CN212033016U - 一种三维芯片封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三维芯片封装结构，包括：封装基板；三维堆叠芯片组件，包括第一芯片组件及第二芯片组件，第一芯片组件的尺寸大于第二芯片组件的尺寸；热桥结构，形成于第一芯片组件上，与第二芯片组件间具有间距；散热盖组件，形成于封装基板上，热桥结构、第一芯片组件与散热盖组件之间热导通。本实用新型通过引入热桥结构，形成导热通路，有利于三维堆叠芯片的散热，大幅度降低底部芯片的散热热阻和温度。本实用新型的设计还可以降低第一芯片的温差，能够大幅度降低热应力。热桥结构分担了原本施加到三维堆叠芯片上的散热器等的压力，从而使得封装受力更为均匀，结构更加稳定。本实用新型工艺简单，基本不影响现有的封装工艺流程和制程。

Description

一种三维芯片封装结构

技术领域

本实用新型属于半导体封装技术领域，特别是涉及一种三维芯片封装结构。

背景技术

在三维堆叠芯片的结构中，往往采用不用类型的芯片堆叠在一起，然而，芯片的热量很难散出，导致堆叠芯片由于结温太高，致使芯片失效，限制整个器件的集成度和性能的提高。另外，在堆叠芯片中，上部的芯片由多层构成，每层之间包括微凸点阵列互联形式，并填充底部填充层(underfill)，导致从底部向外部散热盖的热阻较大，从而使得底部芯片的温度过高，不能保证正常的工作。现有的一些散热技术，工艺复杂，有的技术引入塑封材料时导致串联热阻较大，其发热量难以充分散出，特别是底层芯片向外导热热阻偏大，芯片温度过高，容易失效，限制了整个器件的集成度和性能的提高。

因此，如何提供一种三维芯片封装结构以解决现有技术的上述问题实属必要。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种三维芯片封装结构，用于解决现有技术中内部热量难以散出以及底部芯片温度过高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种三维芯片封装结构，包括：

封装基板；

三维堆叠芯片组件，形成于所述封装基板上，其中，所述三维堆叠芯片组件包括第一芯片组件及形成于所述第一芯片组件上的第二芯片组件，且所述第一芯片组件的尺寸大于所述第二芯片组件的尺寸；

热桥结构，形成于所述第一芯片组件上，所述热桥结构与所述第二芯片组件之间具有预设间距；以及

散热盖组件，形成于所述封装基板上，所述散热盖组件包围所述三维堆叠芯片组件及所述热桥结构，所述热桥结构、所述第一芯片组件与所述散热盖组件之间热导通。

可选地，所述第一芯片组件包括中心区域以及环绕位于所述中心区域外围的外围区域，其中，所述第二芯片组件设置于所述中心区域上，所述热桥结构设置于所述外围区域上。

可选地，所述热桥结构的形状包括环形。

可选地，所述热桥结构与所述第二芯片组件之间具有的所述预设间距介于0.2-2mm之间；所述热桥结构的宽度介于1-5mm之间。

可选地，所述热桥结构通过底部固晶层形成于所述第一芯片组件上。

可选地，所述热桥结构的上表面不高于所述三维堆叠芯片组件的上表面，所述热桥结构的上表面与所述三维堆叠芯片组件的上表面之间的高度差小于100μm。

可选地，所述热桥结构与所述散热盖组件之间设置有第一热界面层，所述第一热界面层还位于所述三维堆叠芯片组件与所述散热盖组件之间。

可选地，所述散热盖组件上还形成有第二热界面层，所述第二热界面层与所述散热盖板之间热导通。

可选地，所述第一芯片组件与所述第二芯片组件之间具有第一凸块阵列，所述第一凸块阵列包括若干个第一凸块单元。

可选地，所述第二芯片组件包括至少两个上下叠置的半导体芯片，相邻所述半导体芯片之间通过第二凸块阵列电连接，所述第二凸块阵列包括若干个第二凸块单元。

可选地，所述第一凸块单元的高度小于30μm，所述第二凸块单元的高度小于30μm；通过所述第一凸块单元之间的间距、高度、尺寸以及所述第二凸块单元之间的间距、高度、尺寸中的至少一者调整所述第一芯片组件上的温度和温差。

可选地，所述热桥结构与所述第二芯片组件之间形成第一空间，所述热桥结构与所述散热盖组件之间形成第二空间，其中，所述热桥结构中设置有至少一个第一排气孔，所述第一排气孔连通所述第一空间和所述第二空间；和/或，所述散热盖组件中设置有至少一个第二排气孔，所述第二排气孔连通所述第二空间与外界大气。

可选地，所述第一芯片组件通过上方的所述热桥结构与所述散热盖组件热导通具有第一热阻，所述第一芯片组件通过上方的所述第二芯片组件与所述散热盖组件热导通具有第二热阻，其中，所述第一热阻的比热阻值介于所述第二热阻的比热阻值的0.8-2.5倍之间。

本实用新型还提供一种三维芯片封装方法，本实用新型提供的三维芯片封装结构优选采用本实用新型提供的三维芯片封装方法制备得到，当然也可以采用其他方法封装，所述封装方法包括：

提供封装基板；

于所述封装基板上形成三维堆叠芯片组件，其中，所述三维堆叠芯片组件包括第一芯片组件及形成于所述第一芯片组件上的第二芯片组件，且所述第一芯片组件的尺寸大于所述第二芯片组件的尺寸；

于所述第一芯片组件上制备热桥结构，所述热桥结构与所述第二芯片组件之间具有预设间距；以及

于所述供封装基板上形成散热盖组件，所述散热盖组件包围所述三维堆叠芯片组件及所述热桥结构，所述热桥结构、所述第一芯片组件与所述散热盖组件之间热导通。

可选地，所述第一芯片组件包括中心区域以及环绕位于所述中心区域外围的外围区域，其中，所述第二芯片组件设置于所述中心区域上，所述热桥结构设置于所述外围区域上。

可选地，形成所述热桥结构之前包括步骤：于待形成所述热桥结构的所述第一芯片组件的位置上形成底部固晶层，所述热桥结构形成于所述底部固晶层上。

可选地，形成所述热桥结构之后包括步骤：于所述热桥结构及所述三维堆叠芯片组件上形成第一热界面层，所述散热盖组件形成于所述第一热界面层上。

可选地，形成所述散热盖组件后包括步骤：与所述散热盖组件上形成第二热界面层，所述第二热界面层与所述散热盖板之间热导通。

可选地，所述第一芯片组件与所述第二芯片组件之间具有第一凸块阵列，所述第一凸块阵列包括若干个第一凸块单元；和/或，所述第二芯片组件包括至少两个上下叠置的半导体芯片，相邻所述半导体芯片之间通过第二凸块阵列电连接，所述第二凸块阵列包括若干个第二凸块单元。

可选地，通过所述第一凸块单元之间的间距、高度、尺寸以及所述第二凸块单元之间的间距、高度、尺寸中的至少一者调整所述第一芯片组件上的温度和温差。

可选地，所述热桥结构与所述第二芯片组件之间形成第一空间，所述热桥结构与所述散热盖组件之间形成第二空间，其中，所述热桥结构中设置有至少一个第一排气孔，所述第一排气孔连通所述第一空间和所述第二空间；和/或，所述散热盖组件中设置有至少一个第二排气孔，所述第二排气孔连通所述第二空间与外界大气。

可选地，所述第一芯片组件通过上方的所述热桥结构与所述散热盖组件热导通具有第一热阻，所述第一芯片组件通过上方的所述第二芯片组件与所述散热盖组件热导通具有第二热阻，其中，所述第一热阻的比热阻值介于所述第二热阻的比热阻值的0.8-2.5倍之间。

如上所述，本实用新型的三维芯片封装结构，通过引入热桥结构，形成导热通路，从而有利于三维堆叠芯片的散热，大幅度降低底部芯片的散热热阻和温度。通过本实用新型的设计，可以降低芯片的温差，从而能够大幅度降低热应力。热桥结构分担了原本施加到三维堆叠芯片上的散热器等的压力，从而使得封装受力更为均为，结构更加稳定。本实用新型工艺简单，基本不影响现有的封装工艺流程和制程(infrastructure)。

附图说明

图1显示为本实用新型实施例中三维芯片封装方法流程图。

图2显示为本实用新型实施例中三维芯片封装中提供封装基板的结构示意图。

图3显示为本实用新型实施例中三维芯片封装中形成三维堆叠芯片组件的结构示意图。

图4显示为本实用新型实施例中三维芯片封装中形成第一点胶层的结构示意图。

图5显示为本实用新型实施例中三维芯片封装中形成第一点胶层的俯视示意图。

图6显示为本实用新型实施例中三维芯片封装中形成热桥结构的结构示意图。

图7显示为本实用新型实施例中三维芯片封装中形成热桥结构的俯视示意图。

图8显示为本实用新型实施例中三维芯片封装中形成第二点胶层的结构示意图。

图9显示为本实用新型实施例中三维芯片封装中形成散热盖组件的结构示意图。

图10显示为本实用新型实施例中三维芯片封装中形成第二热界面层及散热片的示意图。

图11(a)显示为没有热桥结构的封装结构上的温度分布轮廓图的侧视图和俯视图，图 11(b)显示为具有热桥结构的封装结构上的温度分布轮廓图的侧视图和俯视图。

图12(a)显示为没有热桥结构的封装结构中不同第二凸块单元的间距和尺寸的封装结构中不同芯片的最大温度分布情况，图12(b)显示为具有热桥结构的封装结构中不同第二凸块单元的间距和尺寸的封装结构中不同芯片的最大温度分布情况。

图13显示为第一芯片组件的温差与第二凸块单元的间距和尺寸的关系对照图。

图14显示为第一芯片组件温度差随第一热阻与第二热阻的比热阻值之比的变化曲线。

元件标号说明

100 封装基板

101 三维堆叠芯片组件

102 第一芯片组件

103 第二芯片组件

103a 半导体芯片

104 第一凸块阵列

104a 第一凸块单元

105 第二凸块阵列

105a 第二凸块单元

106 第一点胶层

107 底部固晶层

108 热桥结构

109 第二点胶层

110 第一热界面层

111 散热盖组件

112 粘接层

113 第二热界面层

114 散热片

S1～S4 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局形态也可能更为复杂。

如图10所示并参照图1-9，本实用新型提供一种三维芯片封装结构，所述三维芯片封装结构包括封装基板100、三维堆叠芯片组件101、热桥结构108、散热盖组件111，其中：

所述封装基板100可以采用本领域常用的芯片基板，包括有机基板如Bismaleimide triazine双马来酰亚胺三嗪，环氧FR4或者氧化铝陶瓷基板。对此并不具体限定。

所述三维堆叠芯片组件101逐层组装在所述封装基板100上。所述三维堆叠芯片组件101 包括第一芯片组件102及形成于所述第一芯片组件102上的第二芯片组件103，其中，所述第一芯片组件102可以包括若干个堆叠设置的半导体芯片，如可以选择为1个、2个或5个等，当然，可以依据实际进行选择。另外，所述第二芯片组件103可以包括若干个堆叠设置的半导体芯片，如可以选择为2个、8个、10个等，当然，可以依据实际进行选择。如图10 所示，本示例中，所述第一芯片组件102包括1个半导体芯片，如微处理器(CPU)，所述第二芯片组件103包括2个上下堆叠设置的半导体芯片(如内存芯片)。

另外，所述第一芯片组件102的尺寸大于所述第二芯片组件103的尺寸，这里大于指的是，俯视图来看，所述第一芯片组件102存在没有被所述第二芯片组件103覆盖的部分，即底部的所述第一芯片组件102具有裸露的部分，从而可以实施后续的热桥结构的制备，可以是所述第一芯片组件102中芯片本身的尺寸就比所述第二芯片组件103中芯片尺寸大，也可以是制备较大尺寸的芯片。在一示例中，三维堆叠芯片的结构中，往往采用不同类型的芯片堆叠在一起，处于底层的芯片(所述第一芯片组件102中的半导体芯片)比如微处理器(CPU) 一般尺寸较大，上部堆叠三维尺寸较小的内存芯片(所述第二芯片组件103)，另外，内存芯片一般有多层构成，每层包括微凸点阵列互联形式，并填充底部填充层(underfill)，导致从底部向外部散热盖的热阻较大，进一步导致如CPU等所述第一芯片组件102的温度过高，不能保证正常工作，通过本实用新型的方案可以缓解上述散热难的问题。

所述热桥结构108形成于所述第一芯片组件102上，所述热桥结构108与所述第二芯片组件103之间具有预设间距s。也就是说，所述第二芯片组件103与所述热桥结构108间隔设置在所述第一芯片组件102上，所述热桥结构108设置在所述第一芯片组件的裸露部分。

作为示例，所述第一芯片组件102包括中心区域以及环绕位于所述中心区域外围的外围区域，其中，所述第二芯片组件103设置于所述中心区域上，可选地，可以是所述第一芯片组件102的中心与所述第二芯片组件103的中心相重合，从而有利于封装结构的稳定性。所述热桥结构108设置于所述外围区域上且与所述第二芯片组件103具有所述预设间距s。

作为示例，所述预设间距s介于0.2-2mm之间，所述预设间距s可以避免热桥结构直接和第二芯片接触导致额外热-机械应力，所述预设间距s可以是0.5mm、1mm、1.5mm。作为一可选示例，所述热桥结构108的宽度d介于1-5mm之间，例如，可以是1.2mm、1.3mm。在另一可选示例中，所述热桥结构108的上表面低于所述三维堆叠芯片组件101的上表面，或二者的上表面相平齐，可选地，所述热桥结构108的上表面与所述三维堆叠芯片组件101 的上表面之间的高度差小于100μm，例如，可以是50μm、80μm等。其中，由于芯片组装需要在较高温度进行，如底部填充固化胶一般在80-100℃填充，顶部TIM1(即有机热界面材料，所述第一热界面层)也是在80-150℃左右固化，如信越7772-4高导热硅胶材料，焊点一般在200-250℃连接形成，当组装完成冷却至室温时，基板和散热盖组件会朝向上凸起一些，一般几十到200-300微米，通过适当降低热桥结构高度，可以起到贴合刚性散热盖的作用，降低热桥上的应力，并有助于保持界面材料的完整性。另外，热桥处于外沿，变形大，如果太薄导致剪切变形大，pump-out效应大，影响界面材料的完整性和可靠性。此外，热桥结构的热阻小于带有凸块的第二芯片组件的热阻，有利于通过所述热桥结构108的上表面与所述三维堆叠芯片组件101的上表面之间的高度差保持散热平衡和大芯片(所述第一芯片组件)的温差，此外，为保持散热平衡和大芯片的温差较小可以通过提高所述第一热界面层厚度实现。在一示例中，可以是所述热桥结构108的上表面比所述三维堆叠芯片组件101的上表面低10μm、20μm、30μm。在一示例中，所述热桥结构108的高度介于0.1-1mm之间，如可以是0.2mm、0.5mm、0.8mm。所述热桥结构108的材料可以是高导热材料，如半导体硅片，金属铜片，铝片，不锈钢，陶瓷如氮化铝(ALN)，氧化铝等，但并不以此为限。当然，在其他实施例中，也可以是所述热桥结构108的上表面与所述三维堆叠芯片组件101的上表面相平齐。

作为示例，所述热桥结构108的形状包括环形，环绕所述第二芯片组件103设置，可以是圆环形、方环形等，在另一示例中，所述热桥结构108分段设置，即所述热桥结构108包括若干个热桥单元(图中未示出)，各所述热桥单元设置在所述第二芯片组件103的外围，分段设置的所述热桥结构，可以依据实际需求进行各所述热桥单元的布置，有利于有效散热。可选地，各所述热桥单元构成一环形，环绕所述第二芯片组件103设置，各所述热桥单元之间的间距可以依据实际需求布置，在一示例中，选择为均匀间隔布置。

作为示例，所述热桥结构108通过底部固晶层107形成于所述第一芯片组件102上，可选地，所述底部固晶层107的材料包括导热凝胶或者热固性导热粘接剂。

作为示例，所述热桥结构108与所述散热盖组件111之间设置有第一热界面层(thermal interface material 1或者TIM 1)110，一般采用延展性较好的硅胶导热材料，如信越高导热硅胶7772-4，厚度一般在10-100um，即提供导热通路，又具有较好的柔顺性，避免散热盖和芯片之间产生较大的热-机械应力。在一示例中，所述第一热界面层110的工艺实现可以是：在芯片上点装或者X型点胶，在热桥上进行环形点胶，经散热盖压合后贴满界面缝隙，之后再高温80-150℃固化。所述第一热界面层110还位于所述三维堆叠芯片组件101与所述散热盖组件110之间，也就是说，形成所述第二芯片组件103及所述热桥结构108之后在二者上方形成所述第一热界面层110，所述散热盖组件111形成在所述第一热界面层110上。该示例中，上下对应的所述第一芯片组件102、所述底部固晶层107、所述热桥结构108、所述第一热界面层110与所述散热盖组件111之间形成散热通路。上下对应的所述第一芯片组件 102、所述第二芯片组件103、所述第一热界面层110与所述散热盖组件111之间形成散热通路。

所述散热盖组件111形成于所述封装基板100上，所述散热盖组件111包围所述三维堆叠芯片组件101及所述热桥结构108，类似于帽状结构套置在所述三维堆叠芯片组件101及所述热桥结构108的上部及侧部，所述热桥结构108、所述第一芯片组件102与所述散热盖组件111之间热导通，也就是说，本实用新型通过引入所述热桥结构108，使得在所述第一芯片组件102、所述热桥结构108与所述散热盖组件111之间形成一条导热通路，有利于实现所述三维堆叠芯片组件的散热，并有利于所述第一芯片组件102通过所述热桥结构108进行散热，从而大幅度降低所述第一芯片组件(如底部大尺寸芯片)的散热热阻和温度，此外，所述热桥结构108可以具有支撑作用，有利于减少封装结构中堆叠芯片周围的封装材料的使用。其中，所述散热盖组件111可以是散热盖帽，如金属散热盖帽，结构如图10所示，所述散热盖组件114的材料可以是铜盖、导热陶瓷，或者陶瓷-金属复合材料如AL-SIC。在一示例中，设置所述散热盖组件111的导热性高于所述热桥结构108的导热性。

作为示例，所述散热盖组件111通过粘接层112形成于所述封装基板100上。粘接层112 可以是环氧树脂或者有机硅胶粘接剂，如道康宁1-4173导热粘接剂，既可以用于粘接层，也可以使用固晶层和TIM1的材料。另外，所述散热盖组件可以是已经制备成型的，在封装过程中直接粘结在所述封装基板100上。

作为示例，所述散热盖组件110上还形成有第二热界面层113，所述第二热界面层113 是TIM2，即第二层热界面材料，用于填充界面缝隙，降低界面热阻、提高导热作用，可以采用不固化的导热硅脂，便于拆卸，厚度一般在50-200um，当然也可以用导热粘接剂如 1-4173)，其中，所述第二热界面层113与所述散热盖板111之间热导通，二者之间可以形成导热通路。

作为示例，还可以在所述第二热界面层113上形成散热片114等，当然也可以在所述第二热界面层113上形成散热器，进一步有利于热量的散出，另外，本实用新型设置了热桥结构108，分担了原本单纯增加到第二芯片组件上的散热器等的压力，使得封装受力均匀，结构更稳定，其中，散热器一般通过四周打扣固定在元件上，可以通过热桥结构均匀分散散热器压力，受力变得均匀。

作为示例，如图10所示，所述热桥结构108与所述第二芯片组件103之间形成第一空间 c1，所述热桥结构108与所述散热盖组件111之间形成第二空间c2，其中，在一可选示例中，所述热桥结构108中设置有至少一个第一排气孔(图中未示出)，所述第一排气孔连通所述第一空间c1和所述第二空间c2，可以是两个或两个以上第一排气孔，可以是各所述第一排气孔在所述热桥结构上平行均匀间隔排布，左右贯穿所述热桥结构的侧壁，所述第一排气孔的尺寸可以是0.2-0.5mm，如0.3mm或0.4mm；进一步可选地，所述散热盖组件111中设置有至少一个第二排气孔(图中未示出)，所述第二排气孔连通所述第二空间c2和外界大气，可以是两个或两个以上第二排气孔，可以是各所述第二排气孔在所述热桥结构上平行均匀间隔排布，左右贯穿所述散热盖板组件的侧壁，所述第二排气孔的尺寸可以是0.3-1mm，如0.6mm或0.8mm。第一排气孔和第二排气孔可以用于有机材料固化放气，降低结构应力。

作为示例，所述第一芯片组件102与所述第二芯片组件103之间具有第一凸块阵列104，所述第一凸块阵列104包括若干个第一凸块单元(bump)104a。第一凸块单元(bump)104a 的材料可以为SAC(锡-银-铜合金)，可以通过丝网印刷或者蒸镀工艺形成，另外，所述第一凸块单元104a之间还形成有第一底部填充层(underfill)，底部填充层一般由环氧材料以及固化剂，通过在中高温度如80℃在芯片一边或者多边点胶、毛细流动，最后填充bump中间的缝隙，经过固化时间10分钟-30分钟，主要作用是匹配热膨胀引起的变形、应力提高可靠性。所述第一底部填充层填充上下芯片的间隙。

作为示例，所述第二芯片组件103包括至少两个上下叠置的半导体芯片，相邻所述半导体芯片之间通过第二凸块阵列105电连接，所述第二凸块阵列105包括若干个第二凸块单元 (bump)105a，所述第二凸块单元105a的构成等相关描述与所述第一凸块单元104a一致，可以参考所述第一凸块单元104a的相关描述。另外，所述第二凸块单元105a之间还形成有第二底部填充层(underfill)，所述第二底部填充层填充上下芯片的间隙。

作为示例，当所述第一芯片组件102包括两个或两个以上的上下叠置的半导体芯片时，相邻所述半导体芯片之间通过第三凸块阵列电连接(图中未示出)，所述第三凸块阵列包括若干个第三凸块单元。

在一示例中，可以通过所述第一凸块单元104a之间的间距、高度、尺寸以及所述第二凸块单元105a之间的间距、高度、尺寸中的至少一者调整所述第一芯片组件102(底部大尺寸芯片)的温度和温差，此时，在一示例中，所述第一凸块单元104a与所述第二凸块单元105a上下一一对应设置，且二者的布置以及各自的大小尺寸相等，可以认为二者对所述第一芯片组件102(底部大尺寸芯片)的温度的调整是一致的。

其中，所述第一芯片组件102上的温度和温差与其上方的所述第一凸块单元104a及第二凸块单元105a的尺寸有关，所述第一凸块单元104a及第二凸块单元105a的高度越高，直径越小，热阻越大，所述第一芯片组件102上的温度和温差越大；相邻所述第一凸块单元 104a之间的间距越大，所述第一芯片组件102上的温度和温差越小；相邻所述第二凸块单元 105a之间的间距越大(也就是越稀疏)，所述第一芯片组件102上的温度和温差越高。在一示例中，所述第一凸块单元104a与所述第二凸块单元105a上下一一对应设置。其中，所谓的凸块高度、大小和间距调节温度和温差，实际上就是提供了一个等效导热通路，等效导热通路热阻与高度成正比，在高度一定时与凸块的几何因子A/L成反比，A为凸块有效横截面积，对于圆柱形凸块而言就是其底面积，L为高度；如果凸块侧的热阻小，则大芯片中部温度低，与边上温度在同一水平；否则，则中部温度升高，进一步导致较大温度和温差。

作为示例，所述第一凸块单元的高度小于30μm，可以是15μm、10μm、8μm等，所述第二凸块单元的高度小于30μm，可以是15μm、10μm、8μm等。

对于本实用新型的热桥结构的设置，如图11(a)和(b)所示，提供一示例中具有所述热桥结构及不具有所述热桥结构的封装结构的温度分布轮廓图。其中，图11(a)显示为没有热桥结构的封装结构的温度分布轮廓图的侧视图和俯视图，图11(b)显示为具有热桥结构的封装结构的温度分布轮廓图的侧视图和俯视图。图中可以看出，没有热桥结构的封装结构中，几乎所有热量都通过第二芯片组件(如内存堆叠芯片，memory stack，本示例中为8层堆叠芯片结构)向上传热到散热盖组件和散热器，底部第一芯片组件(如底部逻辑芯片)温度高达207℃，温度不均匀，容易导致较大的温度梯度和热应力，且第一芯片组件的边角高温热点比较明显。而布置有热桥结构的封装结构，部分热量通过第二芯片组件(如内存堆叠芯片，memory stack，本示例中为8层堆叠芯片结构)向上传热到散热盖组件和散热器，部分热量通过热桥结构传至上方，底部第一芯片组件(如底部逻辑芯片)温度可以降低至97.3℃，温度均匀，减低温度梯度和热应力，第一芯片组件的边角高温消失。

如图12所示，提供一示例中具有热桥结构和不具有热桥结构的不同的第二凸块单元(也可以认为是第一凸块单元)的间距及尺寸的封装结构中不同芯片上最高温度的分布图，其中，图12(a)显示为没有热桥结构的封装结构中不同第二凸块单元的间距和尺寸的封装结构中不同芯片上最高温度的分布情况，图12(b)显示为具有热桥结构的封装结构中不同第二凸块单元的间距和尺寸的封装结构中不同芯片上最高温度的分布情况，其中，CuSpacer表示热桥结构的材料选择为铜。其中，Bump(50,30)表示第二凸块单元之间的间距为50um，第二凸块单元的直径和高度都是30um；Bump(50,30,10)表示第二凸块单元之间的间距为 50um，第二凸块单元的直径是30um，第二凸块单元的高度是10um。Die表示大芯片(所述第一芯片组件)，DRAM0-DRAM1表示靠近第一芯片组件的自下而上的堆叠芯片(所述第二芯片组件)中的第一个，以此类推。图中可以看出，具有热桥结构的封装结构中，降低了芯片的最高温度，如Bump(50,30)所示，底部第一芯片组件(如底部逻辑芯片)温度可以降低至100℃以下。

另外，如图13所示，提供一示例中第一芯片组件(如CPU)的温度梯度与第二凸块单元的间距和尺寸的关系对照图。可以看出，第二凸块单元的高度越高(从10um到60um)，热阻越大，导致第一芯片组件上的温度差大，引起较大的热应力。从而设计实际的第二凸块单元的高度在30um以下，可以明显降低热阻，另外，采用全阵列排布的方式，全阵列是指 m*n阵列，即m行n列，没有局部缺少的凸块。如果中间凸块缺失，比如四周才有，不能成为全阵列排布，导致热阻大，缺失之处温度偏高，影响可靠性和设计性能。

作为示例，所述第一芯片组件102通过上方的所述热桥结构108与所述散热盖组件111 热导通具有第一热阻(外部热阻)，所述第一芯片组件102通过上方的所述第二芯片组件103 与所述散热盖组件111热导通具有第二热阻(内部热阻)，其中，所述第一热阻的比热阻值，即热桥单位底表面面积的热阻(注意比热阻和热阻差一个面积，单位：Kcm²/W)，介于所述第二比热阻的阻值的0.8-2.5倍之间，优选为大于1.2且小于2。也就是说，下对应的所述第一芯片组件102、所述热桥结构108与所述散热盖组件111之间形成散热通路，该通路中具有第一热阻，上下对应的所述第一芯片组件102、所述第二芯片组件103与所述散热盖组件111 之间形成散热通路，该通路具有第二热阻，所述第一热阻的比热阻的值介于所述第二热阻的阻值的0.8-2.5倍之间，优选为大于1.2且小于2，可以是1.2倍、1.3倍等。两通路上热阻的差值可以通过所述热桥结构进行控制。在一示例中，所述第一芯片组件，如所述CPU芯片，一般芯片中间温度偏高，四周偏低，通过调节内外热阻(所述第一热阻及所述第二热阻)，可以降低所述第一芯片组件的温差，可以改善其温度上升幅度。如图14所示，显示为一示例中第一芯片组件(如CPU)的温差随第一热阻与第二热阻之比变化的曲线图，其中，图中TIM1＝0.263Kcm²/W(50,30,30)是指所述第一界面层的比热阻为0.263，第二凸块单元105a之间的间距为50um，直径是30um，高度是10um，R²代表曲线拟合度，第一热阻与第二热阻之比可以选择为0.8-2.5倍之间，优选为大于1.2且小于2。

如图1所示，本实用新型还提供一种三维芯片封装方法，上述本实用新型提供的三维芯片封装结构优选采用本实用新型提供的三维芯片封装方法制备得到，当然也可以采用其他方法封装。本实用新型增加了热桥结构组装步骤，工艺简单，不影响现有的封装工艺和制程。

在一示例中，如图1所示，所述封装方法包括：

首先，如图1中的S1及图2所示，进行步骤S1，提供封装基板100；

接着，如图1中的S2及图3所示，进行步骤S2，于所述封装基板100上形成三维堆叠芯片组件101，其中，所述三维堆叠芯片101组件包括第一芯片组件102及形成于所述第一芯片组件102上的第二芯片组件103，且所述第一芯片组件102的尺寸大于所述第二芯片组件103的尺寸；

接着，如图1中的S3及图4-7所示，进行步骤S3，于所述第一芯片组件101上制备热桥结构108，所述热桥结构108与所述第二芯片组件103之间具有预设间距；以及

最后，如图1中的S3及图8-10所示，进行步骤S4，于所述供封装基板100上形成散热盖组件111，所述散热盖组件111包围所述三维堆叠芯片组件101及所述热桥结构108，所述热桥结构108、所述第一芯片组件102与所述散热盖组件111之间热导通。

作为示例，所述第一芯片组件102包括中心区域以及环绕位于所述中心区域外围的外围区域，其中，所述第二芯片组件103设置于所述中心区域上，所述热桥结构108设置于所述外围区域上。

作为示例，形成所述热桥结构108之前包括步骤：于待形成所述热桥结构108的所述第一芯片组件102的位置上形成底部固晶层107，所述热桥结构108形成于所述底部固晶层上。其中，形成底部固晶层107的过程中，可以是如图4所示，先进行点胶形成第一点胶层106，在基于所述第一点胶层106形成所述底部固晶层107。

作为示例，形成所述热桥结构108之后包括步骤：于所述热桥结构108及所述三维堆叠芯片组件101上形成第一热界面层110，所述散热盖组件111形成于所述第一热界面层110 上。其中，形成第一热界面层110的过程中，可以是如图8所示，先进行点胶形成第二点胶层109，在基于所述第二点胶层109形成所述第一热界面层110。

作为示例，形成所述散热盖组件111后包括步骤：与所述散热盖组件111上形成第二热界面层113，所述第二热界面层113与所述散热盖板111之间热导通。

作为示例，所述第一芯片组件102与所述第二芯片组件103之间具有第一凸块阵列104，所述第一凸块阵列104包括若干个第一凸块单元104a。

作为示例，所述第二芯片组件包括至少两个上下叠置的半导体芯片，相邻所述半导体芯片之间通过第二凸块阵列105电连接，所述第二凸块阵列包括若干个第二凸块单元105a。

作为示例，通过所述第一凸块单元104a之间的间距、高度、尺寸以及所述第二凸块单元105a之间的间距、高度、尺寸中的至少一者调整所述第一芯片组件102上的温度和温差。

作为示例，如图10所示，所述热桥结构108与所述第二芯片组件103之间形成第一空间 c1，所述热桥结构108与所述散热盖组件111之间形成第二空间c2，其中，在一可选示例中，所述热桥结构108中设置有至少一个第一排气孔(图中未示出)，所述第一排气孔连通所述第一空间c1和所述第二空间c2，可以是两个或两个以上第一排气孔，可以是各所述第一排气孔在所述热桥结构上平行均匀间隔排布，左右贯穿所述热桥结构的侧壁，所述第一排气孔可以是封装之前已经形成在所述热桥结构中的，所述第一排气孔的尺寸可以是0.2-0.5mm，如0.3mm或0.4mm；进一步可选地，所述散热盖组件111中设置有至少一个第二排气孔(图中未示出)，所述第二排气孔连通所述第二空间c2和外界大气，可以是两个或两个以上第二排气孔，可以是各所述第二排气孔在所述热桥结构上平行均匀间隔排布，左右贯穿所述散热盖板组件的侧壁，所述第二排气孔可以是封装之前已经形成在所述散热盖组件中的，所述第二排气孔的尺寸可以是0.3-1mm，如0.6mm或0.8mm。第一排气孔和第二排气孔可以用于有机材料固化放气，降低结构应力。

作为示例，所述第一芯片组件102通过上方的所述热桥结构108与所述散热盖组件111 热导通具有第一热阻，所述第一芯片组件102通过上方的所述第二芯片组件103与所述散热盖组件111热导通具有第二热阻，其中，所述第一热阻的比热阻值介于所述第二热阻的比热阻值的0.8-2.5倍之间，优选大于1.2且小于2。

综上所述，本实用新型的三维芯片封装结构，通过引入热桥结构，形成导热通路，从而有利于三维堆叠芯片的散热，大幅度降低底部芯片的散热热阻和温度。通过本实用新型的设计，可以降低芯片的温差，从而能够大幅度降低热应力。热桥结构分担了原本施加到三维堆叠芯片上的散热器等的压力，从而使得封装受力更为均为，结构更加稳定。本实用新型工艺简单，基本不影响现有的封装工艺流程和制程(infrastructure)。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种三维芯片封装结构，其特征在于，所述封装结构包括：

封装基板；

三维堆叠芯片组件，形成于所述封装基板上，其中，所述三维堆叠芯片组件包括第一芯片组件及形成于所述第一芯片组件上的第二芯片组件，且所述第一芯片组件的尺寸大于所述第二芯片组件的尺寸；

热桥结构，形成于所述第一芯片组件上，所述热桥结构与所述第二芯片组件之间具有预设间距；以及

散热盖组件，形成于所述封装基板上，所述散热盖组件包围所述三维堆叠芯片组件及所述热桥结构，所述热桥结构、所述第一芯片组件与所述散热盖组件之间热导通。

2.根据权利要求1所述的三维芯片封装结构，其特征在于，所述第一芯片组件包括中心区域以及环绕位于所述中心区域外围的外围区域，其中，所述第二芯片组件设置于所述中心区域上，所述热桥结构设置于所述外围区域上。

3.根据权利要求1所述的三维芯片封装结构，其特征在于，所述热桥结构的形状包括环形；所述热桥结构与所述第二芯片组件之间具有的所述预设间距介于0.2-2mm之间；所述热桥结构的宽度介于1-5mm之间；所述热桥结构通过底部固晶层形成于所述第一芯片组件上。

4.根据权利要求1所述的三维芯片封装结构，其特征在于，所述热桥结构的上表面不高于所述三维堆叠芯片组件的上表面，所述热桥结构的上表面与所述三维堆叠芯片组件的上表面之间的高度差小于100μm。

5.根据权利要求1所述的三维芯片封装结构，其特征在于，所述热桥结构与所述散热盖组件之间设置有第一热界面层，所述第一热界面层还位于所述三维堆叠芯片组件与所述散热盖组件之间。

6.根据权利要求1所述的三维芯片封装结构，其特征在于，所述散热盖组件上还形成有第二热界面层，所述第二热界面层与所述散热盖组件之间热导通。

7.根据权利要求1所述的三维芯片封装结构，其特征在于，所述第一芯片组件与所述第二芯片组件之间具有第一凸块阵列，所述第一凸块阵列包括若干个第一凸块单元；和/或，所述第二芯片组件包括至少两个上下叠置的半导体芯片，相邻所述半导体芯片之间通过第二凸块阵列电连接，所述第二凸块阵列包括若干个第二凸块单元。

8.根据权利要求7所述的三维芯片封装结构，其特征在于，所述第一凸块单元的高度小于30μm，所述第二凸块单元的高度小于30μm；通过所述第一凸块单元之间的间距、高度、尺寸以及所述第二凸块单元之间的间距、高度、尺寸中的至少一者调整所述第一芯片组件上的温度和温差。

9.根据权利要求1所述的三维芯片封装结构，其特征在于，所述热桥结构与所述第二芯片组件之间形成第一空间，所述热桥结构与所述散热盖组件之间形成第二空间，其中，所述热桥结构中设置有至少一个第一排气孔，所述第一排气孔连通所述第一空间和所述第二空间；和/或，所述散热盖组件中设置有至少一个第二排气孔，所述第二排气孔连通所述第二空间与外界大气。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的三维芯片封装结构，其特征在于，所述第一芯片组件通过上方的所述热桥结构与所述散热盖组件热导通具有第一热阻，所述第一芯片组件通过上方的所述第二芯片组件与所述散热盖组件热导通具有第二热阻，其中，所述第一热阻的比热阻值介于所述第二热阻的比热阻值的0.8-2.5倍之间。

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