芯片封装结构及电子设备的制作方法

1.本技术属于芯片封装技术领域，尤其涉及一种芯片封装结构及电子设备。


背景技术：

2.近年来，随着技术的进步，芯片技术也愈发朝向高速度、高密度和高性能方向迅猛发展，散热作为芯片封装中的重要因素，直接影响着芯片封装后的设计性能。
3.现有技术中，封装结构中的芯片需要依靠热界面材料将产生的热量传导至散热器中，然而，由于加工公差的存在和导热界面材料弹性力随时间而退化，热界面材料和封装结构中的封装盖之间容易产生空洞，从而导致芯片散热性能大幅下降。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种芯片封装结构及电子设备，能够抑制或消除热界面材料和芯片封装结构中的封装盖之间容易产生空洞的现象，使得芯片在封装结构内持续具有良好的散热性能。
5.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：
6.第一方面：提供了一种芯片封装结构，包括pcb板、芯片、封装盖、热界面材料层和散热器。其中，芯片焊装于pcb板上；封装盖设置于pcb板上，并将芯片封装于其内；热界面材料层覆盖于芯片，并贴合于封装盖的内顶面；
7.散热器设置于pcb板上，且和pcb板之间形成有装配空间，芯片和封装盖均位于装配空间内，散热器朝向封装盖的一侧具有接触板，接触板的下端面和封装盖的外顶面之间通过抵接件相抵接，且抵接件沿芯片封装结构高度方向的投影覆盖于芯片，且位于封装盖的外顶面边缘所围成的区域内。
8.设置于封装盖的外顶面和接触板的下端面之间的抵接件可以是硬质物件或是弹性物件，当抵接件是硬质物件时，其可以将恒定的按压力传递至封装盖，而当散热器为浮动式散热器时，其也可以为封装盖提供弹性按压力。当抵接件为弹性物件时，无论散热器为浮动式散热器或固定式散热器，抵接件都能够为封装盖提供弹性按压力。
9.本技术实施例提供的芯片封装结构，其芯片焊装于pcb板上，并封装于封装盖内，封装盖的内顶面和芯片之间填充有热界面材料层，而封装盖的外顶面则与接触板的下端面的抵接区域弹性抵接。由于接触板的下端面与封装盖的外顶面之间的抵接件沿芯片封装结构高度方向的投影覆盖于芯片，且位于封装盖的外顶面边缘所围成的区域内，这样抵接件施加于封装盖的抵接力便能够集中于封装盖正对于芯片的位置，从而也使得封装盖的内顶面和芯片之间的热界面材料层也能够集中受力，如此可维持热界面材料层受到来自封装盖的内顶面和芯片表面的足够的压力，进而使得热界面材料层能够始终贴合于封装盖的内顶面和芯片表面，避免热界面材料层和封装盖的内顶面之间产生空洞，从而能够实现较佳地传输芯片所产生的热量，使得芯片具有较佳地散热性能，进而也使得芯片封装结构在长期运行时，能够维持芯片的设计性能。
10.可选地，抵接件和接触板的下端面一体成型。
11.可选地，抵接件包括抵接部和导热层，抵接部和接触板的下端面一体成型，导热层设置于抵接部和封装盖的外顶面之间。这样一方面抵接部和接触板的下端面一体成型，能够提高抵接件和接触板的连接可靠性。另一方面，导热层的存在也能够填补抵接部和封装盖之间可能存在的空隙。
12.可选地，抵接件设置于接触板的下端面，且和封装盖的外顶面相抵接，抵接件为弹性热界面材料件或金属弹片。
13.可选地，抵接件包括金属弹片和导热层，金属弹片设置于接触板的下端面，导热层设置于金属弹片的隆起部和封装盖的外顶面之间，金属弹片和导热层沿芯片封装结构高度方向的投影均覆盖于芯片，且均位于封装盖的外顶面边缘所围成的区域内。
14.可选地，抵接件包括弹簧件和抵接片，弹簧件设置于接触板的下端面，抵接片连接于弹簧件，并抵接于封装盖的外顶面，抵接片沿芯片封装结构高度方向的投影覆盖于芯片。
15.可选地，抵接件设置于封装盖的外顶面且抵接于接触板的下端面。
16.可选地，抵接件为弹性热界面材料件。
17.可选地，抵接件和封装盖一体成型。
18.可选地，抵接件包括抵接部和导热层，抵接部和封装盖的外顶面一体成型，导热层设置于抵接部和接触板的下端面之间。
19.可选地，弹性热界面材料件为弹性相变金属片或硅胶垫片。
20.可选地，导热层为硅胶垫层或硅脂层。
21.可选地，热界面材料层为硅脂层或石墨烯导热片。
22.可选地，散热器还包括固定柱、弹性件和设置于接触板上的若干散热片，固定柱设置于pcb板上，弹性件的上端连接于固定柱，弹性件的下端连接于接触板，弹性件向接触板施加弹性力。
23.可选地，散热器还包括固定柱和设置于接触板上的若干散热片，接触板和固定柱相连接。
24.第二方面：提供一种电子设备，包括主板和上述的芯片封装结构，芯片封装结构设置于主板上。
25.本技术实施例提供的电子设备，由于包括有上述的芯片封装结构，而上述的芯片封装结构能够通过使得其内的热界面材料层集中受力而避免和热界面材料层和封装盖的内顶面之间产生空洞，进而使得芯片具有较佳地散热性能，如此也使得芯片能够达到设计性能，从而也提升了电子设备的运行性能。
附图说明
26.图1为本技术实施例提供的芯片封装结构的结构示意图一；
27.图2为本技术实施例提供的芯片封装结构的结构示意图二；
28.图3为本技术实施例提供的芯片封装结构的结构示意图三；
29.图4为本技术实施例提供的芯片封装结构的结构示意图四；
30.图5为本技术实施例提供的芯片封装结构的结构示意图五；
31.图6为本技术实施例提供的芯片封装结构的结构示意图六；
32.图7为本技术实施例提供的芯片封装结构的结构示意图七；
33.图8为本技术实施例提供的芯片封装结构的结构示意图八；
34.图9为本技术实施例提供的芯片封装结构的结构示意图九；
35.图10为本技术实施例提供的芯片封装结构与现有的封装结构的散热性能对比图。
36.其中，图中各附图标记：
37.10—pcb板
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
11—基板
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12—球形焊点
38.13—铜箔
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20—芯片
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
30—封装盖
39.31—封装胶
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
32—第二抵接件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
40—热界面材料层
40.50—散热器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
51—装配空间
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
52—接触板
41.53—固定柱
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
54—弹性件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
55—散热片
42.60—抵接件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
61—抵接部
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
62—导热层
43.63—弹性热界面材料件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
64—金属弹片
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
65—弹簧件
44.66—抵接片。
具体实施方式
45.下面详细描述本技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1～图10描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
46.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
47.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
48.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
49.为便于理解，本技术首先对以下专业名词进行简单的介绍：
50.热界面材料(thermal interface material，tim)，是用于涂覆在散热器件与发热器件之间，降低两者之间接触热阻的材料。
51.热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，cte)，物体由于温度改变而发生胀缩时，其几何特性随温度的变化而变化的规律系数。
52.现有技术中，封装结构中的芯片是封装于盖体(也称均热片)内，芯片需要通过热界面材料将产生的热量传导至盖体，再经由盖体传导致散热器。在此过程中，由于热界面材料、盖体和芯片的热膨胀系数可能存在不匹配，以及填充于盖体和散热器之间的弹性导热
材料的弹性力退化等问题，容易使得封装结构中的热界面材料层和盖体之间的结合紧密度出现下降，进而在热界面材料层和盖体之间出现空洞，进而导致芯片散热性能大幅下降。
53.综上，本技术实施例提供了一种芯片封装结构及电子设备，能够抑制或消除热界面材料和芯片封装结构中的封装盖30之间容易产生空洞的现象，使得芯片20在封装结构内持续具有良好的散热性能。
54.请参考图1，第一方面：本技术实施例提供了一种芯片封装结构，包括有pcb板10、芯片20、封装盖30、热界面材料层40和散热器50。本实施例的芯片封装结构可以应用于芯片20的插针网格阵列封装、球栅阵列封装、方形扁平封装以及板上芯片20封装等多种。
55.其中，芯片20焊装于pcb板10上。具体地，芯片20可以先通过阵列式的球形焊点12焊接于铜箔13等金属箔上，再使得铜箔13通过阵列式的球形焊点12焊接于pcb板10上，pcb板10则连同散热器50共同装配于基板11上。
56.封装盖30，封装盖30设置于pcb板10上，并将芯片20封装于其内。具体地，封装盖30通过封装胶31密封设置于pcb板10上，封装盖30和pcb板10之间形成有空间，芯片20位于该空间内。
57.热界面材料层40，热界面材料层40覆盖于芯片20，并贴合于封装盖30的内顶面。在本实施例中，填充于芯片20和封装盖30的内顶面之间的热界面材料层40首先考虑其导热性能，其次考虑其可以是具有弹性，也可以不具有弹性。
58.散热器50则设置于pcb板10上。其中，散热器50可以是固定式散热器50或浮动式散热器。当散热器50为固定式散热器时，其向封装盖30的外顶面施加固定的压力。当散热器50为浮动式散热器50时，其向封装盖30的外顶面施加弹性力。
59.具体地，散热器50和pcb板10之间形成有装配空间51，芯片20和封装盖30均位于装配空间51内，散热器50朝向封装盖30的一侧具有接触板52，接触板52的下端面和封装盖30的外顶面通过抵接件60相抵接，且抵接件60沿芯片封装结构高度方向的投影覆盖于芯片20，且位于封装盖30的外顶面边缘所围成的区域内。
60.示例性地，设置于封装盖30的外顶面和接触板52的下端面之间的抵接件60可以是硬质物件或是弹性物件，当抵接件60是硬质物件时，其可以将恒定的按压力传递至封装盖30，而当散热器50为浮动式散热器时，其也可以为封装盖30提供弹性按压力。当抵接件60为弹性物件时，无论散热器50为浮动式散热器或固定式散热器，抵接件60都能够为封装盖30提供弹性按压力。
61.请参考图1，以下对本技术实施例提供的芯片封装结构作进一步说明：本技术实施例提供的芯片封装结构，其芯片20焊装于pcb板10上，并封装于封装盖30内，封装盖30的内顶面和芯片20之间填充有热界面材料层40，而封装盖30的外顶面则与接触板52的下端面的抵接区域521弹性抵接。由于接触板52的下端面与封装盖30的外顶面之间的抵接件60沿芯片封装结构高度方向的投影覆盖于芯片20，且位于封装盖30的外顶面边缘所围成的区域内，这样抵接件60施加于封装盖30的抵接力便能够集中于封装盖30正对于芯片20的位置，从而也使得封装盖30的内顶面和芯片20之间的热界面材料层40也能够集中受力，如此可维持热界面材料层40受到来自封装盖30的内顶面和芯片20表面的足够的压力，进而使得热界面材料层40能够始终贴合于封装盖30的内顶面和芯片20表面，避免热界面材料层40和封装盖30的内顶面之间产生空洞，从而能够实现较佳地传输芯片20所产生的热量，使得芯片20
具有较佳地散热性能，进而也使得芯片封装结构在长期运行时，能够维持芯片20的设计性能。
62.在本技术的另一些实施例中，如图2所示，抵接件60可以和接触板52一体成型制得，这样可以减少抵接件60和接触板52的制造成本，提高抵接件60和接触板52的制造效率，且抵接件60可以是接触板52的下端面凸伸形成的凸台。
63.在本技术的另一些实施例中，如图3所示，抵接件60包括抵接部61和导热层62，抵接部61和接触板52的下端面一体成型，导热层62则设置于抵接部61和封装盖30的外顶面之间。具体地，通过使得抵接件60包括抵接部61和导热层62，这样一方面抵接部61和接触板52的下端面一体成型，能够提高抵接件60和接触板52的连接可靠性。另一方面，导热层62的存在也能够填补抵接部61和封装盖30之间可能存在的空隙，从而使得抵接部61和封装盖30之间的热量传递更为高效。
64.在本技术的另一些实施例中，如图4所示，抵接件60设置于接触板52的下端面，且和封装盖30的外顶面弹性抵接，抵接件60为弹性热界面材料件63。具体地，无论散热器50为固定式散热器50或浮动式散热器50，通过在接触板52的下端面设置抵接件60，并将抵接件60设定为弹性热界面材料件63，这样抵接件60即可依靠其自身弹性力实现和封装盖30外顶面的弹性抵接。且通过调整抵接件60的弹性系数等参数，可以较佳地控制抵接件60输出的弹性力，进而使得封装盖30外顶面所受到的弹性力，以及其传导至热界面材料层40的压力能够精确可控。
65.而通过将抵接件60设定为弹性热界面材料件63，这样抵接件60除了具有输出弹性力的功能之外，还具有较佳地传热功能，从而也提升了芯片封装结构的整体散热性能。
66.在本技术的另一些实施例中，如图5所示，抵接件60也可以为金属弹片64。金属弹片64沿芯片封装结构高度方向的投影覆盖于芯片20。具体地，作为抵接件60的另一种具体形式，其可以为金属弹片64，金属弹片64能够通过弹性力作用实现向封装盖30的外顶面输出弹性力。而通过将抵接件60选择为金属弹片64，这样也能够降低抵接件60的制造成本，同时也能够较佳地匹配接触板52和封装盖30的热膨胀系数，从而使得抵接件60能够稳定焊接或粘胶固定于接触板52的下端面。
67.在本技术的另一些实施例中，如图6所示，抵接件包括金属弹片和导热层62，金属弹片设置于接触板的下端面，导热层62设置于金属弹片的隆起部和封装盖的外顶面之间，金属弹片和导热层62沿芯片封装结构高度方向的投影均覆盖于芯片，且均位于封装盖的外顶面边缘所围成的区域内。
68.具体地，作为抵接件的另一种设置方式，通过将导热层62设置于金属弹片的隆起部和封装盖的外顶面之间，这样在金属弹片的基础上，导热层62的存在也能够填补金属弹片和封装盖30之间可能存在的空隙，从而使得金属弹片和封装盖30之间的热量传递更为高效。
69.在本技术的另一些实施例中，如图7所示，抵接件60还可以是包括弹簧件65和抵接片66。其中，弹簧件65设置于接触板52的下端面，抵接片66连接于弹簧件65，并抵接于封装盖30的外顶面，抵接片66沿芯片封装结构高度方向的投影覆盖于芯片20。
70.具体地，通过使得抵接件60包括弹簧件65和抵接片66，这样设置于接触板52的下端面的弹簧件65便能够向抵接片66输出弹性力，从而使得抵接片66能够弹性抵接于封装盖
30的外顶面。而由于弹簧件65的弹力大小能够通过选择弹簧件65的具体规格而确定，这样也实现了精确控制施加于封装盖30的外顶面的弹性力。
71.在本技术的另一些实施例中，如图8所示，作为抵接件60装配位置的另一种构思，抵接件60可以设置于封装盖30的外顶面上，且抵接于接触板52的下端面。如此通过接触板52的下端面所施加的反作用力，抵接件60同样能够实现热界面材料层40的集中受力，进而使得热界面材料层40能够始终贴合于封装盖30的内顶面和芯片20表面，避免热界面材料层40和封装盖30的内顶面之间产生空洞。
72.在本技术的另一些实施例中，基于抵接件60设置于封装盖30的外顶面的方案，抵接件60也可以具体选择为弹性热界面材料件63，这样无论散热器50为浮动式散热器50或是固定式散热器50，抵接件60均可抵接于接触板52的抵接区域521，从而实现封装盖30和接触板52弹性抵接。如上，由于弹性热界面材料件63具有较佳地传热功能，这样在封装盖30和接触板52实现弹性抵接的同时，也提升了芯片封装结构的整体散热效率。
73.在本技术的另一些实施例中，弹性热界面材料件63为弹性相变金属片或硅胶垫片。具体地，由于弹性热界面材料件63需要兼顾弹性性能和传热性能，因此弹性热界面材料件63可以具体选择为弹性相变金属片或硅胶垫片，且由于在芯片封装结构中，弹性热界面材料件63不起主要的传热作用，因此在弹性性能和传热性能两者之间存在冲突时，则可以优先考虑弹性性能。
74.在本技术的另一些实施例中，如图9所示，同理于抵接件60设置于接触板52的下端面的方案，在抵接件60设置于封装盖30的外顶面的方案中，抵接件60也可以包括抵接部61和导热层62。其中，抵接部61和封装盖30的外顶面一体成型，导热层62则设置于抵接部61和接触板52的下端面之间。这样一方面抵接部61和封装盖30的外顶面一体成型，能够提高抵接件60和封装盖30的连接可靠性。另一方面，导热层62的存在也能够填补抵接部61和接触板52之间可能存在的空隙，从而使得抵接部61和接触板52之间的热量传递更为高效。
75.在本技术的另一些实施例中，导热层62可以是硅胶垫层或硅脂层。那么得益于硅胶垫层和硅脂层较佳地导热性，如此也使得导热层62具有良好地导热性能。其中，硅胶垫层还具有较佳地弹性性能，这样也使得导热层62本身也能够提供一定的弹性力。
76.在本技术的另一些实施例中，热界面材料层40为硅脂层或石墨烯导热片。具体地，由于热界面材料层40填充或设置于封装盖30和芯片20之间，其主要起到传热性能，无需考虑到弹性性能等其他性能，因此在具体选择热界面材料层40时，以热界面材料层40的传热性能为重点考虑对象。通过将热界面材料层40具体选择为硅脂层或石墨烯导热片，那么得益于硅脂层或石墨烯导热片较佳地传热性能，可以实现芯片20和封装盖30之间的高效热传递。
77.在本技术的另一些实施例中，如图1所示，散热器50还包括固定柱53、弹性件54和设置于接触板52上的若干散热片55，固定柱53设置于pcb板10上，弹性件54的上端连接于固定柱53，弹性件54的下端连接于接触板52，弹性件54向接触板52施加弹性力。
78.具体地，本实施例中，散热器50为浮动式散热器50，其弹性件54的上下两端分别连接于固定柱53和接触板52，从而使得接触板52能够受到弹性件54所施加的弹性力，如此则能够使得抵接件60向封装盖30的外顶面传递弹性按压力。如此一方面能够实现抵接件60向封装盖30对应芯片20位置处的部位集中施力，进而避免热界面材料层40和封装盖30的内顶
面之间产生空洞。另一方面热界材料层所传输的来自芯片20的热量能够经由封装盖30和抵接件60传递至接触板52，再通过设置于接触板52上的若干散热片55逸散至外界，从而实现芯片20的散热。
79.在本技术的另一些实施例中，如图4所示，散热器50也可以是包括固定柱53和设置于接触板52上的若干散热片55，接触板52和固定柱53相连接。
80.具体地，本实施例中，散热器50不具有弹性件54，其固定柱53和接触板52相连接，因此散热器50为固定式散热器50，接触板52不再具有向封装盖30输出弹性力的功能。基于此，抵接件60可以是上述的弹簧件65和抵接片66的组合，也可以是上述的金属弹片64以及弹性热界面材料件63等具有弹性的器件，这样在散热器50的接触板52不具有向封装盖30施加弹性力的功能时，仅通过抵接件60也可以向封装盖30施加弹性力。
81.以下对本技术实施例提供的芯片封装结构和现有的芯片封装结构无散热器方案以及芯片封装结构传统散热方案的散热效果进行比对分析：
82.实验选取芯片封装结构无散热器方案、芯片封装结构传统散热方案和本技术实施例提供的芯片封装结构，首先由25℃升温至125℃，再由125℃降温至25℃。
83.如图10所示，图10中a表示芯片封装结构无散热器方案，可见在25℃～125℃的温度范围内，芯片封装结构无散热器方案的芯片升温异常明显。
84.图10中b表示芯片封装结构传统散热方案，可见在25℃～125℃的温度范围内，芯片封装结构传统散热方案的芯片升温虽不及于芯片封装结构无散热器方案，但随温度升高，也有明显的升温现象。
85.图10中c表示本技术实施例提供的芯片封装结构，可见在25℃～125℃的温度范围内，自25℃～125℃，本技术实施例提供的芯片封装结构的芯片升温始终保持较为平缓的增长，且增长幅度远远小于上述两现有的方案。可见，本技术实施例提供的芯片封装结构与现有的芯片封装方案相比，针对不同的应用场景可通过为封装盖施加弹性力，并使其集中受力而达到更优的抑制热界面材料层40和封装盖之间产生空洞的效果，且芯片封装结构的可设计性及覆盖性更强，对于空洞的抑制效果更好，进而也能够实现更佳地芯片散热性能。
86.第二方面：本技术实施例还提供了一种电子设备，包括主板和上述的芯片封装结构，芯片封装结构设置于主板上。本实施例中，电子设备可以是手机、个人计算机、通信基站以及平板电脑等多种，本技术实施例不加以限定。
87.本技术实施例提供的电子设备，由于包括有上述的芯片封装结构，而上述的芯片封装结构能够通过使得其内的热界面材料层40集中受力而避免和热界面材料层40和封装盖30的内顶面之间产生空洞，进而使得芯片20具有较佳地散热性能，如此也使得芯片20能够达到设计性能，从而也提升了电子设备的运行性能。
88.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。