堆疊式半導體晶片封裝結構的製作方法
2023-10-20 15:25:52 5
專利名稱：堆疊式半導體晶片封裝結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種半導體封裝技術，特別涉及一種堆疊式半導體晶片封裝結構。
背景技術：
由於人們對於電子產品小型化、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，它可以將邏輯晶片及存儲晶片整合到一個封裝體中，並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封裝採用的封裝基板較薄，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。
發明內容本實用新型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晶片封裝結構。本實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，其特徵在於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，底層封裝的半導體晶片設置於凹槽中，第一、第二、第三表面上均設有焊盤，底層半導體晶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晶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晶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。本實用新型在底層封裝基板上設置有凹槽，底層封裝晶片固定在凹槽底部，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I所示。底層封裝採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I為傳統的PoP封裝橫截面示意圖，對比圖I可以發現，二者的根本差別在於本實用新型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，但是底層封裝晶片直接粘合在底層封裝基板的上表面上，這造成傳統PoP封裝底層封裝的整體厚度t2並不比本實施例提供的底層封裝的厚度tl薄。並且由於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，底層封裝的半導體晶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，半導體晶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塗布焊料，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晶片呈層狀堆疊結構，頂層封裝的半導體晶片及鍵合引線採用密封劑密封，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後沉積焊料層，在底層封裝基板的第一表面焊盤上電鍍銅柱後沉積焊料層，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。本實用新型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I傳統的PoP封裝結構剖視圖；圖2本實用新型的結構示意圖；圖3本實用新型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晶片的剖視圖；圖5底層半導體晶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晶片的剖視圖；圖8通過貼片膠固定二層半導體晶片的剖視圖；圖9通過貼片膠固定三層半導體晶片的剖視圖；圖10頂層半導體晶片鍵合引線的示意圖；圖11採用密封劑將頂層半導體晶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半導體晶片、3貼片膠、3a間隔層、4半導體晶片、5貼片膠、5a間隔層、6半導體晶片、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半導體晶片、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半導體晶片、31底層封裝基板第三表面焊盤、32銅柱、33焊料層、34銅柱、35晶片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。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本實用新型的實施例。實施例一圖2為本實用新型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，半導體晶片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晶片，圖2中頂部封裝包括了三個半導體晶片，三個半導體晶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。半導體晶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晶片以及引線。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製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製備焊盤；底層封裝基板16的第一表面上製備焊盤27，第二表面上製備焊盤17，第三表面製備焊盤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晶片安裝在凹槽中並完成引線鍵合；底層封裝基板16的凹槽底部通過貼片膠20固定半導體晶片21，貼片膠20採用有機高分子銀膠或無機高分子銀膠，先將貼片膠塗布在凹槽底部，然後安裝半導體晶片21，固化，冷卻後就可以將半導體晶片21固定在粘合層上方，如圖4所示。通過鍵合引線23互連半導體晶片焊盤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，實現半導體晶片21與外部電路的連接。鍵合引線可以採用金線、銅線或者鋁線，鍵合工藝可以採用熱超聲鍵合或者熱壓鍵合，如圖5所示。底層封裝採用的半導體晶片包括邏輯晶片。步驟D在頂層封裝基板的上下表面上製備焊盤；在頂部封裝基板12的上表面製備焊盤11，在頂部封裝基板12的下表面製備焊盤13，基板內部設置有內電路，基板可以採用PCB板或FR4板或BT板，如圖6所示。步驟E[0042]將頂層封裝的半導體晶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晶片2，先在頂部封裝基板12上表面塗布貼片膠1，放置半導體晶片2後，回流，然後冷卻至室溫即可固定好晶片2，貼片膠I採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將半導體晶片4固定在半導體晶片2的上表面，貼片膠3塗布在半導體晶片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將半導體晶片6固定在半導體晶片4的上表面，貼片膠5面積略小於半導體晶片4上表面以暴露出半導體晶片4上表面焊盤，間隔層為半導體晶片4焊線預留空間，如圖9所示。頂部封裝半導體晶片採用存儲器晶片，並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晶片的引線鍵合；通過鍵合引線8將半導體晶片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將半導體晶片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將半導體晶片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。焊線採用金線、銅線或者鋁線，鍵合方式採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以及半導體晶片
2、4、6密封封裝，密封劑位於頂層封裝基板12上表面上方，密封劑採用塑封工藝密封，密封劑可以採用環氧模塑料，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，焊料可以採用絲網印刷技術、電鍍或者蒸鍍的方式塗布，回流後形成焊球陣列15,焊料可以採用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，並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採用環氧模塑料，採用注塑的方式填充，用以保護焊球陣列15以及底層封裝晶片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，先將焊料塗布在焊盤上方，通過絲網印刷工藝或蒸鍍或者電鍍的方式實現。回流後形成焊球。焊料採用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晶片30有源面朝下，在有源面上製作焊球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，實現晶片30與基板16之間電信號的傳遞。在焊球陣列28與焊盤31焊接完成後，在晶片30的底部填充底部填充料，底部填充料採用由熱固性聚合物以及二氧化矽的填料組成，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製作完畢之後，再在頂層封裝基板12的下表面焊盤13上製作焊球，同時在底層封裝第一表面焊盤27上製作焊球。完成焊球的製作工藝之後，採用焊接工藝，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。之後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和半導體晶片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製作完畢，進行後續封裝工藝之前，在基板11的下表面焊盤13上電鍍一銅柱32，之後再沉積一層焊料層。同時，底層封裝基板16製作完畢以後，在底層封裝基板16第一表面焊盤27上電鍍一銅柱34，之
後沉積焊料層，焊料層的材料可以為Sn、SnAg、SnAgCu或PbSn焊料。採用回流工藝，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。之後，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，所不同的是半導體晶片2為倒裝結構，先在半導體晶片2的有源層表面焊盤35上製作焊料凸點37，採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。之後，再在半導體晶片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矽的填料組成，如圖19所
/Jn ο
權利要求1.一種堆疊式半導體晶片封裝結構，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，其特徵在於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，底層封裝的半導體晶片設置於凹槽中，第一、第二、第三表面上均設有焊盤，底層半導體晶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晶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晶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I所述的堆疊式半導體晶片封裝結構，其特徵在於所述底層封裝基板上的凹槽為倒梯形，底層封裝的半導體晶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，半導體晶片與凹槽底部通過焊球連接。
3.根據權利要求I所述的堆疊式半導體晶片封裝結構，其特徵在於所述頂層封裝的半導體晶片呈層狀堆疊結構，頂層封裝第一半導體晶片與基板互連，頂層封裝的半導體晶片及鍵合引線採用環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.根據權利要求I所述的堆疊式半導體晶片封裝結構，其特徵在於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I所述的堆疊式半導體晶片封裝結構，其特徵在於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塗布焊料，通過回流產生焊球陣列。
6.根據權利要求I所述的堆疊式半導體晶片封裝結構，其特徵在於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後沉積焊料層，在底層封裝基板的第一表面焊盤上電鍍銅柱後沉積焊料層，通過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體晶片封裝結構，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，底層封裝的半導體晶片設置於凹槽中，基板上設有焊盤，底層半導體晶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晶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晶片與焊盤相連，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。本實用新型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H01L23/31GK202434509SQ20122002404
公開日2012年9月12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