專利名稱：堆疊式半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體封裝技術(shù)，特別涉及一種堆疊式半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
由于人們對(duì)于電子產(chǎn)品小型化、輕型化的需求日益迫切，三維封裝順應(yīng)了這種潮流，三維電子封裝技術(shù)在最近取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。封裝層疊(package on package)技術(shù)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(chǔ)芯片整合到一個(gè)封裝體中，并且根據(jù)需要可以靈活的控制存儲(chǔ)器容量，因此，目前在手機(jī)等電子產(chǎn)品中得到了廣泛 的應(yīng)用。傳統(tǒng)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(chǎn)生翹曲，造成了底層和頂層封裝體之間互連困難，容易在結(jié)合焊球中產(chǎn)生疲勞，裂紋等，導(dǎo)致產(chǎn)品的可靠性降低。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)已有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種堆疊式半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型包括頂層封裝、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(shè)有一個(gè)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(nèi)的表面為第三表面，底層封裝的半導(dǎo)體芯片設(shè)置于凹槽中，第一、第二、第三表面上均設(shè)有焊盤，底層半導(dǎo)體芯片通過(guò)鍵合引線與第三表面上的焊盤相連，頂層封裝由一個(gè)或數(shù)個(gè)半導(dǎo)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(shè)有焊盤，頂層封裝內(nèi)的半導(dǎo)體芯片通過(guò)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(jīng)密封劑密封，頂層封裝和底層封裝之間通過(guò)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(jiàn)圖2。本實(shí)用新型在底層封裝基板上設(shè)置有凹槽，底層封裝芯片固定在凹槽底部，因此不會(huì)造成封裝體整體厚度增大。因此本封裝結(jié)構(gòu)具有厚度薄，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，如圖I所示。底層封裝采用的封裝基板較常規(guī)的封裝基板厚度大一些，因此基板的剛度會(huì)更大，不易產(chǎn)生翹曲。圖I為傳統(tǒng)的PoP封裝橫截面示意圖，對(duì)比圖I可以發(fā)現(xiàn)，二者的根本差別在于本實(shí)用新型專利在底層封裝的基板上設(shè)置有凹槽。傳統(tǒng)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(tǒng)PoP封裝底層封裝的整體厚度t2并不比本實(shí)施例提供的底層封裝的厚度tl薄。并且由于傳統(tǒng)封裝底層封裝基板薄，在封裝工藝流程中更容易產(chǎn)生翹曲，造成頂部封裝體和底部封裝體之間結(jié)合困難，這勢(shì)必會(huì)在焊球中產(chǎn)生疲勞失效、斷裂等問(wèn)題，降低了封裝產(chǎn)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(dǎo)體芯片由貼片膠粘接在凹槽底部，或者用倒裝焊技術(shù)焊接在凹槽底部，半導(dǎo)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(nèi)設(shè)有連接用的電路。底層封裝基板的第二表面上設(shè)置有焊球陣列，焊球陣列為絲網(wǎng)印刷或電鍍或蒸鍍的方式涂布焊料，回流產(chǎn)生焊球陣列，其材料為SnAg、Sn、SnAgCu、PbSn0所述頂層封裝的半導(dǎo)體芯片呈層狀堆疊結(jié)構(gòu)，頂層封裝的半導(dǎo)體芯片及鍵合引線采用密封劑密封，密封劑為環(huán)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(guò)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(guò)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。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是有效的提高封裝密度，工藝流程簡(jiǎn)單，基板剛度大，不易產(chǎn)生翹曲，總體厚度薄，可靠性高。

圖I傳統(tǒng)的PoP封裝結(jié)構(gòu)剖視圖；圖2本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本實(shí)用新型底層封裝基板的剖視圖；圖4底層封裝基板通過(guò)貼片膠固定半導(dǎo)體芯片的剖視圖；圖5底層半導(dǎo)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(dǎo)體芯片的剖視圖；圖8通過(guò)貼片膠固定二層半導(dǎo)體芯片的剖視圖；圖9通過(guò)貼片膠固定三層半導(dǎo)體芯片的剖視圖；圖10頂層半導(dǎo)體芯片鍵合引線的示意圖；圖11采用密封劑將頂層半導(dǎo)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；圖15在底部封裝第二表面焊盤上植焊球的示意圖；圖16實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；圖17實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖；圖18實(shí)施例四的結(jié)構(gòu)示意圖；圖19實(shí)施例五的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1貼片膠、2半導(dǎo)體芯片、3貼片膠、3a間隔層、4半導(dǎo)體芯片、5貼片膠、5a間隔層、6半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施例。實(shí)施例一圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)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(shè)置有一個(gè)倒梯形凹槽，半導(dǎo)體芯片21通過(guò)貼片膠20固定在凹槽底部。頂部封裝包括至少一個(gè)半導(dǎo)體芯片，圖2中頂部封裝包括了三個(gè)半導(dǎo)體芯片，三個(gè)半導(dǎo)體芯片通過(guò)貼片膠和間隔層呈層狀堆疊放置，間隔層為焊線預(yù)留空間。半導(dǎo)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(jīng)鍵合引線連接實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體芯片以及引線。頂層封裝和底層封裝的電互連通過(guò)焊球陣列15實(shí)現(xiàn)。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(guò)密封劑14實(shí)現(xiàn)密封。底層封裝的基板16的第二表面布置焊球陣列以實(shí)現(xiàn)封裝體與外部的電互連。本實(shí)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(nèi)的表面為第三表面，凹槽位置設(shè)置在基板第一表面，該凹槽設(shè)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(gè)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(nèi)部包括內(nèi)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(dǎo)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(guò)貼片膠20固定半導(dǎo)體芯片21，貼片膠20采用有機(jī)高分子銀膠或無(wú)機(jī)高分子銀膠，先將貼片膠涂布在凹槽底部，然后安裝半導(dǎo)體芯片21，固化，冷卻后就可以將半導(dǎo)體芯片21固定在粘合層上方，如圖4所示。通過(guò)鍵合引線23互連半導(dǎo)體芯片焊盤22與凹槽底部焊盤19，凹槽底部焊盤19通過(guò)底層封裝基板16內(nèi)部電路與底層封裝基板16的第二表面焊盤17相連，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)部設(shè)置有內(nèi)電路，基板可以采用PCB板或FR4板或BT板，如圖6所示。步驟E[0042]將頂層封裝的半導(dǎo)體芯片層疊安裝在頂層封裝基板之上；本實(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)高分子銀膠或者無(wú)機(jī)高分子銀膠，如圖7所示。通過(guò)貼片膠3和間隔層3a將半導(dǎo)體芯片4固定在半導(dǎo)體芯片2的上表面，貼片膠3涂布在半導(dǎo)體芯片2上表面，間隔層為焊線預(yù)留空間，如圖8所示。通過(guò)貼片膠5和間隔層5a將半導(dǎo)體芯片6固定在半導(dǎo)體芯片4的上表面，貼片膠5面積略小于半導(dǎo)體芯片4上表面以暴露出半導(dǎo)體芯片4上表面焊盤，間隔層為半導(dǎo)體芯片4焊線預(yù)留空間，如圖9所示。頂部封裝半導(dǎo)體芯片采用存儲(chǔ)器芯片，并且根據(jù)需要選擇堆疊的層數(shù)。步驟F進(jìn)行頂層封裝的層疊半導(dǎo)體芯片的引線鍵合；通過(guò)鍵合引線8將半導(dǎo)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(guò)鍵合引線9將半導(dǎo)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(guò)鍵合引線10將半導(dǎo)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(jìn)行頂層密封封裝；通過(guò)密封劑24將頂層封裝鍵合引線8、9、10以及半導(dǎo)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(huán)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(jìn)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(wǎng)印刷技術(shù)、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(shí)現(xiàn)頂層封裝和底層封裝之間的電互連，如圖13所示。步驟I進(jìn)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(huán)氧模塑料，采用注塑的方式填充，用以保護(hù)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(guò)絲網(wǎng)印刷工藝或蒸鍍或者電鍍的方式實(shí)現(xiàn)?；亓骱笮纬珊盖?。焊料采用SnAg、Sn、SnAgCu或PbSn焊料,如圖15所示。實(shí)施例二實(shí)施例二與實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)芯片30與基板16之間電信號(hào)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(shí)施例三實(shí)施例三與實(shí)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(shí)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(guò)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(hù)焊球15和半導(dǎo)體芯片21，如圖17所示。實(shí)施例四實(shí)施例四與實(shí)施例一相同，所不同的是上頂層封裝基板12制作完畢，進(jìn)行后續(xù)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(shí)，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(shí)施例五實(shí)施例五與實(shí)施例一相同，所不同的是半導(dǎo)體芯片2為倒裝結(jié)構(gòu)，先在半導(dǎo)體芯片2的有源層表面焊盤35上制作焊料凸點(diǎn)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(diǎn)37焊接在頂層封裝基板上表面的焊盤38上，凸點(diǎn)37的材料可以為金凸點(diǎn)或Sn、SnAg、SnAgCu或PbSn焊料凸點(diǎn)。之后，再在半導(dǎo)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
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權(quán)利要求1.一種堆疊式半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)，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(shè)有一個(gè)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(nèi)的表面為第三表面，底層封裝的半導(dǎo)體芯片設(shè)置于凹槽中，第一、第二、第三表面上均設(shè)有焊盤，底層半導(dǎo)體芯片通過(guò)鍵合引線與第三表面上的焊盤相連，頂層封裝由一個(gè)或數(shù)個(gè)半導(dǎo)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(shè)有焊盤，頂層封裝內(nèi)的半導(dǎo)體芯片通過(guò)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(jīng)密封劑密封，頂層封裝和底層封裝之間通過(guò)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(jù)權(quán)利要求I所述的堆疊式半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體芯片由貼片膠粘接在凹槽底部，或者用倒裝焊技術(shù)焊接在凹槽底部，半導(dǎo)體芯片與凹槽底部通過(guò)焊球連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的堆疊式半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述頂層封裝的半導(dǎo)體芯片呈層狀堆疊結(jié)構(gòu)，頂層封裝第一半導(dǎo)體芯片與基板互連，頂層封裝的半導(dǎo)體芯片及鍵合引線采用環(huán)氧模塑料密封劑密封，頂層封裝基板的上表面被密封劑封裝。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的堆疊式半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述底層封裝基板和頂層封裝基板內(nèi)設(shè)有連接用的電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的堆疊式半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述底層封裝基板的第二表面上設(shè)置有焊球陣列，焊球陣列為絲網(wǎng)印刷或電鍍或蒸鍍的方式涂布焊料，通過(guò)回流產(chǎn)生焊球陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的堆疊式半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)，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(guò)回流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，通過(guò)回流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。
專利摘要堆疊式半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)，封裝結(jié)構(gòu)包括頂層封裝、底層封裝，所述底層封裝基板上設(shè)有凹槽，底層封裝的半導(dǎo)體芯片設(shè)置于凹槽中，基板上設(shè)有焊盤，底層半導(dǎo)體芯片通過(guò)鍵合引線與焊盤相連，頂層封裝由一個(gè)或數(shù)個(gè)半導(dǎo)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(shè)有焊盤，通過(guò)鍵合引線將半導(dǎo)體芯片與焊盤相連，頂層封裝部分經(jīng)密封劑密封，頂層封裝和底層封裝之間經(jīng)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。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是有效的提高封裝密度，工藝流程簡(jiǎn)單，基板剛度大，不易產(chǎn)生翹曲，總體厚度薄，可靠性高。
文檔編號(hào)H01L23/31GK202434509SQ20122002404
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者劉勝, 陳潤(rùn), 陳照輝 申請(qǐng)人:劉勝