半导体装置及其制造方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体装置及其制造方法。


背景技术：

2.传统的半导体装置包括基板和设置在基板上的电子元件。然而，电子元件在操作过程中不可避免地会产生热量。因此，如何将电子元件的热量散发出去，已成为业界的一项重要课题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种半导体装置及其制造方法，以解决上述问题。
4.根据本发明的第一方面，公开一种半导体装置，包括：
5.基板；
6.电子元件，设置于该基板上；
7.盖体，设置于该基板上并覆盖该电子元件；以及
8.液态金属，形成于该盖体与该电子元件之间。
9.根据本发明的第二方面，公开一种半导体装置的制造方法，包括：
10.将电子元件设置在基板上；
11.在该基板上设置盖体以覆盖该电子元件；以及
12.在该盖体和该电子元件之间形成液态金属。
13.本发明的半导体装置由于包括：基板；电子元件，设置于该基板上；盖体，设置于该基板上并覆盖该电子元件；以及液态金属，形成于该盖体与该电子元件之间。采用这种方式可以避免在液态金属与盖体之间产生可能存在的空隙或间隙，从而使热量更高效的从电子元件、液态金属传递到盖体，提高散热效率。
附图说明
14.图1a示出了根据本发明实施例的半导体装置的俯视图的示意图；
15.图1b绘示图1a的半导体装置沿方向1b-1b'的剖面图；
16.图1c示出了图1b的盖子(或盖板、盖体)的仰视图的示意图；以及
17.图2a到2e示出了图1b的半导体装置的制造制程。
具体实施方式
18.在下面对本发明的实施例的详细描述中，参考了附图，这些附图构成了本发明的一部分，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践本发明的特定的优选实施例。对这些实施例进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践它们，并且应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行机械，结构和程序上的改变。本发明。因此，以下详细描述不应被理解为限制性的，并且本发明的实施例的范
围仅由所附权利要求限定。
19.将理解的是，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”、“主要”、“次要”等在本文中可用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、这些层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一区域、层或部分。因此，在不脱离本发明构思的教导的情况下，下面讨论的第一或主要元件、组件、区域、层或部分可以称为第二或次要元件、组件、区域、层或部分。
20.此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在...下方”、“在...之下”、“在...下”、“在...上方”、“在...之上”之类的空间相对术语，以便于描述一个元件或特征与之的关系。如图所示的另一元件或特征。除了在图中描述的方位之外，空间相对术语还意图涵盖设备在使用或运行中的不同方位。该装置可以以其他方式定向(旋转90度或以其他定向)，并且在此使用的空间相对描述语可以同样地被相应地解释。另外，还将理解的是，当“层”被称为在两层“之间”时，它可以是两层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。
21.术语“大约”、“大致”和“约”通常表示规定值的
±
20％、或所述规定值的
±
10％、或所述规定值的
±
5％、或所述规定值的
±
3％、或规定值的
±
2％、或规定值的
±
1％、或规定值的
±
0.5％的范围内。本发明的规定值是近似值。当没有具体描述时，所述规定值包括“大约”、“大致”和“约”的含义。本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数术语“一”，“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明构思。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。
22.将理解的是，当将“元件”或“层”称为在另一元件或层“上”、“连接至”、“耦接至”或“邻近”时，它可以直接在其他元件或层上、与其连接、耦接或相邻、或者可以存在中间元件或层。相反，当元件称为“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接至”、“直接耦接至”或“紧邻”另一元件或层时，则不存在中间元件或层。
23.注意：(i)在整个附图中相同的特征将由相同的附图标记表示，并且不一定在它们出现的每个附图中都进行详细描述，并且(ii)一系列附图可能显示单个项目的不同方面，每个方面都与各种参考标签相关联，这些参考标签可能会出现在整个序列中，或者可能只出现在序列的选定图中。
24.请参考图1a至图1c，图1a绘示依照本发明一个实施例的半导体装置100的俯视图，图1b绘示图1a的半导体装置100沿剖面的剖面图。图1c为图1b的盖板(或盖子、盖体)130的仰视图示意图。
25.半导体装置100例如是倒装芯片球栅阵列(flip chip ball grid array，fcbga)，例如高性能fcbga；然而，这样的示例并不意味着限制。
26.如图1a和1b所示，半导体装置100包括基板110、电子元件120、盖体(或盖子、盖板)130、液态金属140、第一粘合层150、第二粘合层160、第一密封件170、第二密封件180和至少一个导电部分190。
27.如图1b所示，电子元件120设置于基板110上。盖体130设置于基板110上并覆盖电子元件120。液态金属140形成于盖体130与电子元件120之间。因此，电子元件120所产生的热量可通过液态金属140与盖体130散发。盖体130可以是一体成形的或一体部件，从而提高
半导体装置的机械强度和提高散热效率。
28.基板110例如具有单层结构或多层结构。虽然未绘示，基板110包括至少一个导电迹线、至少一个导电过孔及/或至少一个导电垫，其中导电迹线与至少一个导电过孔电性连接。在一个实施例中，基板110例如是印刷电路板(printed circuit board，pcb)、中介层(interposer)、另一个半导体装置或半导体封装。
29.电子元件120通过基板110与导电部(导电部分)190电连接。电子元件120例如是能够应用于(或设置在)需要大功率操作的封装的元件，例如倒装芯片bga(flip chip bga，fcbga)、扇出(fan-out)封装或3d ic封装等。电子元件120包括至少一个导电部(导电部分)121，其中导电部121例如为凸块或焊球。电子元件120通过至少一个导电部121接合至基板110的至少一个导电垫(未绘示)。
30.盖体130的材质例如为金属，例如铜、铝、铁或其组合。盖体130可导热并增加半导体装置100的强度以减少翘曲。
31.如图1b和1c所示，盖体130包括板体131、第一环绕部132、至少一个柱体133和第二环绕部134。板体131具有第一表面131s1和第二表面131s2(与第一表面131s1相对)。第一表面131s1朝向电子元件120。第一环绕部132、柱体133及第二环绕部134设置于板体131上且相对于第一表面131s1突出。第一环绕部132例如为封闭环，用以环绕整个液态金属140。由于柱体133相对于第一表面131s1凸出，因此可增加盖体130的导热面积。第二环绕部134环绕第一环绕部132、柱体133、电子元件120及液态金属140。第二环绕部134为封闭环，用以环绕整个第一环绕部132、柱体133、电子元件120和液态金属140。
32.如图1a至图1c所示，盖体130具有第一通孔131a1和第二通孔131a2。在本实施例中，第一通孔131a1与第二通孔131a2位于板体131上。例如，第一通孔131a1与第二通孔131a2均由第一表面131s1延伸至第二表面131s2。因此，在液态金属140的注入过程中，液态金属140会通过第一通孔131a1流入，而空气(如果有的话)可以通过第二通孔131a2排出。
33.如图1a至图1c所示，第一通孔131a1和第二通孔131a2位于第一环绕部132附近。第一通孔131a1和第二通孔131a2位于整个区域133r之间。在本实施例中，第一通孔131a1和第二通孔131a2设置在整个区域133r或第一围绕部132的相对两侧，从而使第一通孔131a1和第二通孔131a2之间的距离较长。因此，在液态金属140的注入过程中，液态金属140通过第一通孔131a1流入，大部分空气可通过第二通孔131a2排出。在另一个实施例中，第一通孔131a1与第二通孔131a2可设置于整个区域133r或第一环绕部132的相对的两个角落(即在整个区域133r或第一环绕部132的对角线的两端)。因此，第一通孔131a1与第二通孔131a2之间的距离最长，更有利于排气。在另一个实施例中，第二通孔131a2可省略，而第一通孔131a1可设置于板体131的第二表面131s2的中间位置或板体130的其他位置。例如如图1c所示，第一通孔131a1和第二通孔131a2分别位于整个区域133r的两侧，方便通孔的形成和液态金属的注入。
34.就性质而言，液态金属140的熔点范围在60℃至70℃之间，或更低或更高。液态金属140的熔点范围可以根据需求自由调配，例如改变液态金属的成分配比，液态金属中例如可以包括镓和其他金属。在液态金属140的注入过程中，液态金属140被预热至可流动状态，通过第一通孔131a1注入盖体130和电子元件120之间的空间中，然后固化；而无需通过冷却或降温来达到固化的目的。此外，液态金属140的热导率介于70w/m-k至80w/m-k之间，或更
高。液态金属140的热导率高于热界面材料(tim)的热导率。通常，tim的热导率在2w/m-k到5w/m-k之间。
35.如图1b所示，液态金属140形成在盖体130和电子元件120之间作为热传递介质。此外，在相邻的两个柱体133之间形成第一容纳部sp1、在每个柱体133的端子133b与电子元件120之间形成第二容纳部sp2、以及在第一环绕部132、第一表面131s1、最外边的柱体133和电子元件120之间形成第三容纳部sp3。从第三容纳部sp3的顶部看，第三容纳部sp3具有环形形状，例如闭合环形形状。液态金属140包括至少一个第一金属部141、至少一个第二金属部142及至少一个第三金属部143。第一金属部分141填充每个第一容纳部分sp1的至少一部分，第二金属部分142填充第二容纳部分sp2的至少一部分，第三金属部143填满第三容纳部sp3的至少一部分。因此，即使液态金属140具有至少一个空隙(或空气层)140a，电子元件120所产生的热量仍可通过其他热传导部分散去，其他热传导部分例如连接盖板体130和电子元件120的第一金属部141、第二金属部142和第三金属部143。其中，图1b所示的空隙(或空气层)140a仅为示例说明，在一个实施例中，液态金属140在水平的状态下(或半导体装置在水平的状态下)，液态金属140的上表面应该在同一水平面，当液态金属140达到或高于第一表面131s1时，一般不会出现空隙或间隙140a。当出现了空隙(或空气层)140a时，液态金属140的上表面可能均未与第一表面131s1接触(而是存在空隙或间隙)，但是液态金属140仍然与柱体133保持接触状态，所以电子元件120所产生的热量仍可通过液态金属140、柱体133传递。在一个实施例中，盖体130具有多个柱体133，从而与液态金属140具有更大的接触面积，增大散热的面积。柱体133可以在盖体130上以规则的阵列排布，以均匀的散热。相比先前技术中在电子元件120上使用传统的热界面材料，本发明实施例中在电子元件120上使用液态金属可以在即使与盖体130存在空隙或间隙时，仍然可以高效率的散热(传统的热界面材料若与盖体130存在空隙或间隙则散热效率大大降低)；其中液态金属140至少与柱体133的顶面(靠近并朝向电子元件120的表面)或端子133b接触，也可以高过柱体133的顶面或端子133b。在一个实施例中，液态金属140达到第一表面131s1，并与第一表面131s1接触。在另一个实施例中，液态金属140高过第一表面131s1。因此，本发明实施例中，通过使用液态金属140，可以(尽量)避免液态金属140与柱体133之间出现空隙或间隙，从而避免影响散热效率；并且，即使出现如图1b所示的空隙或间隙140a，由于液态金属140与柱体133保持接触，仍然可以保持较高的散热效率。本发明实施例中，将(尽量)使液态金属140达到或高于第一表面131s1(在半导体装置处于水平状态下)，从而(尽量)避免出现空隙或间隙140a，达到更高的散热效率。
36.此外，如图1b所示，在板体131、第一围绕部132和第二围绕部134之间形成有空间sp4。例如，在空间sp4内没有形成物理材料。例如，空间sp4内具有稀薄的空气，或者空间sp4内为真空状态等等。
37.如图1b所示，第一粘合层150设置于第一环绕部132的端子132b与电子元件120之间，用以固定第一环绕部132与电子元件120之间的相对位置。在一个实施例中，从第一粘合层150的上方观察，第一粘合层150呈环状，例如是封闭的环状，用以封闭第一环绕部132与电子元件120之间的间隙(若有)。因此，可防止液态金属140通过第一环绕部132及电子元件120外泄(泄漏)。此外，端子132b具有至少一个凹槽132b1，用以容纳部分第一粘合层150，因此可增加第一环绕部132与电子元件120之间的黏着力，另外凹槽132b1的设置还可以放置
液态金属140的外泄。
38.如图1b所示，第二粘合层160设置于第二环绕部134的端子134b与基板110之间，用以固定盖体130与基板110的相对位置。在一个实施例中，从第二粘着层160的上方观察，第二粘着层160呈环状，例如闭合环状，用以封闭第二环绕部134与基板110之间的间隙(若有)。因此，防止外部杂质通过第二环绕部134和基板110侵入半导体装置100内部。
39.如图1b所示，第一密封件170封闭第一通孔131a1。因此，防止液态金属140通过第一通孔131a1泄漏，防止外部杂质通过第一通孔131a1侵入半导体器件100内部。此外，第一密封件170与液态金属140的第三金属部143之间存在空间，该空间内没有形成物理材料，因此该空间可以承受第三金属部143的热膨胀。
40.如图1b所示，第二密封件180封闭第二通孔131a2。因此，防止液态金属140通过第二通孔131a2泄漏，并且防止外部杂质通过第二通孔131a2侵入半导体装置100的内部。此外，第二密封件180与液态金属140的第三金属部143之间存在空间，该空间内没有形成物理材料，因此该空间可以承受第三金属部143的热膨胀。
41.如图1b所示，第一粘合层150、第二粘合层160、第一密封件170和第二密封件180将盖体130和电子元件120之间的容纳部密封在其中。
42.如图1b所示，导电部190形成在基板110的下表面110b上。导电部190例如是凸块、焊球等。半导体器件100通过半导体器件100的导电部分190与外部电子器件(例如pcb等)接合并电连接。
43.参照图2a至图2e，图2a至图2e示出了图1b的半导体装置100的制造制程。
44.如图2a所示，电子元件120设置于基板110上，其中电子元件120包括至少一导电部121，其中电子元件120通过至少一导电部121接合至基板110。此外，在电子元件120的下表面120b与基板110的上表面110u之间形成底部填充胶122，以包覆导电部121。
45.如图2b所示，第一粘合层150形成在电子元件120的上表面120u上，其中第一粘合层150形成在上表面120u的周边区域上。从第一粘合层150的上方观察，第一粘合层150呈环状，例如为闭合环状。
46.如图2b所示，第二粘合层160形成于基板110的上表面110u上，其中第二粘合层160形成于上表面110u的周边区域。从第二粘合层160的上方观察，第二粘合层160呈环状，例如为闭合环状。
47.另外，本发明实施例不对第一胶层(粘合层)150和第二胶层(粘合层)160的形成的顺序进行限定。
48.如图2c所示，盖体130设置于基板110上以覆盖电子元件120。盖体130包括板体131、第一环绕部132、至少一个柱体133以及第二环绕部134。盖体130具有第一通孔131a1与第二通孔131a2，其中第一通孔131a1与第二通孔131a2均由板体131的第一表面131s1延伸至板体131的第二表面131s2。
49.在图2c中，盖板130的第一环绕部132通过第一粘着层150粘着于电子元件120，盖板130的第二环绕部134通过第二胶层(粘合层)160与基板110贴合，以固定基板110与盖板130的相对位置。用以固定基板110与盖体130之间的相对位置。第一胶层(粘合层)150可封闭第一环绕部132与电子元件120之间的间隙(若有的话)，而第二胶层(粘合层)160可封闭第二环绕部134与基板110之间的间隙(若有的话)。
50.在图2c中，第一容纳部sp1形成在相邻的两个柱体133之间，第二容纳部sp2形成在每个柱体133的端子133b和电子元件120之间，第三容纳部sp3形成在第一围绕部132、第一表面131s1、最外柱133和电子元件120之间。从第三收容部(容纳部)sp3的上方观察，第三收容部(容纳部)sp3呈环状，例如为封闭环状。
51.如图2d所示，至少一个导电部分190形成在基板110的下部110b上。
52.如图2e所示，液态金属140通过使用注入器10形成在盖体130和电子元件120之间。例如，液态金属140通过第一通孔131a1注入第一容纳部sp1、第二容纳部sp2和第三容纳部sp3，气体(例如空气)a1通过第二通孔131a2排出。
53.在图2e中，液态金属140包括至少一个第一金属部141、第二金属部142和第三金属部143。第一金属部141填充每个第一容纳部spl的至少一部分，第二金属部分142填充第二容纳部分sp2的至少一部分，第三金属部分143填充第三容纳部分sp3的至少一部分。由于连接盖体130与电子元件120的部分(例如第一金属部141、第二金属部142及第三金属部143)，即使液态金属140具有至少一个空隙(或空气层))140a，电子元件120所产生的热量仍可通过连接盖体130与电子元件120的第一金属部141、第二金属部142及第三金属部143等其他导热部散发。
54.然后，如图1b所示，在第一通孔131a1内形成第一密封件170以密封第一通孔131a1。因此，防止了液态金属140通过第一通孔131a1泄漏，并且防止了外部杂质通过第一通孔131a1侵入半导体装置100的内部。此外，第一密封件170与液态金属140的第三金属部143之间存在空间，该空间内没有形成物理材料，因此该空间可以承受第三金属部143的热膨胀。
55.然后，第二密封件180形成在第二通孔131a2内以密封第二通孔131a2，如图1b所示。因此，防止液态金属140通过第二通孔131a2泄漏，并且防止外部杂质通过第二通孔131a2侵入半导体装置100的内部。此外，第二密封件180与液态金属140的第三金属部143之间存在空间，该空间内没有形成物理材料，因此该空间可以承受第三金属部143的热膨胀。
56.另外，本发明实施例不限定第一密封件170和第二密封件180的形成顺序。
57.本领域的技术人员将容易地观察到，在保持本发明教导的同时，可以做出许多该装置和方法的修改和改变。因此，上述公开内容应被解释为仅由所附权利要求书的界限和范围所限制。