CN105269758B - 半导体封装模具、封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了半导体封装模具、封装结构及封装方法。该封装模具包括下模具和倒扣在该下模具上的上模具，所述上模具的下表面和所述下模具的上表面形成为凹凸匹配的曲面。本发明的封装模具和封装方法可以有效地减小由于封装层和基板的热失配而产生的翘曲。

Description

半导体封装模具、封装结构及封装方法

技术领域

本发明涉及半导体封装技术，具体地，涉及半导体封装模具、封装结构及封装方法。

背景技术

半导体封装技术具有为芯片提供电连接、保护、支撑、散热等功能，可以实现多脚化，具有缩小封装产品体积、改善电性能及散热性、超高密度或多芯片模块化的优点。现有的半导体封装大都需要将芯片键合或粘接到基板上，然后用模具进行封装。

图1a-图1c是在传统的半导体封装技术中使用的封装模具的示意图(其中忽略了注塑孔和定位孔)。如图1a-图1c所示，传统的封装模具包括上模具101和下模具102，该上模具101的下表面101a和该下模具102的上表面102a均形成为平面形状。在封装的时候，先在基板上布置好芯片，并将芯片与基板电连接。之后，再将基板贴合在所述下模具102的上表面102a上，并将上模具101倒扣在下模具102上，与该下模具102接合。最后在上模具101与下模具102之间注塑封装层，以对该芯片进行封装。

由于封装层材料(例如，环氧树脂模塑料(EMC))与基板材料(例如，FR4或BT)在热膨胀系数(CTE)上存在差别(例如，某种EMC的热膨胀系数为45ppm，而用于基板的FR4的热膨胀系数为18ppm)，导致在升降温时封装层与基板膨胀或收缩的体积不相等，这就容易造成翘曲。翘曲的产生，可造成芯片的断裂，也会在后续的组装过程(例如SMT)中造成开路(OPEN)或枕头效应(HiP)等失效。这种现象非常普遍，并且使得生产成本增加，封装结构的可靠性降低。

发明内容

本发明的目的是提供能够有效地减小翘曲的半导体封装模具、封装结构及封装方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种半导体封装模具，该封装模具包括下模具和倒扣在该下模具上的上模具，所述上模具的下表面和所述下模具的上表面形成为凹凸匹配的曲面。

优选地，在所述下模具的上表面上贴合有带有芯片的基板，以及在该上表面与所述上模具的下表面之间容纳有用于对该芯片进行封装的封装层；以及在所述基板的热膨胀系数小于所述封装层的热膨胀系数的情况下，所述下表面形成为向上凹进的曲面，以及所述上表面形成为向上凸起的曲面；在所述基板的热膨胀系数大于所述封装层的热膨胀系数的情况下，所述下表面形成为向下凸起的曲面，以及所述上表面形成为向下凹进的曲面。

优选地，所述基板与所述封装层的热膨胀系数的差异越大，所述下表面形成的曲面和所述上表面形成的曲面的曲率越大；以及所述基板与所述封装层的热膨胀系数的差异越小，所述下表面形成的曲面和所述上表面形成的曲面的曲率越小。

优选地，所述下表面与所述上表面之间的间距相等。

优选地，所述下表面和所述上表面分别沿所述封装模具的长度方向和宽度方向对称。

优选地，所述上模具包括第一组块和第一框架，所述第一框架上形成有第一凹槽，所述第一组块被可拆卸地嵌入在该第一凹槽中，所述第一组块被暴露的表面形成为所述上模具的所述下表面。

优选地，所述下模具包括第二组块和第二框架，所述第二框架上形成有第二凹槽，所述第二组块被可拆卸地嵌入在该第二凹槽中，所述第二组块被暴露的表面形成为所述下模具的所述上表面。

本发明还提供一种利用根据本发明提供的半导体封装模具进行半导体封装的方法，该方法包括：在基板上布置至少一个芯片，并将所述至少一个芯片与所述基板电连接；将所述基板贴合在所述封装模具的下模具的上表面上；将所述封装模具的上模具倒扣在所述下模具之上；以及在所述上模具的下表面与所述下模具的上表面之间注塑封装层，以对所述至少一个芯片进行封装。

优选地，该方法还包括：在将所述基板贴合在所述封装模具的下模具的上表面上之前，根据所述基板与所述封装层的热膨胀系数的差异，选择合适的封装模具。

本发明还提供一种由使用根据本发明提供的方法制成的半导体封装结构。

上述技术方案中，将封装模具的上模具的下表面和下模具的上表面配置为凹凸配合的曲面，使得当上、下模具接合时，中间部分可以形成为弯曲的空腔。封装模具的这种结构使得封装在其中的封装结构能够产生向上或向下弯曲的预形变。在降温过程中，由于基板和封装层的热膨胀系数不同而使得封装结构的预形变逐渐减小，最终趋于平整。这样，可以在目前还没有研究出热膨胀系数基本匹配的封装层与基板的情况下，有效减小由于热膨胀系数上的差异引起的翘曲，从而防止芯片断裂，提高封装结构的可靠性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1a-图1c是传统的半导体封装技术中使用的封装模具的示意图；

图2a-图2c是根据本发明的实施方式的封装模具的示意图；

图3a-图3c是根据本发明的另一实施方式的封装模具的示意图；

图4a和图4b是根据本发明的又一实施方式的封装模具的示意图；以及

图5是根据本发明的实施方式的半导体封装方法的流程图。

附图标记说明

101 上模具 101a 上模具的下表面

102 下模具 102a 下模具的上表面

1011 第一组块 1012 第一框架 1012a 第一凹槽

1021 第二组块 1022 第二框架 1022a 第二凹槽

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是在本发明提供的半导体封装模具正常使用的情况下定义的，具体地可参考图1c、图2c以及图3c所示的图面方向。需要说明的是，这些方位词只用于说明本发明，并不用于限制本发明。

图2a-图2c是根据本发明的实施方式的封装模具的示意图。该封装模具可以包括上模具101(如图2a所示)和下模具102(如图2b所示)。与图1a和图1b中的传统的封装模具不同的是，在该实施方式中，上模具101的下表面101a和下模具102的上表面102a是具有一定曲率的曲面。

本领域技术人员可以理解的是，在进行半导体封装的时候，需将上模具101倒扣在下模具102上，以与该下模具102接合。图2c中的封装模具就是在进行半导体封装的时候，将上模具101倒扣在下模具102上形成的。如图2c所示，该上模具101的下表面101a和该下模具102的上表面102a可以形成为凹凸配合的曲面。例如，在图2c所示的实施方式中，下模具102的上表面102a可以形成为向上凸起的曲面，而上模具101的下表面101a可以形成为向上凹进的曲面。这样，当所述上模具101与所述下模具102接合以后，该上模具101的下表面101a和该下模具102的上表面102a之间可以形成一弯曲(具体为向上弯曲)的空腔。

在所述下模具102的上表面102a上可以贴合有带有芯片的基板，以及在该上表面102a与所述上模具101的下表面101a之间容纳有用于对该芯片进行封装的封装层。由于下模具102的上表面102a形成为一曲面，因而，在将带有芯片的基板贴合(例如，通过采用真空吸附来进行贴合)在该上表面102a上后，该基板可以产生与该曲面对应的预形变。

图2c所示的封装模具可应用于基板的热膨胀系数小于封装层的热膨胀系数的情况。当基板的热膨胀系数小于封装层的热膨胀系数时，如果使用图1a-图1c所示的传统封装模具，封装完成并降温后，由于基板收缩的幅度小于封装层收缩的幅度，封装结构会向下凹陷，产生翘曲。而如果采用图2c所示的封装模具来进行封装，封装完成后，封装结构可以形成向上弯曲的预形变。之后，在降温的过程中，封装结构会向下发生形变，因而封装结构的预形变将逐渐减小，使得封装结构最终趋于平整，从而减小了翘曲。因此，采用图2c所示的封装模具对芯片进行封装时，封装结构的预先形变能够抵消掉一部分由于热失配造成的翘曲，最终减小了翘曲。

此外，为了最终减小封装结构的翘曲，使冷却后的封装结构趋于平整，可以将封装模具配置为：基板与封装层的热膨胀系数的差异越大，下表面101a形成的曲面和上表面102a形成的曲面的曲率越大。反之，所述差异越小，所述曲率越小。可以理解，如果二者的热膨胀系数差异较大，则会产生较大的翘曲，就需要用较大的预形变来抵消该翘曲。而较大的预形变则意味着封装结构中下表面101a和上表面102a具有较大的曲率。本领域技术人员可以根据基板和封装层的厚度、体积及其热膨胀系数等因素，结合以往封装后产生翘曲的经验来综合地确定该曲率，使得冷却以后得到的封装结构趋于平整。

优选地，在本发明的该实施方式的封装模具中，下表面101a与上表面102a之间的间距可以相等。也就是，该上模具101的下表面101a和该下模具102的上表面102a之间形成的空腔可以是等厚的。采用带有等厚空腔的模具可以制成等厚的封装结构，从而使得封装结构的预形变在厚度上是均匀的。这样，可以确保冷却之后的封装结构在厚度上的均匀性，使得该封装结构便于使用。并且，等厚的空腔还可以使得下表面101a和上表面102a的曲率易于计算。

在进行半导体封装时，通常使得封装结构在结构上最大程度地对称。本发明中，为了在减小翘曲的同时使封装结构更加平整，可以将下表面101a和上表面102a配置成分别沿封装模具的长度方向和宽度方向对称。

接下来，以上模具101的下表面101a为例来描述本发明优选实施方式中结构的对称性。图2a示出了上模具101的三视图。如图2a所示，虚线AA'向两端延伸的方向表示封装模具的长度方向，虚线BB'向两端延伸的方向表示封装模具的宽度方向。可以理解的是，下表面101a沿封装模具的长度方向对称意味着在该下表面101a上，相对于例如虚线AA'的方向相互对称的点的曲率相等。下表面101a沿封装模具的宽度方向对称意味着在该下表面101a上，相对于例如虚线BB'的方向相互对称的点的曲率相等。同样地，下模具102的上表面102a也可以具有上述对称性。

上述优选实施方式中的对称性使得上模具101与下模具102之间的空腔形状最大程度地对称，进而使封装结构的预形变最大程度地对称。这样可以降低对由于结构不对称而引起的不对称曲翘进行抵消的难度，从而使得封装结构更加平整。

以上详细描述了本发明的一种实施方式的封装模具，该封装模具的上模具101与下模具102之间的空腔为向上弯曲的形状。可替换地，在本发明的另一实施方式的封装模具中，该空腔可以形成为向下弯曲的形状。以下详细描述这一替换实施方式的封装模具。

图3a-图3c是根据本发明的另一实施方式的封装模具的示意图。本发明的另一实施方式的封装模具可以包括上模具101(如图3a所示)和下模具102(如图3b所示)。其中，上模具101的下表面101a和下模具102的上表面102a是具有一定曲率的曲面。如图3c所示，该上模具101的下表面101a和该下模具102的上表面102a可以形成为凹凸配合的曲面。在如图3c所示的本发明的另一实施方式中，下模具102的上表面102a可以形成为向下凹进的曲面，而上模具101的下表面101a可以形成为向下凸起的曲面。这样，当所述上模具101与所述下模具102接合以后，该上模具101的下表面101a和该下模具102的上表面102a之间可以形成一弯曲(具体为向下弯曲)的空腔。

与图2c中的实施方式正好相反，图3c所示的本发明另一实施方式的封装模具可应用于基板的热膨胀系数大于封装层的热膨胀系数的情况。当基板的热膨胀系数大于封装层的热膨胀系数时，如果使用图1a-图1c所示的传统封装模具，封装完成并降温后，由于基板收缩的幅度大于封装层收缩的幅度，封装结构会向上凸起，产生翘曲。而如果采用图3c所示的封装模具来进行封装，封装完成后，封装结构可以形成向下弯曲的预形变。之后，在降温的过程中，封装结构会向上发生形变，因而封装结构的预形变将逐渐减小，使得封装结构最终趋于平整，从而减小了翘曲。因此，采用图3c所示的封装模具对芯片进行封装时，封装结构的预先形变能够抵消掉一部分由于热失配造成的翘曲，最终减小了翘曲。

关于图3c所示的实施方式中的优选特征，可以与上述图2c所示的实施方式的优选特征相同。例如，基板与封装层的热膨胀系数的差异越大，下表面101a形成的曲面和上表面102a形成的曲面的曲率越大；反之，所述差异越小，所述曲率越小。下表面101a与上表面102a之间的间距可以相等；以及下表面101a和上表面102a可以分别沿封装模具的长度方向和宽度方向对称，此处便不再赘述。

以上详细描述了本发明两种实施方式的封装模具。由于在半导体封装的时候，各种情况下所需要的基板、封装层、芯片数量、种类、大小都不尽相同，所以为了减小翘曲，不同半导体的封装可能需要不同曲面形状的封装模具。针对这种情况，本发明提供另一种封装模具来满足各种情况的需求，如下所述。

图4a和图4b是根据本发明的又一实施方式的封装模具的示意图。如图4a所示，上模具101可以包括第一组块1011和第一框架1012，该第一框架1012上形成有第一凹槽1012a，第一组块1011被可拆卸地嵌入在第一凹槽1012a中，第一组块1011被暴露的表面形成为上模具101的下表面101a。其中，该第一框架1012的凹槽可以具有合适的深度，以便嵌入第一组块1011。

在该实施方式中，将上模具101分成了相互匹配(即，第一组块1011能够被恰好地嵌入第一凹槽1012a中)的第一组块1011和第一框架1012这两个部分，特别是，可以将第一组块1011设计为可拆卸的。在这种情况下，封装模具的上模具101可以被配置为由第一框架1012和与其匹配的一系列第一组块1011组成，其中，所述一系列第一组块1011的被暴露的表面可以具有不同的曲率。这样，在对不同的半导体进行封装时，可以根据封装层和基板的实际膨胀系数，只对第一组块1011进行更换，选取具有合适曲率的第一组块1011，而保留第一框架1012。使用这种可替换其第一组块1011的上模具101，可以在减小翘曲的同时节约模具的用料。

同样地，如图4b所示，下模具102也可以包括第二组块1021和第二框架1022，该第二框架1022上形成有第二凹槽1022a，第二组块1021被可拆卸地嵌入在第二凹槽1022a中，第二组块1021被暴露的表面形成为下模具102的上表面102a。

在该实施方式中，将下模具102分成了相互匹配(即，第二组块1021能够被恰好地嵌入第二凹槽1022a中)的第二组块1021和第二框架1022这两个部分，特别是，可以将第二组块1021设计为可拆卸的。在这种情况下，封装模具的下模具102可以被配置为由第二框架1022和与其匹配的一系列第二组块1021组成，其中，所述一系列第二组块1021的被暴露的表面可以具有不同的曲率。这样，在对不同的半导体进行封装时，可以根据封装层和基板的实际热膨胀系数，只对第二组块1021进行更换，选取具有合适曲率的第二组块1021，而保留第二框架1022。使用这种可替换其第二组块1021的下模具102，可以在减小翘曲的同时节约模具的用料。

可以理解的是，在本发明提供的封装模具中，可以将上模具101和下模具102均配置成具有相互匹配的组块和框架的结构(分别如图4a和图4b所示)。由此，不仅可以节约模具的用料，还可以使得封装模具具有更好的灵活性，使用起来更加方便。

本发明还提供一种利用本发明提供的半导体封装模具进行半导体封装的方法。图5是根据本发明的实施方式的半导体封装方法的流程图。具体地，该半导体封装方法包括以下步骤：

步骤S501，在基板上布置至少一个芯片，并将所述至少一个芯片与基板电连接。该步骤中，例如可以根据传统的倒装键合或引线键合的方式来实现至少一个芯片与该基板之间的电连接。

接下来，步骤S502，将所述基板贴合在所述封装模具的下模具102的上表面102a上。可以采用例如真空吸附的方法来将基板贴合在封装模具的下模具102的上表面102a上。

接下来，步骤S503，将所述封装模具的上模具101倒扣在所述下模具102之上。

最后，步骤S504，在所述上模具101的下表面101a与所述下模具102的上表面102a之间注塑封装层，以对所述至少一个芯片进行封装。

此外，该方法还可以包括：在步骤S502之前，根据所述基板与所述封装层的热膨胀系数的差异，选择合适的封装模具。例如，在所述基板的热膨胀系数小于所述封装层的热膨胀系数的情况下，可以选择以下结构的封装模具：所述上模具101的下表面101a形成为向上凹进的曲面，以及所述下模具102的上表面102a形成为向上凸起的曲面。而在所述基板的热膨胀系数大于所述封装层的热膨胀系数的情况下，可以选择以下结构的封装模具：所述上模具101的下表面101a形成为向下凸起的曲面，以及所述下模具102的上表面102a形成为向下凹进的曲面。

如上所述，按照该方法对半导体进行封装可以减小由于热失配造成的翘曲。

本发明还提供一种使用上述方法制成的半导体封装结构。

综上所述，上述技术方案中，将封装模具的上模具101的下表面101a和下模具102的上表面102a配置为凹凸配合的曲面，使得当上模具101和下模具102接合时，中间部分可以形成为弯曲的空腔。封装模具的这种结构使得封装在其中的封装结构能够产生向上或向下弯曲的预形变。在降温过程中，由于基板和封装层的热膨胀系数不同而使得封装结构的预形变逐渐减小，最终趋于平整。这样，可以在目前还没有研究出热膨胀系数基本匹配的封装层与基板的情况下，有效减小由于热膨胀系数上的差异引起的翘曲，从而防止芯片断裂，提高封装结构的可靠性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种半导体封装模具，该封装模具包括下模具(102)和倒扣在该下模具(102)上的上模具(101)，其特征在于，所述上模具(101)的下表面(101a)和所述下模具(102)的上表面(102a)形成为凹凸匹配的曲面；

其中，在所述下模具(102)的上表面(102a)上贴合有带有芯片的基板，以及在该上表面(102a)与所述上模具(101)的下表面(101a)之间容纳有用于对该芯片进行封装的封装层；以及

在所述基板的热膨胀系数小于所述封装层的热膨胀系数的情况下，所述下表面(101a)形成为向上凹进的曲面，以及所述上表面(102a)形成为向上凸起的曲面；

在所述基板的热膨胀系数大于所述封装层的热膨胀系数的情况下，所述下表面(101a)形成为向下凸起的曲面，以及所述上表面(102a)形成为向下凹进的曲面。

2.根据权利要求1所述的封装模具，其特征在于，

所述基板与所述封装层的热膨胀系数的差异越大，所述下表面(101a)形成的曲面和所述上表面(102a)形成的曲面的曲率越大；以及

所述基板与所述封装层的热膨胀系数的差异越小，所述下表面(101a)形成的曲面和所述上表面(102a)形成的曲面的曲率越小。

3.根据权利要求1所述的封装模具，其特征在于，所述下表面(101a)与所述上表面(102a)之间的间距相等。

4.根据权利要求1所述的封装模具，其特征在于，所述下表面(101a)和所述上表面(102a)分别沿所述封装模具的长度方向和宽度方向对称。

5.根据权利要求1所述的封装模具，其特征在于，所述上模具(101)包括第一组块(1011)和第一框架(1012)，所述第一框架(1012)上形成有第一凹槽(1012a)，所述第一组块(1011)被可拆卸地嵌入在该第一凹槽(1012a)中，所述第一组块(1011)被暴露的表面形成为所述上模具(101)的所述下表面(101a)。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的封装模具，其特征在于，所述下模具(102)包括第二组块(1021)和第二框架(1022)，所述第二框架(1022)上形成有第二凹槽(1022a)，所述第二组块(1021)被可拆卸地嵌入在该第二凹槽(1022a)中，所述第二组块(1021)被暴露的表面形成为所述下模具(102)的所述上表面(102a)。

7.一种利用权利要求1-6中任一权利要求所述的半导体封装模具进行半导体封装的方法，该方法包括：

在基板上布置至少一个芯片，并将所述至少一个芯片与所述基板电连接；

将所述基板贴合在所述封装模具的下模具(102)的上表面(102a)上；

将所述封装模具的上模具(101)倒扣在所述下模具(102)之上；以及

在所述上模具(101)的下表面(101a)与所述下模具(102)的上表面(102a)之间注塑封装层，以对所述至少一个芯片进行封装。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在将所述基板贴合在所述封装模具的下模具(102)的上表面(102a)上之前，根据所述基板与所述封装层的热膨胀系数的差异，选择合适的封装模具。

9.一种使用权利要求7或8所述的方法制成的半导体封装结构。