CN117650062A - 封装方法，以及半导体器件 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种封装方法，以及半导体器件，所述封装方法用于实现对由多片半导体晶粒相互堆叠而成的堆叠体的封装。所述封装方法包括：执行多个预堆叠操作以获取候选堆叠体，其中，一个预堆叠操作包括：利用所述粘合剂在升温条件下粘合上位对象于所述下位对象之上；其中，所述上位对象为半导体晶粒，当所述预堆叠操作为首次预堆叠操作时，所述下位对象为基板，当所述预堆叠操作为非首次预堆叠操作时，所述下位对象为半导体晶粒；所述粘合剂在所述预堆叠操作之前贴合于所述上位对象；转移所述候选堆叠体至压膜设备；利用所述压膜设备对所述候选堆叠体执行热压贴合操作获取目标堆叠体，以完成封装。

Description

封装方法，以及半导体器件

技术领域

本申请涉及工业设备领域，特别是涉及一种3D倒装的半导体晶粒堆叠产品的封装方法，以及使用基于该方法得到的产品所制备的半导体器件。

背景技术

近年来，随着硅贯穿通孔（Through-Silicon Via，TSV）技术的提出及高速发展，热压键合（Thermal Compression Bonding，TCB）技术的研发进度与封装应用面向越来越广。目前，针对3D倒装的半导体晶粒堆叠产品（也可以称为3D-FC叠die产品）的封装，主流工艺是采用TCB技术进行热压焊接，同时结合非导电粘合膜（NCF）预底部填充的方式，实现逐层倒装焊接及间隙填充。

通常进行TCB焊接时可以使用键合模组逐颗抓取芯片晶粒并贴装焊接。由于采用热压方式，每一颗芯片晶粒都需要单独受热并持续一定时间，才可以达到焊接目的。也就是说，在完成一颗芯片晶粒的焊接后，再进行下一刻芯片晶粒的焊接。这使得作业效率较低。

发明内容

本申请所要解决的技术问题在于，如何提高芯片封装的作业效率。

为了解决上述问题，本申请公开一种封装方法，以及半导体器件。

本申请一方面提供一种封装方法。所述封装方法用于实现对由多片半导体晶粒相互堆叠而成的堆叠体的封装。所述封装方法包括：执行多个预堆叠操作以获取候选堆叠体，其中，一个预堆叠操作包括：利用所述粘合剂在升温条件下粘合上位对象于所述下位对象之上；其中，所述上位对象为半导体晶粒，当所述预堆叠操作为首次预堆叠操作时，所述下位对象为基板，当所述预堆叠操作为非首次预堆叠操作时，所述下位对象为半导体晶粒；所述粘合剂在所述预堆叠操作之前贴合于所述上位对象；转移所述候选堆叠体至压膜设备；利用所述压膜设备对所述候选堆叠体执行热压贴合操作获取目标堆叠体，以完成封装。

在一个可行的实现方式中，所述粘合剂包括非导电粘合膜。

在一个可行的实现方式中，在各个预堆叠操作中，所述非导电粘合膜相同或不同。

在一个可行的实现方式中，所述利用所述非导电粘合膜在升温条件下粘合上位对象于所述下位对象之上所需的第一时间小于利用所述压膜设备对所述候选堆叠体执行热压贴合操作所需的第二时间。

在一个可行的实现方式中，所述多个预堆叠操作包括两个预堆叠操作。

在一个可行的实现方式中，所述压膜设备包括壳体内部的第一腔室、第二腔室、载台以及挠性件；所述第一腔室位于所述第二腔室上方，所述载台设置于所述第二腔室内，用于承载所述候选堆叠体；所述挠性件与所述第一腔室合围形成密闭空间，能够受力于所述密闭空间内的压力而朝向所述载台膨胀。

在一个可行的实现方式中，所述载台具有加热组件。

在一个可行的实现方式中，所述密闭空间连接有气体通路，以对所述密闭空间内的气压进行调节。

在一个可行的实现方式中，所述热压贴合操作包括：提供膜，所述膜设置于所述挠性件下方；控制所述加热组件进行加热，并控制所述气体通路中的气体流向以向所述密闭空间内加压，并维持预定时间。

本申请另一方面公开了一种半导体器件。所述半导体芯片根据上述方法制备。

本申请公开的封装方法，针对多晶粒的堆叠产品的封装，可以利用多次低温预压，以及一次高温整版焊接实现。这减少了工艺步骤，提升了合封效率。

附图说明

本申请将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：

图1是根据本申请的一些实施例所示的封装方法的示例性流程图；

图2是根据本申请的一些实施例所示的候选堆叠体的示例性结构示意图；

图3是根据本申请的一些实施例所示的压膜设备的示例性结构示意图；

图4是根据本申请的一些实施例所示的热压贴合操作的示例性示意图；

图5是根据本申请的一些实施例所示的压膜设备的气体流路的示例性示意图；

图6是根据本申请的一些实施例所示的目标堆叠体的示例性结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中的元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

本文中使用的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及／或”或“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以下参考附图对本申请的一些实施例进行说明。应当注意的是，以下描述是为了说明的目的，并不旨在限制本申请的保护范围。

图1是根据本申请的一些实施例所示的封装方法的示例性流程图。所述封装方法可以用于实现对由多片半导体晶粒相互堆叠而成的堆叠体的封装。在一些实施例中，所述封装方法可以用于3D-FC叠die产品的封装。如图1所示，流程100可以包括以下操作。

步骤110，执行多个预堆叠操作以获取候选堆叠体。

可以知道的是，晶粒（或者说芯片）的堆叠封装，简要来说可以包括晶粒间的对准叠加，以及焊接。在本申请中所述候选堆叠体可以是经过多个晶粒的堆叠对准后所得到的封装中间体。例如，TSV提供了多个晶粒间的垂直方向上的通信，层间可以通过TSV进行电互连。而对准则可以是层与层之间的电极焊盘以及凸块（bump）之间的对准，或通过TSV进行间隔层之间的电极焊盘以及凸块（bump）之间的对准，以保证电连接及导通。

所述半导体晶粒间的堆叠封装可以依靠粘合焊接的方式进行。相互堆叠的半导体晶粒之间可以通过粘合剂进行位置固定后，再高温压合实现焊接。本申请中的“多个预堆叠操作”可以是实现晶粒间的位置对准和位置固定。该位置固定可以依靠粘合剂进行。示例性的，一个预堆叠操作可以包括：利用所述粘合剂在升温条件下粘合上位对象于所述下位对象之上

在本申请中，术语“上位”以及“下位”是相对而言的。以竖直方向为例，多个半导体晶粒在竖直方向上进行堆叠。则以相对堆叠的两个半导体晶粒而言，处于竖直方向上靠下的则是“下位”晶粒，而处于竖直方向上靠上的则是“上位”晶粒。在一些实施例中，所述多个预堆叠操作可以是按序进行的。若当前执行的预堆叠操作为首次预堆叠操作时，下位对象可以是基板，上位对象可以是半导体晶粒。该半导体晶粒可以位于所有进行堆叠的半导体晶粒的最下方。若当前执行的预堆叠操作为非首次预堆叠操作时，上位对象和下位对象都为半导体晶粒。该次预堆叠操作为将半导体晶粒叠加在另一半导体晶粒之上。

在一些实施例中，所述粘合剂可以包括非导电粘合膜，包括但不限于环氧树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、丙烯酸酯、硅树脂、氰酸酯、非导电填料（如二氧化硅、氧化铝、氢氧化铝、云母、玻璃）、有机填料（如PET等）等可以用于制备非导电粘合膜。所述非导电粘合膜涂覆不仅可以确保半导体晶粒间的电路的电气完整性，还可以用于维持电极焊盘和凸块之间的物理连接。上位对象和下位对象通过所述非导电粘合膜可以实现相对的位置固定。

在一些实施例中，所述升温条件可以用于实现所述粘合剂的粘性激发。所述升温条件包括加热，从而使粘合剂具备粘性。通过升温可以所述上位对象和所述下位对象粘合在一起，实现相对的位置固定。示例性的，该升温条件对应的温度，可以是130℃。

参考图2，图2是根据本申请一些实施例所示的候选堆叠体的示例性结构示意图。如图2所示，基板210上通过涂覆粘合剂220可以实现与半导体晶粒230的堆叠。本申请中，一个预堆叠操作可以实现一个上位对象和一个下位对象之间的位置固定。例如，在基板210上涂覆粘合剂220后堆叠一个半导体晶粒230。再涂覆再堆叠则是另一个预堆叠操作。或者，一个预堆叠操作可以实现多个上位对象和相对应的多个下位对象之间的位置固定。例如，在基板210上整层涂覆粘合剂220，随后根据预设的堆叠数量，在基板210上堆叠预设数量个半导体晶粒230，比如如图2中所示的7个半导体晶粒。一个预堆叠操作实现了第一层的所有半导体晶粒230在基板210上的堆叠。在完成所述多个预堆叠操作后，可以得到所述候选堆叠体。

在一些实施例中，每个预堆叠操作中使用的粘合剂可以是相同的。这样，可以简化以及统一操作，有益于提升工艺的效率。在一些实施例中，每个预堆叠操作中使用的粘合剂可以是不同的。这样，在后续的操作过程中不同类型的半导体晶粒可以实现最佳的焊接效果。在一些实施例中，所述多个预堆叠操作可以包括两个预堆叠操作。例如，先将晶粒/芯片贴合于基板之上，再将另一晶粒/芯片堆叠于贴合在基板上的晶粒/芯片之上。

步骤120，转移所述候选堆叠体至压膜设备。

在一些实施例中，所述压膜设备可以是用于对所述候选堆叠体进行热压贴合的设备。参考图3，图3是根据本申请一些实施例所示的压膜设备的示例性结构示意图。如图3所示，压膜设备300包括壳体（包括上壳体310以及下壳体320）内部的第一腔室311和第二腔室321，载台330以及挠性件340。上壳体310和下壳体320可以具有一敞口。例如，上壳体310和下壳体320的截面形状可以是如“凵”形。各自具有的开放式空腔则可以是第一腔室311和第二腔室321。上壳体310和下壳体320可以在敞口处相互匹配且合围，共同构成了压膜设备300的内部的封闭腔体。合围后，第一腔室311将位于第二腔室321的上方。在一些实施例中，为了保证封闭腔体的密闭性，上壳体310和下壳体320之间的接触面或交界面可以使用密封部件350，例如，密封圈。

载台330可以设置在第二腔室321内部。所述候选堆叠体（在图3中以3D-FC表示）可以放置于载台330之上。示例性的，载台330可以是吸附平台，比如真空吸附平台或静电吸附平台等。候选堆叠体3D-FC吸附在载台330之上后，将不易发生偏移，有益于后续的热压贴合过程。在一些实施例中，载台330是可升降的，能够在垂直方向上调整高度，从而改变放置于其上的候选堆叠体3D-FC的高度。载台330还可以具有加热功能。例如，载台330可以是真空加热吸附平台。通过负压作用实现候选堆叠体3D-FC的吸附固定，通过加热实现候选堆叠体3D-FC的温度调节，以提供热压贴合操作中所需的温度。

挠性件340可以与第一腔室311合围形成一个密闭空间。例如，挠性件340的外边缘可以与上壳体310的敞开面的边缘固定连接，作为密闭空间的底面。这样，所述密闭空间与第一腔室311的大小相当。又例如，挠性件340的外边缘可以与上壳体310的内侧壁固定连接，作为密闭空间的底面。如此，所述密闭空间可以是第一腔室311的一部分，由挠性件340分隔。在一些实施例中，所述密闭空间内可以被充气加压。例如，上壳体310上可开设有连通所述密闭空间和外界的气体通路。通过该气体通路，外部的气体加压设备可以在受控制的情况下向所述密闭空间内通入高压气体。挠性件340可以是由受力能够膨胀的材质的制备而成。例如，具备弹性的高分子材料比如软性硅胶等，在受力后可以朝向载台330的方向膨胀，挤压设置在下方的膜F，使膜F贴附候选堆叠体3D-FC之上，随后传递挠性件330所施加的压力至候选堆叠体3D-FC，以提供热压贴合操作中所需的压力。

压膜设备300还可以包括加热组件（图3中未示出），例如，环绕整个壳体的感应线圈。加热组件可以对压膜设备300的内部进行加热，以另一种方式提供热压贴合时所需的温度。压膜设备300还可以连接有冷却组件（图3中同样未示出），例如，气/液循环管路。在需要对压膜设备300的内部进行降温时，可以通过气/液冷凝介质的循环（例如，使用冷凝设备等）实现。

步骤130，利用所述压膜设备对所述候选堆叠体执行热压贴合操作获取目标堆叠体，以完成封装。

在一些实施例中，所述热压贴合操作可以是利用所述压膜设备对所述候选堆叠体施加加热加压条件，以使粘合剂例如非导电粘合膜完全固化且焊点良好，从而实现所述候选堆叠体中晶粒与晶粒之间的位置固定，以及电气连接性的稳定维持。结合图3和图4进行说明。图4是根据本申请一些实施例所示的热压贴合操作的示例性示意图。如图4所述，候选堆叠体200可以放置于压膜设备的承载台410（例如，载台330）之上。承载台410可以对候选堆叠体200进行加热。压膜设备的施压部420（例如，挠性件340）将按箭头方向候选堆叠体施加压力。其中，膜430（例如，PET膜）可以放置在施压部420和候选堆叠体200之间，在热压贴合过程中对候选堆叠体200进行防护和表面隔离。在整个封装过程中，上位对象粘合于下位对象之上所需的第一时间可以小于步骤130中的热压贴合所需的第二时间。侧面说明升温条件中所需较低温度，更易达到。起到了节省时间的目的。

在一些实施例中，施压部420针对候选堆叠体200的压力施加可以是依靠空气通入的形式实现的。例如，通过与密闭空间连通的气体通路实现空气的通入和排出。如前述内容所示，施压部420可以对应的挠性件340。在压膜设备300的密闭空间中并未通入气体或者抽真空的情况下，挠性件340不发生形变，甚至将回缩远离载台330。当通过气体通路向密闭空间内通入气体后，挠性件340受力将朝向载台330的方向膨胀。也即图4中的箭头方向所示。随着压力的增大（比如加入的气体量增多），挠性件340的膨胀程度将增大，最终可以向候选堆叠体200施加压力。

以下对压膜设备200相关的气体通路进行示例性说明。该气体通路用于对压膜设备内部进行抽气和加压。参考图5，图5是根据本申请一些实施例所示的压膜设备的气体通路的示例性示意图。如图5所示，气体流路500可以包括进排气管路510和抽真空管路520。进排气管路510可以包括进气端511、阀门512以及第一开关阀513。进气端511可以连接气源，例如，空气源、氮气源等。可以用于气体的进入。阀门512包括第一端a、第二端b和第三端c。第一端a连接进气端511，第二端b连接第一开关阀513，第三端c为排气端。当气体由进气端511进入第一端a时，气体由第一端a经阀门512的内部进入第二端b；当密闭空间内的气体经第一开关阀513进入第二端b时，气体由第二端b经阀门512的内部进入第三端c以排出。

也就是说，阀门512可以为三通阀门，其连接于进气端511和第一开关阀513之间。在向所述密闭空间通入气体（例如，加压）和向外排出气体以改变密闭空间内的压力（例如，降压）的过程中，第一开关阀513都可以是处于开启状态。示例性的，加压过程可以是气体由进气端511进入后，经由阀门512从第一端a流向至第二端b，再流向至第一开关阀513，进而流入所述密闭空间内。降压过程可以是气体从所述密闭空间内流出通过第一开关阀513后，经由阀门512从第二端b流向至第三段c，从而排出。通过上述设置，可以实现快速排气降压，以及充放气过程的快速切换。

在一些可实现方式中，进气端511与阀门512之间还可以设置有电控比例阀614。通过电控比例阀614可以设定加压压力值，进而准确控制进气量。

抽真空管路520包括可以包括抽气端521、第二开关阀522以及第三开关阀523。第二开关阀522可以经管路连通所述密闭空间。当需对所述密闭空间抽真空时，可以开启第二开关阀522，抽气端521通过管路将所述密闭空间内的气体向外抽出。第三开关阀523的一端可以连接抽气端521，另一端连通第二腔室。也就是说，抽真空管路520还可以对第二腔室进行抽真空处理，且可通过第三开关阀523单独控制。例如，在前述真空操作阶段，可以开启第二开关阀522以及第三开关阀523同时单独地对所述密闭空间和第二腔室进行抽真空。由于第二开关阀522以及第三开关阀523可以单独的开闭，因此，所述密闭空间和第二腔室的抽真空过程可以单独地进行控制。需要说明的是，第二开关阀522所连接的抽气端与第三开关阀所连接的抽气端可以是同一个（例如，图5中所示的抽气端521），也可以是独立设置的两个。在实际应用中，对此不做绝对限制。在一些可实现方式中，气体流路500还可以压力表530。该压力表设置在所述密闭空间直接连通的管路上，用于实时获知管路中的气体压力。

以下对热压贴合操作给出示例性的说明。所述候选堆叠体可以首先放置于压膜设备300的载台330的承载面上，用于热压贴合的膜可以引导铺设在第二腔室321的上端敞口处。在铺设过程中，为了防止所述候选堆叠体与所述膜的提前接触，载台330可以控制下降，以调整高度。随后，压膜设备300的上壳体310和下壳体320可以合闭，以将第一腔室311和第二腔室321合围成压膜设备300的封闭内腔。在放置好所述候选堆叠体以及所述膜之后，可以依据具体设置的操作参数，控制压膜设备300工作以完成热压贴合。例如，热压贴合所需的温度（本申请中可以被称为第二温度）、压力、时间等。压膜设备300的加热部件（例如，载台330具有的加热组件或对整个壳体进行加热的感应线圈）被激发工作可以用于提供热压贴合所需的温度，比如200℃。通过所述气体通路向密闭空间内通入气体（或抽真空后再通入气体）以增加密闭空间内的压力。迫使挠性件340向所述候选半导体所在方向膨胀，并施压。整个加热加压过程可以维持一个预定的时间，比如2-5min。随后排气、降温完成后，可以得到最终的目标堆叠体。如图6所述的目标堆叠体的示例性示意图，通过一次热压贴合操作可以完成多个半导体晶粒之间的焊接。应当注意的是，上述有关图1中的各个步骤的描述仅仅是为了示例和说明，而不限定本说明书的适用范围。对于本领域技术人员来说，在本说明书的指导下可以对图1中的各个步骤进行各种修正和改变。然而，这些修正和改变仍在本说明书的范围之内。

本申请所公开的封装方法，通过多次预压和一次焊接，达到对封装流程的简化，从而提升了合封效率。

本申请另一方面公开了一种半导体器件。所述半导体器件可以是基于前述封装方法得到。得益于前述封装方法的效率提升，本申请公开的半导体器件的生产效率得到的相应的提高。

本文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。

应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20%的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本说明书一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (10)

1.一种封装方法，所述封装方法用于实现对由多片半导体晶粒相互堆叠而成的堆叠体的封装，其特征在于，所述封装方法包括：

执行多个预堆叠操作以获取候选堆叠体，其中，一个预堆叠操作包括：

利用所述粘合剂在升温条件下粘合上位对象于所述下位对象之上；其中，所述上位对象为半导体晶粒，当所述预堆叠操作为首次预堆叠操作时，所述下位对象为基板，当所述预堆叠操作为非首次预堆叠操作时，所述下位对象为半导体晶粒；所述粘合剂在所述预堆叠操作之前贴合于所述上位对象；

转移所述候选堆叠体至压膜设备；

利用所述压膜设备对所述候选堆叠体执行热压贴合操作获取目标堆叠体，以完成封装。

2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述粘合剂包括非导电粘合膜。

3.根据权利要求2所述的封装方法，其特征在于，在各个预堆叠操作中，所述非导电粘合膜相同或不同。

4.根据权利要求2所述的封装方法，其特征在于，所述利用所述非导电粘合膜在升温条件下粘合上位对象于所述下位对象之上所需的第一时间小于利用所述压膜设备对所述候选堆叠体执行热压贴合操作所需的第二时间。

5.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述多个预堆叠操作包括两个预堆叠操作。

6.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述压膜设备包括壳体内部的第一腔室、第二腔室、载台以及挠性件；所述第一腔室位于所述第二腔室上方，所述载台设置于所述第二腔室内，用于承载所述候选堆叠体；所述挠性件与所述第一腔室合围形成密闭空间，能够受力于所述密闭空间内的压力而朝向所述载台膨胀。

7.根据权利要求6所述的封装方法，其特征在于，所述载台具有加热组件。

8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述密闭空间连接有气体通路，以对所述密闭空间内的气压进行调节。

9.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于，所述热压贴合操作包括：

提供膜，所述膜设置于所述挠性件下方；

控制所述加热组件进行加热，并控制所述气体通路中的气体流向以向所述密闭空间内加压，并维持预定时间。

10.半导体器件，所述半导体器件基于如权利要求1-9中任一项所述的方法制备。