本發(fā)明屬于芯片封裝領域，尤其適用于微機電芯片封裝模塊的三維封裝結構及其封裝方法。

背景技術：

集成電路（ic）芯片是20世紀50年代后期至60年代發(fā)展起來的一種新型半導體器件。它是經(jīng)過氧化、光刻、擴散、外延、蒸鋁等半導體制造工藝，把構成具有一定功能的電路所需的晶體管、電阻、電容等元件及它們之間的連接導線全部集成在一小塊硅片表面上，然后將硅片表面電路與外部建立電連接并封裝起來。

集成電路封裝，是把集成電路裝配為芯片最終產(chǎn)品的過程，就是把foundry生產(chǎn)出來的集成電路裸片（die）放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來，然后固定包封成為一個整體。圖1為一種封裝結構，通過銅引腳將芯片電路引到外部，銅引腳與芯片表面電路用引線鍵合連接。

微機電系統(tǒng)（mems,micro-electro-mechanicalsystem），也叫做微電子機械系統(tǒng)、微機電、微機械等，是在微電子技術（半導體制造技術）基礎上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、liga、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術制作的高科技電子機械器件，它是在芯片內(nèi)形成機械機構、輸出對外界感應信號的微型傳感器產(chǎn)品，其核心部分即為微機電（mems）芯片。與集成電路芯片一樣，微機電（mems）芯片也需要封裝。如圖2所示，為mems壓力傳感器的封裝結構。

微機電系統(tǒng)(mems)目前正在廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴產(chǎn)品及智能產(chǎn)品等領域。當前世界集成電路（ic）技術發(fā)展最顯著的趨勢就是以微機電(mems)應用為主題的各種產(chǎn)品即將進入成長爆發(fā)期，各種應用方向的市場需求十分強勁。但當前國際上針對mems傳感芯片與ic芯片集成的方案仍然停留在將mems芯片與ic芯片集成在一個塑封體內(nèi)，這樣的模塊集成度很低，而且不能將最常用的壓力傳感芯片集成在其中。迄今為止，國際上未有一家公司推出具有普適性的針對mems傳感模塊的集成封裝方案，微機電產(chǎn)品的應用因此受限重重而停滯不前。

mems傳感器憑借其體積小、成本低以及可與其他智能芯片集成在一起的巨大優(yōu)勢，將成為傳感器的主要生產(chǎn)技術與應用形式。消費電子、汽車電子、醫(yī)療服務是mems傳感器的主要應用市場，今后mems的應用領域將逐漸擴大，包括正在興起的可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)、以及和人們生活息息相關的智能家居和智能城市都是潛力很大的應用領域。而這些新興領域需要的主要核心架構是將低功耗mcu、envm、analog&pmic，及無線與連接芯片加以整合，再連接各種傳感器芯片，因此提供芯片與傳感器集成整合的解決方案與制程實現(xiàn)將意義重大，發(fā)展空間很大。

從技術的角度分析，引線鍵合仍然是最通用最經(jīng)濟的芯片連接方式。雖然圓片級封裝（wlp）及硅穿孔（tsv）已被考慮引入到mems的封裝中，但是其高昂的成本、較差的集成可行性、較低的良率與可靠性使得其應用停滯不前。事實證明，成熟穩(wěn)健的引線鍵合技術才是mems傳感集成可行的連接方式。

當前國際上針對mems傳感芯片與ic芯片集成的方案仍然停留在將mems芯片與ic芯片集成在一個塑封體內(nèi)，這樣的模塊集成度很低，而且不能將最常用的壓力傳感芯片集成在其中。如圖3、圖4所示的封裝結構為慣性九軸傳感器集成模塊目前的產(chǎn)品結構（集成了asic/mcu芯片、陀螺儀芯片、加速度傳感器芯片以及磁傳感器芯片），也是目前國際上最先進的mems集成產(chǎn)品了，采用了芯片三維堆疊的方式，但其集成度仍低且不能集成壓力傳感器。該集成產(chǎn)品模塊的特點是：集成度較低（集成了3個mems芯片及1個ic芯片）；不能集成壓力傳感器；只限于慣性傳感應用，沒有普適性；工藝難于實現(xiàn)，良率較低（小于95%甚至更低）。

目前市場迫切需要推出具有高集成度的mems傳感模塊，也即mems芯片與asic／mcu芯片或其他芯片的高度集成的封裝模塊，需要將多個集成電路芯片與多個微機電芯片混合封裝在一個模塊中。尤其是物聯(lián)網(wǎng)及可穿戴裝置需要的核心構架，即將低功耗的mcu、envm、analog&pm芯片、無線rf與連接芯片以及各類mems傳感器芯片加以整合，開發(fā)出集成傳感模塊的新的產(chǎn)品構架與集成工藝，并實現(xiàn)產(chǎn)品化。市場需要的是采用傳統(tǒng)方式的三維封裝就可實現(xiàn)模塊集成，其成本低但產(chǎn)品附加值極高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種三維封裝模塊及封裝方法，解決現(xiàn)有技術中微機電芯片與集成電路芯片集成度低、工藝難于實現(xiàn)、良率較低的問題。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種三維封裝結構，包括下封裝體、金屬層框架和芯片，其特征在于：所述的芯片為集成電路芯片和/或微機電芯片，金屬層框架與芯片均設置于下封裝體上方，金屬層框架通過導電連接材料與下封裝體形成電連接，芯片放置于金屬層框架上表面或者下封裝體的上表面，芯片通過電連接機構與金屬層框架形成電連接；對上述技術方案作進一步的說明，所述金屬層框架和/或芯片的全部或部分被塑封膠塑封；對上述技術方案作進一步的說明，所述的塑封后的塑封體具有中空的型腔結構；對上述技術方案作進一步的說明，所述的中空的型腔結構內(nèi)設置有填充膠；對上述技術方案作進一步的說明，該三維封裝結構包含有置于上方的封合裝置或封合蓋；對上述技術方案作進一步的說明，所述金屬層框架與下封裝體之間除所述導電連接材料外的縫隙部分被封合材料或者塑封膠填充；對上述技術方案作進一步的說明，所述的金屬層框架可以通過預制成型的方法先得到，金屬層框架也可采用噴涂、濺射、電鍍或化學鍍的方法直接在下封裝體上方形成；下封裝體與金屬層框架實現(xiàn)無縫隙接觸；對上述技術方案作進一步的說明，所述下封裝體中包含一個或多個集成電路芯片和/或微機電芯片和/或其他元器件。

一種基于權利要求1所述的三維封裝結構封裝方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1、制作包含金屬層框架的預塑封體（留有型腔）；

步驟2、將預塑封體與已封裝好的下封裝體結合，形成預塑封體與下封裝體的電連接；

步驟3、在預塑封體型腔內(nèi)放置微機電芯片，并形成芯片與金屬層框架的電連接；

步驟4、在預塑封體型腔內(nèi)設置填充膠；

步驟5、在預塑封體型腔上方設置封合蓋，完成三維封裝。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本方案的封裝結構集成度較高；可以集成壓力傳感器芯片；具有普適性，適用于各類微機電集成封裝；工藝容易實現(xiàn)，良品率按工藝能力測算高于99%。

2、本發(fā)明能夠將集成電路芯片與mems傳感器芯片加以整合，開發(fā)出集成傳感模塊的新產(chǎn)品構架與集成工藝，極易實現(xiàn)產(chǎn)品化。

3、本產(chǎn)品結構新穎、工藝獨特，采用傳統(tǒng)的引線鍵合方式的三維封裝就可實現(xiàn)模塊集成，其成本低但產(chǎn)品附加值極高。

4、可以針對各類mems傳感器制造出個性化的集成產(chǎn)品投放市場，本發(fā)明的產(chǎn)品化應用方向能夠集中于如應用于智能機器與可穿戴產(chǎn)品的多軸慣性傳感系統(tǒng)集成產(chǎn)品、應用于汽車的tpms胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的傳感集成產(chǎn)品、應用于智能手機與可穿戴產(chǎn)品的氣壓與高度計產(chǎn)品及微型血壓計等方面。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術中集成電路的一種封裝結構。

圖2為現(xiàn)有技術中mems壓力傳感器的典型封裝結構。

圖3為現(xiàn)有技術中慣性九軸傳感器集成模塊的lga封裝結構。

圖4為現(xiàn)有技術中慣性九軸傳感器集成模塊的qfn封裝結構。

圖5為本發(fā)明的三維封裝模塊結構。

圖6為具體實施例一的封裝結構。

圖7為本發(fā)明封裝方法（具體實施例一為例）的流程圖。

其中，圖中的標記如下：1-上部結構；2-下封裝體；3-金屬層框架；4-塑封膠；5-中空型腔；6-芯片（以微機電芯片為例）；7-填充膠；8-封合裝置或封合蓋；9-導電連接材料；10-封合材料或塑封膠；11-金屬焊料；12-下封裝體芯片；13-下封裝體基板。

具體實施方式

本方案推出了mems模塊產(chǎn)品的一種集成模式，在一個模塊中形成上下兩層的各類芯片與mems的疊層結構，上層以mems芯片集成為主，下層以ic芯片集成為主，上下兩層之間以金屬焊料連接保證電路信號連接，工藝方面有創(chuàng)新突破以實現(xiàn)制造過程的科學可控。

本發(fā)明中所述的導電連接性材料不限于金屬焊料，無論用何種方式或材料組合，只要形成上部結構與下封裝體之間至少有一個電連接，就屬于本發(fā)明權利保護的范圍。

本發(fā)明將為物聯(lián)網(wǎng)及可穿戴裝置提供一種新的核心構架，即將各類mems傳感器芯片與各種集成電路芯片加以整合，開發(fā)出集成傳感模塊的新的產(chǎn)品構架與集成工藝，極易實現(xiàn)產(chǎn)品化。本產(chǎn)品結構新穎、工藝獨特，采用傳統(tǒng)的引線鍵合方式的三維封裝就可實現(xiàn)模塊集成，其成本低但產(chǎn)品附加值極高。本發(fā)明是一種創(chuàng)新型的具有普適性的三維封裝方案，用于集成mems傳感模塊。該方案穩(wěn)妥可行，制程與工藝簡單可靠，很容易實現(xiàn)mems傳感模塊集成的產(chǎn)品化?？梢葬槍Ω黝恗ems傳感器制造出個性化的集成產(chǎn)品投放市場，目前關注的本發(fā)明的產(chǎn)品化應用方向將集中于如應用于智能機器與可穿戴產(chǎn)品的多軸慣性傳感系統(tǒng)集成產(chǎn)品、應用于汽車的tpms胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的傳感集成產(chǎn)品、應用于智能手機與可穿戴產(chǎn)品的氣壓與高度計產(chǎn)品及微型血壓計等方面。

下面結合附圖對本發(fā)明的結構及工作過程作進一步說明。

如圖5所示的三維封裝結構，包括上部結構1與下封裝體2，上部結構1包含有金屬層框架3和芯片6（集成電路芯片和/或微機電芯片），金屬層框架3與芯片6均設置于下封裝體2上方，金屬層框架3通過導電連接材料9與下封裝體2形成電連接，芯片6放置于金屬層框架3上表面或者下封裝體2的上表面，芯片6通過電連接機構與金屬層框架3形成電連接。

金屬層框架3和/或芯片6的全部或部分被塑封膠4塑封。

塑封后的塑封體具有中空的型腔結構5。

中空的型腔結構內(nèi)設置有填充膠7。

該三維封裝結構包含有置于上方的封合裝置或封合蓋8。

金屬層框架與下封裝體之間除所述導電連接材料9外的縫隙部分被封合材料或者塑封膠10填充。

可以通過預制成型的方法先得到所述的金屬層框架，也可以采用噴涂、濺射、電鍍或其他方法直接在下封裝體上方形成與其無縫隙接觸的所述的金屬層框架。

下封裝體中包含一個或多個集成電路芯片和/或微機電芯片和/或其他元器件12。

具體實施例一

如圖6所示，三維封裝結構（以微機電芯片封裝模塊為例）包括下封裝體2、金屬層框架3（通過預制成型的方法得到）和兩個芯片6（微機電芯片），金屬層框架3與芯片6均設置于下封裝體2上方，金屬層框架3通過金屬焊料11與下封裝體2形成電連接，芯片6放置于金屬層框架3上表面，芯片6通過電連接機構與金屬層框架3形成電連接。金屬層框架3被塑封膠4塑封，塑封后的塑封體具有中空的型腔結構5，該型腔結構內(nèi)設置有填充膠7，該三維封裝結構包含有置于上方的封合蓋8，金屬層框架與下封裝體之間除所述金屬焊料11外的縫隙部分被封合材料10填充。下封裝體采用lga（landgridarray）的封裝形式，其中包含兩個集成電路芯片12。

本實施例僅以兩個集成電路芯片和兩個微機電芯片為例進行說明，但不限于這些芯片，可根據(jù)不同的用戶需求設置多個不同的芯片，而且可配置成不同的組合進行設置。

本方案所述封合裝置不限于圖中所示的蓋板的形式，其他能夠實現(xiàn)這種類似封合功能的各類裝置均包括在內(nèi)。

一種三維封裝結構的封裝方法（以微機電芯片封裝模塊為例），包括如下步驟（如圖7）：

步驟1、制作包含金屬層框架的預塑封體（留有型腔）；

步驟2、將預塑封體與已封裝好的下封裝體結合，形成預塑封體與下封裝體的電連接；

步驟3、在預塑封體型腔內(nèi)放置微機電芯片；

步驟4、形成芯片與金屬層框架的電連接；

步驟5、在預塑封體型腔內(nèi)設置填充膠；

步驟6、在預塑封體型腔上方設置封合蓋，完成三維封裝。