一种半导体芯片系统及堆叠封装结构

摘要

本发明属于芯片封装技术领域，具体的说是一种半导体芯片系统及堆叠封装结构，包括基板，所述基板的下表面上设置有焊球，所述基板的上表面上安装有芯片，所述芯片的底部设置有焊点，所述芯片的底部填充有保护胶，所述基板的上表面上设置有塑封体，所述塑封体将芯片包围在其内部，所述塑封体上开设有相变槽，所述芯片位于相变槽内，所述相变槽内填充有相变吸热材料；所述相变材料为石蜡基相变材料；本发明结构简单，通过减小散热时的热阻，提高散热时的效接触面积，提高封装后芯片的散热效果，保证封装后芯片的正常使用。

权利要求

1.一种半导体芯片堆叠封装结构，包括基板(1)，所述基板(1)的下表面上设置有焊球(11)，所述基板(1)的上表面上安装有芯片(6)，所述基板(1)的上表面上设置有塑封体(2)，其特征在于：所述塑封体(2)上开设有相变槽(21)，所述芯片(6)位于相变槽(21)内，所述相变槽(21)内填充有相变吸热材料；

所述芯片(6)之间的缝隙中填充有缓冲胶(7)，所述基板(1)上粘接有固定胶(5)，所述固定胶(5)一端粘接塑封体(2)，所述固定胶(5)另一端粘接芯片(6)。

2.根据权利要求1所述一种半导体芯片堆叠封装结构，其特征在于：所述塑封体(2)的上表面开设有安装槽(22)，所述安装槽(22)内安装有导热板(3)。

3.根据权利要求2所述一种半导体芯片堆叠封装结构，其特征在于：所述导热板(3)上安装有支撑体(4)，所述支撑体(4)的一端粘接在导热板(3)上，所述导热板(3)的另一端接触基板(1)或芯片(6)的上表面。

4.根据权利要求3所述一种半导体芯片堆叠封装结构，其特征在于：所述支撑体(4)呈扁平形，所述支撑体(4)内部开设有空腔(43)。

5.根据权利要求4所述一种半导体芯片堆叠封装结构，其特征在于：所述导热板(3)为均热板，所述导热板(3)由不锈钢材料制成。

6.根据权利要求5所述一种半导体芯片堆叠封装结构，其特征在于：所述支撑体(4)靠近导热板(3)处开设有缺口槽(41)，所述支撑体(4)的表面上均匀开设有导流槽(42)。

7.一种半导体芯片系统，该系统适用于权利要求6所述的半导体芯片堆叠封装结构，其特征在于：所述半导体芯片系统采用上述的堆叠封装结构对芯片(6)进行封装，所述半导体芯片系统包括多枚芯片(6)并进行堆叠封装。

说明书

一种半导体芯片系统及堆叠封装结构

技术领域

[0001] 本发明属于芯片封装技术领域，具体的说是一种半导体芯片系统及堆叠封装结构。

背景技术

[0002] 由于消费者青睐于厚度更薄且产品性能与内存越高的电子产品，使得电子产品微型化设计越来越普遍，为满足用户的需求，半导体封装结构常采用多个芯片叠装技术(Stack‑Die)或者芯片混合叠装技术(hybrid stack‑die)，将两个或者多个芯片叠装在单一封装结构中，得到半导体芯片系统，通过该半导体芯片系统，实现产品封装体积更小、产品性能更高的目的。

[0003] 与此同时，随着半导体芯片的封装结构朝着小尺寸、高脚数和高热效方向发展，芯片自身的功耗越来越高，在半导体芯片提升性能的同时会产生更高的热量，产生的热量若不及时传导、散发，会使封装结构变形或将芯片烧坏。

[0004] 目前的单芯片和多芯片堆叠封装中，通常使用添加顶部金属散热盖、热沉或者散热器等方式增强芯片散热能力。但是，散热盖、散热器与封装中的芯片之间仍旧存在导热系数相对较低的塑封体，同时，由于中间间隔的接触面相对较多，在接触面处产生的热阻也相对较大，影响到封装后芯片的散热效果，同时，封装后的芯片散热时与散热盖、散热器接触的有效接触面积也不大，影响散热效率。

发明内容

[0005] 为了弥补现有技术的不足，通过减小散热时的热阻，提高散热时的效接触面积，提高封装后芯片的散热效果，保证封装后芯片的正常使用，本发明提出一种半导体芯片系统及堆叠封装结构。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述一种半导体芯片堆叠封装结构，包括基板，所述基板的下表面上设置有焊球，所述基板的上表面上安装有芯片，所述芯片的底部设置有焊点，所述芯片的底部填充有保护胶，所述基板的上表面上设置有塑封体，所述塑封体将芯片包围在其内部，所述塑封体上开设有相变槽，所述芯片位于相变槽内，所述相变槽内填充有相变吸热材料；所述相变材料为石蜡基相变材料。

[0007] 优选的，所述芯片之间的缝隙中填充有缓冲胶，所述基板上粘接有固定胶，所述固定胶一端粘接塑封体，所述固定胶另一端粘接芯片。

[0008] 优选的，所述塑封体的上表面开设有安装槽，所述安装槽内安装有导热板，所述导热板将相变槽封闭，所述导热板由导热性好的金属材料制成。

[0009] 优选的，所述导热板上安装有支撑体，所述支撑体的一端粘接在导热板上，所述导热板的另一端接触基板或芯片的上表面，所述支撑体由硅胶材料制成。

[0010] 优选的，所述支撑体呈扁平形，所述支撑体内部开设有空腔。

[0011] 优选的，所述导热板为均热板，所述导热板由不锈钢材料制成，所述导热板的厚度为0.2mm。

[0012] 优选的，所述支撑体靠近导热板处开设有缺口槽，所述支撑体的表面上均匀开设有导流槽，所述导流槽是角度为120°的箭头。

[0013] 优选的，根据上述任一项所述的一种半导体芯片系统采用上述的堆叠封装结构对芯片进行封装，所述半导体芯片系统包括多枚芯片并进行堆叠封装。

[0014] 本发明的有益效果如下：

[0015] 1.本发明所述一种半导体芯片系统及堆叠封装结构，通过设置相变槽、导热板，并在相变槽内填充相变材料，能够提高散热时的有效接触面积，并减小散热时的热阻，从而提高封装后芯片的散热效果。

[0016] 2.本发明所述一种半导体芯片系统及堆叠封装结构，通过设置支撑体以及空腔，能够对导热板产生一定的支撑，降低导热板变形的可能，同时，支撑体也能对相变槽内的芯片产生一定的限制与固定效果，避免芯片受到外界的振动与冲击影响，同时，利用空腔来补偿相变材料在固态与液态之间转变时出现的体积变化，避免对芯片产生影响。

附图说明

[0017] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0018] 图1是本发明堆叠封装结构的主视图；

[0019] 图2是本发明堆叠封装结构的局部剖视图；

[0020] 图3是本发明堆叠封装结构内部的结构示意图；

[0021] 图4是本发明中支撑体的结构示意图；

[0022] 图5是图2中A处局部放大图；

[0023] 图中：基板1、焊球11、塑封体2、相变槽21、安装槽22、导热板3、支撑体4、缺口槽41、导流槽42、空腔43、固定胶5、芯片6、缓冲胶7、保护胶8、焊点9。

具体实施方式

[0024] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

[0025] 如图1至图5所示，本发明所述一种半导体芯片堆叠封装结构，包括基板1，所述基板1的下表面上设置有焊球11，所述基板1的上表面上安装有芯片6，所述芯片6的底部设置有焊点9，所述芯片6的底部填充有保护胶8，所述基板1的上表面上设置有塑封体2，所述塑封体2将芯片6包围在其内部，所述塑封体2上开设有相变槽21，所述芯片6位于相变槽21内，所述相变槽21内填充有相变吸热材料，所述相变材料为石蜡基相变材料；

[0026] 工作时，芯片6产生的热量散发到相变槽21中，由于芯片6位于相变槽21中且相变槽21中填充有相变材料，因此，芯片6产生的热量被相变材料吸收，并使得相变材料从固态转变为液态，使芯片6充分接触相变材料，将芯片6产生的热量进行传导至相变材料中，以便热量从相变槽21处进行散发，避免封装后的芯片6在工作时温度过高，导致芯片6受损，同时，位于相变槽21内的形变材料能够利用自身的特性，在其吸收热量并发生相变之后，能够充分的接触并包裹芯片6暴露在相变槽21内的部分，从而增加芯片6散热时的有效接触面积，避免直接将散热结构连接到芯片6或封装结构上时，散热结构不能直接接触芯片6以及有效散热面积小，从而导致芯片6工作时产生的热量不能被快速的散发走，同时，通过相变材料直接接触芯片6，也能进一步减少外界散热结构与芯片6之间的间隔、接触面数量，使得外界散热结构能够通过相变材料直接接触芯片6，无需经过塑封体2的二次中转，从而有效的降低热阻，便于芯片6产生热量的传递与散发，避免芯片6温度过高；同时，位于基板1上的塑封体2能够对芯片6进行保护与固定，避免芯片6在使用时受到外界振动、冲击影响，导致芯片6损伤，此外，塑封体2上的相变槽21在注入相变材料后封闭，形成封闭的相变槽21，避免堆叠封装结构内的相变材料流失，影响到芯片6工作时的散热效果。

[0027] 作为本发明一种实施方式，所述芯片6之间的缝隙中填充有缓冲胶7，所述基板1上粘接有固定胶5，所述固定胶5一端粘接塑封体2，所述固定胶5另一端粘接芯片6；

[0028] 通过设置在芯片6之间的缓冲胶7，能够对芯片6封装过程中产生的结构应力进行缓解，避免芯片6在其内部的结构应力作用下出现翘曲、损坏，影响到封装后芯片6的正常使用，同时，由于塑封体2并未将芯片6完全包埋在其内部，芯片6封装后依旧存在暴露到相变槽21中的部分，使得芯片6在使用过程中，受到外界的振动、冲击影响时，存在芯片6受损的可能，此时，在封装过程中，通过在芯片6上施加固定胶5，使得固定胶5将芯片6、塑封体2、基板1以及相邻芯片6之间相互粘接、固定，从而有效的提高芯片6封装后，芯片6在封装结构内的结构稳定性，避免封装后的芯片6在使用时受到外界振动、冲击影响，导致芯片6受损，同时，通过固定胶5的使用，也能在保持塑封体2内部相变槽21存在的情况下，保证芯片6封装的可靠性，从而兼顾封装芯片6的散热性能与封装芯片6的封装可靠性。

[0029] 作为本发明一种实施方式，所述塑封体2的上表面开设有安装槽22，所述安装槽22内安装有导热板3，所述导热板3将相变槽21封闭，所述导热板3由导热性好的金属材料制成；

[0030] 在使用过程中，通过设置在塑封体2上的导热板3对相变槽21进行封闭，方便对芯片6的封装，同时，通过导热板3来封闭相变槽21，使得导热板3直接接触相变槽21内的相变材料，从而在对芯片6进行散热的时候，热量传递无需经过塑封体2，热量可以直接从而芯片6到相变材料再到导热板3，之后，热量通过导热板3散发到空气中或者传递到外界散热结构中，同时，在热量传递过程中，通过相变材料与导热板3的作用，能够有效的增加封装后芯片
6的有效散热面积，提高散热效果，另外，通过相变材料与导热板3的作用，能够减少热量传递的中间环节，减少热阻，提高传热效率，从而加快封装后芯片6产生的热量的散发，此外，采用金属材料制成的导热板3，能够对封装后的芯片6表面进行一定的保护，避免在安装、使用过程中，在封装后的芯片6表面产生划痕或其他损伤，影响到封装后芯片6的散热与正常工作。

[0031] 作为本发明一种实施方式，所述导热板3上安装有支撑体4，所述支撑体4的一端粘接在导热板3上，所述导热板3的另一端接触基板1或芯片6的上表面，所述支撑体4由硅胶材料制成；

[0032] 使用时，支撑体4在导热板3与基板1、导热板3与芯片6之间产生支撑效果，通过支撑体4在导热板3与基板1之间的作用，能够对导热板3产生一定的顶/撑作用，降低导热板3出现变形的可能性，也能降低封装过程中受到内部应力影响，而出现翘曲的可能性，同时，由于支撑体4由硅胶材料制成，并且支撑体4在导热板3与芯片6之间产生支撑，在使用时，当相变材料吸热并转变为液态的时候，支撑体4能够对塑封体2内的芯片6进行一定的限制与固定，避免使用过程中，受到外界振动、冲击影响，导致封装结构内部的芯片6产生移动/振动，导致芯片6受损或者接触不良，影响到封装后的芯片6的正常使用，同时，在未使用以及芯片6运行功率较低的情况下，相变槽21内的相变材料并未完全转变为液态，此时，相变材料与支撑体4共同对塑封体2内的芯片6产生限制与固定，保证芯片6封装的可靠性。

[0033] 作为本发明一种实施方式，所述支撑体4呈扁平形，所述支撑体4内部开设有空腔43；

[0034] 在使用时，相变槽21内填充的石蜡基相变材料在固态与液态之间转变时，相变材料的体积会发生一定的变化，相对而言，处于固态的相变材料的体积会小于处于液态的相变材料的体积，同时，在封装过程中，操作人员对相变材料进行加热，使相变材料处于液态后在充入到相变槽21中，以使得相变槽21内不存在空气或空隙，以免在后续使用过程中，相变槽21内的空气或空隙对封装后的芯片6产生不良影响，导致芯片6受损，因此，通过在支撑体4内部开设空腔43，并在封装完毕后的芯片6内能够发生变形，从而在封装后的芯片6内的相变材料从液态转变为固态，导致体积缩小时，支撑体4能够发生一定的变形，适应相变槽21内由于相变材料体积变化引起的压力改变，避免相变槽21内相变材料的体积变化对芯片
6产生不良影响，同时，通过在支撑体4内开设空腔43，利用支撑体4的变形来补偿相变槽21内的压力变化，避免相变槽21内的压力变化影响到导热板3的形状，导致导热板3与外界的散热结构之间存在空隙，影响到封装后芯片6的散热。

[0035] 作为本发明一种实施方式，所述导热板3为均热板，所述导热板3由不锈钢材料制成，所述导热板3的厚度为0.2mm；

[0036] 通过设置导热板3，在导热板3接触相变槽21内的相变材料时，导热板3能够利用自身的特性，均衡相变槽21内不同区域的相变材料的温度，使得相变槽21内各处相变材料的温度接近相同，从而提高散热效果，同时，避免相变槽21内的相变材料流动不畅，导致封装后的芯片6局部温度过高，对过热区域的芯片6产生损伤，同时，利用不锈钢制成的、厚度较薄的导热板3，能够减轻封装后芯片6的重量以及厚度，方便封装后芯片6的应用，同时，利用不锈钢制成的导热板3，能够降低表面出现划痕或其他损伤的可能性，避免封装后芯片6受到损伤，不能正常使用。

[0037] 作为本发明一种实施方式，所述支撑体4靠近导热板3处开设有缺口槽41，所述支撑体4的表面上均匀开设有导流槽42，所述导流槽42是角度为120°的箭头；

[0038] 在使用的时候，相变槽21内的相变材料吸热转变为液态，之后，在芯片6继续产生热量的条件下，相变槽21内的相变材料出现相对流动，同时，利用支撑槽上开设的导流槽42，能够促进液态的相变材料在竖直方向上的移动，之后，流动到达导热板3处的液态的相变材料受到导热板3的阻挡，从缺口槽41处流动，发生水平方向的移动，进一步的促进相变槽21内的相变材料的流动，保证相变材料在相变槽21内不同区域处温度均衡，避免出现局部过热，从而提升封装后芯片6的散热效果。

[0039] 作为本发明一种实施方式，根据上述任一项所述的一种半导体芯片系统采用上述的堆叠封装结构对芯片6进行封装，所述半导体芯片系统包括多枚芯片6并进行堆叠封装。

[0040] 具体工作流程如下：

[0041] 工作时，芯片6产生的热量散发到相变槽21中，由于芯片6位于相变槽21中且相变槽21中填充有相变材料，因此，芯片6产生的热量被相变材料吸收，并使得相变材料从固态转变为液态，使芯片6充分接触相变材料，将芯片6产生的热量进行传导至相变材料中，以便热量从相变槽21处进行散发；

[0042] 通过设置在芯片6之间的缓冲胶7，对芯片6封装过程中产生的结构应力进行缓解，在封装过程中，在芯片6上施加固定胶5，使得固定胶5将芯片6、塑封体2、基板1以及相邻芯片6之间相互粘接、固定；

[0043] 通过设置在塑封体2上的导热板3对相变槽21进行封闭，同时，通过导热板3来封闭相变槽21，使得导热板3直接接触相变槽21内的相变材料；

[0044] 使用时，支撑体4在导热板3与基板1、导热板3与芯片6之间产生支撑效果，降低导热板3出现变形的可能性、对塑封体2内的芯片6进行一定的限制与固定；

[0045] 通过在支撑体4内部开设空腔43，并在封装完毕后的芯片6内能够发生变形，从而在封装后的芯片6内的相变材料从液态转变为固态，导致体积缩小时，支撑体4能够发生一定的变形，适应相变槽21内由于相变材料体积变化引起的压力改变；

[0046] 导热板3接触相变槽21内的相变材料时，导热板3能够利用自身的特性，均衡相变槽21内不同区域的相变材料的温度；

[0047] 相变槽21内的相变材料吸热转变为液态，之后，在芯片6继续产生热量的条件下，相变槽21内的相变材料出现相对流动，同时，支撑槽上开设的导流槽42，促进液态的相变材料在竖直方向上的移动，之后，流动到达导热板3处的液态的相变材料受到导热板3的阻挡，从缺口槽41处流动，发生水平方向的移动。

[0048] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。