CN109216301A - 相变散热芯片结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种相变散热芯片结构及其制备方法，相变散热芯片结构包括：盖板和晶片；盖板的下表面与晶片的背面键合，盖板的下表面设置有空腔，晶片的背面设置有空槽，空腔与空槽连通，空腔或空槽内存有相变材料；相变材料填充满空腔或空槽，吸热变成液态或气态，体积膨胀，体积膨胀的相变材料将对芯片和盖板产生压力，进而影响芯片的可靠性，盖板的空腔提供了体积膨胀后相变材料储存的空间，减小了芯片和盖板之间的应力，提高芯片的可靠性。

Description

相变散热芯片结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种相变散热芯片结构，及其单芯片晶圆级制备方法和晶圆级系统封装制备方法。

背景技术

芯片热管理方式分为主动散热与被动散热，被动散热包括：热传导(热沉)；主动散热包括：相变散热，液态金属散热，微通道散热，热电散热，强制风冷；功率半导体中，随着单颗芯片尺寸的减小、功率的提高，随之产生的单位热通量迅速增加。

三维封装中，随着多种芯片的集成堆叠，大量的热量在封装体中堆积。传统上，通过热沉进行芯片的强制风冷，最多只能排出所产生的废热的60％，且风冷需要额外的功耗，存在噪音。

相变散热技术是利用物质相态变化，释放相变潜热的技术。实验数据显示，相变方式比简单温差散热的能力高出数倍甚至数十倍。相变材料在相变过程中可以储存或释放大量的热量，且相变过程近似等温，对芯片可进行有效的过热保护。同时具有体积小、重量轻、性能可靠、经济性和不耗能等优点。

芯片在工作过程中产生热量，芯片背面空腔内靠近芯片发热端的相变材料由固态变成液态或由液态变成汽态，吸收热量，靠近盖板冷端的相变材料由液态变成固态或由汽态变成液态，释放热量，形成一个导热循环。如此往复不断，完成芯片的主动散热过程，高导热相变材料起到了传热媒介的作用，从而快速地实现对集成电路芯片进行散热的目的，有效提高运行速度和功效、提高运行可靠性、延长使用寿命。

现有技术中，在芯片背面填满相变材料，相变材料发生相变引起体积膨胀，导致芯片产生应力，容易引起芯片的可靠性问题，以及采用相变材料进行散热，如何使吸收热量发生相变的材料快速将热量释放是重点和难点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中芯片内的填充相变材料发生相变膨胀，容易导致芯片产生应力，以及发生相变膨胀的材料如何快速将热量释放等问题，提供一种相变散热芯片结构及其制备方法，使吸收热量发生相变的材料快速将热量释放，避免芯片内部产生应力，提高芯片的可靠性。

为了实现上述目的，提出一种相变散热芯片结构，包括盖板和晶片：

所述盖板的下表面与所述晶片的背面键合，所述盖板的下表面设置有空腔，所述晶片的背面设置有空槽，所述空腔与所述空槽连通，所述空腔或空槽内存有相变材料。

可选地，还包括热沉，所述热沉设置于所述盖板的上表面。

可选地，所述热沉与所述盖板的上表面之间设有传热介质。

可选地，还包括导电凸块，所述导电凸块贴装于所述晶片的正面。

可选地，所述空腔的宽度大于或等于所述空槽的宽度。

可选地，所述空腔由多个空洞组成。

可选地，所述空洞的直径大于1um。

可选地，所述盖板由键合晶片制成。

可选地，所述盖板与所述晶片的键合处设有焊料。

根据本发明的一方面，根据相变散热芯片结构，提出一种相变散热芯片的晶圆级制备方法，包括：

提供一个晶圆，对所述晶圆的背面刻蚀，形成多个空槽，且所述空槽的深度不触及靠近所述晶圆的深阱区；

提供一个与所述晶圆尺寸相同的盖板，对所述盖板的下表面刻蚀，形成多个空腔；

在所述空槽或空腔内放置相变材料；

所述空腔与所述空槽的位置对应，将所述盖板的下表面与所述晶圆的背面键合。

可选地，还包括：在所述盖板的上表面设置传热介质，在所述传热介质上设置热沉。

可选地，在所述盖板的上表面设置传热介质之前，还包括：对所述盖板的上表面进行减薄。

可选地，对所述晶圆的背面刻蚀，形成多个空槽之前，还包括：对所述晶圆背面进行减薄。

可选地，还包括：在所述晶圆的正面贴装导电凸块。

可选地，对键合的结构进行切割，以得到多个所述相变散热芯片结构。

可选地，所述空腔由多个刻蚀的空洞组成。

可选地，所述相变材料通过低速旋涂方式设置于空槽或空腔内。

可选地，还包括：对所述晶圆的热点区域曝光。

可选地，所述空槽覆盖于所述热点区域。

可选地，所述刻蚀为等离子体反应刻蚀。

根据本发明的另一方面，提出一种相变散热晶圆级系统封装制备方法，包括：

提供一个第一晶圆和多个裸片，在第一晶圆的背面设置层间介质，将相间隔的多个裸片正面粘贴到所述第一晶圆的背面；

对每个所述裸片的背面刻蚀，形成空槽；

将模制材料注塑成型为其下表面具有多个空腔结构的第二晶圆，所述空腔与所述空槽的位置对应；

将所述第二晶圆的下表面与所述多个裸片的背面键合；

在所述第一晶圆的正面，与所述裸片的焊垫对应位置进行刻蚀，刻蚀深至所述第一晶圆露出所述裸片的焊垫，形成通孔；

在所述通孔内填充导电材料，形成导电插塞，以实现与所述裸片的电连接。

可选地，在将相间隔的多个裸片正面粘贴到第一晶圆的背面之后，对每个所述裸片的背面刻蚀，形成空槽之前，还包括：对所述裸片与裸片之间的缝隙注塑填充，形成覆盖所述裸片的侧壁和所述层间介质的塑封层。

可选地，在所述第一晶圆的正面，与所述裸片的焊垫对应位置进行刻蚀之前，还包括：对所述第一晶圆的正面进行减薄或去掉所述第一晶圆。可选地，在所述通孔内填充导电材料，形成导电插塞之后，还包括：在所述导电插塞上设置重布线层。

可选地，还包括：在所述导电插塞上或在所述重布线层上装贴导电凸块，所述导电凸块与所述裸片电连通。

可选地，还包括：在所述第二晶圆的上表面设置传热介质，在所述传热介质上设置热沉。

可选地，在所述第二晶圆的上表面设置传热介质之前，还包括：对所述第二晶圆的上表面进行减薄。

可选地，，所述空腔由多个刻蚀的空洞组成。

可选地，所述相变材料通过低速旋涂方式设置于空槽或空腔内。

可选地，所述相变散热晶圆级系统封装完成后，分割成若干个裸片为一组的多个模块，每个模块形成一个能够提供多种功能的系统。

本发明的有益效果在于：

1、在盖板的下表面设置空腔，晶片的背面设置有空槽，相变材料填充满空腔或空槽内，当相变材料吸热发生相变，释放热量，体积膨胀时，通过空腔与空槽连通，增大了相变材料可膨胀的空间，减少相变材料膨胀后对芯片和盖板的压力，提高了芯片的可靠性。

2、本发明的相变散热晶圆级系统封装制备方法，将晶圆级封装和系统封装的方法相结合，对粘贴到第一晶圆层间介质上的多个裸片背面刻蚀形成空槽，将模制材料注塑成型为其下表面具有多个空腔结构的第二晶圆，空腔与空槽的位置对应，在空腔或空槽内设置相变材料，将第二晶圆的下表面与多个裸片的背面键合，在裸片的焊垫对应位置形成导电插塞，实现裸片的电连通，将在晶圆上封装集成多组芯片，能够减小封装结构的面积，可以提高晶圆级系统封装结构的散热效率，优化芯片的电性能，降低制造成本。

本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1根据本发明的一个实施例的相变散热芯片结构。

图2根据本发明的一个实施例的一种相变散热芯片结构。

图3根据本发明的一个实施例的另一种相变散热芯片结构。

图4根据本发明的一个实施例的相变散热晶圆级制备方法的流程图。

图5(A)～图5(F)分别是根据本发明的一个实施例的相变散热晶圆级制备过程中的不同阶段的结构示意图。

图6根据本发明的一个实施例的相变散热晶圆级系统封装制备方法的流程图。

图7(A)～图7(L)分别是根据本发明的一个实施例的相变散热晶圆级SIP制备过程中的不同阶段的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明一种实施方式，提供一种相变散热芯片结构，包括盖板和晶片：

参照图1，盖板5的下表面与晶片6的背面键合，盖板5的下表面设置有空腔7，晶片6的背面设置有空槽8，空腔7与空槽8连通，空腔7或空槽8内存有相变材料。

现阶段对于相变散热主要的改进方向为改善相变材料的传热能力，根据相变温度点，选择合适的相变材料，相变材料吸收热量后发生固态到液态转变或液态到气态的转变，从而维持芯片的缓慢升温。

固态相变材料填充满空腔7或空槽8，吸热变成液态，体积膨胀，若盖板5无空腔，形成液态的相变材料将对晶片6和盖板5产生压力，进而影响芯片的可靠性。若相变材料变成气态后，也有同样存在对晶片6和盖板5产生压力的问题。盖板5的空腔7提供了体积膨胀后相变材料储存的空间，减小了晶片6和盖板5之间的应力，提高了芯片的可靠性。

具体地，相变材料有无机含水盐类、无机物、有机物、无机复合材料等。其中，正二十烷上限温控50摄氏度；石蜡熔点与电子器件工作温度接近；石蜡复合材料为石蜡中添加了高导热材料。

作为可选方案，还包括热沉9，热沉9设置于盖板5的上表面，热沉9与盖板5的上表面之间设有传热介质。

可选地，传热介质为具有银离子的环氧树脂胶。

具体地，盖板5的上端是冷端，在盖板5的上表面依次制备界面传热介质和热沉9，促进了相变材料与外界的热交换，实现相变材料高效的散热。

作为可选方案，还包括导电凸块11，导电凸块11贴装于晶片6的正面。

作为可选方案，空腔7的宽度可以大于或等于空槽8的宽度，参照图2。

具体地，空腔7的宽度大于空槽的8宽度，因此降低了晶圆与盖板5键合的精度要求，空腔7与热沉9的热交换面积更大，提高了状态转变后的相变材料与外界的热交换能力。

具体地，根据实际芯片尺寸，空腔7的边缘与空槽8的边缘相距1um以上。

作为可选方案，空腔7由多个空洞组成，参照图3。

具体地，多个空洞可均匀分布，也可在热点集中区大密度分布，或其他区域随机分布。

具体地，多个空洞的深度可以一致，也可以不同，例如热点集中区的空洞深度可以深一些，可以根据芯片的尺寸及散热效率的要求来确定空洞的直径。

作为可选方案，空洞的直径大于1um。

作为可选方案，盖板5可以由硅、锗、陶瓷、玻璃、金属或有机材料等制造而成。

根据本发明的一种实施方式，根据相变散热芯片结构，提出一种相变散热芯片的晶圆级制备方法，包括如下步骤：

步骤1：提供一个晶圆201，对晶圆201的背面刻蚀，形成多个空槽203，且空槽203的深度不触及靠近晶圆201的深阱区，参照图5(A)；

作为可选方案，对晶圆201的背面刻蚀，形成多个空槽203之前，还包括：对晶圆201背面进行减薄至预定厚度。

对晶圆201的背面进行光刻；以图形化的掩膜层为掩膜，掩膜层可以包括：硬掩膜材料和光刻胶掩膜材料。对晶圆201的热点区域曝光，将掩模板上的图形刻制到被加工的晶圆201表面，然后通过干法或湿法刻蚀工艺刻蚀晶圆201。

具体地，刻蚀可采用等离子体干法刻蚀工艺，含氯或含氟气体放电产生具有化学活性的等离子刻蚀气体，刻蚀气体含有大量的活性自由基，这些活性基团沉积到裸露的晶圆201上时，与硅原子相结合而形成挥发性的氯化硅或氟化硅分子，从而将光刻胶的图形转移到其下晶圆201上。

例如采用诸如CF₄、CF₃、C₄F₆等含氟气体为刻蚀气体的刻蚀方法。

在一个示例中，采用反应离子干法刻蚀工艺：刻蚀气体包括CF₄、CF₃一种或两种和氦气，其中刻蚀气体的流量为10～800sccm，刻蚀气压为200～800mtorr，射频功率为300～1000w，采用该刻蚀方法，可以在使刻蚀的表面平整光滑。

具体地，单个空槽203的尺寸不大于单个芯片的尺寸，或空槽203覆盖于热点区域，空槽203的深度不触及到深井区。

步骤2：提供一个与晶圆201尺寸相同的盖板202，对盖板202的下表面刻蚀，形成多个空腔204，参照图5(B)；

具体地，盖板202与晶圆201尺寸相同，在一个示例中，盖板202由硅圆制成。

首先对盖板202进行光刻；在一个示例中，在盖板202的下表面形成图形化的光刻胶层，以光刻胶层为掩膜层对盖板202进行一定时间的紫外线照射，并通过涂胶、曝光、显影、烘干等完成盖板202的光刻工艺。

然后对光刻过的盖板202进行刻蚀；刻蚀可以选用湿、干刻或激光等方法，在盖板的下表面形成具有一定深度的多个空腔204。

具体地，采用等离子体干法刻蚀工艺，在一个示例中，刻蚀气压为200～800mtorr，射频功率为300～1000w，刻蚀气为CF₄、CF₃中的一种或两种，其中，刻蚀气体的流量为10～50sccm。

预先设定空腔204的深度，空腔204的宽度与空槽203的宽度相等或大于空槽203的宽度，当盖板202的空腔204宽度大于空槽203宽度时，其空腔204的边缘与空槽203的边缘相距1um以上，降低了晶圆201与盖板202的键合时的精度要求，增大接触面，提高相变材料与外界的热交换能力。

可选的，空腔204由多个刻蚀的空洞组成。通过对盖板202的下表面进行刻蚀，形成一定深度的多个空洞，空洞的深度与空腔的深度一致，空洞的直径大于1um。并对盖板202下表面的键合面进行等离子体活化处理，提高表面附着力。

具体地，多个空洞可均匀分布，也可在热点集中区大密度分布，或其他区域随机分布。

具体地，空腔204深度根据盖板的厚度决定。

可选的地，八英寸的盖板202的厚度为725um，空腔204的上部所对应的盖板厚度小于50um。

步骤3：在空槽203或空腔204内放置相变材料，参照图5(C)；

在本实施例中，液态相变材料通过低速旋涂等方式设置于空槽202或空腔204内，固体相变材料通过先升温液化后，再进行低速旋涂，并冷却固化的方式均匀设置于空槽203或空腔204内。

步骤4：空腔204与空槽203的位置对应，将盖板202的下表面与晶圆201的背面键合，参照图5(D)。

先对盖板202下表面的键合面进行等离子体活化处理，提高表面附着力。

将盖板202的下表面与晶圆201的背面对准，且每个空腔204均匀的与每个空槽203的位置对应，进行真空低温键合。

可选地，盖板202的下表面与晶圆201的背面的接合方式由盖板202的材料而定。

可选地，盖板202与晶圆201通过真空低温键合，或合金共熔接合的方式焊接。

步骤5：对盖板202的上表面进行减薄，并在盖板202的上表面设置传热介质，在传热介质上设置热沉205，参照图5(E)。

盖板202的上表面减薄，能够提高相变材料与外界的热交换能力，通过在盖板202的上表面设置传热介质和热沉205能够进一步促进相变材料与外界的热交换，实现相变材料高效的散热性能。

减薄工艺可以使用任何适合的机械研磨工艺、化学机械研磨工艺或者刻蚀工艺等。减薄后的晶圆201或盖板202的厚度可以根据实际工艺进行合理设定。

步骤6：在晶圆201的正面贴装导电凸块206，参照图5(F)。

具体地，形成的导电凸块206按材料不同可分为焊料球状凸点、金凸点、聚合物凸点，也可以为其他适合的导电凸块206结构。

焊料凸点的制造技术可通过对布线层上电镀、印刷和金属注射方式贴装凸点。

步骤7：对键合的结构进行切割，以得到多个相变散热的芯片结构。

具体地，对制备完成的相变散热芯片的晶圆级结构进行切割，以得到相变散热的芯片结构。

根据本发明的另一种实施方式，提出一种相变散热晶圆级系统封装制备方法。

系统封装(SIP)是将多个具有不同功能的有源元件、无源元件、微机电系统(MEMS)以及光学元件等其他元件组合到一个单元中，形成一个可提供多种功能的系统或子系统，其允许异质IC(集成电路)集成，是最好的封装集成方式。相比于上片系统SOC，SIP集成具有相对简单、设计周期和面市周期更短以及成本较低的优点，并且SIP可以实现更复杂的系统。与传统的SIP相比，晶圆级系统封装是在晶圆上完成封装集成的制程，具有大幅减小封装结构的面积、降低制造成本、优化电性能、批次制造等优势，可明显的降低工作量与设备的需求。

包括如下步骤：

步骤1：提供一个第一晶圆102和多个裸片101，在第一晶圆102的背面设置层间介质112，将相间隔的多个裸片101正面粘贴到第一晶圆102的背面，参照图7(A)；

具体地，第一晶圆102与裸片101之间设置层间介质112，该层间介质层为绝缘层。层间介质112可采用二氧化硅、硼磷硅玻璃、磷硅酸盐玻璃、高分子材料、氮化硅等。

具体地，裸片101通过固晶胶110间隔阵列排布粘贴到第一晶圆102上。

多个裸片101之间可以具有相同或不同的功能，以及多个裸片101之间可以具有相同或不同的尺寸。裸片101的实际数目、功能和尺寸由设计要求决定并且不受限制。

作为可选方案，将相间隔的多个裸片101正面粘贴到第一晶圆102的背面之后，对每个裸片101的背面刻蚀，形成空槽103之前，还包括：对裸片101与裸片101之间的缝隙注塑填充，形成覆盖裸片101的侧壁和层间介质112的塑封层113，并对注塑成型后的表面进行修整。

具体地，将粘贴裸片101的第一晶圆102放到注塑机里，用热固塑料(环氧树脂)注塑成型，即可对第一晶圆102上裸片101与裸片101之间的缝隙注塑填充，注塑后对其表面进行修整，参照图7(B)。

注塑成型工艺使用液体的塑封料(MoldCompound)或者固体的塑封料，其中，较佳得使用液体的塑封料，以使液体的塑封料在固化前能够填充在相邻裸片101之间的间隙中，增加相邻裸片101之间的粘结性，提高封装的稳固性。

步骤2：对每个裸片101的背面刻蚀，形成空槽103，参照图7(C)；

具体地，以图形化的掩膜层盖在每个裸片101上，并通过曝光、显影、烘干等操作，对每个裸片101的背景进行光刻；对光刻后的裸片101进行等离子反应刻蚀，形成空槽103，且空槽103的深度不触及裸片101的深阱区。

步骤3：将模制材料注塑成型为其下表面具有多个空腔104结构的第二晶圆105，空腔104与空槽103的位置对应，参照图7(D)；

具体地，第一晶圆102的直径尺寸与第二晶圆105的直径尺寸相同。

具体地，模制材料在固化前通过模具制备出多个空腔104结构，并在第二晶圆105的上表面粘贴载体晶圆109，用于支撑固定第二晶圆105，确保注塑成型的第二晶圆105的平整度。

在一个示例中，空腔104由多个刻蚀的空洞组成。

具体地，多个空洞可均匀分布，也可在热点集中区大密度分布，或其他区域随机分布，空洞的深度与空腔104的深度一致，空洞的直径大于1um。

具体地，空腔104深度根据第二晶圆105的厚度决定。

步骤4：在空腔104或空槽103内设置相变材料，参照图7(E)；

液态相变材料通过低速旋涂等方式设置于空槽103或空腔104内，固体相变材料通过先升温液化后，再进行低速旋涂，并冷却固化的方式设置于空槽103或空腔104内。

步骤5：将第二晶圆105的下表面与多个裸片101的背面键合，参照图7(F)；

将第二晶圆105的下表面与裸片101的背面对准，每个空槽103与空腔104的位置对应，并进行真空低温键合。

步骤6：对第一晶圆102的正面进行减薄或去掉第一晶圆102，参照图7(G)。

具体地，第一晶圆102用于支撑固定相间隔的多个裸片101粘贴到第一晶102圆背面的层间介质112上。

步骤7：在第一晶圆102的正面，与裸片101的焊垫对应位置进行刻蚀，刻蚀深至第一晶圆102露出裸片102的焊垫，形成通孔106，参照图7(H)；

具体地，对第一晶圆102的正面进行减薄后，在第一晶圆102与每个裸片101对应的位置刻蚀凹槽，其刻蚀深度包括对第一晶圆102与裸片101之间的层间介质112的刻蚀。

具体地，对层间介质112采用等离子体干法刻蚀，具体如下：刻蚀气压为100～1000mtorr，射频功率为1000～3000W，刻蚀气体为C₄F₆，载气为氩气。其中，刻蚀气体的流量为10～500sccm，氩气的流量为200～1500sccm。

具体地，刻蚀气体还包括CF₄，CF₄气体的流量为10～1000sccm，能够减少层间介质112刻蚀过程中形成的聚合物层，蚀深至第一晶圆102露出裸片101的焊垫，保证通孔106的刻蚀深度。

在一个示例中，通孔106的直径小于500um。

步骤8：在通孔内106填充导电材料，形成导电插塞107，以实现与裸片101的电连接。

具体地，在通孔106内先沉积金属氧化物或钝化层，后沉积金属。

具体地，沉积金属为肽或铜，并通过电镀工艺填充通孔106，形成导电插塞107。

作为可选方案，该导电插塞的形成工艺与传统互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺一致。

作为可选方案，在通孔106内填充导电材料，形成导电插塞107之后，还包括：在导电插塞107上设置重布线层，将通孔106内填充的导电材料电性连通。

步骤9：在导电插塞107上或在重布线层上装贴导电凸块108，导电凸块108与裸片101电连通，参照图7(I)。

具体地，采用硅通孔技术，制作垂直穿透晶圆的电连接通道，通过电连接通道引出电极，使裸片101与导电凸块108电连通。

步骤10：去掉第二晶圆105上表面的载体晶圆109，参照图7(J)，并对第二晶圆105的上表面进行减薄至预设的厚度，保持空腔104或空槽103内部相变材料的传热性能，参照图7(K)。

步骤11：在第二晶圆105的上表面设置传热介质，在传热介质上设置热沉114，并对晶圆级系统封装进行切割，参照图7(L)。

步骤12：相变散热晶圆级系统封装完成后，分割成若干个裸片为一组的多个模块，每个模块形成一个能够提供多种功能的系统。

具体地，完成了相变散热晶圆级系统封装，可以沿切割道对第一晶圆102进行切割工艺，以将集成在第一晶圆102上的多个裸片101分割为各自独立的模块，例如每个模块均包括相变散热和热沉散热的结构，该模块形成一个可提供多种功能的系统或子系统，该功能取决于实际集成的芯片的功能。

实施例1

图1根据本发明的一个实施例的相变散热芯片结构，图2根据本发明的一个实施例的一种相变散热芯片结构，图3根据本发明的一个实施例的另一种相变散热芯片结构。

如图1所示，实施例提供一种相变散热芯片结构，包括盖板5和晶片6：

盖板5的下表面与晶片6的背面键合，盖板5的下表面设置有空腔7，晶片6的背面设置有空槽8，空腔7与空槽8连通，空腔7或空槽8内存有相变材料。

该结构还包括热沉9，热沉9设置于盖板5的上表面；还包括导电凸块11，导电凸块11贴装于晶片6的正面。盖板5由硅圆晶片制成，盖板5与晶片6的键合处设有焊料4。

如图2所示，空腔7的宽度大于空槽8的宽度。

如图3所示，空腔7由多个空洞组成，空洞的直径大于1um。

通过在盖板5的下表面设置空腔7，在晶片6的背面设置空槽8，相变材料填充满空腔7或空槽8内后，相变材料吸热发生相变，体积膨胀，相变材料可膨胀的空间增大，减少的相变材料膨胀后对晶片6和盖板5的压力，从而提高芯片的可靠性。

实施例2

图4根据本发明的一个实施例的相变散热晶圆级制备方法的流程图。图5(A)～图5(F)分别是根据本发明的一个实施例的相变散热晶圆级制备过程中的不同阶段的结构示意图。

如图4所示，本实施例提供一种相变散热晶圆级制备方法，包括如下步骤：

步骤101：提供一个晶圆201，对晶圆101的背面刻蚀，形成多个空槽103，且空槽203的深度不触及靠近晶圆201的深阱区，如图5(A)所示；

对晶圆201的背面刻蚀，形成多个空槽203之前，需要对晶圆201的背面进行减薄；

步骤102：提供一个与晶圆201尺寸相同的盖板202，对盖板202的下表面刻蚀，形成多个空腔204，如图5(B)所示；

通过对晶圆201和盖板202的热点区域进行曝光、显影、烘干等操作，对晶圆201和盖板202进行光刻，然后进行等离子体反应刻蚀。

首先在晶圆201和盖板202上涂满光刻胶，并在晶圆201和盖板102上盖上掩膜板，然后用紫外线隔着掩膜板对晶圆进行一定时间的照射，利用紫外线照射使晶圆201和盖板202特定部分的光刻胶发生化学反应，使部分晶片的表面裸露出来。然后，通过含氯或含氟刻蚀气体，对晶圆201和盖板202进行等离子体反应干法刻蚀工艺，将光刻胶的图形转移到其下晶圆上。

步骤103：在空槽203内放置相变材料，如图5(C)所示；

液态相变材料通过低速旋涂等方式设置于空槽203内，固体相变材料通过先升温液化后，再进行低速旋涂，并冷却固化的方式设置于空槽203内。

步骤104：空腔204与空槽203的位置对应，将盖板202的下表面与晶圆201的背面键合，如图5(D)所示。

先对盖板202下表面的键合面进行等离子体活化处理，提高表面附着力。

将盖板202的下表面与晶圆201的背面对准，进行真空低温键合。

步骤105：对盖板202的上表面进行减薄，并在盖板202的上表面设置传热介质，在传热介质上设置热沉205，如图5(E)所示。

步骤106：在晶圆201的正面贴装导电凸块206，如图5(F)所示。

导电凸块206为焊球(例如锡球)时，可以通过植球工艺将焊球放置于晶圆201的正面。

步骤107：对键合的结构进行切割，以得到多个相变散热的芯片结构。

制备完成的相变散热芯片的晶圆级结构进行切割，以得到相变散热的芯片结构。

实施例3

图6根据本发明的一个实施例的相变散热晶圆级系统封装制备方法的流程图，图7(A)～图7(L)分别是根据本发明的一个实施例的相变散热圆级系统封装制备过程中的不同阶段的结构示意图。

如图6所示，实施例提供一种相变散热晶圆级系统封装制备方法，包括：

步骤201：提提供一个第一晶圆102和多个裸片101，在第一晶圆102的背面设置层间介质112，将相间隔的多个裸片101正面粘贴到第一晶圆102的背面；

如图7(A)所示，第一晶圆102与裸片101之间设置层间介质112，裸片101通过固晶胶110粘贴到晶圆102上，层间介质112采用二氧化硅材料。

对裸片101与裸片101之间的缝隙注塑填充，形成覆盖裸片101的侧壁和层间介质112的塑封层113，并对注塑成型后的表面进行修整，如图7(B)所示。

其注塑成型的方式为：将粘贴裸片的第一晶圆放到注塑机里，用热固塑料(环氧树脂)注塑成型塑封层113，注塑后对其表面进行修整。

步骤202：对每个裸片101的背面进行刻蚀，形成空槽103。

如图7(C)所示，对每个裸片101的进行等离子体反应刻蚀，形成空槽103，且空槽103的深度不触及裸片101的深阱区。

步骤203：将模制材料注塑成型为其下表面具有多个空腔104结构的第二晶圆105，空腔104与空槽103的位置对应；

模制材料在固化前通过模具制备出空腔104结构，在第二晶圆105的上表面设置载体晶圆109，如图7(D)所示。

步骤204：在空槽103内设置相变材料。

如图7(E)所示，液态相变材料通过低速旋涂等方式设置于空槽103内，固体相变材料通过先升温液化、再进行低速旋涂、并冷却固化的方式设置于空槽103内。

步骤205：将第二晶圆105的下表面与多个裸片101的背面进行键合。

如图7(F)所示，将第二晶圆105的下表面与裸片101的背面对准，并进行真空低温键合。

步骤206：对第一晶圆102的正面进行减薄后，在第一晶圆102的正面，与裸片101的焊垫对应位置进行刻蚀，刻蚀深至第一晶圆102露出裸片101的焊垫，形成通孔106；

如图7(G)所示和如图7(H)所示，对第一晶圆102的正面进行减薄，在第一晶圆102的正面，与裸片101的焊垫对应位置进行刻蚀，其刻蚀深度包括对第一晶圆102与裸片101之间的层间介质113的刻蚀，通孔106的直径小于500um。

步骤207：在通孔106内填充导电材料，形成导电插塞107，以实现与裸片101的电连接。

在导电插塞107上设置重布线层，在导电插塞107上或在重布线层上装贴导电凸块108，导电凸块108与裸片101电连通，图7(I)所示。

步骤208：去掉第二晶圆105上表面的载体晶圆109，如图7(J)所示，并对第二晶圆105的上表面进行减薄至预设的厚度，如图7(K)所示。

步骤209：在第二晶圆105的上表面设置传热介质，在传热介质上设置热沉114，如图7(L)所示。

步骤210：相变散热晶圆级系统封装完成后，分割成若干个裸片101为一组的多个模块，每个模块形成一个能够提供多种功能的系统。

本发明的相变散热晶圆级系统封装制备方法，将晶圆级封装和系统封装的方法相结合，将在晶圆上封装集成多组芯片，能够减小封装结构的面积，可以提高晶圆级系统封装结构的散热效率，优化芯片的电性能，降低制造成本。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (21)

1.一种相变散热芯片结构，其特征在于，包括盖板和晶片：

所述盖板的下表面与所述晶片的背面键合，所述盖板的下表面设置有空腔，所述晶片的背面设置有空槽，所述空腔与所述空槽连通，所述空腔或空槽内存有相变材料。

2.根据权利要求1所述的相变散热芯片结构，其特征在于，还包括热沉，所述热沉设置于所述盖板的上表面。

3.根据权利要求1所述的相变散热芯片结构，其特征在于，所述热沉与所述盖板的上表面之间设有传热介质。

4.根据权利要求1所述的相变散热芯片结构，其特征在于，还包括导电凸块，所述导电凸块贴装于所述晶片的正面。

5.根据权利要求1所述的相变散热芯片结构，其特征在于，所述空腔的宽度大于或等于所述空槽的宽度。

6.根据权利要求1所述的相变散热芯片结构，其特征在于，所述空腔由多个空洞组成。

7.一种相变散热芯片的晶圆级制备方法，其特征在于，包括：

提供一个晶圆，对所述晶圆的背面刻蚀，形成多个空槽，且所述空槽的深度不触及靠近所述晶圆的深阱区；

提供一个与所述晶圆尺寸相同的盖板，对所述盖板的下表面刻蚀，形成多个空腔；

在所述空槽或空腔内放置相变材料；

所述空腔与所述空槽的位置对应，将所述盖板的下表面与所述晶圆的背面键合。

8.根据权利要求7所述的相变散热芯片的晶圆级制备方法，其特征在于，还包括：在所述盖板的上表面设置传热介质，在所述传热介质上设置热沉。

9.根据权利要求7所述的相变散热芯片的晶圆级制备方法，其特征在于，在所述盖板的上表面设置传热介质之前，还包括：对所述盖板的上表面进行减薄。

10.根据权利要求7所述的相变散热芯片的晶圆级制备方法，其特征在于，对所述晶圆的背面刻蚀，形成多个空槽之前，还包括：对所述晶圆背面进行减薄。

11.根据权利要求7所述的相变散热芯片的晶圆级制备方法，其特征在于，还包括：在所述晶圆的正面贴装导电凸块。

12.根据权利要求7所述的相变散热芯片的晶圆级制备方法，其特征在于，对键合的结构进行切割，以得到多个所述相变散热的芯片结构。

13.一种相变散热晶圆级系统封装制备方法，包括：

提供一个第一晶圆和多个裸片，在第一晶圆的背面设置层间介质，将相间隔的多个裸片正面粘贴到所述第一晶圆的背面；

对每个所述裸片的背面刻蚀，形成空槽；

将模制材料注塑成型为其下表面具有多个空腔结构的第二晶圆，所述空腔与所述空槽的位置对应；

在所述空腔或空槽内设置相变材料；

将所述第二晶圆的下表面与所述多个裸片的背面键合；

在所述第一晶圆的正面，与所述裸片的焊垫对应位置进行刻蚀，刻蚀深至所述第一晶圆露出所述裸片的焊垫，形成通孔；

在所述通孔内填充导电材料，形成导电插塞，以实现与所述裸片的电连接。

14.根据权利要求13所述的相变散热晶圆级系统封装制备方法，其特征在于，在将相间隔的多个裸片正面粘贴到第一晶圆的背面之后，对每个所述裸片的背面刻蚀，形成空槽之前，还包括：对所述裸片与裸片之间的缝隙注塑填充，形成覆盖所述裸片的侧壁和所述层间介质的塑封层。

15.根据权利要求13所述的相变散热晶圆级系统封装制备方法，其特征在于，在所述第一晶圆的正面，与所述裸片的焊垫对应位置进行刻蚀之前，还包括：对所述第一晶圆的正面进行减薄或去掉所述第一晶圆。

16.根据权利要求13所述的相变散热晶圆级系统封装制备方法，其特征在于，在所述通孔内填充导电材料，形成导电插塞之后，还包括：在所述导电插塞上设置重布线层。

17.根据权利要求13或16所述的相变散热晶圆级系统封装制备方法，其特征在于，还包括：在所述导电插塞上或在所述重布线层上装贴导电凸块，所述导电凸块与所述裸片电连通。

18.根据权利要求13所述的相变散热晶圆级系统封装制备方法，其特征在于，还包括：在所述第二晶圆的上表面设置传热介质，在所述传热介质上设置热沉。

19.根据权利要求18所述的相变散热晶圆级系统封装制备方法，其特征在于，在所述第二晶圆的上表面设置传热介质之前，还包括：对所述第二晶圆的上表面进行减薄。

20.根据权利要求13所述的相变散热晶圆级系统封装制备方法，其特征在于，所述相变材料通过低速旋涂方式设置于空槽或空腔内。

21.根据权利要求18所述的相变散热晶圆级系统封装制备方法，其特征在于，还包括：所述相变散热晶圆级系统封装完成后，分割成若干个裸片为一组的多个模块，每个模块形成一个能够提供多种功能的系统。