芯片封装结构及制备方法与流程

文档序号:33158920发布日期:2023-02-04 00:14阅读:24来源:国知局
芯片封装结构及制备方法与流程

1.本发明涉及半导体封装技术领域,特别是涉及一种芯片封装结构及制备方法。


背景技术:

2.随着集成电路的功能越来越强、性能和集成度越来越高,以及新型的集成电路出现,封装技术在集成电路产品中扮演着越来越重要的角色,在整个电子系统的价值中所占的比例越来越大。目前,先进的封装方法包括:晶圆片级芯片规模封装,扇出型晶圆级封装,倒装芯片,叠层封装等等。而晶圆级芯片封装是一种极具应用前景的新型芯片封装方法,其不同于传统芯片封装工艺中先进行芯片切割而后封装测试的工艺,而是采用在整片晶圆上进行封装测试而后切割成裸芯片的工艺,这不但节省了封测成本,封装后的芯片成品尺寸也大幅减小。
3.在扇出型晶圆级芯片封装过程中,对于大尺寸的厚硅芯片没有进行进一步的减薄,由于硅芯片、重分布层和载体之间的热膨胀系数不匹配,会使得芯片翘曲急剧增加。同时,由于封装的功率不断提升,多个芯片封装于同一封装结构更容易形成热源,这就对封装结构的散热提出了更高的要求。
4.因此,如何提供一种芯片封装结构及制备方法以解决上述问题实属必要。


技术实现要素:

5.鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种芯片封装结构及制备方法,用于解决现有技术中封装过程中,芯片翘曲急剧增加以及封装结构中芯片散热效率低的问题。
6.为实现上述目的,本发明提供一种芯片封装结构的制备方法,包括以下步骤:
7.提供临时基板,于所述临时基板上形成分离层;
8.形成第一重新布线层,所述第一重新布线层包括与所述分离层相接触的第一面及相对的第二面;
9.于所述第一重新布线层的第二面上形成与所述第一重新布线层电连接的导电柱,及位于所述第一重新布线层的第二面上的第一芯片;
10.形成塑封层,所述塑封层覆盖所述导电柱及所述第一芯片;
11.于所述塑封层上形成第二重新布线层,所述第二重新布线层与所述导电柱及所述第一芯片电连接;
12.提供基板,所述基板与所述第二重新布线层电连接;
13.去除所述临时基板和所述分离层,显露所述第一重新布线层的第一面;
14.形成金属连接柱,所述金属连接柱垂直穿设所述第一重新布线层,与所述第一芯片相接触;
15.于所述第一重新布线层的第一面上键合第二芯片,所述第二芯片与所述第一重新布线层电连接,且所述第二芯片与所述金属连接柱相接触;
16.于所述第二芯片上键合散热元件。
17.可选地,还包括在所述第一重新布线层的第二面上形成虚拟硅片的步骤,且所述虚拟硅片对称分布于所述第一芯片两侧并与所述第一重新布线层固定连接。
18.可选地,还包括在所述第一重新布线层的第一面上形成虚拟硅片的步骤,且所述虚拟硅片与所述金属连接柱相接触。
19.可选地,形成所述金属连接柱的步骤包括采用激光打孔、机械钻孔、深反应离子刻蚀、光辅助电化学刻蚀中的一种形成连接通孔,以及进行金属沉积填充所述连接通孔的步骤。
20.可选地,于所述第一重新布线层的第一面上键合所述第二芯片之前,包括在所述第一重新布线层上形成凹槽的步骤,其中,形成凹槽的方法包括激光钻孔工艺。
21.可选地,形成所述塑封层的步骤包括于所述第一芯片上形成塑封层,且所述塑封层的上表面高于所述第一芯片的上表面,对所述塑封层执行平坦化工艺以显露所述第一芯片。
22.可选地,形成所述塑封层的工艺包括压缩成型工艺、传递模塑工艺、液体密封剂固化成型工艺、真空层压工艺及旋涂工艺中的一种;所述塑封层的材料包括环氧树脂、聚酰亚胺及硅胶中的一种。
23.本发明还提供一种芯片封装结构,所述芯片封装结构包括:基板;第一重新布线层,所述第一重新布线层包括相对的第一面及第二面;第二重新布线层,所述第二重新布线层包括相对的第一面及第二面;第一芯片,位于所述第一重新布线层的第二面及所述第二重新布线层的第一面之间,且所述第一芯片与所述第二重新布线层电连接;导电柱,位于所述第一重新布线层的第二面及所述第二重新布线层的第一面之间,且与所述第一重新布线层及所述第二重新布线层电连接;塑封层,位于所述第一重新布线层的第二面及所述第二重新布线层的第一面之间,包覆所述第一芯片及所述导电柱;第二芯片,位于所述第一重新布线层的第一面上;金属连接柱,所述金属连接柱垂直穿设所述第一重新布线层且与所述第一芯片及所述第二芯片相接触;散热元件,所述散热元件与所述第二芯片相接触。
24.可选地,还包括与所述第一重新布线层固定连接且对称分布于所述第一芯片两侧的虚拟硅片,和/或位于所述第一重新布线层的第一面上的虚拟硅片,且所述虚拟硅片与所述金属连接柱相接触。
25.可选地,所述散热元件包括带有散热翅片的散热元件,或金属壳体散热元件。
26.如上所述,本发明的芯片封装结构及制备方法,通过在第一芯片的两侧对称引入虚拟硅片,由于虚拟硅片的热膨胀系数更低,从而可以减少封装结构的热膨胀系数失配,降低封装过程中芯片产生的翘曲;通过在第一芯片与塑封层外侧的第二芯片之间形成金属连接柱,建立散热通道,进一步降低封装热阻,提高芯片的散热效率,从而形成具有较好散热性能的芯片封装结构。
附图说明
27.图1显示为本发明实施例提供的芯片封装结构的制备方法的流程图。
28.图2显示为本发明实施例提供的形成临时基板和分离层后的截面示意图。
29.图3显示为本发明实施例提供的形成第一重新布线层后的截面示意图。
30.图4显示为本发明实施例提供的形成导电柱及键合第一芯片后的截面示意图。
31.图5显示为本发明实施例提供的形成塑封层后的截面示意图。
32.图6显示为本发明实施例提供的对塑封层执行平坦化工艺后的截面示意图。
33.图7显示为本发明实施例提供的形成第二重新布线层后的截面示意图。
34.图8显示为本发明实施例提供的键合基板后的截面示意图。
35.图9显示为本发明实施例提供的去除临时基板和分离层后的截面示意图。
36.图10显示为本发明实施例提供的形成金属连接柱后的截面示意图。
37.图11显示为本发明实施例提供的键合第二芯片后的截面示意图。
38.图12显示为本发明实施例提供的键合散热元件后的截面示意图。
39.图13显示为本发明实施例提供的形成虚拟硅片的芯片封装结构的结构示意图。
40.图14显示为本发明实施例提供的另一种芯片封装结构的结构示意图。
41.元件标号说明
42.101
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临时基板
43.102
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分离层
44.103
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第一重新布线层
45.1031
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第一面
46.1032
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第二面
47.104
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第一芯片
48.105
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导电柱
49.106
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塑封层
50.107
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第二重新布线层
51.1071
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第一面
52.1072
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第二面
53.108
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金属凸块
54.109
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金属连接柱
55.110
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第二芯片
56.111
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散热元件
57.1111
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散热翅片
58.112
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虚拟硅片
59.113
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基板
60.s1~s10
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步骤
具体实施方式
61.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
62.为了方便描述,此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解
到,这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外,当一层被称为在两层“之间”时,它可以是所述两层之间仅有的层,或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
63.需要理解的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对上述零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
64.请参阅图1至图14,需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
65.实施例一
66.请参阅图1至图14,本发明提供了一种芯片封装结构的制备方法,包括以下步骤:
67.s1:提供临时基板101,于所述临时基板101上形成分离层102;
68.s2:形成第一重新布线层103,所述第一重新布线层103包括与所述分离层102相接触的第一面1031及相对的第二面1032;
69.s3:于所述第一重新布线层103的第二面1032上形成与所述第一重新布线层103电连接的导电柱105,及位于所述第一重新布线层103的第二面1032上的第一芯片104;
70.s4:形成塑封层106,所述塑封层106覆盖所述导电柱105及所述第一芯片104;
71.s5:于所述塑封层106上形成第二重新布线层107,所述第二重新布线层107与所述导电柱105及所述第一芯片104电连接;
72.s6:提供基板113,所述基板113与所述第二重新布线层107电连接;
73.s7:去除所述临时基板101和所述分离层102,显露所述第一重新布线层103的第一面1031;
74.s8:形成金属连接柱109,所述金属连接柱109垂直穿设所述第一重新布线层103,与所述第一芯片104相接触;
75.s9:于所述第一重新布线层103的第一面1031上键合第二芯片110,所述第二芯片110与所述第一重新布线层103电连接,且所述第二芯片110与所述金属连接柱109相接触;
76.s10:于所述第二芯片110上键合散热元件111。
77.以下结合附图对有关所述芯片封装结构的制备方法做进一步的介绍,具体如下:
78.在步骤s1中,请参阅图1和图2,提供临时基板101,于所述临时基板101上形成分离层102。
79.可选地,如图2所示,所述临时基板101包括氧化硅基板、玻璃基板、陶瓷基板、聚合物基板等非金属材料的一种,其形状可以为圆形、方形或其它任意所需形状,其表面积以能承载后续结构为准,此处不做特别限制,具体根据需要进行选择。
80.具体的,在本实施例中,在所述临时基板101上形成分离层102,所述分离层102包括lthc光热转换材料层,其具有能够粘附其他部件并在激光照射后发生变性剥离的特性。
81.具体的,在本实施例中,所述临时基板101选用热膨胀系数较低的玻璃基板,一方面,所述玻璃基板的热膨胀系数较低,可以减少封装过程中产生的翘曲,另一方面所述玻璃基板成本较低,容易在其表面形成分离层,并降低后续的去除工艺的难度。
82.在步骤s2中,请参阅图1和图3,形成第一重新布线层103,所述第一重新布线层103包括与所述分离层102相接触的第一面1031及相对的第二面1032。
83.可选地,所述第一重新布线层103包括至少一层金属布线层,所述第一重新布线层103中形成有金属互连结构(图中未示出),以实现金属布线层的电性连接。
84.可选地,所述金属互连结构的材料为铜、铝、镍、金、银、钛中的一种或组合。在本实施例中,所述金属互连结构的材料优选铜块,因为铜块不仅具有良好的导电性,而且具有非常好的延展性和易加工等特点,因而有助于提高所述半导体封装结构的性能。当然,所述第一重新布线层103的材料、层数及金属互连结构的分布形貌,具体根据实际需要进行设置,在此不作限制。
85.在步骤s3中,请参阅图1和图4,于所述第一重新布线层103的第二面1032上形成与所述第一重新布线层103电连接的导电柱105,及位于所述第一重新布线层103的第二面1032上的第一芯片104。
86.具体的,所述导电柱105位于所述第一重新布线层103的第二面1032上,且与所述第一重新布线层103电连接。
87.可选地,所述第一芯片104可以是现有的任意适用于封装结构的半导体芯片,可以是多个同类型或者多个不同类型的芯片,例如,可以是片上系统(soc)器件,也可以是存储器芯片,如hbm等,具体根据实际需要进行设置,此处不做特别限制。另外,基于封装效率、封装尺寸等的要求,一般会同时塑封多个所述第一芯片104,在本实施例中所述第一芯片104的数量显示为2个,但所述第一芯片104的数量并非局限于此,根据需求所述第一芯片104的数量可大于等于2个,比如3个、4个、5个或更多。
88.可选地,如图13所示,在其它实施例中,还包括在所述第一重新布线层103的第二面1032上形成虚拟硅片112的步骤,且所述虚拟硅片112对称分布于所述第一芯片104两侧并与所述第一重新布线103层固定连接,以通过所述虚拟硅片112降低所述封装结构的形变,其中,所述虚拟硅片112为无源芯片,可不执行任何电功能且与封装结构中的其他组件(例如,第一重新布线层103)电隔离,所述虚拟硅片112与所述第一重新布线层103机械连接,连接方式不限于胶连接。在本实施例中所述虚拟硅片112的数量显示为2个,但所述虚拟硅片112的数量并非局限于此,根据需求所述虚拟硅片112的数量可大于等于2个,比如3个、4个或更多。
89.可选地,所述虚拟硅片112可为纯硅块,以增加此封装中的半导体材料的量并减少封装结构的热膨胀系数失配。当然,在其他实施例中,所述虚拟硅片112可为其他用于减小封装结构的有效热膨胀系数的合适材料。
90.在步骤s4中,请参阅图1、图5和图6,形成塑封层106,所述塑封层106覆盖所述导电柱105及所述第一芯片104。
91.具体的,如图5和图6所示,形成所述塑封层106的步骤包括:于所述第一芯片104上形成塑封层106,且所述塑封层106的上表面高于所述第一芯片104的上表面,对所述塑封层106执行平坦化工艺以显露所述第一芯片104。
92.具体的,在所述塑封层106形成之后执行平坦化工艺,以使封装结构维持合适的厚度,有利于减小封装结构的体积,提高封装质量。
93.可选地,平坦化工艺包含磨削工艺、化学机械研磨工艺、干式研磨工艺、蚀刻工艺、
切割工艺中的一个或其组合工艺。平坦化工艺之后,所述塑封层106的表面与所述第一芯片104的表面基本上齐平。
94.可选地,形成所述塑封层106的工艺包括压缩成型工艺、传递模塑工艺、液体密封剂固化成型工艺、真空层压工艺及旋涂工艺中的一种;所述塑封层106的材料包括环氧树脂、聚酰亚胺及硅胶中的一种。
95.具体的,塑封材料加热后变成液态,在高温环境下实施压合,在此压力下所述第一芯片104会产生翘曲,因此在所述第一芯片104引入所述虚拟硅片112,由于所述虚拟硅片112的热膨胀系数较低,可以减少封装结构的热膨胀系数失配,因此能够降低封装过程中所述第一芯片104产生的翘曲。
96.在步骤s5中,请参阅图1和图7,于所述塑封层106上形成第二重新布线层107,所述第二重新布线层107与所述导电柱105及所述第一芯片104电连接。
97.具体的,如图7所示,所述第二重新布线层107包括与所述第一芯片104电连接的第一面1071及相对的第二面1072,形成所述第二重新布线层107的工艺与材料均与所述第一重新布线层103一致,在此不再赘述。
98.在步骤s6中,请参阅图1和图8,提供基板113,所述基板113与所述第二重新布线层107电连接。
99.可选地,所述基板113包括晶圆级基板,所述基板113可以是氧化硅基板、玻璃基板、陶瓷基板、有机基板中的一种,其形状可以为圆形、方形或其它任意所需形状。
100.具体的,如图8所示,在本实施例中,采用激光钻孔工艺于所述基板113上形成所述凹槽,于所述凹槽采用回流工艺形成金属凸块108,实现所述第二重新布线层107与所述基板113的电连接。
101.可选地,所述金属凸块108包括金锡焊球、银锡焊球、铜锡焊球中的一种。当然,所述金属凸块108也可以采用植球工艺形成,在此不做限制。
102.在步骤s7中,请参阅图1和图9,去除所述临时基板101和所述分离层102,显露所述第一重新布线层103的第一面1031。
103.可选地,去除所述分离层102及所述临时基板101,并对所述封装结构进行倒装以显露所述第一重新布线层103的第一面1031。
104.具体的,如图9所示,去除所述分离层102及所述临时基板101,将塑封好的所述导电柱105、所述第一芯片104以及所述第一重新布线层103从所述临时基板101上取下并进行倒装,以显露所述第一重新布线层103的第一面1031。
105.在步骤s8中,请参阅图1和图10,形成金属连接柱109,所述金属连接柱109垂直穿设所述第一重新布线层103,与所述第一芯片104相接触。
106.可选地,形成所述金属连接柱109的步骤包括采用激光打孔、机械钻孔、深反应离子刻蚀、光辅助电化学刻蚀中的一种形成连接通孔,以及进行金属沉积填充所述连接通孔的步骤。
107.具体的,在本实施例中,选择激光打孔及金属沉积的工艺形成所述金属连接柱109,所述金属连接柱109垂直穿设所述第一重新布线层103且与所述第一芯片104相接触。所述激光打孔工艺精确度好、可控性高,能够在不影响其他结构的前提下准确形成所述金属连接柱109。
108.可选地,所述金属连接柱109的材质为铜、铝、金、银、镍、钛等中的一种。
109.在步骤s9中,请参阅图1和图11,于所述第一重新布线层103的第一面1031上键合第二芯片110,所述第二芯片110与所述第一重新布线层103电连接,且所述第二芯片110与所述金属连接柱109相接触。
110.具体的,如图11所示,所述第二芯片110与所述第一芯片104通过所述金属连接柱109实现连接,使得所述第一芯片104在封装过程中产生的热量可以通过所述金属连接柱109快速转移至所述第二芯片110。
111.可选地,如图14所示,在其它实施例中,还包括在所述第一重新布线层103的第一面1031上形成虚拟硅片112的步骤,且所述虚拟硅片112与所述金属连接柱109相接触,以通过所述虚拟硅片112填充所述封装结构,且能提高芯片的散热效率。其中,所述虚拟硅片112为无源芯片,可不执行任何电功能且与封装结构中的其他组件电隔离。在本实施例中所述虚拟硅片112的数量显示为1个,但所述虚拟硅片112的数量并非局限于此,根据需求所述虚拟硅片112的数量可大于等于1个,比如2个、3个或更多。
112.在步骤s10中,请参阅图1和图12,于所述第二芯片110上键合散热元件111。
113.可选地,所述散热元件111包括带有散热翅片1111的散热元件111,或金属壳体散热元件。
114.具体的,如图12所示,在本实施例中,所述散热元件111为带有散热翅片1111的散热元件。所述散热元件111与所述第二芯片110电连接,使得所述第一芯片104在封装过程中产生的热量通过所述金属连接柱109快速转移至所述第二芯片110,进而通过所述散热元件111快速散热,从而进一步提高封装结构的散热效率。
115.实施例二
116.如图14所示,本实施例提供了一种芯片封装结构,包括:
117.基板113;
118.第一重新布线层103,所述第一重新布线层103包括相对的第一面1031及第二面1032;
119.第二重新布线层107,所述第二重新布线层107包括相对的第一面1071及第二面1072;
120.第一芯片104,位于所述第一重新布线层103的第二面1032及所述第二重新布线层107的第一面1071之间,且所述第一芯片104与所述第二重新布线层107电连接;
121.导电柱105,位于所述第一重新布线层103的第二面1032及所述第二重新布线层107的第一面1071之间,且与所述第一重新布线层103及所述第二重新布线层107电连接;
122.塑封层106,位于所述第一重新布线层103的第二面1032及所述第二重新布线层107的第一面1071之间,包覆所述第一芯片104及所述导电柱105;
123.第二芯片110,位于所述第一重新布线层103的第一面1031上;
124.金属连接柱109,所述金属连接柱109垂直穿设所述第一重新布线层103且与所述第一芯片104及所述第二芯片110相接触;
125.散热元件111,所述散热元件111与所述第二芯片110相接触。
126.关于所述芯片封装结构的制备可参阅上述制备方法,但并非局限于此,本实施例中,所述芯片封装结构采用上述制备方法制备,从而关于所述芯片封装结构的制备、材质等
的选择,可参阅实施例一,此处不再赘述。
127.可选地,如图13和图14所示,还包括与所述第一重新布线层103固定连接且对称分布于所述第一芯片104两侧的虚拟硅片112,和/或位于所述第一重新布线层103的第一面1031上的虚拟硅片112,且所述虚拟硅片112与所述金属连接柱109相接触。
128.可选地,如图14所示,所述散热元件111包括带有散热翅片1111的散热元件,或金属壳体散热元件。
129.综上所述,本发明提供了一种芯片封装结构及制备方法,所述芯片封装结构包括:基板;第一重新布线层,所述第一重新布线层包括相对的第一面及第二面;第二重新布线层,所述第二重新布线层包括相对的第一面及第二面;第一芯片,位于所述第一重新布线层的第二面及所述第二重新布线层的第一面之间,且所述第一芯片与所述第二重新布线层电连接;虚拟硅片,所述虚拟硅片与所述第一重新布线层固定连接且对称分布于所述第一芯片的两侧,导电柱,位于所述第一重新布线层的第二面及所述第二重新布线层的第一面之间,且与所述第一重新布线层及所述第二重新布线层电连接;塑封层,位于所述第一重新布线层的第二面及所述第二重新布线层的第一面之间,包覆所述第一芯片及所述导电柱;第二芯片,位于所述第一重新布线层的第一面上;金属连接柱,所述金属连接柱垂直穿设所述第一重新布线层且与所述第一芯片及所述第二芯片相接触;散热元件,所述散热元件与所述第二芯片相接触。本发明通过在第一芯片的两侧对称引入虚拟硅片,由于虚拟硅片的热膨胀系数更低,从而可以减少封装结构的热膨胀系数失配,降低封装过程中芯片产生的翘曲;通过在第一芯片与塑封层外侧的第二芯片之间形成金属连接柱,建立散热通道,进一步降低封装热阻,提高芯片的散热效率,从而形成具有较好散热性能的芯片封装结构。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
130.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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