CN110078015A - 一种芯片封装结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种芯片封装结构，包括第一晶片、第二晶片和粘合层，所述第一晶片和所述第二晶片层叠设置，所述粘合层粘附于所述第一晶片和所述第二晶片；所述粘合层具有导电性并且分别与所述第一晶片和所述第二晶片具有欧姆接触。本发明还提供了一种芯片封装方法，所述芯片包括第一晶片和第二晶片，所述第一晶片和所述第二晶片层叠设置，通过粘合剂将所述第二晶片粘附在基板上，并且所述粘合剂从所述第二晶片的边缘向所述第一晶片延伸，从而同时覆盖到所述第一晶片的侧壁和所述第二晶片的侧壁；所述粘合剂具有导电性并且分别与所述第一晶片和所述第二晶片形成欧姆接触。

Description

一种芯片封装结构及方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种芯片封装结构及方法。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)器件由于其体积小、成本低、集成性好等特点，已得以越来越广泛的应用在如消费电子、医疗、汽车等产品中。常见的MEMS器件包括但不限于压力传感器、磁传感器、麦克风、加速度计、陀螺仪、红外传感器等。

随着电子技术的不断发展，MEMS传感器也越来越向小型化、智能化、高性能以及高可靠性方向发展。而敏感单元芯片的封装不仅直接影响着芯片本身、电子模块乃至整机的性能，而且还制约着整个电子系统的小型化、低成本和可靠性。

典型的IC封装结构是将芯片通过环氧树脂胶或薄膜黏贴到封装基板上，再通过打金属线将芯片焊盘连接到封装引脚上，最后填充塑封料保护内部芯片和金属线。

对于MEMS芯片，如常见的电容式陀螺仪、加速度计、麦克风等，封装内部通常包含两个子芯片，即敏感单元芯片和处理电路芯片(ASIC)。敏感单元芯片将受到的惯性、压力等物理量转化为电容变化，再通过电路芯片将检测到的电容变化转化成对应的电压等易于电路处理的电学参数变化。

此类电容式MEMS芯片的一个常见问题是，外界的射频和电磁场容易对敏感单元造成干扰，引起额外的信号变化，需要额外的措施来进行电磁屏蔽。

针对上述问题，业内有一系列方法都能够对MEMS敏感单元芯片进行电磁屏蔽，但都有各自的局限性，主要有以下几类：

方法1：金属封装管壳接地，整个芯片内部，包含敏感单元芯片都被有效屏蔽。

缺点：金属外壳价格较贵，成本高。

方法2：将电路芯片通过环氧树脂或薄膜贴于敏感单元芯片之上，电路芯片的衬底和封装基板都可以方便的接地，所以敏感单元芯片的上下都可以被有效屏蔽。

这种方法的缺点是，当电路芯片尺寸明显大于下层敏感单元芯片时，电路芯片无法稳定的放置于敏感单元芯片之上。并且电路芯片较薄时，超出下层敏感单元芯片的悬空区域尤其不稳定，较难在上面打金属线。

方法3：针对由多层晶圆键合形成的敏感单元，其核心敏感结构位于中间层，上下分别键合有顶层和底层晶圆，共同形成密封腔体，创造适合核心敏感结构工作的隔离环境。

针对这类敏感单元，只需要顶层和底层晶圆都接地即可实现对中间层敏感结构的屏蔽。

上下层晶圆表面都加工有金属层，都可以通过金属线连接到外侧接地的封装基板或电路芯片上。

但方法3的缺陷是，在顶层晶圆上打线，需要额外大约50um以上的空间，增加了封装的厚度，不适用于对封装厚度有严格要求的应用。当在有一定封装厚度要求的前提下，芯片因为太贴近塑封上表面，而没有空间打线了。

针对方法3的缺陷，现有的一种解决方式是，采用导电材料作为顶层晶圆与下层晶圆之间接触面的材料，并且顶层晶圆为重掺杂，导电率高。这样顶层晶圆可以间接通过键合，电学连接中间层晶圆以及下层晶圆，间接形成接地。

但此方法要求三层晶圆通过两次键合依次形成电性连接，此时键合材料必须能导电(通常键合接触面为SiO₂、玻璃浆料等不导电材料)，并且要求第二次键合工艺不会影响第一次键合的结果，工艺限制非常多。

发明内容

鉴于现有技术中的问题，本发明提供一种芯片封装结构，包括第一晶片、第二晶片和粘合层，所述第一晶片和所述第二晶片层叠设置，所述粘合层粘附于所述第一晶片和所述第二晶片；所述粘合层具有导电性并且分别与所述第一晶片和所述第二晶片具有欧姆接触。

进一步地，所述粘合层包括第一粘合层，所述第一粘合层粘附于所述第一晶片的侧壁和所述第二晶片的侧壁。

进一步地，所述粘合层还包括与所述第一粘合层相连的第二粘合层，所述第二晶片通过所述第二粘合层粘附在基板上。

进一步地，所述基板是封装基板或其它芯片。

进一步地，所述第二晶片包括接地端，所述粘合层与所述接地端具有电通路。

进一步地，所述第一晶片和所述第二晶片键合连接，两晶片间限定了中间腔，所述中间腔内设置有MEMS元件。

进一步地，所述芯片封装结构还包括第三晶片，所述第三晶片分别与所述第一晶片和所述第二晶片键合连接，所述第一晶片和所述第二晶片间限定了中间腔，所述第三晶片上设置有MEMS元件，所述MEMS元件设置在所述中间腔内。

进一步地，各晶片的侧壁，在所述第一晶片向所述第二晶片延伸的方向上，向相应晶片的中心倾斜。

进一步地，所述粘合层采用具有热固性的导电胶。

本发明还提供了一种芯片封装方法，所述芯片包括第一晶片和第二晶片，所述第一晶片和所述第二晶片层叠设置，通过粘合剂将所述第二晶片粘附在基板上，并且所述粘合剂从所述第二晶片的边缘向所述第一晶片延伸，从而同时覆盖到所述第一晶片的侧壁和所述第二晶片的侧壁；所述粘合剂具有导电性并且分别与所述第一晶片和所述第二晶片形成欧姆接触。

进一步地，所述粘合剂涂布于所述基板后，再将所述芯片接触所述粘合剂并向靠近所述基板方向挤压，从而使所述粘合剂足以从所述第二晶片边缘延伸至预定高度以覆盖到所述第一晶片的侧壁。

进一步地，所述粘合剂具有热固性，当所述粘合剂从所述第二晶片的边缘延伸至预定高度后，对所述粘合剂进行固化。

进一步地，通过调整所述粘合剂的涂布厚度、涂布图案、粘合所述芯片时的挤压压力中的一项或多项来调整所述粘合剂从所述第二晶片的边缘向所述第一晶片延伸的高度。

进一步地，所述粘合剂涂布于所述基板形成第一区域和第二区域，所述第一区域的厚度小于所述第二区域的厚度，所述第二区域对应于所述粘合剂需沿所述第一晶片方向延伸的区域。

进一步地，所述基板是封装基板或其它芯片。

进一步地，所述第二晶片包括接地端，所述粘合剂与所述接地端具有电通路。

进一步地，所述第一晶片和所述第二晶片键合连接，两晶片间限定了中间腔，所述中间腔内设置有MEMS元件。

进一步地，所述芯片还包括第三晶片，所述第三晶片分别与所述第一晶片和所述第二晶片键合连接，所述第一晶片和所述第二晶片间限定了中间腔，所述第三晶片上设置有MEMS元件，所述MEMS元件设置在所述中间腔内。

进一步地，各晶片的侧壁，在所述第一晶片向所述第二晶片延伸的方向上，向相应晶片的中心倾斜。

技术效果：

本发明的芯片封装结构及方法，相比于现有技术，既不用在顶层晶片顶部打线增加厚度，也不用各晶片键合时采用导电材料而增大了工艺难度，而是只需采用传统封装工艺，适应性地将粘合剂调整为导电胶，并且在粘合过程中使粘合剂同时覆盖到上下层晶片的侧壁，通过导电的粘合剂将两者连接共同接地，结构和工艺简单易于实现，有效地解决了芯片顶部接地的问题。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的另一个实施例中导电胶涂布后的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明的另一个较佳实施例的结构示意图，其中敏感单元芯片的侧壁具有一内切角度；

图6是本发明的另一个较佳实施例的结构示意图，其中敏感单元芯片的第一晶片和第二晶片直接键合连接。

具体实施方式

在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。

如图1和图2所示，本实施例中的结构包括敏感单元芯片100、处理电路芯片200、粘合层300、封装基板400和粘合层500，处理电路芯片200通过粘合层500固定在封装基板400上，敏感单元芯片100设置在处理电路芯片200的上方。

敏感单元芯片100包括第一晶片101、第二晶片102和第三晶片103，第三晶片103分别与第一晶片101和第二晶片102键合连接，此处的键合采用常规工艺，如键合接触面为SiO2、玻璃浆料等。

第一晶片101和第二晶片102间限定了中间腔104，第三晶片103上制作有MEMS元件105，如陀螺仪、加速度计、麦克风的感应元件等，MEMS元件105被设置在中间腔104内。为避免中间腔104内的MEMS元件105收到外界射频或电磁场干扰引起信号异常，需要对中间腔104进行电磁屏蔽，可以将作为中间腔104外壁的第一晶片101和第二晶片102接地。

粘合层300粘附于第一晶片101和第二晶片102，粘合层300包括第一粘合层301和第二粘合层302。粘合层301设置在第二晶片102和处理电路芯片200之间，用于将敏感单元芯片100粘附在处理电路芯片200上。第二粘合层302与第一粘合层301相连，其设置于敏感单元芯片100的边缘，具体地，第二粘合层302从第二晶片102的边缘向上延伸直至到达第一晶片101的侧壁，从而粘合层302覆盖到第二晶片102的侧壁和第一晶片101的侧壁，在本实施例中，由于第三晶片103分别与第一晶片101和第二晶片102键合，因此第二粘合层302从第二晶片102边缘向上延伸的过程中，同样地，也覆盖到第三晶片103的侧壁。

粘合层300具有导电性，可以采用具有热固性的导电胶形成，如在热固性胶黏剂内加入导电粒子，常用的热固性胶黏剂如环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂等。这些胶黏剂在固化后形成了导电胶的分子骨架结构，提供了力学性能和粘接性能保障，并使导电填料粒子形成通道。由于环氧树脂可以在室温或低于150℃固化，并且具有丰富的配方可设计性能，优选采用环氧树脂基导电胶。导电粒子本身要有良好的导电性能，粒径要在合适的范围内，能够添加到导电胶基板中形成导电通路。导电粒子的填充料可以是金、银、铜、铝、锌、铁、镍的粉末、石墨或一些导电化合物。

粘合层300分别与第一晶片101和第二晶片102具有欧姆接触。第一晶片101可以是重掺杂的，从而降低粘合层300与第一晶片101的接触电阻，第二晶片102处侧壁与粘合层300接触外，其背面大面积地与粘合层300接触，从而也可以有效降低接触电阻。粘合层300相当于将第一晶片101和第二晶片102电联接。

第二晶片102上还包括接地端106，用于外接地线，本实施例中接地端106通过引线连接至处理电路芯片200的地信号输出端，专用电力芯片200的地信号输入端通过引线连接到封装基板的地线引脚上。接地端106与第二晶片102的底部等电位，如在第二晶片102的底部制作埋层并电联接到接地端106，从而实现从接地端106至第二晶片102的背面，再至粘合层300，再至第一晶片101的接地。

上述结构的制作过程包括：

首先，将处理电路芯片200粘附在封装基板400上，对于使用的粘合材料，本实施例中不做限制，可以实现处理电路芯片200在封装基板400上的固定即可。

在处理电路芯片200的顶面上涂布导电胶600，导电胶600的图案与敏感单元芯片100相配合。将敏感单元芯片100接触导电胶600，具体地，是将敏感单元芯片100中第二晶片102的那一面与导电胶600接触，进一步将敏感单元芯片100向靠近封装基板400方向挤压，一方面是将敏感单元芯片100粘附到处理电路芯片200上，另一方面是使部分导电胶从第二晶片102边缘沿其侧壁向上溢流直至覆盖到第一晶片101的侧壁上，或者说向上溢流直至预定高度，该高度足以使导电胶能覆盖到第一晶片101的侧壁上。

在该步工艺中，可以通过调整导电胶的涂布厚度、涂布图案、粘合敏感单元芯片100时的挤压压力等工艺条件来调整导电胶从第二晶片102的边缘向第一晶片101延伸的高度。

在另一个实施例中，采用如图3和图4所示的导电胶设置，其中导电胶600涂布于处理电路芯片200上形成第一区域601和第二区域602，第一区域601的厚度小于第二区域602的厚度，第二区域602对应于敏感单元芯片100的边缘，具体是第二晶片102的边缘，从而在第二晶片102接触到第一区域601时，其侧壁上已形成一定高度的导电胶，通过该方法可以进一步控制导电胶600的横向溢流。

在另一个实施例中，如图5所示设置，将敏感单元芯片100的侧壁从垂直设置调整为具有一内切角度，即敏感单元芯片100的侧壁，在第一晶片101向第二晶片102延伸的方向上，向敏感单元芯片100的中心倾斜，这可以通过在切割晶圆至独立管芯时，使切割刀片倾斜一定角度来实现。据此可以进一步缩小第一区域601的面积，提高第二区域602的厚度，而且利于敏感单元芯片100侧壁的导电胶上爬，能使形成的导电胶600获得更好的纵向形貌，还进一步减少了导电胶的横向溢流。

完成上述工艺后，即导电胶600满足期望的侧壁覆盖效果后，依据其热固性的特点，对其进行固化，从而形成粘合层300。

在以上工艺进行期间或完成后，可以分别进行相应封装引线的绑定，如处理电路芯片200至封装基板400的引脚的引线，以及敏感单元芯片100与处理电路芯片200的引线连接。在工艺实施中，需要注意的是，导电胶600需要与封装体内的引线保持安全距离，以防造成引线的短路。

在另一个实施例中，如图6所示，敏感单元芯片100中，第一晶片101和第二晶片102直接键合连接，两晶片间限定了中间腔104，MEMS元件105所在的第三晶片103直接设置在中间腔104内。这样使得第一晶片101高度降低，减轻了导电胶向上溢流的高度要求，同时也减少了横向溢流。

基于上述设计思想，在另一些使用环境下，也可以直接将敏感单元芯片100或与其有类似结构的芯片，直接通过导电胶固定在封装基板400上。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (14)

1.一种芯片封装结构，其特征在于，包括第一晶片、第二晶片和粘合层，所述第一晶片和所述第二晶片层叠设置，所述粘合层粘附于所述第一晶片和所述第二晶片；所述粘合层具有导电性并且分别与所述第一晶片和所述第二晶片具有欧姆接触。

2.如权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，所述粘合层包括第一粘合层，所述第一粘合层粘附于所述第一晶片的侧壁和所述第二晶片的侧壁。

3.如权利要求2所述的芯片封装结构，其特征在于，所述粘合层还包括与所述第一粘合层相连的第二粘合层，所述第二晶片通过所述第二粘合层粘附在基板上。

4.如权利要求3所述的芯片封装结构，其特征在于，所述基板是封装基板或其它芯片。

5.如权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，所述第二晶片包括接地端，所述粘合层与所述接地端具有电通路。

6.如权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，所述第一晶片和所述第二晶片键合连接，两晶片间限定了中间腔，所述中间腔内设置有MEMS元件。

7.如权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，还包括第三晶片，所述第三晶片分别与所述第一晶片和所述第二晶片键合连接，所述第一晶片和所述第二晶片间限定了中间腔，所述第三晶片上设置有MEMS元件，所述MEMS元件设置在所述中间腔内。

8.如权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，各晶片的侧壁，在所述第一晶片向所述第二晶片延伸的方向上，向相应晶片的中心倾斜。

9.如权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，所述粘合层采用具有热固性的导电胶。

10.一种芯片封装方法，其特征在于，所述芯片包括第一晶片和第二晶片，所述第一晶片和所述第二晶片层叠设置，通过粘合剂将所述第二晶片粘附在基板上，并且所述粘合剂从所述第二晶片的边缘向所述第一晶片延伸，从而同时覆盖到所述第一晶片的侧壁和所述第二晶片的侧壁；所述粘合剂具有导电性并且分别与所述第一晶片和所述第二晶片形成欧姆接触。

11.如权利要求10所述的芯片封装方法，其特征在于，所述粘合剂涂布于所述基板后，再将所述芯片接触所述粘合剂并向靠近所述基板方向挤压，从而使所述粘合剂足以从所述第二晶片边缘延伸至预定高度以覆盖到所述第一晶片的侧壁。

12.如权利要求10所述的芯片封装方法，其特征在于，所述粘合剂具有热固性，当所述粘合剂从所述第二晶片的边缘延伸至预定高度后，对所述粘合剂进行固化。

13.如权利要求11所述的芯片封装方法，其特征在于，通过调整所述粘合剂的涂布厚度、涂布图案、粘合所述芯片时的挤压压力中的一项或多项来调整所述粘合剂从所述第二晶片的边缘向所述第一晶片延伸的高度。

14.如权利要求11所述的芯片封装方法，其特征在于，所述粘合剂涂布于所述基板形成第一区域和第二区域，所述第一区域的厚度小于所述第二区域的厚度，所述第二区域对应于所述粘合剂需沿所述第一晶片方向延伸的区域。