半导体结构及其制造方法与流程

1.本公开涉及半导体技术领域，具体涉及半导体结构及其制造方法。


背景技术：

2.随着电子元器件体积的不断缩小以及速度和性能的不断提高，芯片级电子设备的能耗和热流密度也越来越大，电子设备的散热在很大程度上可以归结为芯片(chip)的散热，而热管可以有效降低芯片的温度。
3.典型的热管一般由管壳、吸液芯以及传递热能的工质(工作介质、工作液体)构成，其自身形成一个高真空密闭系统，热管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要可两端中间设置绝热段。热管充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
4.而目前许多研究大多集中于吸液芯的设计上，而对于如何从芯片上设置热管的研究少之又少。


技术实现要素：

5.本公开提供了半导体结构及其制造方法。
6.第一方面，本公开提供了一种半导体结构，该半导体结构包括：芯片；模封层，包覆芯片；粘合层，设于模封层上；吸液芯层，设于粘合层上，吸液芯层内部设有蒸汽流通腔和支撑体；密封层，覆盖吸液芯层。
7.在一些可选的实施方式中，粘合层包括自下而上依次设置的附着层和接合层。
8.在一些可选的实施方式中，接合层包括金、银或其合金。
9.在一些可选的实施方式中，芯片的背面从模封层的上表面露出；以及附着层包括不锈钢或钛。
10.在一些可选的实施方式中，芯片的背面未从模封层的上表面露出；以及附着层包括不锈钢。
11.在一些可选的实施方式中，吸液芯层内部还设有隔板。
12.在一些可选的实施方式中，支撑体的底部和/或隔板的底部设有加固体。
13.在一些可选的实施方式中，密封层包括不锈钢和铜。
14.在一些可选的实施方式中，密封层包括钛、铜以及不锈钢。
15.在一些可选的实施方式中，密封层包括钛、铝以及不锈钢。
16.在一些可选的实施方式中，密封层包括纳米银胶。
17.在一些可选的实施方式中，该半导体结构还包括：基板，模封层设于基板上。
18.在一些可选的实施方式中，密封层还覆盖粘合层的侧表面、模封层的侧表面以及基板的侧表面。
19.在一些可选的实施方式中，该半导体结构还包括：外部电连接件，基板设于外部电
连接件上。
20.在一些可选的实施方式中，吸液芯层包括上吸液芯层、下吸液芯层以及连通上吸液芯层和下吸液芯层的回流加速通道。
21.在一些可选的实施方式中，半导体结构还包括连通蒸汽流通腔的抽真空孔以及设置在抽真空孔内部的密封体。
22.在一些可选的实施方式中，半导体结构还包括：热界面材料层，设于密封层上；散热片，设于热界面材料层上。
23.第二方面，本公开提供了一种半导体结构的制造方法，该方法包括：填入模封材，以形成包覆芯片的模封层；在模封层上形成粘合层；在粘合层上设置吸液芯层；形成覆盖吸液芯层的密封层。
24.在一些可选的实施方式中，在粘合层上设置吸液芯层，包括：在粘合层上形成加固体；在加固体上设置支撑体和/或隔板，加固体设于支撑体的底部和/或隔板的底部；在粘合层上铺设第一吸液芯材料，固化形成下吸液芯层；在下吸液芯层上铺设并固化临时胶；在临时胶上钻孔形成通道；在临时胶上和通道内填入第二吸液芯材料，固化形成上吸液芯层以及连通上吸液芯层和下吸液芯层的回流加速通道，上吸液芯层、下吸液芯层以及回流加速通道共同形成吸液芯层。
25.在一些可选的实施方式中，该方法还包括：在密封层上设置连通临时胶的抽真空孔；在抽真空孔中注入用于溶解临时胶的溶剂，并将溶解后的临时胶清除，以形成蒸汽流通腔；通过抽真空孔，将蒸汽流通腔内部抽成真空；通过抽真空孔，注入冷却液；在抽真空孔填入密封材料，固化形成防止冷却液溢出的密封体。
26.在一些可选的实施方式中，在填入模封材之前，该方法还包括：在基板的上表面设置芯片。
27.在一些可选的实施方式中，该方法还包括：在基板下表面形成外部电连接件。
28.在一些可选的实施方式中，形成覆盖吸液芯层的密封层，包括：形成覆盖吸液芯层、粘合层的侧表面、模封层的侧表面以及基板的侧表面的密封层。
29.在一些可选的实施方式中，该方法还包括：在密封层上形成热界面材料层；在热界面材料层上放置散热片。
30.为了解决如何热管与芯片之间粘合的问题，本公开提供的半导体结构及其制造方法，热管与芯片和/或模封层之间，可以通过粘合材料增加热管与芯片和/或模封层之间的结合强度和可靠性，减轻剥落的风险。具体地，粘合层可以包括自下而上依次设置的附着层和接合层。热管与芯片和/或模封层之间，可以通过附着层增强热管与芯片和/或模封层之间的结合力，减缓剥落的风险。接合层可以用于加强吸液芯层中不同粒径(particle size)结构之间的互锁(interlock)接合，以形成共连续形态结构。
附图说明
31.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
32.图1是根据本公开的半导体结构的一个实施例的结构示意图；
33.图2是根据本公开的半导体结构的又一个实施例的结构示意图；
34.图3是根据本公开的半导体结构的又一个实施例的结构示意图；
35.图4是根据本公开的半导体结构的又一个实施例的结构示意图；
36.图5是吸液芯层的结构示意图；
37.图6a到6m根据本公开的半导体结构的制造过程中的结构示意图。
38.符号说明：
39.1-芯片，2-模封层，3-粘合层，31-附着层，32-接合层，4-吸液芯层，41-支撑体，42-蒸汽流通腔，43-隔板，44-加固体，45-密封体，46-上吸液芯层，47-下吸液芯层，48-回流加速通道，49-抽真空孔，5-密封层，6-基板，7-热界面材料层，8-散热片，9-外部电连接件，10-临时胶，11-通道。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对说明本公开的具体实施方式，通过本说明书记载的内容本领域技术人员可以轻易了解本公开所解决的技术问题以及所产生的技术效果。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
41.需要说明的是，说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，仅用于配合说明书所记载的内容，以供本领域技术人员的了解与阅读，并非用以限定本公开可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本公开所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本公开所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“第一”、“第二”及“一”等用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本公开可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，应当也视为本公开可实施的范畴。
42.另外，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
43.图1是根据本公开的半导体结构的一个实施例的结构示意图。如图1所示，该半导体结构可以包括芯片1、模封层2、粘合层3、吸液芯层4以及密封层5。其中，模封层2包覆芯片1。粘合层3设于模封层2上。吸液芯层4设于粘合层3上，吸液芯层4内部设有蒸汽流通腔42和支撑体41。密封层5覆盖吸液芯层4。密封层5和吸液芯层4可以共同形成热管，以实现热量的迅速传递。
44.芯片1可以是各种尺寸、各种功能的芯片，例如可以是专用集成电路asic(application specific integrated circuit)芯片、高宽带存储器hbm(high bandwidth memory)。
45.模封层2可以采用有机物，有机物例如可以是环氧树脂(epoxy resin)、填充物(filler)、催化剂(catalyst)、颜料(pigment)、脱模剂(release agent)、阻燃剂(flame retardant)、耦合剂(coupling agent)、硬化剂(hardener)、低应力吸收剂(low stress absorber)、粘合促进剂(adhesion promoter)、离子捕获剂(ion trapping agent)。
46.粘合层3可以用于增加热管与芯片1和/或模封层2之间的结合强度和可靠性。粘合层3可以采用例如环氧树脂、聚酰亚胺、干膜、光敏聚合物、导电胶、光学胶、压敏胶等。粘合层3可以是单层或多层。
47.吸液芯层4与传热性能密切相关，为多孔毛细结构，一般浸满工作液体。吸液芯层4可以提供冷凝液(冷凝后的工作液体)从冷凝段回流到蒸发段所需的通道，汽-液分界面上的表面毛细孔产生的毛细抽吸力可以帮助冷凝液回流，还可以提供密封层5内壁与汽-液分界面之间的热流通路。吸液芯结构具有多种形式，一般可分为单一结构吸液芯和复合结构吸液芯两类。其中，单一结构吸液芯例如可以是卷绕丝网芯、金属烧结芯、轴向沟槽芯、环形芯、月牙形芯、干道芯等。复合结构吸液芯例如可以是丝网复合芯、丝网覆盖沟槽芯、板形干道芯、隧道式芯等。
48.蒸汽流通腔42可以作为蒸汽(汽化的工作液体)流动的通道。蒸汽流通腔42中的蒸汽可以从蒸发段流到冷凝段。
49.支撑体41可以固定蒸汽流通腔42的高度，起到支撑作用。支撑体41可以是长方体或圆柱体等结构，可以采用铜、不锈钢、铝以及硬塑料等。
50.密封层5用于形成密闭空间，起到密封作用。密封层5可以采用聚丙烯酸脂橡胶等密封材料。在实际中，可以根据密封工作液体，考虑工作液体与密封材料的相容性。
51.在一些可选的实施方式中，粘合层3可以包括自下而上依次设置的附着层31和接合层32。
52.这里，热管与芯片1和/或模封层2之间，可以通过附着层31增强热管与芯片1和/或模封层2之间的结合力，减缓剥落的风险。接合层32可以用于加强吸液芯层4中不同粒径(particle size)结构之间的互锁(interlock)接合，以形成共连续形态结构。
53.在一些可选的实施方式中，接合层32可以包括金、银或其合金。
54.在一些可选的实施方式中，如图1所示，芯片1的背面可以从模封层2的上表面露出。附着层31可以包括不锈钢或钛。
55.这里，在附着层31需要与模封层2以及芯片1的背面接触的情况下，附着层31可以采用不锈钢或者钛。不锈钢是降低成本的良好方案，而钛具有粘附能力强的优势。
56.请参考图2，图2示出了根据本公开的半导体结构的又一个实施例的结构示意图。
57.在一些可选的实施方式中，如图2所示，芯片1的背面未从模封层2的上表面露出。附着层31可以包括不锈钢。
58.这里，在附着层31需要与模封层2接触的情况下，附着层31可以采用不锈钢或者钛。
59.请参考图3，图3示出了根据本公开的半导体结构的又一个实施例的结构示意图。
60.在一些可选的实施方式中，如图3所示，吸液芯层4内部可以还设有隔板43。
61.这里，隔板43不仅可以起到冷流体和热流体之间的分隔作用，防止冷流体和热流体之间的串流，还可以起到支撑的作用。隔板43可以是长方体等结构，可以采用铜、不锈钢、铝以及硬塑料等。
62.请参考图4，图4示出了根据本公开的半导体结构的又一个实施例的结构示意图。
63.在一些可选的实施方式中，如图3和图4所示，支撑体41的底部和/或隔板43的底部可以设有加固体44。
64.这里，为了增强支撑体41或隔板43的结构强度和稳定性，可以在支撑体41的底部和/或隔板43的底部可以设置加固体44。这里，加固体44可以环绕支撑体41的底部和隔板43的底部，可以采用胶(glue)、焊料(solder)等材料加强固定效果。
65.在一些可选的实施方式中，密封层5可以包括不锈钢和铜。
66.在一些可选的实施方式中，密封层5可以包括钛、铜以及不锈钢。
67.在一些可选的实施方式中，密封层5可以包括钛、铝以及不锈钢。
68.在一些可选的实施方式中，密封层5可以包括纳米银胶。
69.在一些可选的实施方式中，如图4所示，该半导体结构还可以包括基板6。模封层2可以设于基板6上。
70.基板6可以是无芯基板或有芯基板。基板6可以包括有机物和/或无机物，有机物例如可以是：聚酰胺纤维(polyamide，pa)、聚酰亚胺(polyimide，pi)、环氧树脂(epoxy)、聚对苯撑苯并二噁唑(poly-p-phenylene benzobisoxazole，pbo)纤维、fr-4环氧玻璃布层压板、pp(prepreg，预浸材料或称为半固化树脂、半固化片)、abf(ajinomoto build-up film)等，无机物例如可以是硅(si),玻璃(glass)，陶瓷(ceramic)，氧化硅，氮化硅，氧化钽等。基板6也可以是pcb(printed circuit board，印制电路板)，可以选用刚性基板材料或柔性基板材料，刚性基板材料例如可以是覆铜板材料，柔性基板材料例如可以是pi材料。基板6还可以是bga基板。
71.在一些可选的实施方式中，如图4所示，密封层5还可以覆盖粘合层3的侧表面、模封层2的侧表面以及基板6的侧表面。
72.在一些可选的实施方式中，如图4所示，该半导体结构还可以包括外部电连接件9。基板6设于外部电连接件9上。
73.外部电连接件9例如可以是导线(trace)、凸块(bump)、焊球(solder ball)等，以实现半导体结构与外部的电连接。
74.请参考图5，图5示出了吸液芯层4的结构示意图。
75.在一些可选的实施方式中，如图5所示，吸液芯层4可以包括上吸液芯层46、下吸液芯层47以及连通上吸液芯层46和下吸液芯层47的回流加速通道48。
76.这里，回流加速通道48例如可以采用吸液芯层4所采用的材料或其他吸水性材料。回流加速通道48可以在上吸液芯层46与下吸液芯层47之间产生工作液体的快捷方式，增加工作液体的循环效率。
77.在一些可选的实施方式中，如图4和图6k所示，半导体结构还可以包括连通蒸汽流通腔42的抽真空孔49以及设置在抽真空孔49内部的密封体45。
78.这里，抽真空孔49可以用于注入溶解临时胶10的溶剂，还可以用于排出蒸汽流通腔42中溶解后的临时胶10，也可以用于抽真空，还可以用于填充工作液体(例如水)。密封体45可以防止工作液体与其汽体散逸，密封体45例如可以采用胶。
79.在一些可选的实施方式中，半导体结构还可以包括热界面材料层7和散热片8。热界面材料层7可以设于密封层5上。散热片8可以设于热界面材料层7上。
80.散热片8可以各种形状的热耗散结构。散热片8可以采用导电材料，例如铝(al)、铜(cu)、铬(cr)、锡(sn)、金(au)、银(ag)、镍(ni)、不锈钢或其他导电材料。
81.热界面材料层7例如可以采用烧结银材料。热管和热界面材料层7可以将芯片1产生的热量全部传递至散热片8，提高了散热效率。
82.在芯片1上设置散热片8，芯片1产生的热量可以传到散热片8上，再由散热片8传到环境中。一般来说，散热片8的表面积都做的相当大，与空气的接触面就大，这样有利于传
热，提高了散热效率。
83.本公开的提供的半导体结构，热管与芯片1和/或模封层2之间，可以通过粘合材料增加热管与芯片1和/或模封层2之间的结合强度和可靠性，减轻剥落的风险。具体地，粘合层3可以包括自下而上依次设置的附着层31和接合层32。热管与芯片1和/或模封层2之间，可以通过附着层31增强热管与芯片1和/或模封层2之间的结合力，减缓剥落的风险。接合层32可以用于加强吸液芯层4中不同粒径(particle size)结构之间的互锁(interlock)接合，以形成共连续形态结构。另外，在热管结构方面，采用在支撑体41的底部和隔板43的底部设置加固物的设计，进一步增强了支撑体41或隔板43的结构强度和稳定性。
84.图6a到6m根据本公开的半导体结构的制造过程中的结构示意图。为了更好地理解本公开的各方面，已简化各图。
85.请参考图6b，填入模封材，以形成包覆芯片1的模封层2。
86.在一些可选的实施方式中，请参考图6a，在填入模封材之前，该方法还可以包括：在基板6的上表面设置芯片1。
87.请参考图6c，在模封层2上形成粘合层3。
88.请参考图6d-图6i，在粘合层3上设置吸液芯层4。
89.在一些可选的实施方式中，在粘合层3上设置吸液芯层4可以包括：请参考图6d，在粘合层3上形成加固体44。请参考图6e，在加固体44上设置支撑体41和/或隔板43，加固体44设于支撑体41的底部和/或隔板43的底部。请参考图6f，在粘合层3上铺设第一吸液芯材料，固化形成下吸液芯层47。请参考图6g，在下吸液芯层47上铺设并固化临时胶10。请参考图6h，在临时胶10上钻孔形成通道11。请参考图6i，在临时胶10上和通道11内填入第二吸液芯材料，固化形成上吸液芯层46以及连通上吸液芯层46和下吸液芯层47的回流加速通道48，上吸液芯层46、下吸液芯层47以及回流加速通道48共同形成吸液芯层4。
90.请参考图6j，形成覆盖吸液芯层4的密封层5。
91.在一些可选的实施方式中，该方法还可以包括：在基板6下表面形成外部电连接件9。
92.在一些可选的实施方式中，形成覆盖吸液芯层4的密封层5可以包括：形成覆盖吸液芯层4、粘合层3的侧表面、模封层2的侧表面以及基板6的侧表面的密封层5。
93.请参考图6k，在一些可选的实施方式中，该方法还可以包括：在密封层5上设置连通临时胶10的抽真空孔49。
94.在一些可选的实施方式中，该方法还可以包括：在抽真空孔49中注入用于溶解临时胶10的溶剂，并将溶解后的临时胶10清除，以形成蒸汽流通腔42。通过抽真空孔49，将蒸汽流通腔42内部抽成真空。通过抽真空孔49，注入冷却液。在抽真空孔49填入密封材料，固化形成防止冷却液溢出的密封体45。
95.请参考图6m，在一些可选的实施方式中，该方法还可以包括：在密封层5上形成热界面材料层7。在热界面材料层7上放置散热片8。
96.综上所述，在形成热管的蒸汽流通腔42的具体方式可以包括：在下吸液芯层47上铺设并固化临时胶10(请参考图6g)，在临时胶10上钻孔形成通道11(请参考图6h)，在临时胶10上和通道11内填入第二吸液芯材料，固化形成上吸液芯层46以及连通上吸液芯层46和下吸液芯层47的回流加速通道48(请参考图6i)，由此上吸液芯层46和下吸液芯层47之间的
临时胶10可以预留出蒸汽流通腔42的位置。然后，在抽真空孔49中注入用于溶解临时胶10的溶剂，并将溶解后的临时胶10清除，从而形成蒸汽流通腔42。
97.本公开的提供的制造半导体结构的方法能够实现与前述半导体结构类似的技术效果，这里不再赘述。
98.尽管已参考本公开的特定实施例描述并说明本公开，但这些描述和说明并不限制本公开。所属领域的技术人员可清楚地理解，可进行各种改变，且可在实施例内替代等效组件而不脱离如由所附权利要求书限定的本公开的真实精神和范围。图示可能未必按比例绘制。归因于制造过程中的变量等等，本公开中的技术再现与实际实施之间可能存在区别。可存在未特定说明的本公开的其它实施例。应将说明书和图示视为说明性的，而非限制性的。可作出修改，以使特定情况、材料、物质组成、方法或过程适应于本公开的目标、精神以及范围。所有此些修改都落入此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并不限制本公开。