CN106328607B - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体器件及其制造方法。本发明提供一种半导体器件，其中绝缘材料层不包含诸如玻璃布或无纺布的增强纤维，并且所述半导体器件使得金属薄膜布线层能够小型化，能够减小金属过孔的直径并且减小层间厚度。所述半导体器件包括绝缘材料层和翘曲调整层，所述绝缘材料层包括使用不包含增强纤维的绝缘材料密封的一个或多个半导体元件、多个金属薄膜布线层、以及将所述金属薄膜布线层电连接在一起并且将所述半导体元件的电极与所述金属薄膜布线层电连接在一起的金属过孔，所述翘曲调整层被设置在所述绝缘材料层的一个主表面上以抵消所述绝缘材料层的翘曲而减小所述半导体器件的翘曲。

Description

半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体器件和制造该半导体器件的方法，特别地，涉及具有面板级扇出封装(Panel scale Fan-out package)结构的半导体器件以及制造该半导体器件的方法，在该面板级扇出封装结构中，以大的面板尺度执行薄膜布线步骤和组装步骤。
背景技术
随着近年来对电子设备的高功能性和小型化的需求，电子组件(component)日益高密度集成化且以日益高的密度安装。由此，用在电子设备中的半导体器件已在尺寸上比以往减小。
在诸如LSI单元和IC模块的特定类型的半导体器件中，如图8所示，集成电路芯片30被掩埋在内层基板8和预浸渍片(prepreg)40中的开口中的热固性绝缘树脂层43中(公开号为2010-251688的日本专利)。然而，在半导体元件被掩埋在绝缘材料层中的常规类型的半导体器件中，为了防止产品可能的翘曲(warpage)或者在制造工艺期间可能的翘曲以及为了实现产品强度的增强，通过使用诸如环氧树脂的热固性树脂浸渍增强纤维并且固化所产生的增强纤维而形成的刚性复合材料(在下文中有时称之为“预浸渍片”)被用于绝缘材料层的至少一部分。
然而，当预浸渍片被用作层间绝缘材料时，从可加工性和质量的观点，不仅预浸渍片难于薄化，而且金属过孔(metal via)和金属薄膜布线难于小型化。结果，绝缘材料层需要以多层的形式形成，不利地阻止半导体器件在尺寸和厚度上的减小。
如图9所示，在公开号为2010-219489的日本专利中描述的半导体器件包括由树脂固化部件或金属组成的支撑板1。半导体芯片2以半导体芯片2的元件电路表面(前表面)朝上的方式被设置在支撑板1的一个主表面上。使用粘结剂3将半导体芯片2的与元件电路表面相反的表面(背表面)固定到支撑板1。单个绝缘材料层4在支撑板1的整个主表面上形成以覆盖半导体芯片2的元件电路表面。在单个绝缘材料层4上，形成诸如铜的导电金属的布线层5，并且形成导电部6，该导电部6将半导体芯片2的电极衬垫电连接到布线层5。该器件显著地有助于日益高地被要求的电子组件密度的增加和电子组件的重量、厚度和长度的减小。
在此半导体器件20中，支撑板1为通过固化绝缘树脂而形成的树脂固化部件或者由诸如不锈钢或42合金的金属形成的并且具有均一厚度的平板。支撑板1被集成到半导体器件中。由此，作为最终产品的半导体器件为厚的，这使得半导体器件的轮廓的进一步减小(厚度的减小)变得困难。
发明内容
1.本发明要解决的问题
本发明的目的为提供这样的半导体器件：在该半导体器件中，绝缘材料层不包含诸如玻璃布或无纺布的增强纤维，并且该半导体器件能够使金属薄膜布线层小型化，减小金属过孔的直径，并且减小层间层间(interlayer)厚度。
2.解决问题的手段
作为认真研究的结果，发明人已通过下面的发现完成了本发明：在包括如下绝缘材料层的半导体器件中，可以通过在该绝缘材料层的一个主表面上设置翘曲调整层以允许通过该翘曲调整层的翘曲抵消绝缘材料层的翘曲而减小半导体器件的翘曲：该绝缘材料层包括使用不包含增强纤维的绝缘材料密封的一个或多个半导体元件、多个金属薄膜布线层、以及将金属薄膜布线层电连接在一起并且将半导体元件的电极与金属薄膜布线层电连接在一起的金属过孔。
也就是，本发明为如下面所描述的。
(1)一种半导体器件，包括：
绝缘材料层，其包括使用不包含增强纤维的绝缘材料密封的一个或多个半导体元件、多个金属薄膜布线层、以及将所述金属薄膜布线层电连接在一起并且将所述半导体元件的电极与所述金属薄膜布线层电连接在一起的金属过孔；以及
翘曲调整层，其被设置在所述绝缘材料层的一个主表面上以抵消所述绝缘材料层的翘曲而减小所述半导体器件的翘曲。
(2)在(1)中所述的半导体器件，其中所述半导体元件通过粘结剂而被安装在其上安装有外部端子的所述绝缘材料层的所述表面的背侧上，所述半导体元件被安装为使得所述半导体元件的元件电路表面朝上。
(3)在(1)或(2)中所述的半导体器件，其中所述翘曲调整层为由绝缘树脂制成的层。
(4)在(1)或(2)中所述的半导体器件，其中所述翘曲调整层由被安装在内部电极上的一个或多个电子组件以及密封所述电子组件的绝缘树脂形成，所述内部电极被设置在所述绝缘材料层的最外层中。
(5)在(4)中所述的半导体器件，其中在所述绝缘材料层与所述电子组件之间形成的间隙被密封所述电子组件的所述绝缘树脂填充。
(6)在(1)至(5)任一项中所述的半导体器件，其中处于30ppm/℃或更小的所述绝缘树脂的热膨胀系数(α1)为用于所述绝缘材料层的层间绝缘材料的热膨胀系数(α1)的0.8至1.5倍，并且所述绝缘树脂和所述层间绝缘材料具有150℃或更高的玻璃转化点(DMA法)。
(7)在(4)或(5)中所述的半导体器件，其中所述半导体元件的所述电极位于用于所述电子组件的安装表面的对面。
(8)在(1)至(7)任一项中所述的半导体器件，其中所述半导体元件上方和下方的绝缘材料层的数目均为一个或多个。
(9)在(1)至(8)任一项中所述的半导体器件，其中所述半导体元件中的一个被安装在任何层表面上。
(10)在(1)至(8)任一项中所述的半导体器件，其中多个所述半导体元件被安装在任何相同的层表面上或者在任何不同的层表面上或者使用二者的组合。
(11)在(1)至(10)任一项中所述的半导体器件，其中所述外部电极和在同一表面上的所述金属薄膜布线层的导体的侧表面被掩埋在所述绝缘材料层中。
(12)一种用于制造在(1)中所述的半导体器件的方法，所述方法包括：
在支撑板的前表面上形成包括外部电极的金属薄膜布线层的步骤；
在包括所述外部电极的所述金属薄膜布线层上层叠不包含增强纤维的第一层间绝缘材料以形成第一绝缘材料层的步骤；
通过粘结剂将半导体元件安装在所述第一绝缘材料层上以使得具有电极的元件电路表面朝上的步骤；
使用不包含增强纤维的第二层间绝缘材料密封所述半导体元件及其周边的步骤；
在所述第二层间绝缘材料中形成金属过孔用的孔(metal via hole)的步骤，所述金属过孔用的孔到达包括所述外部电极的所述金属薄膜布线层和所述半导体元件的所述电极；
在所述第二层间绝缘材料上形成金属薄膜布线层和金属过孔的步骤；
通过重复形成所述第二层间绝缘材料、形成所述孔、以及形成所述金属薄膜布线层和所述金属过孔的步骤，形成第二绝缘材料层的步骤；
在所述第二绝缘材料层上形成由绝缘树脂制成的翘曲调整层的步骤；以及
从所述第一绝缘材料层剥离所述支撑板以使包括所述外部电极的所述金属薄膜布线层的表面暴露的步骤，
所述翘曲调整层具有抵消所述第一绝缘材料层和所述第二绝缘材料层的翘曲以减小所述半导体器件的翘曲的物理特性。
(13)一种用于制造在(4)中所述的半导体器件的方法，所述方法包括：
在支撑板的前表面上形成包括外部电极的金属薄膜布线层的步骤；
在包括所述外部电极的所述金属薄膜布线层上层叠不包含增强纤维的第一层间绝缘材料以形成第一绝缘材料层的步骤；
通过粘结剂将半导体元件安装在所述第一绝缘材料层上以使得具有电极的元件电路表面朝上的步骤；
使用不包含增强纤维的第二层间绝缘材料密封所述半导体元件及其周边的步骤；
在所述第二层间绝缘材料中形成金属过孔用的孔(metal via hole)的步骤，所述金属过孔用的孔到达包括所述外部电极的所述金属薄膜布线层和所述半导体元件的所述电极；
在所述第二层间绝缘材料上形成金属薄膜布线层和金属过孔的步骤；
通过重复形成所述第二层间绝缘材料、形成所述孔、以及形成所述金属薄膜布线层和所述金属过孔的步骤，形成第二绝缘材料层的步骤；
在所述第二绝缘材料层上形成阻焊层并且安装电子组件的步骤；
使用绝缘树脂密封所述电子组件以形成翘曲调整层的步骤；以及
从所述第一绝缘材料层剥离所述支撑板以使包括所述外部电极的所述金属薄膜布线层的第一表面暴露的步骤，
所述翘曲调整层具有抵消所述第一绝缘材料层和所述第二绝缘材料层的翘曲以减小所述半导体器件的翘曲的物理特性。
本发明中的半导体器件可以发挥以下效果。
-绝缘材料层不包含增强纤维，这能够使得金属薄膜布线层小型化，并且能够减小金属过孔的直径和层间层间厚度。所得到的高密度布线和所得到的层数目的减小转而能够减小半导体器件的尺寸和厚度。
-半导体器件不具有支撑板或预浸渍片,但具有翘曲调整层，抑制了可能的翘曲。
-可以使半导体元件与电子组件之间的布线长度最小化，能够提高电学特性。
-可以在任何数目的层的表面上安装半导体元件，提高了布线设计的自由度，并且使与作为翘曲对策的残余铜率等平衡的设计成为可能。
-因为外部电极的侧表面被掩埋在绝缘材料层中，外部电极具有增大的粘结强度，提高了抗冲击性和二次安装可靠性。这能够避免由在表面处理期间施加到外部电极的过多镀层导致的相邻外部端子间的可能的短路。
附图说明
图1为示出在本发明的第一实施例中的半导体器件的图。
图2为示出图1示的半导体器件中的外部电极的截面的图。
图3A为示出在本发明的第二实施例中的半导体器件的图。
图3B为示出在本发明的第二实施例中的半导体器件的图。
图4为示出在本发明的第三实施例中的半导体器件的图。
图5A至5F为示例出在本发明的第一实施例中的半导体器件的制造工艺的图。
图5G至5J为示例出在本发明的第一实施例中的半导体器件的制造工艺的图。
图6为示例出在图5A至5J中的半导体器件的制造工艺期间防止具有铜箔载体的非常薄的铜箔的剥离的预防措施的例子的面板截面图。
图7为示例出在图5A至5J中的半导体器件的制造工艺期间防止具有铜箔载体的非常薄的铜箔的剥离的预防措施的例子的面板截面图。
图8为示出常规半导体器件的截面结构的图。
图9为示出常规半导体器件的截面结构的图。
图10为示例出在常规半导体器件中由RF电路产生的磁通量的作用的图。
具体实施方式
将描述实施本发明的形式。下面将基于附图描述实施例。然而，这些附图是为了示例而提供的，本发明不限于这些附图。
如上所述，常规半导体器件为了例如防止翘曲而在包括半导体元件的绝缘材料层中具有刚性预浸渍片或者在其中层叠的刚性支撑板。与此相反，本发明中的半导体器件的特征在于，在没有任何支撑部件并且没有在包括半导体元件的绝缘材料层中的任何增强材料的情况下防止半导体器件的翘曲
下面将详细地描述在本发明中用于防止半导体器件的翘曲的手段。
本发明中的半导体器件具有被密封在不包含诸如玻璃布或无纺布的增强纤维的绝缘材料层中的一个或多个半导体元件，并且包括伴随该绝缘材料层的金属薄膜布线层以及将任何金属薄膜布线层电连接在一起且将半导体元件的电极与金属薄膜布线层电连接在一起的金属过孔。术语“金属薄膜布线层”为用于在电路形成工艺(除金属过孔之外)中获得的导体图案的通用术语，包括信号电路、用于电源/接地的固体图案(solid pattern)、电极等全部。
绝缘材料层依赖于形成该绝缘材料层的绝缘材料的类型、半导体元件的设置、半导体器件所占体积、铜箔部分的面积比(残余铜率)等而呈现一定的翘曲。
由此，在本发明中，在绝缘材料层的一个主表面上，在与绝缘材料层的翘曲方向相反的方向上翘曲的层(在下文中称为“翘曲调整层”)被设置为以抵消绝缘材料层的翘曲，由此减小半导体器件的翘曲。
翘曲调整层为由于绝缘材料层与翘曲调整层之间的热膨胀系数失配而翘曲的层。翘曲调整层可以为由单一材料形成的层或者包含电子组件的层。
具体地，翘曲调整层优选地为绝缘树脂的层或者包括一个或多个电子组件和密封该一个或多个电子组件的绝缘树脂的层。
半导体器件的翘曲由绝缘材料层的翘曲和翘曲调整层的翘曲确定。由此，例如，当特定绝缘树脂的层被选择作为翘曲调整层时，可以通过设计形成该绝缘材料层的绝缘材料的类型、半导体元件的设置、半导体元件器件的体积分数、铜箔部分的面积比(残余铜率)等调整翘曲绝缘材料层的翘曲以减小半导体器件的翘曲。
当将包括电子组件和绝缘树脂的层用作翘曲调整层时，可以将绝缘树脂的类型、电子组件的设置和体积分数等设计为使得绝缘材料层的翘曲被抵消。
此外，绝缘材料层和翘曲调整层两者可以分别被设计以允许绝缘材料层的翘曲和翘曲调整层的翘曲彼此抵消。
本发明中的半导体器件不包括支撑板。对于近来的LSI，作为内部安装元件，除了诸如MOS晶体管和双极晶体管的有源元件之外，还形成诸如电阻器、电容器、以及电感器的无源元件已变得更重要。
当激活半导体器件时，如图10所示，电流在电感器23中流动。
当电流在电感器23中流动时，产生如图中箭头所示的磁通量(磁场)M。
当产生的磁通量M进入Si基板21时，因为Si为半导体，在Si基板21中产生如箭头所示的第一涡电流C1，并且发生第一功率损失。
此外，在金属平板1中也产生磁通量M，从而产生第二涡电流C2，并且发生第二功率损失。
当半导体芯片2为薄的时，金属平板1靠近电感器23，涡电流易于在金属平板1中产生，并且功率损失增加。在具有以大的面板尺寸执行薄膜布线步骤和组装步骤的面板级扇出封装结构的半导体器件中，半导体芯片2的厚度为薄的50μm，并且由此易于产生涡电流。
如上所述，通过由电感器23产生的磁通量M，在Si基板21和金属平板1中产生涡电流C1和C2，功率损失增加，并且表示电感器的特性的Q值与不使用金属平板作为支撑的半导体器件相比减小。
Q值为电感器的性能指标，表示在电感器中产生的功率损失的程度。较大的Q值意味着电感器的较小的功率损失，因此该电感器具有较高的性能。Q值的增加对于提高处理高频信号的集成电路(RFIC)的性能非常重要。在诸如特别需要低功率消耗的手机的设备中，功率消耗可以通过稍微提高电感器的Q值而显著地降低，由此，需要具有高Q值的高性能电感器。
(第一实施例)
图1为描述根据本发明的第一实施例的半导体器件100的结构截面图。
半导体器件100具有位于该半导体器件100的一侧上的第一绝缘材料层101。
第一绝缘材料层101设置有外部电极102a。半导体元件107a和107b通过粘结剂104而被安装在其上安装有外部电极102a的第一绝缘材料层101的安装表面103的背侧上，半导体元件107a和107b被安装为使得元件电路表面105和被设置在元件电路表面105中的电极106朝上。
半导体元件107a和107b及其周边被第二绝缘材料层108密封。
由铜或铜合金形成的金属薄膜布线层102被设置在第一绝缘材料层101和第二绝缘材料层108上和/或中。
金属过孔109将金属薄膜布线层102的任何布线层电连接在一起，并且将金属薄膜布线层102与半导体元件107a和107b的电极106电连接在一起。
阻焊层110和内部电极102b被设置在第二绝缘材料层108上。电子组件112a和112b通过焊接材料111而被安装在相应的内部电极102b上。电子组件112a和112b被绝缘树脂113密封。
在金属薄膜布线层102、设置在第一绝缘材料层101中的外部电极102a、半导体元件107a和107b中的电极106、金属过孔109、设置在第二绝缘材料层108上的内部电极102b、以及安装在内部电极102b上的电子组件112a和112b之间建立电连接。
第一绝缘材料层101被形成为单侧单层基板，该基板包括金属薄膜布线层102，该金属薄膜布线层102具有位于第一层间绝缘材料114a的一侧上的外部电极102a。作为第一层间绝缘材料114a，使用不包含诸如玻璃布或无纺布的热固性树脂。这能够使得所伴随的金属薄膜布线层102小型化，并且能够减小金属过孔109的直径和层间厚度。所得到的高密度布线和所得到的层数目的减小转而能够减小半导体器件的尺寸和厚度。
如图2所示，外部电极102a和在同一层表面上的金属薄膜布线层102的导体侧表面被完全掩埋在第一绝缘材料层101中。这增大导体的接触面积，由此增大外部电极102a的粘结强度，从而提高了抗冲击性和二次安装可靠性。此外，当对外部电极102a施加无电镍-金镀层等作为表面处理时，可以减小由过厚镀层导致的短路的可能性。
第一绝缘材料层101不限于单侧单层基板，但为了优化布线设计或结构设计，第一绝缘材料层101可以为金属单层基板、双侧基板、或多层基板。当使用金属单层基板或双侧基板代替第一绝缘材料层101时，半导体元件107a和107b通过粘结剂104而被安装在金属薄膜布线层102上。即使当使用多层基板时，配置不限于安装在第一层间绝缘材料114a上，但半导体元件107a和107b可以通过粘结剂104而被安装在金属薄膜布线层102上。此时，使用具有高热导率的材料作为粘结剂104能够便于半导体器件100的散热设计。
通过在与外部电极102a的层表面相同的层表面上设置铜固体图案并且通过金属薄膜布线层102和金属过孔109将铜固体图案连接到半导体元件107a和107b的电极106而发挥较高的散热效果。半导体元件107a和107b被设置以使得其电极106位于用于电子组件112a和112b的安装表面的对面。由此，半导体元件107a和107b可以以最短的距离被连接到电子组件112a和112b，能够提高电学特性。
与第一绝缘材料层101相似地，密封半导体元件107a和107b的第二绝缘材料层108包括由不包含诸如玻璃布和无纺布的增强纤维的热固性树脂形成的第二层间绝缘材料114b和金属薄膜布线层102。第二绝缘材料层108中的多个层是通过按顺序层叠第二层间绝缘材料114b和金属薄膜布线层102而形成的。如上所述，第一绝缘材料层101的数目可以自由地改变，并且针对第二绝缘材料层108执行按顺序的层叠。由此，任何数目的半导体元件可以被安装在任何一个或多个层表面上。结果，半导体元件可以被安装在任何数目的层的表面上，这增加了布线设计的自由度，并且使与作为翘曲对策的残余铜率等平衡的设计成为可能。
在本实施例的图1中，阻焊层110仅在第二绝缘材料层108中的内部电极102b侧形成。然而，本发明不限于此。阻焊层110也可以在包括外部电极102a的第一绝缘材料层101中的金属薄膜布线层102侧形成。外部电极102a可以被形成为具有SMD(阻焊层限定(SolderMask Defined))结构，能够使外部电极102a的粘结强度进一步增加。当BGA球被安装时，阻焊层的侧壁用作能够防止BGA球脱落的支撑部件。
电子组件112a和112b为被包括在翘曲调整层123中的部件并且旨在抑制在制造工艺期间流动品和成品的初始翘曲以及在产品的实际使用期间的翘曲。为了方便起见，图1示出了相同类型的两个电子组件通过焊接被安装的形式。由此，组件的数目和组件的类型被确定以将在安装表面中的电子组件的比率设定为25％或更高。不论是无源组件、有源组件、机械组件还是其他组件，可以将不同电子组件混合在一起。此外，安装方法可以为金-金超声波接合、金凸点(gold bump)压力接触、导电粒子压力接合、导电粘结剂接合等。
密封电子组件112a和112b的绝缘树脂113是形成翘曲调整层123的部件，并且旨在抑制在制造工艺期间流动品和成品的初始翘曲以及在产品的实际使用期间的翘曲。绝缘树脂113可以为热固性树脂或可光显影型光固化+热固性树脂，或者可以为用于半导体的密封树脂或者例如层间材料片或作为用于印刷电路板的绝缘材料的阻焊材料。处于30ppm/℃或更小的绝缘树脂113的热膨胀系数(α1)被调整为第一层间绝缘材料114a和第二层间绝缘材料114b的热膨胀系数(α1)的0.8至1.5倍。
发明人已发现，在本发明的半导体器件结构中，对于为了维持金属过孔的连接可靠性而需要的层间绝缘材料的热膨胀系数(α1)以及用于由铜或铜合金形成的金属薄膜布线层的热膨胀系数(α1)和金属薄膜布线层的残余铜率的设计区域，基于关于绝缘树脂113的热膨胀系数(α1)的翘曲调整范围是层间绝缘材料的热膨胀系数(α1)的0.8至1.5倍。第一层间绝缘材料114a的热膨胀系数(α1)与第二层间绝缘材料114b的热膨胀系数(α1)相等。
所有材料的玻璃转化点(DMA)为150℃或更高。绝缘树脂113具有35GPa或更小的弹性模量(RT)。这能够使得在制造工艺期间的流产品和成品的初始翘曲以及在产品的实际使用期间的翘曲最小化。为了持续长时间维持可靠性，如图1所示，第二绝缘材料层108与电子组件112a和112b之间的间隙确实地被绝缘树脂113填充。电子组件112a和112b可以被设置为使得电子组件112a和112b的每一者的大约上1/3被暴露，而不是如在图1中所示的被完全掩埋在绝缘树脂113中。这能够有助于减小半导体器件的厚度。
通过实例，图1所示的第一实施例中的半导体器件的产品规格的细节如下。
-产品尺寸(半导体器件100)：5mm×5mm
-半导体元件(107a和107b)
尺寸：2mm×2mm
厚度：50μm(半导体元件107a和107b的尺寸相同)
-金属薄膜布线层(102、102a和102b)
厚度：15μm(对于所有层共同)
残余铜率：65至95％(对于所有层共同)
-层间绝缘材料(114a和114b)
材料：环氧系树脂
物理特性值：玻璃转化点(DMA)172℃
热膨胀系数(α1):23ppm/℃
层间厚度：20μm(对于所有的金属薄膜布线层-金属薄膜布线层、金属薄膜布线层-半导体元件底表面、和半导体元件顶表面-金属薄膜布线层为相同的规格)
-阻焊层(110)
厚度：20μm
-绝缘树脂(113)
材料：环氧系树脂
物理特性值：玻璃转化点(DMA)185℃
热膨胀系数(α1):28ppm/℃
厚度：350μm
(第二实施例)
图3A为根据本发明的第二实施例的半导体器件200的结构截面图。
在第一实施例中，绝缘树脂113以及电子组件112a和112b两者被设置为具有翘曲调整层123的功能。然而，可以仅仅将绝缘树脂113设置为具有此功能。图3B为根据本发明的第二实施例的半导体器件200的平面图。图3B示例出内部电极102b和第二层间绝缘材料114b的周边部分被绝缘树脂113覆盖。
当仅仅将绝缘树脂113用作翘曲调整层123时，阻焊层110可以被省略，并且绝缘树脂113可以被设置为具有阻焊层110的功能。因此，阻焊材料可以被应用于绝缘树脂113。鉴于树脂组件可以被设计为例如提供所需要的物理特性值的容易性，优选地适用不需要光固化机制的热固性树脂。对于热固性树脂，可以形成所需要的阻焊图案，例如通过固化树脂然后对树脂执行激光直接绘图、使用铜膜作为掩膜的激光烧蚀、鼓风(blasting)、或使用铜膜或干膜作为掩膜使用高锰酸盐溶液的蚀刻等。在半导体器件结构中，对外部电极102a和内部电极102b的功能不作限制，可以彼此交换。由此，半导体器件的结构规格可以与顾客的诸如电子组件112a和112b的有无、PoP(层叠封装)结构、或SiP(系统级封装)结构的封装配置兼容。
(第三实施例)
图4是在本发明的第三实施例中的半导体器件300的结构截面图。半导体元件107a通过粘结剂104而被安装在第一绝缘材料层101上。半导体元件107a和107b通过粘结剂104而被安装在第二绝缘材料层108上。在本实施例中，如上所述，任何数目的半导体元件被安装在任何一个或多个层表面上。
图5A至5J是示例出根据本发明的第一实施例的半导体器件的制造方法的工艺截面图。图5A至5J示出通过步骤和重复拼装而被附到面板上的产品单位中的一个。
如图5A所示，将包括铜箔载体121和非常薄的铜箔120的具有铜箔载体的非常薄的铜箔118通过应力缓和层116和粘着层117而被粘到平板115的表面以形成支撑板119。支撑板119使面板为刚性的，并且用于防止在制造工艺流期间的翘曲。
将描述应力缓和层。
一般而言，金属和树脂的热膨胀系数显著不同。由此，在包括作为平板的金属基板的半导体封装的制造工艺中，内部应力由金属基板与密封半导体元件的树脂之间的热膨胀系数差产生。于是密封部件翘曲。
应力缓和层116的作用为减小由平板115与第一层间绝缘材料114a之间的物理特性值之差产生的内部应力(在平板115与第一层间绝缘材料114a之间的界面处产生的应力)。由此，作为应力缓和层116，理想地使用这样的绝缘层：该绝缘层具有比平板115与第一层间绝缘材料114a的弹性模量小的弹性模量。
应力缓和层116形成支撑板119的一部分，并且在制造工艺期间被从第一层间绝缘材料114a剥离。因此，应力缓和层抑制在制造工艺期间的半导体器件的翘曲。在剥离支撑板119之后，抑制半导体器件的翘曲的作用被移交给翘曲调整层123。
具体地，当在相同的温度条件下，平板115被假定具有弹性模量A、应力缓和层116被假定具有弹性模量B、第一层间绝缘材料114a被假定具有弹性模量C时，平板115、应力缓和层116、以及第一层间绝缘材料114a的组合可以被确定以使得A>C>B或C>A>B。
以此方式，应力缓和层116理想地具有低的弹性。例如，应力缓和层116理想地具有例如在大约25℃(室温)的温度区域中的2GPa或更小以及在高于100℃的温度区域中的100MPa或更小的弹性模量。对在各个温度区域中的弹性模量设置上限，因为当超过上限值时，应力缓和层116过硬而降低应力缓和层的功能。
也就是，在室温下，即使当应力缓和层为某种程度的硬的(即使当弹性模量为某种程度的高的)，应力缓和层的功能也是充分有效的。由此，应力缓和层116的弹性模量可以为至少2GPa或更小。另一方面，在高于100℃的温度区域中，例如在热固性树脂的固化温度(大约170℃)附近的温度区域(理想地为高于150℃的温度区域)中，应力缓和层116的弹性模量为100MPa或更小。当在这样的高温区域中弹性模量高于100MPa时，应力缓和层的功能可能为无效的。
应力缓和层的功能的有效性随着弹性模量的减小而增强。然而，过低的弹性模量导致极高的流动性，这妨碍了层形状的保持。因此，弹性模量需要处于在从室温至260℃(回流温度)的温度范围内可以保持层形状的范围内。
如果满足上述弹性模量的关系的绝缘层被用作应力缓和层116，则当在相同的温度条件下，平板115被假定为具有线性膨胀系数a、应力缓和层116被假定为具有线性膨胀系数b、并且第一层间绝缘材料114a被假定为具有线性膨胀系数c时，a≤c<b(或者a≌c<b)成立。
一般而言，金属基板的线性膨胀系数为大约20ppm/℃，第一层间绝缘材料114a的线性膨胀系数为大约数十ppm/℃。由此，对于根据本实施例的半导体器件，使用这样的绝缘层：该绝缘层在200℃或更低的温度区域中的线性膨胀系数为100至200ppm/℃，理想地100至150ppm/℃。设定200℃或更低的温度区域的条件，因为在半导体器件的制造工艺期间的上限温度为大约200℃。200℃或更低的温度区域的条件意味着至少在半导体器件的制造工艺期间线性膨胀系数理想地落在上述范围之内。
此外，作为根据本发明的实施例的半导体器件中的应力缓和层116，理想地使用具有300℃或更高的5％质量减小温度的粘结剂。设定此条件，以防止半导体器件的可靠性因使用其质量即使通过回流工艺也不可能减小的绝缘层(即，耐回流的绝缘层)而降低，因为一般的回流温度为大约260℃。
作为用于指示物质的耐热性的指标的“质量减小温度”为这样的温度：在该温度下，当在使氮气或空气流动的同时少量物质被从室温开始加热时，发生给定质量减小。这里的“质量减小温度”为发生5％质量减小的温度。
此外，作为应力缓和层116，对于平板(由诸如铁合金或铜合金的典型金属材料形成的基板)115和第一层间绝缘材料114a(环氧系树脂、苯酚系树脂、或聚酰亚胺系树脂)二者，理想地使用呈现在JIS横切胶带测试(cross-cut tape test)(以前的JISK5400)中被分类为“类别0”的粘附力的树脂。结果，可以提高平板115与第一层间绝缘材料114a之间的粘附力，能够抑制第一层间绝缘材料114a的剥离。
如上所述，应力缓和层116优选地满足以下至少一项(理想地，所有项)。(1)当在相同的温度条件下，平板115被假定为具有弹性模量A、应力缓和层116被假定具有弹性模量B、第一绝缘材料层101和第二绝缘材料层108被假定具有弹性模量C时，A>C>B或者C>A>B。(2)当在相同的温度条件下，平板115被假定为具有线性膨胀系数a、应力缓和层116被假定具有线性膨胀系数b、第一绝缘材料层101和第二绝缘材料层108被假定具有线性膨胀系数c时，a≤c<b(或者a≌c<b)。
这能够减小由平板115与第一层间绝缘材料114a之间的物理特性值之差产生的内部应力，能够使得平板115与第一层间绝缘材料114a的翘曲可能性最小化。
关于应力缓和层116，参见序列号为2014-125982的日本专利申请(半导体封装及其制造方法)。
平板115可以为树脂固化部件或诸如不锈钢、42合金、铜、或铜合金的金属板。作为平板115的尺寸，印刷电路板的工作尺寸可以为适用的，例如，400mm×500mm或500mm×600mm。与常规的晶片级封装相比，通过制造工艺的大面板的流动提高生产效率并且使成本降低成为可能。具有铜箔载体的非常薄的铜箔118的垂直取向为使得1.5μm至5μm厚度的非常薄的铜箔120朝向产品。具有铜箔载体的非常薄的铜箔118可以为商业可购买的被广泛用于在印刷电路板上的MSAP(改良型半加成工艺)的形成或者用于无芯基板的制造的具有铜箔载体的非常薄的铜箔。
为了防止具有铜箔载体的非常薄的铜箔118在通过制造工艺的流动期间被剥离，如图6所示，具有铜箔载体的非常薄的铜箔118的尺寸可以被设定为比平板115、粘着层117、以及第一层间绝缘材料114a小，以使得铜箔载体121和非常薄的铜箔120的边界端可以被粘着层117和第一层间绝缘材料114a覆盖和保护。
如下面描述的图5I所示，从产品剥离支撑板119。包括铜箔载体121和非常薄的铜箔120的具有铜箔载体的非常薄的铜箔118是形成支撑板119的部件，但是当支撑板119被剥离时，非常薄的铜箔120被留在产品上，然后被蚀刻掉。
当支撑板119被剥离时，通过以图6中虚线A-B切割面板以使铜箔载体121和非常薄的铜箔120的边界端再次暴露，便于剥离。此外，例如，为了提高加工能力，面板可以在制造工艺期间被分割或切割。在这样的情况下，作为防止具有铜箔载体的非常薄的铜箔118的剥离的措施，如图7中所示，对具有铜箔载体的非常薄的铜箔118的位于在厚度方向上向下至铜箔载体121的中间的切割部分(在图7中通过虚线C-D所示)处的部分执行半蚀刻，以在具有铜箔载体的非常薄的铜箔118中形成沟槽122，然后使用第一层间绝缘材料114a填充该沟槽。使用第一层间绝缘材料114a填充能够使第一层间绝缘材料114a覆盖和保护由面板的分割或切割产生的铜箔载体121和非常薄的铜箔120的边界端。当支撑板119被剥离时，通过以图7中虚线E-F和E’-F’切割面板以使铜箔载体121和非常薄的铜箔120的边界端再次暴露，便于剥离。
然后，如图5B所示，通过半加成工艺在非常薄的铜箔120上形成包括外部电极102a的金属薄膜布线层102。本发明不限于半加成工艺。然而，半加成工艺的应用为优选的，因为非常薄的铜箔120可以用作用于铜电镀的种子层并且该工艺适合于电路的小型化。
然后，如图5C所示，在包括外部电极102a的金属薄膜布线层102上层叠第一层间绝缘材料114a以形成第一绝缘材料层101。
然后，如图5D所示，通过粘结剂104将半导体元件107a和107b安装在第一绝缘材料层101上以使得电极106朝上。
然后，如图5E所示，使用第二层间绝缘材料114b密封半导体元件107a和107b及其周边。然后，使用诸如CO2激光加工或UV-YAG激光加工的常规技术对第二层间绝缘材料114b钻孔以形成金属过孔109，该金属过孔109到达包括外部电极102a的金属薄膜布线层102以及半导体元件107a和107b的电极106。
然后，如图5F所示，使用诸如半加成工艺或MSAP工艺的常规技术执行电路形成以在第二层间绝缘材料114b上形成金属薄膜布线层102并同时形成金属过孔109。重复第二层间绝缘材料114b的形成、钻孔和电路形成，以形成第二绝缘材料层108。
然后，如图5G所示，通过光刻形成阻焊层110。使用焊接材料111安装电子组件112a和112b。
然后，如图5H所示，使用诸如转移模制、压缩模制、或注射模制的模制技术来用绝缘树脂113密封电子组件112a和112b，并且热固化绝缘树脂113。然而，密封方法依赖于绝缘树脂113的形式而变化，使用液态树脂的涂覆、树脂片的真空层叠等是适用的。此时，第二绝缘材料层108与电子组件112a和112b之间的间隙被绝缘树脂113完全填充(模塑底部填充)，这确保了半导体器件的长期可靠性。当绝缘树脂被用作翘曲调整层时，例如，使用TMV(穿模过孔(Through Mold Via))以允许到翘曲调整层的电连接，使封装层叠成为可能。然而，当绝缘树脂113被设置具有阻焊层110的功能时，MUF不适用。
然后，如图5I所示，从面板剥离支撑板119。使用过氧化氢和硫酸的混合物、过硫酸盐的水溶液等使非常薄的铜箔120被蚀刻掉，以使包括外部电极102a的金属薄膜布线层102的前表面暴露，如图5J所示。
此时，第一层间绝缘材料114a具有表面粗糙度并且可能包含残余铜，并且可能由此被回蚀刻而从树脂表面凹陷1μm至5μm。
支撑板119的刚性提供功能在工艺期间被移交给绝缘树脂113以及电子组件112a和112b以允许在制造后端工艺期间保持流动品和成品的翘曲特性而不降低。然后，使用刀片等将面板分成片以获得根据第一实施例的半导体器件100。
除了第一绝缘材料层101和第二绝缘材料层108的数目之外，根据本发明的第二实施例和第三实施例的半导体器件的制造方法，在用于制造步骤的要素技术上与根据第一实施例半导体器件的制造方法基本上相同。由此，可以根据需要应用与图5A至5J所示例的制造工艺类似的制造工艺。

Claims (13)

1.一种半导体器件，包括：
第一层，其包括绝缘材料，所述第一层包括
使用不包含增强纤维的所述绝缘材料密封的一个或多个半导体组件，
多个金属薄膜布线层，以及
将所述金属薄膜布线层电连接在一起并且将所述半导体组件的电极与所述金属薄膜布线层电连接在一起的金属过孔；以及
第二层，其包括翘曲调整层，所述翘曲调整层被设置在所述第一层的第一主表面上，以抵消所述第一层的翘曲而减小所述半导体器件的翘曲。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述半导体组件通过粘结剂而被安装在其上安装有外部电极的所述第一层的所述表面的背侧上，所述半导体组件被安装为使得所述半导体组件的组件电路表面朝上。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其中所述翘曲调整层由绝缘树脂制成。
4.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其进一步包括在所述第一层的所述第一主表面上的内部电极，在所述第二层中的一或多个电子组件被安装在所述内部电极上，并且其中所述第二层包括密封所述电子组件的绝缘树脂。
5.根据权利要求4所述的半导体器件，其中在所述第一层与所述电子组件之间的间隙被密封所述电子组件的所述绝缘树脂填充。
6.根据权利要求3所述的半导体器件，其中处于30ppm/℃或更小的所述绝缘树脂的热膨胀系数(α1)为用于所述第一层的层间绝缘材料的热膨胀系数(α1)的0.8至1.5倍，并且所述绝缘树脂和所述层间绝缘材料具有采用DMA法测量的150℃或更高的玻璃转化点。
7.根据权利要求4所述的半导体器件，其中所述半导体组件的所述电极位于用于所述电子组件的安装表面的对面。
8.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其进一步包括在所述第一层上方的一或多个额外绝缘材料层，或在所述第一层下方的一或多个额外绝缘材料层。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述半导体组件中的一个被安装在所述第一层上方的所述一或多个额外绝缘材料层的任一层的表面上，或所述半导体组件中的一个被安装在所述第一层下方的所述一或多个额外绝缘材料层的任一层的表面上。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中所述半导体组件中的二或更多个被安装在相同表面上，或所述半导体组件中的二或更多个被安装在不同表面上。
11.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述外部电极和在所述第一层的与所述外部电极同一表面上的所述金属薄膜布线层的导体的侧表面被掩埋在所述第一层中。
12.一种用于制造根据权利要求1所述的半导体器件的方法，所述方法包括：
在支撑板的前表面上提供包括外部电极的金属薄膜布线层的步骤；
在包括所述外部电极的所述金属薄膜布线层上层叠不包含增强纤维的第一层间绝缘材料以提供第一绝缘材料层的步骤；
通过粘结剂将半导体组件安装在所述第一绝缘材料层上以使得具有电极的组件电路表面朝上的步骤；
使用不包含增强纤维的第二层间绝缘材料密封所述半导体组件及其周边的步骤；
在所述第二层间绝缘材料中提供金属过孔用的孔的步骤，所述金属过孔用的孔在所述金属薄膜布线层和所述外部电极之间以及在所述金属薄膜布线层和所述半导体组件的所述电极之间；
在所述第二层间绝缘材料上提供金属薄膜布线层和金属过孔的步骤；
通过重复提供所述第二层间绝缘材料、提供所述孔、以及提供所述金属薄膜布线层和所述金属过孔的步骤，提供第二绝缘材料层的步骤；
在所述第二绝缘材料层上提供由绝缘树脂制成的翘曲调整层的步骤；以及
从所述第一绝缘材料层剥离所述支撑板以使包括所述外部电极的所述金属薄膜布线层的表面暴露的步骤，
其中所述翘曲调整层具有抵消所述第一绝缘材料层和所述第二绝缘材料层的翘曲以减小所述半导体器件的翘曲的物理特性。
13.一种用于制造根据权利要求4所述的半导体器件的方法，所述方法包括：
在支撑板的前表面上提供包括外部电极的金属薄膜布线层的步骤；
在包括所述外部电极的所述金属薄膜布线层上层叠不包含增强纤维的第一层间绝缘材料以提供第一绝缘材料层的步骤；
通过粘结剂将半导体组件安装在所述第一绝缘材料层上以使得具有电极的组件电路表面朝上的步骤；
使用不包含增强纤维的第二层间绝缘材料密封所述半导体组件及其周边的步骤；
在所述第二层间绝缘材料中提供金属过孔用的孔的步骤，所述金属过孔用的孔在所述金属薄膜布线层和所述外部电极之间以及在所述金属薄膜布线层和所述半导体组件的所述电极之间；
在所述第二层间绝缘材料上提供金属薄膜布线层和金属过孔的步骤；
通过重复提供所述第二层间绝缘材料、提供所述孔、以及提供所述金属薄膜布线层和所述金属过孔的步骤，提供第二绝缘材料层的步骤；
在所述第二绝缘材料层上提供阻焊层并且安装电子组件的步骤；
使用绝缘树脂密封所述电子组件以提供翘曲调整层的步骤；以及
从所述第一绝缘材料层剥离所述支撑板以使包括所述外部电极的所述金属薄膜布线层的前表面暴露的步骤，
其中所述翘曲调整层具有抵消所述第一绝缘材料层和所述第二绝缘材料层的翘曲以减小所述半导体器件的翘曲的物理特性。
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