基于三维堆叠封装的风冷散热结构及制造方法与流程

本发明涉及一种基于三维堆叠封装的风冷散热结构及制造方法，属于微电子封装技术领域。

背景技术：

三维封装能显著减少信号互连延迟、提高芯片集成度、降低芯片成本，是未来的集成电路领域的发展方向。然而，随着芯片集成度的提高，芯片工作过程中产生的热量容易集中在封装体内，难以有效散出，目前散热问题是制约三维封装发展的主要原因之一。传统的散热手段如加热沉、风冷、液冷等，能够将封装体表面的温度降低，但内层芯片的热量难以有效散出，而且随着芯片堆叠层数的增加，现有的散热装置效果也越来越不明显。

针对三维堆叠封装的散热问题，专利申请CN201210112868.1提出利用外界动力驱动散热剂循环流过芯片将热量带走。这种结果可以实现较好的散热，但存在如下问题：

（1）可靠性问题：由于存在散热剂，可能会存在散热剂挥发、散热剂泄露、散热剂对焊球的腐蚀等问题，而且芯片长期泡在散热剂中工作，芯片也会因此发生电学上的失效。

（2）在三维封装体外，需要设置外壳密封、流速计、机械泵等，不仅带来体积上的增加，而且带来成本的增加。

（3）组装过程复杂，可实现性不高。

专利申请CN201110432932.X提出了一种POP封装结构，在每一层载板上的底面设有散热片，可以使每一层载板的温度分布均匀，但存在如下问题：

（1）由于导热路径的限制，芯片上产生的热可以平均分布到载板上，但热依然不能有效地排出封装体内部，没有从根本上解决叠层芯片的热问题，中间层芯片仍会过热。

（2）通过增加金属散热片并伸出到封装体外，虽然能提高散热面积，但与此同时带来了体积的增加，而且自然对流下的对流系数太小，自然对流下这种结构的散热效果不明显。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有半导体封装中存在的三维堆叠封装的散热问题，提出了本发明。

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于三维堆叠封装的风冷散热结构及制造方法，这种散热结构不仅工艺简单，制作成本低，与现有封装工艺兼容，而且同比可以实现大幅度降温，有效解决多层（3层或3层以上）堆叠芯片的散热问题，具有应用价值。

按照本发明提供的技术方案，所述基于三维堆叠封装的风冷散热结构，包括依次堆叠于PCB板上的多层基板，在每一层基板的正面设置芯片，芯片的微凸点与基板正面的焊盘连接，基板的背面焊盘处形成BGA焊球；其特征是：在除最底层基板以外的每一层基板中设置通孔，通孔连通基板的正面和背面。

进一步的，在最底层的基板中设置通孔。

进一步的，所述上下层基板的通孔在竖直方向上位置一致。

进一步的，最底层的基板上的通孔与其他各层基板上的通孔错开布置，除最底层基板以外的各个基板上的通孔在竖直方向上重合。

进一步的，在每一层基板的背面设置芯片，芯片的微凸点与基板正面和背面的焊盘连接。

进一步的，所述基板的堆叠层数为2层、3层或3层以上。

进一步的，所述芯片为裸芯片或经过封装后的芯片。

进一步的，所述基板为有机基板、陶瓷基板或Si转接板。

进一步的，所述通孔的位置分布在基板中央，或者在基板两侧。

所述基于三维堆叠封装的风冷散热结构的制造方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）为每一层基板单独预留制作通孔的空白位置，而且上下层基板的空白位置在竖直方向上一致；

（2）制作每一层基板，并在空白位置加工通孔；

（3）将芯片对准基板的焊盘处，加热回流，将芯片与基板通过微凸点组装起来；

（4）在基板的背面焊盘处制作BGA焊球；

（5）将最下层基板对准PCB板，其余上层基板一层层的堆叠起来，加热回流。

本发明具有如下优点：

（1）散热效果好，能够大幅度降低芯片温度，有效解决多层（3层或3层以上）堆叠芯片的热问题；

（2）适用性强，与现有工艺完全兼容，工艺简单；

（3）成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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它的附图。其中：

图1为本发明所述基于三维堆叠封装的风冷散热结构的第一种实施方式的剖面图。

图2为单层基板上的芯片布局图。

图3为风冷散热过程中封装结构内部的气流轨迹图。

图4为本发明所述基于三维堆叠封装的风冷散热结构的第二种实施方式的剖面图。

图5为本发明所述基于三维堆叠封装的风冷散热结构的第三种实施方式的剖面图。

图6为仿真验证的模型。

图7为仿真验证的模型单层基板的芯片分布图。

图8为仿真验证的对比图。

图中标号：芯片101、微凸点102、BGA焊球103、基板104、通孔105、PCB板106、气流轨迹107。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施例，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实施制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

如图1所示：本发明所述基于三维堆叠封装的风冷散热结构的第一种实施方式，包括依次堆叠于PCB板106上的多层基板104，基板104的堆叠层数为4层；在每一层基板104的正面设置芯片101，芯片101采用倒装芯片，芯片101的微凸点102与基板104正面的焊盘连接，基板104的背面焊盘处形成BGA焊球103；在所述每一层基板104中设置通孔105，其中，最底层的基板104上可以打通孔105，也可以不打通孔；所述上下层基板104的通孔105在竖直方向上位置一致。

如图4所示，本发明所述基于三维堆叠封装的风冷散热结构的第二种实施方式，包括依次堆叠于PCB板106上的多层基板104，基板104的堆叠层数为4层；在每一层基板104的正面设置芯片101，芯片101采用倒装芯片，芯片101的微凸点102与基板104正面的焊盘连接，基板104的背面焊盘处形成BGA焊球103；在所述每一层基板104中设置通孔105，其中，最底层的基板104上的通孔105与其他各层基板104上的通孔105错开布置，除最底层的各个基板104上的通孔105在竖直方向上重合。

如图5所示，本发明所述基于三维堆叠封装的风冷散热结构的第三种实施方式，包括依次堆叠于PCB板106上的多层基板104，基板104的堆叠层数为4层；在每一层基板104的正面和背面均设置芯片101，芯片101采用倒装芯片，芯片101的微凸点102与基板104正面和背面的焊盘连接，基板104的背面焊盘处形成BGA焊球103；在所述每一层基板104中设置通孔105，上下各层基板104的通孔105在竖直方向上重合。

上述各个实施方式中，所述芯片101可以为裸芯片，也可以是经过封装后的芯片，封装形式可以为扇出型封装（Fan-out）、圆片级封装（WLCSP）、四方扁平封装（QFN）等形式。所述基板104可以为有机基板，也可以为陶瓷基板，也可以为Si转接板。所述通孔105的位置可以分布在基板中央，也可以在基板两侧；可以有序分布，也可以随机分布；可以为多个阵列的小孔，也可以为较大的孔。所述通孔105的制作方式可以为激光打孔，也可以为机械切削方式加工。

本发明所述的散热结构针对风冷散热，使用时需在封装体上端置一风扇，通风后封装体内的气流轨迹107如图3所示。

本发明所述基于三维堆叠封装的风冷散热结构的制造方法，包括以下步骤：

（1）在三维堆叠封装的电学设计中，为每一层基板104单独预留一些制作通孔105的空白位置，而且上下层基板104的空白位置在竖直方向上一致；

（2）根据电学设计的版图，制作每一层基板104，并在空白位置加工通孔105；

（3）芯片101采用倒装芯片，对准基板104正面的焊盘处，加热回流，将芯片101与基板104通过微凸点102组装起来；

（4）在基板104的背面焊盘处通过钢网印刷焊锡膏，加热回流，形成BGA焊球103，形成如图2所示结构；

（5）将最下层基板对准PCB板106，其余上层基板一层层的堆叠起来，加热回流，形成如图1所示结构。

本发明采用在每一层基板上制作通孔的形式，形成上下层“风道”，有效解决了三维堆叠封装内层芯片过热的问题。这种散热结构不仅工艺简单，制作成本低，而且与现有封装工艺兼容，具有广泛的应用价值。

仿真验证：使用icepak软件对散热结构进行验证：如图6、图7所示，模型中堆叠了5层基板，每一层基板上阵列分布9块芯片，每层基板上开了4个小孔。如图8所示为验证对比图，图8中线条1为基板上具有通孔的结构的封装体，线条2为传统结构的封装体。当总功耗为18W时，传统结构的热点温度超过100度，而具有通孔结构的封装体热点温度才60度，对比具有良好的散热效果。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。