CN111092062B - 晶片封装结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种晶片封装结构包括线路结构、线路重布结构、导热元件、晶片及散热片。线路结构包括第一线路层。线路重布结构设置于线路结构上，并包括第二线路层，其中线路重布结构具有开口。导热元件设置于线路结构上，并被线路重布结构所覆盖。导热元件具有水平部分及垂直部分。水平部分朝向开口延伸直至超过开口，从而水平部分的一部分被开口所暴露。垂直部分接触水平部分，并向上延伸直至超过线路重布结构的顶表面。晶片设置于开口中，且晶片的底部接触导热元件的水平部分。散热片设置于线路重布结构及晶片之上，并接触晶片及导热元件的垂直部分。在此揭露的晶片封装结构提供良好的散热效果。

Description

晶片封装结构及其制造方法

技术领域

本揭示内容是关于一种晶片封装结构，以及关于一种晶片封装结构的制造方法。

背景技术

随着晶片效能的提升，晶片的功耗也随之增加，使得晶片的废热积存问题更加明显。为了确保晶片的运作顺畅，晶片封装结构通常包括设置于晶片上的散热片。散热片可将晶片积存的废热导出，以避免因废热囤积而产生的损害。

在传统的晶片封装结构中，散热片与晶片之间通常包括其他层，例如封装材料层或用以接合散热片的粘胶材料层。因此，在这种设计中，晶片积存的废热须通过上述其他层才可到达散热片，以至于散热效果不佳。

发明内容

本揭示内容的一态样是提供一种晶片封装结构，包括线路结构、线路重布结构、导热元件、晶片、以及散热片。线路结构包括第一线路层。线路重布结构设置于线路结构上，并包括与第一线路层电性连接的第二线路层，其中线路重布结构具有开口。导热元件设置于线路结构上，并具有水平部分及垂直部分。水平部分具有第一部分嵌置于线路重布结构中，以及第二部分被开口所暴露。垂直部分由水平部分的第一部分向上延伸至超过线路重布结构的顶表面。晶片设置于开口中，并电性连接第一线路层，其中晶片的底部接触导热元件的水平部分的第二部分。散热片设置于线路重布结构及晶片之上，并接触晶片的顶部及导热元件的垂直部分的顶部。

在本揭示内容的一实施方式中，导热元件为L型结构。

在本揭示内容的一实施方式中，散热片是经由超音波熔接制造过程而粘接于晶片的顶部及导热元件的垂直部分的顶部。

在本揭示内容的一实施方式中，导热元件的垂直部分与晶片的侧壁具有<50微米的水平距离。

在本揭示内容的一实施方式中，晶片封装结构进一步包括连接垫，设置于线路重布结构与散热片之间，并接触散热片。连接垫与第二线路层电性连接。

在本揭示内容的一实施方式中，晶片封装结构进一步包括保护材料覆盖晶片的侧壁，并填充线路结构与晶片之间的空隙。

本揭示内容的另一态样是提供一种晶片封装结构的制造方法，包括下列操作：(i)提供前驱结构，其中前驱结构包括：线路结构，包括第一线路层；线路重布前驱结构，设置于线路结构上，并包括与第一线路层电性连接的第二线路层；导热元件，设置于线路结构上，并具有：水平部分，嵌置于线路重布结构中；以及垂直部分，由水平部分向上延伸至超过线路重布前驱结构的顶表面；以及图案化离型膜，设置于线路结构上，并被线路重布前驱结构所覆盖，其中图案化离型膜覆盖导热元件的水平部分的一部分及与第一线路层电性连接的连接垫；(ii)移除图案化离型膜及位于图案化离型膜上方的线路重布前驱结构的一部分，以形开口，其中开口暴露出导热元件的水平部分及连接垫；(iii)设置晶片于开口中，其中晶片电性连接连接垫，且晶片的底部接触导热元件的水平部分；以及(iv)粘接散热片于晶片及导热元件的垂直部分上。

在本揭示内容的一实施方式中，操作(i)包括下列步骤：(v)形成导热元件的水平部分于线路结构上；(vi)形成线路重布前驱结构覆盖导热元件的水平部分；(vii)图案化线路重布前驱结构以形成穿孔暴露出导热元件的水平部分的一部分；以及(viii)形成导热元件的垂直部分于穿孔中。

在本揭示内容的一实施方式中，操作(ii)包括下列步骤：(a)使用激光钻孔制造过程移除位于图案化离型膜的周边的垂直投影方向上的线路重布前驱结构的一部分；以及(b)撕除图案化离型膜及位于图案化离型膜上方的线路重布前驱结构的部分。

在本揭示内容的一实施方式中，操作(iv)是经由超音波熔接制造过程来执行。

借由上述技术方案，本发明至少具有以下优点：本发明的晶片封装结构提供良好的散热效果。提高散热效果。

以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本揭示内容的技术方案提供更进一步的解释。

附图说明

图1A为本揭示内容一实施方式的晶片封装结构的剖面示意图。

图1B为本揭示内容一实施方式的晶片封装结构的晶片与导热元件的俯视示意图。

图1C为本揭示内容一实施方式的晶片封装结构的晶片与导热元件的接触面示意图。

图2～图12为本揭示内容一实施方式的晶片封装结构的制造方法的各个阶段的剖面示意图。

【主要元件符号说明】

10：晶片封装结构 10a：前驱结构

100：保护基板 200：线路结构

211：第一线路层 212：第一介电层

212a：导通孔 213：第一导电接触件

300：线路重布结构 300a：开口

300b：线路重布前驱结构 310、310a：第一线路重布层

311：第二线路层 312、312b、312c、312d：第二介电层

312a：导通孔 313：第二导电接触件

314：连接垫 320、320a：第二线路重布层

321：第三线路层 322、322b、322c、322d：第三介电层

322a：导通孔 323：第三导电接触件

400：导热元件 410：水平部分

420、420″：垂直部分 500：晶片

600：散热片 700：保护材料

800：连接垫 900：防焊层

A1：接触面 RF'：离型膜

RF：图案化离型膜 TH：穿孔

D1：水平距离 D2：水平距离

L1、L2：长度 W1、W2：宽度

具体实施方式

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对了本揭示内容的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本揭示内容具体实施例的唯一形式。以下所揭露的各实施例，在有益的情形下可相互组合或取代，也可在一实施例中附加其他的实施例，而无需进一步的记载或说明。在以下描述中，将详细叙述许多特定细节以使读者能够充分理解以下的实施例。然而，可在无此等特定细节的情况下实践本揭示内容的实施例。

再者，空间相对用语，例如「下方」、「之下」、「上方」、「之上」等，这是为了便于叙述一元件或特征与另一元件或特征之间的相对关系。这些空间上的相对用语的真实意义包含其他的方位。例如，当图式上下翻转180度时，一元件与另一元件之间的关系，可能从「下方」、「之下」变成「上方」、「之上」。此外，本文中所使用的空间上的相对叙述也应作同样的解释。

图1A绘示本揭示内容一实施方式的晶片封装结构10的剖面示意图。请参照图1A，晶片封装结构10包括保护基板100、线路结构200、线路重布结构300、导热元件400、晶片500及散热片600。

在一些实施例中，保护基板100为可挠性基板，例如聚酰亚胺(polyimide，PI)基板。在其他实施例中，保护基板100为刚性基板，例如玻璃基板或塑胶基板。

线路结构200设置于保护基板100上，并包括第一线路层211、第一介电层212及第一导电接触件213。第一线路层211和第一导电接触件213嵌置于第一介电层212中。详细而言，第一线路层211的下表面与第一介电层212的下表面共平面。而第一导电接触件213接触第一线路层211，并且第一导电接触件213的上表面暴露于第一介电层212外。在一些实施例中，第一线路层211包括任何导电材料，例如铜、镍或银等金属。在一些实施例中，第一介电层212包括味之素构成膜(Ajinomoto Build-up Film，ABF)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)或光敏介电材料(photoimageable dielectric，PID)。在一些实施例中，第一导电接触件213可为金属柱，而金属柱例如包括铜、镍或银等导电金属。须说明的是，虽然图1A所绘示的线路结构200仅包括一层线路层(即第一线路层211)，但在其他实施例中，线路结构200可包括两层或两层以上的线路层。

线路重布结构300设置于线路结构200上，并包括第一线路重布层310及设置于第一线路重布层310上的第二线路重布层320。

第一线路重布层310包括第二线路层311、第二介电层312、第二导电接触件313及连接垫314。第二线路层311和第二导电接触件313嵌置于第二介电层312中。详细而言，第二线路层311及连接垫314接触第一导电接触件213的暴露部分，从而第二线路层311及连接垫314与第一线路层211电性连接。第二线路层311的下表面与第二介电层312的下表面共平面。而第二导电接触件313接触第二线路层311，并且第二导电接触件313的上表面暴露于第二介电层312外。在一些实施例中，第二线路层311及连接垫314包括任何导电材料，例如铜、镍或银等金属。在一些实施例中，第二介电层312包括味之素构成膜、聚酰亚胺或光敏介电材料。在一些实施例中，第二导电接触件313可为金属柱，而金属柱例如包括铜、镍或银等导电金属。

第二线路重布层320包括第三线路层321、第三介电层322及第三导电接触件323。第三线路层321和第三导电接触件323嵌置于第三介电层322中。详细而言，第三线路层321接触第二导电接触件313的暴露部分，从而第三线路层321与第二线路层311电性连接。第三线路层321的下表面与第三介电层322的下表面共平面。而第三导电接触件323接触第三线路层321，并且第三导电接触件323的上表面暴露于第三介电层322外。在一些实施例中，第三线路层321包括任何导电材料，例如铜、镍或银等金属。在一些实施例中，第三介电层322包括味之素构成膜、聚酰亚胺或光敏介电材料。在一些实施例中，第三导电接触件323可为金属柱，而金属柱例如包括铜、镍或银等导电金属。

如图1A所示，线路重布结构300具有开口300a。具体地，第一线路重布层310的开口与第二线路重布层320的开口互相连通以形成开口300a，且开口300a暴露出连接垫314。须说明的是，虽然图1A所绘示的线路重布结构300仅包括两层线路层(即第二线路层311及第三线路层321)，但在其他实施例中，线路重布结构300可包括两层以上的线路层。

导热元件400设置于线路结构200上。具体地，导热元件400具有水平部分410及垂直部分420。水平部分410的一部分嵌置于线路重布结构300中，且水平部分410的另一部分被开口300a所暴露。垂直部分420由水平部分410嵌置于线路重布结构300中的该部分向上延伸至超过线路重布结构300的顶表面。在一实施方式中，导热元件400为L型结构。关于导热元件400的材料，可例如为任何导热效果好的材料，例如铜、镍或银等金属。

晶片500设置于开口300a中，并电性连接连接垫314。具体地，晶片500的下表面设置有多个金属凸块(例如晶片接脚)，并且金属凸块经由焊接材料与连接垫314接合，从而晶片500与连接垫314电性连接。如图1A所示，晶片500的底部接触导热元件400的水平部分410的暴露部分，据此提供特定的技术效果，下文将详细叙述。

散热片600设置于线路重布结构300及晶片500之上。具体地，散热片600接触晶片500的顶部。据此，当晶片500运作时，积存的废热可直接通过散热片600导出，避免因废热囤积而产生的损害。在一实施方式中，散热片600是经由超音波熔接制造过程而粘接于晶片500的顶部。在此超音波熔接制造过程中，散热片600的接触面与晶片500的接触面熔融而粘接，从而散热片600与晶片500之间紧密接触，提高了散热效果。

如图1A所示，散热片600还接触导热元件400的垂直部分420的顶部。如前所述，晶片500的底部接触导热元件400的水平部分410的暴露部分提供了特定的技术效果。具体而言，晶片积存的废热可通过导热元件400而从晶片500的底部传导到散热片600，从而增加散热效果。在一实施方式中，散热片600是经由超音波熔接制造过程而粘接于导热元件400的垂直部分420的顶部。在此超音波熔接制造过程中，散热片600的接触面与导热元件400的接触面熔融而粘接，从而散热片600与导热元件400之间紧密接触，提高了散热效果。

在一实施方式中，晶片封装结构10进一步包括保护材料700。具体地，保护材料700覆盖晶片500的侧壁，并填充线路结构200与晶片500之间的空隙。因此，保护材料700可保护晶片500的金属凸块与第二线路层311之间的接合，从而避免剥离的情况发生。另一方面，保护材料700亦可阻隔水气，并且避免金属凸块、焊接材料、以及第二线路层311的氧化。在一些实施例中，保护材料700包括树脂，但不以此为限。

须说明的是，虽然图1A所绘示的晶片封装结构10仅包括两个导热元件400，但应了解到在不同角度的其他视图中，晶片封装结构10可包括多个导热元件400设置于晶片500的周围。举例来说，请同时参照图1B，图1B绘示本揭示内容一实施方式的晶片500与导热元件400的俯视示意图。在图1B的实施方式中，多个导热元件400设置于晶片500的四个侧边，但不以此为限。例如，多个导热元件400可仅设置于晶片500的两个侧边或三个侧边。

导热元件400的水平部分410与晶片500的接触面A1如图1C所示。为了提供良好的散热效果，所有接触面A1的面积总和需≥5％晶片面积。

类似地，为了提供良好的散热效果，导热元件400的垂直部分420与散热片600的接触面具有特定接触面积(如图1B所示)。接触总面积需≥接触面A1的面积总和。

值得一提的是，导热元件400的垂直部分420与晶片500的侧壁具有水平距离D1，且水平距离D1例如是≤50微米。当水平距离D1为≤50微米时，废热可横向地直接穿透其他层(即保护材料700、第二介电层312或第三介电层322)传导到导热元件400，从而提高散热效果。更具体地，晶片500的侧壁与第二介电层312及第三介电层322具有水平距离D2，且水平距离D2<水平距离D1。

在一实施方式中，晶片封装结构10进一步包括连接垫800。具体地，连接垫800设置于线路重布结构300与散热片600之间，并接触散热片600。此外，连接垫800接触第三导电接触件323的暴露部分，从而连接垫800与第三线路层321电性连接。在一些实施例中，连接垫800包括任何导电材料，例如铜、镍或银等金属。

在一实施方式中，晶片封装结构10进一步包括防焊层900。具体地，防焊层900设置于线路重布结构300与散热片600之间，并覆盖连接垫800的侧壁。在一些实施例中防焊层900包括绿漆，但不以此为限。

本揭示内容亦提供一种晶片封装结构10的制造方法。图2～图10绘示本揭示内容一实施方式的晶片封装结构10的制造方法的各个阶段的剖面示意图。

如图2所示，首先，形成第一线路层211于第基板100上。例如，形成导电材料于基板100上，并图案化导电材料以形成第一线路层211。在一些实施例中，形成导电材料的方式包括电镀、化学气相沉积、物理气相沉积等，但不以此为限。接着，形成第一介电层212覆盖第一线路层211，并且第一介电层212包括暴露出第一线路层211的一部分的导通孔212a。例如形成介电材料于第一线路层211上，并图案化介电材料以形成导通孔212a。在一些实施例中，形成介电材料的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积等，但不以此为限。在一些实施例中，图案化导电材料和介电材料的方法包括沉积光阻于待图案化层上，并经过曝光和显影来形成图案化光阻层。接着，使用此图案化光阻层作为蚀刻遮罩来蚀刻待图案化层。最后，移除图案化光阻层。可代替地，在介电材料为光敏介电材料的实施例中，可借由曝光和显影来移除光敏介电材料的一部分以完成图案化。

接下来，形成第二线路层311、连接垫314及导热元件400的水平部分410于第一介电层212上，以及形成第一导电接触件213于导通孔212a中。例如，形成导电材料于第一介电层212上，并填充于导通孔212a中。接着，图案化导电材料以形成第二线路层311、连接垫314、导热元件400的水平部分410及第一导电接触件213。接下来，形成离型膜RF'覆盖第二线路层311、连接垫314、导热元件400的水平部分410及第一介电层212。

如图3所示，接着，对离型膜RF'进行图案化以暴露出第二线路层311的一部分及导热元件400的水平部分410的一部分，从而形成图案化离型膜RF。

如图4所示，接着，形成第二介电层312c覆盖第二线路层311、导热元件400的水平部分410及第一介电层212，并且第二介电层312c包括暴露出第二线路层311的一部分的导通孔312a。接下来，形成第三线路层321于第二介电层312c上，以及形成第二导电接触件313于导通孔312a中。随后，形成第三介电层322c覆盖第三线路层321及第二介电层312c。

如图5所示，对第二介电层312c及第三介电层322c执行图案化制造过程，以形成第二介电层312b及第三介电层322b。具体地，第二介电层312b及第三介电层322b共同具有穿孔TH暴露出导热元件400的水平部分410。第三介电层322b还具有导通孔322a暴露出第三线路层321的一部分。

如图6所示，形成连接垫800于第三介电层322b上、形成第三导电接触件323于导通孔322a中、以及形成导热元件400的垂直部分420于穿孔TH中，从而形成前驱结构10a。例如，形成导电材料于第三介电层322b上，并填充于导通孔322a及穿孔TH中。接着，图案化导电材料以形成连接垫800、第三导电接触件323及导热元件400的垂直部分420。具体地，前驱结构10a包括线路结构200、线路重布前驱结构300b、导热元件400及图案化离型膜RF。

如图7所示，形成防焊层900'于第三介电层322b上，并且防焊层900'覆盖连接垫800的侧壁。

如图8所示，执行激光钻孔制造过程，以移除位于图案化离型膜RF的周边的垂直投影方向上的第二介电层312b的一部分及第三介电层322b的一部分，从而形成第二介电层312、第三介电层322及位于图案化离型膜RF上方的介电层312d、322d。

如图9所示，撕除图案化离型膜RF及位于图案化离型膜RF上方的介电层312d、322d，从而形成开口300a，其中开口300a暴露出连接垫314及导热元件400的水平部分410的一部分。

如图10所示，设置晶片500于开口300a中，使晶片500电性连接连接垫314，且晶片500的底部接触导热元件400的水平部分410的暴露部分。接着，形成保护材料700'覆盖连接垫800、防焊层900'及晶片500的顶表面和侧壁，并填充线路结构200与晶片500之间的空隙。

接下来，对保护材料700'及防焊层900'执行诸如化学机械研磨的平坦化制造过程，以暴露出晶片500的顶部及导热元件400的垂直部分420的顶部。接着，经由超音波熔接制造过程来粘接散热片600于晶片500及导热元件400的垂直部分420上，从而形成图1A所示的晶片封装结构10。

在一些实施例中，导热元件400的垂直部分420可以两段式方式来形成。具体而言，请参照图11～图12。图11接续图3，形成第二介电层312c覆盖第二线路层311、导热元件400的水平部分410及第一介电层212，并且第二介电层312c包括暴露出第二线路层311的一部分及导热元件400的水平部分410的导通孔312a。接下来，形成第三线路层321于第二介电层312c上，以及形成第二导电接触件313及导热元件400的垂直部分420″于导通孔312a中。随后，形成第三介电层322c覆盖第三线路层321、垂直部分420″及第二介电层312c。

如图12所示，对第三介电层322c执行图案化制造过程，以形成第三介电层322b。具体地，第三介电层322b具有穿孔TH暴露出垂直部分420″，且第三介电层322b还具有导通孔322a暴露出第三线路层321的一部分。接下来，形成导电材料于第三介电层322b上，并填充于导通孔322a及穿孔TH中，并图案化导电材料以形成连接垫800、第三导电接触件323及导热元件400的垂直部分420，从而形成如图6所示的前驱结构10a。

由上述发明实施例可知，在此揭露的晶片封装结构中，散热片与晶片的顶部紧密接触，提供良好的散热效果。此外，晶片封装结构还具有与散热片紧密接触的导热元件，使得废热可从晶片底部通过导热元件而传导到散热片，或者横向地穿透其他层而通过导热元件传导到散热片，从而提高散热效果。

虽然本揭示内容已以实施方式揭露如上，但其他实施方式亦有可能。因此，所请权利要求的精神与范围并不限定于此处实施方式所含的叙述。

任何熟习此技艺者可明了，在不脱离本揭示内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本揭示内容的保护范围当视申请专利保护的范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种晶片封装结构，其特征在于，包括：

线路结构，包含基板及第一线路层，其中该基板具有相对的两表面，该第一线路层设置于其中表面上；

线路重布结构，设置于该线路结构上，并包括与该第一线路层电性连接的第二线路层，其中该线路重布结构具有开口；

导热元件，设置于该线路结构上，并具有：

水平部分，具有第一部分嵌置于该线路重布结构中，以及第二部分被该开口所暴露；以及

垂直部分，由该水平部分的该第一部分向上延伸至超过该线路重布结构的顶表面；

晶片，设置于该开口中，其中该晶片具有多个电极垫，且所述电极垫设置于该晶片的底部，并电性连接该第二线路层，其中该晶片的该底部接触该导热元件的该水平部分的该第二部分；以及

散热片，设置于该线路重布结构及该晶片之上，并接触该晶片的顶部及该导热元件的该垂直部分的顶部。

2.根据权利要求1所述的晶片封装结构，其特征在于：其中该导热元件为L型结构。

3.根据权利要求1所述的晶片封装结构，其特征在于：其中该散热片是经由超音波熔接制造过程而粘接于该晶片的该顶部及该导热元件的该垂直部分的该顶部。

4.根据权利要求1所述的晶片封装结构，其特征在于：其中该导热元件的该垂直部分与该晶片的侧壁具有小于50微米的水平距离。

5.根据权利要求1所述的晶片封装结构，其特征在于，进一步包括：

连接垫，设置于该线路重布结构与该散热片之间，并接触该散热片，其中该连接垫与该第二线路层电性连接。

6.根据权利要求1所述的晶片封装结构，其特征在于，进一步包括：

保护材料，覆盖该晶片的侧壁，并填充该线路结构与该晶片之间的空隙。

7.一种晶片封装结构的制造方法，其特征在于，包括下列操作：

(i)提供前驱结构，其中该前驱结构包括：

线路结构，包括第一线路层；

线路重布前驱结构，设置于该线路结构上，并包括与该第一线路层电性连接的第二线路层；

导热元件，设置于该线路结构上，并具有：

水平部分，嵌置于该线路重布前驱结构中；以及

垂直部分，由该水平部分向上延伸至超过该线路重布前驱结构的顶表面；以及

图案化离型膜，设置于该线路结构上，并被该线路重布前驱结构所覆盖，其中该图案化离型膜覆盖该导热元件的该水平部分的一部分及与该第一线路层电性连接的连接垫；

(ii)移除该图案化离型膜及位于该图案化离型膜上方的该线路重布前驱结构的一部分，以形成开口，其中该开口暴露出该导热元件的该水平部分的该部分及该连接垫；

(iii)设置晶片于该开口中，其中该晶片电性连接该连接垫，且该晶片的底部接触该导热元件的该水平部分的该部分；以及

(iv)粘接散热片于该晶片及该导热元件的该垂直部分上。

8.根据权利要求7所述的晶片封装结构的制造方法，其特征在于：其中操作(iv)是经由超音波熔接制造过程来执行。

9.根据权利要求7所述的晶片封装结构的制造方法，其特征在于，其中操作(ii)包括下列步骤：

(a)使用激光钻孔制造过程移除位于该图案化离型膜的周边的垂直投影方向上的该线路重布前驱结构的一部分；以及

(b)撕除该图案化离型膜及位于该图案化离型膜上方的该线路重布前驱结构的该部分。

10.根据权利要求7所述的晶片封装结构的制造方法，其特征在于，其中操作(i)包括下列步骤：

(v)形成该导热元件的该水平部分于该线路结构上；

(vi)形成该线路重布前驱结构覆盖该导热元件的该水平部分；

(vii)图案化该线路重布前驱结构以形成穿孔暴露出该导热元件的该水平部分的一部分；以及

(viii)形成该导热元件的该垂直部分于该穿孔中。

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