一种车规芯片封装结构及封装方法与流程

文档序号:30584188发布日期:2022-06-29 16:09阅读:782来源:国知局
一种车规芯片封装结构及封装方法与流程

1.本发明涉及芯片封装领域,尤其涉及一种车规芯片封装结构及封装方法。


背景技术:

2.车规芯片需要在负载的环境中运行,如高温、低温、震动、电磁等环境,因此为保证车规芯片有效工作,在芯片设计、验证、流片、封装等环节都需要采用符合标准的设计方法和工艺,来保证芯片的一致性和可靠性;进一步的由于随着芯片设计、流片等技术已成熟非常成熟,对于车规芯片来说封装成为整个车规芯片的技术核心点,因此如何在保证小型化的同时,防止芯片在复杂环境下焊盘脱落、应力破坏、电磁不兼容等问题成为当前车规芯片封装技术发展的主要方向之一。
3.fccsp倒装芯片(flip-chip,简称为fc)之所以被成为“倒装”,是相对于传统的金属线键 合(wire bonding)连接方式与植球后的工艺而言的。传统的通过金属线键合与基板连接的芯片电气面朝上,而倒装芯片的电气面朝下,相当于将前者翻转过来,故称其为倒装芯片。 倒装芯片具有更小的外形尺寸,更小的球径和球间距,在产品成本、性能及高密度封装等方 面体现出独特的优势。因此,近几年来倒装芯片在小型化高密度高性能封装的产品中得到 了广泛的应用。
4.具体做法是是芯片采用倒装焊接至基板后,在芯片与基板间灌封液态底填料的方法完成封装,以增加可靠性。其主要问题是芯片和基板键合后,芯片和基板间隙很小,从芯片边缘涂覆底填树脂过程中,容易产生气泡,芯片尺寸越大,气泡越容易产生,由于基板和芯片间有大量的芯片焊球,底填料通过毛细现象填充基板以及芯片焊球形成的空隙,由于焊球的阻碍,底填料在不同焊球间流动,会形成空气腔,在固化后形成起泡,气泡会导致在后续高温回流过程中产生开焊,导致封装失效;同时由于树脂等填充材料与键合锡焊材料的热膨胀系数不同在不同温度下由于热膨胀、收缩等原因会造成芯片与基板之间脱离或应力损坏,尤其在车用条件下,上述芯片失效将大大影响车辆运行安全及用户使用体验。
5.因此,如何有效避免倒装芯片底部填胶与半导体芯片或基板间、亦或芯片内层发生脱层问题,同时亦可提供倒装芯片式半导体芯片的导电凸块有效保护,确已为相关研发领域所迫切待解决的课题。
6.例如,一种在中国专利文献上公开的“集成电路封装结构及底部填充胶工艺”,其公告号cn1812077,包括提供位于承载基板上的屏蔽结构,于承载基板上黏附倒置的倒装芯片之锡铅凸块,再由倒装芯片与基板之间的多个注入点沿着倒装芯片的边缘注入粘结材料,再顺着粘结材料四周注入密封材料。但是,上述方案采用填胶倒装工艺,存在如下问题:1)填充量,填充不足热应力导致芯片开裂。过多的填充又会溢流到芯片底部以外。2)填充温度,预热,加热以及填充后的加热对其流动性有很大影响,温度控制不好容易造成填充孔洞; 3)填充方法,从一边填充会导致流动过长,从两边填充会导致内部产生气孔。所以不同的填充方式都有不同的工艺参数;4)不同材料如填充材料、凸点材料、封装材料等热膨胀系数不同,容易在负责冷热环境下造成应力集中,从而使芯片与基板之间脱离;5)空隙空间的
大小高度会影响芯片散热性能的问题。


技术实现要素:

7.本发明是为了解决现有技术的芯片底部填胶与基板间易开裂的问题,提供一种车规芯片封装结构及封装方法,芯片与基板之间的绝缘区紧密粘合,防止芯片填胶与基板间开裂。
8.为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:一种车规芯片封装结构,包括芯片和承载该芯片的基板,其特征在于,所述芯片包括正面和与正面相背的第一电气面,所述第一电气面包括第一焊盘区和第一绝缘区,所述第一绝缘区包括绝缘材料层,所述绝缘材料层设置在第一焊盘区的焊点间空隙中,所述第一绝缘区表面高度高于第一焊盘区;所述芯片的正面和侧面覆盖有电磁屏蔽罩;所述电磁屏蔽罩上还设有第一接地焊盘区,所述基板包括背面和与背面相背的第二电气面,所述第二电气面包括与第一焊盘区相对的第二焊盘区、与第一绝缘区相对的第二绝缘区和与第一接地焊盘区相对的第二接地焊盘区,所述第二绝缘区表面高度不低于第二焊盘区;所述第一焊盘区或第二焊盘区的各个焊点上均设有导焊凸块。
9.第一焊盘区和第二焊盘区通过导焊凸块实现键合;第一绝缘区与第二绝缘区融合;有效避免芯片与基板之间采用有机料填充因热膨胀差异导致的机械失效及散热等问题;同时绝缘区层间可通过真空热压、超声融合等方法实现紧密黏合,进一步提高芯片与基板之间的贴合力度,防止开裂。所述绝缘材料采用半固化树脂或金属氧化物材料或其他具有热固定特性的有机材料,或在金属氧化层涂覆绝缘材料共同构成绝缘区,且绝缘材料厚度小于金属氧化层厚度。
10.作为优选,所述导焊凸块体积vt满足关系,vt≤s(h1+h2),其中h1第一焊盘区与第一绝缘区的高度差,h2为第二焊盘区与第二绝缘区的高度差,s单个焊盘的面积。
11.作为优选,所述基板背面设有若干导焊凸点,所述导焊凸点通过基板内部互联电路与第二焊盘区连接,使第二焊盘区通过内部互联电路到导焊凸点形成导电通路,所述基板内部设有接地层,所述基板背面还覆盖有绝缘层,所述导焊凸点沿绝缘层厚度方向贯穿,所述导焊凸点最高点不低于接绝缘层表面。导焊凸点作为芯片电路的i/o端与外部印刷线路板互接。
12.作为优选,所述电磁屏蔽罩还包括金属屏蔽层和封装体,所述芯片正面与金属屏蔽层贴合固定连接,所述金属屏蔽层通过接地桥与第一焊盘区连接,所述金属屏蔽层一面通过接地桥与第一焊盘区形成导电通路,所述接地桥外包裹有封装膜,所述封装体与金属屏蔽层表面贴合固定。封装体采用树脂、陶瓷等材料进行封装,包裹芯片正面。
13.作为优选,所述金属屏蔽层与芯片正面之间还设有第一粘合层。所述第一粘合层采用高导热粘合剂。
14.一种车规芯片封装方法,其特征是,用于本方案所述的车规芯片封装结构,包括如下步骤:s1:对裸芯片和基板进行等离子清洁,去除表面污染物和裸芯片及基板的焊盘氧化层;
s2:在裸芯片正面设置金属屏蔽层,并在金属屏蔽层上于芯片的至少一侧设置接地桥,在所述接地桥的端部设置第一焊盘区,所述第一接地焊盘区与裸芯片焊盘平齐,所述接地桥与所述金属屏蔽层形成导电通路;s3:将第一焊盘区与第二焊盘区对齐,第一绝缘区和第二绝缘区对齐;将第一焊盘区域与第二焊盘区通过导焊凸块焊接键合,将第一绝缘区与第二绝缘区融合;s4:对金属屏蔽层上方进行封装形成封装层。
15.金属屏蔽层和封装层组合成电磁屏蔽罩,电磁屏蔽罩配合基板紧密包裹芯片,起到紧密封装效果。基板固定芯片的同时,通过内部金属互联电路对芯片引脚重新排列,便于与外部pcb焊接,增加了封装芯片的散热性,增加引脚密度。
16.作为优选,步骤s2包括下述细分步骤:s21:在裸芯片正面设置金属屏蔽层,在粘有金属屏蔽层的裸芯片正面覆盖封装膜,并且封装膜覆盖金属屏蔽层边缘延伸出芯片的部分;s22:所述封装膜上表面不低于芯片电气面的第一绝缘区上表面;s23:通过激光打孔、蚀刻或者光刻工艺在接地桥对应的封装膜位置沿封装膜厚度方向穿孔至金属屏蔽层;s24:在所述穿孔位置设置金属导体与金属屏蔽层连接或者通过金属溅射填充工艺在穿孔中形成金属导体并与金属屏蔽层连接;s25:在金属导体的端部设置与芯片焊点水平的第一接地焊盘区形成与第二焊盘区键合的第一焊盘区;s26:在第一焊盘区的焊盘上植球形成导焊凸块。
17.金属屏蔽层通过导电桥的第一接地焊盘与第二接地焊盘焊连从而与接地层连接,本方案的金属屏蔽层结构减少芯片封装的体积和成本,并且保证电磁屏蔽的效果。
18.作为优选,所述步骤s2还包括:s21:在裸芯片正面设置金属屏蔽层,在金属屏蔽层上于芯片的至少一侧设置接地桥,在接地桥端部设置与芯片焊点水平的第一接地焊盘区形成第二焊盘区键合的第一焊盘区;s22:在第一焊盘区包覆封装膜;所述封装膜覆盖第一焊盘区、第一绝缘区和导电桥;s23:对封装膜上表面进行研磨加工,使第一绝缘区的表面裸露出来,其余部位的封装膜表面与第一绝缘层上表面水平;s24:通过激光打孔、蚀刻或光刻工艺去除第一焊盘区表面的封装膜,使焊盘表面裸露出来形成焊盘凹陷;s25:在第一焊盘区的焊盘上植球形成导焊凸块。
19.所述导焊凸块体积vt满足关系,vt≤s(h1+h2),其中h1第一焊盘区与第一绝缘区的高度差,h2为第二焊盘区与第二绝缘区的高度差,s单个焊盘的面积。使导电凸块融化时刚好填充s(h1+h2)构成的空间,由于绝缘层在真空热压或超声焊接作用下融合高度造成高度些微下降,因此导焊凸块的体积vt小于或等于s(h1+h2)。
20.作为优选,所述在芯片正面设置金属屏蔽层包括:将导电金属薄片通过临时粘合层粘合到载板上,然后将裸芯片正面与粘合有导电金属薄片的载板的导电金属薄片面通过
粘合层粘合;或者通过金属溅射或电镀工艺形成带导电桥的金属屏蔽层。芯片和载板完成倒装贴合后,去除载板并清洗临时粘合层,在芯片正面贴合金属屏蔽层上形成封装体,配合基板延伸出芯片的边缘从而紧密包裹芯片。
21.因此,本发明具有如下有益效果:第一焊盘区和第二焊盘区通过导焊凸块实现键合;第一绝缘区与第二绝缘区融合;有效避免芯片与基板之间采用有机料填充因热膨胀差异导致的机械失效及散热等问题;同时绝缘区层间可通过真空热压、超声融合等方法实现紧密黏合,进一步提高芯片与基板之间的贴合力度,防止开裂。金属屏蔽层通过导电桥的第一接地焊盘与第二接地焊盘焊连从而与接地层连接,本方案的金属屏蔽层结构减少芯片封装的体积和成本,并且保证电磁屏蔽的效果。
附图说明
22.图1是本发明一实施例的裸芯片结构示意图。
23.图2是本发明一实施例基板结构示意图。
24.图3是本发明一实施例封装结构局部示意图。
25.图4是本发明一实施例芯片封装示意图。
26.图5是本发明一实施例芯片封装膜加工流程示意图。
27.图中:1、第一电气面 2、第二电气面 3、第一焊盘区 4、第一绝缘区 5、第二焊盘区 6、第二绝缘区 7、焊点 8、第一接地焊盘区 9、第二接地焊盘区 10、导焊凸块 11、基板 12、接地层 13、内部互联电路 14、导焊凸点 15、载板 16、金属屏蔽层 17、接地桥 18、封装膜 19、第一粘合层 20临时粘合层 21、裸芯片 22、芯片 23、键合区 24、融合界面 25、封装层。
具体实施方式
28.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
29.实施例1:如图1-4所示的一种车规芯片封装结构:所述芯片包括正面和与正面相背的第一电气面1,所述第一电气面1包括第一焊盘区3和第一绝缘区4,所述第一绝缘区4包括绝缘材料层,所述绝缘材料层设置在第一焊盘区3的焊点7间空隙中,所述第一绝缘区4表面高度高于第一焊盘区3;所述芯片的正面和侧面覆盖有电磁屏蔽罩;所述电磁屏蔽罩上还设有第一接地焊盘区8,所述基板11包括背面和与背面相背的第二电气面2,所述第二电气面2包括与第一焊盘区3相对的第二焊盘区5、与第一绝缘区4相对的第二绝缘区6和与第一接地焊盘区8相对的第二接地焊盘区9,所述第二绝缘区6表面高度不低于第二焊盘区5;所述第一焊盘区3或第二焊盘区5的各个焊点7上均设有到焊凸块10。到焊凸块10呈半径为r的球形,v
球 (4/3)πr^3。所述到焊凸块10体积v

满足关系,v

≤s(h1+h2),其中h1第一焊盘区33与第一绝缘区44的高度差,h2为第二焊盘区55与第二绝缘区66的高度差,s单个焊盘的面积。
30.所述基板11背面设有若干导焊凸点14,所述导焊凸点14通过基板11内部互联电路13与第二焊盘区5连接,使第二焊盘区5通过内部互联电路13到导焊凸点14形成导电通路,所述基板11内部设有接地层12,所述基板11背面还覆盖有绝缘层,所述导焊凸点14沿绝缘层厚度方向贯穿,所述导焊凸点14最高点不低于接绝缘层表面。
31.所述电磁屏蔽罩还包括金属屏蔽层16和封装体,所述芯片正面与金属屏蔽层16贴合固定连接,所述金属屏蔽层16通过接地桥17与第一焊盘区3连接,所述金属屏蔽层16一面通过接地桥17与第一焊盘区3形成导电通路,所述接地桥17外包裹有封装膜18,所述封装体与金属屏蔽层16表面贴合固定。
32.本发明还公开了一种车规芯片封装方法:包括如下封装步骤,:s1:对裸芯片21和基板11进行等离子清洁,去除表面污染物和裸芯片21及基板11的焊盘氧化层;s2:在裸芯片21正面设置金属屏蔽层16,并在金属屏蔽层16上于芯片的至少一侧设置接地桥17,在所述接地桥17的端部设置第一焊盘区3,所述第一接地焊盘区8与裸芯片21焊盘平齐,所述接地桥17与所述金属屏蔽层16形成导电通路;s21:将导电金属薄片通过临时粘合层20粘合到载板15上,然后将裸芯片21正面与粘合有导电金属薄片的载板15的导电金属薄片面通过粘合层粘合,在粘有金属屏蔽层16的裸芯片21正面覆盖封装膜18,并且封装膜18覆盖金属屏蔽层16边缘延伸出芯片的部分;s22:所述封装膜18上表面不低于芯片电气面的第一绝缘区4上表面;s23:通过激光打孔、蚀刻或者光刻工艺在接地桥17对应的封装膜18位置沿封装膜18厚度方向穿孔至金属屏蔽层16;s24:在所述穿孔位置设置金属导体与金属屏蔽层16连接或者通过金属溅射填充工艺在穿孔中形成金属导体并与金属屏蔽层16连接;s25:在金属导体的端部设置与芯片焊点7水平的第一接地焊盘区8形成与第二焊盘区5键合的第一焊盘区3;s26:在第一焊盘区3的焊盘上植球形成导焊凸块10。所述导焊凸块10体积vt满足关系,vt≤s(h1+h2),其中h1第一焊盘区3与第一绝缘区4的高度差,h2为第二焊盘区5与第二绝缘区6的高度差,s单个焊盘的面积。使导电凸块融化时刚好填充s(h1+h2)构成的空间,由于绝缘层的融合界面24在真空热压或超声焊接作用下融合高度造成高度些微下降,因此导焊凸块10的体积vt小于或等于s(h1+h2)。
33.s3:将第一焊盘区3与第二焊盘区5对齐,第一绝缘区4和第二绝缘区6对齐;将第一焊盘区3域与第二焊盘区5通过导焊凸块10焊接键合形成键合区23,将第一绝缘区4与第二绝缘区6融合;s4:芯片和载板15完成倒装贴合后,去除载板15并清洗临时粘合层20,在金属屏蔽层16上方进行封装形成封装层25,配合基板11延伸出芯片的边缘从而紧密包裹芯片。
34.实施例2:如图1-4所示的一种芯片封装结构:所述芯片包括正面和与正面相背的第一电气面1,所述第一电气面1包括第一焊盘区3和第一绝缘区4,所述第一绝缘区4包括绝缘材料层,所述绝缘材料层设置在第一焊盘区3的焊点7间空隙中,所述第一绝缘区4表面高度高于第一焊盘区3;所述芯片的正面和侧面覆盖有电磁屏蔽罩;所述电磁屏蔽罩上还设有第一接地焊盘区8,所述基板11包括背面和与背面相背的第二电气面2,所述第二电气面2包括与第一焊盘区3相对的第二焊盘区5、与第一绝缘区4相对的第二绝缘区6和与第一接地焊盘区8相对的第二接地焊盘区9,所述第二绝缘区6表面高度不低于第二焊盘区5;所述第一焊盘区3
或第二焊盘区5的各个焊点7上均设有到焊凸块10。所述到焊凸块10体积v
t
满足关系,v
t
≤s(h1+h2),其中h1第一焊盘区3与第一绝缘区4的高度差,h2为第二焊盘区5与第二绝缘区6的高度差,s单个焊盘的面积。
35.所述基板11背面设有若干导焊凸点14,所述导焊凸点14通过基板11内部互联电路13与第二焊盘区5连接,使第二焊盘区5通过内部互联电路13到导焊凸点14形成导电通路,所述基板11内部设有接地层12,所述基板11背面还覆盖有绝缘层,所述导焊凸点14沿绝缘层厚度方向贯穿,所述导焊凸点14最高点不低于接绝缘层表面。
36.所述电磁屏蔽罩还包括金属屏蔽层16和封装体,所述芯片正面与金属屏蔽层16贴合固定连接,所述金属屏蔽层16通过接地桥17与第一焊盘区3连接,所述金属屏蔽层16一面通过接地桥17与第一焊盘区3形成导电通路,所述接地桥17外包裹有封装膜18,所述封装体与金属屏蔽层16表面贴合固定。
37.本发明还公开了一种芯片封装方法:包括如下封装步骤,:s1:对裸芯片21和基板11进行等离子清洁,去除表面污染物和裸芯片21及基板11的焊盘氧化层;s2:在裸芯片21正面设置金属屏蔽层16,并在金属屏蔽层16上于芯片的至少一侧设置接地桥17,在所述接地桥17的端部设置第一焊盘区3,所述第一接地焊盘区8与裸芯片21焊盘平齐,所述接地桥17与所述金属屏蔽层16形成导电通路;包括如下细分步骤,如图5所示:s21:在裸芯片21正面设置金属屏蔽层16,所述金属屏蔽层16通过金属溅射或电镀工艺形成带导电桥的金属屏蔽层16;或者通过第一粘合层19将带有导电桥的金属屏蔽层16和芯片正面粘合,在金属屏蔽层16上于芯片的至少一侧设置接地桥17,在接地桥17端部设置与芯片焊点7水平的第一接地焊盘区8形成第二焊盘区5键合的第一焊盘区3;s22:在第一焊盘区3包覆封装膜18;所述封装膜18覆盖第一焊盘区3、第一绝缘区4和导电桥;s23:对封装膜18上表面进行研磨加工,使第一绝缘区4的表面裸露出来,其余部位的封装膜18表面与第一绝缘层上表面水平;s24:通过激光打孔、蚀刻或光刻工艺去除第一焊盘区3表面的封装膜18,使焊盘表面裸露出来形成焊盘凹陷;s25:在第一焊盘区3的焊盘上植球形成导焊凸块10。所述导焊凸块10体积vt满足关系,vt≤s(h1+h2),其中h1第一焊盘区3与第一绝缘区4的高度差,h2为第二焊盘区5与第二绝缘区6的高度差,s单个焊盘的面积。使导电凸块融化时刚好填充s(h1+h2)构成的空间,由于绝缘层的融合界面24在真空热压或超声焊接作用下融合高度造成高度些微下降,因此导焊凸块10的体积vt小于或等于s(h1+h2)。
38.s3:将第一焊盘区3与第二焊盘区5对齐,第一绝缘区4和第二绝缘区6对齐;将第一焊盘区3域与第二焊盘区5通过导焊凸块10焊接键合形成键合区23,将第一绝缘区4与第二绝缘区6融合;s4:在金属屏蔽层16上方进行封装形成封装层25。
39.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替
代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
40.尽管本文较多地使用了金属屏蔽层、接地层、植球、粘合层、绝缘区等术语,但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质;把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
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