系统级封装的气密性密封结构及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种系统级封装的气密性密封结构及其制造方法，本发明属于集成电路封装【技术领域】。气密性密封结构包括基板、预成型焊料片一和盖板，基板上具有绝缘层，绝缘层上覆盖有金属化密封环，盖板包括盖板本体和位于盖板本体四周边缘的凸起部，凸起部与盖板本体之间形成盖板空腔体，预成型焊料片一位于基板和盖板之间，凸起部通过预成型焊料片一熔融密封焊接与基板固定连接形成金属密封区。本发明采用盖板、垫片和基板之间用预成型焊料片熔封形成密封空腔，以达到气密性密封而保护系统器件中各类芯片的目的。采用盖板的凸台设计，让凸台与芯片接触支撑，使盖板、芯片结合为紧密整体，消除了薄型盖板变形和芯片散热等问题，增强密封结构强度。
【专利说明】系统级封装的气密性密封结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种集成电路中系统级封装的气密性密封结构及其制造方法，本发明属于集成电路封装【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着电子产品多功能、高性能和小型化、薄型化、轻量化发展，TSV技术的成熟，尤其是高性能、多功能、高可靠性、低成本可获得性强的3D系统封装技术发展迅速，现有硅基3D-TSV封装的产品主要集中在非气密性，如SD卡等，而圆片级玻璃键合密封技术也仅能适用于MEMS，不能适应多工艺、异质等芯片的集成，即系统级基板主要是硅通孔的硅基板，不能将GaAs等微波器件、各种MEMS器件、RF器件、存储器、处理器等IC集成在同一块高密度基板上并实现气密性封装，以满足航天航空、医学等有高可靠要求的环境下使用。
[0003]现有的气密性陶瓷封装工艺技术由于陶瓷介电常数通常较高，布线密度受材料和工艺的限制，以及陶瓷层厚度不可能太薄等原因无法满足高性能、高密度、薄型化等要求；塑料封装目前还受材料性能等限制，无法解决真空下释放和膨胀、高能射线辐照的裂解等问题。
[0004]采用TSV技术制作的硅基板在组装集成各种器件后，需要实现气密性封装以防止外部环境水汽等浸蚀，需要能保护MEMS等内部结构不受环境影响和破坏；且系统级气密性封装不影响系统级封装产品的电性能。
[0005]现有系统级气密性封装主要是陶瓷、金属等气密性封装，所具有的集成度、性能、体积、重量等还不能满足需求；现有圆片级或芯片级气密密封通过无介质的硅硅键合或阳极键合，或者通过介质材料而结合在一起，使用的介质材料主要是低温玻璃、粘接剂等，还没有用金属与金属熔封的、大尺寸系统级密封结构和密封工艺，目前主要存在的问题是结构强度不足、热性能差等问题。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是:为了解决系统级封装的气密性密封结构的结构强度不足、热性能差的问题，本发明提供一种系统级封装的气密性密封结构及其制造方法来解决上述问题。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种系统级封装的气密性密封结构，包括基板、预成型焊料片一和盖板，基板上具有绝缘层，绝缘层上覆盖有金属化密封环，盖板包括盖板本体和位于盖板本体四周边缘的凸起部，凸起部与盖板本体之间形成盖板空腔体，预成型焊料片一位于基板和盖板之间，凸起部通过预成型焊料片一熔融密封焊接与基板固定连接形成金属密封区。
[0008]系统级封装的气密性密封结构还包括垫片和预成型焊料片二，垫片位于基板和预成型焊料片一之间，垫片通过预成型焊料片二熔融密封焊接在基板的金属化密封环上，凸起部通过预成型焊料片一熔融密封焊接在垫片上。在基板和盖板间放置垫片，在熔融密封焊接过程中起到缓冲作用，有效的保证了气密性封装的可靠性。
[0009]进一步的，所述基板上具有芯片、引线键合、通孔、布线以及引出端焊盘，芯片、弓丨线键合、通孔和布线均位于金属密封区内。
[0010]为了增强密封结构强度，消除了薄型盖板变形、甚至碎裂的可能，使盖板和芯片结合为紧密整体，保证产品的可靠性，所述盖板本体上具有凸台，凸台正对着芯片上表面，凸台与芯片之间具有预成型焊料片三，凸台通过预成型焊料片三熔融焊接与芯片固定连接。
[0011]优选的，基板为硅基板或锗基板，盖板材料为硅或锗或玻璃，预成型焊料片一材料为预成型的Au80Sn20或SAC305合金焊料片。
[0012]系统级封装的气密性密封结构的制造方法，包括如下步骤:
1)通过圆片设备工艺制作基板，形成绝缘层、金属化密封环，在基板内安装芯片、引线键合，开设通孔；
2)通过光刻刻蚀工艺制作盖板，形成凸起部、盖板空腔体和凸台；
3)通过光刻刻蚀工艺制作垫片，垫片表面形状与凸起部表面形状一致；
4)在基板的金属化密封环上从下往上依序放置预成型焊料片二、垫片、预成型焊料片一、盖板，使用专用定位夹具固定装夹，采用熔融焊接形成金属密封区。
[0013]进一步的，所述预成型焊料片一和预成型焊料片二为同一种预成型焊料片，所述步骤4)中对预成型焊料片二、垫片、预成型焊料片一、盖板进行熔融焊接是在惰性气体中，温度为高于预成型焊料片的熔点20°C?50°C的环境中进行的，温度保持在熔点以上并恒温1-5分钟。
[0014]为了防止预成型焊料片一和预成型焊料片二的偏移，在步骤3)和步骤4)之间，采用点焊工艺预先将预成型焊料片一固定在盖板的凸起部上，将预成型焊料片二固定在垫片上。
[0015]为了解决芯片散热要求高的问题，在步骤3)和步骤4)之间，采用点焊工艺预先将预成型焊料片三固定在盖板的凸台上，再采用熔融焊接，使凸台与芯片固定连接。芯片热量能及时通过盖板热传导出去，解决了芯片散热效果差的问题。
[0016]进一步的，所述半导体圆片制造工艺包括深反应离子刻蚀形成通孔、等离子体增强化学气相沉积法制备绝缘层、通孔中通过电镀填充金属。
[0017]本发明的有益效果是:
a.本发明采用盖板、垫片和基板之间用预成型焊料片熔封形成密封空腔，以达到气密性密封而保护系统器件中各类芯片的目的。
[0018]b.本发明通过采用大尺寸跨度盖板的凸台设计，让凸台与芯片接触支撑，使盖板、芯片结合为紧密整体，消除了薄型盖板变形和芯片散热等问题，增强密封结构强度和器件热性能。
[0019]c.本发明使用垫片结构，解决了系统封装腔体高度问题。
[0020]d.本发明使用原材料优选硅基材质作基板、盖板和垫片，形成匹配封接结构，解决了陶瓷、金属等气密性封装结构失配所体带来的问题。
[0021]e.本发明利用现有组装设备和工艺即可实现气密性封装，方便易行。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0023]图1是本发明系统级封装的气密性密封结构实施例一的结构示意图。
[0024]图2是本发明系统级封装的气密性密封结构实施例二的结构示意图。
[0025]图中1、基板；2、盖板；3、预成型焊料片一 ；4、垫片；5、预成型焊料片二 ；6、预成型焊料片三;7、芯片;8、引线键合；9、通孔；11、绝缘层；12、金属化密封环；21、盖板本体；22、凸起部；23、盖板空腔体；24、凸台。
【具体实施方式】
[0026]现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0027]如图1所示为本发明一种系统级封装的气密性密封结构的实施例一，包括基板1、盖板2、垫片4、预成型焊料片一 3和预成型焊料片二 5。基板上具有绝缘层11，绝缘层11上覆盖有金属化密封环12。基板I上还具有芯片7、引线键合8、通孔9、布线以及引出端焊盘，芯片7、引线键合8、通孔9和布线均位于金属密封区内。
[0028]盖板2包括盖板本体21、位于盖板本体21四周边缘的凸起部22以及位于盖板中间的凸台24，凸起部22、凸台24与盖板本体21之间形成盖板空腔体23。凸台24正对着芯片7上表面，凸台24与芯片7之间具有预成型焊料片三6，凸台24通过预成型焊料片三6熔融焊接与芯片7固定连接。
[0029]基板I的金属化密封环12上，从下往上依序覆盖有预成型焊料片二 5、垫片4、预成型焊料片一 3和盖板2，垫片4通过预成型焊料片二 5熔融密封焊接在基板I的金属化密封环12上，凸起部22通过预成型焊料片一 3熔融密封焊接在垫片4上，基板1、垫片4和盖板2整体密封形成金属密封区。
[0030]基板I为硅基板，盖板2材料为硅，预成型焊料片一 3、预成型焊料片二 5和预成型焊料片三6材料为预成型的Au80Sn20合金焊料片。
[0031]如图2所示为本发明一种系统级封装的气密性密封结构的实施例二，其分为三个结构单元,左结构单元101、中结构单元102和右结构单元103，左结构单元101结构与实施例一相同；中结构单元102结构与实施例一相似，将基板I上的引线键合8替换为用倒扣焊的方式组装基板I上的芯片7 ;右结构单元103由于芯片较小，盖板2在芯片上的跨度较小，且芯片上由于设计要求不宜压置东西，所以取消采用实施例一中的凸台24结构，其他结构与实施例一相同。实施例二是实施例一的相似结构演化的组合使用方式。
[0032]实施例三:系统级封装的气密性密封结构的制造方法包括如下步骤:
I)通过半导体圆片制造工艺制作基板1，形成绝缘层11、金属化密封环12，在基板I内安装芯片7、引线键合8，开设通孔9。其中，半导体圆片制造工艺包括深反应离子刻蚀形成通孔9、等离子体增强化学气相沉积法制备绝缘层11、通孔9中通过电镀填充金属。
[0033]2)通过光刻刻蚀工艺制作盖板2，即在盖板2上涂光刻胶，曝光显影，再刻蚀形成形成凸起部22、盖板空腔体23和凸台24，并去掉密封区胶，然后在盖板2正面密封区域通过溅射淀积金属层，最后去掉胶。
[0034]3)通过光刻刻蚀工艺制作垫片4，垫片4表面形状与凸起部22表面形状一致。并在垫片4上通过溅射或蒸发淀积金属层。
[0035]4)在基板I的金属化密封环12上放置盖板2和垫片4，中间分别贴装预成型焊料片二 5和预成型焊料片一 3，以及在盖板2的凸台24上贴装预成型焊料片三6。采用点焊工艺预先将预成型焊料片固定在盖板2的凸起部22和凸台24上以及垫片4上，以防止焊料偏移。为防止对位偏移过大，使用专用定位夹具将垫片4、盖板2以及贴装预成型焊料片二 5、预成型焊料片一 3和预成型焊料片三6固定，并在基板1、盖板5、垫片4与夹具之间放置专用垫片、压块后再装夹。
[0036]5)将步骤4)组装完成的系统级器件通过合金烧结的方式进行焊接，焊接在惰性气体中，且温度为高于预成型焊料片的熔点20°C?50°C的环境中进行，温度保持在熔点以上并恒温1-5分钟。从而一次性完成系统级封装的气密性封装。
[0037]本发明的基板I可以为娃基板、错基板等。盖板2材料可米用娃、错、玻璃等。预成型焊料片可以为预成型的Au80Sn20、SAC305等合金焊料片。本发明的结构特征和工艺同样也适用于锗、GaAs等材料体系的系统级气密性封装。
[0038]以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
【权利要求】
1.一种系统级封装的气密性密封结构，其特征在于:包括基板(I)、预成型焊料片一(3)和盖板(2)，基板上具有绝缘层(11)，绝缘层(11)上覆盖有金属化密封环(12)，盖板(2)包括盖板本体(21)和位于盖板本体(21)四周边缘的凸起部(22)，凸起部(22)与盖板本体(21)之间形成盖板空腔体(23)，预成型焊料片一(3)位于基板(I)和盖板(2)之间，凸起部(22 )通过预成型焊料片一(3 )熔融密封焊接与基板(I)固定连接形成金属密封区。
2.根据权利要求1所述的系统级封装的气密性密封结构，其特征在于:包括垫片(4)和预成型焊料片二(5)，垫片(4)位于基板(I)和预成型焊料片一(3)之间，垫片(4)通过预成型焊料片二(5)熔融密封焊接在基板(I)的金属化密封环(12)上，凸起部(22)通过预成型焊料片一(3)熔融密封焊接在垫片(4)上。
3.根据权利要求1所述的系统级封装的气密性密封结构，其特征在于:所述基板I上具有芯片(7)、引线键合(8)、通孔(9)、布线以及引出端焊盘，芯片(7)、引线键合(8)、通孔(9)和布线均位于金属密封区内。
4.根据权利要求3所述的系统级封装的气密性密封结构，其特征在于:所述盖板本体上具有凸台(24)，凸台(24)正对着芯片(7)上表面，凸台(24)与芯片(7)之间具有预成型焊料片三(6)，凸台(24)通过预成型焊料片三(6)熔融焊接与芯片(7)固定连接。
5.根据权利要求1所述的系统级封装的气密性密封结构，其特征在于:基板(I)为硅基板或锗基板，盖板(2 )材料为硅或锗或玻璃，预成型焊料片一(3 )材料为预成型的Au80Sn20或SAC305合金焊料片。
6.系统级封装的气密性密封结构的制造方法，其特征在于:包括如下步骤:1)通过半导体圆片制造工艺制作基板(1)，形成绝缘层(11)、金属化密封环(12)，在基板(I)内安装芯片(7)、引线键合(8)，开设通孔(9)； 2)通过光刻刻蚀工艺制作盖板(2)，形成凸起部(22)、盖板空腔体(23)和凸台(24)； 3)通过光刻刻蚀工艺制作垫片(4)，垫片(4)表面形状与凸起部(22)表面形状一致； 4)在基板的金属化密封环(12)上从下往上依序放置预成型焊料片二(5)、垫片(4)、预成型焊料片一(3)、盖板(2)，使用专用定位夹具固定装夹，采用熔融焊接形成金属密封区。
7.根据权利要求6所述的系统级封装的气密性密封结构的制造方法，其特征在于:所述预成型焊料片一(3)和预成型焊料片二(5)为同一种预成型焊料片，所述步骤4)中对预成型焊料片二(5)、垫片(4)、预成型焊料片一(3)、盖板(2)进行熔融焊接是在惰性气体中，温度为高于预成型焊料片的熔点20°C?50°C的环境中进行的，温度保持在熔点以上并恒温1-5分钟。
8.根据权利要求6所述的系统级封装的气密性密封结构的制造方法，其特征在于:在步骤3)和步骤4)之间，采用点焊工艺预先将预成型焊料片一(3)固定在盖板(2)的凸起部(22)上，将预成型焊料片二(5)固定在垫片(4)上。
9.根据权利要求6所述的系统级封装的气密性密封结构的制造方法，其特征在于:在步骤3)和步骤4)之间，采用点焊工艺预先将预成型焊料片三(6)固定在盖板(2)的凸台(24)上，再采用熔融焊接，使凸台(24)与芯片(4)固定连接。
10.根据权利要求6所述的系统级封装的气密性密封结构的制造方法，其特征在于:所述半导体圆片制造工艺包括深反应离子刻蚀形成通孔(9)、等离子体增强化学气相沉积法制备绝缘层(11)、通孔(9)中通过电镀填充金属。
【文档编号】H01L23/02GK104201113SQ201410449609
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】李欣燕, 丁荣峥, 陈桂芳 申请人:中国电子科技集团公司第五十八研究所