[发明专利]一种具有散热功能的三维封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有散热功能的三维封装方法，可以用于对散热要求较高的三维高密度封装，属于散热和微电子封装技术领域。

背景技术

1947年肖特莱等人发明晶体管，微电子技术领域实现了突破。随后基尔比等人发明了集成电路，自此可以通过微电子工艺将整个电路的电阻、电容、电感、二极管和三极管等元器件集中在一块半导体上，极大地减小了传统电路的尺寸，集成电路得到了飞速发展。1965年，摩尔提出了著名的摩尔定律，摩尔定律指出，集成电路芯片上集成的晶体管数目每隔18个月翻一番，集成电路性能每隔18个月提高一倍。1946年美国的宾夕法尼亚大学诞生了第一台计算机，这台计算机占地1500平方英尺，30吨重，性能为每秒5000次。得益于器件尺寸的逐渐缩小，特别是场效应晶体管的尺寸不断缩小，集成电路的尺寸和性能都得到了极大的提升，现在即便是个人笔记本电脑都可以做到一本书的大小，几千克的重量，而每秒运算次数可达几千万次。但是由于集成电路受到的物理限制，芯片上集成电路的尺寸不可能无限缩小，终将达到极限。

由于平面集成电路受到面积的限制，提高电路的集成度可以通过三维封装实现。通过垂直堆叠，可以节约平面面积，从而有效提高单位面积上的集成度。这就是集成电路发展的另外一个方向：超越摩尔定律。芯片通过各种方式进行堆叠在提高集成度，减小应用系统体积的同时，也随之产生了一个严重的问题，也即单位体积功耗过大产生的热管理问题。当一些集成度比较高的处理芯片进行三维封装时，整个封装的功率密度达到很大的值，这将导致封装器件温度的升高，影响器件的工作性能，缩短器件的工作寿命，甚至由于高温导致器件直接损毁。本发明提出一种具有散热功能的三维封装方法，在提高集成度的同时，进行了散热方面的功能设计，从而能够使得封装器件始终工作在一个合适、安全的温度环境。

发明内容

本发明目的是在实现三维封装，减小封装尺寸，提高集成度，提升电路性能的同时，通过散热功能设计，及时吸收带走功能芯片工作时产生的大量的热量，使整个封装器件工作在一个合适、安全的温度。

为了达到既通过三维封装提高集成度，又可以进行有效地热管理使工作温度保持在一个合适、安全的水平，本发明公开了三维封装以及散热的原理和方法。

传统的散热方法主要有风扇散热、水循环散热等，还可以通过热沉等物理设计达到散热的目的。风扇散热主要是利用风扇的机械作用形成空气的对流并和封装体之间进行热交换，从而达到散热的目的；水循环散热主要是利用水流循环通过封装体不断吸收封装体散发的热量，从而达到散热的目的。传统的散热主要是对封装体进行散热，而没有对封装体内的芯片直接进行散热。在对封装体进行散热时，由于封装体内的芯片和封装体外壳之间可能存在温度梯度，即使能够将封装体的温度降到较低时，封装体内的芯片温度仍有可能很高。本发明公开的三维封装的散热方法是直接对封装体内的芯片进行散热和温度控制。

从本发明的三维封装结构来看，上下层芯片电路通过硅通孔和微凸点进行互连，从而实现集成了不同设计电路的不同功能芯片直接堆叠，达到在一个小体积内实现复杂多功能电路的目的。硅通孔是一种垂直穿过芯片的互连，主要用铜柱或铝柱实现芯片的上下互连。为了增大上下层芯片间的距离便于散热剂的流动和散热，在硅通孔的上下两端都安装一个微凸点，然后按照互连线走线设计，上下层芯片电路通过微凸点的直接接触实现互连。上下层通过微凸点接触实现互连的一个好处是可以增大上下层芯片间的空间距离，便于散热剂的流动和散热。若通过一个焊球进行电互连，一是焊球体积较大，占据空间较大，不利于散热；二是若要达到相同的芯片间的空间距离，用一个焊球进行电互连时焊球间距相较于用两个微凸点进行接触互连时微凸点间距要小很多，焊球间距过小容易导致逻辑电路问题。

从本发明的散热方式来看，本发明可以实现对封装体内的芯片直接进行散热。散热剂循环流过封装体内的芯片，从而能够有效地带走芯片工作时产生的热量，使散热更有效率，更有针对性。同时还可以控制封装进出口的流量和流速，从而根据实际情况进行调节，从而使得散热具有可控性。

本发明的优点在于：

1、通过微凸点的接触实现上下层芯片间的垂直互连，在提高集成度，减小封装体的体积的同时，能够给上下层芯片提供较大的空间距离，便于散热和散热剂的流动。

2、通过散热剂和芯片间的直接接触，可以直接对封装体内的芯片进行散热，从而散热更有针对性，更有效率。

3、可以根据芯片实际工作情况，调节封装体进出口散热剂的流量和流速，使得散热具有可控性。

附图说明

图1单个芯片的垂直互连