一种射频前端与天线一体化三维集成封装方法及结构与流程

本发明涉及集成电路封装技术领域，特别涉及一种射频前端与天线一体化三维集成封装方法及结构。

背景技术：

随着5g时代的到来，毫米波系统应用的频率越来越高，天线单元的尺寸越来越小，使得在封装体内射频前端与天线一体化高度集成得以实现。而射频前端与天线一体化三维集成封装方法不仅能够很好地兼顾天线性能，还能大大提高系统的集成度，因此射频前端与天线一体化三维集成封装技术在5g无线通讯和雷达芯片封装具有极大的优势。

目前主流的射频系统与天线集成封装采用三维堆叠的封装形式实现，玻璃晶圆和重构的树脂晶圆通过bga焊球互联，两层晶圆独立加工；而用于玻璃晶圆上的天线模块用再布线工艺和tgv工艺共同实现。这种方案主要存在以下问题：

1.两种晶圆通过bga焊球互联，会引入较大的射频信号传输损耗；

2.由于用包覆料重构的晶圆独立加工，没有载体支撑，在多芯片扇出工艺中，形成的封装体结构通常会存在较大的翘曲，在与玻璃晶圆键合时，焊接位置会发生偏移，产品可靠性不佳；

3.天线模块用tgv工艺实现，加工难度较大，加工成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种射频前端与天线一体化三维集成封装方法及结构，以解决现有的封装工艺成本较高、制备出的产品可靠性不佳的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种射频前端与天线一体化三维集成封装方法，包括：

提供玻璃晶圆、第一组件和第二组件，所述第一组件倒装焊接至所述玻璃晶圆的背面；

包覆所述第一组件形成晶圆载体；减薄其背面至露出所述第一组件的铜柱焊盘面，并形成布线层、钝化层和球下金属层；

将所述第二组件倒装焊至所述球下金属层上；

在球下金属层处生长焊球凸点，在所述第二组件背面涂覆导热材料并与基板的散热金属面连接，形成最终封装体。

可选的，所述玻璃晶圆的正、背两面分别依次形成布线层和钝化层，并在背面的钝化层处开口；所述第一组件的引出端生长有若干个金属凸点；

所述第一组件通过金属凸点倒装焊至所述玻璃晶圆背面钝化层开口处。

可选的，所述第二组件的引出端生长有若干个金属凸点；

所述第二组件通过金属凸点倒装焊至所述球下金属层上。

可选的，所述玻璃晶圆正面形成的钝化层的厚度大于正面形成的布线层，且正面的钝化层包覆正面的布线层；

背面形成的钝化层的厚度大于背面形成的布线层，且背面的钝化层包覆背面的布线层；所述玻璃晶圆正面和背面的布线层厚度均为2～7μm，钝化层厚度均为5～10μm。

可选的，所述第一组件的厚度为50～800μm；所述第二组件的厚度为50～300μm；

所述第一组件和所述第二组件的引出端生长金属凸点的工艺均为植球或电镀或刷焊锡膏，所述第一组件和所述第二组件的引出端生长的金属凸点直径均为30～200μm。

可选的，包覆所述第一组件形成晶圆载体；减薄其背面至露出所述第一组件的铜柱焊盘面包括：

通过包覆料包覆所述第一组件形成晶圆载体，所述包覆料的厚度为200～1000μm；

减薄所述晶圆载体背面至露出所述第一组件的铜柱焊盘面，减薄后包覆料的厚度为200～500μm。

可选的，所述第一组件包括tsv转接板、滤波器、天线调谐器和无源器件；所述第二组件包括功率放大器、低噪声放大器、收发控制芯片、电源管理芯片及无源器件。

可选的，所述玻璃晶圆厚度大于100μm，所述焊球凸点的直径为80～600μm。

本发明还提供了一种射频前端与天线一体化三维集成封装结构，包括：

晶圆载体，所述晶圆载体的背面减薄后形成有布线层、钝化层和球下金属层；一部分球下金属层通过金属凸点与第二组件的正面倒装焊接，另一部分球下金属层生长有焊球凸点；

基板，其散热金属面通过导热材料与所述第二组件的背面连接。

可选的，所述晶圆载体包括玻璃晶圆和第一组件；

所述玻璃晶圆正面依次形成有布线层和钝化层；背面依次形成有布线层和钝化层，所述钝化层设有开口；

所述第一组件通过金属凸点倒装焊至所述钝化层的开口处，并通过包覆料包覆。

在本发明中提供了一种射频前端与天线一体化三维集成封装方法及结构，提供玻璃晶圆、第一组件和第二组件，所述第一组件倒装焊接至所述玻璃晶圆的背面；包覆所述第一组件形成晶圆载体；减薄其背面至露出所述第一组件的铜柱焊盘面，并形成布线层、钝化层和球下金属层；将所述第二组件倒装焊至所述球下金属层上；在球下金属层处生长焊球凸点，在所述第二组件背面涂覆导热材料并与基板的散热金属面连接，形成最终封装体。

本发明具有以下有益效果：

(1)玻璃晶圆与重构晶圆采用键合在一起的工艺实现，后续加工和使用中不需要将两种晶圆解开，有效解决了重构晶圆的翘曲问题，提升了产品的可靠性，同时这种加工工艺集成度也更高；

(2)采用将第一组件先焊接到玻璃晶圆上，再用包覆料包封的加工工艺，有效避免了传统包覆成型过程中包覆材料液化流动与固化工艺带来的芯片组件偏移问题，加工精度更高，射频信号传输损耗更小；

(3)采用先在玻璃晶圆背面布线，再用包覆料重构晶圆的加工工艺，有效实现重构晶圆的双面布线，避免使用复杂的临时键合工艺，提升产品的良率和可靠性，降低产品的加工难度；

(4)最终形成的封装体，把第一组件埋置在包覆料内，第二组件焊接在包覆料外，可有效解决高功率芯片的散热问题，而且在最终上板时，在第二组件背面涂覆导热材料，并连接至基板的散热金属面，进一步提高封装体的散热性能。

附图说明

图1是本发明提供的射频前端与天线一体化三维集成封装方法流程示意图；

图2是玻璃晶圆正面形成布线层和钝化层的示意图；

图3是玻璃晶圆背面形成布线层和钝化层及钝化层开口的示意图；

图4是提供的第一组件表面生长金属凸点的示意图；

图5是第一组件倒装焊接在玻璃晶圆背面的示意图；

图6是tsv转接板的结构示意图；

图7是包覆料包覆第一组件形成晶圆载体的示意图；

图8是减薄晶圆载体背面并形成布线层、钝化层和球下金属层的示意图；

图9是提供的第二组件表面生长金属凸点的示意图；

图10是第二组件倒装焊接在球下金属层的示意图；

图11是在球下金属层生长焊球凸点的示意图；

图12是通过导热材料与基板的散热金属面连接形成最终封装体的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种射频前端与天线一体化三维集成封装方法及结构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种射频前端与天线一体化三维集成封装方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤s11、提供玻璃晶圆、第一组件和第二组件，所述第一组件倒装焊接至所述玻璃晶圆的背面；

步骤s12、包覆所述第一组件形成晶圆载体；减薄其背面至露出所述第一组件的铜柱焊盘面，并形成布线层、钝化层和球下金属层；

步骤s13、将所述第二组件倒装焊至所述球下金属层上；

步骤s14、在球下金属层处生长焊球凸点，在所述第二组件背面涂覆导热材料并与基板的散热金属面连接，形成最终封装体。

首先提供厚度为500μm的玻璃晶圆103，在所述玻璃晶圆103正面依次形成厚度为5μm的布线层101和厚度为10μm钝化层102，作为天线的辐射面，所述钝化层102包覆所述布线层101，如图2所示；将所述玻璃晶圆103翻转180°，在所述玻璃晶圆103背面依次形成厚度为5μm的布线层104和厚度为10μm的钝化层105，并且在所述钝化层105表面开出直径为60μm的圆形孔，作为天线的馈电面，所述钝化层105包覆所述布线层104如图3所示。

提供第一组件116，所述第一组件116包括tsv转接板、滤波器、天线调谐器、无源器件在内的一种或多种，所述第一组件116的厚度为50～800μm，如图4所示，在所述第一组件116的引出端通过植球或电镀或刷焊锡膏工艺生长出若干个直径为70μm的金属凸点115。所述第一组件116通过所述金属凸点115倒装焊至所述钝化层105的开口处，并在焊接空隙处填充底部填充料109，如图5所示。当所述第一组件116包括tsv转接板时，所述tsv转接板包括硅110和形成在所述硅110内部的垂直互联金属108，如图6。所述金属凸点115的材料为sn，或cusn，或cunisn，或cunisnag。

请参阅图7，通过包覆料107包覆所述第一组件116形成重构的新的晶圆载体，此时包覆料107的厚度为500μm。减薄所述晶圆载体背面至露出所述第一组件116的铜柱焊盘面，减薄后包覆料的厚度为200μm。在减薄后的晶圆载体背面形成厚度为5μm的布线层111、厚度为10μm的钝化层112和厚度为3μm的球下金属层113，如图8所示。其中所述包覆料107为模塑料，或模塑料与填充料的结合体。

提供如图9所示的第二组件118，所述第二组件118包括功率放大器、低噪声放大器、收发控制芯片、电源管理芯片及无源器件中的一种或多种，所述第二组件118的厚度为50～300μm。在所述第二组件118的引出端通过植球或电镀或刷焊锡膏工艺生长出若干个直径为150μm的金属凸点117。将所述第二组件118通过金属凸点117倒装焊至所述球下金属层113上，如图10所示。所述金属凸点117的材料为sn，或cusn，或cunisn，或cunisnag。

在其他球下金属层113上生长直径为500μm的球焊凸点114，如图11所示；在所述第二组件118背面涂覆10μm厚的导热材料119并连接至基板106的散热金属面120，形成如图12所示的最终封装体。

实施例二

本发明实施例二提供了一种通过上述方法制备而成的射频前端与天线一体化三维集成封装结构，如图12所示，包括：

晶圆载体，所述晶圆载体的背面减薄后形成有布线层111、钝化层112和球下金属层113；一部分球下金属层113通过金属凸点117与第二组件118的正面倒装焊接，另一部分球下金属层113生长有焊球凸点114；

基板106，其散热金属面120通过导热材料119与所述第二组件的背面连接。

其中，所述晶圆载体包括玻璃晶圆103和第一组件116；所述玻璃晶圆103正面依次形成有布线层101和钝化层102；背面依次形成有布线层104和钝化层105，所述钝化层105设有开口；所述第一组件116通过金属凸点115倒装焊至所述钝化层105的开口处，并通过包覆料107包覆。

该结构采用三维集成封装方式，能够使包含第一组件和第二组件的射频前端芯片之间呈垂直分布，有效实现了射频前端与天线封装的一体化和小型化。采用晶圆与晶圆永久键合的方式，极大降低了加工的工艺难度。天线结构使用耦合方式馈电，避免使用了tgv工艺以及重构的晶圆双面布线时避免使用了临时键合工艺，从而有效的降低了产品成本。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。