一种多芯片三维堆叠扇出型封装结构及其封装方法

技术领域

本发明涉及一种多芯片三维堆叠扇出型封装结构及其封装方法，属于芯片封装技术领域。

背景技术

扇出型封装目前为晶圆级先进封装方法之一，能够让多颗芯片通过RDLs与单个的封装部件连接，广泛适用于互联网、射频(RF)、智能手机和无线多媒体多个领域。与传统封装技术相比，FOWLP具有多个优势：更高的性能、更短的互连路径导致更少信号延迟、更低的功耗。然而对于多颗芯片密集封装，扇出后的面积过大，封装密度不足，无法应用于超高密度多芯片模组。

发明内容

承上所述，为了弥补已有封装结构的不足，本发明提出了一种多芯片三维堆叠扇出型封装结构及其封装方法，其适用于超高密度多芯片互联，生产成本更低，更易实现生产。

本发明的技术方案：

本发明一种多芯片三维堆叠扇出型封装结构，其自下而上依次包括再布线金属层Ⅰ、第一封装体、再布线金属层Ⅱ和第二封装体，所述第二封装体设置在第一封装体的上方，并第二封装体与第一封装体通过再布线金属层Ⅰ、再布线金属层Ⅱ进行信号连接；

再布线金属层Ⅰ的一面设置焊盘Ⅰ和焊盘Ⅱ、另一面设置焊盘Ⅲ，焊盘Ⅱ为芯片Ⅰ封装体预留，焊盘Ⅰ设置在焊盘Ⅱ的周围，在焊盘Ⅲ设置球栅极阵列焊球，所述第一封装体包括若干个芯片Ⅰ封装体、若干个互联金属柱和塑封料Ⅰ，所述芯片Ⅰ封装体倒装在再布线金属层Ⅰ的上方，与其焊盘Ⅱ连接，并呈水平排布，互联金属柱设置在芯片Ⅰ封装体的四周；

所述芯片Ⅰ封装体包括芯片Ⅰ、芯片绝缘层Ⅰ和金属凸块Ⅰ，芯片绝缘层Ⅰ设置在芯片Ⅰ的正面，芯片绝缘层Ⅰ的开口露出芯片Ⅰ的金属电极，金属凸块Ⅰ通过芯片绝缘层Ⅰ的开口与芯片Ⅰ的金属电极连接，芯片Ⅰ封装体通过背面粘接剂Ⅰ与其上方的再布线金属层Ⅱ连接；

所述互联金属柱设置在芯片Ⅰ封装体的周围，互联金属柱的底部与再布线金属层Ⅰ的焊盘Ⅰ连接；

塑封料Ⅱ填充芯片Ⅰ封装体、互联金属柱的间隙，并露出互联金属柱的上表面；

再布线金属层Ⅱ的一面设置焊盘Ⅰ另一面设置焊盘Ⅱ，其焊盘Ⅰ与互联金属柱连接；

第二封装体包括若干个芯片封装体Ⅱ、塑封料Ⅱ、粘接剂Ⅱ和保护层，所述芯片封装体Ⅱ呈水平排布，塑封料Ⅱ包覆芯片封装体Ⅱ，并露出芯片封装体Ⅱ的背面，保护层通过粘接剂Ⅱ与芯片封装体Ⅱ的背面固连，并延展至第二封装体的整个背面；

芯片封装体Ⅱ包括芯片Ⅱ、绝缘层Ⅱ、金属凸块Ⅱ，芯片Ⅱ上表面设置绝缘层开口，绝缘层Ⅱ覆盖在芯片Ⅱ的上表面，绝缘层Ⅱ的开口露出金属电极的上表面，金属凸块Ⅱ通过绝缘层Ⅱ的开口和金属电极连接，芯片Ⅱ自上而下通过其金属电极、金属凸块Ⅱ、再布线金属层Ⅱ、互联金属柱、再布线金属层Ⅰ与第一封装体进行连接，实现了芯片Ⅱ和芯片Ⅰ的互联，最终通过再布线金属层Ⅰ的球栅极阵列焊球将信号向下传导。

可选地，所述金属凸块Ⅰ的材质为金属铜为复合金属层，其包括铜层、镍层、锡层和银层，镍层覆盖铜层，锡层分布在镍层的外层，银层覆盖在最外层。

可选地，所述金属凸块Ⅱ为复合金属层，其包括铜层、镍层、锡层，镍层覆盖铜层，锡层分布在镍层的外层，银层覆盖在最外层。

可选地，所述球栅极阵列焊球为复合金属层，其包括铜层、镍层、锡层和银层，镍层覆盖铜层，锡层分布在镍层的外层，银层覆盖在最外层。

可选地，保护层为树脂和金属的复合层。

本发明还提供了一种多芯片三维堆叠扇出型封装结构的封装方法，其实施步骤如下：

步骤一、取一临时载片，在临时载片表面涂敷一层可释放涂层，可释放涂层可以是聚合物层、金属层或者聚合物层与金属层的叠加，且能够通过加热或者激光的方式实现解键合工艺；

步骤二、将芯片封装体Ⅱ通过其背面的粘接剂Ⅱ安装在可释放涂层的上表面，该芯片封装体Ⅱ包括芯片Ⅱ、绝缘层Ⅱ、金属凸块Ⅱ，绝缘层Ⅱ覆盖在芯片Ⅱ的表面，并设置绝缘层Ⅱ的开口，绝缘层Ⅱ的开口露出芯片Ⅱ的金属电极的上表面，金属凸块Ⅱ通过绝缘层Ⅱ的开口和金属电极连接，实现金属凸块Ⅱ与芯片Ⅱ的电信连接；

步骤三、采用塑封料Ⅱ填充芯片封装体Ⅱ的间隙，完全包覆芯片封装体Ⅱ的金属凸块Ⅱ，形成重构圆片，实现扇出型封装；

步骤四、通过研磨工艺，减薄塑封料Ⅱ，露出芯片封装体Ⅱ的金属凸块Ⅱ，塑封料Ⅱ的上表面与芯片封装体Ⅱ的上表面齐平；

步骤五、在塑封料Ⅱ和芯片封装体Ⅱ的表面通过多次涂胶、曝光和显影的方式形成再布线金属层Ⅱ，再布线金属层Ⅱ包括金属层和绝缘层，再布线金属层Ⅱ的下表面设置焊盘Ⅱ、上表面设置焊盘Ⅰ，焊盘Ⅰ与互联金属柱连接。焊盘Ⅰ之间设置安装芯片封装体Ⅰ的预留区；

步骤六、在芯片封装体Ⅰ的上方通过涂胶、曝光、显影和电镀的方式形成互联金属柱，互联金属柱与焊盘Ⅰ连接，与再布线金属层Ⅱ实现电信连接；

步骤七、将芯片封装体Ⅰ通过粘接剂Ⅰ粘接到再布线金属层Ⅱ的预留区，芯片封装体Ⅰ包括芯片Ⅰ、绝缘层、金属凸块Ⅰ，绝缘层覆盖在芯片Ⅰ的正面，并通过绝缘层的开口露出芯片Ⅰ的芯片电极，金属凸块Ⅰ通过绝缘层的开口与芯片Ⅰ的芯片电极连接；

步骤八、用塑封料Ⅰ完全包覆住芯片封装体Ⅰ和互联金属柱，并填充互联金属柱的间隙；

步骤九、通过研磨工艺，减薄塑封料Ⅰ，露出互联金属柱和芯片封装体Ⅰ的金属凸块Ⅰ，互联金属柱的上表面与金属凸块Ⅰ的上表面齐平；

步骤十、在塑封料Ⅰ的表面通过多次涂胶、曝光、显影和电镀形成再布线金属层Ⅰ，再布线金属层Ⅰ包括多层金属层和绝缘层，多层金属层在纵向选择性连接，绝缘层填充于各个金属层之间，再布线金属层Ⅰ的下表面设置焊盘Ⅰ和焊盘Ⅱ、上表面设置焊盘Ⅲ，焊盘Ⅰ与互联金属柱连接，焊盘Ⅱ与芯片封装体Ⅰ的金属凸块Ⅰ连接；

步骤十一、再布线金属层Ⅰ的上方通过涂胶、曝光、显影和电镀形成复合金属层，复合金属层由下而上依次包括铜层、镍层、锡层和银层，复合金属层通过回流形成球栅极阵列焊球，球栅极阵列焊球的镍层覆盖铜层，锡层分布在镍层的外层，银层覆盖在最外层；

步骤十二、通过解键合工艺剥离载片和可释放涂层；

步骤十三、将整张圆片背面粘附保护层；

步骤十四、将整张圆片通过切割划成复数颗多芯片三维堆叠扇出型封装结构的封装单体。

有益效果

1.本发明芯片三维堆叠扇出型封装结构，横向多个芯片之间采用再布线金属层进行电路互联形成横向扇出型结构，纵向多个芯片之间采用互联金属柱和再布线金属层电路互联形成纵向扇出型结构，最终通过球栅极阵列导出芯片，形成高度密度互联的三维封装结构，芯片之间的互联间距小、互联密度高、传输效率高；

2.基于本发明提供的该种封装结构和制备方法，芯片背面采用粘接剂包覆，有助于提高芯片的机械强度，虽然粘接剂的厚度较薄，通常只有几十微米，但互联层的厚度可以进行调控，垂直高度较低，整体厚度更薄，相比传统的扇出型封装结构或三维堆叠工艺，该方案集成度更高且更有利于实现。

附图说明

图1为本发明一种多芯片三维堆叠扇出型封装结构的实施例的剖面示意图；

图2为图1中芯片Ⅰ封装体的剖面结构示意图；

图3为图1中芯片Ⅰ封装体与互联金属柱的分布示意图；

图4为图1中再布线金属层Ⅱ的剖面结构示意图；

图5A到图5N为本发明一种多芯片三维堆叠扇出型封装结构的封装方法的制作流程示意图；

主要元件符号说明

再布线金属层Ⅰ10

焊盘Ⅰ11

焊盘Ⅱ12

焊盘Ⅲ13

互联金属柱20

塑封料Ⅰ22

粘接剂Ⅰ26

芯片Ⅰ封装体30

芯片Ⅰ31

芯片绝缘层Ⅰ32

金属凸块Ⅰ34

再布线金属层Ⅱ40

焊盘Ⅰ41

焊盘Ⅱ43

塑封料Ⅱ50

芯片封装体Ⅱ60

芯片Ⅱ61

绝缘层Ⅱ62

金属凸块Ⅱ64

粘接剂Ⅱ66

保护层69

球栅极阵列焊球95

载片L1

可释放涂层L2。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例，从而本公开将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为限制于这里阐述的实施例。

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步地说明。

本发明一种多芯片三维堆叠扇出型封装结构，其自下而上依次包括再布线金属层Ⅰ10、第一封装体、再布线金属层Ⅱ40和第二封装体，所述第二封装体设置在第一封装体的上方，且第二封装体与第一封装体通过再布线金属层Ⅰ10、再布线金属层Ⅱ40进行信号连接，如图1至图4所示。

所述再布线金属层Ⅰ10包括多层金属层和绝缘层，多层金属层在纵向选择性连接，绝缘层填充于各个金属层之间。一般地，金属层的材质为金属铜。再布线金属层Ⅰ10的一面设置焊盘Ⅰ11和焊盘Ⅱ12、另一面设置焊盘Ⅲ13。焊盘Ⅱ12为芯片Ⅰ封装体30预留，焊盘Ⅰ11设置在焊盘Ⅱ12的周围。在焊盘Ⅲ13设置球栅极阵列焊球95，球栅极阵列焊球95为复合金属层，其包括铜层、镍层、锡层和银层，镍层覆盖铜层，锡层分布在镍层的外层，银层覆盖在最外层。

所述第一封装体包括若干个芯片Ⅰ封装体30、若干个互联金属柱20和塑封料Ⅰ22。芯片Ⅰ封装体30倒装在再布线金属层Ⅰ10的上方，与其上层焊盘Ⅱ12连接。芯片Ⅰ封装体30呈水平排布，互联金属柱20设置在芯片Ⅰ封装体30的四周，如图3所示。

所述芯片Ⅰ封装体30包括芯片Ⅰ31、芯片绝缘层Ⅰ32和金属凸块Ⅰ34，一般地，金属凸块Ⅰ34的材质为金属铜为复合金属层，其包括铜层、镍层、锡层和银层，镍层覆盖铜层，锡层分布在镍层的外层，银层覆盖在最外层。如图2所示。芯片绝缘层Ⅰ32设置在芯片Ⅰ31的正面，芯片绝缘层Ⅰ32的开口露出芯片Ⅰ31的金属电极，金属凸块Ⅰ34通过芯片绝缘层Ⅰ32的开口与芯片Ⅰ31的金属电极连接，芯片Ⅰ封装体30通过背面粘接剂Ⅰ26与其上方的再布线金属层Ⅱ40连接。粘接剂26的材质为含有填充物的聚合物，例如：PI（聚酰亚胺）、PBO（水晶玻璃）、BCB（苯并环丁烯）、EMC（环氧树脂塑料）、树脂等。

所述互联金属柱20设置在芯片Ⅰ封装体30的周围，互联金属柱20的底部与再布线金属层Ⅰ10的上层焊盘Ⅰ11连接。

塑封料Ⅱ22填充芯片Ⅰ封装体30、互联金属柱20的间隙，并露出互联金属柱20的上表面。

再布线金属层Ⅱ40包括多层金属层和绝缘层，多层金属层在纵向选择性连接，绝缘层填充于各个金属层之间。一般地，金属层的材质为金属铜。再布线金属层Ⅱ40的一面设置焊盘Ⅰ41另一面设置焊盘Ⅱ43，其焊盘Ⅰ41与互联金属柱20连接。如图4所示。

第二封装体包括若干个芯片封装体Ⅱ60、塑封料Ⅱ50、粘接剂Ⅱ66和保护层69，芯片封装体Ⅱ60呈水平排布。塑封料Ⅱ50包覆芯片封装体Ⅱ60，并露出芯片封装体Ⅱ60的背面，保护层69通过粘接剂Ⅱ66与芯片封装体Ⅱ60的背面固连，并延展至第二封装体的整个背面。粘接剂Ⅱ66的材质为含有填充物的聚合物，例如：PI（聚酰亚胺）、PBO（水晶玻璃）、BCB（苯并环丁烯）、EMC（环氧树脂塑料）、树脂等。保护层69为树脂和金属的复合层，其可以遮光、绝缘、防止芯片氧化、隔绝水汽、防止芯片划伤、控制封装结构的厚度以及控制芯片之间的纵向连接距离。

芯片封装体Ⅱ60包括芯片Ⅱ61、绝缘层Ⅱ62、金属凸块Ⅱ64，芯片Ⅱ61上表面设置绝缘层开口，绝缘层Ⅱ62覆盖在芯片Ⅱ61的上表面，绝缘层Ⅱ62的开口露出金属电极的上表面，金属凸块Ⅱ64通过绝缘层Ⅱ62的开口和金属电极连接，芯片Ⅱ61自上而下通过其金属电极、金属凸块Ⅱ64、再布线金属层Ⅱ40、互联金属柱20、再布线金属层Ⅰ10与第一封装体进行连接，实现了芯片Ⅱ61和芯片Ⅰ31的互联，最终通过再布线金属层Ⅰ10的球栅极阵列焊球95将信号向下传导。金属凸块Ⅱ64为复合金属层，其包括铜层、镍层、锡层和银层，镍层覆盖铜层，锡层分布在镍层的外层，银层覆盖在最外层。

本发明提供了一种多芯片三维堆叠扇出型封装结构的封装方法， 其实施步骤如下：

步骤一、如图5A所示，取一临时载片L1，在临时载片L1表面涂敷一层可释放涂层L2，可释放涂层L2可以是聚合物层、金属层或者聚合物层与金属层的叠加，且能够通过加热或者激光的方式实现解键合工艺。

步骤二、如图5B所示，将芯片封装体Ⅱ60通过其背面的粘接剂Ⅱ66安装在可释放涂层L2的上表面，该芯片封装体Ⅱ60包括芯片Ⅱ61、绝缘层Ⅱ62、金属凸块Ⅱ64，绝缘层Ⅱ62覆盖在芯片Ⅱ61的表面，并设置绝缘层Ⅱ62的开口，绝缘层Ⅱ62的开口露出芯片Ⅱ61的金属电极的上表面，金属凸块Ⅱ64通过绝缘层Ⅱ62的开口和金属电极连接，实现金属凸块Ⅱ64与芯片Ⅱ61的电信连接。

步骤三、如图5C所示，采用塑封料Ⅱ50填充芯片封装体Ⅱ60的间隙，完全包覆芯片封装体Ⅱ60的金属凸块Ⅱ64，形成重构圆片，实现扇出型封装；

步骤四、如图5D所示，通过研磨工艺，减薄塑封料Ⅱ50，露出芯片封装体Ⅱ60的金属凸块Ⅱ64，塑封料Ⅱ50的上表面与芯片封装体Ⅱ60的上表面齐平；

步骤五、如图5E所示，在塑封料Ⅱ50和芯片封装体Ⅱ60的表面通过多次涂胶、曝光和显影的方式形成再布线金属层Ⅱ40，再布线金属层Ⅱ40包括金属层和绝缘层，再布线金属层Ⅱ40的下表面设置焊盘Ⅱ43、上表面设置焊盘Ⅰ41，焊盘Ⅰ41与互联金属柱20连接。焊盘Ⅰ41之间设置安装芯片封装体Ⅰ30的预留区42。

步骤六、如图5F所示，在芯片封装体Ⅰ30的上方通过涂胶、曝光、显影和电镀的方式形成互联金属柱20，互联金属柱20与焊盘Ⅰ41连接，与再布线金属层Ⅱ40实现电信连接。

步骤七、如图5G所示，将芯片封装体Ⅰ30通过粘接剂Ⅰ26粘接到再布线金属层Ⅱ40的预留区42，芯片封装体Ⅰ30包括芯片Ⅰ31、绝缘层32、金属凸块Ⅰ34，绝缘层32覆盖在芯片Ⅰ31的正面，并通过绝缘层32的开口露出芯片Ⅰ31的芯片电极，金属凸块Ⅰ34通过绝缘层32的开口与芯片Ⅰ31的芯片电极连接。

步骤八、如图5H所示，用塑封料Ⅰ22完全包覆住芯片封装体Ⅰ30和互联金属柱20，并填充互联金属柱20的间隙。

步骤九、如图5I所示，通过研磨工艺，减薄塑封料Ⅰ22，露出互联金属柱20和芯片封装体Ⅰ30的金属凸块Ⅰ34，互联金属柱20的上表面与金属凸块Ⅰ34的上表面齐平。

步骤十、如图5J所示，在塑封料Ⅰ22的表面通过多次涂胶、曝光、显影和电镀形成再布线金属层Ⅰ10，再布线金属层Ⅰ10包括多层金属层和绝缘层，多层金属层在纵向选择性连接，绝缘层填充于各个金属层之间。再布线金属层Ⅰ10的下表面设置焊盘Ⅰ11和焊盘Ⅱ12、上表面设置焊盘Ⅲ13，焊盘Ⅰ11与互联金属柱20连接，焊盘Ⅱ12与芯片封装体Ⅰ30的金属凸块Ⅰ34连接。

步骤十一、如图5K所示，再布线金属层Ⅰ10的上方通过涂胶、曝光、显影和电镀形成单层金属层或者复合金属层，单层金属层或者复合金属层通过回流形成球栅极阵列焊球95，球栅极阵列焊球95为复合金属层，其包括铜层、镍层、锡层和银层，镍层覆盖铜层，锡层分布在镍层的外层，银层覆盖在最外层。

步骤十二、如图5L所示，通过解键合工艺剥离载片L1和可释放涂层L2。

步骤十三、如图5M所示，将整张圆片背面粘附保护层69。

步骤十四、如图5N所示，将整张圆片通过切割划成复数颗多芯片三维堆叠扇出型封装结构的封装单体。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。