CN110911365A - 一种倒装焊封装散热结构及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种倒装焊封装散热结构及制造方法，属于半导体封装技术领域。本发明将正面植有互联材料的芯片倒装在基板上，将柔性导热带的一端与散热片中心部位焊接，另一端焊接在芯片背面，最后将散热片的四角凸台通过导热胶粘接在基板上，芯片产生的热量可通过柔性导热带传输至散热片散出。本发明大幅提升了倒装焊封装器件的散热能力，同时具有结构稳定好、高度匹配冗余大、测试有效性提升的优点。

Description

一种倒装焊封装散热结构及制造方法
技术领域
本发明涉及一种倒装焊封装散热结构及制造方法，属于半导体封装技术领域。
背景技术
目前，FPGA、SoC、CPU等大规模集成电路均采用非气密倒装焊封装结构，芯片通过合金材料凸点与基板进行倒装互连，随后在芯片背面采用导热胶粘接散热片，芯片产生的热量通过芯片背面-导热胶-散热片的路径传导至环境中，并通过增加散热片的面积来提升电路的散热性能，采用这种结构主要存在以下不足：
(1)芯片产生的热量主要通过散热片散出，但由于导热胶的热导率通常小于10W/mK，与金属类材料的热导率相差一个数量级，因而电路的散热能力有限，影响产品的电热性能及可靠性。
(2)通常会通过增加散热片的面积来提升电路的散热性能，散热片面积增大后，当散热片表面受到外力时，在散热片与芯片边角的接触位置会产生应力点，极易在应力点处产生散热片断裂。
(3)散热片面积增大至与基板尺寸相近后，在进行电路电性能测试时，测试插座直接夹持在散热片表面，压力通过散热片传导至芯片，可能使原断路的凸点在压力作用下临时导通，影响电路测试的有效性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种导热性能更好，可靠性及测试有效性更高的倒装焊封装散热结构及制造方法。
本发明的技术解决方案是：一种倒装焊封装散热结构，包括基板、芯片、电互联材料、底部填充胶、柔性导热带、散热片和导热胶；
所述芯片的正面植有电互联材料，并倒装于所述基板上，通过底部填充胶粘接固定；所述柔性导热带一端与芯片相连，另一端与散热片相连，芯片的热量通过柔性导热带传导至散热片；所述散热片位于基板上方，通过导热胶与基板粘接固定，并与基板构成腔室，所述芯片电互联材料、底部填充胶和柔性导热带均位于密闭腔室内。
进一步地，所述电互联材料为SnAg球、SnPb球、Cu柱或金凸块。
进一步地，所述散热片的四角设有凸台，所述凸台与基板粘接，所述凸台高度大于芯片倒装后与柔性导热带连接后的高度之和。
进一步地，所述柔性导热带为螺旋线、折叠式或Z字型上升结构，其与芯片的接触位置为点状、线状或面状。
进一步地，所述柔性导热带的材料为柔性Cu带或柔性Al带。
所述的一种倒装焊封装散热结构的制造方法，包括如下步骤：
取一套倒装焊封装用的基板；
将正面植有电互联材料的芯片倒装在基板上；
将柔性导热带的一端焊接在散热片背面中心位置，将柔性导热带的另一端与芯片背面焊接；
将散热片通过导热胶粘接在基板上。
进一步地，所述倒装焊封装为非气密封装结构，所述倒装焊封装用基板为Al2O3高温陶瓷基板、LTCC低温陶瓷基板或塑封基板。
进一步地，所述将柔性导热带的一端焊接在散热片背面中心位置，其中柔性导热带的焊接端需进行镀金处理，金层厚度1～2um。
进一步地，所述散热片的材料为AlSiC、SiC或Cu材料，散热片表面进行镀镍处理，镍层厚度10～20um；镍层表面镀金，金层厚度1～2um。
进一步地，所述柔性导热带与芯片、散热片通过共晶焊接方法连接，所述共晶焊接方法中的共晶焊片的材料为AuSn材料或SnPb材料。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用热导率更高的金属柔性导热带替代导热胶，大幅提升电路的散热性能。
(2)本发明在平面散热片的四角设计凸台结构，避免散热片受到外力时，在散热片与芯片边角接触位置产生应力集中，解决了大尺寸平面散热片边角容易断裂的问题，提升了电路的结构稳定性。
(3)本发明采用柔性导热带互连芯片和散热片，并在散热片四角设计凸台结构，导热带能够有效传导芯片产生的热量，散热片的四角凸台能够直接将散热片背面受到的外力传导至基板，避免芯片受力，解决了测试时散热片受压使短路倒装焊点临时导通影响测试有效性的问题。
(4)本发明采用的柔性导热带与散热片的接触面积不受芯片面积限制，因此与采用导热胶互连芯片与散热片的方式相比，热传导的接触面积更大，进一步提升了电路的散热性能。
(5)本发明采用柔性导热带结构在高度空间上具有较强的灵活性，和传统采用导热胶或非可压缩性金属片结构相比，导热带的柔性结构不会因封装各环节中的高度公差而造成对芯片的压伤，导热带良好的应力吸收功能有利于产品可靠性的提高。
附图说明
图1为本发明实施例倒装焊封装散热结构的示意图；
图2为本发明实施例柔性导热带的结构示意图；
图3为本发明实施例四角支撑结构散热片的结构示意图；
图4(a)为本发明倒装焊散热结构制造方法实施第一步后的示意图；
图4(b)为本发明倒装焊散热结构制造方法实施第二步后的示意图；
图4(c)为本发明倒装焊散热结构制造方法实施第三步后的示意图；
图4(d)为本发明倒装焊散热结构制造方法实施第四步后的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1所示为本发明实施例倒装焊封装散热结构的示意图。如图1，一种倒装焊封装散热结构，其特征在于：包括基板1、芯片2、电互联材料3、底部填充胶4、柔性导热带5、散热片6和导热胶7；所述芯片2的正面植有电互联材料3，并倒装于所述基板1上，通过底部填充胶4粘接固定；所述柔性导热带5一端与芯片2相连，另一端与散热片6相连，芯片2的热量通过柔性导热带5传导至散热片6以达到热量散出的效果；所述散热片6位于基板1上方，通过导热胶7与基板1粘接固定，并与基板1构成腔室，所述芯片2电互联材料3、底部填充胶4和柔性导热带5均位于密闭腔室内。
图2所示为柔性导热带5的结构示意图，所述柔性导热带5为螺旋线、折叠式或Z字型上升结构，其与芯片2的接触位置为点状、线状或面状。根据实际使用情况可选用不同形状、面积和体积的导热带，即根据产品需求确定导热带采用螺旋线、折叠式或Z字型上升结构，决定芯片的接触面积和接触形状以及导热带的高度和层数，导热带的材料可选择铜，或铝，或其它合金材料，在导热带的两端需制备焊接金层，金层厚度1～2um。
图3所示为四角支撑散热片6的结构示意图。所述散热片6的四角设有凸台，所述凸台与基板1粘接，所述凸台高度大于芯片2倒装后与柔性导热带5连接后的高度之和。在散热片6的四角设有凸台，凸台尺寸根据产品需求确定，凸台的截面尺寸一般不小于3mm×3mm，凸台高度大于芯片倒装后高度与柔性导热带互连后高度之和，根据基板表面是否有元件确定散热片中心是否需要加工凸台。散热片6根据产品需求可选择AlSiC、或SiC、或Cu材料，在散热片6的互连位置需做镀金处理，金层厚度1～2um。
该倒装焊封装散热结构的制造方法的具体步骤如下：
第一步，取一片倒装焊封装用的基板1，该基板1上制备有传输焊盘，图4(a)为倒装焊散热结构制造方法实施第一步后的示意图。
优选地，所述倒装焊封装为非气密封装结构，所述倒装焊封装用基板为Al2O3高温陶瓷基板、LTCC低温陶瓷基板或塑封基板。
第二步，将正面植有电互联材料3的芯片2倒装在基板1上，随后对倒装后的芯片注入底部填充胶4。图4(b)为倒装焊散热结构制造方法实施第二步后的示意图。
第三步，将柔性导热带5的一端焊接在散热片6背面中心位置，其中柔性导热带5的焊接端需进行镀金处理，金层厚度1～2um；将导热带5的一端采用共晶焊接的方式与散热片6进行互连，图4(c)为倒装焊散热结构制造方法实施第三步后的示意图。
优选地，所述柔性导热带5与芯片2、散热片6通过共晶焊接方法连接，所述共晶焊接方法中的共晶焊片的材料为AuSn材料或SnPb材料。
优选地，所述散热片6的材料为AlSiC、SiC或Cu材料，散热片6表面进行镀镍处理，镍层厚度10～20um；镍层表面镀金，金层厚度1～2um。
第四步，将已连接好散热片6的导热带5的另一端与芯片2进行互连，随后采用导热胶7将散热片6的四角凸台与基板1进行粘接。图4(d)为倒装焊散热结构制造方法实施第四步后的示意图。
本发明的倒装焊封装散热结构采用柔性导热带替代热导率较低的导热胶，大大增加了电路的散热性能，同时采用四角支撑散热片，解决了散热片面积增大后在芯片边角接触处易发生断裂的问题，四角凸台能够直接将散热片背面受到的外力传导至基板，避免芯片受力，解决了测试时散热片受压使短路倒装焊点临时导通影响测试有效性的问题。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种倒装焊封装散热结构，其特征在于：包括基板(1)、芯片(2)、电互联材料(3)、底部填充胶(4)、柔性导热带(5)、散热片(6)和导热胶(7)；
所述芯片(2)的正面植有电互联材料(3)，并倒装于所述基板(1)上，通过底部填充胶(4)粘接固定；所述柔性导热带(5)一端与芯片(2)相连，另一端与散热片(6)相连，芯片(2)的热量通过柔性导热带(5)传导至散热片(6)；所述散热片(6)位于基板(1)上方，通过导热胶(7)与基板(1)粘接固定，并与基板(1)构成腔室，所述芯片(2)电互联材料(3)、底部填充胶(4)和柔性导热带(5)均位于密闭腔室内。
2.根据权利要求1所述的一种倒装焊封装散热结构，其特征在于：所述电互联材料(3)为SnAg球、SnPb球、Cu柱或金凸块。
3.根据权利要求1所述的一种倒装焊封装散热结构，其特征在于：所述散热片(6)的四角设有凸台，所述凸台与基板(1)粘接，所述凸台高度大于芯片(2)倒装后与柔性导热带(5)连接后的高度之和。
4.根据权利要求1所述的一种倒装焊封装散热结构，其特征在于：所述柔性导热带(5)为螺旋线、折叠式或Z字型上升结构，其与芯片(2)的接触位置为点状、线状或面状。
5.根据权利要求1所述的一种倒装焊封装散热结构，其特征在于：所述柔性导热带(5)的材料为柔性Cu带或柔性Al带。
6.权利要求1～5任一项所述的一种倒装焊封装散热结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
取一套倒装焊封装用的基板(1)；
将正面植有电互联材料(3)的芯片(2)倒装在基板(1)上；
将柔性导热带(5)的一端焊接在散热片(6)背面中心位置，将柔性导热带(5)的另一端与芯片(2)背面焊接；
将散热片(6)通过导热胶(7)粘接在基板(1)上。
7.根据权利要求6所述的一种倒装焊封装散热结构的制造方法，其特征在于：所述倒装焊封装为非气密封装结构，所述倒装焊封装用基板为Al2O3高温陶瓷基板、LTCC低温陶瓷基板或塑封基板。
8.根据权利要求6所述的一种倒装焊封装散热结构的制造方法，其特征在于：所述将柔性导热带(5)的一端焊接在散热片(6)背面中心位置，其中柔性导热带(5)的焊接端需进行镀金处理，金层厚度1～2um。
9.根据权利要求6所述的一种倒装焊封装散热结构的制造方法，其特征在于：所述散热片(6)的材料为AlSiC、SiC或Cu材料，散热片(6)表面进行镀镍处理，镍层厚度10～20um；镍层表面镀金，金层厚度1～2um。
10.根据权利要求6所述的一种倒装焊封装散热结构的制造方法，其特征在于：所述柔性导热带(5)与芯片(2)、散热片(6)通过共晶焊接方法连接，所述共晶焊接方法中的共晶焊片的材料为AuSn材料或SnPb材料。
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