CN103296009B - 带有ebg的屏蔽结构、3d封装结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有EBG的屏蔽结构、3D封装结构及其制备方法，所述带有EBG的屏蔽结构包括绝缘层及至少两金属平面；其中，至少一金属平面蚀刻有周期性EBG结构；所述金属平面之间设置有绝缘层。所述制备带有EBG屏蔽结构的方法包括制备至少一层金属平面；制备中间绝缘层；制备至少一层带有周期性EBG结构的金属平面。所述一种3D封装结构，包括带有EBG的屏蔽结构、裸芯片、互联基板；所述裸芯片键合在所述互联基板上，所述裸芯片与所述屏蔽结构连接。还提供一种3D封装的制备方法。本发明能有效降低垂直3D互联封装中芯片间的近场耦合问题。

Description

带有EBG的屏蔽结构、3D封装结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电子封装技术领域，特别涉及一种带有EBG(ElectromagneticBandGap，EBG)的屏蔽结构、3D封装结构及其制备方法。

背景技术

随着通讯电子的兴起，人们对小型化和高灵敏度模块或系统的需求越来越高，对信号质量的要求也越来越严格。高密度集成技术，如系统级封装(System-in-Package，SiP)等技术得到了迅速发展，然而混合信号多芯片系统的小型化集成封装却成为了该领域的技术难点之一。

数字信号频率不断上升，上升/下降沿越来越抖，数字信号的高频分量对模拟或射频芯片等敏感电路的影响越来越大。一般通讯系统的灵敏度都在-100dBm，全球定位系统(GlobalPositionSystem，GPS)的灵敏度甚至低于-148dBm，一些收发模块的灵敏度要求也很高，混合信号系统中的电磁兼容(ElectromagneticInterfere，EMI)成了系统小型化封装中的一个非常重要的问题。微电子封装中干扰芯片产生的噪声主要通过三个途径对敏感芯片形成干扰：一、数字电路快速开关引起的瞬态噪声(SimultaneousSwitchingNoise，SSN)通过基板影响敏感电路；二、干扰芯片和敏感芯片互联线之间的电容性耦合和电感性耦合；三、干扰芯片和敏感芯片之间由于3D堆叠组装造成的近场耦合。

以系统级封装为代表的新型3D封装技术，除了三维芯片堆叠(StackedDiepackage)，封装堆叠POP(PackageonPackage，POP)等技术外，一些新材料和新技术的应用为封装小型化带来契机，如柔性基板，硅通孔(ThroughSiliconVia，TSV)转接板技术和玻璃通孔(ThroughGlassVia，TGV)转接板技术成为垂直3D互联的热点研究方向之一。芯片三维堆叠中敏感芯片和干扰芯片直接堆叠，为适应封装小型化芯片厚度不断减小，近场耦合问题十分严重，通常在垂直芯片间加以屏蔽结构来降低噪声。POP封装中敏感芯片和干扰芯片垂直互联间距较远，近场耦合问题不太严重，但该封装形式下的垂直尺寸较大，不利于封装小型化。TSV、TGV转接板较薄，厚度仅有几百甚至几十微米，垂直互联后芯片间的近场耦合问题对灵敏度很高的混合信号系统影响也很严重。

EBG结构是一种周期性带隙抑制结构，可以通过周期数量和单元结构来调节抑制频段。天线结构中常用于抑制后瓣能量，提高天线辐射效率。专利CN200910143507.1将EBG结构屏蔽罩用于射频(RadioFrequency，RF)收发器以及射频功率放大器集成的系统中，周期性结构降低了相同屏蔽罩下芯片之间的电磁干扰。该结构应用于系统二维集成技术，而非三维封装技术。封装领域的EBG结构应用主要集中在对瞬态开关噪声(simultaneousswitchingnoise，SSN)的抑制方面，也属于对噪声的二维抑制。常常用于基板电源分布网络(Powerdeliverynetwork，PDN)中二维组装芯片间的噪声抑制，US20070289771A1等专利中有明确阐述。近年来，随着TSV技术的迅速发展，基于TSV的信号完整性和电源完整性问题日益突出，一些学者，如KAIST的JounghoKim等人开始将EBG结构用于TSV转接板或低温共烧陶瓷(LowTemperatureCo-firedCeramic，LTCC)转接板的PDN网络中，显然也是属于对SSN噪声的二维抑制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能有效降低垂直3D互联封装中芯片间的近场耦合问题的带有EBG(ElectromagneticBandGap，EBG)的屏蔽结构、3D封装结构及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种带有EBG的屏蔽结构包括：

至少一绝缘层及至少两金属平面；

其中，至少一金属平面蚀刻有周期性EBG结构；两金属平面之间设置有一绝缘层。

本发明还提供一种带有EBG的屏蔽结构，包括至少一绝缘层及至少两金属平面；其中，每个所述绝缘层蚀刻有周期性EBG结构，并设置在所述两金属平面之间。

本发明还提供一种制备带有EBG的屏蔽结构的方法，包括：在支撑板表面上通过溅射沉积、蒸发沉积、化镀沉积、层压、或电镀沉积工艺方法制备至少一层金属平面；制备至少一绝缘层；在所述绝缘层之上用溅射沉积、蒸发沉积、化镀沉积、电镀沉积或层压工艺再形成至少一层金属平面，并蚀刻成周期性EBG结构。

本发明还提供一种制备带有EBG的屏蔽结构的方法，包括在支撑板表面上通过溅射沉积、蒸发沉积、化镀沉积、层压、或电镀沉积工艺方法制备至少一层金属平面；制备至少一绝缘层，并在该绝缘层上蚀刻周期性EBG结构；在所述绝缘层之上用溅射沉积、蒸发沉积、化镀沉积、电镀沉积或层压工艺再形成至少一层金属平面。

本发明还提供一种3D封装结构，包括带有EBG的屏蔽结构，还包括裸芯片、互联基板；所述裸芯片键合在所述互联基板上，所述裸芯片与所述屏蔽结构连接。

本发明还提供一种制备3D封装结构的方法，包括加工互联基板；3D封装，下层芯片的固定和键合；屏蔽结构固定与连接；3D封装，上层芯片的固定和键合。

本发明提供的带有EBG(ElectromagneticBandGap，EBG)的屏蔽结构，充分利用EBG结构的带阻特性，以一种高效、便利的方法实现三维堆叠芯片之间的近场耦合，尤其对应用于中、高频封装系统的近场耦合抑制效果非常有效；可通过优化EBG结构的周期单元结构和周期数量来抑制不同频段的噪声。由于制备过程中封装互联结构不会影响EBG具体结构，因此可通过预先计算准确估计所述屏蔽结构的屏蔽效果。

附图说明

图1为本发明第一实施例的基于3D封装带有EBG的屏蔽结构的剖面图；

图2为本发明第二实施例的基于3D封装带有EBG的屏蔽结构的剖面图。

图3为蘑菇型EBG屏蔽结构的示意图；

图4为共面EBG屏蔽结构的示意图；

图5为光子晶体电源/地平面EBG屏蔽结构的示意图；

图6为图2所示屏蔽结构的屏蔽效果曲线图。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种带有EBG的屏蔽结构，包括绝缘层及至少两金属平面；其中，至少一金属平面蚀刻有周期性EBG结构；所述金属平面之间设置有绝缘层。绝缘层上和/或下设置有至少一层蚀刻有周期性EBG结构的金属平面。在一示例中，如图3所示，在绝缘层上设置有第二层金属平面和蚀刻有周期性结构第三层金属平面，其中，将第二层金属平面，并利用金属化过孔、RDL等方式与第三层金属平面相连，从而与第一层金属平面和绝缘层一起形成蘑菇型EBG屏蔽结构。在另一示例中，如图4所示，当绝缘层上设置有一层蚀刻有周期性EBG结构的金属平面，绝缘层之下设置有一层金属平面，由此构成平面型EBG屏蔽结构。

本发明实施例提供的一种带有EBG的屏蔽结构，包括至少一绝缘层及至少两金属平面；其中，每个所述绝缘层蚀刻有周期性EBG结构，并设置在所述两金属平面之间。如图5所示，在金属平面1、金属平面2之间设置有含蚀刻有周期性EBG结构的绝缘层3，由此构成光子晶体电源/地平面EBG屏蔽结构。

下面结合图1、图2所示的实施例对本发明提供的带有EBG的屏蔽结构、3D封装结构及其制备方法进行详细介绍。

实施例一

如图1所示的3D封装结构中，裸芯片109和110采用倒装焊方式键合在互联基板112上，并填充底部填充胶用于保护倒装焊凸点111。带有EBG结构的单独屏蔽器件103利用粘合剂固定于裸芯片109和110上。屏蔽器件103包括支撑板107，蚀刻有周期性EBG结构的第一金属平面106，绝缘层105以及第二金属平面104，其中，周期性EBG结构的单元形状，数量甚至结构变形根据需要抑制的噪声频段决定。支撑板可以是硅基或玻璃基、有机基板、甚至陶瓷基板等多种基材。相应绝缘层105的绝缘材料可以是SiO₂、Si₃Ni₄、有机基板材料或陶瓷材料等多种材料。裸芯片101利用粘合剂固定在屏蔽器件103上，并采用引线键合方式键合在互联基板112上，键合线102为金线，铜线或铝线等多种材质。塑封胶等灌封胶108填充于3D堆叠的裸芯片101，109，110以及屏蔽器件103之间，起到固定成形和保护裸芯片的作用。球栅阵列的焊球113用于互联基板和印制电路板之间的电连接。

下面对图1中屏蔽器件103的制备方法进行说明，该制备方法包括以下步骤：

步骤10：制备第一金属平面。

在不同材料的支撑板表面上通过溅射沉积、蒸发沉积、化镀沉积、层压、电镀沉积等工艺方法沉积一层金属平面。其中支撑板材料可以为硅、玻璃、有机基板、陶瓷基板等。

步骤20：制备中间绝缘层。

采用硅基或玻璃基板作为支撑板时，用物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，PVD)等工艺沉积一层SiO₂或Si₃Ni₄等薄膜，或者用旋涂或喷涂等工艺制作一层有机薄膜作为绝缘层；采用有机基板作为支撑板时，采用压合有机板材的方法形成绝缘层；采用陶瓷基板作支撑板时用烧结工艺在金属表面形成绝缘层；

步骤30：制备第二带有周期性结构的金属平面。

在一实施例中，绝缘层之上用溅射沉积、蒸发沉积、化镀沉积、电镀沉积或层压等工艺再形成一层金属平面，并蚀刻成周期性结构，与第一金属平面和中间绝缘层一起形成平面型EBG屏蔽结构。

在另一实施例中，采用溅射沉积、蒸发沉积、化镀沉积、层压或电镀沉积在绝缘层上形成第二金属平面和第三金属平面。将第二金属平面蚀刻成周期性结构，并利用金属化过孔、RDL等方式与第三金属平面相连，与第一金属平面和绝缘层一起形成蘑菇型EBG屏蔽结构。

步骤10至步骤30是具有一层周期性EBG结构的屏蔽器件的制备工艺步骤，也可以通过重复步骤10至步骤30，在支撑板上制作多层的具有EBG周期性结构的屏蔽器件，或在支撑板的上下两面分别制作一层或多层具有周期性分布的EBG结构。

实施例二

如图2所示的3D封装结构中，裸芯片209采用引线键合方式键合在互联基板212上。带有EBG结构的单独屏蔽器件214利用粘合剂固定于裸芯片209上，所述屏蔽器件214采用柔性基板制备，包括第一金属平面217，绝缘层216以及蚀刻有周期性结构的第二金属平面215。其中，周期性结构的单元形状，数量甚至结构变形根据需要抑制的噪声频段决定。裸芯片201利用粘合剂固定在屏蔽器件214上，并采用引线键合方式键合在互联基板212上，键合线202为金线，铜线或铝线等多种材质。塑封胶等灌封胶208填充于3D堆叠的裸芯片201，209以及屏蔽器件214之间，起到固定成形和保护裸芯片的作用。球栅阵列的焊球213用于互联基板和印制电路板之间的电连接。

以上金属平面的材质是铜，金或铝等，优选是铜。

下面结合图6对图2所示的3D封装结构中屏蔽结构的屏蔽效果进行说明。40GHz以下频段裸芯片201和209之间的S21仿真曲线。实线418显示了基于第二实施例中没有屏蔽结构214下的S21曲线；短线419显示了基于第二实施例中屏蔽结构214替换为传统屏蔽结构下的S21曲线，传统屏蔽结构即采用完整金属平面屏蔽电磁噪声；点线420显示了基于第二实施例中屏蔽结构214下的S21曲线。基于第二实施例，对比图6中不同结构下的S21曲线可以得出以下结论：未采用任何屏蔽结构的3D堆叠芯片间的近场耦合非常严重，尤其中、高频噪声更难抑制。传统平面屏蔽结构和带有EBG的新型屏蔽结构均有较好的屏蔽效果。但相比传统屏蔽结构，带有EBG的新型屏蔽结构对于中、高频频段噪声有更好的屏蔽效果。由于EBG结构的带阻特性与周期单元结构和周期数量密切相关，可以通过优化EBG结构达到对不同噪声频段的有效抑制，应用更加灵活方便。

下面对屏蔽器件应用在实际3D封装时的工艺步骤进行介绍，其包括以下步骤：

步骤一：使用蚀刻、层压、机械/激光钻孔或电镀等工艺对基板进行加工，从而形成互联基板。

步骤二：3D封装，下层芯片的固定和键合。

当所述芯片为裸芯片时，且裸芯片和互联基板之间采用倒装焊的形式进行互连时，采用回流焊工艺将裸芯片通过倒装焊凸点固定在所述互联基板上，并在所述倒装焊凸点的周围填充底部填充胶以保护倒装焊凸点；

当所述芯片为裸芯片时，且所述裸芯片和互联基板之间采用引线键合的形式进行互连时，使用粘结剂将裸芯片贴合于互联基板上，采用引线键合工艺将引线键合线连接在裸芯片和互联基板之间；

当所述芯片为封装好的芯片时，采用回流焊工艺将封装好的芯片固定在所述互联基板上。

步骤三：屏蔽结构固定与连接。

当所述屏蔽结构作为单独屏蔽器件时，于上述安装的芯片的上表面的喷涂一层绝缘胶体，然后将单独的屏蔽器件贴装到芯片的表面。当屏蔽器件需要与系统地相连时，可采用微凸点，焊锡球，引线键合线等多种方式使屏蔽结构中的一层金属平面与互联基板中的地平面相连。屏蔽器件能够有效隔离上、下堆叠芯片之间的串扰，起到屏蔽作用。

步骤四：3D封装，上层芯片的固定和键合。

当所述芯片为裸芯片时，且所述裸芯片和互联基板之间采用倒装焊的形式进行互连时，采用回流焊工艺将裸芯片通过倒装焊凸点固定在所述互联基板上，并在所述倒装焊凸点的周围填充底部填充胶以保护倒装焊凸点；

当所述芯片为裸芯片时，且所述裸芯片和互联基板之间采用引线键合的形式进行互连时，使用粘结剂将裸芯片贴合于互联基板上，采用引线键合工艺将引线键合线连接在裸芯片和互联基板之间；

当所述芯片为封装好的芯片时，采用回流焊工艺将封装好的芯片固定在所述互联基板上；

步骤五：根据实际封装要求，采用塑封、点胶、下填料等方式对3D堆叠芯片进行保护。

步骤六：封装引脚固定和互联。将封装引脚固定在互联基板上，使用回流焊、波峰焊或机械接触等方式实现所述互联基板和印制电路板之间的电连接。所述封装引脚为球栅阵列的焊球、引脚阵列的针状插脚或者平面栅格阵列的金属触点等。

本发明的具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于3D封装带有EBG的屏蔽结构，充分利用EBG结构的带阻特性，以一种高效、便利的方法实现三维堆叠芯片之间的近场耦合，尤其对应用于中、高频封装系统的近场耦合抑制效果非常有效；

2、本发明提供的基于3D封装带有EBG的屏蔽结构，可通过优化EBG结构的周期单元结构和周期数量来抑制不同频段的噪声。由于制备过程中封装互联结构不会影响EBG具体结构，因此可通过预先计算准确估计所述屏蔽结构的屏蔽效果；

3、本发明提供的基于3D封装带有EBG的屏蔽结构，屏蔽结构中的芯片可以是任意封装方式；

4、本发明提供的基于3D封装带有EBG的屏蔽结构，可形成单独的屏蔽器件，便于灵活应用；

5、本发明提供的基于3D封装带有EBG的屏蔽结构，除了有效抑制堆叠芯片近场耦合外，也可结合封装系统电源分布网络，降低电源噪声以及二维芯片之间的近场屏蔽，实现对系统内部噪声的全方位电磁屏蔽；

6、本发明提供的基于3D封装带有EBG的屏蔽结构，可应用多种加工工艺和基材，所使用的制造工艺基本成熟，有利于封装系统的小型化。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种制备3D封装结构的方法，其特征在于，

所述3D封装结构包括带有EBG的屏蔽结构；还包括：

第一裸芯片、互联基板；

所述第一裸芯片键合在所述互联基板上，所述第一裸芯片与所述屏蔽结构连接；

所述带有EBG的屏蔽结构包括：

至少一绝缘层及至少两金属平面；

其中，至少一金属平面蚀刻有周期性EBG结构；两金属平面之间设置有一绝缘层；

所述制备3D封装结构的方法包括：

加工互联基板；

3D封装，下层芯片的固定和键合；

屏蔽结构固定与连接；

3D封装，上层芯片的固定和键合；

所述3D封装，下层芯片的固定和键合包括：

当所述下层芯片为裸芯片时，且所述下层芯片和互联基板之间采用倒装焊的形式进行互连时，采用回流焊工艺将所述下层芯片通过倒装焊凸点固定在所述互联基板上，并在所述倒装焊凸点的周围填充底部填充胶以保护倒装焊凸点；

当所述下层芯片为裸芯片时，且所述下层芯片和互联基板之间采用引线键合的形式进行互连时，使用粘结剂将所述下层芯片贴合于互联基板上，采用引线键合工艺将引线键合线连接在所述下层芯片和互联基板之间；

当所述下层芯片为封装好的芯片时，采用回流焊工艺将封装好的芯片固定在所述互联基板上；

所述屏蔽结构固定与连接包括：

在上述安装的下层芯片的上表面喷涂一层绝缘胶体，然后将单独的所述屏蔽结构贴装到芯片的表面；

当所述屏蔽结构需要与地相连时，采用微凸点，焊锡球或引线键合线方式使屏蔽结构中的一层金属平面与互联基板中的地平面相连；

所述3D封装，上层芯片的固定和键合包括：

当所述上层芯片为裸芯片时，且所述上层芯片和互联基板之间采用倒装焊的形式进行互连时，采用回流焊工艺将所述上层芯片通过倒装焊凸点固定在所述互联基板上，并在所述倒装焊凸点的周围填充底部填充胶以保护倒装焊凸点；

当所述上层芯片为裸芯片时，且所述上层芯片和互联基板之间采用引线键合的形式进行互连时，使用粘结剂将所述上层芯片贴合于互联基板上，采用引线键合工艺将引线键合线连接在所述上层芯片和互联基板之间；

当所述上层芯片为封装好的芯片时，采用回流焊工艺将封装好的芯片固定在所述互联基板上。