CN114628339A - 系统级封装器件和电子装置 - Google Patents

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Abstract

提供系统级封装器件和电子装置,该封装器件包括印制电路板(P)、导热件(10)、第一功率组件(20)和封装基板(40)，封装基板(40)设置于印制电路板(P)的上方，导热件(10)和第一功率组件(20)设置于封装基板(40)的上方，导热件(10)与封装基板(40)以彼此能进行热传导的方式相连，导热件(10)包括位于上部的导热件第一部分(11)和位于下部的导热件第二部分(12)，且导热件第一部分(11)位于第一功率组件(20)的上方，第一功率组件(20)与导热件第一部分(11)、导热件第二部分(12)和封装基板(40)中的至少一者以彼此能进行热传导的方式相连。本申请的系统级封装器件具有向上向下两个散热路径，散热效果好。

Description

系统级封装器件和电子装置
技术领域
本申请涉及半导体领域，更具体地涉及一种系统级封装器件和包括该系统级封装器件的电子装置。
背景技术
随着IC(即集成电路)器件功能的增强、集成度的提高，IC产业的摩尔定律逐渐逼近物理极限，芯片工艺的进一步集成受到极大挑战。
一种增加芯片集成程度的封装结构是将多种器件整体封装，这种封装结构被称为系统级封装(System in Package)结构，简称SiP结构。系统级封装是对不同芯片进行并排或叠加的封装方式，将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件，以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起，实现一定功能的单个标准封装件。
现有的SiP结构通常是将芯片平铺互连之后进行整体塑封，这种封装在竖直方向上的集成度有限。而且，芯片的散热主要是通过基板向例如PCB板散热，这种散热是单向的，这是由于芯片的另一面(基板所在的面的反面)被塑封料填充，塑封料对内部元件的散热起到了限制作用。而散热受限将使得半导体元件的高效集成受到限制。
在一种现有方案中，芯片向上能通过焊球连接到散热器，向下能通过块体连接到下方的连接件进行散热。然而，该方案并不适合封装模块级别的元件散热。在另外一种现有方案中，功率模组由封装塑料包覆，封装塑料直接与散热元件连接，省略了中间导热胶，解决了由于导热胶与塑封料膨胀系数不匹配而导致的问题。该方案虽然可以通过顶部散热元件进行散热，但是塑封料的热导率通常较低，例如树脂材料制作的塑封料的热导率为0.2～2.2W/mK，远小于传统的金属材料的热导率(铜的热导率为385W/mK，铝的热导率237W/mK)。
发明内容
有鉴于此，本申请提出了一种系统级封装器件和电子装置。
第一方面，本申请的实施例提供了一种系统级封装器件，该系统级封装器件包括印制电路板、导热件、第一功率组件和封装基板，
所述封装基板设置于所述印制电路板的上方，所述导热件和所述第一功率组件设置于所述封装基板的上方，所述导热件与所述封装基板以彼此能进行热传导的方式相连，
所述导热件包括位于上部的导热件第一部分和位于下部的导热件第二部分，且所述导热件第一部分位于所述第一功率组件的上方，
所述第一功率组件与所述导热件第一部分、所述导热件第二部分和所述封装基板中的至少一者以彼此能进行热传导的方式相连。
根据本实现方式的系统级封装器件集成度高，且具有向上散热通道，散热性能好。
根据第一方面，在所述系统级封装器件的第一种可能的实现方式中，利用垂直于所述印制电路板的投影线将所述导热件第一部分和所述导热件第二部分投影到所述印制电路板上时，所述导热件第一部分的投影面积不小于所述导热件第二部分的投影面积。根据本实现方式的系统级封装器件向上散热的能力强。
根据第一方面，或以上第一方面的第一种可能的实现方式，在所述系统级封装器件的第二种可能的实现方式中，所述导热件与所述第一功率组件彼此嵌套。根据本实现方式的导热件与第一功率组件连接方便、接触面积大，散热效率高。
根据第一方面的第二种可能的实现方式，在系统级封装器件的第三种可能的实现方式中，所述导热件形成为框架形并至少部分地包围所述第一功率组件。根据本实现方式的导热件与第一功率组件接触面积大、散热效率高。
根据第一方面的第二种可能的实现方式，在系统级封装器件的第四种可能的实现方式中，所述第一功率组件形成有腔体结构，所述导热件穿过所述第一功率组件的所述腔体结构。根据本实现方式的系统级封装器件使功率组件形成腔体结构，并使导热件与该腔体结构互相嵌套，从而方便二者的连接，二者的接触面积大，散热效率高。
根据第一方面的第四种可能的实现方式，在系统级封装器件的第五种可能的实现方式中，所述导热件形成为T形或柱形。根据本实现方式的导热件结构简单，且方便与第一功率组件相连接。
根据第一方面，或以上第一方面的任意一种可能的实现方式，在所述系统级封装器件的第六种可能的实现方式中，所述导热件与所述第一功率组件通过导热材料连接在一起，或者
所述导热件与所述第一功率组件过盈配合地连接在一起。
根据本实现方式，第一功率组件和导热件连接方式简单，散热效率高。
根据第一方面，或以上第一方面的任意一种可能的实现方式，在所述系统级封装器件的第七种可能的实现方式中，所述第一功率组件是单个电子元件，或者
所述第一功率组件是多个电子元件的组合件。
根据本实现方式的第一功率组件的形成结构灵活，便于散热。
根据第一方面，或以上第一方面的任意一种可能的实现方式，在所述系统级封装器件的第八种可能的实现方式中，所述导热件第二部分与所述封装基板通过导热胶相连，或者
所述导热件第二部分与所述封装基板通过焊接的方式相连。
根据本实现方式的导热件与封装基板连接牢固且彼此之间的导热性能好。
根据第一方面，或以上第一方面的任意一种可能的实现方式，在系统级封装器件的第九种可能的实现方式中，所述导热件第一部分用于与上方的外部散热结构接触，从而能将热量传导给所述外部散热结构。根据本实现方式的系统级封装器件通过与外部散热结构的连接，能更好地向上散热。
根据第一方面，或以上第一方面的任意一种可能的实现方式，在所述系统级封装器件的第十种可能的实现方式中，所述封装基板包括功率元件，所述功率元件的上部露出所述封装基板的封装层而与所述导热件第二部分以能进行热传导的方式连接。根据本实现方式的封装基板中的功率元件通过直接与导热件接触的方式能实现更好的散热。
根据第一方面，或以上第一方面的任意一种可能的实现方式，在所述系统级封装器件的第十一种可能的实现方式中，所述第一功率组件的至少部分引脚从非朝向所述封装基板的侧面引出。系统级封装结构使得第一功率组件的引脚布置方向灵活、能根据各部件的具体结构从侧面引出，使得装置整体结构更紧凑。
根据第一方面，或以上第一方面的任意一种可能的实现方式，在所述系统级封装器件的第十二种可能的实现方式中，所述系统级封装器件还包括第二功率组件，所述第二功率组件设置于所述封装基板的上方，所述第二功率组件与所述封装基板以彼此能进行热传导的方式相连。根据本实现方式的第二功率组件能独立于第一功率组件以及封装基板而设置，并能通过封装基板而进行热传导。
根据第一方面，或以上第一方面的任意一种可能的实现方式，在所述系统级封装器件的第十三种可能的实现方式中，所述导热件的制作材料包括金属。根据本实现方式的导热件的热导率高，散热性能好。
第二方面，本申请的实施例提供了一种电子装置，其包括根据第一方面、或以上第一方面的任意一种可能的实现方式的系统级封装器件。根据本申请的电子装置散热性能好。
本申请的这些和其他方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本申请的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本申请的原理。
图1是根据本申请的一个实施方式的系统级封装器件的纵剖的示意图。
图2至图6是根据本申请的系统级封装器件的导热件的五种可能的结构的示意图。
图7至图10是根据本申请的系统级封装器件的导热件与第一功率组件相结合的四种可能方式的示意图。
图11和图12是根据本申请的系统级封装器件的两种可能的制作方法的示意图。
附图标记说明：
10导热件；11导热件第一部分；12导热件第二部分；
20第一功率组件；30第二功率组件；
40封装基板；40a、40b载体；41功率元件；42互连柱；43封装层；44空腔；45填充物；
PT导电图形；HS外部散热结构；P印制电路板。
具体实施例
以下将参考附图详细说明本申请的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”和“例如”等意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”和“例如”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本申请，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本申请的主旨。
首先参照图1至图10，介绍本申请的系统级封装器件，其具有特定的散热结构。
参照图1，根据本申请的系统级封装器件包括印制电路板P、导热件10、第一功率组件20、第二功率组件30和封装基板40。系统级封装结构(以下也简称SiP结构)主要表现为，第一功率组件20和第二功率组件30设置在封装基板40的上方，使得第一功率组件20、第二功率组件30和封装基板40形成非平铺的立体结构。
具体地，导热件10、第一功率组件20、第二功率组件30和封装基板40形成一个整体，该整体设置在印制电路板P的上方。该整体可以通过封装基板40向下方的印制电路板P散热。
导热件10、第一功率组件20和第二功率组件30均设置在封装基板40的上方。
导热件10与封装基板40以彼此能进行热传导的方式相连，可选地，二者通过导热胶连接在一起，或者二者通过焊接的方式连接在一起。导热件10的作用主要是为系统级封装器件提供向上(向印制电路板P所在侧的相反侧)散热的通道。
导热件10包括位于上部的导热件第一部分11和位于下部的导热件第二部分12，导热件第一部分11位于系统级封装器件的最上端，以形成上部散热区域；导热件第二部分12连接导热件第一部分11和封装基板40。第一功率组件20和第二功率组件30均位于导热件第一部分11的下方。
在图1所示的实施方式中，导热件10形成大致T形的形状(可同时参考图2)。其中，导热件第一部分11作为T形的上部具有较大的散热面积，导热件第二部分12作为T形的下部方便与第一功率组件20相结合(下文将进一步介绍)。
应当理解，本申请对导热件10的具体形状不作限制。
例如，参照图3，导热件10可以形成支架形。其中导热件第一部分11作为支架的台面，其上部还可以形成翅片结构以增强散热效果；导热件第二部分12可以作为支架的多个支脚。
又例如，参照图4和图5，导热件10也可以形成框架形。这种情况下，当导热件10与第一功率组件20结合时，导热件10可以至少部分地包围第一功率组件20以形成更大的接触散热面积(下文将进一步介绍)。
又例如，参照图6，为简化结构考虑，导热件10也可以形成柱状。此时，导热件10的上下部分的横截面积一致，这种形式下，虽然不能很好地区分导热件10的上部以及导热件10的下部，但仍将导热件10的位于第一功率组件20上方的部分称为导热件第一部分11，将导热件10的位于第一功率组件20下方的部分称为导热件第二部分12。换言之，这种情况下，导热件10有部分结构向上超出第一功率组件20。
又例如，参照图7至图10，导热件10也可以形成可折叠的片状，通过折叠片材的形式，使得导热件10部分地包围第一功率组件20。图中箭头U所指的方向为上方，导热件10部分地位于第一功率组件20的上方，以便于散热。可选地，导热件10还部分地位于第一功率组件20的下方，以便于与封装基板40连接。可选地，导热件10还部分地位于第一功率组件20的侧方，以便于增大导热件10和第一功率组件20的接触面积。
可选地，利用垂直于印制电路板P的投影线将导热件第一部分11和导热件第二部分12投影到印制电路板P上时，导热件第一部分11的投影面积不小于导热件第二部分12的投影面积。从而使得导热件10具有更大的向上散热的面积。
可选地，系统级封装器件的上方设有外部散热结构HS(例如可以是散热块，也称heat sink)。导热件第一部分11用于与上方的外部散热结构HS接触，从而能将热量传导给外部散热结构HS。
可选地，导热件10的制作材料包括金属。例如，导热件10的制作材料为铝或铜。这使得导热件10具有较高的热导率。
第一功率组件20例如为体积较大、发热较多的元件，可选地，第一功率组件20为单相电感或多相电感。
第一功率组件20可以是单个的元件，也可以是多个元件的堆叠结构。第一功率组件20可以形成实心的结构，也可以形成为具有腔体的空心结构。
第一功率组件20与导热件第一部分11、导热件第二部分12和封装基板40中的至少一者以彼此能进行热传导的方式相连。在第一功率组件20与导热件10(导热件第一部分11和/或导热件第二部分12)相连的情况下，第一功率组件20能通过导热件10有效地向上散热；在第一功率组件20与封装基板40相连的情况下，第一功率组件20能通过封装基板40有效地向下散热。
可选地，第一功率组件20与导热件10彼此嵌套。例如，导热件10形成为框架形并至少部分地包围第一功率组件20。又例如，第一功率组件20形成有腔体结构，导热件10穿过第一功率组件20的腔体结构。
可选地，导热件10与第一功率组件20通过导热材料(例如导热胶)连接在一起；或者，导热件10与第一功率组件20过盈配合地连接在一起。
第二功率组件30例如为体积较小的发热元件，包括无源器件，例如为电阻。出于各种原因，第二功率组件30不方便集成于第一功率组件20或集成于封装基板40。
第二功率组件30设置于封装基板40的上方，第二功率组件30与封装基板40以彼此能进行热传导的方式相连。可选地，二者通过导热胶连接在一起，或者二者通过焊接的方式连接在一起。
可选地，第二功率组件30也可以同时与导热件10相连。
应当理解，在封装基板40和第一功率组件20足够集成所有的电子元件的情况下，本申请的系统级封装器件也可以不具有第二功率组件30。
封装基板40可以封装有例如芯片和无源器件等元件。封装基板40还用于安装第一功率组件20和第二功率组件30。
其中，封装基板40内发热较大的元件也在下文中被称为功率元件41(同时参照图11)。可选地，功率元件41的上部露出封装基板40的封装层而与导热件第二部分12以能进行热传导的方式连接，从而使得功率元件41的热量能更好地向上传导。
可选地，由于系统级封装器件形成系统封装结构，因此第一功率组件20和第二功率组件30的至少部分引脚可以从侧面(非朝向封装基板40的面)引出，并与封装基板40形成电连接。
接下来，结合图11和图12示意性地说明根据本申请的系统级封装器件的两种可能的制作方法。
首先，结合图11介绍根据本申请的系统级封装器件的第一种可能的制作方法。该制作方法包括：
S10，准备载体40a，该载体40a上形成有导电图形PT(也称conductive pattern)。
S20，在载体40a上安装电子元件，电子元件包括功率元件41，功率元件41例如是倒装芯片。可选地，还在载体40a上安装互连柱42。
S30，对安装有电子元件的载体40a进行封装，形成封装基板40。可选地，采用带离型膜的塑封(tape mold)或上表面包裹的塑封(over mold)方式进行塑封。可选地，使功率元件41的上部部分地露出封装层43。例如，在塑封过后进行研磨，使得功率元件41的上表面外露。
S40，组装导热件10和第一功率组件20。将导热件10和第一功率组件20连接在一起，使得第一功率组件20能通过导热件10向上散热。可以理解，这里的步骤S40可以在步骤S10、S20、S30之后执行，或者先于步骤S10、S20、S30中的一个或多个步骤执行，或者与步骤S10、S20、S30中的一个或多个步骤同时执行。本申请中的步骤S10、S20、S30、S40、S50(后述)不用于限制各步骤的执行顺序。
S50，将导热件10和第一功率组件20形成的整体、第二功率组件30以及塑封后的封装基板40组装在一起，其中，无源器件可以通过互连柱42与封装基板40相连。
S60(图未示)，将封装基板40安装于印制电路板上方。
应当理解，在上述制作方法中，当功率元件41为芯片时，芯片还可以采用栅格阵列封装(Land Grid Array,LGA)、引线键合(Wire Bond,WB)或表面贴装技术(SurfaceMounted Technology,SMT)等方式进行安装。
接下来，结合图12介绍根据本申请的系统级封装器件的第二种可能的制作方法(也称作芯片填埋法)。该制作方法包括：
S10，准备载体40b。
S20，加工载体40b，使得载体40b的上表面部分地向内凹进而形成一个或多个空腔44，将电子元件安装于空腔44，电子元件包括功率元件41，功率元件41例如为芯片、无源器件(例如电阻、电容等)。
S30，用绝缘的填充物45填充空腔44的剩余空间，并制作导电图形PT，形成封装基板40。
S40，组装导热件10和第一功率组件20。将导热件10和第一功率组件20连接在一起，使得第一功率组件20能通过导热件10向上散热。
S50，将导热件10和第一功率组件20形成的整体、第二功率组件30以及封装基板40组装在一起。
S60(图未示)，将封装基板40安装于印制电路板上方。
应当理解，以上两种方法仅是示例，本申请对系统级封装器件的具体制作方法不作限制。
对本申请的系统级封装器件进行仿真试验。
仿真条件为：环境温度为85℃，印制电路板温度为105℃，设置在顶部的外部散热器温度为95℃，芯片功耗1.8W，电感功耗0.56W，环境无风。
在上述条件下，采用传统的单面散热的方式，芯片温度可达172℃；而使用根据本申请的系统级封装器件，芯片温度为116℃。
应当理解，本申请还提供一种包括上述系统级封装器件的电子装置。该电子装置可以是具有完整功能的器件，也可以是完整功能器件的一部分。可选地，该电子装置为产热高、对散热要求高的电子装置，例如为电源模块。
本申请至少具有以下优点中的一个优点：
(i)本申请的系统级封装器件的元件采用上下叠置(而非完全平铺)的形式布置，集成度高；并且导热件10提供了顶部散热通道，加上常规的底部散热通道(由封装基板40向印制电路板P散热的通道)，根据本申请的系统级封装器件能实现双面散热，散热能力强。散热能力的增强对元件的高集成度又能起到促进作用。
(ii)本申请的系统级封装器件可以在上表面连接外部散热器，以实现更好地向上散热。
(iii)由于部分元件与封装基板40形成上下叠置，元件的引脚不仅可以从朝向封装基板40的底部引出，还可以从不朝向封装基板40的侧部引出。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其它变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (15)

1.一种系统级封装器件，其特征在于，包括印制电路板(P)、导热件(10)、第一功率组件(20)和封装基板(40)，
所述封装基板(40)设置于所述印制电路板(P)的上方，所述导热件(10)和所述第一功率组件(20)设置于所述封装基板(40)的上方，所述导热件(10)与所述封装基板(40)以彼此能进行热传导的方式相连，
所述导热件(10)包括位于上部的导热件第一部分(11)和位于下部的导热件第二部分(12)，且所述导热件第一部分(11)位于所述第一功率组件(20)的上方，
所述第一功率组件(20)与所述导热件第一部分(11)、所述导热件第二部分(12)和所述封装基板(40)中的至少一者以彼此能进行热传导的方式相连。
2.根据权利要求1所述的系统级封装器件，其特征在于，利用垂直于所述印制电路板(P)的投影线将所述导热件第一部分(11)和所述导热件第二部分(12)投影到所述印制电路板(P)上时，所述导热件第一部分(11)的投影面积不小于所述导热件第二部分(12)的投影面积。
3.根据权利要求1或2所述的系统级封装器件，其特征在于，所述导热件(10)与所述第一功率组件(20)彼此嵌套。
4.根据权利要求3所述的系统级封装器件，其特征在于，所述导热件(10)形成为框架形并至少部分地包围所述第一功率组件(20)。
5.根据权利要求3所述的系统级封装器件，其特征在于，所述第一功率组件(20)形成有腔体结构，所述导热件(10)穿过所述第一功率组件(20)的所述腔体结构。
6.根据权利要求5所述的系统级封装器件，其特征在于，所述导热件(10)形成为T形或柱形。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统级封装器件，其特征在于，所述导热件(10)与所述第一功率组件(20)通过导热材料连接在一起，或者
所述导热件(10)与所述第一功率组件(20)过盈配合地连接在一起。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统级封装器件，其特征在于，所述第一功率组件(20)是单个电子元件，或者
所述第一功率组件(20)是多个电子元件的组合件。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统级封装器件，其特征在于，所述导热件第二部分(12)与所述封装基板(40)通过导热胶相连，或者
所述导热件第二部分(12)与所述封装基板(40)通过焊接的方式相连。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统级封装器件，其特征在于，所述导热件第一部分(11)用于与上方的外部散热结构(HS)接触，从而能将热量传导给所述外部散热结构(HS)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统级封装器件，其特征在于，所述封装基板(40)包括功率元件(41)，所述功率元件(41)的上部露出所述封装基板(40)的封装层而与所述导热件第二部分(12)以能进行热传导的方式连接。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统级封装器件，其特征在于，所述第一功率组件(20)的至少部分引脚从非朝向所述封装基板(40)的侧面引出。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统级封装器件，其特征在于，所述系统级封装器件还包括第二功率组件(30)，所述第二功率组件(30)设置于所述封装基板(40)的上方，所述第二功率组件(30)与所述封装基板(40)以彼此能进行热传导的方式相连。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统级封装器件，其特征在于，所述导热件(10)的制作材料包括金属。
15.一种电子装置，包括权利要求1至14中任一项所述的系统级封装器件。
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