芯片堆叠结构及其制作方法、电子设备与流程

本技术涉及芯片制造，尤其涉及一种芯片堆叠结构及其制作方法、电子设备。

背景技术：

1、随着半导体工艺的不断发展，用户对个人电脑、手机、数码相机等电子设备的系统性能的要求越来越高。为了获得更高的系统性能，可以采用堆叠键合技术将多个芯片进行垂直的堆叠互连，以减小占地面，降低信号延迟和功耗、提高集成度。然而，现有的芯片堆叠键合工艺，可靠性较差。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种芯片堆叠结构及其制作方法、电子设备，用于解决如何提高芯片堆叠结构的可靠性的问题。

2、为达到上述目的，本技术的实施例采用如下技术方案：

3、第一方面，本技术实施例提供了一种芯片堆叠结构，该芯片堆叠结构包括第一裸芯片、第二裸芯片以及第一金属键合结构。第一裸芯片包括第一表面。第二裸芯片与第一裸芯片层叠设置；第二裸芯片包括第二表面，第二表面与第一表面相面对。第一金属键合结构包括第一焊盘和第二焊盘，第一焊盘设置于第一表面，第二焊盘设置于第二表面且位于第一焊盘和第二表面之间；第一焊盘和第二焊盘两者中的一者包括第一环形段，另一者与第一环形段键合。

4、本技术实施例提供的芯片堆叠结构，通过使设置于第一裸芯片上的第一焊盘以及设置于第二裸芯片上的第二焊盘两者中的一者包括第一环形段，另一者通过热压键合与第一环形段键合，能够实现第一裸芯片和第二裸芯片之间的连接且电导通（互连）。由于第一焊盘和第二焊盘两者键合的面积较小，在向第一裸芯片和第二裸芯片施加相同的键合压强的情况下，第一焊盘和第二焊盘反作用于第一裸芯片和第二裸芯片的键合应力较小，可以防止第一裸芯片和第二裸芯片开裂损伤，进而提高第一裸芯片和第二裸芯片的可靠性，进而提高芯片堆叠结构整体的可靠性。

5、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一焊盘和第二焊盘两者中的另一者与第一环形段围设出第一空腔。芯片堆叠结构还包括填料，填料包括第一部分填料，第一部分填料设置于第一空腔，且与第一焊盘、第二焊盘均连接。这样一来，第一部分填料增强了第一焊盘和第二焊盘的连接可靠性，进而增强了第一裸芯片和第二裸芯片之间的连接可靠性，保证了芯片堆叠结构整体的连接可靠性。

6、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一部分填料还与第一焊盘、第二焊盘均电导通。这样一来，第一部分填料在增强第一焊盘和第二焊盘之间的刚性连接可靠性的基础上，还能够增强第一焊盘和第二焊盘之间电连接的可靠性，进而保证第一裸芯片和第二裸芯片之间互连的可靠性，从而保证芯片堆叠结构整体的可靠性。

7、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一焊盘和第二焊盘两者中的另一者为片状结构，第一环形段的内腔形成第一空腔。这样一来，在制作第一焊盘和第二焊盘时，只需制作一个环形段（第一环形段）即可，简化了制作工艺，使得芯片堆叠结构的制作效率较高。

8、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一环形段的横截面呈圆环状；第一焊盘和第二焊盘两者中的另一者为圆片状结构，且直径大于第一环形段的外径。这样一来，当将第一环形段和第一焊盘键合时，若第一环形段与第一焊盘不同轴，也能够实现第一空腔的密封，以防止第一部分填料溢出第一金属键合结构，增加相邻的包括第一金属键合结构和第一部分填料的导通结构连接短路的风险，从而保证了第一裸芯片和第二裸芯片互连的可靠性。

9、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一焊盘和第二焊盘两者中的另一者包括第二环形段，第二环形段与第一环形段相对且键合，第一环形段的内腔形成第一空腔的一部分，第二环形段的内腔形成第一空腔的另一部分。这样一来，第一部分填料与第一焊盘、第二焊盘均具有较大的连接面积，能够提高第一部分填料与第一焊盘、第二焊盘连接的可靠性，进而保证第一裸芯片和第二裸芯片连接的可靠性，从而保证芯片堆叠结构整体的可靠性。

10、在第一方面的一些可能的实现方式中，在第一焊盘包括第一环形段的情况下，第一焊盘还包括第一连接部，第一连接部为片状结构，第一连接部连接于第一环形段和第一表面之间。第二焊盘还包括第二连接部，第二连接部为片状结构，第二连接部连接于第二环形段和第二表面之间。这样一来，第一部分填料可以处于封闭的第一空腔内，且可进一步增大第一部分填料与第一焊盘、第二焊盘的连接面积，能够提高第一部分填料与第一焊盘、第二焊盘连接的可靠性，进而保证第一裸芯片和第二裸芯片连接的可靠性，从而保证芯片堆叠结构整体的可靠性。

11、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一环形段的横截面和第二环形段的横截面均呈圆环状。第一环形段和第二环形段两者中的一者的外径大于另一者的外径。第一环形段和第二环形段两者中的另一者的外径大于一者的内径。这样一来，当将第一环形段和第二环形段键合时，若第一环形段与第二环形段不同轴，也能够实现第一空腔的密封，以防止第一部分填料溢出第一金属键合结构而增加两个导通结构连接短路的风险，从而保证了第一裸芯片和第二裸芯片连接且电导通的可靠性。

12、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一部分填料为焊料。这样一来，第一焊盘和第二焊盘除了直接接触键合外，还通过焊料进行焊接，因此，第一焊盘和第二焊盘之间的连接，刚度和强度大，整体性能好，且不易老化变形。此外，焊料设置于第一空腔，第一焊盘和第二焊盘能够对焊料进行限位和密封，能够防止助焊剂残留产生电化学迁移而导致相邻的导通结构短路，还能够防止导通结构周侧的粘接剂污染焊料与第一焊盘、第二焊盘的连接界面而导致焊料与第一焊盘、第二焊盘之间焊接不良，并能够防止相邻的导通结构的焊料变形而连接短路，从而可以增加导通结构的密度而提升芯片堆叠结构的性能，并可以降低第一裸芯片和第二裸芯片之间的距离而有利于芯片堆叠结构的薄型化。

13、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一焊盘朝向第二表面的表面具有第一缓冲槽和第一溢流通道，第一溢流通道连通第一缓冲槽和第一空腔。

14、在第一方面的一些可能的实现方式中，第二焊盘朝向第一表面的表面具有第二缓冲槽和第二溢流通道，第二溢流通道连通第二缓冲槽和第一空腔。

15、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一焊盘朝向第二表面的表面具有第一缓冲槽和第一溢流通道，第一溢流通道连通第一缓冲槽和第一空腔；第二焊盘朝向第一表面的表面具有第二缓冲槽和第二溢流通道，第二溢流通道连通第二缓冲槽和第一空腔。这样一来，当对第一裸芯片和第二裸芯片加热使第一空腔内的焊料熔化时，体积膨胀的焊料能够经溢流通道进入缓冲槽内进行缓冲释放，从而保证第一金属键合结构的键合可靠性，同时保证焊料与第一焊盘以及第二焊盘之间连接的可靠性，进而保证芯片堆叠结构整体的可靠性。

16、在第一方面的一些可能的实现方式中，芯片堆叠结构还包括第一绝缘层以及第二绝缘层。第一绝缘层设置于第一表面且位于第一焊盘的周侧。第二绝缘层设置于第二表面且位于第二焊盘的周侧，第二绝缘层与第一绝缘层键合。这样一来，第一绝缘层和第二绝缘层能够增强第一裸芯片和第二裸芯片之间的连接强度，且能够防止相邻的第一金属键合结构短路造成信号串扰。

17、在第一方面的一些可能的实现方式中，芯片堆叠结构还包括第一导电通孔，第一导电通孔贯穿第二裸芯片，且与第二焊盘连接并电导通。这样一来，第一裸芯片、第二裸芯片可以通过第一导电通孔沿裸芯片的厚度方向与芯片堆叠结构外部的部件实现信号互通，从而降低信号延迟和功耗，提升芯片堆叠结构的性能。

18、在第一方面的一些可能的实现方式中，第二裸芯片还包括第三表面，第三表面与第二表面相背对。芯片堆叠结构还包括第三裸芯片以及第二金属键合结构。第三裸芯片层叠设置于第二裸芯片背对第一裸芯片的一侧；第三裸芯片包括第四表面，第四表面与第三表面相面对。第二金属键合结构包括第三焊盘和第四焊盘，第三焊盘设置于第三表面，第四焊盘设置于第四表面且位于第三焊盘和第四表面之间，第三焊盘和第四焊盘两者中的一者包括第三环形段，另一者与第三环形段键合；第一导电通孔还与第三焊盘连接并电导通。

19、这样一来，在不改变芯片堆叠结构布局面积的情况下，增加了芯片堆叠结构内的裸芯片的数量，提高了芯片堆叠结构的性能。此外，通过使设置于第二裸芯片上的第三焊盘以及设置于第三裸芯片上的第四焊盘两者中的一者包括第三环形段，另一者通过热压键合与第三环形段键合，能够实现第二裸芯片和第三裸芯片之间的连接且电导通（互连）。由于第三焊盘和第四焊盘两者键合的面积较小，在向第二裸芯片和第三裸芯片施加相同的键合压强的情况下，第三焊盘和第四焊盘反作用于第二裸芯片和第三裸芯片的键合应力较小，可以防止第二裸芯片和第三裸芯片开裂损伤，进而提高第二裸芯片和第三裸芯片的可靠性，进而提高芯片堆叠结构整体的可靠性。

20、在第一方面的一些可能的实现方式中，芯片堆叠结构还包括第二导电通孔，第二导电通孔贯穿第三裸芯片，且与第四焊盘连接并电导通。这样一来，至少由第一金属键合结构、第二金属键合结构、第一导电通孔和第二导电通孔构成的导通结构能够使第一裸芯片、第二裸芯片和第三裸芯片沿各裸芯片的厚度方向与芯片堆叠结构外部的部件实现信号互通，从而降低信号延迟和功耗，提升芯片堆叠结构的性能。

21、在第一方面的一些可能的实现方式中，第三焊盘和第四焊盘两者中的另一者与第三环形段围设出第二空腔。填料还包括第二部分填料，第二部分填料设置于第二空腔且与第三焊盘、第四焊盘均连接。这样一来，第二部分填料增强了第三焊盘和第四焊盘的连接可靠性，进而增强了第二裸芯片和第三裸芯片之间的连接可靠性，保证了芯片堆叠结构整体的连接可靠性。

22、在第一方面的一些可能的实现方式中，在第二焊盘包括第一环形段的情况下，第二裸芯片开设有第一通孔，第一通孔贯穿第二表面和第三表面，且与第一环形段的内腔连通。填料包括第三部分填料，第三部分填料设置于第一通孔内，且与第一通孔的孔壁相连接，所述第三部分填料为导电填料，且与所述第一通孔形成所述第一导电通孔；所述第三部分填料与所述第一部分填料为材料相同的一体成型件。这样一来，通过一体成型第一部分填料和第三部分填料，可以增强第一焊盘和第二焊盘之间的连接强度以及电连接的可靠性。此外，还能够实现第一裸芯片和第二裸芯片的信号沿裸芯片的厚度方向向第二裸芯片远离第一裸芯片的一侧传递，降低了芯片堆叠结构的信号延迟和功耗，且制作工艺简单，制作效率较高。

23、在第一方面的一些可能的实现方式中，在第三焊盘包括第三环形段的情况下，第四焊盘包括第四环形段，第三环形段的内腔形成第二空腔的一部分，第四环形段的内腔形成第二空腔的另一部分。第三裸芯片还包括第五表面，第五表面与第四表面相背对，第三裸芯片开设有第二通孔，第二通孔贯穿第四表面和第五表面；第二空腔与第一通孔、第二通孔均连通。填料还包括第四部分填料，第四部分填料设置于第二通孔内，且与第二通孔的孔壁相连接，第四部分填料与第二通孔形成第二导电通孔；第四部分填料、第二部分填料、第三部分填料和第一部分填料为材料相同的一体成型件。

24、这样一来，通过一体成型第四部分填料、第二部分填料、第三部分填料和第一部分填料，可以使得填料为同时连接第一金属键合结构、第二金属键合结构、第二裸芯片和第三裸芯片的一体结构件，能够增强第一裸芯片和第二裸芯片之间的连接强度以及电连接的可靠性，以及第二裸芯片和第三裸芯片之间的连接强度以及电连接的可靠性，从而提高芯片堆叠结构中各个裸芯片互连的可靠性。此外，还能够使第一裸芯片、第二裸芯片和第三裸芯片沿裸芯片的厚度方向与芯片堆叠结构外部的部件实现信号互通，提高了信号传输质量，降低了芯片堆叠结构的信号延迟和功耗，且制作工艺简单，制作效率较高。

25、在第一方面的一些可能的实现方式中，芯片堆叠结构还包括种子层结构，种子层结构设置于第一空腔的内壁、第一通孔的内壁、第二空腔的内壁以及第二通孔的内壁与填料之间。这样一来，便于通过电镀或沉积等工艺一体成型填料。

26、在第一方面的一些可能的实现方式中，芯片堆叠结构还包括金属镀层，金属镀层设置于种子层结构和填料之间。这样一来，可以使得金属镀层的材料的强度大于种子层结构的材料的强度，进一步增强各个裸芯片之间的连接强度以及电连接的可靠性。

27、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一空腔的内壁上的种子层结构、第一通孔的内壁上的种子层结构、第二空腔的内壁上的种子层结构和第二通孔的内壁上的种子层结构相接为一体。这样一来，可以分别通过一道工序成型种子层结构的各个结构层，可以简化芯片堆叠结构的制作工艺，提高芯片堆叠结构的制作效率。

28、在第一方面的一些可能的实现方式中，金属镀层为一体成型结构。这样一来，可以简化芯片堆叠结构的制作工艺，提高芯片堆叠结构的制作效率。

29、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一空腔的内壁上的种子层结构、第一通孔的内壁上的种子层结构、第二空腔的内壁上的种子层结构和第二通孔的内壁上的种子层结构相接为一体。金属镀层为一体成型结构。

30、在第一方面的一些可能的实现方式中，第三裸芯片还包括第五表面，第五表面与第四表面相背对。芯片堆叠结构还包括再布线层以及连接结构。再布线层设置于第五表面；再布线层与第二导电通孔电连接。连接结构设置于再布线层背对第五表面的一侧且与再布线层电连接，连接结构用于与芯片堆叠结构外部的部件电连接。这样一来，芯片堆叠结构可以通过再布线层以及连接结构与芯片堆叠结构外部的部件电连接，以实现芯片堆叠结构中的多个裸芯片与外部部件之间互通信号。

31、在第一方面的一些可能的实现方式中，第一裸芯片和第二裸芯片为存储芯片，第三裸芯片为逻辑芯片。这样一来，逻辑裸芯片与多个存储裸芯片一起形成3d集成结构，上述存储裸芯片与处理芯片之间进行信号传输时，会先经过逻辑裸芯片对上述信号进行处理。

32、第二方面，本技术实施例提供了一种芯片堆叠结构，该芯片堆叠结构包括：第一裸芯片、第二裸芯片、第一金属限位结构以及填料。第一裸芯片包括第一表面。第二裸芯片与第一裸芯片层叠设置；第二裸芯片包括第二表面，第二表面与第一表面相面对。第一金属限位结构包括第一焊盘和第二焊盘，第一焊盘设置于第一表面，第二焊盘设置于第二表面且位于第一焊盘和第二表面之间；第一焊盘和第二焊盘两者中的一者包括第一环形段，另一者与第一环形段相接触且与第一环形段围设出第一空腔。填料包括第一部分填料，第一部分填料设置于第一空腔，且与第一焊盘、第二焊盘均连接。

33、本技术实施例提供的芯片堆叠结构，通过使设置于第一裸芯片上的第一焊盘以及设置于第二裸芯片上的第二焊盘两者中的一者包括第一环形段，另一者与第一环形段键合接触并围设出第一空腔，能够实现第一裸芯片和第二裸芯片之间的电导通。由于第一焊盘和第二焊盘两者接触但不键合，通过第一部分填料进行连接，能够实现第一裸芯片和第二裸芯片之间的刚性连接，第一裸芯片和第二裸芯片无需受热压键合产生的键合应力，可以防止第一裸芯片和第二裸芯片开裂损伤。此外，第一部分填料设置于第一空腔，在第一部分填料为焊料的情况下，第一焊盘和第二焊盘能够对第一部分填料进行限位和密封，能够防止助焊剂残留产生电化学迁移而导致相邻的导通结构短路，还能够防止导通结构周侧的粘接剂污染焊料与第一焊盘、第二焊盘的连接界面而导致焊料与第一焊盘、第二焊盘之间焊接不良，并能够防止相邻的导通结构的焊料变形而连接短路，从而可以增加导通结构的密度而提升芯片堆叠结构的性能，并可以降低第一裸芯片和第二裸芯片之间的距离而有利于芯片堆叠结构的薄型化。

34、在第二方面的一些可能的实现方式中，第一部分填料还与第一焊盘、第二焊盘均电导通。这样一来，第一部分填料在增强第一焊盘和第二焊盘之间的刚性连接可靠性的基础上，还能够增强第一焊盘和第二焊盘之间电连接的可靠性，进而保证第一裸芯片和第二裸芯片之间互连的可靠性，从而保证芯片堆叠结构整体的可靠性。

35、在第二方面的一些可能的实现方式中，所述第二裸芯片还包括第三表面，所述第三表面与所述第二表面相背对；在所述第二焊盘包括第一环形段的情况下，所述第二裸芯片开设有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述第二表面和所述第三表面，且与所述第一环形段的内腔连通。所述填料包括第三部分填料，所述第三部分填料设置于所述第一通孔内，且与所述第一通孔的孔壁连接，所述第三部分填料和所述第一通孔形成第一导电通孔；所述第三部分填料和所述第一部分填料为材料相同的一体成型件。这样一来，通过一体成型第一部分填料和第三部分填料，可以增强第一焊盘和第二焊盘之间的连接强度以及电连接的可靠性。此外，还能够实现第一裸芯片和第二裸芯片的信号沿裸芯片的厚度方向向第二裸芯片远离第一裸芯片的一侧传递，降低了芯片堆叠结构的信号延迟和功耗，且制作工艺简单，制作效率较高。

36、第三方面，本技术实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括印刷电路板以及芯片堆叠结构。芯片堆叠结构为上述任一技术方案所述的芯片堆叠结构，芯片堆叠结构设置于印刷电路板上，且与印刷电路板电连接。

37、第四方面，本技术实施例提供了一种芯片堆叠结构的制作方法，该制作方法包括：

38、提供第一裸芯片，第一裸芯片包括第一表面，第一表面设置有第一焊盘；

39、提供第二裸芯片，第二裸芯片包括第二表面，第二表面设置有第二焊盘，第一焊盘和第二焊盘两者中的一者包括第一环形段；

40、使第一表面与第二表面相面对，将第一焊盘和第二焊盘两者中的另一者与第一环形段键合。

41、在第四方面的一些可能的实现方式中，第一焊盘和第二焊盘两者中的另一者与第一环形段围设出第一空腔。制作方法还包括：

42、在第一空腔内设置第一部分填料，以使第一部分填料与第一焊盘、第二焊盘均连接。

43、在第四方面的一些可能的实现方式中，在第二焊盘包括第一环形段的情况下，第二裸芯片还开设有第一通孔，第一通孔和第一环形段的内腔连通形成连通孔。在第一空腔内设置第一部分填料包括：

44、向连通孔内设置填料，其中，第一空腔内的填料形成第一部分填料，第一通孔内的填料形成第三部分填料。

45、第五方面，本技术实施例提供了一种芯片堆叠结构的制作方法，该制作方法包括：

46、提供第一裸芯片，第一裸芯片包括第一表面，第一表面设置有第一焊盘；

47、提供第二裸芯片，第二裸芯片具有第二表面，第二表面设置有第二焊盘，第一焊盘和第二焊盘两者中的一者包括第一环形段；

48、使第一表面与第二表面相面对，将第一焊盘和第二焊盘两者中的另一者与第一环形段相接触，且另一者与第一环形段围设出第一空腔；

49、在第一空腔内设置第一部分填料，以使第一部分填料与第一焊盘、第二焊盘均连接。

50、在第五方面的一些可能的实现方式中，所述第二裸芯片还包括第三表面，所述第三表面与所述第二表面相背对；在所述第二焊盘包括所述第一环形段的情况下，所述第二裸芯片还开设有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述第二表面和所述第三表面，且与所述第一环形段的内腔连通形成连通孔；

51、在所述第一空腔内设置第一部分填料包括：

52、向所述连通孔内设置填料，其中，所述第一空腔内的填料形成所述第一部分填料，第一通孔内的填料形成第三部分填料，第三部分填料与第一通孔的孔壁连接。

53、其中，第三方面、第四方面以及第五方面中任一种可能实现方式中所带来的技术效果可参见上述第一方面和第二方面不同的实施方式所带来的技术效果，此处不再赘述。