疊層封裝結構及其形成方法

2023-07-26 16:03:36

疊層封裝結構及其形成方法
【專利摘要】本發明提供了一種層疊封裝結構及其形成方法，其中，一種封裝件包括封裝部件，封裝部件進一步包括頂面和位於封裝部件頂面處的金屬焊盤。封裝件還包括位於金屬焊盤上方並且接合至金屬焊盤的不可回流的電連接件、以及位於封裝部件上方的模塑材料。將不可回流的電連接件模製在模塑材料中並且與模塑材料接觸。不可回流的電連接件的頂面低於模塑料的頂面。
【專利說明】疊層封裝結構及其形成方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求於2013年3月14日提交的標題為"Package-on-Package Structures and Methods for Forming the Same"的美國臨時專利申請第61/783, 050號的優先權，其 全部內容結合於此作為參考。

【背景技術】
[0003] 在傳統疊層封裝（PoP)工藝中，接合第一器件管芯的頂部封裝件通過焊球進一步 接合至底部封裝件。底部封裝件也可以包括接合在其中的第二器件管芯。第二器件管芯可 以與焊球位於底部封裝件的同一側上。
[0004] 在將頂部封裝件接合至底部封裝件之前，將模塑料應用於底部封裝件，使得模塑 料覆蓋第二器件管芯和焊球。由於焊球被埋入模塑料中，因此實施雷射燒蝕或鑽削以在模 塑料中形成孔，使得焊球露出。然後，可以通過底部封裝件中的焊球將頂部封裝件和底部封 裝件接合。


【發明內容】

[0005] 根據本發明的一個方面，提供了一種封裝件，包括：底部封裝件，其包括第一封裝 部件，第一封裝部件又包括頂面和位於第一封裝部件的頂面處的金屬焊盤，底部封裝件還 包括位於金屬焊盤上方並且接合至金屬焊盤的不可回流的電連接件以及位於第一封裝部 件上方的模塑材料，不可回流的電連接件部分地模製在模塑材料中並且與模塑材料接觸， 其中，不可回流的電連接件的頂面低於模塑材料的頂面；頂部封裝件，位於底部封裝件上 方；以及焊料區，將不可回流的電連接件接合至頂部封裝件，焊料區和不可回流的電連接件 包括不同的材料。
[0006] 優選地，不可回流的電連接件的頂面包括圓化部分，其中圓化部分的中心部分低 於頂面的剩餘部分。
[0007] 優選地，不可回流的電連接件具有圓化的底面，底面的形狀為部分球體。
[0008] 優選地，該封裝件還包括：焊膏，焊膏設置在不可回流的電連接件的圓化的底面和 金屬焊盤之間並且與圓化的底面和金屬焊盤接觸。
[0009] 優選地，不可回流的電連接件與焊料區物理接觸。
[0010] 優選地，不可回流的電連接件包括銅。
[0011] 優選地，該封裝件還包括：接合至第一封裝部件的頂面的第二封裝部件，其中，模 塑材料至少將第二封裝件的下部模製在其中。
[0012] 根據本發明的另一方面，提供了一種封裝件，包括：底部封裝件，包括封裝襯底，封 裝襯底包括頂面和位於封裝襯底的頂面處的金屬焊盤，底部封裝件還包括位於金屬焊盤上 方並且接合至金屬焊盤的部分金屬球(部分金屬球由不可回流的材料形成)、位於封裝襯底 上方並且接合至封裝襯底的管芯以及位於封裝襯底上方的模塑材料，部分金屬球和管芯的 下部模製在模塑材料中；頂部封裝件，位於底部封裝件的上方；以及電連接件，將部分金屬 球接合至頂部封裝件，電連接件和部分金屬球包括相同的導電材料。
[0013] 優選地，部分金屬球具有頂面，並且部分金屬球的頂面的中心部分低於模塑材料 的頂面。
[0014] 優選地，部分金屬球具有不平坦的頂面。
[0015] 優選地，部分金屬球的頂面包括圓化部分，圓化部分的最低點接近部分金屬球的 頂面的中心。
[0016] 優選地，該封裝件還包括：設置在部分金屬球的圓化底面和金屬焊盤之間並且與 部分金屬球的圓化底面和金屬焊盤接觸的焊膏。
[0017] 優選地，部分金屬球和電連接件包括銅。
[0018] 優選地，部分金屬球和電連接件包括焊料。
[0019] 根據本發明的又一方面，提供了一種方法，包括：在封裝襯底上方模製模塑料以形 成底部封裝件，其中底部封裝件的電連接件穿過模塑材料的頂面而露出；以及使用電弧去 除電連接件的頂部，在去除步驟之後保留電連接件的底部。
[0020] 優選地，該方法還包括：將頂部封裝部件接合至封裝襯底，頂部封裝部件通過電連 接件接合至封裝襯底。
[0021] 優選地，實施去除電連接件的頂部的步驟直至電連接件的部分頂面低於模塑材料 的頂面。
[0022] 優選地，電連接件包括焊料區，方法還包括：將焊球置於封裝襯底的金屬焊盤上 方；以及在模製步驟之前，回流焊球以形成電連接件。
[0023] 優選地，在去除電連接件的頂部的步驟之後，電連接件的剩餘部分的整個頂面低 於模塑材料的頂面。
[0024] 優選地，生成電弧的步驟包括：將電極置於電連接件上方並且與電連接件對準； 以及在電連接件和電極之間施加電壓差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 為了更全面地理解實施例及其優勢，現結合附圖參考以下描述，其中：
[0026] 圖1至圖6B是根據一些示例性實施例的疊層封裝結構在製造的中間階段的截面 圖。

【具體實施方式】
[0027] 下面詳細討論本發明各實施例的製造和使用。然而，應該理解，本發明提供了許多 可以在各種具體環境中實現的可應用的概念。所討論的具體實施例僅僅用於示出的目的， 而不用於限制本發明的範圍。
[0028] 本發明根據各個實施例提供了疊層封裝（PoP )結構及其製造方法。根據一些實施 例示出了形成P〇P結構的中間階段。討論了實施例的變形。在本發明的各種視圖和說明性 的實施例中，相似的參考符號用於表不相似的兀件。
[0029] 參見圖1，提供了封裝部件10。在一些實施例中，封裝部件10是封裝襯底，因此在 通篇描述中，封裝部件10被稱為封裝襯底10,但其也可以為其他類型。在可選實施例中，封 裝部件10包括中介層。封裝部件10可以是包括多個相同封裝部件10的封裝部件的一部 分。例如，封裝部件10可以是封裝襯底，並且其位於包括形成為陣列的多個封裝襯底的未 鋸開的封裝襯底帶中。
[0030] 封裝襯底10可以包括由介電材料形成的襯底18。可選地，可以由諸如半導體材料 (例如，矽）的其他材料形成襯底18。在一些示例性實施例中，如圖1所示，襯底18是建立 在核心上的增層（build-up)襯底。可選地，襯底18可以是層壓襯底，其包括通過層壓粘合 在一起的層壓介電膜。當襯底18由介電材料形成時，介電材料可以包括混有玻璃纖維和/ 或樹脂的複合材料。
[0031] 封裝襯底10被配置為將第一表面10A上的電連接件12電連接至第二表面10B上 的導電部件16，其中，表面10A和10B為封裝襯底10的相對表面。電連接件12和導電部件 16例如可以是金屬焊盤，因此分別稱為金屬焊盤12和16。封裝襯底10可以包括諸如金屬 線/通孔14的導電連接件，並且其還可以包括貫穿襯底18的通孔。
[0032] 在一些實施例中，將焊膏22塗覆在一些或所有金屬焊盤12上。接下來，如圖2所 示，將電連接件24接合在金屬焊盤12上。接合可以包括將電連接件24放置到焊膏22上， 然後加熱封裝襯底10，使得電連接件24固定在金屬焊盤12上。電連接件24電連接至金屬 焊盤12，其中，焊膏22提供固定電連接件24的緊固力。此外，焊膏22有助於提供電連接件 24和下面的金屬焊盤12之間的電連接。
[0033] 在一些實施例中，電連接件24是不可回流的金屬球。在通常的用於熔化焊料的溫 度(例如，可以在約200°C至約280°C的範圍內)條件下，電連接件24不會熔化。根據一些實 施例，電連接件24是銅球和鋁球等。電連接件24也可以包括選自基本上由銅、鋁、鎳、鉬、 錫、鎢和它們的合金組成的組中的金屬。在一些實施例中，除非形成球的工藝有變化，否則 電連接件24的形狀可以是近乎完美的球形。在將電連接件24接合之後，電連接件24可以 保持球形，其中每個球24的底端都通過一個點接觸各自下面的金屬焊盤12，儘管球也可以 通過焊膏22形成的薄層與下面的金屬焊盤12間隔開。每個電連接件24的底面(其為近乎 完美的球面的一部分）也通過焊膏22 (也可能通過接觸點）電連接至各自下面的金屬焊盤 12。
[0034] 在可選實施例中，電連接件24是可包括共晶焊料或非共晶焊料的焊球。當電連接 件24由焊料形成時，電連接件24的接合包括回流工藝，其中將含有焊料的電連接件24回 流。在這些實施例中，可以不使用焊膏22。作為替代，可以應用助焊劑(未示出）以改善回 流。
[0035] 參見圖3，封裝部件20通過金屬焊盤12接合至封裝襯底10。因此，形成包括封裝 襯底10和管芯20的底部封裝件100。封裝部件20可以是器件管芯，因此在下文中可選地 將其稱為管芯20，儘管封裝部件20也可以是諸如封裝件的另一類型的封裝部件。管芯20 可以是包括諸如電晶體、電容器、電感器、電阻器等的集成電路器件(未示出）的電路管芯。 此外，管芯20可以是諸如中央處理單元（CPU)管芯的邏輯電路管芯。可以通過焊料接合或 直接的金屬-金屬的接合(諸如銅-銅的接合）來實現管芯20與金屬焊盤12的接合。
[0036] 參見圖4，在管芯20和封裝襯底10上模製模塑材料28。在應用模塑材料28之後 實施固化工藝。根據一些實施例，模塑材料28可以包括填充料、聚合物和硬化劑。在示例 性的實施例中，聚合物可以是模塑料、底部填充物、模塑底部填充物（MUF)、環氧樹脂等。在 一些實施例中，模塑材料28的頂面28A與管芯20的頂面20A平齊，因此，管芯20通過模塑 材料28而露出。在可選實施例中，模塑材料28可以將管芯20完全封裝在其中，模塑材料 28的一部分覆蓋在管芯20上。在又一可選實施例中，模塑材料28可以包圍並且接觸管芯 20的下部，而管芯20的上部位於模塑材料28的頂面28A上方。
[0037] 電連接件24的頂部位於模塑材料28的頂面28A的上方。在一些示例性的實施例 中，電連接件24位於頂面28A上方的上部的高度H1大於電連接件24的高度H2的約1/4 或約1/3。在一些實施例中，H1/H2的比例也可以接近0. 5。
[0038] 參見圖5,去除電連接件24的頂部。電連接件24的底部保留未動，因此，電連接 件24變為部分球體。在一些實施例中，通過在電連接件24和電極32之間產生電弧30來 實施電連接件24的去除。電弧30的溫度可以導致電連接件24露出的表面部分上升至非 常高的溫度(例如，約8000°C和約12000°C之間），因此使電連接件24的表面部分蒸發。根 據一些實施例，為產生電弧30,將多個由金屬形成的電極32放置在電連接件24的上方並且 與電連接件24對齊。需要去除其頂部的每個電連接件24都與一個電極32對齊。在電極 32和電連接件24之間施加電壓V aTC以產生電弧30,其中，電壓源36電連接至電極32和電 連接件24以在其間提供電壓VaTC。例如，電壓。可以介於約50V至約500V之間，儘管也 可以使用不同的電壓。
[0039] 在一些實施例中，例如通過底部金屬焊盤16和底部電極34使電連接件24電接 地，其中，底部電極34將金屬焊盤16電連接至電壓源36。由於金屬焊盤16電連接至電連 接件24,所以電連接件24電連接至電壓源36。在產生電弧30的過程中，可以控制電極32 靠近電連接件24。電極32和電連接件24之間的電場相應地升高，並且當電極32和電連接 件24之間的距離足夠近時，最終產生電弧30。在去除電連接件24的頂部之後，移除電極 32、34和電壓源36。
[0040] 在一些實施例中，在去除電連接件24的頂部之後，產生的電連接件24的頂面24A 是不平坦的。例如，可能圓化頂面24A，使其最低點接近對應頂面24A的中心。此外，頂面 24A的至少一部分可以低於模塑材料28的頂面28A。在一些實施例中，整個電連接件24與 模塑材料28的頂面28A平齊或比其低，這表示整個頂面24A都與模塑材料28的頂面28A 平齊或比其低。
[0041] 圖6A和圖6B示出了頂部封裝件50與底部封裝件100的接合。因此，形成的結構 是P〇P結構。例如，參見圖6A，首先將頂部封裝件50放置在封裝襯底10上方。頂部封裝 件50可以是包括器件管芯52和封裝襯底54的封裝件，其中，器件管芯52接合至封裝襯底 54。在一些示例性的實施例中，器件管芯52是諸如靜態隨機存取存儲（SRAM)管芯、動態隨 機存取存儲（DRAM)管芯等的存儲管芯。此外，在將頂部封裝件50接合至封裝襯底10之前， 可以在器件管芯52和封裝襯底54上預模製模塑材料56。
[0042] 在一些實施例中，頂部封裝件50包括位於頂部封裝件50底面處的電連接件58。 電連接件58的位置與電連接件24的位置對齊。由於電連接件24凹進低於模塑材料28的 頂面28A，所以可容易地將電連接件58固定在凹槽中，因此，頂部封裝件50不會相對於底 部封裝件100滑動。此外，由於電連接件24是凹進的，所以產生的PoP結構的總厚度減小。 在一些實施例中，電連接件58包括焊料，並且可以是焊球。在可選實施例中，電連接件58 可以包括諸如金屬柱或金屬焊盤的不可回流的部分。電連接件58的不可回流的部分可以 由選自與不可回流的電連接件24相同的備選材料形成。此外，電連接件58可以包括位於 其不可回流部分的表面上的焊料蓋。
[0043] 參見圖6A，在電連接件24不可回流的實施例中，對電連接件58中的焊料進行回 流，期間不對電連接件24進行回流。所得到的電連接件58將頂部封裝件50接合至電連接 件24。在回流之後，電連接件58的底面適合電連接件24頂面的形狀和輪廓。
[0044] 參見圖6B，在電連接件24包括焊料的實施例中，在回流工藝之後，焊球58中的焊 料與電連接件24中的焊料熔合以形成使頂部封裝件50連接至封裝襯底10的焊料區域60。
[0045] 在本發明的實施例中，通過去除底部封裝件中的電連接件的頂部，減小了 PoP結 構的總高度。此外，在底部封裝件中使用了不可回流的金屬球。因此，由於不可回流的金屬 球的尺寸和形狀易於控制，所以可以減小將頂部封裝件接合至底部封裝件的電連接件的間 距。
[0046] 根據一些實施例，一種封裝件包括封裝部件，封裝部件進一步包括頂面和位於封 裝部件頂面上的金屬焊盤。封裝件還包括位於金屬焊盤上方並且接合至金屬焊盤的不可回 流的電連接件、以及位於封裝部件上方的模塑材料。將不可回流的電連接件模製在模塑材 料中並且與模塑材料接觸。不可回流的電連接件的頂面低於模塑料的頂面。
[0047] 根據其他實施例，一種封裝件包括封裝襯底，其包括頂面和位於封裝襯底頂面上 的金屬焊盤。將部分金屬球設置在金屬焊盤上方並且與其接合，其中，部分金屬球由不可回 流的材料形成。管芯位於封裝襯底上方並且與其接合。將模塑材料設置在封裝襯底上方， 其中，將部分金屬球和管芯的下部模製在模塑材料中。
[0048] 根據另外的實施例，一種方法包括在封裝襯底上方模製模塑材料以形成底部封裝 件，其中，底部封裝件中的電連接件穿過模塑材料的頂面而露出。然後，使用電弧來去除電 連接件的頂部，在去除步驟之後保留電連接件的底部。
[〇〇49] 儘管已經詳細地描述了本發明及其部件，但應該理解，可以在不背離所附權利要 求限定的實施例的精神和範圍的情況下，做各種不同的改變，替換和更改。而且，本申請的 範圍並不僅限於本說明書中描述的工藝、機器、製造、材料組分、工具、方法和步驟的特定實 施例。作為本領域普通技術人員應理解，通過本發明，可以使用現有的或今後開發的用於執 行與根據本發明所採用的所述相應實施例基本相同的功能或獲得基本相同結構的工藝、機 器、製造、材料組分、工具、方法或步驟本發明。相應的，附加的權利要求意指包括例如工藝、 機器、製造、材料組分、工具、方法或步驟的範圍。此外，每個權利要求都構成一個獨立的實 施例，並且不同權利要求及實施例的組合均在本公開的範圍之內。
【權利要求】
1. 一種封裝件，包括： 底部封裝件，包括： 第一封裝部件，包括： 頂面；和 金屬焊盤，位於所述第一封裝部件的頂面處； 不可回流的電連接件，位於所述金屬焊盤上方並且接合至所述金屬焊盤；和 模塑材料，位於所述第一封裝部件上方，所述不可回流的電連接件部分地模製在所述 模塑材料中並且與所述模塑材料接觸，其中，所述不可回流的電連接件的頂面低於所述模 塑材料的頂面； 頂部封裝件，位於所述底部封裝件上方；以及 焊料區，將所述不可回流的電連接件接合至所述頂部封裝件，所述焊料區和所述不可 回流的電連接件包括不同的材料。
2. 根據權利要求1所述的封裝件，其中，所述不可回流的電連接件的頂面包括圓化部 分，其中所述圓化部分的中心部分低於所述頂面的剩餘部分。
3. 根據權利要求1所述的封裝件，其中，所述不可回流的電連接件具有圓化的底面，所 述底面的形狀為部分球體。
4. 根據權利要求3所述的封裝件，還包括：焊膏，所述焊膏設置在所述不可回流的電連 接件的所述圓化的底面和所述金屬焊盤之間並且與所述圓化的底面和所述金屬焊盤接觸。
5. 根據權利要求1所述的封裝件，其中，所述不可回流的電連接件與所述焊料區物理 接觸。
6. 根據權利要求1所述的封裝件，其中，所述不可回流的電連接件包括銅。
7. 根據權利要求1所述的封裝件，還包括：接合至所述第一封裝部件的頂面的第二封 裝部件，其中，所述模塑材料至少將所述第二封裝件的下部模製在其中。
8. -種封裝件，包括： 底部封裝件，包括： 封裝襯底，包括： 頂面；和 金屬焊盤，位於所述封裝襯底的頂面處； 部分金屬球，位於所述金屬焊盤上方並且接合至所述金屬焊盤，其中，所述部分金屬球 由不可回流的材料形成； 管芯，位於所述封裝襯底上方並且接合至所述封裝襯底；和 模塑材料，位於所述封裝襯底上方，所述部分金屬球和所述管芯的下部模製在所述模 塑材料中； 頂部封裝件，位於所述底部封裝件的上方；以及 電連接件，將所述部分金屬球接合至所述頂部封裝件，所述電連接件和所述部分金屬 球包括相同的導電材料。
9. 根據權利要求8所述的封裝件，其中，所述部分金屬球具有頂面，並且所述部分金屬 球的頂面的中心部分低於所述模塑材料的頂面。
10. -種方法，包括： 在封裝襯底上方模製模塑料以形成底部封裝件，其中所述底部封裝件的電連接件穿過 所述模塑材料的頂面而露出；以及 使用電弧去除所述電連接件的頂部，在去除步驟之後保留所述電連接件的底部。
【文檔編號】H01L21/56GK104051356SQ201310479253
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年10月14日 優先權日:2013年3月14日
【發明者】黃貴偉, 林志偉, 林修任, 林威宏, 鄭明達, 劉重希 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司