[发明专利]三维半导体封装及其制造方法

说明书

本文阐述三维半导体封装及其制造方法。所述方法包括：在中介层上安装管芯堆叠，在管芯堆叠之上分配热界面材料层且将热散布元件放置在管芯堆叠之上并通过热界面材料层将热散布元件附接到管芯堆叠。热界面材料层在管芯堆叠及中介层与热散布元件之间提供可靠的粘着层及高效的导热路径。因此，防止热界面材料层从热散布元件分层，提供从管芯堆叠到热散布元件的高效热传递，且通过中介层与热散布元件之间的热界面材料层减小沿着热路径的热阻。因此，热界面材料层降低整体运行温度并增加三维半导体封装的整体可靠性。

技术领域

本文揭露涉及热界面材料、三维半导体封装及三维半导体封装的制造方法。

背景技术

在封装集成电路的过程中，可通过结合工艺来堆叠半导体管芯，且可将半导体管芯结合到其他封装组件(例如中介层及封装衬底)。所得封装被称为三维(Three-Dimensional，3D)半导体封装。堆叠半导体管芯的散热(heat dissipation)是三维半导体封装所面临的挑战。

高效地耗散在三维半导体封装的堆叠管芯中产生的热量可能特别困难。在三维半导体封装中，在由堆叠管芯产生的热量可传导到散热元件(例如，散热器(heat spreader))之前，所述热量可能必须被耗散到外部组件。然而，在堆叠管芯与外部组件之间存在其他材料(例如底部填充胶、模塑化合物等)，这些材料在导热方面是无效的。因此，热量可能陷获在三维半导体封装内，导致急剧的局部温度峰值或“所谓的”热点(hot spot)。此外，由高功耗管芯产生的热量可导致例如邻近的半导体管芯的热串扰(thermal crosstalk)等问题，从而对所述邻近的半导体管芯的性能及可靠性造成不利影响。因此，三维半导体封装本身的整体性能及可靠性可能会降低及劣化。

发明内容

本文的一个态样提供一种三维半导体封装的制造方法，包括：在半导体封装之上应用热界面材料，所述热界面材料包括芯体材料及导热性填充材料，所述热界面材料包含第一填充粒子及第二填充粒子，所述第一填充粒子具有第一大小分布，所述第二填充粒子具有与所述第一大小分布独立的第二大小分布；以及将散热元件放置在所述半导体封装之上，所述热界面材料将所述散热元件热耦合到所述半导体封装，使得所述第一填充粒子的第一侧在实体上接触所述半导体封装且所述第一填充粒子的第二侧在实体上接触所述散热元件。

本文的另一个态样提供一种三维半导体封装的制造方法，包括：将经封装的半导体器件电耦合到封装衬底；在所述经封装的半导体器件之上应用热界面材料，所述热界面材料包括芯体材料及导热性填充材料，所述导热性填充材料包括第一组填充粒子与第二组填充粒子的至少二元系统，所述第一组填充粒子具有第一平均尺寸且所述第二组填充粒子具有比所述第一平均尺寸小的第二平均尺寸；以及通过所述热界面材料将散热元件附接到所述经封装的半导体器件，所述第一组填充粒子将所述散热元件与所述经封装的半导体器件均匀地间隔开。

本文的又一个态样提供一种三维半导体封装，包括：经封装的半导体器件，电耦合到封装衬底；散热元件；以及热界面材料，设置在所述经封装的半导体器件与所述散热元件之间且界接所述经封装的半导体器件及所述散热元件二者。所述热界面材料包括：芯体材料；以及导热性填充材料，包括：主要填充粒子，其中所述热界面材料具有经过所述主要填充粒子中的第一主要填充粒子的主要热传递路径，所述主要热传递路径从所述第一主要填充粒子与所述经封装的半导体器件之间的第一界面延伸到所述第一主要填充粒子与所述散热元件之间的第二界面；以及第二填充粒子，其中所述热界面材料具有经过所述芯体材料及所述第二填充粒子中的至少一个第二填充粒子的第二热传递路径，所述至少一个第二填充粒子被所述芯体材料完全环绕，所述第二热传递路径从沿着所述经封装的半导体器件的与所述第一界面不同的第一点延伸到沿着所述散热元件的与所述第二界面不同的第二点。

附图说明

结合附图阅读以下详细说明，会最好地理解本公开的各个方面。应注意，根据本行业中的标准惯例，各种特征并非按比例绘制。事实上，为使论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。