CN102487052A - 芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了封装组件技术领域的一种芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件及其制造方法。它解决了制约电子元件向高功率和小型化发展的散热瓶颈问题。主体为复合材料热沉，其上镀有导热绝缘层并且铺设线路层，使其兼具传统封装基板的散热通道、电气连接和物理支撑的功能。将芯片激光垂直剥离后置于带有绝缘层和线路层的复合材料热沉上，热沉与外部散热结构之间采用焊接方式连接。本发明实现了芯片衬底、热沉及基板的一体化，降低了产品的热阻，减少了封装组件的结构，不仅使芯片产生的热量能够快速散出，提高了产品的可靠性和使用寿命，同时实现了对封装器件小型化、轻量化的需求。

Description

芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件及其制造方法

技术领域

本发明属于封装组件技术领域，特别涉及一种芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件及其制造方法。

背景技术

随着集成电路的发展，电子封装变得更轻、更薄、更小、功能更强，逐步满足人类对便捷、舒适、强大功能的追求，同时也对电子封装提出了更高的要求。电子元件功耗的增加必然会导致电路发热量的提高，从而使工作温度不断上升。一般来说，在半导体器件中，温度每升高18℃，失效的可能性就增加2～3倍。因此散热成为制约电子元件向高功率和小型化发展的瓶颈问题。

目前基本的封装结构如图1所示，首先将具有蓝宝石或SiC衬底的芯片1a焊接在铜热沉3a上，然后再焊接到带有线路层的铝合金基板5a上，铝合金基板再焊接于外部散热组件7a上。芯片的热量通过内热通路传导至热沉而后至基板，基板再将热量传导至外部散热组件，散热组件通过空气对流或向外辐射散热。焊料、铜热沉及铝合金的热导率分别为60W/m·K，400W/m·K和230W/m·K，这些材料的热导率已经不能满足芯片向高功率特别是高功率密度发展的要求，采用串联的散热结构其连接界面是散热瓶颈，减少界面连接一方面能够突破散热瓶颈实现高效散热；另一方面有利于其小型化、轻量化的发展。因此，研发更高导热率的材料以及设计散热更好的结构成为电子元件向高功率和小型化发展的必然趋势。

发明内容

本发明为了解决现有封装组件制造过程中采用的材料及结构不适于封装组件向高功率、小型化发展的需求，提出了一种芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件及其制造方法。

一种芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件，该复合材料封装组件由芯片、复合材料热沉、外部散热结构、焊接层以及热沉绝缘层组成；

所述复合材料热沉的上表面设有所述热沉绝缘层，所述复合材料热沉上表面设有一凹穴，所述芯片设于该复合材料热沉的凹穴处，所述复合材料热沉兼做上下电极结构的芯片支撑衬底，又作为散热热沉及基板，形成芯片衬底、热沉及基板一体化结构；

在所述复合材料热沉与所述外部散热结构之间设置焊接层。

所述的复合材料热沉采用高导热、低膨胀的复合材料，优选金刚石/铜、金刚石/铝、金刚石/银，碳纤维/铜/铝/银等高导热、低膨胀的复合材料。

在所述热沉绝缘层上铺设线路层。

所述热沉绝缘层绝缘层材质为金刚石、氮化铝或者其他陶瓷膜。金刚石绝缘层可采用CVD法制备。

所述热沉绝缘层可做成引线框架形式。

所述外部散热结构为鳍片、风冷、水冷、热管或者微通道散热结构。

一种芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件的制造方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：制备复合材料热沉，在其上表面镀绝缘层，再预设一凹穴，；

步骤二：将具有蓝宝石或SiC衬底的芯片衬底剥离，转移至复合材料热沉上的凹穴处；

步骤三：将带有芯片的复合材料热沉钎焊于外部散热组件上；

步骤四：在复合材料热沉的表面覆上引线层。

所述的复合材料热沉可采用高导热、低膨胀的复合材料，优选金刚石/铜、金刚石/铝、金刚石/银，碳纤维/铜/铝/银等高导热、低膨胀的复合材料。

所述热沉绝缘层绝缘层材质为金刚石、氮化铝或者其他陶瓷膜。金刚石绝缘层可采用CVD法制备。

目前的封装器件中粘结层由于热导率很低而成为热量快速散发出去的主要障碍，在散热结构设计中应尽量减少粘结的工序，确保导热通道的畅通，降低器件的热阻，而且选用高导热材料也会有效地降低芯片结温和热阻。

本发明的优点在于：

本发明解决了制约电子元件向高功率和小型化发展的散热瓶颈问题。主体为复合材料热沉，其上镀有导热绝缘层并且铺设线路层，使其兼具传统封装基板的散热通道、电气连接和物理支撑的功能。将芯片激光垂直剥离后置于带有绝缘层和线路层的复合材料热沉上，热沉与外部散热结构之间采用焊接方式连接。

热沉上涂覆绝缘层及线路层而取代基板，实现芯片衬底、热沉及基板一体化，从而去除了连接芯片与热沉、热沉与基板之间的高热阻、低导热率焊料，从根本上解决了散热的瓶颈问题，实现了电子封装组件的高功率和小型化。本发明所设计的热沉采用复合材料制成，一方面该材料的热膨胀系数为5～8×10^-6/K，与芯片材料的热膨胀系数(Si为4.1×10^-6/K，GaAs为5.8×10^-6/K)很匹配，因此芯片工作过程中不会产生由于热失配而引起的芯片破裂损坏、强度下降、耐热冲击性降低、封装裂纹、空洞等各种缺陷的问题，另一方面该材料的热导率可以达到650W/m·K，比铜等传统的散热材料的热导率提高了1.5倍以上，有利于热量向外传送。本发明的复合材料热沉可以实现镀覆绝缘层和线路层，满足常规封装器件对基板的要求，同时复合材料具有可焊性，满足与外部散热结构焊接的需要，另外，激光垂直剥离芯片技术的成熟也为芯片与复合材料热沉一体化提供了途径。本发明适用于单芯片和多芯片阵列的封装。

附图说明

图1是传统典型的封装结构示意图；

图2是本发明的芯片、热沉及基板一体化的复合材料封装组件结构示意图。

图1中标号：

1a-芯片；2a-焊接层；3a-热沉；4a-焊接层；5a-基板；6a-焊接层；7a-外部散热组件；

图2中标号：

1-芯片；2-复合材料热沉；3-焊接层；4-外部散热结构；5-热沉绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

具体实施方式一：

结合图2说明本实施方式，

一种芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件，该复合材料封装组件由芯片1、复合材料热沉2、外部散热结构4、焊接层3以及热沉绝缘层5组成；

所述复合材料热沉2的上表面镀有所述热沉绝缘层5，所述复合材料热沉2上表面设有一凹穴，所述芯片1剥离至该复合材料热沉2的凹穴处，所述复合材料热沉2兼做上下电极结构的芯片支撑衬底，又作为散热热沉及基板，形成芯片衬底、热沉及基板一体化结构；

所述复合材料热沉2与所述外部散热结构4之间采用焊接方式连接，在所述复合材料热沉2与所述外部散热结构4之间形成焊接层3。

在所述热沉绝缘层5上铺设线路层。

所述热沉绝缘层5绝缘层材质为金刚石、氮化铝或者其他陶瓷膜。

结合图2，上述芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件的制造方法包括以下几个步骤：

步骤一：制备复合材料热沉2，将其加工成30mm×30mm×6mm的长方体，一般而言，热沉的形状不限定，且不限于任何厚度，但以3mm以上为较佳的厚度，在其上镀厚度为0.5～5μm的绝缘层5，接着进行钻孔制作工艺，如镭射钻孔或机械钻孔，在热沉上表面中间部位由镀层钻至复合材料基体以下，形成一凹穴，尺寸为2mm×2mm×1.5mm；

步骤二：将具有蓝宝石或SiC衬底的芯片1衬底剥离，移至复合材料热沉2上的凹穴处，得到n面朝上的粘结在复合材料热沉2上的外延片；

步骤三：将带有芯片1的复合材料热沉2加热钎焊于外部散热结构4上；

步骤四：在复合材料热沉2上的表面覆上引线层。

具体实施方式二：

结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于复合材料热沉2采用金刚石/铜、金刚石/铝、金刚石/银、或者碳纤维/铜/铝/银等高导热、低膨胀的复合材料。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。当热沉2采用金刚石/铜复合材料时，封装后得到20W芯片的结温为138℃，比传统的选用铜材料作为热沉时芯片结温降低18％。

具体实施方式三：

结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于绝缘层5采用CVD金刚石或AlN材料。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：

结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于焊接层3采用热阻小的金锡AuSn、锡银SnAg或锡铅SnPb合金焊料。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。当采用AuSn焊料时，封装后得到20W芯片的结温为138℃，比采用粘结剂作为键合材料时结温降低12％。

具体实施方式五：

结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于芯片1的功率为20W，其它组成和连接方式与具体实施方式一相同，封装后得到芯片的结温为104.9℃，比具有键合材料的封装结构的芯片结温降低了24％。

Claims (10)

1.一种芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件，其特征在于：该复合材料封装组件由芯片(1)、复合材料热沉(2)、焊接层(3)、外部散热结构(4)以及热沉绝缘层(5)组成；

所述复合材料热沉(2)的上表面设有所述热沉绝缘层(5)，所述复合材料热沉(2)上表面设有一凹穴，所述芯片(1)设于该复合材料热沉(2)的凹穴处，所述复合材料热沉(2)兼做上下电极结构的芯片支撑衬底，又作为散热热沉及基板，形成芯片衬底、热沉及基板一体化结构；

在所述复合材料热沉(2)与所述外部散热结构(4)之间设置焊接层(3)。

2.根据权利要求1所述的的复合材料封装组件，其特征在于：所述的复合材料热沉(2)采用高导热、低膨胀的复合材料。

3.根据权利要求3所述的的复合材料封装组件，其特征在于：所述的复合材料热沉(2)采用以下任意一种复合材料：金刚石/铜、金刚石/铝、金刚石/银或者碳纤维/铜/铝/银。

4.根据权利要求1所述的的复合材料封装组件，其特征在于：在所述热沉绝缘层(5)上铺设线路层。

5.根据权利要求1所述的的复合材料封装组件，其特征在于：所述热沉绝缘层(5)绝缘层材质为金刚石、氮化铝或者其他陶瓷膜。

6.根据权利要求1所述的的复合材料封装组件，其特征在于：所述热沉绝缘层(5)做成引线框架形式。

7.根据权利要求1所述的的复合材料封装组件，其特征在于：所述外部散热结构(4)为鳍片、风冷、水冷、热管或者微通道散热结构。

8.一种芯片衬底、热沉及基板一体化的复合材料封装组件的制造方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：制备复合材料热沉(2)，在其上表面镀绝缘层(5)，再预设一凹穴，；

步骤二：将具有蓝宝石或SiC衬底的芯片衬底剥离，转移至复合材料热沉(2)上的凹穴处；

步骤三：将带有芯片(1)的复合材料热沉(2)钎焊于外部散热组件(4)上；

步骤四：在复合材料热沉(2)的表面覆上引线层。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的复合材料热沉(2)采用高导热、低膨胀的复合材料，所述高导热、低膨胀的复合材料包括以下任意一种复合材料：金刚石/铜、金刚石/铝、金刚石/银或者碳纤维/铜/铝/银。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述热沉绝缘层(5)绝缘层材质为金刚石、氮化铝或者其他陶瓷膜。

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