[发明专利]三维封装结构及其封装方法

说明书

技术领域

本发明属于芯片封装领域，尤其适用于微机电芯片封装模块的三维封装结构及其封装方法。

背景技术

集成电路（IC）芯片是20世纪50年代后期至60年代发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的晶体管、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片表面上，然后将硅片表面电路与外部建立电连接并封装起来。

集成电路封装，是把集成电路装配为芯片最终产品的过程，就是把Foundry生产出来的集成电路裸片（Die）放在一块起到承载作用的基板上，把管脚引出来，然后固定包封成为一个整体。图1为一种封装结构，通过铜引脚将芯片电路引到外部，铜引脚与芯片表面电路用引线键合连接。

微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微机电、微机械等，是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件，它是在芯片内形成机械机构、输出对外界感应信号的微型传感器产品，其核心部分即为微机电（MEMS）芯片。与集成电路芯片一样，微机电（MEMS）芯片也需要封装。如图2所示，为MEMS压力传感器的封装结构。

微机电系统(MEMS)目前正在广泛应用于物联网、可穿戴产品及智能产品等领域。当前世界集成电路（IC）技术发展最显著的趋势就是以微机电(MEMS)应用为主题的各种产品即将进入成长爆发期，各种应用方向的市场需求十分强劲。但当前国际上针对MEMS传感芯片与IC芯片集成的方案仍然停留在将MEMS芯片与IC芯片集成在一个塑封体内，这样的模块集成度很低，而且不能将最常用的压力传感芯片集成在其中。迄今为止，国际上未有一家公司推出具有普适性的针对MEMS传感模块的集成封装方案，微机电产品的应用因此受限重重而停滞不前。

MEMS传感器凭借其体积小、成本低以及可与其他智能芯片集成在一起的巨大优势，将成为传感器的主要生产技术与应用形式。消费电子、汽车电子、医疗服务是MEMS传感器的主要应用市场，今后MEMS的应用领域将逐渐扩大，包括正在兴起的可穿戴设备、物联网、以及和人们生活息息相关的智能家居和智能城市都是潜力很大的应用领域。而这些新兴领域需要的主要核心架构是将低功耗MCU、eNVM、Analog & PM IC，及无线与连接芯片加以整合，再连接各种传感器芯片，因此提供芯片与传感器集成整合的解决方案与制程实现将意义重大，发展空间很大。

从技术的角度分析，引线键合仍然是最通用最经济的芯片连接方式。虽然圆片级封装（WLP）及硅穿孔（TSV）已被考虑引入到MEMS的封装中，但是其高昂的成本、较差的集成可行性、较低的良率与可靠性使得其应用停滞不前。事实证明，成熟稳健的引线键合技术才是MEMS传感集成可行的连接方式。

当前国际上针对MEMS传感芯片与IC芯片集成的方案仍然停留在将MEMS芯片与IC芯片集成在一个塑封体内，这样的模块集成度很低，而且不能将最常用的压力传感芯片集成在其中。如图3、图4所示的封装结构为惯性九轴传感器集成模块目前的产品结构（集成了ASIC/MCU芯片、陀螺仪芯片、加速度传感器芯片以及磁传感器芯片），也是目前国际上最先进的MEMS集成产品了，采用了芯片三维堆叠的方式，但其集成度仍低且不能集成压力传感器。该集成产品模块的特点是：集成度较低（集成了3个MEMS芯片及1个IC芯片）；不能集成压力传感器；只限于惯性传感应用，没有普适性；工艺难于实现，良率较低（小于95%甚至更低）。

目前市场迫切需要推出具有高集成度的MEMS传感模块，也即MEMS芯片与ASIC／MCU芯片或其他芯片的高度集成的封装模块，需要将多个集成电路芯片与多个微机电芯片混合封装在一个模块中。尤其是物联网及可穿戴装置需要的核心构架，即将低功耗的MCU、eNVM、Analog&PM芯片、无线RF与连接芯片以及各类MEMS传感器芯片加以整合，开发出集成传感模块的新的产品构架与集成工艺，并实现产品化。市场需要的是采用传统方式的三维封装就可实现模块集成，其成本低但产品附加值极高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种三维封装模块及封装方法，解决现有技术中微机电芯片与集成电路芯片集成度低、工艺难于实现、良率较低的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：