[發(fā)明專利]電子元件封裝體及其制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210311618.0
• 申請(qǐng)日: 2012-08-28
• 公開（公告）號(hào): CN102800636A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張靜;宋崇申;張霞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所
• 主分類號(hào): H01L23/38
• 分類號(hào): H01L23/38;H01L21/48
• 代理公司: 北京漢昊知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11370
• 代理人: 朱海波;何平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及二維或三維多芯片系統(tǒng)級(jí)封裝、封裝基板制造、半導(dǎo)體制冷領(lǐng)域，尤其涉及一種埋置熱電制冷組件的封裝基板結(jié)構(gòu)及加工方法。

背景技術(shù)

隨著微電子芯片高速度、高密度、高性能的發(fā)展，熱管理成了微系統(tǒng)封裝中一個(gè)非常重要的問題。在高性能計(jì)算機(jī)中，例如服務(wù)器、大型機(jī)和超級(jí)電腦，對(duì)多芯片組件的散熱將會(huì)直接影響計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)性能和操作性能，而造成系統(tǒng)失效的往往又是局部熱量集中而引起的熱點(diǎn)（hotspot）。因此，微電子封裝中的散熱問題一直是封裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。另外，伴隨輕薄短小、高性能便攜電子設(shè)備的急速增加，將電子元器件埋入基板內(nèi)部的所謂后表面貼裝（post-SMT）技術(shù)已初見端倪。目前，雖然是以埋置電阻、電感、電容等無源元件為主，但近年來，將芯片等有源元件，連同無源元件全部埋置于基板內(nèi)部的終極三維封裝技術(shù)也在迅速進(jìn)展之中。集成電路中的散熱一般是通過芯片向一個(gè)具有高導(dǎo)熱系數(shù)的熱擴(kuò)散器來傳遞，最終通過大表面積的散熱片消散于對(duì)流氣體中封裝內(nèi)的，可見有源基板埋入熱積累問題不容忽視。

電子封裝中所采用的散熱方法一般包括空氣自然對(duì)流、空氣強(qiáng)迫對(duì)流、液體冷卻、熱管冷卻、蒸發(fā)、噴射冷卻和熱電制冷等。空氣強(qiáng)迫對(duì)流是散熱成本最低最常用的散熱方式，但是由于受制于風(fēng)冷原理自身,散熱效果的改善是較小的。液冷對(duì)制作工藝以及材料的要求比較苛刻，對(duì)散熱通道的工藝性，可靠性要求很高，現(xiàn)有的一些技術(shù)還不成熟，成本比較高。一些液體對(duì)焊球腐蝕以及電連接的影響，一定程度上降低了芯片整體的可靠性。在兼顧復(fù)雜程度、成本、散熱效果三方面考慮,熱電制冷技術(shù)是一種行之有效且簡(jiǎn)單易行的降溫的方法。

熱電制冷又稱作半導(dǎo)體制冷，是利用熱電效應(yīng)（即帕米爾效應(yīng)）工作的一種制冷方法，即當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時(shí)，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。是致冷還是加熱，以及致冷、加熱的速率，由通過它的電流方向和大小來決定。單個(gè)熱電偶產(chǎn)生的制冷量很小，把多個(gè)熱電偶對(duì)在電路上串起來形成制冷熱電堆，可以得到較高的制冷系數(shù)。熱電制冷的優(yōu)點(diǎn)是無噪音、無磨損、可靠性高、靈活性強(qiáng)、無污染等。重?fù)诫s的N型和P型的碲化鉍是用作熱電致冷器（ThermoElectric?Cooler，TEC）的主要半導(dǎo)體材料。

目前對(duì)有源芯片埋入技術(shù)的散熱方法的研究還比較少，大多是采用散熱片（heat?spreader），導(dǎo)熱孔或者傳導(dǎo)性很好的熱界面材料（TIM）等，對(duì)于熱電制冷單元用于微系統(tǒng)封裝散熱的也多集中在表面粘附，很少有埋入的。Intersil?corporation的Nirmal?K.Sharma的專利“Package?for?integrated?circuit?with?thermal?vias?and?method?thereof”（專利號(hào)：US006861283B2）中，基板中添加導(dǎo)熱孔進(jìn)行散熱，將芯片或模塊的散熱問題轉(zhuǎn)移到印刷電路板PCB，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但效率較低。IBM的Louis?Lu-Chen?Hsu等人在“Thermoelectric?3d?cooling”（公開（公布）號(hào)：US7893529B2）中，通過在一個(gè)芯片的一面采用薄膜技術(shù)制作TEC結(jié)構(gòu)后粘到第二個(gè)芯片，從而形成三明治的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多芯片堆疊，并通過電流方向來控制制冷和加熱芯片。這種方法制作的TEC體積小，能分別實(shí)現(xiàn)升溫和降溫，對(duì)特殊場(chǎng)合的芯片有很大的意義，但這也是限制，限制兩個(gè)芯片必須一個(gè)升溫，一個(gè)降溫。AMD的Charles?R.Mathews等人在“Integrated?circuit?cooling?devicr”（公開（公布）號(hào)：US6800933B1）中提出了一種用TEC對(duì)晶體管進(jìn)行散熱的結(jié)構(gòu)以及在半導(dǎo)體襯底上制作TEC單元的一種方法。英特爾公司的M.法拉哈尼等人在“Thermoelectric?3d?cooling”（公開（公布）號(hào)：CN101091246A）中，提出了一種在芯片表面通過薄膜工藝制作TEC結(jié)構(gòu)散熱的方法和制作TEC的工藝，該方法的缺點(diǎn)是還需要組裝到PCB或者基板上，這樣會(huì)增大整個(gè)封裝體的空間。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于為了解決有源芯片或模塊埋入多層基板技術(shù)帶來的散熱問題，提供一種新的芯片或模塊散熱的結(jié)構(gòu)，將熱電制冷組件與有源元件埋置于多層基板中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)封裝板，不但提高了系統(tǒng)的散熱效率，還提高了系統(tǒng)功能的可靠性，同時(shí)使系統(tǒng)更高密度化和微小型化，改善信號(hào)傳輸?shù)男阅埽档土松a(chǎn)成本。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供了一種電子元件封裝體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括位于封裝體內(nèi)部的耦合在一起的熱電制冷單元和有源元件。