CN109887900B - 带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构及其制作方法，该结构包括：软硬结合板，包含固定连接的硬基板和软板，硬基板底部由软板支撑，在硬基板中设有开窗，在软板中设有开口，形成一容置空腔；第一芯片，其正面和背面均具有散热结构，倒装于该软硬结合板的容置空腔中，与软硬结合板电气互连；元器件，固定于该软硬结合板的硬基板的表面焊盘上，与硬基板中的线路电气互连；以及第二散热结构，键合于软硬结合板的上下两侧，位于硬基板一侧的第二散热结构与第一芯片和元器件同时键合，位于软板一侧的第二散热结构与软板键合，实现系统封装。在避免虚焊的同时保证了散热和封装的可靠性，还大幅度减小封装体积、减小信号传输路径、以及减小损耗。

Description

带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构及其制作方法

技术领域

本公开属于芯片封装技术领域，涉及一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构及其制作方法。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，片上系统(SOC，System on a chip)技术得到空前发展，SOC芯片上集成了越来越多的晶体管，功能越来越强大，由于晶体管数量的增加，SOC芯片尺寸越来越大，常规1厘米×1厘米～2厘米×2厘米的SOC芯片已经无法满足要求了，目前已经发展到3-4厘米见方的芯片，未来将达到并突破5厘米×5厘米。对于大尺寸芯片的封装，在封装技术上存在非常大的困难。

首先，为满足芯片性能要求，减少芯片信号传输的损耗，芯片常采用倒装焊接的方法，在芯片表面植球的过程中，如何保证贴片过程中芯片表面的平整度以及焊接时避免虚焊成为一大技术难题。加工要求贴片吸头安装好后必须控制芯片键合面与基板平行，一方面大尺寸芯片对应的是大尺寸的倒装焊具，其加工制造非常困难，另一方面大尺寸芯片如果有微小倾斜，即使很小的倾角也会导致芯片一边与基板接触后另一边与基板有较大的距离，这个距离会导致虚焊，比如超过1mm的距离都会导致虚焊，甚至部分焊球完全无法焊接到基板上。此外，基板在贴片过程中，不能有任何的翘曲，翘曲也会导致虚焊甚至部分焊球无法焊接。常规的贴片+回流工艺，在回流过程中，基板从低温向高温区传送过程中，由于基板的震动和受热不均匀，大尺寸的基板微小的翘曲变形，都会导致大尺寸芯片对角线上一端产生毫米级的翘起，焊球通常只有几百微米直径，因此，会产生大量焊球虚焊甚至大量焊球无法焊接。同样，如果采用原位贴片回流焊接，由于加热是通过吸头和基板平台加热，基板上下表面温度分布非常不均匀，导致基板仍然翘曲，同样虚焊无法避免。

其次，大尺寸芯片的散热是个重要的课题，大尺寸芯片工作过程中散热是大尺寸芯片封装的一个重要问题，常规封装在芯片背面贴散热片，对于大尺寸封装，具有更高的散热要求，仅靠单面的散热片无法满足散热要求。

因此，还有如下技术问题亟待解决：大尺寸芯片利用现有的倒装焊接技术进行封装，会产生虚焊，无法达到封装要求；常规在芯片背面贴散热片的散热方式无法满足大尺寸芯片的散热要求；独立的大尺寸芯片封装占据太大的空间，导致带有大尺寸芯片封装的系统体积过大，不利于信号的传输和数据的处理。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，该带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构包括：软硬结合板2，包含固定连接的硬基板和软板，硬基板底部由软板支撑，在硬基板中设有开窗，在软板中设有开口，设有开窗的硬基板与设有开口的软板形成一容置空腔；第一芯片1，其正面和背面均具有散热结构，倒装于该软硬结合板2的容置空腔中，与软硬结合板2电气互连，该第一芯片1与该容置空腔的周围存在间隙，且该间隙中填充有树脂材料17。

在本公开的一些实施例中，带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，还包括：元器件4，固定于该软硬结合板2的硬基板的表面焊盘上，与硬基板中的线路18电气互连；以及第二散热结构3，键合于软硬结合板2的上下两侧，位于硬基板一侧的第二散热结构3与第一芯片1和元器件4同时键合，位于软板一侧的第二散热结构3与软板键合，实现系统封装与散热。

在本公开的一些实施例中，第一芯片1背面的散热结构为芯片背面散热层8，位于硬基板一侧的第二散热结构3上制作有嵌入散热层凸台22，该嵌入散热层凸台22的高度满足：使得该侧的第二散热结构3通过该嵌入散热层凸台22与第一芯片1背面的芯片背面散热层8键合的同时还能与元器件4键合。

在本公开的一些实施例中，第二散热结构3为主动制冷的散热制冷器或者无制冷剂的散热器；和/或，第二散热结构3与软硬结合板2进行键合的键合材料为如下材料中的一种或几种：金属共晶焊料、以及热界面材料。

在本公开的一些实施例中，第一芯片1正面的散热结构为复合散热结构，该复合散热结构位于非焊盘区域，包括：依序层叠的芯片正面散热层9、键合层12、以及嵌入散热金属层13，其中，芯片正面散热层9与第一芯片1的正面贴合，键合层12用于键合芯片正面散热层9与嵌入散热金属层13，嵌入散热金属层13的高度与软板的厚度相同，通过软板中的开口嵌入至软板中。

在本公开的一些实施例中，软硬结合板2的软板上方设置有软板焊盘6，下方设置有软板背面金属层10，该软板焊盘6的分布设置与第一芯片1正面的焊盘区域中芯片焊盘5的设置一一对应；软板焊盘6与硬基板中的线路18电气互连；其中，该第一芯片1倒装于该软硬结合板2的容置空腔中时，通过第一芯片1正面的焊盘与软板焊盘6的焊接实现第一芯片1与软硬结合板2的电气互连；该元器件4经由硬基板中的线路电气18连接至该软板焊盘6所连接的第一芯片1，实现元器件4与第一芯片1的通信。

在本公开的一些实施例中，第一芯片1正面的焊盘与软板焊盘6之间通过芯片焊球7实现焊接；元器件4与硬基板表面的焊盘通过表贴芯片焊点16实现焊接，并且在表贴芯片焊点16的周围填充有树脂材料；其中，该芯片焊球7以及该表贴芯片焊点16包括：焊料焊球或铜凸点。

在本公开的一些实施例中，软硬结合板2的左右两端封装有端口通信层15，用于与PCB插接进行通信，该端口通信层15包括：金手指或者接插件焊接孔阵列结构；和/或，第一芯片1为N个大尺寸芯片和/或M个小尺寸芯片，其中，M、N均为自然数。

根据本公开的另一个方面，提供了一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构的制作方法，该制作方法包括：在待封装的第一芯片1表面制作散热结构；在软硬结合板2的硬基板中制作开窗，在软板中制作开口，制作有开窗的硬基板与制作有开口的软板形成一容置空腔；在包含容置空腔的软硬结合板2的软板一侧与一刚性支撑结构21通过一临时键合胶20进行键合，形成软硬结合板临时键合支撑结构；将制作有散热结构的第一芯片1倒装于该软硬结合板临时键合支撑结构的容置空腔中；将元器件4焊接于该软硬结合板临时键合支撑结构的硬基板的表面焊盘上；去除倒装有第一芯片1和元器件4的软硬结合板临时键合支撑结构中的临时键合胶20和刚性支撑结构21；以及键合第二散热结构3，使得位于硬基板一侧的第二散热结构3与第一芯片1和元器件4同时键合，位于软板一侧的第二散热结构3与软板键合，实现系统封装与散热。

在本公开的一些实施例中，将制作有散热结构的第一芯片1倒装于该软硬结合板临时键合支撑结构的容置空腔中的步骤之后还包括：在第一芯片1与容置空腔之间的间隙中填充树脂材料；和/或，将元器件4焊接于该软硬结合板临时键合支撑结构的硬基板的表面焊盘上的步骤之后还包括：在表贴芯片焊点16的周围填充树脂材料；和/或，临时键合胶20的厚度介于200微米到1毫米之间。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构及其制作方法，具有以下有益效果：

1、通过设置一软硬结合板用于实现第一芯片的倒装，硬基板底部由软板支撑，在封装过程中，通过在软板一侧与一刚性支撑结构(用于支撑)通过一临时键合胶(用于键合以及柔性支撑)进行键合，形成软硬结合板临时键合支撑结构对芯片进行倒装，由于该软板具有柔性，临时键合胶也具有一定的柔性，当第一芯片吸头压向软板焊盘时，软板提供一个表面柔软的接触面，位于软板下方的临时键合胶也提供缓冲和柔性支撑，能够容忍焊接吸头吸取的芯片有一定的倾斜度，以及芯片表面焊球大小的微小差异，同时整个临时键合支撑结构中刚性支撑结构又具有较强刚性，使得软板通过刚性支撑结构的支撑实现与倒装芯片的紧密结合，从而在待封装的芯片具有一定的倾角的情况下或者由于加工误差导致焊点所在平面不平整的情况下仍然能够保证第一芯片与该软硬结合板的焊接而有效避免个别焊球的虚焊或无焊接，解决了虚焊这一基本技术问题；

同时，在第一芯片的正面和背面设置散热结构，该软硬结合板上的硬板和软板上分别对应设置开窗和开口，形成容置空腔，有效容纳了第一芯片且在第一芯片的上下表面实现了良好的热量导出，并且能够通过间隙中填充树脂材料提高机械强度，保证封装的可靠性，在避免虚焊或无焊接的同时保证了散热和封装的可靠性。

2、更进一步的，将元器件(可以是倒装芯片或者其他类型元器件)表贴于上述软硬结合板上的硬基板的表面焊盘上，将第二散热结构键合于软硬结合板的上下两侧，位于硬基板一侧的第二散热结构与第一芯片和元器件同时键合，对第一芯片和元器件同时实现封装以及散热；位于软板一侧的第二散热结构与软板键合，通过第一芯片背面设置的散热结构与第二散热结构的键合实现第一芯片背面的良好散热，整体上实现了包含第一芯片和各种元器件的系统级封装与散热，在解决了上述基本技术问题的基础上进一步解决了独立的第一芯片封装占据空间太大，导致带有第一芯片封装的系统体积过大，不利于信号的传输和数据的处理的技术问题，能够大幅度减小封装体积、减小信号传输路径、以及减小损耗。

3、制作方法中，在倒装焊接过程中形成软硬结合板临时键合支撑结构，用刚性支撑结构提供键合所需要的键合结构的刚性并有效减少基板受热不均产生的翘曲，较厚的临时键合胶与软板区域构成较厚的柔性表面，保证焊球和软板焊盘间紧密结合，不会因吸头不平和基板翘曲形成虚焊；在整个加工工艺中，软板部分始终在一个刚性支撑结构的支撑下，保持倒装键合的键合面平整；保持对键合后的第一芯片提供刚性支撑，固定其位置，保证在第一芯片周围树脂填充前的结构的固定。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构的剖视图。

图2A为根据本公开一实施例所示的第一芯片的焊盘布局俯视图。

图2B为与图2A对应的第一芯片倒装后沿着A-A线的剖视图。

图3-图15为制作该带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构的各步骤对应的结构示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的在第一芯片的表面进行金属化的剖视图。

图4为根据本公开一实施例所示的在第一芯片的焊盘中形成芯片焊球(植球)的剖视图。

图5为根据本公开一实施例所示的在第一芯片的正面和背面形成散热结构的剖视图。

图6A和图6B分别为如图3所示的第一芯片的正面俯视图和背面俯视图。

图7为根据本公开一实施例所示的在刚性支撑结构表面压合临时键合胶的剖视图。

图8为根据本公开一实施例所示的软硬结合板的剖视图。

图9为根据本公开一实施例所示的软硬结合板临时键合支撑结构的剖视图。

图10为根据本公开一实施例所示的第一芯片倒装于软硬结合板临时键合支撑结构的容置空腔中的剖视图。

图11为根据本公开一实施例所示的在第一芯片与容置空腔的间隙中填充树脂材料的剖视图。

图12为根据本公开一实施例所示的将元器件固定于软硬结合板临时键合支撑结构的硬基板的表面焊盘上的剖视图。

图13为根据本公开一实施例所示的去除刚性支撑结构和临时键合胶的剖视图。

图14为根据本公开一实施例所示的位于硬基板一侧的第二散热结构的示意图。

图15为本公开一实施例所示的位于软板一侧的第二散热结构的示意图。

【符号说明】

1-第一芯片； 2-软硬结合板；

3-第二散热结构； 4-元器件；

5-芯片焊盘； 6-软板焊盘；

7-芯片焊球； 8-芯片背面散热层；

9-芯片正面散热层； 10-软板背面金属层；

11-第二键合层； 12-键合层；

13-嵌入散热金属层； 14-第三键合层；

15-端口通信层； 16-表贴芯片焊点；

17-树脂材料； 18-硬基板中的线路；

19-制冷剂出入口； 20-临时键合胶；

21-刚性支撑结构； 22-嵌入散热层凸台；

23-隔板。

具体实施方式

本公开提供了一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构及其制作方法，通过设置一软硬结合板用于实现第一芯片的倒装，在第一芯片的正面和背面设置散热结构，元器件表贴于上述软硬结合板上的硬基板的表面焊盘上，将第二散热结构键合于软硬结合板的上下两侧。大尺寸芯片倒装在硬基板开窗中的软板上形成的嵌入芯片结构，减小了封装结构尺寸；双面集成的第二散热结构(比如散热制冷器或普通散热器)，有效提供大尺寸芯片和基板表面贴装元器件的散热环境；整个封装不再是大尺寸芯片的单独封装，而是包含大尺寸芯片和基板表贴元器件的系统级封装甚至是封装板卡。整体上实现了包含第一芯片和各种元器件的系统级封装与散热，在避免虚焊或无焊接的同时保证了散热和封装的可靠性，还能够大幅度减小封装体积、减小信号传输路径、以及减小损耗。

图1为根据本公开一实施例所示的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构的剖视图。

本公开提供了一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，该带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构在避免大尺寸芯片虚焊或无焊接的同时保证了散热和封装的可靠性，当然，本公开的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构可用于同时封装1个或多个大尺寸芯片和/或小尺寸芯片，以及多个元器件，元器件可以是倒装芯片或者其他类型元器件，实现系统功能的封装与散热，并避免大尺寸芯片的虚焊问题。

基于软硬结合板中的软板在封装时能够进行柔性缓冲，并且封装过程中，由于柔性的软板不具有刚性，在该柔性的软板下方通过设置刚性支撑结构，该刚性支撑结构通过一临时键合胶与软板键合，形成一个软硬结合板临时键合支撑结构，对第一芯片进行倒装时，由于该软板具有柔性，临时键合胶也具有一定的柔性，当第一芯片吸头压向软板焊盘时，软板提供一个表面柔软的接触面，位于软板下方的临时键合胶也提供缓冲和柔性支撑，能够容忍焊接吸头吸取的芯片有一定的倾斜度，以及芯片表面焊球大小的微小差异，同时整个临时键合支撑结构中刚性支撑结构又具有较强刚性，使得软板通过刚性支撑结构的支撑实现与倒装芯片的紧密结合，从而在待封装的芯片具有一定的倾角的情况下或者由于加工误差导致焊点所在平面不平整的情况下仍然能够保证第一芯片与该软硬结合板的焊接而有效避免个别焊球的虚焊或无焊接，解决了虚焊这一基本技术问题；同时，在第一芯片的正面和背面设置散热结构，该软硬结合板上的硬板和软板上分别对应设置开窗和开口，形成容置空腔，有效容纳了第一芯片且在第一芯片的上下表面实现了良好的热量导出，并且能够通过间隙中填充树脂材料提高机械强度，保证封装的可靠性，在避免虚焊或无焊接的同时保证了散热和封装的可靠性。

参照图1所示，本公开的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构包括：软硬结合板2，包含固定连接的硬基板和软板，硬基板底部由软板支撑，在硬基板中设有开窗，在软板中设有开口，设有开窗的硬基板与设有开口的软板形成一容置空腔；第一芯片1，其正面和背面均具有散热结构，倒装于该软硬结合板2的容置空腔中，与软硬结合板2电气互连，该第一芯片1与该容置空腔的周围存在间隙，且该间隙中填充有树脂材料17。

大尺寸芯片封装时，由于芯片尺寸过大，占用空间很大，其封装对于其他芯片的互连和封装有很大影响。因此在大尺寸芯片封装中考虑其他芯片的封装和芯片间的电气互连、封装结构、热管理以及电气性能等方面，形成系统级封装，对散热、信号传输的优化和封装体积的缩小，以及封装结构的整体机械性能的提高都大有好处。

在本公开的一些实施例中，例如第一个实施例中，带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，还包括：元器件4，固定于该软硬结合板2的硬基板的表面焊盘上，与硬基板中的线路电气互连；以及第二散热结构3，键合于软硬结合板2的上下两侧，位于硬基板一侧的第二散热结构3与第一芯片1和元器件4同时键合，位于软板一侧的第二散热结构3与软板键合，实现系统封装与散热。

在本公开的一些实施例中，软硬结合板2的左右两端封装有端口通信层15，用于与PCB插接进行通信，该端口通信层15包括：金手指或者接插件焊接孔阵列结构；和/或，第一芯片1为N个大尺寸芯片和/或M个小尺寸芯片，其中，M、N均为自然数。

在本公开的一些实施例中，软硬结合板2的软板上方设置有软板焊盘6，下方设置有软板背面金属层10，该软板焊盘6的分布设置与第一芯片1正面的焊盘区域中芯片焊盘5的设置一一对应；软板焊盘6与硬基板中的线路18电气互连；其中，该第一芯片1倒装于该软硬结合板2的容置空腔中时，通过第一芯片1正面的焊盘与软板焊盘6的焊接实现第一芯片1与软硬结合板2的电气互连；该元器件4经由硬基板中的线路电气连接至该软板焊盘6所连接的第一芯片1，实现元器件4与第一芯片1的通信。

在本公开的一些实施例中，第一芯片1背面的散热结构为芯片背面散热层8，位于硬基板一侧的第二散热结构3上制作有嵌入散热层凸台22，该嵌入散热层凸台22的高度满足：使得该侧的第二散热结构3通过该嵌入散热层凸台22与第一芯片1背面的芯片背面散热层8键合的同时还能与元器件4键合。

在本公开的一些实施例中，第二散热结构3为主动制冷的散热制冷器或者无制冷剂的散热器；和/或，第二散热结构3与软硬结合板2进行键合的键合材料为如下材料中的一种或几种：金属共晶焊料、以及热界面材料。

在本公开的一些实施例中，第一芯片1正面的散热结构为复合散热结构，该复合散热结构位于非焊盘区域，包括：依序层叠的芯片正面散热层9、键合层12、以及嵌入散热金属层13，其中，芯片正面散热层9与第一芯片1的正面贴合，键合层12用于键合芯片正面散热层9与嵌入散热金属层13，嵌入散热金属层13的高度与软板的厚度相同，通过软板中的开口嵌入至软板中。

在本公开的一些实施例中，第一芯片1正面的焊盘与软板焊盘6之间通过芯片焊球7实现焊接；元器件4与硬基板表面的焊盘通过表贴芯片焊点16实现焊接，并且在表贴芯片焊点16的周围填充有树脂材料；其中，该芯片焊球7以及该表贴芯片焊点16包括：焊料焊球或铜凸点。

本公开还提供了一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构的制作方法，该制作方法包括：在待封装的第一芯片1表面制作散热结构；在软硬结合板2的硬基板中制作开窗，在软板中制作开口，制作有开窗的硬基板与制作有开口的软板形成一容置空腔；在包含容置空腔的软硬结合板2的软板一侧与一刚性支撑结构21通过一临时键合胶20进行键合，形成软硬结合板临时键合支撑结构；将制作有散热结构的第一芯片1倒装于该软硬结合板临时键合支撑结构的容置空腔中；将元器件4焊接于该软硬结合板临时键合支撑结构的硬基板的表面焊盘上；去除倒装有第一芯片1和元器件4的软硬结合板临时键合支撑结构中的临时键合胶20和刚性支撑结构21；以及键合第二散热结构3，使得位于硬基板一侧的第二散热结构3与第一芯片1和元器件4同时键合，位于软板一侧的第二散热结构3与软板键合，实现系统封装与散热。

封装结构的制作过程中，由于采用的临时键合胶20也是软性树脂并且临时键合胶的厚度可以很厚，比如从100微米到1毫米厚度，甚至更厚。由于软板本身也是软性材料，软板和临时键合胶20组成了位于刚性支撑结构21表面的柔性结构，可以提供原位倒装回流焊接时，键合面能够包容吸头表面与基板表面不平行产生的倾角以及芯片表面焊球大小的微小差异，使软板表面焊盘通过刚性支撑结构21(比如一玻璃承载板)的刚性支撑，紧密与芯片表面焊球紧密贴合，避免发生虚焊或无焊接。

为了增加封装的强度以及进一步提高封装可靠性，在本公开的一些实施例中，将制作有散热结构的第一芯片1倒装于该软硬结合板临时键合支撑结构的容置空腔中的步骤之后还包括：在第一芯片1与容置空腔之间的间隙中填充树脂材料；和/或，将元器件4焊接于该软硬结合板临时键合支撑结构的硬基板的表面焊盘上的步骤之后还包括：在表贴芯片焊点16的周围填充树脂材料；和/或，临时键合胶20的厚度介于200微米到1毫米之间。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。所有附图中，以右手坐标系的x-y-z指示该器件的三维方向，以便与全文中描述的上、下、左、右等进行方向指示，全部附图与图1坐标系的指示方向一致。本文中是以封装后软硬结合板的正面为z轴正方向，对应的软硬结合板和第一芯片所在平面为x-y平面，另外，第一芯片倒装于容置腔室中，倒装视图的第一芯片的坐标指示方向与图1是吻合的，其他附图类似，这里不再赘述。

全文中描述的上、下、左、右均是基于对应所在附图中的指示方向，文中会详细说明，在一些场合中，将该器件反转180°，上、下、左、右的描述可能相反，但依旧在本公开的保护范围之内；即应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。术语“和/或”的含义是指包含了一个或多个所列相关组件或结构的其中一个或全部的组合。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构。

参照图1所示，本实施例的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，包括：软硬结合板2，包含固定连接的硬基板和软板，硬基板底部由软板支撑，在硬基板中没有开窗，在软板中设有开口，设有开窗的硬基板与设有开口的软板形成一容置空腔；第一芯片1，其正面和背面均具有散热结构，倒装于软硬结合板2的容置空腔中，与软硬结合板2电气互连，该第一芯片1与该容置空腔的周围存在间隙，且该间隙中填充有树脂材料17；元器件4，固定于该软硬结合板2的硬基板的表面焊盘上，与硬基板中的线路电气互连；以及第二散热结构3，键合于软硬结合板2的上下两侧，位于硬基板一侧的第二散热结构3与第一芯片1和元器件4同时键合，位于软板一侧的第二散热结构3与软板键合，实现系统封装与散热。

本实施例中，针对解决的技术问题下面以第一芯片1为一个大尺寸芯片进行示例，当然，本公开的方案主要解决大尺寸芯片的封装问题，但是该方案也适用于小尺寸芯片的封装，因此，第一芯片为N个大尺寸芯片和/或M个小尺寸芯片，其中，M、N均为自然数。

图2A为根据本公开一实施例所示的第一芯片的焊盘布局俯视图。图2B为与图2A对应的第一芯片倒装后沿着A-A线的剖视图。

大尺寸芯片中集成多种功能的电路模块，存在大量的输出和输入接口焊盘，本实施中以图2A和图2B所示的芯片焊盘布局为例描述该第一芯片的结构，然而本公开所述的第一芯片或者大尺寸芯片的焊盘布局结构并不局限于图2A和图2B中的分布结构。

本实施例中，参照图2A和图2B所示，第一芯片的正面(图中以该正面的法线方向为z轴负方向进行示意倒装的情形)存在焊盘区域以及非焊盘区域，在第一芯片的背面(法线方向对应z轴正方向)不设置焊盘区域。

图5为根据本公开一实施例所示的在第一芯片的正面和背面形成散热结构的剖视图。请参照图5所示，第一芯片1的正面和背面均具有散热结构。本实施例中，第一芯片1背面的散热结构为芯片背面散热层8，第一芯片1正面的散热结构为复合散热结构，该复合散热结构位于非焊盘区域，包括：依序层叠的芯片正面散热层9、键合层12、以及嵌入散热金属层13。

其中，结合图5和图1所示，芯片正面散热层9与第一芯片1的正面贴合，键合层12用于键合芯片正面散热层9与嵌入散热金属层13，嵌入散热金属层13的高度与软板的厚度相同，通过软板中的开口嵌入至软板中。

图8为根据本公开一实施例所示的软硬结合板的剖视图。请参照图8所示，软硬结合板2，包含固定连接的硬基板和软板，硬基板底部由软板支撑，在硬基板中设有开窗，在软板中设有开口，设有开窗的硬基板与设有开口的软板形成一容置空腔。软硬结合板2的软板上方设置有软板焊盘6，下方设置有软板背面金属层10，该软板焊盘6的分布设置与第一芯片1正面的焊盘区域中芯片焊盘5的设置一一对应；软板焊盘6与硬基板中的线路18电气互连；软硬结合板2的左右两端封装有端口通信层15，用于与PCB插接进行通信。

在一实例中，该端口通信层15包括但不限于：金手指或者接插件焊接孔阵列结构等。

结合图1、图5、和图8所示，第一芯片1倒装于软硬结合板2的容置空腔中时，由于软板焊盘6与硬基板中的线路电气互连，通过第一芯片1正面的焊盘与软板焊盘6的焊接实现第一芯片1与软硬结合板2的电气互连。第一芯片1与容置空腔的周围存在间隙，且该间隙中填充有树脂材料17。参照图1所示，元器件4经由硬基板中的线路电气连接至该软板焊盘6所连接的第一芯片1，实现元器件4与第一芯片1的通信。

在一实例中，参照图1所示，第一芯片1正面的焊盘与软板焊盘6之间通过芯片焊球7实现焊接；元器件4与硬基板表面的焊盘通过表贴芯片焊点16实现焊接，并且在表贴芯片焊点16的周围填充有树脂材料；其中，该芯片焊球7以及该表贴芯片焊点16包括：焊料焊球或铜凸点。

图14为根据本公开一实施例所示的位于硬基板一侧的第二散热结构的示意图。图15为本公开一实施例所示的位于软板一侧的第二散热结构的示意图。

在本公开的一些实施例中，第二散热结构3为主动制冷的散热制冷器或者无制冷剂的散热器；和/或，第二散热结构3与软硬结合板2进行键合的键合材料为如下材料中的一种或几种：金属共晶焊料、以及热界面材料。

本实施例中，第二散热结构3为主动制冷的散热制冷器3。

参照图14所示，位于硬基板一侧的第二散热结构3为散热制冷器，该散热制冷器3上制作有嵌入散热层凸台22，该嵌入散热层凸台22的高度满足：使得该侧的第二散热结构3通过该嵌入散热层凸台22与第一芯片1背面的芯片背面散热层8键合的同时还能与元器件4键合。如图14所示，图中示意了制冷剂出入口19，散热制冷器3中设置各种形式的隔板23，使制冷剂均匀流过散热制冷器3，使散热制冷器3各个部分吸收的热量能够利用制冷剂带走，保证软硬结合板的硬基板的表面温度均匀，得到良好的制冷效果。参照图15所示，位于软板一侧的散热制冷器的结构上少了图14中的嵌入散热层凸台22，主要是基于结构连接关系进行设置的，位于软板一侧的散热制冷器的各部分功能与硬基板上表面的散热制冷器相同，这里不再赘述。

本实施例中，通过使散热制冷器中的嵌入散热层凸台22与大尺寸芯片的芯片背面散热层8直接键合使得大尺寸芯片1实现良好的散热，嵌入散热层凸台22上方的金属平面与表贴的元器件4通过热界面材料或树脂粘接，从而为表贴的元器件4散热。

由于芯片尺寸很大，散热制冷器只要充分考虑散热制冷器和芯片、元器件的焊接，提供良好热传递即可，无需使用结构复杂的制作成本高的微流控散热装置，当然，从解决问题上来看，任何能实现散热的结构均在本公开的保护范围之内，优选综合起来价格较低、散热性能较好的散热结构或器件。散热制冷器与芯片正反面的金属散热层(芯片正面散热层9和芯片背面散热层8)通过金属焊料进行键合，焊料可以是SnAg、SnAgCu或AuSn等金属焊料。

本实施例中，散热制冷器3与第一芯片的芯片背面散热层8之间采用共晶键合，对应的键合层为了与第一芯片正面的散热结构中的键合层12进行区别，表述为第二键合层11，散热制冷器3与软板下方的软板背面金属层10之间也采用共晶键合，对应的键合层为第三键合层14。当然，键合材料不局限于本实施例，还可以是比如热界面材料或者其他键合材料。

综上所述，本实施例中的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构利用软硬结合板2进行大尺寸芯片1的倒装封装，利用软硬结合板2的结构形成容置腔室，在硬板中开窗，开窗尺寸略大于芯片1尺寸，开窗底部由软板支撑，底部的软板中间设有开口，开口尺寸略大于芯片1正面非焊盘区散热尺寸。软板区域面向硬板开窗一侧，布置与芯片焊盘5对应的软板焊盘6用于与倒装的大尺寸芯片1互连。将大尺寸芯片1倒装在软硬结合板2中间开窗中软板区焊盘上，大尺寸芯片1和容置腔室之间的间隙通过填充树脂材料17粘接固定，树脂材料17填充至芯片焊球7之间的间隙中；嵌入大尺寸芯片1的软硬结合板2正反面键合散热制冷器3，大尺寸芯片1背面通过金属焊料共晶键合、或用导热性能良好的热界面材料键合散热制冷器3，其他区域树脂填充粘接；大尺寸芯片1正面的非焊球区域制作芯片正面散热层9，在芯片正面散热层9表面通过键合嵌入散热金属层13，嵌入散热金属层13尺寸大小略小于软硬结合板中软板的开口尺寸，嵌入散热金属层13嵌入到软硬结合板软板的开口中，第一芯片1背面的散热结构的高度设置使得第一芯片倒装入软硬结合板的容置腔室中后，与软板下方的软板背面金属层10齐平，便于与下方的散热制冷器3进行键合。软板一侧的散热制冷器3与软板背面金属层10(例如铜层)以及第一芯片的嵌入散热金属层13通过共晶键合或热界面材料键合，其他表贴的元器件4与上方的散热制冷器3通过树脂填充粘接。该软硬结合板2与PCB接口采用金手指或焊接接插件等端口通信层15进行通信。整个封装结构中包含大尺寸芯片以及相关外围的元器件，形成系统功能封装。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构的制作方法。

本公开的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构的制作方法的关键在于：在软硬结合板的软板一侧用较厚的临时键合胶20临时键合一刚性支撑结构21，形成临时键合结构。利用临时键合结构通过软板区，将大尺寸芯片1和软板区进行倒装焊接，由于软板和较厚的临时键合胶，具有一定的柔性，当芯片吸头压向软板焊盘时，临时键合胶和软板提供一个表面柔软的接触面，能够容忍焊接吸头吸取的芯片有一定的倾斜度，以及芯片表面焊球大小微小差异，同时整个临时键合结构中玻璃承载板又具有较强刚性，能够保证焊球和柔性转接板良好结合，能够有效避免大规模焊球倒装中个别焊球的虚焊或无焊接问题。

图3-图15为制作该带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构的各步骤对应的结构示意图。

本实施例中，带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构的制作方法，包括：

步骤S21：在待封装的第一芯片1表面制作散热结构；

由于大尺寸芯片正面具有较大的非焊盘区域，在本公开中，通过表面金属化，制造一层芯片背面散热层9，将这个区域制造成金属散热区，在芯片背面散热层9表面键合一块厚度与柔性基板厚度相近的金属块，作为嵌入金属散热层13。金属化层为铜层，键合金属块为铜块，散热金属层和嵌入金属层构成芯片正面的复合散热结构。形成方式可以是电镀或者其他镀膜方式。

芯片背面通常为无焊盘区域，是芯片散热的主要路径，芯片背面金属化后，通过金属散热结构能够提供很好的散热效果。金属层厚度只需要1微米左右的厚度，用于与散热制冷器(第二散热结构3)进行键合。

图3为根据本公开一实施例所示的在第一芯片的表面进行金属化的剖视图。图6A和图6B分别为如图3所示的第一芯片的正面俯视图和背面俯视图。

图4为根据本公开一实施例所示的在第一芯片的焊盘中形成芯片焊球(植球)的剖视图。

在第一芯片1表面制作散热结构，包括：先在第一芯片1表面进行金属化，即对应在第一芯片1正面非焊盘区域制作芯片正面散热层9，在第一芯片1背面制作芯片背面散热层8，参照图3、图6A和图6B所示；然后在芯片正面焊盘区域的芯片焊盘5中进行植球操作，对应形成芯片焊球7，参照图4所示；接着在芯片正面散热层9通过键合层12与嵌入散热金属层13实现键合，形成正面的复合散热结构，参照图5所示。

步骤S22：在软硬结合板2的硬基板中制作开窗，在软板中制作开口，制作有开窗的硬基板与制作有开口的软板形成一容置空腔；

参照图8所示，通过在软硬结合板2的硬基板中制作开窗，在软板中制作开口，制作有开窗的硬基板与制作有开口的软板形成一容置空腔，供包含散热结构的第一芯片进行倒装嵌入。

步骤S23：在包含容置空腔的软硬结合板2的软板一侧与一刚性支撑结构21通过一临时键合胶20进行键合，形成软硬结合板临时键合支撑结构；

图7为根据本公开一实施例所示的在刚性支撑结构表面压合临时键合胶的剖视图。图9为根据本公开一实施例所示的软硬结合板临时键合支撑结构的剖视图。

参照图7所示，在刚性支撑结构21表面压合临时键合胶20；然后与如图8所示的软硬结合板2通过临时键合胶20进行键合，得到如图9所示的软硬结合板临时键合支撑结构。

其中，临时键合胶20的厚度介于200微米到1毫米之间，或者大于1毫米的更厚的厚度。

步骤24：将制作有散热结构的第一芯片1倒装于该软硬结合板临时键合支撑结构的容置空腔中；优选的，在第一芯片1与容置空腔之间的间隙中填充树脂材料；

图10为根据本公开一实施例所示的第一芯片倒装于软硬结合板临时键合支撑结构的容置空腔中的剖视图。图11为根据本公开一实施例所示的在第一芯片与容置空腔的间隙中填充树脂材料的剖视图。

参照图10所示，将制作有散热结构的第一芯片1倒装于该软硬结合板临时键合支撑结构的容置空腔中，然后为了提高机械强度和可靠性，在第一芯片1与容置空腔的间隙中填充树脂材料17，参照图11所示。

步骤S25：将元器件4焊接于该软硬结合板临时键合支撑结构的硬基板的表面焊盘上；优选的，在表贴芯片焊点16的周围填充树脂材料；

图12为根据本公开一实施例所示的将元器件固定于软硬结合板临时键合支撑结构的硬基板的表面焊盘上的剖视图。

参照图12所示，将元器件4焊接于该软硬结合板临时键合支撑结构的硬基板的表面焊盘上，并且在表贴芯片焊点16的周围填充树脂材料。

步骤S26：去除倒装有第一芯片1和元器件4的软硬结合板临时键合支撑结构中的临时键合胶20和刚性支撑结构21；

图13为根据本公开一实施例所示的去除刚性支撑结构和临时键合胶的剖视图。参照图13所示，去除倒装有第一芯片1和元器件4的软硬结合板临时键合支撑结构中的临时键合胶20和刚性支撑结构21。

步骤S27：键合第二散热结构3，使得位于硬基板一侧的第二散热结构3与第一芯片1和元器件4同时键合，位于软板一侧的第二散热结构3与软板键合，实现系统封装与散热；

在步骤S26得到的结构的上下表面键合第二散热结构3，使得位于硬基板一侧的第二散热结构3与第一芯片1和元器件4同时键合，位于软板一侧的第二散热结构3与软板键合，实现系统封装与散热，得到的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构如图1所示。

当然，具体制作步骤的先后顺序不局限于上述实施例，只要能形成该器件的各个部件和实现相互连接关系的制作方法均在本公开的保护范围之内。

综上所述，本公开提供了一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构及其制作方法，通过将大尺寸芯片倒装嵌入软硬结合板的容置空腔中，并在软硬结合板的表面贴装元器件，将整个封装做成一个系统，作为一个整体进行封装设计，会大幅度减小封装体积，减小信号传输路径，减小损耗。封装正反两面的制冷散热器同样可以覆盖需要良好散热的芯片背面，为芯片提供良好的封装散热。实现大尺寸芯片系统级封装是本公开的突出结构特点。整体上实现了包含第一芯片和各种元器件的系统级封装与散热，在避免虚焊或无焊接的同时保证了散热和封装的可靠性，还能够大幅度减小封装体积、减小信号传输路径、以及减小损耗。制作方法通过形成软硬结合板临时键合支撑结构，有效保证了芯片与软硬结合板的焊接，避免虚焊问题。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，其特征在于，包括：

软硬结合板(2)，包含固定连接的硬基板和软板，硬基板底部由软板支撑，在硬基板中设有开窗，在软板中设有开口，设有开窗的硬基板与设有开口的软板形成一容置空腔；

第一芯片(1)，其正面和背面均具有散热结构，倒装于该软硬结合板(2)的容置空腔中，与软硬结合板(2)电气互连，该第一芯片(1)与该容置空腔的周围存在间隙，且该间隙中填充有树脂材料(17)；

元器件(4)，固定于该软硬结合板(2)的硬基板的表面焊盘上，与硬基板中的线路(18)电气互连；以及

第二散热结构(3)，键合于软硬结合板(2)的上下两侧，位于硬基板一侧的第二散热结构(3)与第一芯片(1)和元器件(4)同时键合，位于软板一侧的第二散热结构(3)与软板键合，实现系统封装与散热。

2.根据权利要求1所述的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，其特征在于，

所述第一芯片(1)背面的散热结构为芯片背面散热层(8)，位于硬基板一侧的第二散热结构(3)上制作有嵌入散热层凸台(22)，所述嵌入散热层凸台(22)的高度满足：使得该侧的第二散热结构(3)通过该嵌入散热层凸台(22)与第一芯片(1)背面的芯片背面散热层(8)键合的同时还能与元器件(4)键合。

3.根据权利要求1所述的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，其特征在于，

所述第二散热结构(3)为主动制冷的散热制冷器或者无制冷剂的散热器；和/或，

所述第二散热结构(3)与软硬结合板(2)进行键合的键合材料为如下材料中的一种或几种：金属共晶焊料、以及热界面材料。

4.根据权利要求1所述的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，其特征在于，所述第一芯片(1)正面的散热结构为复合散热结构，该复合散热结构位于非焊盘区域，包括：

依序层叠的芯片正面散热层(9)、键合层(12)、以及嵌入散热金属层(13)，其中，芯片正面散热层(9)与第一芯片(1)的正面贴合，键合层(12)用于键合芯片正面散热层(9)与嵌入散热金属层(13)，嵌入散热金属层(13)的高度与软板的厚度相同，通过软板中的开口嵌入至软板中。

5.根据权利要求1所述的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，其特征在于，所述软硬结合板(2)的软板上方设置有软板焊盘(6)，下方设置有软板背面金属层(10)，该软板焊盘(6)的分布设置与第一芯片(1)正面的焊盘区域中芯片焊盘(5)的设置一一对应；所述软板焊盘(6)与硬基板中的线路(18)电气互连；

其中，该第一芯片(1)倒装于该软硬结合板(2)的容置空腔中时，通过第一芯片(1)正面的焊盘与软板焊盘(6)的焊接实现第一芯片(1)与软硬结合板(2)的电气互连；

该元器件(4)经由硬基板中的线路(18)电气连接至该软板焊盘(6)所连接的第一芯片(1)，实现元器件(4)与第一芯片(1)的通信。

6.根据权利要求5所述的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，其特征在于，

所述第一芯片(1)正面的焊盘与软板焊盘(6)之间通过芯片焊球(7)实现焊接；

所述元器件(4)与硬基板表面的焊盘通过表贴芯片焊点(16)实现焊接，并且在表贴芯片焊点(16)的周围填充有树脂材料；

其中，该芯片焊球(7)或该表贴芯片焊点(16)包括：焊料焊球或铜凸点。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构，其特征在于，

所述软硬结合板(2)的左右两端封装有端口通信层(15)，用于与PCB插接进行通信，该端口通信层(15)包括：金手指或者接插件焊接孔阵列结构；和/或，

所述第一芯片(1)为N个大尺寸芯片和/或M个小尺寸芯片，其中，M、N均为自然数。

8.一种权利要求1至7中任一项所述的带有软硬结合板的大尺寸芯片系统封装结构的制作方法，其特征在于，包括：

在待封装的第一芯片(1)表面制作散热结构；

在软硬结合板(2)的硬基板中制作开窗，在软板中制作开口，制作有开窗的硬基板与制作有开口的软板形成一容置空腔；

在包含容置空腔的软硬结合板(2)的软板一侧与一刚性支撑结构(21)通过一临时键合胶(20)进行键合，形成软硬结合板临时键合支撑结构；

将制作有散热结构的第一芯片(1)倒装于该软硬结合板临时键合支撑结构的容置空腔中；

将元器件(4)焊接于该软硬结合板临时键合支撑结构的硬基板的表面焊盘上；

去除倒装有第一芯片(1)和元器件(4)的软硬结合板临时键合支撑结构中的临时键合胶(20)和刚性支撑结构(21)；以及

键合第二散热结构(3)，使得位于硬基板一侧的第二散热结构(3)与第一芯片(1)和元器件(4)同时键合，位于软板一侧的第二散热结构(3)与软板键合，实现系统封装与散热。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，

将制作有散热结构的第一芯片(1)倒装于该软硬结合板临时键合支撑结构的容置空腔中的步骤之后还包括：在第一芯片(1)与容置空腔之间的间隙中填充树脂材料；和/或，

将元器件(4)焊接于该软硬结合板临时键合支撑结构的硬基板的表面焊盘上的步骤之后还包括：在表贴芯片焊点(16)的周围填充树脂材料；和/或，

所述临时键合胶(20)的厚度介于200微米到1毫米之间。

Images