一种散热的多芯片框架封装结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件封装领域中的散热技术，尤其涉及一种散热的多芯片框架封装结构及其制备方法。

背景技术：

随着电子工程的发展，小型化、轻量化及功能化的需求日渐增加，导致半导体封装密度不断增加。从一个组件的开发，逐渐进入到了集结多个组件成为一个系统的阶段，在随着产品高效能及外观轻薄的要求的带动下，不同功能的芯片迈向整合的阶段。在此期间，封装技术的不断发展和突破，成为推动整合的力量之一。多芯片封装技术的一个最重要的应用—系统级封装(SiP，System in Package)概念随即被提出，SiP的封装形态多样，不同的芯片排列方式及内部接合技术可依照客户或产品的需求加以克制化或弹性生产，适用于各种消费性产品市场。SiP技术对于半导体芯片封装的整体成本、性能及可靠度有着巨大的贡献。

方形扁平无引脚封装(QFN，Quad Flat No-lead Package)，其外观多为矩形，元件底部具有水平焊端，在中央有一个用来导热的焊盘，围绕大焊盘的外围四周有实现电气连接的焊端，芯片把热量通过封装底部的导热焊盘传导到PCB上，来进行散热。现有的框架SiP封装，集成了多颗芯片，使得总功耗急剧增大，封装底部的散热通道不足以把芯片的热量都传导到PCB上，从而极易导致整个框架封装系统因过热而失效。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种散热的多芯片框架封装结构及其制备方法。

本发明实施例提供的散热的多芯片框架封装结构，包括：

至少一个导电焊盘，所述导电焊盘用于提供芯片管脚与封装体外部管脚的电性连接路径；导热焊盘；放置在所述导热焊盘上方的至少两个底层半导体芯片；设置在最上层半导体芯片上方的金属散热器，所述金属散热器用于为下方的半导体芯片提供散热通道。

本发明实施例中，所述封装结构还包括：

放置在所述底层半导体芯片的上方的一个或者多个上层半导体芯片。

本发明实施例中，所述封装结构还包括：

塑封体，所述导电焊盘、导热焊盘、底层半导体芯片、上层半导体芯片以及金属散热器位于所述塑封体内部，所述塑封体上表面与所述金属散热器的上表面平齐，且所述金属散热器上表面裸露于所述塑封体。

本发明实施例中，所述封装结构还包括：

金属散热盖，所述金属散热盖位于所述塑封体的上表面且与所述金属散热器相接触。

本发明实施例中，所述底层半导体芯片通过金属打线的形式与所述导电焊盘电连接，所述上层半导体芯片通过金属打线的形式与所述底层半导体芯片以及所述导电焊盘电连接。

本发明实施例提供的散热的多芯片框架封装结构的制备方法，包括：

设置导热焊盘；

在所述导热焊盘的周围设置至少一个导电焊盘，所述导电焊盘用于提供芯片管脚与封装体外部管脚的电性连接路径；

在所述导热焊盘的上方放置至少两个底层半导体芯片；

在最上层半导体芯片上方设置金属散热器，所述金属散热器用于为下方的半导体芯片提供散热通道。

本发明实施例中，所述方法还包括：

在所述底层半导体芯片的上方放置一个或者多个上层半导体芯片。

本发明实施例中，所述方法还包括：

将所述导电焊盘、导热焊盘、底层半导体芯片、上层半导体芯片以及金属散热器封装在塑封体内部；

在所述塑封体的上表面进行打磨，以使所述塑封体上表面与所述金属散热器的上表面平齐，且所述金属散热器上表面裸露于所述塑封体。

本发明实施例中，所述方法还包括：

在所述塑封体的上表面设置金属散热盖，所设置的金属散热盖与所述金属散热器相接触。

本发明实施例中，所述方法还包括：

通过金属打线的形式电连接所述底层半导体芯片与所述导电焊盘；

通过金属打线的形式电连接所述上层半导体芯片与所述底层半导体芯片以及所述导电焊盘。

本发明实施例的技术方案中，散热的多芯片框架封装结构具有良好的散热特性，该封装结构包括：至少一个导电焊盘，所述导电焊盘用于提供芯片管脚与封装体外部管脚的电性连接路径；导热焊盘；放置在所述导热焊盘上方的至少两个底层半导体芯片；设置在最上层半导体芯片上方的金属散热器，所述金属散热器用于为下方的半导体芯片提供散热通道。可见，本发明实施例中的多芯片框架封装结构中，为每个最上层的半导体芯片添加一个金属散热器，所述金属散热器可以根据不同半导体芯片的尺寸和散热要求分别设置不同的散热器结构，可以极大地提高多芯片框架封装结构设计的灵活性。对于堆叠后高度不一致的芯片分别设置不同高度的金属散热器，从而使得整体结构高度可控。最后在金属散热器的上表面添加金属散热盖，本发明实施例的封装结构可以有效地增加各半导体芯片的散热通道，提高整个封装系统的散热能力。

附图说明

图1为本发明实施例中导电焊盘与导热焊盘所形成的的框架结构示意图；

图2为本发明实施例中导热焊盘上放置多个芯片后的封装结构示意图；

图3为本发明实施例中加入散热器后封装结构示意图；

图4为本发明实施例中制作完成的封装结构示意图一；

图5为本发明实施例中封装结构示意图二；

图6是本发明实施例中封装结构示意图三；

图7是本发明实施例中封装结构示意图四；

图8为本发明实施例的散热的多芯片框架封装结构的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本发明实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本发明实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明实施例。

为了解决现有SiP框架封装结构散热能力不足，容易导致整个SiP框架封装系统失效的问题，本发明实施例提供了一种具有良好散热特性的多芯片框架封装结构及其制备方法，所述封装结构可以有效增加框架SIP封装散热通道，提高封装结构导热性。

本发明实施例的散热的多芯片框架封装结构，包括：

至少一个导电焊盘，所述导电焊盘用于提供芯片管脚与封装体外部管脚的电性连接路径；导热焊盘；放置在所述导热焊盘上方的至少两个底层半导体芯片；设置在最上层半导体芯片上方的金属散热器，所述金属散热器用于为下方的半导体芯片提供散热通道。

在一种实施方式中，所述封装结构还包括：放置在所述底层半导体芯片的上方的一个或者多个上层半导体芯片。当然，所述封装结构也可以不包括上层半导体芯片，可以根据实际情况对上层半导体芯片的数目进行设置。

所述导电焊盘、导热焊盘、底层半导体芯片、上层半导体芯片以及金属散热器位于塑封体内部，所述塑封体上表面与所述金属散热器的上表面平齐，且所述金属散热器上表面裸露于所述塑封体。

位于所述塑封体的上表面具有金属散热盖，所述金属散热盖与所述金属散 热器相接触。

在一种实施方式中，所述底层半导体芯片可以通过金属打线的形式与所述导电焊盘电连接，所述上层半导体芯片可以通过金属打线的形式与所述底层半导体芯片以及所述导电焊盘电连接。

下面结合具体应用场景对本发明实施例的散热的多芯片框架封装结构进行详细的解释说明。

参照图4，封装结构包括：至少一个导电焊盘101，所述导电焊盘101用于提供芯片管脚与封装体外部管脚的电性连接路径；

导热焊盘102，所述导热焊盘102为金属材料制成；

至少两个底层半导体芯片103，所述底层半导体芯片平铺放置于所述导热焊盘102的上方，在所述底层半导体芯片103的上方可以放置一个或者多个上层半导体芯片202，所述底层半导体芯片103可以通过金属打线的形式与所述导电焊盘101进行电连接，所述上层半导体芯片可以通过金属打线的形式与所述底层半导体芯片103以及所述导电焊盘101进行电连接；

金属散热器109，所述金属散热器109位于所述上层半导体芯片202以及未放置上层半导体芯片的底层半导体芯片103上方，用于为其下方的芯片提供散热通道；

塑封体108，所述导电焊盘101、导热焊盘102、底层半导体芯片103、上层半导体芯片202以及金属散热器109都位于所述塑封体108内部，所述塑封体108上表面与所述金属散热器109的上表面平齐，且所述金属散热器109上表面裸露于所述塑封体108；

金属散热盖110，所述金属散热盖110位于所述塑封体108的上表面且与所述金属散热器109相接触。

上述方案中，所述金属散热器109为锯齿形金属散热器109，当然，金属散热器109还可以为其他形状，金属散热器109的形状可以根据具体应用情况进行制备。

本发明实施例还提供了一种散热的多芯片框架封装结构的制备方法，如图 8所示，所述散热的多芯片框架封装结构的制备方法包括以下步骤：

步骤801：设置导热焊盘。

步骤802：在所述导热焊盘的周围设置至少一个导电焊盘，所述导电焊盘用于提供芯片管脚与封装体外部管脚的电性连接路径。

本发明实施例中，制备多芯片封装的引线框架，所述框架包括一个导热焊盘，及所述导热焊盘四周至少提供一个导电焊盘。

本发明实施例中，导热焊盘及导电焊盘材料为合金42(Alloy42)、铜合金及Kovar合金(Fe-Ni-Co)中的一种。

步骤803：在所述导热焊盘的上方放置至少两个底层半导体芯片。

本发明实施例中，所述底层半导体芯片至少为两个且平铺放置。

本发明实施例中，在所述底层半导体芯片的上方放置一个或者多个上层半导体芯片。

本发明实施例中，通过金属打线的形式电连接所述底层半导体芯片与所述导电焊盘；通过金属打线的形式电连接所述上层半导体芯片与所述底层半导体芯片以及所述导电焊盘。

具体地，在所述底层半导体芯片上表面制备金属凸块。在所述底层半导体芯片上表面的金属凸块与所述导电焊盘之间制备电性互连线。在所述上层半导体芯片上表面制备金属凸块。在所述上层半导体芯片上表面的金属凸块之间，所述上层半导体芯片上表面的金属凸块与所述底层半导体芯片上表面金属凸块之间以及所述上层半导体芯片的上表面金属凸块与所述导电焊盘之间制备电性互连线。

本发明实施例中，电性互连线的制备方法为超声波键合、热压键合中的一种打线键合技术。电性互连线的材料可以为铝、金、银、铜、钯中的一种。

本发明实施例中，金属凸块的材料为金、铅锡合金中的一种。

步骤804：在最上层半导体芯片上方设置金属散热器，所述金属散热器用于为下方的半导体芯片提供散热通道。

本发明实施例中，金属散热器的材料为铜。

本发明实施例中，在完成芯片的堆叠后，在最上层半导体芯片的上表面制备金属散热器，并对封装体进行塑封。将所述导电焊盘、导热焊盘、底层半导体芯片、上层半导体芯片以及金属散热器封装在塑封体内部。在所述塑封体的上表面进行打磨，以使所述塑封体上表面与所述金属散热器的上表面平齐，且所述金属散热器上表面裸露于所述塑封体。

本发明实施例中，塑封体的制备方法为转移成型技术、喷射成型技术、预成型技术中的一种。塑封体的材料为酚醛树脂、硅胶树脂中的一种。

本发明实施例中，在所述塑封体的上表面设置金属散热盖，所设置的金属散热盖与所述金属散热器相接触。

本发明实施例中，金属散热盖的材料为铜、金、银、铝中的一种。

下面结合具体应用场景对本发明实施例的散热的多芯片框架封装结构的制备方法进行详细的解释说明。

参照图1，通过使用铿腾(Candence)SiP设计软件完成一种具有良好散热特性的多芯片框架封装结构的设计，制备封装结构时，首先提供至少一个导电焊盘101，提供导热焊盘102，所述导电焊盘101可以分布于所述导热焊盘102四周，所述导热焊盘102位于所述导电焊盘101的中央。

这里，使用合金42(Alloy42)作为所述导热焊盘102和所述导电焊盘101的材料，通过冲膜的方法制备出多芯片框架。

参照图2，在所述导热焊盘102上表面平铺放置两个底层半导体芯片103、201，所述底层半导体芯片103、201通过导电银胶104与所述导热焊盘102进行粘结。

在所述底层半导体芯片103和201上表面制备金属凸块105，所述金属凸块105材料为金。在所述底层半导体芯片103和201上表面的金属凸块105之间以及所述底层半导体芯片103、201上表面的金属凸块105与所述导电焊盘101之间通过热压键合技术，按照金属打线的形式完成电性互连线106的制备。所述金属互连线106的材料为金。

在所述底层半导体芯片201上继续放置一个上层半导体芯片202，所述上 层半导体芯片202通过芯片粘结薄膜107粘结在所述底层半导体芯片201的上方。在所述上层半导体芯片202上表面制备金属凸块105，在所述上层半导体芯片202上表面的金属凸块105与所述底层半导体芯片201上表面的金属凸块105之间以及所述上层半导体芯片202上表面的金属凸块105与所述导电焊盘101之间通过热压键合技术，按照金属打线的形式完成电性互连线106的制备。所述金属互连线的材料为金。

参照图3，在上层半导体芯片202以及未放置上层半导体芯片的底层半导体芯片103上设置锯齿形金属散热器109，所述锯齿形金属散热器109通过芯片粘结薄膜107与芯片进行粘结，根据不同高度的单芯片以及堆叠芯片选择不同高度的散热器，从而使得设置锯齿形金属散热器109后，整体高度保持一致。

通过转移成型技术选用硅胶树脂作为塑封料108的材料对整个结构进行塑封，在塑封完成后，所述导电焊盘101、导热焊盘102、底层半导体芯片103、上层半导体芯片202以及锯齿形金属散热器109都位于所述塑封体108内部。

参照图4，通过光化学刻蚀的方法将所述锯齿形金属散热器109上方的所述塑封体108去除，使得所述锯齿形金属散热器109的上表面裸露于空气之中。在所述锯齿形金属散热器109上表面涂布导热硅胶203至上表面与塑封体表面平齐。

在整个框架结构上方制备金属散热盖110，所述金属散热盖110通过导热硅胶203与所述锯齿形金属散热器109的上表面相连接。

参照图5，在图3所示的封装结构的基础上，直接打磨封装上表面的塑封料108，使得封装内部的锯齿形金属散热器109裸露出来，直接添加散热盖110。

参照图6，在图2所示的封装结构的基础上，在所述底层半导体芯片103上方放置上层半导体芯片，然后在上层半导体芯片上再添加锯齿形金属散热器109。以适应更多的应用场景。

参照图7，在图2所示的封装结构的基础上，在所述底层半导体芯片103上方放置上层半导体芯片，然后在上层半导体芯片上再添加直排式散热器204。以适应更多的应用场景。

本发明实施例的技术方案，具有很大的优势：

首先，通常堆叠式封装中下层的半导体芯片可由导热焊盘传导将热向下传递到PCB上，而上方芯片由于自然对流散热效果较差，造成表面温度较高不易散热。本发明中的多芯片框架结构通过为每个最上层的半导体芯片添加散热器的方法很好的解决了由于堆叠芯片数量增加，而导致的热传递问题。

其次，与现有技术相比，本发明实施例中的多芯片框架封装结构中，为每个最上层的半导体芯片添加一个散热器，所述散热器可以根据不同芯片的尺寸和散热要求分别设置不同的散热器结构，可以极大地提高多芯片框架封装散热结构设计的灵活性。而且对于堆叠后高度不一致的芯片分别设置不同高度的散热器，从而使得整体结构高度可控，也是本发明的一大亮点。

最后在散热器的上表面添加金属散热盖，所述结构可以有效地增加各芯片的散热通道，提高整个封装系统的散热能力。

本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和智能设备，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个第二处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬 件加软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。