[发明专利]一种微系统三维芯片叠层封装的改进方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子封装领域，涉及一种微系统三维芯片叠层封装的改进方法。

背景技术

微系统封装是将不同功能的裸芯片、器件通过微互连技术，混合于一个封装体内，同时对外引出I/O端子，实现机械固连，形成多功能集成系统的过程，其成本占到器件成本的60-80％，是微系统制造的重要组成部分。目前，微系统封装主要采用基于PCB、金属或者陶瓷基板的三维叠层封装技术，大体可分为叠层芯片封装、叠层封装体封装。这些方法相对于二维封装具有尺寸小、重量轻、硅片使用效率高、信号延迟短等优点。但缺点也很明显：1)硅和PCB基板在CTE上的差异使得服役过程中的温度变化给微系统带来严重的应力问题，影响执行/传感器件性能，削弱乃至丧失了微系统的功能；2)其集成互连引线的宽度大于10um，焊盘尺寸超过100um，凸点尺寸也难以小于50um，限制了三维集成密度的提高、限制了三维集成系统的计算处理能力；3)器件封装体内温度集中，容易引发热可靠性问题。

目前，针对上述热和应力问题，业界一般采用热源平衡、结构优化等方法来缓解；针对集成密度低问题，则采用多层PCB板布线来提高集成密度，但都无法从根本上解决，并增加了大量的成本。

上述基于传统PCB、金属或者陶瓷基板的传统三维封装方法无法满足微系统在低温键合、应力清除、热应力敏感、微结构工作过程中热变形敏感等方面的特殊需求。

发明内容

本发明提出了一种采用硅基转接板，从根本上解决传统PCB板集成所面临的热、应力、集成密度低等难题的封装方法。

一种微系统三维芯片叠层封装的改进方法，将ASIC芯片和应用处理器通过硅基转接板互连，并固定在PCB、金属或者陶瓷基板上。

应用处理器上植上直径50‐150微米的BGA焊球。

即在原有的PCB基板上增设一层硅基转接板。

存储器与应用处理器之间通过硅基转接板连接。

执行/传感器件与ASIC芯片采用叠层芯片封装堆叠互连。

应用处理器/存储器采用叠层封装体封装堆叠互连。

有益效果

本发明提出了一种微系统三维芯片叠层封装的改进方法，在现有技术的基础上，将ASIC芯片和应用处理器通过硅基转接板固定在PCB基板上，可以从根本上解决传统PCB板集成所面临的热、应力、集成密度低等难题。硅基转接板一般用于FPGA、存储器等IC器件的高密度互连，用以解决单芯片上无法提供足够多的逻辑电路、存储电路的难题。然而在本发明所述的方法中，简单巧妙的将硅基转接板应用在微系统封装中，改进方式完全不同于现有技术中的研发方向，具有以下优点：

1)采用硅基转接板取代传统PCB基板，可以大幅消除封装应力对微系统性能的影响。由于转接板与器件/芯片都是硅基，因此，不存在CTE失配问题，可以最大程度上降低热失配带来的应力问题；同时，通过硅基转接板，可以将来自PCB基板的环境热源隔离开来，进一步降低系统的热应力问题。

2)采用硅基转接板在芯片封装级取代传统基板(PCB、金属或者陶瓷基板)，可以实现超高密度的互连以及高性能的计算、存储能力。目前，硅基转接板的线宽可以低到0.1-0.4um，互连微铜柱(Copperpillar)尺寸可小到10-20um，与传统PCB基板集成相比，硅基转接板可以提供超高的集成密度，满足微系统三维集成中复杂、多维、多域的传感信号实时处理与实时响应输出所需的高性能计算需求，实现智能、分布式的传感与执行微系统。

3)硅基转接板可以提供快速散热通道，为三维结构中功率器件的热管理提供高性能方案。由于硅基转接板可以将含高I/O密度芯片的信号通过TSV垂直结构扇出到尺度较大的凸点，然后直接和后续工艺基板(如PCB板)连接，提供了大量的快速垂直散热通道，避免器件封装体内温度集中所带来的热可靠性问题。

因此，本发明形成了一种用硅基转接板代替传统PCB、金属或者陶瓷基板的微系统三维叠层封装方法，与现有的基于PCB基板的三维封装方法相比，具有明显的性能和技术优势。采用基于硅基转接板的微系统三维芯片叠层封装新方法，以实现高性能传感/执行与高性能计算处理的集成，对微系统封装具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所述方法的封装示意图；

标号说明：1-执行/传感器，2-ASIC芯片，3-硅基转接基板、板，4-PCB基板，5-BGA焊球，6-应用处理器，7-第一存储器，8-第二存储器。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。