CN103117252B - 一种对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，包括：采用两个开口相对的U型真空槽对一个二维封装柔性基板进行折叠，并将该二维封装柔性基板真空吸附于该两个U型真空槽内壁，形成一个三维折叠封装单元；将多个该三维折叠封装单元开口向上密集排布于底板上，形成三维折叠封装单元阵列；从该三维折叠封装单元阵列中每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列加注灌封材料，灌封材料加满后将该三维折叠封装单元阵列置于热板上加热固化；释放真空，形成多个柔性基板三维封装体。本发明实现二维封装柔性基板的三维折叠封装，可在同一设备上完成柔性基板的弯折和灌封工艺，大大简化和优化了传统的封装工艺。
Description
技术领域
本发明涉及微电子行业三维堆叠封装技术领域，尤其涉及一种对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法。
背景技术
近年来，随着微电子技术的发展，小型化、轻薄化、易携带的产品已成为电子产品的发展趋势。柔性电子技术是一门新型的科学技术，其中柔性基板是柔性电子技术不同于电子技术最突出的特点，柔性基板不但具有传统刚性基板的绝缘性、较高强度、廉价性(与硅等材料相比)等特点，还具有柔韧性、薄膜性等传统刚性基板所不具有的优点。此外，器件外形尺寸的微型化要求、安装结构形式的改进、以及为降低热阻，提高芯片散热能力等诸方面的发展与进步，都相应地要求电子产品封装的尺寸越来越小。现在，在许多新兴半导体制造领域内，都需要超小封装结构，如智能卡、微机电系统、光伏电池、堆迭晶粒和功率元件等。使用柔性基板实现芯片的堆叠封装可使整个封装结构具有更小的体积、重量、延迟、噪声和功耗，更高的速度和互连效率同时较TSV等芯片的三维堆叠封装技术可行性强且工艺简单。
在当前的半导体工艺中，柔性基板的二维封装技术已相对比较成熟，但对于利用柔性基板的可弯折性实现超小超薄的芯片堆叠的三维封装技术还不成熟，尤其是对于其量产化的封装设备和工艺方法领域的相关技术还处于空白。
美国专利US20060192277提供了一种柔性基板四芯片的堆叠模式，它提出一种使用柔性基板的可弯折性对芯片进行四层堆叠布线的方式，美国专利US20090016032A1提供了一种三维折叠柔性基板内部嵌入式的封装模式，它在使用柔性基板弯折后对空间的布置完成芯片的嵌入式封装从而提高封装结构的集成度降低整个封装体的厚度，但以上两专利都并未涉及如何实现该种模式的具体封装方法以及量产化所需的设备和工艺方法。
现有的对二维封装后的柔性基板通过折叠进行三维堆叠封装的方法存在如下技术缺陷：只是提出一种封装形式，没有设计相应的封装设备和具体的量产化工艺实施方案，成本较高，并且效率低，不利于实现生产线作业。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，以降低成成本，提高效率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，包括：
采用两个开口相对的U型真空槽对一个二维封装柔性基板进行折叠，并将该二维封装柔性基板真空吸附于该两个U型真空槽内壁，形成一个三维折叠封装单元；该两个U型真空槽相对的两个开口所形成的椭圆柱状孔作为该三维折叠封装单元的开口；
将多个该三维折叠封装单元开口向上密集排布于底板上，形成三维折叠封装单元阵列；
从该三维折叠封装单元阵列中每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列加注灌封材料，灌封材料加满后将该三维折叠封装单元阵列置于热板上加热固化；以及
释放真空，形成多个柔性基板三维封装体。
上述方案中，所述二维封装柔性基板，其表面通过倒装方式安装有多个芯片，且该多个芯片与柔性基板表面之间进行了底部填充处理；所述二维封装柔性基板两条长边的边缘以及U型真空槽开口处的内壁均设置有对准标记。
上述方案中，所述芯片为内存芯片、智能卡芯片、微机电系统芯片、光伏电池芯片、堆迭晶粒芯片或功率元件芯片。
上述方案中，所述U型真空槽内壁分布有多个真空吸孔，该真空吸孔的分布密度是越靠近U型弯折区越大；在所述U型真空槽外壁设置有多个真空吸嘴，所述多个真空吸嘴在所述U型真空槽的内部连通于所述多个真空吸孔。
上述方案中，所述采用两个开口相对的U型真空槽对一个二维封装柔性基板进行折叠，并将该二维封装柔性基板真空吸附于该两个U型真空槽内壁，形成一个三维折叠封装单元，包括：
采用圆柱型推针将该二维封装柔性基板的一端置于一个U型真空槽内进行弯折操作，并将该二维封装柔性基板边缘处的对准标记与U型真空槽开口处内壁上的对准标记进行对准，然后通过真空吸嘴对U型真空槽抽真空，将该二维封装柔性基板的一半固定于该U型真空槽内；
将该二维封装柔性基板的另一端使用圆柱型推针置于另一个U型真空槽内进行弯折操作，并将该二维封装柔性基板边缘处的对准标记与该另一个U型真空槽开口处内壁上的对准标记进行对准，然后通过真空吸嘴对该另一个U型真空槽抽真空，将该二维封装柔性基板的另一半固定于该另一个U型真空槽内，形成一个三维折叠封装单元，完成整个二维封装柔性基板的三维折叠工艺。
上述方案中，所述将该二维封装柔性基板真空吸附于该两个U型真空槽内壁，形成一个三维折叠封装单元的步骤中，是对U型真空槽内部的真空部分进行分区施加真空控制，以提高对该二维封装柔性基板的三维弯折平整度。
上述方案中，所述将多个该三维折叠封装单元开口向上密集排布于底板上，形成三维折叠封装单元阵列的步骤中，所述底板采用双层结构，上层是聚四氟乙烯板，下层是金属底座，所述将多个该三维折叠封装单元开口向上密集排布于底板上，是将该多个开口向上的三维折叠封装单元、聚四氟乙烯板以及金属底座从上到下依次叠放，并使用螺栓进行压合固定，使将多个该三维折叠封装单元与底板之间形成牢固紧密贴合的接触，使形成的该三维折叠封装单元阵列在侧立时形成上面开口底部和侧面完全封闭的结构。
上述方案中，所述从该三维折叠封装单元阵列中每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列加注灌封材料的步骤中，
将该三维折叠封装单元阵列开口向上放置于点胶机台上，使用点胶设备从每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列进行垂直点胶，使灌封材料将该三维折叠封装单元开口内的空间完全充满并稍有上凸，然后将该三维折叠封装单元阵列置于热板上加热固化。
上述方案中，所述将该三维折叠封装单元阵列置于热板上加热固化的步骤中，热板的温度为90-150摄氏度，加热时间为30-60分钟。
上述方案中，所述释放真空，形成多个柔性基板三维封装体，具体包括：释放真空，然后将螺栓拧下，再将两两相对的U型弯折组件阵列延导轨依次卸下，即获得一批柔性基板三维封装样品。
(三)有益效果
由上述技术方案可知，本发明提供的对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法具有下列有益效果：
(1)由于采用了U型真空槽进行弯折和固定，从而实现二维封装柔性基板的三维折叠封装，可在同一设备上完成柔性基板的弯折和灌封工艺，大大简化和优化了传统的封装工艺(弯折-贴片-固化-灌封-固化-pad表面除胶清洁-植球)，且不会在灌封工艺中对整个三维封装体的背面植球pad造成胶粘剂污染，所得三维封装样品表面光滑平整利于下一步自动化设备的拿持和操作。
(2)同时该设备结构简单，成本较低，易于维护和安装，可批量生产，效率和成品率高，依本方法之原理对其稍作改进可作为成套大规模产业化生产设备和封装工艺技术。
附图说明
图1为依照本发明实施例对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法流程图；
图2A至图2E为依照本发明实施例对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的工艺流程图，其中：
图2A为依照本发明实施例对二维封装柔性基板进行三维折叠封装所采用的一个U型真空槽的俯视图；
图2B为依照本发明实施例的执行对二维封装柔性基板进行三维折叠封装并完成了其中一半弯折的俯视图；
图2C为依照本发明实施例的完成了对二维封装柔性基板的三维折叠的俯视图；
图2D为依照本发明实施例的柔性基板三维弯折封装的批量生产设备元件剖面示意图；
图2E为执行对柔性基板三维弯折后进行灌封工艺的方式方法元件俯视图；
图3为U型弯折设备其中一个单元的元件斜视示意图；
图4为本发明中可批量生产的U型弯折封装设备的俯视图。
【主要元件符号说明】
200-U型真空槽； 201-真空吸孔；
202-外接真空吸嘴； 203-滑动环；
204-导轨； 205-中间大芯片；
205A-左边小芯片； 205B-右边小芯片；
206-锡球； 207-底部填充胶；
208-三维折叠封装单元； 209-螺栓孔眼；
210-螺栓； 211-聚四氟乙烯板
212-金属底座； 213-点胶设备；
214-灌封材料； 215-柔性基板
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
如图1所示，图1为依照本发明实施例对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法流程图，该方法包括：
步骤1：采用两个开口相对的U型真空槽对一个二维封装柔性基板进行折叠，并将该二维封装柔性基板真空吸附于该两个U型真空槽内壁，形成一个三维折叠封装单元；该两个U型真空槽相对的两个开口所形成的椭圆柱状孔作为该三维折叠封装单元的开口；
步骤2：将多个该三维折叠封装单元开口向上密集排布于底板上，形成三维折叠封装单元阵列；
步骤3：从该三维折叠封装单元阵列中每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列加注灌封材料，灌封材料加满后将该三维折叠封装单元阵列置于热板上加热固化；以及
步骤4：释放真空，形成多个柔性基板三维封装体。
其中，步骤1中所述二维封装柔性基板，其表面通过倒装方式安装有多个芯片，且该多个芯片与柔性基板表面之间进行了底部填充处理；所述二维封装柔性基板两条长边的边缘以及U型真空槽开口处的内壁均设置有对准标记。所述芯片为内存芯片、智能卡芯片、微机电系统芯片、光伏电池芯片、堆迭晶粒芯片或功率元件芯片。所述U型真空槽内壁分布有多个真空吸孔，该真空吸孔的分布密度是越靠近U型弯折区越大；在所述U型真空槽外壁设置有多个真空吸嘴，所述多个真空吸嘴在所述U型真空槽的内部连通于所述多个真空吸孔。
步骤1中所述采用两个开口相对的U型真空槽对一个二维封装柔性基板进行折叠，并将该二维封装柔性基板真空吸附于该两个U型真空槽内壁，形成一个三维折叠封装单元，包括：
采用圆柱型推针将该二维封装柔性基板的一端置于一个U型真空槽内进行弯折操作，并将该二维封装柔性基板边缘处的对准标记与U型真空槽开口处内壁上的对准标记进行对准，然后通过真空吸嘴对U型真空槽抽真空，将该二维封装柔性基板的一半固定于该U型真空槽内；
将该二维封装柔性基板的另一端使用圆柱型推针置于另一个U型真空槽内进行弯折操作，并将该二维封装柔性基板边缘处的对准标记与该另一个U型真空槽开口处内壁上的对准标记进行对准，然后通过真空吸嘴对该另一个U型真空槽抽真空，将该二维封装柔性基板的另一半固定于该另一个U型真空槽内，形成一个三维折叠封装单元，完成整个二维封装柔性基板的三维折叠工艺。
其中，所述将该二维封装柔性基板真空吸附于该两个U型真空槽内壁，形成一个三维折叠封装单元的步骤中，是对U型真空槽内部的真空部分进行分区施加真空控制，以提高对该二维封装柔性基板的三维弯折平整度。
步骤2中所述将多个该三维折叠封装单元开口向上密集排布于底板上，形成三维折叠封装单元阵列，所述底板采用双层结构，上层是聚四氟乙烯(PTFE)板，下层是金属底座，所述将多个该三维折叠封装单元开口向上密集排布于底板上，是将该多个开口向上的三维折叠封装单元、聚四氟乙烯板以及金属底座从上到下依次叠放，并使用螺栓进行压合固定，使将多个该三维折叠封装单元与底板之间形成牢固紧密贴合的接触，使形成的该三维折叠封装单元阵列在侧立时形成上面开口底部和侧面完全封闭的结构。
步骤3中所述从该三维折叠封装单元阵列中每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列加注灌封材料的步骤中，
将该三维折叠封装单元阵列开口向上放置于点胶机台上，使用点胶设备从每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列进行垂直点胶，使灌封材料将该三维折叠封装单元开口内的空间完全充满并稍有上凸，然后将该三维折叠封装单元阵列置于热板上加热固化。
步骤3中所述将该三维折叠封装单元阵列置于热板上加热固化的步骤中，热板的温度为90-150摄氏度，加热时间为30-60分钟。
步骤4中所述释放真空，形成多个柔性基板三维封装体，具体包括：释放真空，然后将螺栓拧下，再将两两相对的U型弯折组件阵列延导轨依次卸下，即获得一批柔性基板三维封装样品。
基于图1所示的方法，在本发明的一示例性实施例中提供了一种对二维封装柔性基板进行三维弯折封装的方法，该方法包括：
步骤S102，用圆柱型推针或类似功能设备将二维封装后的柔性基板的一端置于U型真空槽内进行弯折操作，并按照基板上的对准标记进行调整，校准后施加真空对弯折好的一半柔性基板进行固定；
步骤S104，将二维封装好的柔性基板的另一端使用圆柱型推针或类似功能设备将其置于对应的U型真空槽内，并按其对准标记进行对准加真空固定以完成整个柔性基板二维样品的三维弯折工艺；
步骤S106，将每一组装载有完成三维弯折工艺的三维折叠封装单元、PTFE板(膜)以及不锈钢底座自上而下进行叠放并使用螺栓进行压合固定，使三维折叠封装单元与底板之间形成牢固紧密贴合的接触面；
经过上述几个步骤，待所设计弯折设备完成整版柔性基板的三维弯折工艺后将进行后续的一次性灌封(直接形成贴片)封装工艺。
步骤S108，将整版已完成柔性基板三维弯折后的三维折叠封装单元阵列开口朝上放置于点胶机台上，使用点胶头(设计成与该弯折设备中的孔眼一一对应的点胶针头)从该三维折叠封装单元阵列中每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列进行垂直点胶形成拱形填充上表面时停止点胶，一次性完成对整版三维柔性基板样品的灌封工艺；
步骤S110，将全部完成三维柔性基板样品灌封工艺的该设备置于热台上加热升温完成灌封料的固化；
步骤S112，释放真空，拆下螺栓从而得到未植球的完整柔性基板三维弯折芯片堆叠封装产品。
以下结合具体应用场景，对以上本发明实施例对二维封装的柔性基板进行三维折叠封装的方法进一步具体说明。
<场景>
在该场景中，参照图2A至图2E来介绍本发明实施例的工艺流程。本实施例中，第一芯片205、第二芯片205A和第三芯片205B均是一种内存芯片，第一芯片205的大小是5mm×7mm，第二芯片205A和第三芯片205B的大小是3mm×3mm，厚度均为150μm，柔性基板215是聚酰亚胺基板，大小为7mm×25mm，厚度为50μm。本实施例提供的封装的方法包括：
步骤A，提供一二维封装后的柔性基板215，第一芯片205、第二芯片205A和第三芯片205B通过倒装的方式与柔性基板进行连接，并对芯片与柔性基板之间进行底部填充处理，然后用圆柱型推针或类似功能的设备将该柔性基板215的一端置于U型槽200内进行弯折操作，并按照该柔性基板上的对准标记进行调整，校准后施加真空对弯折好的一半柔性基板进行固定；如图2B所示；
步骤B，将二维封装好的柔性基板215的另一端使用圆柱型推针或类似功能设备将其置于对应的U型槽200内，并按其对准标记进行对准加真空固定以完成整个柔性基板二维样品的三维弯折工艺，如图2C所示；
步骤C，将每一组装载有完成三维弯折工艺的柔性基板样品的U型组件208、PTFE板(膜)211及不锈钢底座212依次叠放，并使用螺栓210进行压合固定，使U型组件208与PTFE板(膜)211之间形成牢固紧密贴合的接触面，如图2D所示；
本实施例中，设计的封装设备是不锈钢材质，大小为60mm×100mm，厚度6.5mm，为6组U型弯折设备208两两相对组合而成，其不锈钢底座212大小为60mm×100mm，厚度3mm，在其中间的PTFE板211的大小为60mm×100mm，厚度0.5mm，在使用时将此三层结构通过螺栓210进行固定使其相互间紧密结合，使要进行灌封工艺的三维弯折柔性基板在该设备中侧立时形成上面开口底部和侧面完全封闭的结构；
步骤D，如图2E所示，将已完成柔性基板三维弯折后的设备开口朝上放置于点胶机台上，使用点胶设备213沿弯折后的柔性基板215内壁进行垂直点胶，使灌封料214完全将其内部充满并稍有上凸，以完成对三维柔性基板样品的灌封，置于热台加热固化后释放真空即得一批三维弯折芯片堆叠封装的柔性基板样品。
以上仅为本发明优选的实施方式，其中的部分工艺均可以用现有技术中的其他手段来实现，如芯片在基板上的结合方式，也可以采用表装外的其他方式，如引线键合。此外，对于微加工领域一些公知手段，如热台升温固化工艺、根据具体需求选取适合的灌封材料和底部填充材料等，并不是本发明的重点，也没有详细说明，本领域技术人员可以参照相关文献。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，其特征在于，包括：
采用两个开口相对的U型真空槽对一个二维封装柔性基板进行折叠，并将该二维封装柔性基板真空吸附于该两个U型真空槽内壁，形成一个三维折叠封装单元；该两个U型真空槽相对的两个开口所形成的椭圆柱状孔作为该三维折叠封装单元的开口；
将多个该三维折叠封装单元开口向上密集排布于底板上，形成三维折叠封装单元阵列；
从该三维折叠封装单元阵列中每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列加注灌封材料，灌封材料加满后将该三维折叠封装单元阵列置于热板上加热固化；以及
释放真空，形成多个柔性基板三维封装体。
2.根据权利要求1所述的对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，其特征在于，所述二维封装柔性基板，其表面通过倒装方式安装有多个芯片，且该多个芯片与柔性基板表面之间进行了底部填充处理；
所述二维封装柔性基板两条长边的边缘以及U型真空槽开口处的内壁均设置有对准标记。
3.根据权利要求2所述的对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，其特征在于，所述芯片为内存芯片、智能卡芯片、微机电系统芯片、光伏电池芯片、堆迭晶粒芯片或功率元件芯片。
4.根据权利要求2所述的对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，其特征在于，所述U型真空槽内壁分布有多个真空吸孔，该真空吸孔的分布密度是越靠近U型弯折区越大；在所述U型真空槽外壁设置有多个真空吸嘴，所述多个真空吸嘴在所述U型真空槽的内部连通于所述多个真空吸孔。
5.根据权利要求4所述的对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，其特征在于，所述采用两个开口相对的U型真空槽对一个二维封装柔性基板进行折叠，并将该二维封装柔性基板真空吸附于该两个U型真空槽内壁，形成一个三维折叠封装单元，包括：
采用圆柱型推针将该二维封装柔性基板的一端置于一个U型真空槽内进行弯折操作，并将该二维封装柔性基板边缘处的对准标记与U型真空槽开口处内壁上的对准标记进行对准，然后通过真空吸嘴对U型真空槽抽真空，将该二维封装柔性基板的一半固定于该U型真空槽内；
将该二维封装柔性基板的另一端使用圆柱型推针置于另一个U型真空槽内进行弯折操作，并将该二维封装柔性基板边缘处的对准标记与该另一个U型真空槽开口处内壁上的对准标记进行对准，然后通过真空吸嘴对该另一个U型真空槽抽真空，将该二维封装柔性基板的另一半固定于该另一个U型真空槽内，形成一个三维折叠封装单元，完成整个二维封装柔性基板的三维折叠工艺。
6.根据权利要求5所述的对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，其特征在于，所述将该二维封装柔性基板真空吸附于该两个U型真空槽内壁，形成一个三维折叠封装单元的步骤中，是对U型真空槽内部的真空部分进行分区施加真空控制，以提高对该二维封装柔性基板的三维弯折平整度。
7.根据权利要求1所述的对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，其特征在于，所述将多个该三维折叠封装单元开口向上密集排布于底板上，形成三维折叠封装单元阵列的步骤中，所述底板采用双层结构，上层是聚四氟乙烯板，下层是金属底座，所述将多个该三维折叠封装单元开口向上密集排布于底板上，是将该多个开口向上的三维折叠封装单元、聚四氟乙烯板以及金属底座从上到下依次叠放，并使用螺栓进行压合固定，使多个该三维折叠封装单元与底板之间形成牢固紧密贴合的接触，使形成的该三维折叠封装单元阵列在侧立时形成上面开口底部和侧面完全封闭的结构。
8.根据权利要求1所述的对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，其特征在于，所述从该三维折叠封装单元阵列中每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列加注灌封材料的步骤中，
将该三维折叠封装单元阵列开口向上放置于点胶机台上，使用点胶设备从每个三维折叠封装单元开口内的空间对该三维折叠封装单元阵列进行垂直点胶，使灌封材料将该三维折叠封装单元开口内的空间完全充满并稍有上凸，然后将该三维折叠封装单元阵列置于热板上加热固化。
9.根据权利要求1所述的对二维封装柔性基板进行三维折叠封装的方法，其特征在于，所述将该三维折叠封装单元阵列置于热板上加热固化的步骤中，热板的温度为90-150摄氏度，加热时间为30-60分钟。
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