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CN105552046B - 一种新型封装内芯片散热组件及散热系统 - Google Patents

一种新型封装内芯片散热组件及散热系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体散热领域，尤其涉及一种新型封装内芯片散热组件及散热系统，其特征在于：所述芯片散热组件设有散热组件1、散热组件2、焊盘和组件内管道，散热组件1固定设在芯片基板上，并位于芯片侧面四周；散热组件2设在芯片顶部，散热组件1和散热组件2通过焊盘连接成密闭管道；组件内管道分布于组件1和组件2中，用于通入冷却剂，组件内管道还设有组件内管道进口和组件内管道出口，组件内管道进口和组件内管道出口穿过芯片基板与外部所需装置连接。本发明中散热组件/系统大幅度提高了整个器件的散热效率，在封装体内/外集成，实现小型化，实用性强，可应用于多个领域，广泛推广。

Description

一种新型封装内芯片散热组件及散热系统
技术领域
本发明属于半导体散热领域，尤其涉及一种新型封装内芯片散热组件及散热系统。
背景技术
随着芯片封装集成度的增加，封装体趋于短、小、轻、薄，芯片的散热问题变得越来越重要。
比如在三维堆叠芯片的结构中，内层芯片的热量很难散出，导致叠层结构内层芯片由于结温太高，导致芯片失效，限制了整个器件的集成度和性能的提高。
许多发明提出了多种散热结构，来提高芯片的散热效率，如US 2005/0051297 A1，HEAT SINK,包括：一散热风扇，一紧固件及一散热片。该实用型发明优点是：制作简单，成本低；能够快速组装和拆卸，利于更换；适用范围广。缺点是：该方法使用强制风冷，其散热能力有限，对于叠层芯片等高功率密度器件，散热能力远远不足；且该发明从封装体外部进行散热，散热效率有限；散热结构体积大，不利于小型化；
如中国专利CN 100423826C，具有用于负载催化剂或吸附介质的内翅片的微通道，该发明涉及一种装置，包括具有一定高度、宽度及长度的工艺微流道，其高度约10mm。液体从微流道进入，并带走芯片传导至该散热结构的热量。该发明的优点是：散热结构小，利于小型化；使用液体散热，散热效率高。缺点是：没有方便便捷的微流道与芯片器件的组装方法，限制了其广泛推广应用；另一方面其制作工艺要求高，加工难度大；制作成本高。
如中国专利CN 102522380 A，一种POP封装结构，该发明涉及一种POP封装的散热结构，在堆叠的封装体间，通过增加一层铜基板，或在封装体四周做孔状结构。该发明的优点是：在封装体能增加芯片的散热面积，提高了叠层结构的散热能力；易于小型化；电镀一层铜层基板的工艺成熟；缺点是：该结构只是有限度的增加了散热面积，传导出的热量仍然在封装体内部，需通过底层和顶层芯片传导至外部。
目前存在着的这些散热装置对于芯片的高功率密度，强制风冷的散热能力已经不能够满足；而对于采用液体、相变等冷却方法，如微流道、热管，存在体积更大，组装更复杂等问题，使这些散热措施难以像机箱风扇一样大范围使用；另一方面，由于微流道、热管表贴在芯片封装体表面进行散热，增加了封装材料这一层热阻，散热效果也不是最理想。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提出了一种新型封装内芯片散热组件及散热系统，实现产品小型化，散热性能高；产品使用更便捷，易于多领域推广使用。
解决以上技术问题的本发明中的一种新型封装内芯片散热组件，包括芯片和芯片基板，其特征在于：所述散热组件设有散热组件1、散热组件2、焊盘和组件内管道，散热组件1固定设在芯片基板上，并位于芯片侧面四周；散热组件2设在芯片顶部，散热组件1和散热组件2通过焊盘连接成密闭管道；组件内管道分布于组件1和组件2中，用于通入冷却剂，组件内管道还设有组件内管道进口和组件内管道出口，组件内管道进口和组件内管道出口分别与组件内管道通过焊盘连接，组件内管道进口和组件内管道出口穿过芯片基板与外部所需装置连接。
所述散热组件1和散热组件2所用材料为高热导率材料。
所述高热导率材料为硅、金属或陶瓷材料，能够有效地将芯片产生的热量通过组件内管道的冷却剂传到出去；且硅，陶瓷材料使用成熟的半导体工艺制造，工艺成熟，成本可降低。
所述组件内管道为分布为弯曲分布，形成大面积散热面，散热面积贴芯片四周和顶部，对芯片进行高效散热。组件内管道为微小管道，可以呈不同的分布图，分布于组件1和组件2中，使本发明的散热组件使芯片热量不仅仅从顶部和底部基板进行散出，还将从叠层芯片四周将热量引出至冷却剂，然后带出至环境。
所述散热组件1与芯片基板通过焊盘固定连接。焊盘采用高温回流焊接，通常为锡铅焊料。焊盘使用成熟的半导体工艺制作，组件间组装的回流工艺成熟，焊接后接口密闭性可靠，使组件间管道的互连。
本发明中一种新型封装内芯片散热系统，包括主板、芯片、芯片基板和焊球，其特征在于：所述主板上设有芯片散热组件、散热装置和散热系统管道，散热系统管道连接散热装置和散热组件；芯片散热组件设有散热组件1、散热组件2、管道连接焊盘和组件内管道，散热组件1设在芯片侧面四围，散热组件2设在芯片顶部，散热组件1和散热组件2通过焊接盘连接成密闭管道；组件内管道分布于组件1和组件2中，用于通入冷却剂，组件内管道还
设有组件内管道进口和组件内管道出口，组件内管道进口和组件内管道出口分别与组件内管道通过焊盘连接，组件内管道进口和组件内管道出口穿过芯片基板与散热系统管道连接。
所述冷却剂为液体冷却剂，优选于去离子水。液体冷却剂流经散热组件内管道至封装体内部，带走芯片产生的热量。相比强制风冷，液体冷却剂，比如去离子水具有更大的吸热能力，散热效果更好。
所述散热装置设有微型水箱、微型泵或/和散热翅片，通过散热系统管道串联。主板上，使用微泵组成小型冷却系统，使冷却剂，尤其液体冷却剂流经封装体内散热组件，带走芯片产生的热量。
所述散热组件顶部设有散热器件，在封装时，露出在封装体外表面。
所述散热器件为散热片或风扇，通过安装散热片、风扇等方式，进一步加大芯片散热能力。
本发明中的散热组件组装或系统在芯片周围，可以起到机械保护芯片结构的作用，增强了产品可靠性。提出的具有微流道的散热组件，与芯片一起组装，然后封装在同一个封装体内部，使散热器件不再需要像风扇或热管等方法后续表贴在封装体表面，是一种全新的组装方式。
本发明中的高性能散热组件或系统将在封装体外留有管道进出，冷却材料如液体冷却剂可通过管道进入封装体内，直接将芯片结构内部热量传导至外部环境。该散热组件大幅度提高了整个器件的散热效率，以及使用了成熟的半导体工艺制作并集成于封装体内部，制造工艺及组装工艺成熟；散热组件在封装体内集成，实现小型化，散热性能高，实用性强，产品使用更便捷，可应用于多个领域推广使用。
本发明的散热组件及散热系统适用于各样的芯片，尤其适用于叠层芯片、高性能、高能耗的CPU，对散除其叠层中或内部的热能有着好的效果。
附图说明
图1为本发明中散热组件结构示意图
图2为本发明中散热组件1（3）侧视图
图3为本发明中散热组件2（4）俯视图
图4为本发明中封装体与主板连接示意图或散热系统结构示意图
其中，图中序号具体为： 1.芯片， 2.芯片下金属， 3.散热组件1， 4.散热组件2，
5.焊盘， 6.组件内管道， 7.芯片基板， 8.焊球， 9.微型泵， 10.微型水箱， 11.散热翅片， 12.散热系统管道， 13.主板， 14.散热片,15. 组件内管道进口，16. 组件内管道出口，17.芯片散热组件，18.散热装置
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述，但并非对本发明的限制，凡依照本发明公开内容所作的任何本领域的等同替换，均属于本发明的保护范围。
实施例1
一种新型封装内芯片散热组件，包括芯片、芯片基板和焊球，设有散热组件1、散热组件2、管道连接焊盘和组件内管道，散热组件1固定设在芯片基板上，并位于芯片侧面四周；散热组件2设在芯片顶部，散热组件1和散热组件2通过管道连接焊盘连接成密闭管道；组件内管道分布于组件1和组件2中，组件内管道还设有进口和出口，进口和出口穿过芯片基板与外部所需装置连接。散热组件1和散热组件2所用材料为高热导率材料，比如为硅、金属或陶瓷材料，能够有效地将堆叠芯片产生的热量通过组件内管道的冷却剂传到出去；且硅，陶瓷材料使用成熟的半导体工艺制造，工艺成熟，成本可降低。
组件内管道在封装内分布为弯曲分布，形成大面积散热面，散热面积贴叠层芯片四周和底部，对芯片进行高效散热。该发明的散热组件使芯片热量不仅仅从顶部和底部基板进行散出，还将从叠层芯片四周将热量引出至冷却剂，然后带出至环境。
散热组件1与芯片基板通过焊盘固定连接，管道连接焊盘采用高温回流焊接，通常为锡铅焊料。管道连接焊盘使用成熟的半导体工艺制作，组件间组装的回流工艺成熟，焊接后接口密闭性可靠，使组件间管道的互连。
冷却剂为去离子水，相比强制风冷，具有更大的吸热能力，散热效果更好。
实施例2
一种新型封装内叠层芯片散热组件，包括叠层芯片、芯片基板和焊球，设有散热组件1、散热组件2、管道连接焊盘和组件内管道，散热组件1固定设在芯片基板上，并位于叠层芯片侧面四周；散热组件2设在叠层芯片顶部，散热组件1和散热组件2通过管道连接焊盘连接成密闭管道；组件内管道分布于组件1和组件2中，组件内管道还设有进口和出口，进口和出口穿过芯片基板与外部所需装置连接。
散热组件1和散热组件2所用材料为高热导率材料，比如为硅、金属或陶瓷材料，能够有效地将堆叠芯片产生的热量通过组件内管道的冷却剂传到出去；且硅，陶瓷材料使用成熟的半导体工艺制造，工艺成熟，成本可降低。
组件内管道分布为弯曲分布，形成大面积散热面，散热面积贴叠层芯片四周和底部，对芯片进行高效散热。该发明的散热组件使芯片热量不仅仅从顶部和底部基板进行散出，还将从叠层芯片四周将热量引出至冷却剂，然后带出至环境。管道连接焊盘采用高温回流焊接，通常为锡铅焊料。管道连接焊盘使用成熟的半导体工艺制作，组件间组装的回流工艺成熟，焊接后接口密闭性可靠，使组件间管道的互连。液体冷却剂为去离子水，相比强制风冷，具有更大的吸热能力，散热效果更好。散热组件顶部设有散热器件，在封装时，露出在封装体外表面。散热器件可为散热片或风扇，通过安装散热片、风扇等方式，进一步加大芯片散热能力。
散热组件1与芯片基板通过管道连接焊盘固定连接，即将带有半边管道的组件进行焊接，形成有出入口管道的组件，其出入口制作有焊接盘。
实施例3
本发明中一种新型封装内叠层芯片散热系统，包括主板、叠层芯片、芯片基板和焊球，主板上设有散热组件、散热装置和散热系统管道，散热系统管道连接散热装置和散热组件；散热组件设有散热组件1、散热组件2、管道连接焊盘和组件内管道，散热组件1设在叠层芯片侧面四围，散热组件2设在叠层芯片顶部，散热组件1和散热组件2通过焊接盘连接成密闭管道；组件内管道分布于组件1和组件2中，用于流通液体冷却剂，组件内管道还设有进口和出口，进口和出口穿过芯片基板与散热系统管道连接。去离子水流经散热组件内管道至封装体内部，带走芯片产生的热量。
散热装置设有微型水箱、微型泵或/和散热翅片，通过散热系统管道串联。主板上，使用微泵组成小型冷却系统，使液体冷却剂流经封装体内散热组件，带走芯片产生的热量。
组件内管道分布为弯曲分布，形成大面积散热面，散热面积贴叠层芯片四周和底部，对芯片进行高效散热。该发明的散热组件使芯片热量不仅仅从顶部和底部基板进行散出，还将从叠层芯片四周将热量引出至冷却剂，然后带出至环境。
管道连接焊盘采用高温回流焊接，通常为锡铅焊料。管道连接焊盘使用成熟的半导体工艺制作，组件间组装的回流工艺成熟，焊接后接口密闭性可靠，使组件间管道的互连。
实施例4
本发明中一种新型封装内叠层芯片散热系统，包括主板、叠层芯片、芯片基板和焊球，主板上设有散热组件、散热装置和散热系统管道，散热系统管道连接散热装置和散热组件；散热组件设有散热组件1、散热组件2、管道连接焊盘和组件内管道，散热组件1设在叠层芯片侧面四围，散热组件2设在叠层芯片顶部，散热组件1和散热组件2通过焊接盘连接成密闭管道；组件内管道分布于组件1和组件2中，用于流通液体冷却剂，组件内管道还设有进口和出口，进口和出口穿过芯片基板与散热系统管道连接。去离子水流经散热组件内管道至封装体内部，带走芯片产生的热量。
散热装置设有微型水箱、微型泵或/和散热翅片，通过散热系统管道串联。主板上，使用微泵组成小型冷却系统，使液体冷却剂流经封装体内散热组件，带走芯片产生的热量。
散热组件顶部设有散热片或风扇，在封装时，可露出在封装体外表面，进一步加大芯片散热能力。
组件内管道分布为弯曲分布，形成大面积散热面，散热面积贴叠层芯片四周和底部，对芯片进行高效散热。该发明的散热组件使芯片热量不仅仅从顶部和底部基板进行散出，还将从叠层芯片四周将热量引出至冷却剂，然后带出至环境。
管道连接焊盘采用高温回流焊接，通常为锡铅焊料。管道连接焊盘使用成熟的半导体工艺制作，组件间组装的回流工艺成熟，焊接后接口密闭性可靠，使组件间管道的互连。
本发明中的散热组件通过使用高热导率材料制作的组件，组件内设计有弯曲的管道，冷却剂从管道中流入封装体内对芯片进行散热，再从管道中流出将热量带到环境中散出。该散热组件与芯片一起封装，封装后可以方便使用，易于推广应用；该散热组件为高热导率材料，可使用成熟的半导体工艺进行开发和制造；该组件通过回流焊接与叠层芯片组装在一起，组装方式成熟、简单；该组件设计有微小管道，使用液体冷却剂，从管道中流入封装体内将芯片热量带出至环境，散热能力强；该组件设计有管道接口焊盘，通过回流焊接可使管道形成密闭连接，组装简单可靠；
本发明中对散热组件或系统可通过以下方式实施：
（1）散热组件可使用硅、陶瓷等高热导率材料，并使用半导体工艺对材料进行半管道形状加工；
（2）将带有半边管道的组件进行焊接，形成有出入口管道的组件，
（3）对组件管道出入口制作焊接盘；其材料通常为锡铅焊料；
（4）通过组装机将组件贴在芯片周围和顶部然后焊接；通常通过回流焊接即可将组件组装牢固；
（5）使用封装材料，如塑料封装材料，将芯片与散热组件一起塑封形成一个整体；
（6）将封装体焊接在主板上，并将封装体引出的管道与主板上小型散热系统管道相连接，形成一个完整的散热系统；冷却剂从主板上小型化的散热系统流入封装体内进行散热，再流出封装体外，并将热量带出至环境；
实际操作中，本发明使用高热导率材料，如硅，金属（铜）、陶瓷材料等，利用其成熟的制造工艺形成具有管道结构，且带有焊盘的散热组件，再利用成熟的组装工艺，将散热组件与高功率密度的芯片进行组装，最后再将整个器件一起进行封装，从而形成一个在封装体内具有高性能散热组件的芯片器件。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种新型封装内芯片散热组件，包括芯片(1)和芯片基板(7)，其特征在于：所述芯片散热组件（17）设有散热组件1(3)、散热组件2(4)、焊盘(5)和组件内管道(6)，散热组件1(3)固定设在芯片基板(7)上，并位于芯片(1)侧面四周；散热组件2(4)设在芯片(1)顶部，散热组件1(3)和散热组件2(4)通过焊盘(5)连接成密闭管道；组件内管道(6)分布于散热组件1(3)和散热组件2(4)中，用于通入冷却剂，组件内管道(6)还设有组件内管道进口(15)和组件内管道出口(16)，组件内管道进口(15)和组件内管道出口(16)分别与组件内管道(6)通过焊盘(5)连接，组件内管道进口(15)和组件内管道出口(16)穿过芯片基板(7)与外部所需装置连接；所述组件内管道(6)分布为弯曲分布，形成大面积散热面。
2.根据权利要求1所述的一种新型封装内芯片散热组件，其特征在于：所述散热组件1(3)和散热组件2(4)所用材料为高热导率材料。
3.根据权利要求2所述的一种新型封装内芯片散热组件，其特征在于：所述高热导率材料为硅、金属或陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的一种新型封装内芯片散热组件，其特征在于：所述散热组件1(3)与芯片基板(7)通过焊盘(5)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种新型封装内芯片散热组件，其特征在于：所述冷却剂为液体冷却剂。
6.一种新型封装内芯片散热系统，包括主板(13)、芯片(1)、芯片基板(7)和焊球(8)，其特征在于：所述主板(13)上设有芯片散热组件(17)、散热装置(18)和散热系统管道(12)，散热系统管道(12)连接散热装置(18)和芯片散热组件(17)；芯片散热组件(17)设有散热组件1(3)、散热组件2(14)、焊盘(5)和组件内管道(6)，散热组件1(3)设在芯片(1)侧面四围，散热组件2(4)设在芯片(1)顶部，散热组件1(3)和散热组件2(4)通过焊盘(5)连接成密闭管道；组件内管道(6)分布于散热组件1（3）和散热组件2（4）中，用于通入冷却剂，组件内管道（6）还设有组件内管道进口（15）和组件内管道出口（16），组件内管道进口(15)和组件内管道出口(16)分别与组件内管道(6)通过焊盘(5)连接，组件内管道进口（15）和组件内管道出口（16）穿过芯片基板（7）与散热系统管道（12）连接。
7.根据权利要求6所述的一种新型封装内芯片散热系统，其特征在于：所述冷却剂为液体冷却剂。
8.根据权利要求6所述的一种新型封装内芯片散热系统，其特征在于：所述散热装置（18）设有微型水箱（10）、微型泵（9）或/和散热翅片（11），通过散热系统管道（12）串联连接形成回路。
9.根据权利要求6所述的一种新型封装内芯片散热系统，其特征在于：所述芯片散热组件（17）顶部设有散热器件（14），在封装时，露出在封装体外表面。
10.根据权利要求9所述的一种新型封装内芯片散热系统，其特征在于：所述散热器件（14）为散热片或风扇。
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