条带形图案117a以及环绕条带形微沟槽120a及条带形图案117a的连续环图案119。在一些实施例中，条带形图案117a对应于图1f中所示不连续图案117。在一些实施例中，条带形图案117a位于冷却区cr中且连续环图案119位于外围区pr中。在一些实施例中，
条带形图案117a连接到连续环图案119。举例来说，在图2a的俯视图中，连续环图案119可被划分成四个区段1191、1192、1193及1194，这四个区段接合在一起以形成正方形环图案。在一些实施例中，条带形图案117a连接到区段1192及区段1194。
[0107]
参考图2b，管芯110b具有被外围区pr围绕的冷却区cr。在一些实施例中，网状微沟槽120b形成在冷却区cr中。在一些实施例中，管芯110b具有被网状微沟槽120b环绕的微柱117b以及环绕网状微沟槽120b及微柱117b的连续环图案119。在一些实施例中，微柱117b对应于图1f中所示不连续图案117。在一些实施例中，微柱117b位于冷却区cr中，且连续环图案119位于外围区pr中。在一些实施例中，微柱117b排列成阵列且与连续环图案119间隔开。在一些实施例中，微柱117b通过网状微沟槽120b彼此间隔开。在一些实施例中，可通过沿着第一方向延伸的微沟槽121及沿着与第一方向相交的第二方向延伸的微沟槽122形成网状微沟槽120b。在一些实施例中，第一方向与第二方向可相对于彼此垂直，但本发明并不仅限于此。在一些实施例中，也可包括沿着与第一方向及第二方向相交的额外方向延伸的额外微沟槽(未示出)。
[0108]
在一些实施例中，可以不同的形状形成微柱117b。图3a到图3c分别是根据本公开一些实施例的微柱117b1、微柱117b2及微柱117b3的示意性俯视图。参考图3a，微柱117b1从俯视图看可以是正方形图案，且可被称为正方形微柱。参考图3b，微柱117b2从俯视图看可以是菱形图案，且可被称为菱形微柱。参考图3c，微柱117b3从俯视图看可以是三角形图案，且可被称为三角形微柱。应注意，本发明并不仅限于此。在一些替代实施例中，图2b的微柱117b可呈与图3a到图3c中所示的形状不同的形式。另外，尽管图2b示出管芯110b包括具有相同形状的微柱117b，但本发明并不仅限于此。在一些替代实施例中，管芯110b可包括具有不同形状的微柱117b。举例来说，可在管芯110b中同时看到正方形微柱117b1与三角形微柱117b3的组合。
[0109]
图4a及图4b、图5a及图5b以及图6a及图6b分别是根据本公开一些实施例的管芯1101、管芯1102及管芯1103的示意性剖视图。在一些实施例中，可由管芯1101、管芯1102或管芯1103替换图1f中所示封装件10的管芯110。图4a、图5a及图6a的示意性剖视图可沿着图2a的线i-i(跨越多个条带形图案117a延伸)或沿着图2b的线i-i及线iii-iii(跨越多个微柱117b延伸)中的一者截取。类似地，图4b、图5b及图6b的示意性剖视图可沿着图2a的线ii-ii或沿着图2b的线ii-ii及线iv-iv中的一者(沿着条带形微沟槽120a的底部或网状微沟槽120b的底部，以避开不连续图案117)截取。
[0110]
参考图4a及图4b，通过干式刻蚀形成管芯1101的微沟槽1201。在一些实施例中，微沟槽1201可以是图2a中所示条带形微沟槽120a或图2b中所示网状微沟槽120b。在一些实施例中，在管芯1101的后表面111r上施加图案化掩模(未示出)后续接着进行深反应性离子刻蚀(deep reactive-ion etching，drie)来形成微沟槽1201。在一些实施例中，图案化掩模覆盖管芯1101的外围区pr且覆盖半导体衬底111的部分，所述半导体衬底111的所述部分稍后形成不连续图案1171。与此同时，图案化掩模暴露出冷却区cr的一些部分，从所述冷却区cr的所述暴露部分移除半导体衬底111以形成微沟槽1201。在刻蚀步骤之后，可移除图案化掩模。在一些实施例中，通过干式刻蚀形成微沟槽1201可使微沟槽1201形成实质上矩形的轮廓。即，微沟槽1201的底表面1201b(半导体衬底111的在微沟槽1201的底部处暴露出的表面)及微沟槽1201的侧壁1201s可实质上笔直。在一些实施例中，侧壁1201s可以实质上直角
与底表面1201b接合。在一些实施例中，微沟槽1201的侧壁1201s可被视为不连续图案1171的侧边缘。即，在一些实施例中，不连续图案1171可具有实质上笔直的侧边缘。在一些实施例中，微沟槽1201的深度d(后表面111r的水平高度与底表面1201b的水平高度之间的距离)可处于从5μm到700μm范围内。在一些实施例中，微沟槽1201的宽度w(一个微沟槽1201的沿着与微沟槽1201的延伸方向垂直的方向面向彼此的侧壁1201s之间的距离)可处于从5μm到500μm范围内。在一些实施例中，不连续图案1171的节距p(紧邻的不连续图案1171的对应侧边缘(即侧壁1201s)之间的距离)可处于从6μm到1000μm范围内。在一些实施例中，可按照微沟槽1201的沿着微沟槽1201的延伸方向面向彼此的侧壁1201s之间的距离来测量微沟槽1201的长度l(例如，与宽度w的测量方向垂直)。在一些实施例中，沿着同一方向，微沟槽1201的长度l可以是管芯1101的长度的大约85％。举例来说，微沟槽1201的长度l可处于从5mm到29mm范围内。
[0111]
参考图5a及图5b，通过采用机械管芯锯割的切割工艺来形成管芯1102的微沟槽1202。在一些实施例中，微沟槽1202可以是图2a中所示条带形微沟槽120a或图2b中所示网状微沟槽120b。在一些实施例中，可通过机械管芯锯割移除半导体衬底111的一部分来获得条带形微沟槽。在一些实施例中，可通过机械管芯锯割沿着第一方向形成微沟槽(例如，图2b的微沟槽121)且然后沿着与第一方向相交的一个或多个方向形成微沟槽(例如，图2b的微沟槽122)来获得网状微沟槽。在一些实施例中，当使用机械管芯锯割形成微沟槽1202时，微沟槽1202的侧壁1202s可实质上笔直，而底表面1202b可具有弯曲的轮廓。在一些实施例中，微沟槽1202的侧壁1202s与底表面1202b之间的接合处的角度可大于90度。即，在管芯1102中，不连续图案1172可在基部(不连续图案1172从半导体衬底111出现的地方)处较大，且朝向顶部(例如，在后表面111r的水平高度处)一直变窄而达到实质上恒定的宽度。在一些实施例中，微沟槽1202的深度d、节距p、宽度w及长度l的范围可类似于图4a及图4b中所示微沟槽1201的深度d、节距p、宽度w及长度l的范围。如图5a及图5b中所示，微沟槽1202的深度d可被视为从后表面111r的水平高度到微沟槽1202的最底部点的距离。换句话说，微沟槽120的深度d是微沟槽1202的最大深度。节距p、宽度w及长度l可被视为类似于先前参考图4a及图4b所论述的节距p、宽度w及长度l。在一些实施例中，微沟槽1202的侧壁1202s的表面粗糙度(算术平均粗糙度(arithmetic average roughness))处于从5μm到1000μm范围内。
[0112]
参考图6a及图6b，通过采用激光锯割的切割工艺来形成管芯1103的微沟槽1203。在一些实施例中，微沟槽1203可以是图2a中所示条带形微沟槽120a或图2b中所示网状微沟槽120b。在一些实施例中，可通过激光锯割移除半导体衬底111的一部分来获得条带形微沟槽。在一些实施例中，可通过激光锯割沿着第一方向形成微沟槽(例如，图2b的微沟槽121)且然后沿着与第一方向相交的一个或多个方向形成微沟槽(例如，图2b的微沟槽122)来获得网状微沟槽。在一些实施例中，当使用激光锯割形成微沟槽1203时，微沟槽1203的侧壁1203s可以是倾斜的且底表面1203b可具有弯曲的轮廓。在一些实施例中，微沟槽1203的侧壁1203s与底表面1203b之间的接合处的角度可大于90度。此外，后表面111r的水平高度与微沟槽1203的侧壁1203s之间的角度α可处于从45度到90度范围内。即，在管芯1103中，不连续图案1173可具有截断固体(truncated solid)(截锥体(frusta))形状，即在基部处较大且朝向顶部(例如，在后表面111r的水平高度处)变窄。在一些实施例中，微沟槽1203的深度d、节距p、宽度w及长度l的范围可类似于图4a及图4b中所示微沟槽1201的深度d、节距p、宽
度w及长度l。在一些实施例中，微沟槽1203的侧壁1203s的表面粗糙度(算术平均粗糙度)处于从5μm到1000μm范围内。
[0113]
图7a是根据本公开一些实施例的管芯1104的示意性俯视图。图7b及图7c分别是根据本公开一些实施例的管芯1104的沿着图7a的线i-i及线ii-ii截取的示意性剖视图。在一些实施例中，经由湿式刻蚀工艺在管芯1104中形成微沟槽1204。在一些实施例中，可在施加刻蚀剂之前在半导体衬底111上设置图案化辅助掩模(未示出)。图案化辅助掩模可包括暴露出一些区的开口，从所述暴露的区移除半导体衬底111的部分以形成微沟槽1204。在一些实施例中，可依据半导体衬底111的材料及所使用刻蚀剂的组成来确定微沟槽的形状。举例来说，当半导体衬底111由晶体硅制成时，刻蚀剂可包含koh，且可通过暴露出硅的(111)表面(米勒指数(miller index))来形成微沟槽1204。即，微沟槽1204的侧壁1204s可在微沟槽1204的底部处彼此斜向接合，且微沟槽1204的底表面1204b可对应于两个侧壁1204s的接合处。在一些实施例中，底表面1204b具有实质上笔直的轮廓。此外，邻近微沟槽1204的侧壁1204s可彼此直接接合，从而使不连续图案1174具有包括三角形基部的棱柱形状。即，不连续图案1174可包括具有三角棱柱形状(triangular prismatic shape)且彼此平行延伸的条带形图案。在一些实施例中，两个邻近不连续图案(也称为条带形图案)1174的相向侧壁1204s可构成将邻近条带形图案1174分隔开的微沟槽1204的侧壁1204s。在这些实施例中，微沟槽1204的宽度w与微沟槽1204的节距p可一致，且按照邻近条带形图案1174的尖端r之间的距离进行测量。然而，本发明并不仅限于此。图7d是根据一些替代实施例的管芯1105的示意性剖视图。图7d的剖视图可沿着与图7a的线i-i对应的位置截取。在管芯1105中，微沟槽1205也是经由湿式刻蚀形成，不连续图案1175可以是梯形棱柱(trapezoidal prism)，且节距p可大于微沟槽1205的宽度w。
[0114]
图8a是根据本公开一些实施例的半导体器件15的示意性剖视图。在一些实施例中，半导体器件15包括封装件10及堆叠在封装件10上的冷却盖600a。在一些实施例中，中介层200、管芯110及冷却盖600a依序堆叠在封装件10的衬底400上。在一些实施例中，冷却盖600a面向管芯110的后表面111r。在一些实施例中，冷却盖600a在冷却区cr之上且在外围区pr的一部分或外围区pr的全部之上延伸。在一些实施例中，冷却盖600a包括壳体(casing)610及流体端口620。在一些实施例中，壳体610包括底板面板(也称为面板)612、侧面板(也称为面板)614且可选地包括顶板面板(也称为面板)616。在一些实施例中，底板面板612、侧面板614及顶板面板616可组装在一起以形成壳体610。举例来说，侧面板614可将底板面板612与顶板面板616接合起来。在一些实施例中，流体端口620包括流体入口端口620in及流体出口端口620out。在一些实施例中，冷却盖600a被设置成使底板面板612面向管芯110的后表面111r。底板面板612与管芯110的后表面111r之间可形成循环空间cs，微沟槽120及不连续图案117位于所述循环空间cs中。在一些实施例中，流体端口620连接到流体沟道630。在一些实施例中，流体端口620包括流体入口端口620in及流体出口端口620out。类似地，流体沟道630包括流体入口沟道630in及流体出口沟道630out。在一些实施例中，流体沟道630至少部分地在冷却区cr之上延伸。如此，流体端口620及流体沟道630与循环空间cs及微沟槽120流体连通。在一些实施例中，流体端口620具有位于侧面板614上的开口。举例来说，流体端口620在相对的侧面板614(面向彼此的非邻近侧面板614)中敞开，且通过流体沟道630连接到底板面板612。即，流体入口端口620in可通过流体入口沟道630in连接到底板面板
612，且流体出口端口620out可通过流体出口沟道630out连接到底板面板612。在一些实施例中，流体入口端口620in可包括：界面管道622in，在侧面板614中的一者中敞开；以及连接管道624in，将界面管道622in与流体入口沟道630in接合起来。在一些实施例中，界面管道622in的横截面面积可大于连接管道624in的横截面面积。在一些实施例中，界面管道622in及连接管道624in可以是圆形管道。在一些替代实施例中，界面管道622in及连接管道624in可以是矩形管道。在一些实施例中，流体出口端口620out具有与流体入口端口620in类似的结构。即，流体出口端口620out具有界面管道622out及连接管道624out。在一些实施例中，界面管道622in、622out及连接管道624in、624out沿着第一方向延伸。在一些实施例中，第一方向与流体端口620在其中敞开的侧面板614正交。在一些实施例中，流体沟道630沿着与第一方向不同的第二方向延伸。在一些实施例中，第二方向平行于侧面板614的平面。在一些实施例中，第二方向与底板面板612正交。举例来说，第二方向垂直于第一方向。
[0115]
在一些实施例中，底板面板612包括容纳密封环700的密封沟槽640。在一些实施例中，密封环700设置在冷却盖600a与管芯110之间以对循环空间cs进行密封。在一些实施例中，密封环700设置在外围区pr中的连续环图案119上。在一些实施例中，流体端口620及/或流体沟道630在底板面板612的被密封沟槽640封闭的区域中敞开。在一些实施例中，密封环700可包含粘合材料且可将冷却盖600a紧固到管芯110。在一些实施例中，经由密封环700密封循环空间cs便于安置及替换冷却盖600a。
[0116]
应注意，尽管图8a说明cowos封装件10贴合到冷却盖600a，但本发明并不仅限于此。在一些替代实施例中，其他类型的封装件10可组装有冷却盖600a。举例来说，在一些替代实施例中，集成扇出型(integrated fan-out，info)封装件也可组装有冷却盖600。
[0117]
图8b是根据本公开一些实施例的在使用中的半导体器件15的示意性剖视图。图8c是根据本公开一些实施例的在使用中的半导体器件15的示意性俯视图。在一些实施例中，图8b及图8c示出有冷却流体cl(通过箭头示意性表示)流过的半导体器件15。应注意，虽然在图8c中微沟槽120是网状微沟槽(类似于图2b的管芯110b)，但本发明并不仅限于此。在一些替代实施例中，半导体器件15可包括具有根据上文所公开实施例中任一者的微沟槽120及不连续图案117的管芯110，例如，微沟槽120是条带形微沟槽(类似于图2a所示管芯110a)。
[0118]
在一些实施例中，冷却流体cl是冷却剂。在一些实施例中，冷却流体cl是水系冷却剂(water-based coolant)。在一些实施例中，将添加剂添加到水中以产生冷却流体cl。添加剂的实例包括表面活性剂(surfactant)、缓蚀剂(corrosion inhibitor)、抗微生物剂(biocide)、防冻剂(antifreeze)等。在一些实施例中，冷却流体cl可从流体入口端口620in进入冷却盖600a。在一些实施例中，流体入口端口620in及流体出口端口620out连接到冷却系统(未示出)，冷却系统可包括通过管道系统接合的泵与散热器。界面管道622in及622out可接合到冷却系统的管道系统。泵可驱使冷却流体cl经由流体入口端口620in到达冷却盖600a。举例来说，冷却流体cl可经由界面管道622in进入半导体器件15。此后，冷却流体cl行进穿过连接管道624in而到达流体入口沟道630in。然后，冷却流体cl穿过流体入口沟道630in而到达循环空间cs。在循环空间cs中，冷却流体cl可直接接触管芯110的冷却区cr。举例来说，冷却流体cl可在管芯110的后表面111r之上穿行。在一些实施例中，冷却流体cl可进入微沟槽120的一端，穿行过微沟槽120，并从微沟槽120的另一端离开微沟槽120。举例来
说，如图8c中所示，当微沟槽120是由沿着两个方向延伸的相交的条带形微沟槽形成的网状微沟槽时(如关于图2b所示管芯110b所说明)，冷却流体cl的第一流动方向d1可平行于条带形微沟槽的延伸方向中的一者。然而，冷却流体也可沿着第二方向d2于在相交方向上延伸的条带形微沟槽中流动。在一些实施例中，流体入口沟道630in及流体出口沟道630out可具有伸长形状(elongated shape)，其伸长方向相对于微沟槽120的延伸方向偏斜。在一些实施例中，流体入口沟道630in的伸长方向及流体出口沟道630out的伸长方向可垂直于微沟槽120中的至少一些微沟槽的延伸方向。在一些实施例中，流体入口沟道630in及流体出口沟道630out可跨越多个不连续图案117及多个微沟槽120而敞开。在一些实施例中，冷却流体cl可过填充微沟槽120且还覆盖不连续图案117。在离开微沟槽120之后，冷却流体cl可穿行过流体出口沟道630out并从流体出口端口620out离开半导体器件15。
[0119]
在一些实施例中，管芯110的温度在使用期间可升高。在一些实施例中，管芯110在使用期间的温度可高于冷却盖600a的温度及冷却流体cl的温度。在一些实施例中，当冷却流体cl在管芯110之上穿行时，冷却流体cl与管芯110之间可发生热量交换。举例来说，冷却流体cl可因与管芯110接触而变暖，使得流体出口端口620out处的冷却流体cl的温度可高于流体入口端口620in处的冷却流体cl的温度。在一些实施例中，冷却流体cl可经由流体出口端口620out再次进入到冷却系统的管道系统中。在一些实施例中，可先通过散热器使冷却流体cl冷却，再将冷却流体cl泵送回到半导体器件15中。在一些实施例中，冷却流体cl与半导体衬底111直接接触。即，冷却流体cl与半导体衬底111之间可无需中间热界面材料(thermal interface material，tim)而实现热量交换。在一些实施例中，去除通过热界面材料的热路径可增大半导体器件15的热阻。
[0120]
图9a是根据本公开一些实施例的半导体器件25的示意性剖视图。半导体器件25包括封装件10及冷却盖600b。图9a中所示半导体器件25类似于图8a中所示半导体器件15，因此本文中不再对其加以赘述。在一些实施例中，半导体器件25还包括螺钉810且冷却盖600b还包括穿透过顶板面板616及底板面板612的垂直管道650。在一些实施例中，垂直管道650可以是螺钉孔，且可经由螺钉810将冷却盖600b紧固到封装件10。在一些实施例中，垂直管道650是从顶板面板616到底板面板612纵贯壳体610的封闭沟道。在一些实施例中，螺钉810的头可置于顶板面板616上，而螺钉810的螺纹可在配接到垂直管道650中之后扣紧到衬底400中。在一些实施例中，衬底400中可形成带螺纹孔(未示出)以容纳螺钉810的带螺纹端。在一些实施例中，冷却盖600b具有比中介层200大的宽度，且垂直管道650设置在冷却盖600b中以不与中介层200交叠。即，螺钉810可沿着中介层200的外围边缘设置。
[0121]
图9b是根据本公开一些实施例的半导体器件35的示意性剖视图。图9b中所示半导体器件35类似于图8a中所示半导体器件15，因此本文中不再对其加以赘述。在一些实施例中，半导体器件35还包括夹具820。在半导体器件35，可通过施加向内压力将冷却盖600a紧固到封装件10。举例来说，可采用夹具820将冷却盖600a与封装件10按压在一起。在一些实施例中，可将夹具820的上臂822置于冷却盖600a的顶板面板616上，且夹具820的下臂824可与衬底400的底表面400b接触。衬底400的底表面400b可与上面堆叠有封装件10及冷却盖600a的顶部表面400t相对。在一些实施例中，夹具820的上臂822与下臂824可通过夹具主体826连接。上臂822与下臂824的共同作用(combined action)可将冷却盖600a与封装件10牢固地紧固在一起。在一些实施例中，可应用多个夹具820将冷却盖600a固定到封装件10。
[0122]
图9c是根据本公开一些实施例的半导体器件45的示意性剖视图。图9c中所示半导体器件45类似于图8a中所示半导体器件15，因此本文中不再对其加以赘述。在一些实施例中，半导体器件45包括封装件12及堆叠在封装件12上的冷却盖600a。图9c中所示封装件12类似于图8a中所示封装件10，因此本文中不再对其加以赘述。然而，封装件12还包括在管芯110旁边设置在中介层200上的管芯130。在一些实施例中，管芯130包括半导体衬底131，半导体衬底131具有：接触垫133，形成在半导体衬底131的有源表面上；及钝化层135，覆盖有源表面且暴露出接触垫133的部分。在一些实施例中，管芯130被设置成使接触垫133面向中介层200。在一些实施例中，管芯130经由导电端子310连接到中介层200。导电端子310可建立接触垫133与中介层200之间的电连接。在一些实施例中，导电端子310是微凸块。如图9c中所示，半导体衬底131的后表面131r面向冷却盖600a。在一些实施例中，半导体衬底131的后表面131r可实质上平坦。在一些实施例中，半导体器件45还包括形成在管芯130的后表面131r上的散热层830。在一些实施例中，散热层830可包含热界面材料(tim)。在一些实施例中，热界面材料是粘合材料。在一些实施例中，热界面材料包括脂系材料(grease-based material)、相变材料(phase change material)、凝胶(gel)、粘合剂、聚合物、金属材料或其组合。在一些实施例中，热界面材料包括铅锡系焊料(pbsn)、银膏(ag)、金、锡、镓、铟或其他适合的导热材料。根据所使用材料的类型，可通过沉积、层压(lamination)、印刷、镀覆或任何其他适合的技术形成热界面材料。在一些实施例中，热界面材料是凝胶型材料。在一些实施例中，热界面材料是膜型材料(例如，碳纳米管或石墨)。在一些实施例中，冷却盖600a经由散热层830粘合到封装件12的管芯130。在一些实施例中，管芯130可设置在冷却盖600a被密封沟槽640围绕的区之外的区下方。在一些实施例中，可通过散热层830耗散在半导体器件45的操作期间由管芯130产生的热量。
[0123]
图10a到图10d分别是根据本公开一些实施例的冷却盖600b、600c、600d及600e的示意性立体图。在一些实施例中，可由冷却盖600c、冷却盖600d或冷却盖600e来替换图8a、图9a、图9b及图9c中所示冷却盖600a或冷却盖600b。在图10a到图10d的立体图中，示出对应的冷却盖的组件，虽然壳体610的面板612、614、616可不一定是透明的。参考图10a，示出图9a的冷却盖600b。如图10a中所说明，流体入口端口620in及流体出口端口620out可在壳体610的相对侧面板614上敞开。在一些实施例中，流体入口端口620in及流体出口端口620out分别连接到流体入口沟道630in及流体出口沟道630out。形成在底板面板612中的密封沟槽640可围绕流体入口沟道630in及流体出口沟道630out，且可在流体入口端口620in及流体出口端口620out下方穿行。垂直管道650可形成从底板面板612到顶板面板616穿透过冷却盖600b的沟道，且可被设计成容纳螺钉(例如，图9a中所示螺钉810)以将冷却盖600b紧固到下伏的封装件(例如图9a中所示，封装件10)。
[0124]
图10b是根据本公开一些实施例的冷却盖600c的示意性立体图。图10b中所示冷却盖600c类似于图10a中所示冷却盖600b，因此本文中不再对其加以赘述。然而，冷却盖600c可包括：多个流体端口620，具有在侧面板614中的开口；以及多个流体沟道630，具有在底板面板612中的开口。举例来说，冷却盖600c包括：四个流体端口6201、6202，具有在侧面板614中的一者中的开口；以及四个流体端口6203、6204，具有在与流体端口6201及6202在其中敞开的侧面板相对的侧面板614中的开口。在一些实施例中，多个流体端口620可位于不同的水平高度处。举例来说，两个流体端口6201及两个流体端口6203可在比流体端口6202及
6204更靠近底板面板612的第一水平高度处敞开，流体端口6202及6204可位于更靠近顶板面板616的第二水平高度处。在一些实施例中，多个流体端口620可根据流体端口620所位于的水平高度及/或有敞开的流体端口620的侧面板614而连接到不同的流体沟道630。举例来说，冷却盖600c可包括三个流体沟道630，所述三个流体沟道630中的两者流体沟道(6301及6303)达到第一水平高度以上但未达到第二水平高度，且所述三个流体沟道630中的一者流体沟道(6302)达到第二水平高度以上。所述三个流体沟道630可全部具有在底板面板612中的开口，所述开口位于被密封沟槽640封闭的区内。在一些实施例中，达到第二水平高度的流体沟道6302位于未达到第二水平高度的两个流体沟道6301、6303之间，且连接到位于第二水平高度处的流体端口6202、6204。在一些实施例中，未达到第二水平高度的流体沟道6301、6303与位于第一水平高度处的流体端口6201、6203连接。即，流体端口6201与流体沟道6301位于流体沟道6302的一侧上且彼此直接连接，而流体端口6203与流体沟道6303位于流体沟道6302的相对侧上且彼此直接连接。在一些实施例中，位于第一水平高度处的流体端口6201、6203可用作流体入口端口。另一方面，位于第二水平高度处的流体端口6202、6204可用作流体出口端口。然而，本发明并不仅限于此。在一些替代实施例中，流体入口端口可以是位于第二水平高度处的流体端口6202、6204，且流体出口端口可以是位于第一水平高度处的流体端口6201、6203。
[0125]
图10c是根据本公开一些实施例的冷却盖600d的示意性立体图。冷却盖600d可包括多个垂直管道650、660，所述多个垂直管道650、660一端的开口位于底板面板612中且另一端的开口位于顶板面板616中。在一些实施例中，垂直管道650用作螺钉孔。在一些实施例中，垂直管道650位于密封沟槽640的封闭范围(enclosure)之外的区中。在一些实施例中，垂直管道660是流体端口且位于被密封沟槽640封闭的区中。在一些实施例中，垂直管道660包括具有不同直径的管道。举例来说，垂直管道660可包括较窄流体端口661及较宽流体端口662。在一些实施例中，较窄流体端口661被设置成朝向被密封沟槽640封闭的区的拐角(corner)，且较宽流体端口662设置在被密封沟槽640封闭的区的中心处。然而，本发明并不仅限于此。在一些实施例中，较窄流体端口661的直径小于较宽流体端口662的直径。在一些实施例中，较宽流体端口662可用作流体入口端口，且较窄流体端口661可用作流体出口端口。然而，本发明并不仅限于此。在一些实施例中，流体入口端口及流体出口端口可具有在顶板面板616中而非在侧面板614中的开口。在一些实施例中，流体入口端口及流体出口端口可直接连接到底板面板612，而不存在中介流体沟道。
[0126]
图10d是根据本公开一些实施例的冷却盖600e的示意性立体图。图10d中所示冷却盖600e类似于图10a中所示冷却盖600b，因此本文中不再对其加以赘述。然而，冷却盖600e还包括垂直管道660，垂直管道660具有位于壳体610的顶板面板616中的开口。在一些实施例中，垂直管道660位于被密封沟槽640封闭的区中。在一些实施例中，流体端口620可连接到流体沟道630，而垂直管道660可在底板面板612中直接敞开，而不存在中介流体沟道。在一些实施例中，流体端口620可用作流体入口端口且垂直管道660可用作流体出口端口。在一些替代实施例中，流体端口620可用作流体出口端口且垂直管道660可用作流体入口端口。
[0127]
基于上文，一种半导体器件包括封装件及设置在封装件上的冷却盖。在一些实施例中，冷却盖允许冷却剂流与封装直接接触，从而无需使用热界面材料。在一些实施例中，
冷却剂与封装件的直接接触能确保高效的热交换，从而为封装件提供冷却效果。在一些实施例中，冷却盖与封装件形成冷却剂流过的循环空间。此外，在封装件的管芯的后表面上形成微沟槽的情况下，冷却剂可流过微沟槽，从而提高半导体器件的散热效率。
[0128]
在本发明一些实施例中，一种半导体器件包括封装件及冷却盖。所述封装件包括第一管芯，所述第一管芯具有有源表面及与所述有源表面相对的后表面。所述后表面具有冷却区及封闭所述冷却区的外围区。所述第一管芯包括位于所述后表面的所述冷却区中的多个微沟槽。所述冷却盖堆叠在所述第一管芯上。所述冷却盖包括位于所述冷却区之上且与所述多个微沟槽连通的流体入口端口及流体出口端口。在一些实施例中，所述半导体器件还包括位于所述外围区之上的密封环，其中所述密封环密封所述冷却盖与所述多个微沟槽之间的空间。在一些实施例中，所述密封环包含粘合材料，且所述冷却盖通过所述密封环粘合到所述第一管芯。在一些实施例中，所述冷却盖还包括流体入口沟道及流体出口沟道，所述流体入口沟道连接到所述流体入口端口且所述流体出口沟道连接到所述流体出口端口，所述流体入口端口及所述流体出口端口分别沿着第一方向延伸，且所述流体入口沟道及所述流体出口沟道分别沿着与所述第一方向垂直的第二方向延伸。在一些实施例中，所述封装件还包括：中介层，其中所述第一管芯堆叠在所述中介层上，且所述有源表面电连接到所述中介层；以及衬底，其中所述中介层、所述第一管芯及所述冷却盖依序堆叠在所述衬底上。在一些实施例中，所述半导体器件还包括螺钉，其中所述冷却盖通过所述螺钉固定到所述封装件。在一些实施例中，所述半导体器件还包括夹具，其中所述冷却盖通过所述夹具固定到所述封装件。在一些实施例中，所述封装件还包括位于所述第一管芯旁边的第二管芯，所述半导体器件还包括位于所述第二管芯与所述冷却盖之间的散热层，且所述散热层包含热界面材料(tim)。在一些实施例中，所述多个微沟槽的底表面是弯曲的。在一些实施例中，每一微沟槽的侧壁是倾斜的。
[0129]
在本发明一些实施例中，一种半导体器件包括封装件及冷却盖。所述封装件包括衬底、中介层及管芯。所述中介层设置在所述衬底之上且电连接到所述衬底。所述管芯设置在所述中介层之上且电连接到所述中介层。所述管芯在所述管芯的与所述中介层相对的上部表面上包括连续环图案及被所述连续环图案封闭的多个不连续图案。所述冷却盖堆叠在所述管芯上。所述冷却盖包括位于所述多个不连续图案之上的流体入口端口及流体出口端口。在一些实施例中，所述半导体器件还包括位于所述冷却盖与所述管芯的所述连续环图案之间的密封环。在一些实施例中，所述多个不连续图案包括彼此平行的多个条带形图案，且所述多个条带形图案连接到所述连续环图案。在一些实施例中，所述多个不连续图案排列成阵列且与所述连续环图案间隔开。在一些实施例中，所述多个不连续图案是正方形图案、三角形图案或菱形图案。
[0130]
在本发明一些实施例中，一种半导体器件的制造方法包括至少以下步骤。提供管芯。所述管芯具有有源表面及与所述有源表面相对的后表面。所述后表面具有冷却区及封闭所述冷却区的外围区。在所述后表面的所述冷却区中形成多个微沟槽。将所述管芯放置在中介层上，以使得所述管芯的所述有源表面面向所述中介层。将所述中介层放置在衬底上。将冷却盖贴合到所述管芯的所述后表面。所述冷却盖包括位于所述冷却区之上且与所述多个微沟槽连通的流体入口端口及流体出口端口。在一些实施例中，在将所述管芯放置在所述中介层上之前形成所述多个微沟槽。在一些实施例中，在将所述管芯放置在所述中
介层上之后形成所述多个微沟槽。在一些实施例中，通过刻蚀工艺形成所述多个微沟槽。在一些实施例中，通过切割工艺形成所述多个微沟槽。
[0131]
所属领域的技术人员应明了，可对所公开的实施例进行各种润饰及变化，而这不背离本发明的范围或精神。鉴于前述内容，本发明旨在涵盖诸多润饰及变化，只要所述润饰及变化处在随附权利要求书及其等效内容的范围内即可。