一种具有多向通信功能的芯片封装结构及其形成方法与流程

1.本发明涉及半导体封装技术领域，具体而言，涉及一种具有多向通信功能的芯片封装结构及其形成方法。


背景技术：

2.不断增长的性能、进一步的小型化和不断提升的系统密度是全球半导体市场改进和开发新的芯片和封装技术的主要技术驱动力。3d-ic和2.5d tsv(硅通孔)封装技术是制造诸如混合存储立方(hmc)和高带宽存储器(hbm)等多层堆叠结构的重要技术。由于对半导体器件性能的需求不断提高，每层互联结构之间的内部互联密度显著增加。除了设计和概念方面的挑战，实现经济可靠的制造技术也极其重要。
3.目前业界主流的aip(antenna in package，封装天线)都是通过在芯片封装体的上表面进行天线制作，大多数仅仅实现了定向天线的功能，并没有实现在水平方向上的360
°
均匀辐射的全向天线的功能，仅在平面上制造的微带天线并没有充分利用三维结构实现全向天线的功能。


技术实现要素：

4.本发明的任务是提供一种具有多向通信功能的芯片封装结构及其形成方法，通过在芯片堆叠结构的侧面布置天线封装结构，可以实现全向天线在水平方向上的360
°
均匀辐射的功能，且方法简单、效果明显。
5.在本发明的第一方面，前述任务通过一种具有多向通信功能的芯片封装结构来解决，包括：
6.芯片堆叠结构，其包括彼此堆叠的多个第一芯片，其中所述芯片堆叠结构具有正面、背面和多个侧面；以及
7.天线封装结构，其布置在所述芯片堆叠结构的多个侧面，其中所述天线封装结构被配置为接收和/或发送信号。
8.进一步地，其中：
9.芯片堆叠结构包括：
10.多个第一芯片，其具有正面、侧面和与正面相对的背面；
11.第一金属层，其位于所述第一芯片的正面；
12.第二金属层，其位于所述第一芯片的侧面；
13.第一隔离层，其位于所述第一芯片与所述第一金属层或所述第二金属层之间；
14.第一绝缘层，其位于所述第一芯片的正面；以及
15.第一重布线层，其位于所述第一绝缘层内，并与所述第一金属层电连接；和/或
16.天线封装结构包括：
17.第二芯片，其具有正面、侧面和与正面相对的背面；
18.第三金属层，其位于所述第二芯片的正面；
19.第四金属层，其位于所述第二芯片的侧面；
20.第二隔离层，其位于所述第二芯片与所述第三金属层或所述第四金属层之间；
21.第二绝缘层，其位于所述第二芯片的正面；
22.第二重布线层，其位于所述第二绝缘层内，并与所述第三金属层电连接；
23.塑封层，其位于所述第二芯片的背面和侧面；
24.导电通孔，其贯穿所述塑封层，并与所述第三金属层电连接；
25.以及
26.天线，其位于所述塑封层的表面，并与所述导电通孔电连接；
27.焊球，其与第二重布线层电连接。
28.进一步地，所述第二金属层与所述第一金属层电连接；和/或
29.所述第四金属层与所述第三金属层电连接。
30.进一步地，通过所述焊球与所述第二金属层键合，所述天线封装结构布置在所述芯片堆叠结构的侧面。
31.进一步地，所述第二芯片的内部具有天线馈电网络。
32.进一步地，所述天线为微带天线。
33.在本发明的第二方面，前述任务通过一种具有多向通信功能的芯片封装结构的形成方法来解决，包括：
34.芯片堆叠结构的形成，包括：
35.在晶圆的正面形成通孔；
36.在通孔的内壁和晶圆的正面形成隔离层；
37.在通孔中填充金属，并在晶圆的正面形成第一金属层；
38.在第一金属层上形成第一绝缘层，并在第一绝缘层中形成第一重布线层；
39.在晶圆的正面键合第一载片；
40.将晶圆的背面减薄暴露出所述通孔；
41.去除所述第一载片；
42.将多个晶圆进行键合形成晶圆堆叠结构；
43.切割晶圆堆叠结构形成芯片堆叠结构；
44.天线封装结构的形成，包括：
45.提供完成第二重布线层制作的第二芯片，所述完成第二重布线层制作的第二芯片包括：第三金属层，其位于第二芯片的正面；第四金属层，其位于第二芯片的侧面；第二隔离层，其位于第二芯片与第三金属层或第四金属层之间；第二绝缘层，其位于第三金属层上；第二重布线层，其位于第二绝缘层中，并与第三金属层电连接，其中部分第二重布线层露出；
46.在所述第二芯片的正面键合第二载片；
47.在第二芯片的背面和侧面进行塑封形成塑封层；
48.在塑封层中形成导电通孔；
49.在塑封层表面布置与导电通孔电连接的天线；
50.在第二重布线层上布置焊球；
51.将天线封装结构布置在芯片堆叠结构的侧面。
52.进一步地，将天线封装结构布置在芯片堆叠结构的侧面时，采用垂直激光进行所述焊球与所述第二金属层的键合，并在键合的过程中采用真空夹具辅助键合。
53.进一步地，在所述通孔处，通过隐形激光刀片切割晶圆堆叠结构形成芯片堆叠结构。
54.进一步地，在通孔中填充金属，并在晶圆的正面形成第一金属层时，先在所述通孔的内壁和所述晶圆的正面形成种子沉积层，然后通过电镀在所述通孔中填充金属，并所述晶圆的正面形成第一金属层。
55.本发明至少具有下列有益效果：本发明提出了一种具有多向通信功能的芯片封装结构及其形成方法，通过在芯片堆叠结构的侧面布置天线封装结构，可以实现全向天线在水平方向上的360
°
均匀辐射的功能，且方法简单、效果明显、应用范围广。
附图说明
56.为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
57.图1a-1b示出了根据本发明的一个实施例的具有多向通信功能的芯片封装结构的示意图；
58.图2a示出了根据本发明的一个实施例的天线封装结构中的天线示意图；
59.图2b示出了根据本发明的一个实施例的馈电网络结构示意图；
60.图2c示出了根据本发明的一个实施例的天线以及馈电网络结构的整体展开示意图；
61.图3a示出了根据本发明的一个实施例的具有多向通信功能的芯片封装结构中的天线的辐射性能测试结果图；
62.图3b示出了根据本发明的一个实施例的具有多向通信功能的芯片封装结构中的天线的回波损耗特性测试结果图；
63.图4a-4j示出了根据本发明的一个实施例的芯片堆叠结构形成过程的剖面示意图；
64.图5a-5c示出了根据本发明的一个实施例的天线封装结构形成过程的剖面示意图；以及
65.图6示出了根据本发明的一个实施例的芯片堆叠结构与天线封装结构键合的剖面示意图。
具体实施方式
66.应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
67.在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
68.在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
69.在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部
分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
70.在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
71.在此还应当指出，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性。
72.另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，所述方法步骤可以以不同顺序执行。
73.图1a-1b示出了根据本发明的一个实施例的具有多向通信功能的芯片封装结构的示意图。
74.如图1a-1b所示，一种具有多向通信功能的芯片封装结构包括芯片堆叠结构和4个天线封装结构，其中天线封装结构布置在芯片堆叠结构的4个侧面，并与芯片堆叠结构电连接。
75.芯片堆叠结构，其包括彼此堆叠的多个第一芯片，其中芯片堆叠结构具有正面、背面和多个侧面。芯片堆叠结构包括：
76.多个第一芯片101，其具有正面、侧面和与正面相对的背面；
77.第一金属层102，其位于第一芯片101的正面；
78.第二金属层103，其位于第一芯片101的侧面，并与第一金属层102电连接；
79.第一隔离层104，其位于第一芯片101与第一金属层102或第二金属层103之间，且被配置为将第一芯片101与第一金属层102或第二金属层103绝缘；
80.第一绝缘层105，其位于第一芯片101的正面；
81.第一重布线层106，其位于第一绝缘层105内，并与第一金属层102电连接。
82.在此，可以是3个第一芯片键合堆叠，还可以是更多或更少数量的第一芯片键合堆叠。
83.天线封装结构，其被配置为接收和/或发送信号。天线封装结构包括：
84.第二芯片201，其具有正面、侧面和与正面相对的背面；
85.第三金属层202，其位于第二芯片201的正面；
86.第四金属层203，其位于第二芯片201的侧面，并与第三金属层202电连接；
87.第二隔离层204，其位于第二芯片201与第三金属层202或第四金属层203之间，且被配置为将第一芯片101与第三金属层202或第四金属层203绝缘；
88.第二绝缘层205，其位于第二芯片201的正面；
89.第二重布线层206，其位于第二绝缘层204内，并与第三金属层203电连接；
90.塑封层207，其位于第二芯片201的背面和侧面，且被配置为将第二芯片201塑封；
91.导电通孔208，其贯穿塑封层207，并与第三金属层202电连接；
92.天线209，其位于塑封层207的表面，并与导电通孔208电连接。
93.焊球210，其与第二重布线层206电连接。
94.在此，第二芯片的内部集成有天线馈电网络、微波集成电路等元器件(未示出)。
95.在本发明的一个实施例中，通过焊球与多个第一芯片的侧面的第二金属层键合，天线封装结构布置在芯片堆叠结构的4个侧面。
96.图2a示出了根据本发明的一个实施例的天线封装结构中的天线示意图；图2b示出了根据本发明的一个实施例的馈电网络结构示意图；图2c示出了根据本发明的一个实施例的天线以及馈电网络结构的整体展开示意图。
97.如图2a所示，天线封装结构中的天线209为微带天线，天线209具有3个辐射臂2091。天线209的形状可以根据实际需求制作，可以是矩形、波浪形、椭圆形、圆形等多种形状。
98.如图2b所示，馈电网络结构400具有第一馈电端401、第二馈电端402、第三馈电端403、第四馈电端404和馈电网络中心405。馈电网络中心405分别与第一馈电端401、第二馈电端402、第三馈电端403、第四馈电端404连接。
99.如图2c所示，在具有多向通信功能的芯片封装结构中，天线209与馈电网络结构400电连接。4个天线209分别与馈电网络结构400的第一馈电端401、第二馈电端402、第三馈电端403、第四馈电端404电连接，形成全向共形微带天线阵。
100.图3a示出了根据本发明的一个实施例的具有多向通信功能的芯片封装结构中的天线的辐射性能测试结果图。
101.如图3a所示，对具有多向通信功能的芯片封装结构中的天线的基本振子天线值进行了测试，中心原点的基本振子天线值为-40db，由内向外第一圈表示基本振子天线值为-30db，第二圈表示基本振子天线值为-20db，第三圈表示基本振子天线值为-10db、第四圈表示基本振子天线值为0db、第五圈表示基本振子天线值为10db。全向共形微带天线阵的测试结果显示，具有多向通信功能的芯片封装结构中的天线在水平方向上每个角度的基本振子天线值都基本相同，大约为0db。基本振子天线值的测试结果表明具有多向通信功能的芯片封装结构中实现了在水平方向上的360
°
均匀辐射，在每个方向上的辐射性能基本相同。
102.图3b示出了根据本发明的一个实施例的具有多向通信功能的芯片封装结构中的天线的回波损耗特性测试结果图。
103.选取回波损耗特性s11作为具有多向通信功能的芯片封装结构中的天线的性能的衡量指标。回波损耗特性s11用于反应天线性能的好坏，其值(绝对值)越大表示天线本身发射信号的能量越大，天线性能也越好。如图3b所示，具有多向通信功能的芯片封装结构中的天线在20.71ghz-23.42ghz以及24.34ghz-42.91ghz的回波损耗特性s11小于-10db。在此，回波损耗特性s11小于-10db所对应的频率是该天线正常工作的频率范围。
104.图4a-4j示出了根据本发明的一个实施例的芯片堆叠结构形成过程的剖面示意图。
105.在步骤1，如图4a所示，在晶圆100的正面形成通孔107。将具有掩膜孔的掩膜版301放置在晶圆100上，然后进行光刻，形成通孔107。
106.在步骤2，如图4b所示，在通孔107的内壁和晶圆100的正面形成第一隔离层104。其中第一隔离层104的材料为绝缘材料。
107.在步骤3，如图4c所示，在通孔107中填充金属，并在晶圆100的正面形成第一金属层102。先在通孔107的内壁和晶圆100的正面形成种子沉积层，然后通过电镀在通孔107中填充金属，并在晶圆100的正面形成第一金属层102。在此，通孔107中的填充金属和第一金属层107的金属材料可以是cu，也可以是其它导电金属。
108.在步骤4，如图4d所示，在第一金属层102上形成第一绝缘层105并在第一绝缘层105中形成第一重布线层106。形成第一绝缘层105和第一重布线层106时，先在第一金属层102上形成绝缘层，并光刻出线路，然后电镀线路，重复操作形成第一绝缘层105和第一重布线层106。
109.在步骤5，如图4e所示，通过临时键合工艺在晶圆100的正面键合第一载片302。在位于晶圆100正面的第一绝缘层105上键合第一载片302。
110.在步骤6，如图4f所示，将晶圆100的背面减薄暴露出通孔107。在此，可以通过化学机械抛光工艺将晶圆100的背面减薄。
111.在步骤7，如图4g所示，拆除第一载片302。可以通过加热、机械、化学、激光、冷冻等方式拆除第一载片302。
112.在步骤8，如图4h所示，将多个晶圆100进行键合形成晶圆堆叠结构。将完成步骤1至步骤7工艺的多个晶圆100进行背对面键合，其中一个晶圆的正面与另一个晶圆的背面键合。
113.在步骤9，如图4i-4j所示，切割晶圆堆叠结构形成芯片堆叠结构。在通孔107处，通过隐形激光刀片切割晶圆堆叠结构形成芯片堆叠结构，其中芯片堆叠结构的侧面留有第二金属层103。
114.图5a-5c示出了根据本发明的一个实施例的天线封装结构形成过程的剖面示意图。
115.在步骤1，如图5a所示，提供完成第二重布线层制作的第二芯片201，并在第二芯片201的正面键合第二载片303，然后在第二芯片201的背面和侧面进行塑封以形成塑封层207。完成第二重布线层制作的第二芯片201包括：第三金属层202，其位于第二芯片201的正面；第四金属层203，其位于第二芯片201的侧面；第二隔离层204，其位于第二芯片201与第三金属层202或第四金属层203之间，且被配置为将第一芯片101与第三金属层202或第四金属层203绝缘；第二绝缘层205，其位于第三金属层202上；第二重布线层206，其位于第二绝缘层205中，并与第三金属层202电连接，其中部分第二重布线层206露出。
116.在步骤2，如图5b所示，在塑封层207中形成导电通孔208，然后在塑封层207的表面布置与导电通孔208电连接的天线209。形成导电通孔208时，首先通过光刻形成贯穿塑封层207的通孔，然后电镀金属填充通孔形成导电通孔208。导电通孔208与第三金属层202电连接。
117.在步骤3，如图5c所示，在第二重布线层206上布置焊球210。第二芯片201的正面的第二重布线层206有部分露出，露出的部分可以作为焊盘，通过植球工艺在第二重布线层206上布置焊球210。
118.图6示出了根据本发明的一个实施例的芯片堆叠结构与天线封装结构键合的剖面示意图。
119.如图6所示，将天线封装结构布置在芯片堆叠结构的侧面。采用垂直激光进行焊球
210与第二金属层103的键合以实现将天线封装结构布置在芯片堆叠结构的4个侧面，并在键合的过程中采用真空夹具304夹取天线封装结构以辅助键合。
120.本发明的具有多向通信功能的芯片封装结构可以满足毫米波成像与探测系统在成像与探测方面的小型化、批量化等实际需求，具有多向通信功能的芯片封装结构结合mmic芯片、收发天线、射频电路等多功能部件，极大提升了具有多向通信功能的芯片封装结构的集成度和天线的抗干扰特性。
121.在室内，具有多向通信功能的芯片封装结构可以应用于生命探测系统或者入侵报警系统等，该具有多向通信功能的芯片封装结构可以通过在内部集成生命体征探测电路、信号收发以及处理模块、网络连接电路等模块来实现在不同场景下不同的使用功能，且其体积小，具有轻便性和隐蔽性。
122.在城市中，具有多向通信功能的芯片封装结构可以应用于智慧交通系统，结合计算机信息技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术等，可以有效的应用于交通运输和服务控制领域，可以加强车辆、道路和用户之间的联系，通过探测周围物体的运动距离、运动方向、运动速度等，可以提高交通系统的安全程度、调度效率。
123.本发明至少具有下列有益效果：本发明提出了一种具有多向通信功能的芯片封装结构及其形成方法，通过在芯片堆叠结构的侧面布置天线封装结构，可以实现全向天线在水平方向上的360
°
均匀辐射的功能，且方法简单、效果明显、应用范围广。
124.虽然本发明的一些实施方式已经在本技术文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。