層疊封裝器件及封裝半導體管芯的方法
2023-04-28 05:58:41 4
專利名稱：層疊封裝器件及封裝半導體管芯的方法
技術領域：
本發明一般地涉及半導體技術領域，更具體地來說，涉及層疊封裝件。
背景技術：
作為實例，半導體器件被用於各種電子應用中，例如，個人計算機、手機、數位相機以及其他電子設備。通常通過在半導體襯底上方順序沉積絕緣層或者介電層、導電層以及半導體層的材料，並且使用光刻圖案化各種材料層以在其上形成電路部件和元件來製造半導體器件。半導體產業通過不斷減小最小特徵尺寸來繼續提高各種電子部件(例如，電晶體、二極體、電阻器、電容器等)的集成密度，這使得更多部件集成在給定區域內。在一些應用中，這些較小的電子部件也需要比過去的封裝件使用更少面積的較小封裝件。層疊封裝(PoP)技術由於其允許集成電路更密集地集成在較小的整體封裝中的能力而變得日益流行。在許多先進的諸如智慧型手機的手持設備中採用PoP技術。儘管PoP技術已經允許較薄的封裝輪廓，但是目前通過頂部封裝件和底部封裝件之間的錫球接合高度來限制總厚度減小。
發明內容
為了解決現有技術中所存在的缺陷，根據本發明的一方面，提供了一種層疊封裝(PoP)器件，包括:第一封裝管芯；第二封裝管芯，與所述第一封裝管芯耦合；以及多個金屬柱形凸塊，設置在所述第一封裝管芯和所述第二封裝管芯之間，其中，所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括凸塊區域和耦合至所述凸塊區域的尾部區域，並且所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都內嵌在焊點中。在該器件中，所述第一封裝管芯包括耦合至第一襯底的第一管芯，並且所述第二封裝管芯包括耦合至第二襯底的第二管芯。在該器件中，所述第二封裝管芯包括垂直堆疊在所述第二襯底上方的多個第二管芯。在該器件中，所述多個金屬柱形凸塊耦合至所述第一襯底，並且所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括大約50 μ m至300 μ m的高度以及包括與所述第一襯底鄰近的大約50 μ m到200 μ m的直徑。在該器件中，所述第一襯底或者所述第二襯底包括設置在其中的多個襯底通孔。在該器件中，所述多個金屬柱形凸塊包括選自基本上由Cu、Al、Au、Pt、Pd以及它們的組合所組成的組的材料。根據本發明的另一方面，提供了一種層疊封裝(PoP)器件，包括:底部封裝管芯，包括設置在其頂面上的多個金屬柱形凸塊，所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括凸塊區域和耦合至所述凸塊區域的尾部區域；以及頂部封裝管芯，與所述底部封裝管芯耦合，所述頂部封裝管芯包括形成在其底面上的多個接觸件，其中，所述底部封裝管芯上的所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都內嵌在與所述頂部封裝管芯上的所述多個接觸件中的一個接觸件耦合的焊點中。該器件進一步包括設置在所述底部封裝管芯的底面上的多個焊球。在該器件中，所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都完全延伸至所述頂部封裝管芯上的所述多個接觸件中的一個。在該器件中，所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都部分延伸至所述頂部封裝管芯上的所述多個接觸件中的一個。在該器件中，所述底部封裝管芯包括位於其頂面上的多個接合焊盤，並且所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都接合至所述底部封裝管芯的頂面上的接合焊盤。在該器件中，所述多個金屬柱形凸塊中的一個接合至所述底部封裝管芯上的所述多個接合焊盤中的每一個。在該器件中，所述多個金屬柱形凸塊中的一個接合至所述底部封裝管芯上的所述多個接合焊盤中的一些。在該器件中，所述多個金屬柱形凸塊中的一個接合至所述底部封裝管芯的角部區域中的所述多個接合焊盤中的每一個。在該器件中，所述多個金屬柱形凸塊中的一個接合至所述底部封裝管芯的中心邊緣區域中的所述多個接合焊盤中的每一個。根據本發明的又一方面，提供了一種封裝半導體管芯的方法，所述方法包括:將第一管芯耦合至第一襯底的頂面；將多個金屬柱形凸塊耦合至所述第一襯底的頂面，所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括凸塊區域和耦合至所述凸塊區域的尾部區域；將第二管芯耦合至第二襯底的頂面；在所述第二襯底的底面上形成多個焊球；在所述第二襯底的頂面上的所述第二管芯的上方形成模塑料；以及將所述第一襯底的頂面上的所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都耦合至所述第二襯底的底面上的所述多個焊球中的一個。在該方法中，將所述第一管芯耦合至所述第一襯底的頂面包括:將所述第一管芯的底面上的焊料凸塊耦合至所述第一襯底的頂面上的接合焊盤或導線。在該方法中，將所述第二管芯耦合至所述第二襯底的頂面包括:將所述第二管芯的頂面上的接觸件引線接合至所述第二襯底的頂面上的接觸焊盤，其中，所述方法進一步包括:將所述第二管芯上方的第三管芯耦合至所述第二襯底的頂面上的所述接觸焊盤並且將所述第三管芯的頂面上的接觸件引線接合至所述第二襯底的頂面上的所述接觸焊盤，並且形成所述模塑料進一步包括在所述第三管芯上方形成所述模塑料。在該方法中，將所述多個金屬柱形凸塊耦合至所述第一襯底的頂面包括:提供導線，在所述導線的端部處形成焊球，將所述焊球緊靠所述第一襯底的頂面上的接合焊盤放置，超聲振動緊靠所述接合焊盤的所述焊球，並且加熱所述第一襯底。該方法進一步包括加熱所述第一襯底和所述第二襯底以回流位於所述第二襯底的底面上的所述多個焊球的焊料並且在所述第一襯底和所述第二襯底之間形成多個焊點，所述多個焊點中的至少一些包括所述多個金屬柱形凸塊中的一個。
為更完整的理解本發明及其優點，現將結合附圖所進行的以下描述作為參考，其中:圖1至圖5示出了根據本發明的實施例處於各個階段的封裝第一管芯並且在其頂面上形成金屬柱形凸塊的方法的橫截面圖；圖6至圖8示出了形成金屬柱形凸塊的方法實例的橫截面圖；圖9是金屬柱形凸塊的橫截面圖，示出了根據實施例金屬柱形凸塊的部分的尺寸；圖10至圖12是第一封裝管芯的襯底的俯視圖，示出了根據實施例形成金屬柱形凸塊的襯底上的區域；圖13示出了第一封裝管芯的襯底的較詳細的俯視圖；圖14示出了圖13所示的襯底的一部分的較詳細的俯視圖，示出了實施例中用於將管芯附接至襯底的凸塊導線直連圖案。圖15示出了管芯的仰視圖，示出了根據實施例的焊料凸塊接觸件的圖案；圖16至圖19示出了根據實施例處於各個階段的封裝至少一個第二管芯的方法的橫截面圖；圖20示出了根據實施例將第二封裝管芯附接至第一封裝管芯的橫截面圖；圖21是根據本文描述的方法的封裝的PoP器件的橫截面圖；圖22是根據另一個實施例的PoP器件的橫截面圖；以及圖23是根據本發明的實施例示出封裝半導體管芯的方法流程圖。除非另有說明，不同附圖中相應的標號和符號通常指的是相應的部件。繪製附圖以清楚地示出實施例的相關方面並且不必按比例繪製。
具體實施例方式下面詳細討論本發明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創造性概念。所討論的具體實施例僅僅示出了製造和使用本發明的具體方式，而不用於限制本發明的範圍。本發明的實施例涉及半導體器件的封裝。在本文中將描述新型的封裝結構和將多個半導體器件封裝在PoP封裝件中的方法。如圖5所示，封裝第一管芯118以形成第一封裝管芯126，並且如圖19所示，封裝一個或者多個第二管芯168a和168b以形成第二封裝管芯176。如圖21和圖22所示，封裝第二封裝管芯176與第一封裝管芯126，以形成本文進一步描述的PoP器件180。注意，為了簡化，並非在每個附圖中都包括所有元件標號:更確切地，在每個繪圖中都包括與每個繪圖的說明最相關的元件標號。圖1至圖5示出了根據本發明實施例的處於各個階段的封裝第一管芯118以及在其頂面上形成金屬柱形凸塊112的方法的橫截面圖。首先參考圖1，提供了第一襯底100。在附圖中僅示出了一個第一襯底100 ;然而，在包括多個第一襯底100的工件上加工幾個第一襯底100，並且在將第一管芯118封裝第一襯底100上之後，稍後切割該工件。在一些實施例中，第一襯底100包括由絕緣材料或者玻璃構成的中介層。在其他實施例中，第一襯底100包括半導體材料，諸如半導體晶圓。在一些實施例中，第一襯底100可以包括形成在其上的電子部件和元件，或者可選地，第一襯底100可以沒有電子部件和元件。接合焊盤102形成在第一襯底100的頂面上，並且在俯視圖中，位於第一襯底100的外圍區域(未在圖1中示出:參見圖10中外圍區域146)中。接合焊盤和/或導線106形成在第一襯底100的頂面上，並且在俯視圖中位於第一襯底100的中心區域(也未在圖1中示出:參見圖13中的中心區域148)中。接合焊盤108形成在第一襯底100的底面上。接合焊盤108可以以陣列或者以行或者列布置在第一襯底100的底面上(未示出)。作為實例，接合焊盤108可以完全填充底面或者可以布置成各種圖案，例如，用於球柵陣列(BGA)或者格柵陣列(LGA)封裝器件的圖案。作為實例，接合焊盤102、接合焊盤和/或導線106以及接合焊盤108包括導電材料，例如，Al、Cu、Au、它們的合金；其他材料或者它們的組合和/或它們的多層。可選地，接合焊盤102、接合焊盤和/或導線106以及接合焊盤108可包括其他材料。在一些實施例中，第一襯底100包括形成在其中的多個襯底通孔(TSV) 104。TSV104包括完全延伸穿過第一襯底100的導電或者半導體材料，任選地襯有絕緣材料。TSV104提供從第一襯底100的底面至頂面的垂直電連接件(例如，圖1中的y軸連接件)。第一襯底100包括形成在一個或者多個絕緣材料層內的布線110。例如，在一些實施例中,布線Iio提供水平電連接件(例如，圖1示出的視圖中的X-軸連接件)。布線110可以包括扇出區域，該扇出區域含有用於將第一管芯的覆蓋區(未在圖1中示出:參見圖3中第一管芯118)擴展到接合焊盤108的第一襯底100的底面的覆蓋區的導電材料的導線。第一襯底100的布線110可以包括一個或者多個再分布層(RDL)。RDL可以包括一個或者多個絕緣層和布線層。RDL可以包括層間電介質(ILD)和設置或者形成在其內的金屬化層中布線。例如，布線Iio可以包括一個或者多個通孔和/或導線。布線110和TSV 104可以使用一個或者多個金屬蝕刻(subtractive etch)工藝形成,例如,單鑲嵌技術和/或雙鑲嵌技術。布線110的部分可以存在於第一襯底100的頂面和底面上；例如,第一襯底100的布線110的部分可以包括耦合至其他元件的接合焊盤102、接合焊盤和/或導線106以及接合焊盤108。可選地，在其他實施例中，接合焊盤102，接合焊盤和/或導線106以及接合焊盤108可單獨形成並且附接至布線110的部分。根據本發明的實施例，如圖2所示，多個金屬柱形凸塊112附接至襯底100頂面上的接合焊盤102。可以使用類似於引線接合方法(例如，使用引線接合器(未示出))的方法附接多個金屬柱形凸塊112。金屬柱形凸塊112包括凸塊區域114以及連接至的凸塊區域114的尾部區域116。凸塊區域114包括扁球形狀，並且尾部區域116包括尾狀或者柱形。多個金屬柱形凸塊112包括導電材料,例如,金屬。例如,在一些實施例中，多個金屬柱形凸塊112包括Cu、Al、Au、Pt、Pd和/或它們的組合。可選地，金屬柱形凸塊112可以包括其他導電材料和/或金屬。在一些實施例中，多個金屬柱形凸塊112中的每個都包括接近第一襯底100大約50 μ m至300 μ m的高度以及大約50 μ m至200 μ m的直徑。可選地，多個金屬柱形凸塊112可以包括其他材料和尺寸。本文分別參考圖6至圖8和圖9進一步描述了金屬柱形凸塊112及其尺寸的形成。接下來，如圖3所示，提供了第一管芯118並且該第一管芯附接至第一襯底100。第一管芯118包括集成電路或者晶片，將集成電路或者晶片與第二管芯168a以及可選地還與第三管芯168b封裝在單個PoP器件180 (參見圖21)中。第一管芯118可以包括含有半導體襯底的工件，該半導體襯底包含矽或者其他半導體材料並且可以通過諸如絕緣層覆蓋該第一管芯。第一管芯118可以包括形成在工件中和/或上方的一個或者多個部件和/或電路(未示出)。第一管芯118可以包括導電層和/或半導體元件，例如，電晶體、二極體、電容器等(也未示出)。例如，第一管芯118可以包括邏輯電路、存儲器件或者其他類型的電路。第一管芯118可以包括形成在其底面上的多個接觸件(未示出)。在第一管芯118的底面上形成多個焊料凸塊120，例如，第一管芯118底面上的多個接觸件。例如，焊料凸塊120可以包括微凸塊或者焊球。如圖3所示，第一管芯118上的焊料凸塊然後附接至第一襯底100的頂面上的接合焊盤和/或導線106。將焊料回流工藝用於回流焊料凸塊120的焊料並且將第一管芯118附接至第一襯底100，例如，將焊料凸塊120電和機械附接至第一襯底100的接合焊盤或者導線106。可以可選地使用其他方法將焊料凸塊120附接至第一襯底100。在一些實施例中，使用導線上倒裝晶片接合(BOT)附接技術將第一管芯118連接至第一襯底100。可選地，可使用其他倒裝晶片附接技術和其他類型的接合焊盤106。如圖4所示，然後在第一管芯118下方，第一襯底100和第一管芯118之間施加底部填充材料122。儘管也可以使用其他方法形成底部填充材料122，但是例如，使用分配針(dispensing needle)沿第一管芯118的一個或者多個邊緣施加底部填充材料122。儘管可以可選地使用其他材料，但是在一些實施例中，底部填充材料122包括環氧樹脂或者聚合物。如圖5所示，然後，多個焊球124形成在第一襯底100的底面上。焊球124附接至第一襯底100的底部上的接合焊盤108。例如,可以使用植球工藝(ball mount process),隨後的焊料回流工藝來形成焊球124。焊球124可以可選地使用其他方法形成。然後，從工件上的其他第一襯底100切割第一襯底100，以形成第一封裝管芯126。例如，第一封裝管芯126本文中還稱為底部封裝管芯。底部封裝管芯126包括在其頂面129上的多個接合焊盤102，並且包括形成在位於其底面128上的接合焊盤108上的多個焊球124。多個金屬柱形凸塊112中的每個都接合至底部封裝管芯126的頂面129上的接合焊盤102。然後，在第一或者底部封裝管芯126上實施最終測試。圖6至圖8示出了形成圖2至圖5所示的金屬柱形凸塊112的方法實例的橫截面圖。使用引線接合器形成金屬柱形凸塊112，該引線接合器包括用於分配金屬導線133的毛細管132、電子火焰熄滅(electric flame off,EF0)杆以及傳感器(在附圖中未示出引線接合器以及它的一些元件)。在圖6中示出了具有設置在毛細管132內部的導線133的引線接合器的部分130。毛細管132適合在接合工藝期間控制和移動金屬絲。例如，導線133包括Cu、Al、Au、Pt、Pd和/或它們的組合。可選地，導線133可以包括其他導電材料和/或金屬。導線133的端部134從毛細管132的頂部突出。如圖7所示，EFO杆用於在導線133端部134附近產生電火花136，該電火花136在導線133的端部134形成焊球138。焊球138使用無空氣焊球(FAB)技術形成。還如圖7所示，焊球138緊靠第一襯底100上的接合焊盤102放置。毛細管132使用超聲振動或者力140在圖8所示的視圖中的水平方向上振動焊球138。還如圖8所示，向接合焊盤102施加力142，並且向第一襯底100施加熱144，將導線133上的焊球138附接至接合焊盤102。如圖9的橫截面圖所示，然後去除毛細管132，同時將導線133斷開並且形成具有預定長度(在圖8中未示出:參見圖9)的尾部區域116，留下附接至或者接合至接合焊盤102頂部上的第一襯底100的金屬柱形凸塊112。可選地，可以使用其他方法形成金屬柱形凸塊112並且接合至第一襯底100。圖9還根據實施例示出了金屬柱形凸塊112的部分的尺寸。如圖所示，金屬柱形凸塊112具有鄰近第一襯底100的凸塊直徑BD、焊球高度BHl、凸塊區域114的底座高度BH2、尾部區域116的尾部長度TL、以及總高度0H。尺寸BD、BH1、BH2、TL和OH根據導線133的直徑變化，例如，在一些實施例中，導線133的直徑可以在大約Imm至2mm範圍內變動。例如，在一些實施例中，BD在大約50 μ m至200 μ m範圍內變動；TL在大約10 μ m至200 μ m範圍內變動；0H在大約50 μ m至300 μ m範圍內變動；並且BHl和BH2小於0H。在一種實施例中，總高度OH在大約50 μ m至300 μ m範圍內變動並且鄰近第一襯底100的凸塊直徑BD在大約50μπι至200μπι範圍內變動。在另一個實施例中，總高度OH包括大約300 μ m。在一些實施例中，作為另一個實例，總高度OH與凸塊直徑BD的比率大於大約I至大約6。可選地，導線133和金屬柱形凸塊112可以包括其他尺寸。圖10至圖12是第一封裝管芯126的第一襯底100的俯視圖，不出了根據實施例形成新型金屬柱形凸塊112的第一襯底100上的區域。如圖所示，第一襯底100具有設置在中心區域148周圍的外圍區域146。外圍區域146可以包括以一行或者多行形成在其內的多個接合焊盤102。作為實例，在圖10至圖12的外圍區域146中示出了兩行接合焊盤102 ;可選地，可使用其他數目的行。中心區域148包括多個接合焊盤和/或導線106 (在圖10至圖12中未示出:參見圖13)。在一個實施例中，如圖10所示，金屬柱形凸塊112耦合至位於外圍區域146中的接合焊盤102的每一個。多個金屬柱形凸塊112中的一個接合至底部封裝管芯126上多個接合焊盤102中的每一個(例如，位於外圍區域146中)。在其他實施例中，多個金屬柱形凸塊112中的一個僅接合至位於底部封裝管芯126上的多個接合焊盤102中的一些。例如，圖11示出了其中金屬柱形凸塊112耦合至第一襯底100的角部區域150中(例如，位於外圍區域146中)的接合焊盤102的每一個。多個金屬柱形凸塊112中的一個接合至位於底部封裝管芯126的角部區域150中的多個接合焊盤102中的每一個。在一些實施例中，位於外圍區域146中的第一襯底100上的至少10%的接合焊盤102具有耦合至其的金屬柱形凸塊112。在又一個實施例中，如圖12所示，金屬柱形凸塊112耦合至位於角部區域150中的接合焊盤102，並且還耦合至中心邊部區域152 (例如，位於外圍區域146中)。多個金屬柱形凸塊112中的一個接合至中心邊部區域152中的多個接合焊盤中的每一個，並且還接合至位於底部封裝管芯126的角部區域150中的多個接合焊盤中的每一個。注意，金屬柱形凸塊112未在圖10至圖12中示出；金屬柱形凸塊112附接的接合焊盤102在所示的視圖中可見。例如，位於所示的中心邊部區域152和角部區域150中的接合焊盤102的數目為示例性並且可以基於半導體器件設計而變化。圖13示出了第一封裝管芯126的第一襯底100的更詳細的俯視圖。示出了形成在第一襯底100的中心區域148中的接合焊盤和/或導線106。在圖14中示出了圖13的部分的更詳細視圖，示出了在一個實施例中用於將管芯附接至襯底的凸塊導線直連圖案，其中，使用BOT封裝技術封裝第一管芯118。可選地，在其他實施例中，接合焊盤106的圖案可以包括通常用於焊球的圖案。圖15示出了第一管芯118的仰視圖，示出了根據實施例的焊料凸塊120的圖案。焊料凸塊120可以更密集地填充在外圍區域和/或角部區域中，並且可以具有在其某些部分中沒有形成焊料凸塊120的間隙。在圖15中示出的圖案僅是實例:根據半導體器件設計，許多其他類型的圖案還可以用於焊料凸塊120。圖16至圖19示出了根據實施例處於各個階段的封裝至少一種第二管芯168a的方法的橫截面圖。提供了第二襯底160，第二襯底160可以包括類似於本文中描述的第一襯底100的襯底並且可以包括類似的材料和部件。第二襯底160可以包括形成在帶(未示出)上的多個第二襯底160，例如，包括4行和3列的第二襯底160的4個區的帶。可選地，在其他布置中，可以在襯底的帶上形成其他數目的第二襯底160。第二襯底160可以包括類似於針對第一襯底100描述的TSV 104和布線110的TSV 164和布線170。第二襯底160包括位於外圍區域中頂面上的接觸焊盤162和位於底面上的接觸件166。例如，接觸焊盤162和接觸件166可以包括針對諸如第一襯底100的接合焊盤102、接合焊盤或者導線106以及接合焊盤108描述的類似材料。如圖16所示，提供了第二管芯168a。例如，第二管芯168a可以包括類似於針對第一管芯118描述的管芯。至少一個第二管芯168a附接至第二襯底160的頂面。第二管芯168a包括位於外圍區域中其頂面上的多個接觸件169a。使用膠粘劑或者粘合劑(未示出)將第二管芯168a附接至第二襯底160的頂面。然後，使用接合引線172a沿第二管芯168a的兩個或者多個邊緣將第二管芯168a電連接至第二襯底160。例如，可以沿所有四個邊緣將第二管芯168a引線接合至第二襯底160。將第二管芯168a耦合至第二襯底160的頂面包括使用接合引線172a將第二管芯168a頂面上的接觸件169a引線接合至第二襯底160的頂面上的接觸焊盤162。在一些實施例中，一個管芯168a耦合至第二襯底160，並且然後模塑料173形成在第二管芯168a上方和第二襯底160的頂面上方(在附圖中未示出)。在其他實施例中，如圖18所示，第二管芯168a和168b耦合在第二襯底160上方。例如，多個第二管芯168a和168b垂直堆疊在第二襯底160上方。第二管芯168b在本文中還稱為第三管芯。如圖18所示，第三管芯168b耦合在第二管芯168a上方，例如，使用膠粘劑或者粘合劑附接至第二管芯168a的頂面。也如圖18所示，使用焊線172b將位於第三管芯168b頂面上的接觸件16%引線接合至位於第二襯底160頂面上的接觸焊盤162。例如，類似於本文描述的第二管芯168a引線接合至第二襯底160，第三管芯168b引線接合至第二襯底160。兩行或者多行接觸焊盤162可以形成在第二襯底160的頂面上。如圖18所示，接觸焊盤162的最內一行引線接合至第二管芯168a，並且接觸焊盤162的最外一行引線接合至第三管芯168b。模塑料173形成在第三管芯168b以及第二襯底160的暴露部分的上方。例如，模塑料173包括保護接合引線172a和172b的絕緣材料。例如，在一些實施例中，使用倒裝晶片晶圓級封裝(WLP)技術和引線接合工藝將第二管芯168a和168b封裝在第二襯底160上。可選地，可以使用其他類型的封裝工藝將第二管芯168a和168b封裝在第二襯底160上。在一些實施例中，第二襯底160可以不包括布線170內的RDL。在這些實施例中，可以使用接合引線172a和172b進行所有或者一些X-軸線或者水平電連接。在其他實施例中，作為另一個實例，第二襯底160可以包括布線170中的RDL。在這些實施例中，可以在RDL中進行所有的或者一些X-軸或者水平電連接。在施加模塑料173以後，多個焊球174形成在第二襯底160的底面上，例如，如圖19所示，焊球174耦合至接觸件166，並且如圖5所示，與對第一襯底100的底面上焊球124的描述一樣。然後，從在其上製造第二襯底160的工件(例如，包括第二襯底160的帶)上的其他第二襯底160切割第二襯底160，以形成第二封裝管芯176。例如，第二封裝管芯176本文中還稱為頂部封裝管芯。頂部封裝管芯176包括在其頂面179處的模塑料173，並且包括耦合至位於其底面178處的接觸件166的焊球174。在第二封裝管芯176上實施最終測試。圖20示出了根據實施例的將第二封裝管芯176附接至第一封裝管芯126的橫截面圖。如圖21所示，圖21是根據本文描述的方法封裝的PoP器件180的橫截面圖，降低第二封裝管芯176直到焊球174耦合至金屬柱形凸塊112為止，並且焊球174回流，使得焊點182形成在每個金屬柱形凸塊112的上方。焊點182在橫截面圖中具有大體上的桶型。多個金屬柱形凸塊112的每一個都內嵌在焊點182中。例如，如圖所不，多個金屬柱形凸塊112設置在第一封裝管芯126和第二封裝管芯176之間。焊點182將第一封裝管芯126的接合焊盤102和第二封裝管芯126的接觸件166電耦合在一起，並且還將第一封裝管芯126和第二封裝管芯176機械耦合在一起。在一些實施例中，通過加熱第一襯底100和第二襯底160以使第二襯底160的底面178上的多個焊球174的焊錫材料回流並且在第一襯底100和第二襯底160之間形成多個焊點182來形成焊點182。多個焊點182中的至少一些包括多個金屬柱形凸塊112中的一個。例如，一種說明性工藝可以包括將具有形成在其上(在底部封裝管芯126上)的金屬柱形凸塊112的第一襯底100加熱至焊料熔點(大約10°C )以上；對準焊球174(位於頂部封裝管芯176上)；並且將它放置在金屬柱形凸塊112頂部以形成臨時焊點，並且接著進行形成永久焊點182的工藝。頂部封裝管芯176上的多個焊球174 (在焊料回流工藝以後變成焊點182的部分)中的每一個都耦合至頂部封裝管芯176的底面上的接觸件166，並且多個金屬柱形凸塊112中的每一個都部分延伸至焊點182內的頂部封裝管芯176上的接觸件166。在圖21所示的實施例中，金屬柱形凸塊112沒有完全延伸至頂部封裝管芯176的接觸件166。可選地，如圖22所示，圖22是根據另一個實施例的PoP器件180的橫截面圖，金屬柱形凸塊112可以完全延伸至頂部封裝管芯176的接觸件166。優選地，由於金屬柱形凸塊112包括較低的總高度0H(參見圖9)，第一封裝管芯和第二封裝管芯126和176可以更緊密的放置在一起，降低了 PoP器件180的厚度。例如，PoP器件180的大約0.5mm至大約1.5mm的總厚度可使用本文描述的本發明的新實施例來實現。可選地，PoP器件180的厚度可以包括其他尺寸。PoP器件180厚度可以通過使用本發明的實施例減少大約10%或者更大。在一些應用中，作為另一個實例，PoP器件180隔開高度(standoff height)可以降低大約40%或者更大，例如，降低大約280 μ m至大約150 μ m。圖23是示出根據本發明的實施例的封裝半導體器件(即，第一管芯118、第二管芯168a以及此外可選地第三管芯168b)的方法的流程圖190。在步驟191中，將第一管芯118耦合至第一襯底100的頂面。在步驟192中，將多個金屬柱形凸塊112耦合至第一襯底100的頂面。在步驟193中，將第二管芯168a耦合至第二襯底160的頂面。在步驟194中，多個焊球174形成在第二襯底160的底面上。在步驟195中，模塑料173形成在位於第二襯底160頂面上的第二管芯168a的上方(並且如果包括，還位於第三管芯168b上方)。在步驟196中，位於第一襯底100頂面上的多個金屬柱形凸塊112中的每一個都耦合至位於第二襯底160底面上的多個焊球174中的一個。在一些實施例中，第二管芯168a和168b包括存儲器件，例如，隨機存取存儲器(RAM)或者其他類型的存儲器件，並且第一管芯118包括邏輯器件。可選地，第二管芯168a和168b以及第一管芯118可以包括其他功能電路。如圖所示，可以使用與將第一管芯118附接至第一襯底100所使用的方法不同的方法將第二管芯168a和168b附接至第二襯底160。可選地，可以使用與將第一管芯118附接至第一襯底100使用的方法相同的方法將第二管芯168a和168b附接至第二襯底160。在一些實施例中，作為實例，使用倒裝晶片WLP技術以及引線接合封裝第二管芯168a和168b，並且使用倒裝晶片和BOT技術封裝第一管芯118。可選地，可使用其他方法或者技術封裝第二管芯168a和168b以及第一管芯118。本發明的實施例包括使用在第一封裝管芯126和第二封裝管芯176之間的電連接(例如，焊點182)中的金屬柱形凸塊112將多個半導體器件(例如，第一管芯118，第二管芯168a以及此外可選地，第三管芯168b)封裝在單個PoP器件180中的方法。本發明的實施例還包括含有本文描述的新型金屬柱形凸塊112的PoP器件180。本發明的實施例的優點包括提供了減少PoP器件180中的第一封裝管芯126和第二封裝管芯176之間距離，因此減少了包括金屬柱形凸塊112的PoP器件180的總厚度的新型金屬柱形凸塊112。金屬柱形凸塊112總高度OH和寬度(直徑)很小，因此減少了用於焊球174所需的焊料量。在焊球174的焊料回流工藝以後，金屬柱形凸塊112的較小OH圍繞金屬柱形凸塊112形成較低的焊料輪廓，減少了第一封裝管芯126和第二封裝管芯176之間的隔開高度，因此還減小了 PoP器件180的厚度。本文描述的新型結構有利於生產超薄堆疊封裝件以及用於半導體器件的封裝技術。而且，由於諸如金屬柱形凸塊112的凸塊部分114的凸塊直徑BD的直徑非常小，所以可以減小頂部封裝管芯176的底面上的接觸件166的間距以及底部封裝管芯126的頂面上的接合焊盤102的間距，導致用於封裝管芯126和176以及還用於PoP器件180的俯視圖中的較小寬度。例如，使用本發明的實施例在俯視圖中可實現具有大約14nmX14nm的寬度或者較小尺寸的主體尺寸的PoP器件180。可以利用較低成本生產本文描述的金屬柱形凸塊112，以提供在封裝工藝中節約成本。在一些實施例中，焊點182中的金屬柱形凸塊112的存在便於防止相鄰的焊點182的橋接，減少或者防止短路並且提高了器件產量。在半導體器件封裝工藝流程中容易實現本文描述的新型PoP結構和設計。本發明的實施例尤其有利於用於需要低輪廓封裝件的終端應用中，例如，手持產品。在多個金屬柱形凸塊112中的一個接合至底部封裝管芯126上的多個接合焊盤102中的僅一些接合焊盤的實施例中，沒有耦合至其金屬柱形凸塊112的其他接合焊盤102使用焊球174接合至頂部封裝管芯176上的接觸件166。用於這些不包括金屬柱形凸塊112的接合焊盤102的焊點182僅含有焊料。優選地，金屬柱形凸塊112放置在角部區域150中的PoP器件180的整個外圍中或者角部外圍區域150和中心外圍區域152中，使得PoP器件180更堅固。金屬柱形凸塊112在諸如如圖21和22所示的橫截面圖中的垂直方向上穿過封裝管芯126和176的表面在封裝管芯126和176之間還提供了一致間隔。根據本發明的一個實施例，PoP器件包括第一封裝管芯和耦合至第一封裝管芯的第二封裝管芯。多個金屬柱形凸塊設置在第一封裝管芯和第二封裝管芯之間。多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括凸塊區域以及耦合至凸塊區域的尾部區域。多個金屬柱形凸塊中的每一個都內嵌在焊點中。根據本發明的另一個實施例，PoP器件包括含有設置在其頂面上的多個金屬柱形凸塊的底部封裝管芯。多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括凸塊區域和耦合至凸塊區域的尾部區域。PoP器件還包括耦合至底部封裝管芯的頂部封裝管芯。頂部封裝管芯包括形成在其底面上的多個接觸件。底部封裝管芯上的多個金屬柱形凸塊中的每一個都內嵌在耦合至頂部封裝管芯上多個接觸件中的一個的焊點。根據又一個實施例，封裝半導體管芯的方法包括將第一管芯耦合至第一襯底的頂面，以及將多個金屬柱形凸塊耦合至第一襯底的頂面。多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括凸塊區域和耦合至凸塊區域的尾部區域。第二管芯耦合至第二襯底的頂面，並且多個焊球形成在第二襯底的底面上。模塑料形成在第二襯底頂面上的第二管芯上方。方法包括將位於第一襯底的頂面上的多個金屬柱形凸塊中的每一個都耦合至位於第二襯底底面上的多個焊球中的一個。儘管已經詳細描述了本發明的實施例及其優點，但應該理解，可以在不背離所附權利要求限定的本發明主旨和範圍的情況下，做各種改變，替換和更改。例如，本領域技術人員容易理解，本文描述的許多部件、功能、工藝以及材料可以改變而保持在本發明的範圍內。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、裝置、方法和步驟的特定實施例。作為本領域普通技術人員應該容易理解，通過本發明，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果的工藝、機器、製造，材料組分、裝置、方法或步驟根據本發明可以被使用。因此，所附權利要求應該包括在這樣的工藝、機器、製造、材料組分、裝置、方法或步驟的範圍內。
權利要求
1.一種層疊封裝(PoP)器件，包括: 第一封裝管芯； 第二封裝管芯，與所述第一封裝管芯耦合；以及 多個金屬柱形凸塊，設置在所述第一封裝管芯和所述第二封裝管芯之間，其中，所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括凸塊區域和耦合至所述凸塊區域的尾部區域，並且所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都內嵌在焊點中。
2.根據權利要求1所述的器件，其中，所述第一封裝管芯包括耦合至第一襯底的第一管芯，並且所述第二封裝管芯包括耦合至第二襯底的第二管芯。
3.根據權利要求2所述的器件，其中，所述第二封裝管芯包括垂直堆疊在所述第二襯底上方的多個第二管芯。
4.根據權利要求2所述的器件，其中，所述多個金屬柱形凸塊耦合至所述第一襯底，並且所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括大約50 μ m至300 μ m的高度以及包括與所述第一襯底鄰近的大約50 μ m到200 μ m的直徑。
5.根據權利要求2所述的器件，其中，所述第一襯底或者所述第二襯底包括設置在其中的多個襯底通孔。
6.根據權利要求1所述的器件，其中，所述多個金屬柱形凸塊包括選自基本上由Cu、Al、Au、Pt、Pd以及它們的組合所組成的組的材料。
7.一種層疊封裝(PoP)器件，包括: 底部封裝管芯，包括設置在其頂面上的多個金屬柱形凸塊，所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括凸塊區域和耦合至所述凸塊區域的尾部區域；以及 頂部封裝管芯，與所述底部封裝管芯耦合，所述頂部封裝管芯包括形成在其底面上的多個接觸件，其中，所述底部封裝管芯上的所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都內嵌在與所述頂部封裝管芯上的所述多個接觸件中的一個接觸件耦合的焊點中。
8.根據權利要求7所述的器件，進一步包括設置在所述底部封裝管芯的底面上的多個焊球。
9.根據權利要求7所述的器件，其中，所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都完全延伸至所述頂部封裝管芯上的所述多個接觸件中的一個。
10.一種封裝半導體管芯的方法，所述方法包括: 將第一管芯耦合至第一襯底的頂面； 將多個金屬柱形凸塊耦合至所述第一襯底的頂面，所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都包括凸塊區域和耦合至所述凸塊區域的尾部區域； 將第二管芯耦合至第二襯底的頂面； 在所述第二襯底的底面上形成多個焊球； 在所述第二襯底的頂面上的所述第二管芯的上方形成模塑料；以及 將所述第一襯底的頂面上的所述多個金屬柱形凸塊中的每一個都耦合至所述第二襯底的底面上的所述多個焊球中的一個。
全文摘要
本發明公開了一種層疊封裝(PoP)器件以及封裝半導體管芯的方法。PoP器件包括第一封裝管芯以及耦合至第一封裝管芯的第二封裝管芯。金屬柱形凸塊設置在第一封裝管芯和第二封裝管芯之間。金屬柱形凸塊包括凸塊區域和耦合至凸塊區域的尾部區域。金屬柱形凸塊內嵌在焊點中。
文檔編號H01L23/538GK103094260SQ20121039794
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月18日 優先權日2011年10月31日
發明者餘振華, 李建勳, 陳永慶 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司