一种可连续堆叠的3D封装方法与流程

本发明涉及半导体封装，特别是涉及一种可连续堆叠的3d封装方法。

背景技术：

1、3d封装是指将两个或两个以上的裸片在垂直方向上进行堆叠集成，并通过tsv、混合键合、微凸点等垂直互连技术实现裸片间的电信号连接与供电传输。在典型的存储-逻辑堆叠架构中，上层通常为存储裸片，下层为逻辑裸片，两者通过混合键合或微凸点实现垂直互连，且上层存储裸片能够采用多层堆叠以提高存储密度，节省空间。根据堆叠方式的不同，3d封装可分为面对面堆叠和面对背堆叠两种主要形式：面对面堆叠通常采用混合键合实现有源面之间的直接互连，面对背堆叠则主要依靠tsv实现信号穿越硅衬底的垂直传输。与传统的2d平面封装相比，3d封装将裸片间的长距离水平互连转换为短距离垂直互连，从而显著缩短信号传输路径、降低互连延迟与功耗、提高数据传输带宽。随着人工智能、高性能计算等广泛应用而促使对算力需求的持续攀升，3d封装被认为是在摩尔定律逐渐逼近物理极限的背景下，继续提升芯片集成度和性能的关键技术路径。

2、然而，3d封装在带来性能提升的同时，也引入了极为严峻的热管理挑战。目前，在现有3d堆叠结构设计中，多个有源裸片在垂直方向上紧密排列，单位体积内的功率密度急剧上升；更为关键的是，热量在堆叠结构中的传导路径与平面芯片截然不同。具体体现在，传统的2d封装中，芯片产生的热量可以通过背面的散热器或基板直接散发；但在3d堆叠结构中，中间层裸片产生的热量必须先穿过与其相邻的层间介质层才能到达散热边界；而这些层间介质层通常由导热系数较低的二氧化硅、聚合物材料或底部填充胶构成，其导热系数远低于150w/m·k的硅衬底，其便成为了热量垂直传导的主要瓶颈。同时，各裸片内部的水平方向热扩散与垂直方向热传导相互耦合；当多个发热裸片在垂直方向上紧密相邻时，各裸片的横向热流在层间界面处相互叠加和干扰，加之层间介质层的低导热特性，导致热量无法沿单一方向顺畅导出，使热管理问题进一步复杂化。甚至，3d堆叠结构的芯片在最坏情况下的温度可能比2d芯片高出12℃以上；故而，散热问题已成为制约3d封装堆叠层数进一步增加和长期可靠性的根本性难题。

3、针对上述指出3d封装中因层间介质层导热系数过低而导致的散热难题，本发明设计了一种可连续堆叠的3d封装方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可连续堆叠的3d封装方法，以缓解现有技术中因层间介质层导热系数过低而导致的热量传导受阻、以及由此引发的堆叠层数受限与长期可靠性不足导致散热难的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明为一种可连续堆叠的3d封装方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：提供若干个裸片，各所述裸片均具有相对设置的有源面和背面，将各所述裸片以面对面方式或面对背方式依次堆叠结合；在各所述裸片的背面形成垂直铜柱阵列，所述垂直铜柱阵列中的各铜柱分别与对应焊垫电连接，以实现相邻两个所述裸片之间的垂直互连；在各所述垂直铜柱阵列中相邻铜柱之间的间隙内填充第一导热绝缘体，所述第一导热绝缘体由高导热绝缘材料构成；

5、步骤s2：在各所述裸片的至少部分侧面还设置有第二导热绝缘体，所述第二导热绝缘体由高导热绝缘材料构成；

6、步骤s3：在各所述裸片堆叠而成的堆叠区域的外围设置有环绕所述堆叠区域布置的外围导热结构，所述第一导热绝缘体和第二导热绝缘体均延伸至所述堆叠区域边缘并与所述外围导热结构形成热连接；

7、步骤s4：将所述外围导热结构与外部散热器形成热连接。

8、本发明的核心设计要点在于： 第一导热绝缘体与第二导热绝缘体分别从裸片的背面和侧面两个方向收集热量，两者共同汇聚至外围导热结构上；第一导热绝缘体填充于垂直铜柱阵列的间隙中，利用铜柱的良好导热性将热量从背面汇集；第二导热绝缘体设置于裸片的侧面，利用侧面作为附加导热通道将热量从侧面汇集，且裸片的侧面设置第二导热绝缘体还具有增加导热表面积的作用；该背面和侧面双路径同时将热量传导至环绕堆叠区域的外围导热结构，形成“垂直汇集+水平导出”的立体化散热架构。

9、作为本发明的一种优选技术方案，由于目前在垂直铜柱阵列中的间隙内，主流填充材料是以聚合物为基体的各种绝缘材料，其主要作用是提供电绝缘、吸收热应力以保护互连结构，并增强整体的机械可靠性；而且该材料具有的一个共同点是导热系数非常低，其通常在0.2 - 1.0 w/m·k之间，对芯片散热几乎没有贡献。故而设计有，将所述高导热绝缘材料填充至垂直铜柱阵列中，使其不仅需要具备可点胶、喷涂、灌封等良好工艺性及电绝缘性等基础功能特性，还需具备高导热的特点；而纯聚合物基体的导热系数极低，无法满足高效导热的需求；从而设计有：所述高导热绝缘材料为聚合物基导热绝缘材料，所述聚合物基导热绝缘材料包含聚合物基体和分散于所述聚合物基体中的高导热绝缘填料；所述高导热绝缘填料选自以下材料中的一种或多种：氮化铝、氮化硅、氮化硼、氧化铝、金刚石；所述聚合物基体选自环氧树脂、硅橡胶、聚酰亚胺、苯并环丁烯中的一种或多种；优选地，所述高导热绝缘材料采用环氧树脂作为聚合物基体，并采用多级粒径级配的氮化铝作为高导热绝缘填料；其设计作用在于，通过将氮化铝等高导热绝缘填料分散于聚合物基体中，可在保持聚合物良好工艺性和电绝缘性的同时，大幅提升高导热绝缘材料的导热系数至5w/m·k以上。

10、其中，所述垂直铜柱阵列中为何不直接填充纯氮化铝、氮化硅、氮化硼、氧化铝、金刚石等极高导热材料的原因，在于其工程上不可行，原因在于这些材料均为刚性固态粉体，不具备流动性，无法像流体一样注入数微米至数十微米宽的铜柱间隙中并形成致密、无空洞的填充体；即使通过特殊工艺将其填入间隙，纯粉体颗粒之间也仅依靠微弱的范德华力松散堆积，缺乏自支撑能力和结构强度，在温度变化或机械振动下易塌陷、脱落，且与铜柱侧壁之间无法形成化学键合，存在大量微观空隙，导致界面热阻极高，反而抵消了材料本身的高导热优势。因此，必须将其作为填料分散于环氧树脂、聚酰亚胺等聚合物基体中，利用聚合物基体的流动性实现间隙填充，固化后提供粘接力和结构强度，并通过填料的相互接触形成导热逾渗网络，从而在保持其基础功能及可制造性的同时达到高导热效果。

11、作为本发明的一种优选技术方案，将所述第一导热绝缘体和第二导热绝缘体为同一材料形成的一体化结构，使得能够降低两者之间的界面热阻，实现背面与侧面两个方向热量的衔接和互通，形成完整的立体化导热网络，使热量在该处区域内能够沿较低热阻路径自由传导，有利于热量传导效率。

12、作为本发明的一种优选技术方案，由于导热系数低于5w/m·k时，所述导热绝缘体的导热效果有限，无法有效将各裸片产生的热量传导至外围导热结构，导致散热效率不足；体积电阻率低于1012ω·cm时，第一导热绝缘体和第二导热绝缘体在铜柱之间或裸片与外围导热结构之间可能产生漏电流，影响电气可靠性。故而，所述第一导热绝缘体和第二导热绝缘体的导热系数至少不低于5w/m·k，且体积电阻率均不低于1012ω·cm；使其能够确保导热绝缘体具备足够的导热能力和能够确保导热绝缘体具备足够的电绝缘能力，保障在高效导热的同时保证各铜柱之间的电气隔离。

13、作为本发明的一种优选技术方案，所述第一导热绝缘体外围与所述外围导热结构的内壁之间形成热连接，所述第一导热绝缘体填充于垂直铜柱阵列的间隙中并延伸至堆叠区域边缘，其外表面直接与外围导热结构的内壁形成热连接；由于第一导热绝缘体本身为高导热绝缘材料构成的连续填充体，其外表面即为导热表面，无需额外设置导热界面材料；所述第二导热绝缘体作为所述外围导热结构的内壁与所述裸片的侧面之间的导热界面材料；所述第二导热绝缘体设置于裸片的侧面，其外表面与外围导热结构的内壁接触；由于第二导热绝缘体在涂覆时为流体状态，能够充分填充裸片侧面与外围导热结构内壁之间的微观间隙，固化后形成致密的导热连接层，因此第二导热绝缘体同时作为裸片侧面与外围导热结构内壁之间的导热界面材料，兼具侧向导热与降低界面接触热阻的双重功能。

14、作为本发明的一种优选技术方案，所述外围导热结构为环绕所述堆叠区域设置的筒状导热体，所述外围导热结构的材质为铜或钼铜合金；其设计作用在于，筒状导热体能够从360度方向同时接触各层裸片中堆叠区域外围的第一导热绝缘体和第二导热绝缘体，提供最大的热接触面积；铜具有极高的导热系数，钼铜合金的热膨胀系数约为6-8ppm/°c，且介于硅与铜之间，与半导体材料的热匹配性更好，能有效降低热应力；采用铜或钼铜合金作为外围导热结构的材质，能够在保证高导热性能的同时，根据实际热匹配需求选择合适的材料。

15、作为本发明的一种优选技术方案，当需要在已完成堆叠的基础上继续增加新的裸片时，如果堆叠区域的最上方没有预留扩展接口，则需要重新设计整个堆叠结构。故而，还包括步骤s5：在所述堆叠区域的最上方形成扩展接口层，所述扩展接口层包括扩展金属垫和从所述扩展金属垫垂直向上延伸的扩展金属柱，所述扩展金属垫的排布与下一层待堆叠裸片的焊垫排布相一致，用于支持在已完成堆叠的基础上继续堆叠额外的裸片，使得新增的裸片能够通过其底面的焊垫与扩展金属垫直接键合，无需重新设计互连方案。每增加一层堆叠时，只需在新增裸片的背面设置第一导热绝缘体并将其边缘连接至外围导热结构，以及还可在新增裸片的侧面设置第二导热绝缘体，以及后续封装工序；具有无需重新设计整个散热架构，实现了散热能力与堆叠层数的同步扩展的功能。

16、作为本发明的一种优选技术方案，在实际应用中，有时需要将多个已完成裸片级堆叠的封装结构再进行垂直堆叠，以进一步扩展功能密度；故而，还包括步骤s6：

17、将已完成裸片级堆叠的封装结构作为一个系统集成芯片单元，所述系统集成芯片单元具有封装基板和设置于封装基板顶面的连接层，所述连接层包括位于封装基板顶面的金属触点和围绕所述金属触点设置的绝缘层；绝缘层用于隔离各金属触点，防止电信号串扰，同时保护金属触点免受污染和机械损伤；

18、提供至少两个所述系统集成芯片单元，将相邻两个所述系统集成芯片单元依次垂直堆叠，使位于下方的所述系统集成芯片单元的连接层的金属触点与位于上方的所述系统集成芯片单元的封装基板底面的焊球对应键合，实现封装级垂直互连，使多个系统集成芯片单元能够像积木一样垂直堆叠；

19、每个新增的系统集成芯片单元均有其独立的外围导热结构，各外围导热结构分别与外部散热器形成热连接，确保封装级堆叠的每一层均具有独立的散热路径，从而使散热架构能够跟随封装级堆叠层数的增加而同步扩展；同时，不同系统集成芯片单元的功耗可能存在较大差异，即搭载高性能逻辑裸片时其产热量极高，而以存储裸片为主时其产热量相对较低；若将所有的所述系统集成芯片单元的外围导热结构串联后统一连接至单一外部散热器，则高热流密度单元产生的热量会经由串联的导热路径传导至低热流密度单元一侧，导致低热流密度单元的温度被动升高，形成热串扰，反而恶化整体散热效果。

20、作为本发明的一种优选技术方案，由于在封装级堆叠中，封装基板内的电路和焊球在工作时也会产生热量，这些热量如果无法有效散发，同样会影响封装级堆叠的可靠性；所述连接层还包括导热层，所述导热层为环形结构，所述绝缘层位于所述导热层的环内侧；所述封装基板与所述导热层相对的表面之间通过导热界面材料形成热连接；所述导热层的外围与外部散热器形成热连接；在连接层中设置环形结构的导热层，绝缘层位于所述导热层的环内侧，封装基板的热量可通过导热界面材料传递至导热层，再经由导热层的外围直接传导至外部散热器，从而为封装级堆叠提供独立的散热路径。环形结构的导热层能够在不妨碍中心区域金属触点电连接的前提下，将封装基板边缘的热量高效收集并导出，实现了电连接区域与导热区域在同一平面上的分区布局，互不干扰；更重要的是，当各个系统集成芯片单元的产热不同时，即有的产热极高、有的产热相对较低；那么，所述导热层还能够接受来自产热极高的系统集成芯片单元的部分高温热量，并利用其自身的高导热性将该部分热量快速传导至外部散热器，从而辅助产热极高的系统集成芯片单元进行额外散热，缓解其散热压力；还能有效防止了高产热的热量在堆叠区域内逐层积聚，打破了因散热路径不足导致的热量逐级传递链条，从根本上避免了热量在堆叠区域内的累积与叠加，从而显著提升封装级堆叠的整体散热均匀性和长期可靠性。而对于产热相对较低的系统集成芯片单元，其导热层则仅需传导封装基板自身产生的少量热量，不会因相邻单元的高热量而增加额外热负荷。如此，导热层在封装级堆叠中既作为各单元独立的散热通道，又具备按需辅助相邻单元散热的能力，实现了散热资源的按需动态分配。

21、作为本发明的一种优选技术方案，所述绝缘层由高导热绝缘材料构成，所述绝缘层与导热层之间通过导热界面材料形成热连接；所述导热界面材料为导热硅脂或烧结银；所述导热层采用铜制导热片，能够提供高导热性的固体导热基体。

22、本发明具有以下有益效果：

23、1、本发明通过在裸片背面的垂直铜柱阵列间隙中填充由高导热绝缘材料构成的第一导热绝缘体，以及各裸片侧面设置第二导热绝缘体的设计作用，将各铜柱的热量汇集并通过第一导热绝缘体水平传导至堆叠区域边缘的同时，还将各中间层裸片的热量沿水平方向引导至堆叠区域的外围；两者共同延伸至环绕堆叠区域布置的外围导热结构并与其形成热连接，外围导热结构再将热量统一导出至外部散热器，使热量从裸片内部经由背面和侧面双路径同时向外围导热结构汇集，形成“背面铜柱导热+侧面裸片导热+外围导热结构汇集”的立体化散热架构，各中间层裸片的热量无需穿过导热系数极低的层间介质层即可直接传导至外围导热结构，从而有效解决了中间层裸片因被夹在上下层之间而导致的散热困难问题，实现了热量从裸片有源区到外部散热器的全程低热阻传导的功能，具有显著缓解了3d堆叠结构中的热积累和热串扰的问题。

24、2、本发明通过在裸片背面的垂直铜柱阵列间隙中填充由高导热绝缘材料构成的第一导热绝缘体的设计作用，使原本仅承担电信号传输这一单一功能的铜柱，在其周围第一导热绝缘体的辅助下，形成了以铜柱自身为垂直导热通道、以第一导热绝缘体为水平汇集通道的立体导热网络；即铜柱沿轴向将裸片背面的热量向下或向上垂直传导，第一导热绝缘体则将各铜柱传递至其内部的热量沿水平方向汇集并传导至堆叠区域边缘；两者配合，使原本仅承担单一电信号传输功能的铜柱同时具备了高效导热的辅助功能，实现了“一柱两用”的效果，无需额外设置独立的导热柱体，在不增加堆叠结构复杂性的前提下显著提升了垂直方向的散热能力；同时第一导热绝缘体填充于相邻铜柱之间的间隙内，能够有效保持各铜柱之间的电绝缘性能，避免短路，确保铜柱在兼具导热功能的同时不丧失原有的电气可靠性。

25、3、本发明通过在各所述裸片的侧面设置第二导热绝缘体的设计作用，利用各中间层裸片的侧面作为热量向外传导的附加通道，将各中间层裸片的热量沿水平方向引导至堆叠区域的外围，以解决中间层裸片因被夹在上下层之间而导致的散热困难问题；具体表现在，由于裸片的厚度通常为30-100μm及垂直铜柱阵列的高度通常为30-45μm或150-180μm，其高度差均较小，使得裸片侧面及铜柱侧面的表面积有限，当热量仅依靠裸片侧面或铜柱自身进行传导时，有限的散热面积导致散热效率不佳；第二导热绝缘体与第一导热绝缘体延伸至堆叠区域边缘的部分通过同一材料整合为一体化结构，以及第二导热绝缘体还可充当裸片侧面与外围导热结构之间的导热界面材料，降低了裸片侧面与外围导热结构之间的界面热阻，同时使得裸片侧面和第一导热绝缘体边缘的散热面积得以叠加，显著增大了与外围导热结构之间的总热接触面积，从而具有显著提高了热量从各中间层裸片向外围导热结构进行传导效率的优点。

26、4、本发明通过各中间层裸片侧面设置第二导热绝缘体，并将其与填充于垂直铜柱阵列间隙中的第一导热绝缘体，以及两者均由同一材料连续填充的设计作用，形成覆盖垂直铜柱侧面、裸片侧面及堆叠区域边缘的无界面一体化结构，使各原本面积有限且相互独立的裸片侧面散热面积和铜柱侧面散热面积合并为一个连续的大面积导热表面，并延伸至堆叠区域边缘与外围导热结构贴合，从而显著增大了与外围导热结构的总热接触面积，同时消除了裸片侧面与铜柱间隙之间的界面热阻，实现了各侧面散热通道的互通与叠加，有效弥补了中间层裸片因上下表面被低导热介质层夹持而无法有效散热的缺陷，显著提升了堆叠区域内部的散热效率。