本發(fā)明涉及半導體封裝領域，尤其涉及一種防止翹曲的半導體封裝件及其制造方法。

背景技術：

隨著諸如手機、平板電腦、數(shù)碼相機等電子產(chǎn)品的迅速普及，半導體封裝件得到越來越廣泛的應用。通常，倒裝芯片式球柵陣列(Flip-Chip Ball Grid Array,FCBGA)半導體封裝件是一種典型的封裝結(jié)構(gòu)。在該封裝結(jié)構(gòu)中，至少一個半導體芯片的有效表面可以經(jīng)由多個導電凸塊(bump)而電連接至基板的一個表面。在半導體芯片與基板之間填充底部填料(underfill)，使得半導體芯片的底部填料包圍各導電凸塊并填充各導電凸塊之間的空間，以增強導電凸塊的強度并且支撐半導體芯片。同時，在基板的另一個表面上設置多個焊球作為輸入/輸出端。這樣的設計可以大幅度減小半導體封裝件的體積，因此已成為當今電子元件的主流封裝技術。

由于電子產(chǎn)品的小型化需求，半導體封裝件的整體尺寸變薄，半導體封裝件中的不同元件在熱膨脹系數(shù)(coefficent of thermal expansion,CTE)上的差異會導致在制造半導體封裝件時容易發(fā)生翹曲(warpage)現(xiàn)象，從而影響基板與半導體封裝件或半導體芯片的導電凸塊與基板的電連接。另外，在經(jīng)過回流焊(reflow)工藝使導電凸塊焊接于基板之后，基板因收縮引起翹曲也會造成導電凸塊的開裂(crack)，造成電性連接不良，使產(chǎn)品質(zhì)量劣化。

美國發(fā)明專利申請US2015/0303158A1公開了一種夠能防止翹曲并提高粘附性的半導體封芯片裝件。如圖1所示，傳統(tǒng)的FCBGA半導體封裝件120包括裸片121、穿過封裝件通孔(TPV)122、模塑化合物123和128、第一再分布結(jié)構(gòu)124、第二再分布結(jié)構(gòu)125、焊球126和連接件127。元件之間的CTE不同導致半導體封裝件120容易從邊緣處向上翹曲。如圖2所示，根據(jù)該美國發(fā)明專利申請的半導體封裝件120′利用可提供壓應力的材料212來形成第二再分布結(jié)構(gòu)125，以平衡在半導體封裝件120中產(chǎn)生的翹曲。圖3是圖2中的矩形部分P的放大圖。如圖3所示，壓應力層212設置在具有層疊結(jié)構(gòu)的第二再分布結(jié)構(gòu)125的下層，覆蓋在模塑化合物123和TPV 122上并暴露TPV 122的一部分。鈍化層214覆蓋在壓應力層212上方。第二再分布布線213埋置在壓應力層212和鈍化層214內(nèi)。

然而，該設計雖然能夠減少半導體封裝件的翹曲，但是因為半導體封裝件的再分布結(jié)構(gòu)的厚度有限，所以通過被設置在再分布結(jié)構(gòu)中的壓應力層來平衡翹曲的能力有限，而且不能夠精確地控制由環(huán)氧樹脂模塑料(EMC)產(chǎn)生的翹曲缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明致力于解決上述至少一個技術問題。為此，本發(fā)明的實施例提供一種能夠有效防止翹曲的半導體封裝件及其制造方法。

本發(fā)明的一方面提供了一種半導體封裝件。所述半導體封裝件包括：基板，包括第一表面、與第一表面背對的第二表面以及在基板中延伸以連接第一表面和第二表面的導電柱；介質(zhì)層，位于基板的第一表面上；再布線結(jié)構(gòu)，設置在介質(zhì)層中并電連接到導電柱；半導體芯片，設置在介質(zhì)層上方并電連接到再布線結(jié)構(gòu)；包封層，位于介質(zhì)層上并包封半導體芯片，其中，基板和包封層中的每個由模塑材料形成。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，包封層的厚度和基板的厚度可以被形成為抵消彼此之間的應力以防止翹曲。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，半導體芯片可以通過設置在有效表面上的導電凸塊而電連接到再布線結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，包封層可以填充半導體芯片的有效表面與介質(zhì)層之間的空間。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，半導體芯片的導電凸塊可以連接到設置在介質(zhì)層的頂表面上的再布線結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述半導體封裝件還可以包括設置在基板的第二表面上并電連接到導電柱的焊球。

本發(fā)明的另一方面提供了一種制造半導體封裝件的方法。所述方法包括：準備基板，所述基板包括第一表面和與第一表面背對的第二表面；在基板中形成導電柱；在基板的第一表面上形成介質(zhì)層和再布線結(jié)構(gòu)，所述再布線結(jié)構(gòu)設置在介質(zhì)層中并電連接到導電柱；將半導體芯片設置在再布線結(jié)構(gòu)上并使彼此電連接；在介質(zhì)層上形成包封層以包封半導體芯片，其中，基板和包封層中的每個由模塑材料形成。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以將包封層的厚度和基板的厚度形成為抵消彼此之間的應力以防止翹曲。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，在形成導電柱時，可以通過鉆孔工藝在基板中形成孔隙，可以利用導電材料填充孔隙以形成導電柱。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以將導電柱形成為靠近基板的第一表面并使導電柱的頂表面與基板的第一表面處于同一水平。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以通過設置在半導體芯片的有效表面上的導電凸塊而將半導體芯片電連接到再布線結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，在形成包封層時，可以使包封層填充半導體芯片的有效表面與介質(zhì)層之間的空間。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以將半導體芯片的導電凸塊連接到設置在介質(zhì)層的頂表面上的再布線結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述方法還可以包括：對基板執(zhí)行拋光工藝以暴露導電柱，在基板的第二表面上設置電連接到導電柱的焊球。

根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件具有由模塑材料形成的基板和包封層以及置于兩者之間的介質(zhì)層的三明治結(jié)構(gòu)。將該結(jié)構(gòu)應用于扇出型晶圓級封裝件(Fan-out WLP)可以有效控制封裝件的翹曲，還可以解決玻璃基板在剝離過程中造成的模塑材料與半導體芯片不平整的問題，從而提高封裝工藝的良率，提高半導體封裝件的耐用性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。在整個說明書中，同樣的附圖標記始終指示同樣的元件。附圖不一定按照比例繪制，而是將重點放在示出發(fā)明構(gòu)思的原理。

圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的半導體封裝件的示意圖。

圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術的半導體封裝件的示意圖。

圖3是圖2中的矩形部分P的放大圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件的示意圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件的三明治結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6A至圖6G是根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件的制造方法的各個步驟的示意圖。

具體實施方式

在下文中，將結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，為了清楚地表示與發(fā)明構(gòu)思有關的主要元件，可夸大層或區(qū)域的形狀，并且可以省略次要的元件以避免表述不清楚。發(fā)明構(gòu)思不局限于下述實施例，在各個實施例或相應的方法描述中涉及到的特征、元件或結(jié)構(gòu)均可以單獨或組合地應用于其他實施例。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件的示意圖。如圖4所示，半導體封裝件100包括基板110、介質(zhì)層120、再布線結(jié)構(gòu)130、半導體芯片140以及包封層150?；?10由模塑材料形成。在一個實施例中，基板110可以由環(huán)氧樹脂模塑料(EMC)形成?；?10包括第一表面111、與第一表面111背對的第二表面112以及在基板110中延伸以連接第一表面111和第二表面112的導電柱113。在一個實施例中，基板110可以具有由EMC形成的薄板形狀。第一表面111可以是其上形成多層布線結(jié)構(gòu)的表面，第二表面112可以是與外部電路相連接的表面。

在一個實施例中，導電柱113可以從基板110的第一表面111豎直地延伸到第二表面112，以在貫穿基板110的同時，使第一表面111連接到第二表面112。在一個實施例中，導電柱113可以由諸如銅的金屬形成，但實施例不限于此，還可以由其他導電材料來形成導電柱。當半導體封裝件100為三維半導體封裝件時，導電柱113還可以被設計成穿過基板通孔(TSV)。

介質(zhì)層120位于基板110的第一表面111上。再布線結(jié)構(gòu)130設置在介質(zhì)層120中并電連接到導電柱113。具體地，再布線結(jié)構(gòu)130可以設置在基板110的第一表面111上并與第一表面111接觸(例如，直接接觸)。介質(zhì)層120可以位于再布線結(jié)構(gòu)130上方并覆蓋再布線結(jié)構(gòu)130的一部分，再布線結(jié)構(gòu)130的沒有被介質(zhì)層120覆蓋的部分可以暴露于介質(zhì)層120外部，以用作與半導體芯片或外部電路連接的焊盤。在一個實施例中，介質(zhì)層120可以包括至少一個鈍化層或絕緣層。具體地，介質(zhì)層120可以由氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等材料形成。在一個實施例中，再布線結(jié)構(gòu)可以由諸如銅的金屬或合金形成，但實施例不限于此?？梢岳帽绢I域滿足條件的任何材料來形成介質(zhì)層和再布線結(jié)構(gòu)。

在一個實施例中，介質(zhì)層120可以包括由多個層形成的層疊結(jié)構(gòu)。再布線結(jié)構(gòu)130可以與基板110的第一表面111接觸。例如，再布線結(jié)構(gòu)130可以直接位于第一表面111上。再布線結(jié)構(gòu)130可以埋置在介質(zhì)層120中并在介質(zhì)層120中延伸以電連接到介質(zhì)層120上的半導體芯片或外部電路。再布線結(jié)構(gòu)130可以包括暴露于介質(zhì)層120外部的部分130a，該部分可以設置在介質(zhì)層120的頂表面上并用作與半導體芯片140電連接的焊盤。

半導體芯片140設置在介質(zhì)層120上方并電連接到再布線結(jié)構(gòu)130。在一個實施例中，半導體芯片140可以包括有效表面141。有效表面141上可以設置多個導電凸塊(未示出)。半導體芯片140可以通過設置在有效表面141上的導電凸塊而電連接到再布線結(jié)構(gòu)130。在一個實施例中，半導體芯片140的導電凸塊可以連接到設置在介質(zhì)層120的頂表面上的再布線結(jié)構(gòu)130。半導體芯片可以以倒裝芯片的方式設置在介質(zhì)層120的表面上。設置在半導體芯片140的有效表面141上的導電凸塊可以與再布線結(jié)構(gòu)130的被暴露在介質(zhì)層120外部且被用作焊盤的部分130a電連接。在一個實施例中，多個導電凸塊可以由諸如銅的金屬或合金形成，但不限于此。

包封層150位于介質(zhì)層120上并包封半導體芯片140。包封層150由模塑材料形成。包封層150和基板110可以由相同的材料形成。在一個實施例中，包封層150可以由環(huán)氧樹脂模塑料(EMC)形成。在一個實施例中，除了有效表面141之外，半導體芯片140還可以包括無效表面142和圍繞半導體芯片四周的側(cè)表面143。包封層150可以圍繞半導體140的側(cè)表面143并覆蓋無效表面142。在該實施例中，包封層150可以填充半導體芯片140的有效表面141與介質(zhì)層120之間的空間S。在傳統(tǒng)的半導體封裝件中，可以利用諸如底部填充料來填充空間S。根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件利用模塑材料在形成包封層150時填充空間S，可以省略底部填充工藝。

在一個實施例中，半導體封裝件100還可以包括設置在基板110的第二表面112上并電連接到導電柱113的焊球114。具體地，焊球114可以形成為與導電柱113疊置。半導體芯片140可以通過設置在其有效表面141上的導電凸塊(未示出)、設置在介質(zhì)層120中的再布線結(jié)構(gòu)130以及設置在基板110中的導電柱113而與焊球114電連接，使得從外部電路或裝置接收的數(shù)據(jù)或信號可以從焊球114傳輸?shù)桨雽w芯片140。

由于半導體封裝件中的不同構(gòu)成元件在熱膨脹系數(shù)(CTE)上的差異會導致在制造半導體封裝件時容易發(fā)生翹曲現(xiàn)象，從而影響基板與半導體封裝件或半導體芯片的導電凸塊與基板的電連接。另外，在經(jīng)過回流焊工藝使導電凸塊焊接于基板之后，基板因收縮引起翹曲也會造成導電凸塊的開裂，造成電性連接不良，使產(chǎn)品質(zhì)量劣化。根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件的基板和包封層中的每個由模塑材料形成，從而構(gòu)成了使介質(zhì)層設置在中間的三明治結(jié)構(gòu)。這樣的三明治結(jié)構(gòu)可以平衡在制造期間產(chǎn)生的應力，抑制半導體封裝件的翹曲。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件的三明治結(jié)構(gòu)示意圖。在一個實施例中，包封層150的厚度和基板110的厚度可以被形成為抵消彼此之間的應力以防止翹曲。如圖5所示，可以將包封層150的厚度形成為與基板110的厚度基本相同，并且介質(zhì)層120置于它們之間，使得半導體封裝件100具有對稱的結(jié)構(gòu)。由于包封層與基板在結(jié)構(gòu)上對稱，在材料上相同，在厚度上相似，從而可以抵消相互間的應力，達到平衡翹曲的目的。

圖6A至圖6G是根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件的制造方法的各個步驟的示意圖。在下文中，將結(jié)合圖6A至圖6G詳細描述制造根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件100的方法。

首先，如圖6A所示，準備基板110?；?10由模塑材料形成。在一個實施例中，基板110可以由環(huán)氧樹脂模塑料(EMC)形成?；?10包括第一表面111和與第一表面111背對的第二表面112。

接下來，如圖6B所示，在基板110中形成導電柱113。導電柱113可以被形成為靠近基板110的第一表面111。在一個實施例中，可以通過鉆孔工藝在基板110的第一表面111上形成孔隙113a，所述鉆孔工藝可以包括激光鉆孔、機械鉆孔、化學腐蝕、離子刻蝕等，但是本發(fā)明構(gòu)思不限于在此列舉的鉆孔工藝。該孔隙113a可以具有小于基板110的深度并且不貫穿基板110。然后，利用諸如銅的金屬填充孔隙113a，再執(zhí)行諸如化學機械拋光(CMP)的拋光工藝，以去除位于基板110的第一表面111上的多余的金屬，從而形成導電柱113。另外，導電柱113可以完全填充孔隙113a。導電柱113的上表面可以與基板110的第一表面111位于同一水平處。

接下來，如圖6C所示，在形成導電柱113之后，再在基板110的第一表面111上形成介質(zhì)層120和再布線結(jié)構(gòu)130。在一個實施例中，可以首先在基板110上形成再布線結(jié)構(gòu)130，然后在再布線結(jié)構(gòu)130上形成介質(zhì)層120以覆蓋再布線結(jié)構(gòu)130。具體地，可以利用掩模，通過曝光和顯影工藝在基板110上形成再布線圖案，再通過諸如光刻的工藝形成再布線結(jié)構(gòu)130，然后利用化學氣相沉積(CVD)或旋涂工藝在再布線結(jié)構(gòu)130上形成介質(zhì)層120。最終使再布線結(jié)構(gòu)130設置在介質(zhì)層120中并電連接到導電柱113。

在一個實施例中，可以將介質(zhì)層120形成為覆蓋再布線結(jié)構(gòu)130的一部分，并且使再布線結(jié)構(gòu)130的另一部分130a暴露于介質(zhì)層120的外部以用作焊盤。

接下來，如圖6D所示，將半導體芯片140設置在再布線結(jié)構(gòu)130上并使彼此電連接。在一個實施例中，半導體芯片140可以包括有效表面141。在有效表面141上形成有多個導電凸塊。在這種情況下，可以通過設置在半導體芯片140的有效表面141上的導電凸塊而將半導體芯片140電連接到再布線結(jié)構(gòu)130。具體地，可以將半導體芯片140的導電凸塊連接到設置在介質(zhì)層120的頂表面上的再布線結(jié)構(gòu)130。即，通過使導電凸塊與再布線結(jié)構(gòu)130的被用作焊盤的部分130a接觸，使得半導體芯片140被電連接到布線結(jié)構(gòu)130。

接下來，如圖6E所示，在介質(zhì)層120上形成包封層150以包封半導體芯片140。包封層150由模塑材料形成。在一個實施例中，包封層150可以由環(huán)氧樹脂模塑料(EMC)形成?？梢岳孟嗤哪Ｋ懿牧蟻硇纬砂鈱?50和基板110。可以將包封層150的厚度和基板110的厚度形成為抵消彼此之間的應力以防止翹曲。在一個實施例中，除了有效表面141之外，半導體芯片140還可以包括無效表面142和圍繞半導體芯片150四周的側(cè)表面143。在該實施例中，可以在形成包封層150時，利用模塑材料填充位于半導體芯片140的有效表面141與介質(zhì)層120之間的空間S。在傳統(tǒng)的半導體封裝件中，可以利用諸如底部填充料來填充空間S。根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體封裝件的制造方法可以省略底部填充工藝。

接下來，如圖6F所示，可以對基板110的第二表面112執(zhí)行拋光工藝以使基板110的厚度減薄并暴露導電柱113。在一個實施例中，拋光工藝可以為化學機械拋光或研磨拋光中的至少一種工藝?？梢詧?zhí)行拋光工藝直到剛剛暴露導電柱113為止。

接下來，如圖6G所示，可以在基板110的第二表面112上設置電連接到導電柱113的焊球114。在一個實施例中，可以將焊球114形成為與導電柱113疊置。因此，半導體芯片140可以通過設置在其有效表面141上的導電凸塊(未示出)、設置在介質(zhì)層120中的再布線結(jié)構(gòu)130以及設置在基板110中的導電柱113而與焊球114電連接，使得來自外部電路或裝置的數(shù)據(jù)或信號可以從焊球114傳輸?shù)桨雽w芯片140。

根據(jù)本發(fā)明的實施例的制造方法，半導體封裝件具有由模塑材料形成的基板和包封層并且介質(zhì)層設置在它們之間的三明治結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)應用于扇出型晶圓級封裝件(Fan-out WLP)可以有效控制封裝件的翹曲，還可以解決玻璃基板在剝離過程中造成的模塑材料與半導體芯片不平整的問題，從而提高封裝工藝的良率，并提高半導體封裝件的耐用性。

雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的示例性實施例，但是本領域技術人員將理解的是，發(fā)明構(gòu)思不限于這些實施例。在不脫離本發(fā)明的精神和原理的情況下，可以對上述實施例進行各種修改和變化。