嵌入式半導(dǎo)體裝置封裝及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及封裝半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)和方法，更特別地，涉及具有形 成封裝中的所有電互連和熱互連的功率覆蓋（POL)互連件的嵌入式封裝結(jié)構(gòu)。
[0002] 表面安裝技術(shù)是一種構(gòu)造電子電路的方法，其中表面安裝構(gòu)件或封裝被直接安裝 在印刷電路板（PCB)或其它類似外部電路的表面。工業(yè)中，表面安裝技術(shù)已經(jīng)取代了使用 引線穿過電路板中的孔而匹配構(gòu)件的穿孔技術(shù)構(gòu)造方法。
[0003] 對于表面安裝半導(dǎo)體裝置（或多芯片模塊）的一個(gè)普遍的技術(shù)問題是提供封裝結(jié) 構(gòu)，其中裝置/模塊被密封在嵌入組合物內(nèi)。封裝制造工藝以通過粘接的方式在介電層上 定位一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體裝置開始，介電層覆蓋每一個(gè)半導(dǎo)體裝置的活性側(cè)。然后，金屬互連 件被電鍍在介電層上，以形成與半導(dǎo)體裝置的直接金屬連接?；ミB可以通過額外的層壓再 分布層分路，如果期望，提供輸入/輸出系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)表面安裝封裝件在PCB或外部電路上。 嵌入組合物被施加在半導(dǎo)體裝置周圍以密封其中的半導(dǎo)體裝置。
[0004] 在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體裝置是高壓功率半導(dǎo)體裝置，功率半導(dǎo)體裝置能通過功 率覆蓋（POL)封裝的方式和互連系統(tǒng)被表面安裝到外部電路上，POL封裝也提供通過裝置 移除熱量并保護(hù)裝置免受外部環(huán)境影響。標(biāo)準(zhǔn)的POL封裝制造工藝典型地以通過粘結(jié)劑以 及鉆出穿過電介質(zhì)到裝置的通孔來將一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體裝置定位在介電層上開始。然后金 屬互連件（例如，銅互連件）電鍍在介電層上并進(jìn)入通路以形成到半導(dǎo)體裝置的直接金屬 連接，從而形成子模塊。金屬互連件可以是以低形貌、平坦互連結(jié)構(gòu)，其提供為通向或來自 半導(dǎo)體裝置的輸入/輸出（I/O)系統(tǒng)的形成。然后，POL子模塊使用電和熱連接的焊接互 連被焊接到陶瓷襯底（如帶DBC的氧化鋁，帶AMB Cu的AIN等）。然后，介電層和陶瓷襯底 之間的半導(dǎo)體裝置周圍的間隙利用介電有機(jī)材料使用毛細(xì)流動（毛細(xì)底層填充）、非流動 底層填充或注塑成型（模塑組合物）以形成POL封裝。
[0005] 關(guān)于上面陳述的使半導(dǎo)體裝置、模塊和/或功率裝置嵌入的封裝制造工藝，公認(rèn) 的是，有許多缺點(diǎn)與此相關(guān)。例如，當(dāng)要求濕度敏感性水平（MSL)條件時(shí)，通常使用的密封 和嵌入組合物具有有限的可靠性，由于它們的不好的斷裂韌性和高的濕氣吸收。另外，通常 使用的密封/嵌入組合物可能采購昂貴且應(yīng)用緩慢而耗時(shí)。
[0006] 此外，特別地關(guān)于封裝功率裝置/模塊，通常負(fù)責(zé)電和熱連接POL子模塊到陶瓷襯 底的焊接操作可能費(fèi)錢并費(fèi)時(shí)，由焊接引起的額外的溫度的劇增也嚴(yán)重地影響了模塊的可 靠性。更進(jìn)一步，由于陶瓷襯底的尺寸/厚度，在POL封裝位置陶瓷襯底的包含物限制了 POL封裝尺寸/厚度可能的減少（即小型化）。因此，在增加電、熱和機(jī)械性能時(shí)期望使模 塊小型化以減小系統(tǒng)重量、花費(fèi)和尺寸，這被目前的POL封裝結(jié)構(gòu)所限制。
[0007] 因此，期望提供能與表面安裝兼容的半導(dǎo)體裝置封裝結(jié)構(gòu)，并具有非常小的厚度。 更進(jìn)一步期望這樣的封裝結(jié)構(gòu)以降低的成本制造但增加系統(tǒng)水平性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明的實(shí)施例通過提供具有在封裝中形成所有電和熱互連的POL互連件的POL 封裝結(jié)構(gòu)來克服上述缺陷。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，封裝結(jié)構(gòu)包括第一介電層，附接于第一介電層的至少一 個(gè)半導(dǎo)體裝置，施加于第一介電層且在至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置周圍以使至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置 嵌入其中的一個(gè)或多個(gè)介電片材，以及形成在至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置的多個(gè)通路，多個(gè)通路 形成在第一介電層和一個(gè)或多個(gè)介電片材中的至少一者。封裝結(jié)構(gòu)還包括形成在多個(gè)通路 中和在封裝結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)朝外表面的金屬互連件，以形成到至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置的電 互聯(lián)。第一介電層由在層壓工藝期間不流動的材料組成，并且一個(gè)或多個(gè)介電片材中的每 一個(gè)由可固化材料組成，該材料被構(gòu)造成在層壓工藝期間當(dāng)固化時(shí)熔化并流動，使得一個(gè) 或多個(gè)介電片材熔化并流動以填充于至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置周圍的任何空氣間隙。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，制造半導(dǎo)體裝置封裝結(jié)構(gòu)的方法包括，通過粘接劑附 接至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置到第一介電層，形成一個(gè)或多個(gè)構(gòu)造為當(dāng)固化時(shí)熔化并流動的可固 化材料的介電片材，其中介電片材的每一個(gè)在未固化或部分固化狀態(tài)，施加一個(gè)或多個(gè)介 電片材在第一介電層上，以被定位在至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置周圍，施加銅箔在最后介電片材 的外表面上，和固化一個(gè)或多個(gè)介電片材，以使得一個(gè)或多個(gè)介電片材熔化并流入存在于 至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置周圍的任何空氣間隙中，并且使得至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置嵌入其中，其 中第一介電層在一個(gè)或多個(gè)介電片材固化期間不流動。方法還包括形成多個(gè)通路到至少一 個(gè)半導(dǎo)體裝置，多個(gè)通路形成在第一層和一個(gè)或多個(gè)介電片材中的至少一者，和在多個(gè)通 路中且在封裝結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)外表面的至少一部分上形成金屬互連件，金屬互連形成到 至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置的電互連。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，POL封裝結(jié)構(gòu)包括第一介電層，第一介電層具有施加到 其至少一部分上的粘接劑，通過粘接劑附接到第一介電層的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體裝置，其中 一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體裝置的每一個(gè)的表面具有附接到第一介電層的接觸墊，和被定位在一個(gè) 或多個(gè)半導(dǎo)體裝置周圍的第一介電層上的介電密封劑，使得一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體裝置被嵌入 其中，介電密封劑包括一個(gè)或多個(gè)未固化或部分固化的介電片材，其被構(gòu)造成在固化時(shí)熔 化并流動從而填充存在于一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體裝置周圍的任何空氣間隙。POL封裝結(jié)構(gòu)還包 括形成在一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體裝置和在第一介電層和介電密封劑中的至少一者的多個(gè)通路， 以及POL互連件，其形成在多個(gè)通路中以形成到一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體裝置和在POL封裝結(jié)構(gòu) 中的所有電和熱互連。第一電介質(zhì)被構(gòu)造成在一個(gè)或多個(gè)介電片材固化期間不流動。
[0012] 方案1 : 一種封裝結(jié)構(gòu)，包括：
[0013] 第一介電層；
[0014] 附接到第一介電層的至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置；
[0015] 一個(gè)或多個(gè)介電片材，其施加到第一介電層上和至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置周圍，使得 至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置嵌入其中；
[0016] 形成到至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置的多個(gè)通路，多個(gè)通路形成在第一介電層和一個(gè)或多 個(gè)介電片材中的至少一者；以及
[0017] 金屬互連件，其形成在多個(gè)通路中和在封裝結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)朝外表面上，以形 成到至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置的電互連；
[0018] 其中，第一介電層由在層壓工藝期間不流動的材料組成；
[0019] 其中，一個(gè)或多個(gè)介電片材中的每一個(gè)由可固化材料組成，該可固化材料被配置 成在層壓工藝期間當(dāng)固化時(shí)熔化并流動，使得一個(gè)或多個(gè)介電片材熔化并流動以填充存在 于至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置周圍的任何空氣間隙。
[0020] 方案2 :根據(jù)方案1的封裝結(jié)構(gòu)，其中，還包括設(shè)置在至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置周圍的 介電腹板，其中介電腹板包括一個(gè)或多個(gè)形成在其中以接收至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置的開口。
[0021] 方案3 :根據(jù)方案2的封裝結(jié)構(gòu)，其中，介電腹板相比于介電片材被構(gòu)造為具有增 加的剛性且在層壓工藝期間不流動，其中介電腹板由印刷電路板（PCB)芯材、聚酰亞胺層、 陶瓷材料和復(fù)合介電材料中的一者組成。
[0022] 方案4 :根據(jù)方案2的封裝結(jié)構(gòu)，其中，介電腹板被構(gòu)造為其中具有銅電路。
[0023] 方案5 :根據(jù)方案1的封裝結(jié)構(gòu)，其中，一個(gè)或多個(gè)介電片材由處于未固化或部分 固化狀態(tài)的預(yù)浸材料、聚合樹脂、或粘接劑中的一者組成。
[0024] 方案6 :根據(jù)方案1的封裝結(jié)構(gòu)，其中，至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置包括功率半導(dǎo)體裝置。
[0025] 方案7 :根據(jù)方案6的封裝結(jié)構(gòu)，其中，多個(gè)通路包括：
[0026] 穿過第一介電層到達(dá)功率半導(dǎo)體裝置的正面而形成的通路；和
[0027] 穿過一個(gè)或多個(gè)介電片材到達(dá)功率半導(dǎo)體裝置的背面而形成的通路；
[0028] 其中通路功能作為封裝結(jié)構(gòu)中的電和熱通路；以及
[0029] 其中金屬互連件形成在通路的每一個(gè)中，并到達(dá)功率半導(dǎo)體裝置的正面和背面。
[0030] 方案8 :根據(jù)方案7的封裝結(jié)構(gòu)，其中，金屬互連件包括形成電連接的鍍銅功率覆 蓋（POL)互連件和在封裝結(jié)構(gòu)的朝外表面上的熱擴(kuò)散銅墊，從而提供到功率半導(dǎo)體裝置的 電和熱互連。
[0031] 方案9 :根據(jù)方案6的封裝結(jié)構(gòu)，其中，還包括施加在封裝結(jié)構(gòu)的朝外表面上和熱 擴(kuò)散銅墊上的熱界面材料（??Μ)，從而使得封裝結(jié)構(gòu)結(jié)合到散熱部。
[0032] 方案10 :根據(jù)方案1的封裝結(jié)構(gòu)，其中，還包括多個(gè)延伸穿過第一介電層和一個(gè)或 多個(gè)介電片材的貫通路，且其中金屬互連件形成在貫通路的每一個(gè)中，并到達(dá)功率半導(dǎo)體 裝置的正面和背面。
[0033] 方案11 :根據(jù)方案1的封裝結(jié)構(gòu)，其中，還包括與第一介電層相對的封裝結(jié)構(gòu)的朝 外表面上的第二介電層，其中一個(gè)或多個(gè)介電片材和至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置定位在第一介電 層和第二介電層之間，且其中第二介電層由層壓工藝期間不流動的材料組成。
[0034] 方案12 :根據(jù)方案1的封裝結(jié)構(gòu)，其中，還包括定位在與第一介電層相對的封裝結(jié) 構(gòu)的朝外表面上的銅箔，其中一個(gè)或多個(gè)介電片材和至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置定位在第一介電 層和銅箔之間。
[0035] 方案13 :根據(jù)方案1的封裝結(jié)構(gòu)，其中，還包括：
[0036] PCB預(yù)浸材料或聚酰亞胺材料中的一者的層，其附接到封裝結(jié)構(gòu)的朝外表面，從而 形成多層封裝結(jié)構(gòu)；
[0037] 穿過PCB預(yù)浸材料或聚酰亞胺材料的層的每一個(gè)而形成的多個(gè)通路；和
[0038] 形成在PCB預(yù)浸材料或聚酰亞胺材料的層中的多個(gè)通路中的金屬互連件。
[0039] 方案14 :一種制造半導(dǎo)體裝置封裝結(jié)構(gòu)的方法，包括：
[0040] 通過粘接劑將至少一個(gè)半導(dǎo)體裝置附接到第一介電層；
[0041] 形成一個(gè)或多個(gè)配置成在固化時(shí)熔化并流動的可固化材料的介電片材，其中每一 個(gè)介電片材處于未固化或部分固化的狀態(tài)；
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