半导体封装结构及其形成方法
阅读说明：本技术 半导体封装结构及其形成方法 (Semiconductor packaging structure and forming method thereof ) 是由 叶昶麟 黄耀霆 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明的实施例提供了一种半导体封装结构,包括：基板；盖,位于基板的上表面上；多个电子元件,设置在位于基板和盖之间的容置空间中；阻隔层,位于基板的上表面上,阻隔层位于电子元件和基板之间。本发明的目的在于提供一种半导体封装结构及其形成方法,以优化半导体封装结构的性能。(An embodiment of the present invention provides a semiconductor package structure, including: a substrate; a cover on an upper surface of the substrate; a plurality of electronic components disposed in the accommodating space between the substrate and the cover; and the barrier layer is positioned on the upper surface of the substrate and is positioned between the electronic element and the substrate. The invention aims to provide a semiconductor packaging structure and a forming method thereof, so as to optimize the performance of the semiconductor packaging structure.)
技术领域
本申请的实施例涉及半导体封装结构及其形成方法。
背景技术
当半导体达不到100％效率时，功耗会以热能形式转移，散热结构设计的目的就是要让芯片有最小的封装热阻值，以增加热流动而让芯片的工作温度维持在适当范围内而避免芯片烧毁。现行封装结构的热能主要由接面位置产生，向上借由热传导方式经由模制化合物传递到芯片表面，最后再透过散热片传递到空气中。然而，随着芯片功能性的提升，芯片所产生的热也随之增加。
发明内容
针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种半导体封装结构及其形成方法，以优化半导体封装结构的性能。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种半导体封装结构，包括：基板；盖，位于基板的上表面上；多个电子元件，设置在位于基板和盖之间的容置空间中；阻隔层，位于基板的上表面上，阻隔层位于电子元件和基板之间。
在一些实施例中，冷却液填充容置空间并且接触电子元件。
在一些实施例中，阻隔层是覆盖基板的上表面的底部填充材料以及位于底部填充材料上的金属层。
在一些实施例中，多个电子元件包括与基板直接电连接的第一电子元件以及位于第一电子元件上的第二电子元件，底部填充材料接触基板的上表面以及第一电子元件的底面和侧壁，金属层位于底部填充材料的上表面上。
在一些实施例中，盖设置在金属层上，金属层位于盖和底部填充材料之间。
在一些实施例中，阻隔层是覆盖基板的上表面的防水材料。
在一些实施例中，防水材料是防水胶，多个电子元件包括与基板直接电连接的第一电子元件，防水胶接触基板的上表面以及第一电子元件的底面和侧壁。
在一些实施例中，盖设置在防水胶上，防水胶位于盖和基板之间。
在一些实施例中，多个电子元件还包括位于第一电子元件上的第二电子元件。
在一些实施例中，在盖上开设有贯穿盖的第一开口和第二开口，冷却液从第一开口进入容置空间，并从第二开口离开容置空间。
本申请的实施例提供一种形成半导体封装结构的方法，包括：提供基板；将第一电子元件设置在基板的上表面上；形成位于基板的上表面及第一电子元件之间的阻隔层；在阻隔层的上表面上形成盖，第一第一电子元件位于由基板和盖围成的容置空间中。
在一些实施例中，盖具有第一开口和第二开口，冷却液从第一开口进入容置空间，并从第二开口离开容置空间，冷却液接触第一电子元件。
在一些实施例中，在将第一电子元件设置在基板的上表面上之后，将第二电子元件设置在第一电子元件上。
在一些实施例中，阻隔层是防水材料。
在一些实施例中，阻隔层是防水胶，防水胶从第一电子元件旁流入第一电子元件与基板之间，防水胶还接触第一电子元件的侧壁。
在一些实施例中，盖形成在防水胶上。
在一些实施例中，在形成第一电子元件之后，形成位于第一电子元件上的保护层；形成位于基板的上表面和第一电子元件之间的底部填充材料；在底部填充材料以及保护层上形成金属层；去除位于第一电子元件上方的金属层的部分以及保护层。
在一些实施例中，底部填充材料从第一电子元件旁流入第一电子元件与基板之间，底部填充材料还接触第一电子元件的侧壁。
在一些实施例中，在去除保护层后，在第一电子元件上形成第二电子元件。
在一些实施例中，盖形成在金属层上。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各个方面。应该指出，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1至图5示出了根据本申请一些实施例的半导体封装结构的形成过程。
图6至图10示出了根据本申请另一些实施例的半导体封装结构的形成过程。
具体实施方式
为更好的理解本申请实施例的精神，以下结合本申请的部分优选实施例对其作进一步说明。
本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。在本申请说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。
如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质”及“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同。
在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词例如：“中央的”、“纵向的”、“侧向的”、“前方的”、“后方的”、“右方的”、“左方的”、“内部的”、“外部的”、“较低的”、“较高的”、“水平的”、“垂直的”、“高于”、“低于”、“上方的”、“下方的”、“顶部的”、“底部的”以及其衍生性的用词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本申请以特定的方向建构或操作。
另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
再者，为便于描述，“第一”、“第二”、“第三”等等可在本文中用于区分一个图或一系列图的不同组件。“第一”、“第二”、“第三”等等不意欲描述对应组件。
根据预测的2023-2025年的产品路线图显示，高效能运算(high-performancecomputing，HPC)封装结构将有超过1000W的高功率需求，且现有的空冷和浸没式液冷等散热机制不适用，主要在于空冷不容易达到1000W的散热需求，而浸没式液冷是将整个主板泡在冷却液中，维修困难，不容易达成热插拔，主机板上所有零件都需要与冷却液相容，即冷却液不能对印刷电路板(PCB)、连接器或线材产生电性、机械、可靠度或化学影响等问题，因此，这种方法的风险较高，为降低风险，冷却液的选择较为受限。
下面将参照附图，对本申请的半导体封装件及其形成方法做具体阐述。
图1至图5示出了根据本申请的实施例的形成半导体封装结构50的方法。参见图1，提供基板10。
参见图2，将第一电子元件20设置在基板10的上表面上。在一些实施例中，第一电子元件20通过第一焊球22和焊垫24与基板10电连接。在一些实施例中，第一电子元件20是芯片。在一些实施例中，第一电子元件20是主动元件。在一些实施例中，第一电子元件20是特定应用集成电路(ASIC)芯片。
参见图3，将第二电子元件30形成在第一电子元件20上。在一些实施例中，第二电子元件30通过第二焊球32与第一电子元件20电连接。在一些实施例中，第二电子元件30是芯片。在一些实施例中，第二电子元件30是高带宽存储器(high bandwidth memory,HBM)管芯。
参见图4，形成位于基板10的上表面及第一电子元件20之间的阻隔层40。在一些实施例中，阻隔层40是防水材料。在一些实施例中，阻隔层40还形成在第一电子元件20的侧壁上。在一些实施例中，阻隔层40是防水胶，防水胶从第一电子元件20旁流入第一电子元件20与基板10之间。
参见图5，在阻隔层40的上表面上形成盖52，第一电子元件20和第二电子元件30位于由阻隔层40和盖52围成的容置空间54中，阻隔层40位于盖52和基板10之间。至此，形成了本申请的半导体封装结构50。图1至图5示出了单个半导体封装结构50，在实际生产时，多个单元的半导体封装结构50一起形成，并在形成后进行单片化工艺(例如，切割)以形成单个的半导体封装结构50。在一些实施例中，盖52具有第一开口521和第二开口522，冷却液从第一开口521进入容置空间54，并从第二开口522离开容置空间54，冷却液直接接触第一电子元件20和第二电子元件30。在一些实施例中，本申请的冷却液为不导电的液体。在一些实施例中，本申请的冷却液的沸点高于半导体封装件的工作温度。在一些实施例中，冷却液可以是电子氟化液或电子工程液。
图6至图10示出了图3至图5的代替性实施例。参见图6，在形成第一电子元件20之后，形成位于第一电子元件20上的保护层60。
参见图7，形成位于基板10的上表面和第一电子元件20之间的底部填充材料70。在一些实施例中，底部填充材料70的防水性比防水胶差。在一些实施例中，底部填充材料70从第一电子元件旁20流入第一电子元件20与基板10之间，底部填充材料70还接触第一电子元件20的侧壁。
参见图8，在底部填充材料70上以及保护层60上形成金属层80。在一些实施例中，通过电镀(sputeter)工艺形成金属层80，在一些实施例中，金属层80的材料是铜。
参见图9，去除位于第一电子元件20上方的金属层80的部分以及保护层60。在一些实施例中，保护层60是水洗胶，用水去除作为水洗胶的保护层60，即可连同其上的金属层80一并去除。剩余的金属层80以及底部填充材料70一起构成阻隔层40。在一些实施例中，在去除保护层60后，在第一电子元件20上形成第二电子元件30。
参见图10，将盖52形成在金属层80上，金属层80位于盖52和底部填充材料70之间，第一电子元件20和第二电子元件30位于由金属层80和盖52围成的容置空间54中。
由于基板会有微小的孔洞存在，当封装结构的密闭容置空间内充满冷却液体时，冷却液体会沿着基板的孔洞而溢流至封装结构的外部，造成冷却液体渗漏。本申请的实施例在将芯片接合至基板后，在芯片和基板之间设置阻隔层(在第一实施例中，阻隔层是防水材料-防水胶，在第二实施例中，阻隔层包括底部填充材料70和金属层80)以阻绝液体，避免了液体由基板渗漏的问题。
本申请的实施例提供一种封装级水冷散热结构，将冷却液通入封装结构的密闭空间内，使冷却液可以直接接触芯片等发热源，并借由冷却液的流动而将热量带出至封装结构外部，与传统的空冷比较，本申请的热阻较低且散热效率较高，而与传统的浸没式液冷比较，本申请的基板(主板)不需要整个泡入液体中，因此维修、保养、扩充性与一般主板相同，不会受冷却液的限制，本申请的基板(例如是PCB)及其上的其它元件不会受到冷却液电性、可靠度或化学腐蚀的影响，安全性较高，并且本申请需求的冷却液也更少。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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