CN106449569B - 叠层芯片微流道散热结构和制备方法 - Google Patents

叠层芯片微流道散热结构和制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种叠层芯片微流道散热结构,包括芯片基板、组装在芯片基板上的叠层芯片,所述叠层芯片被内封装材料所封装,形成内封装体;内封装体的侧面设有侧散热组件,顶部设有上散热组件;侧散热组件和上散热组件中均设有供冷却液流动的微流道;上散热组件与侧散热组件连接且上散热组件与侧散热组件中的微流道相连通;在内封装体两侧的芯片基板上设有穿透芯片基板的冷却液进口和冷却液出口;内封装体两侧侧散热组件中的微流道下端分别与冷却液进口和冷却液出口连通。本发明提高了叠层芯片的散热能力。

Description

叠层芯片微流道散热结构和制备方法
技术领域
本发明涉及一种封装结构,尤其是一种叠层芯片的封装结构。
背景技术
在三维堆叠芯片的结构中,内层芯片的热量很难散出,导致叠层结构内层芯片由于结温太高,导致芯片失效,限制了整个器件的集成度和性能的提高。
对于叠层芯片的高功率密度,强制风冷的散热能力已经不能够满足;而对于液体、相变等冷却方法,如热管或微流道,存在体积更大或组装复杂等问题,使这些散热措施难以像机箱风扇一样得到广泛使用;另一方面,由于微流道、热管表贴在芯片封装体表面进行散热,增加了封装材料这一层热阻,散热效果不是最理想。
现有技术之一,专利US 2005/0051297 A1,如图1所示,包括:一散热风扇,一紧固件及一散热片。该专利优点是:制作简单,成本低;能够快速组装和拆卸,利于更换;适用范围广。缺点是:该方法使用强制风冷,其散热能力有限,对于叠层芯片等高功率密度器件,散热能力远远不足;且该发明从封装体外部进行散热,散热效率有限;散热结构体积大,不利于小型化;
现有技术之二,专利CN100423826C具有用于负载催化剂或吸附介质的内翅片的微通道,如图2所示,该发明涉及一种装置,包括具有一定高度、宽度及长度的工艺微流道,其高度约10mm。液体从微流道进入,并带走芯片传导至该散热结构的热量。该发明的优点是:散热结构小,利于小型化;使用液体散热,散热效率高。缺点是:没有方便便捷的微流道与芯片器件的组装方法,限制了其广泛推广应用;另一方面其制作工艺要求高,加工难度大;制作成本高。
现有技术之三,专利CN102522380 A一种POP封装结构,如图3所示,该发明涉及一种POP封装的散热结构。在堆叠的封装体间,通过增加一层铜基板,或在封装体四周做孔状结构。该发明的优点是:在封装体能增加芯片的散热面积,提高了叠层结构的散热能力;易于小型化;电镀一层铜层基板的工艺成熟;缺点是:该结构只是有限度的增加了散热面积,传导出的热量仍然在封装体内部,需通过底层和顶层芯片传导至外部。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足,提供一种叠层芯片微流道散热结构,以及叠层芯片微流道散热结构的制备方法,解决了叠成芯片结构芯片内部热量难以散出的问题。本发明采用的技术方案是:
本发明提出的第一种叠层芯片微流道散热结构,包括芯片基板、组装在芯片基板上的叠层芯片,所述叠层芯片被内封装材料所封装,形成内封装体;
内封装体的侧面设有侧散热组件,顶部设有上散热组件;侧散热组件和上散热组件中均设有供冷却液流动的微流道;上散热组件与侧散热组件连接且上散热组件与侧散热组件中的微流道相连通;
在内封装体两侧的芯片基板上设有穿透芯片基板的冷却液进口和冷却液出口;内封装体两侧侧散热组件中的微流道下端分别与冷却液进口和冷却液出口连通。
进一步地,内封装体和侧散热组件以及上散热组件之间设有导热材料。
进一步地,连接为一体的侧散热组件和上散热组件被外封装材料二次封装,且上散热组件的顶部裸露。
进一步地,侧散热组件和上散热组件中的微流道为直管道或弯曲管道。
进一步地,侧散热组件包括下通道接口和上通道接口;在侧散热组件中设有多个上下走向的微流道,侧散热组件中的微流道上端和下端各自通过横向微流道汇接至上通道接口和下通道接口;一侧的侧散热组件下通道接口通过焊盘连接芯片基板的冷却液进口,另一侧的侧散热组件下通道接口通过焊盘连接芯片基板的冷却液出口;上通道接口通过焊盘连接上散热组件并连通上散热组件中的微流道;
上散热组件包括微流道入口和微流道出口;在上散热组件中设有多个横向的微流道,上散热组件中的微流道的两端分别通过纵向微流道汇接至微流道入口和微流道出口;微流道入口和微流道出口通过焊盘分别连接内封装体两侧的侧散热组件上通道接口。
第一种叠层芯片微流道散热结构的制备方法,包括以下步骤:
步骤S101,提供高热导率材料作为散热组件的基材,使用半导体刻蚀工艺对散热组件基材表面进行半管道形状图形刻蚀;
步骤S102,将表面带有半管道的散热组件基材进行面对面对接,形成具有内部微流道的侧散热组件和上散热组件;侧散热组件上具有下通道接口和上通道接口;上散热组件上具有微流道入口和微流道出口;
步骤S103,在侧散热组件的下通道接口和上通道接口,以及在上散热组件的微流道入口和微流道出口处进行焊盘的制作;
步骤S104,将裸芯片逐层组装至芯片基板上,形成叠层芯片,并使用内封装材料对叠层芯片进行一次封装,形成内封装体;
芯片基板上预先制作好冷却液进口和冷却液出口;
步骤S105,通过组装机将侧散热组件贴在内封装体周围与芯片基板焊接,使得内封装体一侧的侧散热组件下通道接口通过焊盘连接芯片基板的冷却液进口,另一侧的侧散热组件下通道接口通过焊盘连接芯片基板的冷却液出口;侧散热组件与内封装体间使用导热材料填满缝隙;
步骤S106,通过组装机将上散热组件紧贴在内封装体顶部,且将上散热组件微流道入口和微流道出口分别和内封装体两侧的侧散热组件上通道接口对齐焊接;上散热组件和内封装体间填充导热材料;
步骤S107,使用外封装材料,对内封装体和内封装体外焊接好的散热组件进行二次封装形成一个整体封装体;上散热组件的顶部在二次封装时,露出在整体封装体外表面。
本发明提出的第二种叠层芯片微流道散热结构,包括芯片基板,在芯片基板上堆叠组装有多个叠层芯片子单元,
各个叠层芯片子单元被内封装材料所封装,形成多个内封装子体;在各叠层芯片子单元形成的内封装子体间设有散热转接板;所述散热转接板向两侧延伸出内封装子体;
各内封装子体的侧面设有侧散热组件,最上方的内封装子体顶部设有上散热组件;侧散热组件和上散热组件中均设有供冷却液流动的微流道;在散热转接板延伸出内封装子体的两侧部位设有与侧散热组件中微流道位置相对应的微流道通孔;
在内封装子体两侧的芯片基板上设有穿透芯片基板的冷却液进口和冷却液出口;最下方的第一层内封装子体两侧侧散热组件中的微流道下端分别与冷却液进口和冷却液出口连通;
各层内封装子体两侧的侧散热组件与散热转接板延伸出内封装子体两侧部位连接,各侧散热组件中的微流道与散热转接板两侧部位的微流道通孔对位连接成密闭管道;
上散热组件与最上方的侧散热组件连接且上散热组件与侧散热组件中的微流道相连通。
进一步地,连接为一体的侧散热组件和上散热组件被外封装材料二次封装,且上散热组件的顶部裸露。
进一步地,侧散热组件包括一个最下方的侧散热组件、一个最上方的侧散热组件、一个或多个中间层侧散热组件;
最下方的侧散热组件中间设有多个上下走向的微流道,还包括一个底端的下通道接口和多个微流道上端的微流道接口;各微流道的下端通过横向微流道汇接至下通道接口;一侧的最下方的侧散热组件下通道接口通过焊盘连接芯片基板的冷却液进口,另一侧的最下方的侧散热组件下通道接口通过焊盘连接芯片基板的冷却液出口;
中间层侧散热组件中间设有多个上下走向的微流道,还包括微流道上下端的微流道接口;
最上方的侧散热组件中间设有多个上下走向的微流道,还包括一个上端的上通道接口和多个微流道下端的微流道接口;各微流道的上端通过横向微流道汇接至上通道接口;上通道接口通过焊盘连接上散热组件并连通上散热组件中的微流道;
最下方的侧散热组件微流道上端的微流道接口、中间层侧散热组件的微流道接口、最上方的侧散热组件下端的微流道接口与各层侧散热组件之间散热转接板两侧部位的微流道通孔通过焊盘对位焊接;
上散热组件包括微流道入口和微流道出口;在上散热组件中设有多个横向的微流道,上散热组件中的微流道的两端分别通过纵向微流道汇接至微流道入口和微流道出口;微流道入口和微流道出口通过焊盘分别连接内封装子体两侧最上方的侧散热组件上通道接口。
第二种叠层芯片微流道散热结构的制备方法,包括以下步骤:
步骤S201,提供高热导率材料作为散热组件的基材,使用半导体刻蚀工艺对散热组件基材表面进行半管道形状图形刻蚀;
步骤S202,将表面带有半管道的散热组件基材进行面对面对接,形成具有内部微流道的侧散热组件和上散热组件;
步骤S203,在最下方的侧散热组件底端的下通道接口和上端的微流道接口,中间层侧散热组件上下端的微流道接口,最上方的侧散热组件上端的上通道接口和下端的微流道接口处,以及在上散热组件的微流道入口和微流道出口处进行焊盘的制作;
步骤S204,使用高热导率材料制作散热转接板;在散热转接板两侧部位刻蚀形成与侧散热组件中微流道位置相对应的微流道通孔;并在微流道通孔处进行焊盘的制作;
步骤S205,在芯片基板上堆叠裸芯片形成第一层叠层芯片子单元;
芯片基板上预先制作好冷却液进口和冷却液出口;
步骤S206,将第一层即最下方的侧散热组件焊接至第一层叠层芯片子单元两侧的芯片基板;第一层叠层芯片子单元一侧最下方的侧散热组件下通道接口通过焊盘连接芯片基板的冷却液进口,另一侧最下方的侧散热组件下通道接口通过焊盘连接芯片基板的冷却液出口;
步骤S207,将第一层散热转接板焊接至第一层的侧散热组件上,侧散热组件中的微流道与散热转接板两侧部位的微流道通孔通过焊盘对位焊接成密闭管道;
步骤S208,逐层安装第二层以上的叠层芯片子单元、侧散热组件和散热转接板;通过焊接使得各层结构组装在一起;第一层即最下方的侧散热组件内的微流道、各中间层侧散热组件内的微流道、顶层即最上方的侧散热组件内的微流道以及各层侧散热组件之间散热转接板上的微流道通孔对位焊接成密闭管道;
步骤S209,将上散热组件与顶层即最上方的侧散热组件通过回流焊焊接,上散热组件的微流道入口和微流道出口分别和顶层即最上方的侧散热组件的上通道接口对位焊接;
步骤S210,最后对经过步骤S209后形成的散热结构从侧面灌入封装材料进行封装,形成一个整体封装体;各个叠层芯片子单元被内封装材料所封装,形成多个内封装子体;连接为一体的侧散热组件和上散热组件被外封装材料封装,且上散热组件的顶部裸露。
进一步地,步骤S204中,散热转接板表面通过刻蚀,做出多组沟槽结构,或散热孔结构。
本发明的优点在于:
1)散热效果佳;
2)降低了组装过程对芯片损坏的概率,提高了良品率;
3)可对散热组装件再次高温枪拆除,更换其他组件;实现了散热组件的便捷安装和拆卸功能。
4)第二种散热结构还采用了散热转接板将叠层芯片内部热量导出,更好地解决了叠层芯片结构芯片内部热量难以散出的问题。
5)整体结构更牢固。
附图说明
图1为现有技术之一的散热结构示意图。
图2为现有技术之一的散热结构示意图。
图3为现有技术之一的散热结构示意图。
图4为本发明实施例一中的叠层芯片微流道散热结构示意图。
图5为本发明实施例一中的侧散热组件结构示意图。
图6为本发明实施例一中的上散热组件结构示意图。
图7为本发明实施例一中的叠层芯片与芯片基板组装示意图。
图8为本发明实施例一中的侧散热组件与芯片基板焊接示意图。
图9为本发明实施例一中的上散热组件与侧散热组件焊接示意图。
图10为本发明实施例一中的散热结构和主板小型散热系统连接示意图。
图11为本发明实施例二中的叠层芯片微流道散热结构示意图。
图12a、图12b、图12c为本发明实施例二中的侧散热组件结构示意图。
图13为本发明实施例二中的散热转接板的一种结构。
图14为本发明实施例二中的散热转接板的另一种结构。
图15为本发明实施例二中的叠层芯片子单元与芯片基板组装示意图。
图16为本发明实施例二中的焊接第一层侧散热组件示意图。
图17为本发明实施例二中的焊接第一层散热转接板示意图。
图18为本发明实施例二中的逐层安装叠层芯片子单元、侧散热组件和散热转接板示意图。
图19为本发明实施例二中的焊接上散热组件示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一,
本实施例提供的叠层芯片微流道散热结构,如图4所示,包括芯片基板1、组装在芯片基板1上的叠层芯片2;叠层芯片2被内封装材料3所封装,形成内封装体30;
在内封装体30两侧的芯片基板1上设有穿透芯片基板1的冷却液进口101和冷却液出口102;内封装体30的侧面设有侧散热组件4,顶部设有上散热组件5;侧散热组件4和上散热组件5中均设有供冷却液流动的微流道6;内封装体30两侧侧散热组件4中的微流道6下端分别与冷却液进口101和冷却液出口102连通;上散热组件5与侧散热组件4连接且上散热组件5与侧散热组件4中的微流道相连通;内封装体30和侧散热组件4以及上散热组件5之间设有导热材料7。连接为一体的侧散热组件4和上散热组件5被外封装材料8二次封装。
侧散热组件4的结构如图5所示,包括下通道接口401和上通道接口402;在侧散热组件4中设有多个上下走向的微流道6,侧散热组件4中的微流道上端和下端各自通过横向微流道汇接至上通道接口402和下通道接口401;一侧的侧散热组件4下通道接口401通过焊盘9连接芯片基板1的冷却液进口101,另一侧的侧散热组件4下通道接口401通过焊盘9连接芯片基板1的冷却液出口102;上通道接口402通过焊盘9连接上散热组件5并连通上散热组件5中的微流道;图5中箭头方向为冷却液在侧散热组件4中的流向;
上散热组件5的结构如图6所示,包括微流道入口501和微流道出口502;在上散热组件5中设有多个横向的微流道6,上散热组件5中的微流道的两端分别通过纵向微流道汇接至微流道入口501和微流道出口502;微流道入口501和微流道出口502通过焊盘9分别连接内封装体30两侧的侧散热组件上通道接口402。图6中箭头方向为冷却液在上散热组件5中的流向;
侧散热组件4和上散热组件5中的微流道6也可以是弯曲管道,形成大面积散热面,散热面积贴叠层芯片2四周,对芯片进行高效散热;
叠层芯片微流道散热结构的制备:
步骤S101,使用陶瓷、硅等高热导率材料作为散热组件的基材,使用半导体刻蚀工艺对散热组件基材表面进行半管道形状图形刻蚀;
步骤S102,将表面带有半管道的散热组件基材进行面对面对接,形成具有内部微流道的侧散热组件4和上散热组件5;侧散热组件4上具有下通道接口401和上通道接口402;上散热组件5上具有微流道入口501和微流道出口502;
两个半管道对接时可形成一个完整微流道;此步骤中,若散热组件基材使用硅材料,则可使用硅硅键合工艺;
步骤S103,在侧散热组件4的下通道接口401和上通道接口402,以及在上散热组件5的微流道入口501和微流道出口502处进行焊盘9的制作;
此步骤使用成熟的半导体硅加工工艺,焊盘材料通常为锡铅焊料;
步骤S104,将裸芯片逐层组装至芯片基板1上,形成叠层芯片2,并使用内封装材料3对叠层芯片2进行一次封装,形成内封装体30;如图7所示;一次封装可采用塑封工艺,内封装材料3采用塑封材料;
芯片基板1上预先制作好冷却液进口101和冷却液出口102;
步骤S105,如图8所示,通过组装机将侧散热组件4贴在内封装体30周围与芯片基板1焊接,使得内封装体一侧的侧散热组件4下通道接口401通过焊盘9连接芯片基板1的冷却液进口101,另一侧的侧散热组件4下通道接口401通过焊盘9连接芯片基板1的冷却液出口102;侧散热组件4与内封装体30间使用导热硅脂等导热材料7填满缝隙;
此步骤通常通过回流焊或者高温焊枪焊接,即可将侧散热组件4组装牢靠;
步骤S106,如图9所示,通过组装机将上散热组件5紧贴在内封装体30顶部,且将上散热组件5微流道入口501和微流道出口502分别和内封装体30两侧的侧散热组件上通道接口402对齐焊接;上散热组件5和内封装体30间填充导热硅脂等导热材料7;
此步骤通过回流焊或者高温焊枪焊接;
步骤S107,使用塑封材料作为外封装材料8,对内封装体30和内封装体30外的焊接好的散热组件进行二次封装形成一个整体封装体;最后形成如图4所示结构;
上散热组件5的顶部在二次封装时,可露出在整体封装体外表面;通过安装散热片、风扇等方式,进一步加大芯片散热能力。
组装完成后的整体封装体,可焊接在主板205上,并将整体封装体底部引出的冷却液进、出口与主板205上的小型散热系统的散热管道204相连接,形成一个完整的散热系统;冷却液从主板205上小型散热系统流入整体封装体内进行散热,并将热量带出至环境;如图10所示,即为一个主板205上的小型散热系统,包括微型泵201、微型水箱202、散热翅片203、散热管道204、散热片206;
通过实施例一制备的叠层芯片微流道散热结构,相较于现有散热结构,具有以下优势:
1)散热组件材质使用高热导率材料,典型的如硅,或金属、陶瓷材料等,能够有效地将芯片产生的热量带走;且硅,陶瓷材料使用成熟的半导体工艺制造,工艺成熟,成本可降低。
2)散热组件中的微流道可以是弯曲管道,形成大面积散热面,散热面积贴叠层芯片2四周,对芯片进行高效散热;
3)散热组件内管道(即微流道)的制作工艺成熟;如硅材料,可以使用成熟的半导体刻蚀工艺对散热组件基材进行图形刻蚀,并将两片基材对位键合,制作形成密闭管道。利用半导体工艺大规模生产可降低器件成本。
4)散热组件设计有连接用的焊盘,焊接后接口密闭性可靠,焊接和去焊接工艺简单成熟。侧散热组件上端与上散热组件焊接,下端焊接在芯片基板上,使散热组件能够紧密紧贴芯片内封装体表面进行散热。焊接过程只需通过简单的回流或高温焊枪进行焊接。对于侧散热组件和上散热组件的拆卸,也可通过高温焊枪进行拆除。实现了散热组件的便捷安装和拆卸功能。
5)散热组件与塑封芯片进行焊接组装后,可对组件与封装芯片进行二次塑封,形成整体。通过塑封保护,提高了散热组件和叠层芯片的可靠性;
6)可使用冷却液流经侧散热组件内的微流道,至上散热组件内的微流道,带走芯片产生的热量;冷却液(如去离子水)相比强制风冷,具有更大的吸热能力,且冷却液不停流动,散热效果更好;
实施例二,
本实施例提供的叠层芯片微流道散热结构,如图11所示,包括芯片基板1,在芯片基板1上堆叠组装有多个叠层芯片子单元2′,
各个叠层芯片子单元2′被内封装材料3所封装,形成多个内封装子体30′;在各叠层芯片子单元2′形成的内封装子体30′间设有散热转接板10;所述散热转接板10向两侧延伸出内封装子体30′;
各内封装子体30′的侧面设有侧散热组件4,最上方的内封装子体30′顶部设有上散热组件5;侧散热组件4和上散热组件5中均设有供冷却液流动的微流道6;在散热转接板10延伸出内封装子体30′的两侧部位设有与侧散热组件4中微流道位置相对应的微流道通孔1001;
在内封装子体30′两侧的芯片基板1上设有穿透芯片基板1的冷却液进口101和冷却液出口102;最下方的第一层内封装子体30′两侧侧散热组件4中的微流道6下端分别与冷却液进口101和冷却液出口102连通;
各层内封装子体30′两侧的侧散热组件4与散热转接板10延伸出内封装子体10′两侧部位连接,各侧散热组件4中的微流道与散热转接板10两侧部位的微流道通孔1001对位连接成密闭管道;
上散热组件5与最上方的侧散热组件4连接且上散热组件5与侧散热组件4中的微流道相连通。
侧散热组件4包括一个最下方的侧散热组件、一个最上方的侧散热组件、一个或多个中间层侧散热组件;
如图12a所示,最下方的侧散热组件中间设有多个上下走向的微流道6,还包括一个底端的下通道接口401和多个微流道6上端的微流道接口402′;各微流道6的下端通过横向微流道汇接至下通道接口401;一侧的最下方的侧散热组件下通道接口401通过焊盘9连接芯片基板1的冷却液进口101,另一侧的最下方的侧散热组件下通道接口401通过焊盘9连接芯片基板1的冷却液出口102;;
如图12b所示,中间层侧散热组件中间设有多个上下走向的微流道6,还包括微流道6上下端的微流道接口402′;
如图12c所示,最上方的侧散热组件中间设有多个上下走向的微流道6,还包括一个上端的上通道接口402和多个微流道6下端的微流道接口402′;各微流道6的上端通过横向微流道汇接至上通道接口402;上通道接口402通过焊盘9连接上散热组件5并连通上散热组件5中的微流道;
最下方的侧散热组件微流道6上端的微流道接口402′、中间层侧散热组件的微流道接口402′、最上方的侧散热组件下端的微流道接口402′与各层侧散热组件之间散热转接板10两侧部位的微流道通孔1001通过焊盘9对位焊接;
如图6所示,上散热组件5包括微流道入口501和微流道出口502;在上散热组件5中设有多个横向的微流道6,上散热组件5中的微流道的两端分别通过纵向微流道汇接至微流道入口501和微流道出口502;微流道入口501和微流道出口502通过焊盘9分别连接内封装子体30′两侧最上方的侧散热组件上通道接口402。
叠层芯片微流道散热结构的制备:
步骤S201,使用陶瓷、硅等高热导率材料作为散热组件的基材,使用半导体刻蚀工艺对散热组件基材表面进行半管道形状图形刻蚀;
步骤S202,将表面带有半管道的散热组件基材进行面对面对接,形成具有内部微流道的侧散热组件4和上散热组件5;
两个半管道对接时可形成一个完整微流道;此步骤中,若散热组件基材使用硅材料,则可使用硅硅键合工艺;
步骤S203,在最下方的侧散热组件底端的下通道接口401和上端的微流道接口402′,中间层侧散热组件上下端的微流道接口402′,最上方的侧散热组件上端的上通道接口402和下端的微流道接口402′处,以及在上散热组件5的微流道入口501和微流道出口502处进行焊盘9的制作;
此步骤使用成熟的半导体硅加工工艺,焊盘材料通常为锡铅焊料;
步骤204,使用陶瓷、硅等高热导率材料制作散热转接板10;在散热转接板10两侧部位刻蚀形成与侧散热组件4中微流道位置相对应的微流道通孔1001;并在微流道通孔1001处进行焊盘9的制作;
此步骤中,使用硅基材料作为散热转接板10,可在硅基材料上下表面通过刻蚀,做出多组倒三角沟槽结构1002,或倒锥形散热孔结构1003等,以增大散热转接板10散热面积;如图13、图14所示;
步骤S205,如图15所示,在芯片基板1上堆叠裸芯片形成第一层叠层芯片子单元2′;
芯片基板1上预先制作好冷却液进口101和冷却液出口102;
步骤S206,如图16所示,将第一层即最下方的侧散热组件4焊接至第一层叠层芯片子单元2′两侧的芯片基板;第一层叠层芯片子单元2′一侧最下方的侧散热组件下通道接口401通过焊盘9连接芯片基板1的冷却液进口101,另一侧最下方的侧散热组件下通道接口401通过焊盘9连接芯片基板1的冷却液出口102;
步骤S207,如图17所示,将第一层散热转接板10焊接至第一层的侧散热组件上,侧散热组件4中的微流道6与散热转接板10两侧部位的微流道通孔1001通过焊盘9对位焊接成密闭管道;
步骤S208,如图18所示,逐层安装第二层以上的叠层芯片子单元2′、侧散热组件4和散热转接板10;通过回流焊使得各层结构组装在一起;第一层即最下方的侧散热组件4内的微流道、各中间层侧散热组件4内的微流道、顶层即最上方的侧散热组件内的微流道以及各层侧散热组件之间散热转接板10上的微流道通孔1001对位焊接成密闭管道;
步骤S209,如图19所示,将上散热组件5与顶层即最上方的侧散热组件通过回流焊焊接,上散热组件5的微流道入口501和微流道出口502分别和顶层即最上方的侧散热组件的上通道接口402对位焊接;
步骤S210,如图11所示,最后对经过步骤S209后形成的散热结构从侧面(比如朝向读者一面)灌入封装材料进行塑封,形成一个整体封装体;各个叠层芯片子单元2′被内封装材料3所封装,形成多个内封装子体30′;连接为一体的侧散热组件4和上散热组件5被外封装材料8封装,且上散热组件5的顶部裸露。
需要说明的是步骤S210一次灌入塑封料,就可以同时对散热结构内部和外部进行塑封。
实施例二中的叠层芯片微流道散热结构,同样可以与实施例一中的主板205上的小型散热系统相配合,将热量从整体封装体内快速散发至环境。
通过实施例二制备的叠层芯片微流道散热结构,相较于现有散热结构,具有以下优势:
1)散热转接板使用高热导率的散热层结构,将堆叠芯片热量直接从芯片内部传导至叠层体外进行散出;相比其他的散热结构,如在封装体底部或顶部增加散热器的方法,散热效率大幅度提高,且工艺成熟,制作成本低。
2)以多个堆叠的芯片和一个散热转接板作为一个单元,最后再进行多个单元的堆叠组装,实现高密度芯片堆叠与散热结构一体化集成封装的方法;同时降低了因塑封工艺不能完全封装高度较高的芯片堆叠结构所带来的困难;并使在多层堆叠芯片中加入散热转接板的结构,组装更为简单方便。
3)散热转接板,除具有散热作用外,起电连接和机械支撑,能够减少芯片因过热而翘曲失效的问题。
4)具有微流道的散热组件,与叠层芯片一起组装,然后封装在同一个封装体内部,使散热器件不再需要像风扇或热管等方法后续表贴在封装体表面,是一种全新的组装方式,实现产品小型化,散热性能高;产品使用更便捷,易于多领域推广使用。

Claims (6)

1.一种叠层芯片微流道散热结构的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S101,提供高热导率材料作为散热组件的基材,使用半导体刻蚀工艺对散热组件基材表面进行半管道形状图形刻蚀;
步骤S102,将表面带有半管道的散热组件基材进行面对面对接,形成具有内部微流道的侧散热组件(4)和上散热组件(5);侧散热组件(4)上具有下通道接口(401)和上通道接口(402);上散热组件(5)上具有微流道入口(501)和微流道出口(502);
步骤S103,在侧散热组件(4)的下通道接口(401)和上通道接口(402),以及在上散热组件(5)的微流道入口(501)和微流道出口(502)处进行焊盘(9)的制作;
步骤S104,将裸芯片逐层组装至芯片基板(1)上,形成叠层芯片(2),并使用内封装材料(3)对叠层芯片(2)进行一次封装,形成内封装体(30);
芯片基板(1)上预先制作好冷却液进口(101)和冷却液出口(102);
步骤S105,通过组装机将侧散热组件(4)贴在内封装体(30)周围与芯片基板(1)焊接,使得内封装体一侧的侧散热组件(4)下通道接口(401)通过焊盘(9)连接芯片基板(1)的冷却液进口(101),另一侧的侧散热组件(4)下通道接口(401)通过焊盘(9)连接芯片基板(1)的冷却液出口(102);侧散热组件(4)与内封装体(30)间使用导热材料(7)填满缝隙;
步骤S106,通过组装机将上散热组件(5)紧贴在内封装体(30)顶部,且将上散热组件(5)微流道入口(501)和微流道出口(502)分别和内封装体(30)两侧的侧散热组件上通道接口(402)对齐焊接;上散热组件(5)和内封装体(30)间填充导热材料(7);
步骤S107,使用外封装材料(8),对内封装体(30)和内封装体(30)外焊接好的散热组件进行二次封装形成一个整体封装体;上散热组件(5)的顶部在二次封装时,露出在整体封装体外表面。
2.一种叠层芯片微流道散热结构,包括芯片基板(1),其特征在于,
在芯片基板(1)上堆叠组装有多个叠层芯片子单元(2′),
各个叠层芯片子单元(2′)被内封装材料(3)所封装,形成多个内封装子体(30′);在各叠层芯片子单元(2′)形成的内封装子体(30′)间设有散热转接板(10);所述散热转接板(10)向两侧延伸出内封装子体(30′);
各内封装子体(30′)的侧面设有侧散热组件(4),最上方的内封装子体(30′)顶部设有上散热组件(5);侧散热组件(4)和上散热组件(5)中均设有供冷却液流动的微流道(6);在散热转接板(10)延伸出内封装子体(30′)的两侧部位设有与侧散热组件(4)中微流道位置相对应的微流道通孔(1001);
在内封装子体(30′)两侧的芯片基板(1)上设有穿透芯片基板(1)的冷却液进口(101)和冷却液出口(102);最下方的第一层内封装子体(30′)两侧侧散热组件(4)中的微流道(6)下端分别与冷却液进口(101)和冷却液出口(102)连通;
各层内封装子体(30′)两侧的侧散热组件(4)与散热转接板(10)延伸出内封装子体(10′)两侧部位连接,各侧散热组件(4)中的微流道与散热转接板(10)两侧部位的微流道通孔(1001)对位连接成密闭管道;
上散热组件(5)与最上方的侧散热组件(4)连接且上散热组件(5)与侧散热组件(4)中的微流道相连通。
3.如权利要求2所述的叠层芯片微流道散热结构,其特征在于,
连接为一体的侧散热组件(4)和上散热组件(5)被外封装材料(8)封装,且上散热组件(5)的顶部裸露。
4.如权利要求2所述的叠层芯片微流道散热结构,其特征在于,
侧散热组件(4)包括一个最下方的侧散热组件、一个最上方的侧散热组件、一个或多个中间层侧散热组件;
最下方的侧散热组件中间设有多个上下走向的微流道(6),还包括一个底端的下通道接口(401)和多个微流道(6)上端的微流道接口(402′);各微流道(6)的下端通过横向微流道汇接至下通道接口(401);一侧的最下方的侧散热组件下通道接口(401)通过焊盘(9)连接芯片基板(1)的冷却液进口(101),另一侧的最下方的侧散热组件下通道接口(401)通过焊盘(9)连接芯片基板(1)的冷却液出口(102);
中间层侧散热组件中间设有多个上下走向的微流道(6),还包括微流道(6)上下端的微流道接口(402′);
最上方的侧散热组件中间设有多个上下走向的微流道(6),还包括一个上端的上通道接口(402)和多个微流道(6)下端的微流道接口(402′);各微流道(6)的上端通过横向微流道汇接至上通道接口(402);上通道接口(402)通过焊盘(9)连接上散热组件(5)并连通上散热组件(5)中的微流道;
最下方的侧散热组件微流道(6)上端的微流道接口(402′)、中间层侧散热组件的微流道接口(402′)、最上方的侧散热组件下端的微流道接口(402′)与各层侧散热组件之间散热转接板(10)两侧部位的微流道通孔(1001)通过焊盘(9)对位焊接;
上散热组件(5)包括微流道入口(501)和微流道出口(502);在上散热组件(5)中设有多个横向的微流道(6),上散热组件(5)中的微流道的两端分别通过纵向微流道汇接至微流道入口(501)和微流道出口(502);微流道入口(501)和微流道出口(502)通过焊盘(9)分别连接内封装子体(30′)两侧最上方的侧散热组件上通道接口(402)。
5.一种叠层芯片微流道散热结构的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S201,提供高热导率材料作为散热组件的基材,使用半导体刻蚀工艺对散热组件基材表面进行半管道形状图形刻蚀;
步骤S202,将表面带有半管道的散热组件基材进行面对面对接,形成具有内部微流道的侧散热组件(4)和上散热组件(5);
步骤S203,在最下方的侧散热组件底端的下通道接口(401)和上端的微流道接口(402′),中间层侧散热组件上下端的微流道接口(402′),最上方的侧散热组件上端的上通道接口(402)和下端的微流道接口(402′)处,以及在上散热组件(5)的微流道入口(501)和微流道出口(502)处进行焊盘(9)的制作;
步骤S204,使用高热导率材料制作散热转接板(10);在散热转接板(10)两侧部位刻蚀形成与侧散热组件(4)中微流道位置相对应的微流道通孔(1001);并在微流道通孔(1001)处进行焊盘(9)的制作;
步骤S205,在芯片基板(1)上堆叠裸芯片形成第一层叠层芯片子单元(2′);
芯片基板(1)上预先制作好冷却液进口(101)和冷却液出口(102);
步骤S206,将第一层即最下方的侧散热组件(4)焊接至第一层叠层芯片子单元(2′)两侧的芯片基板;第一层叠层芯片子单元(2′)一侧最下方的侧散热组件下通道接口(401)通过焊盘(9)连接芯片基板(1)的冷却液进口(101),另一侧最下方的侧散热组件下通道接口(401)通过焊盘(9)连接芯片基板(1)的冷却液出口(102);
步骤S207,将第一层散热转接板(10)焊接至第一层的侧散热组件上,侧散热组件(4)中的微流道(6)与散热转接板(10)两侧部位的微流道通孔(1001)通过焊盘(9)对位焊接成密闭管道;
步骤S208,逐层安装第二层以上的叠层芯片子单元(2′)、侧散热组件(4)和散热转接板(10);通过焊接使得各层结构组装在一起;第一层即最下方的侧散热组件(4)内的微流道、各中间层侧散热组件(4)内的微流道、顶层即最上方的侧散热组件内的微流道以及各层侧散热组件之间散热转接板(10)上的微流道通孔(1001)对位焊接成密闭管道;
步骤S209,将上散热组件(5)与顶层即最上方的侧散热组件焊接,上散热组件(5)的微流道入口(501)和微流道出口(502)分别和顶层即最上方的侧散热组件的上通道接口(402)对位焊接;
步骤S210,最后对经过步骤S209后形成的散热结构从侧面灌入封装材料进行封装,形成一个整体封装体;各个叠层芯片子单元(2′)被内封装材料(3)所封装,形成多个内封装子体(30′);连接为一体的侧散热组件(4)和上散热组件(5)被外封装材料(8)封装,且上散热组件(5)的顶部裸露。
6.如权利要求5所述的叠层芯片微流道散热结构的制备方法,其特征在于,
步骤S204中,散热转接板(10)表面通过刻蚀,做出多组沟槽结构,或散热孔结构。
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