CN102456638B - 用于倒装芯片封装的顺应式散热器 - Google Patents

用于倒装芯片封装的顺应式散热器 Download PDF

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Abstract

本发明用于倒装芯片封装的顺应式散热器描述了一种集成电路芯片封装件。该集成电路封装件包括：基板；芯片，连接到基板；以及散热器，安装在芯片上方，用于将其中的芯片密封。散热器包括：导热元件，一侧相对于芯片的顶部，用于将热量从芯片传送到散热器；以及顺应式元件，具有第一部分和第二部分，第一部分连接到并且位于导热元件的边缘周围，第二部分固定在基板的表面，其中，导热元件的导热系数高于顺应式元件的导热系数。

Description

用于倒装芯片封装的顺应式散热器
相关申请的交叉参考
本申请要求于2010年10月20日提交的美国临时专利申请第61/405,017号的优先权，其全部内容并入本申请作为参考。
技术领域
本发明基本上涉及倒装芯片封装的制造，更具体地来说，涉及具有机械性能和热性能都得到提高的顺应式(compliant)散热器的倒装芯片封装。
背景技术
在半导体芯片封装工业中，载有集成电路的芯片通常安装在诸如基板、电路板或者引脚框的封装载体上，该基板、电路板或者引脚框提供了从芯片到封装外部的电连接。在这种称为倒装芯片安装的封装方式中，芯片的有源侧以颠倒的方式安装在基板上方，芯片和基板通常由热膨胀系数不匹配的不同材料形成。因此，当加热时，芯片和基板会产生很大的尺寸变化，而尺寸变化不匹配会导致产生很大的热导应力(thermally-induced stress)，并且会在芯片和基板之间的电连接中产生翘曲。如果没有得到补偿，则热膨胀会导致芯片性能的退化，损坏芯片和基板之间的焊接连接，或者导致封装失败。
为了减少翘曲，并且改进倒装芯片封装的可靠性，微电子工业提出了多种方式。通常使用密封剂材料或者底部填充来填充芯片和基板之间的间隙，从而降低热循环期间的封装上的应力。附加地，通常在封装组件中的芯片周围应用增强板(stiffener)。增强板连接在基板上和芯片周围，从而限制住了基板，进而防止了在热循环期间的芯片翘曲或者其他相对于芯片的移动。为了进一步降低翘曲的可能性，并且促进倒装芯片封装的热冷却，通常将散热器安装在封装的顶部，从而进行散热，并且将由于至少芯片和基板之间的热膨胀不匹配而产生的作用力反向平衡掉。
尽管散热器和增强板降低了翘曲，通过散热器限制住了封装，但是在芯片和基板之间的焊接接点上的应力可能较大。而且，随着增强板连接到基板上，增强板限制住基板，从而可能对基板施加了应力。基板和芯片上的应力会导致芯片性能退化或者封装失败。而且，对于热利用，具有非常同质导电材料的传统的散热器很可能无法适用于元件或者系统级别的封装设计，在元件或者系统级别的封装设计的运行期间，通常会发生芯片生热不均匀的现象。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种集成电路芯片封装，包括：基板；芯片，连接到所述基板；以及散热器，安装在所述芯片上方，用于封闭其内的所述芯片：所述散热器包括：导热元件，具有相对于所述芯片的顶部的一侧，用于将热量从所述芯片传送到所述散热器，以及顺应式元件(compliant element)，具有第一部分和第二部分，所述第一部分连接到所述导热元件并且位于所述导热元件的边缘周围，所述第二部分固定在所述基板的表面，其中，所述导热元件的导热系数高于所述顺应式元件的导热系数。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，进一步包括位于所述芯片和所述散热器之间的热界面材料(TIM)，用于将所述芯片产生的热量传送到所述散热器。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件具有柔韧性，但能够保持尺寸稳定性，并且包括塑料、树脂、聚合物基材料、热塑性材料、环氧树脂材料、聚酯材料、介电材料、或者含硅材料。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件通过注塑成型制成。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件通过螺钉、扣件、插销、杆、夹具、粘合剂、或者环氧树脂固定到所述基板的表面。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件的所述热膨胀系数(CTE)基本上等于所述基板的CTE。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述导热元件的导热率随着所述顺应式元件的导热率的变化而变化。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述导热元件包括铜、铜合金、铝、铝合金、碳化合物、钢、钢合金、或者上述的组合。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述导热元件包括单金属材料或者多种不同的金属材料。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，调整所述导热元件的一个或者多个区域的材料、形状、和/或厚度以匹配所述芯片的各个部分的不均匀热信号。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，可以调整所述导热元件的材料、形状、和/或厚度以匹配所述芯片的CTE和/或所述基板的CTE。
根据本发明所述的一种集成电路芯片封装件，包括：基板；芯片，连接到所述基板；增强板，安装在所述基板的表面上方，并且包围所述芯片；以及散热器，安装在所述增强板上方，用于封闭其内的芯片，所述散热器包括：导热元件，具有相对于所述芯片的顶部的一侧，用于将热量从所述芯片传送到所述散热器；以及顺应式元件，具有第一部分和第二部分，所述第一部分连接到所述导热元件并且位于所述导热元件的边缘周围，所述第二部分固定在所述增强板的表面，其中，所述导热元件的导热系数高于所述顺应式元件的导热系数。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，进一步包括位于所述芯片和所述散热器之间的热界面材料(TIM)，用于将所述芯片产生的热量传送到所述散热器。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件具有柔韧性，但能够保持尺寸稳定性，并且包括塑料、树脂、聚合物基材料、热塑性材料、环氧树脂材料、聚酯材料、介电材料、或者含硅材料。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件通过注塑成型制成。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件通过螺钉、扣件、插销、杆(rod)、夹具、粘合剂、或者环氧树脂固定到所述基板的表面。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件的所述热膨胀系数(CTE)基本上等于所述基板和/或增强板的CTE。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述导热元件的导热率随着所述顺应式元件的导热率的变化而变化。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述导热元件包括铜、铜合金、铝、铝合金、碳化合物、钢、钢合金、或者上述的组合。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，所述导热元件包括单金属材料或者多种不同的金属材料。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，调整所述导热元件的一个或者多个区域的材料、形状、和/或厚度以匹配所述芯片的各个部分的不均匀热信号。
根据本发明所述的集成电路芯片封装件，其中，调整所述导热元件的材料、形状、和/或厚度以匹配所述芯片的CTE、所述增强板的CTE、和/或所述基板的CTE。
根据本发明所述的一种散热器，用于传送芯片所产生的热量，所述芯片连接到半导体封装件中的基板，所述散热器包括：导热元件，具有相对于所述芯片顶部的一侧，以及顺应式元件，具有第一部分和第二部分，所述第一部分连接到所述导热元件并且位于所述导热元件的边缘周围，所述第二部分固定在所述基板的表面，其中，所述导热元件的导热系数高于所述顺应式元件的导热系数。
根据本发明所述的散热器，其中，所述散热器包括非同质材料。
根据本发明所述的散热器，其中，所述顺应式元件具有柔韧性，但能够保持尺寸稳定性，并且包括塑料、树脂、聚合物基材料、热塑性材料、环氧树脂材料、聚酯材料、介电材料、或者含硅材料。
根据本发明所述的散热器，其中，所述顺应式元件通过注塑成型制成。
根据本发明所述的散热器，其中，所述导热元件的导热率随着所述顺应式元件的导热率的变化而变化。
根据本发明所述的散热器，其中，所述导热元件包括铜、铜合金、铝、铝合金、碳化合物、钢、钢合金、或者上述的组合。
根据本发明所述的散热器，其中，所述导热元件包括单金属材料或者多种不同的金属材料。
根据本发明所述的散热器，其中，调整所述导热元件的一个或者多个区域的材料、形状、和/或厚度以匹配所述芯片的各个部分的不均匀热信号。
附图说明
通过以下详细描述、附加权利要求、以及附图，本发明的特征、方面、以及优点将变得更加显而易见，其中：
图1是根据本发明的一个方面的具有顺应式散热器的半制成倒装芯片封装件的横截面图；以及
图2是图1的倒装芯片封装件的俯视图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了多个具体细节，从而提供了对于本发明的实施例的全面理解。然而，本领域普通技术人员将会了解，本发明的实施例的实施可以不包括这些具体细节。在一些实例中，为了防止本发明的实施例产生不必要的晦涩，没有详细描述公知的结构和工艺。
在本说明书中，“一个实施例”或者“一实施例”表示该具体特征、结构、或者特性包括在本发明的至少一个实施例中，因此，短语“在一个实施例中”或者“在一实施例中”在整个说明书中的各个位置并不必然指同一实施例。而且，这些具体特征、结构、或者特性可以以适当方式与一个或者多个实施例相结合。应该了解，以下附图并没有按比例绘制；这些附图仅仅旨在进行说明。
参考图1，示出了根据本发明的一个方面的具有顺应式散热器80的半制成倒装芯片封装件10的横截面图。倒装芯片封装件10包括半导体器件，比如集成电路芯片(在下文中称为芯片30)。芯片30可以是单个芯片、多个芯片、单个元件、多个元件、或者(一个或者多个)芯片和(一个或者多个)元件的组合。芯片30具有后表面32和前表面34，该前表面34相对于后表面32。一组焊料凸块40连接到芯片30的前表面34上的接触焊盘(未示出)。芯片30通过一组焊料凸块40固定在芯片30下方的第一基板20。第一基板20可以是诸如Al2O3的无机基板，或者可以是诸如FR-4的有机基板，或者由塑料制成。焊料凸块40连接到第一基板20的顶表面上的接触焊盘(未示出)。尽管利用焊料凸块40将芯片30连接到第一基板20，但是，本领域普通技术人员可以理解，可以考虑通过任何方式将芯片30连接到第一基板20，并且这些方式均在本发明的范围内。
为了改进倒装芯片封装组件中的电连接的可靠性，可以将密封剂材料或者底部填充50填充到芯片30和第一基板20之间的间隙中。底部填充50保护芯片30免受弯曲损坏，从而增加了倒装芯片封装件10的疲劳寿命。底部填充50可以包括，例如，市场上有售的环氧聚合物。
为了将第一基板20连接到第二基板70，可以将一组焊料球60固定到第一基板20的底表面上的接触焊盘(未示出)。第二基板70可以是印刷线路板(有时也称为印刷电路板)或者本领域技术人员公知的多层模块。
据申请人所知，一些倒装芯片封装技术通常利用了散热器和/或增强板，使得当封装件经历热循环事件时，将至少由芯片和基板之间的热膨胀不匹配而产生的应力反向平衡掉。然而，因为散热器限制了倒装芯片封装件，所以可能会有较高应力施加到芯片30和第一基板20之间的焊料凸块40上。该应力可能会破坏封装件的焊接接点可靠性，从而导致芯片性能退化或者封装件失败。因此，关于本发明的一个方面，倒装芯片封装件10包括顺应式散热器80。顺应式散热器80可以是单片盖结构，安装在芯片30上方的第一基板20上，从而将其中的芯片30封闭，或者安装在增强板90上方，如图1所示。在图1中，增强板90安装在第一基板20的顶表面上方，并且包围芯片30，从而在增强板90和芯片30之间限定出空腔区域120。增强板90可以利用粘合剂100a固定到第一基板20。
顺应式散热器80包括导热元件110和顺应式元件85。为了将热量从芯片30传送到顺应式散热器80，导热元件110的一侧面向芯片30的顶表面。顺应式元件85具有第一部分和第二部分，该第一部分连接到导热元件110的边缘并且位于导热元件110的边缘周围，该第二部分固定到增强板90的表面，如图1所示，或者，根据一个实施例，当倒装芯片封装件10没有使用增强板时，该第二部分固定到第一基板20(未示出)的表面。
顺应式散热器80的导热元件110包括导热材料，用来将芯片30产生的热量散发出去。导热元件110可以包括金属，比如铜、铜合金、铝、铝合金、碳化合物、钢、钢合金、或者其他导电材料。根据一个实施例，导热元件110包括单金属材料。根据另一个实施例，导热元件110包括单金属材料或者多种不同的金属材料，对于元件或者系统级别的倒装芯片封装件设计来说，在运行期间，芯片的生热不均匀。如图2所示，导热元件110包括三个单独的金属区域：金属区域I、金属区域II、和金属区域III。将不同的金属区域裁剪(tailor)为所容纳的由芯片30产生的热量不同，从而达到理想的散热效率，并且平衡了金属区域I、金属区域II、和/或金属区域III之中的散热变化率。例如，假设金属区域I下方的芯片30的区域产生的热量比该芯片的其他区域多，那么为了有效地散热，金属区域I可以包括铜(区别于导热系数较低的金属)，而金属区域II和III可以包括铝。尽管图2示出的导热元件110具有三个独立金属区域，但是，当然可以理解，导热元件110可以包括任何数量的金属区域，每个金属区域都具有不同的金属材料来容纳芯片30的不均匀热量。
根据一些实施例，为了达到理想的散热效率，导热元件110的一个或者多个区域的形状、尺寸和/或厚度可以适于将芯片30的不同部分的不均匀热信号(heat signature)相匹配。在其他实施例中，导热元件110的一个或者多个区域的材料、尺寸、形状和/或厚度可以适于将芯片30的热膨胀系数(CTE)和/或第一基板20的热膨胀系数(CTE)相匹配。
参考顺应式元件85，该顺应式元件85的材料具有柔韧性，但能够保持尺寸稳定性，并且耐高温。由于顺应式元件85具有柔韧性，并且能够给倒装芯片封装件带来柔韧程度，因此，施加到芯片和连接有散热器和/或增强板的基板之间的焊接接点上的应力较小。由于CTE不匹配产生的作用力在某种程度上由顺应式元件85吸收/重新分布。由于应力较小，使得倒装芯片封装件发生封装件失败的可能性较低。在至少一个实施例中，顺应式元件85的CTE可以与基板20的CTE相匹配。在至少一个实施例中，顺应式元件的导热系数低于导热元件的导热系数。在另一实施例中，顺应式元件的导热率随着导热元件的导热率的变化而变化。
顺应式散热器80可以通过注塑成型工艺制成，顺应式元件85可以包括塑料、树脂、聚合物基材料、热塑性材料、环氧树脂材料、聚酯材料、介电材料、或者含硅材料。还可以考虑使用其他用于形成顺应式散热器80的方法和其他形成顺应式元件85的材料，这些方法和材料包括在本发明的范围内。在顺应式散热器80是单片盖结构的实施例中，顺应式元件85可以通过螺钉100b、扣件、插销(pin)、杆(rod)、夹具、粘合剂、或者环氧树脂固定到第一基板。还可以考虑使用其他将顺应式元件85连接到第一基板的方法，这些方法包括在本发明的范围内。在顺应式散热器80安装在增强板90上方的实施例中，顺应式元件85可以通过螺钉100b、扣件、插销(pin)、杆(rod)、夹具、粘合剂、或者环氧树脂固定到增强板90。还可以考虑使用其他将顺应式元件85连接到增强板90的方法，这些方法包括在本发明的范围内。
图1中还示出了，倒装芯片封装件10可以包括热界面材料(TIM)2，该热界面材料(TIM)2位于芯片30和顺应式散热器80之间。TIM 2将芯片30产生的热量传送到顺应式散热器80，然后，将热量扩散到其他元件，比如吸热部件(未示出)或者周围环境。TIM 2可以是热脂类材料或者刚性材料(比如环氧树脂或者焊料)。
利用了具有导热元件和顺应式元件的顺应式散热器的倒装芯片封装件的实施例降低了封装件翘曲，同时还减小了传统同质散热器和/或增强板所带来的芯片和基板之间的焊接接点上的应力。换言之，顺应式散热器在某种程度上吸收和/或重新分布了由于CTE不匹配所产生的作用力，从而大大降低了封装件失败的风险。另外，利用了具有顺应式散热器的倒装芯片封装件的实施例通过形成一个或者多个金属区域，每个金属区域的导电材料、尺寸、和/或形状不同，从而容纳了芯片的不均匀发热，进而得到了理想的散热效率。
在前面所述的详细论述中，描述了具体的示例性实施例。然而，对于本领域普通技术人员来说显然可以做出各种修改、结构、工艺和改变，而不会超出本发明的广义精神和范围。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。可以理解，在权利要求的范围内，本发明的实施例能够使用各种其他组合和环境，并且能够做出改变或者修改。

Claims (30)

1.一种集成电路芯片封装件，包括：
基板；
芯片，连接到所述基板；以及
散热器，安装在所述芯片上方，用于封闭其内的所述芯片，所述散热器包括：
导热元件，具有相对于所述芯片的顶部的一侧，用于将热量从所述芯片传送到所述散热器，所述导热元件包括俯视所述导热元件时可见的任何数量的导热区域，每个导热区域都具有不同的导热材料来容纳芯片的不均匀热量；以及
顺应式元件，具有第一部分和第二部分，所述第一部分连接到所述导热元件并且位于所述导热元件的边缘周围，所述第二部分固定在所述基板的表面，其中，所述导热元件的导热系数高于所述顺应式元件的导热系数。
2.根据权利要求1所述的集成电路芯片封装件，进一步包括位于所述芯片和所述散热器之间的热界面材料(TIM)，用于将所述芯片产生的热量传送到所述散热器。
3.根据权利要求1所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件具有柔韧性，但能够保持尺寸稳定性，并且包括塑料、树脂、聚合物基材料、热塑性材料、聚酯材料、介电材料、或者含硅材料。
4.根据权利要求3所述的集成电路芯片封装件，其中，所述树脂为环氧树脂材料。
5.根据权利要求1所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件通过注塑成型制成。
6.根据权利要求1所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件通过螺钉、扣件、插销、杆、夹具、粘合剂、或者环氧树脂固定到所述基板的表面。
7.根据权利要求1所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件的热膨胀系数基本上等于所述基板的热膨胀系数。
8.根据权利要求1所述的集成电路芯片封装件，其中，所述导热元件的导热率随着所述顺应式元件的导热率的变化而变化。
9.根据权利要求1所述的集成电路芯片封装件，其中，所述导热元件包括铜、铜合金、铝、铝合金、碳化合物、钢、钢合金、或者上述的组合。
10.根据权利要求1所述的集成电路芯片封装件，其中，调整所述导热元件的一个或者多个区域的材料、形状、和/或厚度以匹配所述芯片的各个部分的不均匀热信号。
11.根据权利要求1所述的集成电路芯片封装件，其中，可以调整所述导热元件的材料、形状、和/或厚度以匹配所述芯片的热膨胀系数和/或所述基板的热膨胀系数。
12.一种集成电路芯片封装件，包括：
基板；
芯片，连接到所述基板；
增强板，安装在所述基板的表面上方，并且包围所述芯片；以及
散热器，安装在所述增强板上方，用于封闭其内的芯片，所述散热器包括：
导热元件，具有相对于所述芯片的顶部的一侧，用于将热量从所述芯片传送到所述散热器，所述导热元件包括俯视所述导热元件时可见的任何数量的导热区域，每个导热区域都具有不同的导热材料来容纳芯片的不均匀热量；以及
顺应式元件，具有第一部分和第二部分，所述第一部分连接到所述导热元件并且位于所述导热元件的边缘周围，所述第二部分固定在所述增强板的表面，其中，所述导热元件的导热系数高于所述顺应式元件的导热系数。
13.根据权利要求12所述的集成电路芯片封装件，进一步包括位于所述芯片和所述散热器之间的热界面材料(TIM)，用于将所述芯片产生的热量传送到所述散热器。
14.根据权利要求12所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件具有柔韧性，但能够保持尺寸稳定性，并且包括塑料、树脂、聚合物基材料、热塑性材料、聚酯材料、介电材料、或者含硅材料。
15.根据权利要求14所述的集成电路芯片封装件，其中，所述树脂为环氧树脂材料。
16.根据权利要求12所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件通过注塑成型制成。
17.根据权利要求12所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件通过螺钉、扣件、插销、杆、夹具、粘合剂、或者环氧树脂固定到所述基板的表面。
18.根据权利要求12所述的集成电路芯片封装件，其中，所述顺应式元件的热膨胀系数基本上等于所述基板和/或增强板的热膨胀系数。
19.根据权利要求12所述的集成电路芯片封装件，其中，所述导热元件的导热率随着所述顺应式元件的导热率的变化而变化。
20.根据权利要求12所述的集成电路芯片封装件，其中，所述导热元件包括铜、铜合金、铝、铝合金、碳化合物、钢、钢合金、或者上述的组合。
21.根据权利要求12所述的集成电路芯片封装件，其中，调整所述导热元件的一个或者多个区域的材料、形状、和/或厚度以匹配所述芯片的各个部分的不均匀热信号。
22.根据权利要求12所述的集成电路芯片封装件，其中，调整所述导热元件的材料、形状、和/或厚度以匹配所述芯片的热膨胀系数、所述增强板的热膨胀系数、和/或所述基板的热膨胀系数。
23.一种散热器，用于传送芯片所产生的热量，所述芯片连接到半导体封装件中的基板，所述散热器包括：
导热元件，具有相对于所述芯片顶部的一侧，所述导热元件包括俯视所述导热元件时可见的任何数量的导热区域，每个导热区域都具有不同的导热材料来容纳芯片的不均匀热量；以及
顺应式元件，具有第一部分和第二部分，所述第一部分连接到所述导热元件并且位于所述导热元件的边缘周围，所述第二部分固定在所述基板的表面，其中，所述导热元件的导热系数高于所述顺应式元件的导热系数。
24.根据权利要求23所述的散热器，其中，所述散热器包括非同质材料。
25.根据权利要求23所述的散热器，其中，所述顺应式元件具有柔韧性，但能够保持尺寸稳定性，并且包括塑料、树脂、聚合物基材料、热塑性材料、聚酯材料、介电材料、或者含硅材料。
26.根据权利要求25所述的散热器，其中，所述树脂为环氧树脂材料。
27.根据权利要求23所述的散热器，其中，所述顺应式元件通过注塑成型制成。
28.根据权利要求23所述的散热器，其中，所述导热元件的导热率随着所述顺应式元件的导热率的变化而变化。
29.根据权利要求23所述的散热器，其中，所述导热元件包括铜、铜合金、铝、铝合金、碳化合物、钢、钢合金、或者上述的组合。
30.根据权利要求23所述的散热器，其中，调整所述导热元件的一个或者多个区域的材料、形状、和/或厚度以匹配所述芯片的各个部分的不均匀热信号。
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