芯片封装散热技术专利分析

芯片封装散热技术专利分析

刘杰铭周天微

（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心天津市300300）

摘要：从1947年晶体管的发明开始，半导体技术的发展不断推动着整个人类社会科技的进步。如今电子信息革命已经深入到了生活的各个角落，极大的改变了人们的生活和工作方式。芯片在这个过程中扮演者举足轻重的角色。芯片设计、制造和封装测试是一块芯片应用到系统前必须经历的过程。在整个过程中，封装对芯片起到物理保护的作用，通过封装也可以对芯片散热进行管理，保证芯片的稳定性和可靠性。

关键词：芯片封装；散热处理

一、芯片封装中主要的散热方式

随着芯片封装的集成化和小型化程度提升，芯片封装中产生的热量也逐步增多，使得芯片封装出现失效、热疲劳、裂片、可靠性降低等问题，散热便显得尤为重要。芯片封装中主要的散热方式有：散热片、热管、液冷和风冷等。

芯片封装中的散热最初使用散热片通过粘结剂贴于芯片上方、或散热片通过散热辅助件连接至芯片上方，对芯片封装进行散热，为了增加散热的效果，散热片带有多个翅片，增加散热面积，提高散热性能。

热管是一种传热效率极高的换热元件，冷热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程耦合在一起的，冷却能力极强。热管具体的工作过程为：在热管中具有冷端和热端，位于热端的工作介质受热蒸发，流动到冷端进行液化，使得热量释放，液化后的工作介质借助热管壁上的多孔介质的毛细作用重新输运回冷端，进行循环散热。

液体散热方式的散热效率较高，即液冷，在发展初期，将填充有冷却液的封闭的液体管道直接与芯片粘接，冷却液通常为液态金属、水或酒精等，通常需要结合散热片进一步散热，封闭的液体管道有效降低封装系统的热阻。封闭液体管道中的冷却液体对散热的效率提高具有一定局限性，后续发展了循环流动的液体散热系统，可在封装外部设置泵或者其他液体驱动装置和/或冷却装置。芯片的微型化要求散热器有同样程度的微型化和集成化，后续衍生出集成式微冷却器，包括微流道、微型泵及管路等。采用微机械电子系统（MEMS）技术，在硅基板（甚至硅芯片背面）或金属基板上，制作微沟槽，再结合封装形成闭环封闭的流道，端口再与支管接合，作为冷却液体的出入口，芯片将热直接传导给冷却液，减小不必要的热阻。硅基板的热传导系数高于一般基板材料很多，且其热膨胀系数与硅芯片相同，其较佳的热传导性能和应用潜力均已获得验证。集成式微冷却器的散热方式通常使用在3D集成芯片中。

风冷的散热方式和液体散热方式类似，同样需要在芯片封装中设置微通路，供气体流动，外部端口处需要设置风扇等气体循环系统，多应用于3D集成芯片中。风冷较液冷的制备较为简单，技术难度较低，液冷当中需要考虑液体和芯片电路的绝缘性和液体通路的设置问题，但在风冷过程中不涉及绝缘问题，因此，风冷的通道位置设计的更为灵活。

二、专利申请状况分析

在2000年之前，由于芯片封装中主要以单芯片封装为主，借助打线方式连接到引线框架或基板上，或通过焊球倒装方式连接到芯片上，此时封装中的散热方式，通常采用带有散热鳍片的散热片通过粘贴或借助热传输元件连接至芯片表面，散热片通常选择为金属，例如铝或铜等，芯片集成度不高，较大的散热片使得芯片封装后的尺寸较大，例如CN1181630A、CN1153401A等。

从2001年到2005年，在这个时间段内，主要研究为将带有鳍片的散热片相适应性的设置在各种封装形式的芯片封装中，为了缩小体积，可将散热片的面积减小，或将散热片仅设置为金属层式散热片CN1630073A、CN1441489A、CN2681327Y、CN1567577A等。此外，对散热片表贴到芯片表面的粘附材料进行了进一步研究，通过在胶体中添加非导电性微米尺寸的填料颗粒或导电性纳米颗粒，例如二氧化硅、石墨、金属氮化物、铜、铝、碳化硅、石墨等，增强胶体的导热性，进而提高封装的散热性能，例如CN1875480A等。散热片作成壳状时，可同时具备散热作用和电磁屏蔽的作用，例如：CN1354512A、CN1420557A、CN1625607A、CN1619798A、CN1591850A、CN1585115A等。此外，还出现了热管散热装置，采用热管表贴在芯片上方，该时期采用的热管通常会较大，例如CN1355415A等。

在2006年之后，随着芯片封装中对散热需求的增强，封装中引入了新的散热方式——液体冷却，最初的液体冷却通常是在闭合的流体管道中，采用液态金属、水或酒精等冷却介质，且会和带有散热翅片的散热器的配合使用进行散热，这种液体冷却方式降低了芯片和散热片之间的热阻，例如CN101666433A、CN101666440A、CN101005745A等。

在2010年之后，研究发现单独在芯片外面设置流体管道进行液体冷却，虽然散热效果增加，但会增加封装体积，流体管道可设置在现有芯片封装中，例如在基板中，例如CN103137573A等，同时液冷的散热方式应用在了急待解决散热问题的3D芯片堆叠封装当中，将流体管道集成在芯片中硅片背面，通过在芯片背面设置凹槽，构成流体管道，这样使得冷却液体直接和每层芯片接触，既提高了每层芯片的散热效果，进而提高封装整体的散热效果，又未提高整体封装的总体积，例如CN103236420A、CN104112736A、CN103378026A、CN103413794A等。液冷的散热方式通常需要在外围设置泵等促进液体循环的装置，且在液冷的散热方式中，流体管道需要远离芯片中的电连接区域，该结构中对绝缘性有较高要求。

在近几年中，在液冷的冷却方式的启示下，发展了风冷的散热方式，和液冷的散热方式相似，同样需要在封装中设置散热通路，供气体流动散热，但风冷的散热方式中不用考虑绝缘性，因此，风通路的设置较为灵活，且工艺复杂度低，在风冷的冷却方式中通常会借助风扇或其它鼓风装置进行散热，例如CN103137578A、CN106356344A、CN106206492A等。

三、未来发展趋势

（1）金属散热片式散热在2D封装中发展已较为成熟，但在2.5D和3D封装中，在不增加现有芯片堆叠封装体积的基础上，将金属散热片插入到封装中，且并不和封装中其他元件发生电连接，可提高封装中的散热效率，其结构设计仍有改进空间。

（2）液冷的散热方式应用在3D封装中，会大大提高散热效果，但液冷的冷却通道的设置对绝缘性要求较高，若通过填充不导电的可流动的冷却剂，或许可降低液冷的局限性和制备难度。

（3）风冷是新兴的散热方式，但在外围需要集成风扇等鼓风设备，如何降低整个封装系统的体积，这也是需要考虑的问题。