基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构及制造方法技术方案

本发明专利技术公开了基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构，包括底部结构件和顶部结构件，所述底部结构件与所述顶部结构件通过连接件可拆卸链接，所述底部结构件的上表面设置有底部凹槽，所述底部凹槽内设置有晶上系统，所述晶上系统的下表面与所述底部凹槽之间贴合连接，所述顶部结构件的下表面设置有顶部凹槽，所述顶部凹槽内通过连接件连接有PCB预制件，所述PCB预制件的另一端通过弹性连接器连接所述晶上系统。本发明专利技术不仅可解决大尺寸晶上系统与翘曲PCB板连通问题，还可以解决晶上系统散热问题，从而为晶上系统的供电、调试、信号输入输出提供技术支撑，为更高速率、更大容量的晶上系统的设计与制造提供技术保障。统的设计与制造提供技术保障。统的设计与制造提供技术保障。

【技术实现步骤摘要】
基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构及制造方法


[0001]本专利技术涉及微纳加工技术、液冷流道技术、硅通孔（TSV）技术、印制电路板制作技术、机械加工技术、大功率散热等
，尤其涉及一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构及制造方法。

技术介绍

[0002]在半导体制造领域，有一个著名的摩尔定律，然而，近些年来，微纳加工线宽已达到3nm甚至更小尺寸，摩尔定律已逐渐失效，工艺进步对计算性能的提升明显放缓，而万物互联的数据量却在指数级爆炸式增长，数据规模和计算能力的“剪刀差”鸿沟越来越大，集成电路正在迎来“后摩尔时代”的技术与产业重大变革期。
[0003]针对摩尔定律已存在不可延续的难题，学术界和产业界主要采用芯片级集成（SOC）技术，系统级封装（SIP）技术和晶圆级系统（SOW）技术对摩尔定律进行扩展。SOC技术本质上仍是芯片设计技术，把不同功能相同工艺的芯片集成在一起，受制于芯片加工技术和半导体材料的性能，SOC难以形成功能强大的独立系统；高密度基板是SIP集成的物理载体，其功能包括元器件之间的电气互连，传输射频、模拟、数字等信号，并且可内埋集成部分无源元件以及功分器、滤波器等，为元器件提供散热通道。SIP封装技术本质上是采用多颗芯片利用flip chip工艺或者wire bonding工艺进行2D封装，封装后的器件仍需要贴装在PCB上与其它器件（如电源管理、接口驱动、I/O接口器件）协同工作。并且SIP由于其本身集成规模的限制，以及部分功能集成手段的制约，仍很难综合解决散热、电源、外部互连和平台集成等系统必备需求，也无法构成独立的系统。
[0004]与SOC和 SIP不同的是：SOW所使用的基板为整张半导体晶圆，如2至12英寸硅晶圆，晶圆不划片，晶圆使用RDL工艺进行布线，晶圆采用半导体工艺根据系统功能制备有源器件，如开关、运算放大器、ADC、逻辑单元电路等，也可根据系统应用需求不制备器件，仅使用RDL布线，并使用整张晶圆替代传统基板，所有功能电路和有源单元均在晶圆上集成。SOW贯穿到集成电路设计、加工和封装的全流程，融合预制件组装和晶圆集成等先进理念，借助晶圆级互连的高带宽、低延迟、低功耗等显著优势，可以实现单一晶圆上集成成千上万的传感、射频、计算、存储、通信等“预制件”颗粒。通过打破现有集成电路的设计方法、实现材料、集成方式等边界条件，有效破解当前芯片性能极限并打破关键信息基础设施依赖“堆砌式”工程技术路线面临的“天花板效应”，刷新传统装备或系统的技术物理形态，使系统综合技术指标获得连乘性增益，满足智能时代5G、大数据、云平台、AI、边缘计算、智慧网络等新一代基础设施的可持续发展需求。
[0005]然而，受晶圆的机械强度及RDL布线规则约束，大尺寸SOW实现难度遇到前所未有的挑战，主要原因在于尽管核心算力、存储、控制、接口IP等功能模块可以在晶圆上集成，但外围电路如电源管理模块、I/O接插件、换能传感器、显示模块、机械传动模块仍需要集成在传统PCB板上，这是因为PCB板材的机械强度和布线层数远胜于晶圆。因此，为实现SOW稳定、可靠、高效地工作，融合晶圆电路和PCB电路各自的优势，将SOW和PCB集成在一起成为了良
好的解决方案。但PCB电路板由于布线导致内层残铜率不一致，正反面过孔不对称，各层层压材料、厚度不一致，层压子板热膨胀系数（CTE）不相同。
[0006]为此，我们提出一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构及制造方法以解决上述技术问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构及制造方法，通过刚性结构件凹槽固定并展平翘曲的PCB板，通过粘稠胶和结构件凹槽固定晶上系统，芯粒和晶圆压焊点通过TSV孔连接，利用弹性连接器连接PCB焊盘和晶圆压焊点，解决了大尺寸晶圆与翘曲PCB之间的信息交互问题，利用结构件液冷通道解决了晶上系统散热问题。
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构，包括底部结构件和顶部结构件，所述底部结构件与所述顶部结构件通过连接件可拆卸链接，所述底部结构件的上表面设置有底部凹槽，所述底部凹槽内设置有晶上系统，所述晶上系统的下表面与所述底部凹槽之间贴合连接，所述顶部结构件的下表面设置有顶部凹槽，所述顶部凹槽内通过连接件连接有PCB预制件，所述PCB预制件的另一端通过弹性连接器连接所述晶上系统。
[0009]进一步地，所述晶上系统包括晶圆、芯粒、有机填充物、晶圆压焊点、晶圆键合点和芯粒键合点，所述晶圆设置于所述底部凹槽内，所述晶圆上设置有若干组贯通的TSV孔，所述TSV孔对应的所述晶圆的下表面设置有所述晶圆键合点，所述晶圆键合点的下表面连接所述芯粒键合点，所述芯粒键合点的另一端连接所述芯粒，相邻所述芯粒之间填充所述有机填充物，所述TSV孔对应的所述晶圆的上表面设置所述晶圆压焊点。
[0010]进一步地，所述晶圆键合点的下表面通过热压键合工艺或者无污染焊接工艺键合连接所述芯粒键合点。
[0011]进一步地，每组所述TSV孔为四个，且所述TSV孔与所述晶圆键合点交错设置。
[0012]进一步地，所述PCB预制件包括PCB板和焊盘，所述顶部凹槽的上表面设置有若干凸台，所述PCB板上设置有与所述凸台对应的贯通孔，所述PCB板通过连接件贯穿所述贯通孔并延伸至所述凸台与所述顶部凹槽连接，所述PCB板的下表面均布设置有若干盲孔，所述盲孔与所述晶圆压焊点对应，所述盲孔的顶壁设置所述焊盘，所述焊盘的下表面连接所述弹性连接器，所述弹性连接器的另一端连接所述晶圆压焊点。
[0013]进一步地，所述底部结构件的内部设置有液冷通道。
[0014]进一步地，所述液冷通道两端设置有接头。
[0015]进一步地，所述底部结构件和顶部结构件的材质为金属或者陶瓷，所述底部结构件的上表面设置有若干定位孔，所述顶部结构件的下表面设置有与所述定位孔契合连接的定位销。
[0016]进一步地，所述弹性连接器为微弹簧、毛纽扣或弹性绝缘子。
[0017]本专利技术还提供一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构的制造方法，包括以下步骤：步骤S1：在PCB板上加工若干贯通孔，在PCB板的下表面加工若干盲孔，盲孔内焊接焊盘，形成PCB预制件；
步骤S2：通过微纳工艺在晶圆上制备若干贯通的TSV孔，TSV孔对应的晶圆的上表面设置晶圆压焊点，TSV孔对应的晶圆的下表面设置晶圆键合点，将若干芯粒倒扣在晶圆上，使芯粒键合点与晶圆键合点对齐，并使用热压键合工艺或者无污染焊接工艺键合连接在一起，再使用有机填充物填充缝隙，然后使用CMP工艺磨平、减薄，形成晶上系统；步骤S3：加工顶部结构件，顶部结构件下表面制备顶部凹槽，顶部凹槽内制备凸台，顶部结构件的下表面设置定位销；步骤S4：加工底部结构件，底部结构件上表面制备底部凹槽，底部结构件还制备与顶部结构件契合定位孔，底部结构件内部制备封闭液冷通道；步骤S5：将PCB预制件安置在顶部结构件的顶部凹槽内，使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构，其特征在于，包括底部结构件（1）和顶部结构件（2），所述底部结构件（1）与所述顶部结构件（2）通过连接件可拆卸链接，所述底部结构件（1）的上表面设置有底部凹槽（12），所述底部凹槽（12）内设置有晶上系统（3），所述晶上系统（3）的下表面与所述底部凹槽（12）之间贴合连接，所述顶部结构件（2）的下表面设置有顶部凹槽（22），所述顶部凹槽（22）内通过连接件连接有PCB预制件（5），所述PCB预制件（5）的另一端通过弹性连接器（6）连接所述晶上系统（3）。2.如权利要求1所述的一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构，其特征在于，所述晶上系统（3）包括晶圆（31）、芯粒（32）、有机填充物（33）、晶圆压焊点（34）、晶圆键合点（35）和芯粒键合点（36），所述晶圆（31）设置于所述底部凹槽（12）内，所述晶圆（31）上设置有若干组贯通的TSV孔（311），所述TSV孔（311）对应的所述晶圆（31）的下表面设置有所述晶圆键合点（35），所述晶圆键合点（35）的下表面连接所述芯粒键合点（36），所述芯粒键合点（36）的另一端连接所述芯粒（32），相邻所述芯粒（32）之间填充所述有机填充物（33），所述TSV孔（311）对应的所述晶圆（31）的上表面设置所述晶圆压焊点（34）。3.如权利要求2所述的一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构，其特征在于，所述晶圆键合点（35）的下表面通过热压键合工艺或者无污染焊接工艺键合连接所述芯粒键合点（36）。4.如权利要求2所述的一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构，其特征在于，每组所述TSV孔（311）为四个，且所述TSV孔（311）与所述晶圆键合点（35）交错设置。5.如权利要求2所述的一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构，其特征在于，所述PCB预制件（5）包括PCB板（51）和焊盘（52），所述顶部凹槽（22）的上表面设置有若干凸台（221），所述PCB板（51）上设置有与所述凸台（221）对应的贯通孔（511），所述PCB板（51）通过连接件贯穿所述贯通孔（511）并延伸至所述凸台（221）与所述顶部凹槽（22）连接，所述PCB板（51）的下表面均布设置有若干盲孔（512），所述盲孔（512）与所述晶圆压焊点（34）对应，所述盲孔（512）的顶壁设置所述焊盘（52），所述焊盘（52）的下表面连接所述弹性连接器（6），所述弹性连接器（6）的另一端连接所述晶圆压焊点（34）。6.如权利要求1所述的一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构，其特征在于，所述底部结构件（1）的内部设置有液冷通道（13）。7.如权利要求6所述的一种基于TSV工艺晶上系统与PCB板互连结构，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓庆文，张坤，李顺斌，张汝云，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：