一种基于3D打印的系统级封装方法和封装系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于3D打印的系统级封装方法和封装系统。该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。该封装方法工艺简单，成本低，污染少，效率高，可靠性高，符合系统级封装的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的系统级封装方法和封装系统
本专利技术涉及半导体封装
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。本专利技术还提供了一种基于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。本专利技术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，本专利技术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，本专利技术的基于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专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术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专利技术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专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术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，不是旨在于限制本专利技术。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，所封装的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印的系统级封装方法，其特征在于，包括以下步骤：S1提供载体；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；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；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；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；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；S7利用3D打印法打印封装盖板。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的系统级封装方法，其特征在于，包括以下步骤：S1提供载体；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；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；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；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；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；S7利用3D打印法打印封装盖板。2.根据权利要求1所述的基于3D打印的系统级封装方法，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的基于3D打印的系统级封装方法，其特征在于，所述激光器为Nd-YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。4.根据权利要求1所述的基于3D打印的系统级封装方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宗伟，熊兴崟，韩可都，杨长春，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11