基于陶瓷中介层的封装结构及其制作方法与流程

1.本发明涉及半导体封装技术领域，具体地涉及一种基于陶瓷中介层的封装结构及其制作方法。


背景技术：

2.2.5d封装技术可以解释为芯片之间通过中介层、硅桥、高密度重布线层（redistribution layer，rdl）或者任何i/o密度远高于abf载板的互联手段的封装，核心是可以实现多芯片（die）集成，互联部分引入高i/o密度的“介质”而不是依靠载板上走线。2.5d封装可以在容量和性能方面提供巨大的提升幅度。
3.但是随着芯片性能的快速发展，2.5d封装技术也需要适应各类芯片，例如大功率芯片和需要快速计算的芯片等。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的是提供一种基于陶瓷中介层的封装结构，该基于陶瓷中介层的封装结构可以适应芯片高功耗性能的快速发展。
5.为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于陶瓷中介层的封装结构，所述基于陶瓷中介层的封装结构包括第一组芯片、第二组芯片、陶瓷中介层和基板，所述第一组芯片通过第一连接点连接所述基板，所述第一连接点根据所述基板内的导线布置，所述陶瓷中介层通过第二连接点连接所述基板，所述第二连接点根据所述陶瓷中介层和所述基板内的导线布置，所述第二组芯片位于所述陶瓷中介层上方，并通过第三连接点连接所述陶瓷中介层，所述第三连接点根据所述陶瓷中介层内的导线布置。
6.可选的，所述陶瓷中介层包括线路板和侧壁支撑结构，所述陶瓷中介层通过所述线路板和所述侧壁支撑结构构成容纳所述第一组芯片的空间，所述侧壁支撑结构的高度和所在位置根据所述第一组芯片的高度和大小进行设置。
7.可选的，所述陶瓷中介层为矩形框结构，所述第一组芯片位于该矩形框结构内部，该矩形框结构的高度和大小根据所述第一组芯片的高度和大小进行设置。
8.可选的，所述第一组芯片通过倒装连接在所述基板上。
9.可选的，第一连接点、所述第二连接和所述第三连接点为焊球。
10.可选的，所述陶瓷中介层为多层结构，每层结构上设置有穿孔，通过所述穿孔进行对准后，对多层结构进行烧结后形成所述陶瓷中介层。
11.可选的，所述穿孔为金属穿孔，用于连接所述陶瓷中介层的多层结构中的导线，以实现层与层之间通信。
12.可选的，所述第一组芯片和所述陶瓷中介层之间填充有导热介质。
13.本发明实施例提供的一种基于陶瓷中介层的封装结构的制作方法，所述基于陶瓷中介层的封装结构的制作方法包括：将第一组芯片通过第一连接点连接基板，所述第一连接点根据所述基板内的导线布置；将陶瓷中介层通过第二连接点连接所述基板，所述第二
连接点根据所述陶瓷中介层和所述基板内的导线布置；将第二组芯片通过第三连接点连接所述陶瓷中介层，所述第二组芯片位于所述陶瓷中介层上方，所述第三连接点根据所述陶瓷中介层内的导线布置。
14.可选的，所述将第一组芯片通过第一连接点连接基板包括：将所述第一组芯片通过倒装连接在所述基板上。
15.可选的，所述第一连接点、所述第二连接和所述第三连接点为焊球。
16.可选的，在所述将陶瓷中介层通过第二连接点连接所述基板之前，所述基于陶瓷中介层的封装结构的制作方法还包括：制作多层陶瓷空白层；在所述多层陶瓷空白层的每层陶瓷空白层上制作穿孔；通过所述穿孔制作导线；以及通过所述穿孔进行对准后，对多层陶瓷结构进行烧结，以形成所述陶瓷中介层。
17.可选的，在所述根据所述穿孔制作导线之前，所述基于陶瓷中介层的封装结构的制作方法还包括：对所述穿孔填充金属。
18.可选的，在所述将陶瓷中介层通过第二连接点连接所述基板之前，所述基于陶瓷中介层的封装结构的制作方法还包括：制作线路板和侧壁支撑结构；连接所述线路板和所述侧壁支撑结构，形成所述陶瓷中介层，并构成容纳所述第一组芯片的空间，所述侧壁支撑结构的高度和所在位置根据所述第一组芯片的高度和大小进行设置。
19.可选的，在所述将陶瓷中介层通过第二连接点连接所述基板之前，所述基于陶瓷中介层的封装结构的制作方法还包括：制作矩形框结构的所述陶瓷中介层，该矩形框结构的高度和大小根据所述第一组芯片的高度和大小进行设置，以所述第一组芯片位于该矩形框结构内部。
20.可选的，在所述将陶瓷中介层通过第二连接点连接所述基板之后，所述基于陶瓷中介层的封装结构的制作方法还包括：在所述第一组芯片和所述陶瓷中介层之间填充导热介质。
21.通过上述技术方案，本发明实施例基于陶瓷中介层制作的多芯片封装结构，第一组芯片和第二组芯片可以都为大功率芯片，例如，cpu或gpu，陶瓷中介层有较好的热导性，可以有效解决大功率芯片的散热问题。陶瓷材料的中介层的热胀系数可以更接近硅材料芯片的热胀系数，通过陶瓷中介层的热胀系数的合理选择和陶瓷中介层的两种结构，可以平衡连接基板时的应力，有效减少基板的翘曲问题并降低芯片所承受的应力。
22.本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
23.附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：图1是本发明实施例提供的基于陶瓷中介层的封装结构的切面示意图；图2是基于两种结构的陶瓷中介层的示例封装结构的切面示意图；图3a是第一组芯片贴装在基板上的切面示意图；图3b是第一组芯片贴装后发生翘曲的切面示意图；图3c是基于陶瓷中介层解决翘曲的切面示意图；
图4是示例陶瓷中介层制作的示意图；图5是填充导热介质后示例封装结构的切面示意图；图6是本发明实施例提供基于陶瓷中介层的封装结构的制作方法的流程示意图。
24.附图标记说明11-第一组芯片；12-第二组芯片；13-陶瓷中介层；14-基板。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
26.图1是本发明实施例提供的基于陶瓷中介层13的封装结构的切面示意图，请参考图1，所述基于陶瓷中介层13的封装结构可以包括第一组芯片11（例如，die1）、第二组芯片12（例如，die2）、陶瓷中介层13和基板14（例如，substrate）。所述第一组芯片11通过第一连接点连接所述基板14，所述第一连接点根据所述基板14内的导线布置，所述陶瓷中介层13通过第二连接点连接所述基板14，所述第二连接点根据所述陶瓷中介层13和所述基板14内的导线布置，所述第二组芯片12位于所述陶瓷中介层13上方，并通过第三连接点连接所述陶瓷中介层13，所述第三连接点根据所述陶瓷13中介层内的导线布置。
27.其中，陶瓷中介层13和基板14都要供电，所以基板14内的供电导线的宽度可以选择比较宽的导线进行供电，例如，大于50微米的导线；基板14信号线导线的宽度可以选择10微米，陶瓷中介层13中的信号线导线的宽度可以选择25微米，也可以选择低于25微米。
28.以示例说明，通过陶瓷中介层13的导线和基板14内的导线可以实现第一组芯片11之间、第二组芯片12之间以及第一组芯片11和第二组芯片12之间的通信，还可以通过基板14内的导线实现该封装结构与外部电路板的通信。例如，第一组芯片11之间、第一组芯片11和第二组芯片12之间可以通过基板14内的导线和/或陶瓷中介层13的导线进行通信，第二组芯片12之间可以通过陶瓷中介层13的导线进行通信，该封装结构与外部电路板可以通过基板14进行通信。
29.本发明实施例基于陶瓷中介层13制作的多芯片封装结构，第一组芯片11和第二组芯片12可以包括一个或多个芯片，第一组芯片11和第二组芯片12可以都为大功率芯片，例如，cpu或gpu，陶瓷中介层13有较好的热导性，可以有效解决大功率芯片的散热问题。
30.请参考图1或图2左侧示例的结构1），本发明实施例优选的所述陶瓷中介层13包括可以线路板和侧壁支撑结构，所述陶瓷中介层13通过所述线路板和所述侧壁支撑结构构成容纳所述第一组芯片11的空间，所述侧壁支撑结构的高度和所在位置根据所述第一组芯片11的高度和大小进行设置。
31.请参考图2右侧示例的结构2），本发明实施例优选的所述陶瓷中介层13为矩形框结构，所述第一组芯片11位于该矩形框结构内部，该矩形框结构的高度和大小根据所述第一组芯片11的高度和大小进行设置。
32.请参考图2示例中陶瓷中介层13的两种结构，均可以形成放置第一组芯片11的空间，这样的结构可以不限制第一组芯片11的高度和大小。
33.本发明实施例优选的陶瓷中介层13的材料为低热胀系数的材料，基于该陶瓷中介层13制作的多芯片封装结构，陶瓷材料的中介层的热胀系数可以更接近硅材料芯片的热胀
系数，通过陶瓷中介层13的热胀系数的合理选择和如2所示的陶瓷中介层13的结构，可以减少中介层连接基板时的应力，有效解决基板14的翘曲问题。
34.请参考图3a，第一组芯片11（例如，die1）高温上片贴装在基板14（例如，substrate）上，此时基板14表面为应力最小状态；请参考图3b，降温后，第一组芯片11和基板14会产生翘曲；请参考图3c，以结构1）为例，将低热胀系数的陶瓷中介层13贴装在基板14上之后，中介层13分担了基板的应力，第一组芯片11表面的应力也变小，有效降低了基板14和芯片的翘曲问题。
35.本发明实施例优选的所述第一组芯片11通过倒装连接在所述基板上。可以通过设置散热胶，进一步帮助第一组芯片11散热。
36.本发明实施例优选的所述第一连接点、所述第二连接和所述第三连接点为焊球。
37.其中，第一连接点可以为熔点较高的焊球或以铜为主的焊锡帽，将第一组芯片11连接在基板14上。
38.请参考图4示例，所述陶瓷中介层13为多层结构，每层结构上设置有穿孔，通过所述穿孔进行对准后，对多层结构进行烧结后形成所述陶瓷中介层13。
39.优选的所述穿孔为金属穿孔，用于连接所述陶瓷中介层13的多层结构中的导线，以实现层与层之间通信。
40.请参考图4，以示例说明，陶瓷中介层13的制作过程可以包括：制作多层陶瓷空白层；在所述多层陶瓷空白层的每层陶瓷空白层上制作穿孔；通过所述穿孔制作导线；以及通过所述穿孔进行对准后，对多层陶瓷结构进行高温烧结，以形成所述陶瓷中介层13。其中，高温烧结可以根据陶瓷中介层13的材料和金属穿孔的材料进行选择，一般可以在700℃-1600℃。
41.请参考图5，本发明实施例优选的所述第一组芯片11和所述陶瓷中介层13之间填充有导热介质。
42.以示例说明，优选的陶瓷中介层13可以选择高热导率的无机材料，可以给芯片提供较好的导热。以第一组芯片11包括芯片1、第二组芯片12包括芯片2为例，芯片1通过倒装贴片的焊球连接在基板14上，芯片2通过焊球连接到陶瓷中介层13，陶瓷中介层13通过焊球连接在基板14上。导热介质可以填充在芯片1和陶瓷中介层13之间，来提高芯片1的散热。第一组芯片11和第二组芯片12可以都为大功率芯片，且第一组芯片11和第二组芯片12可以包括多个芯片。例如，芯片1为cpu和gpu，第二组芯片12的多个芯片（例如，芯片2和芯片3），可以为cpu或gpu加存储芯片或其他电源管理芯片。
43.高导热的陶瓷中介层13可以兼顾散热片功能，同时作为中介层，可以连接第一组芯片11和第二组芯片12。由于现有封装工艺的限制，陶瓷中介层13会比硅基（硅材料中介层）或有机中介层有较大的厚度或横向的尺寸，这种封装结构可以用于高功耗的服务器内芯片或自动驾驶内的车载芯片，以及可靠性要求比较高的新功能类的芯片。
44.图6是本发明实施例提供基于陶瓷中介层13的封装结构的制作方法的流程示意图，请参考图6，所述基于陶瓷中介层13的封装结构的制作方法包括可以包括以下步骤：步骤s110：将第一组芯片11通过第一连接点连接基板14，所述第一连接点根据所述基板14内的导线布置。
45.优选的，步骤s110可以包括将所述第一组芯片11通过倒装连接在所述基板14上。
46.以示例说明，第一组芯片11通过倒装贴片的第一连接点（例如，焊球）连接在基板14上，可以通过设置散热胶，以有效帮助第一组芯片11散热。
47.步骤s120：将陶瓷中介层13通过第二连接点连接所述基板14，所述第二连接点根据所述陶瓷中介层13和所述基板14内的导线布置。
48.优选的，在步骤s120之前，所述基于陶瓷中介层13的封装结构的制作方法还包括：制作多层陶瓷空白层；在所述多层陶瓷空白层的每层陶瓷空白层上制作穿孔；通过所述穿孔制作导线；以及通过所述穿孔进行对准后，对多层陶瓷结构进行烧结，以形成所述陶瓷中介层13。
49.优选的，在所述根据所述穿孔制作导线之前，所述基于陶瓷中介层13的封装结构的制作方法还包括：对所述穿孔填充金属。
50.请参考图4，以示例说明，陶瓷中介层13是分层制作，陶瓷中介层13的层数可以根据第一组芯片11的大小和厚度进行选择，也可以根据第一组芯片11和第二组芯片12的通信控制进行选择。先制作多层陶瓷空白层，在每层陶瓷空白层上制作穿孔，对穿孔进行填充，填充的材料为金属材料，根据第一组芯片11和第二组芯片12的通信控制，制作导线，对准后进行高温烧结，形成陶瓷中介层13。
51.优选的，在步骤s120之前，所述基于陶瓷中介层13的封装结构的制作方法还包括：制作线路板和侧壁支撑结构；连接所述线路板和所述侧壁支撑结构，形成所述陶瓷中介层13，并构成容纳所述第一组芯片11的空间，所述侧壁支撑结构的高度和所在位置根据所述第一组芯片11的高度和大小进行设置。
52.本发明实施例优选的陶瓷中介层13可以有如图2所示的两种结构。请参考图2左侧示例的结构1），可以分别制作线路板和侧壁支撑结构，制作过程可以如图4所示，分层制作线路板和侧壁支撑结构之后，连接线路板和侧壁支撑结构，形成如图2左侧示例的结构1）中的陶瓷中介层13。
53.优选的，在步骤s120之前，所述基于陶瓷中介层13的封装结构的制作方法还包括：制作矩形框结构的所述陶瓷中介层13，该矩形框结构的高度和大小根据所述第一组芯片的高度和大小进行设置，以所述第一组芯片11位于该矩形框结构内部。
54.请参考图2右侧示例的结构2）以及图4所示，在分层制作陶瓷中介层的每层结构时，在每层结构上制作矩形框，高温烧结后即可形成如图2右侧示例的结构2）中矩形框结构的陶瓷中介层13。
55.优选的，在步骤s120之后，所述基于陶瓷中介层13的封装结构的制作方法还包括：在所述第一组芯片11和所述陶瓷中介层13之间填充导热介质。
56.以示例说明，优选的陶瓷中介层13可以选择高热导率的无机材料，可以给芯片提供较好的导热。以第一组芯片11包括芯片1、第二组芯片12包括芯片2为例，芯片1通过倒装贴片的焊球连接在基板14上，芯片2通过焊球连接到陶瓷中介层13，陶瓷中介层13通过焊球连接在基板14上。导热介质可以填充在芯片1和陶瓷中介层13之间，来提高芯片1的散热。第一组芯片11和第二组芯片12可以都为大功率芯片，且第一组芯片11和第二组芯片12可以包括多个芯片。例如，芯片1为cpu和gpu，第二组芯片12的多个芯片（例如，芯片2和芯片3），可以为cpu或gpu加存储芯片或其他电源管理芯片。
57.步骤s130：将所述第二组芯片12通过第三连接点连接所述陶瓷中介层13，所述第
二组芯片12位于所述陶瓷中介层13上方，所述第三连接点根据所述陶瓷中介层13内的导线布置。
58.其中，陶瓷中介层13和基板14都要供电，所以基板14内的供电导线的宽度可以选择比较宽的导线进行供电，例如，大于50微米的导线；基板14信号线导线的宽度可以选择10微米，陶瓷中介层13中的信号线导线的宽度可以选择25微米，也可以选择低于25微米。
59.本发明实施例优选的所述第一连接点、所述第二连接和所述第三连接点为焊球。
60.据此，本发明实施例基于陶瓷中介层制作的多芯片封装结构，第一组芯片和第二组芯片可以都为大功率芯片，例如，cpu或gpu，陶瓷中介层有较好的热导性，可以有效解决大功率芯片的散热问题。陶瓷材料的中介层的热胀系数可以更接近硅材料芯片的热胀系数，通过陶瓷中介层的热胀系数的合理选择和陶瓷中介层的两种结构，可以平衡连接基板时的应力，有效减少基板的翘曲问题并降低芯片所承受的应力。进一步地，高导热的陶瓷中介层可以兼顾散热片功能，同时作为中介层，可以连接第一组芯片和第二组芯片。由于现有封装工艺的限制，陶瓷中介层会比硅基（基板）或有机中介层有较大的厚度或横向的尺寸，这种封装结构可以用于高功耗的服务器内芯片或自动驾驶内的车载芯片，以及可靠性要求比较高的新功能类的芯片。
61.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
62.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。