TW202543009A - 半導體裝置以及用於形成半導體裝置的方法 - Google Patents

Abstract

本申請提供一種半導體裝置以及一種用於形成所述半導體裝置的方法。所述方法包括：提供一半導體封裝件，所述半導體封裝件包括形成在所述半導體封裝件的表面上的多個接觸焊盤；提供具有多個開口的模板；將所述模板設置在所述半導體封裝件的表面上，其中所述多個開口分別與所述多個接觸焊盤對準；分別在所述多個接觸焊盤上且在所述多個開口中形成多個焊料凸塊；以及用一均質化雷射束照射所述多個焊料凸塊，以在所述多個焊料凸塊中的每一個與所述多個接觸焊盤中的相應一個之間形成焊料互連。

Description

半導體裝置以及用於形成半導體裝置的方法

本申請大體上涉及半導體技術，且更具體地，涉及一種半導體裝置以及一種用於形成半導體裝置的方法。

由於消費者希望他們的電子器件體積更小、速度更快且性能更高，並將越來越多的功能封裝到單個裝置中，半導體行業一直面臨著複雜的集成挑戰。雷射輔助鍵合（LAB: laser-assisted bonding）是一種可用於將半導體裝置鍵合到基底的技術。然而，LAB可能在半導體裝置中引起應力和損壞，從而導致可靠性低。

因此，需要一種可靠性提高的半導體裝置。

本申請的目的是提供一種用於形成可靠性提高的半導體裝置的方法。

根據本申請的一個方面，提供一種用於形成半導體裝置的方法。所述方法可以包括：提供一半導體封裝件，所述半導體封裝件包括形成在所述半導體封裝件的表面上的多個接觸焊盤；提供具有多個開口的模板；將所述模板設置在所述半導體封裝件的表面上，其中所述多個開口分別與所述多個接觸焊盤對準；分別在所述多個接觸焊盤上且在所述多個開口中形成多個焊料凸塊；以及用一均質化雷射束照射所述多個焊料凸塊，以在所述多個焊料凸塊中的每一個焊料凸塊與所述多個接觸焊盤中的相應一個接觸焊盤之間形成焊料互連。

根據本申請的另一方面，提供一種用於形成半導體裝置的方法。所述方法可以包括：提供具有基底表面的基底，其中所述基底表面包括至少一個鍵合區；提供具有至少一個開口的模板；將所述模板設置在所述基底表面上，其中所述鍵合區從所述模板的開口暴露；將至少一個焊料凸塊設置在所述鍵合區中；以及用一均質化雷射束照射所述鍵合區以熔化所述焊料凸塊。

根據本申請的又一方面，提供一種半導體裝置。所述半導體裝置可以根據前述方法形成。

應理解，以上一般描述和以下詳細描述兩者僅是示例性和解釋性的並且並不限制本發明。此外，併入本說明書中並構成本說明書的一部分的附圖示出本發明的實施例並且與說明書一起用於解釋本發明的原理。

本申請的示例性實施例的以下詳細描述參考形成本說明書的一部分的附圖。附圖示出可以實踐本申請的具體示例性實施例。包括附圖的詳細描述足夠詳細地描述了這些實施例，以使本領域技術人員能夠實踐本申請。本領域技術人員可進一步利用本申請的其它實施例，且在不脫離本申請的精神或範圍的情況下進行邏輯、機械和其它改變。因此，以下詳細描述的讀者不應當以限制性意義來解釋所述描述，並且僅所附請求項限定了本申請的實施例的範圍。

在本申請中，除非另外特別說明，否則單數的使用包括複數。在本申請中，除非另外說明，否則「或」的使用意指「和/或」。此外，術語「包括」以及如「包含」和「含有」等其它形式的使用不是限制性的。另外，除非另外特別說明，否則如「元件」或「組件」等術語涵蓋包括一個單元的元件和組件以及包括多於一個子單元的元件和組件兩者。此外，本文所使用的章節標題僅用於組織目的，而不應解釋為限制所描述的主題。

本文中可以為了便於描述而使用本文所用的如「下面」、「下方」、「上方」、「之上」、「上」、「上部」、「下部」、「左側」、「右側」、「豎直」、「水平」、「側面」等空間相對術語來描述附圖所示的一個元件或特徵與另一個或多個元件或特徵的關係。除圖中所描繪的定向之外，空間相對術語意在涵蓋在使用或操作中的裝置的不同定向。可以使裝置以其它方式定向（旋轉90度或處於其它定向），並且同樣可以以相應的方式解釋本文中使用的空間相對術語。應當理解，當元件被稱為「連接到」或「耦合到」另一元件時，其可以直接連接到或耦合到另一元件，或者可以存在中間元件。

圖1是使用雷射輔助鍵合（LAB: laser-assisted bonding）技術將焊料凸塊130鍵合在基底110的接觸焊盤124上的示意圖。

LAB是一種先進的表面安裝鍵合技術，該技術中將均質化（homogenized）雷射束（即，二維光束而不是一維光束）施加到晶片或元件，以便建立與基底的冶金互連。

例如，如圖1中的虛線箭頭所示，均質化雷射束的照射區域可以與基底110的大小相同。也就是說，焊料凸塊130和基底110的頂表面都被雷射束照射。雷射束可以向焊料凸塊130施加能量，並將焊料凸塊130加熱到熔點以上。然後，可以在焊料凸塊130與基底110的接觸焊盤124之間形成焊料互連。然而，由於基底110的頂表面也暴露在雷射束下，因此可能在基底110內部產生熱量，從而導致基底110中的應力和/或翹曲以及對其它電子元件的可能損壞。

為了解決以上問題中的至少一個，在本申請的一個方面中提供一種用於形成半導體裝置的方法。在該方法中，提供具有多個開口的模板（stencil）。將模板設置在半導體封裝件的表面上，並且模板中的多個開口與形成於半導體封裝件的表面上的多個接觸焊盤對準。分別在多個接觸焊盤上同時在多個開口中放置多個焊料凸塊。然後，用均質化雷射束照射多個焊料凸塊，以在多個焊料凸塊中的每一個焊料凸塊與多個接觸焊盤中的相應一個接觸焊盤之間形成焊料互連。由於模板可以反射照射半導體封裝件的表面的一些雷射束，因此可以減少半導體封裝件內部產生的熱量，從而減少半導體封裝件中的應力和/或翹曲以及對半導體封裝件中的其它電子元件的可能損壞。

參考2A到2G，根據本申請的實施例示出用於形成半導體裝置的方法的各個步驟。在下文中，將參考圖2A到2G更詳細地描述該方法。

參考圖2A，提供半導體封裝件201。具體而言，半導體封裝件201可以包括為電子元件和器件提供支撐和連接性的基底210。舉例來說，基底210可以包括印刷電路板（PCB）、載體基底、具有電互連的半導體基底、陶瓷基底、層壓中介層、條帶中介層、引線框架、或其它合適的基底。基底210可以包括可以在其上或其中製造積體電路系統的任何結構。

在圖2A所示的示例中，基底210包括再分佈（redistribution）結構220，再分佈結構220具有一個或多個介電層以及在介電層之間並穿過介電層的一個或多個導電層。導電層可以限定焊盤、跡線和插塞，電訊號或電壓可以藉由焊盤、跡線和插塞水平且豎直地跨越再分佈結構220分佈。在圖2A所示的示例中，基底210包括第一表面210a和與第一表面210a相對的第二表面210b，且再分佈結構220的導電層包括形成於基底210的第一表面210a上的多個第一接觸焊盤223和形成於基底210的第二表面210b上的多個第二接觸焊盤224。可以理解，再分佈結構220、第一接觸焊盤223和第二接觸焊盤224可以以各種結構和類型實現，但是本申請的各方面不限於上述示例。

多個電子元件可以安裝在基底210的第一表面210a上並且電性連接到第一接觸焊盤223。電子元件可以包括多種類型的半導體裸晶片、半導體封裝件或分立器件中的任一者。例如，電子元件可以包括數字訊號處理器（DSP）、微控制器、微處理器、網絡處理器、功率管理處理器、音頻處理器、視頻處理器、RF電路、無線基頻片上系統（SoC）處理器、傳感器、記憶體控制器、記憶體器件、專用積體電路、分立器件等。在圖2A的示例中，電子元件可以包括半導體裸晶片241和多個分立器件242，例如電阻器、電容器、電感器等。半導體裸晶片241藉由倒裝晶片鍵合技術安裝在基底210的第一表面210a上，使得半導體裸晶片241的導電凸塊焊接到第一接觸焊盤223中的一些。在其它示例中，半導體裸晶片241可以包括鍵合焊盤，並且可以藉由引線鍵合技術連接到第一接觸焊盤223。可以理解，圖2A中所示的半導體裸晶片241和分立器件242僅是示例，並且本申請不限於此。

密封劑250形成於基底210的第一表面210a上並且密封電子元件241和242。密封劑250可以由聚合物複合材料製成，例如具有填料的環氧樹脂、具有填料的環氧丙烯酸酯或具有適當填料的聚合物，但是本申請的範圍不限於此。密封劑250可以保護電子元件241和242免受外部環境的影響。

在圖2A的示例中，僅示出了半導體封裝件的單個單元，但是本申請不限於此。在一些其它示例中，可以提供條帶類型（strip type）的半導體封裝件，即，以條帶方式佈置的多個半導體封裝件。多個半導體封裝件可以藉由單體切割通道彼此隔離。單體切割通道可以提供切割區域以將封裝件條帶單體切割成單獨的半導體裝置。

參考圖2B，提供具有多個開口310的模板300。

在一些實施例中，模板300中的多個開口310的佈局可以根據基底210的第二表面210b上的相應接觸焊盤224的位置或形狀來設計。例如，多個開口310中的每一個可以在其底部具有與對應接觸焊盤224的形狀基本上相同或比該形狀更大的橫截面形狀，從而允許導電材料（例如，焊料凸塊）完全覆蓋接觸焊盤224。在一些其它示例中，多個開口310中的每一個的底部的橫截面形狀可以略小於其對應接觸焊盤224的形狀，從而形成接觸焊盤224與模板300之間的防滲漏密封。

由於模板300中的多個開口310可能被焊料材料填充，並且模板300將在後續過程中設置在基底210的第二表面210b上以及從第二表面210b移除，因此多個開口310的側壁應該盡可能光滑。在一些實施例中，多個開口310中的每一個可以具有豎直的筆直側壁或傾斜壁。例如，多個開口310中的每一個可以具有梯形橫截面的截頭形狀。在一些實施例中，可以在多個開口310的側壁上形成具有防黏特性的塗層，例如防焊膏塗層，以防止焊料材料黏附到模板300。可理解，多個開口310的形狀和模板300的厚度可以根據要形成的焊料凸塊的配置而變化，並且在本文中不受限制。

在本申請中，由於模板300可以用作保護層以反射來自均質化雷射束的照射能量，因此模板300可以在雷射束的光譜上具有高反射率。例如，模板300可以包括具有高阻尼常數的金屬材料，導致光只能穿過短距離。在一些實施例中，模板300對雷射束光譜的反射率至少大於基底210的反射率，優選地，大於70%、80%、90%或95%。例如，模板300可以包括Al、Cu、Ag、Au等，其在寬波長範圍內，特別是在光譜的紅外（IR）區中具有高反射率。

在一些實施例中，模板300可以是由諸如Al、Cu、Ag、Au或其任意組合的金屬材料製成的單層板。可以理解，本申請不限於上述金屬材料，並且模板300可以包括具有高反射率的其它材料。在一些實施例中，模板300可以是多層層壓結構，該多層層壓結構在其上側具有高反射率層。例如，該多層層壓結構可以包括具有高反射率（例如，大於70%、80%、90%或95%）的頂層和具有低熱導率的底層，使得頂層可以反射來自雷射束的照射能量，並且底層可以防止或減少傳遞到基底210的熱量，從而最小化對整個半導體封裝件的熱影響。在一些實施例中，底層的熱導率至少低於頂層的熱導率，例如，低於Al、Cu、Ag或Au的熱導率。例如，頂層可以包括金屬材料，諸如Al、Cu、Ag、Au或其任意組合，並且底層可以包括聚合物或陶瓷材料。

參考圖2C和圖2D，將模板300設置在基底210的第二表面210b上，其中多個開口310分別與多個接觸焊盤224對準，然後可以分別在多個接觸焊盤224上且在多個開口310中形成多個焊料凸塊230。

由於多個開口310分別根據多個接觸焊盤224的位置或形狀設計，因此多個開口310可以與多個接觸焊盤224精確地對準。可以使用模板印刷製程、落球製程或蒸發製程在多個開口310中形成多個焊料凸塊230。焊料凸塊230可以包括共晶Sn/Pb、高鉛焊料、無鉛焊料等。

在一些實施例中，可以手動地或使用本領域已知的自動化設備將多個焊料凸塊230（例如，焊料球）放置在多個接觸焊盤224上。藉由將焊料凸塊230定位在模板300的開口310內，可以將焊料凸塊230準確地放置在接觸焊盤224的位置處。模板300的開口310可以防止焊料凸塊230偏離接觸焊盤224的位置。

在一些實施例中，可以使用模板印刷製程來形成多個焊料凸塊230。具體地，可以將流體焊料材料沉積在模板300上，並且流體焊料材料可以藉由開口310流到接觸焊盤224上。然後，可以使用刮板來使流體焊料材料平坦化。如果開口310沒有被流體焊料材料完全填充，則刮板可以壓在模板300上以驅動流體焊料材料流入開口310中。流體焊料材料的流動可以取決於由刮板施加的壓力、流體焊料材料的黏度以及開口310的形狀和大小。刮板還可以清潔模板300的頂表面，並且限定填充到開口310中的流體焊料材料的厚度。

參考圖2E和圖2F，如圖2E中的虛線箭頭所示，用均質化雷射束照射多個焊料凸塊230，以在多個焊料凸塊230中的每一個焊料凸塊與多個接觸焊盤224中的相應一個接觸焊盤之間形成焊料互連。

在一些實施例中，可以使用雷射輔助鍵合（LAB）技術來實現雷射照射。LAB是一種先進的倒裝晶片和表面安裝鍵合技術，其中將均質化雷射束（即，二維光束而不是一維光束）選擇性地施加到晶片或元件，以便建立與基底的冶金互連。例如，在LAB中可以使用雷射均質器接收經由光纖電纜、波導或其它合適的機構輸入的雷射束，並且在模板300上輸出均質化雷射束。均質器可以使雷射束輪廓中的不規則性平滑，並且產生在整個光束輪廓上具有基本上均勻功率的光束。例如，由均質器產生的均質化雷射束的照射區域可以與模板300的大小相同。也就是說，模板300和多個焊料凸塊230都被均質化雷射束照射。

具體地，如圖2E所示，均質化雷射束可以將光能施加到模板300和多個焊料凸塊230。均質化雷射束的光能可以被轉換成熱能以加熱多個焊料凸塊230。焊料凸塊230可以被加熱到其熔點以上並回流，以在多個焊料凸塊230中的每一個焊料凸塊與多個接觸焊盤224中的相應一個接觸焊盤之間形成可靠的焊料互連，如圖2F所示。加熱溫度可以藉由照射功率和時間來控制。由於雷射束可以提供比回流爐更局域化的熱量並且能夠以更短的循環時間回流焊料，因此降低了在回流製程期間對安裝在基底210上的電子元件的損壞可能性。在特定示例中，採用紅外雷射源（例如，其具有介於900 nm與1100 nm之間的波長），並且調製雷射束以形成均質空間功率分佈，以照射多個焊料凸塊230和模板300達介於1秒與5秒之間的持續時間（例如，2秒、3秒、4秒等）。然而，本申請不限於上述示例，並且雷射束的波長和照射的持續時間可以根據雷射束的強度、焊料凸塊230的材料和體積等而變化。

另一方面，模板300（例如，包括Al、Cu、Ag、Au等）可以在均質化雷射束的光譜上具有高反射率，並且可以反射照射在其上的大部分雷射束。因此，可以在基底210內部產生和傳遞較少的熱量，從而減少基底210中的應力和/或翹曲以及對安裝在基底210上的電子元件的可能損壞。此外，由於模板300可以由金屬材料製成並且附接到基底210，因此模板300還可以為基底210提供結構支撐並且顯著減少照射期間的翹曲。

之後，參考圖2F和圖2G，從基底210的第二表面210b移除模板300，從而在基底210上留下多個焊料凸塊230。

焊料凸塊230可以經由形成於基底210中的再分佈結構電性連接到安裝在基底210的第一表面210a上的任何電子元件。在圖2G所示的半導體裝置安裝在外部器件或例如印刷電路板（PCB）的基底上的情況下，焊料凸塊230可以用於將半導體裝置電性連接到外部器件或基底。

在一些實施例中，如上所述，半導體封裝件可以包括以條帶方式佈置的多個半導體裝置，並且封裝件條帶可以被單體切割成單獨的半導體裝置。例如，可以採用雷射切割製程、鋸切、蝕刻製程或本領域已知的任何其它合適的製程來藉由單體切割通道將封裝件條帶單體切割成單獨的半導體裝置。

在參考圖2A至2G描述的實施例中，本申請的方法可用於在接觸焊盤上形成焊料凸塊。然而，本申請並不限於此。在一些其它實施例中，本申請的方法可用於在半導體裝置中形成任何焊料互連。

參考圖3，其示出根據本申請的另一實施例的用於形成半導體裝置的方法。該方法可用於將半導體裸晶片450鍵合在基底410上。

具體而言，首先提供基底410。基底410可以包括與圖2A中所示的基底210的再分佈結構類似的再分佈結構。基底410可以包括鍵合區410c，即圖3所示的其上表面的中間部分。然後，提供具有開口的模板500，並且將模板500設置在基底410的上表面上，其中鍵合區410c從模板500的開口暴露。之後，提供具有多個焊料凸塊424的半導體裸晶片450。將半導體裸晶片450放置在基底410上，其中焊料凸塊424與形成於鍵合區410c中的接觸焊盤接觸。之後，如圖3中的虛線箭頭所示，可以用均質化雷射束照射鍵合區410c，以在多個焊料凸塊中的每一個焊料凸塊與多個接觸焊盤中的相應一個接觸焊盤之間形成焊料互連。如圖3所示，均質化雷射束可以穿過半導體裸晶片450並且向焊料凸塊施加能量以形成焊料互連。同時，模板500（例如，其包括Al、Cu、Ag、Au等）可以在均質化雷射束的光譜上具有高反射率，並且反射照射在其上的大部分雷射束。參考圖3描述的方法可以與參考圖2A至2G描述的方法共享特性，並且在本文中將不再詳述。

根據本申請案的另一方面，提供一種半導體裝置。該半導體裝置可以藉由前述方法中的任一者形成。例如，半導體裝置可以與圖2G中所示的半導體裝置或圖3中所示的半導體裝置相同，並且在此不再重複。

本文中的討論包括許多說明性附圖，所述附圖示出半導體裝置的各個部分以及用於製造半導體裝置的方法。為了說明清楚，此類圖沒有示出每個示例器件的所有方面。本文提供的任何示例器件和/或方法可以與本文提供的任何或所有其它器件和/或方法共享任何或所有特性。

本文已參考附圖描述各個實施例。然而，將顯而易見的是，在不脫離如在所附請求項中所闡述的本發明的廣泛範圍的情況下，可以對其做出各種修改和改變，並且可以實施另外的實施例。此外，藉由考慮本文所公開的本發明的一個或多個實施例的說明書和實踐，其它實施例對於本領域技術人員來說將是顯而易見的。因此，希望僅將本申請和本文中的示例視為示例性的，本發明的真實範圍和精神由所附的示例性請求項的列表指示。

110:基底124:接觸焊盤130:焊料凸塊201:半導體封裝件210:基底210a:第一表面210b:第二表面220:再分佈結構223:第一接觸焊盤224:第二接觸焊盤230:焊料凸塊241:半導體裸晶片242:分立器件250:密封劑300:模板310:開口410:基底410c:鍵合區424:焊料凸塊450:半導體裸晶片500:模板

本文中所引用的附圖形成本說明書的一部分。圖式中展示的特徵僅說明本申請的一些實施例，而不是本申請的所有實施例，除非具體實施方式明確地指示其它情況，並且本說明書的讀者不應相反地作出推論。

圖1是示出使用雷射輔助鍵合（LAB）技術將焊料凸塊鍵合在基底的接觸焊盤上的示意圖。

圖2A到2G是示出根據本申請的實施例的用於形成半導體裝置的方法的各個步驟的橫截面視圖。

圖3是示出根據本申請的另一實施例的用於形成半導體裝置的方法的橫截面視圖。

在整個附圖中將使用相同元件符號來指代相同或相似部分。

210:基底

210b:第二表面

224:第二接觸焊盤

230:焊料凸塊

300:模板

Claims (17)

1. 一種用於形成半導體裝置的方法，其中，所述方法包括：提供一半導體封裝件，所述半導體封裝件包括形成在所述半導體封裝件的表面上的多個接觸焊盤；提供具有多個開口的模板；將所述模板設置在所述半導體封裝件的表面上，其中所述多個開口分別與所述多個接觸焊盤對準；分別在所述多個接觸焊盤上且在所述多個開口中形成多個焊料凸塊；以及用一均質化雷射束照射所述多個焊料凸塊，以在所述多個焊料凸塊中的每一個焊料凸塊與所述多個接觸焊盤中的相應一個接觸焊盤之間形成焊料互連。
2. 根據請求項1所述的方法，其中，所述半導體封裝件包括：一基底，所述基底具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面；至少一個電子元件，所述至少一個電子元件安裝在所述基底的第一表面上；以及一密封劑，所述密封劑形成在所述基底的第一表面上且密封所述電子元件，其中所述多個接觸焊盤形成在所述基底的第二表面上。
3. 根據請求項1所述的方法，其中，所述模板包括具有一高反射率的材料。
4. 根據請求項3所述的方法，其中，所述模板包括Al、Cu、Ag或Au。
5. 根據請求項1所述的方法，其中，所述模板是多層層壓結構，所述多層層壓結構包括具有一高反射率的頂層和具有一低熱導率的底層。
6. 根據請求項1所述的方法，其中，用所述均質化雷射束照射所述多個焊料凸塊包括：用一紅外雷射束照射所述多個焊料凸塊。
7. 根據請求項1所述的方法，其中，用所述均質化雷射束照射所述多個焊料凸塊包括：用所述均質化雷射束照射所述多個焊料凸塊達介於1秒與5秒之間的持續時間。
8. 根據請求項1所述的方法，其中，所述方法進一步包括：從所述半導體封裝件的表面移除所述模板。
9. 根據請求項1所述的方法，其中，所述半導體封裝件包括以條帶方式佈置的多個半導體裝置，並且所述方法進一步包括：將所述半導體封裝件單體切割成單獨的半導體裝置。
10. 一種用於形成半導體裝置的方法，其中，所述方法包括：提供具有一基底表面的基底，其中所述基底表面包括至少一個鍵合區；提供具有至少一個開口的模板；將所述模板設置在所述基底表面上，其中所述鍵合區從所述模板的開口暴露；將至少一個焊料凸塊設置在所述鍵合區中；以及用一均質化雷射束照射所述鍵合區以熔化所述焊料凸塊。
11. 根據請求項10所述的方法，其中，所述模板包括具有一高反射率的材料。
12. 根據請求項11所述的方法，其中，所述模板包括Al、Cu、Ag或Au。
13. 根據請求項10所述的方法，其中，所述模板是多層層壓結構，所述多層層壓結構包括具有一高反射率的頂層和具有一低熱導率的底層。
14. 根據請求項10所述的方法，其中，用所述均質化雷射束照射所述鍵合區包括：用一紅外雷射束照射所述鍵合區。
15. 根據請求項10所述的方法，其中，用所述均質化雷射束照射所述鍵合區包括：用所述均質化雷射束照射所述鍵合區達介於1秒與5秒之間的持續時間。
16. 根據請求項10所述的方法，其中，所述方法進一步包括：從所述基底表面移除所述模板。
17. 一種半導體裝置，其中，所述半導體裝置使用根據請求項1至9中任一項所述的方法或根據請求項10至16中任一項所述的方法形成。