内置高散热通路的板级扇出型封装结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及电子封装技术领域，具体涉及一种内置高散热通路的板级扇出型封装结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着电力电子、高铁、5g通讯以及物联网发展，除了传统电源管理芯片外，其他类型大功率芯片应用场景越来越广泛。一般而言，大功率芯片在运行时会伴随大量热量产生，若芯片散热效果不好，很有可能会影响芯片的性能及其使用寿命，因此热管理需求在微电子或电子制造行业重视程度与日俱增。热管理可以从散热和传热两个方面去理解，其中传热直接决定了芯片工作温度，温度过高将导致芯片工作效率下降。因此，开发新型热传导材料、热界面材料以及高效导热封装结构成为了一个新兴的热点方向。
3.目前，大功率芯片封装一般采用引线金属框架和陶瓷基板封装，引线金属框架封装一般封装厚度较厚，芯片发热最大区域原理金属框架或金属框架含低热导率材料，导致散热通路较长且热导率较低；陶瓷基板封装中，陶瓷基板价格昂贵且共烧结工艺复杂，导致该封装技术难以都大规模商业化应用。此外，少量功率芯片有机基板封装中，有机基板的热膨胀系数与芯片热膨胀系数难以匹配，高温工作状态可能出现翘曲失效以及热导率相对较低，难以使芯片热量导出；因此，开发新型的大功率芯片封装技术变得十分重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种内置高散热通路的板级扇出型封装结构及其制备方法，结合金属导热板高导热的优点，设计出一种大功率芯片封装技术，解决芯片热量难以导出的问题。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.一方面，提供一种内置高散热通路的板级扇出型封装结构的制备方法，包括以下步骤：
7.s10、提供金属导热板，采用洗涤剂对所述金属导热板进行清洗，并吹干；
8.s20、对所述金属导热板进行打孔，使所述金属导热板沿其厚度方向形成若干散热孔；
9.s30、对所述金属导热板的两侧以及散热孔的内壁做绝缘化处理，形成介质层；
10.s40、通过电镀在所述散热孔内形成导电柱，以及在所述金属导热板的两侧形成与所述导电柱电连接的布线层；
11.s50、提供若干芯片，所述芯片的pad口与所述布线层电连接；
12.s60、对所述芯片进行塑封，形成包覆所述芯片和所述布线层的塑封层，完成芯片封装。
13.作为内置高散热通路的板级扇出型封装结构的制备方法的一种优选方案，步骤s40具体包括：
14.s40a、通过真空溅射在所述介质层上形成种子层；
15.s40b、提供感光干膜，将所述感光干膜贴附于所述种子层上；
16.s40c、经过曝光、显影处理，在所述感光干膜上形成通孔和使所述种子层外露于所述感光干膜的通孔的图形化孔；
17.s40d、进行电镀处理，在所述散热孔内形成导电柱，以及在所述图形化孔内形成与所述导电柱电连接的布线层；
18.s40e、去除残留的所述感光干膜；
19.s40f、提供蚀刻液，采用所述蚀刻液对所述感光干膜被去除后外露的种子层进行蚀刻处理，以去除该种子层。
20.作为内置高散热通路的板级扇出型封装结构的制备方法的一种优选方案，步骤s50中，所述芯片与所述布线层采用锡膏、银浆或液态金属材料通过印刷电路板的方式完成互连工艺。
21.作为内置高散热通路的板级扇出型封装结构的制备方法的一种优选方案，步骤s20中，所述金属导热板先按照每颗所述芯片的尺寸进行区域划分，并完成预切割后再进行打孔；步骤s60中，所述芯片完成封装后，再进行切割处理，分割成单个所述芯片。
22.作为内置高散热通路的板级扇出型封装结构的制备方法的一种优选方案，所述金属导热板包括金属热沉、金属板、因瓦合金板和金刚石导热板；其中，金属板为单层或多层结构。
23.作为内置高散热通路的板级扇出型封装结构的制备方法的一种优选方案，所述介质层采用的绝缘材料包括有机介质胶、派瑞林薄膜、绝缘二氧化硅涂层以及绝缘氮化硅涂层。
24.作为内置高散热通路的板级扇出型封装结构的制备方法的一种优选方案，步骤s20中，所述金属导热板打孔的方式包括机械钻孔、激光打孔和水刀加工打孔。
25.另一方面，提供一种内置高散热通路的板级扇出型封装结构，采用上述制备方法制得，包括：
26.金属导热板，所述金属导热板沿其厚度方向开设有若干散热孔；
27.介质层，铺设于所述金属导热板的两侧以及所述散热孔的内壁；
28.导电柱，填充于所述散热孔内；
29.布线层，设置于所述介质层的两侧并与所述导电柱电连接；
30.若干芯片，若干所述芯片间隔分布于所述金属导热板上，且所述芯片的pad口与所述布线层电连接；
31.塑封层，所述塑封层包覆于所述芯片的外表面。
32.作为内置高散热通路的板级扇出型封装结构的一种优选方案，所述金属导热板的尺寸为300mm
×
300mm到800mm
×
800mm之间。
33.作为内置高散热通路的板级扇出型封装结构的一种优选方案，所述金属导热板的形状包括正方体和长方体。
34.本发明的有益效果：
35.(1)本发明采用面板级封装技术，包括扇入型和扇出型两种芯片封装，利用金属导热板自身刚性强度替代板级封装中的临时载板，直接内置于封装体中。
36.(2)本发明利用金属导热板的通孔技术，将芯片发热量最大的面与金属导热板完成互连，金属导热板的散热孔作为芯片的高散热通路，芯片所产生的热量可以通过高散热通路传导到金属导热板上，金属导热板利用高传热特性将热量迅速传出，防止芯片内部温度过高导致芯片烧坏等问题，实现高的空间利用率和高传热结构。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1是本发明一实施例所述的内置高散热通路的板级扇出型封装结构的制备方法的工艺流程图。
39.图2是本发明实施例一所述的金属导热板的剖视示意图。
40.图3是本发明实施例一所述的金属导热板打孔后的中间产品的剖视示意图。
41.图4是本发明实施例一所述的制作介质层后的中间产品的剖视示意图。
42.图5是本发明实施例一所述的制作种子层和感光干膜后的中间产品的剖视示意图。
43.图6是本发明实施例一所述的制作导电柱和布线层后的中间产品的剖视示意图。
44.图7是本发明实施例一所述的去除种子层和感光干膜后的中间产品的剖视示意图。
45.图8是本发明实施例一所述的芯片与布线层连接后的中间产品的剖视示意图。
46.图9是本发明实施例一所述的芯片塑封后的产品的剖视示意图。
47.图1至图9中：
48.1、金属导热板；2、介质层；3、导电柱；4、布线层；5、芯片；6、塑封层；7、种子层；8、感光干膜；100、散热孔。
具体实施方式
49.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
50.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
51.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
52.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件
之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.实施例一：
54.如图1所示，本发明提供一种内置高散热通路的板级扇出型封装结构的制备方法，包括以下步骤：
55.s10、提供金属导热板1，采用洗涤剂对金属导热板1进行清洗，并吹干，参考图2；
56.s20、对金属导热板1进行打孔，使金属导热板1沿其厚度方向形成若干散热孔100，参考图3；
57.s30、对金属导热板1的两侧以及散热孔100的内壁做绝缘化处理，形成介质层2，参考图4；
58.s40、通过电镀在散热孔100内形成导电柱3，以及在金属导热板1的两侧形成与导电柱3电连接的布线层4，参考图5
‑
7；
59.s50、提供若干芯片5，芯片5的pad口与布线层4电连接，参考图8；
60.s60、对芯片5进行塑封，形成包覆芯片5和布线层4的塑封层6，完成芯片5封装，参考图9。
61.本发明采用面板级封装技术，包括扇入型和扇出型两种芯片5封装，利用金属导热板1自身刚性强度替代板级封装中的临时载板，直接内置于封装体中，同时利用金属导热板1的通孔技术，将芯片5发热量最大的面与带有散热孔100结构的金属导热板1完成互连，实现高的空间利用率和高传热结构，金属导热板1的散热孔100结构作为芯片5的高散热通路，芯片5所产生的热量可以通过高散热通路传导到金属导热板1上，金属导热板1利用高传热特性将热量迅速传出，防止芯片5内部温度过高导致芯片5烧坏等问题。
62.本实施例所述的金属导热板1可以采用金属热沉或内置高导热基板，其中内置高导热基板包括金属板、因瓦合金板和金刚石导热板等高导热材料，采用金属导热板1经过绝缘化处理后作为基板，相较于普通的封装基板，其具有的高导热特性能够使芯片5产生的热量快速传导并散发出去，尤为适合一些大功率芯片5的封装结构。
63.其中，金属板不限于单层金属板，也可以为两层或者两层以上的多层结构，并且金属板的材料也不限于单一金属材料，也可以为两种单一的金属材料层叠组合，或者合金材料。
64.可选地，步骤s20中，金属导热板1打孔的方式包括机械钻孔、激光打孔和水刀加工打孔。其中，机械钻孔是指所采用的钻孔设备与待钻孔的金属导热板1之间直接接触。散热孔100的形状不受限制，可以为锥形、圆柱形或者长方柱型结构，例如，散热孔100为圆锥形结构时，其具体的深径比可根据金属导热板1的厚径比进行设计和加工。
65.并且，散热孔100开设完成后，还需要采用等离子体或者溶液清洗散热孔100以去除残渣。其中，清洗所采用的溶液为高锰酸钾，双氧水等强氧化剂中的任一种，可以有效去除开散热孔100后产生的残渣。
66.可选地，塑封层6的塑封材料可采用聚酰亚胺、硅胶和emc(epox
y molding compound，环氧塑封料)，本实施例优选emc，可以提高芯片5封装结构的稳定性，起到保护芯
片5的作用。
67.具体地，步骤s40包括：
68.s40a、通过真空溅射在介质层2上形成种子层7；
69.s40b、提供感光干膜8，将感光干膜8贴附于种子层7上，参考图5；
70.s40c、经过曝光、显影处理，在感光干膜8上形成通孔和使种子层7外露于感光干膜8的通孔的图形化孔；
71.s40d、进行电镀处理，在散热孔100内形成导电柱3，以及在图形化孔内形成与导电柱3电连接的布线层4，参考图6；
72.s40e、去除残留的感光干膜8；
73.s40f、提供蚀刻液，采用蚀刻液对感光干膜8被去除后外露的种子层7进行蚀刻处理，以去除该种子层7，参考图7。
74.其中，种子层7包括位于介质层2表面的钛金属层和位于钛金属层表面的铜金属层，钛金属层的附着力高、电导率优良且厚度均匀，通过钛金属层可以将铜金属层稳定附着在介质层2的表面。
75.当然，本实施例的种子层7不限于两层结构(钛金属层、铜金属层)，也可以为单层、两层或者两层以上的多层结构。种子层7的材料也不限于两种单一的金属材料层叠组合，也可以为一种单一金属材料，或者合金材料。
76.具体地，步骤s50中，芯片5与布线层4采用锡膏、银浆或液态金属材料通过印刷电路板的方式完成互连工艺。
77.更具体地，步骤s20中，为了保证图形化的准确性，需要先按照每颗芯片5的尺寸对金属导热板1进行区域划分，并完成预切割后，再依照实际需求图纸进行图形加工，完成打孔。
78.更具体地，步骤s60中，芯片5完成封装后，再进行切割处理，分割成单个芯片5。
79.可选地，介质层2采用的绝缘材料包括有机介质胶、派瑞林薄膜、绝缘二氧化硅涂层以及绝缘氮化硅涂层。
80.其中，有机介质胶具体采用喷涂辅助定向风淋，小于通孔直径插针添堵等技术制作成介质层2；
81.派瑞林薄膜具体采用热裂解镀膜；
82.而绝缘二氧化硅涂层和绝缘氮化硅涂层具体采用cvd(化学气相沉积技术)、pvd(物理气相沉积技术)以及化学镀等方式制得。
83.可选地，导电柱3的材料为cu、ag或au。
84.可选地，步骤s10中，洗涤剂可选用商用洗涤剂或自制溶剂对金属导热板1进行清洗。
85.如图8所示，本发明还提供一种内置高散热通路的板级扇出型封装结构，采用上述制备方法制得，包括：
86.金属导热板1，金属导热板1沿其厚度方向开设有若干散热孔100；
87.介质层2，铺设于金属导热板1的两侧以及散热孔100的内壁；
88.导电柱3，填充于散热孔100内；
89.布线层4，设置于介质层2的两侧并与导电柱3电连接；
90.若干芯片5，若干芯片5间隔分布于金属导热板1上，且芯片5的pad口与布线层4电连接；
91.塑封层6，塑封层6包覆于芯片5的外表面。
92.具体地，金属导热板1的尺寸为300mm
×
300mm到800mm
×
800mm之间，依据所需进行选定，形状可以为正方体或长方体。
93.实施例二：
94.本实施例中的内置高散热通路的板级扇出型封装结构的制备方法与上述实施例一基本相同，区别在于布线层4的制作方法。
95.步骤s40具体包括：
96.s40a、通过真空溅射在介质层2上形成种子层7；
97.s40b、进行电镀处理，在散热孔100内形成导电柱3，以及在种子层7上形成镀铜层；
98.s40c、提供感光干膜8，将感光干膜8贴附于镀铜层上；
99.s40d、经过曝光、显影处理，在感光干膜8上形成使部分镀铜层外露于感光干膜8的图形；
100.s40e、对外露于感光干膜8的镀铜层和种子层7进行蚀刻处理，形成与导电柱3电连接的布线层4；
101.s40f、去除残留的感光干膜8。
102.可选地，本实施例中的布线层4不仅限于使用镀铜层，也可以使用镀钛层，并且布线层4也可以为一层或多层结构，即可以根据产品需求将布线层4设计为一层、两层或者两层以上的多层结构。
103.可选地，本实施例的曝光显影处理过程不仅限于使用感光干膜8，也可以用光刻胶。
104.其中，种子层7包括位于介质层2表面的钛金属层和位于钛金属层表面的铜金属层，钛金属层的附着力高、电导率优良且厚度均匀，通过钛金属层可以将铜金属层稳定附着在介质层2的表面。
105.当然，本实施例的种子层7不限于两层结构(钛金属层、铜金属层)，也可以为单层、两层或者两层以上的多层结构。种子层7的材料也不限于两种单一的金属材料层叠组合，也可以为一种单一金属材料，或者合金材料。
106.需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本技术说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。