TWI406366B - 一種積體電路器件封裝體及其組裝方法 - Google Patents

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Description

一種積體電路器件封裝體及其組裝方法
本發明涉及積體電路(IC)器件封裝技術，更具體地說，涉及IC半導體管芯熱點的冷卻、模壓塑膠IC封裝體的散熱和IC封裝體中的熱互聯技術。
電信號是由流經製作在半導體襯底上的大型積體電路(IC)中的導線和電晶體的電流來承載的。電流所承載的能量中有一部分在電流流經IC過程中以熱量的形式耗散掉。電子半導體IC所產生的熱量也稱為功耗、功率耗散(power dissipation)或散耗熱(heat dissipation)。IC中生成的熱量P為動態功率PD 和靜態功率PS 之和，即：P＝PD ＋PS ＝ACV2 f＋VIleak
其中A是門電路活躍因數(gate activity factor)，C是所有門電路(gate)的總電容負載，V2 是峰至峰電源電壓擺幅，f是頻率，Ileak 是漏電流。靜態功率PS ＝VIleak ，是漏電流Ileak 導致的靜態功率耗散。有關靜態功率在Kim等人編寫的於2003年12月發表於IEEE Computer 36(12)第68－75頁上的Leakage Current：Moore’s Law Meet Static Power中進行了詳細的描述，本文也引用了其中的全部內容。
動態功率PD ＝ACV2 f，是IC器件電容負載充電和放電過程中的動態功率損耗。因此動態功耗正比於工作頻率和工作電壓的平方。靜態功耗正比於工作電壓。半導體IC技術中電晶體門電路尺寸(gate size)的縮小降低了單個電晶體的工作電壓和功率耗散。然而，由於產業一直遵循摩爾定律發展，未來技術中晶片功率密度預期將進一步上升。1965年，英代爾共同創始人高登．摩爾預言晶片中電晶體的數量將每兩年增加一倍。除了晶片中電晶體數量會增加以外，依照2004年國際半導體技術發展藍圖(ITRS藍圖)(http：//www.itrs.net/Common/2004Update/2004_00_Overview.pdf)，工作頻率也將每兩年提高一倍。電壓降低會加大在雜訊容限控制方面的難度，因此對於130nm及更短的柵極長度(gate lengths)而言，工作電壓再也無法像過去一樣降低的那樣迅速。因此，晶片的功率耗散將繼續上升。詳情參見ITRS藍圖表6。隨著製造過程中更多的採用65nm技術，以及45nm技術的商業化，功耗問題目前已成為半導體工業中的主要技術問題。
IC晶片的另一特徵在於半導體管芯溫度的非均勻分佈。在片上系統(system－on－chip,SOC)設計中，單塊晶片上集成的功能模組越來越多。較高的功率密度區會產生非均勻溫度分佈現象，在晶片上導致“熱點(hotspots)”的出現，熱點也稱為“熱區(hot blocks)”。熱點在晶片上產生的溫差可達5℃至30℃左右。在Shakouri和Zhang編寫的“On－Chip Solid－State Cooling For Integrated Circuits Using Thin－Film Microrefrigerators”IEEE Transaction on Components and Packaging Technologies Vol.28,No.1,March,2005,pp.65－69中對熱點進行了詳細的描述，本文也引用了其中的全部內容。
由於載流子遷移率與溫度成反比，因此時鐘速度通常必須根據晶片上的最熱點來進行設計。因此，熱設計是基於這些晶片上的熱點溫度來進行的。同時，若由於管芯(die)上的片上溫度變化而無法在IC管芯上得到統一的載流子遷移率，則將會導致信號速度的變化，並使得電路時鐘控制變得複雜。
過去，散熱器(包括內嵌(drop－in)散熱器、散熱片和散熱管)被用於提高IC封裝體的熱性能。2003年4月22日授權的名稱為“Semiconductor Package Having An Exposed Heat Spreader”美國專利No.6552428中對散熱器實例進行了詳細的描述，本文也引用了其中的全部內容。由Zhao和Avedisian編寫的“Enhancing Forced Air Convection Heat Transfer From An Array Of Parallel Plate Fins Using A Heat Pipe”Int.J.Heat Mass Transfer,Vol.40,No.1,pp.3135－3147(1997)中對散熱管實例進行了詳細的描述。
例如，圖1展示了管芯朝上塑膠球柵陣列封裝體(PBGA)封裝體100，其上集成了內嵌散熱器104。在封裝體100中，IC管芯102通過管芯粘合材料106貼裝在襯底110上，並與引線(wirebond)114相連。封裝體100可通過焊球108連接到印刷線路板(PWB)(未示出)上。內嵌式散熱器104設置在襯底110上，用於排出管芯102的熱量。塑封材料112將封裝體100密封起來，其中包括管芯102、引線114、部分或全部內嵌散熱器104和襯底110的部分或全部上表層。內嵌散熱器104通常由銅或者熱傳導性優於塑封材料112的其他材料製成。銅的熱傳導值在390 W/m＊ ℃左右，塑封材料的熱傳導值為0.8 W/m＊ ℃左右。
如圖1所示的熱性能增強方法的原理是將熱量從整個晶片或整個封裝體中移除。通過對整個晶片不加區分地進行冷卻，將半導體溫度維持在工作上限以下。相對於晶片的其他部位，這些方法通常不足以降低熱點的溫度，或者在降低熱點溫度方面根本不起作用，因此晶片的工作仍受到熱點的限制。
例如，圖2A展示了矽管芯102的透視圖，並且特別展示了未使用外部散熱片的PBGA中矽管芯102上的溫度分佈情況。管芯102上的溫差為13.5℃。圖2B展示的是在封裝體中增加了內嵌散熱器和散熱片之後，圖2A中管芯102的情況。在露出的內嵌散熱器上面貼裝大尺寸(45mm×45mm×25mm)外部鋁質pin－fin散熱片後，溫差仍為13.0℃。無論是內嵌散熱器還是外部散熱片，在降低由熱點引起的片上溫差方面都是無效的。
在本領域中還有一種冷卻方法，這就是使用電能來排出IC晶片熱量的主動式片上冷卻方法。例如，一些人建議在矽片上刻出微型管道，然後泵入液體冷卻劑使其圍繞半導體管芯迴圈流動，以帶走殘餘的熱量。由Bush編寫的於2005年7月20日發表在Electronic News上的“Fluid Cooling Plugs Direct onto CMOS”(http：//www.reed－electronics.com/electronicnews/article/CA626959？nid＝2019&rid＝550846255)對液體冷卻方法進行了詳細的介紹，本文也引用了其中的全部內容。還可參見由Singer編寫的於2005年7月20日發表在Electronic News上的“Chip Heat Removal with Microfluidic Backside Cooling”，本文也引用了其中的全部內容。
此外，還開發出了使用薄膜熱電冷卻器(TEC)來提供主動片上冷卻的其他主動冷卻方法。與使用TEC的片上冷卻有關的內容在由Snyder等人編寫的“Hot Spot Cooling using Embedded Thermoelectric Coolers”(22ND IEEE SEMI－THERM,Symposium,pp.135－143(2006))中進行了詳細的描述，本文也引用了其中的全部內容。
這些主動冷卻方法要求使用外部的昂貴流體循環或微冷卻系統，並且會增加封裝體的整體功耗，然而該功耗正是要必須消除的。此外，還需要在IC封裝體中集成獨立的電源來驅動流體泵或TEC系統。這些部件非常昂貴，而且還會降低部件的可靠性。由於這些解決方案通常都很昂貴，因此在成本敏感應用如消費類電子器件中，其使用受到限制。
上面描述的這些冷卻方法不足以和/或難於實現商業化應用，或者成本過高。因此，需要一種低廉可靠的系統和方法，可以選擇性的排出半導體管芯上熱區或熱點的熱量。
本文描述的是用於改善積體電路封裝體的方法、系統和裝置。
在本發明的一個方面，積體電路(IC)器件封裝體包括IC管芯，該管芯具有至少一個接觸焊盤(contact pad)，每個接觸焊盤都設置在對應的熱點處。封裝體中還包括導熱內插器(interposer)，其與IC管芯熱連接。在本發明的另一方面，在IC管芯和內插器之間填充有底層填料(underfill material)。
在本發明的一個方面，內插器還可電連接到IC管芯。在本發明的另一方面，內插器和IC管芯通過熱互連元件(也稱為熱互連件或節瘤)實現連接。在實施例中，IC封裝體可以是依照管芯朝上方法設計的，也可以是依照管芯朝下方法設計的。
在本發明的一個方面，散熱器熱連接到內插器上。在本發明的另一方面，散熱器還可電連接到內插器上。在本發明的又一實施例中，散熱器通過焊球或散熱塊(heat slug)熱連接和/或電連接到內插器上。
在本發明的一個方面，散熱塊設置為連接到印刷電路板(PCB)。在本發明的另一實施例中，內插器設置為連接到PCB上。
在本發明的一個方面，使用一種方法將IC封裝體組裝起來，該方法中包括通過對應的接觸焊盤上的至少一個節瘤(nodule)將內插器熱連接到IC管芯上。在本發明的一個方面，在熱連接到IC管芯之前，在內插器上設置一些凸起。在本發明的一個方面，在熱連接到內插器之前，在IC管芯上設置一些凸起。在本發明的另一方面，IC管芯和內插器之間是電連接的。
在本發明的一個方面，內插器和IC管芯之間的空間填充有底層填料。在本發明的一個方面，內插器熱連接到散熱塊(heat slug)、散熱器(heat spreader)、散熱片(heat sink)、另一內插器或焊球上。
在本發明的一個方面，將IC封裝體組裝起來，以將其安裝到PCB上。在本發明的另一方面，將IC封裝體組裝起來，使得該封裝體熱連接到PCB上。在另一方面，將封裝體組裝起來，使得該封裝體電連接到PCB上。
根據本發明的一個方面，提供了一種積體電路(IC)器件封裝體，包括：帶有接觸焊盤的IC管芯，所述接觸焊盤設置在所述IC管芯的表面上且位於所述IC管芯的熱點處；導熱內插器，包含第一和第二表面，所述內插器的第一表面在所述接觸焊盤處連接到所述IC管芯。
在本發明所述的封裝體中，還包括：所述內插器第一表面和所述接觸焊盤之間的熱互連件。
在本發明所述的封裝體中，還包括：底層填料，其充分填充所述IC管芯表面和所述內插器第一表面之間的空間。
在本發明所述的封裝體中，所述內插器第一表面設有至少一個柱體。
在本發明所述的封裝體中，所述內插器具有導電性。
在本發明所述的封裝體中，所述內插器第一表面電連接到所述接觸焊盤。
在本發明所述的封裝體中，還包括：至少一個導熱節瘤，所述內插器第一表面通過所述至少一個導熱節瘤連接到所述IC管芯。
在本發明所述的封裝體中，所述至少一個節瘤具有導電性。
在本發明所述的封裝體中，所述封裝體為管芯朝下IC器件封裝體。
在本發明所述的封裝體中，所述封裝體為管芯朝上IC器件封裝體。
在本發明所述的封裝體中，還包括：散熱器，其安裝在所述內插器的第二表面上。
在本發明所述的封裝體中，所述散熱器電連接到所述內插器的第二表面上。
在本發明所述的封裝體中，還包括：散熱塊，其安裝在所述內插器的第二表面上。
在本發明所述的封裝體中，所述散熱塊電連接到所述內插器的第二表面。
在本發明所述的封裝體中，所述散熱塊用於連接印刷電路板(PCB)。
在本發明所述的封裝體中，所述內插器第二表面用於連接印刷電路板(PCB)。
在本發明所述的封裝體中，所述管芯的表面設有第二接觸焊盤，用於引線連接。
在本發明所述的封裝體中，所述第一接觸焊盤位於所述管芯的中心，所述第二接觸焊盤位於所述管芯表面的四周區域內。
在本發明所述的封裝體中，還包括：至少一個另外的熱互連件；所述管芯的表面包括至少一個另外的接觸焊盤，其位於所述IC管芯的至少一個熱點上，每個所述另外的熱互連件連接在對應的另外的接觸焊盤和所述內插器的第一表面之間。
在本發明所述的封裝體中，所述熱互連件為焊球。
在本發明所述的封裝體中，所述熱互連件為塊。
在本發明所述的封裝體中，所述熱互連件為由焊料形成的凸起。
根據本發明的一個方面，提供了一種組裝積體電路(IC)封裝體的方法，包括：通過至少一個節瘤將內插器的第一表面與IC管芯表面的接觸焊盤相連接。
在本發明所述的方法中，還包括：將所述節瘤以凸起的形式設置在所述內插器的第一表面上，所述節瘤在所述第一表面上的位置對應所述IC管芯表面所述接觸焊盤的位置。
在本發明所述的方法中，還包括：將所述節瘤以凸起的形式設置在所述IC管芯第一表面的所述接觸焊盤上。
在本發明所述的方法中，還包括：通過所述一個節瘤將所述內插器第一表面電連接到所述IC管芯上。
在本發明所述的方法中，還包括：使用底層填料填充所述IC管芯表面和所述內插器第一表面之間的空間。
在本發明所述的方法中，還包括：將所述內插器的第二表面連接到散熱塊、散熱器、另一內插器、散熱片、焊球或印刷電路板(PWB)上。
在下面將要進行的對本發明的詳細描述中，上述和其他部件、優勢和特徵將變得更加明顯。應注意的是，發明內容和摘要部分可能使用一個或多個實施例，但並未列出發明人可能補充的有關本發明的全部示範性實施例。
本發明涉及對積體電路(IC)封裝體做出的改進及對應的方法。具體來說，本文將要描述的IC封裝體可將IC管芯熱點上的熱量排出。根據本發明的一個示範性實施例，導熱內插器與IC管芯上的接觸焊盤相連，而至少有一個接觸焊盤位於熱點處。該內插器因此可將整個IC管芯特別是IC管芯熱點上的熱量排出，從而降低管芯的總溫度以及管芯上的溫差。
本申請中出現的“一個實施例”、“實施例”、“示例”等術語，指的是本申請描述的實施例可包括有特定的特徵、結構或特性，但是並非每個實施例都必須包括有這些特定特徵、結構或特性。此外，該術語也並非必須指同一個實施例。當結合一個實施例介紹特定特徵、結構或特性時，可以認為本領域的技術人員能夠將該特徵、結構或特性結合到其他實施例中，不管本申請中是否有明確的描述。
本申請公開了結合有本發明特徵的一個或多個實施例。所公開的實施例僅僅是對本發明的舉例，本發明的範圍不局限於所公開的實施例，而由本申請的權利要求來定義。
此外，需要理解的是，本申請中所使用的與空間方位有關的描述(例如“上面”、“下面”、“左邊”、“右邊”、“向上”、“向下”、“頂部”、“底部”等)僅僅是出於舉例解釋的目的，本申請中所介紹的結構的實際實現可以具有各種不同的方位或方式。
實施例舉例
本發明涉及選擇性地對積體電路(IC)管芯局部區域進行散熱。在一個實施例中，IC管芯上的至少一個接觸焊盤上連接有導熱內插器結構。接觸焊盤設置在IC管芯上的熱點處。在另一實施例中，該內插器是導電和/或導熱的。在一些實施例中，該內插器通過導熱互連元件(也稱為熱互連件或節瘤(nodule))連接到管芯，這些導熱互連元件可以是導熱球、導熱凸起(bump)以及在組裝時貼裝在內插器和/或IC管芯上的導熱塊。在另一實施例中，熱節瘤是具有導熱和/或導電性。在一個實施例中，內插器熱連接和/或電連接到IC管芯。
在一個實施例中，該內插器連接在IC管芯上選定的位置上，例如具有高密度功耗的塊(例如管芯表面上的區域)上。這些塊產生的熱量因此將從IC管芯上排出。在一個實施例中，這些選定的位置可根據在具體應用下管芯的功率圖(power map)來設計，而應用不同，功率圖便不同，同一IC管芯上的內插器連接位置也就不同。這種情況可能發生在管芯上的不同功能模組根據應用的要求而啟動和關閉時。
這裏的實施例適用於所有類型的IC器件封裝體，例如塑膠球柵陣列封裝體(PBGA)、精細傾斜球狀網陣排列(BGA)、接點柵格陣列(LGA)、引腳網格陣列(PGA)、後模壓塑膠引線框架封裝體如方塊平面封裝體(QFP)和無引線QFP(QFN)封裝體或微引線框架封裝體(MLP)。這裏的實施例還包括使用引線和/或晶片倒裝連接的管芯朝上和管芯朝下配置。列出的封裝體和配置示例是非限定性的，本技術可應用在使用模壓塑膠封裝的所有封裝體中，用於提供片上熱點冷卻。
實施例舉例：將內插器連接到IC管芯上
圖3A是帶有至少一個熱點306的示範性積體電路(IC)管芯302的結構示意圖。為便於描述，圖中僅展示了一個熱點306，實際上IC管芯302也可以具有多個熱點306。可根據管芯302的功率圖和/或結合使用功耗和熱類比技術來預測一個或多個熱點306的位置。應用不同，同一管芯302的功率圖便不同，也就是說在組裝和安裝完畢後，管芯302上會有不同的模組啟動和關閉。因此，即便是在同一管芯302上，這至少一個熱點306也可能位於不同的位置。
在一個實施例中，管芯302具有引線接觸焊盤(wirebond contact pad)304。在另一實施例中，管芯302用於倒裝應用，沒有引線接觸焊盤304。在又一實施例中，管芯302同時配置有引線和倒裝互連。接觸焊盤304用於向和/或從安裝在或內置於管芯302中的電路輸入和/或輸出信號。如圖3A所示，用於與引線相連的接觸焊盤304通常設置在管芯302表面上的四周區域，例如按行/環排列，以便與引線緊密接觸。
圖3B是帶有內插器接觸焊盤308的示範性管芯302的結構示意圖。接觸焊盤308的作用通常與管芯302的電信號無關(例如，用作電連接)，這一點與接觸焊盤304不相同。然而，在一實施例中，一個或多個接觸焊盤308可以與管芯302的電信號有關。此外，接觸焊盤308通常位於管芯302上接觸焊盤304所在位置的區域之外。例如，如圖3B所示，接觸焊盤308設置在管芯302表面的中心位置，也就是說設置在管芯302區域四周設置有引線接觸焊盤304(用於引線鍵合)的位置以外的位置上。但是，在一個實施例中，一個或多個接觸焊盤308也可臨近設置在接觸焊盤304的旁邊。
內插器接觸焊盤308可設置在任何熱點306的內部或外部。在一個實施例中，接觸焊盤308中的至少一部分是設置在熱點306內部的。如本文所述，接觸焊盤308設置在熱點306內，用作管道的一端，該管道用於將熱點306的熱量傳到至散熱器。在一個實施例中，一個或多個接觸焊盤308位於熱點306的外部，用於(與熱點306內部的接觸焊盤308協作)為散熱器提供穩定的底座。在一個實施例中，內插器接觸焊盤308設置在針對應用而為管芯302專門設計的位置上。接觸焊盤308的數量可以任意，這取決於管芯302和/或具體的應用。
圖3C是根據本發明一實施例的內插器310的結構示意圖，其中在與管芯302上設置內插器接觸焊盤308的位置相對的位置上設置有節瘤312。在一個實施例中，節瘤312的形狀可以是如圖3C－3E中所示的球狀、凸起或塊狀，或者其他不規則或規則形狀。在另一實施例中，如圖3F所示，節瘤312不管是球狀、凸起還是塊狀，它都是設置在管芯302而非內插器310上的。
管芯302在熱點306處產生的熱量通過節瘤312提供的很短的導熱路徑傳遞給內插器310，其中節瘤312與熱點306中的接觸焊盤308相連。在圖3G所示的實施例中，內插器310通過節瘤312在內插器接觸焊盤308處與管芯302相連。在一個未示出的實施例中，內插器在內插器接觸焊盤308處直接與管芯302相連，而未使用節瘤312。
圖3H是帶有一個以上熱點306的管芯的結構示意圖。內插器310通過節瘤312在內插器接觸焊盤308處與管芯302相連。
內插器和節瘤實施例
圖4A是內插器310的一個示範性實施例內插器400的結構示意圖。圖4A中展示的內插器400為平面矩形(例如四角處為圓角)形狀。但是，內插器400的實施例還可為其他形狀。內插器310可根據對應的IC管芯設計進行配置和/或根據具體應用進行配置。如此，內插器400的形狀可以是非平面形和或非矩形。例如，內插器310可以是圓形、方形、矩形、帽形、凹或凸“湯碗”形，或其他規則或不規則、平面或非平面形。
在一個實施例中，內插器400具有導熱性。在一個實施例中，內插器400還具有導電性。在一些實施例中，內插器400由金屬如銅、銅合金(如同引線框架封裝體的引線框架材料如C151、C194、EFTEC－64T、C7025等)、鋁、其他金屬合金和金屬材料製成，或者由陶瓷、有機材料(雙馬來酰亞胺三嗪(bismaleimide triazine(BT))、阻燃類型4(FR4)等)製成，或者由傳導性較差的材料如絕緣材料組成。內插器400還可由柔性膠帶襯底組成，例如帶有或沒有一個或多個金屬箔層的聚酰亞胺膠帶襯底。現有的以及高密度加強襯底，包含BT和FR4的襯底也都可用於製造內插器400。
在圖4A展示的實施例中，內插器400在選定位置處塗敷有表面覆層402。這個表面覆層402用於例如加強與節瘤312之間的連接，或者與IC管芯之間的直接連接。表面覆層402材料可以是多種材料中的一種或者多種，包括碳、金屬、氧化物等。
圖4B是內插器310另一示範性實施例450的結構示意圖，其包括一個或多個開口404，塑封材料或底層填料可通過開口404注入，以填充內插器450和IC管芯之間的間隙。儘管在圖4B中為狹槽和十字形狀，但開口404可以是任何形狀，包括圓形、狹槽型、矩形、正方形，以及其他規則和不規則形狀。在一個實施例中，可以內插器450中或邊緣上剪切一個切口以方便引線鍵合。在另一實施例中，還可在內插器450上設置模壓鎖片或凹槽。
在一個實施例中，內插器310通過節瘤312連接到IC管芯。節瘤312可以設置在IC管芯上，也可以設置在內插器310上。在圖4B中展示的實施例中，節瘤312是以凸起的形式設置在內插器450上的。無論是設置在內插器310上，還是設置在IC管芯上，節瘤312都具有一定程度的導熱性。在一個實施例中，節瘤312既可導熱又可導電。
節瘤312的其他實施例可以是球狀、截去的球狀、凸起、塊狀、錐狀、圓柱狀、柱狀或其他形狀。節瘤312可以是焊料、金、銅、鋁、合金、覆有焊料的圓柱、聚合材料、環氧材料、粘合材料或其他材料。節瘤312可包括基本材料(例如鋁、銅、合金等)和沈積在基本材料部分或全部表面的輔助材料(例如焊料、環氧材料、金、合金等)。在一個實施例中，輔助材料可提高內插器310和IC管芯之間的機械連接性、熱連接性和/或電連接性。
圖5A和圖5B是內插器310另一實施例內插器500的結構示意圖，其包括以節瘤312為頂部的柱體502。圖5A展示的是帶有柱體502的內插器310的截面示意圖，其中節瘤312位於柱體502的頂部。圖5B展示的是一實施例的俯視圖，除了以節瘤312為頂部的柱體502以外，該實施例上還設有開口404。圖5A中的柱體502是中空的，其開口設置在內插器310的下表面上，其形狀為平截頭形狀。柱體502可製成任何形狀，如圓柱狀、金字塔狀、錐狀和/或截去頂部的錐狀或金字塔狀。在另一實施例中，柱體502的頂部未設有節瘤312。在又一實施例中，柱體502部分或者全部覆蓋有材料(例如焊料、環氧材料、粘合材料或其他材料)。覆蓋的材料可以提高內插器310和IC管芯之間的機械連接性、熱連接性和/或電連接性。
IC封裝體實施例
下面的這一部分和相關的附圖旨在描述本發明的多種實施例，但並非對本發明的範圍進行限制。下面的這一部分將描述積體電路(IC)封裝體的多個實施例，但本發明同樣適用于其他現有或將來的IC器件封裝體。
例如，圖6A展示了一個示範性實施例，塑膠球柵陣列(PBGA)IC封裝體600，該封裝體包含IC管芯302，它通過節瘤312與內插器310相連。管芯302通過引線614和管芯粘合材料606連接到襯底608。塑封材料612將封裝體600密封起來，其中包括管芯302、內插器310、引線614和整個或部分襯底608(例如上表面)。襯底608通過焊球610連接到印刷電路板(PWB)(未示出)。圖6B展示了一個實施例，PGBA IC封裝體650，其與圖6A中的封裝體600類似，區別僅在於在管芯302和內插器310之間添加了底層填料620。底層填料620可以是任何類型的底層填料，用於為內插器310與管芯310上的接觸焊盤之間的連接提供保護。
圖6C展示了引線框架式塑膠方形扁平封裝體(PGFP)的一個示範性實施例封裝體660，其IC管芯302通過節瘤312與內插器310相連。管芯302通過管芯粘合材料606粘合在管芯託盤622上。引線614將引線616與管芯302相連。塑封材料612將封裝體660密封起來，其中包括管芯302和引線614。圖6D展示了一個實施例，引線框架式封裝體670，其類似於圖6C中描述的封裝體660，區別僅在於在管芯302和內插器310之間填充有底層填料620。
圖6E展示了無引線方形扁平封裝體(QFN)(也稱為微型引線框架封裝體(MLP)或微型引線框架(MLF)IC封裝體)的一個示範性實施例的封裝體680。在本實施例中，封裝體680包含通過節瘤312連接到內插器310的IC管芯302。管芯302通過管芯粘合材料606粘合在管芯託盤622上。引線614將管芯302連接到封裝體680的引線618上。圖6F展示了類似的QFN/MLP/MLFIC封裝體690，區別僅在於在管芯302和內插器310之間填充有底層填料620。
本發明的實施例還包括管芯朝下IC封裝體。例如，圖7A展示了示範性管芯朝下球柵陣列封裝體(BGA)700，其包括通過節瘤312與內插器310相連的IC管芯302。管芯302與內插器310之間的區域可使用底層填料(未示出)填充。管芯302連接到散熱器704上，引線614將管芯302與襯底706相連。焊球610將封裝體700連接到印刷電路板(PWB)(未示出)上。塑封材料612將管芯302和引線614密封起來。
圖7B展示了示範性管芯朝下引線框架式IC封裝體750，其包括通過節瘤312連接到內插器310的管芯302。管芯粘合材料606將管芯302粘合在管芯託盤622上。引線將管芯302與引線616相連。底層填料(未示出)用於填充管芯302和內插器310之間的空間。
如本文所述，內插器310可包括柱體502。圖8展示了帶有柱體502的內插器310的BGAIC封裝體。內插器310通過位於柱體502尖端的節瘤312連接到IC管芯302。底層填料(未示出)用於填充管芯302和內插器310之間的空間。管芯302通過管芯粘合材料606粘合到襯底608上。引線614將管芯302與襯底608相連。封裝體800密封在塑封材料612中，後者覆蓋管芯302、引線614和整個或部分襯底608。焊球610用於將封裝體800連接到印刷電路板(未示出)。儘管圖8中展示的示例是BGA封裝體800，但使用帶有柱體502的內插器310的本發明實施例可包括IC封裝體的所有類型，包括在本文其他附圖中描述的那些類型。
本發明的實施例可使用多種類型的散熱器。在包含散熱器的實施例中，散熱器可由金屬如銅、銅合金(例如用於引線框架封裝體中引線框架的材料如C151、C194、EFTEC－64T、C7025等)、鋁和其他金屬材料製成。散熱器還可以是柔性膠帶襯底類型，例如在聚酰亞胺膠片上層壓一層或兩層金屬箔層而製成的聚酰亞胺膠帶襯底。散熱器還可由導熱但不導電的材料如導熱陶瓷材料製成。在一個實施例中，塑封材料將散熱器完全密封。在其他實施例中，散熱器中的一部分或者全部均未被密封。
例如，圖9A中展示了一個示範性實施例，管芯朝上BGA IC封裝體900，其包括通過節瘤312與內插器310相連的IC管芯302。底層填料(未示出)用於填充管芯302和內插器310之間的空間。管芯粘合材料606將管芯302粘合到襯底608上，引線614將管芯302與襯底608相連。封裝體900中還包括內嵌的散熱器902，它可由塑封材料612完全密封，也可不完全密封。散熱器902為帽形散熱器，包括內腔906，和圍繞散熱器902外周設置的帽沿908。塑封材料612將封裝體900密封起來，其中包括管芯302、引線614和整個或部分襯底608。焊球610用於將封裝體90O連接到印刷電路板(PWB)(未示出)上。圖9B展示了BGA封裝體950，其基本類似于封裝體900，區別僅在於封裝體950中使用的散熱器904。散熱器904為平板形。其他實施例還可使用其他類型的散熱器設計，這一點對於本領域的技術人員來說應當是很明顯的。
類似的，圖9C中展示了封裝體960，其為引線框架式QFP類型的IC封裝體，並進一步包含通過節瘤312與內插器310相連的IC管芯302。底層填料(未示出)用於填充管芯302和內插器310之間的空間。管芯粘合材料606將管芯302粘合到管芯託盤622上，引線614將管芯302與引線616相連。封裝體960中還包括內嵌的散熱器902。塑封材料612將封裝體960密封起來，其中包括管芯302和引線614。內嵌散熱器902可由塑封材料612完全密封，也可不完全密封。其他實施例還可使用其他類型的散熱器設計，這一點對於本領域的技術人員來說應當是很明顯的。
圖9D展示了示範性的管芯朝下BGA封裝體970，其中包含散熱塊906。散熱塊906可連接到PWB(未示出)。其他實施例還可包含多種其他類型的散熱塊906設計，這一點對於本領域的技術人員來說應當是很明顯的。封裝體970包括通過節瘤312與內插器310相連的IC管芯302。底層填料(未示出)用於填充管芯302和內插器310之間的空間。管芯粘合材料606將管芯302粘合到散熱器704上，引線614將管芯302與襯底706相連。塑封材料612將引線614和管芯302密封起來。焊球618用於連接到PWB(未示出)。
在一個實施例中，內插器通過非塑封材料連接到散熱器。例如，圖10A中展示了一個示範性實施例，管芯朝上的BGA封裝體1000，其包含通過節瘤312與內插器310相連的IC管芯302。底層填料(未示出)用於填充管芯302和內插器310之間的空間。管芯粘合材料606將管芯302粘合到襯底608上，引線614將管芯302與襯底608相連。封裝體900還包括內嵌散熱器902，它通過散熱塊1002連接到內插器310。其他實施例還可使用其他類型的散熱器設計，這一點對於本領域的技術人員來說應當是很明顯的。塑封材料將封裝體1000密封起來，其中包括管芯302、引線614和整個或部分襯底608。散熱器902和散熱塊1002可由塑封材料612完全密封，也可不完全密封。焊球618用於將封裝體900連接到PWB(未示出)。
類似的，圖10B中展示了引線框架式QFP IC封裝體1010，其包含通過節瘤312與內插器310相連的IC管芯302。底層填料(未示出)用於填充管芯302和內插器310之間的空間。管芯粘合材料606將管芯302粘合到管芯託盤622上。管芯302通過引線614與引線616相連。封裝體1010中包含內嵌散熱器902。其他實施例還可使用其他類型的散熱器設計，這一點對於本領域的技術人員來說應當是很明顯的。塑封材料612將封裝體1010密封起來，其中包括管芯302、引線614。內嵌散熱器902可由塑封材料612完全密封，也可不完全密封。
圖10C和圖10D展示了示範性實施例，IC封裝體1040和1050，它們基本類似於圖10A和圖10B中展示的封裝體1000和1010，區別僅在於使用焊球1004將散熱器902連接到內插器310。
在另一示範性實施例中，圖10E中展示了管芯朝下BGA封裝體1060，其包括散熱塊1006和焊球1004。散熱塊1006安裝在管芯302的表面上。當封裝體1060安裝在電路板上時，焊球1004用於將散熱塊1006連接到電路板如印刷線路板(PWB)(圖10E中未示出)上。其他實施例還可使用其他配置的散熱塊1006，這一點對於本領域的技術人員來說應當是很明顯的。封裝體1060包括通過節瘤312與內插器310相連的IC管芯302。底層填料(未示出)用於填充管芯302和內插器310之間的空間。管芯粘合材料606將管芯302粘合到散熱器704上，引線614將管芯302與襯底706相連。塑封材料612將引線614和管芯302密封起來。焊球618用於連接到PWB(未示出)。其他實施例還可使用其他的散熱塊1006實現，這一點對於本領域的技術人員來說應當是很明顯的。例如，在圖10F中展示的示例IC封裝體1070中，散熱塊1006直接連接到電路板，因此無需使用焊球1004。
示範性實施例：組裝方法
將管芯和內插器組裝起來的示範性實施例在圖11A－圖11B中進行了介紹。圖11A展示了流程圖1100，圖11B展示了流程圖1150。正如在本文其他部分描述的那樣，內插器和管芯通常為大規模IC封裝體的元件。通過下面的討論和本文中其他部分的教授方法，如何將管芯和內插器組裝到本文其他部分描述的IC封裝體實施例中，對於本領域的技術人員而言應當是很明顯的。圖11A－圖11B中描述的步驟不必非要按照描述的順序進行，這一點對於本領域的技術人員而言應當是很明顯的。通過下面的討論，其他結構和操作實施例對於本領域的技術人員而言應當是很明顯的。
先來看圖11A，流程圖1100描述了安裝過程，其中管芯上設有凸起的節瘤。在步驟1102，在管芯上設置至少一個凸起的節瘤。節瘤的示例見圖3C－圖3E中展示的節瘤312。在實施例中，如圖3C－圖3E所示，節瘤312可以是球狀(例如焊球)、凸塊狀或塊狀，也可以是其他的形狀。正如本文其他部分(例如圖3F中)描述的那樣，節瘤可以設置在位於管芯熱點內部或外部的接觸焊盤上。
在步驟1104，將內插器安放在管芯上，這樣一來，管芯上的節瘤便可接觸到內插器上的對應位置。例如，如結合圖4A所描述的那樣，在內插器表面上用於連接節瘤的位置可設有覆層。
在步驟1106，將內插器連接到管芯上。若節瘤是環氧材料、粘合材料或類似的材料，則將其固化即可。若節瘤是焊料、主層由焊料製成、由焊料覆蓋或類似的成份，則會要對節瘤進行回流焊。其他節瘤成份也會要求對應的回流或固化方法來完成連接過程。
在可選的步驟1108，在管芯和內插器之間填充底層填料。例如，底層填料可以是圖6B中的底層填料620。在一個實施例中，用於沈積底層填料的填充過程與現有晶片倒裝技術中的對應過程相同。
現在來看圖11B，流程圖1150對組裝過程進行了描述，其中內插器上設有凸起的節瘤。在步驟1152，在內插器上設置至少一個凸起的節瘤。節瘤的示例見圖3C－圖3E中展示的節瘤312。在實施例中，節瘤312可以是球狀(例如焊球)、凸塊狀或塊狀，也可以是其他的形狀。正如本文其他部分(例如圖3F中)描述的那樣，節瘤可以設置在位於管芯熱點內部或外部的接觸焊盤上。
在步驟1154，將內插器安放在管芯上，這樣一來，內插器上的節瘤便可接觸到管芯上對應的內插器接觸焊盤。
在步驟1156，將內插器連接到管芯上。若節瘤是環氧材料、粘合材料或類似的材料，則將其固化即可。若節瘤是焊料、主層由焊料製成、由焊料覆蓋或類似的成份，則會要對節瘤進行回流焊。其他節瘤成份也會要求對應的回流或固化方法來完成連接過程。
在步驟1158，在管芯和內插器之間填充底層填料。例如，底層填料可以是圖6B中的底層填料620。在一個實施例中，用於沈積底層填料的填充過程與現有晶片倒裝技術中的對應過程相同。
結論
儘管以上介紹了本發明的各種實施例，但是可以理解的是，以上僅僅是示例，並非對本發明的限制。本領域的技術人員顯然知道，可以對本發明進行各種形式和細節上的改變而不脫離本發明的精神實質和範圍。因此，本發明的保護範圍不限於任何上述的實施例，而是由權利要求及其等效替換來定義。
100‧‧‧管芯朝上塑膠球柵陣列封裝體(PBGA)
102‧‧‧積體電路(IC)管芯
104‧‧‧內嵌散熱器
106‧‧‧管芯粘合材料
108‧‧‧焊球
110‧‧‧襯底
112‧‧‧塑封材料
114‧‧‧引線(wirebond)
302‧‧‧積體電路(IC)管芯
304‧‧‧引線接觸焊盤(wirebond contact pad)
306‧‧‧熱點
308‧‧‧接觸焊盤
310‧‧‧內插器
312‧‧‧節瘤
400‧‧‧內插器
402‧‧‧表面覆層
開口．．．404
內插器．．．450
內插器．．．500
柱體．．．502
塑膠球柵陣列(PBGA)IC封裝體．．．600
管芯粘合材料．．．606
襯底．．．608
焊球．．．610
塑封材料．．．612
引線．．．614
引線．．．616
引線．．．618
底層填料．．．620
管芯託盤．．．622
塑膠球柵陣列(PBGA)IC封裝體．．．650
封裝體．．．660
引線框架式封裝體．．．670
封裝體．．．680
QFN/MLP/MLF IC封裝體．．．690
管芯朝下球柵陣列封裝體(BGA)．．．700
散熱器．．．704
襯底．．．706
管芯朝下引線框架式IC封裝體．．．750
BGA封裝體．．．800
管芯朝上BGAIC封裝體．．．900
散熱器．．．902
散熱器．．．904
內腔．．．906
帽沿．．．908
BGA封裝體．．．950
封裝體．．．960
管芯朝下BGA封裝體．．．970
管芯朝上BGA封裝體．．．1000
散熱塊．．．1002
焊球．．．1004
散熱塊．．．1006
引線框架式QFPIC封裝體．．．1010
IC封裝體．．．1040、1050
管芯朝下BGA封裝體．．．1060
IC封裝體．．．1070
圖1是帶有散熱器的現有的管芯朝上BGA封裝體的截面示意圖；圖2A－圖2B是使用現有冷卻方法後IC管芯在工作過程中的表面溫度示意圖；圖3A－圖3H是根據本發明示範性實施例的IC管芯、節瘤和內插器的結構示意圖；圖4A－圖4B是根據本發明示範性實施例的內插器的結構示意圖；圖5A－圖5B是根據本發明示範性實施例的包含柱體(pillars)的內插器的結構示意圖；圖6A－圖6F是根據本發明示範性實施例的包含內插器的積體電路(IC)封裝體的結構示意圖；圖7A-圖7B是根據本發明示範性實施例的包含內插器的管芯朝上的IC封裝體的結構示意圖；圖8是根據本發明示範性實施例的帶有包含柱體(posts)的內插器的IC封裝體的結構示意圖；圖9A-圖9D是根據本發明示範性實施例的包含內插器和散熱器的IC封裝體的結構示意圖；圖10A-圖10F是根據本發明示範性實施例的包含連接到散熱塊或焊球的內插器的IC封裝體的結構示意圖；圖11A-圖11B是根據本發明示範性實施例的描述製造方法的流程圖。
積體電路(IC)管芯．．．302
內插器．．．310
節瘤．．．312
柱體．．．502
管芯粘合材料．．．606
襯底．．．608
焊球．．．610
塑封材料．．．612
引線．．．614
管芯朝下球柵陣列封裝體(BGA)．．．800

Claims (8)

  1. 一種積體電路(IC)器件封裝體，其特徵在於，包括：帶有接觸焊盤的IC管芯，包含第一和第二表面，所述接觸焊盤設置在所述IC管芯的第一表面上且位於所述IC管芯的根據在具體應用下管芯的功率圖設計選定的熱點處，所述IC管芯的第二表面與印刷電路板連接；至少一個導熱互連元件；以及導熱內插器，包含第一和第二表面，所述內插器的第一表面通過所述導熱互連元件在所述接觸焊盤處與所述IC管芯相連。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的封裝體，其中，還包括：底層填料，其充分填充所述IC管芯表面和所述內插器第一表面之間的空間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的封裝體，其中，所述內插器第一表面設有至少一個柱體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的封裝體，其中，所述內插器具有導電性。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的封裝體，其中，所述內插器第一表面與所述接觸焊盤電連接。
  6. 一種組裝積體電路(IC)封裝體的方法，其特徵在於，包括：通過至少一個節瘤將內插器的第一表面與IC管芯第一表面的接觸焊盤相連接； 將IC管芯第二表面與印刷電路板連接；通過具體應用下IC管芯的功率圖設計選定IC管芯的熱點並設置接觸焊盤於熱點處。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中，還包括：將所述節瘤以凸起的形式設置在所述內插器的第一表面上，所述節瘤在所述第一表面上的位置對應所述IC管芯第一表面上所述接觸焊盤的位置。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中，還包括：將所述節瘤以凸起的形式設置在所述IC管芯第一表面的所述接觸焊盤上。
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