CN223680098U - 一种导热垫的包边结构及芯片封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及芯片封装技术领域，公开一种导热垫的包边结构及芯片封装结构，该芯片封装结构包括：发热源、基板、电子元器件、散热器和导热结构；发热源和电子元器件均设置于基板上，且电子元器件分布于发热源的周围；导热结构设置于散热器和发热源之间，并分别与发热源和散热器热接触；导热结构为热界面材料，电子元器件覆盖有绝缘保护层，将电子元器件保护起来，防止热界面材料导致电子元器件短路，或者，导热结构包括导热垫，导热垫的周向表面设有第一绝缘层。

Description

一种导热垫的包边结构及芯片封装结构

技术领域

本实用新型涉及芯片封装技术领域，特别涉及一种导热垫的包边结构及芯片封装结构。

背景技术

随着AI时代的到来，电子芯片工作频率不断升高，电子产品逐步向轻量化、高集成化方向发展，导致设备的发热量大幅上升。对导热垫等导热结构的导热率要求越来越高，其中，导热垫具有较高的可压缩性、柔软且兼具弹性、可以提供多种厚度及尺寸选择等特性，在电子器件的导热结构的选择中备受青睐。

导热结构需要用到高导热的导热填料，由于可用于制作高导热率导热结构的高导热的导热填料均具有导电性能，导热率高于15W/m·K均能够导电，在装配以及使用过程中导热填料有接触到周围的元器件的风险，表面的导电颗粒有掉落到元器件上的风险，并且有掉渣开裂的风险，这些均会导致元器件之间的短路，造成重大失效。

实用新型内容

本实用新型公开了一种导热垫的包边结构及芯片封装结构，用于解决导热垫会导致周围电子元器件短路的问题。

为达到上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

第一方面，提供一种芯片封装结构，芯片封装结构包括：发热源、基板、电子元器件、散热器和导热结构；所述发热源和所述电子元器件均设置于所述基板上，且所述电子元器件分布于所述发热源的周围；所述导热结构设置于所述散热器和所述发热源之间，并分别与所述发热源和所述散热器热接触；所述导热结构为热界面材料，所述电子元器件覆盖有绝缘保护层，将电子元器件保护起来，防止热界面材料导致电子元器件短路，或者，所述导热结构包括导热垫，所述导热垫具有相对设置的第一热接触面和第二热接触面，以及连接所述第一热接触面和所述第二热接触面的周向表面，其中，所述周向表面设有第一绝缘层，可以避免导热垫的周向表面接触到发热源周围的电子元器件，同时，可以避免周向表面的导电颗粒或者掉渣落在上述电子元器件上引起的电子元器件短路损坏的问题。

可选地，所述第一绝缘层的横截面呈“U”形结构，所述导热垫的边缘部分位于所述“U”形结构的开口内。

可选地，所述第一热接触面和所述第二热接触面均覆盖有第二绝缘层，且所述第一绝缘层的拉伸强度大于所述第二绝缘层的拉伸强度。

可选地，所述第一绝缘层的拉伸强度大于或等于100kpa，所述第二绝缘层的拉伸强度大于或等于1kpa。

可选地，所述第一绝缘层的厚度大于所述第二绝缘层的厚度。

可选地，所述第一绝缘层的厚度介于5um至100um之间，所述第二绝缘层的厚度介于500nm至1um之间。

可选地，所述第一绝缘层为涂敷层或包覆层，所述第二绝缘层为通过化学气相沉积形成于所述周向表面的薄膜。

可选地，所述第一绝缘层的材质为硅橡胶、丙烯酸树脂、聚氨酯和聚酰亚胺膜中的一种或几种；所述第二绝缘层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和热塑性弹性体中的一种或几种。

可选地，所述绝缘保护层为固化胶、树脂、薄膜或者胶带。

可选地，所述绝缘保护层的高度低于所述散热器用于与所述热界面材料接触的表面。

可选地，所述绝缘保护层的厚度介于10um至5mm之间。

可选地，所述散热器与所述基板之间还设有环形围挡结构，所述发热源位于所述环形围挡结构围成的空间内，至少部分所述电子元器件位于所述环形围挡结构围成的空间外；其中，所述环形围挡结构被压缩后所增加的材料应力小于所述热界面材料被压缩后增加的材料应力。

可选地，所述环形围挡结构每被压缩20％，所产生的材料应力小于或等于40psi。

可选地，所述环形围挡结构的材质为泡棉、胶条、橡胶垫或者塑胶垫。

第二方面，提供一种导热垫的包边结构，导热垫的包边结构包括：导热垫，所述导热垫具有相对设置的第一热接触面和第二热接触面，以及连接所述第一热接触面和所述第二热接触面的周向表面，其中，所述周向表面设有第一绝缘层。

在上述导热垫的包边结构中，第一热接触面和第二热接触面作为功能区，分别用于与发热源和散热器热接触；通过在周向表面包覆第一绝缘层，可以避免导热垫的周向表面接触到发热源周围的电子元器件，同时，可以避免周向表面导电颗粒或者掉渣落在上述电子元器件上引起的电子元器件短路损坏的问题。

可选地，所述第一绝缘层的横截面呈“U”形结构，所述导热垫的边缘部分位于所述“U”形结构的开口内。

可选地，所述第一热接触面和所述第二热接触面均覆盖有第二绝缘层，且所述第一绝缘层的拉伸强度大于所述第二绝缘层的拉伸强度。

可选地，所述第一绝缘层的拉伸强度大于或等于100kpa，所述第二绝缘层的拉伸强度大于或等于1kpa。

可选地，所述第一绝缘层的厚度大于所述第二绝缘层的厚度。

可选地，所述第一绝缘层的厚度介于5um至100um之间，所述第二绝缘层的厚度介于500nm至1um之间。

可选地，所述第一绝缘层为涂敷层或包覆层，所述第二绝缘层为通过化学气相沉积形成于所述周向表面的薄膜。

可选地，所述第一绝缘层的材质为硅橡胶、丙烯酸树脂、聚氨酯和聚酰亚胺膜中的一种或几种；所述第二绝缘层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和热塑性弹性体中的一种或几种。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种芯片封装结构的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种导热垫的包边结构的结构示意图；

图3为图2所示导热垫的包边结构的俯视图；

图4为图2所示导热垫的包边结构的一种示例性的变形；

图5为图2所示导热垫的包边结构的另一种示例性的变形；

图6为本申请实施例提供的另一种芯片封装结构的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本申请实施例提供一种芯片封装结构，该芯片封装结构包括：发热源200、基板400、电子元器件401、散热器300和导热结构100’；发热源200和电子元器件401均设置于基板400上，且电子元器件401分布于发热源200的周围；导热结构100设置于散热器300和发热源200之间，并分别与发热源200和散热器300热接触。其中，上述发热源200可以是裸die，也可以是其它类型的芯片，还可以是其它需要散热的结构。其中，裸die(die的复数形可以是dice、dies或die)，也称裸晶、裸芯片、裸芯片、晶粒或裸片，是以半导体材料制作而成、未经封装的一小块集成电路本体，该集成电路的既定功能就是在这一小片半导体上实现。

导热结构需要用到高导热的导热填料，由于可用于制作高导热率导热结构的高导热的导热填料均具有导电性能，导热率高于15W/m·K均能够导电，在装配以及使用过程中导热填料有接触到周围的元器件的风险，表面的导电颗粒有掉落到元器件上的风险，并且有掉渣开裂的风险，这些均会导致元器件之间的短路，造成重大失效。

为解决如上的技术问题，如同2所示，本申请实施例提供了一种导热垫的包边结构100，即图1中的导热结构100’可以为具有包边的导热垫。包括：导热垫101，导热垫101具有相对设置的第一热接触面S1和第二热接触面S2，以及连接第一热接触面S1和第二热接触面S2的周向表面S3，其中，周向表面S3设有第一绝缘层T1。其中，导热垫101的材质可以为石墨烯、碳纤维和金属等。

在上述导热垫的包边结构中，第一热接触面S1和第二热接触面S2作为功能区，分别用于与发热源200(参考图1)和散热器300(参考图1)热接触；周向表面S3作为非功能区，通过在周向表面S3包覆第一绝缘层T1，可以避免导热垫101的周向表面S3接触到发热源200周围的电子元器件401(参考图1)，导致电子元器件401短路，同时，也可以避免周向表面S3的导电颗粒或者掉渣落在上述电子元器件401上引起短路损坏的问题。

其中，周向表面S3设有第一绝缘层T1的形式可以有多种，例如：

参考图2，第一绝缘层T1的横截面可以呈“U”形结构，导热垫101边缘部分位于上述“U”形结构的开口内，如导热垫101可以包括主覆盖层a和两个侧翼b，两个侧翼b分别一对一地连接于主覆盖层a的两端，其中，一个侧翼a沿第一热接触面S1的边缘延伸，另一个侧翼b沿第二热接触面S2的边缘延伸。

除了在周向表面S3设置第一绝缘层T1外，还可以在第一热接触面S1和第二热接触面S2均覆盖上第二绝缘层T2，导热垫的包边结构100在装配过程中，第一绝缘层T1和第二绝缘层T2可以使导热垫101达到整体绝缘的效果，避免导电颗粒和掉渣掉落到电子元器件401上，进一步降低电子元器件401短路的风险。其中，每个侧翼b通过对应的第二绝缘层T2的边缘部分与导热垫101间隔设置，但两个侧翼b也可以分别一对一地直接与第一热接触面S1和第二热接触面S2接触。

图3表示图2所示导热垫的包边结构100的俯视图，参考图2，侧翼b沿着第二绝缘层T2的边缘延伸，并围成缺口区域，形成“回”字形结构。

其中，结合图1和图3可知，发热源200和散热器300可以压设于对应的侧翼b上，将导热垫101的边缘部分夹持住，以避免悬空，否则，导热垫101受压时，上述边缘部分容易碎裂脱落。

但是，发热源200和散热器300可以装配于对应的侧翼b围成的缺口区域内，并直接与第二绝缘层T2接触，以避免第二绝缘层T2的热阻影响发热源200和散热器300之间的热量流通。

通过以上方式可以增加第一绝缘层T1与导热垫101或第二绝缘层T2的接触面积，一方面，可以使第一绝缘层T1与导热垫101结合更加牢固，另一方面，第一绝缘层T1可以对导热垫101的第一热接触面S1和第二热接触面S2进行物理防护，防止磕碰掉渣。

此外，第一绝缘层T1也可以仅保留主覆盖层a，而不设置两个侧翼b，也可以对导热垫101的周向表面S3起到绝缘作用，防止电子元器件401导通而发生短路。

如图4所示，本申请提供了图2所示导热垫的包边结构的一种示例性的变形，主覆盖层a可以同时包覆两个侧翼b的断面，主覆盖层a通过与侧翼b的断面连接，可以在一定程度上减少第一绝缘层T1脱落的可能性。

如图5所示，本申请提供了图2所示导热垫的包边结构的另一种示例性的变形，主覆盖层a夹在两个侧翼b之间，两个侧翼b覆盖在主覆盖层a的顶面和底面，其中，主覆盖层a的顶面是指与第二热接触面S2对应的断面，底面是指与第一热接触面S1对应的断面，也可以在一定程度上减少第一绝缘层T1脱落的可能性。通过去除两个侧翼b，也可以使得两个第二绝缘层T2的表面更加平整，避免在发热源200和散热器300之间产生间隙，提升发热源200的散热效果。

在一个具体的实施例中，第一绝缘层T1的拉伸强度大于第二绝缘层T2的拉伸强度，导热垫的包边结构100在装配过程中，边缘位置容易与电子元器件401发生磕碰接触，第一绝缘层T1的拉伸强度较大，有助于避免第一绝缘层T1破损，并能够承受在应用过程中的震动，第一热接触面S1和第二热接触面S2则不易磕碰，而第二绝缘层T2无需较大的拉伸强度，且通过增加厚度或者改变材质等方式提升拉伸强度，往往同时伴随着导热性能的降低，不利于发热源200的热量通过第二绝缘层T2传递到散热器300。

在一个具体的实施例中，第一绝缘层T1的拉伸强度大于或等于100kpa，例如，可以是100kpa、120kpa、130kpa、140kpa和150kpa等，若拉伸强度过小，则难以有效承受装配过程中的磕碰和应用场景下的震动；第二绝缘层T2的拉伸强度大于或等于1kpa，例如，可以是1kpa、3kpa、5kpa和10kpa等。若拉伸强度过小，则可能会在装配过程中与发热源200和散热器300接触而发生脱落现象，若拉伸强度过大，则可能会导致发热源200和散热器300之间的散热性能变差，因而第二绝缘层T2的拉伸强度需要折中考虑，以实现两项功能均可满足。

在一个具体的实施例中，第一绝缘层T1的厚度大于第二绝缘层T2的厚度，第一绝缘层T1的厚度较大，有利于充分将周向表面S3与电子元器件401隔离开，使两者之间充分绝缘，并对可能产生的磕碰进行物理防护，而第二绝缘层T2较小，则有利于发热源200的热量向散热器300传递，便于发热源200的快速散热。

在一个具体的实施例中，第一绝缘层T1的厚度介于5um至100um之间，例如，可以是5um、10um、15um、20um、32um、47um、62um、77um、90um和100um等，若厚度过小，则难以将周向表面S3与电子元器件401充分绝缘，若厚度过大，则可能会导致与电子元器件401发生物理干涉，导热垫101边缘翘起，导致发热源200与导热垫101之间接触不良，产生空气间隙，影响散热效率；第二绝缘层T2的厚度介于500nm至1um之间，例如，可以是500nm、600nm、700nm、800nm、900nm和1000nm等，若厚度过小，则容易破损，导电颗粒和掉渣容易掉落到电子元器件401上导致短路问题，若厚度过大，则会导致发热源200与散热器300之间热阻增加，散热效果变差。

在一个具体的实施例中，第一绝缘层T1为涂敷层或包覆层，通过将绝缘材料涂敷于第一热接触面S1，涂敷层或包覆层相对于化学气相沉积薄膜厚度更大，有利于提升绝缘性，降低电子元器件401的短路风险；第二绝缘层T2为通过化学气相沉积形成于周向表面S3的薄膜，化学气相沉积可以形成满足上述厚度要求的薄膜，绝缘性较低，导热性能较好，有利于发热源200的充分散热。

例如，第一绝缘层T1的材质为硅橡胶、丙烯酸树脂、聚氨酯和聚酰亚胺膜中的一种或几种，这些材料均具有较高的绝缘性，可以避免导热垫101与电子元器件401导通导致的电子元器件401之间的短路，且这些材料拉伸强度较大，可以满足物理防护要求；第二绝缘层T2的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和热塑性弹性体中的一种或几种，这些材料绝缘性较低，有利于发热源的散热。

如图1所示的芯片封装结构中，另一种可能的实现方式中，导热结构100’可以是一种热界面材料。该热界面材料可以包括导热硅脂，也可以为上述的导热垫的包边结构，但也不限于以上举例。本申请提供另一种芯片封装结构，如图6所示，其中，电子元器件401覆盖有绝缘保护层402，绝缘保护层402将电子元器件401保护起来，可以防止热界面材料导致电子元器件401短路。例如，绝缘保护层402可以为固化胶、树脂、薄膜或者胶带，这些材料成本较低，且具有较好的绝缘性。绝缘保护层402不覆盖到发热源200，以免影响散热。

在一个具体的实施例中，绝缘保护层402的高度可以低于散热器300用于与热界面材料接触的表面(如散热器300的凸台301朝向发热源200的表面)，以防止与散热器300发生倾斜，导致与发热源200之间出现间隙，影响发热源200散热。

在一个具体的实施例中，绝缘保护层402的厚度可以介于10um至5mm之间，例如，可以是10um、20um、30um、50um、100um、500um、800um、1mm、2mm、3mm、4mm和5mm等，若厚度过小，则可能会导致绝缘效果较差，电子元器件401存在短路风险，若厚度过大，则会导致电子元器件401散热困难。

在一个具体的实施例中，散热器300与基板400之间还设有环形围挡结构500，环形围挡结构500的一面与基板400接触，另外一面与散热器300接触，发热源200位于环形围挡结构500围成的空间内，至少部分电子元器件401可以位于环形围挡结构500围成的空间外，如电子元器件401可以部分位于环形围挡结构500围成的空间外，也可以均位于环形围挡结构500围成的空间以外，利用环形围挡结构500防止热界面材料的导电颗粒或者掉渣掉落到环形围挡结构500以外的电子元器件401上，防止引起电子元器件401短路问题；其中，环形围挡结构500被压缩后所增加的材料应力小于热界面材料被压缩后增加的材料应力，否则，当装配好散热器300后，环形围挡结构500的反弹力会使热界面材料无法被充分压缩，导致热界面材料与散热器300或者发热源200之间出现间隙，影响发热源200散热效率。

在一个具体的实施例中，环形围挡结构500每被压缩20％，所产生的材料应力小于或等于40psi，例如，可以是40psi、37psi、35psi、31psi、27psi、25psi、22psi、18psi、15psi、12psi、10psi、9psi、8psi、7psi、6psi和5psi等，若产生的材料应力过大，环形围挡结构500的反弹力会使热界面材料无法被充分压缩，导致热界面材料与散热器300或者发热源200之间出现间隙，影响发热源200散热效率。例如，环形围挡结构500的材质为泡棉、胶条、橡胶垫或者塑胶垫等软质绝缘层，这些材料的被压缩时产生的材料应力可以满足上述要求。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (20)

1.一种芯片封装结构，其特征在于，包括：发热源、基板、电子元器件、散热器和导热结构；

所述发热源和所述电子元器件均设置于所述基板上，且所述电子元器件分布于所述发热源的周围；

所述导热结构设置于所述散热器和所述发热源之间，并分别与所述发热源和所述散热器热接触；

所述导热结构为热界面材料，所述电子元器件覆盖有绝缘保护层，或者，所述导热结构包括导热垫，所述导热垫具有相对设置的第一热接触面和第二热接触面，以及连接所述第一热接触面和所述第二热接触面的周向表面，其中，所述周向表面设有第一绝缘层；

所述第一热接触面和所述第二热接触面均覆盖有第二绝缘层，且所述第一绝缘层的拉伸强度大于所述第二绝缘层的拉伸强度。

2.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，所述第一绝缘层的横截面呈 “U”形结构，所述导热垫的边缘部分位于所述“U”形结构的开口内。

3.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，所述第一绝缘层的拉伸强度大于或等于100kpa，所述第二绝缘层的拉伸强度大于或等于1kpa。

4.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，所述第一绝缘层的厚度大于所述第二绝缘层的厚度。

5.根据权利要求4所述的芯片封装结构，其特征在于，所述第一绝缘层的厚度介于5um至100um之间，所述第二绝缘层的厚度介于500nm至1um之间。

6.根据权利要求1至5任一项所述的芯片封装结构，其特征在于，所述第一绝缘层为涂敷层或包覆层，所述第二绝缘层为通过化学气相沉积形成于所述周向表面的薄膜。

7.根据权利要求6所述的芯片封装结构，其特征在于，所述第一绝缘层的材质为硅橡胶、丙烯酸树脂、聚氨酯和聚酰亚胺膜中的一种；

所述第二绝缘层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和热塑性弹性体中的一种。

8.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，所述绝缘保护层为固化胶、树脂、薄膜或者胶带。

9.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，所述绝缘保护层的高度低于所述散热器用于与所述热界面材料接触的表面。

10.根据权利要求9所述的芯片封装结构，其特征在于，所述绝缘保护层的厚度介于10um至5mm之间。

11.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征在于，所述散热器与所述基板之间还设有环形围挡结构，所述发热源位于所述环形围挡结构围成的空间内，至少部分所述电子元器件位于所述环形围挡结构围成的空间外；其中，

所述环形围挡结构被压缩后所增加的材料应力小于所述热界面材料被压缩后增加的材料应力。

12.根据权利要求11所述的芯片封装结构，其特征在于，所述环形围挡结构每被压缩20%，所产生的材料应力小于或等于40psi。

13.根据权利要求12所述的芯片封装结构，其特征在于，所述环形围挡结构的材质为泡棉、胶条、橡胶垫或者塑胶垫。

14.一种导热垫的包边结构，其特征在于，包括：导热垫，所述导热垫具有相对设置的第一热接触面和第二热接触面，以及连接所述第一热接触面和所述第二热接触面的周向表面，其中，所述周向表面设有第一绝缘层；

所述第一热接触面和所述第二热接触面均覆盖有第二绝缘层，且所述第一绝缘层的拉伸强度大于所述第二绝缘层的拉伸强度。

15.根据权利要求14所述的导热垫的包边结构，其特征在于，所述第一绝缘层的横截面呈 “U”形结构，所述导热垫的边缘部分位于所述“U”形结构的开口内。

16.根据权利要求14所述的导热垫的包边结构，其特征在于，所述第一绝缘层的拉伸强度大于或等于100kpa，所述第二绝缘层的拉伸强度大于或等于1kpa。

17.根据权利要求14所述的导热垫的包边结构，其特征在于，所述第一绝缘层的厚度大于所述第二绝缘层的厚度。

18.根据权利要求17所述的导热垫的包边结构，其特征在于，所述第一绝缘层的厚度介于5um至100um之间，所述第二绝缘层的厚度介于500nm至1um之间。

19.根据权利要求14至18任一项所述的导热垫的包边结构，其特征在于，所述第一绝缘层为涂敷层或包覆层，所述第二绝缘层为通过化学气相沉积形成于所述周向表面的薄膜。

20.根据权利要求19所述的导热垫的包边结构，其特征在于，所述第一绝缘层的材质为硅橡胶、丙烯酸树脂、聚氨酯和聚酰亚胺膜中的一种；

所述第二绝缘层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和热塑性弹性体中的一种。