CN114446904A

CN114446904A - 基于纳米级散热器的晶圆封装结构及方法

Info

Publication number: CN114446904A
Application number: CN202111656277.6A
Authority: CN
Inventors: 朱建校; 陆明; 商俊强; 朱文杰; 姜培; 史方
Original assignee: Guangzi Information Technology Shenzhen Co ltd; Photonic Technologies Shanghai Co Ltd
Current assignee: Guangzi Information Technology Shenzhen Co ltd; Photonic Technologies Shanghai Co Ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-05-06

Abstract

本发明提供一种基于纳米级散热器的晶圆封装结构及方法。晶圆封装方法包括步骤：提供待封装的晶圆，晶圆包括相对的正面和背面，正面上形成有芯片；对晶圆的背面进行光刻刻蚀，以于晶圆的背面形成多个间隔设置的散热鰭片，各散热鰭片通过沟槽相间隔，散热鰭片的厚度小等于100nm；于散热鰭片的表面和沟槽的表面依次沉积形成热界面材料层和散热层以形成纳米级散热器，热界面材料层和散热层的厚度之和小于沟槽的宽度的1/2。本发明创造性地在芯片的背面形成新型结构散热器，通过工艺流程及结构设计，可形成纳米尺寸的散热器，能获得更大的散热表面积，极大改善器件的散热性能，提高器件可靠性，而且可确保封装出的结构尺寸不会增加，保证WLCSP小尺寸的优势。

Description

基于纳米级散热器的晶圆封装结构及方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及后段封装，特别是涉及一种基于纳米级散热器的晶圆封装结构及方法。

背景技术

晶圆级芯片级封装(wafer level chip system packing，简称WLCSP)由于其更好的电气参数、更小的尺寸和更低的制造成本，在便携式电子设备中越来越流行。例如，对于相同芯片尺寸的功率转换集成电路(IC)，WLCSP可以比方形扁平无引脚封装(Quad FlatNo-leads Package，简称QFN)封装实现更高的效率。由于WLCSP发热部件(硅芯片)本身构成了封装体，硅材料并不具有良好的热导性能；再者，WLCSP芯片的散热面积较小，因此不可能在封装层面上获得良好的散热性能。随着芯片的尺寸的微缩和集成度的提高，发热量的增加，不仅电路运行效率降低，而且还可能导致电子电路的热失控，导致芯片使用寿命缩短，甚至导致电路元件损坏。因此，在作为热源的集成电路中提供散热装置至关重要。然而，如何在较小的面积内消散功率损耗热量，并使集成电路温度保持较低温，将成为一个巨大的挑战。

此外，由于尺寸小和封装材料的局限，WLCSP封装具有更高的结对环境热阻(R_θJA)。对于相同的IC，QFN的R_θJA约为32.6℃/W，而WLCSP可高达55.8℃/W。其他的封装装置，比如倒装芯片盖球栅阵列(FCLBGA)封装，虽然可以通过在外部安装散热器以改善散热性能。但是传统的散热器的尺寸很大(均在毫米级以上)，这样会使器件的封装尺寸增大，失去了WLCSP尺寸小的竞争优势。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于纳米级散热器的晶圆封装结构及方法，用于解决现有技术中的封装结构具有较高的结对环境热阻，导致器件散热性能差，而通过安装外部散热器改善散热会导致封装尺寸增大等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于纳米级散热器的晶圆封装方法，所述晶圆封装方法包括步骤：

提供待封装的晶圆，所述晶圆包括相对的正面和背面，正面上形成有芯片；

对所述晶圆的背面进行光刻刻蚀，以于所述晶圆的背面直接形成多个间隔设置的散热鰭片，各散热鰭片通过沟槽相间隔，散热鰭片的横向尺寸小于等于100nm；

于所述散热鰭片的表面和沟槽的表面依次形成热界面材料层和散热层以形成纳米级散热器，所述热界面材料层和散热层的厚度之和小于所述沟槽的宽度的1/2。

可选地，所述晶圆封装方法还包括在刻蚀之前对所述晶圆的背面进行减薄的步骤。

更可选地，对所述晶圆的背面进行减薄的方法包括化学机械研磨方法，形成所述热界面材料层和散热层的方法包括原子层沉积法。

可选地，对所述晶圆的背面进行光刻刻蚀以形成散热鰭片的步骤包括：

于所述晶圆的背面涂布形成光刻胶层；

对所述光刻胶层进行曝光显影，以于所述光刻胶层中定义出所述散热鰭片的图形；

依所述光刻胶层对所述晶圆的背面进行等离子体刻蚀，以于所述晶圆的背面形成所述散热鰭片。

可选地，所述光刻胶层的厚度为2μm，所述图形化处理包括在形成光刻胶层后对所述光刻胶层进行烘烤，之后进行曝光和软烘，最后进行显影和硬烘的步骤。

可选地，所述散热鰭片的横向尺寸大于50nm，高度为2μm，所述沟槽的宽度为150nm-250nm。

更可选地，所述散热层包括金属散热层，形成所述热界面材料层和金属散热层的方法为原子层沉积法。

可选地，所述热界面材料层包括钽层、氮化钽层、钛层和氮化钛层的若干种，所述金属散热层包括铜层和/或铝层。

可选地，所述热界面材料层的厚度为10nm-30nm，所述散热层的厚度为20nm-40nm。

本发明还提供一种基于纳米级散热器的晶圆封装结构，所述晶圆封装结构包括晶圆，所述晶圆具有相对的正面和背面，所述正面形成有芯片，所述背面形成有散热器，所述散热器包括多个散热鰭片、热界面材料层和散热层，各散热鰭片通过沟槽相间隔，所述热界面材料层和散热层位于所述散热鰭片的表面和沟槽的表面，且所述散热鰭片和所述晶圆为一体连接。

如上所述，本发明的基于纳米级散热器的晶圆封装结构及方法，具有以下有益效果：本发明创造性地在芯片的背面，即在原位(in-situ)形成新型结构散热器结构，通过工艺流程以及结构设计，可形成纳米尺寸的散热器，纳米尺寸的散热器能获得更大的散热表面积，可以极大改善器件的散热性能，提高器件可靠性，而且可确保封装出的结构尺寸不会增加，保证WLCSP小尺寸的优势。

附图说明

图1显示为本发明提供的基于纳米级散热器的晶圆封装方法提供待封装的晶圆的示意图。

图2显示为本发明对晶圆进行背面减薄后的示意图。

图3显示为本发明对晶圆进行背面刻蚀的示意图。

图4显示为本发明于晶圆背面形成散热鰭片的示意图。

图5显示为本发明于散热鰭片表面形成热界面材料层和散热层的示意图。

图6显示为图4的A区域的放大示意图。

元件标号说明

11 晶圆

12 散热鰭片

13 沟槽

14 散热层

15 光刻胶层

16 光罩

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

请参阅图1至图6。

本发明提供一种基于纳米级散热器的晶圆封装方法，所述晶圆封装方法包括步骤：

提供待封装的晶圆11，所述晶圆11包括相对的正面和背面，正面上形成有芯片，且芯片通常为多个，多个晶圆在晶圆正面呈阵列排布；若提供的晶圆11的初始厚度比较大，例如如图1所示，则在进行下一步的刻蚀工艺前，在提供晶圆11后，通常需要对所述晶圆11的背面进行减薄，例如采用包括但不限于化学机械研磨方法(CMP)进行减薄，减薄的厚度根据晶圆11的初始厚度和需要刻蚀的深度而定，但较佳地需确保减薄后晶圆11背面距芯片仍有2μm以上的间距(备注：目前减薄后的芯片厚度一般至少100um)，以避免后续刻蚀工艺过程中对正面的芯片造成不良影响；通过化学机械研磨还可以实现晶圆的表面平坦化，且可以有效去除晶圆11表面的自然氧化层等污染物，这将有助于提高后续的刻蚀均匀性；经减薄后得到的晶圆11的结构如图2所示；若晶圆11的初始厚度本身即比较薄，则可以不进行减薄而直接进入下一步的刻蚀工艺；

对所述晶圆11的背面进行光刻刻蚀，以于所述晶圆11的背面直接形成多个间隔设置的散热鰭片12，各散热鰭片12通过沟槽13相间隔，散热鰭片12的横向尺寸小于等于100nm，即所述散热鰭片12的宽度在纳米级别；散热鰭片12的数量可以根据需要设置，例如根据芯片的表面积而定，通常需要保证单个芯片与多个散热鰭片12对应，这样在完成后续的切割工艺后，能保证各芯片的背面有多个散热鰭片12，例如如果芯片尺寸为3mm*3mm，则散热鰭片的数量为3000μm/0.3μm(0.3μm为散热鰭片的节距)＝10000ea；在进一步的示例中，光刻刻蚀过程可以包括如下步骤：采用包括但不限于旋涂工艺于所述晶圆11的背面涂布形成光刻胶层15，所述光刻胶层15的厚度较佳地为1μm-3μm，例如为2μm；对所述光刻胶层15进行包括曝光显影的图形化处理，例如在形成光刻胶层15后对所述光刻胶层15进行烘烤以去除光刻胶层15中的溶剂和气泡等不良，提高光刻胶层15和晶圆11的粘附性，烘烤温度例如为80℃-120℃，之后在光罩16的作用下进行曝光，本实施例中，由于对CD和对准要求不高，因而光罩可以做成对所有的封装产品都适用的通用型光罩，这样可以节约光罩制作成本；曝光后进行软烘，以使曝光后的结构稳定，软烘温度例如为110-130℃，最后进行显影和硬烘，最终于所述光刻胶层15中定义出所述散热鰭片12的图形；之后依所述光刻胶层15对所述晶圆11的背面进行等离子体刻蚀，以于所述晶圆11的背面形成所述散热鰭片12，该过程可以参考图3所示，在所述晶圆11为硅材质的情况下，可以使用基于HBr+NF₃+O₂等离子体的干法刻蚀硅，刻蚀CD与光刻CD接近，经刻蚀后，光刻胶层15中的图形转移到晶圆11背面，之后经剥离清洗去除残余的光刻胶层15和刻蚀副产物，得到如图4所示的结构；

形成所述散热鰭片12后，于所述散热鰭片12的表面和沟槽13的表面依次形成热界面材料层(由于热界面材料层很薄，附图中未示出)和散热层14以形成纳米级散热器，该纳米级散热器由散热鰭片12、热界面材料层和散热层14构成，所述热界面材料层和散热层14的厚度之和小于所述沟槽13的宽度，且较佳地为小于沟槽宽度的1/2，以避免沉积过程中沟槽提前封口，即确保形成的散热层14未完全填充所述沟槽13而在沟槽13内仍留有间隙，该间隙可以作为散热通道，保证散热空气实现良好对流，有助于提高散热均匀性，且散热鰭片12表面的热界面材料层和散热层14与沟槽13的表面的热界面材料层和散热层14通常是连续性的(即相互连接)；该步骤后得到的结构如图5所示。

本发明创造性地在芯片的背面，即在原位(in-situ)形成散热器结构，且通过工艺和结构设计，可使得形成的散热器在纳米尺寸，可确保封装出的结构尺寸不会增加，而且通过改善的结构设计，纳米尺寸的散热器能获得更大的表面积，较大的表面积可以极大改善器件的散热性能。以图6为例，假设单个芯片的尺寸为3mm*3mm，则芯片面积＝9mm²，以单个芯片背面形成有10000个散热鰭片12，设定散热鳍片的横向尺寸(CD)为100nm，高度为2000nm(即2μm)，则单个芯片背面的散热器表面积为(100+200+2000*2)/(100+200)*9mm²＝129mm²。与传统的WLCSP表面相比，纳米散热器的表面积提高了14.3倍，且为纳米级。因为传热性能和表面积成正比。公式如下：

热流Q＝h*A*△Tm,

其中，h:传热系数，△Tm:有效平均温差，A:发生热传递的表面积，

故而采用本发明的方法，可以极大提高散热面积，由此可以大大改善器件的散热性能。

在较佳的示例中，形成所述热界面材料层和散热层14的方法为原子层沉积(ALD)法，ALD具有良好的台阶覆盖率，可以实现沉积厚度的精准控制，且形成的材料层比较致密，可以有效避免从散热鰭片上脱落；当然，在其他示例中，也可以采用电镀法或其他方法，但采用原子层沉积方法更有助于形成均匀的热界面材料层和散热层14，确保器件的散热均匀性。在较佳的示例中，所述热界面材料(TIM)层包括但不限于钽层、氮化钽层、钛层和氮化钛层的若干种，热界面材料层可以作为金属散热层的粘连/阻挡层，有助于改善界面粘附性和界面热阻，以将芯片工作过程中产生的热量快速传递到金属散热层中进行散热；所述金属散热层包括但不限于铜层和/或铝层，优选铜层，因为铜的导热系数约为铝的两倍，纯铜的导热系数为400W/(m·K)。

需要特别说明的是，虽然本说明书中，所述散热鰭片定义为“片”，但实际上所述散热鰭片12根据其宽度的设定，可以片状结构，也可以为柱形结构，例如为矩形柱，也可以是上部尺寸小于下部尺寸的梯形柱结构(此时对应的沟槽13为上部开口大于下部开口的结构)，发明人经大量实验发现，在较佳的示例中，散热鰭片12的横向尺寸d2需大于50nm且小于等于100nm(即对应图6中的横向尺寸，该尺寸太大或太小均不行，太小则对光刻的要求高，受光刻极限尺寸限制，且如果太小，散热鰭片容易坍塌，太大则单个芯片背面形成的散热鰭片12太少，起不到较好的散热效果)，更佳地为100nm，高度h1较佳地为1.5μm-2.5μm，例如为1.5μm，2.5μm或者区间的任意值(高度太大或太小都不好，太大则不利于散热层14的形成，太小则起不到较好的散热效果)，更佳的为2μm左右，所述沟槽13的宽度d1较佳地为150nm-250nm(若沟槽为非规则槽，则该宽度指最大处的宽度)，更佳地为200nm，散热鰭片12之间的节距(pitch)为单个散热鰭片12的宽度和单个沟槽13的宽度之和，例如为100nm+200nm＝300nm。

热界面材料层和散热层的厚度之和可以根据需要设置，但在较佳的示例中，所述热界面材料层的厚度为10nm-30nm，更佳地为20nm，该厚度范围的热界面材料层既可以起到较好的界面粘连作用，又可以避免因热界面材料层自身厚度太大而影响散热；所述金属散热层14的厚度为20nm-40nm，更佳地为30nm，且热界面材料层和散热金属层的总厚度较佳地为不大于沟槽13的宽度的1/2，以确保沟槽13内不被散热层14完全填满，以有足够的空间进行对流散热。

在完成散热器的制作后，通常还需要进行切割，以将各芯片进行分离，可批量生成具有原位散热器的封装结构，而不需要像传统的方式中在完成切割后将外部散热器一个个贴装到芯片表面。

本发明还提供一种基于纳米级散热器的晶圆封装结构，所述晶圆封装结构可以基于前述任一方案所述的晶圆封装方法制备而成，故前述内容可以全文引用至此。如图5所示，所述晶圆封装结构包括晶圆11，所述晶圆11具有相对的正面和背面，所述正面形成有芯片，且芯片通常为数千上万个，所述背面形成有散热器，所述散热器包括多个散热鰭片12(通常为1万个以上)、热界面材料层和散热层14，各散热鰭片12通过沟槽13相间隔，所述热界面材料层和散热层14位于所述散热鰭片12的表面和沟槽13的表面，且所述散热鰭片12和所述晶圆11为一体连接，即散热鰭片12的材质本身是晶圆11的一部分，通过对晶圆11进行刻蚀而形成，因而散热鰭片12和芯片也是一体连接的。所述散热层14例如可以为散热金属层，且各材料层的厚度和材质等设置可以参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。

本发明通过改善的结构设计，不仅有助于器件的小型化，同时可以显著增加散热面积，提高器件散热性能。

综上所述，本发明提供一种基于纳米级散热器的晶圆封装方法及结构。所述晶圆封装方法包括步骤：提供待封装的晶圆，所述晶圆包括相对的正面和背面，正面上形成有芯片；对所述晶圆的背面进行光刻刻蚀，以于所述晶圆的背面直接形成多个间隔设置的散热鰭片，各散热鰭片通过沟槽相间隔，散热鰭片的横向尺寸小于等于100nm；于所述散热鰭片的表面和沟槽的表面形成散热层以形成纳米级散热器，所述热界面材料层和散热层的厚度之和小于所述沟槽的宽度的1/2。本发明创造性地在芯片的背面，即在原位(in-situ)形成新型结构散热器结构，通过工艺流程以及结构设计，可形成纳米尺寸的散热器，纳米尺寸的散热器能获得更大的散热表面积，极大改善器件的散热性能，提高器件可靠性，而且可确保封装出的结构尺寸不会增加，保证WLCSP小尺寸的优势。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于纳米级散热器的晶圆封装方法，其特征在于，所述晶圆封装方法包括步骤：

2.根据权利要求1所述的晶圆封装方法，其特征在于，所述晶圆封装方法还包括在刻蚀之前对所述晶圆的背面进行减薄的步骤。

3.根据权利要求2所述的晶圆封装方法，其特征在于，对所述晶圆的背面进行减薄的方法包括化学机械研磨方法。

4.根据权利要求1所述的晶圆封装方法，其特征在于，对所述晶圆的背面进行光刻刻蚀以形成散热鰭片的步骤包括：

于所述晶圆的背面涂布形成光刻胶层；

5.根据权利要求4所述的晶圆封装方法，其特征在于，所述光刻胶层的厚度为2μm，所述曝光显影包括在形成光刻胶层后对所述光刻胶层进行烘烤，之后进行曝光和软烘，最后进行显影和硬烘的步骤。

6.根据权利要求1所述的晶圆封装方法，其特征在于，所述散热鰭片的横向尺寸大于50nm，高度为2μm，所述沟槽的宽度为150nm-250nm。

7.根据权利要求1所述的晶圆封装方法，其特征在于，所述散热层包括金属散热层，形成所述热界面材料层和金属散热层的方法为原子层沉积法。

8.根据权利要求7所述的晶圆封装方法，其特征在于，所述热界面材料层包括钽层、氮化钽层、钛层和氮化钛层的若干种，所述金属散热层包括铜层和/或铝层。

9.根据权利要求8所述的晶圆封装方法，其特征在于，所述热界面材料层的厚度为10nm-30nm，所述散热层的厚度为20nm-40nm。

10.一种基于纳米级散热器的晶圆封装结构，其特征在于，所述晶圆封装结构包括晶圆，所述晶圆具有相对的正面和背面，所述正面形成有芯片，所述背面形成有散热器，所述散热器包括多个散热鰭片、热界面材料层和散热层，各散热鰭片通过沟槽相间隔，所述热界面材料层和散热层位于所述散热鰭片的表面和沟槽的表面，且所述散热鰭片和所述晶圆为一体连接。