層疊封裝結構及其形成方法
【專利摘要】一種半導體器件包括第一封裝元件和第二封裝元件。第一封裝元件具有形成在第一襯底上的第一管芯。第二封裝元件具有在形成第二襯底上的第二管芯。熱隔離材料附接至第一管芯，其中，熱隔離材料使第二管芯與第一管芯熱絕緣，并且熱隔離材料的熱導率在約0.024W/mK至約0.2W/mK的范圍內。第一組導電元件將第一封裝元件耦合至第二封裝元件。本發(fā)明還提出了層疊封裝件及其形成方法。
【專利說明】層疊封裝結構及其形成方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及半導體【技術領域】，更具體地，涉及層疊封裝件及其形成方法。
【背景技術】
[0002]層疊封裝件(POP)由于其允許更高密度的電子器件而成為越來越受歡迎的集成電路封裝技術。
[0003]傳統(tǒng)的層疊封裝結構可以包括底部封裝元件和頂部封裝元件。底部封裝元件可以包括附接至底部襯底的底部管芯，而頂部封裝元件可以包括附接至頂部襯底的頂部管芯。通常通過諸如焊球的導電元件組將底部封裝元件耦合至頂部封裝元件。在運行中，兩個封裝元件都產生熱量。然而由底部管芯產生的多余熱量會損害頂部管芯，尤其是在底部管芯為器件管芯的情況下。熱量也可能導致層疊封裝結構中的熱應力和翹曲從而導致焊球破裂。即使在層疊封裝結構中使用模塑料，也不能完全消除多余熱量和翹曲的問題。

【發(fā)明內容】

[0004]為了解決現有技術中所存在的缺陷，根據本發(fā)明的一方面，提供了一種半導體器件，包括:第一封裝元件，具有形成在第一襯底上的第一管芯；第二封裝元件，具有形成在第二襯底上的第二管芯；第一組導電元件，將所述第一封裝元件耦合至所述第二封裝元件；以及熱隔離材料，處于所述第一封裝元件和所述第二封裝元件之間。
[0005]該半導體器件還包括:第二組導電元件，將所述第一管芯耦合至所述第一襯底；以及第三組導電元件，將所述第二管芯耦合至所述第二襯底。
[0006]在該半導體器件中，所述第三組導電元件包括接合弓I線。
[0007]該半導體器件還包括模塑料，所述模塑料模制在所述第一襯底上并環(huán)繞所述第一管芯、所述第一組導電元件和所述第二組導電元件，并且所述模塑料還模制在所述第二襯底上并環(huán)繞所述第二管芯和所述第三組導電元件。
[0008]在該半導體器件中，所述第一管芯是邏輯芯片。
[0009]在該半導體器件中，所述第二管芯是存儲芯片。
[0010]在該半導體器件中，所述熱隔離材料是其中具有空氣或真空的密封環(huán)。
[0011]在該半導體器件中，所述熱隔離材料包括選自由蠟、管芯附接膜(DAF)、氣凝膠、膠帶、熱界面材料(TIM)和粘合劑所組成的組的材料。
[0012]在該半導體器件中，所述熱隔離材料的厚度在約10微米至約100微米的范圍內。
[0013]在該半導體器件中，所述熱隔離材料是具有約0.024ff/mK至約0.2ff/mK的熱導率的材料。
[0014]根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種層疊封裝件，包括:底部封裝元件，具有形成在底部襯底上的至少一個底部管芯；頂部封裝元件，具有形成在頂部襯底上的至少一個頂部管芯；熱隔離材料，附接至所述底部管芯，其中，所述熱隔離材料的熱導率在約0.024W/mK至約0.2ff/mK的范圍內；以及第一組導電元件，將所述底部襯底耦合至所述頂部襯底。[0015]該層疊封裝件還包括:第二組導電元件，將所述至少一個底部管芯耦合至所述底部襯底；以及第三組導電元件，將所述至少一個頂部管芯耦合至所述頂部襯底。
[0016]該層疊封裝件還包括模塑料，所述模塑料模制在所述底部襯底上并環(huán)繞所述底部管芯、所述第一組導電元件和所述第二組導電元件，并且所述模塑料還模制在所述頂部襯底上并環(huán)繞所述頂部管芯和所述第三組導電元件。
[0017]在該層疊封裝件中，所述熱隔離材料是其中具有空氣或真空的密封環(huán)。
[0018]在該層疊封裝件中，所述熱隔離材料包括選自由蠟、管芯附接膜(DAF)、氣凝膠、膠帶、熱界面材料(TIM)和粘合劑所組成的組的材料。
[0019]在該層疊封裝件中，所述熱隔離材料的厚度在約10微米至約100微米的范圍內。
[0020]該層疊封裝件還包括環(huán)繞第二組導電元件和第三組導電元件的底部填充物。
[0021]根據本發(fā)明的又一方面，提供了一種形成封裝件的方法，包括提供第一封裝元件，所述第一封裝元件具有形成在第一襯底上的第一管芯；提供第二封裝元件，所述第二封裝元件具有形成在第二襯底上的第二管芯；將熱隔離材料附接至所述第一管芯，所述熱隔離材料基本使所述第二管芯與所述第一管芯熱絕緣；以及通過第一組導電元件將所述第一封裝元件耦合至所述第二封裝元件。
[0022]該方法還包括:通過第二組導電元件將所述第一管芯耦合至所述第一襯底；以及通過第三組導電元件將所述第二管芯耦合至所述第二襯底。
[0023]該方法還包括:在所述第一封裝元件和所述第二封裝元件上方形成模塑料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]當結合附圖進行閱讀時，根據下面詳細的描述可以更好地理解本發(fā)明。應該強調的是，根據工業(yè)中的標準實踐，各種部件沒有按比例繪制。實際上，為了清楚討論起見，各種部件的尺寸可以被任意增大或縮小。
[0025]圖1是根據本發(fā)明的各個實施例的制造層疊封裝結構的方法的流程圖。
[0026]圖2至圖6是根據本發(fā)明的各個實施例的處于制造層疊封裝結構的各個中間階段的頂部封裝件和/或底部封裝件的截面圖。
【具體實施方式】
[0027]在以下描述中，闡述了許多特定的細節(jié)以提供本發(fā)明的實施例的完全理解。然而，本領域的普通技術人員應意識到沒有這些特定的細節(jié)也可實施本發(fā)明的實施例。在一些實例中，沒有詳細描述公知的結構和工藝從而避免了本發(fā)明的不必要的模糊的實施例。
[0028]整個本說明書中引用“一個實施例”或“某個實施例”意味著本發(fā)明的至少一個實施例包括關于所述實施例而描述的特定部件、結構或特征。因此在本說明書的各個位置出現的短語“在一個實施中”或“在某個實施例中”不一定都指同一個實施例。而且，在一個或多個實施例中可以以任何合適的方式組合特定部件、結構或特征。應理解，以下附圖沒有按比例繪制；而這些附圖只是為了闡明。
[0029]圖1是根據本發(fā)明的各個方面制造層疊封裝件的方法100的流程圖。參考圖1,方法包括框110，其中，提供了第一封裝元件，該第一封裝元件具有形成在第一襯底上的第一管芯。方法100包括框120，其中，提供第二封裝元件，該第二封裝元件具有形成在第二襯底上的第二管芯。方法100包括框130，其中，熱隔離材料附接至第一管芯。該熱隔離材料使第二管芯與第一管芯基本上熱絕緣。方法100包括框140，其中，第一封裝元件通過導電元件組與第二封裝元件耦合。
[0030]應該理解，可以在圖1所示的框110至140之前、期間或之后實施其他工藝以完成層疊封裝結構的制造，但是為了簡明，本文不詳細討論這些其他工藝。
[0031]圖2至圖6是根據圖1的方法100的實施例處于制造層疊封裝結構的各個制造階段的頂部封裝件和/或底部封裝件的示意性部分截面?zhèn)纫晥D。應該理解，為了更好地理解本發(fā)明的發(fā)明構思已經簡化了圖2至圖6。應該認識到，本文描述的材料、幾何形狀、尺寸、結構和工藝參數僅僅是示例性的，并不意圖和不應該被解釋為限制本文要求保護的發(fā)明。許多選擇和改變對于知曉本發(fā)明的本領域的那些技術人員來說是顯而易見的。
[0032]將參考圖2至圖6討論層疊封裝結構的實施例。圖2示出在層疊封裝結構中使用的頂部封裝件I。可以利用塑料球柵陣列(PBGA)封裝件組裝工藝等形成頂部封裝件1，該頂部封裝件I包括多個堆疊管芯2，該多個堆疊管芯2可以通過接觸件16 (位于相應的堆疊管芯2上)、接合引線6和接觸件12 (位于頂部襯底10上)引線接合至頂部襯底10。獨立堆疊管芯可以包括存儲芯片、邏輯芯片、處理器芯片等。盡管圖2示出三個堆疊管芯，但這僅是為了說明。同樣地，引線接合的使用僅僅是示例性的，而且電連接堆疊管芯的其他方法在本發(fā)明的預期范圍內。例如，也可以預期使用焊料凸塊、焊球、銅柱、導電凸塊、焊料保護件(solder cap)、導電柱、導電球、凸塊底部金屬化層和/或其他連接元件以將堆疊管芯2連接至頂部襯底10。在一些實施例中，底部填充物(未示出)分配在堆疊管芯2和頂部襯底10之間的間隙中，從而加強層疊封裝結構的強度。
[0033]頂部襯底10可以是由非導電聚合物層(諸如雙馬來酰亞胺三嗪(BT))和圖案化的(或非圖案化的)導電層的交替層所組成的層壓電路板。如上所述，頂部襯底10具有位于第一面(為了方便，有時在本文中稱為頂面)上的用于電連接至堆疊管芯2的接觸件12。頂部襯底10還具有位于第二面(為了方便，有時在本文中稱為底面)上的用于電連接至以下將要詳述的其他元件的底部接觸件24。焊球36附接至襯底10的底部接觸件24。焊球36允許頂部封裝件I和底部封裝件34(在圖2中未示出，但在圖3和圖4中示出)之間的電連接和/或熱連接。在所示的實施例中，焊球36為堆疊管芯2提供信號和功率的電傳導。此外，可以使用諸如導電凸塊、導電球、導電柱等的其他連接元件代替焊球36。
[0034]在一些實施例中，對頂部封裝件I施加模塑料35從而提供機械剛度和提高層疊封裝結構的機械強度。應該相信，該機械剛度防止或至少降低例如由所得到的封裝件的元件之間的熱膨脹失配而導致的翹曲的嚴重程度?？梢允褂美鐗核艹尚突蜣D印成型在襯底10上模制模塑料35并使模塑料35環(huán)繞堆疊管芯2和接合引線6。然后，可以實施固化步驟以使模塑料35凝固。模塑料35可以包括基于聚合物的材料、底部填充物、模制底部填充物(MUF)、環(huán)氧樹脂等。
[0035]如圖5所示，頂部封裝件I通過焊球36附接至底部封裝件34。如圖3所示，底部封裝件34包括管芯37，管芯37是附接至底部襯底38的倒裝芯片，并且管芯37通過連接元件39電連接至底部襯底38。管芯37可以包括邏輯芯片、處理器芯片、存儲芯片等。例如，連接元件39可以包括焊料凸塊、焊球、銅柱、導電凸塊、焊料保護件、導電柱、導電球和凸塊底部金屬化層。在一些實施例中，底部填充物(未示出)分配在管芯37和底部襯底38之間的間隙中從而加強層疊封裝結構的強度。通過與底部襯底38 —面上的連接元件39和底部襯底38的另一面上的連接元件42對準的通孔(未示出)來提供管芯37和下面的主板或其他電路(未示出)之間的電連接。同樣地，通過焊球36、通孔和連接元件42來提供頂部襯底10和下面的主板或其他電路的電連接。
[0036]在運行中，分別包括管芯37和堆疊管芯2的底部封裝件34和頂部封裝件I都產生熱量。管芯37 (尤其是在底部管芯是處理器管芯的情況下)產生的熱量會損害頂部管芯或堆疊管芯2。熱量也可能導致層疊封裝結構中的熱應力和翹曲從而導致諸如焊球的連接元件破裂。如圖3所示，本發(fā)明的層疊封裝結構的優(yōu)點是底部封裝件34的附接至管芯37之上并使堆疊管芯2與管芯37所產生的熱量熱絕緣的熱隔離材料50。在一個實施例中，因為由于熱隔離材料50，頂部封裝件I和底部封裝件34與熱絕緣，所以其他優(yōu)點是更好地控制層疊封裝結構中的翹曲。換句話說，熱隔離材料50阻止了作為頂部封裝件I和底部封裝件34之間的熱膨脹系數(CTE)失配的結果可能發(fā)生的翹曲。
[0037]在一些實施例中，熱隔離材料50是熱導率為約0.024ff/mK至約0.2ff/mK的材料。熱隔離材料50可以包括多孔膜、蠟膜、管芯附接膜(DAF)、氣凝膠、膠帶、熱界面材料(--Μ)或粘合劑。在熱隔離材料50是--Μ的情況下，TIM可以包括焊膏、粘合劑或熱脂。在一些實施例中，熱隔離材料50的厚度在約10微米至約100微米的范圍內。圖5示出層疊封裝結構中的熱隔離材料50，其中底部封裝件34附接至頂部封裝件I。
[0038]在其他實施例中，如圖4和圖6所示熱隔離材料50是在其中具有空氣或真空77的密封環(huán)55，該密封環(huán)55位于底部封裝件34附接至頂部封裝件I的層疊封裝結構中?？諝饣蛘婵赵谡＿\行條件下是理想熱絕緣體。在其他實施例中，密封環(huán)55提供約OW/mK的熱導率。密封環(huán)50分配在管芯37上，以在以下將要闡述的模制工藝期間提供真空間隙。
[0039]在一些實施例中，在對管芯37施加熱隔離材料50或密封環(huán)55之后，對底部封裝件34施加模塑料35，以提供機械剛度和提高層疊封裝結構的機械強度?？梢允褂美鐗核艹尚突蜣D印成型在襯底38上 模制模塑料35并使模塑料35環(huán)繞管芯37和連接元件39。然后可以執(zhí)行固化步驟從而使模塑料35凝固。模塑料35可以包括基于聚合物的材料、底部填充物劑、模制底部填充物(MUF)、環(huán)氧樹脂等。再參考圖4，為了形成空氣或真空77，環(huán)繞密封環(huán)55形成模塑料35從而在其中封裝空氣或真空77。
[0040]圖2至圖6示出的層疊封裝結構僅是為了說明的目的并不用于限制?？梢钥紤]其他的實施例。
[0041]本發(fā)明的一個或多個實施例的優(yōu)點可以包括以下優(yōu)點中的一個或多個。
[0042]在一個或多個實施例中，在包括具有頂部管芯的頂部封裝件和具有底部管芯的底部封裝件的層疊封裝結構中，頂部管芯基本上與底部管芯所產生的熱量絕緣。
[0043]在一個或多個實施例中，由于頂部封裝件和底部封裝件基本上與熱絕緣，所以更好地控制層疊封裝結構中的翹曲。
[0044]本發(fā)明已經描述了各個示例性實施例。根據一個實施例，半導體器件包括第一封裝元件和第二封裝元件。第一封裝元件具有在第一襯底上形成的第一管芯。第二封裝元件具有在第二襯底上形成的第二管芯。第一組導電元件將第一封裝元件耦合至第二封裝元件。熱隔離材料被施加在第一管芯上并處于第一封裝元件和第二封裝元件之間，其中熱隔離材料使第二管芯與第一管芯熱絕緣。在一些實施例中，熱隔離材料包括密封環(huán)和氣隙。[0045]根據另一個實施例，層疊封裝件包括底部封裝元件和頂部封裝元件。底部封裝元件至少具有形成在底部襯底上的底部管芯。頂部封裝元件至少具有形成在頂部襯底上的頂部管芯。熱隔離材料附接至底部管芯，其中，熱隔離材料使頂部管芯與底部管芯熱絕緣。熱隔離材料的熱導率在約0.024ff/mK至約0.2ff/mK的范圍內。第一組導電元件將底部襯底耦合至頂部襯底。在一些實施例中，熱隔離材料包括密封環(huán)和氣隙。
[0046]根據又一個實施例，公開了形成封裝件的方法。提供了第一封裝元件，該第一封裝元件具有形成在第一襯底上的第一管芯。提供了第二封裝元件，該第二封裝元件具有形成在第二襯底上的第二管芯。熱隔離材料附接至第一管芯，其中，熱隔離材料使第二管芯與第一管芯熱絕緣。第一封裝元件通過第一組導電元件耦合至第二封裝元件。在一些實施例中，熱隔離材料包括密封環(huán)和氣隙。
[0047]在以上詳細的描述中，已經描述了具體的示例性實施例。然而，對于本領域普通技術人員來說，很明顯在不背離本發(fā)明的寬泛主旨和范圍的情況下，可以對本發(fā)明作出各種更改、結構、工藝和改變。因此，說明書和附圖是為了說明而不用于限定。據了解本發(fā)明的實施例可以使用各種其它組合和環(huán)境且可以在權利要求的范圍內進行改變或更改。
【權利要求】
1.一種半導體器件，包括: 第一封裝元件，具有形成在第一襯底上的第一管芯； 第二封裝元件，具有形成在第二襯底上的第二管芯； 第一組導電元件，將所述第一封裝元件耦合至所述第二封裝元件；以及 熱隔離材料，處于所述第一封裝元件和所述第二封裝元件之間。
2.根據權利要求1所述的半導體器件，還包括: 第二組導電元件，將所述第一管芯耦合至所述第一襯底；以及 第三組導電元件，將所述第二管芯耦合至所述第二襯底。
3.根據權利要求2所述的半導體器件，其中，所述第三組導電元件包括接合弓I線。
4.根據權利要求2所述的半導體器件，還包括模塑料，所述模塑料模制在所述第一襯底上并環(huán)繞所述第一管芯、所述第一組導電元件和所述第二組導電元件，并且所述模塑料還模制在所述第二襯底上并環(huán)繞所述第二管芯和所述第三組導電元件。
5.根據權利要求1所述的半導體器件，其中，所述第一管芯是邏輯芯片。
6.根據權利要求1所述的半導體器件，其中，所述第二管芯是存儲芯片。
7.根據權利要求1所述的半導體器件，其中，所述熱隔離材料是其中具有空氣或真空的密封環(huán)。
8.根據權利要求1所述的半導體器件，其中，所述熱隔離材料包括選自由蠟、管芯附接膜(DAF)、氣凝膠、膠帶、熱界面材料(TIM)和粘合劑所組成的組的材料。
9.一種層疊封裝件，包括: 底部封裝元件，具有形成在底部襯底上的至少一個底部管芯； 頂部封裝元件，具有形成在頂部襯底上的至少一個頂部管芯； 熱隔離材料，附接至所述底部管芯，其中，所述熱隔離材料的熱導率在約0.024ff/mK至約0.2W/mK的范圍內；以及 第一組導電元件，將所述底部襯底耦合至所述頂部襯底。
10.一種形成封裝件的方法，包括 提供第一封裝元件，所述第一封裝元件具有形成在第一襯底上的第一管芯； 提供第二封裝元件，所述第二封裝元件具有形成在第二襯底上的第二管芯； 將熱隔離材料附接至所述第一管芯，所述熱隔離材料基本使所述第二管芯與所述第一管芯熱絕緣；以及 通過第一組導電元件將所述第一封裝元件耦合至所述第二封裝元件。
【文檔編號】H01L21/56GK103811430SQ201310250366
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年6月21日 優(yōu)先權日:2012年11月8日
【發(fā)明者】陳孟澤, 黃貴偉, 蔡再宗, 洪艾蒂, 鄭明達, 劉重希 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司