CN104009014B - 集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构及制作方法，包括晶圆级封装芯片和IPD芯片；所述IPD芯片包括玻璃基板，玻璃基板正面设置IPD器件和金属布线层；在所述玻璃基板的背面刻蚀形成TGV孔，在玻璃基板的背面和TGV孔内表面设置背面金属布线层，在背面金属布线层的焊盘上设置焊球，焊球与PCB板连接。所述三维堆叠结构的制作方法，包括以下步骤：（1）将晶圆级封装芯片和玻璃基板的IPD芯片进行堆叠；（2）在IPD芯片背面刻蚀TGV孔，在玻璃基板背面制作背面金属布线层；（3）将背面金属布线层刻蚀成绝缘的两部分；在两部分背面金属布线层上制作焊盘和焊球，通过焊球连接PCB板。本发明实现芯片和IPD器件之间的短距离互连，提升了电学质量。

Description

集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构及制作方法

技术领域

本发明涉及一种晶圆级封装三维堆叠结构，尤其是一种集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构及制作方法，属于高密度电子封装技术领域。

背景技术

晶圆级封装与传统的封装方式不同在于，传统的芯片封装是先切割再封测，封装后的面积比原芯片尺寸至少增加20%；而晶圆级封装则是先在整片晶圆上进行封装和测试，然后再划片分割，因此，封装后的体积与裸芯片尺寸相同，能大幅降低封装后的芯片尺寸。晶圆级芯片封装提供可以替代当前的焊线BGA（Ball Grid Array，球栅阵列结构的PCB）和倒装芯片BGA封装的低成本、高性能集成封装。晶圆级封装的信号、电力和地线的布线直接通过晶圆级RDL（再布线层）工艺实现，不再需要晶圆凸点制备和封装基板，从而降低封装成本，并且可以提供优于传统焊线BGA和倒装芯片BGA封装的电学功能。

薄膜集成无源技术通常能提供最优良的功能密度，以及最高集成度和最小体积。然而，传统薄膜集成无源被动器件将金属沉积在Si晶圆上，在高频电路中，半导体衬底Si会产生高频涡流现象，导致电路的性能降低，无法满足高频电路、特别是RF（射频）器件的性能要求。而玻璃衬底上集成无源被动器件，可以解决Si集成无源器件中遇到的电容品质因数Q值较低、电感带宽较窄以及高频涡流问题，满足高频电路、特别是RF器件的性能要求。

现有技术中，晶圆级芯片封装和薄膜集成无源被动器件最大的不足之处是集成度较低。一般情况下，晶圆级芯片封装不集成无源被动器件，与其匹配的无源器件占据了约80%的电路板面积和70%的产品组装成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构及制作方法，将晶圆级芯片封装和玻璃集成无源被动器件（IPD）通过晶圆级键合工艺粘接在一起，实现芯片和IPD器件之间的短距离互连，提升了电学质量。

按照本发明提供的技术方案，集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）将晶圆级封装芯片和玻璃基板的IPD芯片进行堆叠，IPD芯片正面的金属布线层与晶圆级封装芯片的芯片信号端口连接；

（2）在IPD芯片的背面刻蚀得到TGV孔，TGV孔由玻璃基板的背面刻蚀至正面的金属布线层；

（3）在玻璃基板的背面溅射金属，在玻璃基板的背面、TGV孔的内表面得到背面金属布线层；

（4）对背面金属布线层进行刻蚀，将背面金属布线层刻蚀成相互绝缘的两部分；

（5）在两部分绝缘的背面金属布线层上分别制作焊盘，在焊盘上分别制作焊球；

（6）将上述结构通过焊球与PCB板进行互连，完成集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构的制作。

所述玻璃基板的热膨胀系数大于硅基板、小于PCB板。

所述IPD器件和金属布线层与IPD芯片的正面平齐。

本发明为晶圆级芯片封装和薄膜集成无源被动器件的三维集成提供了一套高效解决方案，是电子产品持续缩小尺寸、增加功能的解决方案之一，符合便携式电子产品“更快、更小、更轻”的趋势，且性价比不断提高。本发明实现芯片和无源被动集成器件（IPD）之间的短距离互连，提升了电学质量；同时，玻璃集成无源被动器件较Si集成无源被动器件的谐振电路品质因素Q值有极大的提升；并且，玻璃IPD芯片的热膨胀系数介于Si芯片和PCB载板之间（热膨胀系数Si<玻璃<PCB），本发明实现了热膨胀系数在封装体Z方向上的逐级放大，为最上层的Si芯片提供了很好的应力缓冲保护作用。本发明的实施符合电子产品发展的趋势，与现有生产技术匹配，是一套紧凑尺寸高可靠性的三维集成方案。

附图说明

图1～图6为本发明所述三维堆叠结构的制造过程的示意图。

图1为晶圆级封装芯片与IPD芯片堆叠的示意图。

图2为在IPD芯片上制作TGV孔的示意图。

图3为在玻璃基板背面制作背面金属布线层的示意图。

图4为对背面金属布线层进行刻蚀的示意图。

图5为制作焊球的示意图。

图6为本发明所述集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图6所示：所述集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构包括PCB板1、晶圆级封装芯片2、IPD芯片3、玻璃基板4、IPD器件5、金属布线层6、TGV孔7、背面金属布线层8、焊盘9、焊球10、芯片信号端口11等。

如图6所示，本发明所述三维堆叠结构封装于PCB板1上，包括晶圆级封装芯片2和IPD芯片3；所述IPD芯片3包括玻璃基板4，在玻璃基板4的正面设置IPD器件5和连接IPD器件5的金属布线层6，IPD器件5和金属布线层6与IPD芯片3的正面平齐，金属布线层6与晶圆级封装芯片2的芯片信号端口11连接；在所述玻璃基板4的背面刻蚀形成TGV孔7，TGV孔7直达金属布线层6；在所述玻璃基板4的背面和TGV孔7的内表面设置背面金属布线层8，背面金属布线层8分为相互绝缘的两部分，该两部分背面金属布线层8分别与金属布线层6连接，并分别在两部分背面金属布线层8的焊盘9上设置焊球10，焊球10与PCB板1连接；

所述玻璃基板4的热膨胀系数大于硅基板、小于PCB板1，在本发明的三维堆叠结构中，实现了热膨胀系统在封装体Z方向上的逐级放大，为最上层的硅芯片提供了很好的应力缓冲保护作用。

如图1～图6所示，本发明所述集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构的制作方法，包括以下步骤：

（1）如图1所示，将晶圆级封装芯片2和玻璃基板4的IPD芯片3进行堆叠，IPD芯片3正面的金属布线层6与晶圆级封装芯片2的芯片信号端口11连接，实现IPD芯片3和晶圆级封装芯片2之间的信号连接；

（2）如图2所示，在IPD芯片3的背面刻蚀得到TGV（Through Glass Via）孔7，TGV孔7由玻璃基板4的背面刻蚀至正面的金属布线层6；

（3）如图3所示，在玻璃基板4的背面溅射金属，如铜或钨等，在玻璃基板4的背面、TGV孔7的内表面得到背面金属布线层8，背面金属布线层8的厚度为1～30微米；

（4）如图4所示，对背面金属布线层8进行刻蚀，将背面金属布线层8刻蚀成相互绝缘的两部分；所述两部分背面金属布线层8的作用是将TGV孔重新分配到其它位置，以方便与PCB板1进行互连；

（5）如图5所示，在两部分绝缘的背面金属布线层8上分别制作焊盘9，在焊盘9上分别制作焊球10，实现与外部的功能连接；

（6）如图6所示，将上述结构通过焊球10与PCB板1进行互连，完成集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构的制作。

Claims (3)

1.一种集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）将晶圆级封装芯片（2）和玻璃基板（4）的IPD芯片（3）进行堆叠，IPD芯片（3）正面的金属布线层（6）与晶圆级封装芯片（2）的芯片信号端口（11）连接；

（2）在IPD芯片（3）的背面刻蚀得到TGV孔（7），TGV孔（7）由玻璃基板（4）的背面刻蚀至正面的金属布线层（6）；

（3）在玻璃基板（4）的背面溅射金属，在玻璃基板（4）的背面、TGV孔（7）的内表面得到背面金属布线层（8）；

（4）对背面金属布线层（8）进行刻蚀，将背面金属布线层（8）刻蚀成相互绝缘的两部分；

（5）在两部分绝缘的背面金属布线层（8）上分别制作焊盘（9），在焊盘（9）上分别制作焊球（10）；

（6）将上述结构通过焊球（10）与PCB板（1）进行互连，完成集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构的制作。

2.如权利要求1所述的集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构的制作方法，其特征是：所述玻璃基板（4）的热膨胀系数大于硅基板小于PCB板（1）。

3.如权利要求1所述的集成无源器件晶圆级封装三维堆叠结构的制作方法，其特征是：IPD器件（5）和金属布线层（6）与IPD芯片（3）的正面平齐。