一种数字电路的封装结构及封装方法与流程

本发明属于集成电路封装技术领域，更具体地说，是涉及一种数字电路的封装结构及封装方法。

背景技术：

集成技术是将不同功能的电子元器件，如各种数字集成电路、无源元件等都集成到一个完整的系统里，能够包含常用的数据处理、存储、模数转换、数模转换、数字接口等常用单元模块。

目前，随着对数字电路的高集成度、高可靠性、多功能性的要求越来越高，促使半导体产业在工艺提升和系统集成化方向的发展越来越快。由于倒装芯片、键合芯片、无源元件对封装的机械性能、散热性能以及气密性的要求不同，现有封装结构无法同时满足各个倒装芯片、键合芯片、无源元件的机械可靠性、散热性能以及气密性封装要求，因此将封装方式不同的倒装芯片、键合芯片、无源元件进行一体封装的难度很大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种数字电路的封装结构及封装方法，旨在解决现有技术中无法将倒装芯片、键合芯片、无源元件进行一体封装的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种数字电路的封装结构，包括：

基板，设有上下贯通的通腔，基板的正面设有金属热沉，金属热沉的底面位于通腔内部并用于焊接或粘接键合芯片；基板的正面还设有键合芯片安装区域以及第一无源元件安装区域，基板的背面设有倒装芯片安装区域、第二无源元件安装区域以及针引线安装区域；

第一封口环，设于基板的正面且位于键合芯片安装区域、第一无源元件安装区域的外围；

第一盖板，封装于第一封口环上且底面与金属热沉的顶面通过导热胶粘接；

第二封口环，设于基板的背面且位于倒装芯片安装区域、第二无源元件安装区域的外围；针引线安装区域位于第二封口环的外围；

第二盖板，封装于第二封口环上且顶面用于与倒装芯片通过导热胶粘接。

作为本申请另一实施例，通腔的顶端设有倒台阶结构，倒台阶结构设有两个以上的台阶面，每个台阶面用于与位于金属热沉底面的键合芯片之间键合一层键合线。

作为本申请另一实施例，第一封口环沿其高度方向的截面为c型、工字型或t型；第二封口环沿其高度方向的截面为c型、工字型或t型。

作为本申请另一实施例，第一盖板的底面设有向下凸出的第一加厚层，金属热沉的顶面与第一加厚层通过导热胶粘接；第二盖板的顶面设有向上凸出的第二加厚层，倒装芯片的底面通过导热胶与第二加厚层粘接。

作为本申请另一实施例，第一盖板的底面与金属热沉的顶面之间设有导热垫片；倒装芯片的底面与第二盖板的顶面之间也设有导热垫片。

作为本申请另一实施例，针引线安装区域能够用于设置pga(pingridarray，插针网格阵列)引出端或ccga(ceramiccolumngridarray，陶瓷柱栅阵列)引出端。

作为本申请另一实施例，基板为氧化铝材料或氮化铝材料；金属热沉为钼铜、钨铜、无氧铜、磁塑高分子复合材料或陶瓷基复合材料；第一封口环、第二封口环、第一盖板、第二盖板为铁镍钴合金或铁镍合金。

本发明提供的一种数字电路的封装结构的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种数字电路的封装结构，由于金属热沉设于基板的正面且底面位于通腔内部，在金属热沉的底面焊接或粘接具有两层以上键合层的键合芯片，从而能够使该键合芯片位于通腔内部，一方面能够避免因具有两层以上键合层的键合芯片的厚度较大而增加封装厚度，另一方面金属热沉能够将该键合芯片的高温传递至第一盖板进行高效散热，从而确保键合芯片具有良好的散热性能；

在基板正面设有键合芯片安装区域、第一无源元件安装区域；基板背面设有第二无源元件安装区域、倒装芯片安装区域，其中，由于倒装芯片的发热量较大，将倒装芯片的底面与第二盖板通过导热胶进行粘接，能够使倒装芯片的热量快速传递至第二盖板进行高效散热，从而保证倒装芯片具有良好的散热性能；

第一封口环设置在基板正面并位于键合芯片安装区域、第一无源元件安装区域的外围，通过在第一封口环上封装第一盖板，能够将键合芯片、第一无源元件进行气密封装；

第二封口环设置在基板背面并位于倒装芯片安装区域、第二无源元件安装区域的外围，通过在第二封口环上封装第二盖板，能够将倒装芯片、第二无源元件进行气密封装；

基板的背面位于第二封口环的外围设有针引线安装区域，方便采用针引线的形式作为引出端，机械可靠性高；

本发明一种数字电路的封装结构能够同时兼容倒装芯片、键合芯片、无源元件，因此能够实现多种不同芯片及无源元件的一体化封装，并能够同时确保各个芯片及无源元件具有良好散热性能、机械可靠性以及封装气密性。

本发明还提供了一种数字电路的封装方法，用于制备上述一种数字电路的封装结构，其特征在于，包括以下步骤：

根据设计的布局布线位置制作相应的基板，并在基板上挖腔获得通腔结构；

在基板背面的针引线安装区域焊接针引线；

将金属热沉焊接于基板的正面，且金属热沉的底面位于通腔内部，顶面向上凸出基板的正面；

在基板的正面焊接第一封口环；在基板的背面焊接第二封口环，且第二封口环的外围为针引线安装区域；

在基板的正面位于第一封口环围成的区域内分区域镀金，分别获得键合芯片安装区域以及第一无源元件安装区域；在基板的背面位于第二封口环围成的区域内分区域镀金，分别获得倒装芯片安装区域以及第二无源元件安装区域；在基板的背面于针引线安装区域内镀金；

在金属热沉的底面上焊接或粘接键合芯片，在各相应区域分别对应焊接或粘接键合芯片、第一无源元件、倒装芯片、第二无源元件；

将各个键合芯片与基板分别进行键合；

在第一封口环上封装第一盖板，在第二封口环上封装第二盖板，其中，金属热沉的顶面与第一盖板的底面通过导热胶粘接，倒装芯片的底面与第二盖板的顶面通过导热胶粘接。

作为本申请另一实施例，第一无源元件安装区域、第二无源元件安装区域、倒装芯片安装区域的镀金厚度小于0.5μm；键合芯片安装区域、针引线安装区域的镀金厚度大于1.3μm。

作为本申请另一实施例，金属热沉、第一封口环、第二封口环分别通过银铜焊料焊接于基板上；第一盖板与第一封口环行平行封焊封装，第二盖板与第二封口环行平行封焊封装。

本发明提供的数字电路的封装方法的有益效果在于：与现有技术相比，通过本发明一种数字电路的封装方法获得的数字电路封装结构具有与上述一种数字电路的封装结构相同的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种数字电路的封装结构的正面结构示意图；

图2为沿图1中a-a线的剖视结构示意图；

图3为图2的仰视结构示意图；

图4为图2中b处的局部放大结构示意图。

图中：1、基板；10、通腔；101、倒台阶结构；11、金属热沉；110、键合线；13、导热垫片；14、针引线安装区域；140、针引线；2、第一封口环；3、第一盖板；30、第一加厚层；4、第二封口环；5、第二盖板；50、第二加厚层；6、键合芯片安装区域；60、键合芯片；7、第一无源元件安装区域；70、第一无源元件；8、倒装芯片安装区域；80、倒装芯片；9、第二无源元件安装区域；90、第二无源元件。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的一种数字电路的封装结构及封装方法进行说明。所述一种数字电路的封装结构及封装方法，包括基板1、第一封口环2、第一盖板3、第二封口环4以及第二盖板5；其中，基板1设有上下贯通的通腔10，基板1的正面设有金属热沉11，金属热沉11的底面位于通腔10内部并用于焊接或粘接键合芯片60；基板1的正面还设有键合芯片安装区域6以及第一无源元件安装区域7，基板1的背面设有倒装芯片安装区域8、第二无源元件安装区域9以及针引线安装区域14；第一封口环2设于基板1的正面且位于键合芯片安装区域6、第一无源元件安装区域7的外围；第一盖板3封装于第一封口环2上且底面与金属热沉11的顶面通过导热胶粘接；第二封口环4设于基板1的背面且位于倒装芯片安装区域8、第二无源元件安装区域9的外围，且针引线安装区域14位于第二封口环4的外围；第二盖板5封装于第二封口环4上且顶面用于与倒装芯片80通过导热胶粘接。

本发明提供的一种数字电路的封装结构的连接方式：金属热沉11设于基板1的正面且底面位于通腔10内部，在金属热沉11的底面焊接或粘接具有两层以上键合层的键合芯片60，能够使键合芯片60位于通腔10内部，一方面能够避免因具有两层以上键合层的键合芯片60的厚度较大而增加封装厚度，另一方面金属热沉11能够将该键合芯片60的高温传递至第一盖板3进行高效散热，从而确保键合芯片60具有良好的散热性能；

在基板1正面设有键合芯片安装区域6、第一无源元件安装区域7；基板1背面设有第二无源元件安装区域9、倒装芯片安装区域8，其中，需要说明，在键合芯片安装区域6内安装具有两层以下键合层的键合芯片60，因其厚度较小安装在基板的正面不影响封装厚度；倒装芯片80的发热量较大，因此将倒装芯片80的底面与第二盖板5通过导热胶进行粘接，能够使倒装芯片80的热量快速传递至第二盖板5进行高效散热，从而保证倒装芯片80具有良好的散热性能；

第一封口环2设置在基板1正面并位于键合芯片安装区域6、第一无源元件安装区域7的外围，通过在第一封口环2上封装第一盖板3，能够将键合芯片60、第一无源元件70进行气密封装；

第二封口环4设置在基板1背面并位于倒装芯片安装区域8、第二无源元件安装区域9的外围，通过在第二封口环4上封装第二盖板5，能够将倒装芯片80、第二无源元件90进行气密封装；

基板1的背面位于第二封口环4的外围设有针引线安装区域14，方便采用针引线140的形式作为引出端，适用0.3～5.08mm的引出端节距范围，适用范围广，机械可靠性高。

本发明提供的一种数字电路的封装结构，与现有技术相比，本发明一种数字电路的封装结构能够同时兼容倒装芯片80、键合芯片60、无源元件，因此能够实现多种不同芯片及无源元件的一体化封装，并能够同时确保各个芯片及无源元件具有良好散热性能、机械可靠性以及封装气密性；

通过对基板1正面和背面的合理布局布线，能够满足对一百件以内的倒装芯片80、三百件以内的键合芯片60以及一万件以内的无源元件进行一体化封装；一体化封装后的整体外形长、宽不超过150mm，厚度不超过20mm，封装结构小，集成化程度高。

作为本发明提供的一种数字电路的封装结构的一种具体实施方式，请参阅图2，通腔10的顶端设有倒台阶结构101，倒台阶结构101设有两个以上的台阶面，每个台阶面用于与位于金属热沉11底面的键合芯片60之间键合一层键合线110。

需要说明的是，位于金属热沉11底面的键合芯片60通常具有两层以上的键合层，在通腔10顶端设置的倒台阶结构101所具有的台阶面数量与键合芯片60的键合层数量相对应，从而确保每层键合线110与对应的台阶面进行键合，并利用倒台阶结构101的递进形状，能够方便对键合芯片60的各个键合层进行逐层键合。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2及图4，第一封口环2沿其高度方向的截面为c型、工字型或t型；第二封口环4沿其高度方向的截面为c型、工字型或t型。

在本实施中，选择c型结构进行说明，由于第一封口环2、第二封口环4与第一盖板3、第二盖板5的材料不同，因此膨胀系数也不相同，在温度变化时，第一封口环2、第二封口环4与基板1之间存在热应力，本发明采用高度方向的截面为c型结构的第一封口环2、第二封口环4，一方面能够增加第一封口环2与基板1正面之间、第二封口环4与基板1背面之间的接触面积，减小热应力，提高连接强度，另一方面能够提高第一封口环2、第二封口环4的结构强度，从而避免因热应力导致的瓷裂漏气现象，确保封装的气密性好。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2及图4，第一盖板3的底面设有向下凸出的第一加厚层30，金属热沉11的顶面与第一加厚层30通过导热胶粘接；第二盖板5的顶面设有向上凸出的第二加厚层50，倒装芯片80的底面通过导热胶与第二加厚层50粘接。

第一盖板3的边缘、第二盖板5的边缘为满足平行封焊需要，厚度通常在0.1～0.15mm，强度较低，通过设置第一加厚层30、第二加厚层50能够增加第一盖板3中间区域、第二盖板5中间区域的厚度，从而提高第一盖板3、第二盖板5的强度，避免在加压试验过程中第一盖板3、第二盖板5发生塌陷。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2，第一盖板3的底面与金属热沉11的顶面之间设有导热垫片13；倒装芯片80的底面与第二盖板5的顶面之间也设有导热垫片13。通过导热垫片13能够将金属热沉11、倒装芯片80的热量快速传递至第一盖板3、第二盖板5，从而提高键合芯片60、倒装芯片80的散热性能。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，针引线安装区域14能够用于设置pga(pingridarray，插针网格阵列)引出端或ccga(ceramiccolumngridarray，陶瓷柱栅阵列)引出端。两种引出方式均具有较高的机械可靠性，能够确保安装可靠稳固。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，基板1为氧化铝材料或氮化铝材料；金属热沉11为钼铜、钨铜、无氧铜、磁塑高分子复合材料或陶瓷基复合材料；第一封口环2、第二封口环4、第一盖板3、第二盖板5为铁镍钴合金或铁镍合金。

本发明还提供一种数字电路的封装方法。请参阅图1至图3，包括以下步骤：

根据设计的布局布线位置制作相应的基板1，并在基板1上挖腔获得通腔10结构；

在基板1背面的针引线安装区域14焊接针引线140；

将金属热沉11焊接于基板1的正面，且金属热沉11的底面位于通腔10内部，顶面向上凸出基板1的正面；

在基板1的正面焊接第一封口环2；在基板1的背面焊接第二封口环4，且第二封口环4的外围为针引线安装区域14；

在基板1的正面位于第一封口环2围成的区域内分区域镀金，分别获得键合芯片安装区域6以及第一无源元件安装区域7；在基板1的背面位于第二封口环4围成的区域内分区域镀金，分别获得倒装芯片安装区域8以及第二无源元件安装区域9；在基板1的背面于针引线安装区域14内镀金；

在金属热沉11的底面上焊接或粘接键合芯片60，在各相应区域分别对应焊接或粘接键合芯片60、第一无源元件70、倒装芯片80、第二无源元件90；

将各个键合芯片60与基板1分别进行键合；

在第一封口环2上封装第一盖板3，在第二封口环4上封装第二盖板5，其中，金属热沉11的顶面与第一盖板3的底面通过导热胶粘接，倒装芯片80的底面与第二盖板5的顶面通过导热胶粘接。

本发明提供的一种数字电路的封装方法，获得的数字电路封装结构具有与上述一种数字电路的封装结构相同的有益效果，在此不再赘述。

作为本发明提供的一种数字电路的封装方法的一种具体实施方式，请参阅图1及图3，第一无源元件安装区域7、第二无源元件安装区域9、倒装芯片安装区域8的镀金厚度小于0.5μm；键合芯片安装区域6、针引线安装区域14的镀金厚度大于1.3μm。

需要说明的是，第一无源元件70、第二无源元件90以及倒装芯片80与基板1焊接时采用金基焊料，与镀层材料(金)成分接近，因此其安装区域需要镀薄金(厚度小于0.5μm)，能够方便焊接；而键合芯片60、针引线140焊接时采用铅锡焊料，由于与镀层材料(金)不同，因此需要镀厚金(厚度大于1.3μm)才能保证焊接质量，在本实施例中采用分区域镀金，且各区域的镀金厚度与该区域焊接所用的焊料类型相匹配，从而确保各个芯片或元件的焊接稳定可靠，提高封装可靠性能。

作为本发明提供的一种数字电路的封装方法的一种具体实施方式，请参阅图2，金属热沉11、第一封口环2、第二封口环4分别通过银铜焊料焊接于基板1上；第一盖板3与第一封口环2行平行封焊封装，第二盖板5与第二封口环4行平行封焊封装。平行封焊的焊接气密性好，牢固可靠。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。