一种无引线的三维异构集成结构及其制造方法与流程

1.本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种无引线的三维异构集成结构及其制造方法。

背景技术：

2.随着万物互联、智能感知的时代到来，微电子传感器被越来越广泛地应用于工厂生产和人们的日常生活中。微电子传感器通常是把探测到的力、热、声、光、化学等信号转化电信号，再由集成电路芯片读出。虽然微电子传感器的材料和制造工艺与微电子集成电路相似，但是实际生产中，由于传感器通常具有深槽或悬浮敏感结构而集成电路是平面结构，需要考虑光刻胶对不同器件的台阶覆盖能力。此外，传感器和集成电路的前后制造工艺间也会产生影响，所以一般很难在一个芯片中同时制造传感器部分和集成电路部分，只有通过精巧地结构设计和工艺设计才能实现传感器和集成电路的单片集成。很多电子系统是将传感器先单独封装，再与集成电路用一起焊接在电路板上，其中传感器表头信号引出最常采用的方式是引线键合。这种封装方式不仅增大了占用面积，而且过长的互连线寄生效应明显。此外，引线键合的方式也降低了器件的可靠性。
3.虽然近年来有些文献报道了传感器的无引线键合技术，但是通常是先将传感器与基片键合，再在基片的引线孔里填充导电浆料和引针。整个工艺过程不仅繁琐，而且导电浆料、引针等材料也与集成电路工艺不兼容，难以应用于大规模的传感器与集成电路的混合集成。
4.硅通孔（tsv）技术是先进封装领域里的一项关键技术，是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，使芯片在三维方向堆叠。垂直导通一般是通过在深刻蚀的硅通孔中填充铜、钨等导电材料实现的，代替了传统的引线键合方法，可以减小互联长度，减小信号延迟，降低电容/电感，有助于降低功耗、提升速率、提高器件可靠性、增加带宽和实现器件集成的小型化。但是，微电子传感器通常具有三维悬浮结构，很多情况下需要气密键合，单一的tsv键合技术无法提供微电子传感器对于气密性的需求。同时集成电路芯片随着集成程度的提高，面临发热严重的问题，需要通过微流体进行散热。

技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种无引线的三维异构集成结构及其制造方法，利用与硅通孔技术兼容的材料和工艺条件，在硅通孔转接板上实现三维微电子传感器和集成电路的共封，其具体技术方案如下：一种无引线的三维异构集成结构，包括基于硅晶圆基板的异构集成部分、基于复合硅通孔转接板的垂直通孔部分、基于密封环的密封键合部分，以及不同功能的芯片；所述异构集成部分通过密封键合部分和垂直通孔部分的配合设置，与不同功能的芯片集成连接。
6.进一步地，所述基于复合硅通孔转接板的垂直通孔部分，具体包括：在复合硅通孔
转接板上刻蚀得到分立设置或耦合设置的垂直通孔，即对包括的电学垂直通孔、光学垂直通孔和微流体垂直通孔分立设置或者耦合设置；所述光学垂直通孔中设有包层和芯层，芯层的材料优选但不局限于空气、有机聚合物su8或硅，包层的材料优选但不局限于二氧化硅；所述微流体垂直通孔中有冷却液上下流动供芯片散热；所述电学垂直通孔中优选但不局限于二氧化硅作为侧壁的绝缘层，孔中填充电镀铜作为导电金属；其中，所述耦合设置具体为：将所述电学垂直通孔采用空心闭环形或开环形结构与所述光学垂直通孔和微流体垂直通孔分别耦合或同时耦合形成用于同时提供电学导通、冷却液上下流动、光路信号传输的复合垂直通孔结构。
7.进一步地，所述复合硅通孔转接板上、下表面分别光刻和刻蚀有焊盘和微凸点，所述不同功能的芯片通过自身焊盘与复合硅通孔转接板上的微凸点键合，后经所述电学垂直通孔将芯片电信号无引线引出。
8.进一步地，所述基于硅晶圆基板的异构集成部分，其中硅晶圆基板为单层或双层结构，当为单层结构时，具体包括：所述硅晶圆基板上设有水平方向的重布线层，通过微凸点和所述电学垂直通孔连接组成电学互连结构，将不同功能的芯片相互之间电连接；所述硅晶圆基板上的水平方向的光波导结构，所述光波导结构通过微镜与光学垂直通孔形成光学互连结构；所述硅晶圆基板上的水平方向微流道，与所述微流体垂直通孔键合形成冷却液流通结构；当硅晶圆基板为双层结构时，具体为：硅晶圆基板由上层的电学横向重布线转接板和其下层的微流体-光学横向重布线转接板三维堆叠组成，所述电学横向重布线转接板上设有水平方向的重布线层和垂直通孔，所述微流体-光学横向重布线转接板设有水平方向的光波导结构、微流道，以及垂直通孔。
9.进一步地，所述密封键合部分是使用与复合硅通孔转接板上的垂直通孔部分的填充材料兼容的材料制作的光波导密封环、微流道密封环和微电子传感器密封环。
10.进一步地，所述微电子传感器密封环将对应的微电子传感器气密键合于复合硅通孔转接板上；所述光波导密封环采用铜密封环或铜/锡密封环，生长于所述光学垂直通孔底部周围；所述微流道密封环采用铜密封环或铜/锡密封环，生长于所述微流体垂直通孔底部周围、水平方向微流道周围、芯片的底部与水平方向微流道对应位置的周围；所述微流体垂直通孔、微流道密封环、水平方向微流道与芯片的底部构成闭合管路，闭合管路中的冷却液优选但不局限于水。
11.进一步地，所述不同功能的芯片包括微电子传感器、集成电路芯片、光电子芯片。
12.一种无引线的三维异构集成结构的制造方法，首先以复合硅通孔转接板为键合基板的密封键合，然后再以硅晶圆基板为键合基板的密封键合，从而构成无引线的三维异构集成结构；具体的：在硅晶圆上刻蚀电学垂直孔并进行孔内侧壁氧化，在硅晶圆上表面溅射金属种子层并电镀生长铜柱，以及抛光再生长重布线层，形成电学互连结构；再光刻刻蚀垂直孔，进行孔内侧壁氧化并填充该垂直孔的芯层材料得到光学垂直互连结构；接着在所述硅晶圆上表面溅射金属种子层，光刻并电镀生长对应不同功能芯片的微凸点和密封环；再
在硅晶圆上表面光刻刻蚀出用于微电子传感器的三维敏感膜片封装的腔体凹槽；之后对所述硅晶圆的下表面进行减薄处理得到电学垂直通孔、光学垂直通孔，再继续在下表面并电镀生长焊盘、微凸点、密封环；之后在所述硅晶圆的上表面直接刻蚀微流体垂直通孔，得到复合硅通孔转接板；最后将不同功能的芯片集成封装在复合硅通孔转接板上；然后再将集成封装有芯片的复合硅通孔转接板与硅晶圆基板密封键合，集成封装成无引线的三维异构集成结构；其中，所述的键合采用铜-铜直接热压键合或铜-锡瞬态液相键合，当采用铜-铜直接热压键合时，所述溅射金属种子层优选溅射钛/铜种子层，优选钛的粘附层厚度为 300
å
~500
å
，优选铜的金属种子层厚度以3000
å
~5000
å
，所述铜柱和铜环的高度优选3μm ~6μm；当采用铜-锡瞬态液相键合时，继续电镀生成的锡层的高度优选5μm ~10μm。
13.进一步地，芯片采用微电子传感器时，微电子传感器的三维敏感膜片在硅通孔转接板上的键合，具体为：采用铜-铜直接热压键合或铜-锡瞬态液相键合将三维敏感膜片通过铜密封环或铜/锡密封环在所述硅通孔转接板上密封键合。
14.进一步地，芯片采用微电子传感器时，微电子传感器在硅通孔转接板上的键合步骤包括：首先在三维敏感膜片的上下表面优选溅射钛/铜种子层，然后在带有深槽结构的三维敏感膜片表面用喷胶的方法实现第一光刻胶涂覆，在不带有深槽结构的三维敏感膜片表面用甩胶的方法实现第二光刻胶涂覆，且在两个表面分别光刻出密封环和电极柱的图形并电镀生长密封环和电极柱，之后在传感器键合基板上电镀生长对应的铜密封环或铜/锡密封环，再用铜-铜直接热压键合或铜-锡瞬态液相键合将三维敏感膜片与传感器键合基板气密键合，划片后得到独立自封装的微电子传感器，最后通过微电子传感器的焊盘与所述硅通孔转接板上的微凸点键合。
15.相对于现有技术，本发明具有如下优点：第一，本发明实现了微电子传感芯片、集成电路芯片、光电芯片的晶上三维异构集成，同时具有局部冷却散热的功能，不仅适用于芯片级的多功能系统集成，也适用于晶圆级的多功能系统集成。
16.第二，本发明使用与硅通孔技术兼容的材料和工艺条件，同时实现了微电子传感器的气密键合和无引线电信号引出，并与集成电路芯片实现了单片集成，相比与传统的引线键合方法减小了互联长度，减小了信号延迟，降低了电容/电感，有助于降低功耗、提升速率、提高器件可靠性、增加带宽和实现器件集成的小型化。
17.第三，本发明以硅通孔转接板为键合基板的键合方法，可以在一步键合工艺内同时实现微电子传感器敏感膜片的气密键合和电信号无引线引出，工艺简便兼容性好。
18.第四，本发明以硅晶圆基板为键合基板的键合方法，通过喷胶工艺解决了传统的甩胶工艺难以在具有深槽结构的微电子传感器敏感膜片表面涂布光刻胶的难题，进而实现了微电子传感器的晶圆级气密键合，并可以推广至多层气密键合。
附图说明
19.图1a至1g是本发明实施例的微电子传感器的三维敏感膜片直接在硅通孔转接板上实现与集成电路混合共封的主要工艺流程的结构示意图；
图2a至2i是本发明实施例的将传感器封装后与集成电路通过硅通孔转接板实现混合共封的主要工艺流程的结构示意图；图3是本发明实施例的采用微电子传感器的三维敏感膜片的一种无引线的三维异构集成结构示意图；图4是本发明实施例的采用微电子传感器的一种无引线的三维异构集成结构示意图；图5是本发明实施例的采用电学-光学-微流体复合垂直通孔结构的俯视示意图和剖面示意图；图6是本发明实施例的基于空心闭环形电学-光学-微流体复合垂直通孔结构的一种无引线的三维异构集成的主要工艺流程的结构示意图；图7是本发明实施例的基于空心开环形电学-光学-微流体复合垂直通孔结构的一种无引线的三维异构集成的主要工艺流程的结构示意图；图8a至8b是本发明实施例的基于空心开环形电学-光学-微流体复合垂直通孔结构的电学、光学、微流体晶上横向重布线示意图；图9是本发明实施例的硅晶圆基板为双层结构时的无引线的三维异构集成结构示意图。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
21.实施例1：如图3和图4所示，本发明实施例的一种无引线的三维异构集成结构，实现不同功能芯片的晶上三维异构集成，包括基于硅晶圆基板19的异构集成部分、基于复合硅通孔转接板20的垂直通孔部分、基于密封环的密封键合部分，以及不同功能的芯片；所述异构集成部分通过密封键合部分和垂直通孔部分的配合设置，与不同功能的芯片集成连接；其中，所述不同功能的芯片包括微电子传感器17、集成电路芯片18、光电子芯片22等。
22.所述基于复合硅通孔转接板20的垂直通孔部分，具体包括：在复合硅通孔转接板20上刻蚀得到光学垂直通孔21，所述光学垂直通孔中设有包层和芯层，芯层的材料优选但不局限于空气、有机聚合物su8或硅，包层的材料优选但不局限于二氧化硅；在复合硅通孔转接板20上刻蚀并生长电学垂直通孔1，所述复合硅通孔转接板20上、下表面分别光刻和刻蚀有焊盘和微凸点，不同功能的芯片通过自身焊盘与复合硅通孔转接板20上的微凸点键合，后经所述电学垂直通孔1将芯片电信号无引线引出。该部分结构作为芯片的电学引出结构，实现电学无引线引出，以代替传统的引线键合方式。
23.在复合硅通孔转接板20上刻蚀供冷却液上下流动的微流体垂直通孔23。
24.所述密封键合部分是使用与复合硅通孔转接板20上的垂直通孔部分的填充材料兼容的材料制作的微电子传感器密封环7、光波导密封环30、微流道密封环31，采用与硅通孔键合工艺兼容的工艺条件实现微电子传感器17、光波导通路、微流道的气密键合。
25.所述微电子传感器密封环7将微电子传感器17气密键合于复合硅通孔转接板20上。
26.所述光学垂直通孔21底部周围生长铜密封环或铜/锡密封环，作为光波导密封环30，用于与硅晶圆基板19密封键合；所述微流体垂直通孔23底部周围、水平方向微流道27周围、芯片的底部与水平方向微流道27对应位置的周围生长有微流道密封环31，微流道密封环31为铜密封环或铜/锡密封环31，用于与硅晶圆基板19密封键合。
27.所述微流体垂直通孔23、微流道密封环31、水平方向微流道27与被散热的集成电路芯片18的底部构成闭合管路，闭合管路中的冷却液优选但不局限于水，在闭合管路里流动，带走芯片工作时产生的热量。
28.所述基于硅晶圆基板19的异构集成部分，具体包括：所述硅晶圆基板19上设有水平方向的重布线层24，通过微凸点键合和所述电学垂直通孔1连接组成电学互连结构，引出电学信号，将不同功能的芯片相互之间电连接；所述硅晶圆基板19上的水平方向的光波导结构，所述光波导结构通过微镜40与光学垂直通孔21形成光学互连结构，实现光电子器件与外界通信的光学通路；所述硅晶圆基板19上的水平方向微流道27，用于冷却液水平方向流动吸热，与供冷却液上下流动的微流体垂直通孔23共同形成冷却液流通结构。
29.本发明的集成结构可以是芯片级的多功能芯片异构集成，也可以是晶圆级的多功能芯片异构集成；所述硅通孔转接板20可以是一个也可以是多个，可以是一层也可以是多层三维堆叠。
30.本发明的无引线的三维异构集成结构的制作方法，首先以复合硅通孔转接板20为键合基板的密封键合，然后再以硅晶圆基板19为键合基板的密封键合，从而构成无引线的三维异构集成结构；具体的：在硅晶圆上刻蚀电学垂直孔并进行孔内侧壁氧化，在硅晶圆上表面溅射金属种子层并电镀生长铜柱，以及抛光再生长重布线层24，形成电学互连结构；再光刻刻蚀垂直孔，进行孔内侧壁氧化并填充该垂直孔的芯层材料得到光学垂直互连结构；接着在所述硅晶圆上表面溅射金属种子层，光刻并电镀生长对应不同功能芯片的微凸点和密封环；再在硅晶圆上表面光刻刻蚀出用于微电子传感器17的三维敏感膜片封装的腔体凹槽；之后对所述硅晶圆的下表面进行减薄处理得到电学垂直通孔1、光学垂直通孔21，再继续在下表面并电镀生长焊盘、微凸点、密封环；之后在所述硅晶圆的上表面直接刻蚀微流体垂直通孔23，得到复合硅通孔转接板20；最后将不同功能的芯片集成封装在复合硅通孔转接板20上；然后再将集成封装有芯片的复合硅通孔转接板20与硅晶圆基板19密封键合，集成封装成无引线的三维异构集成结构。
31.本实施例中，如图1a至图1g所示为微电子传感器的三维敏感膜片9直接在硅通孔转接板20上实现与集成电路芯片混合共封的主要工艺结构，具体包括以下内容：在复合硅通孔转接板20的上下表面优选溅射钛/铜种子层2，如图1a所示，优选钛为粘附层厚度以 300
å
~500
åꢀ
为宜，优选铜为种子层厚度以3000
å
~5000
å
为宜。
32.在所述硅通孔转接板20的上表面光刻出微电子传感器的电极柱和密封环的图形，并在电极柱和密封环的位置生长铜柱及铜环3，如图1b所示，优选电镀铜柱/环的高度以3~6μm为宜；如果后续采用铜-锡键合的方式还应电镀生长锡层4，高度以5~10μm为，如图1c所示；如果后续采用铜-铜键合的方式则无需生长锡层。
33.在所述硅通孔转接板20的上、下表面分别光刻和刻蚀出焊盘5，如图1d所示；之后，
在所述硅通孔转接板20的表面光刻并刻蚀出微电子传感器的密封腔6，如图1e所示。
34.用完全相同的键合温度、压力等条件下将微电子传感器的三维敏感膜片9和集成电路芯片18集成封装在硅通孔转接板20上，键合方法为铜-铜直接热压键合，如图1f所示，或铜-锡瞬态液相键合，如图1g所示，微电子传感器键合时可以根据需要调整真空度，键合温度以200℃~400℃为宜，键合压强为0.5mpa~30mpa为宜，键合时间以15~120min为宜。
35.在上述键合过程中同时完成了微电子传感器的三维敏感膜片9的气密键合、三维敏感膜片9和集成电路芯片18的无引线电信号引出。
36.如图2a至2g所示为将传感器封装后与集成电路通过硅通孔转接板实现混合共封的主要工艺流程的结构。
37.在晶圆级的三维敏感膜片9的上下表面优选溅射钛/铜种子层2，优选钛为粘附层厚度以 300
å
~500
åꢀ
为宜，优选铜为种子层厚度以3000
å
~5000
å
为宜，如图2a所示。
38.在带有深槽结构的三维敏感膜片表面通过喷胶实现第一光刻胶涂覆11，不带有深槽结构的三维敏感膜片表面通过甩胶实现第二光刻胶涂覆12，再在正反两个表面分别光刻出密封环和电极柱的图形，如图2b所示。
39.电镀生长密封环13和电极柱14，优选电镀铜柱/环的高度以3~6μm为宜，如图2c所示；之后，在晶圆级的传感器键合基板上电镀生长对应的铜密封环15，如图2d所示，如果后续采用铜-锡键合的方式还应电镀生长锡层16，高度以5~10μm为宜，如图2e所示，如果后续采用铜-铜键合的方式则无需生长锡层；之后，进行第一步键合，用铜-铜直接热压键合，如图2f所示，或如图2g所示的铜-锡瞬态液相键合实现传感器的晶圆级气密键合。
40.用如图2h所示的铜-铜直接热压键合或如图2i所示的铜-锡瞬态液相键合用完全相同的键合温度、压力等条件下将微电子传感器17和集成电路芯片18集成封装在硅晶圆基板19上。
41.所述集成结构可以是芯片级的多功能芯片异构集成，也可以是晶圆级的多功能芯片异构集成；所述硅通孔转接板20可以是一个也可以是多个，可以是一层也可以是多层三维堆叠。
42.实施例2：如图9所示，本发明实施例的硅晶圆基板（19）为双层结构时的无引线的三维异构集成结构示意图。具体内容如下：为了进一步提升所述复合硅通孔转接板20面积的利用率，同时进一步提升光电集成系统的集成密度和散热能力，所述电学垂直通孔1可以采用空心环形或开环形结构并与所述光学垂直通孔21和微流体垂直通孔23耦合起来形成可以同时提供电学导通、冷却液上下流动、光路信号传输的复合垂直通孔结构。
43.如图5所示，其中的图5中的（a）所示为采用实心结构的电学通孔1与光学垂直通孔21和微流体垂直通孔23分立排布设置在所述复合硅通孔转接板20上，图5中的（b）至图5中的（l）是采用空心闭环形或空心开环形结构的电学垂直通孔1与所述光学垂直通孔21、微流体垂直通孔23分别耦合或同时耦合起来形成可以同时提供电学导通、冷却液上下流动、光路信号传输的复合垂直通孔结构示意。所述电学垂直通孔1与所述光学垂直通孔21、微流体垂直通孔23的横截面外形可以根据需要制成圆形、方形或其他多边形，三者横截面可以根据需要设置成实心、空心或半空心，三者外形根据布线需要可以设置成开环或闭环，三者之
间可以根据需要设置成分立排布也可以设置成其中两种耦合或三者耦合。图5中的（m）是图5中的（d）所述耦合结构的剖面结构。图5中的（n）是图5中的（f）或者图5中的（i）的剖面结构，其深槽台阶的图形化同样可以使用所述深槽喷胶工艺实现。在所述光学垂直通孔21、微流体垂直通孔23表面的周围也同样分别设置有光波导密封环30、微流道密封环31，图5中的（o）为在图5中的（g）复合垂直通孔结构表面制造带有光波导密封环和微流道密封环的结构示意图。
44.如图6所示，本发明实施例的基于空心闭环形电学-光学-微流体复合垂直通孔结构的一种无引线的三维异构集成的主要工艺流程，具体包括如下步骤：第一步，在所述复合硅通孔转接板20的上表面光刻刻蚀出电学深槽结构32和光学深槽结构33并氧化侧壁。
45.第二步，溅射生长种子层金属，喷胶保护光学深槽并图形化电学深槽，电镀铜填充电学深槽，去除种子层金属并抛光正面；再优选有机聚合物su8填充光学深槽形成芯层，在所述复合硅通孔转接板20的上表面分别光刻刻蚀出微电子传感器的密封腔6；再喷胶保护并光刻刻蚀出微流体深槽结构34，并减薄抛光背面，得到同时具有微电子传感器密封腔6、空心环形电学垂直通孔1、光学垂直通孔21微流体垂直通孔23的复合硅通孔转接板；最后，在所述复合硅通孔转接板的正面和背面生长微电子传感器密封环3、光波导密封环30、微流道密封环31。
46.第三步，在硅片上进行电学互连线的横向重布线35设置，并继续将光学垂直通孔21微流体垂直通孔23垂直引出，得到电学横向重布线转接板36。
47.第四步，在硅片上刻蚀微流道的横向连接槽37和光学通路的横向连接槽38，在所述光学通路的横向连接槽38的结构形成包层39，用刻蚀硅或倾斜光刻光敏有机物并金属化的方式在所述硅片的槽结构中制造微镜40，在所述槽结构中优选填充有机聚合物su8形成芯层41，得到微流体-光学横向重布线转接板42。
48.第五步，将所述复合硅通孔转接板20、电学横向重布线转接板36、微流体-光学横向重布线转接板42三维堆叠得到电学、光学、微流体通路可以在集成结构中任意横向、纵向传输的硅基板。再将微电子传感芯片9、集成电路芯片18、硅光芯片22集成在上述硅基板上，从而实现多芯片的三维异构集成。
49.如图7所示，本发明实施例的基于空心开环形电学-光学-微流体复合垂直通孔结构的一种无引线的三维异构集成的主要工艺流程；由于在本实施例中采用的复合垂直通孔结构外侧的电学垂直通孔1是开环结构，因此内侧的微流体垂直通孔23的横向重布线可以与电学垂直通孔1的横向重布线在同一个硅重布线转接板42上完成。
50.图8a至8b是本发明实施例的基于空心开环形电学-光学-微流体复合垂直通孔结构的电学、光学、微流体晶上横向重布线示意图。图8a是所述复合硅通孔转接板20上的空心开环形复合垂直通孔底部图形，图8b是对应的所述硅重布线转接板42上表面的电学、光学、微流体晶上横向重布线图形。
51.以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种无引线的三维异构集成结构，其特征在于，包括基于硅晶圆基板（19）的异构集成部分、基于复合硅通孔转接板（20）的垂直通孔部分、基于密封环的密封键合部分，以及不同功能的芯片；所述异构集成部分通过密封键合部分和垂直通孔部分的配合设置，与不同功能的芯片集成连接。2.如权利要求1所述的一种无引线的三维异构集成结构，其特征在于，所述基于复合硅通孔转接板（20）的垂直通孔部分，具体包括：在复合硅通孔转接板（20）上刻蚀得到分立设置或耦合设置的垂直通孔，即对包括的电学垂直通孔（1）、光学垂直通孔（21）和微流体垂直通孔（23）分立设置或者耦合设置；所述光学垂直通孔中设有包层和芯层，芯层的材料优选但不局限于空气、有机聚合物su8或硅，包层的材料优选但不局限于二氧化硅；所述微流体垂直通孔（23）中有冷却液上下流动供芯片散热；所述电学垂直通孔中优选但不局限于二氧化硅作为侧壁的绝缘层，孔中填充电镀铜作为导电金属；其中，所述耦合设置具体为：将所述电学垂直通孔（1）采用空心闭环形或开环形结构与所述光学垂直通孔（21）和微流体垂直通孔（23）分别耦合或同时耦合形成用于同时提供电学导通、冷却液上下流动、光路信号传输的复合垂直通孔结构。3.如权利要求2所述的一种无引线的三维异构集成结构，其特征在于，所述复合硅通孔转接板（20）上、下表面分别光刻和刻蚀有焊盘和微凸点，所述不同功能的芯片通过自身焊盘与复合硅通孔转接板（20）上的微凸点键合，后经所述电学垂直通孔（1）将芯片电信号无引线引出。4.如权利要求2所述的一种无引线的三维异构集成结构，其特征在于，所述基于硅晶圆基板（19）的异构集成部分，其中硅晶圆基板（19）为单层或双层结构，当为单层结构时，具体为：所述硅晶圆基板（19）上设有水平方向的重布线层（24），通过微凸点和所述电学垂直通孔（1）连接组成电学互连结构，将不同功能的芯片相互之间电连接；所述硅晶圆基板（19）上的水平方向的光波导结构，所述光波导结构通过微镜（40）与光学垂直通孔（21）形成光学互连结构；所述硅晶圆基板（19）上的水平方向微流道（27）与所述微流体垂直通孔（23）键合形成冷却液流通结构；当硅晶圆基板（19）为双层结构时，具体为：硅晶圆基板（19）由上层的电学横向重布线转接板（36）和其下层的微流体-光学横向重布线转接板（42）三维堆叠组成，所述电学横向重布线转接板（36）上设有水平方向的重布线层（24）和垂直通孔，所述微流体-光学横向重布线转接板（42）设有水平方向的光波导结构、微流道，以及垂直通孔。5.如权利要求4所述的一种无引线的三维异构集成结构，其特征在于，所述密封键合部分是使用与复合硅通孔转接板（20）上的垂直通孔部分的填充材料兼容的材料制作的光波导密封环（30）、微流道密封环（31）和微电子传感器密封环（7）。6.如权利要求5所述的一种无引线的三维异构集成结构，其特征在于，所述微电子传感器密封环（7）将对应的微电子传感器（17）气密键合于复合硅通孔转接板（20）上；所述光波导密封环（30）采用铜密封环或铜/锡密封环，生长于所述光学垂直通孔（21）底部周围；所述微流道密封环（31）采用铜密封环或铜/锡密封环，生长于所述微流体垂直通孔（23）底部周
围、水平方向微流道（27）周围、芯片的底部与水平方向微流道（27）对应位置的周围；所述微流体垂直通孔（23）、微流道密封环（31）、水平方向微流道（27）与芯片的底部构成闭合管路，闭合管路中的冷却液包括水。7.如权利要求1所述的一种无引线的三维异构集成结构，其特征在于，所述不同功能的芯片包括微电子传感器（17）、集成电路芯片（18）、光电子芯片（22）。8.一种无引线的三维异构集成结构的制造方法，其特征在于，首先以硅通孔转接板（20）为键合基板的密封键合，然后再以硅晶圆基板（19）为键合基板的密封键合，从而构成硅硅无引线三维异构集成结构；具体的：在硅晶圆上刻蚀电学垂直孔并进行孔内侧壁氧化，在硅晶圆上表面溅射金属种子层并电镀生长铜柱，以及抛光再生长重布线层（24），形成电学互连结构；再光刻刻蚀垂直孔，进行孔内侧壁氧化并填充该垂直孔的芯层材料得到光学垂直互连结构；接着在所述硅晶圆上表面溅射金属种子层，光刻并电镀生长对应不同功能芯片的微凸点和密封环；再在硅晶圆上表面光刻刻蚀出用于微电子传感器的三维敏感膜片封装的腔体凹槽；之后对所述硅晶圆的下表面进行减薄处理得到电学垂直通孔（1）、光学垂直通孔（21），再继续在下表面并电镀生长焊盘、微凸点、密封环；之后在所述硅晶圆的上表面直接刻蚀微流体垂直通孔（23），得到复合硅通孔转接板（20）；最后将不同功能的芯片集成封装在复合硅通孔转接板（20）上；然后再将集成封装有芯片的复合硅通孔转接板（20）与硅晶圆基板（19）密封键合，集成封装成硅硅无引线三维异构集成结构；其中，所述的键合采用铜-铜直接热压键合或铜-锡瞬态液相键合，当采用铜-铜直接热压键合时，所述溅射金属种子层优选溅射钛/铜种子层，优选钛的粘附层厚度为 300
å
~500
å
，优选铜的金属种子层厚度以3000
å
~5000
å
，所述铜柱和铜环的高度优选3μm ~6μm；当采用铜-锡瞬态液相键合时，继续电镀生成的锡层的高度优选5μm ~10μm。9.如权利要求8所述的一种无引线的三维异构集成结构的制造方法，其特征在于，芯片采用微电子传感器时，微电子传感器的三维敏感膜片（9）在复合硅通孔转接板（20）上的键合，具体为：采用铜-铜直接热压键合或铜-锡瞬态液相键合将三维敏感膜片（9）通过铜密封环或铜/锡密封环在所述硅通孔转接板（20）上密封键合。10.如权利要求8所述的一种无引线的三维异构集成结构的制造方法，其特征在于，芯片采用微电子传感器时，微电子传感器在复合硅通孔转接板（20）上的键合步骤包括：首先在三维敏感膜片（9）的上下表面优选溅射钛/铜种子层（2），然后在带有深槽结构的三维敏感膜片（9）表面用喷胶的方法实现第一光刻胶涂覆（11），在不带有深槽结构的三维敏感膜片（9）表面用甩胶的方法实现第二光刻胶涂覆（12），且在两个表面分别光刻出密封环和电极柱的图形并电镀生长密封环（13）和电极柱（14），之后在传感器键合基板上电镀生长对应的铜密封环或铜/锡密封环，再用铜-铜直接热压键合或铜-锡瞬态液相键合将三维敏感膜片（9）与传感器键合基板气密键合，划片后得到独立自封装的微电子传感器（17），最后通过微电子传感器（17）的焊盘与所述复合硅通孔转接板（20）上的微凸点键合。

技术总结

本发明公开了一种无引线的三维异构集成结构及制造方法，该结构包括密封键合部分、垂直通孔部分和异构集成部分，所述密封键合部分是使用与硅通孔填充材料兼容的材料制作的微电子传感器密封环、光波导密封环、微流道密封环，使用与硅通孔键合工艺兼容的工艺条件实现微电子传感器、光波导通路、微流道的密封键合；所述垂直通孔部分包括电学垂直通孔、光学垂直通孔、微流体垂直通孔；所述异构集成部分是在硅晶圆基板上制作带有重布线层和微凸点的电学互连结构、光学互连结构、冷却液流通结构，并通过使用所述硅晶圆基板、气密键合结构和带有垂直通孔部分的硅通孔转接板实现将不同功能的芯片实现晶上异构三维集成，同时具有局部冷却散热的功能。却散热的功能。却散热的功能。