專利名稱：基于埋置式基板的三維多芯片封裝模塊及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用埋置式基板實現(xiàn)的三維多芯片封裝的結(jié)構(gòu)及方法，更確切地說，本發(fā)明涉及一種基于H型埋置式基板實現(xiàn)三維封裝的多芯片模塊結(jié)構(gòu)及方法，屬于微電子封裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多芯片組件(MCM)封裝是將多個芯片封裝在一個基板上，完成一定的電路功能。 在多芯片組件XY 二維封裝的基礎(chǔ)上向Z方向發(fā)展出現(xiàn)了三維多芯片組件(3D-MCM)。它是將芯片沿Z軸疊層在一起，更大限度地提高封裝密度，縮小封裝尺寸。三維封裝具有尺寸和體積小、組裝效率更高、延遲進一步縮短、噪聲進一步減小、功耗減小、速度更快以及帶寬加大等優(yōu)點。3D封裝主要有三種類型埋置型、有源基板型和疊層型?；诼裰檬接袡C基板的三維多芯片組件(3D-MCM)疊層封裝是指在有機多層基板內(nèi)埋置R、C等無源元件及IC，然后再將裸芯片或多芯片組件(MCM)在垂直于芯片表面的方向通過堆疊，并利用線焊、垂直通孔互連和倒裝焊等形式形成的多芯片的三維封裝。埋置型3D封裝不僅能使電子設(shè)備性能和功能提高，利于輕薄短小化，而且由于釬焊連接部位減少，可提高可靠性并有效降低封裝成本。3D-MCM技術(shù)是現(xiàn)代微組裝技術(shù)發(fā)展的重要方向，是微電子技術(shù)領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)。由于宇航、衛(wèi)星、計算機及通信等領(lǐng)域?qū)μ岣呓M裝密度、減輕重量、減小體積、高性能和高可靠性等方面的迫切需求，3D-MCM近年來得到迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。伴隨輕薄短小、高性能便攜電子設(shè)備的急速增加，將電子元器件埋置于基板內(nèi)部的所謂后SMT(post-SMT)封裝技術(shù)得到了飛速發(fā)展。埋置式結(jié)構(gòu)可以進一步縮短元件間的布線長度，因此特別適用于高速、高頻IC的封裝。如Xu et.al報道了一種用于無線傳感網(wǎng)的埋置式 3D-MCM 結(jié)構(gòu)(ffarpage Studyof a 3D-MCM on an Embedded Substrate with Multiple Interconnection Method, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2010，Vol. 33，No. 3，pp. 571-581)，該三維結(jié)構(gòu)采用的是下表面有凹陷腔體的基板(形象地稱為Π型基板)。該Π型封裝基板結(jié)構(gòu)適于在其下表面凹陷腔體埋置小尺寸裸芯片(以引線鍵合方式互連)，而在其上表面用倒裝焊方法焊接大尺寸的BGA(球柵陣列)引出方式的封裝芯片。而對于都是引線鍵合互連方式的兩個裸芯片的封裝則不適合。 另外，Π型基板下表面的凹陷腔體的存在會引起基板結(jié)構(gòu)鏡面不對稱，并加劇基板上下層熱脹冷縮失配，從而容易引起基板的翹曲問題。這將對大尺寸芯片熱機械可靠性形成潛在的危害。為了能夠彌補Π型基板上述的不足和缺陷，本發(fā)明提出一種基板的上、下兩個雙表面都有凹陷腔體的H型基板，這種基板適于埋置兩種尺寸相異、均為引線鍵合互連方式的裸芯片。更重要的是，相比于只有一個凹陷腔體的“Π”型封裝基板，H型封裝基板的上下表面都有凹陷腔體，增強了基板的結(jié)構(gòu)鏡面對稱效果，避免了基板翹曲，可提高三維封裝結(jié)構(gòu)可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于埋置式基板的三維多芯片模塊的互連結(jié)構(gòu)和制作方法。本發(fā)明為提供的一種埋置式三維多芯片組件(3D-MCM)封裝模塊。根據(jù)芯片尺寸差異較大的實際情況，提出基于H型埋置式基板的三維封裝結(jié)構(gòu)。采用層壓、開槽等工藝技術(shù)獲得“H”型埋置式高密度多層有機基板；采用“COB (基板直接貼裝)+引線鍵合+埋置” 方法貼裝和互連功能芯片，其中大尺寸的芯片埋置于基板上方(芯片焊盤與基板上表面焊盤通過引線鍵合方式跨接)，小尺寸的芯片深埋置于基板下方(芯片焊盤與溝槽底部焊盤通過引線鍵合方式互連)。分別采用滴封膠(glob-top)或圍壩塑封包封方式保護引線鍵合后芯片。3D-MCM底部采用植球的方式制作周邊式球柵陣列(BGA)作為引腳輸出。利用植球工藝形成與SMT兼容的BGA器件輸出端子。從而形成埋置式三維多芯片模塊。本發(fā)明所提供的基于埋置式基板實現(xiàn)三維立體高密度封裝的多芯片模塊結(jié)構(gòu)，其特征在于①在上、下兩個表面封裝基板具有H型結(jié)構(gòu)，在封裝基板中間形成兩個有電路圖形布線的尺寸不同的凹陷腔體，腔體內(nèi)貼裝尺寸不同的芯片；在與小尺寸腔體同側(cè)的封裝基板表面有周邊式球柵陣列作為引腳輸出，從而形成埋置式三維多芯片封裝模塊 (3D-MCM)；②封裝基板的上、下兩個表面都有凹陷腔體上表面的大尺寸腔體容納大尺寸芯片，相關(guān)的封裝基板電路布線和焊盤在腔體外基板上表面；下表面小尺寸腔體埋置小尺寸芯片，相關(guān)的封裝基板電路布線和焊盤在腔體內(nèi)的底部，把腔體外下表面位置預(yù)留給 3D-MCM的球柵陣列；③大小兩個凹陷腔體是采用多層PCB制作工藝形成；④基板上表面和基板下表面腔體內(nèi)外的電路布線和焊盤，結(jié)合PCB布線形成腔體 3D-MCM芯片之間的互連和通訊。⑤小尺寸芯片的深埋置包封是采用滴封膠(glob-TOP)方法將腔體剛好填滿到基板表面水平；芯片、相關(guān)的基板電路布線和焊盤以及鍵合的引線均在腔體內(nèi)；⑥大尺寸芯片塑封成型包封是采用圍壩包封方法在大芯片、腔體外沿焊盤以及鍵合引線上方涂覆固化一定厚度的方形塑封外形；芯片體貼在腔體內(nèi)，而相關(guān)的基板電路布線和焊盤以及鍵合的引線在腔體外；⑦引腳輸出方式為周邊式球柵陣列；球柵陣列是采用植球的方式制備的。本發(fā)明的具體工藝步驟如下1.采用植球工藝在基板下表面制作周邊式球柵陣列(BGA)a.采用鋼網(wǎng)印刷工藝在BGA焊盤上印刷無鉛焊料焊膏；b.將無鉛焊球放置在印刷好焊膏的BGA焊盤上；c.將植球后的封裝基板進行按照高溫回流曲線進行回流固化。2.采用引線鍵合(Wire bonding)工藝鍵合基板下表面腔體內(nèi)的小尺寸芯片a.完成步驟1后，用低溫固化膠將小尺寸芯片貼裝于腔體內(nèi)，并低溫加熱固化；
b.用引線鍵合工藝將芯片上的焊盤與腔體內(nèi)的電路焊盤進行焊接，實現(xiàn)芯片與基板及其它電路之間的電氣互連；c.用包封膠填充滿腔體，并包封鍵合弓I線，包封鍵合后的芯片，用以保護鍵合后的芯片和引線。3.采用引線鍵合(Wire bonding)工藝鍵合基板上表面腔體內(nèi)的大尺寸芯片a.完成步驟2后，用低溫固化膠將小尺寸芯片貼裝于腔體內(nèi)，并低溫加熱固化；b.用引線鍵合工藝將芯片上的焊盤與腔體內(nèi)的電路焊盤進行焊接，實現(xiàn)芯片與基板及其它電路之間的電氣互連；c.采用圍壩包封方法在大芯片、腔體外沿焊盤以及鍵合引線上方涂覆固化一定厚度的方形塑封外形。經(jīng)過上述工藝完成的多芯片封裝模塊具有以下特征1.封裝基板具有H型結(jié)構(gòu)，封裝基板的上下兩個表面中間形成都有腔體結(jié)構(gòu)。在尺寸不同的凹陷尺寸腔體內(nèi)貼裝芯片并布線，從而形成埋置式三維封裝的互連封裝結(jié)構(gòu)。2.模塊結(jié)構(gòu)內(nèi)多個芯片互連是采用傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)和印刷電路板立體走線相結(jié)合的方法實現(xiàn)的。3.封裝基板上下凹陷腔體是采用多層印刷電路板(PCB)制作工藝形成。4.基板上表面和基板下表面腔體內(nèi)均有電路布線和焊盤，結(jié)合PCB布線形成腔體內(nèi)芯片和其它芯片之間的互連和通訊。5.在封裝基板下表面上制作焊球陣列作為整個封裝結(jié)構(gòu)的輸入I/O引腳。焊球陣列式采用放置錫球并進行回流焊工藝獲得的。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢有以下幾點1.在上下表面均有凹陷腔體的“H”型封裝基板中埋置大尺寸差異的芯片的埋置型3D封裝，利于輕薄短小化，并有效降低封裝成本。相對于只有一個凹陷腔體的“Π”型封裝基板，由于腔體的存在加劇了 PCB的結(jié)構(gòu)鏡面對稱失配程度，容易產(chǎn)生基板翹曲。這對大尺寸芯片可靠性形成了潛在的危害。H型封裝基板的上下表面都有凹陷腔體，增強了基板的結(jié)構(gòu)鏡面對稱效果，避免了基板翹曲，可望提高三維封裝結(jié)構(gòu)可靠性。2.在封裝基板下表面設(shè)計凹陷腔體結(jié)構(gòu)，將芯片放置在腔體中，使芯片深埋置于基板內(nèi)部，便于在腔體外圍以周邊式BGA的形式實現(xiàn)整體封裝結(jié)構(gòu)的I/O引腳，這樣就充分利用了封裝基板的立體空間，從而大大減少了封裝面積，提高了封裝密度。3.在封裝基板上表面設(shè)計與芯片尺寸相當(dāng)?shù)陌枷萸惑w結(jié)構(gòu)，將芯片恰好放置在腔體中，大尺寸芯片表面和封裝基板上表面處在同一平面，從而有效縮短了鍵合引線的長度， 減小了信號延遲。4.采用多層PCB作為封裝基板，提供芯片之間、芯片與I/O之間的電氣連接。通過對PCB工藝的控制，可以方便地得到有電路布線的腔體結(jié)構(gòu)(相比于陶瓷基板工藝)。PCB 制作成本低廉，可批量生產(chǎn)。5.通過回流焊工藝，將焊球固化在基板下表面形成BGA作為I/O引腳，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度的引腳輸出。BGA適用于表面貼裝技術(shù)，具有很好的兼容性。


圖1是本發(fā)明提供的H型埋置式基板的剖視圖。圖2是本發(fā)明提供的H型埋置式基板的俯視圖。圖3是本發(fā)明提供的H型埋置式基板的仰視圖。圖4是采用植球工藝在基板下表面制作周邊式BGA的流程圖；圖中，a.焊盤上印刷無鉛焊料；b.無鉛焊球放置在焊盤上；c.植球后的封裝基板回流固化。圖5是采用引線鍵合工藝鍵合基板下表面腔體內(nèi)小尺寸芯片的流程圖；a.小尺寸芯片固化在基板下表面腔體內(nèi)；b.芯片焊盤和腔體底部焊盤鍵合；c.包封膠充填并包封引線鍵合。圖6是采用引線鍵合工藝鍵合基板上表面腔體內(nèi)大尺寸芯片的流程圖；a.用絕緣膠將大尺寸芯片固化在基板上表面腔體內(nèi)；b.芯片焊盤和腔體外四周邊的焊盤鍵合；C.大尺寸芯片、基板焊盤及引線固化。
具體實施例方式為了能使本發(fā)明的優(yōu)點和效果得到充分體現(xiàn)，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明實質(zhì)性特點和顯著的進步作進一步說明。圖1為H型埋置式基板的剖視圖，多層PCB制成的封裝基板101，上表面中間位置內(nèi)有凹陷腔體102，下表面的中間位置內(nèi)有凹陷腔體103，在剖視圖上封裝基板具有典型的 “H”結(jié)構(gòu)。在圖2中，封裝基板101上表面的中間的凹陷腔體102為大尺寸腔體。腔體尺寸以剛好能容納貼裝大尺寸芯片為宜，腔體的深度與大尺寸芯片的厚度相當(dāng)，這樣能有效地縮短鍵合引線的長度。在凹陷腔體外四周邊緣布置引線鍵合焊盤104，通過PCB內(nèi)部的多層布線實現(xiàn)大尺寸芯片與其它電路的電氣連接。在圖3中，封裝基板101下表面中間位置的凹陷腔體103的尺寸大于小尺寸芯片的尺寸，腔體的深度遠大于小尺寸芯片的厚度，以保證包封芯片的包封膠表面不高出腔體。 腔體內(nèi)中心位置貼裝小尺寸芯片，腔體內(nèi)小尺寸芯片的周圍布置引線鍵合小尺寸芯片的焊盤105，這些焊盤通過PCB內(nèi)部的多層布線實現(xiàn)小尺寸芯片與其它電路的電氣連接。在凹陷腔體外布置有周邊式焊盤陣列106，用于植球以制作BGA引出腳。這些BGA的焊盤通過PCB 內(nèi)部的多層布線實現(xiàn)與大尺寸芯片和小尺寸芯片的電氣互連。圖4是采用植球工藝在基板下表面制作周邊式BGA的流程圖。a)采用鋼網(wǎng)印刷工藝在在BGA焊盤上印刷無鉛焊料焊膏107，如圖4-a ；b)將無鉛焊球108放置在印刷好焊膏的BGA焊盤上，如圖4-b ；c)將植球(錫球)后的封裝基板按照高溫回流曲線進行回流固化 (回流曲線峰值溫度為290°C )，如圖4-c。圖5是采用引線鍵合工藝鍵合基板下表面腔體內(nèi)小尺寸芯片流程圖。a)用低溫固化絕緣膠109把小尺寸芯片201固化在封裝基板下表面腔體內(nèi)相對應(yīng)的標(biāo)記位置上，低溫固化，固化溫度150°C，固化時間60分鐘，如圖5-a ；b)采用引線鍵合工藝鍵合芯片焊盤和腔體底部焊盤，實現(xiàn)芯片與其它電路的電氣連接，如圖5-b ；c)用包封膠110填充基板的腔體，使之充滿整個腔體，并包封鍵合引線，如圖5-c。包封膠固化溫度150°C，固化時間60分鐘。圖6是采用引線鍵合工藝鍵合基板上表面腔體內(nèi)大尺寸芯片流程圖。a)用低溫固化絕緣膠111把大尺寸芯片301固化在封裝基板上表面腔體內(nèi)，低溫固化，固化溫度150°C， 固化時間60分鐘，如圖6-a ；b)采用引線鍵合工藝鍵合芯片焊盤和腔體外四周邊的焊盤， 實現(xiàn)芯片與其它電路的電氣連接，如圖6-b ；c)將封裝基板腔體大尺寸內(nèi)芯片、腔體外四周的基板焊盤以及鍵合引線進行圍壩涂膠成一定厚度的方形，經(jīng)加熱固化塑封成型112，如圖 5-c。包封膠固化溫度150°C，固化時間60分鐘。
權(quán)利要求
1.一種基于埋置式基板的三維多芯片封裝模塊，其特征在于所述的封裝基板具有H型結(jié)構(gòu)，封裝基板的上、下兩個表面的中間各有尺寸大小不同的凹陷腔體，在尺寸大小不同的凹陷腔體內(nèi)貼裝芯片并有電路布線和焊盤，在與小尺寸腔體同側(cè)的封裝基板表面有周邊式球柵陣列作為引腳輸出，從而形成埋置式三維多芯片封裝模塊。
2.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于大尺寸芯片埋置于封裝基板上表面中間的大尺寸凹陷腔體內(nèi)，腔體的深度與大尺寸芯片的厚度相當(dāng)，使大尺寸芯片表面與封裝基板的上表面處在同一平面；小尺寸芯片深埋置于封裝基板下表面中間的小尺寸凹陷腔體內(nèi)，腔體的深度遠大于小尺寸芯片的厚度。
3.按權(quán)利要求2所述的模塊，其特征在于大尺寸凹陷腔體的四周邊緣布置引線鍵合焊盤，通過PCB內(nèi)部的多層布線實現(xiàn)大尺寸芯片與其他電路的電氣連接；小尺寸芯片的周圍布置引線鍵合小尺寸芯片的焊盤，焊盤通過PCB內(nèi)部的多層布線實現(xiàn)小尺寸芯片與其他電路的電氣連接。
4.按權(quán)利要求2所述的模塊，其特征在于①小尺寸芯片的深埋置包封是采用滴封膠方法將腔體剛好填滿到基本表面水平；芯片、相關(guān)的基板電路布線和焊盤以及鍵合的引線均在腔體內(nèi)；②大尺寸芯片塑封成型包封是采用圍壩包封方法在大芯片、腔體外沿焊盤以及鍵合引線上方涂覆固化一定厚度的方形塑封外形；芯片體貼在腔體內(nèi)，而相關(guān)的基板電路布線和焊盤以及鍵合的弓I線在腔體外。
5.按權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于在小尺寸凹陷腔體外布置周邊式陣列焊盤陣列，用于植球制作BGA引出腳，周邊式陣列焊盤通過PCB內(nèi)部的多層布線實現(xiàn)大尺寸芯片和小尺寸芯片的電氣互連。
6.制備如權(quán)利要求1-5中任一項所述的模塊的方法，其特征在于采用層壓、開槽工藝獲得H型埋置式多層有機封裝板；采用基板直接貼裝、引線鍵合和埋置的方法貼裝和互連， 利用植球工藝形成與SMT兼容的BGA器件輸出端子，從而形成埋置式三維多芯片模塊，具體步驟是.1.采用植球工藝在基板下表面制作周邊式球柵陣列a.采用鋼網(wǎng)印刷工藝在BGA焊盤上印刷無鉛焊料焊膏，b.將無鉛焊球放置在印刷好焊膏的BGA焊盤上，c.將植球后的封裝基板進行按照高溫回流曲線進行回流固化；.2.采用引線鍵合工藝鍵合基板下表面腔體內(nèi)的小尺寸芯片a.完成步驟1后，用低溫固化膠將小尺寸芯片貼裝于腔體內(nèi)，并低溫加熱固化，b.用引線鍵合工藝將芯片上的焊盤與腔體內(nèi)的電路焊盤進行焊接，實現(xiàn)芯片與基板及其它電路之間的電氣互連，c.用包封膠填充滿腔體，并包封鍵合弓I線，包封鍵合后的芯片，用以保護鍵合后的芯片和引線；.3.采用引線鍵合(Wirebonding)工藝鍵合基板上表面腔體內(nèi)的大尺寸芯片a.完成步驟2后，用低溫固化膠將小尺寸芯片貼裝于腔體內(nèi)，并低溫加熱固化，b.用引線鍵合工藝將芯片上的焊盤與腔體內(nèi)的電路焊盤進行焊接，實現(xiàn)芯片與基板及其它電路之間的電氣互連，c.采用圍壩包封方法在大芯片、腔體外沿焊盤以及鍵合引線上方圍壩涂覆固化一定厚度的方形塑封外形。
7.按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于a)步驟1中c所述的回流固化溫度為290°C，b)步驟2中a所述的低溫加熱固化溫度為150°C，固化時間為60分鐘；c)步驟2中c所述的包封引線鍵合的包封膠的固化溫度為150°C，固化時間為60分鐘；d)步驟3中c的鍵合的包封膠固化溫度為150°C，固化時間為60分鐘。
8.按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于通過步驟1的回流工藝，將焊球固化在封裝基板的下表面形成BGA作為I/O引腳。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于埋置式基板實現(xiàn)三維立體高密度封裝的多芯片模塊結(jié)構(gòu)(3D-MCM)。在基板上下表面均有凹陷腔體結(jié)構(gòu)。在這些尺寸不同的腔體結(jié)構(gòu)中放置尺寸差異較大的不同種芯片并布線，從而形成埋置式三維封裝結(jié)構(gòu)。多個芯片的互連采用了傳統(tǒng)的引線鍵合方式。芯片保護方式采用了滴封膠(Glob-top)和圍壩包封成型兩種包封工藝。引腳輸出形式采用周邊式球柵陣列(BGA)方式。凹陷腔體結(jié)構(gòu)減少了封裝面積，提高了封裝密度，并有效縮短了鍵合引線的長度，減小了信號延遲。整個工藝過程與表面組裝工藝相兼容，具有工藝簡單成本低的特點?；迳舷卤砻娴陌枷萸惑w減小了基板翹曲，可提高三維封裝結(jié)構(gòu)可靠性。
文檔編號H01L21/56GK102163590SQ201110056398
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者徐高衛(wèi), 羅樂 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所