具有用于翘曲控制的基于聚合物的材料的堆叠式封装结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了具有用于翘曲控制的基于聚合物的材料的堆叠式封装结构。提供机械强度和翘曲控制的堆叠式封装结构包括第一封装部件、第二封装部件以及将第一封装部件连接到第二封装部件的第一组导电元件。在第一封装部件上模制第一含聚合物材料并使其围绕第一组导电元件。在第一含聚合物材料中具有暴露第二封装部件的顶面的开口。第三封装部件和第二组导电元件将第二封装部件连接到第三封装部件。
【专利说明】具有用于翘曲控制的基于聚合物的材料的堆叠式封装结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件,具体而言,涉及堆叠式封装结构(Package-on-packagestructure)。
【背景技术】
[0002]因为堆叠式封装(PoP)实现了更高的电子设备密度，所以PoP成为日益盛行的集成电路封装技术。
[0003]在传统的堆叠式封装工艺中，将诸如中介层的第一封装部件安装到诸如封装衬底的第二封装部件上。可以使用倒装芯片接合将半导体芯片安装在中介层上。可以将底部填料分散到半导体芯片和中介层之间的间隙中以防止在焊料凸块或焊球中形成裂缝。裂缝通常是由热应力和翘曲引起的。热应力和翘曲是由堆叠式封装结构的部件之间的热膨胀不匹配引起的。即使使用底部填料和中介层，仍不能完全消除翘曲的问题。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种半导体器件，包括:第一封装部件；第二封装部件；第一组导电元件，将所述第一封装部件连接到所述第二封装部件；第一含聚合物材料，模制在所述第一封装部件上并围绕所述第一组导电元件，在所述第一含聚合物材料中具有暴露所述第二封装部件的顶面的开口 ；第三封装部件；以及第二组导电元件，将所述第二封装部件连接到所述第三封装部件。
[0005]所述的半导体器件还包括:第二含聚合物材料，所述第二含聚合物材料模制在所述第二封装部件上并围绕所述第二组导电元件，在所述第二含聚合物材料中具有暴露所述第三封装部件的顶面的开口。
[0006]所述的半导体器件还包括:第二含聚合物材料，所述第二含聚合物材料模制在所述第二封装部件上并围绕所述第二组导电元件，在所述第二含聚合物材料中具有暴露所述第三封装部件的顶面的开口 ；以及围绕所述第一组导电元件的底部填料。
[0007]所述的半导体器件还包括:围绕所述第二组导电元件的底部填料。
[0008]所述的半导体器件还包括:围绕所述第二组导电元件的底部填料；以及围绕所述第一组导电元件的底部填料。
[0009]所述的半导体器件还包括:围绕所述第二组导电元件的底部填料；以及在所述第二封装部件上模制的第二含聚合物材料，在所述第二含聚合物材料中具有暴露所述第三封装部件的顶面的开口。
[0010]所述的半导体器件还包括:围绕所述第二组导电元件的底部填料；在所述第二封装部件上模制的第二含聚合物材料，在所述第二含聚合物材料中具有暴露所述第三封装部件的顶面的开口 ；以及围绕所述第一组导电元件的底部填料。
[0011 ] 在所述的半导体器件中，所述第二封装部件包括厚度介于约20微米到约500微米范围内的中介层。[0012]在所述的半导体器件中，所述第一含聚合物材料包括选自由底部填料、模塑料和模塑底部填料所组成的组中的材料。
[0013]在所述的半导体器件中，所述第三封装部件包括至少一个器件管芯。
[0014]另一方面，本发明提供了一种半导体封装件，包括:第一封装件；第二封装件;第一组连接元件，用于将所述第二封装件电连接到所述第一封装件；第三封装件；第二组连接元件，用于将所述第三封装件电连接到所述第二封装件；以及模塑料，模制在所述第一封装件和所述第二封装件上，其中，所述模塑料围绕所述第一组导电元件和所述第二组导电元件，并且在所述模塑料中具有暴露所述第三封装件的顶面的开口。
[0015]所述的半导体封装件还包括围绕所述第一组连接元件的底部填料。
[0016]所述的半导体封装件还包括围绕所述第二组连接元件的底部填料。
[0017]所述的半导体封装件还包括:围绕所述第二组连接元件的底部填料；以及围绕所述第一组连接元件的底部填料。
[0018]又一方面，本发明提供了一种形成封装件的方法，包括:提供第一封装部件；提供第二封装部件；使用第一组导电元件将所述第一封装部件连接到所述第二封装部件；在所述第二封装部件的上方形成第一含聚合物材料并使其围绕所述第一组导电元件；固化所述第一含聚合物材料以使所述第一含聚合物材料凝固；研磨所述第一含聚合物材料以使所述第一含聚合物材料变平并暴露所述第二封装部件的顶面；提供第三封装部件；以及使用第二组导电元件将所述第二封装部件连接到所述第三封装部件。
[0019]所述的方法还包括形成围绕所述第二组导电元件的底部填料。
[0020]所述的方法还包括:在所述第三封装部件上方形成第二含聚合物材料；固化所述第二含聚合物材料以使所述第二含聚合物材料凝固；以及研磨所述第二含聚合物材料以使所述第二含聚合物材料变平并暴露所述第三封装部件的顶面。
[0021]所述的方法还包括形成围绕所述第二组导电元件的底部填料，在形成所述第二含聚合物材料之前还包括:形成围绕所述第二组导电元件的底部填料。
[0022]在所述的方法中，所述第二封装部件包括厚度介于约20微米到约500微米范围内的中介层。
[0023]所述的方法还包括:在所述第三封装部件上方形成第二含聚合物材料；固化所述第二含聚合物材料以使所述第二含聚合物材料凝固；以及研磨所述第二含聚合物材料以使所述第二含聚合物材料变平并暴露所述第三封装部件的顶面，其中，所述第一含聚合物材料和所述第二含聚合物材料包括选自由底部填料、模塑料和模塑底部填料所组成的组中的材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，对各种部件没有按比例绘制。实际上，为了清楚讨论起见，各种部件的尺寸可以被任意增大或缩小。
[0025]图1是示出根据本发明的各方面制造半导体器件的方法的流程图。
[0026]图2至图5c是根据本发明的各方面制造堆叠式封装结构的中间阶段的截面图。【具体实施方式】
[0027]将参照图2至图5c描述形成堆叠式封装件的各种步骤。应该理解，本文所描述的材料、几何图形、尺寸、结构和工艺参数仅是示例性的，并不打算也不应该解释为限制本文所要求保护的发明。一旦本发明公开，许多替代和修改对本领域普通技术人员来说是显而易见的。
[0028]整个说明书中提及的“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例所描述的具体部件、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此在本说明书的各个位置出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全都是指同一个实施例。而且，在一个或多个实施例中，具体的部件、结构或特征可以以任何合适的方式进行组合。应该理解，以下附图没有按比例绘制；反而是这些附图仅用于举例说明。
[0029]图1是根据本发明的各方面制造半导体器件的方法2的流程图。参照图1，该方法包括框4，其中提供第一封装部件和第二封装部件。方法2包括框6，其中使用第一组导电元件将第一封装部件连接到第二封装部件。方法2包括框8，其中在第二封装部件上方形成第一含聚合物材料，第一含聚合物材料围绕第一组导电元件。方法2包括框10，其中固化第一含聚合物材料以使第一含聚合物材料凝固。方法2包括框12，其中研磨第一含聚合物材料以使第一含聚合物材料变平并暴露第二封装部件的顶面。方法2包括框14，其中提供第三封装部件，并且使用第二组导电元件将第二封装部件连接到第三封装部件。
[0030]应该理解，可以在图1所示的框4至框14之前、期间或之后实施额外的工艺来完成半导体器件的制造，但为简明起见在此不详细论述这些额外的工艺。
[0031]图2至图5c是根据图1的方法2的各个实施例制造堆叠式封装结构的中间阶段的截面图。应该理解，已将图2至图5c简化了，以便更好地理解本发明的发明构思。
[0032]参照图2，提供半导体器件5。在至少一个实施例中，半导体器件5是具有第一封装部件10、第二封装部件20以及用于将第一封装部件10连接到第二封装部件20的第一组导电元件30的堆叠式封装结构。第一封装部件10可以是封装衬底，因此在下文中可选地被称为衬底10，但是其可以是另一种类型的封装部件，其可以包括例如器件管芯、中介层和/或其它合适的封装部件。衬底10可以由半导体材料(诸如硅、硅锗、碳化硅、砷化镓或其它合适的半导体材料)形成。可选地,衬底10可以由介电材料形成。
[0033]第二封装部件20可以是中介层，因此在下文中可选地被称为中介层20。在一些实施例中，第二封装部件20可以是晶圆、器件管芯、和/或衬底等。中介层20可以由诸如硅、锗或砷酸镓的半导体材料构成并且在至少一个实施例中可以具有约20微米到约500微米的厚度。除了在底部封装部件和顶部封装部件之间提供电连接以及提供热传导之外，中介层20还为所得到的封装件提供机械刚性(mechanical stiffening)。以这种方式，中介层20提供刚度并且抵抗在其他情况下可能由于顶部封装部件和底部封装部件之间热膨胀系数(CTE)不匹配引起的翘曲。
[0034]通过第一组导电元件30将衬底10连接到中介层20。第一组导电元件30可以是焊球，因此在下文中可选地被称为焊球30。在接合焊盘40上形成的焊球30充当将衬底10接合并电连接到中介层20的电连接件。尽管图2中示出的是焊球30，但中介层20和衬底10之间的连接可以通过焊料凸块、铜柱、导电凸块、焊帽(solder caps)、导电柱、导电球、凸块下金属化层和/或其它的连接元件的方式形成。[0035]接下来，如图3所示，在图2所示的堆叠式封装结构上涂敷第一含聚合物材料50a以提供机械刚度并提高所得到的封装件的机械强度。可以认为，这种机械刚度降低了由例如所得到的封装件的部件之间的热膨胀不匹配引起的翘曲的严重程度。在至少一个示例性实施例中，第一含聚合物材料50a包括模塑料，因此在下文中被称为第一模塑料50a,但是其也可以由其它材料诸如底部填料、模塑底部填料(MUF)、环氧树脂等形成。可以使用例如压缩模塑法或传递模塑法在中介层20上方模制第一模塑料50a并使其邻接衬底10的顶面且围绕焊球30从而将中介层20完全封装在第一模塑料50a中。然后实施固化步骤以使第一模塑料50a凝固。其后可以实施研磨以去除第一模塑料50a位于中介层20的顶面22上方的部分。实施研磨以使第一模塑料50a变平并暴露中介层20的顶面22，从而使得例如可以在中介层20的顶面22上安装诸如管芯的另一封装部件。
[0036]现参照图4，使用第二组导电元件45将第三封装部件60安装到中介层20上。第三封装部件60可以是管芯，因此在下文中可选地被称为管芯60。管芯60可以包括存储芯片、逻辑芯片、和/或处理器芯片等。可选地，管芯60可以是包括器件管芯、中介层、和/或封装衬底等的封装件。尽管图4示出两个管芯，但这仅用于说明的目的。可以将多个管芯60(彼此可以是相同或不同的)接合到中介层20。接合可以是倒装芯片接合，其通过第二组导电元件45实施，第二组导电元件45为管芯60提供信号的电传导和动力。第二组导电元件45可以具有各种形式。在一些实施例中，第二组导电元件45是焊料凸块。在可选的实施例中，第二组导电元件45可以包括焊球、导电凸块、铜柱、导电柱、导电球、焊帽、凸块下金属化层和/或其它连接元件。
[0037]如图3所示，在图2的堆叠式封装结构上涂敷第一模塑料50a以提高堆叠式封装结构的强度和刚度。在图5b中，将底部填料70分散到中介层20和管芯60之间的间隙以加强第二组导电元件45的强度，从而加强整个堆叠式封装结构5的强度。分散后，固化底部填料70。为进一步改善图5b的封装件并控制翘曲，在至少一个实施例中，将底部填料70分散到衬底10和中介层20之间的间隙中以使其围绕第一组导电元件30。底部填料70加强第一组导电元件30的强度同时提供高热传导性。
[0038]在本发明的另一实施例中，在图4至图5a所示的堆叠式封装结构上涂敷第二含聚合物材料50b用于提供机械刚度并提高所得到的封装件的机械强度。可以认为，这种机械刚度降低了由于例如所得到的封装件的部件之间的热膨胀不匹配而引起的翘曲的严重程度。在示例性实施例中，第二含聚合物材料50b包括模塑料，因此在下文中被称为第二模塑料50b，但是其还可以由其它材料诸如底部填料、模塑底部填料(MUF)、环氧树脂等形成。可以使用例如压缩模塑法或传递模塑法在管芯60上方模制第二模塑料50b使其邻接中介层20的顶面且围绕第二组导电元件45从而将管芯60完全封装在第二模塑料50b中。然后实施固化步骤以使第二模塑料50b凝固。其后可以实施研磨以去除第二模塑料50b位于管芯60的顶面上方的部分。实施研磨以使第二模塑料50b变平并且暴露管芯60的顶面。所得到的结构示出在图5a中。
[0039]为进一步改善图5a的堆叠式封装结构5并控制翘曲，在至少一个实施例中，将底部填料70分散到衬底10和中介层20之间的间隙从而加强第一组导电元件30的强度同时提供高热传导性。
[0040]在图5c所示的至少一个实施例中，为进一步改善图5a的堆叠式封装结构5并控制翘曲，将底部填料70分散到中介层20和管芯60之间的间隙从而增强第二组导电元件45和所得到的封装件的强度。分散后，固化底部填料70。在至少一个实施例中，为了进一步改善图5c的封装结构5并控制翘曲，将底部填料70分散到衬底10和中介层20之间的间隙从而加强第一组导电元件30的强度。
[0041]本发明的一个或多个实施例的优点可以包括以下的一点或多点:
[0042]在一个或多个实施例中，堆叠式封装结构通过将模塑料引入堆叠式封装结构中提供改进的机械强度和机械刚度。可以认为，这种机械刚度降低了由于例如所得到的封装件的部件之间的热膨胀不匹配而引起的翘曲的严重程度。
[0043]在一个或多个实施例中，堆叠式封装结构通过将模塑料引入堆叠式封装结构中提供改进的翘曲控制。
[0044]在一个或多个实施例中，降低了制造具有改进的机械强度和翘曲控制的堆叠式封装结构的制造成本。
[0045]本发明已经描述了多个示例性实施例。根据一个实施例，半导体器件包括第一封装部件、第二封装部件以及将第一封装部件连接到第二封装部件的第一组导电元件。在第一封装部件上模制第一含聚合物材料并使其围绕第一组导电元件。在第一含聚合物材料中具有暴露第二封装部件的顶面的开口。第三封装部件和第二组导电元件将第二封装部件连接到第三封装部件。
[0046]根据另一实施例，一种半导体封装件包括第一封装件和第二封装件，第二封装件具有用于将第二封装件电连接到第一封装件的第一组连接元件。该半导体封装件还包括第三封装件，第三封装件具有用于将第三封装件电连接到第二封装件的第二组连接元件。在第一封装件和第二封装件上模制模塑料，其中模塑料围绕第一组连接元件和第二组连接元件，并且在该模塑料中具有暴露第三封装件的顶面的开口。
[0047]根据又一实施例，一种形成封装件的方法包括提供第一封装部件和第二封装部件。使用第一组导电元件将第一封装部件连接到第二封装部件。在第二封装部件上方形成第一含聚合物材料并使其围绕第一组导电元件。固化第一含聚合物材料以使该第一含聚合物材料凝固。研磨第一含聚合物材料以使该第一含聚合物材料变平并暴露第二封装部件的顶面。该方法还包括提供第三封装部件和使用第二组导电元件将第二封装部件连接到第三封装部件。
[0048]在前述的详细说明中，描述了具体的示例性实施例。然而，在不背离本发明较广泛的主旨和范围的情况下，可以对本发明做各种修改、结构、工艺和改变，这对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。因此，说明书和附图被视为说明性的而不是限制性的。应该理解，本发明的实施例能够使用各种其它的组合和环境并且在权利要求的范围内进行改变或修改。
【权利要求】
1.一种半导体器件，包括: 第一封装部件； 第二封装部件； 第一组导电元件，将所述第一封装部件连接到所述第二封装部件； 第一含聚合物材料，模制在所述第一封装部件上并围绕所述第一组导电元件，在所述第一含聚合物材料中具有暴露所述第二封装部件的顶面的开口； 第三封装部件；以及 第二组导电元件，将所述第二封装部件连接到所述第三封装部件。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括第二含聚合物材料，所述第二含聚合物材料模制在所述第二封装部件上并围绕所述第二组导电元件，在所述第二含聚合物材料中具有暴露所述第三封装部件的顶面的开口。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，还包括围绕所述第一组导电元件的底部填料。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括围绕所述第二组导电元件的底部填料。
5.根据权利要求4所述的半导体器件，还包括围绕所述第一组导电元件的底部填料。
6.根据权利要求4所述的半导体器件，还包括在所述第二封装部件上模制的第二含聚合物材料，在所述第二含聚合物材料中具有暴露所述第三封装部件的顶面的开口。
7.根据权利要求1所述的半 导体器件，其中，所述第二封装部件包括厚度介于约20微米到约500微米范围内的中介层。
8.一种半导体封装件，包括: 第一封装件； 第二封装件； 第一组连接元件，用于将所述第二封装件电连接到所述第一封装件； 第三封装件； 第二组连接元件，用于将所述第三封装件电连接到所述第二封装件；以及模塑料，模制在所述第一封装件和所述第二封装件上，其中，所述模塑料围绕所述第一组导电元件和所述第二组导电元件，并且在所述模塑料中具有暴露所述第三封装件的顶面的开口。
9.根据权利要求8所述的半导体封装件，还包括围绕所述第一组连接元件的底部填料和/或围绕所述第二组连接元件的底部填料。
10.一种形成封装件的方法，包括: 提供第一封装部件； 提供第二封装部件； 使用第一组导电元件将所述第一封装部件连接到所述第二封装部件； 在所述第二封装部件的上方形成第一含聚合物材料并使其围绕所述第一组导电元件; 固化所述第一含聚合物材料以使所述第一含聚合物材料凝固； 研磨所述第一含聚合物材料以使所述第一含聚合物材料变平并暴露所述第二封装部件的顶面； 提供第三封装部件；以及使用第二组导电元件将`所述第二封装部件连接到所述第三封装部件。
【文档编号】H01L23/00GK103515326SQ201210382899
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年10月10日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】陈孟泽, 刘育志, 黄晖闵, 林威宏, 卢景睿, 郑明达, 刘重希 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司