[发明专利]一种强化散热三维封装结构及其封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子器件的散热技术，尤其涉及一种基于多层封装基板技术的微器件强化散热三维封装结构及其封装方法。

背景技术

社会的信息科技化和微电子技术的发展使电子器件呈现出小型化、高性能化和多功能化的发展趋势，集成多个微器件、微结构、传感器、执行器、信号处理、控制电路、接口、通信和电源的MCM多芯片模块和微系统技术得到了迅速发展，其芯片加工、集成组装和封装测试等制造工艺都要比平面工艺的集成电路更为复杂。封装作为微电子产品成形的最后一步，是产品性能、体积、成本、可靠性和寿命的关键，需要在微芯片性能产生极小影响的同时对这些芯片或元器件提供保护、供电和冷却，并提供物理、电气与机械等外部连接或接口。

随着微芯片/微器件加工技术的飞速发展，纳米级芯片单片已经实现工业化大批量生产，在传统的平面封装和多芯片模块技术的基础上逐步发展出了布线高密度化、层间互连精细化和结构立体化的三维系统级封装技术，其中多层封装基板技术应用最为广泛，包括PCB印刷电路板、厚膜陶瓷、高温共烧陶瓷、低温共烧陶瓷、淀积金属膜等多种基板材料和工艺技术。多层封装基板的层数高达百层以上，芯片垂直互连，组装效率高达200%以上，功耗损耗低、信号传输快、所受干扰小，多个不同功能芯片堆叠在一起，大幅减小了电子产品的尺寸和重量。多层封装基板的材料热膨胀系数小，温度系数低；可以制作层数很高的电路基板，实现高密度多层立体布线，方便电路间的互连和与外界的电互连；机械性能优良，可靠性高，能够在高温、高湿、冲击、振动等恶劣环境中工作；加工方法成熟，工艺兼容性好，原材料来源广泛，成本低廉，制作周期短，生产效率高。近年来，三维多层封装基板技术发展很快，作为电子器件的载体和平台，除了在其中布置三维电路传输线外，还可将各种元器件、无源器件、有源器件及其他模块内嵌到基板中，已经广泛地应用于无线通讯、全球定位导航系统、天线、光纤光缆、微型光学器件、微惯性器件、微型机器人、微流控芯片、笔记本电脑和高性能计算机等与人类社会发展密切相关的航空航天、信息通信、交通、医疗、家电、能源等多个领域。

然而，电子器件在大幅度提高集成度和多功能度的同时，也使单位体积/面积上的发热量急剧上升，随着三维多层封装基板内堆叠层数的提升，散热变得极为困难。研究表明机载电子设备55%的失效是由温度造成的，电子器件工作温度在70～80℃时，温度每升高1℃，器件可靠性下降5%，温度每降低10℃，故障率可减少4%。随着微电子技术的发展，器件尺寸越来越小，已从微米量级向纳米量级发展，器件的集成度以每年40％～50％高速度递增，每个芯片上有成百上万个元件，高性能芯片的热流密度已经超过150W/cm²。如果芯片产生的热量不能及时导出，基板的温度不断升高，将直接影响电子芯片的工作效率，严重时还会烧坏芯片。平面封装技术可以在封装体表面安装散热装置，降低靠近表面的芯片温度，但是无法解决MCM多芯片模块内部芯片的散热问题。因此，三维封装结构的散热问题更加严重。

要在毫米甚至纳米级的器件尺度上把极高的热量带走，传统的电子设备散热技术不再适用：对流、辐射、传导等自然冷却散热的热流密度不超过0.155W/cm²；金属热通孔和风冷散热的热流密度不超过10W/cm²，先进的射流冷却技术可用于100W/cm²的工作环境，但是技术要求高，应用推广较难；热管散热可用于热流密度大于100W/cm²的器件散热，可以制造成体积很小、重量很轻的产品，但是受到热流密度、流动阻力、毛细压差等工作极限的限制，使用一段时间后传热性能会下降；热电致冷利用半导体材料（如Bi₂Te₃）的Peltier效应，在电偶的两端分别吸收和放出热量，无噪声和震动，体积小，结构紧凑，操作维护方便，不需要制冷剂，可通过改变电流大小来调节制冷量和制冷速度，但是效率低，成本高。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种利用高集成度、高可靠性、高性能及低成本的多层封装基板内嵌冷却的微通道对发热器件进行强化散热的封装方法和三维封装结构，同时利用构成三维互连电路的金属良导体的高导热系数的优势和可靠多变的外部散热器，实现简便实用、高效可靠的多芯片模块/微系统的快速传热和散热。

本发明的一个目的在于提供一种强化散热三维封装结构。