层叠式芯片包装体的冷却机构及该包装体的制造方法

技术领域

所公开的实施例一般涉及层叠式芯片(die)包装体，并且更具 体地涉及用于层叠式芯片包装体的冷却技术。

背景技术

当多个芯片在包装体内垂直地层叠时，用于由芯片产生的热量 的消散的热通路是有限的。层叠式芯片包装体通常被封装在不能很 好地散热的材料内，而如果散热问题没有解决，芯片在运转条件下 可能变得过热，导致关于晶体管性能和可靠性的可能的问题。因此， 需要一种能够实现层叠式芯片包装体的有效整体热性能的冷却构 造。

附图说明

通过阅读下面的详细说明并结合附图将更好地理解所公开的实 施例，其中在附图中：

图1是根据本发明的实施例的层叠式芯片包装体的俯视图；

图2是图1的层叠式芯片包装体的截面图；

图3是根据本发明的实施例的不同的层叠式芯片包装体的截面 图；

图4和图5是图3的层叠式芯片包装体的俯视图；以及

图6是说明了根据本发明的实施例的制造层叠式芯片包装体的 方法的流程图。

为了图示的简单和清楚，绘制的图式显示了概括的构成方式， 并且众所周知的特征和技术的说明和细节可以省略以避免不必要地 模糊所公开的本发明的实施例。另外，绘制的图式中的元件没有必 要地依比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可以相对于其它元件 进行放大以帮助促进对本发明的实施例的理解。不同的图中的同一 标号表示同一元件。

在说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第 四”等等(如果有的话)用于在类似元件之间进行区分而不是必然地 用于介绍特别的连续的顺序或者按时间的顺序。可以理解的是，如 此使用的术语在适当的情况下是可互换的以便除了在此处所图示或 另外所介绍的那些外此处所介绍的本发明的实施例还例如能够相继 运转。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”和它们的任何变型意在包 括非排它的包含物，以便工艺、方法、物品或包括一序列元件的装 置不是必然地局限于那些元件，而是可以包括没有特别列出的或这 些工艺、方法、物品或装置所固有的其它元件。

在说明书和权利要求书中的术语“左边”、“右边”、“前面”、“后 面”、“顶部”、“底部”、“在上面”、“在下面”等等(如果有的话)是 用于说明的目的而不是必然地用于介绍固定的相对位置。可以理解 的是，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的以便此处所介绍 的本发明的实施例除了在此处所图示或另外所介绍的那些外还例如 能够以其它方位运转。如此使用的术语“结合”限定为直接或间接地以 电或非电的方式连接。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，层叠式芯片包装体包括：基底，在 基底上的第一芯片，在第一芯片上的隔离物，在隔离物上的第二芯 片，以及，设置在第一芯片、隔离物和第二芯片的至少一部分的周 围的模制化合物(mold compound)。隔离物包括提供了比由模制化合 物自身所产生的整体热阻低的整体热阻的通路的热量传递管道。由 热量传递管道形成的热量传递通路可以产生更好的热性能、更高的 功耗速度和/或用于层叠式芯片包装体的更低的运转温度。

图1是根据本发明的实施例的层叠式芯片包装体100的俯视图 并且图2是其截面图。如图1和图2中所示，层叠式芯片包装体100 包括：基底210，在基底210上的芯片220，在芯片220上的隔离物 230，在隔离物230上的芯片240，以及，设置在芯片220、隔离物230 和芯片240的至少一部分的周围的模制化合物250。(在图1中，模 制化合物250已被去除以便更清楚地显示层叠式芯片包装体100的 其它部件。)

隔离物230包括热量传递管道231。热量传递管道231通过将由 芯片220和240产生的热量远离芯片220和240地朝着某一位置进 行传递而帮助冷却芯片220和240，在该位置处这些热量可以安全地 消散或者在该位置处这些热量对芯片220和240的性能具有较少的 影响。在一个实施例中，热量传递管道231可以类似于例如为了热 学管理目的而用于其它环境的热管、冷却管等等。尽管如图2中所 示的热量传递管道231具有圆形的截面，但是该截面不是必要的， 并且热量传递管道231可以具有三角形、正方形、椭圆形、长方形 或各种其它形状的截面。在一个实施例中，热量传递管道231可以 是如图2中所示的中空的。在另一实施例中，热量传递管道231可 以是实心的。在所有的上述实施例中，一部分隔离物230形成了与 热量传递管道231类似或基本上相同的管道。

为了到达热量传递管道231，由芯片220和240产生的热量的至 少一部分必须横过或穿过隔离物230。因此，如果隔离物230由具有 低热阻的材料形成，那么层叠式芯片包装体100的全部热效率增加。 这些材料包括铜、铝、银、硅和碳化硅，而隔离物230在各种实施 例中可以由这些材料的任何一种形成。尽管或许不比那些已经提及 的材料节省成本，但是其它材料还是热传导到足够或甚至优选程度 并且也可以用于某些实施例中。该较后种类的材料的示例包括非常 昂贵但还是高度导热的金刚石，昂贵且不如上述其它材料的一些导 热但非常易于加工的金以及本段中提及的任何材料的复合物 (composite)。复合材料因其能够被模制而是有利的。

如上所述，热量传递管道231提供了具有比通过模制化合物250 的其它通路的热阻更低的热阻的热量传递通路。热量传递管道231 连接于其余的隔离物230的方式对热量传递的效率具有影响，也就 是说其对就是热量传递管道231的热量传递通路的热阻具有影响。 在一个实施例中，一部分隔离物230的周边卷成管子或卷形物，此 处的管子或卷形物为热量传递管道231，以便热量传递管道231与其 余的隔离物230无缝地汇合。在另的实施例中，热量传递管道231 开始为或预先形成为如上所述的管子、卷形物、实心棒等等，并且 随后连接于隔离物230。作为示例，在该较后的实施例中的热量传递 管道231可以软焊(soldering)或硬焊(brazing)在隔离物230上，可以 用导热环氧树脂等结合在隔离物230上，或可以用一些其它的方式 连接于隔离物230上。在本段中所介绍的两个实施例中，前者在热 量传递方面可能更高效，这是因为热量不必通过像由在后者实施例 中的锡焊或其它接合处提供的那样的材料接合处。

在特别的实施例中，热量传递管道231不是棒、管子或任何种 类而是与隔离物220在同一平面的基本扁平的板(sheet)。(在该特别 的实施例中，所得到的冷却通路可能需要更长并且因此比由以如图2 所示或类似方式进行弯曲或卷制的冷却通路所提供的冷却通路的效 率低。)在任一实施例中，不管热量传递管道231是卷制的或是扁 平的，隔离物230的一部分都延伸超过芯片220和240的边缘。换 句话说，如图2中的截面所看到的，芯片220具有边缘221，芯片240 具有边缘241，而热量传递管道231延伸超过边缘221和241。这与 在现行具有隔离物的层叠式芯片包装体中所发现的通常情形大不相 同，其中的隔离物具有比上面和下面的芯片小的占据面积(footprint)， 并且因此任何地方都不延伸超过芯片的边缘。

在一个实施例中，热量传递管道231如图1所示至少部分地露 在模制化合物250外面。热量传递管道231在模制化合物250外面 的这种暴露允许热量传递管道231使用风扇或其它热量交换机构(未 示出)进行冷却，因此对来自层叠式芯片包装体100的热量提供了 高效和有效的移动。在不同的实施例中，热量传递管道可以完全封 入在模制化合物内。完全封入的热量传递管道可以用于模制化合物 内的热的散热，这对于整个器件性能和可靠性来说可以是非常重要 的，但不能很好地适用于将热量移动到在模制化合物外面的位置。

如果热量传递管道为模制化合物所包含，那么冷却剂连接件(未 示出)可以制造在模制化合物内；或者，如果热量传递管道在模制 化合物外面延伸，那么冷却剂连接件可以制造在模制化合物的外部。 此外，用于流体冷却目的的冷却结构也可以出现。因为这些冷却结 构为本领域所公知，所以在此不对它们进行明确地说明，但是可以 包括例如在热管中所发现的那些的毛细结构，例如用于移动在热的 区域和冷的区域之间的流体的泵的主动结构等等。

还是参照图1和图2，隔离物230另外包括中心部232和周边 233，而热量传递管道231包括在周边233处连接于隔离物230的通 道234。在所图示的实施例中，通道234是热量传递管道231的内部 部分，并且，在此实施例中，除了在其端点外都因此是封闭的。在 其它实施例中，通道234可以是打开的而不是封闭的，并且可以是 例如沟、槽等等。这种打开的通道可以用于有利条件，例如，在模 制化合物250被密封地封闭在那里的情况下。

在一个实施例中，热量传递管道231包含冷却流体(未示出)。 作为示例，冷却流体可以包含在通道234内。作为另一示例，冷却 流体可以包括例如甲酸钾、水、水和防冻剂的混合物、全氟化的 (perfluorinate)冷却剂等等的流体。作为特别的示例，冷却流体可 以包括例如3M所制造的那些(包括3M的HFE-7100冷却剂和类似 冷却剂)的不导电的液体的全氟化的冷却剂。在这些实施例中，包 含在热量传递管道231内的冷却流体作为示例可以通过主动的抽吸 作用进行循环，例如用机械泵；或通过被动的抽吸作用进行循环， 例如用毛细作用。

图3是根据本发明的实施例的层叠式芯片包装体300的截面图， 而图4和图5是根据本发明的实施例的层叠式芯片包装体300的俯 视图。如图3到图5中所示，层叠式芯片包装体300包括：基底310， 在基底310上的倒装(flip chip)芯片320，在倒装芯片320上的隔 离物330，在隔离物330上的导线结合(wire bond)芯片340，在导 线结合芯片340上的隔离物350，在隔离物350上的导线结合芯片 360，以及，设置在倒装芯片320、隔离物330和350与导线结合芯 片340和360的至少一部分的周围的模制化合物370。(在图4和图 5中，模制化合物370已被去除以便更清楚地显示层叠式芯片包装体 300的其它部件。)作为示例，基底310、倒装芯片320、隔离物330 和350、导线结合芯片340和360以及模制化合物370可以分别类似 于全部显示在图2中的基底210、芯片220、隔离物230、芯片240 以及模制化合物250。

导线结合芯片340通过多个结合导线345连接于基底310。类似 地，导线结合芯片360通过多个结合导线365连接于基底310。如通 常那样，导线结合芯片360为具有(基本上平直的)侧面461的基 本上长方形的形状，相邻一对的侧面461在角落462处交会。还如 通常那样，多个结合导线365在一对相对的侧面461处连接于导线 结合芯片360并且从该相对的侧面延伸到基底310。导线结合芯片340 具有类似形状和构造，而多个结合导线345从导线结合芯片340的 一对相对的侧面延伸到基底310。在图4的实施例中，多个结合导线 365所连接在的导线结合芯片360的这对相对的侧面461与多个结合 导线345连接于导线结合芯片340所在的一对相对的侧面偏移了90 度。

在上述段落中说明并且在图3到图5中所示的几何结构的结果 在于芯片340和360的所有侧面都被结合导线所占用。因此，隔离 物330和350不能采取如图1和图2中的隔离物230那样平板形状， 这是因为这种形状会妨碍多个结合导线345和365之一或二者中的 至少一些结合导线。因此，在一个实施例中，本发明的隔离物330 和350以便适应多个结合导线345和365地进行成形，如图5中所 示和在下面的另外介绍。

隔离物350包括热量传递管道351和能够容许多个结合导线365 的至少一部分通过的切口552。在一个实施例中，热量传递管道351 由形成卷形物的隔离物350的一部分构成。

注意的是，图5显示了为显示层叠式芯片包装体300的某些内 部细节而去除了导线结合芯片360、多个结合导线365和如之前所说 明的模制化合物370的某些部分的层叠式芯片包装体300。切口552 是隔离物350的区域或相邻隔离物350的区域，在该区域中的材料 已被去除或从未形成过。作为示例，切口552可以通过冲掉隔离物350 的适当的地方或区域而形成。作为另一示例，切口552在隔离物350 的形成期间可以形成为无效或空的区域。应该明白的是，如此处用 于本文中的“切口”一词并不要求或意味任何特别的形成或制造方法， 而代替性地仅指开口、缺口、通道、过道、空白空间、无效部或者 是一个或多个结合导线能够穿过的或这些结合导线能够位于其内的 其它地方。

隔离物330包括热量传递管道331和能够容许多个结合导线345 的至少一部分通过的切口532。在图5中，热量传递管道331和切口 532直接在隔离物350的对应部分的下面。结果是，热量传递管道331 在图5中是不可看见的，而切口532尽管在图5中是可看见的(并 且具有其自己的标号)，但是与所看见的切口552不能区别。

在一个实施例中，隔离物330除热量传递管道331外另外包括 热量传递管道333，并且除切口532外还另外包括切口534。在相同 的或另一实施例中，并且如图4和图5中所示，隔离物350除热量 传递管道351外包括热量传递管道353，并且除切口552外还另外包 括切口554。在图5中，热量传递管道333和切口534直接在隔离物 350的对应部分的下面。结果是，热量传递管道333在图5中是不可 看见的，而切口534尽管在图5中是可以看见的(并且具有其自己 的标号)，但是与所看见的切口554不能区别。

在所说明的实施例中，隔离物350更另外包括切口555和556， 但是，应该明白的是，隔离物330和350的任一个或两者可以具有 一个、两个、三个、四个或一些其它数量的切口，以及，一个、两 个或一些其它数量的热量传递管道。

再次参照图5所示，隔离物350包括具有多个角落572的中心 部551和多个凸出部分553，多个凸出部分553的每一个都连接于多 个角落572之一并且从该多个角落572之一延伸。此外，尽管因为 视角所造成的局限而没有在图5中说明，但是，隔离物330至少在 一个实施例中还包括中心部并且还具有多个角落和多个连接于角落 并从该角落延伸的凸出部分。其中隔离物330的几何结构不同于隔 离物350的几何结构的其它实施例还是可能的。作为示例，仅具有 两个凸出部分(或一些其它数量的凸出部分)而不是四个凸出部分 的隔离物是可能的，这是具有在隔离物的除角落外的位置处连接于 隔离物的中心部分并且从该隔离物的中心部分延伸的凸出部分或其 它延伸部分的隔离物。

对本领域内的普通技术人员来说所明显的是，隔离物330和350 以及切口532和552无需必然地具有如图4和5所示的x形的形状， 而是或者可以具有任何其它的形状，该其它的形状提供了至少：(1) 在隔离物主体和热量传递管道之间的热传导通路；和(2)在一个或 多个结合导线穿过在导线结合芯片和基底310之间的距离时用于它 或它们的通过的位置。类似地，凸出部分553无需必然地具有在图5 中所成的形状或形式，而是仅需产生能够帮助从层叠式芯片包装体 300散热的热连接。

图6是说明了根据本发明的实施例的制造层叠式芯片包装体的 方法600的流程图。方法600的步骤610是提供基底。作为示例， 基底可以类似于首先结合图2介绍的基底210。

方法600的步骤620是在基底上放置第一芯片。作为示例，第 一芯片可以类似于首先结合图2介绍的芯片220。

方法600的步骤630是将第一芯片结合在基底上。作为示例， 第一芯片在基底上的结合可以通过倒装结合工艺/工序完成。

方法600的步骤640是提供包括热量传递管道的隔离物。作为 示例，隔离物和热量传递管道可以分别类似于均首先结合图2介绍 的隔离物230和热量传递管道231。在一个实施例中，步骤640包括 提供导热材料的基本平坦的板，并且另外包括冲掉一部分基本平坦 的板以在基本平坦的板中形成切口使用冲压工具，冲头等等。在特 别的实施例中，提供基本平坦的板包括提供基本平坦的板以具有中 心部和围绕中心部的周边，并且步骤640另外包括将至少一部分周 边卷制成热管或类似的卷形物等等。在不同的实施例中，步骤640 或另一步骤包括将热管等软焊或硬焊(或使用另一方法进行连接， 例如用导热环氧树脂进行结合等等)到隔离物上。

方法600的步骤650是在隔离物上放置第二芯片。作为示例， 第二芯片可以类似于首先结合图2介绍的芯片240。

方法600的步骤660是将第二芯片结合在基底上。作为示例， 第二芯片在基底上的结合可以通过导线连结工艺/工序完成。如果希 望在层叠式芯片包装体内有一个以上的导线结合芯片，可以在初步 完成步骤660后重复步骤640，650，和660以便这些另外的导线结 合芯片。

方法600的步骤670是用模制化合物封装第一芯片、隔离物和 第二芯片的至少一部分。作为示例，模制化合物可以类似于首先结 合图2介绍的模制化合物250。

尽管已参考具体的实施例对本发明进行了介绍，但是本领域内 的技术人员应该理解的是，可以不背离本发明的精神和范围地进行 各种改变。因此，本发明的实施例的公开意在说明本发明的范围而 不是用于限制。本发明的范围仅应限制到所附的权利要求所要求的 程度。例如，对于本领域内的一个普通技术人员而言，很明显的是， 此处所述的层叠式芯片包装体和方法能够以各种实施例实施，而这 些实施例的一些的以上说明不是必然地代表所有可能的实施例的全 部说明。

另外，好处、其它优点和问题的解决已参照具体的实施例进行 了介绍。然而，好处、优点、问题的解决和任何可以致使任何好处、 优点或解决办法产生或变得更加明确的元件不能解释为任一或全部 权利要求的关键性的、必需的或必要的特征或元件。

此外，此处所公开的实施例和限制在贡献原则下不能为公众使 用，如果实施例和/或限制：(1)没有清楚地要求在权利要求中；和 (2)在等同原则下是特定元件和/或限制的潜在的等同物。