CN103956346A - 一种制作3d封装芯片的散热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制作3D封装芯片的散热方法，其主要特点是在Z方向上对芯片单体进行有序层叠，并电连接，得到芯片组本体，而芯片组本体中每一芯片单体上设有与相邻芯片单体相互连通的散热流体通道，芯片组本体底部的流体通道接头与循环散热泵连接，循环散热泵将驱动散热流体通道内的冷却液循环运动，冷却液及时有效地吸收各个芯片单体工作所产生的热量，并经循环散热泵上的散热片散开，有效解决了3D封装芯片的散热问题。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种芯片封装散热工艺，尤其是一种制作3D封装芯片的散热方法。
【背景技术】
随着集成电路封装的密度不断增大、芯片尺寸不断减小、I/O端子数不断增加，而在有限尺寸的芯片上要求实现的功能却原来越多，同时为了避免高密度下二维封装所带来的问题，可考虑在芯片Z方向上进行3D封装。采用3D封装技术可以增大封装密度、提高产品性能、降低功耗、减小噪声，实现电子设备的多功能化和小型化。但与此同时，3D封装集成电路的发热密度也越来越高，因此，解决芯片的3D封装关键技术是散热问题。
目前公知的散热方式主要有三种，一种散热方式可参考美国专利US5909056，该方式将散热片覆于晶片上方，并连接到基板，向上方扩散的热量通过散热片将热量传到基板。另一种散热方式可参考美国专利US4953060，该专利的工艺使用针脚作为封装上下芯片的连接处，针脚在封装时做成上方芯片凸出、下方芯片凹下的形状，以便进行连接，并在针脚周围使用垂直的金属材料进行垂直方向的散热。再一种散热方式可参考美国专利US5796170，其封装结构是先将散热片粘于晶片后方，再将封装倒装，使散热片置于上方，最后再封装下方植球， 以达到散热的目的。
采用上述方法对3D封装芯片进行散热，仍不能达到当前3D封装芯片向高密度发展的散热要求，本发明即针对现有技术的不足研究而提出。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种制作3D封装芯片的散热方法，其主要特点是在Z方向上对芯片单体进行有序层叠，并电连接，得到芯片组本体，而芯片组本体中每一芯片单体上设有与相邻芯片单体相互连通的散热流体通道，芯片组本体底部的流体通道接头与循环散热泵连接，循环散热泵将驱动散热流体通道内的冷却液循环运动，冷却液及时有效地吸收各个芯片单体工作所产生的热量，并经循环散热泵上的散热片散开，有效解决了3D封装芯片的散热问题。
为解决上述技术问题，本发明一种制作3D封装芯片的散热方法，包括采用步骤如下：
A、采用硅通孔技术，将各块芯片单体制作硅通孔，并向硅通孔中填充导电材料，作为各块芯片单体连接的电极引线；
B、向步骤A所得的芯片单体的背面涂覆氧化硅，得到氧化硅层；
C、将由步骤B所得芯片单体的正面涂覆光刻胶，得光刻胶层；
D、用激光直写光刻胶层，显影后得到散热流体通道图案；
E、用由氢氟酸、硝酸和冰醋酸组成的蚀刻溶液，对散热流体通道图案进行蚀刻，得到相互连通的散热流体通道；
F、重复步骤C和D，并用激光分别在芯片单体两侧边相应位置 处直写出两个与散热流体通道连通的通道连通孔；
G、将步骤F所得芯片单体置于蚀刻气体SF6中，通过平面曝光、溅射化学反应和辅助能量离子，除去芯片单体上的通道连通孔及其正面上的散热流体通道内侧壁上的硅；
H、对步骤G所得芯片单体的正面涂覆牺牲层聚合物，得到牺牲层，用于保护并使散热流体通道成型，涂覆后对该面抛光成平整平面；
I、在步骤H所得的平整平面上涂覆耐热层聚合物，得到耐热层，并对耐热层进行激光直写操作，制作出芯片单体正面的电极连接点和流体通道接口；
J、用氢氟酸蚀刻除去芯片单体背面的氧化硅层；
K、用耐热层聚合物制作与芯片单体背面的通道连通孔的口部连接的流体通道接头；
L、对芯片单体背面的电极引线端部制作凸出的焊锡点；
M、对步骤L所得的芯片单体的正面与另一芯片单体的背面层叠，使得一芯片单体的正面上的电极连接点与另一芯片单体的背面上的焊锡点对接，并进行热固化连接，同时使一芯片单体正面上的流体通道接口与另一芯片单体背面上的流体通道接头对接，得到由若干块芯片单体组成的芯片组本体；
N、用有机溶剂溶解芯片组本体上的牺牲层聚合物，得到畅通的散热流体通道；
O、将步骤N所得的芯片组本体的上部黏合一层平整玻璃，得到玻璃层，以将流体通道接口封堵住，芯片组本体底部的流体通道接头 与循环散热装置连接。
所述步骤O中循环散热装置包括循环散热泵，所述循环散热泵输出口连接有输送管，所述输送管另一端与位于芯片组本体底部的一散热流体通道对接孔连接，所述循环散热泵41输入口连接有回流管，所述回流管另一端与与位于芯片组本体底部的另一个散热流体通道对接孔连接，所述回流管中部设有用于冷却液流经散热的散热片体。
所述循环散热泵上设有用于将冷却液注入其内的注液口和用于将其内的冷却液排出的排液口。
所述步骤B中氧化硅层厚度约为2-4um。
所述步骤E中氢氟酸、硝酸和冰醋酸为分析纯溶液，按体积比为1:3:5配制。
所述步骤E中流体通道深度为100-300um。
所述步骤N中有机溶剂为丙酮溶液。
本发明一种制作3D封装芯片的散热方法，其主要特点是在Z方向上对芯片单体进行有序层叠，并电连接，得到芯片组本体，而芯片组本体中每一芯片单体上设有与相邻芯片单体相互连通的散热流体通道，芯片组本体底部的流体通道接头与循环散热泵连接，循环散热泵将驱动散热流体通道内的冷却液循环运动，冷却液及时有效地吸收各个芯片单体工作所产生的热量，并经循环散热泵上的散热片散开，有效解决了3D封装芯片的散热问题。
【附图说明】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其 中：
图1为采用本发明方法制作的3D封装芯片的结构示意图之一。
图2为采用本发明方法制作的3D封装芯片的结构示意图之二。
图3为采用本发明方法制作的3D封装芯片的主视图。
图4为图3沿A-A方向的剖视图。
图5为图4沿B-B方向的剖视图。
图6为芯片单体的结构示意图之一。
图7为芯片单体的结构示意图之二。
图8为图5标记D的放大视图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。
本发明一种制作3D封装芯片的散热方法，包括采用步骤如下：
A、采用硅通孔技术，将各块芯片单体2制作硅通孔，并向硅通孔中填充导电材料，作为各块芯片单体连接的电极引线，实现电连接，该导电材料可以为钨或者铜等金属导电材料；
B、向步骤A所得的芯片单体2的背面涂覆氧化硅，得到氧化硅层，氧化硅层厚度为2-4um，采用PECVD标准工艺制作，当采用反应等离子耦合工艺ICP进行蚀刻时，蚀刻到该氧化硅层则停止蚀刻，起到保护作用；
C、将由步骤B所得芯片单体2的正面涂覆光刻胶，得光刻胶层；
D、用激光沿横向和竖向直写光刻胶层，显影后得到散热流体通道图案；
E、用由氢氟酸、硝酸和冰醋酸组成的蚀刻溶液，对散热流体通道图案进行蚀刻，得到相互连通的散热流体通道3，氢氟酸、硝酸和冰醋酸为分析纯溶液，按体积比1:3:5配制所得，蚀刻后得到相互连通的流体通道，流体通道深度为100-300um；
F、重复步骤C和D，并用激光分别在芯片单体两侧边相应位置处直写出两个与散热流体通道3连通的通道连通孔11；
G、将步骤F所得芯片单体2置于蚀刻气体SF6中，利用反应等离子耦合工艺ICP，通过平面曝光、溅射化学反应和辅助能量离子，精确地除去芯片单体2上的通道连通孔11及其正面上的散热流体通道3内侧壁上的硅；
H、对步骤G所得芯片单体的正面涂覆牺牲层聚合物，牺牲层聚合物采用promerus公司的产品，为Unity4011或者Unity4131，得到牺牲层，牺牲层用于保护并使散热流体通道2成型，涂覆牺牲层聚合物后，但由于存在微孔，其表面会不平整，因此需要对该面进行抛光，使之成平整平面，以满足后续工艺要求；
I、在步骤H所得的平整平面上涂覆耐热层聚合物，得到耐热层9，并对耐热层9进行激光直写操作，使得芯片单体2正面被耐热层聚合物覆盖的电极引线的端部露出，形成电极连接点10，同时也将通道连通孔11打通，形成流体通道接口6，所述的耐热层聚合物采用promerus公司的产品，Avatrel2090P polymer；
J、用氢氟酸蚀刻除去芯片单体背面的氧化硅层；
K、用耐热层聚合物制作与芯片单体2背面的通道连通孔11的口 部连接的流体通道接头5，此时芯片单体2背面电极引线的端部与其表面齐平；
L、植入锡球，对芯片单体2背面的电极引线端部制作凸出的焊锡点8，以便于相邻芯片单体2之间通过焊锡连接；
M、对步骤L所得的芯片单体2的正面与另一芯片单体2的背面层叠，使得一芯片单体2的正面上的电极连接点10与另一芯片单体2的背面上的焊锡点8对接，并进行热固化连接，同时使一芯片单体2正面上的流体通道接口6与另一芯片单体2背面上的流体通道接头5对接，得到由若干块芯片单体2组成的芯片组本体1，当在250℃左右时，上、下层芯片单体2的耐热层聚合物熔融，流体通道接口6与流体通道接头5互相粘结，而焊锡点8也会熔融，并与电极连接点10焊接一起，至此，芯片单体2之间完成电连接，其散热流体通道3也相互连通，将功能各异的芯片单体2组合在一起，得到芯片组合本体1；
N、用有机溶剂溶解芯片组合本体1上的牺牲层，该有机溶剂为丙酮溶液，将牺牲层溶解后，得到畅通的散热流体通道3；
O、将步骤N所得的芯片组本体1的上部黏合一层平整玻璃，得到玻璃层7，以提供足够的机械强度，并将流体通道接口6封堵住，防止冷却液流出，芯片组本体1底部的流体通道接头5与循环散热装置4连接，得到功能完整的3D封装芯片，使用时，位于芯片组本体1底部的焊锡点8与电路板焊接。
所述循环散热装置4包括循环散热泵41，所述循环散热泵41输 出口连接有输送管42，所述输送管42另一端与位于芯片组本体1底部的一散热流体通道对接孔6连接，所述循环散热泵41输入口连接有回流管43，所述回流管43另一端与与位于芯片组本体1底部的另一个散热流体通道对接孔6连接，所述回流管43中部设有用于冷却液流经散热的散热片体44，所述循环散热泵41上设有用于将冷却液注入其内的注液口45和用于将其内的冷却液排出的排液口46，注液口45呈喇叭状，可以方便注入冷却液；当对散热流体通道3内进行清理时，可将冷却液从排液口46排出。
冷却液从循环散热泵41的注液口45注入，之后进入散热流体通道3，冷却液循环经过各个芯片单体2的散热流体通道3，吸收各个芯片单体2工作时产生的热量，并被循环散热泵41排出经过其上的散热片体44，从而将热量快速散去，而冷却液则可继续循环使用，从而为3D封装芯片的实现有效的散热目的。
为了保证对芯片单体2工作时能及时充分散热，在所述每一块芯片单体2上散热流体通道3采用纵横交错设置，以增加散热接触面。
Claims (7)
1.一种制作3D封装芯片的散热方法，其特征在于包括采用步骤如下：
A、采用硅通孔技术，将各块芯片单体（2）制作硅通孔，并向硅通孔中填充导电材料，作为各块芯片单体连接的电极引线；
B、向步骤A所得的芯片单体（2）的背面涂覆氧化硅，得到氧化硅层；
C、将由步骤B所得芯片单体（2）的正面涂覆光刻胶，得光刻胶层；
D、用激光直写光刻胶层，显影后得到散热流体通道图案；
E、用由氢氟酸、硝酸和冰醋酸组成的蚀刻溶液，对散热流体通道图案进行蚀刻，得到相互连通的散热流体通道（3）；
F、重复步骤C和D，并用激光分别在芯片单体两侧边相应位置处直写出两个与散热流体通道（3）连通的通道连通孔（11）；
G、将步骤F所得芯片单体（2）置于蚀刻气体SF6中，通过平面曝光、溅射化学反应和辅助能量离子，除去芯片单体（2）上的通道连通孔（11）及其正面上的散热流体通道（3）内侧壁上的硅；
H、对步骤G所得芯片单体的正面涂覆牺牲层聚合物，得到牺牲层，用于保护并使散热流体通道（2）成型，涂覆后对该面抛光成平整平面；
I、在步骤H所得的平整平面上涂覆耐热层聚合物，得到耐热层（9），并对耐热层（9）进行激光直写操作，制作出芯片单体（2）正面的电极连接点（10）和流体通道接口（6）；
J、用氢氟酸蚀刻除去芯片单体背面的氧化硅层；
K、用耐热层聚合物制作与芯片单体（2）背面的通道连通孔（11）的口部连接的流体通道接头（5）；
L、对芯片单体（2）背面的电极引线端部制作凸出的焊锡点（8）；
M、对步骤L所得的芯片单体（2）的正面与另一芯片单体（2）的背面层叠，使得一芯片单体（2）的正面上的电极连接点（10）与另一芯片单体（2）的背面上的焊锡点（8）对接，并进行热固化连接，同时使一芯片单体（2）正面上的流体通道接口（6）与另一芯片单体（2）背面上的流体通道接头（5）对接，得到由若干块芯片单体（2）组成的芯片组本体（1）；
N、用有机溶剂溶解芯片组本体（1）上的牺牲层，得到畅通的散热流体通道（3）；
O、将步骤N所得的芯片组本体（1）的上部黏合一层平整玻璃，得到玻璃层（7），以将流体通道接口（6）封堵住，芯片组本体（1）底部的流体通道接头（5）与循环散热装置（4）连接。
2.按权利要求1所述一种制作3D封装芯片的散热方法，其特征在于所述步骤O中循环散热装置（4）包括循环散热泵（41），所述循环散热泵（41）输出口连接有输送管（42），所述输送管（42）另一端与位于芯片组本体（1）底部的一散热流体通道对接孔（6）连接，所述循环散热泵（41）输入口连接有回流管（43），所述回流管（43）另一端与与位于芯片组本体（1）底部的另一个散热流体通道对接孔（6）连接，所述回流管（43）中部设有用于冷却液流经散热的散热片体（44）。
3.按权利要求2所述一种制作3D封装芯片的散热方法，其特征在于所述循环散热泵（41）上设有用于将冷却液注入其内的注液口（45）和用于将其内的冷却液排出的排液口（46）。
4.按权利要求1所述一种制作3D封装芯片的散热方法，其特征在于所述步骤B中氧化硅层厚度约为2-4um。
5.按权利要求1所述一种制作3D封装芯片的散热方法，其特征在于所述步骤E中氢氟酸、硝酸和冰醋酸为分析纯溶液，按体积比为1:3:5配制。
6.按权利要求1所述一种制作3D封装芯片的散热方法，其特征在于所述步骤E中流体通道深度为100-300um。
7.按权利要求1所述一种制作3D封装芯片的散热方法，其特征在于所述步骤N中有机溶剂为丙酮溶液。
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