CN108987293A - 集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，首先在和芯片的晶圆同样尺寸的临时载板上制备盖板的复杂三维结构，整个盖板的制造都在晶圆级完成，在盖板的复杂三维结构完成后，用晶圆级设备将盖板和目标晶圆压合在一起；在完成必要的晶圆级制程后，切割形成独立的芯片封装体。本发明减少了制造、运输、拿持和组装等工艺流程，从而避免了微小尺寸的开口和微流道等微小结构的损坏，且由于盖板的复杂三维结构是在晶圆级制程下完成，可以方便的制造微米级的小尺寸开口和毫米级的大空腔结构，降低了制造流程的复杂度和成本，因此，本发明具有方法简单、效率高、质量好、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片、传感器芯片等封装技术领域，特别是涉及一种集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法。
背景技术
微流控芯片、生物传感器芯片、光学传感器芯片等应用在制造过程中，通常需要在芯片表面集成带有复杂三维结构的盖板。这些盖板的复杂三维结构包括多个微小尺寸的开口或多个微流通道，根据不同的应用，多个微小尺寸的开口或多个微流通道排布成不同的表现结构。现有技术中，盖板的复杂三维结构通常使用聚合物模压成型工艺、硅微加工工艺或玻璃微加工工艺制作而成。在制造流程的最后，将预先切割好的带有复杂三维结构的盖板逐个贴在芯片表面以形成最后的产品。在这种传统的制造技术中，在盖板上同时集成微米级的多个微小尺寸开口(或多个微流通道)和毫米级的大空腔结构非常困难，因为传统制造工艺通过模板实现，制作精度和制作方法有局限。同时，在盖板的制造、运输、拿持和组装过程中，容易造成微小尺寸的开口或微流通道等微小结构的损坏。另外，现有的制造流程的复杂度和成本也都比较高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，可以同时在盖板上形成微米级的多个微小尺寸开口(或多个微流通道)和毫米级的大空腔结构，且避免了微小尺寸的开口或微流通道等微小结构的损坏，且具有方法简单、效率高、质量好、成本低等优点。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，包括如下步骤：
A.提供一临时载板和一包含若干芯片单元的晶圆；
B.在所述临时载板上制作与晶圆上各芯片单元一一对应的带有空腔及结构层的盖板；
C.将晶圆的各芯片单元与对应的盖板压合在一起，并完成后续晶圆级封装制程；
D.将所述临时载板与完成后续晶圆级封装制程的晶圆拆键合，并切割成单个芯片封装体。
进一步的，制作带有空腔及结构层的盖板的方法为：首先，采用光刻和刻蚀的方法，在所述临时载板上形成空腔，然后，在所述临时载板的空腔底部进行光刻和刻蚀，形成结构层，所述结构层为微米级的多个微小尺寸开口或多个微流通道。
进一步的，制作带有空腔及结构层的盖板的方法为：在所述临时载板上沉积一层临时键合材料，在所述临时键合材料上键合一盖板基材，对所述盖板基材进行光刻和刻蚀，形成带有空腔及结构层的盖板。
进一步的，首先，采用光刻和刻蚀的方法，在所述盖板基材上形成空腔，然后，在所述盖板基材的空腔底部进行光刻和刻蚀，形成结构层，所述结构层为微米级的多个微小尺寸开口或多个微流通道。
进一步的，制作带有空腔及结构层的盖板的方法为：在所述临时载板上沉积一层临时键合材料，采用多次沉积、光刻、显影和固化的方法，在所述临时载板的临时键合材料上使用聚合物材料形成带有空腔及结构层的盖板。
进一步的，首先，在所述临时载板的临时键合材料上沉积一层聚合物材料，并采用光刻、显影和固化的方法，制备盖板的结构层，所述结构层为微米级的多个微小尺寸开口或多个微流通道；然后再沉积一层聚合物材料，并采用光刻、显影和固化的方法，制备盖板的空腔，所述空腔与所述结构层正对。
进一步的，步骤C中，所述晶圆正面包含各芯片单元的功能区和位于所述功能区周边的若干导电垫，后续包含若干芯片单元的晶圆级封装制程为：首先，将所述晶圆背面与盖板的空腔面永久键合在一起，然后，在所述晶圆正面铺设钝化层，并在导电垫的位置打开钝化层，最后，制作连接外部PCB板线路的导电触点。
进一步的，步骤C中，所述晶圆正面包含各芯片单元的功能区和位于所述功能区周边的若干导电垫，且芯片单元的尺寸大于盖板的尺寸，后续包含若干芯片单元的晶圆级封装制程为：首先，在所述晶圆正面铺设钝化层，并在导电垫的位置打开钝化层，制作连接外部PCB板线路的导电触点，同时在功能区的位置打开钝化层，暴露出功能区；然后，将所述晶圆正面与盖板的空腔面永久键合在一起，且所述导电触点暴露在所述盖板外。
进一步的，步骤C中，所述晶圆正面包含各芯片单元的功能区和位于所述功能区周边的若干导电垫，后续包含若干芯片单元的晶圆级封装制程为：首先，将所述晶圆正面与所述盖板的空腔面永久键合在一起，在所述晶圆背面对应导电垫的位置制作开口，并在开口内制作将导电垫电性导出至芯片背面的金属互连结构。
本发明的有益效果是：本发明提供一种集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，首先在和芯片的晶圆同样尺寸的临时载板上制备盖板的复杂三维结构，该复杂三维结构可以由多层聚合物材料的沉积和光刻来实现(增材制造)，也可以使用硅片或玻璃通过减薄、光刻、刻蚀等方法来实现(减材制造)。整个盖板的制造都在晶圆级完成，在盖板的复杂三维结构完成后，用晶圆级设备将盖板和目标晶圆压合在一起；在完成必要的晶圆级制程后，将临时载板去除(增材制造或盖板较薄时)，切割形成独立的芯片封装体，或直接切割形成独立的芯片封装体(减材制造)。相对于传统封装方法，本发明集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，减少了制造、运输、拿持和组装等工艺流程，从而避免了微小尺寸的开口和微流道等微小结构的损坏，且由于盖板的复杂三维结构是在晶圆级制程下完成，可以方便的制造微米级的小尺寸开口和毫米级的大空腔结构，即可以同时在盖板上形成微米级的小尺寸开口和毫米级的大空腔结构，降低了制造流程的复杂度和成本，因此，本发明具有方法简单、效率高、质量好、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法优选实施例1流程图；
图2为本发明集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法优选实施例2流程图；
图3为本发明集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法优选实施例3流程图；
图4为本发明中制作带有空腔及结构层的盖板的优先实施方式1流程图；
图5为本发明中制作带有空腔及结构层的盖板的优先实施方式2流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。
实施例1
如图1所示，一种集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，包括如下步骤：
A.提供一临时载板1和一包含若干芯片单元的晶圆2，优选的，所述临时载板的尺寸和形状与所述晶圆相同；
B.在所述临时载板上制作与晶圆上各芯片单元一一对应的带有空腔及结构层的盖板3；
C.将晶圆的各芯片单元与对应的盖板压合在一起，并完成后续晶圆级封装制程；所述晶圆正面包含各芯片单元的功能区和位于所述功能区周边的若干导电垫201，后续包含若干芯片单元的晶圆级封装制程为：首先，将所述晶圆背面与盖板的空腔面永久键合在一起，然后，在所述晶圆正面铺设钝化层4，并在导电垫的位置打开钝化层，最后，制作连接外部PCB板线路的导电触点5。
D.将所述临时载板与完成后续晶圆级封装制程的晶圆拆键合，并切割成单个芯片封装体。
实施例2
如图2所示，一种集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，包括如下步骤：
A.提供一临时载板1和一包含若干芯片单元的晶圆2，优选的，所述临时载板的尺寸和形状与所述晶圆相同；
B.在所述临时载板上制作与晶圆上各芯片单元一一对应的带有空腔及结构层的盖板3；
C.将晶圆的各芯片单元与对应的盖板压合在一起，并完成后续晶圆级封装制程；所述晶圆正面包含各芯片单元的功能区和位于所述功能区周边的若干导电垫201，且芯片单元的尺寸大于盖板的尺寸，后续包含若干芯片单元的晶圆级封装制程为：首先，在所述晶圆正面铺设钝化层4，并在导电垫的位置打开钝化层，制作连接外部PCB板线路的导电触点5，同时在功能区的位置打开钝化层，暴露出功能区；然后，将所述晶圆正面与盖板的空腔面永久键合在一起，且所述导电触点暴露在所述盖板外。
D.将所述临时载板与完成后续晶圆级封装制程的晶圆拆键合，并切割成单个芯片封装体。
此晶圆级封装制程中，电连接在芯片正面直接连接至盖板之外。需要将每个芯片的盖板设计得比芯片小，已暴露出可用于后续制程的导电垫。
实施例3
如图3所示，一种集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，包括如下步骤：
A.提供一临时载板和一包含若干芯片单元的晶圆，优选的，所述临时载板的尺寸和形状与所述晶圆相同；
B.在所述临时载板上制作与晶圆上各芯片单元一一对应的带有空腔及结构层的盖板；
C.将晶圆的各芯片单元与对应的盖板压合在一起，并完成后续晶圆级封装制程；所述晶圆正面包含各芯片单元的功能区和位于所述功能区周边的若干导电垫201，后续包含若干芯片单元的晶圆级封装制程为：首先，将所述晶圆正面与所述盖板的空腔面永久键合在一起，在所述晶圆背面对应导电垫的位置制作开口801，并在开口内制作将导电垫电性导出至芯片背面的金属互连结构。金属互连结构包括钝化层802、金属布线层803、绝缘层804和焊球805等，制作方法为：首先，在晶圆的背面的开口内铺设一层钝化层，并在导电垫位置打开钝化层，暴露出导电垫，暴露方法可以通过干法蚀刻，也可以通过激光打孔；然后，在晶圆背面的钝化层上形成金属布线层，金属布线层将导电垫的电性引出至晶圆的背面；接着，在金属布线层上铺设一层绝缘层，绝缘层延伸进入相邻盖板之间的间隙内；最后，在晶圆背面的绝缘层上植电连接金属布线层的焊球或导电凸点等。
D.将所述临时载板与完成后续晶圆级封装制程的晶圆拆键合，并切割成单个芯片封装体。
上述各实施例中，给出了在盖板和晶圆压合后，几种芯片的晶圆级封装制程，但不限于此，还可以将晶圆减薄，通过硅通孔(TSV)、再布线(RDL)、植球等工艺实现和芯片正面的电连接。
上述各实施例中，制作带有空腔及结构层的盖板的方法可以为：通过减薄、光刻、腐蚀等工艺的组合使用来形成制作带有空腔及结构层的盖板(减材制造)。具体实施方式为：首先，采用光刻和刻蚀的方法，在所述临时载板上形成空腔，然后，在所述临时载板的空腔底部进行光刻和刻蚀，形成结构层，所述结构层为微米级的多个微小尺寸开口或多个微流通道。这种方法适用于整个盖板较厚情形，选用玻璃、硅片或其他材料作为临时载板，直接在独立的硅片、玻璃或其他材料的晶圆上完成上述工艺流程。在整个盖板要求较薄时，需要在临时载板上完成所述工艺流程，参见图4，此时，制作带有空腔及结构层的盖板的方法为：在所述临时载板1上沉积一层临时键合材料6，在所述临时键合材料上键合一盖板基材501，对所述盖板基材进行光刻和刻蚀，形成带有空腔及结构层的盖板。具体实施方式为：首先，采用光刻和刻蚀的方法，在所述盖板基材上形成空腔502，然后，在所述盖板基材的空腔底部进行光刻和刻蚀，形成结构层503，所述结构层为微米级的多个微小尺寸开口或多个微流通道。这里盖板基材也可以选用玻璃、硅片或其他材料。
上述各实施例中，制作带有空腔及结构层的盖板的方法还可以为：采用多次沉积、光刻、显影和固化的方法，在所述临时载板的临时键合材料上使用聚合物材料形成带有空腔及结构层的盖板。参见图5，具体实施方式为：首先，在所述临时载板的临时键合材料6上沉积一层聚合物材料，并采用光刻、显影和固化的方法，制备盖板的结构层701，所述结构层为微米级的多个微小尺寸开口或多个微流通道；然后再沉积一层聚合物材料，并采用光刻、显影和固化的方法，制备盖板的空腔702，所述空腔与所述结构层正对。这里，复杂的三维结构由多层聚合物材料的沉积和光刻来实现(增材制造)。视具体应用的需求，如耐高温级别、亲水或疏水性等，可以灵活选用不同特性的聚合物材料。典型的材料选择包括但不限于环氧树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷等。聚合物材料可以是可光刻材料，也可以是不可光刻材料。对于不可光刻材料，使用额外的光刻胶和干法刻蚀工艺成型。视具体需求而定，在晶圆级盖板制作完成后，可以使用等离子或其他方法改变盖板材料的表面特性。
上述各实施例中，盖板和晶圆的压合，可以使用预先点胶或印刷的粘合胶来实现。也可在聚合物材料盖板的最后一层使用有粘性的材料，直接和晶圆压合。使用硅片或玻璃制作盖板时，可以使用阳极键合、直接键合、或焊料键合等方法实现盖板和晶圆的组装。
综上，本发明提供一种集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，首先在和芯片的晶圆同样尺寸的临时载板上制备盖板的复杂三维结构，该复杂三维结构可以由多层聚合物材料的沉积和光刻来实现(增材制造)，也可以使用硅片或玻璃通过减薄、光刻、刻蚀等方法来实现(减材制造)。整个盖板的制造都在晶圆级完成，在盖板的复杂三维结构完成后，用晶圆级设备将盖板和目标晶圆压合在一起；在完成必要的晶圆级制程后，将临时载板去除(增材制造或盖板较薄时)，切割形成独立的芯片封装体，或直接切割形成独立的芯片封装体(减材制造)。相对于传统封装方法，本发明集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，减少了制造、运输、拿持和组装等工艺流程，从而避免了微小尺寸的开口和微流道等微小结构的损坏，且由于盖板的复杂三维结构是在晶圆级制程下完成，可以方便的制造微米级的小尺寸开口和毫米级的大空腔结构，即可以同时在盖板上形成微米级的小尺寸开口和毫米级的大空腔结构，降低了制造流程的复杂度和成本，因此，本发明具有方法简单、效率高、质量好、成本低等优点。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.提供一临时载板和一包含若干芯片单元的晶圆；
B.在所述临时载板上制作与晶圆上各芯片单元一一对应的带有空腔及结构层的盖板；
C.将晶圆的各芯片单元与对应的盖板压合在一起，并完成后续晶圆级封装制程；
D.将所述临时载板与完成后续晶圆级封装制程的晶圆拆键合，并切割成单个芯片封装体。
2.根据权利要求1所述的集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，其特征在于，制作带有空腔及结构层的盖板的方法为：首先，采用光刻和刻蚀的方法，在所述临时载板上形成空腔，然后，在所述临时载板的空腔底部进行光刻和刻蚀，形成结构层，所述结构层为微米级的多个微小尺寸开口或多个微流通道。
3.根据权利要求1所述的集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，其特征在于，制作带有空腔及结构层的盖板的方法为：在所述临时载板上沉积一层临时键合材料，在所述临时键合材料上键合一盖板基材，对所述盖板基材进行光刻和刻蚀，形成带有空腔及结构层的盖板。
4.根据权利要求3所述的集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，其特征在于，首先，采用光刻和刻蚀的方法，在所述盖板基材上形成空腔，然后，在所述盖板基材的空腔底部进行光刻和刻蚀，形成结构层，所述结构层为微米级的多个微小尺寸开口或多个微流通道。
5.根据权利要求1所述的集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，其特征在于，制作带有空腔及结构层的盖板的方法为：在所述临时载板上沉积一层临时键合材料，采用多次沉积、光刻、显影和固化的方法，在所述临时载板的临时键合材料上使用聚合物材料形成带有空腔及结构层的盖板。
6.根据权利要求5所述的集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，其特征在于，首先，在所述临时载板的临时键合材料上沉积一层聚合物材料，并采用光刻、显影和固化的方法，制备盖板的结构层，所述结构层为微米级的多个微小尺寸开口或多个微流通道；然后再沉积一层聚合物材料，并采用光刻、显影和固化的方法，制备盖板的空腔，所述空腔与所述结构层正对。
7.根据权利要求1所述的集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，其特征在于，步骤C中，所述晶圆正面包含各芯片单元的功能区和位于所述功能区周边的若干导电垫，后续包含若干芯片单元的晶圆级封装制程为：首先，将所述晶圆背面与盖板的空腔面永久键合在一起，然后，在所述晶圆正面铺设钝化层，并在导电垫的位置打开钝化层，最后，制作连接外部PCB板线路的导电触点。
8.根据权利要求1所述的集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，其特征在于，步骤C中，所述晶圆正面包含各芯片单元的功能区和位于所述功能区周边的若干导电垫，且芯片单元的尺寸大于盖板的尺寸，后续包含若干芯片单元的晶圆级封装制程为：首先，在所述晶圆正面铺设钝化层，并在导电垫的位置打开钝化层，制作连接外部PCB板线路的导电触点，同时在功能区的位置打开钝化层，暴露出功能区；然后，将所述晶圆正面与盖板的空腔面永久键合在一起，且所述导电触点暴露在所述盖板外。
9.根据权利要求1所述的集成带有复杂三维结构盖板的芯片的晶圆级封装方法，其特征在于，步骤C中，所述晶圆正面包含各芯片单元的功能区和位于所述功能区周边的若干导电垫，后续包含若干芯片单元的晶圆级封装制程为：首先，将所述晶圆正面与所述盖板的空腔面永久键合在一起，在所述晶圆背面对应导电垫的位置制作开口，并在开口内制作将导电垫电性导出至芯片背面的金属互连结构。
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2018
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