一种晶圆级系统封装结构及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种晶圆级系统封装结构及方法，包括：提供第一器件晶圆，其表面具有多个裸露的第一焊垫，其表面形成有第一开口，第一焊垫位于第一开口外周；提供第二器件晶圆，第二器件晶圆形成有第一芯片，第一芯片具有多个裸露的第二焊垫；第二器件晶圆通过连接层键合在第一器件晶圆上，连接层形成有第二开口，第一开口和第二开口相通并围成第一芯片的工作腔；第一焊垫和第二焊垫相对围成空隙；采用电镀工艺在空隙中形成导电凸块。本发明专利技术通过将第一器件晶圆与第二器件晶圆之间通过连接层连接，且连接层和第一器件晶圆共同形成工作腔，以满足第一芯片工作的空腔环境，以避免另外做封盖，节省工艺步骤，降低形成工作腔的工艺难度。降低形成工作腔的工艺难度。降低形成工作腔的工艺难度。

【技术实现步骤摘要】
一种晶圆级系统封装结构及方法


[0001]本专利技术涉及半导体制造领域，尤其涉及一种晶圆级系统封装结构及方法。

技术介绍

[0002]随着5G通讯和人工智能(AI)时代的到来，应用于此类相关领域的芯片所要传输和高速交互处理的数据量非常巨大，移动互联网以及物联网方面的需求越来越强劲，电子终端产品的小型化和多功能化成为产业发展的大趋势。如何将不同种类的高密度芯片集成封装在一起构成一个功能强大且体积功耗又比较小的系统或者子系统，成为半导体芯片先进封装领域的一大挑战。
[0003]目前针对此类高密度芯片的多芯片集成封装，业界通常都是采用硅穿孔(TSV)、硅转接板(Si interposer)等方式进行，从而把芯片的超精细引脚进行引出和有效互联从而形成一个功能模块或者系统，但该技术的成本比较高，从而大大局限了它的应用范围。倒装芯片(FC，Flip
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Chip)焊接为目前比较常用的一种晶圆级系统封装方法，该系统级封装的方法包括：提供PCB电路板，其中PCB电路板上形成有按一定要求排列的焊球(利用植球工艺形成)；在电路板上浸蘸助焊剂，然后将芯片倒装贴片在电路板上；利用回流焊工艺将芯片上的焊垫(pad)与电路板上的焊球进行焊接后电连接；之后，在芯片底部和电路板之间充填灌胶，以增加整个结构的机械强度；该封装方法工艺复杂，集成度低且封装效率低；需要利用焊接工艺实现芯片与PCB板的电连接，无法与封装前段的工艺兼容；浸蘸助焊剂过程中稍有不慎施以较大压力时容易造成电路板压裂等技术问题。
[0004]因此，期待一种新的晶圆级系统封装结构及制造方法，可以解决工艺控制的难度大、集成度低以及封装效果差等技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种晶圆级系统封装结构及方法，至少解决集成度低、制作的工艺难度大以及封装效率低的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种晶圆级系统封装方法,包括：
[0007]提供第一器件晶圆，所述第一器件晶圆表面具有多个裸露的第一焊垫，所述第一器件晶圆表面形成有第一开口，所述第一焊垫位于所述第一开口外周；
[0008]提供第二器件晶圆，所述第二器件晶圆形成有第一芯片，所述第一芯片具有多个裸露的第二焊垫；
[0009]所述第二器件晶圆通过连接层键合在所述第一器件晶圆上，所述连接层形成有第二开口，所述第一开口和所述第二开口相通并围成所述第一芯片的工作腔；所述第一焊垫和所述第二焊垫相对围成空隙；
[0010]采用电镀工艺在所述空隙中形成导电凸块，以电连接所述第一焊垫和所述第二焊垫。
[0011]本专利技术还提供一种晶圆级系统封装结构，包括：
[0012]第一器件晶圆，所述第一器件晶圆表面具有第一开口和多个裸露的第一焊垫，所述第一焊垫位于所述第一开口外周；
[0013]第二器件晶圆，所述第二器件晶圆内设有第一芯片，所述第一芯片具有多个裸露的第二焊垫；
[0014]所述第二器件晶圆通过连接层键合在所述第一器件晶圆上，所述连接层具有第二开口，所述第一开口和所述第二开口相通并围成所述第一芯片的工作腔；所述第一焊垫和所述第二焊垫相对设置；
[0015]导电凸块，通过电镀工艺形成在第一焊垫与第二焊垫之间，以电连接所述第一焊垫和所述第二焊垫。
[0016]本专利技术的有益效果在于：
[0017]本专利技术通过将第一器件晶圆与第二器件晶圆之间通过连接层连接，且连接层和第一器件晶圆共同形成工作腔，以满足第一芯片工作的空腔环境，以避免另外做封盖，节省了工艺步骤；另外，通过连接层和第一器件晶圆共同围成工作腔，可以降低形成工作腔的工艺难度；其次，本专利技术完全避开了传统的利用焊接实现器件晶圆与器件晶圆电连接的封装工艺，本专利技术通过电镀工艺形成导电凸块，以实现器件晶圆与器件晶圆的电连接，克服了晶圆对晶圆系统及封装电连接的难点问题，以及避免芯片对晶圆键合方案的对位精度、机台匹配考量，批量集成封装，提高产品质量和封装效率；第一，简化了工艺流程，提高了封装效率；第二，可以将所有的第一芯片均键合在第一器件晶圆上之后，通过电镀工艺形成每一第一芯片与所述第一器件晶圆的电连接，相较于传统的每个芯片单独焊接与器件晶圆实现电连接，极大的提高了封装效率；第三，电镀工艺与封装前段的工艺兼容，可以利用传统的芯片制造工艺或晶圆级封装工艺实现系统级封装工艺。
[0018]进一步的，第一器件晶圆与第二器件晶圆之间通过可光刻键合材料实现物理连接，覆盖面积大于芯片面积的10％且可光刻键合材料覆盖所述导电凸块外围的区域，直接增强了整个结构的机械强度可以省去现有技术的充填灌胶工艺。另外，干膜材料的可光刻键合材料，由于弹性模量比较小，在受到热应力时可以很容易变形而不至于破损，从而减小第一芯片与第一器件晶圆的结合应力。
[0019]进一步的，可光刻键合材料可以定义导电凸块的位置，防止电镀工艺中导电凸块横向外溢。
[0020]进一步地，当所述第一焊垫和所述第二焊垫的正对部分、错开部分的面积大于第一焊垫或第二焊垫面积的二分之一时，可以更好的实现电镀工艺，使形成的导电凸块尽可能完整的填充空隙内，避免形成的导电凸块与焊垫接触面积过小而导致电阻增大；另一方面，错开的部分可以更容易与电镀液接触，这样可以避免由于空隙小而导致电镀液不容易流入空隙而导致无法形成比较完好的导电凸块的问题。
[0021]进一步地，通过在第一器件晶圆上键合第二器件晶圆，提高了空间利用率并提高器件的多功能性。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1至图11示出了本专利技术实施例1的晶圆级系统封装方法的不同步骤对应的结构示意图；
[0024]图12和图13示出了本专利技术实施例2的晶圆级系统封装方法的不同步骤对应的结构示意图；
[0025]图14示出了本专利技术实施例3的晶圆级系统封装方法的不同步骤对应的结构示意图。
[0026]1、第一器件晶圆；10、介质层；11、第一焊垫；12、第四焊垫；13、外连焊垫；2、工作腔；21、第一开口；3、第二器件晶圆；31、第一芯片；311、第二焊垫；312、第三焊垫；4、空隙；5、导电凸块；6、可光刻键合材料；61、第二开口；7、第三器件晶圆；71、第三芯片；8、连通孔；16、插塞；80、导电块。
具体实施方式
[0027]现有的晶圆级系统封装的方法，存在以下缺点：1、工艺复杂，造成封装效率低；2、需要将各个芯片依次焊接在焊球上，封装效率低；3、需要利用焊接工艺实现芯片与晶圆器件的电连接，无法与封装前段的工艺兼容；4、浸蘸助焊剂过程中稍有不慎施以较大压力时容易造成晶圆器件压裂。
[0028]以下结合附图和具体实施例对本专利技术进一步详本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶圆级系统封装方法，其特征在于，包括：提供第一器件晶圆，所述第一器件晶圆表面具有多个裸露的第一焊垫，所述第一器件晶圆表面形成有第一开口，所述第一焊垫位于所述第一开口外周；提供第二器件晶圆，所述第二器件晶圆形成有第一芯片，所述第一芯片具有多个裸露的第二焊垫；所述第二器件晶圆通过连接层键合在所述第一器件晶圆上，所述连接层形成有第二开口，所述第一开口和所述第二开口相通并围成所述第一芯片的工作腔；所述第一焊垫和所述第二焊垫相对围成空隙；采用电镀工艺在所述空隙中形成导电凸块，以电连接所述第一焊垫和所述第二焊垫。2.根据权利要求1所述的晶圆级系统封装方法，其特征在于，所述连接层包括可光刻的键合材料，芯片粘结膜，金属，介质层，或聚合物材料之一或组合。3.根据权利要求2所述的晶圆级系统封装方法，其特征在于，所述可光刻键合材料的厚度为5
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200μm，所述可光刻键合材料至少覆盖所述第一芯片面积的10％。4.根据权利要求2所述的晶圆级系统封装方法，其特征在于，所述可光刻键合材料留有连通所述空隙的流体通道，以使外部电镀液体流入所述空隙。5.根据权利要求4所述的晶圆级系统封装方法，其特征在于，所述可光刻键合材料覆盖所述导电凸块除所述第二开口外围的区域。6.根据权利要求1所述的晶圆级系统封装方法，其特征在于，所述第一焊垫和所述第二焊垫包括正对部分、错开部分，所述正对部分的面积大于所述第一焊垫或所述第二焊垫面积的二分之一。7.根据权利要求2所述的晶圆级系统封装方法，其特征在于，所述可光刻键合材料包括膜状干膜或液态干膜。8.根据权利要求1所述的晶圆级系统封装方法，其特征在于，所述电镀工艺包括化学镀。9.根据权利要求8所述的晶圆级系统封装方法，其特征在于，所述化学镀包括：化学镀钯浸金，其中化学镍的时间为30
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50分钟，化学金的时间为4
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40分钟，化学钯的时间为7
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分钟；或者，化学镍金，其中化学镍的时间为30
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50分钟，化学金的时间为4
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40分钟；或者，化学镍，其中化学镍的时间为30
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50分钟。10.根据权利要求1所述的晶圆级系统封装方法，其特征在于，所述工作腔的形成方法包括：提供第一器件晶圆，刻蚀所述第一器件晶圆形成所述第一开口；第一器件晶圆和所述第二器件晶圆键合之后，第一开口和所述第二开口相通围成所述工作腔；或者，提供第一器件晶圆，在所述第一器件晶圆上形成可光刻键合材料，同时刻蚀所述可光刻键合材料和位于所述可光刻键合材料下方的所述第一器件晶圆形成所述工作腔。11.根据权利要求1所述的晶圆级系统封装方法，其特征在于，所述第一器件晶圆具有相对的正面和背面，所述第二器件晶圆与所述第一器件晶圆的正面键合，还包括，在所述第一器件晶圆的背面键合所述第三器件晶圆或第二芯片...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄河，向阳辉，刘孟彬，
申请(专利权)人：中芯集成电路宁波有限公司，
类型：发明
国别省市：