CN115831772B - 一种半导体封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体封装结构及封装方法，涉及半导体封装技术领域，用于解决盖板与氮化铝陶瓷散热片闭合后填充的环氧树脂在潮湿环境下，吸收空气中的水汽，而器件受热后水汽的蒸发，造成芯片与基板局部产生裂纹或者分层问题，包括芯片本体、盖板和氮化铝陶瓷散热片；本发明中利于芯片本体上部分未能从氮化铝陶瓷散热片上排出的热量通过散热板排至盖板上，提高整个芯片的整体散热效果，同时散热板上的安装的散热环与盖板上的安装的散热层相互卡接，提高整个散热板的散热面积，同时留有一定缓冲空间，避免潮湿环境下环氧树脂吸收空气中的水汽受热蒸发造成盖板腔内压强增大造成的芯片损坏问题出现。

Description

一种半导体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领域，具体为一种半导体封装结构及封装方法。

背景技术

由于集成电路的高速发展，电路密度急剧增加，芯片散发的热量大大提高.为避免热循环造成的损害，必须有效地将产生的热量散发出去，因此封装工艺中对散热要求越来越高；

从器件结构的角度，半导体封装工艺可以细分以下几个层次：芯片级、封装级和印刷电路级，芯片级实现芯片的最外层的金属化，空出电极，准备引出电极引线；封装级主要指将芯片电极的引线连接到基板或引线框架上，并进行密封，印刷电路板级一般指表面贴装工艺，将QFP或BGA等器件贴到印刷电路板上；为提高整个芯片的散热效果，采用氮化铝陶瓷散热片为基板，由于氮化铝陶瓷导热率很高，是氧化铝陶瓷导热率的5倍，硬度强，绝缘性好，耐高温和耐腐蚀，加上热膨胀系数也很低，介电损耗小，能耗小，耐高温耐腐蚀，经久耐用，同时利用激光诱导淀积工艺，将金属与氮化铝陶瓷散热片贴合，方便后期芯片的倒扣式封装，最后由于整个盖板与氮化铝陶瓷散热片闭合后填充的环氧树脂，而整个环氧树脂在潮湿环境下容易吸收空气中的水汽，使得器件受热后，引起水汽的蒸发，造成芯片与基板局部产生裂纹或者分层，甚至整个器件失效问题；

为此，我们提出一种半导体封装结构及封装方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体封装结构及封装方法，以解决上述背景技术中提出的问题；

通过在芯片本体的一侧贴合晶片连接薄膜和切割胶带，并通过将整个散热板贴合到切割胶带上，配合上盖板表面安装的散热层避免后期整个盖板中填充环氧树脂后，环氧树脂在潮湿环境下容易吸收空气中的水汽，使得器件受热后，引起水汽的蒸发，造成芯片与基板局部产生裂纹或者分层，甚至整个器件失效的问题出现的问题；

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种半导体封装方法，该半导体封装方法包括：提供芯片本体、盖板和氮化铝陶瓷散热片；

将所述芯片本体的背面通过粘连固定有晶片连接薄膜，且位于晶片连接薄膜的一侧再贴合切割胶带，最后所述切割胶带的一侧粘连固定有散热板；

将所述散热板远离切割胶带的一侧利用激光焊接对称固定有散热环；

所述盖板的顶部开设有卡槽，且位于卡槽的底部内壁通过激光焊接固定有散热层，再将带有散热环的散热板与带有散热层的盖板相卡接；

所述氮化铝陶瓷散热片的顶部通过旋转涂覆法均匀涂上金属化合物膜层，且金属化合物膜层厚度为0.5-5μm，通过激光束扫描金属化合物膜层，使得光照处化合物分解凝聚成金属化层，再通过清洗液二氯甲烷溶解未光照的膜层，形成定性金属层；

所述金属层的顶部一侧固定有定位点，将所述芯片本体上安装的锡球与所述金属层上的定位点对应，并通过加热设备提高氮化铝陶瓷散热片温度，加热温度为230-240℃；

所述散热板一侧安装的散热环与盖板一侧的散热层相卡接，并使所述氮化铝陶瓷散热片与盖板的一侧相抵接，通过向盖板与氮化铝陶瓷散热片隔层中注入环氧树脂，并对整个氮化铝陶瓷散热片与盖板进行黏合；

将准备好的盖板倒扣在带有芯片本体的氮化铝陶瓷散热片上，并通过胶体使得整个盖板固定在氮化铝陶瓷散热片上，整个盖板倒扣过程中，位于盖板卡槽内的散热层与散热板上的散热环相对应，卡接过程中，散热层与散热环相抵接，完成整个半导体封装。

进一步的，所述芯片本体的顶面均匀固定有叉指结构，且位于叉指结构的两侧通过激光均匀焊接固定有凸点，所述凸点与芯片本体内电路集成端相连接。

进一步的，所述芯片本体与凸点的顶部均匀涂覆有第一密封胶，并通过曝光显影工艺使得叉指结构顶部的第一密封胶消除。

进一步的，所述第一密封胶、凸点和叉指结构的顶部涂覆第二密封胶，并采用曝光显影工艺使得第二密封胶的两侧且位于凸点的顶部形成凹槽。

进一步的，所述凸点和第二密封胶的顶部进行电镀工艺，并在凸点的凹槽内形成电镀层，通过对电镀层顶部进行覆锡工艺，并通过加热使得整个电镀层顶部形成锡球。

本发明提出一种半导体封装结构，采用上述方法形成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中，通过在芯片本体的一侧贴合晶片连接薄膜和切割胶带，并通过将整个散热板贴合到切割胶带上，一方面，利于芯片本体上部分未能从氮化铝陶瓷散热片上排出的热量通过散热板排至盖板上，提高整个芯片的整体散热效果，另一方面，晶片连接薄膜柔软性起到了部分缓冲作用，避免环氧树脂在潮湿环境下吸收的水汽蒸发，造成芯片与基板局部产生裂纹或者分层问题出现，造成器件失效，提高了整个芯片的使用寿命；同时整个散热板上的安装的散热环与盖板上的安装的散热层相互卡接，提高整个散热板的散热面积，同时留有一定缓冲空间，避免潮湿环境下环氧树脂吸收空气中的水汽受热蒸发造成盖板腔内压强增大，容易造成芯片损坏。

附图说明

图1为本发明的半导体封装工艺流程示意图；

图2为本发明的盖板与氮化铝陶瓷散热片连接剖面结构示意图；

图3为本发明的芯片本体封装示意图；

图4为本发明的氮化铝陶瓷散热片与金属层连接结构示意图；

图5为本发明的盖板整体结构示意图；

图6为本发明的散热环与散热层连接结构示意图。

图中：100、芯片本体；101、叉指结构；102、凸点；200、第一密封胶；300、第二密封胶；400、锡球；500、晶片连接薄膜；600、切割胶带；700、散热板；701、散热环；800、氮化铝陶瓷散热片；801、金属层；802、定位点；900、盖板；901、卡槽；902、散热层；903、环氧树脂。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：

由于集成电路的高速发展，电路密度急剧增加，芯片散发的热量大大提高，为避免热循环造成的损害，必须有效地将产生的热量散发出去，因此封装工艺中对散热要求越来越高，散热所占的地位愈加重要，氮化铝以其优异的高热导率性质，低介电常数，低介电损耗，无毒，化学性质稳定，与硅相近的热膨胀率等优点成为高密度封装的理想基板材料，一般氮化铝的热导率约为110-250w/(m·k)，氧化铝约20w/(m·k)，两者相差一个量级，以基于氮化铝为基板的倒扣封装技术，结合两者的优点，极大地有利于高密度封装的研究与应用；

为进一步提高整个芯片的散热效果，如图1所示，提供芯片本体100，再对芯片本体100表面进行清洗，采用柠檬酸三钠、氯化钠、醋酸钠和盐酸混合药剂对整个芯片本体100进行冲洗，待整个芯片本体100冲洗烘干结束后将整个晶片连接薄膜500黏合到芯片本体100的背部，同时将双面带有黏性的切割胶带600固定在晶片连接薄膜500上，整个切割胶带600类似于缩小后的双面胶，将整个切割胶带600一侧油纸去除后，再将整个散热板700黏合到切割胶带600上，通过晶片连接薄膜500作为散热板700与芯片本体100之间的缓冲层，避免芯片使用过程中由于填充的环氧树脂903存在的流动性，造成散热板700与芯片本体100出现分离，影响后续芯片本体100上的热量传导；

由于整个芯片本体100较小，在芯片本体100未切割之前，将晶片连接薄膜500和切割胶带600固定到晶圆背部，方便后期将散热板700固定到芯片本体100上，传统的电子学陶瓷基板一般以氧化铝为主，具有良好的绝缘性、化学稳定性、力学性质和价格便宜等优点，但其缺点也非常明显：它的热导率低、介电常数较高，与硅片的热膨胀系数不匹配，因此它不适于作为高密度的基板材料，氧化铍作为另一种候选材料，它热导率很高，但它价格高而且制备工艺有毒，限制它的使用范围，碳化硅的热膨胀系数与硅接近，热导率也很高，但它介电常数和介电损耗太高，是它作为高密度的封装材料的最大缺点，氮化铝陶瓷具有下列特点：高的热导率，与硅相近的热膨胀系数，低介电常数，低介电损耗，高的抗击穿强度，良好的抗热冲击能力，优良的机械性质，借助于氮化铝优秀的散热能力，将整个芯片本体100固定到氮化铝陶瓷散热片800上，但芯片本体100与氮化铝陶瓷散热片800连接的前提是氮化铝的金属化，由于氮化铝对一般金属的润湿性很差，一般常用的金属化方法包括蒸发、溅射和丝网印刷等方法；

采用波长为514.5nm的氩离子连续波激光器，浆料中的金属有机物是p-3-丁基-苯基硫醇金，由于金属离子与有机官能团之间化学键较弱，解离能较低，容易发生分解反应，产生金属原子、水和二氧化碳，再利用激光的聚焦照射下使得水和二氧化碳快速挥发，先将氮化铝陶瓷散热片800的顶部通过旋转涂覆法均匀涂上金属化合物膜层，且金属化合物膜层厚度为0.5-5μm，通过激光束扫描金属化合物膜层，使得光照处化合物分解凝聚成金属化层，再通过清洗液二氯甲烷溶解未光照的膜层，形成定性金属层801，再对各个金属层801进行标记，并设置有定位点802，再将带有金属层801的氮化铝陶瓷散热片800与倒扣的芯片本体100连接；

整个芯片本体100预先进行第一次贴膜处理，芯片本体100的顶面均匀固定有叉指结构101，且位于叉指结构101的两侧通过激光均匀焊接固定有凸点102，所述凸点102与芯片本体100内电路集成端相连接，芯片本体100与凸点102的顶部均匀涂覆有第一密封胶200，并通过曝光显影工艺使得叉指结构101顶部的第一密封胶200消除，第一密封胶200、凸点102和叉指结构101的顶部涂覆第二密封胶300，并采用曝光显影工艺使得第二密封胶300的两侧且位于凸点102的顶部形成凹槽，凸点102和第二密封胶300的顶部进行电镀工艺，并在凸点102的凹槽内形成电镀层，通过对电镀层顶部进行覆锡工艺，并通过加热使得整个电镀层顶部形成锡球400；

此时将整个带有金属层801的氮化铝陶瓷散热片800与倒扣带有锡球400的芯片本体100对应固定，使得整个锡球400与定位点802对应接触，并通过加热整个氮化铝陶瓷散热片800，使得芯片本体100上的锡球400融化并与整个氮化铝陶瓷散热片800上的金属层801接触，此类芯片本体100与基板连接方式适用于I/O引脚较少的芯片，避免芯片内高温未及时排出，高温引发芯片本体100与金属层801连接出现问题；

等待整个氮化铝陶瓷散热片800与芯片本体100固定好后，将整个盖板900盖在氮化铝陶瓷散热片800上，使得整个氮化铝陶瓷散热片800上的芯片本体100与盖板900上开设的卡槽901相卡接，如图5所示，整个卡槽901的四个角处加装了散热层902，且整个氮化铝陶瓷散热片800的背面四角处同样黏合有散热环701，整个散热环701与散热层902接触并卡接，如图6所示，当整个芯片本体100工作发热时，部分热量进入到氮化铝陶瓷散热片800与盖板900的空隙之中，另外部分热量通过氮化铝陶瓷散热片800直接排出，当整个盖板900完全与氮化铝陶瓷散热片800固定后，为解决合金焊料的膨胀系数与硅片的不匹配，提高器件在热冲击与热循环条件下的可靠性，人们引入下部填充料到芯片与基板之间，由填充材料它具有流动性，缓解了热膨胀时带来的应力，确实可以极大提高器件的可靠性，另一方面，下部填充料主要以环氧树脂903为主体，在潮湿环境中，容易吸收空气中的水汽，器件受热后，可能引起水汽的蒸发，造成局部产生裂纹，分层，甚至整个器件的失效，为此当整个芯片本体100内温度过高且填充的环氧树脂903湿度较高，水蒸气向上运动经过散热板700来到整个氮化铝陶瓷散热片800与盖板900的空隙之中，避免整个水蒸气在芯片与基板内压强增大，造成芯片本体100与基板间出现裂纹，造成整个芯片本体100内部电路连接失败，同时在内部水蒸气的推动下，整个散热板700上的散热环701与散热层902连接更加紧密，并使整个散热板700与盖板900之间连接增强，避免潮湿环境下的水汽进入到盖板900内部。

封装工艺：

提供晶圆基板，并对整个晶圆基板进行清洗，待清洗烘干结束的晶圆基板进行180度翻转，将整个晶片连接薄膜500、切割胶带600和散热板700依次贴合到晶圆基板的背部，最后对整个晶圆基板进行分割，使得整个晶圆基板分割成数个芯片本体100；

再将整个芯片本体100翻转180度，位于芯片本体100的顶部均匀固定有叉指结构101和凸点102，再将整个第一密封胶200均匀地涂覆在芯片本体100、叉指结构101和凸点102上，整个第一密封胶200通过重力作用，部分贴合在芯片本体100上，再通过曝光显影工艺使得叉指结构101和凸点102顶部的第一密封胶200消除，此时整个叉指结构101、芯片本体100和第一密封胶200处于同一高度，待整个第一密封胶200干燥后，再将整个第二密封胶300涂覆到第一密封胶200、凸点102和叉指结构101的顶部，并采用曝光显影工艺使得第二密封胶300的两侧且位于凸点102的顶部形成凹槽，此时再将干燥后的芯片本体100放入到电镀液中，由于整个芯片本体100顶部在整个凸点102位置处带有凹槽，使得整个芯片电镀时，在整个凸点102的凹槽中形成电镀层，整个电镀层的高度大于第二密封胶300，为此方便后期整个芯片本体100的倒装连接，通过对电镀层顶部进行覆锡工艺，并通过加热使得整个电镀层顶部形成锡球400；

准备好氮化铝陶瓷散热片800通过旋转涂覆法均匀涂上金属化合物膜层，通过激光束扫描金属化合物膜层，使得光照处化合物分解凝聚成金属化层，再通过清洗液二氯甲烷溶解未光照的膜层，形成定性金属层801，对整个成型金属层801进行定位标点，整个定位点802也就是与芯片本体100上锡球400连接固定位置，将整个芯片本体100倒扣在氮化铝陶瓷散热片800上，将整个芯片本体100与氮化铝陶瓷散热片800连接，并使锡球400固定在对应的定位点802上，利用高温均匀加热整个氮化铝陶瓷散热片800，升温后的氮化铝陶瓷散热片800将整个锡球400的前端融化，使得整个芯片本体100与氮化铝陶瓷散热片800相固定；

将准备好的盖板900倒扣在带有芯片本体100的氮化铝陶瓷散热片800上，并通过胶体使得整个盖板900固定在氮化铝陶瓷散热片800上，整个盖板900倒扣过程中，位于盖板900卡槽901内的散热层902与散热板700上的散热环701相对应，卡接过程中，散热层902逐渐与散热环701相抵接，完成整个半导体封装。

以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可做很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种半导体封装方法，其特征在于：该半导体封装方法包括：提供芯片本体(100)、盖板(900)和氮化铝陶瓷散热片(800)；

将所述芯片本体(100)的背面通过粘连固定有晶片连接薄膜(500)，且位于晶片连接薄膜(500)的一侧再贴合切割胶带(600)，最后所述切割胶带(600)的一侧粘连固定有散热板(700)；

将所述散热板(700)远离切割胶带(600)的一侧利用激光焊接对称固定有散热环(701)；

所述盖板(900)的顶部开设有卡槽(901)，且位于卡槽(901)的底部内壁通过激光焊接固定有散热层(902)，再将带有散热环(701)的散热板(700)与带有散热层(902)的盖板(900)相卡接；

所述氮化铝陶瓷散热片(800)的顶部通过旋转涂覆法均匀涂上金属化合物膜层，且金属化合物膜层厚度为0.5-5μm，通过激光束扫描金属化合物膜层，使得光照处化合物分解凝聚成金属化层，再通过清洗液二氯甲烷溶解未光照的膜层，形成定性金属层(801)；

所述金属层(801)的顶部一侧固定有定位点(802)，将所述芯片本体(100)上安装的锡球(400)与所述金属层(801)上的定位点(802)对应，并通过加热设备提高氮化铝陶瓷散热片(800)温度，加热温度为230-240℃；

所述散热板(700)一侧安装的散热环(701)与盖板(900)一侧的散热层(902)相卡接，并使所述氮化铝陶瓷散热片(800)与盖板(900)的一侧相抵接，通过向盖板(900)与氮化铝陶瓷散热片(800)隔层中注入环氧树脂(903)，并对整个氮化铝陶瓷散热片(800)与盖板(900)进行黏合；

将准备好的盖板(900)倒扣在带有芯片本体(100)的氮化铝陶瓷散热片(800)上，并通过胶体使得整个盖板(900)固定在氮化铝陶瓷散热片(800)上，整个盖板(900)倒扣过程中，位于盖板(900)卡槽(901)内的散热层(902)与散热板(700)上的散热环(701)相对应，卡接过程中，散热层(902)与散热环(701)相抵接，完成整个半导体封装。

2.根据权利要求1所述的一种半导体封装方法，其特征在于：所述芯片本体(100)的顶面均匀固定有叉指结构(101)，且位于叉指结构(101)的两侧通过激光均匀焊接固定有凸点(102)，并将所述凸点(102)与芯片本体(100)内电路集成端相连接。

3.根据权利要求2所述的一种半导体封装方法，其特征在于：所述芯片本体(100)与凸点(102)的顶部均匀涂覆有第一密封胶(200)，并通过曝光显影工艺使得叉指结构(101)顶部的第一密封胶(200)消除。

4.根据权利要求3所述的一种半导体封装方法，其特征在于：所述第一密封胶(200)、凸点(102)和叉指结构(101)的顶部涂覆第二密封胶(300)，并采用曝光显影工艺使得第二密封胶(300)的两侧且位于凸点(102)的顶部形成凹槽。

5.根据权利要求4所述的一种半导体封装方法，其特征在于：所述凸点(102)和第二密封胶(300)的顶部进行电镀工艺，并在凸点(102)的凹槽内形成电镀层，通过对电镀层顶部进行覆锡工艺，并通过加热使得整个电镀层顶部形成锡球(400)。

6.一种半导体封装结构，其特征在于：采用权利要求1-5任一项所述的方法制成。

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