專利名稱：三維集成高密度厚薄膜多芯片組件的集成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多芯片組件(簡稱MCM)，具體而言，涉及陶瓷厚薄膜多芯片組件(簡稱MCM-C/D )，進(jìn)一步來說，涉及三維集成高密度陶瓷厚薄膜多芯片組件(簡稱3D-MCM-C/D )。
背景技術(shù)：
原有多芯片組件的集成技術(shù)中，在多層陶瓷厚膜基片(簡稱LTCC)表面采用二維平面集成技術(shù)(簡稱2D集成技術(shù))，將半導(dǎo)體芯片、其他片式元器件直接裝貼在多層陶瓷基片表面上，或采用三維平面垂直集成技術(shù)(簡稱3D集成技術(shù))，在2D集成技術(shù)的基礎(chǔ)上，將2個(gè)以上的芯片按一定的順序和粘片工藝水平垂直堆疊，再采用鍵合絲(金絲或硅鋁絲)進(jìn)行引線鍵合，完成整個(gè)電氣連接，最后在特定的氣氛中將管基和管帽進(jìn)行密封而成。原有技術(shù)存在的主要問題是①對于二維平面集成技術(shù)，半導(dǎo)體芯片、其他片式元器件以最大面方向貼裝到陶瓷基片上，芯片與基片的引線鍵合從一個(gè)焊點(diǎn)到另一個(gè)焊點(diǎn)之間需要一定的跨度，再加上基片上還需要根據(jù)具體電路的要求制作必要的薄膜電阻、薄膜電容、或薄膜電感等，因此，基片表面的芯片貼裝數(shù)量有限，芯片集成效率受基片面積的影響，芯片集成度難以提高；②對于三維水平垂直集成技術(shù)，受半導(dǎo)體芯片面積的限制，水平堆疊的芯片數(shù)量不可能太多，一般在5層以內(nèi)，且各層芯片與多層陶瓷基片表面的鍵合區(qū)進(jìn)行鍵合時(shí)，一方面需要更多的鍵合區(qū)，另一方面每一層芯片表面焊點(diǎn)與多層陶瓷基片表面鍵合區(qū)的焊點(diǎn)之間進(jìn)行內(nèi)引線鍵合時(shí)，需要一定的跨度，其跨度從底芯片到頂層芯片逐步加大，因而，要占用較大的基片面積，從而限制集成度的進(jìn)一步提升；③由于表面采用厚膜絲網(wǎng)印刷，阻帶、導(dǎo)帶間的間距較大，通常大于100微米，造成集成密度難以進(jìn)上步提升。經(jīng)檢索，涉及多芯片組件的專利申請件有20件，但沒有涉及三維集成的多芯片組件申請件、更沒有涉及三維集成高 密度的厚薄膜多芯片組件的申請件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供三維集成高密度多芯片組件的集成方法，采用三維豎向垂直集成技術(shù)，將半導(dǎo)體芯片、其他片式元器件的最大面與多層陶瓷基片表面進(jìn)行垂直集成，從而增加多層陶瓷基片表面單位面積上可集成的芯片數(shù)、其他片式元器件數(shù)量，同時(shí)，在LTCC表面采取薄膜混合集成的方式，達(dá)到提升陶瓷厚薄膜多芯片組件集成密度的目的。為實(shí)現(xiàn)上述目的，發(fā)明人提供的三維集成高密度厚薄膜多芯片組件集成方法是先按多層陶瓷厚膜基片常規(guī)工藝制作所需多層陶瓷厚膜基片，將所有對外進(jìn)行電氣連接的引腳制作在小多層陶瓷基片的同一端的端面或者兩面；接著陶瓷厚膜基片(即LTCC基片)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(簡稱CMP)處理，減小LTCC表面粗糙度到O.1微米以內(nèi)，在其表面采取高真空濺射或蒸發(fā)的方式，成型所需的薄膜導(dǎo)帶-阻帶網(wǎng)絡(luò)；然后在每根引腳的鍵合區(qū)和底座多層陶瓷基片表面相應(yīng)的鍵合區(qū)形成金球；再采用薄膜混合集成的方式進(jìn)行半導(dǎo)體芯片或片式元器件的集成，在小多層陶瓷基片的正反面集成一個(gè)以上半導(dǎo)體芯片或片式元器件，并完成半導(dǎo)體芯片的引線鍵合；最后，采用共晶焊接、合金焊或漿料粘接的方式將集成后的小多層陶瓷基片垂直集成在底座多層陶瓷基片上。上述多層陶瓷基片由多層陶瓷燒結(jié)而成，在每一層中均含有金屬化通孔、導(dǎo)帶，內(nèi)層有厚膜阻帶，表層含有薄膜導(dǎo)帶、薄膜鍵合區(qū)、經(jīng)激光調(diào)阻后的薄膜阻帶。上述金球是采用金絲球鍵合的方法或絲網(wǎng)印刷后再流焊的方法形成的。上述多層厚膜陶瓷基片的粗糙度是通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行處理的。上述薄膜混合集成方式的薄膜是通過對陶瓷厚膜基片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光后，在其表面采取高真空濺射或蒸發(fā)的方式，再經(jīng)過薄膜光刻的方式形成的。上述薄膜導(dǎo)帶-阻帶網(wǎng)絡(luò)，是通過薄膜光刻、選擇性腐蝕的方式形成的。發(fā)明人指出同時(shí)在多層陶瓷基片的兩面引出引線，適用于對外進(jìn)行電氣連接的引腳過多的情況。發(fā)明人指出上述片式元器件是不包括半導(dǎo)體芯片的其它片式元器件。本發(fā)明有以下特點(diǎn)①采用三維豎向垂直集成，可將一個(gè)以上半導(dǎo)體芯片或其他片式元器件垂直集成在同一底座多層陶瓷基片上，實(shí)現(xiàn)高密度三維集成，大大提高多芯片組件的集成度在陶瓷基片采取薄膜混合集成技術(shù)，進(jìn)一步提高集成度；③由于可集成更多的半導(dǎo)體芯片、其他片式元器件，從而可集成更多的功能，達(dá)到子系統(tǒng)或系統(tǒng)集成(簡稱SiP，即系統(tǒng)級封裝)可大大減少整機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)使用電子元器件的數(shù)量，從而大大減小整機(jī)的體積，提高應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性由于采用高密度集成，大大縮短引線長度，可進(jìn)一步提高多芯片組件的工作頻率和可靠性；⑥與原有技術(shù)相組合，結(jié)合芯片的面積大小、發(fā)熱情況，可實(shí)現(xiàn)靈活的集成方式，發(fā)熱量較大的芯片采用水平垂直集成，便于散熱，發(fā)熱量不大的芯片采用豎向垂直集成，便于提升集成度。本發(fā)明廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶、精密儀器、通訊、工業(yè)控制等領(lǐng)域，特別適用于裝備系統(tǒng)小型化、高可靠的領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景和應(yīng)用空間。


圖1為發(fā)明前的一種集成技術(shù)示意圖，圖2為發(fā)明前的另一種集成技術(shù)示意圖，圖3為本發(fā)明的三維豎向垂直集成的多層陶瓷基片的方法示意圖。圖中，I為管殼底座，2為管腳，3為多層陶瓷基片，4為片式元器件，5為半導(dǎo)體芯片I，6為半導(dǎo)體芯片Π，7為阻帶，8為導(dǎo)帶/鍵合區(qū)，9為用三維平面方式垂直貼裝的芯片，10為小多層陶瓷基片，11為內(nèi)引線，12為金球，13為半導(dǎo)體芯片III。多層陶瓷基片中的虛線表示基片為多層，至少二層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司按照本發(fā)明方法生產(chǎn)三維豎向垂直集成的多層陶瓷基片，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體的生產(chǎn)流程為( I)生瓷帶制備配制玻璃陶瓷漿料，將玻璃陶瓷漿料在流延機(jī)上沿襯底薄膜流延成薄片，制成生瓷帶，經(jīng)烘干、卷帶，備用；(2)裁片根據(jù)產(chǎn)品基片的具體尺寸按要求進(jìn)行裁片；(3)沖孔各層間通過通孔及導(dǎo)帶進(jìn)行互連。采用機(jī)械沖孔方式，制成LTCC各層的互聯(lián)通路；(4)填孔及導(dǎo)帶印刷在LTCC陶瓷片上通過絲網(wǎng)印刷的方法，將金屬漿料填充到過孔內(nèi)，按規(guī)定圖形印刷出導(dǎo)帶圖形；(5)阻帶印刷在LTCC陶瓷片上通過絲網(wǎng)印刷的方法，將電阻漿料按規(guī)定圖形印刷出阻帶圖形；(6)疊片將各層陶瓷片按照設(shè)計(jì)順序進(jìn)行精確疊放。為使得陶瓷片相互緊密粘連，需把流延時(shí)預(yù)置的襯底薄膜揭除；(7)等靜壓將已經(jīng)精確疊放的多層陶瓷在機(jī)械高壓下進(jìn)行貼合，實(shí)現(xiàn)緊密接觸；(8)切割將靜壓之后的陶瓷片，按照模塊邊界進(jìn)行切割分離；(9)燒結(jié)陶瓷片切割分離后，在燒結(jié)爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)，使瓷材硬化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;(10)表面化學(xué)機(jī)械拋光，表面 粗糙度控制在O.1微米以內(nèi)；(11)在磁控濺射臺或電子束蒸發(fā)臺中分別濺射鉻-硅電阻、鎳-鉻電阻薄膜、金薄膜；(12)采用光刻、選擇性腐蝕的方式，完成導(dǎo)帶、阻帶薄膜網(wǎng)絡(luò)的制作；( 13)使用激光調(diào)阻機(jī)對不符合規(guī)格的阻帶進(jìn)行激光修調(diào)，使電阻阻值符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求；(14)檢測對調(diào)阻后的多層陶瓷基片(包括粘貼在底座的底座多層陶瓷基片、用于三維豎向垂直集成的多層陶瓷基片)進(jìn)行外觀檢驗(yàn)和電氣測試；(15)在底座多層陶瓷基片表面豎向垂直集成鍵合區(qū)域上，采用金絲球焊機(jī)進(jìn)行金球制作；(16)在豎向多層陶瓷基片端面鍵合區(qū)域上，采用金絲球焊機(jī)進(jìn)行金球制作；(17)按常規(guī)薄膜混合集成電路組裝工藝，在三維豎向垂直集成的多層陶瓷基片上進(jìn)行半導(dǎo)體芯片、其他貼片元器件的組裝；(18)在專用夾具上對已組裝半導(dǎo)體芯片或其他貼片元器件的三維豎向垂直集成多層陶瓷基片進(jìn)行內(nèi)引線鍵合(金絲或硅鋁絲);(19)將底座多層陶瓷基片采用合金焊接的方式裝貼在管基上，按常規(guī)薄膜混合集成電路組裝工藝，進(jìn)行半導(dǎo)體芯片、其他貼片元器件的組裝，在專用夾具上對已組裝半導(dǎo)體芯片或其他貼片元器件的底座陶瓷基片進(jìn)行內(nèi)引線鍵合(金絲或硅鋁絲);(20)采用漿料粘貼的方式，將已完成鍵合的三維豎向垂直集成多層陶瓷基片垂直裝貼在底座多層陶瓷基片相應(yīng)的區(qū)域上；(21)在高純氮的保護(hù)下、在180°C左右的高溫箱中進(jìn)行2小時(shí)左右的高溫?zé)Y(jié)，將三維豎向垂直集成多層陶瓷基片與底座多層陶瓷基片有機(jī)地?zé)Y(jié)在一起；(22)對功能及外觀按產(chǎn)品要求進(jìn)行檢驗(yàn)；(23)在高純氮的保護(hù)下、在150°C左右的爐子中進(jìn)行8小時(shí)以上的高溫烘烤，將水汽徹底烘干；(24)封帽在特定的環(huán)境中進(jìn)行封帽，完成整個(gè)器件的集成與生產(chǎn)工作；(25)按產(chǎn)品工藝文件與檢驗(yàn)文件，完成器件的測試、篩選、打印與包裝入庫工作。
權(quán)利要求
1.三維集成高密度多芯片組件的集成方法，其特征是先按多層陶瓷厚膜基片常規(guī)工藝制作所需多層陶瓷厚膜基片，將所有對外進(jìn)行電氣連接的引腳制作在小多層陶瓷基片的同一端的端面或者兩面；接著陶瓷厚膜基片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光處理，減小LTCC表面粗糙度到0.1微米以內(nèi)，在其表面采取高真空濺射或蒸發(fā)的方式，成型所需的薄膜導(dǎo)帶-阻帶網(wǎng)絡(luò)；然后在每根引腳的鍵合區(qū)和底座多層陶瓷基片表面相應(yīng)的鍵合區(qū)形成金球；再采用薄膜混合集成的方式進(jìn)行半導(dǎo)體芯片或片式元器件的集成，在小多層陶瓷基片的正反面集成一個(gè)以上半導(dǎo)體芯片或片式元器件，并完成半導(dǎo)體芯片的引線鍵合；最后，采用共晶焊接、合金焊或漿料粘接的方式將集成后的小多層陶瓷基片垂直集成在底座多層陶瓷基片上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述多層陶瓷基片由多層陶瓷燒結(jié)而成，在每一層中均含有金屬化通孔、導(dǎo)帶，內(nèi)層有厚膜阻帶，表層含有薄膜導(dǎo)帶、薄膜鍵合區(qū)、經(jīng)激光調(diào)阻后的薄膜阻帶。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述金球是采用金絲球鍵合的方法或絲網(wǎng)印刷后再流焊的方法形成的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述多層厚膜陶瓷基片的粗糙度是通過化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行處理的。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述薄膜混合集成方式的薄膜是通過對陶瓷厚膜基片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光后，在其表面采取高真空濺射或蒸發(fā)的方式，再經(jīng)過薄膜光刻的方式形成的。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述薄膜導(dǎo)帶-阻帶網(wǎng)絡(luò)，是通過薄膜光刻、選擇性腐蝕的方式形成的。
全文摘要
本發(fā)明公開了三維集成高密度厚薄膜多芯片組件的集成方法，方法是先用薄膜混合集成方式，在另一小多層陶瓷基片的正反面集成一個(gè)以上半導(dǎo)體芯片或片式元器件，并完成半導(dǎo)體芯片的引線鍵合；之后將所有對外進(jìn)行電氣連接的引腳從多層陶瓷基片的一個(gè)端面或兩面引出；接著在每根引線的鍵合區(qū)及底座多層陶瓷基片表面相應(yīng)的鍵合區(qū)采用金絲球鍵合或印刷漿料再流焊的方法形成金球；最后，用共晶焊接、合金焊或漿料粘接方式將集小多層陶瓷基片垂直集成在底座多層陶瓷基片上。本發(fā)明采用三維豎向垂直集成，可將一個(gè)以上半導(dǎo)體芯片或其他片式元器件垂直集成在同一底座多層陶瓷基片上，實(shí)現(xiàn)高密度三維集成，提高多芯片組件的集成度和提高應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號H01L21/50GK103050414SQ20121049283
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者楊成剛, 蘇貴東 申請人:貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司