CN113066771A - 一种多层堆叠微***结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层堆叠微***结构；包括硅片，所述硅片的中间内部固定镶嵌焊接有功能芯片，所述硅片的上部焊接有上盖硅片，所述上盖硅片的上表面贴装功率数字芯片，所述上盖硅片的上部还焊接安装有第一散热金属壳体，所述硅片的下部焊接有转接板，所述转接板的下部贴装有功率射频芯片，所述转接板的下部贴装连接有PCB板，所述PCB板的下表面固定贴装有第二散热金属壳体；本发明利用转接板工艺在模组的中间布置功能芯片，然后在功能芯片的两面布置功率数字芯片和功率射频芯片，在功率数字芯片和功率射频芯片的上面和下面各设置散热装置，使功率芯片的热能够及时散到终端上，避免模组温度升高。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种多层堆叠微***结构。
背景技术
毫米波射频技术在半导体行业发展迅速，其在高速数据通信、汽车雷达、机载导弹跟踪***以及空间光谱检测和成像等领域都得到广泛应用，成为新兴产业。新的应用对产品的电气性能、紧凑结构和***可靠性提出了新的要求，对于无线发射和接收***，目前还不能集成到同一颗芯片上（SOC），因此需要把不同的芯片包括射频单元、滤波器、功率放大器等集成到一个独立的***中实现发射和接收信号的功能。但是射频芯片和大功耗数字芯片都属于功率芯片，功率较高，需要专门的散热结构把芯片的热及时传导出去，如果模组结构中的功率芯片处于多层材质的包围中，热量的散失途径受阻，整个模组的内部就会工作温度过高，影响模组的寿命，因此需要在模组靠近射频芯片的最近的位置设置不同的散热装置，以便能及时把芯片的热量散出，给模组所有芯片健康的工作环境，然而市面上各种的半导体仍存在各种各样的问题。
如授权公告号为CN110010491A所公开的一种多层堆叠射频微***立方体结构的制作工艺，其虽然实现了通过键合工艺使射频模块多层堆叠，形成一个带有焊盘结构的立方体结构，该立方体可以方便射频模块的竖立安装，并能较简单的接水冷管道出入口，适应现场需求，但是并未解决现有半导体芯片的功率较高，需要专门的散热结构把芯片的热及时传导出去，如果模组结构中的功率芯片处于多层材质的包围中，热量的散失途径受阻，整个模组的内部就会工作温度过高，影响模组的寿命的问题，为此我们提出一种多层堆叠微***结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多层堆叠微***结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多层堆叠微***结构，包括硅片，所述硅片的中间内部固定镶嵌焊接有功能芯片，所述硅片的上部焊接有上盖硅片，所述上盖硅片的上表面贴装功率数字芯片，所述上盖硅片的上部还焊接安装有第一散热金属壳体，所述硅片的下部焊接有转接板，所述转接板的下部贴装有功率射频芯片，所述转接板的下部贴装连接有PCB板，所述PCB板上设有镶铜，所述PCB板的下表面固定贴装有第二散热金属壳体，所述硅片、所述上盖硅片和所述转接板的内部均镶嵌有TSV金属柱。
优选的，多层堆叠微***结构的制备步骤如下：
S1、在所述硅片表面制作TSV盲孔，沉积钝化层，然后沉积种子层，电镀TSV金属，抛光硅片表面金属，得到带有所述TSV金属柱的所述硅片；
S2、在所述TSV金属柱端面制作RDL和焊盘，然后对所述硅片的背面进行减薄使所述TSV金属柱底部露出沉积钝化层，抛光使所述TSV金属柱的端部露出；
S3、在所述硅片表面刻蚀空腔，然后把所述功能芯片通过焊接或者胶粘的方式嵌入空腔中，在所述功能芯片和空腔之间的空隙填充胶体，然后在所述硅片表面制作RDL使所述TSV金属柱和所述功能芯片的所述焊盘互联；
S4、重复S1-S3制作带有所述TSV金属柱的所述上盖硅片，利用晶圆键合工艺使所述硅片跟所述上盖硅片键合成第一模组，在第一模组的背面设置焊锡球，最后在模组的正面贴装所述功率数字芯片；
S5、重复S1-S3制作带有所述TSV金属柱的所述转接板，在转接板表面设置铜核锡球，然后在所述铜核锡球表面贴装所述功率射频芯片得到第二模组；
S6、通过芯片键合工艺把第一模组和第二模组焊接在一起得到第三模组，在第三模组顶部设置所述第一散热金属壳体，所述功率数字芯片和所述第一散热金属壳体通过导热硅脂连接，形成第四模组；
S7、把第四模组通过表面贴装工艺贴在嵌有所述镶铜的所述PCB板上，在所述PCB板的背面贴装所述第二散热金属壳体，得到最终多层堆叠结构。
优选的，所述TSV金属柱的端面均焊接有所述焊盘，所述焊盘均为焊锡盘。
优选的，所述S1中的TSV盲孔是通过光刻或者刻蚀工艺在所述硅片表面制作TSV孔，所述TSV孔的孔直径范围在1um-1000um，深度在10um-1000um。
优选的，所述S1中的硅片的加工过程如下：在所述硅片上方沉积氧化硅或者氮化硅绝缘层，或者直接热氧化，通过物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺在绝缘层上方制作沉积种子层。
优选的，所述绝缘层厚度范围在10nm-100um之间，所述沉积种子层厚度范围在1nm-100um，所述沉积种子层至少设有一层，所述沉积种子层选用的金属材质是钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡和镍中的一种。
优选的，所述S1中的TSV盲孔在进行电镀填充的时候温度在200-500度，CMP工艺使所述硅片表面铜去除，使所述硅片表面只剩下填铜。
优选的，所述S2中通过光刻电镀工艺在TSV开口端制作RDL和所述焊盘，以载片做支撑减薄硅片背面，减薄厚度在100nm-700um，减薄是直接在所述硅片背部做减薄处理，使TSV背面露头，对其背面进行钝化层覆盖，然后CMP使TSV金属露出。
优选的，所述S3中用光刻或者干法刻蚀工艺在所述硅片背面刻蚀凹槽，所述凹槽宽度在1um-1000um，深度在10um-1000um。
优选的，所述第一模组、所述第二模组和所述第三模组之间通过晶圆键合工艺进行固定连接，所述第一散热金属壳体和所述第二散热金属壳体均采用铜铝散热金属壳体，所述第一散热金属壳体和所述第二散热金属壳体上均设有散热翅。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用转接板工艺在模组的中间布置功能芯片，然后在功能芯片的两面布置功率数字芯片和功率射频芯片，在功率数字芯片和功率射频芯片的上面和下面各设置散热装置，使功率芯片的热能够及时散到终端上，避免模组温度升高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的硅片开设有TSV盲孔的结构示意图；
图3为本发明的硅片镶嵌TSV金属柱的结构示意图；
图4为本发明的硅片镶嵌功能芯片的结构示意图；
图5为本发明的转接板开设有TSV盲孔的结构示意图；
图6为本发明的转接板镶嵌TSV金属柱和铜核锡球的结构示意图。
图中：1、硅片；2、上盖硅片；3、功率数字芯片；4、第一散热金属壳体；5、转接板；6、PCB板；7、镶铜；8、第二散热金属壳体；9、TSV金属柱；10、焊锡球；11、铜核锡球；12、TSV盲孔；13、焊盘；14、功能芯片；15、胶体；16、功率射频芯片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图6，本发明提供一种技术方案：一种多层堆叠微***结构，包括硅片1，所述硅片1的中间内部固定镶嵌焊接有功能芯片14，所述硅片1的上部焊接有上盖硅片2，所述上盖硅片2的上表面贴装功率数字芯片3，所述上盖硅片2的上部还焊接安装有第一散热金属壳体4，所述硅片1的下部焊接有转接板5，所述转接板5的下部贴装有功率射频芯片16，所述转接板5的下部贴装连接有PCB板6，所述PCB板6上设有镶铜7，所述PCB板6的下表面固定贴装有第二散热金属壳体8，所述硅片1、所述上盖硅片2和所述转接板5的内部均镶嵌有TSV金属柱9。
为了实现对多层堆叠微***结构进行制备，本实施例中，优选的，多层堆叠微***结构的制备步骤如下：
S1、在所述硅片1表面制作TSV盲孔12，沉积钝化层，然后沉积种子层，电镀TSV金属，抛光硅片表面金属，得到带有所述TSV金属柱9的所述硅片1；
S2、在所述TSV金属柱9端面制作RDL和焊盘13，然后对所述硅片1的背面进行减薄使所述TSV金属柱9底部露出沉积钝化层，抛光使所述TSV金属柱9的端部露出；
S3、在所述硅片1表面刻蚀空腔，然后把所述功能芯片14通过焊接或者胶粘的方式嵌入空腔中，在所述功能芯片14和空腔之间的空隙填充胶体15，然后在所述硅片1表面制作RDL使所述TSV金属柱9和所述功能芯片14的所述焊盘13互联；
S4、重复S1-S3制作带有所述TSV金属柱9的所述上盖硅片2，利用晶圆键合工艺使所述硅片1跟所述上盖硅片2键合成第一模组，在第一模组的背面设置焊锡球10，最后在模组的正面贴装所述功率数字芯片3；
S5、重复S1-S3制作带有所述TSV金属柱9的所述转接板5，在转接板5表面设置铜核锡球11，然后在所述铜核锡球11表面贴装所述功率射频芯片16得到第二模组；
S6、通过芯片键合工艺把第一模组和第二模组焊接在一起得到第三模组，在第三模组顶部设置所述第一散热金属壳体4，所述功率数字芯片3和所述第一散热金属壳体4通过导热硅脂连接，形成第四模组；
S7、把第四模组通过表面贴装工艺贴在嵌有所述镶铜7的所述PCB板6上，在所述PCB板6的背面贴装所述第二散热金属壳体8，得到最终多层堆叠结构。
为了实现对多层堆叠微***进行电性连接传输，本实施例中，优选的，所述TSV金属柱9的端面均焊接有所述焊盘13，所述焊盘13均为焊锡盘。
为了实现对硅片1进行TSV金属柱9的制备，本实施例中，优选的，所述S1中的TSV盲孔12是通过光刻或者刻蚀工艺在所述硅片1表面制作TSV孔，所述TSV孔的孔直径范围在1um-1000um，深度在10um-1000um。
为了实现对硅片1进行技术性加工，本实施例中，优选的，所述S1中的硅片1的加工过程如下：在所述硅片1上方沉积氧化硅或者氮化硅绝缘层，或者直接热氧化，通过物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺在绝缘层上方制作沉积种子层。
为了保持多层堆叠微***的厚度适宜，本实施例中，优选的，所述绝缘层厚度范围在10nm-100um之间，所述沉积种子层厚度范围在1nm-100um，所述沉积种子层至少设有一层，所述沉积种子层选用的金属材质是钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡和镍中的一种。
为了使得TSV金属柱9的质地精密均匀，本实施例中，优选的，所述S1中的TSV盲孔12在进行电镀填充的时候温度在200-500度，CMP工艺使所述硅片1表面铜去除，使所述硅片1表面只剩下填铜。
为了实现对硅片1进行处理，使得TSV金属柱9能够漏出便于电性连接，本实施例中，优选的，所述S2中通过光刻电镀工艺在TSV开口端制作RDL和所述焊盘13，以载片做支撑减薄硅片背面，减薄厚度在100nm-700um，减薄是直接在所述硅片1背部做减薄处理，使TSV背面露头，对其背面进行钝化层覆盖，然后CMP使TSV金属露出。
为了实现对功能芯片14进行镶嵌安装，本实施例中，优选的，所述S3中用光刻或者干法刻蚀工艺在所述硅片1背面刻蚀凹槽，所述凹槽宽度在1um-1000um，深度在10um-1000um。
为了实现多层堆叠，以及实行快速的进行散热处理，本实施例中，优选的，所述第一模组、所述第二模组和所述第三模组之间通过晶圆键合工艺进行固定连接，所述第一散热金属壳体4和所述第二散热金属壳体8均采用铜铝散热金属壳体，所述第一散热金属壳体4和所述第二散热金属壳体8上均设有散热翅。
本发明的工作原理及使用流程：
第一步、在所述硅片1表面制作TSV盲孔12，沉积钝化层，然后沉积种子层，电镀TSV金属，抛光硅片表面金属，得到带有所述TSV金属柱9的所述硅片1；
第二步、在所述TSV金属柱9端面制作RDL和焊盘13，然后对所述硅片1的背面进行减薄使所述TSV金属柱9底部露出沉积钝化层，抛光使所述TSV金属柱9的端部露出；
第三步、在所述硅片1表面刻蚀空腔，然后把所述功能芯片14通过焊接或者胶粘的方式嵌入空腔中，在所述功能芯片14和空腔之间的空隙填充胶体15，然后在所述硅片1表面制作RDL使所述TSV金属柱9和所述功能芯片14的所述焊盘13互联；
第四步、重复S1-S3制作带有所述TSV金属柱9的所述上盖硅片2，利用晶圆键合工艺使所述硅片1跟所述上盖硅片2键合成第一模组，在第一模组的背面设置焊锡球10，最后在模组的正面贴装所述功率数字芯片3；
第五步、重复S1-S3制作带有所述TSV金属柱9的所述转接板5，在转接板5表面设置铜核锡球11，然后在所述铜核锡球11表面贴装所述功率射频芯片16得到第二模组；
第六步、通过芯片键合工艺把第一模组和第二模组焊接在一起得到第三模组，在第三模组顶部设置所述第一散热金属壳体4，所述功率数字芯片3和所述第一金属壳体4通过导热硅脂连接，形成第四模组；
第七步、把第四模组通过表面贴装工艺贴在嵌有所述镶铜7的所述PCB板6上，在所述PCB板6的背面贴装所述第二散热金属壳体8，得到最终多层堆叠结构。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种多层堆叠微***结构，包括硅片（1），其特征在于：所述硅片（1）的中间内部固定镶嵌焊接有功能芯片（14），所述硅片（1）的上部焊接有上盖硅片（2），所述上盖硅片（2）的上表面贴装功率数字芯片（3），所述上盖硅片（2）的上部还焊接安装有第一散热金属壳体（4），所述硅片（1）的下部焊接有转接板（5），所述转接板（5）的下部贴装有功率射频芯片（16），所述转接板（5）的下部贴装连接有PCB板（6），所述PCB板（6）上设有镶铜（7），所述PCB板（6）的下表面固定贴装有第二散热金属壳体（8），所述硅片（1）、所述上盖硅片（2）和所述转接板（5）的内部均镶嵌有TSV金属柱（9）。
2.根据权利要求1所述的一种多层堆叠微***结构，其特征在于：多层堆叠微***结构的制备步骤如下：
S1、在所述硅片（1）表面制作TSV盲孔（12），沉积钝化层，然后沉积种子层，电镀TSV金属，抛光硅片表面金属，得到带有所述TSV金属柱（9）的所述硅片（1）；
S2、在所述TSV金属柱（9）端面制作RDL和焊盘（13），然后对所述硅片（1）的背面进行减薄使所述TSV金属柱（9）底部露出沉积钝化层，抛光使所述TSV金属柱（9）的端部露出；
S3、在所述硅片（1）表面刻蚀空腔，然后把所述功能芯片（14）通过焊接或者胶粘的方式嵌入空腔中，在所述功能芯片（14）和空腔之间的空隙填充胶体（15），然后在所述硅片（1）表面制作RDL使所述TSV金属柱（9）和所述功能芯片（14）的所述焊盘（13）互联；
S4、重复S1-S3制作带有所述TSV金属柱（9）的所述上盖硅片（2），利用晶圆键合工艺使所述硅片（1）跟所述上盖硅片（2）键合成第一模组，在第一模组的背面设置焊锡球（10），最后在模组的正面贴装所述功率数字芯片（3）；
S5、重复S1-S3制作带有所述TSV金属柱（9）的所述转接板（5），在转接板（5）表面设置铜核锡球（11），然后在所述铜核锡球（11）表面贴装所述功率射频芯片（16）得到第二模组；
S6、通过芯片键合工艺把第一模组和第二模组焊接在一起得到第三模组，在第三模组顶部设置所述第一散热金属壳体（4），所述功率数字芯片（3）和所述第一散热金属壳体（4）通过导热硅脂连接，形成第四模组；
S7、把第四模组通过表面贴装工艺贴在嵌有所述镶铜（7）的所述PCB板（6）上，在所述PCB板（6）的背面贴装所述第二散热金属壳体（8），得到最终多层堆叠结构。
3.根据权利要求2所述的一种多层堆叠微***结构，其特征在于：所述TSV金属柱（9）的端面均焊接有所述焊盘（13），所述焊盘（13）均为焊锡盘。
4.根据权利要求2所述的一种多层堆叠微***结构，其特征在于：所述S1中的TSV盲孔（12）是通过光刻或者刻蚀工艺在所述硅片（1）表面制作TSV孔，所述TSV孔的孔直径范围在1um-1000um，深度在10um-1000um。
5.根据权利要求2所述的一种多层堆叠微***结构，其特征在于：所述S1中的硅片（1）的加工过程如下：在所述硅片（1）上方沉积氧化硅或者氮化硅绝缘层，或者直接热氧化，通过物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺在绝缘层上方制作沉积种子层。
6.根据权利要求5所述的一种多层堆叠微***结构，其特征在于：所述绝缘层厚度范围在10nm-100um之间，所述沉积种子层厚度范围在1nm-100um，所述沉积种子层至少设有一层，所述沉积种子层选用的金属材质是钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡和镍中的一种。
7.根据权利要求2所述的一种多层堆叠微***结构，其特征在于：所述S1中的TSV盲孔（12）在进行电镀填充的时候温度在200-500度，CMP工艺使所述硅片（1）表面铜去除，使所述硅片（1）表面只剩下填铜。
8.根据权利要求2所述的一种多层堆叠微***结构，其特征在于：所述S2中通过光刻电镀工艺在TSV开口端制作RDL和所述焊盘（13），以载片做支撑减薄硅片背面，减薄厚度在100nm-700um，减薄是直接在所述硅片（1）背部做减薄处理，使TSV背面露头，对其背面进行钝化层覆盖，然后CMP使TSV金属露出。
9.根据权利要求2所述的一种多层堆叠微***结构，其特征在于：所述S3中用光刻或者干法刻蚀工艺在所述硅片（1）背面刻蚀凹槽，所述凹槽宽度在1um-1000um，深度在10um-1000um。
10.根据权利要求2所述的一种多层堆叠微***结构，其特征在于：所述第一模组、所述第二模组和所述第三模组之间通过晶圆键合工艺进行固定连接，所述第一散热金属壳体（4）和所述第二散热金属壳体（8）均采用铜铝散热金属壳体，所述第一散热金属壳体（4）和所述第二散热金属壳体（8）上均设有散热翅。
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