多层堆叠高宽带存储器封装方法及封装结构与流程

1.本发明属于半导体封装技术领域，具体涉及一种高导热多层堆叠高宽带存储器封装方法及封装结构。


背景技术：

2.对于数据中心等企业级应用，大容量的高速存储成为必要项。为应对此需求，高宽带存储器(hbm，high bandwidth memory)应运而生。如图1所示，现有技术中，hbm使用硅通孔(tsv，through silicon via)13和14将数个存储器芯片11进行垂直互连，通过底层的缓冲芯片10与外界进行数据交互，由于tsv具有密度高，垂直互连距离短的优势，数据传输速度大大提高。其中13为数据传输用硅通孔，而104为散热用硅通孔。由于存储器对于温度敏感，目前在hbm中，绝大部分tsv均为散热用。随着数据速率的提升以及容量提升，散热问题是hbm的核心问题。
3.目前在hbm结构中，最顶层存储器芯片12由于需要起到机械保护作用，因此厚度不能过薄，但tsv受到深宽比的限制，在一定孔径的情况下，无法实现厚芯片的穿透，因此目前最顶层存储器芯片为不穿孔结构，由于硅的导热性能不如金属，这样就限制了散热。
4.针对上述问题，有必要提出一种设计合理且可以有效解决上述问题的一种多层堆叠高宽带存储器封装方法及封装结构。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种多层堆叠高宽带存储器封装方法及封装结构。
6.本发明的一个方面，提供一种多层堆叠高宽带存储器封装方法，所述方法包括：
7.提供假片、缓冲芯片、第一存储器芯片和多个第二存储器芯片；其中，所述假片设置有多个第一散热通孔，所述缓冲芯片、所述第一存储器芯片和所述多个第二存储器芯片均设置有与所述多个第一散热通孔相对应的多个第二散热通孔，所述多个第二存储器芯片和所述缓冲芯片还设置有多个导电通孔；
8.将所述第一存储器芯片与所述假片进行键合；
9.将所述多个第二存储器芯片依次绝缘堆叠设置在所述缓冲芯片上；
10.将键合后的所述第一存储器芯片绝缘堆叠设置在所述多个第二存储器芯片上；
11.形成塑封层，所述塑封层包裹所述假片、所述缓冲芯片、所述第一存储器芯片和所述多个第二存储器芯片。
12.可选的，所述第一散热通孔的横截面尺寸不小于所述第二散热通孔的横截面尺寸。
13.可选的，所述第一散热通孔和所述第二散热通孔均分布在所述导电通孔的外围。
14.可选的，所述将所述第一存储器芯片与所述假片进行键合，包括：
15.将所述第一存储器芯片与所述假片进行混合键合。
16.可选的，所述假片朝向所述第一存储器芯片的表面设置有第一钝化层和第一金属焊盘；
17.将所述第一存储器芯片与所述假片进行混合键合，包括：
18.在所述第一存储器芯片朝向所述假片的表面形成第二钝化层和第二金属焊盘；
19.将所述第二钝化层与所述第一钝化层键合；以及，
20.将所述第二金属焊盘和所述第一金属焊盘键合。
21.可选的，所述将所述多个第二存储器芯片依次绝缘堆叠设置在所述缓冲芯片上之前，所述方法包括：
22.在所述第一存储器芯片背离所述假片的表面形成多个凸点；其中，所述多个凸点分别与所述多个导电通孔相对应。
23.可选的，所述将所述多个第二存储器芯片依次绝缘堆叠设置在所述缓冲芯片上之前，所述方法还包括：
24.在所述多个凸点上形成非导电胶膜，所述非导电胶膜包裹所述多个凸点。
25.可选的，所述第一散热通孔、所述第二散热通孔和所述导电通孔均为硅通孔。
26.本发明的另一方面提供一种多层堆叠高宽带存储器封装结构，包括：假片、缓冲芯片、第一存储器芯片、塑封层和多个第二存储器芯片，其中，
27.所述多个第二存储器芯片堆叠设置在所述缓冲芯片上；
28.所述第一存储器芯片设置在所述多个第二存储器芯片背离所述缓冲芯片的一侧；
29.所述假片通过键合结构与所述第一存储器芯片背离所述缓冲芯片的一侧键合连接；
30.所述塑封层包裹所述假片、所述缓冲芯片、所述第一存储器芯片和所述多个第二存储器芯片；以及，
31.所述假片设置有多个第一散热通孔，所述缓冲芯片、所述第一存储器芯片和所述多个第二存储器芯片均设置有与所述多个第一散热通孔相对应的多个第二散热通孔，所述多个第二存储器芯片和所述缓冲芯片还设置有多个导电通孔。
32.可选的，所述第一散热通孔的横截面尺寸不小于所述第二散热通孔的横截面尺寸。
33.可选的，所述第一散热通孔和所述第二散热通孔均分布在所述导电通孔的外围。
34.可选的，所述假片通过键合结构与所述第一存储器芯片背离所述缓冲芯片的一侧键合连接。
35.可选的，所述键合结构包括设置在所述假片朝向所述第一存储器芯片的表面的第一钝化层和第一金属焊盘、以及设置在所述第一存储器芯片朝向所述假片的表面的第二钝化层和第二金属焊盘；
36.所述第一钝化层与所述第二钝化层键合连接，所述第一金属焊盘与所述第二金属焊盘键合连接。
37.可选的，所述第一存储器芯片背离所述假片的表面设置多个凸点，其中，所述多个凸点分别与所述多个导电通孔相对应。
38.可选的，所述第一散热通孔、所述第二散热通孔和所述导电通孔均为硅通孔。
39.本发明的多层堆叠高宽带存储器封装方法及封装结构，该封装方法通过将第一存
储器芯片与假片进行键合，将多个第二存储器芯片依次绝缘堆叠设置在缓冲芯片上，将键合后的第一存储器芯片绝缘堆叠设置在多个第二存储器芯片上，采用假片可以保证对第一存储器芯片和多个第二存储器芯片有足够的机械保护作用。同时，在假片上设置有多个第一散热通孔，为高宽带存储器提供了散热通道，多个第一散热通孔可以与外部散热片或主动散热装置直接连接，提高整个高宽带存储器的散热性能，进一步提高宽带存储器的性能。本发明的封装结构，通过在第一存储器芯片上设置假片，在假片上设置多个第一散热通孔，对高宽带存储器提供机械保护作用的同时提高了散热性能。
附图说明
40.图1为现有技术中高宽带存储器封装结构的结构示意图；
41.图2为本发明一实施例的一种多层堆叠高宽带存储器封装方法的流程示意图；
42.图3～图10为本发明一实施例的一种多层堆叠高宽带存储器封装方法的封装工艺示意图。
具体实施方式
43.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
44.如图2所示，本发明的一方面提供一种多层堆叠高宽带存储器封装方法s100，该封装方法s100包括：
45.s110、提供假片、缓冲芯片、第一存储器芯片和多个第二存储器芯片；其中，所述假片设置有多个第一散热通孔，所述缓冲芯片、所述第一存储器芯片和所述多个第二存储器芯片均设置有与所述多个第一散热通孔相对应的多个第二散热通孔，所述多个第二存储器芯片和所述缓冲芯片还设置有多个导电通孔。
46.具体地，如图10所示，提供假片110、缓冲芯片120、第一存储器芯片130和多个第二存储器芯片140；其中，假片110设置有多个第一散热通孔111，假片110为专用的散热芯片，缓冲芯片120、第一存储器芯片130和多个第二存储器芯片140均设置有与多个第一散热通孔111相对应的多个第二散热通孔121，多个第二存储器芯片140和缓冲芯片120还设置有多个导电通孔131。
47.示例性的，如图5、图6和图7所示，第一散热通孔111的横截面尺寸不小于第二散热通孔121的横截面尺寸。也就是说，第一散热通孔111的横截面尺寸可以等于或者大于第二散热通孔121的横截面尺寸。进一步优选地，本实施例中，第一散热通孔111的横截面尺寸大于第二散热通孔121的横截面尺寸，第一散热通孔111的横截面尺寸大致为第二散热通孔121的横截面尺寸的三倍，同时第一散热通孔111的横截面尺寸也大于导电通孔131的尺寸。在假片110上设置大尺寸的多个第一散热通孔111，可以与外部散热片或主动散热装置直接连接，帮助高宽带存储器散热，提高整个高宽带存储器的散热性能。
48.示例性的，如图8、图9和图10所示，第一散热通孔111和第二散热通孔121均分布在导电通孔131的外围。也就是说，导电通孔131位于第一存储器芯片130和缓冲芯片120的中间位置，导电通孔131起到信号传输作用；第一散热通孔111和第二散热通孔121均分布在导电通孔131的外围，主要起到散热的作用。需要说明的是，如图8、图9和图10所示，第一散热
通孔111、第二散热通孔121和导电通孔131为等间隔分布，也可以不等间隔分布，本实施例不做具体限定。
49.示例性的，第一散热通孔111、第二散热通孔121和导电通孔131均为硅通孔。第一散热通孔111、第二散热通孔121采用硅通孔可以提供金属散热通道，使高宽带存储器具有更高的散热特性，导电通孔131均为硅通孔可以使第一存储器芯片130、第二存储器芯片140和缓冲芯片120进行电连接，实现更好的信号传输作用。
50.s120、将所述第一存储器芯片与所述假片进行键合。
51.示例性的，如图5所示，将第一存储器芯片130与假片110进行键合，进一步优选地，将第一存储器芯片130与假片110进行混合键合。将第一存储器芯片130与假片110进行混合键合，可以降低高宽带存储器的封装高度。
52.需要说明的是，当第一存储器芯片130的厚度很薄足以露出设置在其上的第二散热通孔121时，则不需要对第一存储器芯片130进行减薄处理，但是当第一存储器芯片130的厚度很厚无法露出设置在其上的第二散热通孔121时，则需要对第一存储器芯片130进行减薄处理。本实施例中，如图3所示，需要对第一存储器芯片130进行减薄处理，暴露其散热用的多个第二散热通孔121。
53.需要进一步说明的是，将第一存储器芯片130与假片110进行混合键合之前，如图5所示，假片110朝向第一存储器芯片130的表面设置第一钝化层112和第一金属焊盘113，也就是说，假片110的正面在进行键合之前已经设置有第一钝化层112和第一金属113。本实施例中，第一钝化层112可以为二氧化硅钝化层，第一金属焊盘113可以为铜焊盘，本实施例不做具体限定。
54.将所述第一存储器芯片与所述假片进行混合键合，包括：
55.首先，在所述第一存储器芯片朝向所述假片的表面形成第二钝化层和第二金属焊盘；
56.具体地，如图4所示，在第一存储器芯片130朝向假片110的表面形成第二钝化层132和第二金属焊盘133，也就是说，在第一存储器芯片130的背面形成第二钝化层132和第二金属焊盘133。本实施例中，第二钝化层132可以为二氧化硅钝化层，第二金属焊盘133可以为铜焊盘，本实施例不做具体限定。
57.其次，将所述第二钝化层与所述第一钝化层键合；以及，将所述第二金属焊盘和所述第一金属焊盘键合。
58.具体地，如图5所示，在本实施例中，先将第二钝化层132与第一钝化层112进行键合，在第二钝化层132与第一钝化层112键合后，进行高温压合，利用铜受热膨胀使第二金属焊盘133和第一金属焊盘113形成键合。
59.s130、将所述多个第二存储器芯片依次绝缘堆叠设置在所述缓冲芯片上。
60.具体地，如图8所示，采用热压焊工艺将多个第二存储器芯片140依次绝缘堆叠设置在缓冲芯片120上，也可以采用其他的工艺，本实施例不做具体限定。其中，第二存储器芯片140背离缓冲芯片120的表面设置有第三金属焊盘141，所述第三金属焊盘141上设置有多个第一导电凸点142，每个第一导电凸点142分别与第二存储器芯片140的第二散热通孔121和导电通孔131相对应。每个相邻每个第二存储器芯片140之间都设置有绝缘层143，绝缘层143包裹第三金属焊盘141和多个第一导电凸点142。本实施例中，第三金属焊盘141可以为
铜焊盘，绝缘层142可以为非导电胶膜，多个第一导电凸点142可以为铜-锡凸点，本实施例不做具体限定。
61.如图8、图9和图10所示，缓冲芯片120背离第二存储器芯片140的表面设置有多个第二导电凸点122，每个第二导电凸点122分别与缓冲芯片120的第二散热通孔121和导电通孔131相对应。本实施例中，多个第二导电凸点122可以为铜-锡凸点。
62.示例性的，所述将所述多个第二存储器芯片依次绝缘堆叠设置在所述缓冲芯片上之前，所述方法包括：
63.首先，在所述第一存储器芯片背离所述假片的表面形成多个凸点；其中，所述多个凸点分别与所述多个导电通孔相对应。
64.具体地，如图6所示，在第一存储器芯片130背离假片110的表面形成多个凸点150；其中，多个凸点150分别与多个导电通孔131相对应，也就是说，第一存储器芯片130通过多个凸点150与多个第二存储器芯片140电连接。本实施例中，多个凸点150可以为铜-锡凸点。
65.其次，在所述多个凸点上形成非导电胶膜，所述非导电胶膜包裹所述多个凸点。
66.具体地，如图7所示，在多个凸点150上形成非导电胶膜160，非导电胶膜160包裹多个凸点150，起到绝缘的作用。
67.需要说明的是，在封装过程中，需同时将多组第二存储器芯片140设置在缓冲芯片120上，每组第二存储器芯片140为多个第二存储器芯片140依次堆叠，所以将多组第二存储器芯片140设置在缓冲芯片120上后需要进行切割，形成独立的芯片组合，每个芯片组合包括缓冲芯片120和依次堆叠设置在缓冲芯片120上的多个第二存储器芯片140，切割后对每个单独的芯片组合再进行相应的封装步骤。
68.需要说明的是，多个第二存储器芯片140也可以依次绝缘堆叠设置在基板上，通过基板上设置的导电通孔和焊球与外界连接。将多个第二存储器芯片140依次绝缘堆叠在基板上后，继续以下的封装步骤。
69.s140、将键合后的所述第一存储器芯片绝缘堆叠设置在所述多个第二存储器芯片上。
70.具体地，如图9所示，将键合后的第一存储器芯片130绝缘堆叠设置在多个第二存储器芯片140上。其中，第一存储器芯片130和多个第二存储器芯片140之间的非导电胶膜160起到绝缘的作用。如图9所示，高宽带存储器自底部至顶部依次为缓冲芯片110、多个第二存储器芯片140、第一存储器芯片130和假片110，其中，顶部的假片110为专用散热芯片。
71.s150、形成塑封层，所述塑封层包裹所述假片、所述缓冲芯片、所述第一存储器芯片和所述多个第二存储器芯片。
72.具体地，如图10所示，形成塑封层170，塑封层170包裹假片110、缓冲芯片120、第一存储器芯片130和多个第二存储器芯片140。塑封方法可以是膜层真空压合或传统塑封工艺，本实施例不做具体限定。完成塑封后进行切割，形成最终独立的多层堆叠高宽带存储器封装结构。
73.本发明的多层堆叠高宽带存储器封装方法，该封装方法通过将第一存储器芯片与假片进行键合，将多个第二存储器芯片依次绝缘堆叠设置在缓冲芯片上，将键合后的第一存储器芯片绝缘堆叠设置在多个第二存储器芯片上，采用假片可以保证对第一存储器芯片和多个第二存储器芯片有足够的机械保护作用。同时，在假片上设置有多个第一散热通孔，
为高宽带存储器提供了散热通道，多个第一散热通孔可以与外部散热片或主动散热装置直接连接，提高整个高宽带存储器的散热性能，进一步提高宽带存储器的性能
74.如图10所示，本发明的另一方面提供一种多层堆叠高宽带存储器封装结构100，包括：假片110、缓冲芯片120、第一存储器芯片130、塑封层170和多个第二存储器芯片140，其中，
75.多个第二存储器芯片140堆叠设置在缓冲芯片120上。需要说明的是，多个第二存储器芯片140也可以堆叠设置在基板上，通过基板上的通电通孔和焊球与外界连接。
76.第一存储器芯片130设置在多个第二存储器芯片140背离缓冲芯片120的一侧；
77.假片110通过键合结构(图中未标出)与第一存储器芯片130背离缓冲芯片120的一侧键合连接，进一步优选地，假片110通过键合结构(图中未标出)与第一存储器芯片130背离缓冲芯片120的一侧键合连接。
78.塑封层170包裹假片110、缓冲芯片120、第一存储器芯片130和多个第二存储器芯片140；以及，
79.假片110设置有多个第一散热通孔111，缓冲芯片120、第一存储器芯片130和多个第二存储器芯片140均设置有与多个第一散热通孔111相对应的多个第二散热通孔121，多个第二存储器芯片140和缓冲芯片120还设置有多个导电通孔131。多个第一散热通孔111与多个第二散热通孔121相连接，提高了第一存储器芯片130和多个第二存储器芯片140的散热。
80.示例性的，如图10所示，第一散热通孔111的横截面尺寸不小于第二散热通孔121的横截面尺寸。也就是说，第一散热通孔111的横截面尺寸可以等于或者大于第二散热通孔121的横截面尺寸。进一步优选地，本实施例中，第一散热通孔111的横截面尺寸大于第二散热通孔121的横截面尺寸，第一散热通孔111的横截面尺寸大致为第二散热通孔121的横截面尺寸的三倍，同时第一散热通孔111的横截面尺寸页大于导电通孔131的尺寸。在假片110上设置大尺寸的第一散热通孔111，可以与外部散热片或主动散热装置直接连接，帮助高宽带存储器散热，提高整个高宽带存储器的散热性能。
81.示例性的，如图10所示，第一散热通孔111和第二散热通孔121均分布在导电通孔131的外围。也就是说，导电通孔131位于芯片的中间位置，导电通孔131起到信号传输作用；第一散热通孔111和第二散热通孔121均分布在导电通孔131的外围，主要起到散热的作用。需要说明的是，如图所示，第一散热通孔111、第二散热通孔121和导电通孔131为等间隔分布，也可以不等间隔分布，本实施例不做具体限定。
82.示例性的，第一散热通孔111、第二散热通孔121和导电通孔131均为硅通孔。第一散热通孔111、第二散热通孔121采用硅通孔可以提供金属散热通道，使高宽带存储器具有更高的散热特性，导电通孔131均为硅通孔可以使第一存储器芯片130、第二存储器芯片140和缓冲芯片120进行电连接，实现更好的信号传输作用。
83.示例性的，如图10所示，键合结构包括设置在假片110朝向第一存储器芯片130的表面的第一钝化层112和第一金属焊盘113、以及设置在第一存储器芯片130朝向假片110的表面的第二钝化层132和第二金属焊盘133；
84.第一钝化层112与第二钝化层132键合连接，第一金属焊盘113与第二金属焊盘133键合连接。本实施例中，第一钝化层112与第二钝化层132均可为二氧化硅钝化层，第一金属
焊盘113与第二金属焊盘133均可为铜焊盘。
85.示例性的，如图10所示，第一存储器芯片130背离假片110的表面设置多个凸点150，其中，多个凸点150分别与多个导电通孔131相对应。
86.本发明的封装结构，通过在第一存储器芯片上设置假片，在假片上设置多个第一散热通孔，对高宽带存储器提供机械保护作用的同时提高了散热性能。
87.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。