高密度三维叠层自对准集成封装方法技术

本发明专利技术公开的一种高密度三维叠层自对准集成封装方法，旨在提供一种运用微BGA焊球作为多层基板自对准三维堆叠的层间机械支撑，同时又可作为高密度层间信号互联通道的集成封装方法，本发明专利技术通过下述技术方案实现：顶层基板的下表面，中间层基板上、下表面和底层基板的上表面均布有用于焊接微BGA焊球的焊盘，微BGA焊球附着在中间层基板上表面和底层基板上表面，中间层基板上表面的微BGA球焊盘对应顶层基板下表面，底层基板上表面微BGA球焊盘对应中间层基板下表面，形成垂直互连的矩形阵列微BGA球焊盘，中间层基板2上腔面和底层基板3上腔面基板外围呈“回”字形凸台的腔形盒体，通过工装堆叠放入回流焊炉中自对准叠层焊接形成封装体。

High Density Three-Dimensional Laminated Self-Alignment Integrated Packaging Method

【技术实现步骤摘要】
高密度三维叠层自对准集成封装方法
本专利技术是关于系统级封装领域微系统集成封装技术，该专利技术是基于微型球栅阵列封装的一种高密度自对准三维集成封装方法,该技术尤其适用于需要层间信号互联传输的多层基板的堆叠和封装。
技术介绍
电子器件的封装技术是制约集成电路发展的关键环节。电子封装是将各种功能的芯片、元器件和承载基板提供保护并保障信号和功率的输入与输出，同时使器件工作中产生的热量传输到外部环境，确保器件稳定正常地运行。近年来，随着系统级封装技术的飞速发展和应用前景的日益广阔，电路系统逐步向小型化、高速化、大功率、多引脚、高密度、高可靠方向发展。同时，封装成本在整个电路系统总成本中所占比例越来越高，有的甚至超过50％。这就促使了封装研究在全球范围迅猛发展，而电路系统的失效常常是由于封装因素引起的。所以，信息技术的飞速发展，向电子封装提出了高密度，高可靠性的要求。电子封装是研究如何为电路处理或储存电信号提供电连接和合适操作环境的一门科学和技术，即把构成电子器件的各个元件以及各组成部分，按照要求合理布置、联合、连接、与外界环境隔离以及保护等操作工艺。电子封装的功能可分为以下四个方面，(1)电子封装对微电子元件起着机械支撑和机械保护作用；芯片以及其他元件要依托不同类型的封装才能应用到各个领域的不同场所，以满足整机装配的需要。(2)电子封装对微电子元件起着传输信号输入/输出，即I/O和分配电源的作用。各种输入/输出信号和电源只有通过封装上的引线才能将芯片和外部电子系统相沟通，元器件的功能才能得到实现和发挥。(3)电子封装对微电子元器件起着散热的作用。集成电路工作时，会因工作而发热，特别是功率集成电路，工作时芯片产生热量较大，这些热量若不散发掉，就会使芯片温度过高，从而影响集成电路的性能或造成电路失效。因此，必须通过封装来散发芯片产生的热，以保证集成电路的性能和可靠性。(4)电子封装对微电子元件起着环境保护的作用，以免芯片在工作环境中因受潮、氧化、腐蚀等而损伤失效。实际上，微电子元器件的应用越来越广泛，集成电路芯片等元件若无封装，其性能根本无法实现。因此，集成电路的封装是集成电路各种性能得以实现的重要保证。电子封装发展总原则是：在保证可靠性的前提下，提高传输速度，提高功率密度，提高散热能力，增加输入/输出端数，减小器件尺寸，降低生产成本。当前封装成本在半导体销售额中所占比例越来越大，电子封装受到空前的重视。总的来说，当前世界封装技术发展的趋势是高密度、三维集成、多芯片封装。由于器件的集成度越来越高，要求封装的管脚数越来越多，管脚间的间距越来越小，从而使得封装的难度也越来越大。在电子产品向轻、薄、小及功能多样化方向发展的过程中，传统的MEMS封装主要有金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种形式。作为高密度封装的关键技术主要有：TCP(带载封装)、BGA(球栅阵列封装)、FCT(倒扣芯片技术)、CSP(晶圆级封装)、MCM(多芯片组件封装)和三维封装，其中，球栅阵列BGA球封装已成为目前微系统封装产品中最先进的封装技术之一。球栅阵列(BallGridArray，简称BGA)封装是在封装体基板的底部制作阵列，焊球作为电路的输入/输出端与印刷线路板(PCB)互接。球栅阵列BGA引出端为球或柱状合金,呈矩阵状分布于封装体的底面,改变了引出端分布于封装体两侧或四周的形式。BGA封装能提供比其他如双列直插封装(Dualin-linepackage)或四侧引脚扁平封装(QuadFlatPackage)所容纳更多的接脚，整个装置的底部表面可全作为接脚使用，而不是只有周围可使用，比起周围限定的封装类型还能具有更短的平均导线长度，以具备更佳的高速效能。BGA球形触点阵列，在印刷基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以代替引脚，在印刷基板的正面装配LSI芯片，然后用模压树脂或灌封方法进行密封，引脚可超过200，是多引脚LSI用的一种封装。封装本体也可做得比四侧引脚扁平封装(QFP)小。基于BGA球的高密度3D集成封装技术与传统的封装相比，可使系统的尺寸和重量降低为原来的1/40至1/50；三维封装技术的硅片效率甚至可以超过100％。目前市场上出现的BGA封装,按基板材料分类,可以分为PBGA(塑料BGA)、CBGA(陶瓷BGA)和TBGA(载带BGA)。PBGA(塑料BGA)封装的缺点：对湿气敏感,不适用于有气密性要求和可靠性要求高的器件的封装。CBGA(陶瓷BGA)封装的缺点：(1)由于热膨胀系数不同，因此和环氧树脂印制电路板的热匹配性差，焊点疲劳是主要失效形式。(2)焊球在封装体边缘的对准困难。(3)封装成本高。TBGA(载带BGA)封装的芯片与基板互连方式有两种：倒装焊键合和引线键合。芯片倒装键合在多层布线柔性载带上，用作电路I/O端的周边阵列焊料球安装在柔性载带下面，它的厚密封盖板又是散热器(热沉)，同时还起到加固封装体的作用，使柔性基片下面的焊料球具有较好的共面性。芯片焊盘与多层布线柔性载带基片焊盘也可以用键合引线的方式实现互连。完成键合后用密封剂将电路芯片、引线、柔性载带焊盘包封(灌封或涂敷)起来。BGA组装焊点的缺陷主要有:桥接、开路、焊料不足、焊料球、气孔、移位等。电子封装使用多种性能各异的材料，这些材料的热膨胀系数各不相同。把其组合成一个整体后，当温度变化时，在不同的材料界面会产生压缩或拉伸应力。实践证明：热作用是元器件封装组件失效破坏的主要因素。封装的热应力失效对电子器件可靠性有着重要影响，在BGA封装中尤为突出。应力是导致焊球失效的直接原因，进而致使器件失效。封装件各层接触面都存在较大的热应力差异，特别是各层接触的边角处，芯片和粘结层以及芯片和外壳之间尤为明显。尤其是在焊料与基板间，在热循环中容易发生热疲劳失效而产生裂纹，裂纹起源于焊料与基板之间的钎焊圆角边缘处。在电路系统封装过程中，封装体往往要承受多次大幅度热载荷(如焊接、固化、回流焊等引起的热载荷变化)，温度的变化将使封装体内部产生热应力。如果各材料的膨胀系数相差过大，则在封装体内产生较大的应力，从而引起器件的变形乃至失效。由于芯片一般为脆性材料，热应力过大会使硅片破裂。试验结果表明，随着循环次数的增加，焊球的粗化程度逐渐显著，器件的周边焊球最先失效；由于不同材料的热膨胀系数失配，裂纹最先萌生于四周最外侧焊球与芯片界面边缘处，芯片的裂纹沿该界面从焊球边缘向中心扩展，裂纹萌生和扩展是该处应力应变集中、热循环和蠕变相互作用的结果。随着集成电路芯片技术和组装技术的持续发展，对基板技术性能方面的要求也越来越高。因此，基板技术将面临来自三个不同方面的挑战：微电子芯片发展的要求，即大面积化、针脚四边引出和表面贴装化、引脚阵列化和引脚间距密度化；元器件发展的要求，即无引线化、小型化、片式化和集成化都需要与基板一起设计和制造并制成埋入式结构；MEMS应用方面的要求，布线高密度化、层间互联精细化、结构的三维化/立体化。目前单芯片封装和多芯片封装都是二维的，LSI封装用基板和多层电路基板/复合基板，其加工技术一般采用叠层法成型。随着电子设备越来越复杂，需要的器件和芯片自然越来越多，PCB上的线路、器件和芯片也越来越密集，传统的多层基板的叠层封装存在层间互联的问题。对不同的电路图形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高密度三维叠层自对准集成封装方法，具有如下技术特征：顶层基板(1)的下表面，中间层基板(2)的上、下表面和底层基板(3)的上表面均布有用于焊接微BGA焊球的微BGA球焊盘(4)，微BGA焊球附着在中间层基板(2)上表面，中间层基板(2)上表面的微BGA球焊盘(4)对应顶层基板(1)下表面的微BGA球焊盘(4)，底层基板(3)上表面的微BGA球焊盘(4)对应中间层基板(2)的下表面，形成了多层基板层间垂直互连的矩形阵列微BGA球焊盘(4)，中间层基板(2)上腔面和底层基板(3)上腔面基板外围呈“回”字形凸台的腔形盒体；然后将锡铅比例63:37的锡铅焊料片剪切成顶层基板(1)下表面外周围“回”字形焊盘的形状，形成上封口焊料片(6)，在中间层基板(2)的上腔表面外周围“回”字形焊盘上表面刷助焊剂，再将上封口焊料片(6)贴在中间层基板腔形盒体外周围向上的“回”字形口盖凸台(8)的焊盘上；将锡铅焊料片剪切成中间层基板(2)下表面外周围“回”字形焊盘的形状，形成下封口焊料片(7)，在底层基板(3)的上腔表面外周围“回”字盒形焊盘上表面刷助焊剂，然后将下封口焊料片(7)贴在底层基板腔形盒体外周围向上的“回”字盒形的底层口盖凸台(9)的焊盘上；通过工装将三层基板堆叠起来，并将三层基板焊盘上搭载的共晶焊料微BGA球(5)对齐，放入回流焊炉中，采用回流焊使叠层连接用的共晶焊料微BGA焊球(5)和基板外周围的上封盖上封口焊料片(6)和(7)熔化封盖密封，使多层基板模块完成自对准叠层焊接形成封装体，实现层间信号互联传输的功能。...

【技术特征摘要】
1.一种高密度三维叠层自对准集成封装方法，具有如下技术特征：顶层基板(1)的下表面，中间层基板(2)的上、下表面和底层基板(3)的上表面均布有用于焊接微BGA焊球的微BGA球焊盘(4)，微BGA焊球附着在中间层基板(2)上表面，中间层基板(2)上表面的微BGA球焊盘(4)对应顶层基板(1)下表面的微BGA球焊盘(4)，底层基板(3)上表面的微BGA球焊盘(4)对应中间层基板(2)的下表面，形成了多层基板层间垂直互连的矩形阵列微BGA球焊盘(4)，中间层基板(2)上腔面和底层基板(3)上腔面基板外围呈“回”字形凸台的腔形盒体；然后将锡铅比例63:37的锡铅焊料片剪切成顶层基板(1)下表面外周围“回”字形焊盘的形状，形成上封口焊料片(6)，在中间层基板(2)的上腔表面外周围“回”字形焊盘上表面刷助焊剂，再将上封口焊料片(6)贴在中间层基板腔形盒体外周围向上的“回”字形口盖凸台(8)的焊盘上；将锡铅焊料片剪切成中间层基板(2)下表面外周围“回”字形焊盘的形状，形成下封口焊料片(7)，在底层基板(3)的上腔表面外周围“回”字盒形焊盘上表面刷助焊剂，然后将下封口焊料片(7)贴在底层基板腔形盒体外周围向上的“回”字盒形的底层口盖凸台(9)的焊盘上；通过工装将三层基板堆叠起来，并将三层基板焊盘上搭载的共晶焊料微BGA球(5)对齐，放入回流焊炉中，采用回流焊使叠层连接用的共晶焊料微BGA焊球(5)和基板外周围的上封盖上封口焊料片(6)和(7)熔化封盖密封，使多层基板模块完成自对准叠层焊接形成封装体，实现层间信号互联传输的功能。2.如权利要求1所述的高密度三维叠层自对准集成封装方法，其特征在于：微BGA焊球(5)经过回流焊炉自动塌陷后，中间层基板(2)利用“回”字盒形的中层口盖凸台(8)的焊盘与顶层基板(1)之间的下封口焊料片(7)熔化完成顶层基板的封盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱钊，朱勇，张先荣，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51