本發(fā)明涉及一種基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)及制造方法，屬于微電子封裝技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

三維封裝能顯著減少信號(hào)互連延遲、提高芯片集成度、降低芯片成本，是未來的集成電路領(lǐng)域的發(fā)展方向。然而，隨著芯片集成度的提高，芯片工作過程中產(chǎn)生的熱量容易集中在封裝體內(nèi)，難以有效散出，目前散熱問題是制約三維封裝發(fā)展的主要原因之一。傳統(tǒng)的散熱手段如加熱沉、風(fēng)冷、液冷等，能夠?qū)⒎庋b體表面的溫度降低，但內(nèi)層芯片的熱量難以有效散出，而且隨著芯片堆疊層數(shù)的增加，現(xiàn)有的散熱裝置效果也越來越不明顯。

針對(duì)三維堆疊封裝的散熱問題，專利申請(qǐng)CN201210112868.1提出利用外界動(dòng)力驅(qū)動(dòng)散熱劑循環(huán)流過芯片將熱量帶走。這種結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)較好的散熱，但存在如下問題：

（1）可靠性問題：由于存在散熱劑，可能會(huì)存在散熱劑揮發(fā)、散熱劑泄露、散熱劑對(duì)焊球的腐蝕等問題，而且芯片長期泡在散熱劑中工作，芯片也會(huì)因此發(fā)生電學(xué)上的失效。

（2）在三維封裝體外，需要設(shè)置外殼密封、流速計(jì)、機(jī)械泵等，不僅帶來體積上的增加，而且?guī)沓杀镜脑黾印?/p>

（3）組裝過程復(fù)雜，可實(shí)現(xiàn)性不高。

專利申請(qǐng)CN201110432932.X提出了一種POP封裝結(jié)構(gòu)，在每一層載板上的底面設(shè)有散熱片，可以使每一層載板的溫度分布均勻，但存在如下問題：

（1）由于導(dǎo)熱路徑的限制，芯片上產(chǎn)生的熱可以平均分布到載板上，但熱依然不能有效地排出封裝體內(nèi)部，沒有從根本上解決疊層芯片的熱問題，中間層芯片仍會(huì)過熱。

（2）通過增加金屬散熱片并伸出到封裝體外，雖然能提高散熱面積，但與此同時(shí)帶來了體積的增加，而且自然對(duì)流下的對(duì)流系數(shù)太小，自然對(duì)流下這種結(jié)構(gòu)的散熱效果不明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本部分的目的在于概述本發(fā)明的實(shí)施例的一些方面以及簡要介紹一些較佳實(shí)施例。在本部分以及本申請(qǐng)的說明書摘要和發(fā)明名稱中可能會(huì)做些簡化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發(fā)明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用于限制本發(fā)明的范圍。

鑒于上述和/或現(xiàn)有半導(dǎo)體封裝中存在的三維堆疊封裝的散熱問題，提出了本發(fā)明。

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)及制造方法，這種散熱結(jié)構(gòu)不僅工藝簡單，制作成本低，與現(xiàn)有封裝工藝兼容，而且同比可以實(shí)現(xiàn)大幅度降溫，有效解決多層（3層或3層以上）堆疊芯片的散熱問題，具有應(yīng)用價(jià)值。

按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)，包括依次堆疊于PCB板上的多層基板，在每一層基板的正面設(shè)置芯片，芯片的微凸點(diǎn)與基板正面的焊盤連接，基板的背面焊盤處形成BGA焊球；其特征是：在除最底層基板以外的每一層基板中設(shè)置通孔，通孔連通基板的正面和背面。

進(jìn)一步的，在最底層的基板中設(shè)置通孔。

進(jìn)一步的，所述上下層基板的通孔在豎直方向上位置一致。

進(jìn)一步的，最底層的基板上的通孔與其他各層基板上的通孔錯(cuò)開布置，除最底層基板以外的各個(gè)基板上的通孔在豎直方向上重合。

進(jìn)一步的，在每一層基板的背面設(shè)置芯片，芯片的微凸點(diǎn)與基板正面和背面的焊盤連接。

進(jìn)一步的，所述基板的堆疊層數(shù)為2層、3層或3層以上。

進(jìn)一步的，所述芯片為裸芯片或經(jīng)過封裝后的芯片。

進(jìn)一步的，所述基板為有機(jī)基板、陶瓷基板或Si轉(zhuǎn)接板。

進(jìn)一步的，所述通孔的位置分布在基板中央，或者在基板兩側(cè)。

所述基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征是，包括以下步驟：

（1）為每一層基板單獨(dú)預(yù)留制作通孔的空白位置，而且上下層基板的空白位置在豎直方向上一致；

（2）制作每一層基板，并在空白位置加工通孔；

（3）將芯片對(duì)準(zhǔn)基板的焊盤處，加熱回流，將芯片與基板通過微凸點(diǎn)組裝起來；

（4）在基板的背面焊盤處制作BGA焊球；

（5）將最下層基板對(duì)準(zhǔn)PCB板，其余上層基板一層層的堆疊起來，加熱回流。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）散熱效果好，能夠大幅度降低芯片溫度，有效解決多層（3層或3層以上）堆疊芯片的熱問題；

（2）適用性強(qiáng)，與現(xiàn)有工藝完全兼容，工藝簡單；

（3）成本低。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。其中：

圖1為本發(fā)明所述基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的第一種實(shí)施方式的剖面圖。

圖2為單層基板上的芯片布局圖。

圖3為風(fēng)冷散熱過程中封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氣流軌跡圖。

圖4為本發(fā)明所述基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的第二種實(shí)施方式的剖面圖。

圖5為本發(fā)明所述基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的第三種實(shí)施方式的剖面圖。

圖6為仿真驗(yàn)證的模型。

圖7為仿真驗(yàn)證的模型單層基板的芯片分布圖。

圖8為仿真驗(yàn)證的對(duì)比圖。

圖中標(biāo)號(hào)：芯片101、微凸點(diǎn)102、BGA焊球103、基板104、通孔105、PCB板106、氣流軌跡107。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合具體附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。

其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)施制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

如圖1所示：本發(fā)明所述基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的第一種實(shí)施方式，包括依次堆疊于PCB板106上的多層基板104，基板104的堆疊層數(shù)為4層；在每一層基板104的正面設(shè)置芯片101，芯片101采用倒裝芯片，芯片101的微凸點(diǎn)102與基板104正面的焊盤連接，基板104的背面焊盤處形成BGA焊球103；在所述每一層基板104中設(shè)置通孔105，其中，最底層的基板104上可以打通孔105，也可以不打通孔；所述上下層基板104的通孔105在豎直方向上位置一致。

如圖4所示，本發(fā)明所述基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的第二種實(shí)施方式，包括依次堆疊于PCB板106上的多層基板104，基板104的堆疊層數(shù)為4層；在每一層基板104的正面設(shè)置芯片101，芯片101采用倒裝芯片，芯片101的微凸點(diǎn)102與基板104正面的焊盤連接，基板104的背面焊盤處形成BGA焊球103；在所述每一層基板104中設(shè)置通孔105，其中，最底層的基板104上的通孔105與其他各層基板104上的通孔105錯(cuò)開布置，除最底層的各個(gè)基板104上的通孔105在豎直方向上重合。

如圖5所示，本發(fā)明所述基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的第三種實(shí)施方式，包括依次堆疊于PCB板106上的多層基板104，基板104的堆疊層數(shù)為4層；在每一層基板104的正面和背面均設(shè)置芯片101，芯片101采用倒裝芯片，芯片101的微凸點(diǎn)102與基板104正面和背面的焊盤連接，基板104的背面焊盤處形成BGA焊球103；在所述每一層基板104中設(shè)置通孔105，上下各層基板104的通孔105在豎直方向上重合。

上述各個(gè)實(shí)施方式中，所述芯片101可以為裸芯片，也可以是經(jīng)過封裝后的芯片，封裝形式可以為扇出型封裝（Fan-out）、圓片級(jí)封裝（WLCSP）、四方扁平封裝（QFN）等形式。所述基板104可以為有機(jī)基板，也可以為陶瓷基板，也可以為Si轉(zhuǎn)接板。所述通孔105的位置可以分布在基板中央，也可以在基板兩側(cè)；可以有序分布，也可以隨機(jī)分布；可以為多個(gè)陣列的小孔，也可以為較大的孔。所述通孔105的制作方式可以為激光打孔，也可以為機(jī)械切削方式加工。

本發(fā)明所述的散熱結(jié)構(gòu)針對(duì)風(fēng)冷散熱，使用時(shí)需在封裝體上端置一風(fēng)扇，通風(fēng)后封裝體內(nèi)的氣流軌跡107如圖3所示。

本發(fā)明所述基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟：

（1）在三維堆疊封裝的電學(xué)設(shè)計(jì)中，為每一層基板104單獨(dú)預(yù)留一些制作通孔105的空白位置，而且上下層基板104的空白位置在豎直方向上一致；

（2）根據(jù)電學(xué)設(shè)計(jì)的版圖，制作每一層基板104，并在空白位置加工通孔105；

（3）芯片101采用倒裝芯片，對(duì)準(zhǔn)基板104正面的焊盤處，加熱回流，將芯片101與基板104通過微凸點(diǎn)102組裝起來；

（4）在基板104的背面焊盤處通過鋼網(wǎng)印刷焊錫膏，加熱回流，形成BGA焊球103，形成如圖2所示結(jié)構(gòu)；

（5）將最下層基板對(duì)準(zhǔn)PCB板106，其余上層基板一層層的堆疊起來，加熱回流，形成如圖1所示結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明采用在每一層基板上制作通孔的形式，形成上下層“風(fēng)道”，有效解決了三維堆疊封裝內(nèi)層芯片過熱的問題。這種散熱結(jié)構(gòu)不僅工藝簡單，制作成本低，而且與現(xiàn)有封裝工藝兼容，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

仿真驗(yàn)證：使用icepak軟件對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證：如圖6、圖7所示，模型中堆疊了5層基板，每一層基板上陣列分布9塊芯片，每層基板上開了4個(gè)小孔。如圖8所示為驗(yàn)證對(duì)比圖，圖8中線條1為基板上具有通孔的結(jié)構(gòu)的封裝體，線條2為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的封裝體。當(dāng)總功耗為18W時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)溫度超過100度，而具有通孔結(jié)構(gòu)的封裝體熱點(diǎn)溫度才60度，對(duì)比具有良好的散熱效果。

應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。