一种三维叠层封装结构及其封装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维叠层封装结构及其封装方法，属于半导体封装技术领域。
【背景技术】
[0002]作为目前封装高密度集成的主要方式，三维叠层封装结构中的封装体叠层已经成为业界的首选。
[0003]在现有的封装体叠层封装结构中，作为封装体叠层封装的单元，每一个独立的封装体在封装时都需要利用贴膜基板作为封装的载板，用以承载被封装的芯片，结构复杂。如图1所示为一个典型的两层叠层封装设计，第二层的封装体13通过焊球12的回流过程焊接到第一层的封装体11上，更多层的叠层封装设计可以重复如上过程。为了避免第一层的芯片与第二层的载板产生干扰，此方法需要用大尺寸的焊锡球，而越大的焊锡球需要越大的空间，以防止焊锡球之间短路，所以此方法的焊接密度较低，工艺难度较大，不利于缩小封装体积，不符合小型化的封装趋势。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述封装体叠层封装结构的不足，提供一种不需载板承载芯片、结构简洁，符合小型化趋势、降低工艺难度的三维叠层封装结构及其封装方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
本发明一种三维叠层封装结构，其包括若干个上下叠层封装的封装单体，所述封装单体包括芯片封装体和下封装体，
所述芯片封装体包括至少一个芯片和再布线金属层，所述芯片位于整个芯片封装体的中央，所述再布线金属层选择性地设置于该芯片的四周，所述芯片与再布线金属层的近芯片端通过连接件连接，所述再布线金属层的下表面设置金属种子层II，并于所述金属种子层II的下表面设置芯片封装体的下输入/输出端，
于所述芯片同侧，所述再布线金属层的远芯片端设置金属柱II，所述金属柱II与再布线金属层固连，且该金属柱II的水平高度高于芯片的水平高度，所述再布线金属层、金属柱
I1、芯片、连接件和金属种子层及其彼此间的空间填充包封材料，形成包封材料层II，所述包封材料层II露出金属柱II的上表面，形成芯片封装体的上输入/输出端；
所述下封装体包括金属柱I和包封材料层I，所述金属柱I与所述芯片封装体的下输入/输出端固连，所述包封材料层I包封金属柱I，且露出金属柱I的下表面，形成下封装体的输入/输出端；
上下相邻两个所述封装单体之间设置焊球/焊块，所述焊球/焊块的一端连接上一所述封装单体的下封装体的输入/输出端，其另一端连接下一所述封装单体的芯片封装体的上输入/输出端。
[0006]所述连接件为微凸块及其顶端的金属连接层。
[0007]所述微凸块可以由下列元素的至少一种元组成:铜Cu、镍N1、钒V、钛T1、钯Pd、金Au、银 Ag。
[0008]所述连接件为金属引线。
[0009]所述金属种子层II的厚度为0.01?2微米。
[0010]所述金属柱I的高度hi范围为5?100微米.所述金属柱I的高度hi范围为10?20微米为佳。
[0011]所述金属柱II的高度h2的范围在100?300微米。
[0012]本发明一种三维叠层封装结构的封装方法，其包括如下工艺步骤:
步骤一、取一载板，采用晶圆级工艺或平板工艺利用溅射或化学镀的方法在该载板上沉积一金属种子层I，再依次利用光刻、电镀的方法，在金属种子层I的表面形成金属柱I，去除剩余的光刻胶；
步骤二、采用包封工艺用包封材料将金属柱I进行包封，包封材料固化后，再对包封材料的上表面进行研磨，至露出金属柱I的上表面，同时形成包封材料层I ;
步骤三、采用溅射或化学镀的方式在上述结构的上表面沉积一层金属种子层II，再依次利用光刻、电镀的方法，在金属种子层II的表面选择性地形成再布线金属层，去除剩余的光刻胶；
步骤四、再次依次利用光刻和电镀的方法，在再布线金属层的表面形成金属柱II，去除剩余的光刻胶，并腐蚀去掉再布线金属层以外区域的无效的金属种子层II ；
步骤五、利用微凸块工艺或打线工艺将芯片与再布线金属层通过连接件连接；
步骤六、再次用包封材料将再布线金属层、金属柱I1、芯片、连接件、金属引线和金属种子层II及其彼此间的空间进行包封，并对包封材料的上表面进行研磨，露出金属柱II的上表面，形成包封材料层II，完成芯片封装体的封装工艺；
步骤七、通过研磨的方法，完全去除载板和金属种子层I，至露出金属柱I的表面，形成封装单体结构；
步骤八、切割、裂片上述的封装结构，形成复数颗独立的封装单体，并将这些封装单体依次上下耦合连接，形成三维叠层封装结构。
[0013]所述金属种子层I的厚度为0.01?2微米。
[0014]本发明的有益效果是:
本发明的三维叠层封装结构采用预埋金属柱的方式形成叠层封装所需的电气互连通道，金属柱采用晶圆级工艺或平板工艺批量化操作形成，工步的对位是直接可视的，简化了工艺，提高了效率，降低了生产成本；
本发明的三维叠层封装结构的封装方法的每一通道做得很细致，保障了可靠性，避免了短路、漏电等问题的发生，可以有效地提高三维叠层封装结构的电性能，同时，三维叠层封装结构由若干个封装单体通过焊料连接而成，可以有效地控制翘曲问题；
本发明的三维叠层封装结构的每一芯片封装体的厚度直接或间接由金属柱控制，与载板、焊球等无关，节省了空间，符合小型化发展的需要，使三维叠层封装结构在逻辑电路和存储器集成领域，尤其是制造高端便携式设备和智能手机使用的先进移动通讯平台更有优势。
【附图说明】
[0015]图1为现有叠层封装封装结构的示意图；
图2为本发明一种三维叠层封装结构的封装方法的流程图；
图3为本发明一种三维叠层封装结构的封装单体的实施例一的切面示意图；
图4-1为由图3构成的本发明一种三维叠层封装结构的切面示意图；
图4-2为图4-1的变形；
图5A至图5J为图4-1的实施例的封装方法的流程示意图；
图6为本发明一种三维叠层封装结构的封装单体的实施例二的切面示意图；
图7为由图6构成的本发明一种三维叠层封装结构的切面示意图；
图8A至图8J为图7的实施例的封装方法的流程示意图；
图中:
金属柱I 101
包封材料层I 102
芯片210
微凸块211
金属连接层213
再布线金属层220
金属种子层II 221
芯片封装体的下输入/输出端222
金属柱II 230
芯片封装体的上输入/输出端231 包封材料层II 240 金属引线280 ；
载板100
金属种子层I 110。
【具体实施方式】
[0016]参见图2，本发明一种三维叠层封装结构的封装方法的工艺流程如下:
51:取一载板，采用晶圆级工艺或平板工艺在该载板上沉积一金属种子层I，在金属种子层I的表面形成金属柱I;
52:采用包封工艺将金属柱I进行包封，并露出金属柱I的上表面；
53:在金属柱I的上表面沉积一金属种子层II，在金属种子层II的表面选择性地形成再布线金属层；
54:在再布线金属层的表面形成金属柱II ；
55:利用微凸块工艺或打线工艺将芯片与再布线金属层连接；
56:在再布线金属层上方形成包封材料层II并露出金属柱II的上表面；
57:依次去除载板和金属种子层I，至露出金属柱I的表面，形成封装单体结构；
58:切割、裂片上述的封装结构，形成复数颗独立的封装单体；
59:将上述封装单体依次上下耦合连接，形成三维叠层封装结构。
[0017]现在将在下文中参照附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例，从而本公开将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为限制于这里阐述的实施例。
[0018]实施例一，参见图3
参见图3，图3为本发明采用微凸块形成芯片与封装体之间电气互连的封装结构的切面示意图。
[0019]由图3可以看出，本发明的封装单体的结构包括芯片封装体和下封装体，下封装体位于芯片封装体的下方，其与芯片封装体通过封装工艺紧密连接。
[0020]其中，芯片封装体的芯片210位于整