三维封装结构及封装方法

技术领域

本发明涉及集成电路封装，尤其涉及一种三维封装结构及封装方法。

背景技术

集成电路在当今信息社会的发展中起着极其重要的作用，20世纪末，伴随着信息产业的飞速发展，芯片制作工艺细微化，促使集成电路封装技术不断发展，并逐渐形成一门相对独立的科技产业。三维封装自上世纪末以来发展迅速，被认为是未来集成电路封装的发展趋势。

然而采用三维封装制造器件，电路密度越高，功率密度也随之增加，热量管理将会遇到越多的问题，因此要具有较好的散热方法；采用三维封装制作器件，所用材料较多，其热膨胀系数的不同会导致应力及翘曲的产生，对整体封装不利；三维封装的设计较二维封装技术复杂，由于技术复杂，在设计、制造、测试等多个环节都会使成本提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种三维封装结构及封装方法，用于解决现有三维封装技术中容易翘曲的问题。

本发明是这样实现的：

本发明实施例提供一种三维封装结构，包括第一基板、第二基板以及盖板，所述第一基板与盖板围合形成第一腔室，于所述第一基板上设置有芯片且所述芯片位于第一腔室内，所述第一基板背离第一腔室一侧通过互连桥连接至第二基板，于所述第一基板的相对两侧均设置有再布线层，所述芯片位于对应侧的再布线层上，且所述第一基板上设置有散热块以及连接两再布线层的连接线，所述散热块具有至少两块且对称布置于第一基板内，所述连接线位于内侧两散热块之间。

进一步地，所述散热块为梯形块且贯穿所述第一基板，且沿所述盖板至互连桥的方向所述散热块呈渐缩状。

进一步地，所述连接线包括多根，其中部分为粗连接柱，另一部分为细连接柱，且根据所述连接线的疏密布置粗连接柱与细连接柱，且所述粗连接柱布置于连接线疏区，所述细连接柱布置于连接线密区。

进一步地，所述互连桥、第一基板以及第二基板围合形成第二腔室，所述第一基板对应第二腔室一侧的再布线层上设置有芯片。

进一步地，所述第一腔室内的芯片与第二腔室内的芯片均分别对称布置。

进一步地，所述盖板的内侧面与芯片之间通过热界面材料连接。

进一步地，所述互连桥内设置有多条通道，每一所述通道内填充有电性材料，所述电性材料电连接第一基板与第二基板。

进一步地，所述电性材料朝向第二基板的端部通过焊球倒置焊接于第二基板上，且相邻的所述焊球之间填充底料密封。

进一步地，所述再布线层通过焊球固定于第一基板上，所述芯片贴装于再布线层上，且相邻的两个所述芯片之间的塑封材料加工形成多孔介质。

本发明实施例还提供一种三维封装方法，包括以下步骤：

于第一基板上铺设再布线层、植球工艺贴装芯片、刻蚀形成通孔，所述通孔内部电镀填充铜；

制作盖板，将所述盖板扣合于第一基板的其中一侧，所述芯片与盖板之间设置热界面材料，且所述第一基板和盖板边缘设置密封材料；

于第一基板另一侧通过凸点工艺制作电性材料凸点，并通过模塑工艺对所述凸点进行塑封，减薄后将电性材料露出；

根据所述凸点的尺寸，将焊球放置于所述凸点的顶端；将所述第一基板连同凸点、焊球一起熔化，通过将所述焊球熔化后再冷却，所述焊球于每个凸点的顶端形成外凸形焊料；

将所述外凸形焊料的凸点连同所述第一基板倒置于待植球的第二基板上，焊接后获得无微细气泡的焊接面；

焊接结束，通过底填充工艺将底料填充于相邻所述焊球之间的间隙中，实现所述第一基板与第二基板之间的密封。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，于第一基板上设置有散热块，散热块可以采用铜块，通过散热块能够改变第一基板的翘曲变化，而将散热块设置于第一基板靠近两侧的位置且对称设置，即将散热块优化布置于第一基板内，可以大大降低第一基板的翘曲度，同时也提高了封装结构整体的散热性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的三维封装结构一种实施例结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三维封装结构另一种实施例结构示意图；

图3为本发明实施例提供的三维封装结构的最大翘曲值与铜柱梯度的关系图；

图4为本发明实施例提供的三维封装结构的第一基板贴装芯片的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的三维封装结构的芯片的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1以及图2，本发明实施例提供一种三维封装结构，包括第一基板1、第二基板2以及盖板3，其中第一基板1与盖板3围合形成第一腔室4，当然该第一腔室4应为密封空间，于第一基板1上贴装有芯片5，且芯片5位于第一腔室4内，由此通过盖板3实现对第一腔室4内芯片5的封装；第一基板1背离第一腔室4的一侧通过互连桥6连接至第二基板2，第二基板2为基础，一方面通过互连桥6可以形成对第一基板1的支撑，另一方面通过互连桥6可以实现第一基板1与第二基板2之间的电性连接。

本发明中，于第一基板1的相对两侧均设置有再布线层7，通常第一基板1为扁平的板状结构，可以采用高密度基板或陶瓷基板，于第一基板1的相对两侧均铺设有再布线层7，其中一侧对应盖板3，另一侧对应互连桥6。于对应盖板3一侧，再布线层7先铺设于第一基板1上，再将芯片5贴装于再布线层7上，盖板3用于实现对该侧再布线层7的封装；而对于互连桥6一侧，第一基板1、互连桥6以及第二基板2围合形成第二腔室8，且该第二腔室8也为密封空间，第一基板1该侧的再布线层7也位于第二腔室8内，进而实现对其的封装。通过对再布线层7的设计代替一部分芯片5内部线路的设计，从而降低设计成本，采用再布线层7能够支持更多的引脚数量，可以使I/O触点间距更灵活、凸点面积更大，从而使基板与元件之间的应力更小、元件可靠性更高。

由于第一基板1的两侧均铺设有再布线层7，由此第一基板1上设置有连接线9，该连接线9能够电性连接两再布线层7。根据再布线层7的线路特性，于第一基板1上加工有若干通孔，通过TSV技术向各通孔内填充电性材料，进而形成再布线层7之间的连接线9，对于电性材料可以为铜，即连接线9采用铜柱的形式。另外，于第一基板1内埋设有散热块10，散热块10也可以采用TSV技术制备，对于散热块10可以具有多块，且靠近第一基板1的外侧设置，上述的各连接线9位于内侧的两块散热块10之间。具体地，散热块10采用对称的方式分布于第一基板1内，比如当散热块10为两块时，则两块散热块10分别靠近两个相对的边沿位置，连接线9均位于两个两块散热块10之间，且两块散热块10相对第一基板1的中心对称设置；而当散热块10为四块时，第一基板1的相对两侧均分布两块散热块10，且两块散热块10间隔设置，而上述的连接线9则均位于内侧的两块散热块10之间，且四块散热块10相对第一基板1的中心两两对称。

在本实施例中，散热块10也采用铜，即散热块10为铜块，其可以沿第一基板1贯穿，通过散热块10可以大大增强第一基板1的散热性能，芯片5产生的热量快速被导出。另外，由于第一基板1内布设散热块10，其材质与第一基板1不同，可以改变第一基板1的翘曲性能，而本实施例中，散热块10靠近第一基板1的边沿布置，且为对称设置，尤其采用铜块，使得第一基板1内铜含量优化分布，会降低第一基板1的翘曲，且对称结构的使用可以带来结构变形的一致性，根据一致性可以预先调整敏感结构的影响。

参见图1以及图3，在优选方案中，散热块10为梯形块且贯穿第一基板1，且沿盖板3至互连桥6的方向散热块10呈渐缩状。本实施例中，优化了散热块10的结构，其沿厚度方向的截面呈梯形，且为等腰梯形，靠近盖板3一侧的尺寸大于靠近互连桥6一侧的尺寸，能迅速的把热源的热量吸收并到传递出去；另外，通过改变散热块10的梯度可以优化翘曲效果，且梯度越大，散热后翘曲程度越低，比如梯度为3时的最大翘曲值远低于梯度为1时的最大翘曲值。梯度铜制备工艺可控，可制备形成相对密度在 40 ～ 90% 之间的三维多孔 Cu 材料， 增大了散热比表面积，提高了散热效率。

于本发明的另一种实施例中，其可以是上述实施例的优化方案，连接线9为多根，其中部分为粗连接柱，另一部分为细连接柱，且根据连接线9的疏密布置粗连接柱与细连接柱，且具体为当为连接线9密区时，则优先布置细连接柱，反之当为连接线9疏区时，则优先布置粗连接柱。由于连接线9为铜柱，通过粗铜柱与细铜柱的布置可以进一步优化第一基板1内的铜含量分布，以降低第一基板1翘曲效果。在优选实施例中，粗连接柱与细连接柱采用交替的方式分布，且优选对称规律化分布，进一步保证第一基板1变形的一致性。

参见图2、图4以及图5，在一种实施例中，于第一基板1对应第二腔室8一侧的再布线层7上也贴装有芯片5，同时将一些无源器件18，如电容、电感和电阻等贴装于该再布线层7上，可以充分利用封装结构，减少封装后的整体尺寸。本实施例中，第一基板1的两侧再布线层7上均贴装芯片5，每一再布线层7上的芯片5也采用对称方式（类似于散热块10的布置方式）贴装，或者均匀间隔布置，可以进一步降低第一基板1的翘曲。再布线层7通过焊球15固定于第一基板1上，芯片5贴装于再布线层7上，且相邻的两个芯片5之间的塑封材料11加工形成多孔介质，可以在各个材料因热膨胀系数不匹配导致应力产生时起到缓冲作用，或者利用锯条或激光切割工具使塑封材料11分离也可起到类似的缓冲作用。

再次参见图1以及图2，进一步地，盖板3材料为钨铜合金或者钼铜合金，并制作为凹槽形状，将盖板3倒扣于第一基板1的再布线层7上，由此凹槽被围合形成第一腔室4。盖板3的凹槽底面与芯片5之间夹设有热界面材料12，比如可以为铟片，芯片5工作时产生热热量可以通过热界面材料12直接传导至盖板3上，提高芯片5的散热效果，同时防止铅泄露和辐射，且使盖板3、芯片5结合为紧密整体，消除了薄型盖板3变形和芯片5散热等问题，增强密封结构强度和器件热性能。另外，盖板3的端面与再布线层7或者第一基板1之间增设密封材料13对第一腔室4进行密封，密封材料13选用金锡焊料片、无助焊剂的可焊接金属材料和密封胶中的一种或者多种。

细化互连桥6结构，其内设置有多条通道14，每一通道14内均填充有电性材料，通过电性材料电连接第一基板1与第二基板2。对于电性材料也为铜柱，通过凸点工艺制作铜凸点16，通过模塑工艺对铜凸点16进行塑封，减薄后将铜露出，根据铜凸点16的大小，选用带有助焊剂的焊球15，将焊球15放置在铜凸点16的顶端；将第一基板1、互连桥6、铜凸点16、焊球15一起加热，焊球15熔化后冷却，进而在每个铜凸点16的顶端形成外凸形焊料；将外凸形焊料的铜凸点16连同第一基板1一起倒置在待植球的第二基板2上，焊接后即可获得无微细气泡的焊接面。另外，于相邻的焊球15之间填充底料17密封，即在焊接结束后，通过底填充工艺将底料17填充进焊球15之间的间隙中，实现第二腔室8内芯片5的密封。

参见图1-图5，本发明实施例还提供一种三维封装方法，可以用于上述封装结构，具体包括以下步骤：

于第一基板1上铺设再布线层7、植球工艺贴装芯片5、刻蚀形成通孔，通孔内部电镀填充铜，芯片5朝向第一基板1的一侧也具有再布线层7，芯片5的再布线层7与第一基板1的再布线层7之间通过焊球连接；

制作盖板3，将盖板3扣合于第一基板1的其中一侧，芯片5与盖板3之间设置热界面材料12，且第一基板1和盖板3边缘设置密封材料13；当密封材料13为金锡焊料片时，盖板3与第一基板1在温度为高于预成型金锡焊料片的熔点20℃～50℃的环境中进行焊接密封的，温度保持在熔点以上并恒温1-5分钟；

于第一基板1另一侧通过凸点工艺制作电性材料凸点，并通过模塑工艺对凸点进行塑封，减薄后将电性材料露出；

根据凸点的尺寸，将焊球15放置于凸点的顶端；将第一基板1连同凸点、焊球15一起熔化，通过将焊球15熔化后再冷却，焊球15于每个凸点的顶端形成外凸形焊料，熔化温度为200~220℃，且在焊球15熔化后将其冷却至60℃以下；

将外凸形焊料的凸点连同第一基板1倒置于待植球的第二基板2上，进入回流焊炉，在温度为：200~220℃条件下完成焊接，焊接后即可获得无微细气泡的焊接面；

焊接结束，通过底填充工艺将底料17填充于相邻焊球15之间的间隙中，实现第一基板1与第二基板2之间第二腔室8的密封。

通过上述封装方法以获取上述的封装结构，整体工艺方便易行，可以获得高气密性的封装效果，且有效保证翘曲和散热性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。