CN114464578A - 一种金属气密芯片级封装方案及结构 - Google Patents

一种金属气密芯片级封装方案及结构 Download PDF

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徐浩
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吴碧华
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Abstract

本发明涉及集成电路封装领域，提供了一种集成电路芯片封装方案及结构，具体为一种金属气密芯片级封装(MH‑CSP)。本发明通过利用五面金属包封CSP加双面铜互连陶瓷基板，以金锡共晶焊接方式封装，实现高可靠芯片级全金属气密封装，用来替代传统方式的全金属及金属陶瓷气密封装，达到高密度集成与立体散热功能，实现产品热阻下降，体积下降，成本下降，功率、效率以及集成度提升的总体目标；满足用户的立体散热、集成热沉、批量制作、高密度集成、气密封装、高可靠低成本等需求。

Description

一种金属气密芯片级封装方案及结构
技术领域
本发明涉及集成电路封装领域，具体为一种金属气密芯片级封装(MH-CSP)方案及结构。
背景技术
对于集成电路芯片的封装，不仅有使其内键合点与外部输出连接的作用，而且为集成电路芯片提供了稳定可靠的工作环境，对集成电路芯片起到保护作用，使集成电路芯片发挥正常的功能，保证其具有高稳定性和可靠性。因此，集成电路的芯片封装应该具有良好的电气性能、散热性能、稳定性以及可靠性。
集成电路芯片封装分为气密封装和非气密封装，高等级集成电路通常采用气密封装，多采用金属、陶瓷、玻璃封装，内部为空腔结构，充有高纯氮气或其它惰性气体，也含有少量其它气体。气密封装元器件可靠性要比非气密封装高一个数量级以上，气密封装元器件一般按军标、宇航标准严格控制设计、生产、测试、检验等多个环节，失效率低，多用于高可靠应用领域。气密封装器件散热性好，环境适应性更强。
军用、航天用器件的小型化、轻量化、高可靠、高导热、低成本、批量化需求越来越高，气密封装原材料贵，投入生产成本高，需要支架和焊脚，生产工艺复杂，产品可靠性低，并且有着封装器件尺寸的限制，集成度低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种金属气密芯片级封装方案及结构，以满足用户的立体散热、集成热沉、批量制作、高密度集成、气密封装、高可靠低成本需求。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种金属气密芯片级封装结构，包括：五面金属包封CSP封装体和双面铜互连陶瓷基板，所述五面金属包封CSP封装体实现本发明的上下面立体互连，同时实现金属盖帽的密封和散热功能；所述双面铜互连陶瓷基板为底座，实现本发明的气密、引脚互连、热沉等功能。
一种金属气密芯片级封装方案，所述五面金属包封CSP封装体和双面铜互连陶瓷基板采用气密性金锡焊接方式互连，确保密封性，隔离水汽等影响；所述方案采用焊接前真空烘烤加热，脉冲或超声焊接等，实现温度兼容性；最终实现集成电路芯片的芯片级气密封装。
所述五面金属包封CSP封装体是指使用封装金属包覆至少一芯片形成的封装体，所述芯片正面设有导电凸块，导电凸块上表面暴露在所述封装金属之外。
所述双面铜互连陶瓷基板是指正反两面覆有铜的陶瓷基板，并通过陶瓷基板中的预留孔径实现双面铜互连。
在一实施例中，所述五面金属包封CSP封装体芯片是指高可靠芯片等器件。
在一实施例中，所述五面金属包封CSP封装体金属封装是指铜镍金合金等封装金属。
在一实施例中，所述双面铜互连陶瓷基板是指氮化铝(AIN)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)等陶瓷基板。
作为本发明的进一步优选方案，所述五面金属包封CSP封装体封装金属与芯片之间填充有塑封料，对芯片起到加固保护作用。
作为本发明的进一步优选方案，所述双面铜互连陶瓷基板上表面设有预置金锡导体，方便后续金锡焊接。
作为本发明的进一步优选方案，所述双面铜互连陶瓷基板下表面设有外焊盘，方便后续焊接工艺及测试。
本发明一种金属气密芯片级封装方案及结构可以达到如下效果：
本发明一种金属气密芯片级封装方案及结构，通过利用五面金属包封CSP加双面铜互连陶瓷基板，以金锡共晶焊接方式封装，实现高可靠芯片级全金属气密封装，用来替代传统方式的全金属及金属陶瓷气密封装，达到高密度集成与立体散热功能，实现产品热阻下降，体积下降，成本下降，功率、效率以及集成度提升的总体目标；满足用户的立体散热、集成热沉、批量制作、高密度集成、气密封装、高可靠低成本等需求。
附图说明
图1为本发明提出的一种金属气密芯片级封装结构示意图；
图2为本发明提出的一种五面金属包封CSP封装体结构示意图；
图3为本发明提出的一种双面铜互连陶瓷基板结构示意图；
图4为本发明提出的一种新型封装方法步骤示意图；
图5A～图5C为本发明提出的一种新型封装方法工艺流程图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示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结构或器件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明涉及集成电路芯片的封装，具体为一种金属气密芯片级封装方案及结构。图1是本发明封装方案的结构示意图。请参阅图1，本发明一种金属气密芯片级封装结构，包括五面金属包封CSP封装体1、金锡焊料封装层2、气密封装空腔3、双面铜互连陶瓷基板4，其中：
所述五面金属包封CSP封装体1设在双面铜互连陶瓷基板4的上方，通过金锡焊料封装层2以金锡共晶焊方式封装，焊接间隙形成气密封装空腔3。
如图2所示，所述五面金属包封CSP封装体结构示意图，包括五面金属封装层5、芯片区6、填充区7、导电凸块8，其中：
所述五面金属封装层5包覆所述芯片区6，芯片塑封料填充包覆间隙形成填充区7，所述导电凸块8上表面暴露于所述填充区7之外。
在此需说明的是，如图1所示，所述五面金属包封CSP封装体1实为倒装结构，如图2所示，所述导电凸块8所在方位实为芯片正面，故上述导电凸块8上表面而不是下表面暴露于所述填充区7之外。
如图3所示，所述双面铜互连陶瓷基板结构示意图，包括预置金锡铜导体层9、陶瓷基板10、互连铜通道11、外焊盘12，其中:
所述预置金锡铜导体层9设于陶瓷基板10上表面，用于上述金锡焊料封装层2的共晶焊封装。
所述陶瓷基板10设于五面金属包封CSP封装体1下方，用于本发明一种金属气密芯片级封装方案的基板材料，为本发明一种金属气密芯片级封装结构提供气密性的密封保护，以达到优良的可靠度。
所述互连铜通道11连通所述陶瓷基板10和上述导电凸块8，在本发明一种金属气密芯片级封装结构中，用于链接其内键合点与外部输出。
所述外焊盘12设于所述陶瓷基板10下表面，方便于本发明封装方案后续的焊接工作。
本发明一种金属气密芯片级封装方案及结构，涉及到具体的一种封装方法，如图4所示，本发明一种金属气密芯片级封装方案及结构的封装方法步骤示意图。请参阅图4，本发明具体封装方法包括如下步骤：
步骤S1、提供一封装体。所述封装体具有上述五面金属包封CSP封装体1结构特征，包括五面金属封装及至少一芯片，所属芯片正面设有导电凸块，所述导电凸块上表面暴露于外界。步骤S2、提供一陶瓷基板。所述陶瓷基板具有上述双面铜互连陶瓷基板4结构特征，包括互连铜通道及外焊盘。步骤S3、采用氮气回流炉装置。在上述封装体与陶瓷基板之间放置金锡焊料，采用氮气回流炉装置，提高焊接润湿力，加快润湿速度，减少锡球的产生，避免桥接。步骤S4、抽真空。焊接之前进行抽真空操作，阻断空气中水氧因素，防止氧化。步骤S5、加热、脉冲焊或超声。焊接采用加热、脉冲焊或超声，提高金锡焊接的气密性和耐温性。
图5A～图5C为本发明提出的一种新型封装方法工艺流程图。其中：
图5A为上述图2五面金属包封CSP封装体的立体图示意图，请参阅步骤S1，提供一封装体。所述封装体包括五面金属封装及至少一芯片，所属芯片正面设有导电凸块，所述导电凸块上表面暴露于外界。
图5B为上述图3双面铜互连陶瓷基板的正面示意图，请参阅步骤S2，提供一陶瓷基板。所述陶瓷基板包括互连铜通道及外焊盘。
图5C为金锡焊接焊料预置正面示意图，请参阅步骤S3、S4、S5，本发明焊接工艺采用气密性金锡焊接方式互连。

Claims (8)

1.一种金属气密芯片级封装结构，包括：五面金属包封CSP封装体和双面铜互连陶瓷基板，所述五面金属包封CSP封装体实现本发明的上下面立体互连，同时实现金属盖帽的密封和散热功能；所述双面铜互连陶瓷基板为底座，实现本发明的气密、引脚互连、热沉等功能。
2.一种金属气密芯片级封装方案，所述五面金属包封CSP封装体和双面铜互连陶瓷基板采用气密性金锡焊接方式互连，所述方案采用焊接前真空烘烤加热，脉冲或超声焊接等。
3.根据权利1要求所述的封装结构，其特征在于，所述双面铜互连陶瓷基板正面方向上，所述五面金属包封CSP封装体在所述双面铜互连陶瓷基板上方，所述五面金属包封CSP封装体的正面朝向所述双面铜互连陶瓷基板的正面。
4.根据权利1要求所述的五面金属包封CSP封装体，其特征在于，封装金属包覆至少一个芯片形成的封装体，所述芯片正面设有导电凸块，导电凸块上表面暴露在所述封装金属之外。
5.根据权利1要求所述的双面铜互连陶瓷基板，其特征在于，陶瓷基板正反两面覆有金属铜，并通过陶瓷基板中的预留孔径实现双面铜互连。
6.根据权利2要求所述的封装方案，其特征在于，所述五面金属包封CSP封装体和双面铜互连陶瓷基板之间的封装方式为金锡焊接方法。
7.根据权利2要求所述的封装方案，所述气密性封装方法为氮气、氦气或可控气氛环境中的共晶焊方法。
8.根据权利2要求所述的封装方案，所述方案采用焊接前真空烘烤加热，脉冲或超声焊接等工艺步骤。
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