TW202406034A - 積體電路封裝及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

在實施例中,裝置包括封裝組件,封裝組件包括積體電路晶粒和連接到積體電路晶粒的導電連接件,導電連接件設置在封裝組件的前側處。裝置還包括背側金屬層在封裝組件的背面。裝置還包括位於背側金屬層的背面的銦熱界面材料。裝置還包括位於銦熱界面材料的背面的蓋子。裝置還包括連接到導電連接件的封裝基底,蓋子黏附至封裝基底。

Description

積體電路封裝及其形成方法
由於各種電子構件(如電晶體、二極體、電阻器、電容等)的積體密度(integration density)不斷改進,半導體行業經歷了快速增長。在大多數情況下,積體密度的改進源於最小特徵尺寸的迭代減少,這允許更多的構件集成到給定區域中。隨著對縮小電子裝置的需求增長,需要更小、更有創造性的半導體晶粒的封裝技術。
本揭露提供用於實施本揭露的不同特徵的許多不同的實施例或實例。下文描述組件及配置的具體實例以簡化本揭露。當然,此等僅為實例,且不意欲為限制性的。舉例而言,在以下描述中,第一特徵在第二特徵上方或在第二特徵上的形成可包含第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例,且亦可包含額外特徵可在第一特徵與第二特徵之間形成使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外,本揭露可在各種實例中重複附圖標號及/或字母。此重複是出於簡單及清晰的目的,且本身並不指示所論述的各種實施例及/或組態之間的關係。
此外,為易於描述,本文中可使用諸如「在...之下」、「在...下方」、「下部」、「在...上方」、「上部」以及類似術語的空間相對術語來描述如諸圖中所示出的一個元件或特徵相對於另一元件或特徵的關係。除了圖中所描繪的定向之外,空間相對術語亦意欲涵蓋裝置在使用或操作中的不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或處於其他定向),且本文中所使用的空間相對描述詞可同樣相應地進行解釋。
根據各種實施例,積體電路封裝是將積體電路晶粒在晶圓中封裝而形成的。晶圓被單一化以形成中間封裝組件。然後封裝組件附接到封裝基底以形成積體電路封裝。在一些實施例中,在封裝組件附接到封裝基底之後,具有集成散熱結構的蓋子同時附接到封裝組件和封裝基底。集成散熱結構可以通過在蓋子上的鍍覆製程形成並且可以包括銦。通過將銦散熱結構集成到蓋子中,此結構改進了可靠度,因為銦散熱結構和蓋子之間沒有含金的金屬間化合物(IMC)。如果有,含金IMC會在後續加工或封裝使用過程中破裂。此外,在一些實施例中,銦散熱結構形成為在該結構覆蓋積體電路晶粒的區域之外具有間隙或凹陷。銦散熱結構中的這些間隙或凹陷可以減少封裝中的應力並改善可靠度。
圖1是積體電路晶粒50的剖視圖。積體電路晶粒50在後續加工中會被封裝成積體電路封裝。每個積體電路晶粒50可以是邏輯裝置(例如中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、微控制器等)、記憶體裝置(例如動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory,DRAM)晶粒、靜態隨機存取記憶體(static random access memory,SRAM)晶粒等)、電源管理裝置(例如,電源管理積體電路(power management integrated circuit,PMIC)晶粒),射頻(radio frequency,RF)裝置,傳感器裝置,微機電系統(micro-electro-mechanical-system,MEMS)裝置,信號處理裝置(例如,數位信號處理(digital signal processing,DSP)晶粒),前端裝置(例如,類比前端(analog front-end,AFE)晶粒)等或其組合(例如,單晶片系統(system on a chip,SoC)晶粒)。積體電路晶粒50可以在晶圓中形成,其可以包括不同的晶粒區,這些晶粒區在隨後的步驟中被單一化以形成多個積體電路晶粒50。積體電路晶粒50包括半導體基底52、內連線結構54、晶粒連接件56和介電層58。
半導體基底52可以是矽基底(摻雜或未摻雜),或絕緣層覆半導體(semiconductor-on-insulator,SOI)基底的主動層。半導體基底52可以包括其他半導體材料,例如鍺;化合物半導體,包括碳化矽(silicon carbide)、砷化鎵(gallium arsenide)、磷化鎵(gallium phosphide)、磷化銦(indium phosphide)、砷化銦(indium arsenide)和/或銻化銦(indium antimonide);合金半導體,包括矽鍺(silicon-germanium)、磷砷化鎵(gallium arsenide phosphide)、鋁銦砷化物(aluminum indium arsenide)、砷化鋁鎵(aluminum gallium arsenide)、砷化銦鎵(gallium indium arsenide)、磷化銦鎵(gallium indium phosphide)和/或磷砷化銦鎵(gallium indium arsenide phosphide);或其組合。也可以使用其他基底,例如多層或梯度基底(gradient substrate)。半導體基底52具有主動表面(例如,面向上的表面)和非主動表面(例如,面向下的表面)。裝置在半導體基底52的主動表面上。裝置可以是主動裝置(例如,電晶體、二極體等)、電容器、電阻器等。非主動表面可以沒有裝置。
內連線結構54在半導體基底52的主動表面之上,用來電連接半導體基底52的裝置以形成積體電路。內連線結構54可以包括一個或多個介電層和在介電層中相應的金屬化層。可接受的介電層的介電材料為包括氧化物(如氧化矽或氧化鋁)、氮化物(如氮化矽等)、碳化物(如碳化矽等)、其類似物或其組合,例如氮氧化矽(silicon oxynitride)、碳氧化矽(silicon oxycarbide)、碳氮化矽(silicon carbonitride)、碳氮氧化矽(silicon oxycarbonitride)等。也可以使用其他介電材料,例如聚合物,例如聚苯并噁唑(polybenzoxazole,PBO)、聚醯亞胺(polyimide)、苯環丁烯基聚合物(benzocyclobutene (BCB) based polymer)等或其類似物。金屬化層可以包括導通孔和/或導線以內連接半導體基底52的裝置。金屬化層可以由導電材料形成,例如金屬,如銅、鈷、鋁、金、其組合或其類似物。內連線結構54可以由鑲嵌製程形成,例如單鑲嵌製程、雙鑲嵌製程或其類似製程。
晶粒連接件56在積體電路晶粒50的前側50F上。晶粒連接件56可以是導電柱、接墊或其類似物,以建立外部連接。晶粒連接件56位於內連線結構54中和/或之上。舉例來說,晶粒連接件56可以是內連線結構54的上部金屬化層的一部分。晶粒連接件56可以由金屬形成(例如銅、鋁或其類似物),且可以通過例如電鍍或類似製程形成。
可選地,焊料區(未單獨示出)可以在形成積體電路晶粒50期間設置在晶粒連接件56上。焊料區域可用於在積體電路晶粒50上執行晶片探針(chip probe,CP)測試。舉例來說,焊料區域可以是焊球、焊料凸塊或其類似物,其用於將晶片探針連接到晶粒連接件56。可以對積體電路晶粒50執行晶片探針測試,以確定積體電路晶粒50是否為已知良好的晶粒(known good die,KGD)。因此,只有積體電路晶粒50為KGD時會在後續處理程序被封裝,晶片探針測試失敗的晶粒不會被封裝。測試後,可在後續處理步驟中去除焊料區域。
介電層58位於積體電路晶粒50的前側50F上。介電層58在內連線結構54中和/或之上。舉例來說,介電層58可以是內連線結構54的上介電層。介電層58橫向包覆晶粒連接件56。介電層58可以是氧化物、氮化物、碳化物、聚合物、其類似物或其組合。介電層58可以通過例如旋轉塗佈、積層、化學氣相沉積(CVD)或類似製程形成。最初,介電層58可以掩埋晶粒連接件56,使得介電層58的頂面高於晶粒連接件56的頂面。在積體電路晶粒50的形成過程中,晶粒連接件56通過介電層58暴露出來。暴露晶粒連接件56可能會去除晶粒連接件56上可能存在的任何焊料區域。去除製程可應用於各種層,以去除晶粒連接件56上方多餘的材料。去除製程可以是平坦化製程,例如化學機械拋光(CMP)、回蝕刻、其組合或類似製程。在平坦化製程之後,晶粒連接件56的頂面和介電層58的頂面基本上是共面(在製程偏差範圍內),因此它們彼此齊平。晶粒連接件56和介電層58暴露在積體電路晶粒50的前側50F處。
在一些實施例中,積體電路晶粒50是包含多個半導體基底52的堆疊裝置。舉例來說,積體電路晶粒50可以是包括多個記憶體晶粒的記憶體裝置,例如混合存儲立方體(hybrid memory cube,HMC)裝置、高頻寬記憶體(high bandwidth memory,HBM)裝置或其類似物。在這樣的實施例中,積體電路晶粒50包括通過穿基底通孔(through-substrate via,TSV)(例如穿矽通孔)互連的多個半導體基底52。每個半導體基底52可能(或可能不)具有單獨的內連線結構54。
圖2-11是按照一些實施例的積體電路封裝200在製造中的中間階段的視圖。圖2-11是形成包括中介件的封裝組件210的剖視圖和俯視圖。包括中介件的封裝組件210例如為用於基底上覆晶圓上覆晶片( chip-on-wafer-on-substrate,CoWoS®)裝置的封裝組件。封裝組件210可以是晶圓上覆晶片(chip-on-wafer,CoW)封裝組件。
積體電路封裝200(參見圖11)將通過最初封裝積體電路晶粒50以在晶圓100中形成封裝組件210來形成。晶圓100中的一個封裝件區100A被繪示出,積體電路晶粒50被封裝以在晶圓100中的每一個封裝件區100A中形成一個封裝組件210。應當理解,可以同時處理任意數量的封裝件區以形成任意數量的封裝組件。晶圓100中的封裝件區100A將被分割成封裝組件210。封裝組件210將被貼合到封裝基底220(參見例如圖8或12)。然後將在封裝組件210和封裝基底220上形成散熱結構212/232/230以完成積體電路封裝200的形成(參見例如圖11或17)。
在圖2中,獲得或形成晶圓110。晶圓110包含在封裝件區100A中的裝置,其將在後續處理中單一化而包含在封裝組件210中。在晶圓110中的裝置可以是中介件、積體電路晶粒或類似物。在一些實施例中,在晶圓110中形成中介件102,其包括基底112、內連線結構114和導通孔120。
基底112可以是主體半導體基底(bulk semiconductor substrate)、絕緣層覆半導體(SOI)基底、多層半導體基底或類似物。基底112可以包括半導體材料,例如矽;鍺;化合物半導體,包括碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦和/或銻化銦;合金半導體,包括矽鍺、磷砷化鎵、鋁銦砷化物、砷化鋁鎵、砷化銦鎵、磷化銦鎵和/或磷砷化銦鎵;或其組合。也可以使用其他基底,例如多層或梯度基底。基底112可以是摻雜或未摻雜的。在中介件形成在晶圓110中的實施例中,基底112通常不包括主動裝置於其中,儘管中介件可以包括形成在基底112的前表面(例如,圖2中朝上的表面)中和/或上的被動裝置。在於晶圓110中形成積體電路裝置的實施例中,可以在基底112的前表面中和/或上形成諸如電晶體的主動裝置、電容器、電阻器、二極體和類似者。.
內連線結構114位於基底112的前表面上方,用於電連接基底112的裝置(如果有)。內連線結構114可以包括一個或多個介電層和在介電層中相應的金屬化層。可接受的介電層的介電材料為包括氧化物(如氧化矽或氧化鋁)、氮化物(如氮化矽等)、碳化物(如碳化矽等)、其類似物或其組合,例如氮氧化矽、碳氧化矽、碳氮化矽、碳氮氧化矽或其類似物。也可以使用其他介電材料,例如聚合物,例如聚苯并噁唑(PBO)、聚醯亞胺、苯環丁烯(BCB)基聚合物等。金屬化層可以包括導通孔和/或導線以內連線任何裝置和/或到外部設備。金屬化層可以由導電材料,例如金屬,如銅、鈷、鋁、金、其組合或類似物形成。內連線結構114可以由鑲嵌製程形成,例如單鑲嵌製程、雙鑲嵌製程或類似製程。
在一些實施例中,晶粒連接件116和介電層118位於晶圓110的前側處。具體來說,晶圓110可以包括晶粒連接件116和介電層118,其類似於圖1中描述的積體電路晶粒50的晶粒連接件和介電層。舉例來說,晶粒連接件116和介電層118可以是內連線結構114的上部金屬化層的一部分。
導通孔120延伸到內連線結構114和/或基底112。導通孔120電連接到內連線結構114的金屬化層。導通孔120有時也稱為穿基底通孔(through substrate via, TSV)。作為形成導通孔120的示例,可以通過例如蝕刻、研磨、雷射技術、其組合或類似製程,在內連線結構114和/或基底112中形成凹陷。可以在凹陷中形成薄的介電材料,例如通過使用氧化技術。薄阻擋層可以共形地沉積在開口中,例如通過CVD、原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積(PVD)、熱氧化、其組合和/或類似方法。阻擋層可以由氧化物、氮化物、碳化物、其組合或類似物形成。導電材料可以沉積在阻擋層上方和開口中。導電材料可以通過電化學電鍍製程、CVD、ALD、PVD、其組合和/或類似製程形成。導電材料例如是銅、鎢、鋁、銀、金、其組合和/或類似物。通過例如化學機械研磨從內連線結構114或基底112的表面去除多餘的導電材料和阻擋層。阻擋層和導電材料的剩餘部分形成導通孔120。
在圖3中,積體電路晶粒50(例如第一積體電路晶粒50B和多個第二積體電路晶粒50A)是附接到晶圓110。在所示的實施例中,多個積體電路晶粒50彼此相鄰放置,包括第一積體電路晶粒50B和第二積體電路晶粒50A,其中第一積體電路晶粒50B位於第二積體電路晶粒50A之間。在一些實施例中,第一積體電路晶粒50B為邏輯裝置,如CPU、GPU、或其類似物,第二積體電路晶粒50A為記憶體裝置,如DRAM晶粒、HMC模塊、HBM模塊或其類似物。在一些實施例中,第一積體電路晶粒50B是與第二積體電路晶粒50A相同類型的裝置(例如,SoC)。
在圖示的實施例中,積體電路晶粒50是通過焊料接合(例如導電連接件132)附接至晶圓110。可以使用例如取放工具(pick-and-place tool)將積體電路晶粒50放置在內連線結構114上。導電連接件132可由可回流(reflowable)的導電材料形成,例如焊料、銅、鋁、金、鎳、銀、鈀、錫等類似物或其組合。在一些實施例中,導電連接件132是通過蒸發、電鍍、印刷、焊料轉移、植球或類似方法初始形成焊料層而形成的。一旦在結構上形成焊料層,就可以進行回流(reflow)以將導電連接件132成形為所需的凸塊形狀。將積體電路晶粒50附接到晶圓110可能包括將積體電路晶粒50放在晶圓110上並回流導電連接件132。導電連接件132在晶圓110的對應晶粒連接件116和積體電路晶粒50的晶粒連接件56之間形成接頭(joint),以將中介件102電連接到積體電路晶粒50。
底部填充劑134可以形成在導電連接件132周圍以及晶圓110和積體電路晶粒50之間。底部填充劑134可以減少應力並保護因導電連接件132回流而產生的接頭。底部填充劑134可以由諸如模塑料、環氧樹脂或類似的底部填充劑材料形成。底部填充劑134可以在積體電路晶粒50附接到晶圓110之後通過毛細流(capillary flow)製程形成,或者可以在積體電路晶粒50附接到晶圓110之前通過合適的沉積方法形成。底部填充劑134可以液體或半液體形式應用,然後在後續固化。
在其他實施例(未單獨繪示)中,積體電路晶粒50是透過直接鍵合附接到晶圓110。舉例來說,混合鍵合、熔合鍵合、介電鍵合、金屬鍵合、或其類似方法可用於直接鍵合對應的介電層58、118和/或積體電路晶粒50與晶圓110的晶粒連接件56、116,而不使用黏著劑或焊料。當使用直接鍵合時,底部填充劑134可以省略。此外,可以混合使用結合技術,例如,一些積體電路晶粒50可以是通過焊料接合附接至晶圓110,而其他積體電路晶粒50可以是通過直接鍵合附接至晶圓110。
在圖4中,包封體136形成在積體電路晶粒50上和周圍。形成後,包封體136包覆積體電路晶粒50和底部填充劑134(如果存在)或導電連接件132。包封體136可以是模塑料、環氧樹脂或類似物。包封體136可以通過壓縮模塑(compression molding)、傳遞模塑(transfer molding)、或其類似方式應用,並且形成在晶圓110之上,使得積體電路晶粒50被掩埋或覆蓋。包封體136可以液體或半液體形式應用,然後在後續固化。可以將包封體136減薄以暴露積體電路晶粒50。減薄製程可以是研磨製程、化學機械拋光(CMP)、回蝕刻、其組合或類似製程。在減薄製程後,積體電路晶粒50的頂面和包封體136的頂面為共面(在製程偏差以內),以使其彼此齊平。可進行減薄直到已經去除了所需量的積體電路晶粒50和/或包封體136。
在圖5中,將基底112減薄以暴露導通孔120。導通孔120的暴露可以通過減薄製程來完成,例如研磨製程、化學機械拋光(CMP)、回蝕刻、其組合或類似製程。在一些實施例(未單獨示出)中,用於暴露導通孔120的減薄製程包括CMP,並且導通孔120由於在CMP期間發生凹陷而在晶圓110的背面突出。在這樣的實施例中,絕緣層(未單獨示出)可以選擇性地形成在基底112的背面,圍繞導通孔120的突出部分。絕緣層可以由含矽的絕緣體形成,例如氮化矽、氧化矽、氧氮化矽或其類似物,並且可以通過合適的沉積方法形成,例如旋轉塗佈、CVD、電漿增強CVD(PECVD)、高密度電漿CVD(HDP-CVD)或類似方法。在基底112減薄後,導通孔120的外露面與絕緣層(若有)或基底112的外露面為共面(在製程偏差以內),以使其相互齊平,並在晶圓110的背面暴露出。
在圖6中,凸塊底金屬(UBM)146形成在導通孔120和基底112的外露面上。作為在該實施例中形成凸塊底金屬146的示例,在導通孔120和基底112的暴露表面上形成種子層(未單獨示出)。在一些實施例中,種子層為金屬層,其可以是單層,也可以是由不同的材料組成的多個子層的複合層。在一些實施例中,種子層包括鈦層和鈦層上方的銅層。可以使用例如PVD或類似方法來形成種子層。然後在種子層上形成並圖案化光阻。光阻可以由旋轉塗佈或其類似方法形成,並且可以將其曝光以使其圖案化。光阻的圖案對應於凸塊底金屬146。圖案化製程形成穿過光阻的開口以暴露出種子層。然後在光阻的開口中和種子層的暴露部分上形成導電材料。導電材料可以通過鍍覆(plating)形成,例如電鍍(electroplating)或化學鍍(electroless plating)或類似製程。導電材料可以包括金屬,例如銅、鈦、鎢、鋁或類似物。然後,去除光阻及未形成導電材料於其上的部分種子層。可以通過可接受的灰化(ashing)或剝離(stripping)製程去除光阻,例如使用氧氣電漿或類似製程。一旦去除了光阻,去除種子層的暴露部分,例如通過使用可接受的蝕刻製程。種子層的剩餘部分和導電材料形成凸塊底金屬146。
此外,導電連接件148形成在凸塊底金屬146上。導電連接件148可以是球柵陣列(BGA)連接器、焊球、金屬柱、受控塌陷芯片連接(C4)凸塊、微凸塊、化學鍍鎳-化學鍍鈀浸金技術(ENEPIG)形成的凸塊或類似物。導電連接件148可以包括導電材料,例如焊料、銅、鋁、金、鎳、銀、鈀、錫等類似物或其組合。在一些實施例中,導電連接件148是通過蒸發、電鍍、印刷、焊料轉移、植球或類似方法初始形成焊料層而形成的。一旦在結構上形成焊料層,就可以進行回流(reflow)以形為所需的凸塊形狀。在另一個實施例中,導電連接件148包括通過濺射、印刷、電鍍、化學鍍、CVD或類似製程形成的金屬柱(例如銅柱)。金屬柱可以是無焊料的並且具有基本上垂直的側壁。在一些實施例中,金屬覆蓋層形成在金屬柱的頂部。金屬覆蓋層可以包括鎳、錫、錫-鉛、金、銀、鈀、銦、鎳-鈀-金、鎳-金等類似物或其組合,並且可以通過鍍覆製程形成。
在圖7中,背側金屬212沿封裝組件210的背面形成。背側金屬212由一個或多個層形成。背側金屬212可以包括多個層,每個層具有不同的組成和功能,例如黏附層、擴散阻擋層和抗氧化層。在一些實施例中,至少其中一層由具有高導熱率的材料形成。背側金屬212中的一個或多個層可以由金屬或金屬氮化物形成,例如鋁、鈦、氮化鈦、鎳、鎳釩(nickel vanadium)、銀、金、銅、其組合或其類似物,其可以通過PVD製程(例如濺射或蒸發)、鍍覆製程(例如化學鍍或電鍍)、印刷製程(例如噴墨印刷)或類似製程共形地形成。背側金屬212將於後續被單一化,以使每個封裝組件210包括背側金屬212的一部分。
儘管背側金屬212被示為在導電連接器148之後形成,但是在一些實施例中,背側金屬212可以在導電連接件148之前形成。
此外,單一化製程是通過沿著劃線區域例如在封裝件區100A周圍進行切割來執行。單一化製程可以包括鋸切、切割或類似製程。舉例來說,單一化製程可以包括鋸切包封體136、內連線結構114和基底112。單一化製程將封裝件區100A從相鄰的封裝件區中分割出。得到的單個封裝組件210是來自封裝件區100A。單一化製程從晶圓110的分割部分形成中介件102。作為單一化製程的結果,中介件102、背側金屬212和包封體136的外側壁橫向相連(在製程偏差內)。
圖8、9A、9B、10和11示出了製造實施例封裝中的各種附加步驟。封裝組件210將附接到封裝基底220(參見圖11),從而完成積體電路封裝200的形成。圖中示出了單個封裝組件210、單個封裝基底220和單個積體電路封裝200。應當理解,可以同時處理多個封裝組件以形成多個積體電路封裝200。
在圖8中,封裝組件210是利用導電連接件148附接至封裝基底220。封裝基底220包括基底核心222,其可以由半導體材料如矽、鍺、鑽石或類似物製成。或者,也可以使用化合物材料,例如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、砷化銦、磷化銦、矽鍺碳化物(silicon germanium carbide)、磷化砷鎵(gallium arsenic phosphide)、磷化銦鎵(gallium indium phosphide)、其組合或其類似物。另外,基底核心222可以是SOI基底。通常,SOI基底包括半導體材料層,例如磊晶矽、鍺、矽鍺、SOI、SGOI或其組合。在另一個實施例中,基底核心222是絕緣核心,例如玻璃纖維增強樹脂核心。一個示例性核心材料是玻璃纖維樹脂,例如FR4。核心材料的替代品包括雙馬來醯亞胺-三氮雜苯樹脂(bismaleimide-triazine (BT) resin),或者其他印刷電路板(PCB)材料或薄膜。基底核心222可以使用增層膜(build up film),例如味之素增層膜(ABF)或其他層壓材料。
基底核心222可以包括主動和被動元件(未單獨示出)。裝置例如電晶體、電容器、電阻器、其組合和類似者可用於生成系統設計的結構和功能要求。裝置可以使用任何合適的方法來形成。
基底核心222還可以包括金屬化層和通孔,以及在金屬化層和通孔之上的接合墊224。金屬化層可以形成在主動和被動元件之上,並設計用於連接各種裝置以形成功能電路。金屬化層可以由介電材料(例如,低介電常數介電材料)和導電材料(例如,銅)的交替層形成,其中交替層具有通孔以互連導電材料層,並且可以通過任何合適的製程(例如沉積、鑲嵌或其類似製程)形成。在一些實施例中,基底核心222基本上沒有主動和被動元件。
導電連接件148被回流以將凸塊底金屬146連接到接合墊224。導電連接件148將包括重佈線路結構的金屬化層的封裝組件210連接到包括基底核心222的金屬化層的封裝基底220。因此,封裝基底220與積體電路晶粒50電連接。在一些實施例中,被動元件(例如,表面安裝元件(SMD),未單獨示出)可以在安裝到封裝基底220上之前附接到封裝組件210(例如,結合到凸塊底金屬146)。在這樣的實施例中,被動元件可以與導電連接件148結合到封裝組件210的同一表面。在一些實施例中,被動元件226(例如,SMD)可以是附接到封裝基底220,例如至接合墊224。
在一些實施例中,在封裝組件210和封裝基底220之間形成底部填充劑228,其圍繞著導電連接件148。底部填充劑228可以在封裝組件210被附接之後由毛細流製程形成,或者可以在封裝組件210被附接之前由任何合適的沉積方法形成。底部填充劑228可以是從封裝基底220延伸到基底112的連續材料。
在圖9A和9B中,背側金屬212塗有助熔劑214。在一些實施例中,助熔劑214是免清洗助熔劑。助熔劑214可以噴射到背側金屬212上。如圖9B的俯視圖所示,助熔劑214大致覆蓋背側金屬212(在製程偏差以內)。在另一個實施例(隨後在圖12-17中描述)中,助熔劑214基本上沒有覆蓋背側金屬212。
在圖10中,黏著劑216形成在封裝基底220上以隨後將蓋子230(參見圖11)黏附到封裝基底220。黏著劑216可以是熱界面材料(TIM)、晶粒貼合膜(DAF)或類似物。舉例來說,黏著劑216可由熱界面材料形成,例如焊膏、聚合物材料或其類似物。黏著劑216可分配在封裝基底220和/或蓋子230上。蓋子230也可以透過其他技術附接到封裝基底220。
在圖11中,具有集成熱界面材料(TIM)232的蓋子230附接至封裝組件210和封裝基底220。蓋子230可以是熱蓋(thermal lid)、散熱器(heatsink)或類似物。在圖示的實施例中,蓋子230是熱蓋,其也是附接至封裝基底220。凹陷在熱蓋的底部,以便熱蓋可以覆蓋封裝組件210。在蓋子230是熱蓋的一些實施例中,熱蓋也可以覆蓋被動元件226。
TIM 232形成在蓋子230的凹陷中。在一些實施例中,TIM 232包括銦或其合金。TIM 232可以在蓋子230附接至封裝組件210或封裝基底220之前形成在蓋子230上。在一些實施例中,TIM 232通過PVD製程(例如濺射或蒸發)、鍍覆製程(例如化學鍍或電鍍)或類似製程形成。TIM 232可形成為具有10μm至1000μm範圍內的厚度T 1,例如100μm。在一些實施例中,TIM 232比背側金屬212厚。TIM 232可以形成為具有大於封裝組件210的寬度W 1的寬度W 2。在一些實施例中,寬度W 2比寬度大1毫米到10毫米的範圍。
通過將含銦的TIM 232集成到蓋子230中,此結構改進了可靠度,因為不需要金將銦接合到蓋子上,因此在含銦的TIM 232和蓋子230之間沒有含金的金屬間化合物(IMC)。如果有,含金IMC會在後續加工或封裝使用過程中破裂。
在背側金屬212包含金的實施例中,含金的IMC可以在背側金屬212和TIM 232之間形成。在這些實施例中,含金IMC的厚度可以在0.5µm到2µm的範圍內。
蓋子230可以由具有高導熱率的材料形成,例如金屬,例如銅、鎳、銦、鋼、鐵或類似物。在一些實施例中,蓋子230由銅、鎳和銦形成。蓋子230保護封裝組件210並形成熱通路以傳導來自封裝組件210的各個構件(例如,積體電路晶粒50)的熱量。蓋子230通過TIM 232熱耦合到封裝組件210的背面,例如背側金屬212的背面。通過使用熱夾持製程(thermal clamping process),將具有集成TIM 232的蓋子230附接至封裝組件210和封裝基底220,使得TIM 232與背側金屬212和/或蓋子230結合或接合。在一些實施例中,該製程包括加熱結構,同時向蓋子230和/或封裝基底220施加力。
也可以包括其他特徵和製程。舉例來說,可以包括測試結構,以幫助對3D封裝或3DIC裝置進行驗證測試。測試結構可以包括例如測試接墊形成在重佈線路層中或基底上,該基底為允許測試3D封裝或3DIC、允許使用探針和/或探針卡或類似的基底。驗證測試可以在中間結構以及最終結構上進行。此外,本文公開的結構和方法可與結合了已知良好晶粒的中間驗證的測試方法結合使用,以提高產量並降低成本。
圖12-17是按照一些其他實施例的積體電路封裝200在製造中的中間階段的視圖。這個實施例類似於圖1-11中描述的實施例,除了助熔劑層214不覆蓋背側金屬212而是形成在下面的晶粒之上。助熔劑214的分段形成可導致TIM 232結構在TIM 232覆蓋晶粒的區域之外具有間隙或凹陷。TIM 232中的這些間隙或凹陷可以減少應力並改善所得積體電路封裝200的可靠度。
在圖12中,封裝組件210以與圖8類似的方式結合到封裝基底220。
在圖13A和13B中,背側金屬212塗有助熔劑214。在這個實施例中,助熔劑214僅在封裝組件210的晶粒50之上形成(製程偏差以內)。這個製程使背側金屬212通過助熔劑214暴露在封裝組件210的晶粒50之間的空間中。
在圖14中,使用例如取放工具將TIM 232放置在封裝組件210上。在一些實施例中,TIM 232形成在單獨的結構(例如,晶圓或載體)上,然後放置在封裝組件210上。TIM 232可以是與前面實施例中描述的類似的材料和尺寸,在此不再贅述。
在圖15中,黏著劑216形成在封裝基底220上,助熔劑234形成在TIM 232上。黏著劑216和TIM 232用於隨後將蓋子230(參見圖17)黏附到封裝基底220和封裝組件210。蓋子230也可以由其他技術附接。
在圖17中,蓋子230是附接至TIM 232和封裝基底220。蓋子230可以是與前面實施例中描述的類似的材料和尺寸,在此不再贅述。蓋子230是通過使用熱夾持製程附接至TIM 232和封裝基底220,使得TIM 232與背側金屬212和/或蓋子230結合或接合。如圖17所示,在熱夾持製程期間,背側金屬212上的助熔劑214中的間隙導致在TIM 232中形成相應的間隙236。在一些實施例中,熱夾持製程包括將結構放置在溫度範圍為100°C至260°C的腔室中。
在背側金屬212包含金的實施例中,含金的IMC可以在背側金屬和TIM 232之間形成。在這些實施例中,含金IMC的厚度可以在0.5µm到2µm的範圍內。
通過使TIM 232結構在TIM 232與晶粒重疊的區域之外具有間隙或凹陷,可以減少由TIM 232與封裝組件210和封裝基底220之間的熱膨脹係數(CTE)不匹配引起的應力。這種封裝結構中應力的降低可以提高所得積體電路封裝200的可靠度。
實施例可能會取得優勢。在一些實施例中,在封裝組件附接至封裝基底之後,具有集成散熱結構的蓋子同時附接至封裝組件和封裝基底。集成散熱結構可以通過鍍覆製程形成在蓋子並且可以包括銦。通過將銦散熱結構集成到蓋子中,因為銦散熱結構和蓋子之間沒有含金的金屬間化合物(IMC),該結構具有改進的可靠度。如果有,含金IMC會在後續加工或封裝使用過程中破裂。此外,在一些實施例中,銦散熱結構形成為在結構覆蓋積體電路晶片的區域之外具有間隙或凹陷。銦散熱結構中的這些間隙或凹陷可以減少封裝中的應力並改善可靠度。
在實施例中,裝置包括封裝組件,封裝組件包括積體電路晶粒以及連接到積體電路晶粒的導電連接件,導電連接件設置在封裝組件的前側處。裝置還包括在封裝組件的背面的背側金屬層。裝置還包括位於背側金屬層背面的銦熱界面材料。裝置還包括位於銦熱界面材料的背面的蓋子。裝置還包括連接到導電連接件的封裝基底,蓋子黏附在封裝基底上。
實施例可以包括以下特徵中的一種或多種。裝置的銦熱界面材料比封裝組件寬。銦熱界面材料比背側金屬層厚。背側金屬層包括多個金屬層。背側金屬層包括鋁、鈦、氮化鈦、鎳、鎳釩、銀、金、銅或其組合。裝置還包括介於封裝基底和封裝組件之間的底部填充劑。封裝組件是晶圓上覆晶片封裝組件。銦熱界面材料中有間隙。背側金屬層包括金,含金金屬間化合物(IMC)在背側金屬層和銦熱界面材料的界面處,銦熱界面材料和蓋子之間的界面沒有含金IMC。
在實施例中,方法包括將積體電路晶粒封裝在晶圓的封裝件區中。方法還包括在積體電路晶粒的背面沉積背側金屬層。方法還包括將封裝件區從晶圓中單一化以形成封裝組件。方法還包括在單一化封裝件區之後,將封裝組件連接到封裝基底。方法還包括在背側金屬層上放置銦熱界面材料。方法還包括將蓋子接附到封裝基底,蓋子耦接到銦熱界面材料。
實施例可以包括以下特徵中的一種或多種。方法還包括在銦熱界面材料上分配第一助熔劑,第一助熔劑在銦熱界面材料和蓋子之間。將蓋子附接到封裝基底還包括執行熱夾持製程以將蓋子黏附到封裝基底和銦熱界面材料。在執行熱夾持製程後,銦熱界面材料具有間隙。方法還包括在封裝組件的背面分配第二助熔劑,第二助熔劑覆蓋封裝組件的背面。方法還包括在封裝組件的背面分配第二助熔劑,第二助熔劑僅在封裝組件的積體電路晶粒的背面上。方法還包括在將封裝組件連接到封裝基底之後,且在背側金屬層上放置銦熱界面材料之前,在封裝基底的頂面上分配黏著層,黏著層將蓋子黏附到封裝基底上。
在實施例中,方法包括在晶圓的封裝件區中將多個積體電路晶粒接合到晶圓。方法還包括用模塑料包封多個積體電路晶粒。方法還包括在模塑料和多個積體電路晶粒的背面上形成背側金屬層。方法還包括將封裝件區從晶圓中單一化以形成封裝組件。方法還包括將封裝組件接合到封裝基底。方法還包括在接合的封裝組件的積體電路晶粒的背面沉積第一助熔劑。方法還包括將熱界面材料附接到第一助熔劑,熱界面材料包括銦。方法還包括將蓋子附接到封裝基底,熱界面材料耦接到蓋子。
實施例可以包括以下特徵中的一種或多種。方法還包括在將熱界面材料連接到第一助熔劑及將蓋子連接到基底之前,將熱界面材料鍍覆在蓋子上。將第一助熔劑沉積在接合的封裝組件的積體電路晶粒的背面的方法包括將第一助熔劑沉積在積體電路晶粒的背面與模塑料上,以覆蓋封裝組件的背面。方法還包括執行熱夾持製程以將蓋子附接到封裝基底和熱界面材料,熱夾持製程在熱界面材料中形成間隙。
上述概述了幾個實施例中的特徵,以便本領域技術人員可以更好地理解本發明的態樣。本領域技術人員應當理解,他們可以容易地使用本揭露作為設計或修改其他製程和結構的基礎,以實現與本文介紹的實施例相同的目的和/或實現相同的優點。本領域技術人員還應該意識到,這樣的等效結構不脫離本揭露的精神和範圍,並且在不脫離本公開的精神和範圍的情況下,它們可以在本文中進行各種改變、替換和變更。
50:積體電路晶粒 50B:第一積體電路晶粒 50A:第二積體電路晶粒 50F:前側 52:半導體基底 54:內連線結構 56:晶粒連接件 58:介電層 100:晶圓 100A:封裝件區 102:中介件 110:晶圓 112:基底 114:內連線結構 116:晶粒連接件 118:介電層 120:導通孔 132:導電連接件 134:底部填充劑 136:包封體 146:凸塊底金屬 148:導電連接件 200:積體電路封裝 210:封裝組件 212:背側金屬 214:助熔劑 216:黏著劑 220:封裝基底 222:基底核心 224:接合墊 226:被動元件 228:底部填充劑 230:蓋子 232:熱界面材料(TIM) 234:助熔劑 236:間隙 T 1:厚度 W 1, W 2:寬度
當結合隨附圖式閱讀時,自以下詳細描述最佳地理解本揭露的態樣。應注意,根據業界中的標準慣例,各種特徵未按比例繪製。事實上,為了論述清楚起見,可任意增大或減小各種特徵的尺寸。 圖1是積體電路晶粒的剖視圖。 圖2、3、4、5、6、7、8、9A、9B、10和11是根據一些實施例在製造積體電路封裝的中間階段的視圖。 圖12、13A、13B、14、15、16和17是根據一些實施例在製造積體電路封裝的中間階段的視圖。
146:凸塊底金屬
148:導電連接件
200:積體電路封裝
210:封裝組件
212:背側金屬
214:助熔劑
216:黏著劑
220:封裝基底
222:基底核心
224:接合墊
226:被動元件
228:底部填充劑
230:蓋子
232:熱界面材料(TIM)
T1:厚度
W1,W2:寬度

Claims (20)

  1. 一種裝置,包括: 封裝組件,包括積體電路晶粒及連接到所述積體電路晶粒的導電連接件,所述導電連接件設置在所述封裝組件的前側; 背側金屬層,位在所述封裝組件的背面; 銦熱界面材料,位在所述背側金屬層的背面; 蓋子,位在所述銦熱界面材料的背面;以及 封裝基底,連接到所述導電連接件,所述蓋子被黏附到所述封裝基底。
  2. 如請求項1所述的裝置,其中所述銦熱界面材料比所述封裝組件寬。
  3. 如請求項1所述的裝置,其中所述銦熱界面材料比所述背側金屬層厚。
  4. 如請求項1所述的裝置,其中所述背側金屬層包括多個金屬層。
  5. 如請求項1所述的裝置,其中所述背側金屬層包括鋁、鈦、氮化鈦、鎳、鎳釩、銀、金、銅或其組合。
  6. 如請求項1所述的裝置,更包括: 底部填充劑,位在所述封裝基底和所述封裝組件之間。
  7. 如請求項1所述的裝置,其中所述封裝組件是晶圓上覆晶片封裝組件。
  8. 如請求項1所述的裝置,其中在所述銦熱界面材料中具有間隙。
  9. 如請求項1所述的裝置,其中所述背側金屬層包括金,含金金屬間化合物(IMC)在所述背側金屬層和所述銦熱界面材料的界面處,所述銦熱界面材料和所述蓋子之間的界面沒有含金IMC。
  10. 一種方法,包括: 將積體電路晶粒封裝在晶圓的封裝件區中; 在所述積體電路晶粒的背面沉積背側金屬層; 將所述封裝件區從所述晶圓中單一化,以形成封裝組件; 在所述封裝件區單一化後,將所述封裝組件連接至封裝基底; 在所述背側金屬層上放置銦熱界面材料;以及 將蓋子附接到所述封裝基底,所述蓋子耦接到所述銦熱界面材料。
  11. 如請求項10所述的方法,更包括: 在所述銦熱界面材料上分配第一助熔劑,所述第一助熔劑在所述銦熱界面材料和所述蓋子之間。
  12. 如請求項10所述的方法,其中將所述蓋子附接到所述封裝基底更包括:執行熱夾持製程以將所述蓋子黏附到所述封裝基底和所述銦熱界面材料。
  13. 如請求項12所述的方法,其中在執行所述熱夾持製程之後,所述銦熱界面材料具有間隙。
  14. 如請求項10所述的方法,更包括: 在所述封裝組件的背面分配第二助熔劑,所述第二助熔劑覆蓋所述封裝組件的所述背面。
  15. 如請求項10所述的方法,更包括: 在所述封裝組件的背面分配第二助熔劑,所述第二助熔劑僅在所述封裝組件的所述積體電路晶粒的背面上。
  16. 如請求項10所述的方法,更包括: 在將所述封裝組件連接到所述封裝基底之後且在將所述銦熱界面材料放置在所述背側金屬層上之前,將黏著層分配到所述封裝基底的頂面上,所述黏著層將所述蓋子黏附到所述封裝基底。
  17. 一種方法,包括: 在晶圓的封裝件區中,將多個積體電路晶粒連接到所述晶圓; 用模塑料包封所述多個積體電路晶粒; 在所述模塑料和所述多個積體電路晶粒的背面形成背側金屬層; 將所述封裝件區從所述晶圓中單一化以形成封裝組件; 將所述封裝組件連接到封裝基底; 在接合所述封裝組件的所述積體電路晶粒的所述背面沉積第一助熔劑; 將熱界面材料接附到所述第一助熔劑,所述熱界面材料包括銦;以及 將蓋子附接到所述封裝基底,所述熱界面材料耦接到所述蓋子。
  18. 如請求項17所述的方法,更包括: 在將所述熱界面材料附接到所述第一助熔劑並將所述蓋子附接到所述封裝基底之前,在所述蓋子上鍍覆所述熱界面材料。
  19. 如請求項17所述的方法,在所述接合的封裝組件的所述積體電路晶粒的所述背面上沉積所述第一助熔劑包括在所述積體電路晶粒和所述模塑料的背面上沉積所述第一助熔劑以覆蓋所述封裝組件的背面。
  20. 如請求項17所述的方法,更包括: 執行熱夾持製程以將所述蓋子附接到所述封裝基底和所述熱界面材料,所述熱夾持製程在所述熱界面材料中形成間隙。
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