專利名稱：多芯片微插拔封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微型電子封裝技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種多芯片微插拔封裝方法。
背景技術(shù)：
伴隨摩爾定律的電子產(chǎn)品高密度化發(fā)展，封裝技術(shù)亦朝著高密度、微型化、多芯片以 及三維尺度等方向發(fā)展，為了更為高效地縮減封裝面積，發(fā)展了具有多重芯片的立體堆疊 式封裝結(jié)構(gòu)。立體堆疊封裝由兩個(gè)或兩個(gè)以上的芯片封裝在單個(gè)器件中經(jīng)電性互連而構(gòu)成 ，可以有效地減小器件體積。堆疊封裝的核心問題是層間的電性互連，常規(guī)的電性互連通 過在通孔金屬通道間的焊球?qū)崿F(xiàn)。
對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)Won Kyoung Choi在(Development of Low Temperature Bonding Using In-Based Solders》(使用In基焊料的低溫鍵合技術(shù))，Electronic Components and Technology Conference,(2008， pl294—1298)中記載了一禾中采用In基 焊料進(jìn)行芯片層間焊接的方法，利用通過調(diào)配不同金屬比例可以形成高熔點(diǎn)的金屬間化合 物從而使芯片快速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接結(jié)構(gòu)。
盡管上述技術(shù)可以在芯片層間形成高熔點(diǎn)的金屬間化合物但是存在以下問題由于所 形成的金屬間化合物要同時(shí)具備穩(wěn)定的機(jī)械連接和電連接功能，所形成的金屬化合物必須 為指定的高熔點(diǎn)金屬化合物，因此在焊接層制作中必須嚴(yán)格控制多層金屬膜的厚度比例， 增加了工藝控制的復(fù)雜度；與此同時(shí)在制作過程中使用In、 Ag及Sn等金屬材料，使結(jié)構(gòu)的 材料成本變高；此外，金屬間化合物一方面使連接處的電阻變大，導(dǎo)致層間電性互連導(dǎo)電 性變差，另一方面復(fù)雜的材料成份導(dǎo)致金屬間化合物內(nèi)部應(yīng)力變化復(fù)雜度提升，使層間連 接的穩(wěn)定性變差；而由于金屬間化合物的熔點(diǎn)變高，使得器件一旦成型后的返工難度也增 大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種多芯片微插拔封裝方法，利用機(jī)械式 的插拔方式完成機(jī)械定位，降低了對(duì)焊接層材料要求，可以實(shí)現(xiàn)芯片層間機(jī)械定位和整體焊接封裝，插拔方法提供機(jī)械定位和整體焊接，從而使互連結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電性連接 穩(wěn)定性都獲得了提高，最終獲得具有穩(wěn)定層間互連的立體電子封裝解決方案。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟
第一步、確定兩個(gè)待封裝芯片的封裝位分別為上芯片和下芯片，然后在上芯片的下表
面的通孔位置處依次通過光刻圖形化工藝和電化學(xué)鍍工藝加工獲得若干凸點(diǎn)，在凸點(diǎn)外表
面依次通過電化學(xué)鍍工藝和薄膜沉積工藝加工獲得焊接層；
所述的光刻圖形化工藝和電化學(xué)鍍工藝均采用Cu、 Au、 Zn、 Ag或Ni中的一種金屬； 所述的電化學(xué)鍍工藝和薄膜沉積工藝均采用Cu、 Au、 Sn或Bi中的一種金屬； 所述的凸點(diǎn)為倒圓柱結(jié)構(gòu)，頂面圓直徑在5 100ym范圍內(nèi)，底面圓直徑在1(T500 y m
范圍內(nèi)，圓柱高度在10(Tl000um范圍內(nèi)；
所述的凸點(diǎn)嵌入口為通孔結(jié)構(gòu)，與凸點(diǎn)的倒圓柱結(jié)構(gòu)匹配，其入口面孔徑在l(Tl50y
m范圍內(nèi)，出口面孔徑在15 550ym范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)凸點(diǎn)外表面與通孔內(nèi)表面80%以上的
面接觸；嵌入口深度等于凸點(diǎn)倒圓柱高度，在10(Tl000um范圍內(nèi)，凸點(diǎn)嵌入后其頂端與
嵌入口底端所在平面平齊。
第二步、在下芯片的上表面的通孔位置處通過光刻圖形化工藝和電鍍工藝加工獲得若
干凸點(diǎn)嵌入口 ，在凸點(diǎn)嵌入口表面通過電化學(xué)鍍工藝和薄膜沉積工藝加工獲得焊接層； 所述的光刻圖形化工藝和電鍍工藝均采用Cu、 Au、 Zn、 Ag或Ni中的一種金屬； 所述的電化學(xué)鍍工藝和薄膜沉積工藝均采用Cu、 Au、 Sn或Bi中的一種金屬； 所述的凸點(diǎn)嵌入口的形狀與凸點(diǎn)的形狀相匹配； 所述的凸點(diǎn)嵌入口的窗口位置與通孔處的金屬填充柱的位置相匹配。 第三步、將凸點(diǎn)與凸點(diǎn)嵌入口進(jìn)行位置對(duì)準(zhǔn)后在上芯片的上表面施加外力將凸點(diǎn)壓進(jìn)
凸點(diǎn)嵌入口，使上芯片通孔內(nèi)金屬填充柱與下芯片通孔內(nèi)的金屬填充柱相接觸以完成定位
所述的外力是指壓力范圍為10uN 10000uN，壓力方向與上芯片或下芯片相垂直。 第四步、將上芯片的凸點(diǎn)上的焊接層與下芯片的凸點(diǎn)嵌入口的焊接層進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)
上芯片與下芯片的電連接。
所述的焊接是指溫度區(qū)間在10(TC 80(rC的固體導(dǎo)熱、氣體對(duì)流或液體對(duì)流導(dǎo)熱焊接方法。
以獨(dú)立單元形式介紹的微插拔封裝實(shí)施方法適應(yīng)于同類型插拔單元，多單元插拔定位 方法也可適應(yīng)于兩個(gè)以上待封裝芯片，待插拔單元的凸點(diǎn)與凸點(diǎn)嵌入口定位完成后可進(jìn)行整體焊接。
本發(fā)明的有益效果是，微插拔焊接進(jìn)行立體電子封裝的方法有益于層間焊接獲得穩(wěn)定 機(jī)械連接和電連接。定位效果優(yōu)異，可以進(jìn)行先定位后整體焊接工藝流程，簡(jiǎn)化了封裝工 藝流程，降低了生產(chǎn)成本。


圖l為實(shí)施例l示意圖。 圖2為實(shí)施例2示意圖。 圖3為實(shí)施例3示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施 ，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。 如圖1所示，本實(shí)施例包括以下步驟
第一步、確定兩個(gè)待封裝芯片的封裝位為上芯片1和下芯片2;在上芯片l制作過程中
通過光刻圖形化及電化學(xué)鍍工藝在上芯片1的下表面的通孔3位置處加工凸點(diǎn)4，凸點(diǎn)4和通 孔3處的金屬填充柱5要有層間連接，在凸點(diǎn)4外表面通過電化學(xué)鍍工藝及薄膜沉積工藝加 工焊接層6;
第二步、通過光刻圖形化及電鍍工藝在下芯片2的上表面的通孔7位置處加工凸點(diǎn)嵌入 口8，在凸點(diǎn)嵌入口8表面通過電化學(xué)鍍工藝及薄膜沉積工藝加工焊接層9，凸點(diǎn)嵌入口8的 窗口位置要保證裸露部分通孔7處的金屬填充柱10;
所述的凸點(diǎn)為倒圓柱結(jié)構(gòu)，頂面圓直徑為5ym，底面圓直徑為10ym，圓柱高度為 100 ym;
所述的凸點(diǎn)嵌入口為通孔結(jié)構(gòu)，與凸點(diǎn)的倒圓柱結(jié)構(gòu)匹配，其入口面孔徑為10ym， 出口面孔徑為15ym，能夠?qū)崿F(xiàn)凸點(diǎn)外表面與通孔內(nèi)表面80%以上的面接觸；嵌入口深度等 于凸點(diǎn)倒圓柱高度，具體為100um，凸點(diǎn)嵌入后其頂端與嵌入口底端所在平面平齊。
第三步、將凸點(diǎn)4與凸點(diǎn)嵌入口8進(jìn)行位置對(duì)準(zhǔn)后在上芯片1的上表面施加外力將凸點(diǎn) 4壓進(jìn)凸點(diǎn)嵌入口8，使與凸點(diǎn)4相連接的上芯片2通孔3內(nèi)金屬填充柱5與凸點(diǎn)嵌入口8窗口 處裸露的下芯片2通孔7內(nèi)的金屬填充柱10實(shí)現(xiàn)接觸，并完成定位。
所述的外力是指壓力范圍為10uN，壓力方向與上芯片或下芯片相垂直。
第四步、定位完成后將堆疊芯片進(jìn)行常規(guī)的低溫鍵合，完成凸點(diǎn)4與凸點(diǎn)嵌入口8焊接 接觸面上焊接層6與焊接層9的焊接，實(shí)現(xiàn)上芯片1與下芯片2的電連接。所述的焊接是指溫度區(qū)間在100 °C 400 °C的固體導(dǎo)熱焊接方法。 如圖2所示，實(shí)施例2包括以下步驟
第一步、確定兩個(gè)待封裝芯片的封裝位為上芯片11和下芯片12;在上芯片ll制作過程 中通過光刻圖形化及電化學(xué)鍍工藝在上芯片11的下表面的通孔陣列13位置處加工凸點(diǎn)陣列 14，凸點(diǎn)陣列14和通孔陣列13處的金屬填充柱陣列15要有層間連接，在凸點(diǎn)陣列14外表面 通過電化學(xué)鍍工藝及薄膜沉積工藝加工焊接層16;
第二步、通過光刻圖形化及電鍍工藝在下芯片12的上表面的通孔陣列17位置處加工凸 點(diǎn)嵌入口陣列18，在凸點(diǎn)嵌入口陣列18表面通過電化學(xué)鍍工藝及薄膜沉積工藝加工焊接層 19，凸點(diǎn)嵌入口陣列18的窗口位置要保證裸露部分通孔陣列17處的金屬填充柱陣列20;
所述的凸點(diǎn)為倒圓柱結(jié)構(gòu)，頂面圓直徑為50齙，底面圓直徑為250齙，圓柱高度為 500能；
所述的凸點(diǎn)嵌入口為通孔結(jié)構(gòu)，與凸點(diǎn)的倒圓柱結(jié)構(gòu)匹配，其入口面孔徑為50ym， 出口面孔徑為270ym，能夠?qū)崿F(xiàn)凸點(diǎn)外表面與通孔內(nèi)表面80%以上的面接觸；嵌入口深度 等于凸點(diǎn)倒圓柱高度，具體為500um，凸點(diǎn)嵌入后其頂端與嵌入口底端所在平面平齊。
第三步、將凸點(diǎn)陣列14與凸點(diǎn)嵌入口陣列18進(jìn)行位置對(duì)準(zhǔn)后在上芯片11的上表面施加 外力將凸點(diǎn)陣列14壓進(jìn)凸點(diǎn)嵌入口陣列18，使與凸點(diǎn)陣列14相連接的上芯片12通孔陣列13 內(nèi)金屬填充柱陣列15與凸點(diǎn)嵌入口陣列18窗口處裸露的下芯片12通孔陣列17內(nèi)的金屬填充 柱陣列20實(shí)現(xiàn)接觸，并完成定位；
所述的外力是指壓力范圍為2000 uN，壓力方向與上芯片或下芯片相垂直。 第四步、定位完成后將堆疊芯片進(jìn)行常規(guī)的低溫鍵合，完成凸點(diǎn)陣列14與凸點(diǎn)嵌入口 陣列18焊接接觸面上焊接層16與焊接層19的焊接，實(shí)現(xiàn)上芯片11與下芯片12的電連接。 所述的焊接是指溫度區(qū)間在40(TC 60(rC的氣體對(duì)流焊接方法。 如圖3所示，實(shí)施例3為微插拔焊接單元陣列的多層芯片封裝結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法，其中 立體芯片陣列包含六層結(jié)構(gòu)(分別為第一層芯片21、第二層芯片22、第三層芯片23、第四 層芯片24、第五層芯片25和第六層芯片26)，其中依次以與兩層芯片采用微插拔焊接單元 陣列進(jìn)行定位的方法相同的方法進(jìn)行定位，完成第一層芯片21上表面與第二層芯片芯片22 下表面，第二層芯片芯片22上表面與第三層芯片23下表面，第三層芯片23上表面與第四層 芯片24下表面，第四層芯片24上表面與第五層芯片芯片25下表面，第五層芯片芯片25上表 面與第六層芯片芯片26下表面的微插拔單元陣列的定位。然后完成所有微插拔單元凸點(diǎn)陣 列與凸點(diǎn)嵌入口陣列焊接接觸面上焊接層與焊接層的焊接。所述的焊接是指溫度區(qū)間在60(TC 80(rC的液體對(duì)流導(dǎo)熱焊接方法。
采用微插拔封裝方法，實(shí)現(xiàn)芯片層間機(jī)械定位和整體焊接封裝，與傳統(tǒng)焊接與定位同 時(shí)進(jìn)行的工藝相比較，簡(jiǎn)化了封裝工藝難度，更使互連結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電性連接穩(wěn)定 性都獲得了提高。
權(quán)利要求
1.一種多芯片微插拔封裝方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、兩個(gè)待封裝芯片的封裝位分別為上芯片和下芯片，然后在上芯片的下表面的通孔位置處依次通過光刻圖形化工藝和電化學(xué)鍍工藝加工獲得若干凸點(diǎn)，在凸點(diǎn)外表面依次通過電化學(xué)鍍工藝和薄膜沉積工藝加工獲得焊接層；第二步、在下芯片的上表面的通孔位置處通過光刻圖形化工藝和電鍍工藝加工獲得若干凸點(diǎn)嵌入口，在凸點(diǎn)嵌入口表面通過電化學(xué)鍍工藝和薄膜沉積工藝加工獲得焊接層；第三步、將凸點(diǎn)與凸點(diǎn)嵌入口進(jìn)行位置對(duì)準(zhǔn)后在上芯片的上表面施加外力將凸點(diǎn)壓進(jìn)凸點(diǎn)嵌入口，使上芯片通孔內(nèi)金屬填充柱與下芯片通孔內(nèi)的金屬填充柱相接觸以完成定位；第四步、將上芯片的凸點(diǎn)上的焊接層與下芯片的凸點(diǎn)嵌入口的焊接層進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)上芯片與下芯片的電連接。
2 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多芯片微插拔封裝方法，其特征是，所述 的凸點(diǎn)為倒圓柱結(jié)構(gòu)，頂面圓直徑在5 100um范圍內(nèi)，底面圓直徑在l(T500um范圍內(nèi)， 圓柱高度在10(Tl000 y m范圍內(nèi)。
3 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多芯片微插拔封裝方法，其特征是，所述 的凸點(diǎn)嵌入口為通孔結(jié)構(gòu)，其入口面孔徑在l(Tl50um范圍內(nèi)，出口面孔徑在15 550ym范 圍內(nèi)。
4 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多芯片微插拔封裝方法，其特征是，所述 的凸點(diǎn)嵌入口的形狀與凸點(diǎn)的形狀相匹配，嵌入口深度等于凸點(diǎn)倒圓柱高度。
5 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多芯片微插拔封裝方法，其特征是，所述 的外力是指壓力范圍為10uN 10000uN，壓力方向與上芯片或下芯片相垂直。
6 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多芯片微插拔封裝方法，其特征是，所述 的焊接是指溫度區(qū)間在10(TC 80(rC的固體導(dǎo)熱、氣體對(duì)流或液體對(duì)流導(dǎo)熱焊接方法。
全文摘要
一種微型電子封裝技術(shù)領(lǐng)域的多芯片微插拔封裝方法，包括在上芯片的下表面依次通過光刻圖形化工藝和電化學(xué)鍍工藝加工獲得若干凸點(diǎn)，通過電化學(xué)鍍工藝和薄膜沉積工藝加工獲得焊接層；在下芯片的上表面的通孔位置處通過光刻圖形化工藝和電鍍工藝加工獲得若干凸點(diǎn)嵌入口，在凸點(diǎn)嵌入口表面通過電化學(xué)鍍工藝和薄膜沉積工藝加工獲得焊接層；將凸點(diǎn)與凸點(diǎn)嵌入口進(jìn)行位置對(duì)準(zhǔn)后在上芯片的上表面施加外力將凸點(diǎn)壓進(jìn)凸點(diǎn)嵌入口，使上芯片通孔內(nèi)金屬填充柱與下芯片通孔內(nèi)的金屬填充柱相接觸以完成定位；將上芯片的凸點(diǎn)上的焊接層與下芯片的凸點(diǎn)嵌入口的焊接層進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)上芯片與下芯片的電連接。本發(fā)明提高了互連結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和電性連接穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01L21/603GK101673691SQ20091030830
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者丁桂甫, 孫舒婧, 艷 王 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)