专利名称：多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构及其封装方法
技术领域：
本发明涉及微电子芯片封装技术领域，特别是涉及一种多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构及其封装方法。
背景技术：
随着人们对电子产品的要求向小型化、多功能、高密度、低成本等方向的发展，人们努力寻求将电子系统越做越小，集成度越来越高，功能越做越多，性能越来越强，由此产生了许多新技术、新材料和新设计，其中系统级封装技术就是这些技术的典型代表。系统级封装技术，是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直或者平面方向叠放两个以上芯片的封装技术。·
传统的电子产品，如电表模块，是将封装好的各个功能子电路(芯片)通过相应的逻辑连接起来，通常是购买已封装完成的各功能芯片产品，采用PCB电路板集成方式，重新开发一套PCB电路系统，将各子功能芯片进行再次集成和调试，构成符合要求的系统和产品。这样需要外接大量的布局布线来完成这一连接，从而会占据电路板上大量的空间、增加走线难度，同时由于电路板上的线路尺寸和过孔尺寸也过大，不仅使整个产品的面积和体积也会跟着加大,还增加了产品的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构及其封装方法，可解决现有模块结构产品中因大量连接各功能子电路之间的逻辑布线造成的产品体积大、成本高的问题。为了解决上述问题，本发明公开了一种多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构，包括一层或多层用于支撑功能芯片以及实现功能芯片间电气连接的基板；堆叠或平面布局于所述基板上的功能芯片；位于上下层功能芯片之间，用于固定和隔离上下层功能芯片的聚合物或载板；以及，用于实现所述功能芯片之间以及所述功能芯片与基板之间电气连接的键合引线或倒装焊形成的微凸点。优选的，所述电表模块结构包括二层以上的基板，其中在所述基板上设置有实现基板上下表面之间垂直电气连接的通孔；上下层基板之间通过基板上的垂直通孔实现基板之间的垂直电气连接。优选的，所述电表模块结构还包括覆盖于所述基板上表面的塑封胶；其中，所述塑封胶的高度和面积以包覆所有的功能芯片、键合引线和/或微凸点为准；所述塑封胶由有机聚合物材料制成。优选的，所述电表模块结构还包括形成于最下层基板下表面焊盘结构上的BGA焊球阵列。优选的，所述基板以化合物、陶瓷、硅或玻璃为基体；所述焊盘结构由铜、镍、金或上述材料的合金制成。
优选的，所述功能芯片包括微控制器(MCU,Micro Controller Unit)芯片、485芯片、计量芯片、嵌入式安全控制模块(ESAM, Embedded Secure Access Module)、存储器、逻辑电路和/或时钟芯片。依据本发明的另一优选实施例，还公开了一种电表模块结构的封装方法，包括将第一层功能芯片固定到基板上预留的指定位置，并建立所述功能芯片与基板的电气连接；在上层功能芯片的上方固定一层新的功能芯片，建立该新的功能芯片与所述基板的电气连接；重复上述功能芯片的堆叠过程，实现多层级功能芯片的三维封装过程。优选的，所述第一层功能芯片与基板的固定及电气连接方式具体为用贴片机将所述第一层功能芯片表贴于基板上，高温固化后使所述功能芯片稳固连接到所述基板上；用弓I线键合机建立所述功能芯片的焊盘与基板上表面焊盘结构的连接。优选的，所述上下层功能芯片之间的固定及电气连接方式具体为在下层功能芯片的上表面用点胶或涂敷方式形成一层聚合物，在聚合物上放置上层功能芯片，待所述聚合物固化后，用弓I线键合机建立所述上层功能芯片的焊盘与基板上表面焊盘结构的连接。 优选的，所述第一层功能芯片与基板之间，以及，所述上层功能芯片与下层功能芯片之间的固定及电气连接方式具体为将所述功能芯片固定在载板上，通过载板通孔，用倒装焊形成的载板焊球形成上下层功能芯片之间或第一层功能芯片与基板之间的固定及电气连接；其中所述功能芯片通过芯片焊球或聚合物固定在载板上，所述功能芯片与载板之间通过芯片焊球或键合于载板焊盘与芯片焊盘之间的引线建立电气连接。优选的，还包括在封装有多层功能芯片的基板上再堆叠一层或多层用同样方法封装的基板，并通过设置于基板上的垂直通孔建立上下层基板之间的电气连接。优选的，还包括用点胶或者涂敷方式在基板上表面形成一层塑封胶，并加温固化；所述塑封胶的高度和面积以包覆所有的功能芯片、键合引线以及基板上表面的裸露焊盘为准。优选的，还包括在所述基板下表面焊盘结构上通过C4工艺回流形成BGA焊球阵列。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明优选实施例将电表模块中所用的各个不同尺寸、型号的功能芯片裸片，通过集成电路后道封装的一系列的基板工艺和微组装工艺集成在一个封装体内，形成一个高密度、低损耗的小型电子系统及产品，可克服现有系统集成技术将各个已封装成成品芯片的功能子电路通过PCB电路板集成等方式，按照相应的电气逻辑再次连接构成系统的方法所造成的产品尺寸大、走线难度大、重复开发成本高等问题。另外，各个芯片间的电气互连长度变短，还有利于提高信号处理的速度，从而提高产品的性能。在本发明进一步的优选实施例中，还在各功能芯片、键合引线和基板裸露焊盘上包覆有塑封胶，为功能芯片和键合引线提供机械保护及热保护，保证功能芯片间或功能芯片与基板间不会因震动等原因造成连接故障，可进一步提高产品的可靠性。在本发明进一步的优选实施例中，还包括形成于底层基板下表面焊盘结构上的球栅阵列结构(BGA，Ball Grid Array)焊球阵列，作为本发明电表模块与其他产品或模块连接的端口，可进一步扩展产品的应用范围。在本发明进一步的优选实施例中，基板的焊盘结构采用铜、镍或金等导电性能良好的金属，可方便形成焊球阵列并提高芯片间的电气连接性能。
图1-1是本发明多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构第一实施例的结构示意图；图1-2是本发明电表模块结构的封装方法第一实施例的流程图；图2是本发明多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构第二实施例的结构示意图；图3是本发明多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构第三实施例的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。第一实施例在本优选实施例中，堆叠于基板上的多层功能芯片之间采用聚合物进行固定和隔离，功能芯片与基板之间通过键合弓丨线建立电气连接。参照图1-1，示出了多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构第一实施例的结构示意图，包括基板11 :用于承载组成电表模块结构的多个功能芯片，并提供功能芯片间的电气互连；基板11可以化合物为基体制成，也可以陶瓷、硅或玻璃为基体制成；基板下表面焊盘结构12 :用于形成基板下表面焊球阵列；优选采用铜、镍、金及其合金等金属组成；基板下表面BGA焊球阵列13 :用于本发明电表模块结构与其他产品或模块(如电表模块的下一级母板)连接的端口；基板上表面焊盘结构14 :用于基板上表面功能芯片的键合引线焊盘；键合引线15 :用于连接功能芯片16上的引出焊盘和基板11上分布于功能芯片16四周的基板上表面焊盘14 ;为提高电气性能，优选采用金属金或者铜；功能芯片16-1 16-3 :用于实现本发明电表模块的功能，包括MCU芯片、485芯片、计量芯片、ESAM、存储器、逻辑电路、时钟芯片等功能芯片；其中，第二层级功能芯片16-2位于第一层级功能芯片16-1之上；第三层级功能芯片16-3位于第二层级功能芯片16-2之上；聚合物17 :位于第一层级功能芯片16-1和第二层级功能芯片16-2的上表面，用于固定和隔离上一层级功能芯片；塑封胶10 :覆盖于功能芯片16-1 16-3和键合引线15之上，其高度和面积以包覆所有的功能芯片、键合引线以及基板上表面的裸露焊盘为准；塑封胶10优选采用有机聚合物材料。需要说明的是，本优选实施例及其后续的二个实施例中都仅设置有一层基板，在实际实施过程中，布局有多层功能芯片的基板上面还可以堆叠一层或多层基板(每层基板上都可以堆叠一层或多层功能芯片)，基板堆叠层次可以达到5层；其中，上下层基板之间通过垂直通孔建立电气连接。参照图1-2，示出了采用本发明电表模块结构封装方法第一实施例的流程，具体包括步骤SlOl :将第一层功能芯片固定到基板上预留的指定位置；在本优选实施例中，用贴片机将第一层级芯片表贴于基板上预留的指定位置，然后将贴装芯片后的基板高温固化，使芯片和基板之间形成稳固连接；步骤S102 :建立所述功能芯片与基板的电气连接；本优选实施例中，通过引线键合机，将第一层级功能芯片的焊盘用信号线引出到 基板上相应的引线焊盘位置，实现第一层级功能芯片与基板的电气连接；步骤S103 :在上层功能芯片的上方固定一层新的功能芯片，建立该新的功能芯片与所述基板的电气连接；首先，采用点胶或者涂敷等方式在当前的上层功能芯片上表面(如第一层级功能芯片上表面)形成一层聚合物；然后，在聚合物上方放置一层新的功能芯片(如第二层级功能芯片)；经固化后，通过引线键合机，将新的功能芯片(如第二层级功能芯片)的焊盘用信号线引出到基板上相应的引线焊盘位置，实现该层级功能芯片与基板的电气连接；步骤S104 :重复执行步骤S103，实现多层级功能芯片的三维封装过程。考虑到本优选实施例电表模块的基板上有三层功能芯片，上述重复过程只需执行一次即可。在本优选实施例进一步的实施例中，为进一步增强产品的可靠性，并使得产品具有扩展功能，还可以增加下述处理流程步骤S105 :采用点胶或者涂敷等方式在基板上表面形成一层塑封胶，并加温固化；步骤S106 :在基板的背面通过C4工艺回流形成BGA焊球阵列；步骤S107 :对整个模块切片，并做相应的性能检测。第二实施例在本优选实施例中，每一层功能芯片以平面布局的方式固定在载板上，然后再将固定有功能芯片的载板层叠于基板之上，从而实现功能芯片的三维布局结构；其中，功能芯片与载板之间通过键合引线实现电气连接，载板的上下表面之间通过载板通孔建立电气连接，载板之间以及载板与基板之间通过载板焊球建立电气连接。参照图2，示出了多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构第二实施例的结构示意图，包括基板21 :用于承载组成电表模块结构的多个功能芯片，以及，建立功能芯片26之间的电气互连；本优选实施例中，基板21选用化合物为基体制成；基板下表面焊盘结构22 :用于形成基板下表面焊球阵列；优选采用铜、镍、金及其合金等金属组成；基板下表面BGA焊球阵列23 :用于本发明电表模块与其他产品或模块(如电表模块的下一级母板)连接的端口；载板表面焊盘结构24 :用于载板上表面功能芯片的键合引线焊盘；
键合引线25 :用于连接功能芯片26上的引出焊盘和载板28上分布于功能芯片26四周的载板表面焊盘24 ;为提高电气性能，优选采用金属金或者铜；功能芯片26 :用于实现本发明电表模块的功能，包括MCU芯片、485芯片、计量芯片、ESAM、存储器、逻辑电路、时钟芯片等功能芯片；聚合物27 :位于载板28的上表面,用于将功能芯片固定在载板28上；载板28:用于固定和隔离不同层级的功能芯片26，并通过载板通孔29和载板焊球210建立不同层级的功能芯片26之间以及功能芯片26与基板21之间的电气连接；载板28的材料可选用化合物或者硅、玻璃等，上有重新分布层和载板通孔；载板通孔29 :用于载板28的上表面和下表面的垂直电气互连； 载板焊球29-1 :用于建立载板28之间以及载板28与基板21之间的垂直电气连接；塑封胶20 :覆盖于载板28、功能芯片26和键合引线25之上，其高度和面积以包覆所有的功能芯片、键合引线以及载板为准；塑封胶20优选采用有机聚合物材料。其中，本优选实施例电表模块结构的封装方法具体包括步骤S201 :将第一层级功能芯片通过聚合胶粘贴到第一层载板上，然后，通过键合引线建立第一层功能芯片及其载板上表面焊盘结构的电气连接；步骤S202 :将上述第一层载板焊接到基板上；其中，第一层级功能芯片通过键合引线、载板通孔、载板焊球实现与基板的电气连接;步骤S203 :将第二层级功能芯片通过聚合胶粘贴到第二层载板上，然后，通过键合引线建立第二层级功能芯片及其载板上表面焊盘结构的电气连接；步骤S204 :将上述第二层载板焊接到第一层载板上；其中，第二层级功能芯片通过键合引线、第二层载板通孔、载板焊球实现与第一层级功能芯片和基板的电气连接；步骤S205 :将第三层级功能芯片通过聚合胶粘贴到第三层载板上，然后，通过键合引线建立第三层级功能芯片及其载板上表面焊盘结构的电气连接；步骤S206 :将上述第三层载板焊接到第二层载板上；其中，第三层级功能芯片通过键合引线、第三层载板通孔、载板焊球实现与第二层级功能芯片、第一层级功能芯片和基板的电气连接；步骤S207 :采用点胶方式在基板上表面形成一层塑封胶，并加温固化，以保护基板上的各层级功能芯片、键合引线和载板焊球的互连结构；步骤S208 :在基板的背面通过倒装焊方法形成BGA焊球阵列。第三实施例在本优选实施例中，每一层功能芯片以平面布局的方式固定在载板上(可以在载板的上下表面均固定功能芯片)，然后再将固定有功能芯片的载板层叠于基板之上，从而实现功能芯片的三维布局结构；其中，功能芯片与载板之间通过芯片焊球实现电气连接，载板的上下表面之间通过载板通孔建立电气连接，载板之间以及载板与基板之间通过载板焊球建立电气连接。参照图3，示出了多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构第三实施例的结构示意图，包括基板31 :用于承载组成电表模块的多个功能芯片，以及，建立功能芯片36之间的电气互连；本优选实施例中，基板31选用化合物为基体制成；基板下表面焊盘结构32 :用于形成基板下表面焊球阵列；优选采用铜、镍、金及其合金等金属组成；基板下表面BGA焊球阵列33 :用于本发明电表模块与其他产品或模块(如电表模块的下一级母板)连接的端口；功能芯片36 :用于实现本发明电表模块的功能，包括MCU芯片、485芯片、计量芯片、ESAM、存储器、逻辑电路、时钟芯片等功能芯片；载板38:用于固定和隔离不同层级的功能芯片36，并通过载板通孔39和载板焊球39-1建立不同层级的功能芯片36之间以及功能芯片36与基板31之间的电气连接；载板 38的材料可选用化合物或者硅、玻璃等，上有重新分布层和载板通孔；载板通孔39 :用于载板38的上表面和下表面的垂直电气互连；载板焊球39-1 :用于建立载板38之间以及载板38与基板31之间的垂直电气连接；芯片焊球36-1 :用于将功能芯片36固定在载板38上，并建立载板38与功能芯片36之间的电气连接；其中，功能芯片36既可以固定在载板38的上表面，也可以固定在载板38的下表面,或同时固定在载板38的上下表面；塑封胶30 :覆盖于载板38、功能芯片36之上，其高度和面积以包覆所有的功能芯片和载板为准；塑封胶30优选采用有机聚合物材料。需要说明的是，上述装置实施例属于优选实施例，所涉及的单元和模块并不一定是本发明所必须的。其中，本优选实施例电表模块结构的封装方法具体包括步骤S301 :将第一层级功能芯片和第二层级功能芯片分别焊接到第一层载板的下表面和上表面；第一层级功能芯片和第二层级功能芯片通过芯片焊球实现与第一层载板的电气连接；并通过第一层载板实现第一层级功能芯片和第二层级功能芯片之间的电气连接；步骤S302 :将上述第一层载板焊接到基板上；其中，第一层级功能芯片和第二层级功能芯片通过芯片焊球、载板通孔、载板焊球实现与基板的电气连接；步骤S303 :将第三层级功能芯片焊接到第二层载板上；其中，第三层级功能芯片通过芯片焊球实现与第二层载板的电气连接；步骤S304 :将上述第二层载板焊接到第一层载板上；其中，第三层级功能芯片通过芯片焊球、载板通孔、载板焊球实现与第一层级功能芯片、第二层级功能芯片以及基板的电气连接；步骤S305 :将第四层级功能芯片焊接到第三层载板上；其中，第四层级功能芯片通过芯片焊球实现与第三层载板的电气连接；步骤S306 :将上述第三层载板焊接到第二层载板上；其中，第四层级功能芯片通过芯片焊球、载板通孔、载板焊球实现与第三层级功能芯片、第二层级功能芯片、第一层级功能芯片以及基板的电气连接；步骤S307 :采用涂敷方式在基板上表面形成一层塑封胶，以保护基板上的各层级功能芯片、芯片焊球和载板焊球的互连结构；步骤S308 :在基板的背面通过倒装焊方法形成BGA焊球阵列。对于前述的各方法实施例，为了描述简单，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域的技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为根据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或同时执行其次，本领域技术人员也应该知悉，上述方法实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
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以上对本发明所提供的一种多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构及其封装方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构，其特征在于，包括 一层或多层用于支撑功能芯片以及实现功能芯片间电气连接的基板； 堆叠或平面布局于所述基板上的功能芯片； 位于上下层功能芯片之间，用于固定和隔离上下层功能芯片的聚合物或载板； 以及，用于实现所述功能芯片之间以及所述功能芯片与基板之间电气连接的键合引线或倒装焊形成的微凸点。
2.如权利要求I所述的电表模块结构，其特征在于，所述电表模块结构包括二层以上的基板，其中在所述基板上设置有实现基板上下表面之间垂直电气连接的通孔；上下层基板之间通过基板上的垂直通孔实现基板之间的垂直电气连接。
3.如权利要求I所述的电表模块结构，其特征在于，所述电表模块结构还包括覆盖于所述基板上表面的塑封胶；其中，所述塑封胶的高度和面积以包覆所有的功能芯片、键合引线和/或微凸点为准；所述塑封胶由有机聚合物材料制成。
4.如权利要求I所述的电表模块结构，其特征在于，所述电表模块结构还包括形成于最下层基板下表面焊盘结构上的BGA焊球阵列。
5.如权利要求I所述的电表模块结构，其特征在于 所述基板以化合物、陶瓷、硅或玻璃为基体； 所述焊盘结构由铜、镍、金或上述材料的合金制成。
6.如权利要求I所述的电表模块结构，其特征在于，所述功能芯片包括微控制器芯片、485芯片、计量芯片、嵌入式安全控制模块、存储器、逻辑电路和/或时钟芯片。
7.一种电表模块结构的封装方法，其特征在于，包括 将第一层功能芯片固定到基板上预留的指定位置，并建立所述功能芯片与基板的电气连接； 在上层功能芯片的上方固定一层新的功能芯片，建立该新的功能芯片与所述基板的电气连接； 重复上述功能芯片的堆叠过程，实现多层级功能芯片的三维封装过程。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于 所述第一层功能芯片与基板的固定及电气连接方式具体为用贴片机将所述第一层功能芯片表贴于基板上，高温固化后使所述功能芯片稳固连接到所述基板上；用引线键合机建立所述功能芯片的焊盘与基板上表面焊盘结构的连接； 或， 所述上下层功能芯片之间的固定及电气连接方式具体为在下层功能芯片的上表面用点胶或涂敷方式形成一层聚合物，在聚合物上放置上层功能芯片，待所述聚合物固化后，用弓I线键合机建立所述上层功能芯片的焊盘与基板上表面焊盘结构的连接； 或， 所述第一层功能芯片与基板之间，以及，所述上层功能芯片与下层功能芯片之间的固定及电气连接方式具体为将所述功能芯片固定在载板上，通过载板通孔，用倒装焊形成的载板焊球形成上下层功能芯片之间或第一层功能芯片与基板之间的固定及电气连接；其中所述功能芯片通过芯片焊球或聚合物固定在载板上，所述功能芯片与载板之间通过芯片焊球或键合于载板焊盘与芯片焊盘之间的引线建立电气连接。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括 在封装有多层功能芯片的基板上再堆叠一层或多层用同样方法封装的基板，并通过设置于基板上的垂直通孔建立上下层基板之间的电气连接。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括。
用点胶或者涂敷方式在基板上表面形成一层塑封胶，并加温固化；所述塑封胶的高度和面积以包覆所有的功能芯片、键合引线以及基板上表面的裸露焊盘为准。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括 在所述基板下表面焊盘结构上通过C4工艺回流形成BGA焊球阵列。
全文摘要
本发明提供了一种多芯片系统级封装技术实现的电表模块结构及其封装方法，所述电表模块结构包括一层或多层用于支撑功能芯片以及实现功能芯片间电气连接的基板；堆叠或平面布局于所述基板上的功能芯片；位于上下层功能芯片之间，用于固定和隔离上下层功能芯片的聚合物或载板；以及，用于实现所述功能芯片之间以及所述功能芯片与基板之间电气连接的键合引线或倒装焊形成的微凸点。本发明将电表模块中所用的各个不同尺寸、型号的功能芯片裸片，通过集成电路后道封装的一系列的基板工艺和微组装工艺集成在一个封装体内，形成一个高密度、低损耗的小型电子系统及产品，可克服现有系统集成技术产品尺寸大、走线难度大、重复开发成本高等问题。
文档编号G01R11/02GK102944709SQ20111023381
公开日2013年2月27日 申请日期2011年8月16日 优先权日2011年8月16日
发明者刘璟, 谢伟东, 李天石, 田漪婷 申请人:北京天中磊智能科技有限公司