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CN117438384B - 一种芯片封装结构 - Google Patents

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CN117438384B CN202311657543.6A CN202311657543A CN117438384B CN 117438384 B CN117438384 B CN 117438384B CN 202311657543 A CN202311657543 A CN 202311657543A CN 117438384 B CN117438384 B CN 117438384B
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Abstract

本发明提供了一种芯片封装结构，涉及芯片封装领域。芯片封装结构包括PCB板、主芯片和塑封层，主芯片与PCB板之间电连接有多个锡球或铜球，塑封层设于主芯片的表面；PCB板设有布线区和空置区，多个锡球或铜球与布线区对应布置，空置区与多个锡球或铜球在PCB板的上表面错位布置；空置区与主芯片之间还填充有绝缘导热体，绝缘导热体与主芯片的下表面贴合，绝缘导热体的原料包括硅树脂，以及氮化硼粉末、氧化铝粉末和氮化铝粉末中的至少一种；空置区开设有通孔，通孔中安装有导热件；PCB板的另一侧还设有散热结构，导热件分别与绝缘导热体、散热结构相连，由主芯片、绝缘导热体、导热件至散热结构形成传热路径。

Description

一种芯片封装结构
技术领域
本发明涉及芯片封装技术领域，特别是涉及一种芯片封装结构。
背景技术
芯片封装是集成电路生产中的关键工艺，通常芯片封装在印刷电路板（又称“PCB板”）上。PCB板是芯片和其它电子元件的载体，实现了各元器件之间电气连接的目的，由于芯片发热量大且PCB板不导热，如何提高芯片的散热效率成为技术难题。
如授权公告号为CN219435850U、授权公告日为2023.07.28的中国实用新型专利公开了MOSFET芯片封装结构，具体包括塑封外壳和设在塑封外壳内的硅芯片，塑封外壳内还设置有与硅芯片顶部粘接的多个铜带、分别与不同铜带一端粘接的源极引脚和栅极引脚、与硅芯片底部粘接的漏极引脚、与漏极引脚底部连接的导热底板，塑封外壳上包覆粘接有金属外壳，且金属外壳的一端包裹在漏极引脚上用于导热散热。热量通过漏极引脚和导热底板传导至PCB底板上，提供了更多散热接触面积，将热量从硅芯片上带走。
但是，PCB板本身为非导热结构，传导至PCB板的热量无法进一步向外传递，导致了传热路径不通以及芯片散热效率低。而且，由于芯片封装形式不同，若芯片采用底部锡球贴装形式无外露引脚，则缺少相应的导热介质，无法实现芯片高效散热的目的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种芯片封装结构，以解决传导至PCB板的热量无法进一步向外传递，导致了传热路径不通以及芯片散热效率低；而且，若芯片采用底部锡球贴装形式无外露引脚，则缺少相应的导热介质，无法实现芯片高效散热的问题。
本发明的芯片封装结构的技术方案为：
芯片封装结构包括PCB板、主芯片和塑封层，所述主芯片安装于所述PCB板的上侧，所述主芯片与所述PCB板之间电连接有多个锡球或铜球，所述塑封层设置于所述主芯片的表面；
所述PCB板上设置有布线区和空置区，多个所述锡球或铜球与所述布线区对应布置，所述空置区与多个所述锡球或铜球在所述PCB板的上表面错位布置；
所述空置区与所述主芯片之间还填充有绝缘导热体，所述绝缘导热体与所述主芯片的下表面贴合，所述绝缘导热体的原料包括硅树脂，以及氮化硼粉末、氧化铝粉末和氮化铝粉末中的至少一种；
所述空置区开设有沿所述PCB板的板厚方向贯穿的通孔，所述通孔中安装有导热件；所述PCB板的另一侧还设有散热结构，所述导热件分别与所述绝缘导热体、所述散热结构相连，由所述主芯片、所述绝缘导热体、所述导热件至所述散热结构形成传热路径。
进一步的，所述布线区和所述空置区分别设有多个，多个所述布线区与多个所述空置区交替分布，所述PCB板的上侧还设有多个导流沉槽，多个所述导流沉槽与所述空置区对应布置。
进一步的，所述导流沉槽的长度方向平行于所述布线区的线路延伸方向设置，且所述导流沉槽的端部位于所述主芯片的外侧，所述导流沉槽的深度d≥0.1mm。
进一步的，所述PCB板的厚度D介于1mm至3mm之间的任意尺寸，所述导流沉槽的深度d≥0.3mm 且d≤0.5*D。
进一步的，所述氮化硼粉末的粒度φ介于30～100μm之间的任意大小，所述氮化硼粉末为六方氮化硼粉末，所述氮化硼粉末的导热系数为150～300W/m˙K的任意大小，其绝缘电阻为10^14～10^15Ω˙cm之间的任意大小；
或者，所述氧化铝粉末的粒度φ≤10μm，所述氧化铝粉末为5N型氧化铝粉末，所述氧化铝粉末的导热系数为10～60W/m˙K的任意大小，其绝缘电阻为10^14～10^16Ω˙cm之间的任意大小；
或者，所述氮化铝粉末的粒度φ≤20μm，所述氮化铝粉末的导热系数为130～180W/m˙K之间的任意大小，其绝缘电阻为10^14～10^15Ω˙cm之间的任意大小。
进一步的，所述硅树脂的导热系数≥1W/m˙K，其绝缘电阻为10^13～10^15Ω˙cm的任意大小。
进一步的，所述硅树脂为常温固化型硅树脂或UV光固化型硅树脂，其熔点＞150℃。
进一步的，所述绝缘导热体包括以下质量分的原料：硅树脂100～150份、氮化硼粉末20～60份、氧化铝粉末10～40份、氮化铝粉末5～10份。
进一步的，所述导热件为金属导热柱，所述金属导热柱与所述通孔过盈配合，所述金属导热柱与所述散热结构固定连接，所述散热结构为热沉结构或者金属外壳的底板。
进一步的，所述散热结构为翅片式散热结构，所述散热结构的一侧与所述导热件一体成型，所述散热结构的另一侧与金属外壳的底板相连接。
本发明的芯片封装结构，与现有技术相比，其有益效果：该芯片封装结构采用了PCB板、主芯片、塑封层、锡球或铜球、绝缘导热体、导热件和散热结构的设计形式，主芯片通过多个锡球或铜球电连接于PCB板的上侧，塑封层设置在主芯片的表面，利用塑封层对主芯片起到电气防护的作用，以避免外界的水气灰尘等对主芯片造成影响，保证主芯片的运行可靠性和稳定性，可有效延长主芯片的使用寿命。其中，多个锡球或铜球对应布置于PCB板的布线区，使主芯片与布线区的线路之间建立电路连接，从而实现了信号处理和控制功能的目的。
并且，空置区与多个锡球或铜球在PCB板的上表面错位布置，在空置区与主芯片之间还填充有绝缘导热体，绝缘导热体与主芯片的下表面贴合，绝缘导热体位于主芯片的下表面进行热量传导，绝缘导热体结合了高导热性和良好电绝缘性这两种特征，克服了因主芯片的表面包覆有塑封层无法顺利地从向外传导散热的问题。
由于绝缘导热体的原料包括硅树脂，以及氮化硼粉末、氧化铝粉末和氮化铝粉末中的至少一种，硅树脂具有良好的流动性，可充分地填充主芯片和空置区之间的间隔，增大了绝缘导热体与主芯片的接触面积。而且，其掺混填料选用氮化硼粉末、氧化铝粉末或氮化铝粉末中的至少一种，这类粉末的导热系数高且电阻率大，可进一步提高绝缘导热体的导热电绝缘性能，从而能够将主芯片发出的热量高效地向下传递，且避免布线区可能意外导电连接的风险，兼顾了导热和电气保护的双重作用。
另外，空置区开设有沿PCB板的板厚方向贯穿的通孔，通孔中安装有导热件，PCB板的另一侧还设有散热结构，利用通孔和导热件可将绝缘导热体吸收的热量穿过PCB板向下传递至散热结构，防止因热量传导至PCB板而无法进一步向外传递，由主芯片、绝缘导热体、导热件至散热结构形成了传热路径，自上而下的传热路径更通畅，提高了主芯片的散热效率。而且，对于主芯片采用底部锡球贴装形式无外露引脚，以绝缘导热体和导热件作为相应的导热介质，可实现主芯片高效散热的目的。
附图说明
图1为本发明的芯片封装结构的具体实施例中芯片封装结构的截面示意图；
图2为本发明的芯片封装结构的具体实施例中PCB板的平面示意图；
图3为本发明的芯片封装结构的具体实施例中PCB板的立体示意图。
图中：1-PCB板、10-通孔、11-布线区、12-空置区、13-导流沉槽、2-主芯片、3-塑封层、4-锡球、5-绝缘导热体、6-导热件、7-散热结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例的芯片封装结构，如图1至图3所示，芯片封装结构包括PCB板1、主芯片2和塑封层3，主芯片2安装于PCB板1的上侧，主芯片2与PCB板1之间电连接有多个锡球4或铜球，塑封层3设置于主芯片2的表面；PCB板1上设置有布线区11和空置区12，多个锡球4或铜球与布线区11对应布置，空置区12与多个锡球4或铜球在PCB板1的上表面错位布置。
空置区12与主芯片2之间还填充有绝缘导热体5，绝缘导热体5与主芯片2的下表面贴合，绝缘导热体5的原料包括硅树脂，以及氮化硼粉末、氧化铝粉末和氮化铝粉末中的至少一种；空置区12开设有通孔10，通孔10沿PCB板1的板厚方向贯穿设置，通孔10中安装有导热件6；PCB板1的另一侧还设有散热结构7，导热件6分别与绝缘导热体5、散热结构7相连，由主芯片2、绝缘导热体5、导热件6至散热结构7形成传热路径。
该芯片封装结构采用了PCB板1、主芯片2、塑封层3、锡球4或铜球、绝缘导热体5、导热件6和散热结构7的设计形式，主芯片2通过多个锡球4或铜球电连接于PCB板1的上侧，塑封层3设置在主芯片2的表面，利用塑封层3对主芯片2起到电气防护的作用，以避免外界的水气灰尘等对主芯片2造成影响，保证主芯片2的运行可靠性和稳定性，可有效延长主芯片2的使用寿命。其中，多个锡球4或铜球对应布置于PCB板1的布线区11，使主芯片2与布线区11的线路之间建立电路连接，从而实现了信号处理和控制功能的目的。
并且，空置区12与多个锡球4或铜球在PCB板1的上表面错位布置，在空置区12与主芯片2之间还填充有绝缘导热体5，绝缘导热体5与主芯片2的下表面贴合，绝缘导热体5位于主芯片2的下表面进行热量传导，绝缘导热体5结合了高导热性和良好电绝缘性这两种特征，克服了因主芯片2的表面包覆有塑封层3无法顺利地从向外传导散热的问题。
由于绝缘导热体5的原料包括硅树脂，以及氮化硼粉末、氧化铝粉末和氮化铝粉末中的至少一种，硅树脂具有良好的流动性，可充分地填充主芯片2和空置区12之间的间隔，增大了绝缘导热体5与主芯片2的接触面积。而且，其掺混填料选用氮化硼粉末、氧化铝粉末或氮化铝粉末中的至少一种，这类粉末的导热系数高且电阻率大，可进一步提高绝缘导热体5的导热电绝缘性能，从而能够将主芯片2发出的热量高效地向下传递，且避免布线区11可能意外导电连接的风险，兼顾了导热和电气保护的双重作用。
另外，空置区12开设有沿PCB板1的板厚方向贯穿的通孔10，通孔10中安装有导热件6，PCB板1的另一侧还设有散热结构7，利用通孔10和导热件6可将绝缘导热体5吸收的热量穿过PCB板1向下传递至散热结构7，防止因热量传导至PCB板1而无法进一步向外传递，由主芯片2、绝缘导热体5、导热件6至散热结构7形成了传热路径，自上而下的传热路径更通畅，提高了主芯片2的散热效率。而且，对于主芯片2采用底部锡球贴装形式无外露引脚，以绝缘导热体5和导热件6作为相应的导热介质，可实现主芯片2高效散热的目的。
在本实施例中，布线区11和空置区12分别设有多个，多个布线区11与多个空置区12交替分布，PCB板1的上侧还设有多个导流沉槽13，多个导流沉槽13与空置区12对应布置。具体的，布线区11和空置区12的形状均为长条形，相邻两个布线区11之间的间隔区域即为空置区12，在PCB板1的上侧对应空置区12设置有导流沉槽13，可增大了空置区12容纳绝缘导热体5的体积，提高了对主芯片2的吸热及热量传导效率。
作为进一步的优选方案，导流沉槽13的长度方向平行于布线区11的线路延伸方向设置，且导流沉槽13的端部位于主芯片2的外侧，导流沉槽13的深度d≥0.1mm。并且，PCB板1的厚度D介于1mm至3mm之间的任意尺寸，导流沉槽13的深度d≥0.3mm 且d≤0.5*D。
在本实施例中，PCB板1的厚度D=2mm，导流沉槽13的深度d=0.4mm，采用研磨头对PCB板1的空置区12进行打磨，以形成相应深度的导流沉槽13，由于硅树脂具有一定的表面张力，通过导流沉槽13增大了主芯片2和空置区12之间的距离，确保绝缘导热体5在主芯片2和空置区12之间的流动性以及最终的填充密实度。
其中，氮化硼粉末的粒度φ介于30～100μm之间的任意大小，氮化硼粉末为六方氮化硼粉末，氮化硼粉末的导热系数为150～300W/m˙K的任意大小，其绝缘电阻为10^14～10^15Ω˙cm之间的任意大小。氧化铝粉末的粒度φ≤10μm，氧化铝粉末为5N型氧化铝粉末，氧化铝粉末的导热系数为10～60W/m˙K的任意大小，其绝缘电阻为10^14～10^16Ω˙cm之间的任意大小。氮化铝粉末的粒度φ≤20μm，氮化铝粉末的导热系数为130～180W/m˙K之间的任意大小，其绝缘电阻为10^14～10^15Ω˙cm之间的任意大小。相比于氧化铝粉末和氮化铝粉末，六方氮化硼粉末的导热性更好，可确保绝缘导热体5能够将吸收的主芯片2的热量高效地传导出去。
在本实施例中，硅树脂的导热系数≥1W/m˙K，其绝缘电阻为10^13～10^15Ω˙cm的任意大小。并且，硅树脂为常温固化型硅树脂或UV光固化型硅树脂，其熔点＞150℃，流动状态的绝缘导热体5可在主芯片2和空置区12之间进行有效填充，填充后经常温或UV照射使其固化，形成了可靠稳定的绝缘导热体5，并将主芯片2与PCB板1进行粘结固定在一起。
作为进一步的优选方案，绝缘导热体5包括以下质量分的原料：硅树脂100～150份、氮化硼粉末20～60份、氧化铝粉末10～40份、氮化铝粉末5～10份。在本实施例中，硅树脂与氮化硼粉末、氧化铝粉末、氮化铝粉末按照10：2：1:0.5质量比混合，经过搅拌分散均匀制成，按比例混合三种填料粉末的导热效率更好。
另外，导热件6为金属导热柱，金属导热柱与通孔10过盈配合，金属导热柱与散热结构7固定连接，散热结构7为热沉结构，或者金属外壳的底板。散热结构7为翅片式散热结构，翅片式散热结构的一侧与金属导热柱一体成型，翅片式散热结构的另一侧与金属外壳的底板相连接，利用金属导热柱和散热结构7可绝缘导热体5吸收的热量传递至金属外壳，从而实现对主芯片2高效传导散热的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种芯片封装结构，其特征是，包括PCB板（1）、主芯片（2）和塑封层（3），所述主芯片（2）安装于所述PCB板（1）的上侧，所述主芯片（2）与所述PCB板（1）之间电连接有多个锡球（4）或铜球，所述塑封层（3）设置于所述主芯片（2）的表面；
所述PCB板（1）上设置有布线区（11）和空置区（12），多个所述锡球（4）或铜球与所述布线区（11）对应布置，所述空置区（12）与多个所述锡球（4）或铜球在所述PCB板（1）的上表面错位布置；
所述空置区（12）与所述主芯片（2）之间还填充有绝缘导热体（5），所述绝缘导热体（5）与所述主芯片（2）的下表面贴合，所述绝缘导热体（5）的原料包括硅树脂，以及氮化硼粉末、氧化铝粉末和氮化铝粉末中的至少一种；
所述空置区（12）开设有沿所述PCB板（1）的板厚方向贯穿的通孔（10），所述通孔（10）中安装有导热件（6）；所述PCB板（1）的另一侧还设有散热结构（7），所述导热件（6）分别与所述绝缘导热体（5）、所述散热结构（7）相连，由所述主芯片（2）、所述绝缘导热体（5）、所述导热件（6）至所述散热结构（7）形成传热路径；
所述布线区（11）和所述空置区（12）分别设有多个，多个所述布线区（11）与多个所述空置区（12）交替分布，所述PCB板（1）的上侧还设有多个导流沉槽（13），多个所述导流沉槽（13）与所述空置区（12）对应布置；
所述导流沉槽（13）的长度方向平行于所述布线区（11）的线路延伸方向设置，且所述导流沉槽（13）的端部位于所述主芯片（2）的外侧，所述导流沉槽（13）的深度d≥0.1mm；
所述绝缘导热体（5）包括以下质量分的原料：硅树脂100～150份、氮化硼粉末20～60份、氧化铝粉末10～40份、氮化铝粉末5～10份。
2.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征是，所述PCB板（1）的厚度D介于1mm至3mm之间的任意尺寸，所述导流沉槽（13）的深度d≥0.3mm且d≤0.5*D。
3.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征是，所述氮化硼粉末的粒度φ介于30～100μm之间的任意大小，所述氮化硼粉末为六方氮化硼粉末，所述氮化硼粉末的导热系数为150～300W/m˙K的任意大小，其绝缘电阻为10^14～10^15Ω˙cm之间的任意大小；
或者，所述氧化铝粉末的粒度φ≤10μm，所述氧化铝粉末为5N型氧化铝粉末，所述氧化铝粉末的导热系数为10～60W/m˙K的任意大小，其绝缘电阻为10^14～10^16Ω˙cm之间的任意大小；
或者，所述氮化铝粉末的粒度φ≤20μm，所述氮化铝粉末的导热系数为130～180W/m˙K之间的任意大小，其绝缘电阻为10^14～10^15Ω˙cm之间的任意大小。
4.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征是，所述硅树脂的导热系数≥1W/m˙K，其绝缘电阻为10^13～10^15Ω˙cm的任意大小。
5.根据权利要求4所述的芯片封装结构，其特征是，所述硅树脂为常温固化型硅树脂或UV光固化型硅树脂，其熔点＞150℃。
6.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征是，所述导热件（6）为金属导热柱，所述金属导热柱与所述通孔（10）过盈配合，所述金属导热柱与所述散热结构（7）固定连接，所述散热结构（7）为热沉结构或者金属外壳的底板。
7.根据权利要求1所述的芯片封装结构，其特征是，所述散热结构（7）为翅片式散热结构，所述散热结构（7）的一侧与所述导热件（6）一体成型，所述散热结构（7）的另一侧与金属外壳的底板相连接。
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KR20090094685A (ko) * 2008-03-03 2009-09-08 삼성전기주식회사 방열 인쇄회로기판 및 반도체 칩 패키지
CN103811436A (zh) * 2012-11-09 2014-05-21 辉达公司 改进堆叠式封装结构中的逻辑芯片的热性能
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