硅基集成微系统三维堆叠结构及其制作方法与流程

本发明涉及微波和微电子封装技术领域，特别是涉及一种硅基集成微系统三维堆叠结构及其制作方法。

背景技术：

随着微波毫米波技术的发展，小型化、集成化和多功能成为射频微波组件的发展方向。小型化、集成化的发展主要体现在以下两个方面：（1）、开发多功能芯片，能够将包括低噪声放大器、驱动放大器、混频器、滤波器、开关、数控衰减器、数控移相器等微波功能单元集成在一个微波单片集成电路（mmic）上，来实现系统的小型化。（2）、采用三维系统集成方案，将微波组件中的集成电路进行分层放置，然后采用垂直互联的方式实现三维微波多芯片组件。

2015年，黄学娇等人提出了“一种ltcc基板堆叠的微波电路三维封装结构”，该技术公开了一种ltcc基板堆叠的三维封装电路结构，包括上层ltcc基板、下层ltcc基板和中间的金属铝框架，该技术结构简单，精度较低，同时三维互连采用引线键合，适用频率较低。

2016年，吉勇等人提出了“一种高效可重构三维封装结构”，该技术由若干个二维基元结构通过金属焊料上下互连组成。该技术采用填充材料实现ic芯片的封装，并通过并采用侧边tsv转接方法，由二维基元结构堆叠形成三维封装结构。该技术实现了控制芯片的高密度封装，但不适合微波毫米波电路的三维集成。

2016年，王新潮等人发明了“双向集成芯片重布线埋入式pop封装结构及其制作方法”，该技术针对埋入式无源器件的需求，提供一种双向集成芯片重布线埋入式pop封装结构及其制作方法，它能够多层双向埋入元器件，有效地节约了基板空间提高了封装工艺的集成度，但未将有源芯片进行埋置，由于电磁兼容结构设计不充分，不适合用于微波毫米波电路集成。

2016年，祁飞等人发表了“基于mems技术的三维集成射频收发微系统”，该技术采用mems体硅封装工艺实现了对微波收发系统的小型化封装，该技术采用硅通孔技术实现信号的上下互连，但是由于受到晶圆级键合对圆片厚度的限制，不能进行更加灵活的三维系统集成。

目前的三维堆叠结构主要针对控制芯片的堆叠及转接板结构的堆叠，采用mems体硅工艺封装微波毫米波电路并进行三维堆叠则未见提及。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种硅基集成微系统三维堆叠结构及其制作方法，实现多芯片微波组件三维集成的工艺技术方案，大大提高了硅基mems集成微系统产品的集成度及设计灵活度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种硅基集成微系统三维堆叠结构，其特征在于：包括第一层微波电路、第二层微波电路和控制电路；第一层微波电路、第二层微波电路和控制电路均进行封装形成第一层微波电路封装体、第二层微波电路封装体和控制电路封装体，第二层微波电路封装体和控制电路封装体的底面设有焊球，第二层微波电路封装体通过焊球堆叠在第一微波电路封装体上，控制电路封装体通过焊球堆叠在第二层微波电路封装体上。

优选地，所述第一层微波电路封装体包括第一硅基板、第二硅基板、第三硅基板、第四硅基板和第一层微波单片集成电路；第一硅基板、第二硅基板、第三硅基板和第四硅基板自下而上依次堆叠，硅基板上开设有通孔，第四硅基板上表面设有第一可焊金属层和第一阻焊层，第一层微波单片集成电路通过导电胶粘结在硅基板的腔体中。

优选地，所述第一硅基板、第二硅基板、第三硅基板和第四硅基板之间采用晶圆级键合工艺进行键合，第一层微波单片集成电路通过键合金丝和硅基板连接。

优选地，所述第二层微波电路封装体包括第五硅基板、第六硅基板、第七硅基板、第八硅基板和第二层微波单片集成电路；第五硅基板、第六硅基板、第七硅基板和第八硅基板自下而上依次堆叠，硅基板上开设有通孔，第八硅基板上表面和第五硅基板下表面均设有第二可焊金属层和第二阻焊层，第二层微波单片集成电路通过导电胶粘结在硅基板的腔体中。

优选地，所述第五硅基板、第六硅基板、第七硅基板和第八硅基板之间采用晶圆级键合工艺进行键合，第二层微波单片集成电路通过键合金丝和硅基板连接。

一种硅基集成微系统三维堆叠结构的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、将第一层微波电路进行微型化封装，在封装体的表面制备第一可焊金属层及第一阻焊层；

2）、将第二层微波电路进行微型化封装，在封装体的表面制备第二可焊金属层及第二阻焊层；

3）、将控制电路进行封装；

4）、针对步骤1）和步骤2）完成的硅基封装体进行切割、植球工艺；

5）、封装堆叠，将完成植球的第二层微波电路封装体堆叠到第一层微波电路封装体上，将控制电路封装体堆叠到第二层微波电路封装体上。

优选地，所述步骤1）和步骤2）中第一层微波电路和第二层微波电路采用mems体硅封装工艺进行封装。

优选地，所述步骤3）中控制电路采用球栅阵列结构封装工艺或芯片尺度晶圆级封装工艺进行封装。

优选地，所述步骤5）中采用回流焊工艺将第二层微波电路封装体堆叠到第一层微波电路封装体上，将控制电路封装体堆叠到第二层微波电路封装体上。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过将mems体硅封装工艺和植球堆叠工艺相结合，解决微波毫米波电路的高密度封装，同时采用封装堆叠工艺，将微波毫米波电路和控制电路等进行三维集成。封装之间的信号上下互连采用硅通孔技术和焊球相结合，能够实现微波毫米波信号的高品质传输。

附图说明

图1是硅基集成微系统三维堆叠结构整体剖视图。

图2是第一层微波电路封装体结构剖视图。

图3是第二层微波电路封装体结构剖视图。

图4是控制电路封装结构示意图。

图中：11、第一层微波电路封装体；12、第二层微波电路封装体；13、控制电路封装体；14、焊球；001、第一硅基板；002、第二硅基板；003、第三硅基板；004、第四硅基板；005、第一阻焊层；006、第一可焊金属层；007、通孔；008、第一层微波单片集成电路；009、导电胶；010键合金丝；021、第五硅基板；022、第六硅基板；023、第七硅基板；024、第八硅基板；025、第二阻焊层；026、第二可焊金属层；027、第二层微波单片集成电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，为硅基集成微系统三维堆叠结构整体剖视图，包括第一层微波电路、第二层微波电路和控制电路；第一层微波电路、第二层微波电路和控制电路均进行封装形成第一层微波电路封装体11、第二层微波电路封装体12和控制电路封装体13，第二层微波电路封装体12和控制电路封装体13的底面设有焊球14，第二层微波电路封装体12通过焊球14堆叠在第一微波电路封装体上，控制电路封装体13通过焊球14堆叠在第二层微波电路封装体12上。

如图2所示，为第一层微波电路封装体结构剖视图，包括第一硅基板001、第二硅基板002、第三硅基板003、第四硅基板004和第一层微波单片集成电路008；第一硅基板001、第二硅基板002、第三硅基板003和第四硅基板004自下而上依次堆叠，硅基板上开设有通孔007，电信号通过通孔007实现上下相互相连。第四硅基板004上表面设有第一可焊金属层006和第一阻焊层005，第一层微波单片集成电路008通过导电胶009粘结在硅基板的腔体中。

第一硅基板001、第二硅基板002、第三硅基板003和第四硅基板004之间采用晶圆级键合工艺进行键合，第一层微波单片集成电路008通过键合金丝010和硅基板连接。

如图3所示，为第二层微波电路封装体结构剖视图，包括第五硅基板021、第六硅基板022、第七硅基板023、第八硅基板024和第二层微波单片集成电路027；第五硅基板021、第六硅基板022、第七硅基板023和第八硅基板024自下而上依次堆叠，硅基板上开设有通孔007，电信号通过通孔007实现上下相互相连。第八硅基板024上表面和第五硅基板021下表面均设有第二可焊金属层和第二阻焊层025，第二层微波单片集成电路027通过导电胶009粘结在硅基板的腔体中。

第五硅基板021、第六硅基板022、第七硅基板023和第八硅基板024之间采用晶圆级键合工艺进行键合，第二层微波单片集成电路027通过键合金丝010和硅基板连接。

如图4所示，为控制电路封装体结构示意图，控制电路采用标准塑封工艺，实现对控制电路芯片的球栅阵列封装。

硅基集成微系统三维堆叠结构的制作方法，包括以下步骤：

1）、将第一层微波电路进行微型化封装，在封装体的表面制备第一可焊金属层006及第一阻焊层005。

①采用mems体硅工艺加工第一硅基板001、第二硅基板002、第三硅基板003和第四硅基板004，进行干法刻蚀工艺、溅射工艺和电镀工艺。其中第四硅基板004的上表面制备第一可焊金属层006和第一阻焊层005。

②将第一硅基板001和第二硅基板002采用晶圆级键合工艺进行键合。

③将第三硅基板003和第四硅基板004采用晶圆级键合工艺进行键合。

④采用微组装工艺将第一层微波单片集成电路008利用导电胶009粘结到硅基板腔体中。

⑤采用晶圆级键合工艺将第二硅基板002和第三硅基板003进行晶圆级键合，实现对第一层微波单片集成电路008的封装，电信号通过硅通孔007实现上下互连。

2）、将第二层微波电路进行微型化封装，在封装体的表面制备第二可焊金属层及第二阻焊层025。

①采用mems体硅工艺加工第五硅基板021、第六硅基板022、第七硅基板023和第八硅基板024，进行干法刻蚀工艺、溅射工艺和电镀工艺。其中第五硅基板021的下表面制备第二可焊金属层和第二阻焊层025，第八硅基板024的上表面制备第二可焊金属层和第二阻焊层025。

②将第五硅基板021和第六硅基板022采用晶圆级键合工艺进行键合。

③将第七硅基板023和第八硅基板024采用晶圆级键合工艺进行键合。

④采用微组装工艺将第二层微波单片集成电路027利用导电胶009粘结到硅基板腔体中。

⑤采用晶圆级键合工艺将第六硅基板022和第七硅基板023进行晶圆级键合，实现对第二层微波单片集成电路027的封装，电信号通过硅通孔007实现上下互连。

3）、将控制电路进行封装。

采用标准塑封工艺，实现对控制电路芯片的球栅阵列封装。

4）、针对步骤1）和步骤2）完成的硅基封装体进行切割、植球工艺。

①划片，将第一层微波电路封装体11和第二层微波电路封装体12通过划片工艺，分片成单个的独立封装。

②采用回流焊工艺，在第二层微波电路封装体12的硅基板的底面进行植球工艺。

5）、封装堆叠，将完成植球的第二层微波电路封装体12堆叠到第一层微波电路封装体11上，将控制电路封装体13堆叠到第二层微波电路封装体12上。

①采用回流焊工艺将完成植球的第二层微波电路封装体12堆叠到第一层微波电路封装体11上，电信号通过焊球14和通孔007实现上下互连。

②采用回流焊工艺将控制电路封装体13堆叠到第二层微波电路封装体12上。

③进行清洗工艺，完成三层封装电路的堆叠工艺。

采用上述技术方案后，发明采用封装堆叠工艺，实现了微波电路的系统的小型化；将mems体硅封装工艺和植球工艺相融合，降低了微波电路三维集成难度，通过通孔007和焊球14进行微波及控制信号的上下互连，降低传输损耗，同时提高结构的空间利用率，充分利用两种技术优势，实现高集成度、高性能的三维结构；采用mems体硅封装工艺将微波电路进行封装，解决了常规半导体封装技术在微波电磁兼容方面面临的难题。同时，采用封装堆叠工艺，提高了微波系统三维集成的灵活度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。