TWI897126B

TWI897126B - 半導體封裝用基板、半導體封裝件以及半導體封裝用基板製造方法

Info

Publication number: TWI897126B
Application number: TW112146786A
Authority: TW
Inventors: 性振金
Original assignee: 美商愛玻索立克公司
Priority date: 2022-12-02
Filing date: 2023-12-01
Publication date: 2025-09-11
Also published as: TW202447875A; CN118136594A; JP2024080660A; US20240186232A1; JP7713503B2; KR20240083018A; EP4379793A1

Abstract

本實施方式涉及一種半導體封裝用基板及其製造方法以及半導體封裝件，所述半導體封裝用基板包括：基板，包括一表面、與所述一表面相反的另一表面、所述一表面凹入而成的凹入面和連接所述一表面與所述凹入面的側壁，以及多個第一過孔，貫穿所述凹入面和所述另一表面；多個所述第一過孔包含導熱材料，因此本實施方式提供一種具有優異的散熱效果且具有防止由熱膨脹引起的基板表面翹曲的效果的半導體封裝用基板、半導體封裝件及半導體封裝用基板的製造方法。

Description

半導體封裝用基板、半導體封裝件以及半導體封裝用基板製造方法

本實施方式涉及半導體，具體地，涉及一種半導體封裝用基板、半導體封裝件及半導體封裝用基板的製造方法。

在電子部件的製程中，將在半導體晶圓上實現電路的製程稱為前端製程(FE：Front-End)，並且將把晶圓組裝成可以在實際產品中使用的狀態的製程稱為後端製程(BE：Back-End)，封裝製程包括在該後端製程中。

近年來使得電子產品快速發展的半導體產業的四大核心技術包括半導體技術、半導體封裝技術、製程技術和軟體技術。半導體技術正在以微米以下的奈米單位的線寬、千萬個以上的單元(Cell)、高速動作、高散熱等各種形式發展，但相比之下，目前還沒有能夠完美封裝這樣的產品的技術。

尤其，如果配備有加熱元件的半導體封裝件不能正常散熱，則可能由於封裝件的組件之間的熱膨脹係數差異而出現翹曲(warpage)現象。由於這將增加半導體封裝件的缺陷率，因此傳統的半導體封裝件嘗試了通過在封裝件之間單獨設置中介層或散熱層來散熱，但存在增加半導體封裝件的厚度的問題。

作為關聯現有技術，存在韓國公開專利第10-2021-0056433號和韓國公開專利第10-2021-0119545號等。

本實施方式的目的在於，提供一種在實際上不增加半導體封裝件的厚度的情況下確保熱穩定性的半導體封裝用基板、半導體封裝件及半導體封裝用基板的製造方法。

本實施方式的技術問題不限於上述技術問題，本領域技術人員將通過以下描述清楚地理解未提及的其他技術問題。

為了實現上述目的，根據一個實施方式的半導體封裝用基板包括：基板，包括一表面、與所述一表面相反的另一表面、所述一表面凹入而成的凹入面和連接所述一表面與所述凹入面的側壁，以及多個第一過孔，貫穿所述凹入面和所述另一表面；多個所述第一過孔是包含導熱材料的熱過孔。

在本發明的一實施例中，所述基板可包括玻璃基板。

在本發明的一實施例中，所述基板可包括絕緣基板。

在本發明的一實施例中，所述一表面的表面粗糙度(Ra)和所述另一表面的表面粗糙度分別可以小於等於10Å。

在本發明的一實施例中，所述基板還可以包括多個第二過孔，多個所述第二過孔貫穿所述一表面和所述另一表面。

在本發明的一實施例中，所述凹入面的面積可以為所述一表面的面積的10%以上。

為了實現上述目的，根據一個實施方式的半導體封裝件包括：基板，包括一表面、與所述一表面相反的另一表面、所述一表面凹入而成的凹入面和連接所述一表面與所述凹入面的側壁，多個第一過孔，貫穿所述凹入面和所述另一表面，以及元件部，設置在所述凹入面上；多個所述第一過孔是包含導熱材料的熱過孔。

在本發明的一實施例中，所述基板可包括玻璃基板。

在本發明的一實施例中，所述基板可包括絕緣基板。

在本發明的一實施例中，所述元件部可包括主動元件。

在本發明的一實施例中，所述半導體封裝件還可包括填充材料，所述填充材料覆蓋所述元件部。

在本發明的一實施例中，所述填充材料的熱膨脹係數低於所述基板的熱膨脹係數。

在本發明的一實施例中，所述側壁和所述凹入面之間的角度可以是鈍角。

為了實現上述目標，根據一個實施方式的半導體封裝用基板的製造方法包括：準備步驟，在基板的一表面、與所述一表面相反的另一表面或所述一表面和所述另一表面兩者的預定位置處形成缺陷；過孔形成步驟，將蝕刻液施加到所述基板上以形成多個過孔和凹入面；以及填充步驟，將導熱材料填充至多個所述過孔。

本實施方式的半導體封裝用基板、半導體封裝件及通過本實施方式的製造方法製造的半導體封裝用基板具有優異的散熱效果。

此外，本實施方式的半導體封裝用基板、半導體封裝件及通過本實施方式的製造方法製造的半導體封裝用基板具有減輕因熱膨脹而導致的基板表面的翹曲現象的效果。

10:缺陷

100:基板

110:一表面

120:凹入面

121:第一過孔

122:第二過孔

130:側壁

140:另一表面

200:元件部

300:填充材料

400:上部層

500:印刷電路板

h1:厚度

h2:厚度

h3:深度

h4:高度

X:第一方向

Y:第二方向

Z:第三方向

圖1是根據一個實施例的半導體封裝件的立體圖。

圖2是沿圖1的線A-A’截取的半導體封裝用基板的剖視圖。

圖3是沿圖1的線A-A’截取的根據另一實施例的半導體封裝用基板的剖視圖。

圖4是沿圖1的線A-A’截取的半導體封裝件的剖視圖。

圖5是沿圖1的線A-A’截取的根據另一實施例的半導體封裝件的剖視圖。

圖6是沿圖1的線A-A’截取的根據另一實施例的半導體封裝件的剖視圖。

圖7是沿圖1的線A-A’截取的根據另一實施例的半導體封裝件的剖視圖。

圖8是沿圖1的線A-A’截取的半導體裝置的剖視圖。

圖9至圖11是描述根據一個實施例的半導體封裝用基板的製造方法的概念圖。

在下文中，將參照附圖詳細描述實施方式，以使本領域普通技術人員能夠容易地實施。然而，本實施方式可以以各種不同的形式來實施並且不限於在此描述的實施例。在整個說明書中，相同的附圖標記用於描述相似的部分。

在整個說明書中，包括在馬庫什形式的表達中的“其組合”的術語是指選自以馬庫什形式記載的部件組成的組中的一者以上的混合或組合，並且意指包括選自由上述部件組成的組中的一者以上。

在整個說明書中，諸如“第一”、“第二”或者“A”、“B”之類的術語用於區分相同的術語。此外，除非上下文另有明確指示，否則單數形式包括複數形式。

在本說明書中，“~”基可以指化合物內含有相當於“~”的化合物或者“~”的衍生物。

在本說明書中，“B位於A上”的含義是指B直接接觸地位於A上，或者B位於A上且B與A之間還設置有其他層，其解釋不限於B位於與A的表面接觸的位置。

在本說明書中，“B連接到A上”是指，“A與B直接連接”或者“A與B之間通過其他部件連接”，除非另有說明，否則不應解釋為限定“A與B直接連接”的情況。

在本說明書中，除非另有說明，否則單數形式被解釋為包括上下文中解釋的單數或複數的含義。

在本說明書中，將未安裝有元件的基板稱為半導體封裝用基板，將安裝有元件的基板稱為半導體封裝件，然而半導體封裝件還可安裝有其他附加元件。

本實施方式的發明人在開發集成度更高且能夠以更薄的厚度實現高性能的半導體裝置的過程中意識到，在提高性能方面，重要因素不僅包括元件本身，而且還包括有關封裝的部分。以往，在母板上採用了諸如中介層和有機基板(organic substrate)的兩層以上的封裝基板。然而，發明人希望將封裝基板應用為單層。此外，在該過程中，發明人發現，通過在封裝基板的凹槽中形成熱過孔(Thermal via)，則具有有助於半導體裝置的散熱並防止由於熱膨脹引起的基板表面翹曲的效果，以下將提供實施方式。

在下文中，將參考附圖描述實施例。

圖1是根據一個實施例的半導體封裝用基板的概念圖。圖2是沿圖1的線A-A’截取的示意性剖視圖。圖3至圖4是沿圖1的線A-A’截取的根據另一實施例的半導體封裝件的示意性剖視圖。

參照圖1至圖2，根據一些實施例的半導體封裝用基板包括基板100和第一過孔121。

基板100可包括：一表面110；另一表面140，與所述一表面相對；凹入面120，所述一表面110凹入而成；以及側壁130，連接所述一表面與所述凹入面。

例如，基板100可以是陶瓷基板或玻璃基板。

作為示例，陶瓷基板可以是矽基陶瓷基板或玻璃基陶瓷基板等。矽基陶瓷基板可以是部分或整體地包括矽基板、碳化矽基板等的基板。玻璃基陶瓷基板可以是部分或整體地包括石英基板、藍寶石基板等的基板。

作為示例，玻璃基板可以為鹼硼矽酸鹽平板玻璃、無鹼鹼土金屬硼矽酸鹽平板玻璃等，並且只要是可以適用於電子產品的部件的玻璃基板即可。

玻璃基板可以製造成大面板的形式。因此，當玻璃基板應用於所述基板100時，相對易於大批量製造且可以改善可加上性。此外，在上述情況下，如下所述，比較容易擴大凹入面120的面積。

作為玻璃基板的平板玻璃本身是絕緣體。因此，在將玻璃基板用作所述基板100的情況下，不需要在後述的多個第一過孔121和多個第二過孔122的內徑表面塗覆絕緣層。通過這種方式，可以進一步簡化半導體封裝件的製造製程。

基板100的厚度h1可大於等於30μm、可大於等於50μm、可大於等於100μm、可大於等於250μm、可大於等於400μm、可大於等於500μm。所述基板的厚度可小於等於3000μm、可小於等於1000μm、可小於等於300μm、可小於等於200μm或者可小於等於150μm。當按照這樣的厚度範圍採用所述基板時，可具有作為半導體封裝用基板的優異的可用性。

在將玻璃基板用作所述基板100的情況下，基板的一表面110和另一表面140可具有平坦的表面特性。

具體而言，基板的一表面的表面粗糙度(Ra)和另一表面的表面粗糙度可小於等於10Å、可小於等於5Å或可小於等於2Å。所述表面粗糙度(Ra)可以為0.1Å以上。在這種情況下，在所述基板100上形成精細圖案可變得相對容易。

可以使用常規的基板表面粗糙度測量方法測量所述表面粗糙度(Ra)，作為示例，可以通過基於SEMI D7-97“FPD玻璃基板的表面粗糙度的測量方法”的方法來測量。

在將玻璃基板用作所述基板100的情況下，凹入面可以具有極低的表面粗糙度。

具體而言，凹入面120的表面粗糙度(Ra)可小於等於10Å、可小於等於5Å或可小於等於2Å。所述表面粗糙度(Ra)可以為0.1Å以上。

此外，在從凹入面120的開口觀察到的凹入面的面積與根據實際凹入面測量的面積之間的差異可以很小。具體而言，與凹入之前的表面相比，凹入面120通常凹凸不平，因此可以具有相對較大的表面積。

在本實施方式中，當將從開口處觀察到的凹入面的總面積視為100%時，與沿凹入面測量的面積的差異可以是0.1%至10%。所述差異可以是0.1%至5%或可以是0.1%至3%。由於沿凹入面測量的面積存在較大的傾向，因此沿凹入面測量的面積可以是從開口處觀察到的凹入面的面積的100.1%至110%、100.1%至105%、或100.1%至103%。

這是難以從現有的基於預浸料的基板獲得的特性，通過採用包括蝕刻凹入面的製程，可以將凹入面的表面粗糙度形成得更低。

當將玻璃基板用作所述基板100時，可以更容易地擴大凹入面120的面積。所述凹入面120可以是凹陷之前的一表面的總面積的10%以上、可以是20%以上、可以是30以上或可以是 40%以上。所述凹入面120可以是凹陷之前的一表面的總面積的70%以下、可以是60%以下或可以是50以下。當將該面積範圍的凹入面120應用於基板100時，可以將多個元件佈置為嵌入基板的內部，因此可以獲得集成度更高的半導體封裝件。

多個第一過孔121包括熱過孔。

多個第一過孔121可包括電連接元件部200與印刷電路板500的導電過孔(Conductive via)。

多個第一過孔121可包括熱過孔和導電過孔。

所述熱過孔可以連接至單獨的發熱結構。

所述熱過孔可以接地。

所述熱過孔可以不向元件部傳輸電信號。

所述熱過孔可以包括導熱材料。所述導熱材料可使用可適用于封裝用基板的導熱材料，例如，導熱材料可以是金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鋁(Al)或它們的組合。

導熱材料的導熱率可大於等於200W/m.K、可大於等於300W/m.K或可大於等於400W/m.K。所述導熱材料的導熱率的上限沒有特別限制，然而作為示例，可小於等於5000W/m.K。

多個第一過孔121的至少一部分可以設置成在第三方向Z上與後述的元件部200的一部分重疊。當加熱元件包括在所述元件部200時，多個所述第一過孔121可以沿第三方向Z傳遞產生的熱。因此，多個第一過孔121可以降低基板的熱阻。因此，多個第一過孔121可以通過防止或減輕基板表面上可能發生的翹曲來提高半導體封裝件的性能。

參照圖3，根據一些實施例的半導體封裝用基板可以包括多個第二過孔122，所述第二過孔122貫穿基板100的一表面110和另一表面140。

多個第二過孔122可以是例如導電過孔。如果多個第二過孔122是導電過孔，則多個所述第二過孔122可以包括導電材料。多個第二過孔122可使得設置在基板100的一表面110的後述的上部層400與設置在基板100的另一表面140的後述的印刷電路板500交換電信號。

關於半導體封裝用基板的其他描述與上述描述重複，故在此省略。

參照圖4，根據一些實施例的半導體封裝件還可以在上述的半導體封裝用基板上包括元件部200。

元件部200的上表面可以形成為低於所述一表面110的上表面。在這種情況下，凹槽還可以包括覆蓋所述元件部的填充材料300，因此可以較為容易地補償一表面與凹入面之間的段差。

或者，元件部200的上表面可以形成在實際上與所述一表面110的上表面相同的平面上(未圖示)。在這種情況下，可以使用相對較少的填充材料300填充凹槽的空的空間。具體地，元件部200可以設置成嵌入基板100的內部中。換言之，半導體封裝件1可以是設置成使得元件部200嵌入基板100的內部中的嵌入式(embedded)封裝件。

儘管在圖1和圖4至圖8等的附圖中示出了一個元件設置在元件部200，然而本實施方式不限於此。

換句話說，兩個以上的元件可以在第三方向Z上堆疊。在其他的一些實施例中，兩個以上的半導體芯片可在第一方向X或第二方向Y上間隔設置。

所述元件部200可以包括主動元件(active element)。例如，可以包括應用處理器(Application processor，AP)、電源管理集成電路(Power management integrated circuit，PMIC)、中央處理單元(central processing unit，CPU)、控制器(controller)和專用集成電路(application specific integrated circuit，ASIC)中的任意一種。

所述元件部200可以包括被動元件(passive element)。例如，可以包括電容器(capacitor)、電阻器(resistor)和電感器(inductor)中的任意一種。

所述元件部200可以包括主動器件和被動元件兩者。

元件部200可以與基板100電連接。儘管在附圖中未示出，但是元件部200與基板100可以通過引線接合(Wire Bonding)方式連接。此外，元件部200和基板100可以通過使用球形凸塊(bump)的方式(倒裝晶片(Flip Chip，FC))連接。但是，連接方式不限於此。

參照圖5，根據一些實施例的半導體封裝件可以包括多個第二過孔122，所述第二過孔122貫穿基板100的一表面110和另一表面140。

多個第二過孔122可以是例如導電過孔。如果多個第二過孔122是導電過孔，則多個所述第二過孔122可以包括導電材料。多個第二過孔122可以與上部層400電連接。

參照圖6，根據一些實施例的半導體封裝件還可以包括填充材料300。具體地，填充材料300可以設置成圍繞元件部200。如果元件部的高度為h4並且凹入面的深度為h3，則可以設置填充材料以覆蓋該差異。填充材料可以填平凹入面。儘管圖中未示出，可以在填充材料上設置重佈線層。

在圖6中，基板100的側壁130示出為與元件部200間隔開，但是本發明不限於此。在其他一些實施例中，基板100的側壁130可與元件部200的至少一部分直接接觸。在這種情況下，填充材料可以設置成覆蓋元件部200的上表面或者填充基板的側壁與元件部之間的空間。

填充材料300可以是熱固性材料、熱塑性材料或UV固化材料等。填充材料300可以是矽基材料、環氧基材料或丙烯酸基材料等。填充材料300可以是聚合物材料或者無機顆粒分散在聚合物材料中的有機-無機複合材料。填充材料300可以是味之素堆積膜(Ajinomoto Build-up Film,ABF)、環氧模塑化合物(EMC，Epoxy Molding Compound)和液晶聚合物(liquid crystal polymer,LCP)。但是，填料材料不限於上述示例。

關於半導體封裝用基板及半導體封裝件的其他描述與上述描述重複，故在此省略。

參照圖7，在根據一些實施例的半導體封裝件中，側壁130與凹入面120之間的角度可以是鈍角。例如，所述鈍角可以為91度以上、可以為93度以上或者可以為95度以上。此外，所述鈍角可以為130度以下、可以為120度以上或者可以為110度以下。在這種情況下，可以減少製程所需的填充材料300的量。關於半導體封裝用基板及半導體封裝件的其他描述與上述描述重複，故在此省略。

參照圖8，根據一些實施例的半導體裝置在以上描述的半導體封裝件的基礎上還可包括上部層400和印刷電路板500。

能夠發送和接收電信號的層可以設置在上部層400。例如，可以包括重佈線層(Redistribution Layer，RDL)，一個或多個半導體封裝件堆疊而成的層。然而，結構不限於此，只要其是能夠堆疊在半導體封裝用基板上的結構即可。例如，上部層可包括不發送或不接收電信號的絲網印刷層(Silkscreen Layer)。

印刷電路板500可通過多個第二過孔122電連接到上部層400。

在下文中，將描述根據本實施方式的另一個實施例的半導體封裝用基板的製造方法。

本實施方式的半導體封裝用基板的製造方法包括：準備步驟，在基板的一表面、與所述一表面相反的另一表面或所述一表面和所述另一表面兩者的預定位置處形成缺陷10；過孔形成步驟，將蝕刻液施加到所述預定位置以形成過孔和凹入面；以及填充步驟，將材料填充至所述過孔，以上描述的半導體封裝用基板通過該方法來製造。

在所述過孔形成步驟中，在基板的一表面和另一表面形成選自由(i)用於形成貫穿基板的過孔的缺陷，(ii)用於形成凹入面的缺陷，(iii)用於形成貫穿凹入面和另一表面的過孔的缺陷及其組合組成的組中的任一者。可在形成(i)和(ii)後單獨形成(iii)。此外，可以在形成(ii)後同時形成(i)和(iii)。在進行所述蝕刻時，可以通過在遮擋不進行蝕刻的表面後施加蝕刻液以選擇性地蝕刻預定部分(未遮擋的部分)，並且通過將形成有所述缺陷的部分的蝕刻速度設置為比未形成缺陷的部分更快，從而形成凹入面和過孔。

在多個所述過孔中，在第三方向Z上與凹槽重疊的過孔可以形成第一過孔。

在多個所述過孔中，在第三方向Z上不與凹槽重疊的過孔可以形成第二過孔。

所述填充步驟可包括：熱過孔填充步驟，用導熱材料填充所述過孔的至少一部分；以及導電過孔填充步驟，用導電材料填充所述過孔的至少一部分。熱過孔填充步驟和導電過孔填充步驟可以同時進行。在這種情況下，可以更有效地進行製程。

將更詳細地描述半導體封裝用基板的製造方法。

(1)準備步驟(形成玻璃缺陷的工序)，準備具有平坦的一表面和另一表面的基板，在基板的預定位置處形成缺陷以形成過孔。所述基板可以採用玻璃基板，作為示例，可以採用堿硼矽酸鹽平板玻璃、無堿鹼土金屬硼矽酸鹽平板玻璃等作為玻璃基板，並且只要是可以適用於電子產品的部件的玻璃基板即可。可以採用由康寧公司、肖特公司或旭硝子株式會社(AGC)等製造的市售產品。可以採用諸如機械蝕刻或激光照射的方法來形成所述缺陷(槽)。

(2)過孔形成步驟：形成有缺陷的基板通過物理或化學蝕刻製程形成多個過孔和/或凹槽。當將玻璃基板用作所述基板時，可以對有缺陷的基板本身進行蝕刻。

在進行所述蝕刻時，可以在進行蝕刻製程之前遮擋目標表面的一部分，接著選擇性地施加蝕刻劑以蝕刻預定部分(未遮擋的部分)。

在進行所述蝕刻時，可以使得形成有所述缺陷的部分的蝕刻速度比未形成缺陷的部分更快，從而可以形成凹入面和/或過孔。

在這種情況下，通過消除施加和去除掩模的繁瑣步驟等，可以簡化製程。在這種情況下，具有過孔的基板的厚度可以比原始基板的厚度稍薄。

(3)填充步驟：多個所述過孔的內徑表面可以塗覆有絕緣層。但是，當將玻璃基板用作所述基板時，可以省略所述絕緣層的塗覆。在這種情況下，基板的表面和多個過孔的內徑表面可以濺射有對玻璃具有優異的粘合性的玻璃-金屬粘合劑等(未圖示)。另一方面，可以在所述玻璃-金屬粘合劑上濺射導電材料或導熱材料以形成種子層(未圖示)。然後，在用導電材料或導熱材料填充過孔的狀態下，向種子層施加電流(未圖示)。經過足夠的時間後，通過基板的一表面和另一表面的化學機械拋光(Chemical-Mechanical Polishing，CMP)形成填充有導電材料或導熱材料的過孔(未圖示)。

另一方面，在所述過孔中，預定位置處的第一過孔可以通過第一過孔填充製程填充有導熱材料。作為示例，所述導熱材料可以是金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鋁(Al)或它們的組合。然而，所述導熱材料不限於此，只要其是可適用于封裝用基板的導熱材料即可。可以通過第二過孔填充製程用導電材料填充預定位置處的第二過孔。此外，所述導熱材料和所述導電材料可以包括相同的材料。作為示例，銅(Cu)具有高導熱性和導電性，因此可作為第一過孔和第二過孔的填充材料被包括在內。在這種情況下，第一過孔填充製程和第二過孔填充製程可以同時執行。

儘管上面已經詳細描述了優選實施例，但是權利範圍不限於此，並且本領域技術人員使用如所附的權利要求書中限定的基本概念進行的各種修改和改進也應屬於權利範圍。