半导体封装结构及半导体工艺的制作方法

本申请是申请日为2014年3月6日、申请号为“201410079763.x”、发明名称为“半导体封装结构及半导体工艺”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及一种半导体封装结构及半导体工艺。明确地说，本发明涉及一种堆叠半导体封装结构及其半导体工艺。

背景技术：

常规堆叠半导体封装结构的制造方法如下，首先，将裸片及多个焊球接合到下衬底的上表面上。接着，利用模制工艺形成封胶材料于所述下衬底的上表面上，以包覆所述裸片及所述焊球。接着，固化所述封胶材料后，利用高温激光于所述封胶材料上表面形成多个开口以显露所述焊球的上部。接着，放置上衬底于所述封胶材料上，使得位于所述上衬底下表面的焊料接触所述焊球。接着，以加热烤箱进行第一次加热，使得所述焊料及所述焊球熔融而形成互连元件。接着，于所述下衬底的下表面形成多个焊球后，进行回焊工艺。最后再进行切割步骤。

在所述常规制造方法中，在移动到所述加热烤箱的过程中，上衬底下表面与所述封胶材料仅接触而无接合力，且所述焊料与所述焊球也仅接触而无接合力，因此，上衬底与所述封胶材料会发生偏移。此外，在第一次加热后，仅有所述上衬底的焊料与下衬底的焊球互相接合，但是上衬底下表面与所述封胶材料仍仅接触而无接合力。因此，在回焊后，上衬底容易发生翘曲，甚至所述上衬底及所述下衬底会剥离，影响产品合格率。

为了改善上述问题，一种新的解决方案被提出。所述解决方案是先利用所述焊球接合上下衬底，之后再进行模制工艺，以形成封胶材料于所述上下衬底之间。然而，此种方式的模制工艺中，所述封胶材料是由侧边注入所述上下衬底之间，因此，所述焊球会影响所述封胶材料的流动，使得所述封胶材料内的填料的分布不均匀，而且由于所述工艺的方式为了让所述封胶材料能顺利地从所述裸片与所述上衬底之间通过，因此所述焊球须维持一定的高度，使得所述焊球的尺寸较大，使得无法有效缩小所述焊球的间距。

技术实现要素：

本发明的方面涉及一种半导体封装结构。在一实施例中，所述半导体封装结构包含第一衬底、第二衬底、裸片、多个互连元件及包覆材料。所述第一衬底具有上表面及多个第一衬底上导电垫。所述第二衬底具有下表面及多个第二衬底下导电垫，其中所述第一衬底的上表面面对所述第二衬底的下表面。所述裸片电连接到所述第一衬底的上表面。所述互连元件连接所述第一衬底上导电垫与所述第二衬底下导电垫。所述包覆材料位于所述第一衬底的上表面与所述第二衬底的下表面之间，且包覆所述裸片及所述互连元件，其中所述包覆材料具有多个容纳槽以容纳所述互连元件，且至少部分所述容纳槽的形状是由所述互连元件界定。

本发明的另一方面涉及一种半导体封装结构。在一实施例中，所述半导体封装结构包含第一衬底、第二衬底、裸片、多个互连元件及包覆材料。所述第一衬底具有上表面及多个第一衬底上导电垫。所述第二衬底具有下表面及多个第二衬底下导电垫，其中所述第一衬底的上表面面对所述第二衬底的下表面。所述裸片电连接到所述第一衬底的上表面。所述互连元件连接所述第一衬底上导电垫与所述第二衬底下导电垫。所述包覆材料位于所述第一衬底的上表面与所述第二衬底的下表面之间，且包覆所述裸片及所述互连元件，其中所述包覆材料具有多个容纳槽，所述容纳槽的侧壁的表面粗糙度与所述互连元件的表面粗糙度的差值为0～1.5μm。

本发明的另一方面涉及一种半导体工艺。在一实施例中，所述半导体工艺包含以下步骤：(a)将裸片电连接到第一衬底的上表面，其中所述第一衬底进一步具有多个第一衬底上导电垫，显露于所述第一衬底的上表面；(b)形成多个第一导电部于所述第一衬底上导电垫上；(c)施加包覆材料于所述第一衬底的上表面以包覆所述裸片及所述第一导电部，其中所述包覆材料为b阶胶材；(d)形成多个开口于所述包覆材料以显露所述第一导电部；(e)压合第二衬底于所述包覆材料上，使得所述第二衬底的下表面粘附于所述包覆材料上，其中所述第二衬底进一步具有多个第二衬底下导电垫及多个第二导电部，其中所述第一导电部与所述第二导电部至少其中之一包括焊料，所述第二衬底下导电垫是显露于所述第二衬底的下表面，所述第二导电部位于所述第二衬底下导电垫上，且所述焊料接触所述第一导电部及所述第二导电部；及(f)进行加热步骤，使得所述焊料熔融而形成多个互连元件，且所述包覆材料固化成c阶。

在本实施例中，由于所述第二衬底的下表面粘附于所述包覆材料，因此，在整个封装结构移动到下一个工作台的过程中，所述第二衬底与所述包覆材料不会发生偏移。此外，在加热后，所述包覆材料与所述第二衬底的下表面间具有粘附力，因此，在回焊时，所述第一衬底、所述第二衬底、所述包覆材料及所述互连元件虽然热膨胀系数(cte)不一致，但是因为所述第一衬底及所述第二衬底已被所述包覆材料粘住，而可视为一个整体，使得所述第一衬底及所述第二衬底的翘曲行为会一致(例如：所述第一衬底及所述第二衬底同时为哭脸翘曲，或同时为笑脸翘曲)。因此，所述第一导电部及所述第二导电部可以一直保持接触状态而维持所述互连元件，因而可以提高产品合格率。

附图说明

图1展示本发明半导体封装结构的实施例的剖视示意图。

图2展示图1的区域a的放大示意图。

图3到图10展示本发明半导体工艺的实施例的示意图。

图11展示本发明半导体封装结构的另一实施例的剖视示意图。

图12展示图11的区域b的放大示意图。

图13展示本发明半导体封装结构的另一实施例的剖视示意图。

图14展示本发明半导体封装结构的另一实施例的剖视示意图。

具体实施方式

参考图1，展示本发明半导体封装结构的实施例的剖视示意图。半导体封装结构1包含第一衬底10、第二衬底12、裸片14、多个互连元件16、包覆材料18及多个下焊球20。

第一衬底10具有上表面101、下表面102、多个第一衬底上导电垫103及多个第一衬底下导电垫104。在本实施例中，第一衬底10是封装衬底，第一衬底下导电垫104显露于第一衬底10的下表面102，且第一衬底上导电垫103显露于第一衬底10的上表面101。第一衬底下导电垫104电连接到第一衬底上导电垫103。

第二衬底12具有上表面121、下表面122、多个第二衬底上导电垫123及多个第二衬底下导电垫124。第一衬底10的上表面101面对第二衬底12的下表面122。在本实施例中，第二衬底12是封装衬底或中介板(interposer)，第二衬底上导电垫123显露于第二衬底12的上表面121，且第二衬底下导电垫124显露于第二衬底12的下表面122。第二衬底上导电垫123电连接到第二衬底下导电垫124。

裸片14电连接到第一衬底10的上表面101。在本实施例中，裸片14以倒装芯片接合方式附着到第一衬底10的上表面101。互连元件16连接第一衬底上导电垫103与第二衬底下导电垫124。在本实施例中，每一所述互连元件16是由第一导电部(例如：焊球)及第二导电部(例如：预焊料)互融而成，且具有内缩颈部161。互连元件16主要用以电连接第一衬底上导电垫103与第二衬底下导电垫124。

本发明的第一衬底上导电垫103及第一衬底下导电垫104或第二衬底上导电垫123及第二衬底下导电垫124可利用导电迹线(未标示)作为电连接的技术方式，第二衬底下导电垫124任选地可与所述导电迹线共平面或凸出于所述导电迹线之上。

包覆材料18位于第一衬底10的上表面101与第二衬底12的下表面122之间，且包覆裸片14及互连元件16。包覆材料18分别粘附第一衬底10的上表面101及第二衬底12的下表面122，且包覆材料18与第一衬底10的上表面101间的粘附力大致相同于包覆材料18与第二衬底12的下表面122间的粘附力。在本实施例中，包覆材料18为非导电膜(ncf)、非导电膏(ncp)或abf(ajinomotobuild-upfilm)。当包覆材料18处于b阶胶材的状态时，即粘合第一衬底10的上表面101及第二衬底12的下表面122。由于第二衬底12的下表面122粘附于包覆材料18，因此，在整个封装结构移动到下一个工作台的过程中，第二衬底12与包覆材料18不会发生偏移。此外，在加热后，包覆材料18与第二衬底12的下表面122间具有粘附力，因此，在回焊时，第一衬底10、第二衬底12、包覆材料18及互连元件16虽然热膨胀系数(cte)不一致，但是因为第一衬底10及第二衬底12已被包覆材料18粘住，而可视为一个整体，使得第一衬底10及第二衬底12的翘曲行为是相同的(例如：第一衬底10及第二衬底12同时为哭脸翘曲，或同时为笑脸翘曲)。因此，第一导电部(例如：焊球)及第二导电部(例如：预焊料)可以一直保持接触状态而维持互连元件16，因而可以提高产品合格率。

在本实施例中，包覆材料18并非常规模制化合物。在常规工艺中，因有脱膜步骤，因此裸片14的背面会有一层蜡。在模制步骤后，所述常规模制化合物与裸片14的背面间会因所述层蜡而导致粘附效果差而容易脱层。在本实施例中，所述包覆材料18可直接接触裸片14的背面，二者之间不会有蜡，可增加包覆材料18与裸片14间的粘附效果。

在本实施例中，包覆材料18具有多个容纳槽181以容纳互连元件16。至少部分容纳槽181的侧壁的形状与互连元件16相对应，且至少部分互连元件16的外表面接触容纳槽181的侧壁，即至少部分容纳槽181的形状是由互连元件16界定。因此，互连元件16与包覆材料18紧密结合。在本实施例中，容纳槽181的侧壁的表面粗糙度(ra)为1～2μm，互连元件16的表面粗糙度为0.5～1μm，二者的差值为0～1.5μm。优选地，容纳槽181的侧壁的形状与互连元件16完全对应，且互连元件16的外表面全部接触容纳槽181的侧壁，即容纳槽181的形状全部由互连元件16界定。

此外，包覆材料18进一步具有多种填料182，填料182有大小不同的粒径，且均匀分布于包覆材料18中，而不会位于互连元件16内。同时，填料182的含量(以重量百分比计)在包覆材料18中也均匀。要注意的是，在工艺中，均匀分布的填料182可利于在包覆材料18上进行激光钻孔的孔洞均匀度，进而提高互连元件16的均匀度，提高封装结构1的可靠性。在本实施例中，填料182的平均粒径小于5微米(μm)。

再者，填料182不须经过模制通道的流动过程，因此可减少包覆材料18的整体厚度，特别是包覆材料18于第二衬底12与裸片14之间的厚度。在一实施例中，包覆材料18于第二衬底12与裸片14之间的厚度可不大于填料182中最大粒径大小；在另一实施例中，包覆材料18于第二衬底12与裸片14之间的厚度小于20微米(μm)。

举例来说，图中区域a1及区域a2分别代表左侧的包覆材料18及右侧的包覆材料18，其中区域a1为包覆材料18的最左侧边向右延伸默认距离，所述默认距离为包覆材料18最大宽度的10％，且区域a2为包覆材料18的最右侧边向左延伸所述默认距离。位于区域a1与区域a2的填料182的粒径分布及含量(以重量百分比计)相同。在实际实验中，分别获取区域a1及区域a2中任一小部分的测量区域，其中所述测量区域包括约100颗填料，可发现区域a1中的测量区域及区域a2中的测量区域，二者的粒径分布及含量(以重量百分比计)实质上相同。

所述下焊球20位于第一衬底下导电垫104上，用以电连接到外部元件。

参考图2，展示图1的区域a的放大示意图。在本实施例中，互连元件16是类似葫芦形状。互连元件16与第一衬底上导电垫103接触的区域具有第一宽度w1，且互连元件16与第二衬底下导电垫124接触的区域具有第二宽度w2。内缩颈部161具有第三宽度w3，且互连元件16具有最大宽度wm。最大宽度wm大于第三宽度w3。第一宽度w1大约等于第二宽度w2，且最大宽度wm大于第一宽度w1及第二宽度w2。在本实施例中，由于每一互连元件16是由第一导电部(例如：焊球)及第二导电部(例如：预焊料)互融而成，因此，互连元件16的最大宽度wm可有效缩小，使得互连元件16之间距可有效缩小，而适用于细间距线路。

参考图3到图10，展示本发明半导体工艺的实施例的示意图。参考图3，提供裸片14及第一衬底10。第一衬底10具有上表面101、下表面102、多个第一衬底上导电垫103及多个第一衬底下导电垫104。在本实施例中，第一衬底10为封装衬底，第一衬底下导电垫104显露于第一衬底10的下表面102，且第一衬底上导电垫103显露于第一衬底10的上表面101。第一衬底下导电垫104电连接到第一衬底上导电垫103。接着，将裸片14电连接到第一衬底10的上表面101。在本实施例中，裸片14以倒装芯片接合方式附着到第一衬底10的上表面101。

参考图4，形成多个第一导电部15于第一衬底上导电垫103，且第一导电部15围绕裸片14。在本实施例中，第一导电部15为多个焊球。然而，在其它实施例中，第一导电部15可以是铜柱。

参考图5，提供包覆材料18。在本实施例中，包覆材料18为非导电膜(ncf)、非导电膏(ncp)或abf，且其具有多种填料182。填料182有大小不同的粒径，且均匀分布于包覆材料18中。此时，包覆材料18处于b阶胶材的状态。

参考图6，施加包覆材料18于第一衬底10的上表面101以包覆裸片14及第一导电部15。此时包覆材料18仍处于b阶的状态。在本实施例中，包覆材料18是利用压合或印刷等方式由上向下地或由下向上地形成于第一衬底10的上表面101，因此，第一导电部15不会影响包覆材料18内的填料182的流动，且填料182不须经过模制通道的流动过程，使得填料182仍均匀分布于包覆材料18中。

参考图7，形成多个开口183于包覆材料18上以显露第一导电部15上部。在本实施例中，是利用低温激光形成所述开口183。此时，包覆材料18仍处于b阶的状态。

参考图8，提供第二衬底12。第二衬底12具有上表面121、下表面122、多个第二衬底上导电垫123、多个第二衬底下导电垫124及多个第二导电部125。第二衬底12的下表面122面对第一衬底10的上表面101。在本实施例中，第二衬底12为封装衬底或中介板，第二衬底上导电垫123显露于第二衬底12的上表面121，且第二衬底下导电垫124显露于第二衬底12的下表面122。第二衬底上导电垫123电连接到第二衬底下导电垫124。第二导电部125位于第二衬底下导电垫124上。在本实施例中，第二导电部125为多个预焊料。然而，在其它实施例中，第二导电部125可以是铜柱。此外，要注意的是，第一导电部15与第二导电部125至少其中之一包括焊料，在本实施例中，第一导电部15与第二导电部125皆为焊料；然而，在其它实施例中，如果第一导电部15与第二导电部125皆为铜柱，那么第一导电部15与第二导电部125其中之一需要再包括焊料，且所述焊料接触第一导电部15及第二导电部125以利连接。

接着，施加下压力以压合第二衬底12于包覆材料18上。由于包覆材料18仍处于b阶的状态，使得第二衬底12的下表面122可粘附于包覆材料18上，而且包覆材料18与第一衬底10的上表面101间的粘附力大致相同于包覆材料18与第二衬底12的下表面122间的粘附力。根据一实施例，施加所述下压力同时加热到约90℃，此时，包覆材料18为可流动状态，而可填满任何空隙。此外，由于包覆材料18不需要流动空间，因此，通过控制包覆材料18的量及所述下压力，可大幅降低整体封装结构的厚度。

参考图9，以加热烤箱进行第一次加热，使得所述焊料熔融而形成互连元件16。此时的工作温度约为245℃。要注意的是，在移动到所述加热烤箱的过程中，第二衬底12的下表面122已粘附于包覆材料18上，因此，第二衬底12与封胶材料18不会发生偏移。在本实施例中，第一导电部15(例如：焊球)与第二导电部125(例如：预焊料)皆为焊料，因此，每一互连元件16是由所述第一导电部及所述第二导电部互融而成，且具有内缩颈部161。此时，包覆材料18可填满内缩颈部161所形成的空隙中。即，包覆材料18内的容纳槽181的形状是由互连元件16界定。

在加热一段时间后，包覆材料18固化成c阶。固化的包覆材料18内具有容纳槽181以容纳互连元件16。至少部分容纳槽181的侧壁的形状与互连元件16相对应，且至少部分互连元件16的外表面接触容纳槽181的侧壁，即至少部分容纳槽181的形状是由互连元件16界定。因此，互连元件16与包覆材料18紧密结合。在本实施例中，容纳槽181的侧壁的表面粗糙度为1～2μm，互连元件16的表面粗糙度为0.5～1μm，二者的差值为0～1.5μm。优选地，容纳槽181的侧壁的形状与互连元件16完全对应，且互连元件16的外表面全部接触容纳槽181的侧壁，即容纳槽181的形状是全部由互连元件16界定。

参考图10，形成多个下焊球20于第一衬底下导电垫104上。接着，进行回焊。要注意的是，此时第二衬底12已紧密附着到封胶材料18及第一衬底10上，因此回焊后，第一衬底10、第二衬底12、包覆材料18及互连元件16虽然热膨胀系数(cte)不一致，但是因为第一衬底10及第二衬底12已被包覆材料18粘住，而可视为一个整体，使得第一衬底10及第二衬底12的翘曲行为是相同的(例如：第一衬底10及第二衬底12同时为哭脸翘曲，或同时为笑脸翘曲)。因此，第一导电部15及第二导电部125可以一直保持接触状态而维持互连元件16，由此可提高产品合格率。接着，进行切割，以形成多个如图1所示的半导体封装结构。在切割过程时，第二衬底12同样已紧密附着到封胶材料18及第一衬底10上，因此切割时所产生的应力造成第二衬底12剥离的问题也不会发生。

参考图11，展示本发明半导体封装结构的另一实施例的剖视示意图。参考图12，展示图11的区域b的放大示意图。本实施例的半导体封装结构1a与图1及图2所示的半导体封装结构1大致相同，其不同之处如下所述。在本实施例的半导体封装结构1a中，第一衬底10的上表面101部分覆盖第一上介电层105，且第一衬底10的下表面102部分覆盖第一下介电层106。第一衬底上导电垫103显露于第一上介电层105，且第一衬底下导电垫104显露于第一下介电层106。此外，第二衬底12的上表面121部分覆盖第二上介电层126，且第二衬底12的下表面122部分覆盖第二下介电层127。第二衬底上导电垫123显露于第二上介电层126，且第二衬底下导电垫124显露于第二下介电层127。在本实施例中，第一上介电层105与包覆材料18的粘附力大致相同于第二下介电层127与包覆材料18间的粘附力。

参考图13，展示本发明半导体封装结构的另一实施例的剖视示意图。本实施例的半导体封装结构1b与图1及图2所示的半导体封装结构1大致相同，其不同之处如下所述。在本实施例的半导体封装结构1b中，每一互连元件16a是由第一铜柱107(第一导电部)、焊料30及第二铜柱128(第二导电部)所组成。第一铜柱107位于第一衬底上导电垫103上，第二铜柱128位于第二衬底下导电垫124上，且第一铜柱107及第二铜柱128利用所述焊料30对接，而非互融。要注意的是，包覆材料18内的所述容纳槽的形状仍是由互连元件16a界定。

参考图14，展示本发明半导体封装结构的另一实施例的剖视示意图。本实施例的半导体封装结构1c与图1及图2所示的半导体封装结构1大致相同，其不同之处如下所述。在本实施例的所述半导体封装结构1c中，第二衬底12下表面122与裸片14上表面141之间的包覆材料18的厚度界定为t，且厚度t小于或等于填料182中的最大粒径大小。因此，厚度t还可以等于0，使得第二衬底12下表面122接触裸片14上表面141。

上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，所属领域的技术人员对上述实施例进行修改及变化仍不脱离本发明的精神。本发明的范围应如所附权利要求书所列。