一种三维圆片级扇出PoP封装结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子封装技术以及三维集成技术领域，特别涉及一种三维圆片级扇出PoP封装技术及其制造方法。
【背景技术】
[0002]随着电子封装产品向高密度、多功能、低功耗、小型化方向的不断发展，采用三维集成技术的系统级封装(System in Package，SiP)取得了突飞猛进的发展。娃通孔(Through Silicon Via，TSV)技术方案，由于具有堆叠密度最高，外形尺寸最小，极大提升芯片速度和降低功耗等特点，是实现三维集成技术的最优方案。然而，目前TSV技术面临的制造难度、工艺成本以及成品良率、可靠性等问题及其突出。现有成熟的三维集成技术主要为堆叠封装(Package on Package，PoP)，其中上、下封装体通常为采用印刷电路基板的封装结构。由于印刷电路基板具有一定的厚度，而且成本较高，导致整个PoP封装的高度和成本难以得到有效降低，难以满足高密度和低成本的要求。现有的PoP封装的由于上、下封装体结构的差异，导致制造工艺过程中封装翘曲难以得到有效控制，严重影响焊球互联结构的可靠性。现有PoP封装的制造工艺由于采用传统的非圆片级封装制造模式，导致效率低而且成本高，不利于PoP封装的推广。
[0003]因此，仍然需要新的封装结构和制造技术，以解决现有技术所存在的问题。
【发明内容】
[0004]本发明针对三维PoP封装技术提出一种封装结构和制造方法，以解决现有PoP封装技术所存在的封装密度、成本和可靠性问题。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0006]—种三维圆片级扇出PoP封装结构，通过至少一个扇出PoP封装单元堆叠形成；一个扇出PoP封装单元由两个相同结构的封装体构成；
[0007]所述一个封装体包括有第一金属凸点结构、IC芯片、凸点、第一塑封材料、第二金属凸点结构、第一再布线金属走线层、第一金属层、第一介电材料层、第二再布线金属走线层、第二介电材料层、第二金属层；所述IC芯片带有凸点，凸点连接于第一金属凸点结构上，与凸点未连接的第一金属凸点结构连接有第二金属凸点结构，第一塑封材料包围了第一金属凸点结构、IC芯片、凸点和第二金属凸点结构，IC芯片和第二金属凸点结构与第一再布线金属走线层连接，第一再布线金属走线层上制作有第一金属层，第一介电材料层包围第一再布线金属走线层，并涂覆在IC芯片、第二金属凸点结构和第一塑封材料同一侧面；在第一金属凸点结构和第一塑封材料另一个侧面涂覆有第二介电材料层，第二介电材料层包围第二再布线金属走线层，第二再布线金属走线层与第一金属凸点结构相连，第二再布线金属走线层上制作有第一金属层；
[0008]两个相对放置的封装体的第二金属层由第一焊球连接，并在一个封装体的第一金属层上连接第二焊球，形成一个扇出PoP封装单元；
[0009]所述扇出PoP封装单元的第二焊球再连接有一个相对放置的扇出PoP封装单元的第一金属层，所述未植球部分的第一金属层、第一焊球及其连接的一对第二金属层、第二焊球及其连接的一对第一金属层包围有第二塑封材料，形成一个三维圆片级扇出PoP封装结构。
[0010]利用该结构，首先封装体由于无基板结构，直接通过再布线金属走线层实现与外部环境的互联，因此整体封装体厚度可以得到大幅降低，制造成本也得到降低；进一步地，低成本的模塑料通孔TMV具有TSV同样的上、下结构互联导通的功能，因此可取代TSV结构实现细节距互联端口，从而使上、下封装体之间，以及与外部结构的I/O互联通道数量和密度得到大幅提高，提升了封装的密度；另外，三维圆片级扇出PoP封装结构的扇出(Fan-Out)特性可显著增加PoP封装的I/O互联通道数量。最后，由于三维圆片级扇出PoP封装结构中所有的扇出PoP封装单元相同，而且都通过面对面方式进行堆叠回流焊，因此三维圆片级扇出PoP封装具有高度对称性，从而可极大改善封装的翘曲。
[0011]采用模塑料通孔实现上、下封装体之间，以及与外部结构的三维集成互联。
[0012]第一金属凸点结构可以是但不局限于铜、铜合金、铁、铁合金、镍、镍合金、钨等金属材料。
[0013]第二金属凸点结构可以是但不局限于铜、铜合金、铁、铁合金、镍、镍合金、钨等金属材料、或者钎焊料材料。
[0014]第一再布线金属走线层和第二再布线金属走线层可以是但不局限于铜、铜合金、铁、铁合金、镍、镍合金、钨等金属材料。
[0015]第一介电材料层和第二介电材料层可以是但不局限于热固性塑封材料、塞孔树月旨、油墨以及阻焊绿油等绝缘材料。
[0016]IC芯片的背面、第一塑封材料的上表面与第二金属凸点结构的上表面在同一平面上。
[0017]三维圆片级扇出PoP封装通过至少一个扇出PoP封装单元堆叠形成，相邻扇出PoP封装单元之间通过第二焊球实现互联。
[0018]第一塑封材料中通孔采用激光或者机械开孔，或者塑封工艺时采用特制塑封模具直接形成。
[0019]IC芯片的凸点可以为但不局限于铜柱凸点。
[0020]一种三维圆片级扇出PoP封装结构的制造方法，其特征在于，按照以下步骤进行:
[0021]步骤1:准备第一载体圆片，通过第一粘贴材料将金属基材圆片配置于第一载体圆片上；
[0022]步骤2:在金属基材圆片的上表面采用蚀刻或者电镀方法制作第一金属凸点结构；
[0023]步骤3:将具有凸点的IC芯片倒装贴装配置于第一金属凸点结构上；
[0024]步骤4:采用高温加热注塑方法，将第一塑封材料包覆密封具有凸点的IC芯片和第一金属凸点结构，并裸露出IC芯片的背面，塑封后进行烘烤后固化；
[0025]步骤5:采用激光或者机械开孔方法在第一塑封材料中制作通孔，裸露出第一金属凸点结构的上表面；
[0026]步骤6:采用电镀或者液态金属填充方法在制作的通孔中形成第二金属凸点结构，第一金属凸点结构和第二金属凸点结构共同组成模塑料通孔；
[0027]步骤7:在IC芯片的背面、第二金属凸点结构的上表面和第一塑封材料的上表面涂覆第一介电材料层，采用电镀或者化学镀方法制作第一再布线金属走线层，在第一再布线金属走线层上制作第一金属层，采用第一介电材料层涂覆包裹第一再布线金属走线层；
[0028]步骤8:通过第三粘贴材料将上述步骤7制作形成的结构配置于第二载体圆片上;
[0029]步骤9:通过机械、蚀刻或者曝光等方法去除第一载体圆片和第一粘贴材料；
[0030]步骤10:采用与步骤2相同的蚀刻方法对金属基材圆片的下表面进行蚀刻，形成第二再布线金属走线层，在第二再布线金属走线层上制作第二金属层，采用第二介电材料层涂覆包裹第二再布线金属走线层；
[0031]步骤11:在第二金属层上进行植球工艺，并进行回流焊工艺，得到呈阵列排布的第一焊球；
[0032]步骤12:将上述步骤11制作形成的结构进行面对面堆叠回流焊工艺，第一焊球成为上、下结构的互联结构；
[0033]步骤13:通过机械、蚀刻或者曝光等方法去除第二载体圆片和第三粘贴材料；
[0034]步骤14:在第一金属层上进行植球和回流焊工艺，得到呈阵列排布的第二焊球，形成扇出PoP封装单元；
[0035]步骤15:将至少一个扇出PoP封装单元进行堆叠回流焊，第二焊球成为上、下相邻扇出PoP封装单元的互联结构；
[0036]步骤16:采用高温加热注塑方法，将第二塑封材料进行包覆密封，塑封后进行烘烤后固化工艺，形成三维圆片级扇出PoP封装；
[0037]步骤17:采用刀片切割方法分离三维圆片级扇出PoP封装的产品阵列，形成单个三维圆片级扇出PoP封装。
[0038]所述步骤5中第一塑封材料中通孔采用特制塑封模具直接形成。
【附图说明】
[0039]图1是在第一载体圆片上配置金属基材圆片的示意图；
[0040]图2是在金属基材圆片上制作第一金属凸点结构的示意图；
[0041]图3是在金属基材圆片上配置IC芯片的不意图；
[0042]图4是将IC芯片、凸点和金属凸点结构包覆密封在第一塑封材料内，并裸露出IC芯片的背面的示意图；
[0043]图5是在第一塑封材料上制作通孔的示意图；
[0044]图6是在通孔中制作第二金属凸点结构的示意图；
[0045]图7是制作第一再布线金属走线层，在第一再布线金属走线层上制作第一金属层，采用第一介电材料层涂覆包裹第一再布线金属走线层的示意图；
[0046]图8是配置第二载体圆片的示意图；
[0047]图9是去除第一载体圆片的不意图；
[0048]图10是采用蚀刻方法对金属基材圆片的下表面进行蚀刻，形成第二再布线金属走线层，在第二再布线金属走线层上制作第二金属层，采用第二介电材料层涂覆包裹第二再布线金属走线层的示意图；
[0049]图11是在第二金属层上进行植球和回流焊工艺，得到第