本发明涉及半导体封装技术领域，特别是涉及一种基于3D打印的系统级封装方法和封装系统。
背景技术：
封装的主要作用是把元器件用外壳包裹起来，这样不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点将导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质和水汽等对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。此外，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥，以及与其连接的电路板的设计和制造，因此封装是至关重要的。
由于电子整机和系统在航空、航天、计算机等领域对小型化、轻型化、薄型化等高密度组装要求的不断提高，对于有限的面积，电子组装必然在二维组装的基础上向三维发展，并逐渐向系统级封装发展。
但是，传统的封装技术的工艺复杂性高，精度低，并且需要针对不同的芯片进行不同的封装管壳设计加工，这就又涉及到模具的制作，整个制造过程复杂、费时且成本极高，会严重制约研发的进度。
技术实现要素：
基于此，有必要提供一种生产效率高且封装性能好的封装方法和封装系统。
一种基于3D打印的系统级封装方法，包括以下步骤：
提供载体；在所述载体的表面上利用3D打印法打印第一封装基板，所述第一封装基板上设置有金属线路；将第一元器件固定在第一封装基板上，并与第一封装基板电连接；在所述第一封装基板的表面上，继续利用3D打印法打印第二封装基板，所述第二封装基板上设置有金属线路，第二封装基板与第一封装基板具备电连接关系；将第二元器件固定在第二封装基板上，并与第二封装基板电连接；重复上述步骤，形成内嵌全部元器件的多层系统级封装结构；利用3D打印法打印封装盖板。
在其中一个实施例中，所述金属线路的制备方法包括以下步骤：
采用喷头按照预设线路在所述基板表面喷射金属粉末，并同步通过激光器发射激光将所述金属粉末熔融，固化成形后即制得所述金属线路。
在其中一个实施例中，所述激光器为Nd-YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。
在其中一个实施例中，所述打印每一层封装基板前还包括步骤：扫描本层封装基板所对应的待封装元器件；生成本层封装基板所对应的3D打印设计图纸。
在其中一个实施例中，所述封装基板表面具有与对应元器件相适配的凹槽，所述对应元器件嵌于所述凹槽内。
在其中一个实施例中，所述封装基板与封装盖板包含塑料、陶瓷、玻璃、金属中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述载体为玻璃载板、硅载板、金属载板、塑料载板、陶瓷载板中的一种。
在其中一个实施例中，所述封装方法可应用于封装ASIC芯片、FPGA芯片、MEMS芯片、Flash芯片或PowerPC处理器芯片或上述芯片组成的功能模块或者系统。
本发明还提供了一种基于3D打印的封装系统，其特征在于，所述封装系统包括：取放件单元，用于取放元器件；输入单元，用于输入设计图纸；打印单元，用于打印生成封装基板和封装盖板；贴片单元，用于将元器件固定在封装基板上；键合单元，用于完成封装基板与对应元器件间的电连接。
在其中一个实施例中，所述封装系统还包括扫描单元，用于扫描元器件生成对应封装基板层的设计图纸。
本发明的芯片封装方法采用3D打印法代替了通孔的光刻、刻蚀步骤，并代替了金属线路的光刻、刻蚀以及电镀沉积等工艺步骤，大大降低了工艺复杂性与污染排放，显著降低了加工成本，有效提高了加工效率，且能够降低设计与加工成本，缩短研发时间，提高加工精度与可靠性。此外，本发明芯片封装方法在去除载体及封装层后，芯片背面没有多余的封装层，制得到的封装芯片更为轻薄，能够器件小型化的要求。
本申请采用基于3D打印的系统级封装方法，能够制造具有复杂立体结构的基板与封装层，以适应三维封装的发展。
本申请基于3D打印的系统级封装方法，在单件、小批量方面具有突出的优势。而且，与传统封装制造技术中贵重的高精度设备相比，工业级3D打印机成本较低，进而能够进行大规模生产，有益于封装的大规模、低成本的工业化生产。
因此，本发明的基于3D打印的系统级封装方法的封装精度高、生产效率高且产品的封装性能较好的。
附图说明
图1为一实施方式的基于3D打印的系统级封装方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示的实施方式中，该基于3D打印的系统级封装方法，包括以下步骤：
S1：提供载体。
该载体的作用是为封装基板层提供刚性的结构或基体。可选地，该载体包含玻璃载板、硅载板、金属载板、塑料载板、陶瓷载板中的一种。优选的，该载体选用陶瓷，采用陶瓷作为载体有以下好处，第一陶瓷刚性较大，不易变形；第二陶瓷的导热率较高，适于高温环境应用；第三陶瓷与电子元器件的热膨胀系数更接近，当整个系统应用于高低温环境时，所受到的热应力更小，系统的性能更加稳定。所述载体可以为圆形或其它形状，其形状并不作限制但是面积应当不小于第一封装基板的底面积。所述载体的厚度应当使得所述载体具有足够的刚度，不易产生形变。所述载体的上表面的粗糙度应当小于50微米，优选的，所述载体的上表面的粗糙度应当小于10微米，这样在载体上形成的封装基板才能具有足够的精度。
S2：在所述载体的表面上利用3D打印法打印第一封装基板，所述第一封装基板上设置有金属线路。
在一个实施例中，利用3D打印法打印第一封装基板的图纸由人工生成并输入，所述图纸包括但不限于封装基板的形状、厚度以及金属线路的布图。在一个实施例中，在步骤S2前还包括扫描本层封装基板所对应的待封装元器件；自动生成本层封装基板所对应的3D打印设计图纸。
在一种实施例中，所述第一封装基板的表面具有与对第一元器件相适配的凹槽，所述第一元器件嵌于所述凹槽内。
所述封装基板的材料是塑料、陶瓷、玻璃或金属等。所述塑料材料包括聚酰胺纤维(PA)、聚苯乙烯(PS)、热塑弹性体(TPE)、聚芳醚酮(PAEK)等；所述陶瓷材料包括氧化铝、氮化铝、高温共烧陶瓷、低温共烧陶瓷等；所述金属材料包括工具钢、高级钢、铝、钴铬合金、镍合金、钛等。
在一种实施例中，所封装的芯片的材料是硅，由于硅具有较低的热膨胀系数，为了降低封装热应力，所述封装基板的材料是陶瓷。进一步的，当封装系统应用于高温环境时，所述封装基板的材料是氮化铝，因为氮化铝的导热率更高，更容易将封装体内部产生的热量传到出去。在一种实施例中，所封装的芯片对环境要求较低，为了降低封装成本，所述封装基板的材料是塑料。在一种实施例中，所封装的芯片是光学芯片，所述封装基板的材料是玻璃。
在一种实施例中，所述打印封装基板的过程为：铺一层粉末；对需要成型的区域喷涂粘合剂，使材料粉末粘接，形成零件截面；重复上述步骤，层层叠加，形成封装基板。该封装过程适用于当基板材料是陶瓷、玻璃或金属时。
在一种实施例中，所述打印封装基板的过程为：喷涂一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，激光扫描烧结，如此不断重复铺粉、激光扫描烧结。该封装过程适用于当基板材料是金属。
在一种实施例中，所述打印封装基板的过程为：利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度(约比熔点高1℃)，在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维封装基板。该封装过程适用于当基板材料是塑料。
在一种实施例中，所述打印封装基板的过程为：喷涂一层基板材料，激光扫描液态光敏树脂，产生光聚合反应而固化，如此不断重复喷涂、激光扫描固化，层层叠加，获得三维封装基板。优选的，所述激光扫描过程由高分辨路的数字光处理投影仪完成，增加了制作精度。该封装过程适用于当基板材料是塑料。
本领域技术人员可根据封装工艺中所采用的材料选用相适配的3D打印技术，以获得较好的封装性能。
在一个实施例中，所述金属线路的制备方法包括以下步骤：采用喷头按照预设线路在该基板表面喷射金属粉末，并同步通过激光器发射激光将该金属粉末熔融，固化成形后即制得该金属线路。所述激光器为Nd-YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。
在一个实施例中，采用激光工程化净成形技术打印出金属线路。激光工程化净成形技术(LENS)将选择性激光烧结(SLS)技术和激光熔覆技术相结合，快速获得致密度和强度均较高的金属结构。所述光工程化净成形系统由四部分组成：计算机、高功率激光器、金属粉末喷头和工作台。其中，计算机用于在金属线路成形预备阶段建立金属线路的实体模型，并将该实体模型转换成STL文件，对零件的STL文件进行切片处理，生成一系列具有一定厚度的薄层及每一薄层的扫描轨迹；计算机还用于在成形加工阶段对系统中各部件(包括但不限于激光器光闸、校正光开关、保护气气阀、喷头电机以及工作台电机等等)进行同一指令下的有序控制，完成金属线路的加工过程。在激光工程化净成形系统中，激光直接熔化金属粉末，实现熔覆作用，因此要求采用高功率激光器。
具体地，所述激光器可采用Nd-YAG高功率固体脉冲激光器或二氧化碳激光器。金属粉末喷头用于将金属粉末逐点逐线喷射金属粉末，构件金属线路。工作台用于实现平面扫描运动，具体做法是将激光头固定在工作台的悬臂上，使激光头随工作台一起做平面运动，实现逐点逐线激光熔覆直至获得一个熔覆截面。
S3：将第一元器件固定在第一封装基板上，并与第一封装基板电连接。
所述第一元器件指需要固定在第一封装基板上的元器件，可以是一个元器件也可以是多个元器件。所述元器件包括无缘元器件如电阻、电容、电感等，还包括有源元器件如二极管、放大器及其他功能芯片等。在一个实施例中，所述元器件还包括ASIC芯片、FPGA芯片、MEMS芯片、Flash芯片或PowerPC处理器芯片或者其他微电路结构或系统。
所述第一元器件通过胶粘或焊接的方式固定在第一封装基板的特定位置，当第一元器件是对应力比较敏感的芯片，如MEMS芯片时，优选的采用胶粘的方式固定第一元器件，进一步的，所述贴片胶选择杨氏模量较小的环氧胶。当第一元器件是信号引脚较多的芯片，如IC芯片时，通常采用焊接的方式固定第一元器件，进一步的，选用倒装焊的方式，这样就直接实现了第一元器件与第一封装基板的电连接，而避免了引脚太多时复杂的引线键合工艺。
在一种实施例中，将第一元器件固定在第一封装基板后，采用引线键合的方式实现第一元器件与第一封装基板的电连接，优选的，所述引线键合通过金丝键合完成。采用金丝键合的方式所带来的寄生参数更少，可靠性更高。
在一种实施例中，3D打印机直接在第一封装基板上打印一层粘胶层，所述粘胶层的作用是固定第一元器件，以保证第一元器件在后续工艺中不会产生移动等情况，且所述粘胶层与第一封装基板也具有较强的结合力。具体地，该粘胶层选用UV粘合胶、环氧胶等地应力胶。在其它实施例中，该粘胶层也可选用其它合适的粘合材料，此处不应过分限制本发明的保护范围。
S4：在所述第一封装基板的表面上，继续利用3D打印法打印第二封装基板，所述第二封装基板上设置有金属线路，第二封装基板与第一封装基板具备电连接关系。
所述第二封装基板的图纸可以由人工输入，也可通过扫描第二元器件自动生成。
所述第二封装基板形成在第一季封装基板的表面上，打印方法与第一封装基板相同。所述第二封装基板的厚度要大于第一元器件的厚度，使得第二封装基板的上表面依然是水平的。在一种实施例中，当第一封装基板的表面形成有粘胶层时，第二封装基板形成在粘胶层上。
所述第二封装基板的材料是所述封装基板的材料是塑料、陶瓷、玻璃或金属等。优选的，为了降低不同基板间的热应力，所述第二封装基板的材料与第一封装基板的材料相同。
S5：将第二元器件固定在第二封装基板上，并与第二封装基板电连接。
步骤S5的执行方法与步骤S3相同。
S6：重复步骤S2-S5，形成内嵌全部元器件的多层系统级封装结构。
所述多层封装结构内嵌各元器件，各层封装基板之间通过垂直通路进行电连接，所述垂直通路在形成各层封装基板时同时形成。所述多层封装结构的材料相同。
在一种实施例中，芯片对外界温度变化较为敏感，此时为了降低外部温度变化对封装芯片的影响，所述多层封装结构还具有中空隔热结构。即某几层封装基板为孔状结构。所述具有中空隔热结构的多封封装结构尤其适用于高温环境。
在其他实施例中，芯片自身产热较高，此时为了增加芯片自身散热，所述多层封装结构还具有多孔散热结构或局部散热片。即散热要求较高的芯片或功能模块上或下面采用多孔或局部增加散热片，利于芯片或功能模块快速散热，有利于增加芯片使用寿命。
S7：利用3D打印法打印封装盖板。
在一种实施例中，所述封装盖板形成于最顶层封装基板的表面，并完全覆盖顶层封装基板。在其他实施例中，所述封装盖板形成于最顶层封装基板的表面、载体的表面和多层封装基板的侧面，并将多层封装基板完全包裹在封装盖板和载体所形成的腔体内部。
所述封装盖板是塑料、陶瓷、玻璃、金属中的一种，所述塑料是环氧树脂、可模塑、橡胶或聚酰亚胺等的聚合物中的至少一种。在一种实施例中，针对封装芯片对气密性和环境适应性的要求，所述封装盖板选用塑料材料。采用喷头按照预设路线将熔融态的塑封层材料喷射出来形成该塑封盖板。在另一实施例中，所述封装盖板的材料是陶瓷或玻璃，可以采用粉末态将封装盖板材料喷出，并采用胶水(例如亚克力UV无影胶水)将粉末态的封装盖板材料粘合，其中，胶水也采用喷头喷出。
在形成所述封装盖板后，可选的还包括以下步骤：
S8：压合整个多层封装结构。
所述压合方法为等静压，压合力根据封装结构的材料不同而进行相应的设定，在一种实施例中，所述等静压压合在一定的温度下持续一定的时间，使得整个封装结构更为稳定。
S9：移除载体。
针对某些对体积或质量有要求的封装系统，在S1-S8步骤完成后，需要移除载体，形成最终的封装体。
在一种实施例中，再移除载体后，还有一步在所述最终封装体外形成与外界相连的电气连接通路，如引脚焊盘或插针。
本发明中的3D打印技术采用计算机数字控制，通过分层与逐层添加、固化添加的材料来生成三维实体。
本发明的芯片封装方法采用3D打印法代替了通孔的光刻、刻蚀步骤，并代替了金属线路的光刻、刻蚀以及电镀沉积等工艺步骤，大大降低了工艺复杂性与污染物排放，显著降低了加工成本，有效提高了加工效率，且能够降低设计与加工成本，缩短研发时间，提高加工精度与可靠性。此外，本发明封装方法在去除载体及封装层后，芯片背面没有多余的封装层，制得到的封装系统更为轻薄，能够器件小型化的要求。
本申请采用基于3D打印的系统级封装方法，能够制造具有复杂立体结构的基板与封装盖板，以适应三维封装的发展。
本申请基于3D打印的系统级封装方法，在单件、小批量方面具有突出的优势。而且，与传统制造技术中贵重的高精度设备相比，工业级3D打印机成本较低，改进周期短，生产效率高，尤其适用于研发阶段的芯片封装实验。
因此，本发明的基于3D打印的系统级封装方法的封装精度高、生产效率高且产品的封装性能较好。
本发明还提供了一种基于3D打印的封装系统，其特征在于，所述封装系统包括：
取放件单元，用于取放元器件。具体包括将元器件放置在封装基板的相应位置，进一步的，所述取放件单元还可在贴片步骤中，给与元器件一定的压力，使得贴片质量更好。
输入单元，用于输入设计图纸。所述输入单元用于接收设计图纸并输出给打印单元，所述设计图纸可以来自于人工输入，也可来自于扫描单元的扫描自动生成。
打印单元，用于打印生成封装基板和封装盖板。还可打印封装基板上的金属走线。在一种实施例中，打印单元还可打印粘结层。在一种实施例中，所述打印单元由工业级3D打印机组成。
贴片单元，用于将元器件固定在封装基板上。所述贴片单元可通过粘接或焊接的方式将元器件固定在对应的封装基板上。在一种实施例中，所述贴片单元由贴片机组成。
键合单元，用于完成封装基板与对应元器件间的电连接。在一种实施例中，所述键合单元通过引线键合完成基板与对应元器件间的电连接，在其他实施例中，还可通过倒装焊等其他方式合完成基板与对应元器件间的电连接。在一种实施例中，所述键合单元由引线键合机组成。
在一种实施例中，所述的基于3D打印的封装系统，其特征在于，还包括扫描单元，用于扫描元器件生成对应封装基板层的设计图纸。
在一种实施例中，所述封装系统还包括对准单元，所述对准单元用于准确取放器件并将其置于封装基板的相应位置。优选的，所述对准单元为激光对准，对准精度高于10um。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。