光通訊互聯(lián)txv 3d集成封裝及封裝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光通訊互聯(lián)TXV?3D集成封裝及封裝方法，解決現(xiàn)有技術工藝復雜、集成度低、工作頻率受限的問題。其包括如下步驟：a.制作帶通孔的芯片和不帶通孔的芯片；b.在玻璃或硅等襯底上沉積金屬層并圖形化獲得光路蓋板；c.把光路蓋板、帶通孔的芯片、不帶通孔的芯片進行對位、鍵合，完成3D集成封裝。本發(fā)明可獲得高深寬比的通孔，不需要芯片減薄、沉積通孔介質層和種子層、電鍍金屬填孔等工序，可極大地提高3D集成封裝集成度、降低封裝成本，而且避免了寄生電感、電容以及信號耦合問題，可極大地提高電子系統(tǒng)的工作頻率。
【專利說明】光通訊互聯(lián)TXV 3D集成封裝及封裝方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子【技術領域】，具體涉及一種光通訊互聯(lián)TXV 3D集成封裝及封裝方法。
【背景技術】
[0002]隨著微電子集成電路技術以及人們對電子產(chǎn)品的要求向小型化、多功能化等方向發(fā)展，集成電路和電子系統(tǒng)要求體積越做越小，集成度越來越高，功能越來越強。但是電路集成度和封裝按照摩爾定律向更高方向發(fā)展時，其功耗、散熱、成本等成為了嚴重的制約因素，因此各種新技術、新材料和新設計被提出以解決這一問題。其中硅通孔(TSV)3D及玻璃通孔(TGV) 3D集成封裝技術被認為是最有希望在現(xiàn)有工藝技術基礎上提高集成度，同時也能解決功耗、散熱及降低成本的技術方案，被稱為超越摩爾定律(More Than Moore’ Law)的新技術。
[0003]目前的3D集成封裝技術中，通常使用硅通孔(TSV)及玻璃通孔(TGV)工藝實現(xiàn)信號互聯(lián)。該類型通孔工藝包括襯底刻蝕或鉆孔形成通孔，然后在通孔中依次沉積介質層、金屬種子層，再電鍍金屬填充通孔，最后平坦化去除多余金屬，使填充金屬孔上下兩面與硅片或玻璃平面齊平，從而實現(xiàn)正反兩面器件或電路電信號互聯(lián)目的。目前的3D集成封裝中的通孔工藝相對比較復雜，而且受制于金屬填孔工藝，通孔的深度與直徑的比例不能太高，因此帶來的問題是襯底不能太厚，孔不能太小，需要減薄工藝，從而影響了機械強度和集成度。即使采用一些特殊的工藝技術可以把金屬通孔做到比較高的深寬比，但細長的金屬通孔也會帶來電感等寄生參數(shù)，限制了電子系統(tǒng)工作頻率的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種可用于光通訊互聯(lián)TXV 3D集成封裝和及封裝方法。TXV具體含義為硅通孔(TSV)及玻璃通孔(TGV)的其中一種，而該方法可采用硅通孔(TSV)JI1- V半導體材料通孔等不透光襯底，簡化了常規(guī)通孔及3D封裝工藝，采用發(fā)光-光敏器件實現(xiàn)光通訊方式，不需要金屬填孔、減薄等工序，可實現(xiàn)高深寬比通孔結構，極大地提高了集成度，且不受細長金屬通孔的寄生參數(shù)影響，電子系統(tǒng)的工作頻率可以不受限于通孔3D封裝工藝，速度快。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
光通訊互聯(lián)TXV 3D集成封裝，包括第一芯片，與第一芯片鍵合的第二芯片，所述第一芯片和第二芯片均包括不透光襯底，以及沉積于不透光襯底上的鈍化層，嵌于鈍化層中的發(fā)光器件、光敏器件，用于鍵合外部引線的多個金屬電極，與金屬電極連接的實現(xiàn)內(nèi)部電信號互聯(lián)的金屬引線；所述第一芯片還包括位于鈍化層中的實現(xiàn)內(nèi)部互聯(lián)的金屬孔，所述第二芯片還包括實現(xiàn)第一芯片和第二芯片進行光通訊互聯(lián)的通孔，位于第二芯片底部用于第一芯片和第二芯片鍵合的第二金屬層，嵌于鈍化層中的隔離金屬柱以及金屬掩蔽層。
[0006]具體地，還包括與第二芯片鍵合的光路蓋板，所述光路蓋板底部設有第一金屬層。[0007]進一步地，所述通孔采用深反應離子刻蝕或激光鉆孔形成，通孔不填充任何材料，所述通孔延伸至第二金屬層，通孔的直徑為2μπι~1(^!11，深度與直徑的比例為20飛0，側壁陡直度89° ±1°。
[0008]更進一步地，所述發(fā)光器件和光敏器件為PN結二極管、肖特基二極管、隧穿二極管、光二極管中的任意一種，所述發(fā)光器件和光敏器件通過將電路集成在器件內(nèi)部而成，或者，發(fā)光器件和光敏器件通過與電路貼裝、鍵合。
[0009]再進一步地，所述第二芯片為一塊以上，第一芯片和第二芯片形成兩層以上的封裝結構。
[0010]實現(xiàn)光通訊互聯(lián)TXV 3D集成封裝的封裝方法，包括如下步驟:
(O在第一芯片襯底設置鈍化層、發(fā)光器件、光敏器件、電路結構、多個金屬電極、金屬孔、金屬引線形成第一芯片；在第二芯片襯底上設置鈍化層、發(fā)光器件、光敏器件、電路結構、多個金屬電極、金屬引線、隔離金屬柱以及金屬掩蔽層形成第二芯片；
(2)在第二芯片背面沉積可以實現(xiàn)共晶鍵合的第二金屬層并圖形化；
(3)在第二芯片上開出需要刻蝕通孔的窗口，采用深反應離子刻蝕或激光鉆孔方式制作該通孔； (4)將第一芯片和第二芯片互相對準，然后完成共晶鍵合，完成制作。
具體地，所述步驟(4)中還包括光路蓋板，將光路蓋板、第一芯片、第二芯片互相對準，然后完成共晶鍵合，完成制作。
[0011 ] 進一步地，所述通孔延伸至第二金屬層，通孔不填充任何材料，通孔的直徑為2 μ m~10 μ m，深度與直徑的比例為20~50，側壁陡直度89° ±1°。
[0012]再進一步地，所述發(fā)光器件和光敏器件為PN結二極管、肖特基二極管、隧穿二極管、光二極管中的任意一種，所述發(fā)光器件和光敏器件通過將電路集成在器件內(nèi)部而成，或者，發(fā)光器件和光敏器件通過與電路貼裝、鍵合。
[0013]更進一步地，所述第二芯片為一塊以上，第一芯片和第二芯片形成兩層以上的封裝結構。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(1)本發(fā)明在第一芯片與第二芯片間采用光互聯(lián)通訊，簡化了TXV 3D集成封裝工藝，不需要常規(guī)TXV 3D集成封裝工藝中在通孔中沉積介質層、種子層以及金屬填孔等工序，從而避免了這些工序對通孔深度與直徑比例要求的限制，從而可以實現(xiàn)高深寬比通孔用于芯片間?目號互聯(lián)；
(2)本發(fā)明采用的高深寬比通孔進行光互聯(lián)通訊，可以把通孔做得更小，對芯片襯底厚度也不需要減薄，因此可以減小體積，極大提高封裝集成度，同時提高了 TXV封裝襯底強度，減低了封裝成本；
(3)本發(fā)明在第一芯片與第二芯片間采用光互聯(lián)通訊方式，避免了微金屬通孔帶來的寄生電感、寄生電容等寄生參數(shù)，也可有效避免金屬通孔之間的電磁信號干擾，可極大提高電子系統(tǒng)的工作頻率，速度更快。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明TXV 3D集成封裝俯視結構示意圖。[0016]圖2為圖1中A-A的剖視圖。
[0017]圖3為本發(fā)明第一芯片剖視圖。
[0018]圖4為本發(fā)明光路蓋板剖視圖。
[0019]圖5為本發(fā)明第二芯片剖視圖。
[0020]上述附圖中，附圖標記對應的部件名稱如下:
1-第一芯片，2-第二芯片，3-發(fā)光器件,4-光敏器件,5-通孔,6-金屬孔,7-光路蓋板，8-金屬電極，9-鈍化層，10-第一金屬層,11-金屬引線，12-隔離金屬柱，13-金屬掩蔽層，14-第二金屬層。
【具體實施方式】
[0021]下面結 合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。
實施例
[0022]如圖1至圖5所示，光通訊互聯(lián)TXV 3D集成封裝，包括的第一芯片1，與第一芯片鍵合的第二芯片2，所述第一芯片和第二芯片均包括不透光襯底，以及沉積于不透光襯底上的鈍化層9，嵌于鈍化層中的發(fā)光器件3、光敏器件4，用于鍵合外部引線的多個金屬電極8，與金屬電極連接的實現(xiàn)內(nèi)部電信號互聯(lián)的金屬引線11 ;所述第一芯片還包括位于鈍化層中的實現(xiàn)內(nèi)部互聯(lián)的金屬孔6，所述第二芯片還包括實現(xiàn)第一芯片和第二芯片進行光通訊互聯(lián)的通孔5,位于第二芯片底部用于第一芯片和第二芯片鍵合的第二金屬層14,嵌于鈍化層中的隔離金屬柱12以及金屬掩蔽層13。
[0023]具體地，還包括與第二芯片鍵合的光路蓋板7，所述光路蓋板底部設有第一金屬層
10。所述通孔采用深反應離子刻蝕或激光鉆孔形成，通孔不填充任何材料，具有高深寬比特性，所述通孔延伸至第二金屬層，通孔的直徑為2μπι~?ομπι，深度與直徑的比例為20~50，側壁陡直度89° ±1。。
[0024]作為優(yōu)選，可采用光路蓋板把光約束起來，這樣所述不透光襯底、隔離金屬柱、金屬掩蔽層、第一金屬層將光約束在通孔和鈍化層之中，形成光通訊互聯(lián)的光通路。也可去除光路蓋板，只采用金屬掩蔽層實現(xiàn)對光的約束，這樣所述不透光襯底、隔離金屬柱、金屬掩蔽層將光約束在通孔和鈍化層之中，形成光通訊互聯(lián)的光通路。
[0025]在本實施例中，所述第二芯片與第一芯片鍵合，以此形成兩層的封裝結構，所述芯片襯底由S1、GaAs、GeS1、InP或GaN材料制成。所述第一金屬層和第二金屬層通過在玻璃或硅等不透光芯片襯底上沉積銅、金、鈦、錫、鍺、鋁等形成。所述發(fā)光器件和光敏器件為PN結二極管、肖特基二極管、隧穿二極管、光二極管中的任意一種，所述發(fā)光器件和光敏器件通過將電路集成在器件內(nèi)部而成，采用與電路制作相同的工藝制程制作，或者，發(fā)光器件和光敏器件通過與電路貼裝、鍵合。所述第一芯片和第二芯片均采用相同的工藝制作，與硅基及II1- V半導體等主流工藝兼容，
為了更好地說明本發(fā)明，如下提供了該光通訊互聯(lián)TXV 3D集成封裝的封裝方法，具體
為:
(O在第一芯片襯底上設置鈍化層、發(fā)光器件、光敏器件、電路結構、多個金屬電極、金屬孔、金屬引線形成第一芯片；在第二芯片襯底上制作鈍化層、發(fā)光器件、光敏器件、電路結構、多個金屬電極、金屬引線、隔離金屬柱以及金屬掩蔽層形成第二芯片；
(2)在玻璃或硅等芯片襯底上沉積銅、金、鈦、錫、鍺、鋁等種類金屬在一定溫度下形成鍵合的第一金屬層，光刻金屬形成需要的鍵合圖形；并刻蝕獲得3D封裝需要的光路蓋板，如圖4所示。
[0026](3)在第二芯片背面沉積銅、金、鈦、錫、鍺、鋁等種類等金屬在一定溫度下形成鍵合的第二金屬層，然后在保護芯片正面條件的前提下，光刻圖形化并刻蝕第二金屬層，形成鍵合金屬區(qū)域以及開出刻蝕通孔窗口。
[0027](4)深反應離子刻蝕通孔，將開出刻蝕通孔窗口的芯片放入深反應離子刻蝕設備中，在高密度反應離子刻蝕下，通孔延伸背面的第二金屬層，通孔直徑為2μπι?ΙΟμπι，深度與直徑的比例為30飛0，側壁陡直度89° ±1°，如圖5所示。
[0028](5)把光路蓋板、第一芯片、第二芯片對準后，在一定溫度低壓條件下進行共晶鍵合，或者將第一芯片、第二芯片對準后，在一定溫度低壓條件下進行共晶鍵合，如圖2所示。封裝完成所述不透光襯底、隔離金屬柱、金屬掩蔽層、第一金屬層將光約束在通孔和鈍化層之中，形成光通訊互聯(lián)的光通路?；蛘呤侨コ龓Ы饘賹拥墓饴飞w板，只采用金屬掩蔽層實現(xiàn)對光的約束，這樣所述不透光襯底、隔離金屬柱、金屬掩蔽層將光約束在通孔和鈍化層之中，形成光通訊互聯(lián)的光通路。
[0029]發(fā)光器件發(fā)射的光，通過通孔及透光介質層，傳輸?shù)焦饷羝骷?，光敏器件接受到信號，完成信號互?lián)。第一芯片和第二芯片可以按照設計需要有多個發(fā)光器件及光敏器件，從而實現(xiàn)不同目的的光通訊互聯(lián)。
【權利要求】
1.光通訊互聯(lián)TXV3D集成封裝,其特征在于,包括第一芯片(I),與第一芯片鍵合的第二芯片(2)，所述第一芯片和第二芯片均包括不透光襯底，以及沉積于不透光襯底上的鈍化層(9)，嵌于鈍化層中的發(fā)光器件(3)、光敏器件(4)，用于鍵合外部引線的多個金屬電極(8)，與金屬電極連接的實現(xiàn)內(nèi)部電信號互聯(lián)的金屬引線(11);所述第一芯片還包括位于鈍化層中的實現(xiàn)內(nèi)部互聯(lián)的金屬孔(6)，所述第二芯片還包括實現(xiàn)第一芯片和第二芯片進行光通訊互聯(lián)的通孔(5)，位于第二芯片底部用于第一芯片和第二芯片鍵合的第二金屬層(14)，嵌于鈍化層中的隔離金屬柱(12)以及金屬掩蔽層(13)。
2.根據(jù)權利要求1所述的光通訊互聯(lián)TXV3D集成封裝，其特征在于，還包括與第二芯片鍵合的光路蓋板(7),所述光路蓋板底部設有第一金屬層(10)。
3.根據(jù)權利要求1所述的光通訊互聯(lián)TXV3D集成封裝，其特征在于，所述通孔采用深反應離子刻蝕或激光鉆孔形成，通孔不填充任何材料，所述通孔延伸至第二金屬層，通孔的直徑為2μπι?IOym,深度與直徑的比例為20?50，側壁陡直度89° ±1°。
4.根據(jù)權利要求1所述的光通訊互聯(lián)TXV3D集成封裝，其特征在于，所述發(fā)光器件和光敏器件為PN結二極管、肖特基二極管、隧穿二極管、光二極管中的任意一種，所述發(fā)光器件和光敏器件通過將電路集成在器件內(nèi)部而成，或者，發(fā)光器件和光敏器件通過與電路貼裝、鍵合。
5.根據(jù)權利要求1所述的光通訊互聯(lián)TXV3D集成封裝，其特征在于，所述第二芯片為一塊以上，第一芯片和第二芯片形成兩層以上的封裝結構。
6.實現(xiàn)權利要求1飛任一項所述的光通訊互聯(lián)TXV3D集成封裝的封裝方法，其特征在于，包括如下步驟: (O在第一芯片襯底設置鈍化層、發(fā)光器件、光敏器件、電路結構、多個金屬電極、金屬孔、金屬引線形成第一芯片；在第二芯片襯底上設置鈍化層、發(fā)光器件、光敏器件、電路結構、多個金屬電極、金屬引線、隔離金屬柱以及金屬掩蔽層形成第二芯片； (2)在第二芯片背面沉積可以實現(xiàn)共晶鍵合的第二金屬層并圖形化； (3)在第二芯片上開出需要刻蝕通孔的窗口，采用深反應離子刻蝕或激光鉆孔方式制作該通孔； (4)將第一芯片和第二芯片互相對準，然后完成共晶鍵合，完成制作。
7.根據(jù)權利要求6所述的光通訊互聯(lián)TXV3D集成封裝的封裝方法，其特征在于，所述步驟(4)中還包括光路蓋板，將光路蓋板、第一芯片、第二芯片互相對準，然后完成共晶鍵合，完成制作。
8.根據(jù)權利要求7所述的光通訊互聯(lián)TXV3D集成封裝的封裝方法，其特征在于，所述通孔延伸至第二金屬層，通孔不填充任何材料，通孔的直徑為2μπι?ΙΟμπι，深度與直徑的比例為20?50，側壁陡直度89° ±1。。
9.根據(jù)權利要求8所述的光通訊互聯(lián)TXV3D集成封裝的封裝方法，其特征在于，所述發(fā)光器件和光敏器件為PN結二極管、肖特基二極管、隧穿二極管、光二極管中的任意一種，所述發(fā)光器件和光敏器件通過將電路集成在器件內(nèi)部而成，或者，發(fā)光器件和光敏器件通過與電路貼裝、鍵合。
10.根據(jù)權利要求9所述的光通訊互聯(lián)TXV3D集成封裝的封裝方法，其特征在于，所述第二芯片為一塊以上，第一芯片和第二芯片形成兩層以上的封裝結構。
【文檔編號】H01L23/498GK103745969SQ201410041584
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權日:2014年1月28日
【發(fā)明者】唐海林, 熊永忠 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所