CN104538372B - 散热型封装结构及其制作方法、散热型封装基板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种散热型封装结构及其制作方法、散热型封装基板。其中,所述散热型封装结构包括在基板的上表面设置向下延伸的凹槽,凹槽具有凹槽下表面和凹槽侧表面,贯穿所述凹槽的下表面和所述基板的下表面设置至少一通孔,设置于至少一通孔中的金属层,设置于基板的上表面且位于凹槽上方的金属背板,金属背板和凹槽形成一腔体,腔体内填充有相变材料;键合于基板的下表面且位于至少一通孔对应的区域的至少一芯片。本发明能够将芯片的热量迅速转移到玻璃基板的散热端,有效减少玻璃基板的热阻,且有利于高密度集成。
Description
技术领域
本发明涉及封装技术领域,尤其涉及一种散热型封装结构及其制作方法、散热型封装基板。
背景技术
随着无线通信、汽车电子和其他消费类电子产品的快速发展,微电子封装技术向着多功能、小型化、便携式、高速度、低功耗和高可靠性的方向发展。其中,系统级封装(System In a Package,简称SIP)是一种新型的封装技术,能够有效减小封装面积。
现有的多功能SIP封装芯片是在封装基板的表面贴合将一个或多个裸芯片,随着芯片的高度集成,功率越来越大,芯片散热成在封装过程中成为一个必须考虑的问题,芯片本身产生的热量,除了少部分通过底部载板及焊点向外散热,其主要热量是通过芯片表面散热的,因此,现有芯片封装设计一般是在芯片上加散热盖,将散热盖通过导热材料粘贴在芯片和载板上,形成密封封装结构,然而芯片会产生高热,且密封封装结构的热传导性能通常不佳,因此,导致芯片周围的温度过高而影响芯片的工作效率。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供一种散热型封装结构及其制作方法、散热型封装基板,通过在基板上形成腔体,腔体内填充相变材料,利用相变材料在相变过程能够吸收大量热量的原理,能够将芯片的热量迅速转移到玻璃基板的散热端,提高芯片的工作效率。
第一方面,本发明实施例提供了一种散热型封装结构,包括:
基板,所述基板具有上表面,其中,所述基板具有凹槽,所述凹槽从所述基板的上表面向下延伸,所述凹槽具有凹槽下表面和凹槽侧表面;
至少一通孔,贯穿所述凹槽的下表面和所述基板的下表面,其中,所述基板的下表面为相对于所述基板的上表面的一面;
金属层,设置于所述至少一通孔中;
金属背板,设置于所述基板的上表面且位于所述凹槽上方,所述金属背板和所述凹槽形成一腔体,所述腔体内填充有相变材料;
至少一芯片,键合于所述基板的下表面且位于所述至少一通孔对应的区域。
进一步地,所述金属背板包括:
开口,设置于所述金属背板上,所述开口贯穿所述金属背板;
压片,设置于所述金属背板相对于所述凹槽的内表面,且位于所述开口对应的区域,其中,所述压片的一端与所述金属背板密封,所述压片的另一端和所述金属背板之间设置有聚合物软垫。
进一步地,所述金属层还设置于所述凹槽的下表面和所述凹槽的侧表面和所述基板的上表面。
进一步地,所述结构还包括:
热沉,设置于所述金属背板上。
进一步地,所述结构还包括:
焊接引线,用于将所述至少一芯片与所述基板的下表面且位于所述至少一通孔对应的区域键合。
进一步地,所述结构还包括:
第一焊球,所述第一焊球用于将所述至少一芯片与所述基板的下表面且位于所述至少一通孔对应的区域键合。
进一步地,所述至少一芯片为倒装芯片。
进一步地,所述基板为玻璃基板。
进一步地,所述相变材料为两相液体或两相材料。
第二方面,本发明实施例还提供了一种散热型封装基板,所述封装基板包括散热型封装结构、第二焊球和封装基板,所述散热型封装结构为第一方面所述的散热型封装结构,所述封装基板通过所述第二焊球键合于所述散热型封装结构中至少一所述芯片下方。
第三方面,本发明实施例还提供了一种散热型封装结构的制作方法,包括:
对基板的上表面进行刻蚀形成凹槽,所述凹槽具有凹槽下表面和凹槽侧表面;
对所述凹槽的下表面进行成孔,形成贯穿所述凹槽的下表面和所述基板的下表面的至少一个通孔,其中,所述基板的下表面为相对于所述基板的上表面的一面;
在所述至少一通孔中形成金属层;
在所述基板的上表面且在所述凹槽上方形成金属背板,所述金属背板和所述凹槽形成一腔体,所述腔体内填充有相变材料;
将至少一个芯片与所述基板的下表面且位于所述至少一通孔对应的区域键合。
进一步地,所述方法还包括:
在所述凹槽的下表面、所述凹槽的侧表面和所述基板的上表面形成金属层。
本发明实施例提供的散热型封装结构及其制作方法、散热型封装基板,在基板的上表面具有向下延伸的凹槽,在凹槽的下表面具有贯穿所述凹槽的下表面和所述基板下表面的至少一个通孔,在所述至少一个通孔中设置有金属层,在所述基板的上表面且位于所述凹槽的上方具有金属背板,所述金属背板所述所述凹槽形成腔体,所述腔体内设置有相变材料,在基板的下表面且所述至少一通孔对应的区域键合有至少一芯片,其中,相变材料气化的过程中会吸收大量的热量,气体挥发到冷却端,从而变成液体流回发热端,使整个腔体形成气液循环密封系统,能够将芯片的热量迅速转移到玻璃基板的散热端,有效减少玻璃基板的热阻。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是本发明一个实施例提供的散热型封装结构的结构图;
图2是本发明一个实施例提供的散热型封装结构中金属背板的结构图;
图3a为本发明一个实施例中相变材料充入腔体时的示意图;
图3b为本发明一个实施例中相变材料充入腔体后的示意图;
图4是本发明一个实施例中的采用导热材料时的散热型封装结构的结构图
图5是本发明一个实施例中的采用引线键合时的散热型封装结构的结构图;
图6a-图6c是本发明一个实施例提供的散热型封装基板的结构图;
图7是本发明另一个实施例提供的散热型封装结构的制作方法的流程图;
图8a-图8g是本发明另一个实施例提供的散热型封装结构的制作方法中各步骤对应的剖面结构示意图。
图中的附图标记所分别指代的技术特征为:
11、基板;a、通孔;12、金属层;13、金属背板;131、压片;132、聚合物软垫;b、开口;14、相变材料;15、芯片;16、封装基板;17、第一焊球;18、热沉;19、第二焊球;21、布线层;22、导热材料;A1、上表面;A2、下表面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
本发明实施例提供一种散热型封装结构,图1是本发明一个实施例提供的散热型封装结构的结构图,如图1所示,所述散热型封装结构包括:基板11、至少一通孔a、金属层12、金属背板13、至少一芯片15。
其中,所述基板11优选为玻璃基板11,所述玻璃基板11相对于传统的有机基板11,例如:硅基板,玻璃基板11具有较好的高频性能,透光性好,并且损耗角很低,且在玻璃基板11上形成凹槽的工艺技术比较成熟,因此,本发明提出在玻璃基板11上形成腔体,在腔体内填充相变材料14将芯片15产生的热量迅速散发出去。
如图1所示,基板11具有上表面A1和与上表面A1相对的基板11的下表面A2,基板11上具有凹槽,凹槽从基板11的上表面A1向下延伸,凹槽具有凹槽下表面和凹槽侧表面,凹槽的下表面具有基板11的下表面A2之间的距离可以为45μm,优选的,可以采用湿法刻蚀或者干法刻蚀在所述基板11的形成凹槽。
至少一通孔a贯穿凹槽的下表面和基板11的下表面A2,用于将芯片15产生的热量通过至少一通孔a传递到凹槽中,优选的,可以采用干法刻蚀的方法形成贯穿凹槽的下表面和基板11下表面的至少一个通孔a。
金属层12设置于至少一通孔a中,位于至少一通孔中的金属层12一方面能够加快芯片产生的热量传递到凹槽中的速度,另一方面,还能够阻止凹槽中的相变材料流出凹槽。优选的,所述金属层12的材料为铜,更优选的,所述金属层12设置于所述至少一通孔a中和所述凹槽的下表面和所述凹槽的侧表面和所述基板11的上表面,位于基板11上表面的金属层12能够将金属背板13更好的焊接在所述基板的上表面。具体地,可以在基板11的下表面键合一衬底,通过溅射或者电镀的方法在至少一通孔a中以及凹槽的下表面和凹槽的侧表面以及基板11的上边面形成一层铜,之后去除键合在基板11下表面的衬底。当然,金属层12的材料也可以为其他金属,本发明对所述金属层的材料不做限定。在本实施例中,优选的,当去除键合在基板11下表面的衬底后,还可包括在基板11的下表面形成布线层21,所述布线层21与所述至少一通孔a中的金属层12不接触。
金属背板13设置于基板11的上表面且位于凹槽的上方,金属背板13和凹槽形成一腔体,所述腔体内填充有相变材料14。
优选的,所述相变材料14为两相液体或两相材料,所述两相液体和两相材料的最高沸点的范围在60℃-70℃之间,所述两相材料例如为R-134a或R113等,当芯片15产生的热量达到R-134a的沸点时,R-134a发生气化,气体挥发到腔体内的金属背板13上后变成液体流回凹槽的下表面,利用相变材料14在相变过程能够吸收大量热量的原理,能够将芯片15的热量迅速转移到玻璃基板11的腔体,有效减少玻璃基板11的热阻。
具体地,如图2所示,图2是本发明一个实施例提供的散热型封装结构中金属背板的结构图,所述金属背板13可包括:开口b和压片131。
其中,所述开口b设置于所述金属背板13上,所述开口b贯穿所述金属背板13,可通过干法刻蚀或者湿法刻蚀的方法在所述金属背板13上形成贯穿所述金属背板13的开口b。
所述压片131设置于所述金属背板13相对于所述凹槽的内表面,且位于所述开口b对应的区域,其中,所述压片131的一端与所述金属背板13密封,所述压片131的另一端和所述金属背板13之间设置有聚合物软垫132,所述聚合物软垫132可以是一种形变能力较大的胶。如图3a和图3b所示,图3a为本发明一个实施例中相变材料充入腔体时的示意图,图3b为本发明一个实施例中相变材料充入腔体后的示意图。如图3a所示,通过开口b将相变材料14充入到腔体内,此时,充入相变材料14的管道的压强P1大于腔体内的压强P2,所述聚合物软垫132受到腔体外界较大的压强产生形变,使得压片131的另一端与金属背板13之间产生缝隙,从而相变材料14能够从该缝隙中充入到腔体内;如图3b所示,当相变材料14充入到腔体内后,腔体内的压强P2大于腔体外界压强P1,所述聚合物软垫132受到腔体内部较大的压强产生形变,从而使得压片131的另一端与金属背板13闭合,使得相变材料14密封到腔体内部。
至少一芯片15键合于基板11的下表面且位于至少一通孔a对应的区域,封装芯片15键合于至少一芯片15下方。
通过将至少一芯片15键合与基板11的下表面且至少一通孔a对应的区域,能够将芯片15产生的热量迅速的散发到基板11中,具体地,所述至少一芯片15与基板11的键合方式包括三种方式:
如图4所示,图4是本发明一个实施例中的采用导热材料时的散热型封装结构的结构图。第一种方式是在形成金属层12时,当去除基板11下表面的衬底时,不需要在基板11下表面形成布线层21,只需要在基板11的下表面且位于所述至少一通孔a对应的区域涂覆导热材料22,通过所述导热材料22使得至少一芯片15键合于基板11的下表面且位于至少一通孔a对应的区域。较佳的,可以在至少一芯片15的相对于基板11下表面的外侧一面以及基板11的下表面形成焊球(未图示),以在至少一芯片15下方键合封装基板、印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)或其他芯片等。
如图1所示,图1是本发明一个实施例提供的采用芯片倒装技术时的散热型封装结构的结构图,第二种方式是采用芯片15倒装技术,在基板11的下表面且位于至少一通孔a对应的区域设置第一焊球17,第一焊球17与布线层21连接,具体地,可以将第一焊球17焊在布线层22的焊盘上,将电信号引出至第一焊球17,将所述至少一芯片15与基板11的下表面且位于至少一通孔a对应的区域键合。较佳的,可以在至少一芯片15的相对于基板11下表面的外侧一面以及基板11的下表面形成焊球(未图示),以在至少一芯片15下方键合封装基板、印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)或其他芯片等。
如图5所示,图5是本发明一个实施例中的采用引线键合时的散热型封装结构的结构图,第三种方式是采用引线键合的方法,在至少一芯片15两端设置焊接引线,所述焊接引线与布线层21连接,通过所述焊接引线将至少一芯片15与基板11的下表面且位于至少一通孔a对应的区域键合。较佳的,可以在基板11的下表面设置焊球(未图示),所述焊球与所述布线层21连接,通过所述焊球可在所述至少一芯片15键合下方键合封装基板、PCB板或其他芯片等。
优选的,上述所述散热型封装结构还包括热沉18,所述热沉18设置于所述金属背板13上,所述热沉18的材料可以为金属,设置热沉18的好处在于能够让芯片15产生的热量更快的散发出去。
需要说明的是,在本实施例中,所述基板11的材料也可以为硅,当所述基板11为硅基板时,当在至少一通孔a中以及设置于凹槽的下表面、凹槽的侧表面或基板11的上表面中任一或几个位置中形成金属层12时,需要先通过CVD或其他方法在硅基板11的下表面形成绝缘层以后,再通过通过溅射或者电镀的方法在至少一通孔a中以及凹槽的下表面和凹槽的侧表面以及基板11的上边面形成一层铜或者其他金属。
本发明实施例还提供了一种散热型封装基板,所述封装基板包括散热型封装结构、第二焊球19和封装基板16,所述散热型结构为本发明上述实施例所述的散热型封装结构,所述封装基板16通过第二焊球19键合于至少一芯片15下方。
具体地,所述散热型封装结构可以是图1所示的散热型封装结构,此时,形成的散热型封装基板的结构图如图6a所示。
所述散热型封装结构也可以是图4所示的散热型封装结构,此时,形成的散热型封装基板的结构图如图6b所示。
所述散热型封装结构也可以是图5所示的散热型封装结构,此时,形成的散热型封装基板的结构图如图6c所示。
本发明实施例提供的散热型封装结构及散热型封装基板,通过在玻璃基板上设置凹槽并在凹槽的底部设置通孔,在所述通孔中形成金属层,之后在凹槽上方形成金属背板,所述金属背板和所述凹槽形成一个腔体,所述腔体内填充有相变材料,利用相变材料在相变过程能够吸收大量热量的原理,能够将芯片的热量迅速转移到玻璃基板的散热端,有效减少玻璃基板的热阻,使热量能够有效的散出,且在基板的内部形成腔体,集成度高。
图7是本发明另一个实施例提供的散热型封装结构的制作方法的流程图,图8a-图8g是本发明另一个实施例提供的散热型封装结构的制作方法中各步骤对应的剖面结构示意图,该方法用于制作上述实施例提供的散热型封装结构,具体地,所述散热型封装结构的制作方法包括:
步骤11、对基板11的上表面进行刻蚀形成凹槽,所述凹槽具有凹槽下表面和凹槽侧表面。
优选的,所述基板11为玻璃基板11。参见图8a,采用干法刻蚀或者湿法刻蚀的方法对所述基板11的上表面A1进行刻蚀,所述凹槽的下表面距离所述基板11的下表面A2的距离优选为45μm。
步骤12、对所述凹槽的下表面成孔,形成贯穿所述凹槽的下表面和所述基板11的下表面的至少一个通孔a,其中,所述基板11的下表面为相对于所述基板11的上表面的一面。
参见图8b,可采用干法刻蚀的方法对所述凹槽的下表面进行刻蚀,形成贯穿所述凹槽的下表面和所述基板11的下表面的至少一个通孔a。
步骤13、在所述至少一通孔a中形成金属层12。
参见图8c,优选的,在所述至少一通孔a中以及所述凹槽的下表面和所述凹槽的侧表面及所述基板11的上表面形成金属层12,所述金属层12的材料为铜或者其他金属,具体地,可以在所述基板11的下表面键合衬底,再通过溅射或电镀的方法在所述至少一通孔a中以及所述凹槽的下表面和所述凹槽的侧表面及所述基板11的上表面形成金属层12,之后去除衬底。该金属层12一方面能够加快芯片15产生的热量进行散发,另一方面能够阻止后续工艺中填充的相变材料14挥发或流出腔体外。优选的,当去除键合在基板11下表面的衬底后,还可在基板的下表面形成布线层21,所述布线层21与所述至少一通孔a中的金属层不接触。当然,也可以不形成布线层。
步骤14、在所述基板11的上表面且在所述凹槽上方形成金属背板13,所述金属背板13和所述凹槽形成一腔体,所述腔体内填充有相变材料14。
参见图8d,可以采用平行封焊技术在所述基板11的上表面且在所述凹槽的上方形成金属背板13。具体地,可在所述金属背板13上形成一开口b,所述开口b贯穿所述金属背板13,在所述开口b对应的区域形成一压片131,所述压片131的材料为金属,该压片131的一端通过焊接或者涂覆聚合物软垫132的方法与所述金属背板13密封,所述压片131的另一端上形成有聚合物软垫132,当相变材料14通过管道向腔体内填充时,所述腔体外界的压强大于所述腔体内的压强,所述压片131另一端的聚合物软垫132发生形变,使得压片131的另一端和所述金属背板13之间形成一缝隙,使得相变材料14通过该缝隙填充到腔体里面,当相变材料14填充到腔体里面时,腔体内部的压强大于腔体外界的压强,所述聚合物软垫132发生形变,所述压片131另一端的聚合物软垫132发生形变,使得压片131的另一端与所述金属背板13密封,从而使得相变材料14密封填充到所述腔体里面。
步骤15、将至少一个芯片15与所述基板11的下表面且位于所述至少一通孔a对应的区域键合。
具体地,将至少一芯片15与所述基板11的下表面且位于所述至少一通孔a对应的区域键合可通过三种方式来实现:
参见图8e,可以采用芯片15倒装技术将至少一芯片15通过第一焊球17键合在所述基板11的下表面且位于所述至少一通孔a对应的区域,第一焊球17与布线层21连接。优选的,可以在位于基板11下表面设置第二焊球19,第二焊球19与布线层21连接,通过第二焊球19使得至少一芯片15与封装基板16键合。需要说明的是,至少一芯片15下方除了键合封装基板16外,还可以键合PCB板或其他芯片等。
参见图8f,也可以在去除基板11下面的衬底时,不在基板11下表面形成布线层21,只需要在基板11的下表面且位于所述至少一通孔a对应的区域涂覆导热材料22,通过所述导热材料22使得至少一芯片15键合于基板11的下表面且位于至少一通孔a对应的区域。较佳的,可以在在至少一芯片15的相对于基板11下表面的外侧一面以及基板11的下表面形成第二焊球19,通过所述第二焊球19从而将至少一芯片15与封装基板键合,需要说明的是,至少一芯片15下方除了键合封装基板外,还可以键合PCB板或其他芯片等。
参见图8g,也可以采用引线键合技术,将焊接引线与布线层22连接,在至少一芯片15的两端通过引线将至少一芯片15与所述基板11的下表面且位于所述至少一通孔a对应的区域键合。较佳的,可以在基板11的下表面形成第二焊球19,通过第二焊球19将封装基板与至少一芯片15键合,需要说明的是,至少一芯片15下方除了键合封装基板16外,还可以键合PCB板或其他芯片等。
优选的,上述方法还可包括在所述金属背板13的上方形成热沉18,所述热沉18的材料为金属,在金属背板13上方形成热沉18的好处在于能够加快芯片15产生的热量进行散发的速度。
本发明实施例提供的散热型封装结构的制作方法,通过在玻璃基板上形成凹槽并在凹槽的底部形成通孔,在所述通孔中形成金属层,之后在凹槽上方形成金属背板,所述金属背板和所述凹槽形成一个腔体,所述腔体内填充有相变材料,利用相变材料在相变过程能够吸收大量热量的原理,能够将芯片的热量迅速转移到玻璃基板的散热端,有效减少玻璃基板的热阻,使热量能够有效的散出,且在基板的内部形成腔体,集成度高。
注意,上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (12)
1.一种散热型封装结构,其特征在于,包括:
基板,所述基板具有上表面,其中,所述基板具有凹槽,所述凹槽从所述基板的上表面向下延伸,所述凹槽具有凹槽下表面和凹槽侧表面;
至少一通孔,贯穿所述凹槽的下表面和所述基板的下表面,其中,所述基板的下表面为相对于所述基板的上表面的一面;
金属层,设置于所述至少一通孔中;所述金属层还设置于所述凹槽的下表面和所述凹槽的侧表面和所述基板的上表面;
金属背板,设置于所述基板的上表面且位于所述凹槽上方,所述金属背板和所述凹槽形成一腔体,所述腔体内填充有相变材料;
至少一芯片,键合于所述基板的下表面且位于所述至少一通孔对应的区域。
2.根据权利要求1所述的散热型封装结构,其特征在于,所述金属背板包括:
开口,设置于所述金属背板上,所述开口贯穿所述金属背板;
压片,设置于所述金属背板相对于所述凹槽的内表面,且位于所述开口对应的区域,其中,所述压片的一端与所述金属背板密封,所述压片的另一端和所述金属背板之间设置有聚合物软垫。
3.根据权利要求2所述的散热型封装结构,其特征在于,所述结构还包括:
热沉,设置于所述金属背板上。
4.根据权利要求2所述的散热型封装结构,其特征在于,所述结构还包括:
导热材料,涂覆于所述基板的下表面且位于所述至少一通孔对应的区域,用于将所述至少一芯片与所述基板键合。
5.根据权利要求2所述的散热型封装结构,其特征在于,所述结构还包括:
布线层,设置于所述基板的下表面,且所述布线层与所述至少一通孔中的金属层不连接。
6.根据权利要求5所述的散热型封装结构,其特征在于,所述结构还包括:
焊接引线,与所述布线层连接,用于将所述至少一芯片与所述基板的下表面且位于所述至少一通孔对应的区域键合。
7.根据权利要求5所述的散热型封装结构,其特征在于,所述结构还包括:
第一焊球,与所述布线层连接,所述第一焊球用于将所述至少一芯片与所述基板的下表面且位于所述至少一通孔对应的区域键合。
8.根据权利要求7所述的散热型封装结构,其特征在于,所述至少一芯片为倒装芯片。
9.根据权利要求1-8任一所述的散热型封装结构,其特征在于,所述基板为玻璃基板。
10.根据权利要求1-8任一所述的散热型封装结构,其特征在于,所述相变材料为两相液体或两相材料。
11.一种散热型封装基板,其特征在于,所述封装基板包括散热型封装结构、第二焊球和封装基板,所述散热型封装结构为权利要求1-8任一所述的散热型封装结构,所述封装基板通过所述第二焊球键合于所述散热型封装结构中至少一所述芯片下方。
12.一种散热型封装结构的制作方法,其特征在于,包括:
对基板的上表面进行刻蚀形成凹槽,所述凹槽具有凹槽下表面和凹槽侧表面;
对所述凹槽的下表面成孔,形成贯穿所述凹槽的下表面和所述基板的下表面的至少一个通孔,其中,所述基板的下表面为相对于所述基板的上表面的一面;
在所述至少一通孔中形成金属层;在所述凹槽的下表面、所述凹槽的侧表面和所述基板的上表面形成金属层;
在所述基板的上表面且在所述凹槽上方形成金属背板,所述金属背板和所述凹槽形成一腔体,所述腔体内填充有相变材料;
将至少一个芯片与所述基板的下表面且位于所述至少一通孔对应的区域键合。
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