一種強化散熱三維封裝結構及其封裝方法
2023-09-24 12:50:00 1
一種強化散熱三維封裝結構及其封裝方法
【專利摘要】本發明公開了一種強化散熱三維封裝結構及其封裝方法。本發明的強化散熱三維封裝結構包括：多層基板、在基板上的器件和互連電路、微通道、散熱板、外部散熱裝置和水泵。本發明一方面利用微流體對流傳熱方式將發熱器件產生的絕大部分熱量快速導走；另一方面利用基板內與發熱器件連接的金屬良導體構成的三維互連電路，採用金屬熱傳導的方式將熱量輔助導出到基板內和基板外。基板的底部的散熱板可以連接多種不同類型的外部散熱裝置，有效地解決了多晶片電子產品熱致失效的問題。本發明工藝條件實現簡單，成本低，便於批量加工，可廣泛地應用於航空航天、信息通信、生物化學、醫療、自動控制和消費電子等很多關係國家經濟發展和國家安全保障的領域。
【專利說明】一種強化散熱三維封裝結構及其封裝方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微電子器件的散熱技術，尤其涉及一種基於多層封裝基板技術的微器件強化散熱三維封裝結構及其封裝方法。
【背景技術】
[0002]社會的信息科技化和微電子技術的發展使電子器件呈現出小型化、高性能化和多功能化的發展趨勢，集成多個微器件、微結構、傳感器、執行器、信號處理、控制電路、接口、通信和電源的MCM多晶片模塊和微系統技術得到了迅速發展，其晶片加工、集成組裝和封裝測試等製造工藝都要比平面工藝的集成電路更為複雜。封裝作為微電子產品成形的最後一步，是產品性能、體積、成本、可靠性和壽命的關鍵，需要在微晶片性能產生極小影響的同時對這些晶片或元器件提供保護、供電和冷卻，並提供物理、電氣與機械等外部連接或接□。
[0003]隨著微晶片/微器件加工技術的飛速發展，納米級晶片單片已經實現工業化大批量生產，在傳統的平面封裝和多晶片模塊技術的基礎上逐步發展出了布線高密度化、層間互連精細化和結構立體化的三維系統級封裝技術，其中多層封裝基板技術應用最為廣泛，包括PCB印刷電路板、厚膜陶瓷、高溫共燒陶瓷、低溫共燒陶瓷、澱積金屬膜等多種基板材料和工藝技術。多層封裝基板的層數高達百層以上，晶片垂直互連，組裝效率高達200%以上，功耗損耗低、信號傳輸快、所受幹擾小，多個不同功能晶片堆疊在一起，大幅減小了電子產品的尺寸和重量。多層封裝基板的材料熱膨脹係數小，溫度係數低；可以製作層數很高的電路基板，實現高密度多層立體布線，方便電路間的互連和與外界的電互連；機械性能優良，可靠性高，能夠在高溫、高溼、衝擊、振動等惡劣環境中工作；加工方法成熟，工藝兼容性好，原材料來源廣泛，成本低廉，製作周期短，生產效率高。近年來，三維多層封裝基板技術發展很快，作為電子器件的載體和平臺，除了在其中布置三維電路傳輸線外，還可將各種元器件、無源器件、有源器件及其他模塊內嵌到基板中，已經廣泛地應用於無線通訊、全球定位導航系統、天線、光纖光纜、微型光學器件、微慣性器件、微型機器人、微流控晶片、筆記本電腦和高性能計算機等與人類社會發展密切相關的航空航天、信息通信、交通、醫療、家電、能源等多個領域。
[0004]然而，電子器件在大幅度提高集成度和多功能度的同時，也使單位體積/面積上的發熱量急劇上升，隨著三維多層封裝基板內堆疊層數的提升，散熱變得極為困難。研究表明機載電子設備55%的失效是由溫度造成的，電子器件工作溫度在70?80°C時，溫度每升高1°C，器件可靠性下降5%，溫度每降低10°C，故障率可減少4%。隨著微電子技術的發展，器件尺寸越來越小，已從微米量級向納米量級發展，器件的集成度以每年40%?50%高速度遞增，每個晶片上有成百上萬個元件，高性能晶片的熱流密度已經超過150W/cm2。如果晶片產生的熱量不能及時導出，基板的溫度不斷升高，將直接影響電子晶片的工作效率，嚴重時還會燒壞晶片。平面封裝技術可以在封裝體表面安裝散熱裝置，降低靠近表面的晶片溫度，但是無法解決MCM多晶片模塊內部晶片的散熱問題。因此，三維封裝結構的散熱問題更加嚴重。
[0005]要在毫米甚至納米級的器件尺度上把極高的熱量帶走，傳統的電子設備散熱技術不再適用:對流、輻射、傳導等自然冷卻散熱的熱流密度不超過0.155ff/cm2 ;金屬熱通孔和風冷散熱的熱流密度不超過lOW/cm2，先進的射流冷卻技術可用於lOOW/cm2的工作環境，但是技術要求高，應用推廣較難；熱管散熱可用於熱流密度大於lOOW/cm2的器件散熱，可以製造成體積很小、重量很輕的產品，但是受到熱流密度、流動阻力、毛細壓差等工作極限的限制，使用一段時間後傳熱性能會下降；熱電致冷利用半導體材料(如Bi2Te3)的Peltier效應，在電偶的兩端分別吸收和放出熱量，無噪聲和震動，體積小，結構緊湊，操作維護方便，不需要製冷劑，可通過改變電流大小來調節製冷量和製冷速度，但是效率低，成本高。
【發明內容】
[0006]針對以上現有技術存在的問題，本發明提出了一種利用高集成度、高可靠性、高性能及低成本的多層封裝基板內嵌冷卻的微通道對發熱器件進行強化散熱的封裝方法和三維封裝結構，同時利用構成三維互連電路的金屬良導體的高導熱係數的優勢和可靠多變的外部散熱器，實現簡便實用、高效可靠的多晶片模塊/微系統的快速傳熱和散熱。
[0007]本發明的一個目的在於提供一種強化散熱三維封裝結構。
[0008]本發明的強化散熱三維封裝結構包括:多層基板、在基板上的器件和連接器件的互連電路、微通道、散熱板、外部散熱裝置和水泵；其中，微通道包括在每一層基板上的水平方向的溝槽以及各層基板之間的垂直方向的位置相對應的過孔，形成互連的通道；散熱板設置在多層基板的底部；散熱板與外部散熱裝置相連接；基板的底部設有水泵的接口，微通道的埠通過接口連接水泵。
[0009]基板的表面或內置的器件包括發熱器件、無源器件和有源器件；發熱器件包括元器件、儀器或熱管；無源器件包括電容器、電感器、電阻器、連接器、變壓器和繼電器等；有源器件包括電子管、電晶體、放大器、調製器、解調器、振蕩器和電源等。
[0010]本發明的強化散熱三維封裝結構中，為了有效散熱，互連電路採用較寬的布線寬度，布線的寬度為0.2?10mm，布線的間距不小於0.1mm。互連電路選用高導電率和熱導率的Au、Ag、Cu等金屬良導體作為互連電路的平面電路和通孔填料，不僅可以提高電路系統的品質因子，減少信號損耗，還由於在分布位置上更加接近於發熱器件，能通過熱傳導的方式實現部分熱量快速傳導。
[0011]在每一層基板上的溝槽以及在各層基板之間的過孔形成互連的微通道，進行冷卻的液體流經微通道，形成微流體散熱。微流體散熱是比較理想的散熱方式，作為液體冷卻的主要形式，液體在流過微通道時蒸發吸熱或者直接將熱量帶走，還能避免直接液體冷卻技術在實際應用中存在滲漏等問題，散熱效果非常好，理論可用於熱流密度lOOOW/cm2的工作環境。微通道的任意兩條水平的溝槽或垂直的過孔的間距要超過單層基板的厚度，大功率發熱器件採用增加微通道的截面尺寸和分布密度的方法。微通道避開內置的器件的外接引線的位置，環繞分布在器件的周圍，微通道與器件之間的距離為O?10倍單層基板的厚度。微通道的形狀包括多排直槽形、蜿蜒形和分形。
[0012]基板的底部設有內置微泵或外置循環水泵的接口。內置微泵為熱驅動微泵、形狀記憶膜驅動微泵、壓電微泵、電滲微泵、電磁驅動微泵、收縮擴張微泵和微馬達旋轉式微泵中的一種或多種。內置微泵或外部水泵驅使進行冷卻的液體在微通道內流動，帶走熱量進行傳熱。液體採用水、乙二醇、酒精、甘油等冷卻液或冷卻油。
[0013]散熱板採用肋片型散熱金屬板，材料採用鋁、銅、鐵、銀、金、鎂、鎳、鈷、鈦、錳、鉛及其合金材料中的一種或多種。
[0014]外部散熱裝置包括散熱肋片、風扇、冷卻熱管和水冷裝置等。
[0015]在封裝體的內部和表面同時採用強化傳熱和散熱技術，將內部晶片/器件產生的熱量迅速導出，同時結合外部散熱器，將導出的熱量再擴散到外界環境中。此外，選用高導電率和熱導率的金屬良導體作為互連電路，不僅可以提高電路系統的品質因子，減少信號損耗，還由於在分布位置上更加接近於發熱器件，能通過熱傳導的方式實現部分熱量快速傳導。因此微通道和互連電路設計合理的強化散熱三維封裝結構，不僅可以滿足微器件高集成度、多功能、微型化的需求，還能實現熱管理的一體化設計，解決日益緊迫的熱致失效問題。
[0016]本發明的另一個目的在於提供一種強化散熱三維封裝結構的封裝方法。
[0017]本發明的強化散熱三維封裝結構的封裝方法，包括以下步驟:
[0018]I)根據內置和表面的發熱器件的需要，設計互連電路、無源器件和有源器件的位置；
[0019]2)根據發熱器件的尺寸和功率，設計微通道的形狀、尺寸和分布；
[0020]3)基板的底部設計內置微泵或外置水泵的位置；
[0021]4)在每一層的基板上製作互連電路的通孔、器件的空腔以及微通道的溝槽和過孔；
[0022]5)在每一層的基板上印刷金屬良導體作為平面電路和垂直方向的通孔填料，形成三維的互連電路；
[0023]6)固定無源器件和有源器件，塗覆導熱絕緣膠的發熱器件與互連電路相連接，固定和連接水泵；
[0024]7)在微通道的過孔和器件的空腔中填充犧牲層材料，將多層基板精確疊層對位；
[0025]8)採用相應的多層封裝基板技術加工出集成發熱器件、微通道、互連電路的一體化基板；
[0026]9)基板的底部製備散熱板，並連接外部散熱裝置，將封裝體內的微流體和互連電路導出的熱量再擴散到外界環境中。
[0027]本發明的優點:
[0028]本發明提供的強化散熱三維封裝結構，不僅可以對三維封裝體表面的微器件進行散熱，還可以對內置的微器件進行強化散熱。一方面利用多層封裝基板技術易於加工三維結構的優勢，在基板內製作出微通道，利用微流體對流傳熱方式將發熱器件產生的絕大部分熱量快速導走；另一方面，利用基板內與發熱器件連接的金屬良導體構成三維的互連電路，採用金屬熱傳導的方式將熱量輔助導出到基板內和基板外。兩種傳熱方式的結合將極大地強化封裝體內的傳熱和散熱能力，基板的底部的散熱板可以連接多種不同類型的外部散熱裝置，有效地解決了多晶片電子產品熱致失效的問題。此外，本發明提供的強化散熱三維封裝結構工藝條件實現簡單，成本低，便於批量加工，結合了對流傳熱和熱導傳熱的優勢，保障了發熱器件在惡劣熱環境下正常工作，特別適用於大功率、高密度集成和多功能微電子器件，可以廣泛地應用於航空航天、信息通信、生物化學、醫療、自動控制和消費電子等很多關係國家經濟發展和國家安全保障的領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明的強化散熱三維封裝結構的一個實施例的立體示意圖；
[0030]圖2為本發明的強化散熱三維封裝結構的一個實施例的剖面圖。
【具體實施方式】
[0031 ] 下面結合附圖，通過實施例對本發明做進一步說明。
[0032]圖1和圖2分別為本發明的強化散熱三維封裝結構的一個實施例的立體示意圖和剖面圖。如圖1和圖2所示，本發明的強化散熱三維封裝結構包括:多層基板1、在基板上的器件2和連接器件的互連電路3、微通道4、散熱板5、外部散熱裝置和水泵6 ;其中，微通道4包括在每一層基板上的水平方向的溝槽41以及各層基板之間的垂直方向的位置相對應的過孔42，形成互連的通道；散熱板5設置在多層基板I的底部；散熱板5與外部散熱裝置相連接；基板I的底部設有水泵的接口 43，微通道4的埠通過接口 43連接水泵。
[0033]在本實施例中，水泵6採用內置微泵。互連電路3包括每一層基板2上的平面電路31和各層基板之間的垂直方向的通孔填料32，形成三維的互連電路。
[0034]本實施例的強化散熱三維封裝結構的封裝方法，包括以下步驟
[0035]I)根據內置和表面的發熱器件的需要，設計互連電路、無源器件和有源器件的位置；
[0036]2)根據發熱器件的尺寸和功率，設計微通道的形狀、尺寸和分布，微通道的任意兩條水平的溝槽或垂直的過孔的水平間距要超過單層的基板的厚度，大功率發熱器件採用增加微通道的截面尺寸和分布密度的方法，微通道避開內置發熱器件外接引線的位置，環繞分布在晶片周圍，微通道與器件之間的距離為O?10倍單層基板厚度；
[0037]3)基板的底部設計內置微泵的位置；
[0038]4 )採用機械鑽孔、衝孔、雷射打孔或刻蝕的方法，在每一層的基板上製作互連電路的通孔、器件的空腔以及微通道的溝槽和過孔；
[0039]5)在每一層的基板上印刷Cu、Ag、Au等金屬良導體作為平面電路和通孔填料，形成三維的互連電路，並採用較寬的布線寬度，布線的寬度為0.2?10mm，布線的間距不小於
0.1mm ；
[0040]6)通過金屬焊料焊接或釺焊固定無源器件和有源器件，在內置的發熱器件的四周塗敷一層導熱絕緣膠21，表面的發熱器件的底部塗覆一層導熱絕緣膠，導熱絕緣膠厚度為O?1_，器件粘貼在基板的空腔內，將器件的引線與基板的互連焊接在一起，固定和連接水泵；
[0041]7)在預製的微通道的溝槽和過孔，以及空腔中填充石蠟等材料作為犧牲層材料，採用分層預壓的方式，將多層預壓好的基板採用定位孔或圖像識別定位的方法使多層基板材料精確置層對位；
[0042]8)針對不同的基板材料，分別採用PCB多層印刷電路板、厚膜陶瓷、低溫共燒陶瓷、高溫共燒陶瓷、金屬沉積膜等基板封裝技術，製造內嵌冷卻微通道的封裝基板，各層基板之間的平面電路通過通孔填料相連；
[0043]9)基板底部焊接、粘接、濺射或沉積肋片型散熱金屬板，可以採用外接肋片空氣自然冷卻、風扇強制對流換熱、外接冷卻熱管或外接水冷裝置進行散熱。
[0044]最後需要注意的是，公布實施方式的目的在於幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和範圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於實施例所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。
【權利要求】
1.一種強化散熱三維封裝結構，其特徵在於，所述強化散熱三維封裝結構包括:多層基板(I)、在基板上的器件(2)和連接器件的互連電路(3)、微通道(4)、散熱板(5)、外部散熱裝置和水泵(6);其中，所述微通道(4)包括在每一層基板上的水平方向的溝槽(41)以及各層基板之間的垂直方向的位置相對應的過孔(42)，形成互連的通道；所述散熱板(5)設置在多層基板(I)的底部；所述散熱板(5)與外部散熱裝置相連接；所述基板(I)的底部設有水泵的接口(43)，所述微通道(4)的埠通過接口(43)連接水泵。
2.如權利要求1所述的強化散熱三維封裝結構，其特徵在於，所述互連電路(3)採用高導電率和熱導率的金屬良導體。
3.如權利要求1所述的強化散熱三維封裝結構，其特徵在於，所述微通道(4)的任意兩條水平的溝槽或垂直的過孔的水平間距要超過單層基板的厚度。
4.如權利要求1所述的強化散熱三維封裝結構，其特徵在於，所述微通道(4)避開內置的器件的外接引線的位置，環繞分布在器件的周圍，所述微通道(4)與器件(2)之間的距離為O~10倍單層基板的厚度。
5.如權利要求1所述的強化散熱三維封裝結構，其特徵在於，所述水泵(6)為內置微泵或外置循環水泵；所述內置微泵為熱驅動微泵、形狀記憶膜驅動微泵、壓電微泵、電滲微泵、電磁驅動微泵、收縮擴張微泵和微馬達旋轉式微泵中的一種或多種。
6.如權利要求1所述的強化散熱三維封裝結構，其特徵在於，液體在所述微通道(4)內流動，所述液體採用水、乙二醇、酒精、甘油的冷卻液或冷卻油中的一種或多種。
7.如權利要求1所述的強化散熱三維封裝結構，其特徵在於，所述散熱板(5)採用肋片型散熱金屬板，材料採用鋁、銅、鐵、銀、金、鎂、鎳、鈷、鈦、錳、鉛及其合金材料中的一種或多種。
8.如權利要求1所述的強 化散熱三維封裝結構，其特徵在於，所述外部散熱裝置採用散熱肋片、風扇、冷卻熱管和水冷裝置中的一種或多種。
9.如權利要求1所述的強化散熱三維封裝結構，其特徵在於，所述互連電路(3)採用布線的寬度為0.2~10mm，布線的間距不小於0.1mm。
10.一種強化散熱三維封裝結構的封裝方法，其特徵在於，所述封裝方法包括以下步驟: 1)根據內置和表面的發熱器件的需要，設計互連電路、無源器件和有源器件的位置； 2)根據發熱器件的尺寸和功率，設計微通道的形狀、尺寸和分布； 3)基板的底部設計內置微泵或外置水泵的位置； 4)在每一層的基板上製作互連電路的通孔、器件的空腔以及微通道的溝槽和過孔； 5)在每一層的基板上印刷金屬良導體作為平面電路和垂直方向的通孔填料，形成三維的互連電路； 6)固定無源器件和有源器件，塗覆導熱絕緣膠的發熱器件與互連電路相連接，固定和連接水泵； 7)在微通道的過孔和器件的空腔中填充犧牲層材料，將多層基板精確疊層對位； 8)採用相應的多層封裝基板技術加工出集成發熱器件、微通道、互連電路的一體化基板； 9)基板的底部製備散熱板，並連接外部散熱裝置，將封裝體內的微流體和互連電路導出的熱量再擴散到外界環`境中。
【文檔編號】H01L23/467GK103489838SQ201310481621
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】張楊飛, 張蘭英 申請人:北京大學