CN113451170A - 用于在溅镀期间冷却双面sip器件的冷却设备和过程 - Google Patents

Abstract

用于在溅镀期间冷却双面SIP器件的冷却设备和过程。一种半导体制造设备具有冷却垫，所述冷却垫具有多个可移动销。冷却垫包括流体路径和设置在流体路径中的多个弹簧。多个弹簧中的每个设置在相应的可移动销的下方。衬底包括设置在衬底的表面之上的电部件。衬底设置在冷却垫之上，电部件朝向冷却垫定向。将力施加到衬底以压缩弹簧。可移动销中的至少一个与衬底接触。冷却流体被设置成通过流体路径。

Description

用于在溅镀期间冷却双面SIP器件的冷却设备和过程

要求国内优先权

本申请要求2020年3月27日提交的第63/001,213号美国临时申请的优先权的权益，该申请通过引用合并到本文中。

技术领域

本发明一般地涉及半导体制造，并且更特别地涉及用于在溅镀（sputtering）期间冷却双面系统级封装（SiP）器件的设备和方法。

背景技术

半导体器件通常在现代电子产品中找到。半导体器件执行各种各样的功能，诸如信号处理、高速计算、传输和接收电磁信号、控制电子设备、将太阳光转换成电力以及为电视显示器创建可视图像。半导体器件在通信、功率转换、网络、计算机、娱乐和消费者产品领域中找到。半导体器件还在军事应用、航空、汽车、工业控制器和办公室设备中找到。

半导体器件经常易受电磁干扰（EMI）、射频干扰（RFI）、谐波失真或其他器件间干扰的影响，其他器件间干扰诸如是电容性、电感性或导电性耦合，也称为串扰，其可以干扰它们的操作。数字电路的高速切换也生成干扰。

导电层可以形成在半导体封装之上以屏蔽封装内的电子部件免受EMI和其他干扰。屏蔽层在信号可以撞击到封装内的半导体管芯和分立部件之前吸收EMI，否则EMI可能引起器件的故障。屏蔽层也形成在具有预期生成EMI的部件的封装之上以保护附近的器件。

屏蔽层通常通过溅镀形成，这生成大量的热。不幸的是，在溅镀期间增加封装的温度可以引起若干问题，诸如焊料的再熔化、挤压（extrusion）、翘曲（warpage）或材料损坏。因此，在溅镀期间半导体封装通常设置在冷却垫（cooling pad）上以将封装保持在150-200摄氏度（℃）之下。保持低于200℃通常是令人满意的，但保持低于150℃是优选的。

图1示出了被溅镀以增加屏蔽层的半导体封装30。封装30包括封装衬底32。半导体管芯40、具有半导体管芯52的子封装50以及其他表面安装部件被设置在衬底32上以提供封装30的电功能性。焊料54被用于将半导体管芯40和子封装50物理地和电地耦合到衬底32。在溅镀期间焊料54的熔化可能引起到衬底32的电连接中的不连续性。

包封剂（encapsulant）或模塑料（molding compound）60沉积在衬底32、管芯40和子封装50之上，在包封之后，封装30在溅镀机72内设置在冷却垫70上。在溅镀机72内以例如铜之类的金属分子74轰击（bombard）封装30，以建立（build up）导电屏蔽层80。在溅镀期间，溅镀机72内的温度保持在400℃左右，并且在溅镀正在进行时，热能不断地加到封装30。衬底32平放在冷却垫70上以用于封装30与冷却垫之间的良好热接触。冷却垫70由柔性材料制成，以紧密地粘附到衬底32的底表面。冷却垫70通过衬底32撤消（withdraw）热能以将封装30保持在希望的目标温度以下。

较新的封装类型，诸如系统级封装器件，通常在封装衬底的两侧上使用表面安装部件，如以图2中的封装100所示的。封装100的衬底101具有安装在底表面上的无源（passive）部件102和半导体管芯104以及安装在顶表面上的无源部件106。部件的任何组合都可以设置在衬底101的任何表面上。包封剂108沉积在衬底101和部件106之上。框架110将封装100保持在溅镀机72中，而溅镀过程将屏蔽层120沉积在包封剂108之上。

如同图1中的封装30，封装100设置在冷却垫70上。然而，由于底表面上的部件102与104，衬底101不直接接触冷却垫70。热能仅可以经由半导体管芯104从部件106被撤消。不与衬底101具有直接接触减少了热能从封装100的顶部被提取速率（rate），并且意味着封装的温度不太可能保持令人满意。封装100具有在溅镀期间由于提升的温度而引入制造缺陷的高可能性。因此，存在针对可与双面SiP器件一起使用的改进的冷却机构的需要。

附图说明

图1示出了溅镀半导体封装；

图2示出了溅镀双面系统级封装器件；

图3a-3c示出了具有可移动销的冷却垫；

图4示出了带有具有可移动销的冷却垫的溅镀机中的双面系统级封装器件；

图5示出了包括具有可移动销的冷却垫的冷却线路（circuit）；

图6示出了形成在可移动销的顶部上的涂层；

图7a-7d示出了彼此物理接触地设置的可移动销和在可移动销的侧面上用于减少摩擦的涂层；

图8a和8b示出了可移动销的尖端的不同形状；以及

图9a-9d示出了可移动销的占用面积（footprint）的不同形状。

具体实施方式

参考附图，在以下描述中在一个或多个实施例中描述本发明，其中相同的附图标记表示相同或相似的元素。虽然根据用于实现本发明的目的的最佳模式描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，其旨在覆盖如可以被包括在如由通过以下公开和附图支持的所附权利要求书和它们的等同物限定的本发明的精神和范围内的替代方案、修改和等同物。如本文所使用的术语“半导体管芯”指代词语的单数形式和复数形式两者，并且因此可以指代单个半导体器件和多个半导体器件两者。

半导体器件通常使用两个复杂的制造过程来制造：前端制造和后端制造。前端制造涉及在半导体晶片的表面上形成多个管芯。晶片上的每个管芯包含电连接以形成功能电路的有源和无源电部件。有源电部件，诸如晶体管和二极管，具有控制电流流动的能力。无源电部件，诸如电容器、电感器和电阻器，在执行电路功能所需的电压和电流之间产生关系。

后端制造指代将完成的晶片切割或单个化（singulating）为单独的半导体管芯，并封装半导体管芯以用于结构支撑、电互连和环境隔离。为了单个化半导体管芯，晶片被沿着称为切道（saw street）或划线（scribe）的晶片的非功能区刻划（score）和破碎。使用激光切割工具或锯刀（saw blade）将晶片单个化。在单个化之后，将单独的半导体管芯安装到封装衬底，所述封装衬底包括用于与其他系统部件互连的引脚或接触焊盘。然后将形成在半导体管芯之上的接触焊盘连接到封装内的接触焊盘。可以用导电层、凸块（bump）、螺柱凸块（stud bump）、导电膏或引线接合来进行电连接。包封剂或其他模塑料沉积在封装之上以提供物理支撑和电隔离。然后将完成的封装插入到电系统中，并且使半导体器件的功能性可用于其他系统部件。

电磁干扰（EMI）屏蔽层通常形成在半导体封装之上作为后端制造的部分。如上所述，用于形成屏蔽层的溅镀机生成可以引起制造缺陷的热。图3a示出了具有可移动销160的冷却垫150，其可用在溅镀机中以保持双面系统级封装（SiP）器件充分冷却。冷却垫150具有基部152，基部152具有穿过该基部的流体路径154。在使用期间，冷却流体流过流体路径154以带走热能。冷却流体可以是化学冷却剂、制冷剂、水、油、气或任何其他合适的流体。

销160延伸穿过基部152的顶部中的开口，使得销的顶部在基部的外部，并且销的底部在流体路径154内。基部152中的开口刚好足够大以允许销160在开口中移动而不通过开口泄漏流体。在一些实施例中，使用索环（gromet）或其他机构来密封围绕销160的开口。销160由诸如铜、铝或金之类的金属或具有高导热性的聚合物或具有合适导热性的另一材料来形成。

销160用弹簧170来弹簧加载（spring-loaded），使得销可以通过待冷却的封装压入到流体路径154中。弹簧170由任何合适的材料形成，诸如上面提到的用于销160的那些材料。弹簧170可以由导热材料制成，以帮助去往冷却流体的热传递。在移除封装之后，销160弹出回到图3a中所示的位置。在一些实施例中，使用拉伸的弹性材料来代替螺旋弹簧（coiled spring）。任何合适的弹性机构都可以用于使销160返回到它们的完全延伸的位置。

图3b示出了与基部152分离的销160和弹簧170。销160包括具有尖端163的顶部162。顶部162是延伸到基部152外部的销160的部分。销160的底部164是设置在流体路径154内的部分。底部164延伸到弹簧170中以将弹簧保持在基部152内的销上。在一个实施例中，当从尖端163查看时，顶部162和底部164具有一致的横截面。在其他实施例中，底部164相比于顶部162更薄、更厚或具有不同形状，并且可以简单地是销的底部上的小凸块。在一些实施例中，弹簧170延伸到销160的底部上的槽中，而不是围绕凸块。流体路径154可选地具有在流体路径的底部上的凸块或其他结构，用于保持弹簧170的相对端。

销160包括在顶部162和底部164之间围绕销形成的凸缘（flange）166。凸缘166用于双重目的，既将销160保持在基部152内又允许销与弹簧170相互作用。当待冷却的封装向下压在销160的尖端163上时，销向下移动到基部152中。当销160向下移动时，凸缘166压抵弹簧170的顶部，从而压缩弹簧。当从冷却垫150移除封装时，弹簧170解压缩并压抵凸缘166以使销向上移回。最终，凸缘166碰到流体路径154的顶部并且弹簧170停止解压缩。凸缘166防止了弹簧170不期望地将销160完全推出基部152。

凸缘166是与顶部162和底部164具有共同的中心的盘。凸缘166具有圆形形状，其圆周完全围绕销160而延伸。在其他实施例中，凸缘166仅仅是在相反方向上从销延伸的两个销钉（dowel）或凸块。在其他实施例中，使用在销160的仅一侧上的一个销钉或凸块。具有不从销160的中心在所有方向上延伸的凸缘166允许相邻的销更靠近地设置在一起。相邻销160的分立凸缘166部分可以彼此偏移地定位，使得销可以在彼此的单个凸缘宽度的距离内形成，而不是必须间隔两个凸缘宽度。在弹簧170延伸到销160的底部上的槽中，或者如果弹簧否则向销的底部施加力的实施例中，则不需要凸缘。基部152的突舌（tab）可以延伸到销160中以将销保持在基部内，而不是依靠凸缘166碰到流体路径154的顶部。

图3c示出了具有基部152的冷却垫150的俯视平面图，基部152被横截以示出具有蜿蜒形状的流体路径154。冷却垫150的占用面积可以扩展以容纳任何大小的半导体封装或将在溅镀之后被单个化的多器件板。冷却流体跨基部152的整个宽度多次来回流动，以从流体入口155到达流体出口156。流体路径154的蜿蜒形状迫使冷却流体以每单位时间基本相等的体积跨每个销160和弹簧170流动。在其他实施例中，流体路径154是一个大腔室、多个平行路径或任何其他合适的形状。

图4示出了设置在溅镀机72中的冷却垫150，溅镀机72具有设置在该冷却垫上的双面SiP器件100。SiP器件100被向下压到销160上。当SiP器件被向下压时，销160的尖端163压抵SiP器件100。每个销160被向下压某个距离，这取决于SiP器件100的什么部分直接在该特定的销之上。直接在管芯104下方的销160被向下压最多，使得弹簧170被完全或几乎完全压缩。直接在分立部件102下方的销160没有被向下压得与管芯104下方的销一样远，但仍具有通过弹簧170被压抵分立部件的尖端163。

不在衬底101的底部上的任何部件下方的销160具有压抵衬底的底表面的尖端163。接触衬底101的销160仍稍微压缩相应的弹簧170，使得销对衬底施加一些力。在其他实施例中，衬底101被定位成与销160接触地搁置（rest）而不压缩相应的弹簧170。

销160通过物理接触从SiP器件100汲取热能。由于销160的高度是基于被溅镀的封装的底部的形状而调整的，所以销针对比现有技术冷却垫大得多的表面积提供冷却表面的物理接触。销160不仅从管芯104汲取热能，而且直接从衬底101和分立部件102汲取热能。

销160将热能向下传递到流体路径154内，在该处热能被进一步传递到冷却流体并被流动带走。热能也从销160传递到弹簧170，由于螺旋形状，这有助于为冷却流体的流动提供更大的表面积。所有销都接触封装100的底部，这提供了足够的热容量以将封装保持在150-200℃之下。在一个实施例中，每个销的顶部162被制成从凸缘166到尖端163至少与被溅镀的封装的底侧上要设置的最高期望器件一样长，使得在所有期望的情况中，销160都能够物理地接触衬底101。

图5示出了完整的冷却环路，其具有经由管184耦合在流体线路中的冷却垫150、泵180和辐射器182。泵180在泵的输入和输出之间产生压力差以推动流体通过系统。在所示的配置中，泵180经由出口156和第一管184从基部152拉取冷却流体，并且然后经由第二管184将流体推入辐射器182中。流体流经辐射器182并且然后经由第三管184回到冷却垫150的入口155。辐射器182具有附接风扇186以推动空气通过辐射器并使流体冷却下来。辐射器182包括流体路径和被冷却流体加温的若干鳍片。风扇186将环境空气跨鳍片吹过辐射器以将热能从鳍片传递到环境空气。冷却流体经由管184返回到基部152以经由销160从封装100吸收更多热能。

可以使用任何类型的热交换器来代替所示的辐射器。在一些实施例中，使用电动Peltier冷却器。一个实施例利用制冷循环来冷却基部152。制冷循环使用制冷剂作为冷却流体，并且具有作为流体线路的部分的压缩机、冷凝器和膨胀阀。基部152用作系统的蒸发器，并作为蒸发过程的部分使销160冷却下来。基部152可能需要改进的结构以在制冷循环中适当地充当蒸发器。任何类型的热交换器都可以用于辐射器182和基部152。基部152将热量从封装100交换到冷却流体。辐射器182将热量从冷却流体交换到环境空气或另一介质。

图6示出了在销的尖端163上具有表面涂层200的销160。冷却垫150的销160可选地具有由诸如硅树脂或聚四氟乙烯（PTFE）之类的阻尼材料制成的表面涂层200。表面涂层200减小了摩擦并软化了尖端163，这减小了对被冷却的器件造成损坏的可能性并有助于适应器件相对于销的轻微横向移动。

在一些实施例中，相邻销160之间的间隙变得几乎为零，如图7a和7b中所示。图7a是俯视平面图，而图7b是侧视图。对于这样的实施例，销160足够接近，使得相邻的销在使用期间很可能彼此物理地接触。图7c示出了形成在销160周围所有方向的侧表面上的涂层202。涂层202可由PTFE或允许销160彼此抵靠滑动的另一低摩擦材料形成。图7d示出了销160，其具有形成在侧表面上以及也形成在尖端163上的涂层204。涂层204提供了涂层200和涂层202两者的益处。替代地，涂层200和涂层202可由相同或两种不同材料分别形成在销160上。

可以以多种形状制成销。图8a和8b示出了销的不同尖端形状。图8a示出了具有斜面（beveled）尖端212的销210。斜面表面214提供从侧表面到顶表面的过渡。尖端212的边缘替代地可以是圆形的。图8b示出了具有圆形的整个尖端222的销220。圆形或斜面尖端减小了来自尖锐尖端角的损坏的可能性，并且有助于销与成角度的表面相符合。

销还可以形成有在平面图中的多种轮廓形状，以及在基部152内的多种布局。图9a示出了以规则网格定向在基部152上的圆销160。图9b示出了具有彼此偏移的多行销的圆销160。行是偏移允许更多的圆销160被放置在基部152的相同占用面积中。图9c示出了具有三角形轮廓形状的销230。三角形销可以具有面对另一相邻销的每个销的所有三个侧表面，使得基部152的几乎整个表面都在销中被覆盖。

销在占用面积视图中可以具有任何期望的轮廓形状，例如矩形、三角形、圆形等。在单个冷却垫上可以一起使用多种不同形状的销，例如，在图9d中一起使用圆形销160和三角形销230。每个圆形销160在从圆形销的每个基本方向（cardinal direction）上被三角形销230环绕。销的大小、占用面积形状、尖端形状和布局不受限制。

虽然已经详细地说明了本发明的一个或多个实施例，但是本领域技术人员将理解，在不偏离如以下权利要求书中记载的本发明的范围的情况下，可以对那些实施例进行修改和适配。虽然说明书是按照溅镀期间的冷却来撰写的，但是描述的具有可移动销的冷却垫可以用于冷却任何情况中的任何器件。

Claims (15)

1.一种制造半导体器件的方法，包括：

提供包括多个可移动销的冷却垫，其中，冷却垫包括流体路径和设置在流体路径中的多个弹簧，多个弹簧中的每个设置在相应的可移动销下方；

提供衬底，所述衬底包括设置在衬底的表面之上的电部件；

将衬底设置在冷却垫之上，所述冷却垫具有朝向冷却垫定向的电部件；

向衬底施加力以压缩弹簧，其中，可移动销中的至少一个接触衬底；以及

设置通过流体路径的冷却流体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括在衬底之上溅镀导电层而在在冷却垫之上设置衬底。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括设置通过热交换器的冷却流体。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括在多个可移动销之上形成涂层。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，多个可移动销中的第一可移动销接触多个可移动销中的第二可移动销。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，多个可移动销中的每个包括设置在流体路径中的凸缘。

7.一种制造半导体器件的方法，包括：

提供包括多个可移动销的冷却垫；

提供衬底，所述衬底包括设置在衬底的表面之上的部件；以及

在具有接触部件的第一可移动销和接触衬底的第二可移动销的冷却垫之上设置衬底。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括将第一弹簧设置在第一可移动销下方在冷却垫中，并且将第二弹簧设置在第二可移动销下方在冷却垫中。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括将冷却流体设置在冷却垫中。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括将冷却流体从冷却垫传递到热交换器。

11. 一种半导体制造设备，包括：

基部；以及

从基部延伸的多个可移动销。

12.根据权利要求11所述的半导体制造设备，还包括设置在基部中的冷却流体。

13.根据权利要求11所述的半导体制造设备，还包括耦合到基部的热交换器。

14.根据权利要求11所述的半导体制造设备，还包括形成在多个可移动销上的涂层。

15.根据权利要求11所述的半导体制造设备，其中，可移动销是弹簧加载的。

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