本發(fā)明涉及用于半導體封裝的加性印刷。

背景技術：

在常規(guī)半導體封裝中，使用線接合或倒裝芯片互連件將信號從裸片(或芯片)上的接合墊路由到封裝引腳(或端子)。在也稱為直接芯片附接(DCA)的倒裝芯片布置中，在其接合墊上具有焊料凸塊的裸片被倒裝(面朝下)到包含襯底、電路板或載體的封裝上，其中裸片的接合墊通過焊料凸塊的回流接合到封裝的接觸墊或端子。線接合互連使用接合線將裸片上的接合墊連接到封裝的接觸墊或端子。由于更低的成本及更好的穩(wěn)健性，更普遍地使用線接合。

技術實現(xiàn)要素：

一個揭示的實施例是辨識線接合(接合線)通常在高頻(例如，>20GHz)下表現(xiàn)較差的互連實施例，線接合在高頻下表現(xiàn)較差是因為它們與信號波長相比在電長度上不再顯著更長，使得傳輸線效應可產(chǎn)生。因此，接合線充當傳輸線可為不合意的。此外，由于若干原因，難以控制接合線傳輸線的阻抗。對于給定裝置，接合線的長度可因接合線而異，當用于塑料封裝的模制化合物被施加到封裝(線歪斜)時，接合線之間的距離可改變，且接合線傳輸線的阻抗通常是高的并且由于所需的接合線到接合線的間距及接合線的厚度而不能夠被調(diào)諧。

所揭示的實施例包含形成封裝半導體裝置的方法，其包含代替常規(guī)接合線的加性印刷互連件。提供在其上具有接合墊的第一半導體裸片(第一裸片)，其面朝上安裝在封裝襯底上或引線框(襯底)的裸片墊上，其中所述襯底具有接觸墊或端子(襯底墊)。形成第一電介質層，其包含印刷包含第一油墨的第一電介質前體層，所述第一油墨包含從相應襯底墊延伸到相應的接合墊的第一液體載體。將包含包括第二液體載體的第二油墨的第一經(jīng)圖案化的互連前體層(第一互連前體層)印刷在從所述襯底墊延伸到所述接合墊的所述第一電介質層或第一電介質前體層上方。燒結或固化所述第一互連前體層以去除至少所述第二液體載體以形成導電互連件。

如本文所使用，“油墨”包含是固體(例如，顆粒，例如納米顆粒)或用于固體的前體(其在固化或燒結包含溶劑及/或分散劑的液體載體之后形成固體(例如顆粒))的材料。舉例來說，在用于固體的前體的情況下，油墨可為(例如)可燒結金屬油墨或UV可固化聚合物或UV可固化聚合物基混合物。所述油墨可通過油墨印刷設備加性地沉積。所述油墨印刷設備可包含使用壓電、熱或聲或靜電的噴墨打印機、氣溶膠噴射器、模板、微量沉積打印機或者絲網(wǎng)或柔性版打印機。

另一揭示的實施例是電磁干擾(EMI)屏蔽實施例，其辨識隨著集成電路(IC)的頻率及/或電壓增大，EMI正變成越來越重大的問題。EMI是在電子裝置處于電磁場(EM場)附近時對所述電子裝置的操作的中斷。二維(2D)隔離技術(例如IC的金屬堆疊內(nèi)的保護環(huán))被認為不再對EMI的適當屏蔽通常有效。也可使用IC裸片內(nèi)的溝槽，但溝槽無法解決IC裸片上的外部源EMI的問題。此實施例包含基于加性印刷的封裝及基于芯片的EMI屏蔽解決方案，其用于與IC裸片上及封裝內(nèi)的EMI高度敏感區(qū)域隔離。

附圖說明

圖1A到C描繪根據(jù)實例實施例的用于形成接合線形狀的加性印刷互連件的實例基于油墨的方法中的步驟。

圖2A到D描繪根據(jù)實例實施例的用于形成接合線形狀的加性印刷互連件的另一實例基于油墨的方法中的步驟。

圖3A及3B分別描繪根據(jù)實例實施例的在加性印刷電介質層上的x-y平面中印刷任意互連形狀之前及之后的襯底上的裸片。

圖4A到C描繪根據(jù)實例實施例的加性印刷互連件的部分的實例橫截面，所述加性印刷互連件是比常規(guī)均勻接合線更復雜的電結構。

圖5A到D描繪根據(jù)實例實施例的包含油墨沉積以形成裸片上EMI屏蔽的實例方法中的步驟。

圖6A描繪根據(jù)實例實施例的具有保形地形成在封裝的模具上的印刷EMI屏蔽件的封裝半導體裝置，其中所述EMI屏蔽件耦合到封裝的引線或球上的接地引腳。

圖6B描繪根據(jù)實例實施例的襯底上的裸片，其中印刷EMI屏蔽件保形地在裸片的鈍化上方且接觸連接到裸片上的接地的至少接合墊。

具體實施方式

一些說明的動作或事件可以不同的順序發(fā)生及/或與其它動作或事件同時發(fā)生。此外，根據(jù)本發(fā)明，可能不需要一些說明的動作或事件來實施方法。

第一實例性基于油墨的加性印刷方法用于形成用于半導體封裝件的互連件以替代接合線。所揭示的互連件印刷允許互連件的2D(受控的x-y圖案)及3D空間及幾何控制(受控的垂直高度)，以使得能夠產(chǎn)生任何任意2D/3D形狀互連件以及多導體傳輸線，其允許互連件在比常規(guī)接合線高得多的頻率(例如，高達100個GHz)下起作用。所揭示的互連件通過使用基于油墨的沉積技術(例如使用噴墨、氣溶膠噴射或絲網(wǎng)印刷)來沉積從裸片上的接合墊(或多個堆疊裸片)延伸到引線框或封裝襯底的接觸墊或端子的基于油墨的經(jīng)圖案化的互連件來克服常規(guī)線接合技術的高頻限制。若干基于油墨的方法可用以實現(xiàn)如本文所描述的所揭示的印刷互連件。

圖1A到C描繪根據(jù)實例實施例的對應于用于形成類似于線接合的互連件的實例基于油墨的沉積方法中的步驟的橫截面圖。圖1A展示在其上具有接合墊121、122的第一半導體裸片(裸片)120面朝上安裝在展示為封裝襯底的襯底140上之后的所得結構，其中襯底140包含端子或接觸墊(襯底墊)142、143。裸片120通過裸片附接材料123安裝到襯底140。襯底140可基本上包含某人可在其上安裝半導體裸片的任何結構，其包含引線框或封裝襯底，例如陶瓷襯底，球柵陣列(BGA)、針柵陣列(PGA)、印刷電路板(PCB)、有機襯底、柔性塑料襯底或紙基襯底。

圖1B展示在形成第一電介質層135之后的所得結構，其包含印刷包含第一油墨的第一電介質前體層，第一油墨包含從襯底墊142、143中的相應者延伸到接合墊121、122中的相應者的第一液體載體。第一電介質層135以具有可控斜率的斜坡形狀從襯底140到裸片120印刷，其厚度朝向裸片120增加。應注意，由于制造公差，第一電介質層135可與接合墊121、122及/或襯底墊142、143部分重疊，同時仍充當下面描述的互連件151、152的下伏層的功能。相反，第一電介質層135與接合墊121、122及/或襯底墊142、143之間的小間隙也可為可接受的，前提條件是與一個墊的間隙不延伸到另一墊。

圖1C展示在從襯底墊142、143中的相應者延伸到接合墊121、122中的相應者的第一電介質層135上方印刷包含包括至少第二液體載體的第二油墨的第一經(jīng)圖案化的互連前體層(第一互連前體層)并燒結或固化第一互連前體層以去除至少第二液體載體以形成包含油墨殘余物的導電互連件(互連件)151、152之后的所得結構?；ミB件151將接合墊122連接到襯底墊143，且互連件152將接合墊121連接到襯底墊142。互連件151不再遭受歸因于模制工藝的常規(guī)接合線移動問題的困擾，這是因為其形成在固體層(第一電介質層135)上而不是在接合線的情況下立于自由空氣中。

互連件151、152可為任何任意2D或3D幾何圖案。如本文所使用，“導電”互連件是指提供≥100S/m的25℃體電導率的燒結或固化油墨殘余物。從燒結形成的所揭示的金屬殘余物通常具有約1到3×10⁷S/m的25℃體電導率，而從固化聚合物前體形成的所揭示的聚合物殘余物通常具有約100S/m到1×10⁵S/m的25℃體電導率。實例導電互連件材料包含導電(例如，共軛)聚合物、金屬及一些摻雜半導體。如本文所使用，“導熱”互連件是指提供≥5W/m·K的25℃體熱導率的燒結或固化油墨殘余物。大多數(shù)金屬基油墨在燒結之后都是導電的且導熱的。

用于所揭示的用于印刷互連件的噴墨印刷工藝的金屬納米油墨可選自若干市售或定制的納米油墨中的任何者。此類金屬納米油墨的商業(yè)供應商的一個實例是明尼蘇達州圣保羅市的西瑪納米技術公司(Cima NanoTech of St.Paul,Minn)。在各種實施例中，此類納米油墨可具有混合到待印刷到表面上以在表面上產(chǎn)生粗糙拓撲或在表面處產(chǎn)生不同的金屬化學物質的水基或其它液體基載體制劑中的納米大小的銅、銀、鈀、鉑及/或金顆粒。按重量計，整個納米油墨組合物的金屬顆粒濃度(particle loading)范圍可從20％到95％，但也可使用其它組合物百分比。實例納米油墨中的金屬顆粒的大小范圍可從直徑約5nm到直徑100nm，但也可使用更小或更大的顆粒大小。也可使用其它類型的金屬，但以上列出的金屬通常表現(xiàn)良好。

噴墨打印機可選自若干市售或定制的噴墨打印機中的任何者。替代地，可將定制的噴墨打印機設計成用于特定的納米油墨。此定制的噴墨打印機的一個實例可為由加利福尼亞州圣克拉拉市的北極星公司(Dimatix,Inc.of Santa Clara,Calif)專門設計制造的一個噴墨打印機。在另一實施例中，例如在待印刷若干不同的相異納米油墨的情況下，可使用一系列噴墨打印機。此類不同的納米油墨可包含不同的金屬，可以交互圖案或布局印刷，及/或可在彼此之上印刷，例如在針對每一者的固化過程之后。

在包含金屬納米顆粒的金屬油墨的情況下，燒結可在通常在60℃與200℃之間的溫度下進行。然而，在塑料或其它低耐熱性封裝材料的情況下，燒結或固化溫度可被限制到60℃到100℃。

所得油墨殘余物膜或島具有顯著不同于并在形態(tài)上相異于由常規(guī)金屬沉積技術(例如，低壓化學氣相沉積(LPCVD)或濺鍍)形成的膜的微觀結構。如本文所使用，油墨殘余物具有較高的相對孔隙率及相關聯(lián)的特定表面面積，通常具有具有10％與80％之間(通常為20％到60％)的孔隙率的至少一部分?？紫堵士裳仄浜穸葹椴痪鶆虻?，其中最高孔隙率通常朝向油墨殘余物的頂部。

為了印刷適性，所使用的油墨通常包含溶劑(10到90wt.％)、導電材料顆粒(0.5％到90％)、分散劑(0.1到5％)及任選的表面活性劑(0到5％)及粘結劑(0到10％)。實例油墨包含PVNanocell導電銀油墨(150-TNG)、Intrisiq導電銅油墨及Cabot CCI-300導電銀油墨。

為提供與在其上方印刷油墨的襯底墊或接合墊的低電阻接觸，通常提供或執(zhí)行以下中的一者：

i)油墨具有溶解/蝕刻掉在襯底墊或接合墊上的原生氧化物的成分，例如包含磷酸、氫氟酸或乙酸的酸，例如氫氧化銨的堿，或例如過氧化氫的氧化劑。

ii)在印刷油墨之前在襯底墊或接合墊上執(zhí)行等離子體步驟以使用等離子體，例如Ar，形成氣體(N₂/H₂)、H₂、CH₄、CHF₃或O₂或其組合。為此，油墨打印機可配備有大氣等離子體打印頭，其在印刷之前的時間在油墨材料打印頭的前面通過。

iii)執(zhí)行高溫或激光/氙閃光固化，其可使油墨材料擴散通過接觸墊上的薄原生氧化物層。

圖2A到D描繪使用具有插入?yún)^(qū)域的襯底140’形成類似于線接合的印刷互連件的另一實例基于油墨的方法中的步驟，其中圖2A展示在具有接合墊126、127、128、129的裸片120安裝在具有襯底墊141、142、143、144的襯底140’的插入?yún)^(qū)域內(nèi)之后的所得結構。襯底140’可為封裝襯底或引線框。裸片120安裝在通常包含電介質材料的襯墊層218上方。

襯墊層218還可包含金屬或非金屬導熱層。當半導體裸片將在其背側上的其施加中接地時，襯墊層218可包含導電襯墊。當半導體裸片的背側位于熱墊上時，例如在典型的四方扁平無引線(QFN)封裝中，導熱襯墊將使封裝的熱阻最小化。替代地，襯墊層218可包含電介質油墨的油墨殘余物。還應注意，襯墊層218不必填充半導體裸片與襯底插入件之間的側間隙。隨后印刷的電介質層231可用以填充間隙并用于平面化目的。

圖2B展示在包含油墨殘余物的電介質層231被印刷在裸片120上的襯底墊141、142、143、144之間以及接合墊126到129之間之后的所得結構，所述電介質層231接著被固化或燒結。圖2C展示在包含油墨殘余物的導電(例如，金屬)互連件層(互連件)232印刷在圖2B中所展示的結構上方且接著被燒結或固化之后的所得結構。展示互連件232將接合墊126連接到襯底墊142，并且將接合墊129連接到襯底墊143。互連件232圖案可為任何任意2D或3D幾何圖案，例如槽，共面波導或微帶(假設接地在上方或下方)圖案。任選地，可印刷然后燒結或固化連續(xù)的電介質及導電(例如，金屬)層以將互連件堆疊在彼此頂部，從而形成多層導體互連件，例如下文描述的圖4B中所展示的帶狀線波導。

圖2D展示在另一個電介質層233被印刷在互連件232上且接著被燒結或固化，且另一導電(例如，金屬)互連件層(互連件)層234被印刷在電介質層233上方且接著被燒結或固化之后的所得結構。雖然本文描述為具有單獨的燒結或固化，但可在給定的燒結或固化步驟中燒結多個基于油墨的層。盡管未展示，但互連件231、232與電介質層233一起可用以形成各種不同的多導電層互連件以將裸片120上的任何所要接合墊連接到襯底140’上的任何襯底墊。

圖3A及3B分別描繪根據(jù)實例實施例的在將導電互連件331a、331b、331c(其各自在x-y平面中具有相同的任意形狀)印刷在電介質層325上之前及之后的襯底140上的裸片120的俯視圖。在圖3A中，接合墊被展示為321、322及323，且襯底墊被展示為341、342及343。在圖3B中，互連件331a、331b、331c被展示為將相應接合墊連接到相應的襯底墊。可利用各種其它任意形狀。

圖4A到C描繪根據(jù)實例實施例的印刷互連件的實例橫截面，所述印刷互連件是比單個常規(guī)均勻線更復雜的電結構。印刷互連件的橫截面可為類似于常規(guī)線接合線的單個金屬線，或可為更復雜的電結構，例如圖4A到C中所展示的波導傳輸線的實例部分，或例如雙線(雙絞線)或共面波導(CPW)的其它多導體波導。

圖4A展示作為多導體傳輸線的一個實例的加性印刷微帶傳輸線420的一部分的橫截面圖。微帶傳輸線420包含通過通常被稱為襯底的電介質層422與接地平面423分離的導電帶421。圖4B展示作為多導體傳輸線的另一實例的加性印刷帶狀線傳輸線(帶狀線)440的一部分的橫截面圖。帶狀線是由介于一對接地面443與444之間的電介質層442夾持的導體441。圖4C展示加性印刷槽線(或開槽線)傳輸線460的一部分的橫截面圖。金屬層462中的槽461包含在電介質層或襯底463上方的具有某一寬度的切口。

另一個揭示的實施例包含使用噴墨、氣溶膠噴射、絲網(wǎng)印刷或類似設備形成以在裸片的選擇性區(qū)域上方沉積經(jīng)圖案化的導電或磁屏蔽結構的基于油墨的印刷EMI屏蔽。圖5A到D描繪根據(jù)實例實施例的包含芯片上EMI屏蔽的油墨沉積的實例基于油墨的方法中的步驟?？蓮碾娐纺M中識別裸片的EMI敏感區(qū)域。EMI敏感區(qū)域可首先由裸片級的金屬保護環(huán)包圍，所述金屬保護環(huán)在裸片上連接到裸片的接地墊。此接地保護環(huán)是印刷EMI屏蔽件將連接到以提供接地EMI屏蔽件的對象。然后將電介質材料印刷在裸片上方，所述電介質材料用作稍后加性沉積EMI屏蔽件的機械支撐層。通常，此機械支撐將為1μm到100μm厚的層，其可包含聚合物，例如聚酰亞胺(被稱為SU-8的環(huán)氧基負性光致抗蝕劑)、苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚(對亞苯基-2,6-苯并二惡唑)(PBO)等等，或電介質材料，例如SiN、SiO₂、硅氧烷或其它氧化物或陶瓷。

在印刷機械支撐層之后，將導電(例如，金屬)或磁屏蔽件印刷在機械支撐層上。導電屏蔽件可基于金屬納米顆粒油墨或導電(例如，共軛)聚合物或導電氧化物。磁屏蔽件可基于磁性納米顆粒油墨。EMI屏蔽件的邊緣連接到裸片上的經(jīng)圖案化的保護環(huán)以向EMI屏蔽件提供接地接口。導電或磁性EMI屏蔽件可為實心(未經(jīng)圖案化的)蓋，或其可經(jīng)圖案化為網(wǎng)格、頻率選擇性表面(例如，頻率選擇性表面(FSS)/或電磁帶隙(EBG)結構)、或另一種圖案。

圖5A是裸片520的橫截面圖，其展示EMI敏感區(qū)域525以及第一接地接合墊527及第二接地接合墊528。圖5B是裸片的橫截面圖，其展示由在裸片級導電件(例如，金屬或高度摻雜)的半導體保護環(huán)535包圍的EMI敏感區(qū)域525，所述導電件具有連接器539(在圖5B中展示為在半導體表面內(nèi)，或在半導體表面上)以用于將保護環(huán)535連接到第一接地接合墊527及第二接地接合墊528。接地的保護環(huán)535是印刷EMI屏蔽件將被連接到以提供接地EMI屏蔽件的對象。

圖5C是裸片520的橫截面圖，其展示將用作稍后加性沉積EMI屏蔽件的機械支撐層在EMI敏感區(qū)域525上方的電介質層540。電介質層540可包含油墨殘余物或常規(guī)形成的層。通常，待用作機械支撐的電介質層540將為包含聚合物(例如，聚酰亞胺、SU-8、BCB、PBO等等)或電介質材料(例如，SiN、氧化硅、硅氧烷或其它氧化物或陶瓷)的1μm到100μm厚的層。圖5D是裸片520的橫截面圖，其展示在形成電介質層540之后，在電介質層540上方形成包含油墨殘余物的導電或磁性EMI屏蔽層(EMI屏蔽件)545。EMI屏蔽件耦合到保護環(huán)535以允許其接地，這是由于連接器539將保護環(huán)535連接到接地接合墊527、528。EMI屏蔽件545可由金屬納米顆粒油墨或導電聚合物或氧化物形成。磁屏蔽件可基于磁性納米顆粒油墨。

所揭示的EMI屏蔽件545還可保形地印刷在封裝的外側上，其中導電(例如，金屬或導電聚合物)或磁性膜在封裝上方經(jīng)圖案化并且與封裝的引線或球上的接地引腳介接。圖6A是包含裸片605的無引線半導體封裝600的橫截面圖，裸片605具有位于裸片墊618上的裸片附接材料623上的接地接合墊607及608，裸片墊618具有包含在封裝600的模制化合物620的外部上方保形印刷接著燒結或固化之后的油墨殘余物的電或導磁EMI屏蔽件(EMI屏蔽件)610。無引線半導體封裝600具有通過接合線639耦合到接地接合墊607及608的引腳631及632。EMI屏蔽件610在模制化合物620上方并連接到引腳631及632以用于接地連接。用于EMI屏蔽件610的實例性圖案包含未經(jīng)圖案化的(實心)、網(wǎng)狀及具有以周期性圖案布置的周期性“孔”的片。

圖6B是在具有襯底墊641、642的封裝襯底640上的裸片605的橫截面圖，襯底墊641、642包含實例EMI屏蔽件610，EMI屏蔽件610包含在裸片605上方的保形印刷之后的油墨殘余物。EMI屏蔽件610接觸接地接合墊607及608以及橫向于接地接合墊607及608的鈍化層619。EMT屏蔽件610是具有所展示的相應孔的經(jīng)圖案化的屏蔽件，以避免通過接合線639與襯底墊641、642短接。

所揭示的實施例可集成到各種組裝流程中以形成各種不同的封裝半導體集成電路(IC)裝置及相關產(chǎn)品。組合件可包含單個半導體裸片或多個半導體裸片，例如包含多個堆疊的半導體裸片的PoP配置?？墒褂酶鞣N封裝襯底。半導體裸片可包含其中的各種元件及/或其上的層，其包含勢壘層、電介質層、裝置結構、有源元件及無源元件，所述元件包含源極區(qū)域、漏極區(qū)域、位線、基極、發(fā)射極、集電極、導線等等。此外，半導體裸片可由包含雙極、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、CMOS、BiCMOS及MEMS的各種工藝形成。

在所描述的實施例中的修改是可能的，且在權利要求書范圍內(nèi)的其它實施例是可能的。