晶圆预制件与PCB板的互连和散热结构及其制造方法与流程

晶圆预制件与pcb板的互连和散热结构及其制造方法
技术领域
1.本发明涉及一种微纳加工技术领域，尤其涉及晶圆预制件与pcb板的互连和散热结构及其制造方法。


背景技术：

2.随着摩尔定律和登纳德缩放定律逐渐失效，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。
3.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。
4.与soc和 sip不同的是：sow所使用的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，使用整张晶圆替代传统基板。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。
5.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不相同，板材本身容易弯折等多重因素导致pcb板容易发生翘曲。
6.为此，我们提出晶圆预制件与pcb板的互连和散热结构及其制造方法以此解决上述技术问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供晶圆预制件与pcb板的互连和散热结构及其制造方法，解决了现有技术中通过刚性结构件刚性柱体固定并展平翘曲的pcb板，利用柔性连接器解决了大尺寸晶圆与pcb板之间的信息交互问题，利用结构件风冷散热和微流道解决晶圆预制件与pcb板互连结构的散热问题。
8.本发明采用的技术方案如下：一种晶圆预制件与pcb板的互连和散热结构，包括顶部结构件，所述顶部结构件的顶端可拆卸连接有风扇，所述顶部结构件的底端可拆卸连接有底部结构件，所述顶部结构件的底端设置有顶部凹槽，所述顶部凹槽内设置有pcb预制件，所述底部结构件的顶端设置有底部凹槽，所述底部凹槽内设置有晶圆预制件，所述pcb预制件和晶圆预制件之间通过柔性连接器连接，所述底部结构件的底端还设置有液冷管路组件，所述液冷管路组件的顶端贯穿所述底部结构件并延伸至所述底部凹槽内与所述晶圆预制件连接。
9.进一步地，所述顶部凹槽的内顶壁固定设置有若干个空心支撑柱，所述顶部凹槽的内顶壁还设置有与所述空心支撑柱对应的安装孔，所述pcb预制件通过连接件依次贯穿所述pcb预制件和所述空心支撑柱并延伸至所述安装孔与所述顶部凹槽连接。
10.进一步地，所述pcb预制件包括pcb板、柔性板和焊盘，所述pcb板通过连接件依次贯穿所述pcb板和所述空心支撑柱并延伸至所述安装孔与所述顶部凹槽连接，所述pcb板的下表面均布设置有若干所述焊盘，所述pcb板的底端设置有所述柔性板，所述柔性板上设置有与所述焊盘对应的过孔，所述过孔内设置有所述柔性连接器，所述柔性连接器的顶端与所述焊盘连接，所述柔性连接器的底端连接所述晶圆预制件。
11.进一步地，所述空心支撑柱为六角空心铜柱、六角空心塑料柱、四方空心铜柱、四方空心塑料柱、圆柱空心铜柱或圆柱空心塑料柱。
12.进一步地，所述晶圆预制件包括晶圆、压焊点、微流道、密封胶圈和接头，所述晶圆设置于所述底部凹槽内，所述晶圆的上表面设置有与所述柔性连接器连接的所述压焊点，所述晶圆靠近底端的内部设置有所述微流道，所述晶圆的下表面设置有与所述微流道紧密连接的所述密封胶圈，所述密封胶圈的底端连接所述接头，所述接头延伸至所述底部结构件内与所述液冷管路组件连接。
13.进一步地，所述液冷管路组件包括软管和转接头，所述底部结构件的底端设置有若干通孔，所述通孔内设置有所述软管，所述软管的底端连接所述转接头，所述转接头设置于所述底部结构件的下表面，所述软管的顶端连接所述晶圆预制件。
14.进一步地，所述顶部结构件的下表面靠近端面均布设置有定位销，所述底部结构件的上表面均布设置有与所述定位销契合连接的定位孔。
15.进一步地，所述顶部结构件的上表面还设置有散热槽和散热齿。
16.进一步地，所述顶部结构件和底部结构件均为金属结构件，所述柔性连接器为微弹簧、毛纽扣、弹性针或绕线电感。
17.本发明还提供一种晶圆预制件与pcb板的互连和散热结构的制造方法，包括以下
步骤：步骤s1：将晶圆的上表面焊接若干压焊点，并在晶圆靠近底端的内部设置微流道，将密封胶圈粘结在晶圆的下表面并与微流道紧密连接，在密封胶圈的另一面粘结接头后，形成晶圆预制件；步骤s2：将晶圆预制件装入底部结构件上的底部凹槽内，并将晶圆预制件底端的接头插入通孔内与软管连接，软管贯穿通孔外接转接头，将转接头固定在底部结构件的底端，形成底部预制件；步骤s3：通过连接件依次贯穿pcb板和空心支撑柱并延伸至安装孔将pcb板与顶部结构件的顶部凹槽固定连接，pcb板的下表面焊接若干焊盘，将柔性板通过有机胶与pcb板粘结，确保柔性板上的过孔与pcb板上的焊盘对齐，形成顶部预制件；步骤s4：将柔性连接器穿过柔性板上的过孔并与焊盘连接，并将顶部预制件上顶部结构件的定位销与底部预制件上底部结构件上的定位孔契合连接，使柔性连接器的另一端与晶圆上的压焊点连接，并通过若干连接件贯穿底部预制件并延伸至顶部预制件，形成互联结构体；步骤s5：将风扇固定在互联结构体的上表面，并将风扇的下表面与顶部结构件上表面的散热齿贴合，完成装配。
18.本发明的有益效果是：本发明利用顶部结构件的刚性和空心支撑柱的微调性能，修正并改善pcb板因多次高温层压及正反面残铜率不同、内层走线不对称、过孔不对称导致的翘曲问题，使pcb板的翘曲率下降至少一个数量级，pcb板翘曲的根本原因是层压板之间及铜皮、铜线之间的热膨胀系数差异引起的收缩量不一致。由于基于微纳加工工艺的晶圆预制件具有加工精度高，加工流程复杂，线条宽度可达到14nm或更小，经过fan-out后压焊点仅有50um左右，而丝网印刷工艺是基于湿法腐蚀厚铜皮的方法，为保证焊盘的牢固性，尺寸为300um以上。可见，微纳加工工艺和丝网印刷工艺在加工精度上存在明显的代差，本发明基于丝网印刷电路工艺和微纳工艺开展互连和互通创新，将两种工艺技术很好地结合在一起，通过刚性结构件固定pcb板以大幅度改善pcb板的翘曲；通过金属结构件作为整体支撑，消除因振动、挤压对晶圆预制件的破坏；通过柔性连接器的可伸缩特性，避免因翘曲引起pcb板和晶圆预制件互连失效，从而显著提高了整体装配结构的可靠性；通过微流道技术，利用液体比热容大的特点，显著提高了晶圆预制件的热交换能力，从而大幅度降低晶圆预制件的工作温度；通过顶部结构件的散热齿提高热交换区域表面积，并使用散热风扇强迫对流，提高了pcb板的散热能力，降低pcb板的工作温度。本发明从技术层面解决了晶圆预制件与传统pcb板互通互连的关键技术难题，尤其能解决因pcb板翘曲引起的互连失效问题；从装配和可靠性层面解决了晶圆预制件与外围pcb板的连接和装配技术；从热管理角度解决了晶圆预制件高密度热功率导热、散热问题。因此，本发明可为信息交换提供技术支撑，为大功率、高密度晶圆预制件与传统丝网印刷电路的混合集成提供可靠的技术保障。
附图说明
19.图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明的a处放大图；图3为本发明的顶部结构件与pcb预制件连接的轴侧示意图；
图4为本发明的底部结构件与晶圆预制件连接的轴侧示意图；图5为实施例的晶圆预制件及微流道结构主视图；图6为实施例的晶圆预制件及微流道结构俯视图；图7为实施例的pcb板主视图；图8为实施例的pcb板俯视图；图9为实施例的柔性板主视图；图10为实施例的柔性板俯视图；图11为实施例的风扇阵列示意图。
20.附图标记说明1-顶部结构件，11-顶部凹槽，12-空心支撑柱，13-安装孔，14-定位销，15-散热槽，16-散热齿，2-风扇，3-底部结构件，31-底部凹槽，32-通孔，33-定位孔，4-pcb预制件，41-pcb板，42-柔性板，421-过孔，43-焊盘，5-晶圆预制件，51-晶圆，52-压焊点，53-微流道，54-密封胶圈，55-接头，6-柔性连接器，7-液冷管路组件，71-软管，72-转接头。
具体实施方式
21.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.见图1-图4，一种晶圆预制件与pcb板的互连和散热结构，包括顶部结构件1，所述顶部结构件1的顶端可拆卸连接有风扇2，所述顶部结构件1的底端可拆卸连接有底部结构件3，所述顶部结构件1的底端设置有顶部凹槽11，所述顶部凹槽11内设置有pcb预制件4，所述底部结构件3的顶端设置有底部凹槽31，所述底部凹槽31内设置有晶圆预制件5，所述pcb预制件4和晶圆预制件5之间通过柔性连接器6连接，所述底部结构件3的底端还设置有液冷管路组件7，所述液冷管路组件7的顶端贯穿所述底部结构件3并延伸至所述底部凹槽31内与所述晶圆预制件5连接。
23.所述顶部凹槽11的内顶壁固定设置有若干个空心支撑柱12，所述顶部凹槽11的内顶壁还设置有与所述空心支撑柱12对应的安装孔13，所述pcb预制件4通过连接件依次贯穿所述pcb预制件4和所述空心支撑柱12并延伸至所述安装孔13与所述顶部凹槽11连接。
24.所述pcb预制件4包括pcb板41、柔性板42和焊盘43，所述pcb板41通过连接件依次贯穿所述pcb板41和所述空心支撑柱12并延伸至所述安装孔13与所述顶部凹槽11连接，所述pcb板41的下表面均布设置有若干所述焊盘43，所述pcb板41的底端设置有所述柔性板42，所述柔性板42上设置有与所述焊盘43对应的过孔421，所述过孔421内设置有所述柔性连接器6，所述柔性连接器6的顶端与所述焊盘43连接，所述柔性连接器6的底端连接所述晶圆预制件5。
25.所述空心支撑柱12为六角空心铜柱、六角空心塑料柱、四方空心铜柱、四方空心塑料柱、圆柱空心铜柱或圆柱空心塑料柱。
26.所述晶圆预制件5包括晶圆51、压焊点52、微流道53、密封胶圈54和接头55，所述晶圆51设置于所述底部凹槽31内，所述晶圆51的上表面设置有与所述柔性连接器6连接的所述压焊点52，所述晶圆51靠近底端的内部设置有所述微流道53，所述晶圆51的下表面设置
有与所述微流道53紧密连接的所述密封胶圈54，所述密封胶圈54的底端连接所述接头55，所述接头55延伸至所述底部结构件3内与所述液冷管路组件7连接。
27.所述液冷管路组件7包括软管71和转接头72，所述底部结构件3的底端设置有若干通孔32，所述通孔32内设置有所述软管71，所述软管71的底端连接所述转接头72，所述转接头72设置于所述底部结构件3的下表面，所述软管71的顶端连接所述晶圆预制件5。
28.所述顶部结构件1的下表面靠近端面均布设置有定位销14，所述底部结构件3的上表面均布设置有与所述定位销14契合连接的定位孔33。
29.所述顶部结构件1的上表面还设置有散热槽15和散热齿16。
30.所述顶部结构件1和底部结构件3均为金属结构件，所述柔性连接器6为微弹簧、毛纽扣、弹性针或绕线电感。
31.一种晶圆预制件与pcb板的互连和散热结构的制造方法，包括以下步骤：步骤s1：将晶圆51的上表面焊接若干压焊点52，并在晶圆51靠近底端的内部设置微流道53，将密封胶圈54粘结在晶圆51的下表面并与微流道53紧密连接，在密封胶圈54的另一面粘结接头55后，形成晶圆预制件5；步骤s2：将晶圆预制件5装入底部结构件3上的底部凹槽31内，并将晶圆预制件5底端的接头55插入通孔32内与软管71连接，软管71贯穿通孔32外接转接头72，将转接头72固定在底部结构件3的底端，形成底部预制件；步骤s3：通过连接件依次贯穿pcb板41和空心支撑柱12并延伸至安装孔13将pcb板41与顶部结构件1的顶部凹槽11固定连接，pcb板41的下表面焊接若干焊盘43，将柔性板42通过有机胶与pcb板41粘结，确保柔性板42上的过孔421与pcb板41上的焊盘43对齐，形成顶部预制件；步骤s4：将柔性连接器6穿过柔性板42上的过孔421并与焊盘43连接，并将顶部预制件上顶部结构件1的定位销14与底部预制件上底部结构件3上的定位孔33契合连接，使柔性连接器6的另一端与晶圆51上的压焊点52连接，并通过若干螺栓贯穿底部预制件并延伸至顶部预制件，形成互联结构体；步骤s5：将风扇2通过若干螺钉固定在互联结构体的上表面，并将风扇2的下表面与顶部结构件1上表面的散热齿16贴合，完成装配。
32.实施例1步骤s1：采用微纳加工技术在晶圆预制件5背面加工微流道53，使用0.18um或0.18um以下工艺，微流道53截面为0.2mm
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0.2mm，制备有微流道53的晶圆预制件5厚度为1.2mm，参见图5-图6，相邻微流道53间距为1.5mm，在输入/输出接口设置阵列孔，阵列为2
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2，间距为1mm，然后接口粘接一层厚度2mm的密封胶圈54，密封胶圈54直径6mm，留出与阵列孔匹配的孔，最后在密封胶圈54上粘接液冷接头，接头55直径3.5mm，长度6mm。
33.步骤s2：采用丝网印刷工艺制造8层电路板，参见图7-图8，板材为松下m4，pcb板41总厚为1mm，下表面裸露若干与晶圆预制件5待连接的焊盘43，尺寸为0.4mm
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0.4mm，固定孔若干，直径为2.8mm，成型后pcb板41翘曲率为0.5%左右，大小为330mm
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330mm。
34.步骤s3：用紫铜制造底部结构件3，底部结构件3外形尺寸为400 mm
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400 mm
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30mm，底部结构件3上表面加工有与晶圆预制件5尺寸契合，深度1.25-1.3mm的底部凹槽31，加工有四颗直径1.5mm，深度3mm的定位孔33，若干直径3.5mm固定孔，两个位置与液冷接头
位置对应的通孔32，通孔32直径为5mm，通孔32内设置软管71，软管71直径为4mm，软管71上端与液冷接头连接，下端与管道转接头72连接。
35.步骤s4：用紫铜制造顶部结构件1，顶部结构件1外形尺寸为400mm
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400mm
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30mm。顶部结构件1下表面加工有330.2mm
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330.2mm
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10.5mm的顶部凹槽11，顶部凹槽11底部有若干与pcb板41对应的螺纹孔，螺纹孔规格为m2.5
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7mm。顶部结构件1底部还加工有与定位孔33对应的四个定位销14，定位销14尺寸为φ1.5
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2mm。顶部结构件1加工有散热齿16阵列，散热齿16高度为15mm，宽度10mm，散热槽15宽度为10mm，散热齿16和散热槽15呈周期性排列。顶部结构件1加工有若干m3
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9mm固定孔，用于固定散热风扇2，孔位置与散热风扇2螺丝孔对应，散热风扇2选用4个180mm
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180mm的产品，单个风扇2风力不小于300cfm，参见图11。
36.步骤s5：将步骤s2的pcb板41用若干m2.5
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10mm的盘头螺丝钉穿过高6mm的六角铜柱固定在顶部结构件1的顶部凹槽11内，再用留有数量、位置与pcb板41对应的直径4.5mm通孔32及步骤s1的晶圆51上表面压焊点52数量和位置对应的直径0.27mm通孔32的柔性板42上涂少量胶水，将柔性板42与pcb板41对准贴合。柔性板参见图9-图10。
37.步骤s6：将步骤s1制备的晶圆51使用外径4mm、内径3mm的软管71连接液冷接头，装入步骤s3制备的底部结构件3中，并用导热硅脂固定晶圆51，使软管71插入直径5mm通孔32中，在下方露出的软管71安装尺寸匹配的管道转接头72，并将转接头72固定在底部结构件3上，形成预制件1。
38.步骤s7：将若干直径0.254mm、长度1.78mm的毛纽扣穿过柔性板42的过孔421并与pcb板41的焊盘43接触，并注意检查是否有遗漏，形成预制件2。
39.步骤s8：把步骤6和步骤7的预制件1和预制件2通过定位销14定位对准定位孔33，贴合在一起，并使用若干m3
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36mm螺丝钉固定，形成组合件。
40.步骤s9：在步骤8的组合件顶部用若干m3螺丝钉安装四个风扇2，至此装配完成。
41.更详细的实施前后效果对比参见表1，表1从pcb板41的翘曲率，晶圆预制件5翘曲率，pcb板41与晶圆预制件5贴合形成的高度差变化情况，使用微流道53散热前后晶圆预制件5工作温度和使用风扇2散热前后pcb板41的工作温度及电气连接可靠性等方面加以对比分析。从表1可以发现，由于pcb板41与顶部结构件1固定后，其翘曲率由0.5%降为0.05%，翘曲高度差仅有0.165mm。而晶圆预制件5由于背面有微流道53，正面有rdl层和压焊点52，正面和背面都存在热应力释放，但方向刚好相反，因而翘曲率很小，仅为0.03%，高度差为0.092mm。从表1还可以看到，使用微流道53散热技术后，晶圆预制件5工作温度显著下降，可承受的热功率更大，pcb板41在顶部结构件1的散热槽15和散热齿16散热齿阵列以及散热风扇2的作用下，工作温度也下降了20度。
42.表1本实施例前后对比
见表2，目前国内外一线pcb制造厂根据层压板材、走线、过孔、铜厚等因素加工的pcb总体翘曲率在0.25%-1%，大尺寸复杂结构的混压板翘曲率＞0.5%。
43.表2 某pcb制造厂加工能力表2为某pcb制造厂的加工能力，从表中可以看出印刷电路制造工艺精度较低，特
别是焊盘和线宽公差较大，板子翘曲较大等缺点致使其难以与基于微纳加工工艺的晶圆预制件融合，成为sow技术的关键技术难题。
44.综上所述，本发明不仅可解决大尺寸晶圆预制件5与翘曲pcb板41互连互通问题，还可以解决晶圆51散热和pcb板41散热问题，从而为大功率晶圆51供电，晶圆51与pcb板41之间快速、稳定信息交换提供技术支撑。
45.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。