一种内嵌散热器的芯片堆叠模组

技术领域

本发明涉及一种内嵌散热器的芯片堆叠模组，属于芯片封装技术领域。

背景技术

芯片封装技术就是将内存芯片包裹起来，以避免芯片与外界接触，防止外界对芯片的损害的一种工艺技术，为了提升芯片的散热能力和功率密度，现有技术存在如图1、图2、图3所示的几种解决方案，其中，如图1所示是比较典型的单面散热的方式，芯片(Die)平铺在覆铜陶瓷板(Substrate)顶部，陶瓷板底部接散热器向下散热，如图2、图3所示是目前常见的两种双面散热的结构，芯片平铺，底部接陶瓷板&散热器上，顶部通过Spacer接到陶瓷板&散热器，实现双面散热，其中图2所示是自带绝缘的方式，图3所示则没有自带绝缘。

现有方案相对传统方案散热有了较大的提升，但仍然有一些问题，1，引线键合的存在增加了寄生电感，降低了开关速度，使得损耗增加；2，芯片平铺限制了方向，所有的芯片只能固定面朝上/下，导致回路变长复杂；3，芯片平铺导致尺寸较大；4，双面散热器的成本较高，且占用体积较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种内嵌散热器的芯片堆叠模组，采用全新设计结构，以散热器内嵌，结合上下区堆叠结构设计，提高散热的同时，能够实现芯片稳定、高效的工作。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种内嵌散热器的芯片堆叠模组，用于针对各个目标功率芯片、以及分别与之工作相连的各个周边工作器件实现系统封装，包括散热器、塑封料，以及分别位于散热器所在平面上方、下方的上区模组结构、下区模组结构，其中，上区模组结构、下区模组结构分别均包括包含至少一个目标功率芯片的芯片层、以及包含彼此共面各个焊盘的焊盘层，上区模组结构中芯片层位于对应焊盘层下方，下区模组结构中芯片层位于对应焊盘层上方，在垂直于散热器所在平面的投影方向上，各芯片层中各目标功率芯片的投影均位于散热器投影内；

各个区模组结构中，芯片层中各个目标功率芯片分别与散热器表面、以及所在区模组结构中焊盘层中各焊盘连接，实现区模组结构中各目标功率芯片之间的连接、各目标功率芯片上引脚与所在区模组结构中焊盘层中焊盘的连接、以及散热器对所连目标功率芯片的散热；上区模组结构中焊盘层与下区模组结构中焊盘层之间通过塑封料封装构成封装体，且各焊盘层中各焊盘均位于封装体表面，各焊盘用于表贴其它目标功率芯片、各个周边工作器件，以及用于实现外接，散热器上存在外露封装体外的区域。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各芯片层中的各目标功率芯片，若目标功率芯片为单面引脚，且该目标功率芯片的各引脚面向其所在区模组结构中的焊盘层，该目标功率芯片的另一表面面向散热器，则采用直接焊接连接方式、经内置导电材料的盲孔连接方式、或者经走线层的连接方式中的任意一种连接方式，实现该目标功率芯片各引脚与所面向焊盘层中各焊盘的连接、以及实现该目标功率芯片另一表面与其所面向散热器表面的连接，并基于该目标功率芯片所在区模组结构中焊盘层中的焊盘间走线，实现该目标功率芯片与其所在区模组结构中其它目标功率芯片的连接；

若目标功率芯片为单面引脚，且该目标功率芯片的各引脚面向散热器，该目标功率芯片的另一表面面向其所在区模组结构中的焊盘层，则该目标功率芯片各引脚与其所面向散热器表面之间采用经走线层的连接方式进行连接，同时该走线层经铜柱连接该目标功率芯片所在区模组结构中焊盘层中的焊盘，实现该目标功率芯片上各引脚与所在区模组结构中焊盘层中各焊盘的连接；并且采用直接焊接连接方式、经内置导电材料的盲孔连接方式、或者经走线层的连接方式中的任意一种连接方式，实现该目标功率芯片另一表面与其所面向焊盘层中各焊盘的连接，并基于该走线层、以及该目标功率芯片所在区模组结构中焊盘层中的焊盘间走线，实现该目标功率芯片与其所在区模组结构中其它目标功率芯片的连接；

若目标功率芯片为双面引脚，该目标功率芯片的两面分别面向所在区模组结构中的焊盘层、以及散热器，则散热器表面与其所面向该目标功率芯片的各引脚之间采用经走线层的连接方式进行连接，同时该走线层经铜柱连接该目标功率芯片所在区模组结构中焊盘层中的焊盘，实现该目标功率芯片上面向散热器的各引脚与所在区模组结构中焊盘层中各焊盘的连接；并且采用直接焊接连接方式、经内置导电材料的盲孔连接方式、或者经走线层的连接方式中的任意一种连接方式，实现该目标功率芯片另一表面上各引脚与其所面向焊盘层中各焊盘的连接，并基于该走线层、以及该目标功率芯片所在区模组结构中焊盘层中的焊盘间走线，实现该目标功率芯片与其所在区模组结构中其它目标功率芯片的连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述目标功率芯片表面与所面向散热器表面之间的直接焊接连接方式，基于高导热导电焊接材料实现直接焊接连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述高导热导电焊接材料为焊锡、银胶、烧结银中的任意一种。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括部署于上区模组结构与下区模组结构之间的跨区导电结构，由跨区导电结构连接上区模组结构与下区模组结构，实现任意区模组结构中目标功率芯片经跨区导电结构与另一区模组结构中目标功率芯片、焊盘组中各焊盘的连接，以及实现上区模组结构中焊盘与下区模组结构中焊盘的连接。

作为本发明的一种优选技术方案：若上区模组结构与下区模组结构中存在走线层，则跨区导电结构依次连接上区模组结构中焊盘层中焊盘、存在的走线层、以及下区模组结构中焊盘层中焊盘；若上区模组结构与下区模组结构中不存在走线层，则跨区导电结构依次连接上区模组结构中焊盘层中焊盘、下区模组结构中焊盘层中焊盘。

作为本发明的一种优选技术方案：在垂直于散热器所在平面的投影方向上，散热器投影位于任意焊盘层投影内，跨区导电结构投影位于任意焊盘层投影内的非散热器投影区域。

作为本发明的一种优选技术方案：所述跨区导电结构为铜柱、或导电材料所构成的导电管路。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括连接散热器上外露于封装体外区域的液冷管路、或者风冷装置。

作为本发明的一种优选技术方案：所述周边工作器件包括驱动控制芯片、存储芯片、以及各个被动元器件。

本发明所述一种内嵌散热器的芯片堆叠模组，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计一种内嵌散热器的芯片堆叠模组，采用全新设计结构，以散热器进行内嵌、分设上区模组结构与下区模组结构，基于各区模组结构分别设计包括芯片层与焊盘层，应用散热器实现上下芯片层的高效散热，并通过上下焊盘层实现多方向的表贴连接与外接，同时加入跨区导电结构设计，获得上区模组结构与下区模组结构之间的电连接，实现上下芯片组、焊盘组之间的跨区应用与组合，进一步提高实际应用的灵活性，整体模组结构设计集成度高，无键合线、且堆叠结构互连路径短，寄生参数小，有利于提升芯片开关速度与工作频率，降低损耗，减少外围器件成本，适用于多场景。

附图说明

图1至图3是用于提升芯片的散热能力和功率密度的各个现有技术结构示意图；

图4是本发明设计内嵌散热器的芯片堆叠模组的X剖面结构示意图；

图5是本发明设计内嵌散热器的芯片堆叠模组的Y剖面结构示意图

其中，1. 目标功率芯片，2. 散热器，3. 塑封料，4. 焊盘，5. 高导热导电焊接材料，6. 周边工作器件，7. 跨区导电结构，8. 走线层。

实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计内嵌散热器的芯片堆叠模组，用于针对各个目标功率芯片1、以及分别与之工作相连驱动控制芯片、存储芯片、各被动元器件的各周边工作器件6实现系统封装，具体实施应用当中，如图4和图5所示，包括散热器2、塑封料3，以及分别位于散热器2所在平面上方、下方的上区模组结构、下区模组结构，其中，上区模组结构、下区模组结构分别均包括包含至少一个目标功率芯片1的芯片层、以及包含彼此共面各个焊盘4的焊盘层，上区模组结构中芯片层位于对应焊盘层下方，下区模组结构中芯片层位于对应焊盘层上方，在垂直于散热器2所在平面的投影方向上，各芯片层中各目标功率芯片1的投影均位于散热器2投影内。

各个区模组结构中，如图4和图5所示，芯片层中各个目标功率芯片1分别与散热器2表面、以及所在区模组结构中焊盘层中各焊盘4连接，实现区模组结构中各目标功率芯片1之间的连接、各目标功率芯片1上引脚与所在区模组结构中焊盘层中焊盘4的连接、以及散热器2对所连目标功率芯片1的散热；上区模组结构中焊盘层与下区模组结构中焊盘层之间通过塑封料3封装构成封装体，且各焊盘层中各焊盘4均位于封装体表面，各焊盘4用于表贴其它目标功率芯片1、各个周边工作器件6，以及用于实现外接，散热器2上存在外露封装体外的区域。

上述设计方案中关于各区模组结构中的连接，实际应用当中，关于各芯片层中的各目标功率芯片1，考虑目标功率芯片1的不同引脚位置、以及不同设置姿态，可以具体细化为三种分析设计。

其一，如图4和图5所示，若目标功率芯片1为单面引脚，且该目标功率芯片1的各引脚面向其所在区模组结构中的焊盘层，该目标功率芯片1的另一表面面向散热器2，则采用直接焊接连接方式、经内置导电材料的盲孔连接方式、或者经走线层8的连接方式中的任意一种连接方式，实现该目标功率芯片1各引脚与所面向焊盘层中各焊盘4的连接、以及实现该目标功率芯片1另一表面与其所面向散热器2表面的连接，并基于该目标功率芯片1所在区模组结构中焊盘层中的焊盘4间走线，实现该目标功率芯片1与其所在区模组结构中其它目标功率芯片1的连接。

其二，如图4和图5所示，若目标功率芯片1为单面引脚，且该目标功率芯片1的各引脚面向散热器2，该目标功率芯片1的另一表面面向其所在区模组结构中的焊盘层，则该目标功率芯片1各引脚与其所面向散热器2表面之间采用经走线层8的连接方式进行连接，同时该走线层8经铜柱连接该目标功率芯片1所在区模组结构中焊盘层中的焊盘4，实现该目标功率芯片1上各引脚与所在区模组结构中焊盘层中各焊盘4的连接；并且采用直接焊接连接方式、经内置导电材料的盲孔连接方式、或者经走线层8的连接方式中的任意一种连接方式，实现该目标功率芯片1另一表面与其所面向焊盘层中各焊盘4的连接，并基于该走线层8、以及该目标功率芯片1所在区模组结构中焊盘层中的焊盘4间走线，实现该目标功率芯片1与其所在区模组结构中其它目标功率芯片1的连接。

其三，如图4和图5所示，若目标功率芯片1为双面引脚，该目标功率芯片1的两面分别面向所在区模组结构中的焊盘层、以及散热器2，则散热器2表面与其所面向该目标功率芯片1的各引脚之间采用经走线层8的连接方式进行连接，同时该走线层8经铜柱连接该目标功率芯片1所在区模组结构中焊盘层中的焊盘4，实现该目标功率芯片1上面向散热器2的各引脚与所在区模组结构中焊盘层中各焊盘4的连接；并且采用直接焊接连接方式、经内置导电材料的盲孔连接方式、或者经走线层8的连接方式中的任意一种连接方式，实现该目标功率芯片1另一表面上各引脚与其所面向焊盘层中各焊盘4的连接，并基于该走线层8、以及该目标功率芯片1所在区模组结构中焊盘层中的焊盘4间走线，实现该目标功率芯片1与其所在区模组结构中其它目标功率芯片1的连接。

上述在设计目标功率芯片1具体连接结构中，其中，关于走线层8的设计，实际应用当中，可以具体选用彼此通过盲孔连接的至少一层的多层走线层8；关于目标功率芯片1表面与所面向散热器表面之间的直接焊接连接方式，这种连接方式下，具体设计基于高导热导电焊接材料5实现直接焊接连接，即充分保证所连接两对象面之间的充分接触，并且实际实施当中，这里高导热导电焊接材料5具体可以选用焊锡、银胶、烧结银中的任意一种材料用于直接焊接。

在基于上述分别对各区模组结构中目标功率芯片1的具体连接设计基础之上，本发明进一步引入跨区应用设计，即如图4和图5所示，设计还包括部署于上区模组结构与下区模组结构之间的跨区导电结构7，由跨区导电结构7连接上区模组结构与下区模组结构，并且在跨区结构的具体设计中，若上区模组结构与下区模组结构中存在走线层8，则跨区导电结构7依次连接上区模组结构中焊盘层中焊盘4、存在的走线层8、以及下区模组结构中焊盘层中焊盘4；若上区模组结构与下区模组结构中不存在走线层8，则跨区导电结构7依次连接上区模组结构中焊盘层中焊盘4、下区模组结构中焊盘层中焊盘4，如此即实现任意区模组结构中目标功率芯片1经跨区导电结构7与另一区模组结构中目标功率芯片1、焊盘组中各焊盘4的连接，以及实现上区模组结构中焊盘4与下区模组结构中焊盘4的连接。

并且在应用跨区导电结构7的设计中，如图4和图5所示，在垂直于散热器2所在平面的投影方向上，设计散热器2投影位于任意焊盘层投影内，进而设计跨区导电结构7投影位于任意焊盘层投影内的非散热器2投影区域，即实现跨区导电结构7在垂直于散热器2所在平面的方向上设置与应用，并且在具体实施应用跨区导电结构7时，具体选用铜柱、或导电材料所构成的导电管路，即应用铜柱依次连接上下焊盘层、或所设计导电管路依次连接上下焊盘层，即实现所连接上下焊盘、以及彼此之间所经过结构之间的电路导通，即可实现目标功率芯片1跨区连接另一区模组结构中目标功率芯片1，以及跨区连接焊盘4，实现任意目标功率芯片1向任意位置焊盘4的连接应用。

上述设计芯片堆叠模组在实际应用当中，关于所内嵌设计散热器2的应用，进一步设计还包括连接散热器2上外露于封装体外区域的液冷管路、或者风冷装置，并且散热器2具体选用诸如铝或者铜的金属制成，以及在应用当中，应用液冷管路、或者风冷装置作用于散热器2，进而由散热器2对与其所接触上下区模组结构中的目标功率芯片1进行高效散热。

实际对具体芯片的设计实施当中，诸如设计位于区模组结构中的目标功率芯片1可以为半桥拓扑的上下管，表贴于焊盘4上的为驱动控制芯片、以及电阻、电容、电感之类的被动元器件，进而整体组成一个完整的半桥拓扑；或者设计位于区模组结构中的目标功率芯片1可以为CPU/GPU/NPU等高算力芯片、以及电源芯片，表贴于焊盘4上的为存储芯片、以及电阻、电容、电感之类的被动元器件，进而整体组成一个XPU模组。

上述技术方案设计采用全新设计结构，以散热器进行内嵌、分设上区模组结构与下区模组结构，基于各区模组结构分别设计包括芯片层与焊盘层，应用散热器实现上下芯片层的高效散热，并通过上下焊盘层实现多方向的表贴连接与外接，同时加入跨区导电结构7设计，获得上区模组结构与下区模组结构之间的电连接，实现上下芯片组、焊盘组之间的跨区应用与组合，进一步提高实际应用的灵活性，整体模组结构设计集成度高，无键合线、且堆叠结构互连路径短，寄生参数小，有利于提升芯片开关速度与工作频率，降低损耗，减少外围器件成本，适用于多场景。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。