一种多芯粒散热封装结构及其形成方法

本发明属于半导体芯片封装，尤其是涉及一种多芯粒散热封装结构及其形成方法。

背景技术：

1、随着半导体工艺的不断发展，晶体管的尺寸不断缩小，但也逐渐接近物理极限，摩尔定律所描述的晶体管数量每两年翻倍的速度放缓。这导致了在单一芯片上持续增加晶体管数量变得越来越困难和成本高昂。同时，面对人工智能、大数据模型、高性能计算等市场对算力不断的需求，单芯片(monolithic chip)的晶体管密度的不断增加，尺寸不断增加，性能增加的同时，其功耗也不断上升，单片的良率降低，热管理和功耗控制变得更加复杂。为了应对这些挑战，芯粒(chiplet)技术应运而生。芯粒技术是一种将多个小型芯片通过高密度互连的方式组合成一个大的芯片的技术，相比单芯片，芯粒技术具有以下优点：一是小型芯粒的生产效率更高，缺陷芯片造成的损失更小；二是多芯粒允许更灵活的设计，可以根据需要组合不同功能的芯粒，以搭积木的形式将不同功能、不同合适工艺节点制造的芯粒封装在一起，成为一个大的单芯片；三是这样可以克服单芯片的面积、良率、工艺等方面的限制，同时提高芯片的可重用性和灵活性。然而，由于多芯粒异构集成密度大幅增加，热耗散问题对异构系统的可靠性造成严峻挑战。

2、目前，多芯粒封装结构主要有三种类型：多芯片模块(mcm)封装、2.5d封装和3d封装。这三种封装技术的区别主要在于芯粒之间的互连方式和封装层次。mcm封装是将多个芯粒通过导线键合或焊接的方式连接到一个基板上，然后封装成一个模块。mcm封装的优点是成本低、设计简单、兼容性好，缺点是互连密度低、延迟高、功耗高、热积累严重、散热性能差。2.5d封装是将多个芯粒通过硅通孔或微型插座的方式连接到一个硅基板上，然后封装成一个模块。2.5d封装的优点是互连密度高、延迟低、功耗低，缺点是成本高、设计复杂、兼容性差。3d封装是将多个芯粒通过垂直堆叠的方式连接起来，形成一个立体的模块。3d封装的优点是互连密度更高、延迟更低、功耗更低，缺点是成本更高、设计更复杂、兼容性更差。2.5d和3d封装堆叠结构会导致工作时芯片之间产生的热量相互传递、积累，降低性能和稳定性。

3、目前常见的多芯粒散热技术主要还是通过芯片和散热设备之间的热界面材料(tims)传递芯片工作时产生的热量，后通过散热设备如风冷、液冷方式散发热量。然而，这种传统的散热技术已经变得不足以应对日益增长的热负荷，因为tims的热阻会降低热传导效率，而且tims的厚度和均匀性也会影响热传导的一致性。此外，由于多芯粒封装结构的复杂性，不同芯粒之间的热分布和热流动也会造成热不均衡，导致热点的产生和热应力的增加。

4、综上，多芯粒散热主要有以下挑战：一是多芯粒设计通常涉及不同功能和不同热特性的芯片组合，增加了散热设计的复杂性；二是不同芯粒间的热交叉干扰可能导致热点，影响性能和可靠性；三是不同材料的热膨胀系数不同，可能导致封装在温度变化下的机械应力增加，造成芯粒损坏。因此，需要一种新的多芯粒散热封装结构及其形成方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述部分问题，本发明提供一种多芯粒散热封装结构及其形成方法，根据不同芯粒封装尺寸和位置的差异，在每个芯粒的背面设置有多条歧管微通道，能够高效地管理和分配不同芯粒产生的热量，多芯粒、歧管通道转接板和控制冷却液进出的封装盖板连接在一起，能够完整地将多芯粒封装，提高可靠性和寿命。

2、在本发明的第一方面，本发明提供一种多芯粒散热封装结构，包括：

3、芯粒层，其配置有多个芯粒；

4、基板，其布置在所述芯粒层的下方，被配置为所述芯粒与外部逻辑电路的连接；

5、歧管微通道转接板，其布置在所述芯粒层的上方；

6、歧管微通道，其布置在每个芯粒与所述歧管微通道转接板之间；其中歧管微通道被配置为每个芯粒提供散热；

7、封装盖板，其布置在所述歧管微通道转接板的上方；

8、进一步地，所述芯粒层中各芯粒间存在间隙；

9、进一步地，所述芯粒层中各芯粒的尺寸和厚度相同或不完全相同；

10、进一步地，所述芯粒层中每个芯粒上的歧管微通道包括多条子通道、第一进出口、第二进出口，所有子通道的一端与第一进出口连通，另一端与第二进出口连通；

11、进一步地，所述歧管微通道转接板配置有与每个芯粒对应歧管微通道连通的第一冷却介质进出口；所述第一冷却介质进出口包括能够配置所有芯粒歧管微通道的冷却液流入的冷却介质进口、以及能够配置所有芯粒歧管微通道的冷却液流出的多个冷却介质出口；更为优选，所述冷却介质进口与所有芯粒歧管微通道的第一进出口连通，所述多个冷却介质出口分别与各芯粒歧管微通道的第二进出口连通；

12、进一步地，所述封装盖板上布置有第二冷却介质进出口，被配置为冷却液经所述歧管微通道转接板第一冷却介质进出口的流入流出；

13、更为优选，所述第二冷却介质进出口包括能够配置所述歧管微通道转接板冷却液流入的总进液口、以及能够配置所述歧管微通道转接板冷却液流出的多个总出液口；所述总进液口与所述冷却介质进口连通，所述多个总出液口分别与多个冷却介质出口连通；

14、进一步地，多芯粒散热封装结构还包括封胶，所述封胶布置在各芯粒边缘与歧管微通道转接板间位置，以及歧管微通道转接板边缘与封装盖板间位置，被配置为保护连接结构；

15、进一步地，所述基板的材料采用玻璃纤维纱，铜箔，覆铜板，环氧树脂，油墨，木浆等材料组成的印刷电路板；

16、进一步地，所述歧管微通道转接板的材料采用硅基材料、金属合金、玻璃等中的一种；

17、进一步地，所述封装盖板的基材采用金属合金、硅基材料、玻璃等中的一种；

18、在本发明的第二方面，本发明提供一种多芯粒散热封装结构的形成方法，包括：

19、根据所需要的多芯粒组合所在的不同晶圆，按照多芯粒组合组成的不同布局，在不影响芯粒性能、可靠性的前提下，设计歧管微通道结构，后通过光刻、刻蚀等工艺方法制备各芯粒对应的歧管微通道结构；

20、根据给定的不同多芯粒组合以及所要求的外部逻辑电路布局布线要求，设计合理的芯粒布局位置；

21、制备基板；

22、基板和芯粒之间进行电路连接；

23、根据多芯粒芯粒组成的不同布局以及设计的歧管微通道结构，定义出歧管微通道转接板的大小尺寸，并在歧管微通道转接板上设计与所述歧管微通道连通的第一冷却介质进出口；最终采用光刻、刻蚀、机械切割等工艺方法制备得到歧管微通道转接板；

24、根据多芯粒芯粒组成的不同布局以及设计的歧管微通道结构，定义出封装盖板的大小尺寸，并在封装盖板上设计与与第一冷却介质进出口连通的第二冷却介质进出口；最终采用光刻、刻蚀、机械切割等工艺方法制备得到封装盖板。

25、优选地，在所述制备基板过程中，根据给定的不同尺寸厚度的芯粒组合的布局结构，在基板上上设计出外部逻辑电路走线和芯粒之间的接触；

26、优选地，在所述制备芯粒过程中，根据不同芯粒所在的晶圆厚度可能存在不一致的情况，为了保证封装时高度一致匹配，以不同芯粒组合中厚度最小的芯粒作为参照芯粒，在不影响芯粒电性或可靠性的前提下，对厚度大于参照芯粒的芯粒背面进行减薄，以达到所有芯粒厚度相一致；

27、优选地，基板和芯粒之间通过金属导线、焊锡膏或者锡颗粒进行电路连接；

28、优选地，根据不同芯粒组合布局的不同，歧管微通道中各条子通道间留有条状凸起，所述条状凸起的形状可以是月牙形、条形、长方形等，且各条子通道遵循着每个芯粒都配备有冷却介质进出口的规律，以避免散热不均和热点的情况出现；

29、优选地，歧管微通道转接板的加工方式根据所选基材不同而不同，可采取常规工业加工的方法制备；

30、优选地，封装盖板的加工方式根据所选基材不同而不同，可采取常规工业加工的方法制备；

31、优选地，所述芯粒的上表面还可以通过物理化学方式沉积一层介质保护层；所述介质保护层的材料为二氧化硅、氮化硅等材料中一种；

32、优选地，所述歧管微通道的外周上面、歧管微通道转接板的上面和下面、封装盖板的下面沉积一层键合金属；

33、优选地，键合金属可以是金属铜、金锡合金等；

34、优选地，通过热压工艺，在惰性气体氛围下，一定的温度和压力下，处理一定时间，完成芯粒、歧管微通道转接板和封装盖板的键合；

35、优选地，在芯粒和歧管微通道转接板以及歧管微通道转接板和封装盖板周围填充一圈封胶，增强封装结构的密封性和稳定性。

36、与现有技术相比，本发明至少具有下列有益效果：

37、(1)高效散热：根据不同芯粒的尺寸和位置，设计不同形状的歧管微通道，能够高效地管理和分配不同芯粒产生的热量，提高散热效率；

38、(2)可靠性提升：多芯粒、歧管通道转接板和控制冷却液进出的封装盖板连接在一起，完整地将多芯粒封装，形成了一个完整的多芯粒散热封装结构，提高了封装的密封性和稳定性，防止了冷却介质的泄漏和污染，延长了封装的寿命,提高可靠性；

39、(3)模块化设计：多芯粒散热封装结构允许将不同功能和不同热特性的芯片拆分成模块。这种模块化设计使得芯片变得更小，更易于管理和维护；

40、(4)热交叉干扰管理：通过在每个芯粒与歧管微通道转接板间设置多条歧管微通道，可以根据不同芯粒的尺寸、位置和功耗，灵活地调整冷却介质的流量和方向，实现了对不同芯粒的精确散热控制，有效地管理和分配不同芯粒产生的热量,这有助于避免热交叉干扰、热不均衡和热点等问题，从而提高性能和可靠性；

41、(5)材料适应性：利用歧管微通道转接板和封装盖板上的冷却介质进出口，实现对芯片的有效冷却，降低了芯片的功耗和温度，减少了热应力和热膨胀的影响，减轻封装在温度变化下的机械应力，保护了芯粒的完整性，降低芯粒损坏的风险。

42、本发明为多芯粒散热封装提供了一种创新的方法，根据不同芯粒的尺寸、厚度和位置，设计出不同形状的歧管微通道，以适应不同芯粒的散热需求，避免了现有技术中使用统一的散热结构导致的散热不均匀的问题；通过歧管微通道转接板和封装盖板，实现多芯粒的冷却介质的进出管理和分配，避免了现有技术中使用多个冷却介质进出口导致的结构复杂、成本高、可靠性低的问题，适用于高性能计算、人工智能、大数据模型等领域的多芯粒封装应用。