CN111900142A - 一种芯片的封装结构及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种芯片的封装结构及其封装方法，属于半导体芯片封装技术领域。其基板（9）上设置的散热盖（3）呈帽状结构，其帽檐部（31）的下表面与基板（9）连接，所述帽体部（33）呈隆起的内部腔体，所述帽体部（33）的内侧设置导热加强结构，所述导热加强结构为沟槽、坑、凸点的一种或几种组成的网状结构，对导热加强结构溅镀高导热金属；所述散热盖（3）的外侧表面设置铜箔层（4），所述铜箔层（4）的表面沉积石墨烯，形成石墨烯层（7）。本发明通过优化散热盖结构设计，减少了芯片装片时的散热材料和焊料溢出，提高了产品的导热和散热性能。

Description

一种芯片的封装结构及其封装方法
技术领域
本发明涉及一种芯片的封装结构及其封装方法，属于半导体芯片封装技术领域。
背景技术
随着技术的发展，芯片封装尺寸越来越趋近于微型化，焊球阵列封装(Ball GridArray，BGA)往往用于高端处理器芯片的封装。高端处理器的芯片运算速度大幅增加，芯片于其内运作所产生的热能亦随之增加，因此，芯片封装体急需解决其导热和散热问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种高导热和散热的芯片封装结构及其封装方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供了一种散热盖，所述散热盖呈帽状结构，其包括帽檐部和帽体部，所述帽檐部的下表面与基板连接，所述帽体部呈隆起的内部腔体，所述帽体部的内侧设置导热加强结构，所述导热加强结构为沟槽、坑、凸点的一种或几种组成的网状结构，所述导热加强结构的表面设置高导热金属层；
所述散热盖的外侧表面设置铜箔层，所述铜箔层的表面沉积石墨烯，形成石墨烯层。
进一步地，所述帽体部的内侧设置芯片容纳区，所述芯片容纳区的位置、大小与芯片匹配，所述导热加强结构设置于芯片容纳区内。
进一步地，所述高导热金属层的材质为铟金属。
本发明提供了一种芯片的封装结构，其包括芯片、基板和上述的散热盖，所述芯片倒装于基板，所述散热盖扣在芯片上方并与基板连接，所述芯片的背面从下往上依次设置金属种子层、第一导热金属层、第二导热金属层和金属加固层，所述第二导热金属层的外围形成复数个环形的回流沟，所述金属加固层露出回流沟。
进一步地，所述回流沟的数量以一至三条为佳。
进一步地，所述金属加固层的厚度小于第二导热金属层15的厚度。
本发明还提供了一种芯片的封装结构的封装方法，其工艺步骤如下:
步骤一、提供一集成电路晶圆，其正面设有芯片电极及相应的电路布局和切割线；
步骤二、利用溅射或化学镀的方法在晶圆背面沉积金属种子层；
步骤三、再在金属种子层上电镀或化学镀第一导热金属层；
步骤四、利用光刻工艺，在第一导热金属层的上表面形成第一光刻图案，该第一光刻图案的中央为镂空的圆形、其外围为镂空的环形圈；
步骤五、利用电镀工艺，填充光刻图案，在第一导热金属层的上表面形成第二导热金属层，去除无用的第一光刻图案，在该第二导热金属层的外围形成复数个环形的回流沟；
步骤六、再次利用光刻工艺，在第二导热金属层的上表面形成第二光刻图案，该第二光刻图案与第一光刻图案重合；
步骤七、通过喷洒工艺，填充第二光刻图案，在第二导热金属层上表面形成金属加固层，所述金属加固层的厚度小于第二导热金属层的厚度；
步骤八、去掉无用的第二光刻图案，露出第二导热金属层上的回流沟和第二导热金属层上的金属加固层；
步骤九、在晶圆的正面的芯片电极处设置金属凸块；
步骤十、沿晶圆的切割线将晶圆分成复数颗芯片；
步骤十一、通过表面贴装技术，芯片正面的金属凸块蘸取助焊剂后贴装至基板的焊盘的芯片位置上，再通过回流焊将芯片与基板焊接固连；
步骤十二、使用底部填充胶对芯片底部狭窄间距进行填充；
步骤十三、通过粘合剂将散热盖的下表面与基板四周粘结固连，所述散热盖呈帽状，包括帽沿部和帽体部，帽沿部下表面与基板四周连接，帽体部形成内部腔体容纳芯片，形成密封结构；所述散热盖的帽体部的内侧设置导热加强结构，所述导热加强结构为沟槽、坑、凸点的一种或几种组成的网状结构，对导热加强结构的表面溅镀高导热金属；所述散热盖的外表面设置铜箔层，所述铜箔层的表面沉积石墨烯，形成石墨烯层。
步骤十四、过高温炉，通过高温熔融金属加固层将散热盖与芯片的背面固接；
步骤十五、通过烘烤工艺，使粘合剂进行固化，增强散热盖和基板之间结合。
进一步地，所述第一导热金属层13和第二导热金属层的材质包括但不限于钛、镍、金、银。
进一步地，所述环形圈的数量以一至三条为佳。
进一步地，所述金属加固层的材质包括但不限于松香。
有益效果
本发明提供了一种芯片压盖治具，包括载具、漏字板和压字板，能控制芯片粘贴高度一致，提高了基板和引线框架的贴片质量。其工艺方法解决了封装领域一些非常规类型的芯片的贴片问题。
有益效果
本发明提出的高导热和散热的芯片封装结构及其封装方法，通过散热盖结构优化设计和回流沟的设置，减少了芯片装片时的散热材料和焊料溢出，提高了产品性能；芯片背面覆盖金属加固层，以增强芯片与散热盖的连接，以金属加固层和散热金属替代传统散热胶，弥补了散热胶不具备较强的粘结力的缺陷。
附图说明
图1至图2为本发明一种散热盖的结构示意图及其局部放大仰视图；
图3至图4为本发明一种芯片的封装结构的示意图；
图5A至图5N为本发明一种芯片的封装结构的封装方法的示意图；
图中：
芯片1
金属种子层12
第一导热金属层13
第一光刻图案14
第二导热金属层15
第二光刻图案16
金属加固层17
回流沟18
散热盖3
帽檐部31
冒体部33
导热加强结构34
芯片容纳区36
铜箔层4
石墨烯层7
基板9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。为了易于说明，可以使用空间相对术语(诸如“在…下方”、“之下”、“下部”、“在…上方”、“上部”等)以描述图中所示一个元件或部件与另一个元件或部件的关系。除图中所示的定向之外，空间相对术语还包括使用或操作中设备的不同定向。装置可以以其他方式定向（旋转90度或处于其他定向），本文所使用的空间相对描述可因此进行类似的解释。
如图1至图2所示，为本发明实施例的一种散热盖的结构示意图及其局部放大仰视图。本发明的散热盖3呈帽状结构，包括帽檐部31和帽体部33，帽檐部31下表面用于与基板9连接，帽体部33呈隆起的内部腔体，形成容纳空间，保护内部功能器件，如芯片1、电容、电阻等。散热盖3起到密封作用，使内部腔体形成密封结构，如图1所示。帽体部33的内侧设置导热加强结构34，导热加强结构34为沟槽、坑、凸点的一种或几种组成的网状结构，如图1所示的局部放大仰视图。优选地，帽体部33的内侧设置容纳导热加强结构34的芯片容纳区36，芯片容纳区36的位置、大小与芯片1匹配，如图2所示。对导热加强结构34的表面溅镀高导热的铟金属；相较于其它金属材料，铟金属导热能力及物理特性使其散热表现远好于其它金属材料。本发明以铟金属作为散热层的材料，使得封装产品耐高温且散热性能好。
散热盖3的外侧表面设置铜箔层4，再在铜箔层4的表面沉积石墨烯，形成石墨烯层7。石墨烯为一种完美的单层石墨晶体结构，其水平热传导系数高达5300W/mK。铜箔层4会将热量等向传递到石墨烯层7，石墨烯层7将热量快速平面性晕开并辐射或传递至气中，实现高导热及高散热的功能。
利用上述散热盖3，可以形成一种高导热和散热的芯片封装结构，如图3至图4所示，为本发明一种芯片的封装结构的示意图。其芯片1的背面从下往上依次设置金属种子层12、第一导热金属层13、第二导热金属层15和金属加固层17，所述第二导热金属层15的外围形成复数个环形的回流沟18，所述金属加固层17露出回流沟18。所述回流沟18的数量以一至三条为佳。金属加固层17的厚度小于第二导热金属层15的厚度。芯片1的背面设置回流沟18，是因为金属铟的熔点只有(156℃)，远低于锡的熔点(232℃)，在BGA封装中(有锡制程封装)，金属铟会承受不了过高的回流焊温度熔融溢出，造成附近的其他芯片、电容等元器件短路的问题，同时也容易造成散热层空洞问题。所以回流沟18的设置，以及复数个芯片容纳区和/或凹坑的设置，可以将多余的焊料吸收掉而不会再向外溢出，避免了铟金属的溢出，也避免了焊料桥接和芯片间短路问题，同时也解决了散热层空洞问题，提高了散热效率。
本发明一种芯片的封装结构的封装方法，如图5A至图5N所示， 为本发明一种芯片的封装结构的封装方法的示意图，其工艺步骤如下:
步骤一、提供一集成电路晶圆10，其正面设有芯片电极及相应的电路布局和切割线19（图中芯片电极未示意），如图5A所示；
步骤二、利用溅射或化学镀的方法在晶圆背面沉积金属种子层12，如图5B所示；
步骤三、再在金属种子层12上电镀或化学镀第一导热金属层13，第一导热金属层13的导热金属包括但不限于钛、镍、金、银，以将芯片1内部的热快速导出，如图5C所示；
步骤四、利用光刻工艺，在第一导热金属层13的上表面形成第一光刻图案14，该第一光刻图案14的中央为镂空的圆形、其外围为镂空的环形圈141，环形圈141的数量以一至三条为佳，其宽度尽可能大，图中以两条环形圈141示例，如图5D所示；
步骤五、利用电镀工艺，填充光刻图案，在第一导热金属层13的上表面形成第二导热金属层15，去除无用的第一光刻图案14，在该第二导热金属层15的外围形成复数个环形的回流沟18，如图5E和图5F所示，第二导热金属层15的导热金属包括但不限于钛、镍、金、银；
步骤六、再次利用光刻工艺，在第二导热金属层15的上表面形成第二光刻图案16，该第二光刻图案16与第一光刻图案14重合，如图5G所示；
步骤七、通过喷洒工艺，填充第二光刻图案16，在第二导热金属层15上表面形成一层薄薄的金属加固层17，金属加固层17的材质包括但不限于松香等助焊剂，用于增强芯片1与散热盖3的连接，金属加固层17的厚度小于第二导热金属层15的厚度，如图5H所示；
步骤八、去掉无用的第二光刻图案16，露出第二导热金属层15上的宽宽的回流沟18，和第二导热金属层15上薄薄的金属加固层17；宽宽的回流沟18的设置，可以避免工艺过程中低熔点金属的溢出，解决附近的其他芯片1、电容等元器件短路的问题，同时也可以解决散热层空洞问题，提高了散热效率，如图5I 所示；
步骤九、在晶圆10的正面的芯片电极处设置金属凸块11，如图5J所示；
步骤十、沿晶圆的切割线19将晶圆分成复数颗芯片1，如图5K所示；
步骤十一、通过表面贴装技术，将芯片1正面的金属凸块蘸取助焊剂后贴装至基板9的焊盘的芯片位置上，再通过回流焊将芯片1与基板9焊接固连；同时，可将电阻、电容等元器件贴装到基板9的焊盘的元器件位置，通过回流焊将元器件与基板9焊接固连，如图5L 所示；
步骤十二、使用底部填充胶对芯片1底部狭窄间距进行填充，降低芯片1与基板9之间因热膨胀系数差异所造成的应力冲击，增强芯片1和基板9之间的结合力，底部填充胶主要成分为环氧树脂和二氧化硅，如图5M 所示；
步骤十三、通过粘合剂将散热盖3的与基板9四周粘结固连，一般地，散热盖3呈帽状，包括帽檐部31和帽体部33，帽檐部31下表面用于与基板9连接，帽体部33呈隆起的内部腔体，形成容纳空间，保护内部功能器件，如芯片1、电容、电阻等。本发明中，所用散热盖3的帽体部33的内侧设置导热加强结构，导热加强结构为沟槽、坑、凸点的一种或几种组成的网状结构，对导热加强结构溅镀高导热铟金属；散热盖3的外表面设置铜箔层4，再在铜箔层4的表面沉积石墨烯，形成石墨烯层7。石墨烯的水平热传导系数高达5300W/mK。铜箔层4会将热量等向传递到石墨烯层7，石墨烯层7将热量快速平面性晕开并辐射或传递至气中，实现高导热及高散热的功能。优选地，帽体部33的内侧设置容纳导热加强结构的芯片容纳区，芯片容纳区的位置、大小与芯片1匹配，如图5N所示。
步骤十四、过高温炉，通过高温熔融金属加固层17将散热盖3与芯片1的背面固接；
步骤十五、通过烘烤工艺，使粘合剂进行固化，增强散热盖3和基板9之间结合。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种散热盖，所述散热盖（3）呈帽状结构，其包括帽檐部（31）和帽体部（33），所述帽檐部（31）的下表面与基板（9）连接，所述帽体部（33）呈隆起的内部腔体，
其特征在于，所述帽体部（33）的内侧设置导热加强结构（34），所述导热加强结构（34）为沟槽、坑、凸点的一种或几种组成的网状结构，所述导热加强结构（34）的表面设置高导热金属层；
所述散热盖（3）的外侧表面设置铜箔层（4），所述铜箔层（4）的表面沉积石墨烯，形成石墨烯层（7）。
2.根据权利要求1所述的散热盖，其特征在于，所述帽体部（33）的内侧设置芯片容纳区（36），所述芯片容纳区（36）的位置、大小与芯片（1）匹配，所述导热加强结构（34）设置于芯片容纳区（36）内。
3.根据权利要求2所述的散热盖，其特征在于，所述高导热金属层的材质为铟金属。
4.一种芯片的封装结构，其特征在于，其包括芯片（1）、基板（9）和如权利要求1或2或3所述的散热盖，所述芯片（1）倒装于基板（9），所述散热盖扣在芯片（1）上方并与基板（9）连接，
所述芯片（1）的背面从下往上依次设置金属种子层（12）、第一导热金属层（13）、第二导热金属层（15）和金属加固层（17），所述第二导热金属层（15）的外围形成复数个环形的回流沟（18），所述金属加固层（17）露出回流沟（18）。
5.根据权利要求4所述的芯片封装结构，其特征在于，所述回流沟（18）的数量以一至三条为佳。
6.根据权利要求4所述的芯片封装结构，其特征在于，所述金属加固层（17）的厚度小于第二导热金属层（15）的厚度。
7.一种芯片的封装结构的封装方法，其工艺步骤如下:
步骤一、提供一集成电路晶圆（10），其正面设有芯片电极及相应的电路布局和切割线（19）；
步骤二、利用溅射或化学镀的方法在晶圆背面沉积金属种子层（12）；
步骤三、再在金属种子层（12）上电镀或化学镀第一导热金属层（13）；
步骤四、利用光刻工艺，在第一导热金属层（13）的上表面形成第一光刻图案（14），该第一光刻图案（14）的中央为镂空的圆形、其外围为镂空的环形圈（141）；
步骤五、利用电镀工艺，填充光刻图案，在第一导热金属层（13）的上表面形成第二导热金属层（15），去除无用的第一光刻图案（14），在该第二导热金属层（15）的外围形成复数个环形的回流沟（18）；
步骤六、再次利用光刻工艺，在第二导热金属层（15）的上表面形成第二光刻图案（16），该第二光刻图案（16）与第一光刻图案（14）重合；
步骤七、通过喷洒工艺，填充第二光刻图案（16），在第二导热金属层（15）上表面形成金属加固层（17），所述金属加固层（17）的厚度小于第二导热金属层（15）的厚度；
步骤八、去掉无用的第二光刻图案（16），露出第二导热金属层（15）上的回流沟（18）和第二导热金属层（15）上的金属加固层（17）；
步骤九、在晶圆（10）的正面的芯片电极处设置金属凸块（11）；
步骤十、沿晶圆的切割线（19）将晶圆分成复数颗芯片（1）；
步骤十一、通过表面贴装技术，芯片（1）正面的金属凸块（11）蘸取助焊剂后贴装至基板（9）的焊盘的芯片位置上，再通过回流焊将芯片（1）与基板（9）焊接固连；
步骤十二、使用底部填充胶对芯片（1）底部狭窄间距进行填充；
步骤十三、通过粘合剂将散热盖（3）的下表面与基板（9）四周粘结固连，所述散热盖（3）呈帽状，包括帽沿部（31）和帽体部（33），帽沿部（31）下表面与基板（9）四周连接，帽体部（33）形成内部腔体容纳芯片（1），形成密封结构；所述散热盖（3）的帽体部的内侧设置导热加强结构（34），所述导热加强结构（34）为沟槽、坑、凸点的一种或几种组成的网状结构，对导热加强结构（34）的表面溅镀高导热金属；所述散热盖（3）的外表面设置铜箔层（4），所述铜箔层（4）的表面沉积石墨烯，形成石墨烯层（7）；
步骤十四、过高温炉，通过高温熔融金属加固层（17）将散热盖（3）与芯片（1）的背面固接；
步骤十五、通过烘烤工艺，使粘合剂进行固化，增强散热盖（3）和基板（9）之间结合。
8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述第一导热金属层（13）和第二导热金属层（15）的材质包括但不限于钛、镍、金、银。
9.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述环形圈（141）的数量以一至三条为佳。
10.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述金属加固层（17）的材质包括但不限于松香。
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