專(zhuān)利名稱(chēng)：芯片襯底、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于封裝組件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種芯片襯底、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的發(fā)展，電子封裝變得更輕、更薄、更小、功能更強(qiáng)，逐步滿足人類(lèi)對(duì)便捷、舒適、強(qiáng)大功能的追求，同時(shí)也對(duì)電子封裝提出了更高的要求。電子元件功耗的增加必然會(huì)導(dǎo)致電路發(fā)熱量的提高，從而使工作溫度不斷上升。一般來(lái)說(shuō)，在半導(dǎo)體器件中，溫度每升高18°C，失效的可能性就增加2 3倍。因此散熱成為制約電子元件向高功率和小型化發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。目前基本的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先將具有藍(lán)寶石或SiC襯底的芯片Ia焊接在銅熱沉3a上，然后再焊接到帶有線路層的鋁合金基板fe上，鋁合金基板再焊接于外部散熱組件7a上。芯片的熱量通過(guò)內(nèi)熱通路傳導(dǎo)至熱沉而后至基板，基板再將熱量傳導(dǎo)至外部散熱組件，散熱組件通過(guò)空氣對(duì)流或向外輻射散熱。焊料、銅熱沉及鋁合金的熱導(dǎo)率分別為 60ff/m · K,400ff/m · K和230W/m · K，這些材料的熱導(dǎo)率已經(jīng)不能滿足芯片向高功率特別是高功率密度發(fā)展的要求，采用串聯(lián)的散熱結(jié)構(gòu)其連接界面是散熱瓶頸，減少界面連接一方面能夠突破散熱瓶頸實(shí)現(xiàn)高效散熱；另一方面有利于其小型化、輕量化的發(fā)展。因此，研發(fā)更高導(dǎo)熱率的材料以及設(shè)計(jì)散熱更好的結(jié)構(gòu)成為電子元件向高功率和小型化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有封裝組件制造過(guò)程中采用的材料及結(jié)構(gòu)不適于封裝組件向高功率、小型化發(fā)展的需求，提出了一種芯片襯底、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件及其制造方法。一種芯片襯底、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件，該復(fù)合材料封裝組件由芯片、復(fù)合材料熱沉、外部散熱結(jié)構(gòu)、焊接層以及熱沉絕緣層組成；所述復(fù)合材料熱沉的上表面設(shè)有所述熱沉絕緣層，所述復(fù)合材料熱沉上表面設(shè)有一凹穴，所述芯片設(shè)于該復(fù)合材料熱沉的凹穴處，所述復(fù)合材料熱沉兼做上下電極結(jié)構(gòu)的芯片支撐襯底，又作為散熱熱沉及基板，形成芯片襯底、熱沉及基板一體化結(jié)構(gòu)；在所述復(fù)合材料熱沉與所述外部散熱結(jié)構(gòu)之間設(shè)置焊接層。所述的復(fù)合材料熱沉采用高導(dǎo)熱、低膨脹的復(fù)合材料，優(yōu)選金剛石/銅、金剛石/ 鋁、金剛石/銀，碳纖維/銅/鋁/銀等高導(dǎo)熱、低膨脹的復(fù)合材料。在所述熱沉絕緣層上鋪設(shè)線路層。所述熱沉絕緣層絕緣層材質(zhì)為金剛石、氮化鋁或者其他陶瓷膜。金剛石絕緣層可采用CVD法制備。
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所述熱沉絕緣層可做成引線框架形式。所述外部散熱結(jié)構(gòu)為鰭片、風(fēng)冷、水冷、熱管或者微通道散熱結(jié)構(gòu)。一種芯片襯底、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件的制造方法，其特征在于， 包括以下幾個(gè)步驟步驟一制備復(fù)合材料熱沉，在其上表面鍍絕緣層，再預(yù)設(shè)一凹穴，；步驟二將具有藍(lán)寶石或SiC襯底的芯片襯底剝離，轉(zhuǎn)移至復(fù)合材料熱沉上的凹穴處；步驟三將帶有芯片的復(fù)合材料熱沉釬焊于外部散熱組件上；步驟四在復(fù)合材料熱沉的表面覆上引線層。所述的復(fù)合材料熱沉可采用高導(dǎo)熱、低膨脹的復(fù)合材料，優(yōu)選金剛石/銅、金剛石 /鋁、金剛石/銀，碳纖維/銅/鋁/銀等高導(dǎo)熱、低膨脹的復(fù)合材料。所述熱沉絕緣層絕緣層材質(zhì)為金剛石、氮化鋁或者其他陶瓷膜。金剛石絕緣層可采用CVD法制備。目前的封裝器件中粘結(jié)層由于熱導(dǎo)率很低而成為熱量快速散發(fā)出去的主要障礙， 在散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少粘結(jié)的工序，確保導(dǎo)熱通道的暢通，降低器件的熱阻，而且選用高導(dǎo)熱材料也會(huì)有效地降低芯片結(jié)溫和熱阻。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明解決了制約電子元件向高功率和小型化發(fā)展的散熱瓶頸問(wèn)題。主體為復(fù)合材料熱沉，其上鍍有導(dǎo)熱絕緣層并且鋪設(shè)線路層，使其兼具傳統(tǒng)封裝基板的散熱通道、電氣連接和物理支撐的功能。將芯片激光垂直剝離后置于帶有絕緣層和線路層的復(fù)合材料熱沉上，熱沉與外部散熱結(jié)構(gòu)之間采用焊接方式連接。熱沉上涂覆絕緣層及線路層而取代基板，實(shí)現(xiàn)芯片襯底、熱沉及基板一體化，從而去除了連接芯片與熱沉、熱沉與基板之間的高熱阻、低導(dǎo)熱率焊料，從根本上解決了散熱的瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電子封裝組件的高功率和小型化。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的熱沉采用復(fù)合材料制成，一方面該材料的熱膨脹系數(shù)為5 8X10_6/K，與芯片材料的熱膨脹系數(shù)(Si為 4. IXlO-6A, GaAs為5.8Χ10_6/Κ)很匹配，因此芯片工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生由于熱失配而引起的芯片破裂損壞、強(qiáng)度下降、耐熱沖擊性降低、封裝裂紋、空洞等各種缺陷的問(wèn)題，另一方面該材料的熱導(dǎo)率可以達(dá)到650W/m · K，比銅等傳統(tǒng)的散熱材料的熱導(dǎo)率提高了 1. 5倍以上，有利于熱量向外傳送。本發(fā)明的復(fù)合材料熱沉可以實(shí)現(xiàn)鍍覆絕緣層和線路層，滿足常規(guī)封裝器件對(duì)基板的要求，同時(shí)復(fù)合材料具有可焊性，滿足與外部散熱結(jié)構(gòu)焊接的需要，另夕卜，激光垂直剝離芯片技術(shù)的成熟也為芯片與復(fù)合材料熱沉一體化提供了途徑。本發(fā)明適用于單芯片和多芯片陣列的封裝。


圖1是傳統(tǒng)典型的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的芯片、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中標(biāo)號(hào)Ia-芯片；2a_焊接層；3a_熱沉；4a_焊接層；5a_基板；6a_焊接層；7a_外部散熱組件；
圖2中標(biāo)號(hào)1-芯片；2-復(fù)合材料熱沉；3-焊接層；4-外部散熱結(jié)構(gòu)；5-熱沉絕緣層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，一種芯片襯底、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件，該復(fù)合材料封裝組件由芯片1、復(fù)合材料熱沉2、外部散熱結(jié)構(gòu)4、焊接層3以及熱沉絕緣層5組成；所述復(fù)合材料熱沉2的上表面鍍有所述熱沉絕緣層5，所述復(fù)合材料熱沉2上表面設(shè)有一凹穴，所述芯片1剝離至該復(fù)合材料熱沉2的凹穴處，所述復(fù)合材料熱沉2兼做上下電極結(jié)構(gòu)的芯片支撐襯底，又作為散熱熱沉及基板，形成芯片襯底、熱沉及基板一體化結(jié)構(gòu)；所述復(fù)合材料熱沉2與所述外部散熱結(jié)構(gòu)4之間采用焊接方式連接，在所述復(fù)合材料熱沉2與所述外部散熱結(jié)構(gòu)4之間形成焊接層3。在所述熱沉絕緣層5上鋪設(shè)線路層。所述熱沉絕緣層5絕緣層材質(zhì)為金剛石、氮化鋁或者其他陶瓷膜。結(jié)合圖2，上述芯片襯底、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件的制造方法包括以下幾個(gè)步驟步驟一制備復(fù)合材料熱沉2，將其加工成30mmX30mmX6mm的長(zhǎng)方體，一般而言，熱沉的形狀不限定，且不限于任何厚度，但以3mm以上為較佳的厚度，在其上鍍厚度為 0. 5 5 μ m的絕緣層5，接著進(jìn)行鉆孔制作工藝，如鐳射鉆孔或機(jī)械鉆孔，在熱沉上表面中間部位由鍍層鉆至復(fù)合材料基體以下，形成一凹穴，尺寸為2mmX2mmXl. 5mm ；步驟二 將具有藍(lán)寶石或SiC襯底的芯片1襯底剝離，移至復(fù)合材料熱沉2上的凹穴處，得到η面朝上的粘結(jié)在復(fù)合材料熱沉2上的外延片；步驟三將帶有芯片1的復(fù)合材料熱沉2加熱釬焊于外部散熱結(jié)構(gòu)4上；步驟四在復(fù)合材料熱沉2上的表面覆上引線層。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于復(fù)合材料熱沉2采用金剛石/銅、金剛石/鋁、金剛石/銀、或者碳纖維/銅/鋁/銀等高導(dǎo)熱、低膨脹的復(fù)合材料。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。當(dāng)熱沉2采用金剛石/銅復(fù)合材料時(shí)，封裝后得到20W芯片的結(jié)溫為138°C，比傳統(tǒng)的選用銅材料作為熱沉?xí)r芯片結(jié)溫降低 18%。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于絕緣層5采用CVD金剛石或AlN材料。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于焊接層3采用熱阻小的金錫AuSru錫銀SnAg或錫鉛Srfb合金焊料。其它組成和連接方式與具體實(shí)施
5方式一相同。當(dāng)采用AuSn焊料時(shí)，封裝后得到20W芯片的結(jié)溫為138°C，比采用粘結(jié)劑作為鍵合材料時(shí)結(jié)溫降低12%。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于芯片1 的功率為20W，其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同，封裝后得到芯片的結(jié)溫為 104. 9°C，比具有鍵合材料的封裝結(jié)構(gòu)的芯片結(jié)溫降低了對(duì)％。
權(quán)利要求
1.一種芯片襯底、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件，其特征在于該復(fù)合材料封裝組件由芯片(1)、復(fù)合材料熱沉O)、焊接層(3)、外部散熱結(jié)構(gòu)以及熱沉絕緣層 (5)組成；所述復(fù)合材料熱沉O)的上表面設(shè)有所述熱沉絕緣層(5)，所述復(fù)合材料熱沉(2)上表面設(shè)有一凹穴，所述芯片(1)設(shè)于該復(fù)合材料熱沉O)的凹穴處，所述復(fù)合材料熱沉O) 兼做上下電極結(jié)構(gòu)的芯片支撐襯底，又作為散熱熱沉及基板，形成芯片襯底、熱沉及基板一體化結(jié)構(gòu)；在所述復(fù)合材料熱沉( 與所述外部散熱結(jié)構(gòu)(4)之間設(shè)置焊接層(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的復(fù)合材料封裝組件，其特征在于所述的復(fù)合材料熱沉O) 采用高導(dǎo)熱、低膨脹的復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的復(fù)合材料封裝組件，其特征在于所述的復(fù)合材料熱沉O) 采用以下任意一種復(fù)合材料金剛石/銅、金剛石/鋁、金剛石/銀或者碳纖維/銅/鋁/ 銀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的復(fù)合材料封裝組件，其特征在于在所述熱沉絕緣層(5) 上鋪設(shè)線路層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的復(fù)合材料封裝組件，其特征在于所述熱沉絕緣層(5)絕緣層材質(zhì)為金剛石、氮化鋁或者其他陶瓷膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的復(fù)合材料封裝組件，其特征在于所述熱沉絕緣層(5)做成引線框架形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的復(fù)合材料封裝組件，其特征在于所述外部散熱結(jié)構(gòu)為鰭片、風(fēng)冷、水冷、熱管或者微通道散熱結(jié)構(gòu)。
8.—種芯片襯底、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件的制造方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟步驟一制備復(fù)合材料熱沉O)，在其上表面鍍絕緣層(5)，再預(yù)設(shè)一凹穴，；步驟二 將具有藍(lán)寶石或SiC襯底的芯片襯底剝離，轉(zhuǎn)移至復(fù)合材料熱沉(2)上的凹穴處；步驟三將帶有芯片(1)的復(fù)合材料熱沉( 釬焊于外部散熱組件(4)上；步驟四在復(fù)合材料熱沉O)的表面覆上引線層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的復(fù)合材料熱沉( 采用高導(dǎo)熱、 低膨脹的復(fù)合材料，所述高導(dǎo)熱、低膨脹的復(fù)合材料包括以下任意一種復(fù)合材料金剛石/ 銅、金剛石/鋁、金剛石/銀或者碳纖維/銅/鋁/銀。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述熱沉絕緣層( 絕緣層材質(zhì)為金剛石、氮化鋁或者其他陶瓷膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了封裝組件技術(shù)領(lǐng)域的一種芯片襯底、熱沉及基板一體化的復(fù)合材料封裝組件及其制造方法。它解決了制約電子元件向高功率和小型化發(fā)展的散熱瓶頸問(wèn)題。主體為復(fù)合材料熱沉，其上鍍有導(dǎo)熱絕緣層并且鋪設(shè)線路層，使其兼具傳統(tǒng)封裝基板的散熱通道、電氣連接和物理支撐的功能。將芯片激光垂直剝離后置于帶有絕緣層和線路層的復(fù)合材料熱沉上，熱沉與外部散熱結(jié)構(gòu)之間采用焊接方式連接。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了芯片襯底、熱沉及基板的一體化，降低了產(chǎn)品的熱阻，減少了封裝組件的結(jié)構(gòu)，不僅使芯片產(chǎn)生的熱量能夠快速散出，提高了產(chǎn)品的可靠性和使用壽命，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)封裝器件小型化、輕量化的需求。
文檔編號(hào)H01L23/36GK102487052SQ20101057897
公開(kāi)日2012年6月6日 申請(qǐng)日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者尹法章, 張習(xí)敏, 范葉明, 褚克, 郭宏, 韓媛媛 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院