用于微电子器件的涂层、包括涂层的处理结构、以及管理微电子管芯的热剖面的方法

技术领域

本发明的公开实施例一般地涉及微电子器件，更具体涉及用于这种器件的膜或其它处理结构。

背景技术

微电子器件技术正快速地向包含薄的、高功率管芯的多芯片封装发展。薄管芯的管芯开裂风险显著，因此需要热处理。严格的封装高度限制规定任何解决方案本身必须相对薄，从而避免过分地增加整体封装厚度。

附图简述

根据结合附图中的各个附图来阅读以下具体描述将更好地理解公开实施例，其中：

图1和2是根据本发明一实施例的用于微电子器件的涂层的剖面图；

图3是根据本发明不同实施例的图1和2的涂层的剖面图；

图4是根据本发明一实施例的包括图3的附连到半导体晶片的涂层的处理结构的剖面图；

图5是示出根据本发明一实施例的管理微电子管芯的热剖面的方法的流程图；以及

图6-8是根据本发明实施例的制造工艺中的各点处的图4的组件的剖面图。

为了简明和清楚地说明，诸附图示出一般形式的结构，且可能省略了已知特征和技术的描述和细节以避免不必要地混淆本发明所描述的实施例的讨论。此外，附图中的各要素不一定按比例绘制。举例而言，相对于其 它要素附图中一些要素的尺寸可被放大来帮助改善对本发明各实施例的理解。不同附图中的相同附图标记表示相同要素，而类似附图标记可能但不限于表示类似要素。

说明书和权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等用于区别类似要素(如果存在)，而不一定用于描述先后或时间顺序。要理解，在适当情况下如此使用的这些术语可互换，例如使得本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述或所示的其它顺序来操作。类似地，如果本文所述的方法包括一系列步骤，本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所陈述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其它步骤可被添加到该方法。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”和其任意的其它变型旨在覆盖非排他的包含，使得包括一列要素的工艺、方法、制品或装置不必限于那些要素，但可包括本文中并未特意列出的或这些工艺、方法、制品或装置固有的其它要素。

说明书和权利要求书中的术语“左”、“右”、“正面”、“背面”、“顶”、“底”、“上”、“下”等(如果存在)用于描述性目的，而不一定用于描述恒定的相对位置。要理解，在适当情况下如此使用的这些术语可互换，例如，使得本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述或所示的其它取向来操作。本文所使用的术语“耦合”定义为直接或间接地以电或者非电方式连接。本文所述的相互“邻近”的对象只要适合于使用该短语的上下文，可能彼此物理接触、彼此接近、或者彼此在同一常规区域或地区。本文中出现的短语“在一个实施例中”并非必须全部涉及同一实施例。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，微电子器件的涂层包括包含填充物材料的聚合物膜。该聚合物膜具有大于3W/m·K的导热率，且具有不超过10微米的厚度。该聚合物膜可与切割带相组合以形成简化微电子封装制造工艺的处理结构，且可使用以便于管理微电子器件的热剖面。

现有裸管芯封装组件和测试工序给多个潜在的缺陷源提供庇护，其包 括零件和介质的手动操作、工具与管芯背面接触(诸如管芯背面锯切等)、测试基座刮擦等等。所有这些源以及其它导致制造期间或可靠性测试期间的管芯开裂失效。因此，理想的解决方法将提供高耐刮擦性以防止管芯开裂，同时还提供降低热阻且实现从管芯的有效排热的薄而高导热材料。当前不存在提供管芯背面耐刮擦性和散热性两者的可接受的解决方法。现有的耐刮擦涂层通常为不良的热导体，且还具有高厚度剖面，其根据以下的广义关系增加热阻：热阻∝(厚度/导热率)，且因此在将热从管芯导出时效率低。

通过使用管芯背面膜(DBF)可减轻或消除以上所述的问题。通常，这是可能具有1至50微米(本文中简写为“微”或“μm”)的厚度的晶片级膜，其可层叠在硅(或其它)晶片或管芯的背面上或者以其它方式施加到硅(或其它)晶片或管芯的背面。这种施加可在晶片减薄工艺之后进行。该DBF通常为聚合物/无机物复合物且永久附连到诸如膜固化后的半导体管芯的微电子器件的背面。

其中，这种膜增加包含经涂敷管芯的微电子封装的可靠性，且针对封装组装和搬运期间的管芯开裂和翘曲提供显著保护。这种膜对于以裸管芯封装销售或装运的产品尤其有优势，其否则(即，没有这种膜的情况)将更容易遭受磨蚀、磨损、或其它在装配/测试工艺(或因其它源发生)期间引入的背面损伤，其可能导致不良的管芯背面视觉外观和/或运输或使用期间的管芯开裂。但是，大多数现有DBF不传导热，这导致散热问题且从而可能导致性能损失和甚至是管芯失效。举例而言，现有DBF包含二氧化硅填充物，虽然其提供良好的机械特性(较高模量)但缺乏可接受的导热率特性。填充有二氧化硅的DBF的导热率低于1W/m·K，这对于许多应用而言过低。

因此，所需要的是用于移动裸管芯应用、用于桌面封装应用、以及用于类似环境的薄且高导热率(高k)的DBF，其中在桌面封装应用中该高kDBF将与热界面材料(TIM)和/或集成散热器(HIS)热接触。这种膜将减少归因于微电子(尤其涉及高功率)器件的装配和搬运期间发生的管芯 开裂导致的成品率降低。该膜的导热率将减少可能由于膜的应用而发生的任何温度升高，且将允许从管芯有效地排热。

通过启用具有高耐刮擦性和高导热率以及具有被设计成允许激光标记的能力的非常薄的膜，本发明的各个实施例提供这些以及其它好处。启用在管芯背面上的激光标记节省空间，因为否则要在封装衬底或其它地方上作这种标记，从而导致空间的节省以及较小、较低成本的封装。如将在下文中的具体讨论，受益于聚合物中的坚硬的导热的颗粒，在各个实施例中可实现创造性DBF的以上特性。更坚硬的颗粒可帮助增强耐磨性，而导热颗粒可帮助增强从管芯排热。

现参考诸附图，图1和2是根据本发明实施例的用于微电子器件的涂层130的剖面图。图1所示的涂层130附连到管芯120，该管芯又附连到作为微电子封装100的一部分的衬底110。图2仅示出涂层130。如图1和图2所示，涂层130包括包含填充物材料232的聚合物膜131。(涂层130和聚合物膜131实质上相同，原则上保持名称上的不同是出于讨论和识别的目的。)聚合物膜131可具有高于50摄氏度(℃)的玻璃转变温度(T_g)。

聚合物膜131是具有高于3W/m·K的导热率和不超过10μm的厚度133(且实际上可更薄)的DBF。厚度最大值相对小的一个原因是，对于具有给定导热率的任何材料而言，膜越薄将引入对来自微电子器件的散热的热阻越低。因此，对于给定器件功率而言，与较厚膜相比较薄的膜将使器件可在较低温度下运行。例如，对于具有高于10瓦的热设计功率(TDP)的器件而言，具有3W/m·K的导热率以及大于10μm的厚度的膜预计使器件运行得更热，更热的程度在1℃以上(相对于不具有DBF的管芯)。超过1℃的温度的上升通常是不希望发生的，因为其可降低微电子器件的性能和可靠性。因此，对于薄膜131可考虑诸多材料，而较厚膜则并非这种情况。在某些实施例中，聚合物膜131在室温(本文中接近300开氏度(°K))下具有大于3GPa的二次固化杨氏模量。聚合物膜131可基于机械上坚硬的热固树脂，其包括各种环氧和环氧树脂，诸如聚对苯二甲酸乙二醇聚酯(PET)等的热塑性材料，各种聚酰亚胺，以及类似材料。如以下进一步讨 论地，双层或其它多层膜设计可用于满足所要求的叠层结构和厚度条件。

管芯120具有包含有源电路125的正面121和与正面121相反的背面122。如图所示，聚合物膜131置于背面122处，称为管芯背面膜。

填充物材料232可包括微米和/或纳米级填充物，这些填充物基于具有高导热率[例如，k＞10W/m·K]和高耐磨性的材料。如以上所述，这种填充物可被填充到环氧基质中。作为一具体示例，填充物材料232可包括以下的一个或多个，钨、黄玉(Al₂SiO₄)、铬、铝、氧化铝(“矾土”或Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)、硼、碳化硼(B₄C)、氮化硼(BN)、镍、镍钒(NiV，例如具有少于0.05％的V)、石墨、碳粉末、碳纤维、以及钻石等。亦可使用以上物质的纳米管和纳米线。所列的各个材料具有至少10W/m·K的导热率，其中一些(特别是钻石以及各种材料的纳米管)具有1000W/m·K或以上的导热率。

如以上所述的颗粒、纳米管、纳米线、以及类似结构大小可均匀，或者如在图2的实施例中可具有多种尺寸。在某些实施例中，颗粒最大具有1μm的大小，其中诸多颗粒远小于该值(例如，具有100纳米(nm)或者更小的最大尺寸)。纳米大小填充物的合意性至少部分地源自膜厚度的限制(越薄的膜提供越好的放热)。换言之，与用较大颗粒填充的对应膜相比，纳米大小的填充物在低得多的厚度下提供诸如高耐刮擦性的性能而不用牺牲导热率。

在一个实施例中，环氧基质内的填充物负载按重量计算可能为70-95％。作为示例，可用硅烷或硅氧烷耦合剂，或用环氧胺或类似物处理填充物，从而实现更佳的基质填充物界面强度和分散。在特定实施例中，纳入到膜131的填充物(例如，以上所述那些的一个或多个，或其它)改善随后要施加到管芯上的TIM的性能。例如，涂金镍填充物可用于改善焊料型TIM的浸湿以及与焊料型TIM的反应。

在某些实施例中，以上结构可通过以下步骤制作，对填充物进行第一表面处理，使用溶剂将经处理的填充物混合到未固化的环氧树脂，将所得膜旋涂在晶片的背面上，然后蒸发溶剂以及固化环氧。在特定实施例中， 可省略溶剂的使用(为了防止膜中潜在的空隙风险)，且可直接将填充物混合到环氧树脂中，随后进行旋涂和固化。旋涂可用良好的厚度控制来创建较精细的厚度，其通过定制黏度、旋涂的每分钟转速(rpm)、复合体积等来实现。可用这些技术来涂敷5-10μm或更小数量级(以及较厚膜)的膜。

这些填充物提供增加的导热率以及增加的模量(硬度)两者。可控制填充物的类型、大小和含量以及DBF厚度以按需操纵导热率。可优化填充物参数以及树脂化学物质以提供所需的模量，以及从而防止管芯开裂。鉴于这一点，根据方程式E_总＝E_mV_m+E_fV_f的混合物的简单规则预测到当在聚合物基质中混合研磨(机械上坚硬)材料时，所得复合物将具有良好的耐磨性，其中E为要测量的特性，V为容积率，m＝基质，且f＝填充物。(以上所提及的一些陶瓷颗粒是已知研磨剂，具有数百GPa的模量。)所期望的导热率的改进从类似论点得出。

出于包括安全、品牌推广、库存控制等的诸多原因，具有在管芯120上制作可读标记的能力可能是有利的。这种标记可通过例如油墨印刷或激光雕刻来制作，其中因为后一种方法可提供更高对比度而是优选的。然而，为了使这种激光雕刻可视，该雕刻区域相对于未雕刻的区域必须提供足够的对比度。因此，可向聚合物膜131加入诸如碳黑或某其它颜料的着色剂；这增加管芯120背面上的激光雕刻和未雕刻区域之间的对比度，且允许在背面上而不在封装的其它地方以增加封装大小的代价来制作激光标记。

为了在大量制造环境中有用，涂层130必须在适当的制造条件下能可靠地施加到管芯120。其中，必须考虑各种层叠和厚度要求。例如，具有大于50℃的玻璃转变温度的聚合物膜131通常可置于带盘系统中以不粘合到覆带的情况下甚至在可遭遇极端温度和湿度条件的装运期间装运。但是，否则合乎要求的高T_g导致管芯和膜之间的分层-以及不良粘合。在一些实施例中，通过使用以上所述的聚合物膜131的双层或其它多层设计来满足以上要求、以及克服相应制造问题，该聚合物膜131现在将首次参考图3来进一步细节讨论。

图3是一实施例中的涂层130的剖面图，在该涂层中聚合物膜131具有一个以上层。如图3所示，膜131包括具有厚度335和第一填充物含量的层331，以及具有厚度336和第二填充物含量的层332。膜131被示为处理结构300的一部分，处理结构300还包括用粘合层311附连到层332的切割带310。将在下文中进一步讨论处理结构300、切割带310、以及粘合层311。

层331和332可具有类似基化学物质，以便于使它们之间存在强粘合力。该两个层被描绘成具有相等厚度，但是在各实施例中诸层可具有不同厚度，其中两个层中的任一层比另一层厚。作为示例，对于10微米的总膜厚而言，层331和332可分别具有2和8μm、5和5μm、6和4μm的厚度，或具有任何其它厚度组合。

作为示例，层331可具有小于80℃的玻璃转变温度，而层332可具有大于50℃的玻璃转变温度。这导致在膜中一侧在80℃下变粘(用于层叠到硅)，且另一侧在高达至少50℃的温度也不粘(用于防止粘合到带盘或者取放工具)。具有较低T_g的一侧(层331)将置成挨着管芯120以层叠到管芯120，而具有较高T_g的一侧(层332)将置成在管芯反面，从而为管芯120提供非粘性背面涂层。作为示例，层特性的不同可来自化学物质和填充物含量的微小改变。举例而言，该粘性层(层331)与非粘性层(层332)相比有可能具有较低的填充物含量。

如果在晶片级而非单个管芯级施加膜，则向管芯120施加膜131可大大被简化。虽然并未在所有实施例中要求，切割带310在晶片级叠层工序中可以是有用的，其后跟随单片化工艺，如将在下文中以进一步细节讨论。

图4是根据本发明一实施例的包括切割带310的处理结构300的剖面图，所示处理结构300具有晶片410。如上所述，处理结构300还包括膜131，以及切割带310和膜131之间的粘合层311。在未示出的实施例中，膜131包含单个层。在图4所示实施例中，膜131由以上所述的层331和层332两个层构成，其中层331邻近晶片410。

图5是示出根据本发明一实施例的管理微电子管芯的热剖面的方法 500的流程图。有利地，方法500不要求对现有管芯预处理流程作出改变，这些预处理流程包括切割带或晶片级管芯附连膜(WLDAF)、层叠、单片化、以及在带盘管芯拣选(TRDS)处的管芯拾取。如将要描述地，方法500使用类似于图1中首次示出的聚合物膜131的膜。将参考图6-8的一个或多个来讨论方法500的某些步骤，图6-8是根据本发明一实施例的制造工艺中各点处的处理结构300和晶片410的剖面图。

方法500的步骤510向包含微电子管芯的晶片施加具有大于3W/m·K的导热率的聚合物膜，使得聚合物膜具有不超过10微米的厚度。如上所述，该聚合物膜可类似于图1中首次示出的聚合物膜131。作为示例，该晶片可类似于图4中首次示出的晶片410。

在一个实施例中，步骤510包括向晶片的背面上层叠膜，然后固化该膜。在一特定实施例中，固化该聚合物膜包括将膜暴露于热辐射中。如先前所提及地，步骤510可在晶片减薄工序之后执行。

在一个实施例中，步骤510或另一步骤包括在其施加期间向该处理施加热。这样做可改善聚合物膜和晶片的硅表面的接合。

方法500的步骤520用于从晶片单片化微电子管芯。作为示例，可使用诸如晶片涂敷+激光划线+锯切的标准工艺来执行步骤520。图6绘示使用切割带的步骤520的一实施例。如图6所示，该锯条(或类似划线或切割工具)将同时穿过晶片410和膜131并进入到切割带310来切割。切割带310用于实现切割以及管芯拾取。可能需要粘合层311，以便于提供足以防止切割处的任何管芯飞出的DBF的层332和切割带310之间的接合程度。

锯切之后，在诸如TRDS的标准装置中拾取单片化的管芯。在这个阶段，聚合物膜131保持附连到管芯。处理结构300的其余部分，即切割带310和粘合层311不转移到管芯。

图7绘示移除切割带和粘合层之后的具有膜131的单片化管芯。根据实施例以及以上所讨论的概念，可看出层332的裸露表面是非粘性表面，其将防止粘合到在典型使用期间与其接触的物质。

方法500的步骤530用于将微电子管芯附连到封装衬底。作为示例， 步骤530可使用焊料回流工艺来完成，其中该聚合物膜暴露。图8表示芯片附连工序，在该工序中单片化管芯841(具有互连结构842)通过焊料回流置于具有用于准备附连的焊料凸点811的衬底810之上。

虽然本发明已参考特定实施例作出描述，要理解可由本领域普通技术人员作出各种改变而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明实施例的公开内容旨在说明本发明的范围，而非旨在限制。旨在本发明的范围应仅由所附权利要求所主张的范围来限制。例如，对于本领域普通技术人员而言，可用各种实施例实现本文所讨论的聚合物膜、以及相关结构和方法是非常显而易见的，且以上这些实施例的一些讨论不必呈现所有可能实施例的完整描述。

此外，参考具体实施例描述了好处、其它优点以及对问题的解决方案。但是，这些好处、优点、对问题的解决方案以及可使任何好处、优点或解决方案产生或变得更显著的任何元素不能被解释为任何或所有权利要求的关键的、必要的、或实质的特征或要素。

此外，如果实施例和/或限制有以下情况时，在贡献原则下本文所公开的实施例和限制不公布于众：(1)其未在权利要求中特别声明；且(2)其在等同原则下，可能不等同于权利要求中表示的元素和/或限制。