本發(fā)明屬于芯片封裝領(lǐng)域，尤其適用于微機(jī)電芯片封裝模塊的三維封裝結(jié)構(gòu)及其封裝方法。

背景技術(shù)：

集成電路（ic）芯片是20世紀(jì)50年代后期至60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型半導(dǎo)體器件。它是經(jīng)過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等半導(dǎo)體制造工藝，把構(gòu)成具有一定功能的電路所需的晶體管、電阻、電容等元件及它們之間的連接導(dǎo)線全部集成在一小塊硅片表面上，然后將硅片表面電路與外部建立電連接并封裝起來(lái)。

集成電路封裝，是把集成電路裝配為芯片最終產(chǎn)品的過(guò)程，就是把foundry生產(chǎn)出來(lái)的集成電路裸片（die）放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來(lái)，然后固定包封成為一個(gè)整體。圖1為一種封裝結(jié)構(gòu)，通過(guò)銅引腳將芯片電路引到外部，銅引腳與芯片表面電路用引線鍵合連接。

微機(jī)電系統(tǒng)（mems,micro-electro-mechanicalsystem），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微機(jī)電、微機(jī)械等，是在微電子技術(shù)（半導(dǎo)體制造技術(shù)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、liga、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件，它是在芯片內(nèi)形成機(jī)械機(jī)構(gòu)、輸出對(duì)外界感應(yīng)信號(hào)的微型傳感器產(chǎn)品，其核心部分即為微機(jī)電（mems）芯片。與集成電路芯片一樣，微機(jī)電（mems）芯片也需要封裝。如圖2所示，為mems壓力傳感器的封裝結(jié)構(gòu)。

微機(jī)電系統(tǒng)(mems)目前正在廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴產(chǎn)品及智能產(chǎn)品等領(lǐng)域。當(dāng)前世界集成電路（ic）技術(shù)發(fā)展最顯著的趨勢(shì)就是以微機(jī)電(mems)應(yīng)用為主題的各種產(chǎn)品即將進(jìn)入成長(zhǎng)爆發(fā)期，各種應(yīng)用方向的市場(chǎng)需求十分強(qiáng)勁。但當(dāng)前國(guó)際上針對(duì)mems傳感芯片與ic芯片集成的方案仍然停留在將mems芯片與ic芯片集成在一個(gè)塑封體內(nèi)，這樣的模塊集成度很低，而且不能將最常用的壓力傳感芯片集成在其中。迄今為止，國(guó)際上未有一家公司推出具有普適性的針對(duì)mems傳感模塊的集成封裝方案，微機(jī)電產(chǎn)品的應(yīng)用因此受限重重而停滯不前。

mems傳感器憑借其體積小、成本低以及可與其他智能芯片集成在一起的巨大優(yōu)勢(shì)，將成為傳感器的主要生產(chǎn)技術(shù)與應(yīng)用形式。消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、醫(yī)療服務(wù)是mems傳感器的主要應(yīng)用市場(chǎng)，今后mems的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅饾u擴(kuò)大，包括正在興起的可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、以及和人們生活息息相關(guān)的智能家居和智能城市都是潛力很大的應(yīng)用領(lǐng)域。而這些新興領(lǐng)域需要的主要核心架構(gòu)是將低功耗mcu、envm、analog&pmic，及無(wú)線與連接芯片加以整合，再連接各種傳感器芯片，因此提供芯片與傳感器集成整合的解決方案與制程實(shí)現(xiàn)將意義重大，發(fā)展空間很大。

從技術(shù)的角度分析，引線鍵合仍然是最通用最經(jīng)濟(jì)的芯片連接方式。雖然圓片級(jí)封裝（wlp）及硅穿孔（tsv）已被考慮引入到mems的封裝中，但是其高昂的成本、較差的集成可行性、較低的良率與可靠性使得其應(yīng)用停滯不前。事實(shí)證明，成熟穩(wěn)健的引線鍵合技術(shù)才是mems傳感集成可行的連接方式。

當(dāng)前國(guó)際上針對(duì)mems傳感芯片與ic芯片集成的方案仍然停留在將mems芯片與ic芯片集成在一個(gè)塑封體內(nèi)，這樣的模塊集成度很低，而且不能將最常用的壓力傳感芯片集成在其中。如圖3、圖4所示的封裝結(jié)構(gòu)為慣性九軸傳感器集成模塊目前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（集成了asic/mcu芯片、陀螺儀芯片、加速度傳感器芯片以及磁傳感器芯片），也是目前國(guó)際上最先進(jìn)的mems集成產(chǎn)品了，采用了芯片三維堆疊的方式，但其集成度仍低且不能集成壓力傳感器。該集成產(chǎn)品模塊的特點(diǎn)是：集成度較低（集成了3個(gè)mems芯片及1個(gè)ic芯片）；不能集成壓力傳感器；只限于慣性傳感應(yīng)用，沒(méi)有普適性；工藝難于實(shí)現(xiàn)，良率較低（小于95%甚至更低）。

目前市場(chǎng)迫切需要推出具有高集成度的mems傳感模塊，也即mems芯片與asic／mcu芯片或其他芯片的高度集成的封裝模塊，需要將多個(gè)集成電路芯片與多個(gè)微機(jī)電芯片混合封裝在一個(gè)模塊中。尤其是物聯(lián)網(wǎng)及可穿戴裝置需要的核心構(gòu)架，即將低功耗的mcu、envm、analog&pm芯片、無(wú)線rf與連接芯片以及各類(lèi)mems傳感器芯片加以整合，開(kāi)發(fā)出集成傳感模塊的新的產(chǎn)品構(gòu)架與集成工藝，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。市場(chǎng)需要的是采用傳統(tǒng)方式的三維封裝就可實(shí)現(xiàn)模塊集成，其成本低但產(chǎn)品附加值極高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種三維封裝模塊及封裝方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中微機(jī)電芯片與集成電路芯片集成度低、工藝難于實(shí)現(xiàn)、良率較低的問(wèn)題。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

一種三維封裝結(jié)構(gòu)，包括下封裝體、金屬層框架和芯片，其特征在于：所述的芯片為集成電路芯片和/或微機(jī)電芯片，金屬層框架與芯片均設(shè)置于下封裝體上方，金屬層框架通過(guò)導(dǎo)電連接材料與下封裝體形成電連接，芯片放置于金屬層框架上表面或者下封裝體的上表面，芯片通過(guò)電連接機(jī)構(gòu)與金屬層框架形成電連接；對(duì)上述技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，所述金屬層框架和/或芯片的全部或部分被塑封膠塑封；對(duì)上述技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，所述的塑封后的塑封體具有中空的型腔結(jié)構(gòu)；對(duì)上述技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，所述的中空的型腔結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有填充膠；對(duì)上述技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，該三維封裝結(jié)構(gòu)包含有置于上方的封合裝置或封合蓋；對(duì)上述技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，所述金屬層框架與下封裝體之間除所述導(dǎo)電連接材料外的縫隙部分被封合材料或者塑封膠填充；對(duì)上述技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，所述的金屬層框架可以通過(guò)預(yù)制成型的方法先得到，金屬層框架也可采用噴涂、濺射、電鍍或化學(xué)鍍的方法直接在下封裝體上方形成；下封裝體與金屬層框架實(shí)現(xiàn)無(wú)縫隙接觸；對(duì)上述技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，所述下封裝體中包含一個(gè)或多個(gè)集成電路芯片和/或微機(jī)電芯片和/或其他元器件。

一種基于權(quán)利要求1所述的三維封裝結(jié)構(gòu)封裝方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1、制作包含金屬層框架的預(yù)塑封體（留有型腔）；

步驟2、將預(yù)塑封體與已封裝好的下封裝體結(jié)合，形成預(yù)塑封體與下封裝體的電連接；

步驟3、在預(yù)塑封體型腔內(nèi)放置微機(jī)電芯片，并形成芯片與金屬層框架的電連接；

步驟4、在預(yù)塑封體型腔內(nèi)設(shè)置填充膠；

步驟5、在預(yù)塑封體型腔上方設(shè)置封合蓋，完成三維封裝。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本方案的封裝結(jié)構(gòu)集成度較高；可以集成壓力傳感器芯片；具有普適性，適用于各類(lèi)微機(jī)電集成封裝；工藝容易實(shí)現(xiàn)，良品率按工藝能力測(cè)算高于99%。

2、本發(fā)明能夠?qū)⒓呻娐沸酒cmems傳感器芯片加以整合，開(kāi)發(fā)出集成傳感模塊的新產(chǎn)品構(gòu)架與集成工藝，極易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

3、本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)新穎、工藝獨(dú)特，采用傳統(tǒng)的引線鍵合方式的三維封裝就可實(shí)現(xiàn)模塊集成，其成本低但產(chǎn)品附加值極高。

4、可以針對(duì)各類(lèi)mems傳感器制造出個(gè)性化的集成產(chǎn)品投放市場(chǎng)，本發(fā)明的產(chǎn)品化應(yīng)用方向能夠集中于如應(yīng)用于智能機(jī)器與可穿戴產(chǎn)品的多軸慣性傳感系統(tǒng)集成產(chǎn)品、應(yīng)用于汽車(chē)的tpms胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感集成產(chǎn)品、應(yīng)用于智能手機(jī)與可穿戴產(chǎn)品的氣壓與高度計(jì)產(chǎn)品及微型血壓計(jì)等方面。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中集成電路的一種封裝結(jié)構(gòu)。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中mems壓力傳感器的典型封裝結(jié)構(gòu)。

圖3為現(xiàn)有技術(shù)中慣性九軸傳感器集成模塊的lga封裝結(jié)構(gòu)。

圖4為現(xiàn)有技術(shù)中慣性九軸傳感器集成模塊的qfn封裝結(jié)構(gòu)。

圖5為本發(fā)明的三維封裝模塊結(jié)構(gòu)。

圖6為具體實(shí)施例一的封裝結(jié)構(gòu)。

圖7為本發(fā)明封裝方法（具體實(shí)施例一為例）的流程圖。

其中，圖中的標(biāo)記如下：1-上部結(jié)構(gòu)；2-下封裝體；3-金屬層框架；4-塑封膠；5-中空型腔；6-芯片（以微機(jī)電芯片為例）；7-填充膠；8-封合裝置或封合蓋；9-導(dǎo)電連接材料；10-封合材料或塑封膠；11-金屬焊料；12-下封裝體芯片；13-下封裝體基板。

具體實(shí)施方式

本方案推出了mems模塊產(chǎn)品的一種集成模式，在一個(gè)模塊中形成上下兩層的各類(lèi)芯片與mems的疊層結(jié)構(gòu)，上層以mems芯片集成為主，下層以ic芯片集成為主，上下兩層之間以金屬焊料連接保證電路信號(hào)連接，工藝方面有創(chuàng)新突破以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的科學(xué)可控。

本發(fā)明中所述的導(dǎo)電連接性材料不限于金屬焊料，無(wú)論用何種方式或材料組合，只要形成上部結(jié)構(gòu)與下封裝體之間至少有一個(gè)電連接，就屬于本發(fā)明權(quán)利保護(hù)的范圍。

本發(fā)明將為物聯(lián)網(wǎng)及可穿戴裝置提供一種新的核心構(gòu)架，即將各類(lèi)mems傳感器芯片與各種集成電路芯片加以整合，開(kāi)發(fā)出集成傳感模塊的新的產(chǎn)品構(gòu)架與集成工藝，極易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)新穎、工藝獨(dú)特，采用傳統(tǒng)的引線鍵合方式的三維封裝就可實(shí)現(xiàn)模塊集成，其成本低但產(chǎn)品附加值極高。本發(fā)明是一種創(chuàng)新型的具有普適性的三維封裝方案，用于集成mems傳感模塊。該方案穩(wěn)妥可行，制程與工藝簡(jiǎn)單可靠，很容易實(shí)現(xiàn)mems傳感模塊集成的產(chǎn)品化?？梢葬槍?duì)各類(lèi)mems傳感器制造出個(gè)性化的集成產(chǎn)品投放市場(chǎng)，目前關(guān)注的本發(fā)明的產(chǎn)品化應(yīng)用方向?qū)⒓杏谌鐟?yīng)用于智能機(jī)器與可穿戴產(chǎn)品的多軸慣性傳感系統(tǒng)集成產(chǎn)品、應(yīng)用于汽車(chē)的tpms胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感集成產(chǎn)品、應(yīng)用于智能手機(jī)與可穿戴產(chǎn)品的氣壓與高度計(jì)產(chǎn)品及微型血壓計(jì)等方面。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖5所示的三維封裝結(jié)構(gòu)，包括上部結(jié)構(gòu)1與下封裝體2，上部結(jié)構(gòu)1包含有金屬層框架3和芯片6（集成電路芯片和/或微機(jī)電芯片），金屬層框架3與芯片6均設(shè)置于下封裝體2上方，金屬層框架3通過(guò)導(dǎo)電連接材料9與下封裝體2形成電連接，芯片6放置于金屬層框架3上表面或者下封裝體2的上表面，芯片6通過(guò)電連接機(jī)構(gòu)與金屬層框架3形成電連接。

金屬層框架3和/或芯片6的全部或部分被塑封膠4塑封。

塑封后的塑封體具有中空的型腔結(jié)構(gòu)5。

中空的型腔結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有填充膠7。

該三維封裝結(jié)構(gòu)包含有置于上方的封合裝置或封合蓋8。

金屬層框架與下封裝體之間除所述導(dǎo)電連接材料9外的縫隙部分被封合材料或者塑封膠10填充。

可以通過(guò)預(yù)制成型的方法先得到所述的金屬層框架，也可以采用噴涂、濺射、電鍍或其他方法直接在下封裝體上方形成與其無(wú)縫隙接觸的所述的金屬層框架。

下封裝體中包含一個(gè)或多個(gè)集成電路芯片和/或微機(jī)電芯片和/或其他元器件12。

具體實(shí)施例一

如圖6所示，三維封裝結(jié)構(gòu)（以微機(jī)電芯片封裝模塊為例）包括下封裝體2、金屬層框架3（通過(guò)預(yù)制成型的方法得到）和兩個(gè)芯片6（微機(jī)電芯片），金屬層框架3與芯片6均設(shè)置于下封裝體2上方，金屬層框架3通過(guò)金屬焊料11與下封裝體2形成電連接，芯片6放置于金屬層框架3上表面，芯片6通過(guò)電連接機(jī)構(gòu)與金屬層框架3形成電連接。金屬層框架3被塑封膠4塑封，塑封后的塑封體具有中空的型腔結(jié)構(gòu)5，該型腔結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有填充膠7，該三維封裝結(jié)構(gòu)包含有置于上方的封合蓋8，金屬層框架與下封裝體之間除所述金屬焊料11外的縫隙部分被封合材料10填充。下封裝體采用lga（landgridarray）的封裝形式，其中包含兩個(gè)集成電路芯片12。

本實(shí)施例僅以?xún)蓚€(gè)集成電路芯片和兩個(gè)微機(jī)電芯片為例進(jìn)行說(shuō)明，但不限于這些芯片，可根據(jù)不同的用戶(hù)需求設(shè)置多個(gè)不同的芯片，而且可配置成不同的組合進(jìn)行設(shè)置。

本方案所述封合裝置不限于圖中所示的蓋板的形式，其他能夠?qū)崿F(xiàn)這種類(lèi)似封合功能的各類(lèi)裝置均包括在內(nèi)。

一種三維封裝結(jié)構(gòu)的封裝方法（以微機(jī)電芯片封裝模塊為例），包括如下步驟（如圖7）：

步驟1、制作包含金屬層框架的預(yù)塑封體（留有型腔）；

步驟2、將預(yù)塑封體與已封裝好的下封裝體結(jié)合，形成預(yù)塑封體與下封裝體的電連接；

步驟3、在預(yù)塑封體型腔內(nèi)放置微機(jī)電芯片；

步驟4、形成芯片與金屬層框架的電連接；

步驟5、在預(yù)塑封體型腔內(nèi)設(shè)置填充膠；

步驟6、在預(yù)塑封體型腔上方設(shè)置封合蓋，完成三維封裝。