专利名称：多芯片微插拔封装方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微型电子封装技术领域的方法，具体是一种多芯片微插拔封装方法。
背景技术：
伴随摩尔定律的电子产品高密度化发展，封装技术亦朝着高密度、微型化、多芯片以 及三维尺度等方向发展，为了更为高效地縮减封装面积，发展了具有多重芯片的立体堆叠 式封装结构。立体堆叠封装由两个或两个以上的芯片封装在单个器件中经电性互连而构成 ，可以有效地减小器件体积。堆叠封装的核心问题是层间的电性互连，常规的电性互连通 过在通孔金属通道间的焊球实现。
对现有文献进行检索发现Won Kyoung Choi在(Development of Low Temperature Bonding Using In-Based Solders》(使用In基焊料的低温键合技术)，Electronic Components and Technology Conference,(2008， pl294—1298)中记载了一禾中采用In基 焊料进行芯片层间焊接的方法，利用通过调配不同金属比例可以形成高熔点的金属间化合 物从而使芯片快速实现稳定的焊接结构。
尽管上述技术可以在芯片层间形成高熔点的金属间化合物但是存在以下问题由于所 形成的金属间化合物要同时具备稳定的机械连接和电连接功能，所形成的金属化合物必须 为指定的高熔点金属化合物，因此在焊接层制作中必须严格控制多层金属膜的厚度比例， 增加了工艺控制的复杂度；与此同时在制作过程中使用In、 Ag及Sn等金属材料，使结构的 材料成本变高；此外，金属间化合物一方面使连接处的电阻变大，导致层间电性互连导电 性变差，另一方面复杂的材料成份导致金属间化合物内部应力变化复杂度提升，使层间连 接的稳定性变差；而由于金属间化合物的熔点变高，使得器件一旦成型后的返工难度也增 大。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多芯片微插拔封装方法，利用机械式 的插拔方式完成机械定位，降低了对焊接层材料要求，可以实现芯片层间机械定位和整体焊接封装，插拔方法提供机械定位和整体焊接，从而使互连结构的结构稳定性和电性连接 稳定性都获得了提高，最终获得具有稳定层间互连的立体电子封装解决方案。 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤
第一步、确定两个待封装芯片的封装位分别为上芯片和下芯片，然后在上芯片的下表
面的通孔位置处依次通过光刻图形化工艺和电化学镀工艺加工获得若干凸点，在凸点外表
面依次通过电化学镀工艺和薄膜沉积工艺加工获得焊接层；
所述的光刻图形化工艺和电化学镀工艺均采用Cu、 Au、 Zn、 Ag或Ni中的一种金属； 所述的电化学镀工艺和薄膜沉积工艺均采用Cu、 Au、 Sn或Bi中的一种金属； 所述的凸点为倒圆柱结构，顶面圆直径在5 100ym范围内，底面圆直径在1(T500 y m
范围内，圆柱高度在10(Tl000um范围内；
所述的凸点嵌入口为通孔结构，与凸点的倒圆柱结构匹配，其入口面孔径在l(Tl50y
m范围内，出口面孔径在15 550ym范围内，能够实现凸点外表面与通孔内表面80%以上的
面接触；嵌入口深度等于凸点倒圆柱高度，在10(Tl000um范围内，凸点嵌入后其顶端与
嵌入口底端所在平面平齐。
第二步、在下芯片的上表面的通孔位置处通过光刻图形化工艺和电镀工艺加工获得若
干凸点嵌入口 ，在凸点嵌入口表面通过电化学镀工艺和薄膜沉积工艺加工获得焊接层； 所述的光刻图形化工艺和电镀工艺均采用Cu、 Au、 Zn、 Ag或Ni中的一种金属； 所述的电化学镀工艺和薄膜沉积工艺均采用Cu、 Au、 Sn或Bi中的一种金属； 所述的凸点嵌入口的形状与凸点的形状相匹配； 所述的凸点嵌入口的窗口位置与通孔处的金属填充柱的位置相匹配。 第三步、将凸点与凸点嵌入口进行位置对准后在上芯片的上表面施加外力将凸点压进
凸点嵌入口，使上芯片通孔内金属填充柱与下芯片通孔内的金属填充柱相接触以完成定位
所述的外力是指压力范围为10uN 10000uN，压力方向与上芯片或下芯片相垂直。 第四步、将上芯片的凸点上的焊接层与下芯片的凸点嵌入口的焊接层进行焊接，实现
上芯片与下芯片的电连接。
所述的焊接是指温度区间在10(TC 80(rC的固体导热、气体对流或液体对流导热焊接方法。
以独立单元形式介绍的微插拔封装实施方法适应于同类型插拔单元，多单元插拔定位 方法也可适应于两个以上待封装芯片，待插拔单元的凸点与凸点嵌入口定位完成后可进行整体焊接。
本发明的有益效果是，微插拔焊接进行立体电子封装的方法有益于层间焊接获得稳定 机械连接和电连接。定位效果优异，可以进行先定位后整体焊接工艺流程，简化了封装工 艺流程，降低了生产成本。
图l为实施例l示意图。 图2为实施例2示意图。 图3为实施例3示意图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施 ，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 如图1所示，本实施例包括以下步骤
第一步、确定两个待封装芯片的封装位为上芯片1和下芯片2;在上芯片l制作过程中
通过光刻图形化及电化学镀工艺在上芯片1的下表面的通孔3位置处加工凸点4，凸点4和通 孔3处的金属填充柱5要有层间连接，在凸点4外表面通过电化学镀工艺及薄膜沉积工艺加 工焊接层6;
第二步、通过光刻图形化及电镀工艺在下芯片2的上表面的通孔7位置处加工凸点嵌入 口8，在凸点嵌入口8表面通过电化学镀工艺及薄膜沉积工艺加工焊接层9，凸点嵌入口8的 窗口位置要保证裸露部分通孔7处的金属填充柱10;
所述的凸点为倒圆柱结构，顶面圆直径为5ym，底面圆直径为10ym，圆柱高度为 100 ym;
所述的凸点嵌入口为通孔结构，与凸点的倒圆柱结构匹配，其入口面孔径为10ym， 出口面孔径为15ym，能够实现凸点外表面与通孔内表面80%以上的面接触；嵌入口深度等 于凸点倒圆柱高度，具体为100um，凸点嵌入后其顶端与嵌入口底端所在平面平齐。
第三步、将凸点4与凸点嵌入口8进行位置对准后在上芯片1的上表面施加外力将凸点 4压进凸点嵌入口8，使与凸点4相连接的上芯片2通孔3内金属填充柱5与凸点嵌入口8窗口 处裸露的下芯片2通孔7内的金属填充柱10实现接触，并完成定位。
所述的外力是指压力范围为10uN，压力方向与上芯片或下芯片相垂直。
第四步、定位完成后将堆叠芯片进行常规的低温键合，完成凸点4与凸点嵌入口8焊接 接触面上焊接层6与焊接层9的焊接，实现上芯片1与下芯片2的电连接。所述的焊接是指温度区间在100 °C 400 °C的固体导热焊接方法。 如图2所示，实施例2包括以下步骤
第一步、确定两个待封装芯片的封装位为上芯片11和下芯片12;在上芯片ll制作过程 中通过光刻图形化及电化学镀工艺在上芯片11的下表面的通孔阵列13位置处加工凸点阵列 14，凸点阵列14和通孔阵列13处的金属填充柱阵列15要有层间连接，在凸点阵列14外表面 通过电化学镀工艺及薄膜沉积工艺加工焊接层16;
第二步、通过光刻图形化及电镀工艺在下芯片12的上表面的通孔阵列17位置处加工凸 点嵌入口阵列18，在凸点嵌入口阵列18表面通过电化学镀工艺及薄膜沉积工艺加工焊接层 19，凸点嵌入口阵列18的窗口位置要保证裸露部分通孔阵列17处的金属填充柱阵列20;
所述的凸点为倒圆柱结构，顶面圆直径为50齙，底面圆直径为250齙，圆柱高度为 500能；
所述的凸点嵌入口为通孔结构，与凸点的倒圆柱结构匹配，其入口面孔径为50ym， 出口面孔径为270ym，能够实现凸点外表面与通孔内表面80%以上的面接触；嵌入口深度 等于凸点倒圆柱高度，具体为500um，凸点嵌入后其顶端与嵌入口底端所在平面平齐。
第三步、将凸点阵列14与凸点嵌入口阵列18进行位置对准后在上芯片11的上表面施加 外力将凸点阵列14压进凸点嵌入口阵列18，使与凸点阵列14相连接的上芯片12通孔阵列13 内金属填充柱阵列15与凸点嵌入口阵列18窗口处裸露的下芯片12通孔阵列17内的金属填充 柱阵列20实现接触，并完成定位；
所述的外力是指压力范围为2000 uN，压力方向与上芯片或下芯片相垂直。 第四步、定位完成后将堆叠芯片进行常规的低温键合，完成凸点阵列14与凸点嵌入口 阵列18焊接接触面上焊接层16与焊接层19的焊接，实现上芯片11与下芯片12的电连接。 所述的焊接是指温度区间在40(TC 60(rC的气体对流焊接方法。 如图3所示，实施例3为微插拔焊接单元阵列的多层芯片封装结构及实施方法，其中 立体芯片阵列包含六层结构(分别为第一层芯片21、第二层芯片22、第三层芯片23、第四 层芯片24、第五层芯片25和第六层芯片26)，其中依次以与两层芯片采用微插拔焊接单元 阵列进行定位的方法相同的方法进行定位，完成第一层芯片21上表面与第二层芯片芯片22 下表面，第二层芯片芯片22上表面与第三层芯片23下表面，第三层芯片23上表面与第四层 芯片24下表面，第四层芯片24上表面与第五层芯片芯片25下表面，第五层芯片芯片25上表 面与第六层芯片芯片26下表面的微插拔单元阵列的定位。然后完成所有微插拔单元凸点阵 列与凸点嵌入口阵列焊接接触面上焊接层与焊接层的焊接。所述的焊接是指温度区间在60(TC 80(rC的液体对流导热焊接方法。
采用微插拔封装方法，实现芯片层间机械定位和整体焊接封装，与传统焊接与定位同 时进行的工艺相比较，简化了封装工艺难度，更使互连结构的结构稳定性和电性连接稳定 性都获得了提高。
权利要求
1.一种多芯片微插拔封装方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、两个待封装芯片的封装位分别为上芯片和下芯片，然后在上芯片的下表面的通孔位置处依次通过光刻图形化工艺和电化学镀工艺加工获得若干凸点，在凸点外表面依次通过电化学镀工艺和薄膜沉积工艺加工获得焊接层；第二步、在下芯片的上表面的通孔位置处通过光刻图形化工艺和电镀工艺加工获得若干凸点嵌入口，在凸点嵌入口表面通过电化学镀工艺和薄膜沉积工艺加工获得焊接层；第三步、将凸点与凸点嵌入口进行位置对准后在上芯片的上表面施加外力将凸点压进凸点嵌入口，使上芯片通孔内金属填充柱与下芯片通孔内的金属填充柱相接触以完成定位；第四步、将上芯片的凸点上的焊接层与下芯片的凸点嵌入口的焊接层进行焊接，实现上芯片与下芯片的电连接。
2 根据权利要求l所述的多芯片微插拔封装方法，其特征是，所述 的凸点为倒圆柱结构，顶面圆直径在5 100um范围内，底面圆直径在l(T500um范围内， 圆柱高度在10(Tl000 y m范围内。
3 根据权利要求l所述的多芯片微插拔封装方法，其特征是，所述 的凸点嵌入口为通孔结构，其入口面孔径在l(Tl50um范围内，出口面孔径在15 550ym范 围内。
4 根据权利要求2所述的多芯片微插拔封装方法，其特征是，所述 的凸点嵌入口的形状与凸点的形状相匹配，嵌入口深度等于凸点倒圆柱高度。
5 根据权利要求l所述的多芯片微插拔封装方法，其特征是，所述 的外力是指压力范围为10uN 10000uN，压力方向与上芯片或下芯片相垂直。
6 根据权利要求l所述的多芯片微插拔封装方法，其特征是，所述 的焊接是指温度区间在10(TC 80(rC的固体导热、气体对流或液体对流导热焊接方法。
全文摘要
一种微型电子封装技术领域的多芯片微插拔封装方法，包括在上芯片的下表面依次通过光刻图形化工艺和电化学镀工艺加工获得若干凸点，通过电化学镀工艺和薄膜沉积工艺加工获得焊接层；在下芯片的上表面的通孔位置处通过光刻图形化工艺和电镀工艺加工获得若干凸点嵌入口，在凸点嵌入口表面通过电化学镀工艺和薄膜沉积工艺加工获得焊接层；将凸点与凸点嵌入口进行位置对准后在上芯片的上表面施加外力将凸点压进凸点嵌入口，使上芯片通孔内金属填充柱与下芯片通孔内的金属填充柱相接触以完成定位；将上芯片的凸点上的焊接层与下芯片的凸点嵌入口的焊接层进行焊接，实现上芯片与下芯片的电连接。本发明提高了互连结构的稳定性和电性连接稳定性。
文档编号H01L21/603GK101673691SQ20091030830
公开日2010年3月17日 申请日期2009年10月15日 优先权日2009年10月15日
发明者丁桂甫, 孙舒婧, 艳 王 申请人:上海交通大学