CN104486907B

CN104486907B - 高频ipd模块三维集成晶圆级封装结构及封装方法

Info

Publication number: CN104486907B
Application number: CN201410751394.4A
Authority: CN
Inventors: 孙鹏; 何洪文; 徐健
Original assignee: National Center for Advanced Packaging Co Ltd
Current assignee: National Center for Advanced Packaging Co Ltd
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2017-08-11
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: CN104486907A

Abstract

本发明涉及一种高频IPD模块三维集成晶圆级封装结构及封装方法，包括PCB系统板，其特征是：在所述PCB系统板上堆叠低频IPD封装体，在低频IPD封装体上堆叠射频IPD封装体；所述PCB系统板通过焊球与低频IPD封装体的正面连接，低频IPD封装体通过焊球实现与外界的电学连接；所述低频IPD封装体通过第一金属焊垫和第二金属焊垫与射频IPD封装体连接。本发明将射频IPD模块功能进行分割，将IPD芯片分割为低频电路和射频电路两部分，并采用基于高电阻硅材料的晶圆级平面加工、TSV三维集成晶圆工艺，实现三维结构的射频IPD模块封装，减少射频IPD模块对于PCB系统板上信号线路的干扰。同时，占用PCB系统板的面积也相应减小，有利于实现器件和系统小型化。

Description

高频IPD模块三维集成晶圆级封装结构及封装方法

技术领域

本发明涉及一种高频IPD模块三维集成晶圆级封装结构及封装方法，属于IPD器件技术领域。

背景技术

经过近十年的发展，IPD（集成无源器件）目前在市场上获得越来越普遍的认同。推动IPD发展的动力主要来自移动通讯产品，以常用的双频手机为例，整机中约有近100~300个元器件，而无源器件在手机元器件中占95%的数量，及总体PCB面积的70%；有鉴于此，制造商对于IPD（集成无源器件）的需求将继续增长，因为采用集成方案，仍是持续缩小尺寸、增加功能的屈指可数的方法之一。前几年大多数IPD类元件主要集中在基带应用中，近年来应用领域不断扩大，尤其在射频领域增长较快，目前许多应用都可以做成薄膜IPD类元件。

但传统应用的射频IPD器件产生的辐射较容易被耦合到PCB系统板的信号路径上，产生射频噪声，对PCB系统板上的电路发生干扰，影响手机的音频、视频的通话质量。

为解决射频IPD芯片和PCB系统板之间信号干扰问题的一个有效途径就是在PCB系统板内设置地线包围信号线（简称，包地），然而，包地会导致布线量增加，使原本有限的PCB布线区域变得更加拥挤，制造工艺复杂，提高成本。另外，包地地线也会增大信号的分布电容，使传输线阻抗增大，信号沿变缓；包地产生的寄生电学效应也是该方案主要的负面影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高频IPD模块三维集成晶圆级封装结构及封装方法，减少射频IPD模块对PCB系统板上信号线路的干扰，同时，能够减小PCB系统板的面积。

按照本发明提供的技术方案，所述高频IPD模块三维集成晶圆级封装结构，包括PCB系统板，其特征是：在所述PCB系统板上堆叠低频IPD封装体，在低频IPD封装体上堆叠射频IPD封装体；所述低频IPD封装体包括第一高阻硅晶圆，在第一高阻硅晶圆的正面设置低频IPD电路，在第一高阻硅晶圆的正面和低频IPD电路表面覆盖第一钝化层，在第一高阻硅晶圆的背面刻蚀形成第一TSV孔，在第一TSV孔中填充第一导电材料，在第一高阻硅晶圆的背面设置第一金属焊垫，第一金属焊垫连接第一导电材料；所述射频IPD封装体包括第二高阻硅晶圆，在第二高阻硅晶圆的正面设置射频IPD电路，在第二高阻硅晶圆的正面和射频IPD电路表面覆盖起保护作用的第二钝化层，在第二高阻硅晶圆的背面刻蚀形成第二TSV孔，在第二TSV孔中填充第二导电材料，在第二高阻硅晶圆的背面设置第二金属焊垫，第二金属焊垫连接第二导电材料；所述PCB系统板通过焊球与低频IPD封装体的正面连接，低频IPD封装体通过第一金属焊垫和第二金属焊垫与射频IPD封装体连接。

所述第一金属焊垫和第二金属焊垫之间通过互联介质材料连接。

所述高频IPD模块三维集成晶圆级封装方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）低频IPD封装体的制作：

在第一高阻硅晶圆的正面加工低频IPD电路，在第一高阻硅晶圆和低频IPD电路表面覆盖第一钝化层；对第一高阻硅晶圆的背面进行减薄，并从背面做硅刻蚀，刻蚀至低频IPD电路，形成第一TSV孔；在第一TSV孔中填充第一导电材料，在第一高阻硅晶圆背面制作第一金属焊垫；

（2）射频IPD封装体的制作：

在第二高阻硅晶圆的正面加工射频IPD电路，在第二高阻硅晶圆和射频IPD电路表面覆盖第二钝化层；对第二高阻硅晶圆的背面进行减薄，并从背面做硅刻蚀，刻蚀至射频IPD电路，形成第二TSV孔；在第二TSV孔中填充第二导电材料，在第一高阻硅晶圆背面制作第二金属焊垫；

（3）射频IPD封装体和低频IPD封装体的晶圆级堆叠：

第一步，将射频IPD封装体和低频IPD封装体通过第一金属焊垫和第二金属焊垫实现互联；

第二步，在低频IPD封装体的正面将电源、信号线导出，并通过焊球实现于外界的电学连接；

第三步，将低频IPD封装体通过焊球焊接到PCB系统板上。

本发明将射频IPD模块功能进行分割，将IPD芯片分割为低频电路和射频电路两部分，并采用基于高电阻硅材料的晶圆级平面加工、TSV三维集成晶圆工艺，实现三维结构的射频IPD模块封装，减少射频IPD模块对于PCB系统板上信号线路的干扰。除此之外，采用三维堆叠的器件结构，射频IPD模块也面积也大幅缩小，占用PCB系统板的面积也相应减小，有利于实现器件和系统小型化。

附图说明

图1～图13为所述高频IPD模块三维集成晶圆级封装结构的制造过程的示意图。

图1为在第一高阻硅晶圆上加工低频IPD电路的示意图。

图2为得到第一钝化层的示意图。

图3为得到第一TSV孔的示意图。

图4为得到第一导电材料的示意图。

图5为得到第一金属焊垫的示意图。

图6为在第二高阻硅晶圆上加工射频IPD电路的示意图。

图7为得到第二钝化层的示意图。

图8为得到第二TSV孔的示意图。

图9为得到第二导电材料的示意图。

图10为得到第二金属焊垫的示意图。

图11为低频IPD封装体和射频IPD封装体实现互联的示意图。

图12为得到焊球的示意图。

图13为本发明所述高频IPD模块三维集成晶圆级封装结构的示意图。

图中序号：PCB系统板1、低频IPD封装体2、射频IPD封装体3、第一高阻硅晶圆4、第一TSV孔5、第一导电材料6、低频IPD电路7、第一钝化层8、第一金属焊垫9、第二高阻硅晶圆10、射频IPD电路11、第二钝化层12、第二TSV孔13、第二导电材料14、第二金属焊垫15、焊球16、互联介质材料17。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图13所示：本发明所述高频IPD模块三维集成晶圆级封装结构包括PCB系统板1，PCB系统板1上堆叠低频IPD封装体2，在低频IPD封装体2上堆叠射频IPD封装体3；

所述低频IPD封装体2包括第一高阻硅晶圆4，在第一高阻硅晶圆4的正面设置低频IPD电路7，在第一高阻硅晶圆4的正面和低频IPD电路7表面覆盖起保护作用的第一钝化层8，在第一高阻硅晶圆4的背面刻蚀形成第一TSV孔5，在第一TSV孔5中填充第一导电材料6，在第一高阻硅晶圆4的背面设置第一金属焊垫9，第一金属焊垫9连接第一导电材料6；

所述射频IPD封装体3包括第二高阻硅晶圆10，在第二高阻硅晶圆10的正面设置射频IPD电路11，在第二高阻硅晶圆10的正面和射频IPD电路11表面覆盖起保护作用的第二钝化层12，在第二高阻硅晶圆10的背面刻蚀形成第二TSV孔13，在第二TSV孔13中填充第二导电材料14，在第二高阻硅晶圆10的背面设置第二金属焊垫15，第二金属焊垫15连接第二导电材料14；

所述PCB系统板1通过焊球16与低频IPD封装体2的正面连接，低频IPD封装体2通过焊球16实现与外界的电学连接；所述低频IPD封装体2通过第一金属焊垫9和第二金属焊垫15与射频IPD封装体3连接，第一金属焊垫9和第二金属焊垫15之间通过互联介质材料17连接。

所述高频IPD模块三维集成晶圆级封装方法，包括以下步骤：

（1）低频IPD封装体的制作：

第一步，如图1所示，在第一高阻硅晶圆4的正面利用平面工艺加工低频IPD电路7；

第二步，如图2所示，在第一高阻硅晶圆4和低频IPD电路7的表面进行钝化层处理，得到覆盖于第一高阻硅晶圆4和低频IPD电路7表面的第一钝化层8，起保护作用；

第三步，如图3所示，对第一高阻硅晶圆4的背面进行减薄，并从背面做硅刻蚀，刻蚀至低频IPD电路7为止，形成第一TSV孔5；

第四步，如图4所示，在第一TSV孔5中填充第一导电材料6，可采用溅射、电镀等手段实现导电连接；

第五步，如图5所示，在第一高阻硅晶圆4背面制作第一金属焊垫9，为后续晶圆之间的堆叠做准备；

（2）射频IPD封装体的制作：

第一步，如图6所示，在第二高阻硅晶圆10上利用平面工艺加工射频IPD电路11；

第二步，如图7所示，在第二高阻硅晶圆10和射频IPD电路11表面进行钝化层处理，得到覆盖于第二高阻硅晶圆10和射频IPD电路11表面的第二钝化层12，起保护作用；

第三步，如图8所示，对第二高阻硅晶圆10的背面进行减薄，并从背面做硅刻蚀，刻蚀至射频IPD电路11为止，形成第二TSV孔13；

第四步，如图9所示，在第二TSV孔13中填充第二导电材料14，可采用溅射、电镀等手段实现导电连接；

第五步，如图10所示，在第一高阻硅晶圆10背面制作第二金属焊垫15，为后续堆叠做准备；

（3）射频IPD封装体和低频IPD封装体的晶圆级堆叠：

第一步，如图11所示，将射频IPD封装体3和低频IPD封装体2通过第一金属焊垫9和第二金属焊垫15实现互联，第一金属焊垫9和第二金属焊垫15之间由互联介质材料17连接，互联介质材料可以是金属焊料，银浆，各向同性导电胶，各向异性导电胶，导电胶膜等；

第二步，如图12所示，在低频IPD封装体2的正面将电源、信号线导出，并通过焊球16实现于外界的电学连接；

第三步，如图13所示，将低频IPD封装体2通过焊球16焊接到PCB系统板1上，实现系统功能。

Claims

1.一种高频IPD模块三维集成晶圆级封装结构，包括PCB系统板（1），其特征是：在所述PCB系统板（1）上堆叠低频IPD封装体（2），在低频IPD封装体（2）上堆叠射频IPD封装体（3）；所述低频IPD封装体（2）包括第一高阻硅晶圆（4），在第一高阻硅晶圆（4）的正面设置低频IPD电路（7），在第一高阻硅晶圆（4）的正面和低频IPD电路（7）表面覆盖第一钝化层（8），在第一高阻硅晶圆（4）的背面刻蚀形成第一TSV孔（5），在第一TSV孔（5）中填充第一导电材料（6），在第一高阻硅晶圆（4）的背面设置第一金属焊垫（9），第一金属焊垫（9）连接第一导电材料（6）；所述射频IPD封装体（3）包括第二高阻硅晶圆（10），在第二高阻硅晶圆（10）的正面设置射频IPD电路（11），在第二高阻硅晶圆（10）的正面和射频IPD电路（11）表面覆盖起保护作用的第二钝化层（12），在第二高阻硅晶圆（10）的背面刻蚀形成第二TSV孔（13），在第二TSV孔（13）中填充第二导电材料（14），在第二高阻硅晶圆（10）的背面设置第二金属焊垫（15），第二金属焊垫（15）连接第二导电材料（14）；所述PCB系统板（1）通过焊球（16）与低频IPD封装体（2）的正面连接，低频IPD封装体（2）通过第一金属焊垫（9）和第二金属焊垫（15）与射频IPD封装体（3）连接。

2.如权利要求1所述的高频IPD模块三维集成晶圆级封装结构，其特征是：所述第一金属焊垫（9）和第二金属焊垫（15）之间通过互联介质材料（17）连接。

3.一种高频IPD模块三维集成晶圆级封装方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）低频IPD封装体的制作：

在第一高阻硅晶圆（4）的正面加工低频IPD电路（7），在第一高阻硅晶圆（4）和低频IPD电路（7）表面覆盖第一钝化层（8）；对第一高阻硅晶圆（4）的背面进行减薄，并从背面做硅刻蚀，刻蚀至低频IPD电路（7），形成第一TSV孔（5）；在第一TSV孔（5）中填充第一导电材料（6），在第一高阻硅晶圆（4）背面制作第一金属焊垫（9）；

（2）射频IPD封装体的制作：

在第二高阻硅晶圆（10）的正面加工射频IPD电路（11），在第二高阻硅晶圆（10）和射频IPD电路（11）表面覆盖第二钝化层（12）；对第二高阻硅晶圆（10）的背面进行减薄，并从背面做硅刻蚀，刻蚀至射频IPD电路（11），形成第二TSV孔（13）；在第二TSV孔（13）中填充第二导电材料（14），在第二高阻硅晶圆（10）背面制作第二金属焊垫（15）；

（3）射频IPD封装体和低频IPD封装体的晶圆级堆叠：

第一步，将射频IPD封装体（3）和低频IPD封装体（2）通过第一金属焊垫（9）和第二金属焊垫（15）实现互联；

第二步，在低频IPD封装体（2）的正面将电源、信号线导出，并通过焊球（16）实现于外界的电学连接；

第三步，将低频IPD封装体（2）通过焊球（16）焊接到PCB系统板（1）上。