專利名稱：堆疊式半導體芯片封裝結構及工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體封裝技術，特別涉及一種堆疊式半導體芯片封裝結構及工藝。
背景技術：
由于人們對于電子產品小型化、輕型化的需求日益迫切，三維封裝順應了這種潮流，三維電子封裝技術在最近取得了突飛猛進的發展。封裝層疊(package on package)技術是一種成本低廉的三維封裝解決方案，它可以將邏輯芯片及存儲芯片整合到一個封裝體中，并且根據需要可以靈活的控制存儲器容量，因此，目前在手機等電子產品中得到了廣泛的應用。傳統的PoP封裝采用的封裝基板較薄，在工藝流程中，基板受熱膨脹產生翹曲，造成了底層和頂層封裝體之間互連困難，容易在結合焊球中產生疲勞，裂紋等，導致產品的可靠性降低。
發明內容
本發明的目的是針對已有技術中存在的缺陷，提供一種堆疊式半導體芯片封裝結構及工藝。本發明包括頂層封裝、底層封裝、頂層封裝和底層封裝之間的焊球陣列、頂層封裝和底層封裝之間的密封劑，其特征在于所述底層封裝基板上設有一個倒梯形凹槽，底層封裝基板的上表面為第一表面，底層封裝基板的下表面為第二表面，底層封裝基板凹槽內的表面為第三表面，底層封裝的半導體芯片設置于凹槽中，第一、第二、第三表面上均設有焊盤，底層半導體芯片通過鍵合引線與第三表面上的焊盤相連，頂層封裝由一個或數個半導體芯片層疊封裝在頂層封裝基板的上表面之上，頂層封裝基板的上表面及下表面均設有焊盤，頂層封裝內的半導體芯片通過鍵合引線與頂層封裝基板上表面的焊盤相連，頂層封裝部分經密封劑密封，頂層封裝和底層封裝之間通過焊盤與焊球陣列連接，頂層封裝基板和底層封裝基板之間填充密封劑，參見圖2。本發明在底層封裝基板上設置有凹槽，底層封裝芯片固定在凹槽底部，因此不會造成封裝體整體厚度增大。因此本封裝結構具有厚度薄，可靠性高的優點，如圖1所示。底層封裝采用的封裝基板較常規的封裝基板厚度大一些，因此基板的剛度會更大，不易產生翹曲。圖1為傳統的PoP封裝橫截面示意圖，對比圖1可以發現，二者的根本差別在于本發明專利在底層封裝的基板上設置有凹槽。傳統的PoP封裝底層基板更薄，但是底層封裝芯片直接粘合在底層封裝基板的上表面上，這造成傳統P0P封裝底層封裝的整體厚度t2并不比本實施例提供的底層封裝的厚度tl薄。并且由于傳統封裝底層封裝基板薄，在封裝工藝流程中更容易產生翹曲，造成頂部封裝體和底部封裝體之間結合困難，這勢必會在焊球中產生疲勞失效、斷裂等問題，降低了封裝產品的可靠性。所述底層封裝基板上的凹槽為倒梯形，底層封裝的半導體芯片由貼片膠粘接在凹槽底部，或者用倒裝焊技術焊接 在凹槽底部，半導體芯片與凹槽底部焊球連接。底層封裝基板和頂層封裝基板內設有連接用的電路。底層封裝基板的第二表面上設置有焊球陣列，焊球陣列為絲網印刷或電鍍或蒸鍍的方式涂布焊料，回流產生焊球陣列，其材料為SnAg、Sn、SnAgCu、PbSn0所述頂層封裝的半導體芯片呈層狀堆疊結構，頂層封裝的半導體芯片及鍵合引線采用密封劑密封，密封劑為環氧模塑料。頂層封裝和底層封裝之間為單層或雙層焊球陣列，通過回流工藝使頂層封裝和底層封裝連接在一起，或者在頂層封裝基板的下表面焊盤上電鍍銅柱后沉積焊料層，在底層封裝基板的第一表面焊盤上電鍍銅柱后沉積焊料層，焊料層的材料可以為SnAg、Sn、SnAgCu> PbSn,通過回流工藝將頂層封裝基板和底層封裝基板連接在一起，完成頂層封裝體和底層封裝體之間的電互連。堆疊式半導體芯片封裝結構的工藝，其特征在于依次包含以下步驟:A.制備帶有凹槽的底層封裝基板；B.在底層封裝基板的三個表面上制備焊盤；C.將底層封裝的半導體芯片安裝在凹槽中并完成引線鍵合；D.在頂層封裝基板的上下表面上制備焊盤；E.將頂層封裝的半導體芯片層疊安裝在頂層封裝基板之上；F.進行頂層封裝的層疊半導體芯片的引線鍵合；G.進行頂層密封封裝；H.在頂層封裝基板下表面的焊盤上植焊球，進行頂層封裝和底層封裝之間的連接；1.進行頂層封裝和底層封裝之間的填充密封，并在底部封裝第二表面焊盤上植焊球。本發明的優點是有效的提高封裝密度，工藝流程簡單，基板剛度大，不易產生翹曲，總體厚度薄，可靠性高。
圖1傳統的PoP封裝結構剖視圖；圖2本發明的結構示意圖；圖3本發明底層封裝基板的剖視圖；圖4底層封裝基板通過貼片膠固定半導體芯片的剖視圖；圖5底層半導體芯片鍵合引線的示意圖；圖6頂層封裝基板的剖視圖；圖7頂層封裝基板上固定半導體芯片的剖視圖；圖8通過貼片膠固定二層半導體芯片的剖視圖；圖9通過貼片膠固定三層半導體芯片的剖視圖；圖10頂層半導體芯片鍵合引線的示意圖；圖11采用密封劑將頂層半導體芯片及鍵合引線密封的示意圖；圖12在頂層封裝基板下表面的焊盤上植焊球的示意圖；圖13將頂部封裝與底部封裝連接在一起的示意圖；圖14在頂部封裝和底 部封裝之間填充密封劑的示意圖15在底部封裝第二表面焊盤上植焊球的示意圖；圖16實施例二的結構示意圖；圖17實施例三的結構示意圖；圖18實施例四的結構示意圖；圖19實施例五的結構示意圖。圖中:1貼片膠、2半導體芯片、3貼片膠、3a間隔層、4半導體芯片、5貼片膠、5a間隔層、6半導體芯片、7焊盤、8鍵合引線、9鍵合引線、10鍵合引線、11頂層封裝基板上表面焊盤、12頂層封裝基板、13頂層封裝基板下表面焊盤、14密封劑、15焊球、16底層封裝基板、17底層封裝基板第二表面焊盤、18焊球、19底層封裝基板第三表面焊盤、20貼片膠、21半導體芯片、22焊盤、23鍵合引線、24密封劑、25焊盤、26焊盤、27底層封裝基板第一表面焊盤、28焊球、29底部填充料、30半導體芯片、31底層封裝基板第三表面焊盤、32銅柱、33焊料層、34銅柱、35芯片2表面焊盤、36底部填充料、37焊球陣列、38底層封裝基板第一表面焊盤。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的實施例。實施例一圖2為本發明實施例一的結構示意圖，該封裝包括頂部封裝、底部封裝、互連底部封裝和頂部封裝的焊球陣列，以及頂層封裝和底層封裝之間的密封劑。在底部封裝的基板16上設置有一個倒梯形凹槽，半導體芯片21通過貼片膠20固定在凹槽底部。頂部封裝包括至少一個半導體芯片，圖2中頂部封裝包括了三個半導體芯片，三個半導體芯片通過貼片膠和間隔層呈層狀堆疊放置，間隔層為焊線預留空間。半導體芯片上的焊盤和頂部封裝基板12第一表面上的焊盤11經鍵合引線連接實現電互連。密封劑24覆蓋在頂層封裝基板的上表面的上方，密封頂層封裝的半導體芯片以及引線。頂層封裝和底層封裝的電互連通過焊球陣列15實現。頂層封裝的基板的下表面與底層封裝基板的第一表面以及第三表面之間通過密封劑14實現密封。底層封裝的基板16的第二表面布置焊球陣列以實現封裝體與外部的電互連。本實施例的封裝工藝包含以下步驟:步驟A制備帶有凹槽的底層封裝基板；底層封裝基板16的上表面為第一表面，底層封裝基板的下表面為第二表面，底層封裝基板凹槽內的表面為第三表面，凹槽位置設置在基板第一表面，該凹槽設置在底層封裝基板的中心，凹槽底部形成第三表面，基板可以選用PCB板或FR4版或BT板，如圖3所示。步驟B在底層封裝基板的三個表面上制備焊盤；底層封裝基板16的第一表面上制備焊盤27，第二表面上制備焊盤17，第三表面制備焊盤19。底層封裝基板內部包括內電路以及互連焊盤27、焊盤17、焊盤19。步驟C將底層封裝的半導體 芯片安裝在凹槽中并完成引線鍵合；底層封裝基板16的凹槽底部通過貼片膠20固定半導體芯片21，貼片膠20采用有機高分子銀膠或無機高分子銀膠，先將貼片膠涂布在凹槽底部，然后安裝半導體芯片21，固化，冷卻后就可以將半導體芯片21固定在粘合層上方，如圖4所示。通過鍵合引線23互連半導體芯片焊盤22與凹槽底部焊盤19，凹槽底部焊盤19通過底層封裝基板16內部電路與底層封裝基板16的第二表面焊盤17相連，實現半導體芯片21與外部電路的連接。鍵合引線可以采用金線、銅線或者鋁線，鍵合工藝可以采用熱超聲鍵合或者熱壓鍵合，如圖5所示。底層封裝采用的半導體芯片包括邏輯芯片。步驟D在頂層封裝基板的上下表面上制備焊盤；在頂部封裝基板12的上表面制備焊盤11，在頂部封裝基板12的下表面制備焊盤13，基板內部設置有內電路，基板可以采用PCB板或FR4板或BT板，如圖6所示。步驟E將頂層封裝的半導體芯片層疊安裝在頂層封裝基板之上；本實施例的頂層封裝為
三層疊裝，在頂部封裝基板12的上表面安裝半導體芯片2，先在頂部封裝基板12上表面涂布貼片膠1，放置半導體芯片2后，回流，然后冷卻至室溫即可固定好芯片2，貼片膠I采用有機高分子銀膠或者無機高分子銀膠，如圖7所示。通過貼片膠3和間隔層3a將半導體芯片4固定在半導體芯片2的上表面，貼片膠3涂布在半導體芯片2上表面，間隔層為焊線預留空間，如圖8所示。通過貼片膠5和間隔層5a將半導體芯片6固定在半導體芯片4的上表面，貼片膠5面積略小于半導體芯片4上表面以暴露出半導體芯片4上表面焊盤，間隔層為半導體芯片4焊線預留空間，如圖9所示。頂部封裝半導體芯片采用存儲器芯片，并且根據需要選擇堆疊的層數。步驟F進行頂層封裝的層疊半導體芯片的引線鍵合；通過鍵合引線8將半導體芯片2的上表面焊盤7與頂層封裝基板12上表面的焊盤11鍵合連接，通過鍵合引線9將半導體芯片4的上表面焊盤25與頂層封裝基板上表面的焊盤11鍵合連接，通過鍵合引線10將半導體芯片6的上表面焊盤26與頂層封裝基板上表面的焊盤11鍵合連接，如圖10所示。焊線采用金線、銅線或者鋁線，鍵合方式采用熱壓鍵合或者熱超聲鍵合。步驟G進行頂層密封封裝；通過密封劑24將頂層封裝鍵合引線8、9、10以及半導體芯片
2、4、6密封封裝，密封劑位于頂層封裝基板12上表面上方，密封劑采用塑封工藝密封，密封劑可以采用環氧模塑料，如圖11所示。步驟H在頂層封裝基板下表面的焊盤上植焊球，進行頂層封裝和底層封裝之間的連接；在頂層封裝基板12下表面焊盤13上植焊球15，焊料可以采用絲網印刷技術、電鍍或者蒸鍍的方式涂布，回流后形成焊球陣列15,焊料可以采用SnAg、Sn、SnAgCu或PbSn焊料,如圖12所示。頂層封裝基板12下表面上的焊球15焊接在底層封裝基板16第一表面焊盤27上，實現頂層封裝和底層封裝之間的電互連，如圖13所示。步驟I進行頂層封裝和底 層封裝之間的填充密封，并在底部封裝第二表面焊盤上植焊球；在頂層封裝和底層封裝之間填充密封劑24，密封劑24采用環氧模塑料，采用注塑的方式填充，用以保護焊球陣列15以及底層封裝芯片21以及引線23，如圖14所示。在焊盤17上植焊球，形成焊球之前，先將焊料涂布在焊盤上方，通過絲網印刷工藝或蒸鍍或者電鍍的方式實現。回流后形成焊球。焊料采用SnAg、Sn、SnAgCu或PbSn焊料,如圖15所示。實施例二實施例二與實施例一相同，所不同的是底層封裝芯片30有源面朝下，在有源面上制作焊球28，通過熱壓焊接、熱聲焊接或焊料焊接的方式，將焊球28與底層封裝基板16第三表面的焊盤31互連到一起，實現芯片30與基板16之間電信號的傳遞。在焊球陣列28與焊盤31焊接完成后，在芯片30的底部填充底部填充料，底部填充料采用由熱固性聚合物以及二氧化硅的填料組成，如圖16所示。實施例三實施例三與實施例一相同，所不同的是在頂層封裝制作完畢之后，再在頂層封裝基板12的下表面焊盤13上制作焊球，同時在底層封裝第一表面焊盤27上制作焊球。完成焊球的制作工藝之后，采用焊接工藝，將焊盤13上的焊球與焊盤27上的焊球通過回流連接在一起，完成頂層封裝和底層封裝的電互連。之后再在頂層封裝和底層封裝之間填充密封齊U，以保護焊球15和半導體芯片21，如圖17所示。實施例四實施例四與實施例一相同，所不同的是上頂層封裝基板12制作完畢，進行后續封裝工藝之前，在基板11的下表面焊盤13上電鍍一銅柱32，之后再沉積一層焊料層。同時，底層封裝基板16制作完畢以后，在底層封裝基板16第一表面焊盤27上電鍍一銅柱34，之后沉積焊料層，焊料層的材料可以為Sn、SnAg、SnAgCu或PbSn焊料。采用回流工藝，將銅柱32上焊料層與銅柱34上焊料層連接在一起，完成頂層封裝和底層封裝的電互連。之后，在頂層封裝和底層封裝之間的間隙填充密封劑，如圖18所示。實施例五實施例五與實施例一相同,所不同的是半導體芯片2為倒裝結構,先在半導體芯片2的有源層表面焊盤35上制作焊料凸點37，采用熱壓焊接或熱聲焊接或回流焊接的方式將焊料凸點37焊接在頂層封裝基板上表面的焊盤38上，凸點37的材料可以為金凸點或Sn、SnAg、SnAgCu或PbSn焊料凸點。之后，再在半導體芯片2和頂層封裝基板之間填充底部填充料36，完成固化，底部填充料由熱固性聚合物以及二氧化硅的填料組成，如圖19所示。
權利要求
1.一種堆疊式半導體芯片封裝結構，包括頂層封裝、底層封裝、頂層封裝和底層封裝之間的焊球陣列、頂層封裝和底層封裝之間的密封劑，其特征在于所述底層封裝基板上設有一個凹槽，底層封裝基板的上表面為第一表面，底層封裝基板的下表面為第二表面，底層封裝基板凹槽內的表面為第三表面，底層封裝的半導體芯片設置于凹槽中，第一、第二、第三表面上均設有焊盤，底層半導體芯片通過鍵合引線與第三表面上的焊盤相連，頂層封裝由一個或數個半導體芯片層疊封裝在頂層封裝基板的上表面之上，頂層封裝基板的上表面及下表面均設有焊盤，頂層封裝內的半導體芯片通過鍵合引線與頂層封裝基板上表面的焊盤相連，頂層封裝部分經密封劑密封，頂層封裝和底層封裝之間通過焊盤與焊球陣列連接，頂層封裝基板和底層封裝基板之間填充密封劑。
2.根據權利要求1所述的堆疊式半導體芯片封裝結構，其特征在于所述底層封裝基板上的凹槽為倒梯形，底層封裝的半導體芯片由貼片膠粘接在凹槽底部，或者用倒裝焊技術焊接在凹槽底部，半導體芯片與凹槽底部通過焊球連接。
3.根據權利要求1所述的堆疊式半導體芯片封裝結構，其特征在于所述頂層封裝的半導體芯片呈層狀堆疊結構，頂層封裝第一半導體芯片與基板之間可通過貼片工藝或倒裝焊工藝實現互連，頂層封裝的半導體芯片及鍵合引線采用密封劑密封，頂層封裝基板的上表面被密封劑封裝，密封劑為環氧模塑料。
4.根據權利要求1所述的堆疊式半導體芯片封裝結構，其特征在于所述底層封裝基板和頂層封裝基板內設有連接用的電路。
5.根據權利要求 1所述的堆疊式半導體芯片封裝結構，其特征在于所述底層封裝基板的第二表面上設置有焊球陣列，焊球陣列為絲網印刷或電鍍或蒸鍍的方式涂布焊料，通過回流產生焊球陣列， 其材料為SnAg或Sn或SnAgCu或PbSn。
6.根據權利要求1所述的堆疊式半導體芯片封裝結構，其特征在于所述頂層封裝和底層封裝之間為單層或雙層焊球陣列，通過回流工藝使頂層封裝和底層封裝連接在一起，或者在頂層封裝基板的下表面焊盤上電鍍銅柱后沉積焊料層，在底層封裝基板的第一表面焊盤上電鍍銅柱后沉積焊料層，焊料層的材料為SnAg或Sn或SnAgCu或PbSn，通過回流工藝將頂層封裝基板和底層封裝基板連接在一起，完成頂層封裝體和底層封裝體之間的電互連。
7.—種堆疊式半導體芯片封裝結構的工藝，其特征在于依次包含以下步驟: A.制備帶有凹槽的底層封裝基板； B.在底層封裝基板的三個表面上制備焊盤； C.將底層封裝的半導體芯片安裝在凹槽中并完成引線鍵合； D.在頂層封裝基板的上下表面上制備焊盤； E.將頂層封裝的半導體芯片層疊安裝在頂層封裝基板之上； F.進行頂層封裝的層疊半導體芯片的引線鍵合； G.進行頂層密封封裝； H.在頂層封裝基板下表面的焊盤上植焊球，進行頂層封裝和底層封裝之間的連接； I.進行頂層封裝和底層封裝之間的填充密封劑，并在底部封裝第二表面焊盤上植焊球。
全文摘要
堆疊式半導體芯片封裝結構及工藝，封裝結構包括頂層封裝、底層封裝，所述底層封裝基板上設有凹槽，底層封裝的半導體芯片設置于凹槽中，基板上設有焊盤，底層半導體芯片通過鍵合引線與焊盤相連，頂層封裝由一個或數個半導體芯片層疊封裝在頂層封裝基板的上表面之上，頂層封裝基板的上設有焊盤，通過鍵合引線將半導體芯片與焊盤相連，頂層封裝部分經密封劑密封，頂層封裝和底層封裝之間經焊盤與焊球陣列連接，頂層封裝基板和底層封裝基板之間填充密封劑。封裝結構工藝由頂層封裝步驟、底層封裝步驟、頂層封裝與底層封裝連接步驟完成。本發明的優點是有效的提高封裝密度，工藝流程簡單，基板剛度大，不易產生翹曲，總體厚度薄，可靠性高。
文檔編號H01L25/065GK103219324SQ20121001601
公開日2013年7月24日 申請日期2012年1月18日 優先權日2012年1月18日
發明者劉勝, 陳潤, 陳照輝 申請人:劉勝