带散热功能的三维堆叠芯片及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及电子封装【技术领域】，特别涉及一种带散热功能的三维堆叠芯片及其制造方法，芯片包括顶层芯片单元、底层芯片单元及芯片基板。顶层芯片单元垂直连接在底层芯片单元的上方；芯片基板与底层芯片单元的底部连接。本发明提供的带散热功能的三维堆叠芯片及其制造方法，高热导率的散热单元制作工艺成熟、结构简单、制作成本低。散热单元将堆叠芯片热量直接从芯片内部传导至封装体外部进行散热，散热效率高。同时，在散热单元的上、下表面制作孔、槽、缝等结构，使散热层在长宽高尺寸一定的情况下，散热面积有效的增大，从而增加了散热单元的散热效率。
【专利说明】带散热功能的三维堆叠芯片及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子封装【技术领域】，特别涉及一种带散热功能的三维堆叠芯片及其制造方法。
【背景技术】
[0002]在三维堆叠的芯片结构中，内部芯片的热量难以散出，因此堆叠芯片的最高温度会出现在内部芯片中，而内部芯片节温太高，容易使芯片失效，限制了整个器件的集成度和功率的提高。目前，对三维堆叠芯片结构散热处理得最好的方案是在封装芯片的内部设置一定高度、宽度及长度的工艺微流道，液体从微流道进入，带走芯片传导至该散热结构的热量；这种方案微流道制作工艺要求高，加工难度大，制作成本高。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本较低，并且散热效果好的带散热功能的三维堆叠芯片及其制造方法。
[0004]为解决上述技术问题，本发明提供了一种带散热功能的三维堆叠芯片，包括顶层芯片单元、底层芯片单元及芯片基板；所述顶层芯片单元垂直连接在所述底层芯片单元的上方；所述芯片基板与所述底层芯片单元的底部连接。所述顶层芯片单元包括第一散热单元、第一芯片及第一塑封层；所述第一散热单元的上、下表面分别倒装互联至少一个所述第一芯片；所述塑封层填充在所述第一散热单元上、下两侧的所述第一芯片的装配区域。所述底层芯片单元包括第二散热单元、第二芯片及第二塑封层；所述第二散热单元的下表面倒装互联至少一个所述第二芯片；所述塑封层填充在所述第二散热单元下侧的所述第二芯片的装配区域。所述第一散热单元及所述第二散热单元的上、下表面设置有散热槽。
[0005]进一步地，所述第一散热单元及所述第二散热单元为高热导率材料。
[0006]进一步地，所述散热单元为高热导率的陶瓷基板或高热导率的硅基板。
[0007]进一步地，所述散热槽为圆锥形状，或为贯穿所述散热单元两端的三棱柱形状。
[0008]本发明还提供了一种带散热功能的三维堆叠芯片的制造方法，包括:选取第一散热单元及第二散热单元，并在所述第一散热单元及第二散热单元的上、下表面分别刻蚀散热槽；选取一个已经刻蚀散热槽的所述第一散热单元，在所述第一散热单元的上、下表面分别倒装互联至少一个芯片，并用塑封剂进行塑封，构成顶层芯片单元；选取一个已经刻蚀散热槽的所述第二散热单元，在所述第二散热单元的下表面倒装互联至少一个芯片，并用塑封剂进行塑封，形成底层芯片单元；将所述底层芯片单元的顶部通过芯片连接材料压合在所述顶层芯片单元的底部；或将至少两个所述底层芯片单元垂直堆叠形成一个芯片模块，将所述芯片模块的顶部通过芯片连接材料压合在所述顶层芯片单元的底部；选取芯片基板，将所述底层芯片单元的底部通过芯片连接材料连接在所述芯片基板上；或将所述芯片模块的底部通过芯片连接材料连接在所述芯片基板上。
[0009]进一步地，所述塑封剂采用底部填充胶或各项异性导电胶。[0010]进一步地，所述芯片连接材料采用异向导电胶。
[0011 ] 进一步地，所述散热单元采用陶瓷材料或硅基材料。
[0012]本发明提供的带散热功能的三维堆叠芯片及其制造方法，高热导率的散热单元制作工艺成熟、结构简单、制作成本低。散热单元将堆叠芯片热量直接从芯片内部传导至封装体外部进行散热，散热效率高。同时，在散热单元的上、下表面制作孔、槽、缝等结构，使散热层在长宽高尺寸一定的情况下，散热面积有效的增大，从而增加了散热单元的散热效率。本发明提供的带散热功能的三维堆叠芯片的制造方法，先分别制造上层芯片单元和下层芯片单元，最后再进行多个芯片单元的堆叠组装，这种方法解决了因塑封工艺不能完全封装高度较高的芯片堆叠结构所带来的困难。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例提供的带散热功能的三维堆叠芯片结构示意图；
[0014]图2为本发明实施例提供的设置有三棱柱形状散热槽的第一散热单元主视图；
[0015]图3为本发明实施例提供的设置有三棱柱形状散热槽的第一散热单元俯视图；
[0016]图4为本发明实施例提供的设置有圆锥形状散热槽的第一散热单元主视图；
[0017]图5为本发明实施例提供的设置有圆锥形状散热槽的第一散热单元俯视图；
[0018]图6为本发明实施例提供的顶层芯片单元结构示意图；
[0019]图7为本发明实施例提供的底层芯片单元结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]参见图1-图7，本发明实施例提供的一种带散热功能的三维堆叠芯片，包括顶层芯片单元101、底层芯片单元201及芯片基板5。顶层芯片单元101垂直连接在底层芯片单元201的上方；芯片基板5与底层芯片单元201的底部连接。顶层芯片单元101包括第一散热单元2、第一芯片I及第一塑封层6 ;第一散热单元2的上、下表面分别倒装互联至少一个第一芯片I (本发明实施例中，第一散热单兀2的上、下表面分别倒装互联两个第一芯片I);塑封层6填充在第一散热单元2上、下两侧的第一芯片I的装配区域。底层芯片单元201包括第二散热单元3、第二芯片4及第二塑封层7 ;第二散热单元3的下表面倒装互联至少一个第二芯片4 (本发明实施例采用两个第二芯片4);第二塑封层7填充在第二散热单元3下侧的第二芯片4的装配区域。第一散热单元2及第二散热单元3为高热导率材料(如陶瓷材料或硅基材料)；参见图2-图5，第一散热单元2及第二散热单元3的上、下表面设置有多个散热槽；需要说明的是，在第一散热单元2和第二散热单元3的上、下表面的中间安装芯片的区域不刻蚀散热槽；散热槽为圆锥形状，或为贯穿散热单元(包括第一散热单元2和第二散热单元3)两端的三棱柱形状(采用三棱柱形状的散热槽时，多个散热槽互相平行)。本发明实施例中，散热单元为高热导率的陶瓷基板或高热导率的硅基板。
[0021]参见图1-图7，本发明实施例还提供了一种带散热功能的三维堆叠芯片的制造方法，包括:步骤10:选取第一散热单元2及第二散热单元3，并在第一散热单元2和第二散热单元3的上、下表面刻蚀多个散热槽。第一散热单元2和第二散热单元3选用高热导率材料(如陶瓷材料或硅基材料)，散热槽为圆锥形状，或为贯穿散热单元(包括第一散热单元2和第二散热单元3)两端的三棱柱形状(采用三棱柱形状的散热槽时，多个散热槽互相平行)。需要注意的是，第一散热单元2和第二散热单元3的上、下表面的中间安装芯片的区域不刻蚀散热槽。步骤20:选取一个已经刻蚀散热槽的第一散热单元2，在第一散热单元2的上、下表面分别倒装互联至少一个第一芯片1(本发明实施例中，第一散热单元2的上、下表面分别倒装互联两个第一芯片1)，并用塑封剂(如底部填充胶或各向异性导电胶)进行塑封，构成顶层芯片单元101，顶层芯片单元101的最底端为裸露的芯片金属球。步骤30:选取一个已经刻蚀散热槽的第二散热单元3，在第二散热单元3的下表面倒装互联至少一个第二芯片4 (本发明实施例采用两个第二芯片4)，并用塑封剂(如底部填充胶或各向异性导电胶)进行塑封，形成底层芯片单元201，底层芯片单元201的最底端为裸露的芯片金属球。步骤40:将底层芯片单元201的顶部通过芯片连接材料(如异向导电胶)压合在顶层芯片单元101的底部；或将至少两个底层芯片单元201 (本发明实施例采用两个)垂直堆叠形成一个芯片模块，将芯片模块的顶部通过芯片连接材料(如异向导电胶)压合在顶层芯片单元101的底部。步骤50:选取芯片基板5(环氧树脂基板或娃基板),将底层芯片单兀201的底部通过芯片连接材料(如异向导电胶)连接在芯片基板5上；或使用多个底层芯片单元201形成的芯片模块时，将芯片模块的底部通过芯片连接材料(如异向导电胶)连接在芯片基板5上。
[0022]本发明提供的带散热功能的三维堆叠芯片及其制造方法，高热导率的散热单元制作工艺成熟、结构简单、制作成本低。散热单元将堆叠芯片热量直接从芯片内部传导至封装体外部进行散热，散热效率高。同时，在散热单元的上、下表面制作孔、槽、缝等结构，使散热层在长宽高尺寸一定的情况下，散热面积有效的增大，从而增加了散热单元的散热效率。本发明提供的带散热功能的三维堆叠芯片的制造方法，先分别制造上层芯片单元和下层芯片单元，最后再进行多个芯片单元的堆叠组装，这种方法解决了因塑封工艺不能完全封装高度较高的芯片堆叠结构所带来的困难。
[0023]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种带散热功能的三维堆叠芯片，其特征在于，包括顶层芯片单元、底层芯片单元及芯片基板；所述顶层芯片单元垂直连接在所述底层芯片单元的上方；所述芯片基板与所述底层芯片单元的底部连接； 所述顶层芯片单元包括第一散热单元、第一芯片及第一塑封层；所述第一散热单元的上、下表面分别倒装互联至少一个所述第一芯片；所述塑封层填充在所述第一散热单元上、下两侧的所述第一芯片的装配区域； 所述底层芯片单元包括第二散热单元、第二芯片及第二塑封层；所述第二散热单元的下表面倒装互联至少一个所述第二芯片；所述塑封层填充在所述第二散热单元下侧的所述第二芯片的装配区域； 所述第一散热单元及所述第二散热单元的上、下表面设置有散热槽。
2.根据权利要求1所述的带散热功能的三维堆叠芯片，其特征在于，所述第一散热单元及所述第二散热单元为高热导率材料。
3.根据权利要求2所述的带散热功能的三维堆叠芯片，其特征在于，所述散热单元为高热导率的陶瓷基板或高热导率的硅基板。
4.根据权利要求1所述的带散热功能的三维堆叠芯片，其特征在于，所述散热槽为圆锥形状，或为贯穿所述散热单元两端的三棱柱形状。
5.一种带散热功能的三维堆叠芯片的制造方法，其特征在于，包括: 选取第一散热单元及第二散热单元，并在所述第一散热单元及第二散热单元的上、下表面分别刻蚀散热槽； 选取一个已经刻蚀散热槽的所述第一散热单元，在所述第一散热单元的上、下表面分别倒装互联至少一个芯片，并用塑封剂进行塑封，构成顶层芯片单元；选取一个已经刻蚀散热槽的所述第二散热单元，在所述第二散热单元的下表面倒装互联至少一个芯片，并用塑封剂进行塑封，形成底层芯片单元； 将所述底层芯片单元的顶部通过芯片连接材料压合在所述顶层芯片单元的底部；或将至少两个所述底层芯片单元垂直堆叠形成一个芯片模块，将所述芯片模块的顶部通过芯片连接材料压合在所述顶层芯片单元的底部； 选取芯片基板，将所述底层芯片单元的底部通过芯片连接材料连接在所述芯片基板上；或将所述芯片模块的底部通过芯片连接材料连接在所述芯片基板上。
6.根据权利要求5所述的带散热功能的三维堆叠芯片的制造方法，其特征在于，所述塑封剂采用底部填充胶或各项异性导电胶。
7.根据权利要求5所述的带散热功能的三维堆叠芯片的制造方法，其特征在于，所述芯片连接材料采用异向导电胶。
8.根据权利要求5所述的带散热功能的三维堆叠芯片的制造方法，其特征在于，所述散热单元采用陶瓷材料或硅基材料。
【文档编号】H01L23/367GK103839903SQ201410086565
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2014年3月10日
【发明者】王启东, 邱德龙, 吴晓萌, 曹立强, 于大全, 谢慧琴, 张迪 申请人:中国科学院微电子研究所