CN2499978Y - 三维堆叠封装散热模块 - Google Patents

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Abstract

一种三维堆叠封装散热模块,主要使用金属材料或高传导性复合材料,用导热胶粘着于封装底部及上方,使热能通过IC封装底部及上方的散热片面积加强热扩散并增进散热效率;本实用新型的散热装置可随着IC封装做三维垂直堆叠时堆叠于封装下方,使封装的热量通过散热片表面及侧面的垂直接触面积传到下方的PCB上;并可应用于模块化的堆叠组装。

Description

三维堆叠封装散热模块
技术领域
本实用新型涉及一种三维堆叠封装散热模块，特别是涉及一种用于集成电路封装散热的装置。
背景技术
随着集成电路(Integrated Circuit，以下简称IC)封装轻薄短小及功能提升的趋势，发热密度越来越高，如何有效的利用空间使产生的热更容易散去，是封装设计上一个重要的课题。
IC封装元件的散热途径有二，其一是向上方直接传到空气中，其二则为向下方透过封装材料传到印刷电路板(以下简称PCB)上。因此，除了设计增加水平方向热扩散能力，使热能均匀分布外，更应设计增加垂直方向的传热能力，使热更容易传到PCB上以增加散热效率。
为了减少空间及增加电性效能，三维堆叠的封装技术成为重要的发展方向。三维封装堆叠时，由于散热面积有限，而发热量成倍增加，发热密度即大幅增加，因此，散热问题更为严重。又因为组装密度高，使得散热装置的设计及安装受到限制，因此，设计上如何加强散热及兼顾三维堆叠时组装的方便性，成为三维封装散热的重要课题。
公知的散热方式可参考美国专利案号5,796,170号专利，其为一种用于面阵列锡球(Ball Grid Array，以下简称BGA)的散热装置，结构是晶穴朝下(cavity down)方式将散热片粘于晶片后方，再将封装倒装，使散热片向上，并在封装下方植球，此种装置可将热从晶片上方扩散。
另一种散热方式可参考美国专利案号5,909,056号专利，其为一种用于覆晶(Flip Chip)的散热片，是将散热片安装于覆晶上方，将热由上方扩散，并可通过侧面连接于基板的部分，将热传到基板上。
此外，可参考美国专利案号4,953,060号专利，其为一种三维堆叠封装的装置，利用周围的针脚作封装上下的连接，针脚在封装部分做成上方凹孔及下方突起的形状以方便连接，针的周围是金属材料，以方便垂直方向的散热。
另一种三维堆叠封装的散热装置，请参考美国专利案号US5,910,682号专利，其在封装前后方有散热片用于散热，且可利用散热片侧面将热垂直传到PCB板上。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种三维堆叠封装散热模块，可同时增加IC封装上方及下方的热扩散能力。
本实用新型的另一个目的在于提供一种三维堆叠封装散热模块，可将IC所产生的热以垂直方向传递到下方的PCB上。
本实用新型的再一个目的在于提供一种三维堆叠封装散热模块，可随着三维堆叠封装做堆叠设计，并加强三维封装的散热能力。
本实用新型的另一个目的在于提供一种三维堆叠封装散热模块，通过散热片的侧面支撑来增加焊接锡球的可靠度。
本实用新型的又一个目的在于提供一种三维堆叠封装散热模块，可做三维堆叠模块化的散热设计。
本实用新型所述的上述目的是这样实现的：一种三维堆叠封装散热模块，由安装在一装有一晶片的第一IC封装上方的一第一散热片与安装在该第一IC封装下方的复数个第二散热片所组成，所述复数个第二散热片之间各安装有一装有一晶片的IC封装，其特征在于：所述第一散热片位于最上层并与所述复数个第二散热片以垂直堆叠方式加以堆叠为一三维封装散热结构，所述三维封装散热结构最底层的所述第二散热片并粘着于一印刷电路板上。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述的第一散热片，其下层为两侧具突出长条的一前后开口的凹槽结构，所述凹槽结构的内层表面与所述晶片的上层表面用导热胶相粘结。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述第二散热片的上层是与所述第一散热片相对应的一前后开口的容纳所述第一IC封装的第二凹槽结构，所述第二凹槽结构的凹槽内面与所述第一IC封装的下层表面用所述导热胶相粘结，该第二凹槽结构两侧的突出长条具有一外侧缺口与所述第一散热片的所述凹槽结构外侧的突出长条密合并用所述导热胶相粘结，所述第二散热片的下层是一前后开口的第三凹槽结构，其两侧的突出长条是与所述第二散热片上层的所述第二凹槽结构两侧的外侧缺口密合，该第三凹槽结构下层的外侧突出长条的下层表面用所述导热胶与一导热层相粘结。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述第一散热片下层为四周具有突出长条的一凹槽结构，所述凹槽结构的内层表面是与该晶片的上层表面用所述导热胶相粘结。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述第二散热片的上层是与所述第一散热片相对应的容纳所述第一IC封装的一第二凹槽结构，所述第二凹槽结构的凹槽内面与该晶片的下层表面用所述导热胶相粘结，所述第二凹槽结构四周的突出长条具有一外侧缺口与所述第一散热片的所述凹槽结构四周的突出长条密合并用导热胶相粘结，所述第二散热片的下层为一第三凹槽结构，其四周的突出长条与所述第二散热片上层的所述第二凹槽结构四周突出长条的外侧缺口密合，所述第三凹槽结构下层四周突出长条的下层表面用所述导热胶与一导热层相粘结。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述导热层为所述印刷电路板的铜箔层。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述导热层为所述三维堆叠封装散热模块的另一所述第二散热片，并且，所述第三凹槽结构的内层表面与第二IC封装的上层表面用所述导热胶相粘结。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述IC封装是一面阵列锡球封装。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述IC封装是一导线架型封装。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述IC封装是一晶片尺度封装型式封装。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述IC封装中的晶片是直接粘着于散热片上。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述第一散热片的上方装设有一散热鳍片结构。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述第一散热片的上方装设有一热渊或者一致冷器。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述第一散热片与所述第二散热片是用金属材料制成。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述第一散热片与所述第二散热片是用高热导性复合材料制成。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中所述第一、第二散热片与所述IC封装之间、所述第一散热片与所述第二散热片之间以及所述第二散热片与所述印刷电路板之间用焊锡粘着。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，其中将所述第二散热片下层的外侧突出部粘着于位于其下方的所述IC封装或所述印刷电路板，用以撑起所述IC封装的结构及增加所述三维堆叠封装散热模块的结构附着力，以增加焊接锡球的可靠度。
由此可见，根据本实用新型所述的技术，本实用新型提供一种三维堆叠封装散热模块，利用二片结构上密合的第一散热片与一片第二散热片，两者中间则夹有所要散热的IC封装；第一散热片为散热的最上层，第二散热片则为散热的下层，并可将热传导至所连接的PCB上；由于每片第二散热片的结构上均可相互堆叠，因此，可以一片第一散热片与数片第二散热片加以结合堆叠为三维封装散热结构，可堆叠出多层的IC封装。
本实用新型所述的散热片技术，第一散热片在结构上可以是前后开口的凹槽结构，第二散热片的上层则为与第一散热片配对为前后开口的第二凹槽结构，其外侧并有缺口与第一散热片扣合，第二散热片的下层则为与第一散热片下层相同的凹槽结构，可与另一片第二散热片扣合；或者，第一散热片在结构上可以是一种凹槽结构，第二散热片的上层则与第一散热片配对的凹槽结构，其外侧并有缺口与第一散热片扣合，同样地，每片第二散热片都可相互扣合；不论是何种第一散热片与第二散热片的结构，本实用新型均可提供不同封装技术的散热构造，如BGA、导线架型式与晶片尺寸封装。
为了让本实用新型更清楚明了，现结合附图详细说明本实用新型的具体实施例。
附图说明
图1A是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第一具体实施例的剖面图；
图1B是图1A中的本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的底视图；
图1C是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第一具体实施例的三维堆叠剖面图；
图2A是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第二具体实施例的剖面图；
图2B是图2A中的本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的底视图；
图2C是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第二具体实施例的三维堆叠剖面图；
图3A是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第三具体实施例的剖面图；
图3B是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第三具体实施例的三维堆叠剖面图；
图4A是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第一具体实施例增加模块面积的剖面图；
图4B是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第一具体实施例增加模块面积的三维堆叠剖面图；
图5A是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第四具体实施例的剖面图；
图5B是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第四具体实施例的三维堆叠剖面图；
图6A是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第五具体实施例的剖面图；
图6B是图6A中的本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的底视图；以及
图6C是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第五具体实施例的三维堆叠剖面图。
具体实施方式
本实用新型在不同的封装方式下同样可通用，下面结合附图说明本实用新型的具体实施例。
如图1A-1C所示，为用于面阵列锡球(Ball Grid Array，BGA)型式的封装及堆叠的具体实施例。图1A是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第一具体实施例的剖面图，本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块130包含了第一散热片10与第二散热片20。如图所示，第一散热片10与第二散热片20中间包住有基板30和在其上方的晶片40，其中，晶片40则由模塑材料50所包覆。
在模塑材料50与第一散热片10之间，则用导热胶60加以粘着，同样的导热胶60也用在第一散热片10凹槽结构的侧边突出长条90与第二散热片20上层的内侧突出长条100与其侧边缺口的接合处，基板30与第二散热片20的凹槽结构底部之间，以及用在第二散热片20的侧边突出长条120与印刷电路板70之间。除了导热胶60外，也可用焊锡取代导热胶60将各个元件加以接合。
图1B是图1A中的本实用新型所述三维堆叠封装散热模块中第二散热片20的底视图，第一散热片与第二散热片的突出长条结构，可以设计为前后开口的凹槽结构，即，侧边突出长条120与内侧突出长条100只有左右两边。同时，可以看到，第二散热片20的底部为一长条状的空隙140，此空隙的设计可容纳突出的晶片及模塑材料。同时，焊接锡球80则用以与下面一层的印刷电路板70相焊接。
利用第二散热片20侧面的缺口，本实用新型即可做三维堆叠的组装，下方封装及散热片堆叠组装之后再盖上上方盖子，如图1C所示，三维封装散热结构135由第一散热片10和第二散热片20、21与22堆叠起来，总共形成三层散热层，可容纳三个IC封装。由于每个第二散热片的侧边突出长条与内侧突出长条均设计为可密合式，所以，第一散热片10的侧边突出长条90与第二散热片20的内侧突出长条100，以及第二散热片20的侧边突出长条120和第二散热片21的内侧突出长条150可用导热胶加以密合粘着。另外，图1A中的空隙110与图1B中的空隙140相同，也可提供空间以容纳IC封装。
其中，第一散热片10与第二散热片20可以金属材料制成，或者可以高热导性复合材料制成。
从图1A-1C可知，本实用新型的三维堆叠散热模块，可用模块化的方式，以彼此结构上可密合的一片第一散热片与数片第二散热片来达到三维堆叠的效果。必须注意的是，本实用新型以第一散热片下层的侧边突出长条与第二散热片上层的侧边缺口做成密合的结构，并以此结构作为整个模块的支撑。同样地，第二散热片下层的侧边突出长条与另一个第二散热片上层的侧边缺口也为密合的并作为整个结构的支撑。在第二散热片与PCB的间，同样是以第二散热片下层的侧边突出长条作为整个结构的支撑。
本实用新型同样可运用于导线架型式的封装及堆叠，请参考图2A-2C图。
图2A是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块160的第二具体实施例的剖面图，三维堆叠封装散热模块160由第一散热片170与第二散热片180所组成，同样地，这两片散热片在结构上如图1A的结构可以密合接着。同时参考图2B，为图2A中的本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的底视图，其与图1B的差别仅在于封装的方式。
如图2C所示，是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块的第二具体实施例的三维堆叠剖面图；三维封装散热结构165由第一散热片170和三片第二散热片180、190与200所组成，同样地，装置了三片IC封装于其中。
本实用新型也可运用于晶片尺寸封装(Chip Scale Package；以下简称CSP)型式及堆叠，如图3A-3B所示。
图3A是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块210的第三具体实施例的剖面图，三维堆叠封装散热模块210由第一散热片220与第二散热片230所组成，这两片散热片在结构上如图1A的结构并可以密合接着。
如图3B所示，为本实用新型所述三维堆叠封装散热模块第三具体实施例的三维堆叠剖面图；三维封装散热结构215由第一散热片220和二片第二散热片230与240所组成，装置了二片IC封装于其中。
本实用新型也可利用加大面积的散热片，来做模块化的组装，如图4A-图4B所示。
如图4A所示，为本实用新型所述三维堆叠封装散热模块第一具体实施例增加模块面积的剖面图，可由图1C中的三维封装散热结构135以及三维封装散热结构136与137并接，组成三维堆叠封装散热模块250。如图4B所示，三维堆叠封装散热模块250也可以再增加平面的方式来扩充散热的面积。
本实用新型也可将基板下方挖空而使散热片直接接触晶片下方，如图5A-图5B所示。
图5A是本实用新型所述三维堆叠封装散热模块260的第四具体实施例的剖面图，三维堆叠封装散热模块260由第一散热片270与第二散热片280所组成，这两片散热片在结构上如图1A的结构并可以密合接着，并且，基板中间挖空，将晶片直接粘着于第二散热片280上。
如图5B所示，为本实用新型所述三维堆叠封装散热模块第四具体实施例的三维堆叠剖面图；三维封装散热结构265由第一散热片270和三片第二散热片280、290与300所组成，装置了三片IC封装于其中。与其他实施例的差别仅在于基板的设计上。
最后，本实用新型的第五具体实施例，将第一散热片与第二散热片的结构加以修改，即，如图6B所示，在BGA封装当中，三维堆叠封装散热模块310的散热片的突出长条为环绕四周，而非如图1B所示的前后开口的方式。
在第6A图中，同样可运用相同的方式，将第一散热片320与第二散热片330加以密接。图6C则显示了三维封装散热结构315由第一散热片320与三片第二散热片330、340与350组成，其中包含了三片IC封装。
从图6A-6C可知，本实用新型的三维堆叠散热模块，可用模块化的方式，以彼此结构上可密合的一片第一散热片与数片第二散热片来达到三维堆叠的效果。必须注意的是，本实用新型以第一散热片下层的四周突出长条与第二散热片上层的四周缺口做成密合的结构，并以此结构作为整个模块的支撑。同样地，第二散热片下层的四周突出长条与另一个第二散热片上层的四周缺口也为密合的，并作为整个结构的支撑。在第二散热片与PCB之间，同样是以第二散热片下层的四周突出长条作为整个结构的支撑。
在第五实施例当中，同样可通用于导线架型式的封装堆叠与晶片尺寸封装的封装堆叠。
在每一个具体实施例中，不论是第一散热片、第二散热片或者是印刷电路板，基本上都是本实用新型用以散热的散热层。此外，本实用新型所述的散热模块更可在第一散热片上方加装散热鳍片结构，或者加装热渊(heat sink)致冷器等，更增加散热效率。
运用本实用新型所揭露的三维堆叠封装散热模块的技术，并使用CFD(Computational fluid dynamic)软体Flotherm模拟单一封装加装散热片的结果，结果显示若封装加装散热片，在发热量0.5W时温度可降低约6℃；若封装堆叠四颗，每颗加装散热片，温度可降低约24℃。
本实用新型所述的三维堆叠封装散热模块，可以三维的方式将IC封装加以堆叠，并且，堆叠层数越多，散热效果越佳。
如上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的保护范围，本实用新型的专利保护范围以本实用新型的权利要求书为准。

Claims (20)

1.一种三维堆叠封装散热模块，由安装在一装有一晶片的第一IC封装上方的一第一散热片与安装在该第一IC封装下方的复数个第二散热片所组成，所述复数个第二散热片之间各安装有一装有一晶片的IC封装，其特征在于：所述第一散热片位于最上层并与所述复数个第二散热片以垂直堆叠方式加以堆叠为一三维封装散热结构，所述三维封装散热结构最底层的所述第二散热片并粘着于一印刷电路板上。
2.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述的第一散热片，其下层为两侧具突出长条的一前后开口的凹槽结构，所述凹槽结构的内层表面与所述晶片的上层表面用导热胶相粘结。
3.如权利要求1或2所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述第二散热片的上层是与所述第一散热片相对应的一前后开口的容纳所述第一IC封装的第二凹槽结构，所述第二凹槽结构的凹槽内面与所述第一IC封装的下层表面用所述导热胶相粘结，该第二凹槽结构两侧的突出长条具有一外侧缺口与所述第一散热片的所述凹槽结构外侧的突出长条密合并用所述导热胶相粘结，所述第二散热片的下层是一前后开口的第三凹槽结构，其两侧的突出长条是与所述第二散热片上层的所述第二凹槽结构两侧的外侧缺口密合，该第三凹槽结构下层的外侧突出长条的下层表面用所述导热胶与一导热层相粘结。
4.如权利要求3所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述导热层为所述印刷电路板的铜箔层。
5.如权利要求3所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述导热层为所述三维堆叠封装散热模块的另一所述第二散热片，并且，所述第三凹槽结构的内层表面与第二IC封装的上层表面用导热胶相粘结。
6.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述第一散热片下层为四周具有突出长条的一凹槽结构，所述凹槽结构的内层表面是与该晶片的上层表面用所述导热胶相粘结。
7.如权利要求1或6所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述第二散热片的上层是与所述第一散热片相对应的容纳所述第一IC封装的一第二凹槽结构，所述第二凹槽结构的凹槽内面与该晶片的下层表面用所述导热胶相粘结，所述第二凹槽结构四周的突出长条具有一外侧缺口与所述第一散热片的所述凹槽结构四周的突出长条密合并用导热胶相粘结，所述第二散热片的下层为一第三凹槽结构，其四周的突出长条与所述第二散热片上层的所述第二凹槽结构四周突出长条的外侧缺口密合，所述第三凹槽结构下层四周突出长条的下层表面用所述导热胶与一导热层相粘结。
8.如权利要求7所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述导热层为所述印刷电路板的铜箔层。
9.如权利要求7所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述导热层为所述三维堆叠封装散热模块的另一所述第二散热片，并且，所述第三凹槽结构的内层表面与第二IC封装的上层表面用所述导热胶相粘结。
10.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述IC封装是一面阵列锡球封装。
11.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述IC封装是一导线架型封装。
12.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述IC封装是一晶片尺度封装型式封装。
13.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述IC封装中的晶片是直接粘着于散热片上。
14.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述第一散热片的上方装设有一散热鳍片结构。
15.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述第一散热片的上方装设有一热渊或者一致冷器。
16.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述第一散热片与所述第二散热片是用金属材料制成。
17.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述第一散热片与所述第二散热片是用高热导性复合材料制成。
18.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：所述第一、第二散热片与所述IC封装之间、所述第一散热片与所述第二散热片之间以及所述第二散热片与所述印刷电路板之间用焊锡粘着。
19.如权利要求1所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：将所述第二散热片下层的外侧突出部粘着于位于其下方的所述IC封装或所述印刷电路板。
20.如权利要求3所述的三维堆叠封装散热模块，其特征在于：将所述第二散热片下层的外侧突出部粘着于位于其下方的所述IC封装或所述印刷电路板。
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