基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构及其制作方法

摘要

本发明公开了一种基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构及其制作方法，该封装结构包括由至少两个芯片、硅桥结构和玻璃中介层，玻璃中介层上设有贯穿第一表面和第二表面的金属通孔，并且在玻璃中介层的第一表面设有第一金属布线层和第一钝化层，第一钝化层设有凹槽，硅桥结构的正面设有高密度布线层，背面设有粘合层以将硅桥结构贴装在该凹槽的底面上，至少两个芯片通过微凸点键合在硅桥的高密度布线层上，同时通过凸点键合在玻璃中介层上钝化层的第一开口处。硅桥结构提供更高密度的互连，减少全局互连长度，提高性能并降低功耗，封装成本低；玻璃具有可调热膨胀系数(CTE)，在一定程度上可解决热失配的问题，绝缘性强，可减小信号之间的串扰。

说明书

技术领域

本发明涉及晶圆级封装领域，尤其涉及一种基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构及其制作方法。

背景技术

随着半导体制造工艺向纳米级发展，传统的光刻技术逐渐接近极限，为满足芯片高速和低功耗的要求，硅通孔实现了芯片直接互连。然而硅是一种半导体材料，TSV周围的载流子在电场的作用下自由移动进而对邻近的信号产生影响，而玻璃中介层的优势在于玻璃材质的电阻率高，绝缘性能佳，对信号隔离度好，减小了信号之间的串扰，对高频信号的传输有着得天独厚的优势，且其拥有可调的热膨胀系数(CTE)，在一定程度上可解决热失配的问题，是三维集成解决的理想方案。此外，TGV技术无需制作绝缘层，降低了工艺复杂度和加工成本。

同时为了解决芯片直接互连，提高信号传输速度，业界推出了硅桥技术。比如嵌入式芯片互连桥(EMIB)或者高架式扇出式硅桥(EFB)，意在试图用硅实现两个芯片的互连。但由于这些方案成本较高，且对光刻技术是一种挑战。因此需要改进封装方式，以提供高频下的低损耗、低封装成本、高性能等封装工艺。

目前业界硅桥主要采用带有硅通孔(Through silicon via，TSV)且将其嵌入基板内，在基板表面形成再布线层与微凸点，与芯片和PCB基板实现互联。现有的这类硅桥封装工艺存在以下缺点：

1、TSV通孔制作流程复杂，且需对孔内进行绝缘层沉积；

2、硅桥嵌入基板技术供应链成熟度低，封装工艺精度要求高，且成本高，不易量产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构及其制作方法。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种基于玻璃中介层和硅桥结构互连的2.5D封装结构，包括基板、至少两个芯片、硅桥结构和玻璃中介层，所述玻璃中介层具有相对的第一表面和第二表面，所述玻璃中介层上设有贯穿所述第一表面和第二表面的金属通孔，所述玻璃中介层的第一表面设有与所述金属通孔连接的第一金属重布线层以及包覆住所述第一金属重布线层的第一钝化层，所述第一钝化层上设有凹槽，所述硅桥结构的正面设有高密度布线层，所述至少两个芯片上设置有与硅桥互连的微凸点以及与所述玻璃中介层互连的凸点，所述至少两个芯片倒装在所述硅桥结构和所述玻璃中介层上，其中所述至少两个芯片的所述微凸点与所述硅桥高密度布线层连接，同时所述凸点与所述第一金属重布线层连接，所述玻璃中介层的第二表面上设有金属焊盘或者第二金属重布线层以及包覆住所述第二金属重布线层的第二钝化层，所述金属通孔与所述第二金属重布线层或金属焊盘连接，并通过所述第二金属重布线层或金属焊盘上的铜柱或焊球与所述基板焊接，所述至少两个芯片、硅桥结构和所述玻璃中介层周围设置有封装体。

作为优选，所述硅桥结构的背面设有粘合层，通过所述粘合层将所述硅桥结构固定在所述凹槽的底面上。

作为优选，所述微凸点或凸点为锡球、铜柱或镍金凸点，所述微凸点尺寸范围为10～20μm，所述凸点尺寸范围为60～70μm，所述第一钝化层和第二钝化层的材料为聚酰亚胺或氮化硅，所述基板为PCB基板或FPC基板。

作为优选，所述高密度布线层的线宽和/或线距上最小为0.4μm。

作为优选，所述玻璃中介层上的第一钝化层设有第一开口，所述凸点键合在所述第一金属重布线层的第一开口处。

作为优选，所述玻璃中介层上的第二钝化层设有第二开口，所述铜柱或焊球设置在所述第二开口处。

作为优选，所述至少两个芯片与所述玻璃中介层之间以及所述硅桥结构与所述凹槽侧壁之间填充有底胶。

作为优选，所述封装体包括封装盖以及设置在所述玻璃中介层上方覆盖所述至少两个芯片和所述硅桥结构的塑封层，所述塑封层的表面与所述至少两个芯片上远离玻璃中介层一侧的表面平齐，所述封装盖设有内凹的腔体，所述玻璃中介层、所述至少两个芯片和所述塑封层被容纳在所述腔体内。

一种基于上述的基于玻璃中介层和硅桥结构互连的2.5D封装结构的制作方法，包括以下步骤：

1)提供玻璃基板，所述玻璃基板具有相对的第一表面和第二表面，在所述玻璃基板上制作贯穿所述第一表面和第二表面的金属通孔，在所述玻璃基板的第一表面制作与所述金属通孔连接的第一金属重布线层以及包覆住所述第一金属重布线层的第一钝化层，在所述第一钝化层蚀刻出凹槽，形成玻璃中介层；

2)提供硅桥结构，所述硅桥结构的正面具有高密度布线层，将所述硅桥结构的背面贴装在所述第一钝化层上的所述凹槽的底面上；

3)提供至少两个芯片，在所述芯片上制作微凸点和凸点，将所述芯片倒装在所述硅桥结构和所述玻璃中介层上，通过所述微凸点将所述芯片键合在所述硅桥结构的高密度布线层上，同时通过所述凸点将所述芯片键合在所述玻璃中介层的所述第一钝化层的第一开口处上；

4)提供基板，在所述玻璃中介层的第二表面制作与所述金属通孔连接的第二金属重布线层以及包覆住所述第二金属重布线层的第二钝化层，或者在所述玻璃中介层的第二表面上设有与所述金属通孔连接的金属焊盘，并在第二钝化层的第二开口处或金属焊盘上通过铜柱或者焊球焊接于所述基板上，在所述至少两个芯片、硅桥结构和玻璃中介层周围制作封装体。

作为优选，所述步骤2中还包括：在所述硅桥结构的背面制作粘合层，并利用所述粘合层将所述硅桥结构贴装在所述第一钝化层上的所述凹槽的底面上。

作为优选，所述步骤3和步骤4之间还包括：在所述至少两个芯片与所述玻璃中介层之间以及所述硅桥结构与所述凹槽侧壁之间填充底胶。

作为优选，所述步骤4中在所述至少两个芯片、硅桥结构和玻璃中介层周围制作封装体，具体包括：在所述玻璃中介层上制作覆盖所述至少两个芯片和硅桥结构的塑封层，并对所述塑封层进行减薄使得所述塑封层的表面与所述至少两个芯片上远离玻璃中介层一侧的表面平齐；提供封装盖，所述封装盖设有内凹的腔体，将所述封装盖固定在所述基板上以使得所述玻璃中介层、所述至少两个芯片和所述塑封层被容纳在所述腔体内。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用玻璃基板作为玻璃中介层，相比较硅中介层，玻璃中介层具有可调的CTE，提高互连良率和可靠性；且玻璃的介电常数只有硅材料的1/3，使得基板损耗和寄生效应大大减小，可以有效提高传输信号的完整性；且采用TGV工艺不需要在内壁沉积氧化硅绝缘层，工序较为简单。

(2)本发明的基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构中将硅桥结构直接贴装在玻璃中介层上，再将芯片倒装在硅桥结构和玻璃中介层上，实现芯片互连，降低寄生电容，封装工艺简单，难度低，封装成本低，提供了更高密度的互连，减少了全局互连长度，并减轻了相关的RC负载，从而在较小的尺寸上提高了性能并降低了功耗。

(3)本发明的芯片上的微凸点和凸点间距可控，可根据具体芯片的微凸点的间距设计硅桥结构上的高密度布线层的线宽线距，适应性更强。

附图说明

图1为本申请的实施例一的基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构示意图；

图2a-2i为本申请的实施例一的基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构的制作方法的工艺流程示意图；

图3为本申请的实施例二的基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

实施例一

参考图1，本申请的实施例提出了一种基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构，包括基板1、至少两个芯片2、硅桥结构3和玻璃中介层4，玻璃中介层4具有相对的第一表面和第二表面，并且玻璃中介层4上设有贯穿第一表面和第二表面的金属通孔6，在玻璃中介层4的第一表面上设有第一金属重布线层41以及包覆住第一金属重布线层41的第一钝化层43，在玻璃中介层4的第二表面上设有第二金属重布线层42以及包覆住第二金属重布线层42的第二钝化层43或者金属焊盘，金属通孔6与第一金属重布线层41和第二金属重布线层42或金属焊盘连接，第二金属重布线层42或金属焊盘上的铜柱或焊球8与基板1焊接。在具体的实施例中，第一钝化层43的材料为聚酰亚胺或氮化硅，即PI或SiN，也可以采用其他合适的钝化材料。第一钝化层43上设有凹槽，该凹槽的深度为10～40μm，该凹槽可以直接裸露第一表面，也可以不裸露第一表面，根据第一钝化层43的厚度及实际需求而定。具体地，在玻璃基板上制作TGV孔并填充以形成金属通孔6，并在玻璃基板的两个表面设有与金属通孔6连接的第一金属重布线层41和第二金属重布线层42或者金属焊盘以形成玻璃中介层4。玻璃基板可选石英、硼酸玻璃等，玻璃种类可考虑芯片2与基板1的力学参数，选择与其具有相近CTE的玻璃基板。玻璃中介层4的优势在于玻璃材质的电阻率高，绝缘性能佳，对信号隔离度好，减小了信号之间的串扰，对高频信号的传输有着得天独厚的优势，且其拥有可调的热膨胀系数(CTE)，在一定程度上可解决热失配的问题，提高互连良率和可靠性；且玻璃的介电常数只有硅材料的1/3，使得衬底损耗和寄生效应大大减小，可以有效提高传输信号的完整性；且TGV结构不需要在内壁沉积氧化硅绝缘层，工序较为简单。

具体地，硅桥结构3的正面设有高密度布线层31，背面设有粘合层32，高密度布线层31的线宽和/或线距上最小为0.4μm，至少两个芯片2上设置有微凸点21和凸点22，具体可根据芯片2的微凸点21的间距设计硅桥结构3上高密度布线层31的线宽和/或线距。具体地，微凸点或凸点为锡球、铜柱或镍金凸点，微凸点尺寸范围为10～20μm，凸点尺寸范围为60～70μm。至少两个芯片2通过微凸点21倒装在硅桥结构3的高密度布线层31上，同时通过凸点22键合在玻璃中介层4的第一金属重布线层41上。硅桥结构3利用粘合层32贴装在第一钝化层43上的凹槽的底面上，此时硅桥结构3正面的高密度布线层31与玻璃中介层4的第一表面平行，至少两个芯片2与玻璃中介层4之间以及硅桥结构3与凹槽的侧壁之间填充有底胶7。第二金属重布线层42或金属焊盘上的铜柱或焊球8与基板1焊接以使得硅桥结构3、至少两个芯片2、玻璃中介层4和基板1电连接。在具体的实施例中，分别与芯片2和基板1连接的第一金属重布线层41和第二金属重布线层42上方的第一钝化层43和第二钝化层44分别设有第一开口和第二开口，凸点22与第一金属重布线层41键合在第一开口处，第二开口上设有与基板1焊接的铜柱或焊球8。

在本实施例中，以两个芯片2以及一个具有至少一层高密度金属布线层31的硅桥结构3为例，硅桥结构3首先贴装在玻璃中介层4上，再将两个芯片2倒装互连在硅桥结构3和玻璃中介层4上，其中两个芯片2的微凸点21和硅桥结构3相连，凸点22和玻璃中介层4上的第一金属重布线层41连接，第一金属重布线层41与第二金属重布线层42之间电连接，玻璃中介层4下端设有第二金属重布线层42或金属焊盘和铜柱或焊球8，通过铜柱或焊球8焊接在基板1上并实现芯片2与基板1的电连接。

在具体的实施例中，基板1可以是FPC基板(柔性印刷板，Flexible Flat Cable，简称FPC)也可以是PCB基板(刚性印刷板，Printed Circuit Board，简称PCB)。FPC基板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高可靠性和较高曲绕性的印制电路板。这种电路板散热性好，既可弯曲、折叠、卷挠，又可以在三维空间随意移动和伸缩，可利用FPC基板缩小体积，实现轻量化、小型化、薄型化。若基板1为PCB基板，则可以在PCB基板上设置焊球与外部互连。至少两个芯片2、硅桥结构3和玻璃中介层4的周围设有封装体5。封装体5包括封装盖51以及设置在至少两个芯片2和硅桥结构3周围的塑封层52，玻璃中介层4的第一钝化层43上设有塑封层52，并且塑封层52的表面与至少两个芯片2上远离玻璃中介层4一侧的表面平齐，使得至少两个芯片2上远离玻璃中介层4一侧的表面裸露出，有利于散热。封装盖41设有内凹的腔体，玻璃中介层4、芯片2和塑封层52被容纳在腔体内。封装盖41不仅能够实现电磁屏蔽，还可以起到控制翘曲的作用。

相对应地，参考图2a-2i，本申请的实施例还提出了一种基于上述的基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构的制作方法，包括以下步骤：

(1)参考图2a-2d，提供玻璃基板40，玻璃基板40具有相对的第一表面和第二表面，在玻璃基板40上制作贯穿第一表面和第二表面的金属通孔6，具体地，在玻璃基板40的第一表面上通过激光诱导和湿法刻蚀形成TGV盲孔401，TGV盲孔制备无需在玻璃基板40上进行光刻及干法刻蚀制程，直接通过激光设备对固定位置进行改性，湿法刻蚀即可形成TGV盲孔。在TGV盲孔401内采用电镀填充金属，例如铜等导电金属或化合物。玻璃材料本身为绝缘材料，无需在孔侧壁生长绝缘层材料，节约成本。TGV盲孔多形成为梯形孔，有利于溅射种子层，实现更好的覆盖和电镀。对玻璃基板40的第二表面进行减薄并裸露出金属以形成金属通孔6。在玻璃基板的第一表面和第二表面上分别采用光刻和电镀工艺制作第一金属重布线层41和第二金属重布线层42或者金属焊盘，第一金属重布线层41、第二金属重布线层42和金属焊盘的材料为铜等导电金属或化合物。在第一金属重布线层41和第二金属重布线层42上采用CVD、光刻等工艺制备PI或SiN等材料制作包覆住第一金属重布线层41和第二金属重布线层42或金属焊盘的第一钝化层43和第二钝化层44，并且在第一钝化层43上刻蚀出凹槽，该凹槽的深度为10～40μm，最终形成玻璃中介层4。

(2)参考图2e，提供硅桥结构3，硅桥结构3的正面设有高密度布线层31，硅桥结构3的背面设有粘合层32，利用粘合层32将硅桥结构贴装在玻璃中介层4的第一钝化层4的上的凹槽的底面上；

(3)参考图2f，提供至少两个芯片2，在所述芯片2上制作微凸点21和凸点22，第一钝化层43上刻蚀形成第一开口，将芯片2倒装在硅桥结构3和玻璃中介层4上，通过微凸点21将芯片2键合在硅桥结构3的高密度布线层31上，同时通过凸点22将芯片2键合在玻璃中介层4的第一金属重布线层41上，微凸点21与硅桥结构3键合在第一开口处，键合的方式采用热压键合，键合的温度范围为260～270℃，压力范围为5～7Mpa。键合后至少两个芯片2之间通过硅桥结构3实现电连接，并进一步通过第一金属重布线层41和金属通孔6实现与玻璃中介层4的第二表面上的第二金属重布线层42或金属焊盘的电连接，硅桥结构3与第一钝化层41上的凹槽的侧壁之间存在间隙。

(4)参考图2g-2h，在至少两个芯片2与玻璃中介层4之间以及硅桥结构3与凹槽侧壁之间填充底胶7，在玻璃中介层4上制作覆盖至少两个芯片2的塑封层52，并对塑封层52进行减薄使得塑封层52的表面与至少两个芯片2上远离玻璃中介层4一侧的表面平齐。在第二钝化层44上刻蚀形成第二开口，在玻璃中介层4的第二表面的第二金属重布线层42上电镀铜柱或焊球8，将铜柱或焊球8制作在第二金属重布线层42的第二开口处。

(4)参考图2i和图1，提供基板1，基板1可以为PCB基板或FPC基板，通过第二金属重布线层42或金属焊盘上的铜柱或焊球8焊接在基板1上，以将至少两个芯片2、硅桥结构3和玻璃中介层4固定在基板1上，并在基板1上制作包覆住至少两个芯片2、玻璃中介层4和塑封层52的封装体5。若焊球的材料为锡球，焊接的方式可采用回流焊。具体地，提供封装盖51，封装盖51设有内凹的腔体，将封装盖51固定在基板1上以使得至少两个芯片2、玻璃中介层4和塑封层52被容纳在腔体内，不仅能实现器件的电磁屏蔽，提高器件的性能，还可以起到控制翘曲的作用。

实施例二

参考图3，本申请的实施例二与实施例一的区别在于，第一钝化层43的凹槽的底面上设有间隔层33，该间隔层33的材料包括PI，在其他可选的实施例中，也可以选择其他稳定合适的材料。硅桥结构3通过粘合层32贴合在间隔层33上，间隔层33的厚度可调。间隔层33间隔层用于调整硅桥结构3贴装在凹槽的底面上时高密度布线层31的上表面与凹槽两侧的上表面之间的高度差。当硅桥结构3贴装在第一钝化层43的凹槽的底面上时，硅桥结构3的高密度布线层31朝上，由于在制作过程中第一钝化层43的厚度因第一金属重布线层41的布线需求受到限制，可能导致后续硅桥结构3粘合在凹槽的底面上时芯片2倒装贴合在硅桥结构3和玻璃中介层4的难度加大，间隔层33的设置有利于更好的将芯片2的微凸点21和凸点22分别与硅桥结构3的高密度布线层31和玻璃中介层4的第一金属重布线层41连接，避免因高密度布线层31的上表面与凹槽两侧的上表面之间的高度差存在的高度差以及芯片2的微凸点21和凸点22的尺寸差异不匹配导致难以有效实现结构和电性连接。

与之相对应的，在步骤1完成第一钝化层43的凹槽的制作后，可以在凹槽的底面上制作间隔层33，间隔层33的材料包括PI，间隔层33用于调整硅桥结构3贴装在凹槽的底面上时高密度布线层31的上表面与凹槽两侧的上表面之间的高度差。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于玻璃中介层和硅桥结构的2.5D封装结构及其制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。