双面部分模制的sip模块
技术领域
1.本发明一般而言涉及半导体器件，并且更具体地涉及双面部分模制系统级封装（sip）模块及制造其的方法。
背景技术：
2.半导体器件常见于现代电子产品中。半导体器件执行范围广泛的功能，诸如信号处理、高速计算、发射和接收电磁信号、控制电子设备、将日光变换成电力，以及为电视显示器创建视觉图像。半导体器件在通信、功率转换、网络、计算机、娱乐和消费者产品领域中被发现。半导体器件也在军事应用、航空、汽车、工业控制器和办公设备中被发现。
3.半导体制造的一个目标是生产更小的半导体器件。更小的器件通常消耗更少的功率、具有更高的性能，并且可以更高效地生产。此外，更小的半导体器件具有较小的占用空间（footprint），这对于较小的最终产品是合期望的。可以通过前端工艺中的改进实现更小的半导体管芯大小，从而产生具有更小、更高密度的有源和无源部件的半导体管芯。通过改进电互连和封装材料，后端工艺可以产生具有更小占用空间的半导体器件封装。
4.系统级封装sip模块是一种将若干部件集成在单个封装中的半导体封装类型。一种减小sip模块占用空间的方法是将部件安装在封装衬底的两侧上。双面sip模块允许在固定的占用空间中包括更多的部件。市场力量不断将sip模块推向更小的占用空间和更低的厚度。随着sip模块大小被减小，在衬底的两侧上封装部件可能出现挑战。因此，存在对双面sip模块以及制造sip模块的改进方法的需求，其可以缩放（scale）到更小的大小，同时保持市场所要求的先进特征。
附图说明
5.图1a-1c图示了具有由锯道分开的多个半导体管芯的半导体晶片；图2a-2p图示了形成双面sip模块；图3a-3e图示了形成双面sip模块的替换方法；以及图4a和图4b图示了将sip模块集成到电子设备中。
具体实施方式
6.在下面参照各图的描述中，在一个或多个实施例中描述了本发明，其中类似的数字表示相同或相似的元件。虽然根据实现本发明目的的最佳模式描述了本发明，但是本领域技术人员将领会到，本发明旨在覆盖可能包括在由所附权利要求及其等价物所限定的本发明的精神和范围内的替换、修改和等价物，所附权利要求及其等价物由以下公开内容和附图所支持。本文中使用的术语“半导体管芯”指代词语的单数和复数形式两者，并且因此可以指代单个半导体器件和多个半导体器件两者。
7.半导体器件通常使用两个复杂的制造工艺来制造：前端制造和后端制造。前端制造涉及在半导体晶片的表面上形成多个管芯。晶片上的每个管芯包含有源和无源电气部
件，其被电连接以形成功能电路。诸如晶体管和二极管之类的有源电气部件具有控制电流流动的能力。诸如电容器、电感器和电阻器之类的无源电气部件在执行电路功能所必要的电压和电流之间创建关系。
8.后端制造指代将完成的晶片切割或单体化（singulate）成单个半导体管芯，并且针对结构支撑、电互连和环境保护来封装半导体管芯。为了使半导体管芯单体化，沿着晶片的非功能区域（称为锯道或划线）对晶片进行刻痕和断裂。使用激光切割工具或锯片对晶片进行单体化。在单体化之后，单个半导体管芯被安装到封装衬底，该封装衬底包括用于与其他系统部件互连的引脚或接触焊盘。然后，在半导体管芯上方形成的接触焊盘连接到封装内的触点。电连接可以用导电层、凸块、螺柱凸块、导电胶、接合线或其他合适的互连结构制成。密封剂或其他模制材料沉积在封装上方，以提供物理支撑和电隔离。然后将完成的封装插入到电气系统中，并且使半导体器件的功能对其他系统部件可用。
9.图1a示出了半导体晶片100，其具有基础衬底材料102，诸如硅、锗、磷化铝、砷化铝、砷化镓、氮化镓、磷化铟、碳化硅或用于结构支撑的其他块状材料。多个半导体管芯或部件104形成在晶片100上，由非有源管芯间晶片区或锯道106分开。锯道106提供切割区以将半导体晶片100单体化成单个半导体管芯104。在一个实施例中，半导体晶片100具有100-450毫米（mm）的宽度或直径。
10.图1b示出了半导体晶片100的一部分的截面图。每个半导体管芯104具有背面或非有源表面108和有源表面110，该有源表面110包含被实现为有源器件、无源器件、导电层和电介质层的模拟或数字电路，其形成在管芯内，并且根据管芯的电设计和功能进行电互连。例如，电路可以包括形成在有源表面110内的一个或多个晶体管、二极管和其他电路元件，以实现模拟电路或数字电路，诸如数字信号处理器（dsp）、功率放大器、专用集成电路（asic）、存储器或其他信号处理电路。半导体管芯104还可以包含用于rf信号处理的ipd，诸如电感器、电容器和电阻器。
11.使用pvd、cvd、电解电镀、化学镀工艺或其他合适的金属沉积工艺来在有源表面110上方形成导电层112。导电层112可以是一层或多层的铝（al）、铜（cu）、锡（sn）、镍（ni）、金（au）、银（ag）或其他合适的导电材料。导电层112操作为电连接到有源表面110上的电路的接触焊盘。
12.使用蒸发、电解电镀、化学镀、球滴或丝网印刷工艺来在导电层112上方沉积导电凸块材料。该凸块材料可以是al、sn、ni、au、ag、铅（pb）、铋（bi）、cu、焊料、其组合、或者具有可选的焊剂溶液（flux solution）的其他合适的导电材料。例如，凸块材料可以是共晶sn/pb、高铅焊料或无铅焊料。使用合适的附着或结合工艺将凸块材料结合到导电层112。在一个实施例中，通过将材料加热到其熔点以上来回流凸块材料，以形成球或凸块114。在一个实施例中，凸块114形成在具有润湿层、阻挡层和粘附层的凸点下金属化（ubm）上方。凸块114也可以压缩结合或热压结合到导电层112。凸块114表示可以在导电层112上方形成的一种类型的互连结构。该互连结构也可以使用接合线、导电胶、螺柱凸块、微凸块或其他电互连。
13.在图1c中，使用锯片或激光切割工具118通过锯道106将半导体晶片100单体化成单个半导体管芯104。单个半导体管芯104可以被检查和电测试，以标识单体化后的已知良好管芯（kgd）。
14.图2a-2p图示了形成具有半导体管芯104的双面sip模块。图2a是在制造的早期阶段中由锯道151分开的sip器件150的面板的局部截面图。图示了两个sip器件150，但是通常使用本文中描述的相同步骤在单个面板中形成数百或数千个sip器件。衬底152被用作形成sip模块150的基底。衬底152包括与一个或多个导电层156交错的一个或多个绝缘层154。
15.在一个实施例中，绝缘层154是芯绝缘板，具有在顶面和底面上方图案化的导电层156，例如覆铜层压衬底。导电层156还包括通过绝缘层154电耦合的导电通孔。衬底152可以包括任何数目的在彼此上方交错的导电层和绝缘层。焊料掩模或钝化层可以形成在衬底152的任一侧上方。在其它实施例中，任何合适类型的衬底或引线框（leadframe）用于衬底152。
16.实现sip器件150的意图功能所需的任何部件被安装到衬底152或设置在衬底152上方，并且电连接到导电层156。衬底152具有两个主要表面：顶面157和底面159。部件可以以任何合适的配置安装到顶面157和底面159上。在图示的实施例中，分立部件164（例如电阻器、电容器、电感器、晶体管和二极管）使用焊膏166安装在顶面157上。焊膏166在分立部件164的端子与顶面157上的导电层156的接触焊盘之间回流。半导体管芯104将在稍后阶段安装在底面159上。替换地，半导体管芯104或其他有源部件可以安装在顶面157上，并且代替半导体管芯104或除了半导体管芯104之外，分立部件可以安装在底面159上。
17.在图示的实施例中，半导体104是5g蜂窝收发器，并且分立部件164形成5g使用的毫米（mm）波射频（rf）信号的滤波器网络。毫米波5g的现有技术是板对板（b2b）连接器170用于确保信号输入和输出稳定性。b2b连接器170允许线缆连接到sip模块150，以用于与另一半导体封装直接互连。在将包括分立部件164和b2b连接器170的任何期望的部件安装在顶面157上之后，使用回流步骤来熔化焊膏166并且物理地附接所述部件。可选地使用去焊（deflux）步骤来清洁连接。
18.在完全制造的sip模块150中，为了环境保护，分立部件164将需要被封装，而b2b连接器170将需要被暴露，以用于随后经由b2b线缆的连接。图2b图示了具有隔板（partition）的模制槽（mold chase）172，所述隔板用于选择性地封装分立部件164，而不覆盖b2b连接器170。模腔174封闭待封装的部件，例如分立部件164，并且入口175将允许模腔填充有模塑料（molding compound）。减压腔（relief cavity）176封闭b2b连接器170。减压腔176阻挡模塑料流到b2b连接器170上。减压腔176的壁基本上将b2b连接器170与模腔174密封开（seal off），使得模塑料封装分立部件164而不延伸到b2b连接器170。
19.图2c示出了密封剂180通过入口175沉积以填充模腔174。密封剂180在模腔174内的任何部件之上、之下和周围流动。对于一些部件，可以使用单独的模具底部填充来确保部件与衬底152之间的区被填充。在用密封剂180填充模腔174之后，如果必要的话，密封剂被固化。可以使用任何合适的模制工艺。密封剂180可以是聚合物复合材料，诸如环氧树脂、环氧丙烯酸酯或任何合适的具有或不具有填料（filler）的聚合物。密封剂180是非导电的、提供结构支撑，并且在环境上保护分立部件164免受外部元件和污染物的影响。
20.图2c图示了顶腔封装。在其他实施例中，使用其他封装方法。作为另一示例，图2d示出了经由利用模制槽182进行的传递模制来沉积密封剂180。入口175定位在邻近衬底152的底部处。
21.在图2e中，去除模制槽172或182，从而以模制腔174的形状在分立部件164上方留
下固化的密封剂180。b2b连接器170保持暴露以用于稍后使用。
22.在图2f中，sip器件150的面板被翻转，使得衬底152的底面159向上定向或者以其他方式对处理可用。面板可以通过从第一载体转移到第二载体来翻转。通过使用例如拾取和放置工艺或机器将半导体管芯设置在底面159上，然后回流凸块114以将凸块物理和电耦合到导电层156的暴露的接触焊盘，将半导体管芯104安装到衬底152。使用任何合适的方法和任何合适的材料来形成焊料凸块184，诸如上面针对半导体管芯104上的凸块114所讨论的那些。任何其他期望的电气部件也可以安装到底面159上，例如，附加的分立部件164、分立有源部件或集成电路管芯。
23.在一个实施例中，在凸块184和管芯104被放置在底面159上之后，使用回流步骤来熔化凸块184和114并且将它们物理地附接到衬底140。可选的去焊步骤对表面进行清理。
24.在图2g中，使用浆料印刷、压缩模制、传递模制、液体密封剂模制、真空层压、旋涂或另一合适的涂敷器来将第二密封剂190沉积在底面159、半导体管芯104和凸块184上方。密封剂190可以是聚合物复合材料，诸如环氧树脂、环氧丙烯酸酯或任何合适的具有或不具有填料的聚合物。密封剂190是非导电的、提供结构支撑，并且在环境上保护sip器件150免受外部元件和污染物的影响。
25.与具有b2b连接器170的顶面157不同，底面159完全被密封剂覆盖。密封剂190沉积到底面159上方的高度大于半导体管芯104的背面108，并且也大于底面159上方的凸块184的高度。半导体管芯104的背面108被密封剂190覆盖。凸块184也被密封剂190完全覆盖。
26.在图2h中，研磨机192用于将密封剂190平坦化至期望的厚度。研磨机192去除密封剂190的材料以减小密封剂的厚度。可选地，密封剂190被减薄，直到半导体管芯104被暴露。半导体管芯104的一部分可以在平坦化工艺中被去除，以确保管芯的背面108与密封剂190的背面共面。凸块184保持被密封剂190覆盖。
27.在图2i中，使用激光器194来钻穿密封剂190以形成暴露凸块184的开口196。激光器194发射能量作为激光束，该激光束在激光束击中密封剂的任何地方去除密封剂190的材料。激光器194安装到夹具（jig），并且各个地在每个凸块184上方移动，以暴露每个相应的凸块。在其他实施例中，并行使用多个激光器194。为每个凸块184形成开口196。在一些实施例中，开口196使用化学蚀刻、机械钻孔或另一合适的手段而不是使用激光器194来形成。
28.在图2j中，焊球198设置到凸块184上的开口196中。球198可以接触凸块184，或者可以通过开口196的侧壁保持在凸块184之上。使用任何合适的落球或放置机构来设置球198。每个开口196具有放置在其上的焊球198，堆叠在相应的焊料凸块184上或上方。
29.图2k示出了回流成组合焊料凸块200的焊球198和焊料凸块184。焊料凸块200包括焊料凸块184和焊球198的焊料材料，通过将焊料材料加热到焊料熔点以上的温度，所述焊料凸块184和焊球198熔化成单块焊料。焊料凸块200包括从底面159上的导电层156的接触焊盘到密封剂190的相对表面之上的具有均匀材料成分的连续焊料结构。凸块200完全延伸通过密封剂190的厚度。在将凸块184和球198回流成凸块200之后，执行可选的去焊步骤。使用锯条或激光切割工具204沿着图2l中的锯道151将sip模块150的面板单体化，以将各个模块彼此分开。
30.图2m-2p示出了在密封剂180上方形成屏蔽层。可选地，在单体化之前或之后翻转面板，以提供对上部密封剂180的接近（access）。替换地，可以如图示的那样形成屏蔽层，但
是在处理底面159之前，以减少制造期间面板翻转的次数。
31.在图2m中，罐（can）210设置在b2b连接器170上，以在屏蔽层形成期间保护b2b连接器。罐210接触b2b连接器170周围的顶面157，以阻挡溅射的金属创建到b2b连接器的电连接。
32.图2n示出了罐210的替代。sip模块150设置在薄膜载体214中的开口上，例如，使用拾取和放置工艺或机器。sip模块150被放置成sip模块的边缘在薄膜载体214上，并且焊料凸块200在开口内。在其他实施例中，凸块200可以放置在薄膜载体214上。掩模216放置在sip模块150的末端上方，以覆盖b2b连接器170。掩模216搁置在sip模块150周围的薄膜载体216上。薄膜载体216可以包括粘合剂，以将sip模块150和掩模216保持在适当的位置。朝向相应密封剂180定向的掩模216的侧面较短，以形成在密封剂与b2b连接器170之间的在衬底152上方延伸的唇缘。
33.在罐210或掩模216在b2b连接器170上方就位的情况下，屏蔽层212形成在图2o中的上部密封剂180上方。屏蔽层212共形地形成在sip器件150上方，并且完全覆盖密封剂180和罐210的顶面和侧面。屏蔽层212可以物理地接触暴露在衬底152的侧面处的导电层156，以将屏蔽层接地。屏蔽层212通过喷涂、电镀、溅射或任何其他合适的金属沉积工艺来形成。屏蔽层212可以由铜、铝、铁或适合用于emi屏蔽的任何其他的材料形成。通常在罐210上的屏蔽层212与密封剂180之间保留间隙，以使罐更容易随后去除。
34.在一些实施例中，在图2l中的单体化期间，sip模块150设置在具有可选热释放或界面层的载体上。单体化的sip器件150保持在同一载体上，以用于施加屏蔽层212。因此，在形成屏蔽层212期间，相邻sip器件150之间的空间等于切割工具204的锯缝的宽度。屏蔽层212的厚度足够低，使得相邻sip器件150的屏蔽层不会彼此接触，并且封装在载体上保持单体化。在其他实施例中，sip器件150在单体化之后且在形成屏蔽层212之前设置在单独的载体上。
35.在图2p中，罐210或掩模216连同形成在罐或掩模上的屏蔽层212的部分来被去除。屏蔽层212保持完全覆盖密封剂180的每个暴露表面，包括顶面和所有四个侧面。在形成屏蔽层212中，密封剂180的所有暴露表面被涂覆在导电材料中。屏蔽层212没有形成在b2b连接器170上，以使连接器处于暴露以用于随后使用。
36.图2p中的sip模块150是完成的单元，准备好被封装以交付给将使sip模块集成到更大的电子设备中的客户。sip模块150包括封装在衬底152的两个相对表面上的半导体管芯104、分立部件164和任何其他期望的电部件。为了环境保护，顶面157和底面159两者上的部件被封装。顶面157上的部件被密封剂180的侧面和顶面周围的屏蔽层212屏蔽。半导体管芯104和底面159上的其他部件也受益于屏蔽层212，尽管底部部件不像分立部件164那样紧密地被屏蔽层包围。
37.b2b连接器170保持从密封剂180和屏蔽层212两者暴露且在两者之外， 以用于高速信号输入和输出（i/o）。凸块200也保持暴露，以用于将sip模块150安装到更大的衬底和附加的系统集成。在一个常见的场景中，b2b连接器170用于在sip模块150与另一部件之间传输高带宽数据信号，而凸块200用于提供电源、调试输出和其他较慢的数据i/o。凸块200还通过将焊料材料回流到接触焊盘上来提供到下层系统衬底的机械连接。
38.图3a-3e示出了用于形成具有双面封装、屏蔽和暴露的b2b连接器的sip模块250的
替换工艺流程。图3a以处于与图2e中所示的类似状态中的面板开始，除了b2b连接器170还没有安装到衬底152上。替代地，使接触焊盘252处于暴露，以用于稍后安装b2b连接器170。密封剂180的模制可以使用来自图2b-2d的相同的模制槽172或182，或者可以使用没有减压腔176的不同模具。模具可以是实心的，代替具有用于b2b连接器170的腔。
39.图3b图示了在执行上面来自图2f-2k的步骤之后的sip模块250。提供延伸通过密封剂190的凸块200，以用于安装到系统衬底。在图3c中，sip模块250被翻转并通过锯道251被单体化。屏蔽层260以类似于上面的屏蔽层212的方式形成在sip模块250上方。屏蔽层260被形成为完全覆盖密封剂180和衬底152的所有顶面和侧面，包括没有被密封剂180覆盖的接触焊盘252。
40.在图3d中，激光器262用于从接触焊盘252上方去除屏蔽层260。在一个实施例中，屏蔽层260的部分通过经由激光烧蚀的溅射剥离来去除。在其他实施例中，使用其他类型的蚀刻（例如化学或机械蚀刻）来从接触焊盘250上方去除屏蔽层260。在图3e中，b2b连接器170被拾取并放置到接触焊盘252上，以将b2b连接器电连接到半导体管芯104、分立部件164和安装在衬底152上的任何其他电部件。
41.图4a和图4b图示了将上述sip模块（例如，具有屏蔽层260的sip模块250）结合到电子设备300中。图4a图示了作为电子设备300的一部分安装到印刷电路板（pcb）或其他衬底302上的sip模块250的局部截面。凸块200回流到pcb 302的导电层304上，以将sip模块250物理附接和电连接到pcb。在其他实施例中，使用热压或其他合适的附接和连接方法。在一些实施例中，在sip模块250与pcb 302之间使用粘合剂或底部填充层。半导体管芯104通过衬底152和凸块200电耦合到导电层304。
42.图4b图示了包括pcb 302的电子设备300，其中多个半导体封装安装在pcb的表面上，包括具有屏蔽层260的sip模块250和b2b连接器170。具有连接器310的带状线缆312被插入到b2b连接器170中，以将另一设备电耦合到sip模块250中的部件。连接器310被配置成与b2b连接器170对接，使得带状线缆312可以通过带状线缆将电信号传导到sip模块250以及从sip模块250传导电信号。带状线缆312可以用于将sip模块250连接到pcb 302、pcb 302上的另一封装、相同或不同电子设备的另一pcb、另一pcb上的另一封装、另一电子设备、测试设备等。可以使用其他类型的线缆或导体，诸如同轴线缆或双绞线缆，从而代替带状线缆。带状线缆312通过衬底152连接到半导体管芯104和分立部件164。
43.取决于应用，电子设备300可以具有一种类型的半导体封装或者多种类型的半导体封装。电子设备300可以是使用半导体封装来执行一个或多个电气功能的独立系统。替换地，电子设备300可以是更大系统的子部件。例如，电子设备300可以是平板计算机、蜂窝电话、数码相机、通信系统或其他电子设备的一部分。电子设备300也可以是图形卡、网络接口卡或插入到计算机中的另一信号处理卡。半导体封装可以包括微处理器、存储器、asic、逻辑电路、模拟电路、rf电路、分立的有源或无源器件或其他半导体管芯或电气部件。
44.在图4b中，pcb 302为安装在pcb上的半导体封装的结构支撑和电互连提供了通用衬底。使用蒸发、电解电镀、化学镀、丝网印刷或其他合适的金属沉积工艺来在pcb 302的表面上方或层内形成导电信号迹线304。信号迹线304提供半导体封装、安装的部件与其他外部系统或部件之间的电通信。迹线304还根据需要向半导体封装提供电源和接地连接。
45.在一些实施例中，半导体器件具有两个封装级别。第一级封装是一种用于将半导
体管芯机械地和电气地附接到中间衬底的技术。第二级封装涉及将中间衬底机械地和电气地附接到pcb 302。在其他实施例中，半导体器件可以仅具有第一级封装，其中管芯被机械地和电气地直接安装到pcb 302。
46.为了说明的目的，在pcb 302上示出了几种类型的第一级封装，包括接合线封装346和倒装芯片348。另外，包括球栅阵列（bga）350、凸块芯片载体（bcc）352、连接盘网格阵列（lga）356、多芯片模块（mcm）358、方形扁平无引线封装（qfn）360、方形扁平封装362和嵌入式晶片级球栅阵列（ewlb）364的几种类型的第二级封装被示出与sip模块250一起安装在pcb 302上。导电迹线304将设置在pcb 302上的各种封装和部件电耦合到sip模块250，从而将sip模块250内的部件的使用提供给pcb上的其他部件。
47.取决于系统要求，配置有第一和第二级封装风格的任何组合的半导体封装的任何组合以及其他电子部件可以连接到pcb 302。在一些实施例中，电子设备300包括单个附接的半导体封装，而其他实施例要求多个互连的封装。通过在单个衬底上方组合一个或多个半导体封装，制造商可以将预制部件结合到电子设备和系统中。因为半导体封装包括复杂的功能，所以可以使用较不昂贵的部件和流水线制造工艺来制造电子设备。结果得到的器件较不可能失效，并且制造起来较不昂贵，从而导致较低的消费者的成本。
48.虽然已经详细说明了本发明的一个或多个实施例，但是技术人员将领会到，在不脱离下面的权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以对那些实施例进行修改和改编。
技术领域
1.本发明一般而言涉及半导体器件，并且更具体地涉及双面部分模制系统级封装（sip）模块及制造其的方法。
背景技术：
2.半导体器件常见于现代电子产品中。半导体器件执行范围广泛的功能，诸如信号处理、高速计算、发射和接收电磁信号、控制电子设备、将日光变换成电力，以及为电视显示器创建视觉图像。半导体器件在通信、功率转换、网络、计算机、娱乐和消费者产品领域中被发现。半导体器件也在军事应用、航空、汽车、工业控制器和办公设备中被发现。
3.半导体制造的一个目标是生产更小的半导体器件。更小的器件通常消耗更少的功率、具有更高的性能，并且可以更高效地生产。此外，更小的半导体器件具有较小的占用空间（footprint），这对于较小的最终产品是合期望的。可以通过前端工艺中的改进实现更小的半导体管芯大小，从而产生具有更小、更高密度的有源和无源部件的半导体管芯。通过改进电互连和封装材料，后端工艺可以产生具有更小占用空间的半导体器件封装。
4.系统级封装sip模块是一种将若干部件集成在单个封装中的半导体封装类型。一种减小sip模块占用空间的方法是将部件安装在封装衬底的两侧上。双面sip模块允许在固定的占用空间中包括更多的部件。市场力量不断将sip模块推向更小的占用空间和更低的厚度。随着sip模块大小被减小，在衬底的两侧上封装部件可能出现挑战。因此，存在对双面sip模块以及制造sip模块的改进方法的需求，其可以缩放（scale）到更小的大小，同时保持市场所要求的先进特征。
附图说明
5.图1a-1c图示了具有由锯道分开的多个半导体管芯的半导体晶片；图2a-2p图示了形成双面sip模块；图3a-3e图示了形成双面sip模块的替换方法；以及图4a和图4b图示了将sip模块集成到电子设备中。
具体实施方式
6.在下面参照各图的描述中，在一个或多个实施例中描述了本发明，其中类似的数字表示相同或相似的元件。虽然根据实现本发明目的的最佳模式描述了本发明，但是本领域技术人员将领会到，本发明旨在覆盖可能包括在由所附权利要求及其等价物所限定的本发明的精神和范围内的替换、修改和等价物，所附权利要求及其等价物由以下公开内容和附图所支持。本文中使用的术语“半导体管芯”指代词语的单数和复数形式两者，并且因此可以指代单个半导体器件和多个半导体器件两者。
7.半导体器件通常使用两个复杂的制造工艺来制造：前端制造和后端制造。前端制造涉及在半导体晶片的表面上形成多个管芯。晶片上的每个管芯包含有源和无源电气部
件，其被电连接以形成功能电路。诸如晶体管和二极管之类的有源电气部件具有控制电流流动的能力。诸如电容器、电感器和电阻器之类的无源电气部件在执行电路功能所必要的电压和电流之间创建关系。
8.后端制造指代将完成的晶片切割或单体化（singulate）成单个半导体管芯，并且针对结构支撑、电互连和环境保护来封装半导体管芯。为了使半导体管芯单体化，沿着晶片的非功能区域（称为锯道或划线）对晶片进行刻痕和断裂。使用激光切割工具或锯片对晶片进行单体化。在单体化之后，单个半导体管芯被安装到封装衬底，该封装衬底包括用于与其他系统部件互连的引脚或接触焊盘。然后，在半导体管芯上方形成的接触焊盘连接到封装内的触点。电连接可以用导电层、凸块、螺柱凸块、导电胶、接合线或其他合适的互连结构制成。密封剂或其他模制材料沉积在封装上方，以提供物理支撑和电隔离。然后将完成的封装插入到电气系统中，并且使半导体器件的功能对其他系统部件可用。
9.图1a示出了半导体晶片100，其具有基础衬底材料102，诸如硅、锗、磷化铝、砷化铝、砷化镓、氮化镓、磷化铟、碳化硅或用于结构支撑的其他块状材料。多个半导体管芯或部件104形成在晶片100上，由非有源管芯间晶片区或锯道106分开。锯道106提供切割区以将半导体晶片100单体化成单个半导体管芯104。在一个实施例中，半导体晶片100具有100-450毫米（mm）的宽度或直径。
10.图1b示出了半导体晶片100的一部分的截面图。每个半导体管芯104具有背面或非有源表面108和有源表面110，该有源表面110包含被实现为有源器件、无源器件、导电层和电介质层的模拟或数字电路，其形成在管芯内，并且根据管芯的电设计和功能进行电互连。例如，电路可以包括形成在有源表面110内的一个或多个晶体管、二极管和其他电路元件，以实现模拟电路或数字电路，诸如数字信号处理器（dsp）、功率放大器、专用集成电路（asic）、存储器或其他信号处理电路。半导体管芯104还可以包含用于rf信号处理的ipd，诸如电感器、电容器和电阻器。
11.使用pvd、cvd、电解电镀、化学镀工艺或其他合适的金属沉积工艺来在有源表面110上方形成导电层112。导电层112可以是一层或多层的铝（al）、铜（cu）、锡（sn）、镍（ni）、金（au）、银（ag）或其他合适的导电材料。导电层112操作为电连接到有源表面110上的电路的接触焊盘。
12.使用蒸发、电解电镀、化学镀、球滴或丝网印刷工艺来在导电层112上方沉积导电凸块材料。该凸块材料可以是al、sn、ni、au、ag、铅（pb）、铋（bi）、cu、焊料、其组合、或者具有可选的焊剂溶液（flux solution）的其他合适的导电材料。例如，凸块材料可以是共晶sn/pb、高铅焊料或无铅焊料。使用合适的附着或结合工艺将凸块材料结合到导电层112。在一个实施例中，通过将材料加热到其熔点以上来回流凸块材料，以形成球或凸块114。在一个实施例中，凸块114形成在具有润湿层、阻挡层和粘附层的凸点下金属化（ubm）上方。凸块114也可以压缩结合或热压结合到导电层112。凸块114表示可以在导电层112上方形成的一种类型的互连结构。该互连结构也可以使用接合线、导电胶、螺柱凸块、微凸块或其他电互连。
13.在图1c中，使用锯片或激光切割工具118通过锯道106将半导体晶片100单体化成单个半导体管芯104。单个半导体管芯104可以被检查和电测试，以标识单体化后的已知良好管芯（kgd）。
14.图2a-2p图示了形成具有半导体管芯104的双面sip模块。图2a是在制造的早期阶段中由锯道151分开的sip器件150的面板的局部截面图。图示了两个sip器件150，但是通常使用本文中描述的相同步骤在单个面板中形成数百或数千个sip器件。衬底152被用作形成sip模块150的基底。衬底152包括与一个或多个导电层156交错的一个或多个绝缘层154。
15.在一个实施例中，绝缘层154是芯绝缘板，具有在顶面和底面上方图案化的导电层156，例如覆铜层压衬底。导电层156还包括通过绝缘层154电耦合的导电通孔。衬底152可以包括任何数目的在彼此上方交错的导电层和绝缘层。焊料掩模或钝化层可以形成在衬底152的任一侧上方。在其它实施例中，任何合适类型的衬底或引线框（leadframe）用于衬底152。
16.实现sip器件150的意图功能所需的任何部件被安装到衬底152或设置在衬底152上方，并且电连接到导电层156。衬底152具有两个主要表面：顶面157和底面159。部件可以以任何合适的配置安装到顶面157和底面159上。在图示的实施例中，分立部件164（例如电阻器、电容器、电感器、晶体管和二极管）使用焊膏166安装在顶面157上。焊膏166在分立部件164的端子与顶面157上的导电层156的接触焊盘之间回流。半导体管芯104将在稍后阶段安装在底面159上。替换地，半导体管芯104或其他有源部件可以安装在顶面157上，并且代替半导体管芯104或除了半导体管芯104之外，分立部件可以安装在底面159上。
17.在图示的实施例中，半导体104是5g蜂窝收发器，并且分立部件164形成5g使用的毫米（mm）波射频（rf）信号的滤波器网络。毫米波5g的现有技术是板对板（b2b）连接器170用于确保信号输入和输出稳定性。b2b连接器170允许线缆连接到sip模块150，以用于与另一半导体封装直接互连。在将包括分立部件164和b2b连接器170的任何期望的部件安装在顶面157上之后，使用回流步骤来熔化焊膏166并且物理地附接所述部件。可选地使用去焊（deflux）步骤来清洁连接。
18.在完全制造的sip模块150中，为了环境保护，分立部件164将需要被封装，而b2b连接器170将需要被暴露，以用于随后经由b2b线缆的连接。图2b图示了具有隔板（partition）的模制槽（mold chase）172，所述隔板用于选择性地封装分立部件164，而不覆盖b2b连接器170。模腔174封闭待封装的部件，例如分立部件164，并且入口175将允许模腔填充有模塑料（molding compound）。减压腔（relief cavity）176封闭b2b连接器170。减压腔176阻挡模塑料流到b2b连接器170上。减压腔176的壁基本上将b2b连接器170与模腔174密封开（seal off），使得模塑料封装分立部件164而不延伸到b2b连接器170。
19.图2c示出了密封剂180通过入口175沉积以填充模腔174。密封剂180在模腔174内的任何部件之上、之下和周围流动。对于一些部件，可以使用单独的模具底部填充来确保部件与衬底152之间的区被填充。在用密封剂180填充模腔174之后，如果必要的话，密封剂被固化。可以使用任何合适的模制工艺。密封剂180可以是聚合物复合材料，诸如环氧树脂、环氧丙烯酸酯或任何合适的具有或不具有填料（filler）的聚合物。密封剂180是非导电的、提供结构支撑，并且在环境上保护分立部件164免受外部元件和污染物的影响。
20.图2c图示了顶腔封装。在其他实施例中，使用其他封装方法。作为另一示例，图2d示出了经由利用模制槽182进行的传递模制来沉积密封剂180。入口175定位在邻近衬底152的底部处。
21.在图2e中，去除模制槽172或182，从而以模制腔174的形状在分立部件164上方留
下固化的密封剂180。b2b连接器170保持暴露以用于稍后使用。
22.在图2f中，sip器件150的面板被翻转，使得衬底152的底面159向上定向或者以其他方式对处理可用。面板可以通过从第一载体转移到第二载体来翻转。通过使用例如拾取和放置工艺或机器将半导体管芯设置在底面159上，然后回流凸块114以将凸块物理和电耦合到导电层156的暴露的接触焊盘，将半导体管芯104安装到衬底152。使用任何合适的方法和任何合适的材料来形成焊料凸块184，诸如上面针对半导体管芯104上的凸块114所讨论的那些。任何其他期望的电气部件也可以安装到底面159上，例如，附加的分立部件164、分立有源部件或集成电路管芯。
23.在一个实施例中，在凸块184和管芯104被放置在底面159上之后，使用回流步骤来熔化凸块184和114并且将它们物理地附接到衬底140。可选的去焊步骤对表面进行清理。
24.在图2g中，使用浆料印刷、压缩模制、传递模制、液体密封剂模制、真空层压、旋涂或另一合适的涂敷器来将第二密封剂190沉积在底面159、半导体管芯104和凸块184上方。密封剂190可以是聚合物复合材料，诸如环氧树脂、环氧丙烯酸酯或任何合适的具有或不具有填料的聚合物。密封剂190是非导电的、提供结构支撑，并且在环境上保护sip器件150免受外部元件和污染物的影响。
25.与具有b2b连接器170的顶面157不同，底面159完全被密封剂覆盖。密封剂190沉积到底面159上方的高度大于半导体管芯104的背面108，并且也大于底面159上方的凸块184的高度。半导体管芯104的背面108被密封剂190覆盖。凸块184也被密封剂190完全覆盖。
26.在图2h中，研磨机192用于将密封剂190平坦化至期望的厚度。研磨机192去除密封剂190的材料以减小密封剂的厚度。可选地，密封剂190被减薄，直到半导体管芯104被暴露。半导体管芯104的一部分可以在平坦化工艺中被去除，以确保管芯的背面108与密封剂190的背面共面。凸块184保持被密封剂190覆盖。
27.在图2i中，使用激光器194来钻穿密封剂190以形成暴露凸块184的开口196。激光器194发射能量作为激光束，该激光束在激光束击中密封剂的任何地方去除密封剂190的材料。激光器194安装到夹具（jig），并且各个地在每个凸块184上方移动，以暴露每个相应的凸块。在其他实施例中，并行使用多个激光器194。为每个凸块184形成开口196。在一些实施例中，开口196使用化学蚀刻、机械钻孔或另一合适的手段而不是使用激光器194来形成。
28.在图2j中，焊球198设置到凸块184上的开口196中。球198可以接触凸块184，或者可以通过开口196的侧壁保持在凸块184之上。使用任何合适的落球或放置机构来设置球198。每个开口196具有放置在其上的焊球198，堆叠在相应的焊料凸块184上或上方。
29.图2k示出了回流成组合焊料凸块200的焊球198和焊料凸块184。焊料凸块200包括焊料凸块184和焊球198的焊料材料，通过将焊料材料加热到焊料熔点以上的温度，所述焊料凸块184和焊球198熔化成单块焊料。焊料凸块200包括从底面159上的导电层156的接触焊盘到密封剂190的相对表面之上的具有均匀材料成分的连续焊料结构。凸块200完全延伸通过密封剂190的厚度。在将凸块184和球198回流成凸块200之后，执行可选的去焊步骤。使用锯条或激光切割工具204沿着图2l中的锯道151将sip模块150的面板单体化，以将各个模块彼此分开。
30.图2m-2p示出了在密封剂180上方形成屏蔽层。可选地，在单体化之前或之后翻转面板，以提供对上部密封剂180的接近（access）。替换地，可以如图示的那样形成屏蔽层，但
是在处理底面159之前，以减少制造期间面板翻转的次数。
31.在图2m中，罐（can）210设置在b2b连接器170上，以在屏蔽层形成期间保护b2b连接器。罐210接触b2b连接器170周围的顶面157，以阻挡溅射的金属创建到b2b连接器的电连接。
32.图2n示出了罐210的替代。sip模块150设置在薄膜载体214中的开口上，例如，使用拾取和放置工艺或机器。sip模块150被放置成sip模块的边缘在薄膜载体214上，并且焊料凸块200在开口内。在其他实施例中，凸块200可以放置在薄膜载体214上。掩模216放置在sip模块150的末端上方，以覆盖b2b连接器170。掩模216搁置在sip模块150周围的薄膜载体216上。薄膜载体216可以包括粘合剂，以将sip模块150和掩模216保持在适当的位置。朝向相应密封剂180定向的掩模216的侧面较短，以形成在密封剂与b2b连接器170之间的在衬底152上方延伸的唇缘。
33.在罐210或掩模216在b2b连接器170上方就位的情况下，屏蔽层212形成在图2o中的上部密封剂180上方。屏蔽层212共形地形成在sip器件150上方，并且完全覆盖密封剂180和罐210的顶面和侧面。屏蔽层212可以物理地接触暴露在衬底152的侧面处的导电层156，以将屏蔽层接地。屏蔽层212通过喷涂、电镀、溅射或任何其他合适的金属沉积工艺来形成。屏蔽层212可以由铜、铝、铁或适合用于emi屏蔽的任何其他的材料形成。通常在罐210上的屏蔽层212与密封剂180之间保留间隙，以使罐更容易随后去除。
34.在一些实施例中，在图2l中的单体化期间，sip模块150设置在具有可选热释放或界面层的载体上。单体化的sip器件150保持在同一载体上，以用于施加屏蔽层212。因此，在形成屏蔽层212期间，相邻sip器件150之间的空间等于切割工具204的锯缝的宽度。屏蔽层212的厚度足够低，使得相邻sip器件150的屏蔽层不会彼此接触，并且封装在载体上保持单体化。在其他实施例中，sip器件150在单体化之后且在形成屏蔽层212之前设置在单独的载体上。
35.在图2p中，罐210或掩模216连同形成在罐或掩模上的屏蔽层212的部分来被去除。屏蔽层212保持完全覆盖密封剂180的每个暴露表面，包括顶面和所有四个侧面。在形成屏蔽层212中，密封剂180的所有暴露表面被涂覆在导电材料中。屏蔽层212没有形成在b2b连接器170上，以使连接器处于暴露以用于随后使用。
36.图2p中的sip模块150是完成的单元，准备好被封装以交付给将使sip模块集成到更大的电子设备中的客户。sip模块150包括封装在衬底152的两个相对表面上的半导体管芯104、分立部件164和任何其他期望的电部件。为了环境保护，顶面157和底面159两者上的部件被封装。顶面157上的部件被密封剂180的侧面和顶面周围的屏蔽层212屏蔽。半导体管芯104和底面159上的其他部件也受益于屏蔽层212，尽管底部部件不像分立部件164那样紧密地被屏蔽层包围。
37.b2b连接器170保持从密封剂180和屏蔽层212两者暴露且在两者之外， 以用于高速信号输入和输出（i/o）。凸块200也保持暴露，以用于将sip模块150安装到更大的衬底和附加的系统集成。在一个常见的场景中，b2b连接器170用于在sip模块150与另一部件之间传输高带宽数据信号，而凸块200用于提供电源、调试输出和其他较慢的数据i/o。凸块200还通过将焊料材料回流到接触焊盘上来提供到下层系统衬底的机械连接。
38.图3a-3e示出了用于形成具有双面封装、屏蔽和暴露的b2b连接器的sip模块250的
替换工艺流程。图3a以处于与图2e中所示的类似状态中的面板开始，除了b2b连接器170还没有安装到衬底152上。替代地，使接触焊盘252处于暴露，以用于稍后安装b2b连接器170。密封剂180的模制可以使用来自图2b-2d的相同的模制槽172或182，或者可以使用没有减压腔176的不同模具。模具可以是实心的，代替具有用于b2b连接器170的腔。
39.图3b图示了在执行上面来自图2f-2k的步骤之后的sip模块250。提供延伸通过密封剂190的凸块200，以用于安装到系统衬底。在图3c中，sip模块250被翻转并通过锯道251被单体化。屏蔽层260以类似于上面的屏蔽层212的方式形成在sip模块250上方。屏蔽层260被形成为完全覆盖密封剂180和衬底152的所有顶面和侧面，包括没有被密封剂180覆盖的接触焊盘252。
40.在图3d中，激光器262用于从接触焊盘252上方去除屏蔽层260。在一个实施例中，屏蔽层260的部分通过经由激光烧蚀的溅射剥离来去除。在其他实施例中，使用其他类型的蚀刻（例如化学或机械蚀刻）来从接触焊盘250上方去除屏蔽层260。在图3e中，b2b连接器170被拾取并放置到接触焊盘252上，以将b2b连接器电连接到半导体管芯104、分立部件164和安装在衬底152上的任何其他电部件。
41.图4a和图4b图示了将上述sip模块（例如，具有屏蔽层260的sip模块250）结合到电子设备300中。图4a图示了作为电子设备300的一部分安装到印刷电路板（pcb）或其他衬底302上的sip模块250的局部截面。凸块200回流到pcb 302的导电层304上，以将sip模块250物理附接和电连接到pcb。在其他实施例中，使用热压或其他合适的附接和连接方法。在一些实施例中，在sip模块250与pcb 302之间使用粘合剂或底部填充层。半导体管芯104通过衬底152和凸块200电耦合到导电层304。
42.图4b图示了包括pcb 302的电子设备300，其中多个半导体封装安装在pcb的表面上，包括具有屏蔽层260的sip模块250和b2b连接器170。具有连接器310的带状线缆312被插入到b2b连接器170中，以将另一设备电耦合到sip模块250中的部件。连接器310被配置成与b2b连接器170对接，使得带状线缆312可以通过带状线缆将电信号传导到sip模块250以及从sip模块250传导电信号。带状线缆312可以用于将sip模块250连接到pcb 302、pcb 302上的另一封装、相同或不同电子设备的另一pcb、另一pcb上的另一封装、另一电子设备、测试设备等。可以使用其他类型的线缆或导体，诸如同轴线缆或双绞线缆，从而代替带状线缆。带状线缆312通过衬底152连接到半导体管芯104和分立部件164。
43.取决于应用，电子设备300可以具有一种类型的半导体封装或者多种类型的半导体封装。电子设备300可以是使用半导体封装来执行一个或多个电气功能的独立系统。替换地，电子设备300可以是更大系统的子部件。例如，电子设备300可以是平板计算机、蜂窝电话、数码相机、通信系统或其他电子设备的一部分。电子设备300也可以是图形卡、网络接口卡或插入到计算机中的另一信号处理卡。半导体封装可以包括微处理器、存储器、asic、逻辑电路、模拟电路、rf电路、分立的有源或无源器件或其他半导体管芯或电气部件。
44.在图4b中，pcb 302为安装在pcb上的半导体封装的结构支撑和电互连提供了通用衬底。使用蒸发、电解电镀、化学镀、丝网印刷或其他合适的金属沉积工艺来在pcb 302的表面上方或层内形成导电信号迹线304。信号迹线304提供半导体封装、安装的部件与其他外部系统或部件之间的电通信。迹线304还根据需要向半导体封装提供电源和接地连接。
45.在一些实施例中，半导体器件具有两个封装级别。第一级封装是一种用于将半导
体管芯机械地和电气地附接到中间衬底的技术。第二级封装涉及将中间衬底机械地和电气地附接到pcb 302。在其他实施例中，半导体器件可以仅具有第一级封装，其中管芯被机械地和电气地直接安装到pcb 302。
46.为了说明的目的，在pcb 302上示出了几种类型的第一级封装，包括接合线封装346和倒装芯片348。另外，包括球栅阵列（bga）350、凸块芯片载体（bcc）352、连接盘网格阵列（lga）356、多芯片模块（mcm）358、方形扁平无引线封装（qfn）360、方形扁平封装362和嵌入式晶片级球栅阵列（ewlb）364的几种类型的第二级封装被示出与sip模块250一起安装在pcb 302上。导电迹线304将设置在pcb 302上的各种封装和部件电耦合到sip模块250，从而将sip模块250内的部件的使用提供给pcb上的其他部件。
47.取决于系统要求，配置有第一和第二级封装风格的任何组合的半导体封装的任何组合以及其他电子部件可以连接到pcb 302。在一些实施例中，电子设备300包括单个附接的半导体封装，而其他实施例要求多个互连的封装。通过在单个衬底上方组合一个或多个半导体封装，制造商可以将预制部件结合到电子设备和系统中。因为半导体封装包括复杂的功能，所以可以使用较不昂贵的部件和流水线制造工艺来制造电子设备。结果得到的器件较不可能失效，并且制造起来较不昂贵，从而导致较低的消费者的成本。
48.虽然已经详细说明了本发明的一个或多个实施例，但是技术人员将领会到，在不脱离下面的权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以对那些实施例进行修改和改编。
再多了解一些
本文用于创业者技术爱好者查询，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
