三維集成高密度厚薄膜多晶片組件的集成方法
2023-10-07 04:29:29
專利名稱：三維集成高密度厚薄膜多晶片組件的集成方法
技術領域：
本發明涉及多晶片組件(簡稱MCM)，具體而言，涉及陶瓷厚薄膜多晶片組件(簡稱MCM-C/D )，進一步來說，涉及三維集成高密度陶瓷厚薄膜多晶片組件(簡稱3D-MCM-C/D )。
背景技術：
原有多晶片組件的集成技術中，在多層陶瓷厚膜基片(簡稱LTCC)表面採用二維平面集成技術(簡稱2D集成技術)，將半導體晶片、其他片式元器件直接裝貼在多層陶瓷基片表面上，或採用三維平面垂直集成技術(簡稱3D集成技術)，在2D集成技術的基礎上，將2個以上的晶片按一定的順序和粘片工藝水平垂直堆疊，再採用鍵合絲(金絲或矽鋁絲)進行引線鍵合，完成整個電氣連接，最後在特定的氣氛中將管基和管帽進行密封而成。原有技術存在的主要問題是①對於二維平面集成技術，半導體晶片、其他片式元器件以最大面方向貼裝到陶瓷基片上，晶片與基片的引線鍵合從一個焊點到另一個焊點之間需要一定的跨度，再加上基片上還需要根據具體電路的要求製作必要的薄膜電阻、薄膜電容、或薄膜電感等，因此，基片表面的晶片貼裝數量有限，晶片集成效率受基片面積的影響，晶片集成度難以提高；②對於三維水平垂直集成技術，受半導體晶片面積的限制，水平堆疊的晶片數量不可能太多，一般在5層以內，且各層晶片與多層陶瓷基片表面的鍵合區進行鍵合時，一方面需要更多的鍵合區，另一方面每一層晶片表面焊點與多層陶瓷基片表面鍵合區的焊點之間進行內引線鍵合時，需要一定的跨度，其跨度從底晶片到頂層晶片逐步加大，因而，要佔用較大的基片面積，從而限制集成度的進一步提升；③由於表面採用厚膜絲網印刷，阻帶、導帶間的間距較大，通常大於100微米，造成集成密度難以進上步提升。經檢索，涉及多晶片組件的專利申請件有20件，但沒有涉及三維集成的多晶片組件申請件、更沒有涉及三維集成高 密度的厚薄膜多晶片組件的申請件。
發明內容
本發明的目的是提供三維集成高密度多晶片組件的集成方法，採用三維豎向垂直集成技術，將半導體晶片、其他片式元器件的最大面與多層陶瓷基片表面進行垂直集成，從而增加多層陶瓷基片表面單位面積上可集成的晶片數、其他片式元器件數量，同時，在LTCC表面採取薄膜混合集成的方式，達到提升陶瓷厚薄膜多晶片組件集成密度的目的。為實現上述目的，發明人提供的三維集成高密度厚薄膜多晶片組件集成方法是先按多層陶瓷厚膜基片常規工藝製作所需多層陶瓷厚膜基片，將所有對外進行電氣連接的引腳製作在小多層陶瓷基片的同一端的端面或者兩面；接著陶瓷厚膜基片(即LTCC基片)表面進行化學機械拋光(簡稱CMP)處理，減小LTCC表面粗糙度到O.1微米以內，在其表面採取高真空濺射或蒸發的方式，成型所需的薄膜導帶-阻帶網絡；然後在每根引腳的鍵合區和底座多層陶瓷基片表面相應的鍵合區形成金球；再採用薄膜混合集成的方式進行半導體晶片或片式元器件的集成，在小多層陶瓷基片的正反面集成一個以上半導體晶片或片式元器件，並完成半導體晶片的引線鍵合；最後，採用共晶焊接、合金焊或漿料粘接的方式將集成後的小多層陶瓷基片垂直集成在底座多層陶瓷基片上。上述多層陶瓷基片由多層陶瓷燒結而成，在每一層中均含有金屬化通孔、導帶，內層有厚膜阻帶，表層含有薄膜導帶、薄膜鍵合區、經雷射調阻後的薄膜阻帶。上述金球是採用金絲球鍵合的方法或絲網印刷後再流焊的方法形成的。上述多層厚膜陶瓷基片的粗糙度是通過化學機械拋光的方法進行處理的。上述薄膜混合集成方式的薄膜是通過對陶瓷厚膜基片表面進行化學機械拋光後，在其表面採取高真空濺射或蒸發的方式，再經過薄膜光刻的方式形成的。上述薄膜導帶-阻帶網絡，是通過薄膜光刻、選擇性腐蝕的方式形成的。發明人指出同時在多層陶瓷基片的兩面引出引線，適用於對外進行電氣連接的引腳過多的情況。發明人指出上述片式元器件是不包括半導體晶片的其它片式元器件。本發明有以下特點①採用三維豎向垂直集成，可將一個以上半導體晶片或其他片式元器件垂直集成在同一底座多層陶瓷基片上，實現高密度三維集成，大大提高多晶片組件的集成度在陶瓷基片採取薄膜混合集成技術，進一步提高集成度；③由於可集成更多的半導體晶片、其他片式元器件，從而可集成更多的功能，達到子系統或系統集成(簡稱SiP，即系統級封裝)可大大減少整機應用系統使用電子元器件的數量，從而大大減小整機的體積，提高應用系統的可靠性由於採用高密度集成，大大縮短引線長度，可進一步提高多晶片組件的工作頻率和可靠性；⑥與原有技術相組合，結合晶片的面積大小、發熱情況，可實現靈活的集成方式，發熱量較大的晶片採用水平垂直集成，便於散熱，發熱量不大的晶片採用豎向垂直集成，便於提升集成度。本發明廣泛應用於航天、航空、船舶、精密儀器、通訊、工業控制等領域，特別適用於裝備系統小型化、高可靠的領域，具有廣闊的市場前景和應用空間。
圖1為發明前的一種集成技術示意圖，圖2為發明前的另一種集成技術示意圖，圖3為本發明的三維豎向垂直集成的多層陶瓷基片的方法示意圖。圖中，I為管殼底座，2為管腳，3為多層陶瓷基片，4為片式元器件，5為半導體晶片I，6為半導體晶片Π，7為阻帶，8為導帶/鍵合區，9為用三維平面方式垂直貼裝的晶片，10為小多層陶瓷基片，11為內引線，12為金球，13為半導體晶片III。多層陶瓷基片中的虛線表示基片為多層，至少二層。
具體實施例方式實施例貴州振華風光半導體有限公司按照本發明方法生產三維豎向垂直集成的多層陶瓷基片，其結構如圖3所示，具體的生產流程為( I)生瓷帶製備配製玻璃陶瓷漿料，將玻璃陶瓷漿料在流延機上沿襯底薄膜流延成薄片，製成生瓷帶，經烘乾、卷帶，備用；(2)裁片根據產品基片的具體尺寸按要求進行裁片；(3)衝孔各層間通過通孔及導帶進行互連。採用機械衝孔方式，製成LTCC各層的互聯通路；(4)填孔及導帶印刷在LTCC陶瓷片上通過絲網印刷的方法，將金屬漿料填充到過孔內，按規定圖形印刷出導帶圖形；(5)阻帶印刷在LTCC陶瓷片上通過絲網印刷的方法，將電阻漿料按規定圖形印刷出阻帶圖形；(6)疊片將各層陶瓷片按照設計順序進行精確疊放。為使得陶瓷片相互緊密粘連，需把流延時預置的襯底薄膜揭除；(7)等靜壓將已經精確疊放的多層陶瓷在機械高壓下進行貼合，實現緊密接觸；(8)切割將靜壓之後的陶瓷片，按照模塊邊界進行切割分離；(9)燒結陶瓷片切割分離後，在燒結爐中進行排膠和燒結，使瓷材硬化結構穩定;(10)表面化學機械拋光，表面 粗糙度控制在O.1微米以內；(11)在磁控濺射臺或電子束蒸發臺中分別濺射鉻-矽電阻、鎳-鉻電阻薄膜、金薄膜；(12)採用光刻、選擇性腐蝕的方式，完成導帶、阻帶薄膜網絡的製作；( 13)使用雷射調阻機對不符合規格的阻帶進行雷射修調，使電阻阻值符合產品設計要求；(14)檢測對調阻後的多層陶瓷基片(包括粘貼在底座的底座多層陶瓷基片、用於三維豎向垂直集成的多層陶瓷基片)進行外觀檢驗和電氣測試；(15)在底座多層陶瓷基片表面豎向垂直集成鍵合區域上，採用金絲球焊機進行金球製作；(16)在豎向多層陶瓷基片端面鍵合區域上，採用金絲球焊機進行金球製作；(17)按常規薄膜混合集成電路組裝工藝，在三維豎向垂直集成的多層陶瓷基片上進行半導體晶片、其他貼片元器件的組裝；(18)在專用夾具上對已組裝半導體晶片或其他貼片元器件的三維豎向垂直集成多層陶瓷基片進行內引線鍵合(金絲或矽鋁絲);(19)將底座多層陶瓷基片採用合金焊接的方式裝貼在管基上，按常規薄膜混合集成電路組裝工藝，進行半導體晶片、其他貼片元器件的組裝，在專用夾具上對已組裝半導體晶片或其他貼片元器件的底座陶瓷基片進行內引線鍵合(金絲或矽鋁絲);(20)採用漿料粘貼的方式，將已完成鍵合的三維豎向垂直集成多層陶瓷基片垂直裝貼在底座多層陶瓷基片相應的區域上；(21)在高純氮的保護下、在180°C左右的高溫箱中進行2小時左右的高溫燒結，將三維豎向垂直集成多層陶瓷基片與底座多層陶瓷基片有機地燒結在一起；(22)對功能及外觀按產品要求進行檢驗；(23)在高純氮的保護下、在150°C左右的爐子中進行8小時以上的高溫烘烤，將水汽徹底烘乾；(24)封帽在特定的環境中進行封帽，完成整個器件的集成與生產工作；(25)按產品工藝文件與檢驗文件，完成器件的測試、篩選、列印與包裝入庫工作。
權利要求
1.三維集成高密度多晶片組件的集成方法，其特徵是先按多層陶瓷厚膜基片常規工藝製作所需多層陶瓷厚膜基片，將所有對外進行電氣連接的引腳製作在小多層陶瓷基片的同一端的端面或者兩面；接著陶瓷厚膜基片表面進行化學機械拋光處理，減小LTCC表面粗糙度到0.1微米以內，在其表面採取高真空濺射或蒸發的方式，成型所需的薄膜導帶-阻帶網絡；然後在每根引腳的鍵合區和底座多層陶瓷基片表面相應的鍵合區形成金球；再採用薄膜混合集成的方式進行半導體晶片或片式元器件的集成，在小多層陶瓷基片的正反面集成一個以上半導體晶片或片式元器件，並完成半導體晶片的引線鍵合；最後，採用共晶焊接、合金焊或漿料粘接的方式將集成後的小多層陶瓷基片垂直集成在底座多層陶瓷基片上。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述多層陶瓷基片由多層陶瓷燒結而成，在每一層中均含有金屬化通孔、導帶，內層有厚膜阻帶，表層含有薄膜導帶、薄膜鍵合區、經雷射調阻後的薄膜阻帶。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述金球是採用金絲球鍵合的方法或絲網印刷後再流焊的方法形成的。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述多層厚膜陶瓷基片的粗糙度是通過化學機械拋光的方法進行處理的。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述薄膜混合集成方式的薄膜是通過對陶瓷厚膜基片表面進行化學機械拋光後，在其表面採取高真空濺射或蒸發的方式，再經過薄膜光刻的方式形成的。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述薄膜導帶-阻帶網絡，是通過薄膜光刻、選擇性腐蝕的方式形成的。
全文摘要
本發明公開了三維集成高密度厚薄膜多晶片組件的集成方法，方法是先用薄膜混合集成方式，在另一小多層陶瓷基片的正反面集成一個以上半導體晶片或片式元器件，並完成半導體晶片的引線鍵合；之後將所有對外進行電氣連接的引腳從多層陶瓷基片的一個端面或兩面引出；接著在每根引線的鍵合區及底座多層陶瓷基片表面相應的鍵合區採用金絲球鍵合或印刷漿料再流焊的方法形成金球；最後，用共晶焊接、合金焊或漿料粘接方式將集小多層陶瓷基片垂直集成在底座多層陶瓷基片上。本發明採用三維豎向垂直集成，可將一個以上半導體晶片或其他片式元器件垂直集成在同一底座多層陶瓷基片上，實現高密度三維集成，提高多晶片組件的集成度和提高應用系統的可靠性。
文檔編號H01L21/50GK103050414SQ20121049283
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者楊成剛, 蘇貴東 申請人:貴州振華風光半導體有限公司