CN113170593B - 一种封装结构、处理器及服务器 - Google Patents
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Abstract
一种封装结构、处理器及服务器，该封装结构用于封装芯片，其包括芯片和导热片，且芯片和导热片之间层叠设置，并且在芯片和导热片之间填充了热介面材料层，芯片和导热片之间通过该热介面材料层导热连接。在具体设置时，导热片朝向芯片的一侧设置了一个圆滑的凸起结构，并且热介面材料层至少部分填充在凸起结构与芯片之间，使得热介面材料层至少部分包裹凸起结构。通过上述描述可以看出，在导热片上设置凸起结构，降低了芯片和导热片之间的间隔距离，从而使得填充在导热片与芯片之间的热介面材料层形成一个中间薄，边沿厚的结构，从而提高芯片的散热效果，同时，通过边沿较厚的结构改善了在芯片翘曲时热介面材料层的连接强度，进而提高了散热效果。
Description
技术领域
本申请涉及到电路板技术领域，尤其涉及到一种封装结构、处理器及服务器。
背景技术
热介面材料(TIM，Thermal Interface Material)是用于涂敷在散热器件与发热器件之间，降低它们之间接触热阻。凡是表面都会有粗糙度，当两个表面接触在一起的时候，不可能完全接触在一起，总会有一些空气隙夹杂在其中，而空气的导热系数非常之小，因此就造成了比较大的界面接触热阻。使用热介面材料就可以填充这个空气隙，这样就可以降低接触热阻，提高散热性能。因为热介面填充界面缝隙这个特点，它的总厚度通常比较低。降低接触热阻是它的主要应用目的。如图1中所示，在芯片3和散热器1之间有一层很薄的热介面材料层2，大约在25-100微米之间。散热器1和热介面材料层2都是在高温固化的，在高温固化时，热介面材料层2保持比较均匀的厚度。在大芯片封装中，由于基板4的热膨胀系数比芯片3要高，如图2所示，在室温或者工作温度，芯片3和基板4会形成一个弯曲，这就造成在中间位置热介面材料层2会处于受压状态而不会造成分层失效，而在边角位置，热介面材料层2的拉扯变形会很大而造成材料本身的分层，边角热介面材料层2分层会影响热介面材料层2的传热效能。
发明内容
本申请提供了一种封装结构、处理器及服务器，用于提高芯片的散热效果。
第一方面，提供了一种封装结构，该封装结构用于封装芯片，其包括芯片和导热片，且芯片和导热片之间层叠设置，并且在芯片和导热片之间填充了热介面材料层，芯片和导热片之间通过该热介面材料层导热连接。在具体设置时，导热片朝向芯片的一侧设置了一个圆滑的凸起结构，并且热介面材料层至少部分填充在凸起结构与芯片之间，使得热介面材料层至少部分包裹凸起结构。通过上述描述可以看出，在导热片上设置凸起结构，降低了芯片和导热片之间的间隔距离，从而使得填充在导热片与芯片之间的热介面材料层形成一个中间薄，边沿厚的结构，从而提高芯片的散热效果，同时，通过边沿较厚的结构改善了在芯片翘曲时热介面材料层的连接强度，进而提高了散热效果。
在具体设置该圆滑的凸起结构时，所述凸起结构朝向所述芯片的面为连续的曲面或平面。如该凸起结构朝向芯片的面可以为多个连续的曲面，或者为曲面与平面等不同的组合。
在一个具体的实施方案中，所述凸起结构为弧形的凸起，所述凸起结构朝向所述芯片的面为弧形面。
在一个具体的实施方案中，所述凸起结构为台形结构，且所述凸起结构的侧面与所述导热片连接的一侧通过第一弧形过渡面连接，所述凸起结构的侧面与所述凸起结构朝向所述芯片的一面通过第二弧形过渡面连接。其中，第一弧形过渡面为一个内凹的曲面，而第二弧形过渡面为一个外凸的曲面，使得凸起结构朝向芯片的面与凸起结构的侧壁，以及凸起结构的侧壁与导热片之间能够平滑的过渡，没有拐点，在涂覆热介面材料层时降低产生空隙的概率，提高涂覆效果。
在一个具体的实施方案中，所述凸起结构朝向所述芯片的一面为第一面，所述芯片朝向所述导热片的一面为第二面，其中，所述第一面与所述第二面的比例不小于1/2。通过设置的第一面与第二面的比例保证了设置的热介面材料层的面积，提高了散热效果。
在具体设置热介面材料层时，所述热介面材料层包裹所述凸起结构。从而使得热介面材料层形成中间薄边沿厚的结构，进一步的提高了散热的效果及连接的强度。
在具体设置热介面材料层时，所述热介面材料层的最小厚度为d，所述热介面材料层的最大厚度为h，其中，所述d/h介于1/4～1/10之间。
其中的热介面材料层的最小厚度d为25μm。从而提高了芯片的散热效果。
在具体设置该凸起结构时，所述凸起结构在所述第一面的垂直投影位于所述芯片在所述第一面的垂直投影内，其中，所述第一面为所述芯片的设置面。从而保证了在设置热介面材料层时，能够有足够的压力保证热介面材料层分别与芯片及导热片连接在一起。
在具体设置凸起结构时，所述凸起结构与所述导热片为一体结构。该凸起结构为导热片延伸出的一个突出部位。当然，也可以采用凸起结构与导热片为分体的结构。
在具体设置该封装结构时，该封装结构还包括基板，其中，所述芯片固定在所述基板上，所述导热片与所述基板固定连接且封装所述芯片。
在导热片与基板固定连接时，该导热片通过粘接胶与基板固定连接。
在芯片固定在基板上时，该芯片通过焊球与基板焊接连接。
第二方面，提供了一种处理器，该处理器包括上述任一项所述的封装结构。通过在导热片上设置凸起结构，降低了芯片和导热片之间的间隔距离，从而使得填充在导热片与芯片之间的热介面材料层形成一个中间薄，边沿厚的结构，从而提高芯片的散热效果，同时，通过边沿较厚的结构改善了在芯片翘曲时热介面材料层的连接强度，进而提高了散热效果。
第三方面提供了一种服务器，该服务器包括上述任一项所述的封装结构。通过在导热片上设置凸起结构，降低了芯片和导热片之间的间隔距离，从而使得填充在导热片与芯片之间的热介面材料层形成一个中间薄，边沿厚的结构，从而提高芯片的散热效果，同时，通过边沿较厚的结构改善了在芯片翘曲时热介面材料层的连接强度，进而提高了散热效果。
附图说明
图1为现有技术中的封装结构的示意图；
图2为现有技术中的封装结构的使用参考图；
图3为本申请实施例提供的封装结构的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的封装结构的凸起结构的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的封装结构的另一凸起结构的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的封装结构的另一凸起结构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
为了方便理解本申请实施例提供的封装结构，首先说明一下本申请实施例提供的封装结构的应用场景，该封装结构应用于处理器或者服务器中。该封装结构包括一个芯片40以及一个导热片10，在使用时通过导热片10对芯片40进行散热。下面结合附图对本申请实施例提供的封装结构进行详细的说明。
如图3所示，本申请实施例提供的封装结构包括一个基板50，该基板50用于承载芯片40。在芯片40固定在基板50上时，通过焊球将芯片40焊接在基板50上，之后在芯片40与基板50之间填充塑封材料将芯片40固定在基板50上。
当然，应当理解的是，图3列举的基板50仅仅是承载芯片40的一个具体的实施方式，在本申请实施例中还可以采用其他的具有支撑功能的结构来承载芯片40，如印刷电路板或者一般的电路板等不同的结构。
继续参考图3，在本申请实施例提供的封装结构中，还设置了一个导热片10，该导热片10与芯片40之间导热连接，并用于降低芯片40在工作时的温度。该导热片10可以采用不同的结构形式，在一个具体的实施方案中，如图3中所示，该导热片10可以包括一个平板状结构，以及与平板状结构连接的侧壁，从而形成一个盖状的结构。继续参考图3，该导热片10与基板50固定连接，并且导热片10覆盖该芯片40。在导热片10与基板50连接时，导热片10与基板50之间是一个固定连接方式，具体的是通过粘接胶将导热片10的侧壁粘接固定在基板50上，以使得导热片10通过基板50支撑形成一个与芯片40相对稳定的结构。当然，应当理解的是，上述图3列举的导热片10与基板50固定连接仅仅是导热片10的一种具体的实施方式，在本申请实施例提供的导热板10还可以不与基板50固定的方式设置。
继续参考图3，在导热片10固定在基板50上时，导热片10的平板状结构与芯片40的位置相对，并且两者之间具有一定的间隙，为改善导热片10的导热效果，在该导热片10与芯片40之间设置了热介面材料层30作为导热介质，以将芯片40产生的热量传递到导热片10上进行散热。
该热介面材料层30能够导热，且在通常状态下具有一定的胶体性质，以便于在固定导热片10时，热介面材料层30能够填充满芯片40与平板状结构之间的间隙。
本申请实施例提供的热介面材料层30可以包括两部分，一部分为纳米良导热颗粒，该导热颗粒作为导热材质将芯片40的热量传递到导热片10上。而另一部分为包裹该导热颗粒的聚合物层，该聚合物层具有一定的粘接力，且能够在高温下固化。因此，当导热片10向所述芯片40挤压所述热介面材料层30时，热介面材料层30能在挤压力的作用下填满导热片10和芯片40之间的缝隙，然后可以通过加热的方式来固化所述热介面材料层30，从而将芯片40和导热片10粘接固定在一起。对于其中的导热颗粒可以为金属颗粒，或者金属氧化物颗粒材料。在可选择的实施例中，所述导热颗粒的材料可以包括氧化铝。导热颗粒的大小尽量均匀，直径介于25～30μm之间，如直径为25μm、26μm、28μm、30μm等不同的球形，工艺进一步提升的话，所述导热颗粒的直径可以考虑进一步的降低。在芯片40上设置导热片10和热介面材料层30过程中，首先将热介面材料层30涂覆在芯片40上，之后将导热片10覆盖在芯片40上并与基板50固定连接，在挤压导热片10时，热介面材料层30也被挤压，从而将芯片40与导热片10粘接在一起。
由上述描述热介面材料层30时可以看出，在热介面材料层30作为导热介质时，首先需要与芯片40及导热片10连接，以保证热量能够通过热介面材料层30传递到导热片10上。为了保证热介面材料层30的连接强度，需要热介面材料层30具有一定的厚度，而对于热介面材料层30来说，其厚度越大，会造成热介面材料层30的热阻越大，这就会影响到热介面材料层30的导热效率。而封装结构在应用时，由于基板50的热膨胀系数比芯片40要高，在室温或者工作温度，芯片40和基板50会形成一个弯曲。对于热介面材料层30来说，会造成在中间位置热介面材料层30会处于受压状态，而在边沿位置的热介面材料层30被拉扯变形会造成热介面材料层30与导热片10或芯片40分层，从而影响热介面材料层30的传热效能的风险。
为了改善这种情况，在本申请实施例提供的封装结构改善了设置在芯片40和导热片10之间的热介面材料层30的厚度。在具体时，在本申请实施例提供的导热片10上设置了一个圆滑的凸起结构20，上述的圆滑指的是凸起结构20的表面为一个圆滑的面，各个面之间以及凸起结构20与导热片10相邻的面上均采用弧形过渡的方式形成一个连续的没有拐角的曲面。该凸起结构20设置在导热片10上朝向芯片40的一面，参考图3中所示的结构中，该凸起结构20设置在平板状结构上朝向芯片40的一面，并且凸起结构20与芯片40相对。所述凸起结构20从所述导热片10的表面向芯片40凸出，从而能够降低芯片40与导热片10之间的距离。在设置热介面材料层30时，热介面材料层30至少部分填充在凸起结构20与芯片40之间，使得热介面材料层30在被所述凸起结构20挤压后能够至少部分包裹凸起结构20，在热介面材料层30固化时，热介面材料层30形成一个厚度不均匀的层结构，更具体的，该热介面材料层30形成一个边沿厚，中心薄的结构。
在本发明实施例中，该圆滑的凸起结构20朝向芯片40的面为连续的曲面或平面。在具体形成上述具有连续的曲面或者平面的凸起结构20时，可以采用不同的形状的凸起结构20，如图4所示，图4中示出了凸起结构20为一个弧形的凸起结构20，该凸起结构20朝向芯片40的面为一个弧形面。继续参考图4，在图4所示的凸起结构20为半个椭球型凸起，并且凸起结构20朝向芯片40的方向的厚度为椭球型的短轴距离，该凸起结构20朝向芯片40的面为一个椭球面。当然该弧形的凸起结构20还可以采用少半球形的结构或者其他的形成弧形面的凸起结构20。在可选择的实施例中，所述凸起结构20也可以是诸如半球面这样的球面。
除上述图4所示的结构外，还可以采用如图5中所示的结构，在图5所示的结构中，该圆滑的凸起结构20为一个多面体结构，其包含有顶面及侧面，其中，顶面指的是凸起结构20朝向芯片40的一面，侧面指的是与顶面连接的面，且该侧面与导热片10连接。在具体实施时，该多面体结构可以为长方体、梯形体、台型等不同结构，但是无论采用哪种结构，该凸起结构20的侧面以及顶面之间、凸起结构20的侧面与导热片10的表面之间采用弧形的过渡，具体的，凸起结构20的侧面与导热片10连接的一侧通过第一弧形过渡面23连接，凸起结构20的侧面与凸起结构20朝向芯片40的一面通过第二弧形过渡面22连接。其中的第一弧形过渡面23为一个内凹的曲面，而第二弧形过渡面22为一个外凸的曲面，使得凸起结构20朝向芯片40的面与凸起结构20的侧壁，以及凸起结构20的侧壁与导热片10之间没有拐点，并能够平滑的过渡。所述台形结构的凸起结构20的朝向芯片40的一面可以为各种形状的，比如圆形，方形甚至是三角形等，但是在可选择的实施例，所述台形结构的凸起结构20的朝向芯片40的一面考虑采用没有拐角的圆滑图形，或者对诸如方形或者三角形这样的形状的拐角通过弧线作圆滑处理。所述台形结构的侧面可以不垂直其底部或顶面，而是采用类似锥形的那种有角度的设计。
在涂覆热介面材料层30时，由于热介面材料层30与凸起结构20接触的面为圆滑的曲面或者平面，因此可以在凸起结构20挤压时，保证热介面材料层30与凸起结构20能够紧密的贴合，避免出现缝隙，从而能够提高散热的效果。
应当理解的是，上述图4及图5仅仅列举了两种具体的凸起结构20，在本申请实施例中的凸起结构20可以采用任何具有连续的曲面或平面的凸起结构20。此外，在具体设置凸起结构20时，该凸起结构20可以与导热片10为一体结构，也可以为分体结构。在为分体结构时，凸起结构20可以通过导热胶与导热片10导热连接，凸起结构20的材质可以与导热片10的材质一样，也可以采用与导热片10的材质不一样但导热系数相似或者比较高的材质。在采用一体结构时，凸起结构20为在制备导热片10时一体形成的一个凸起，可以通过冲压或者注塑的方式直接形成带有凸起的导热片10。
由图3可以看出，凸起结构20与芯片40的相对而置，并且对于凸起结构20的尺寸，在本申请实施例中也进行了一定的限制。为了方便限定凸起结构20的尺寸，如图3所示，在本申请实施例中引入了第一面a，该第一面a为芯片40的设置面，即基板50上设置芯片40的表面。在设置凸起结构20的位置以及尺寸时需要满足：凸起结构20在第一面a的垂直投影位于芯片40在第一面a的垂直投影内。在采用此种结构时，凸起结构20朝向芯片40的一面的尺寸小于芯片40的顶面(芯片40朝向导热片10的面)的尺寸，此时，热介面材料层30包裹凸起结构20并能够与导热片10连接。在导热片10挤压热介面材料层30时，位于边沿的热介面材料也能够受到挤压力，通过足够的压力能够使得热介面材料层30充分的覆盖芯片40的上表面，以及覆盖导热片10的凸起结构20的一部分。当然，也可以采用凸起结构20在第一面a的垂直投影部分位于芯片40在第一面a的垂直投影外的方式，如凸起结构20的垂直投影大于芯片40在第一面a的垂直投影，此时，如图6中所示，凸起结构20朝向芯片50的一面的尺寸大于芯片40的顶面。由于整个凸起结构20朝向芯片40的面为一个弧形面，因此即使采用上述的方式设置凸起结构20时，也可以实现导热片10提供一定的挤压力将热介面材料层30分别与芯片40及导热片10挤压连接。除上述方式外，还可以采用凸起结构20在第一面a的垂直投影与芯片40在第一面a的垂直投影重叠的方式，此时，凸起结构20朝向芯片40的一面的尺寸与芯片40的顶面的尺寸相同。在采用弧形的凸起结构时，也可以形成中间薄，边沿后的热介面材料层。
在具体限定热介面材料层30的尺寸时，由图4及图5所示，因为凸起结构20的挤压，位于中间位置的热介面材料层30的厚度比较薄，因而导热效率比较高，为了提高散热的效果，厚度比较薄的热介面材料层30面积越大越好，因此，在图4所示的凸起结构20中，采用的弧形面的弧度比较小；在图5所示的结构中，对矩形凸起结构20的尺寸进行了限定，具体为：凸起结构20朝向芯片40的一面为第一面21，芯片40朝向导热片10的一面为第二面41，其中，第一面21与第二面41的比例不小于1/2，如1/2、3/4、4/5等。上述第一面21与第二面41的比例指的是长度及宽度的比例，即第一面21的长度不小于第二面41的长度的1/2，第一面21的宽度不小于第二面41的宽度的1/2。通过设置的第一面21与第二面41的比例保证了设置的热介面材料层30的面积，提高了散热效果。
在涂覆热介面材料层30时，该热介面材料层30包裹该凸起结构20，或者部分包裹凸起结构20。在图4及图5所示的结构中，热介面材料层30整个包裹凸起结构20并且部分与导热片10连接。热介面材料层30形成一个从中间向边沿延伸时，厚度不断增加的层结构。在采用该形状的热介面材料层30时，与芯片40中间位置接触的热介面材料层30比较薄，与芯片40边沿接触的热介面材料层30的厚度比较厚，从而使得在进行导热时，可以通过中间较薄的热介面材料层30来提高热传递效率，而对于基板50及芯片40在翘曲时引起的热介面材料层30与芯片40分层的情况，由于热介面材料层30的边沿厚度比较厚，因此，在边沿热介面材料层30的连接强度比较大，进而改善分层的情况出现，以更进一步的改善散热的效果。应当理解的是，上述图4及图5所示的结构中，仅仅为热介面材料层30的一个具体的示例。还可以采用热介面材料层30部分包裹凸起结构20的方式。如图6所示的弧形的凸起结构20，在弧形的凸起结构20尺寸大于芯片40时，可以采用热介面材料层30部分包裹凸起结构20。
在具体限定上述热介面材料层30的厚度时，在本申请实施例提供的热介面材料层30的厚度满足：热介面材料层30的最小厚度为d，热介面材料层30的最大厚度为h，其中，d/h介于1/4～1/10之间，如1/4、1/5、1/6、1/7、1/8、1/9、1/10。在一个具体的示例中，热介面材料层30的最小厚度d为25μm，从而具有良好的导热效果。而位于边沿的热介面材料层30的最后厚度h可以为100μm、125μm、150μm、175μm、200μm、225μm、250μm等不同的厚度，从而使得热介面材料层30的边沿具有足够的厚度来提供连接强度，降低了封装结构在受热时，由于基板50和芯片40翘曲时造成的热介面材料层30与芯片40分层的情况的概率。
另外，对于本申请实施例提供的封装结构，由于在导热片10上设置了凸起结构20，降低了芯片40与导热片10之间的距离，因此，在装配导热片10时，可以直接通过挤压导热片10的侧壁中心位置，首先保证导热片10接触芯片40而不是首先接触基板50的周边位置，在导热片10与基板50通过粘接固化连接到位时，设置的凸起结构20可以挤压热介面材料层30，实现热介面材料层30将导热片10与芯片40连接，热介面材料厚度的由凸起结构20的加工精度来控制。而在现有技术中让导热片与基板周围首先接触，导热片和芯片浮动连接，热介面材料层的厚度由导热片的侧壁厚度，基板周边粘结剂的厚度，和芯片的高度公差配合来保证。相比与现有技术，本申请实施例提供的封装结构提高了对热介面材料层30厚度的控制精度。
对于本申请实施例提供的封装结构，除了上述的导热片10、热介面材料层30及芯片40外，封装结构中还填充有塑封材料，塑封材料包裹导热片10，芯片40或热介面材料的一部分，从而将整个结构进行封装。上述封装与现有技术中的封装结构在封装时的方式类似，在此不予赘述。
通过上述描述可以看出，在本申请实施例提供的封装结构中，通过在导热片10上设置凸起结构20，降低了芯片40和导热片10之间的间隔距离，从而使得填充在导热片10与芯片40之间的热介面材料层30形成一个中间薄，边沿厚的层结构，提高了芯片40的散热效果，同时，通过边沿较厚的结构改善了在芯片40翘曲时热介面材料层30的连接强度，进而提高了散热效果。
本申请实施例还提供了一种处理器，该处理器包括上述任一项的封装结构。通过在导热片10上设置凸起结构20，降低了芯片40和导热片10之间的间隔距离，从而使得填充在导热片10与芯片40之间的热介面材料层30形成一个中间薄，边沿厚的结构，从而提高芯片40的散热效果，同时，通过边沿较厚的结构改善了在芯片40翘曲时热介面材料层30的连接强度，进而提高了散热效果。
本申请实施例还提供了一种服务器，该服务器包括上述任一项的封装结构。通过在导热片10上设置凸起结构20，降低了芯片40和导热片10之间的间隔距离，从而使得填充在导热片10与芯片40之间的热介面材料层30形成一个中间薄，边沿厚的结构，从而提高芯片40的散热效果，同时，通过边沿较厚的结构改善了在芯片40翘曲时热介面材料层30的连接强度，进而提高了散热效果。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种封装结构，其特征在于，包括：层叠的芯片和导热片，其中，所述导热片朝向所述芯片的一侧设有圆滑的凸起结构，所述芯片和所述导热片之间设有热介面材料层，所述芯片和所述导热片之间通过所述热介面材料层导热连接，且所述热介面材料层包裹所述凸起结构；
所述圆滑的凸起结构指的是，所述凸起结构的表面以及所述凸起结构与所述导热片相邻的面均采用弧形过渡的方式形成一个连续的没有拐角的曲面。
2.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述凸起结构为台形结构，且所述凸起结构的侧面与所述导热片连接的一侧通过第一弧形过渡面连接，所述凸起结构的侧面与所述凸起结构朝向所述芯片的一面通过第二弧形过渡面连接。
3.如权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述凸起结构朝向所述芯片的一面为第一面，所述芯片朝向所述导热片的一面为第二面，其中，所述第一面与所述第二面的比例不小于1/2。
4.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述热介面材料层的最小厚度为d，所述热介面材料层的最大厚度为h，其中，所述d/h介于1/4～1/10之间。
5.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述热介面材料层的最小厚度d为25μm。
6.如权利要求1或2所述的封装结构，其特征在于，所述凸起结构在第一面的垂直投影位于所述芯片在所述第一面的垂直投影内，其中，所述第一面为所述芯片的设置面。
7.如权利要求1～3任一项所述的封装结构，其特征在于，所述凸起结构与所述导热片为一体结构。
8.如权利要求1～3任一项所述的封装结构，其特征在于，还包括基板，其中，所述芯片固定在所述基板上，所述导热片与所述基板固定连接且封装所述芯片。
9.一种处理器，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的封装结构。
10.一种服务器，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的封装结构。
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