CN112447625A - 双面散热大尺寸芯片倒装封装结构及封装方法 - Google Patents

双面散热大尺寸芯片倒装封装结构及封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双面散热大尺寸芯片倒装封装结构及封装方法，包括：芯片，其底面被配置为与散热焊接层的顶面进行焊接，所述散热焊接层与芯片进行热传导；散热垫块，其顶面被配置为与散热焊接层的底面焊接，所述散热垫块与所述散热焊接层进行热传导；散热器，其顶面被配置为与所述散热垫块的底面进行热传导。

Description

双面散热大尺寸芯片倒装封装结构及封装方法
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，特别涉及一种双面散热大尺寸芯片倒装封装结构及封装方法。
背景技术
在半导体倒装封装中，封装结构芯片倒装焊接在有机基板上，背面通过热界面材料与散热盖板连接，散热盖板上方根据实际散热需求决定是否增加热沉结构满足更大的散热需求。
随着芯片尺寸越来越大和功耗越来越高，此封装散热方式有以下缺点：首先，热界面材料一般为有机材料，热导率较低，若采用高热导金属焊料，芯片背面需要做金属化；其次，针对更高的散热需求，对热界面材料和热沉散热性能要求较高，不能很好满足封装高效散热需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双面散热大尺寸芯片倒装封装结构及封装方法，以解决现有的倒装焊接在有机基板上的芯片散热比较难的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双面散热大尺寸芯片倒装封装结构，包括：
芯片，其底面被配置为与散热焊接层的顶面进行焊接，所述散热焊接层与芯片进行热传导；
散热垫块，其顶面被配置为与散热焊接层的底面焊接，所述散热垫块与所述散热焊接层进行热传导；
散热器，其顶面被配置为与所述散热垫块的底面进行热传导。
可选的，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，芯片的底面为有源面；
芯片的材料为硅基、三五族化合物、碳化硅或氮化镓；
芯片的底面中央区域具有焊接区域，所述焊接区域依次堆叠锡银及电镀铜层，所述焊接区域与散热焊接层焊接，所述焊接区域的厚度为3～10μm；
所述散热焊接层的长度为20mm～50mm，所述散热焊接层的宽度为20mm～50mm，所述散热焊接层的高度为0.2mm～5mm；
芯片的底面边缘区域分布有管脚，所述管脚与有机基板进行焊接。
可选的，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，还包括有机基板，其中：
所述散热垫块为“凸”字形，包括第一基座及第一凸顶块；
所述有机基板具有第一开口，所述第一开口与所述散热焊接层正相对；
所述第一凸顶块嵌入所述第一开口中，其顶面由所述第一开口中暴露出；
所述第一开口的长度比所述散热焊接层的长度大0.5mm，所述第一开口的宽度比所述散热焊接层的宽度大0.5mm；
所述散热垫块的材质为无氧铜、钨铜或钼铜。
可选的，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，所述有机基板具有第二开口，所述第二开口与第一开口贯通所述有机基板；
所述散热垫块的第一基座嵌入所述第二开口中，且卡接在第一开口与第二开口的交界面；
所述第二开口的长度比所述第一基座的长度大0.5mm，所述第二开口的宽度比所述第一基座的宽度大0.5mm。
可选的，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，还包括散热盖，其中：
所述散热盖为“凹”字形，并倒扣在芯片上；
所述散热盖包括顶板及下柱，所述芯片的顶面与所述顶板进行热传导；
所述下柱朝向所述有机基板延伸；
所述有机基板与所述下柱之间具有粘胶层。
可选的，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，还包括散热齿，其中：
所述散热齿包括底板及齿板，所述底板与所述散热盖的顶面接触，所述齿板向朝着所述散热盖的相反方向延伸；
所述散热盖的顶面与所述散热齿进行热传导。
可选的，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，所述散热齿与所述散热盖之间具有第一热界面材料层；
所述散热盖与所述芯片之间具有第二热界面材料层；
所述散热垫块与所述散热器之间具有第三热界面材料层。
可选的，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，还包括制备板级封装用PCB板，其中：
所述散热器为“凸”字形，包括第二基座及第二凸顶块；
所述制备板级封装用PCB板具有第三开口，所述第三开口与所述散热垫块正相对；
所述第二凸顶块嵌入所述第三开口中，其顶面由所述第三开口中暴露出。
本发明还提供一种双面散热大尺寸芯片倒装封装方法，包括：
制备芯片；
在芯片的底面焊接一散热焊接层，所述散热焊接层与芯片进行热传导；
将散热焊接层的底面焊接至散热垫块的顶面，所述散热垫块与所述散热焊接层进行热传导；
将散热垫块布置在散热器的顶面上，所述散热器与所述散热垫块的底面进行热传导。
可选的，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装方法中，还包括：
在芯片边缘区域制备管脚，在芯片正面中央区域制备焊接区域，作为正面散热焊接区域；
在有机基板的顶面正对焊接区域处形成第一开口，在有机基板的底面正对第一开口处形成第二开口，将散热垫块卡接入有机基板；
芯片的焊接区域与散热垫块倒装焊接，芯片的管脚与有机基板焊接，采用热压焊接或回流焊接，焊接后在焊接区域填充；
芯片的背面与散热盖连接，在有机基板的底面形成焊球；
将有机基板的底面与制备板级封装用PCB板进行回流焊接，焊接后将散热垫块与散热器连接；
将散热齿与散热盖连接。
在本发明提供的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构及封装方法中，通过芯片的底面与散热焊接层的顶面进行焊接，所述散热焊接层与芯片进行热传导，散热垫块的顶面与散热焊接层的底面焊接，所述散热垫块与所述散热焊接层进行热传导，散热器的顶面与所述散热垫块的底面进行热传导，实现了芯片与散热垫块之间通过散热焊接层进行热传递，避免了通过热界面材料来进行热传递，使散热效率更高。
本发明通过在大尺寸的芯片正面设计金属焊接区域，在有机基板和制备板级封装用PCB板设计开口结构，利用倒装芯片正面与散热垫块及散热器连接，芯片背面与散热盖及散热齿进行连接，实现了倒装封装体上下两面散热通路，可以很好地满足大尺寸高功耗对封装高效散热的要求，在电子封装领域具有极大的应用价值。
附图说明
图1是现有的半导体倒装封装结构示意图；
图2是本发明一实施例双面散热大尺寸芯片倒装封装结构示意图；
图3是本发明一实施例双面散热大尺寸芯片倒装封装方法芯片制备示意图；
图4是本发明一实施例双面散热大尺寸芯片倒装封装方法芯片倒装焊接示意图；
图5是本发明一实施例双面散热大尺寸芯片倒装封装方法散热盖连接示意图；
图6是本发明一实施例双面散热大尺寸芯片倒装封装方法植球示意图；
图7是本发明一实施例双面散热大尺寸芯片倒装封装方法制备板级封装用PCB焊接接示意图；
图8是本发明一实施例双面散热大尺寸芯片倒装封装方法散热器及热沉连接示意图；
图中所示：10-芯片；11-管脚；12-填充料；13-焊接区域；20-散热垫块；30-散热焊接层；40-散热器；50-散热盖；61-底板；62-齿板；70-有机基板；71-粘胶层；72-焊球；81-第一热界面材料层；82-第二热界面材料层；83-第三热界面材料层；90-制备板级封装用PCB板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构及封装方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在半导体倒装封装中，现有的封装结构如图1所示，芯片100倒装焊接在有机基板101上，背面通过热界面材料102与散热盖板103连接，散热盖板103上方根据实际散热需求决定是否增加热沉结构104满足更大的散热需求。随着芯片尺寸越来越大和功耗越来越高，此封装散热方式有以下缺点：(1)芯片及散热盖板之间的热界面材料102一般为有机材料，热导率较低，若采用高热导金属焊料，芯片背面需要做金属化；(2)针对更高的散热需求，对散热盖板和热沉之间的热界面材料105和热沉104的散热性能要求较高，不能很好满足封装高效散热需求。
本发明的核心思想在于提供一种双面散热大尺寸芯片倒装封装结构及封装方法，以解决现有的倒装焊接在有机基板上的芯片散热比较难的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种双面散热大尺寸芯片倒装封装结构及封装方法，包括：芯片，其底面被配置为与散热焊接层的顶面进行焊接，所述散热焊接层与芯片进行热传导；散热垫块，其顶面被配置为与散热焊接层的底面焊接，所述散热垫块与所述散热焊接层进行热传导；散热器，其顶面被配置为与所述散热垫块的底面进行热传导。
本实施例提供一种双面散热大尺寸芯片倒装封装结构，如图2所示，包括：芯片10，其底面被配置为与散热焊接层30的顶面进行焊接，所述散热焊接层30与芯片10进行热传导；散热垫块20，其顶面被配置为与散热焊接层30的底面焊接，所述散热垫块20与所述散热焊接层30进行热传导；散热器40，其顶面被配置为与所述散热垫块20的底面进行热传导。
在本发明的一个实施例中，如图3所示，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，芯片10的底面为有源面；芯片10的材料为硅基、三五族化合物、碳化硅或氮化镓；芯片10的底面中央区域具有焊接区域，所述焊接区域依次堆叠锡银及电镀铜层，所述焊接区域与散热焊接层30焊接，所述焊接区域的厚度为3～10μm；所述散热焊接层30的长度为20mm～50mm，所述散热焊接层30的宽度为20mm～50mm，所述散热焊接层30的高度为0.2mm～5mm；芯片10的底面边缘区域分布有管脚11，所述管脚11与有机基板70进行焊接。
在本发明的一个实施例中，如图4所示，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，还包括有机基板70，其中：所述散热垫块20为“凸”字形，包括第一基座及第一凸顶块；所述有机基板70具有第一开口，所述第一开口与所述散热焊接层30正相对；所述第一凸顶块嵌入所述第一开口中，其顶面由所述第一开口中暴露出；所述第一开口的长度比所述散热焊接层30的长度大0.5mm，所述第一开口的宽度比所述散热焊接层30的宽度大0.5mm；所述散热垫块20的材质为无氧铜、钨铜或钼铜。
在本发明的一个实施例中，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，所述有机基板70具有第二开口，所述第二开口与第一开口贯通所述有机基板70；所述散热垫块20的第一基座嵌入所述第二开口中，且卡接在第一开口与第二开口的交界面；所述第二开口的长度比所述第一基座的长度大0.5mm，所述第二开口的宽度比所述第一基座的宽度大0.5mm。
在本发明的一个实施例中，如图5所示，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，还包括散热盖50，其中：所述散热盖50为“凹”字形，并倒扣在芯片10上；所述散热盖50包括顶板及下柱，所述芯片10的顶面与所述顶板进行热传导；所述下柱朝向所述有机基板70延伸；所述有机基板70与所述下柱之间具有粘胶层71。
在本发明的一个实施例中，如图8所示，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，还包括散热齿，其中：所述散热齿包括底板61及齿板62，所述底板61与所述散热盖50的顶面接触，所述齿板62向朝着所述散热盖50的相反方向延伸；所述散热盖50的顶面与所述底板61进行热传导。
在本发明的一个实施例中，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，所述齿板62与所述散热盖50之间具有第一热界面材料层81；所述散热盖50与所述芯片10之间具有第二热界面材料层82；所述散热垫块20与所述散热器40之间具有第三热界面材料层83。
在本发明的一个实施例中，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构中，如图7所示，还包括制备板级封装用PCB板90，其中：所述散热器40为“凸”字形，包括第二基座及第二凸顶块；所述制备板级封装用PCB板90具有第三开口，所述第三开口与所述散热垫块20正相对；所述第二凸顶块嵌入所述第三开口中，其顶面由所述第三开口中暴露出。
本实施例还提供一种双面散热大尺寸芯片倒装封装方法，如图3～8所示，包括：制备芯片10；在芯片10的底面焊接一散热焊接层30，所述散热焊接层30与芯片10进行热传导；将散热焊接层30的底面焊接至散热垫块20的顶面，所述散热垫块20与所述散热焊接层30进行热传导；将散热垫块20布置在散热器40的顶面上，所述散热器40与所述散热垫块20的底面进行热传导。
在本发明的一个实施例中，在所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装方法中，还包括：在芯片10边缘区域制备管脚11，在芯片10正面中央区域制备焊接区域13，作为正面散热焊接区域；在有机基板70的顶面正对焊接区域处形成第一开口，在有机基板70的底面正对第一开口处形成第二开口，将散热垫块20卡接入有机基板70；芯片10的焊接区域与散热垫块20倒装焊接，芯片10的管脚11与有机基板70焊接，采用热压焊接或回流焊接，焊接后在焊接区域用填充料12填充；芯片10的背面与散热盖50连接，在有机基板70的底面形成焊球72；将有机基板70的底面与制备板级封装用PCB板90进行回流焊接，焊接后将散热垫块20与散热器40连接；将散热齿与散热盖50连接。
在本发明提供的双面散热大尺寸芯片10倒装封装结构及封装方法中，通过芯片10的底面与散热焊接层30的顶面进行焊接，所述散热焊接层30与芯片10进行热传导，散热垫块20的顶面与散热焊接层30的底面焊接，所述散热垫块20与所述散热焊接层30进行热传导，散热器40的顶面与所述散热垫块20的底面进行热传导，实现了芯片10与散热垫块20之间通过散热焊接层30进行热传递，避免了通过热界面材料来进行热传递，使散热效率更高。
本发明通过在大尺寸的芯片10正面设计金属焊接区域，在有机基板70和制备板级封装用PCB板90设计开口结构，利用倒装芯片10正面与散热垫块20及散热器40连接，芯片10背面与散热盖50及散热齿进行连接，实现了倒装封装体上下两面散热通路，可以很好地满足大尺寸高功耗对封装高效散热的要求，在电子封装领域具有极大的应用价值。
本发明针对有机基板70上的芯片10散热比较难的问题，对大尺寸高功耗芯片10提出了一种双面散热封装结构和制作方法：(1)制备大尺寸芯片10，在芯片10正面中央区域设计有大面积金属化，作为正面散热焊接区域，芯片10背面可以设计金属化，根据使用热界面材料的种类决定；(2)制备芯片10倒装焊接用有机基板70，在芯片10正面金属焊接区域做开口设计，在芯片10倒装焊接时同时实现芯片10正面与散热垫块20焊接和芯片10与有机基板70的焊接；(3)制备板级封装用PCB板90，在散热垫块20区域做开口设计，实现板级封装体与散热器40的连接；(4)散热器40可以是冷板也可以是水冷或两相散热器40等；(5)芯片10背面连接散热盖50与散热齿，倒装封装体通过上下两面散热通路，可以很好地满足大尺寸高功耗对封装高效散热的要求。
综上，上述实施例对双面散热大尺寸芯片10倒装封装结构及封装方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种双面散热大尺寸芯片倒装封装结构，其特征在于，包括：
芯片，其底面被配置为与散热焊接层的顶面进行焊接，所述散热焊接层与芯片进行热传导；
散热垫块，其顶面被配置为与散热焊接层的底面焊接，所述散热垫块与所述散热焊接层进行热传导；
散热器，其顶面被配置为与所述散热垫块的底面进行热传导。
2.如权利要求1所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构，其特征在于，芯片的底面为有源面；
芯片的材料为硅基、三五族化合物、碳化硅或氮化镓；
芯片的底面中央区域具有焊接区域，所述焊接区域依次堆叠锡银及电镀铜层，所述焊接区域与散热焊接层焊接，所述焊接区域的厚度为3～10μm；
所述散热焊接层的长度为20mm～50mm，所述散热焊接层的宽度为20mm～50mm，所述散热焊接层的高度为0.2mm～5mm；
芯片的底面边缘区域分布有管脚，所述管脚与有机基板进行焊接。
3.如权利要求2所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构，其特征在于，还包括有机基板，其中：
所述散热垫块为“凸”字形，包括第一基座及第一凸顶块；
所述有机基板具有第一开口，所述第一开口与所述散热焊接层正相对；
所述第一凸顶块嵌入所述第一开口中，其顶面由所述第一开口中暴露出；
所述第一开口的长度比所述散热焊接层的长度大0.5mm，所述第一开口的宽度比所述散热焊接层的宽度大0.5mm；
所述散热垫块的材质为无氧铜、钨铜或钼铜。
4.如权利要求3所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构，其特征在于，所述有机基板具有第二开口，所述第二开口与第一开口贯通所述有机基板；
所述散热垫块的第一基座嵌入所述第二开口中，且卡接在第一开口与第二开口的交界面；
所述第二开口的长度比所述第一基座的长度大0.5mm，所述第二开口的宽度比所述第一基座的宽度大0.5mm。
5.如权利要求3所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构，其特征在于，还包括散热盖，其中：
所述散热盖为“凹”字形，并倒扣在芯片上；
所述散热盖包括顶板及下柱，所述芯片的顶面与所述顶板进行热传导；
所述下柱朝向所述有机基板延伸；
所述有机基板与所述下柱之间具有粘胶层。
6.如权利要求5所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构，其特征在于，还包括散热齿，其中：
所述散热齿包括底板及齿板，所述底板与所述散热盖的顶面接触，所述齿板向朝着所述散热盖的相反方向延伸；
所述散热盖的顶面与所述散热齿进行热传导。
7.如权利要求6所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构，其特征在于，所述散热齿与所述散热盖之间具有第一热界面材料层；
所述散热盖与所述芯片之间具有第二热界面材料层；
所述散热垫块与所述散热器之间具有第三热界面材料层。
8.如权利要求1所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装结构，其特征在于，还包括制备板级封装用PCB板，其中：
所述散热器为“凸”字形，包括第二基座及第二凸顶块；
所述制备板级封装用PCB板具有第三开口，所述第三开口与所述散热垫块正相对；
所述第二凸顶块嵌入所述第三开口中，其顶面由所述第三开口中暴露出。
9.一种双面散热大尺寸芯片倒装封装方法，其特征在于，包括：
制备芯片；
在芯片的底面焊接一散热焊接层，所述散热焊接层与芯片进行热传导；
将散热焊接层的底面焊接至散热垫块的顶面，所述散热垫块与所述散热焊接层进行热传导；
将散热垫块布置在散热器的顶面上，所述散热器与所述散热垫块的底面进行热传导。
10.如权利要求9所述的双面散热大尺寸芯片倒装封装方法，其特征在于，还包括：
在芯片边缘区域制备管脚，在芯片正面中央区域制备焊接区域，作为正面散热焊接区域；
在有机基板的顶面正对焊接区域处形成第一开口，在有机基板的底面正对第一开口处形成第二开口，将散热垫块卡接入有机基板；
芯片的焊接区域与散热垫块倒装焊接，芯片的管脚与有机基板焊接，采用热压焊接或回流焊接，焊接后在焊接区域填充；
芯片的背面与散热盖连接，在有机基板的底面形成焊球；
将有机基板的底面与制备板级封装用PCB板进行回流焊接，焊接后将散热垫块与散热器连接；
将散热齿与散热盖连接。
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