高带宽内存结构及其制作方法

摘要

本发明提供了一种高带宽内存结构及其制作方法，包括：形成基板，在基板上附连芯片；形成散热盖体于芯片之上；制备水冷散热系统，所述水冷散热系统具有三维蜂窝状的微槽道；将水冷散热系统附连于所述散热盖体之上，在微槽道内灌入制冷液；使导热管依次穿过水冷散热系统及散热盖体，直至到达芯片的表面。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路封装技术领域，特别涉及一种高带宽内存结构及其制作方法。

背景技术

随着人们对存储需求的日益增长，DRAM已朝着超高速、大容量、低功耗需求不断发展。其中，速度更快、体积更小、容量更大无疑是DRAM的关键要素。随之推出的高带宽内存(High-Bandwidth Memory，简称HBM)技术无疑带领我们跨出了一大步，开启了高端存储市场的新篇章。

HBM标准主要针对显卡市场，它的接口操作频率和带宽要高于Wide-IO技术。HBM使用3DIC技术把多块内存芯片堆叠在一起，并使用2.5D技术把堆叠内存芯片和GPU在载板上实现互联。

HBM技术可以带给我们更高的速度，更高的带宽，更多地IO数量，更低的功耗及更小的外形。但与此同时，大量DRAM堆叠，再和GPU封装在一起，这必然会产生大量的热，如何高效有力地散热便成为一项巨大的挑战。

针对目前常规的散热方式，很难将如此高密度集成芯片产出的热量散出，这必然导致元器件老化速度加快，缩短器件使用寿命，影响产品性能。

目前常见的采用散热盖+热沉+强制对流的散热方式，这种方式散热结构简单，热量流动只在二维平面上，且流向也较为单一，导热介质效果一般，很难达到像HBM这样高密度3D集成结构的散热需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高带宽内存结构及其制作方法，以解决现有的常规的散热方式无法满足HBM结构的散热需求的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高带宽内存结构的制作方法，包括：

形成基板，在基板上附连芯片；

形成散热盖体于芯片之上；

制备水冷散热系统，所述水冷散热系统具有三维蜂窝状的微槽道；

将水冷散热系统附连于所述散热盖体之上，在微槽道内灌入制冷液；

使导热管依次穿过水冷散热系统及散热盖体，直至到达芯片的表面。

可选的，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，制备水冷散热系统包括：

制备第一散热板，包括在硅板表面形成钝化层，在硅板表面刻蚀出微槽道、进液口、出液口和第一导热管通孔，所述第一导热管通孔具有第一深度，所述微槽道具有第二深度，所述第一深度大于第二深度；

以制备第一散热板的方法制备第二散热板，所述第二散热板的结构与所述第一散热板的结构互为镜像；

通过第一散热板的钝化层与第二散热板的钝化层键合，其中第一散热板的微槽道与第二散热板的微槽道相对，第一散热板的第一导热管通孔与第二散热板的第一导热管通孔相对、第一散热板的进液口与第二散热板的进液口相对、第一散热板的出液口与第二散热板的出液口相对；

将第一散热板和第二散热板减薄，分别露出第一导热管通孔；

在第一散热板的表面进行刻蚀，暴露出进液口和出液口，进液口和出液口用于制冷液的流入与流出。

可选的，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，微槽道呈蜂窝状遍布整个第一散热板和第二散热板，并在微槽道之间形成六边形凸台侧壁，所述第一导热管通孔为贯穿所述六边形凸台的通孔，所述第一导热管通孔不与微槽道内的制冷液连通。

可选的，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，形成散热盖体于芯片之上包括：

所述散热盖体为倒扣于基板上的“凹”字形，其底部与基板的第一面附连；

减薄所述散热盖体的顶部的内表面，以使所述散热盖体的顶部与芯片各部分的高度相适应，且所述散热盖体的顶部的内表面与芯片的各部分均相接触；

在所述散热盖体上形成贯穿所述散热盖体的第二导热管通孔，所述第二导热管通孔与第一导热管通孔位置相对应；

所述散热盖体的顶部的内表面与芯片之间具有导热胶层。

可选的，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，将水冷散热系统附连于所述散热盖体之上包括：

散热盖体的顶部的外表面形成导热胶层；

将水冷散热系统贴装至散热盖体的顶部的外表面；

使所述第一导热管通孔与所述第二导热管通孔对齐。

可选的，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，使导热管依次穿过水冷散热系统及散热盖体包括：

在第一导热管通孔处插入单向导电的垂直热管，垂直热管直接插到所述芯片表面；

所述垂直热管在一个方向具有导电率。

可选的，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，还包括制备芯片：

制备多个DRAM存储芯片；

制备逻辑控制单元芯片，所述逻辑控制单元芯片用于对DRAM存储芯片进行控制；

将多个DRAM存储芯片与逻辑控制单元芯片堆叠，形成存储单元芯片；

制备主芯片；

制备转接板；

将存储单元芯片和主芯片附连至转接板。

可选的，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，还包括：

所述DRAM存储芯片和所述逻辑控制单元芯片上均具有依次电连接的微凸点、TSV、以及化镀NiPdAu的UBM焊盘；

多个所述DRAM存储芯片之间、所述DRAM存储芯片和逻辑控制单元芯片之间具有底填胶或NCF膜；

所述主芯片包括GPU、CPU、SOC及DSP芯片中的一种或多种。

可选的，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，还包括：

所述主芯片与所述存储单元芯片通过微凸点与转接板的第一面电连接，所述转接板通过TSV将所述主芯片与所述存储单元芯片的电性引至转接板的第二面，所述转接板的第二面上具有C4凸点或焊球；

将转接板通过C4凸点或焊球倒装焊接在基板的第一面；

所述基板通过TSV将所述转接板的电性引至基板的第二面。

本发明还提供一种高带宽内存结构，包括：

基板，芯片附连在基板上；

散热盖体，被布置在芯片之上；

水冷散热系统，被配置为具有三维蜂窝状的微槽道，所述微槽道内具有流动的制冷液，其被布置在所述散热盖体之上；

导热管，被布置为依次穿过在水冷散热系统及散热盖体，抵在芯片的表面上。

在本发明提供的高带宽内存结构及其制作方法中，通过水冷散热系统具有三维蜂窝状的微槽道，水冷散热系统附连于所述散热盖体之上，使导热管依次穿过水冷散热系统及散热盖体，直至到达芯片的表面，实现了三维水冷散热结构利用低温制冷液在微槽道中的流动，带走高带宽内存结构工作产生的大量热量，相较于传统风冷，可以更有效地散出热量。

本发明采用三维蜂窝状的微槽道，采用仿蜂窝槽道结构设计，槽道分布密，范围广，覆盖面大，能使制冷液具有更好的流动性能，有利于改善微槽道的均温性和局部温度过高的情况，可以有效将热量分散并传达出去。同时还能有效防止漏液。

本发明利用单向导电的垂直热管，插入同轴的导热管通孔，直达热源表面，可以将热源产生的热量直接传递到水冷散热系统，同时导热管通孔本身也被制冷液包裹，可以利用水冷散热系统中流动的制冷液将热量多维散出。相较于传统的二维散热，热量多了一个维度的散发，散热效果更为明显。

水冷散热系统内的制冷液微槽道采用仿蜂窝设计，它能使制冷液具有更好的流动性能，有利于改善微槽道的均温性和局部温度过高的情况。同时在硅面和散热盖体留出导热管通孔，将金属的导热管插入导热管通孔，直达热源芯片表面，利用导热管的单向导电性，使导热管两端形成温度差，迫使热量从热源向水冷散热系统转移，同时导热管通孔本身也被流动的制冷液包裹，达到三维散热的效果。热量也迅速流向水冷散热系统，通过微槽道内的制冷液流动散出，以应对例如HBM这种大量DRAM堆叠，和GPU封装在一起，产生大量的热量的情况。

附图说明

图1是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法制备DRAM存储芯片示意图；

图2是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法制备逻辑控制单元芯片示意图；

图3是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法制备存储单元芯片示意图；

图4是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法制备主芯片示意图；

图5是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法制备转接板示意图；

图6是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法形成组装体示意图；

图7是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法制备基板示意图；

图8是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法制备封装体示意图；

图9是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法散热盖体附连示意图；

图10是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法制备第一散热板及第二散热板示意图；

图11是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法第一散热板及第二散热板对接示意图；

图12是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法形成水冷散热系统示意图；

图13是本发明一实施例高带宽内存结构的制作方法水冷散热系统附连示意图；

图14是本发明一实施例高带宽内存结构的水冷散热系统俯视示意图；

图15是本发明一实施例高带宽内存结构的三维蜂窝微槽道示意图；

图中所示：101-DRAM存储芯片；102-逻辑控制单元芯片；103-底填胶或NCF膜；104-主芯片；105-转接板；106-基板；107-；108-导热胶层；109-散热盖体；110-第二导热管通孔；111-第一导热管通孔；112-微槽道；113-钝化层；114-六边形凸台/硅板；115-第一散热板；116-第二散热板；117-进液口；118-出液口；119-存储单元芯片；120-导热管/垂直热管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的高带宽内存结构及其制作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

本发明的核心思想在于提供一种高带宽内存结构及其制作方法，以解决现有的常规的散热方式无法满足HBM结构的散热需求的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种高带宽内存结构及其制作方法，包括：形成基板，在基板上附连芯片；形成散热盖体于芯片之上；制备水冷散热系统，所述水冷散热系统具有三维蜂窝状的微槽道；将水冷散热系统附连于所述散热盖体之上；使导热管依次穿过水冷散热系统及散热盖体，直至到达芯片的表面。

本实施例提供一种高带宽内存结构的制作方法，包括：形成基板106，在基板106上附连芯片；形成散热盖体109于芯片之上；制备水冷散热系统，所述水冷散热系统具有三维蜂窝状的微槽道112；将水冷散热系统附连于所述散热盖体109之上；使导热管120依次穿过水冷散热系统及散热盖体109，直至到达芯片的表面。

在本发明的一个实施例中，如图10所示，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，制备水冷散热系统包括：制备第一散热板115，包括在硅板114表面形成钝化层113，在硅板表面刻蚀出微槽道112、进液口117、出液口118和第一导热管通孔111，所述第一导热管通孔111具有第一深度，所述微槽道112具有第二深度，所述第一深度大于第二深度；具体的，所述第一散热板115为带微槽道112的硅板114；在硅板114表面通过化学气相沉积或热氧生长一层SiO

在本发明的一个实施例中，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，制备水冷散热系统还包括：以制备第一散热板115的方法制备第二散热板116，所述第二散热板116的结构与所述第一散热板115的结构互为镜像；如图11所示，通过第一散热板115的钝化层113与第二散热板116的钝化层113构成紧密键合，形成蜂窝状立体式槽道；通过第一散热板115的钝化层与第二散热板116的钝化层键合，其中第一散热板115的微槽道与第二散热板116的微槽道相对，第一散热板115的第一导热管通孔与第二散热板116的第一导热管通孔相对、第一散热板115的进液口与第二散热板116的进液口相对、第一散热板115的出液口与第二散热板116的出液口相对；如图12所示，将第一散热板115和第二散热板116减薄，分别露出第一导热管通孔111；在第一散热板115的表面进行干法刻蚀，暴露出进液口117和出液口118，进液口117和出液口118用于制冷液的流入与流出。微槽道112呈蜂窝状遍布整个第一散热板和第二散热板，并在微槽道112之间形成六边形凸台114侧壁，所述第一导热管通孔111为贯穿所述六边形凸台114的通孔，所述第一导热管通孔111不与微槽道112内的制冷液连通。

在本发明的一个实施例中，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，形成散热盖体109于芯片之上包括：如图9所示，所述散热盖体109为倒扣于基板106上的“凹”字形，其底部与基板106的第一面附连，通过粘胶层107粘接；减薄所述散热盖体109的顶部的内表面，以使所述散热盖体109的顶部与芯片各部分的高度相适应，且所述散热盖体109的顶部的内表面与芯片的各部分均相接触；在所述散热盖体109上形成贯穿所述散热盖体109的第二导热管通孔110，所述第二导热管通孔110与第一导热管通孔111位置相对应；所述散热盖体109的顶部的内表面与芯片之间具有导热胶层108。在所述的高带宽内存结构的制作方法中，将水冷散热系统附连于所述散热盖体109之上包括：如图13所示，散热盖体109的顶部的外表面形成导热胶层108；将水冷散热系统贴装至散热盖体109的顶部的外表面；使所述第一导热管通孔111与所述第二导热管通孔110对齐。

在本发明的一个实施例中，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，使导热管依次穿过水冷散热系统及散热盖体109包括：在第一导热管通孔111处插入单向导电的垂直热管120，垂直热管120直接插到所述芯片表面；所述垂直热管120在一个方向具有导电率，垂直热管只有从芯片端往盖顶方向的单向导电性。由于垂直热管是直接接触芯片表面的，单向导电是为了避免外界强电流(如静电)顺着金属热管流向芯片，对芯片造成损坏。

在本发明的一个实施例中，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，还包括制备芯片：如图1～8所示，制备多个DRAM存储芯片101；制备逻辑控制单元芯片102，所述逻辑控制单元芯片102用于对DRAM存储芯片101进行控制；将多个DRAM存储芯片101与逻辑控制单元芯片102堆叠，形成存储单元芯片119；制备主芯片104；制备转接板105；将存储单元芯片119和主芯片104附连至转接板105。

在本发明的一个实施例中，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，还包括：所述DRAM存储芯片101和所述逻辑控制单元芯片102上均具有依次电连接的微凸点、TSV、以及化镀NiPdAu的UBM焊盘；多个所述DRAM存储芯片101之间、所述DRAM存储芯片101和逻辑控制单元芯片102之间具有底填胶或NCF膜103；所述主芯片104包括GPU、CPU、SOC及DSP芯片中的一种或多种。

在本发明的一个实施例中，在所述的高带宽内存结构的制作方法中，还包括：所述主芯片104与所述存储单元芯片119通过微凸点与转接板105的第一面电连接，所述转接板105通过TSV将所述主芯片104与所述存储单元芯片119的电性引至转接板105的第二面，所述转接板105的第二面上具有C4凸点或焊球；将转接板105通过C4凸点或焊球倒装焊接在基板106的第一面；所述基板106通过TSV将所述转接板105的电性引至基板106的第二面。“C4”指Controlled Collapsed Chip Connection，是指芯片/转接板(Chip/Interposer)通过RDL和Bump与基板(substrate)互联，Bump材质包括Cu/SnAg/Au等，一般用于Flip ChipPackage。

本实施例还提供一种高带宽内存结构，包括：基板106，芯片附连在基板106上；散热盖体109，被布置在芯片之上；水冷散热系统，被配置为具有三维蜂窝状的微槽道112，所述微槽道112内具有流动的制冷液，其被布置在所述散热盖体109之上；导热管120，被布置为依次穿过水冷散热系统及散热盖体109，抵在芯片的表面上。

在本发明提供的高带宽内存结构及其制作方法中，通过水冷散热系统具有三维蜂窝状的微槽道112，水冷散热系统附连于所述散热盖体109之上，使导热管依次穿过水冷散热系统及散热盖体109，直至到达芯片的表面，实现了三维水冷散热结构利用低温制冷液在微槽道112中的流动，带走高带宽内存结构工作产生的大量热量，相较于传统风冷，可以更有效地散出热量。

本发明采用三维蜂窝状的微槽道112，采用仿蜂窝槽道结构设计，槽道分布密，范围广，覆盖面大，能使制冷液具有更好的流动性能，有利于改善微槽道112的均温性和局部温度过高的情况，可以有效将热量分散并传达出去。同时还能有效防止漏液。

本发明利用单向导电的垂直热管，插入同轴的导热管通孔，直达热源表面，可以将热源产生的热量直接传递到水冷散热系统，同时导热管通孔本身也被制冷液包裹，可以利用水冷散热系统中流动的制冷液将热量多维散出。相较于传统的二维散热，热量多了一个维度的散发，散热效果更为明显。

本发明基于传统的散热结构，提供了一种可以运用在高密度3D集成封装的散热结构。实施方案包括：DRAM存储芯片101、逻辑控制单元芯片102的制备，DRAM存储芯片101、逻辑控制单元芯片102的3D堆叠，GPU/CPU/SOC/DSP等主芯片104的制备，转接板105的制备，存储单元芯片119(DRAM堆叠体)与主芯片104在转接板105上的2.5D贴装集成，转接板105与基板106的组装，散热盖体109在基板106上的贴装，具有三维蜂窝微槽道112的水冷散热系统的制备，水冷散热系统的第一散热板115和第二散热板116的键合，水冷散热系统与散热盖体109的贴装等。

首先如图1所示，完成DRAM存储芯片101的制备，DRAM存储芯片101应包含TSV(Through Silicon Via)，微凸点，化镀NiPdAu的UBM焊盘等结构。

如图2所示，完成逻辑控制单元芯片102的制备，逻辑控制单元芯片102是DRAM存储芯片101的逻辑控制单元,对DRAM存储芯片101进行控制，其应包含TSV(Through SiliconVia)，微凸点，化镀NiPdAu的UBM焊盘等结构。逻辑控制单元芯片102的尺寸可以跟DRAM存储芯片101一样大，或DRAM存储芯片101略大一些。

如图3所示，完成DRAM存储芯片101与逻辑控制单元芯片102的三维堆叠。芯片与芯片之间通过堆叠的方式，叠在一起，芯片之间用TVS方式连接，底下的逻辑控制单元芯片102对DRAM存储芯片101进行控制。堆叠完成后，在芯片与芯片之间填充底填胶或贴NCF膜103，可以保护微凸点，有效增强结构的可靠性。

如图4所示，完成主芯片104(可以是GPU/CPU/SOC/DSP芯片)的制备。

如图5所示，完成转接板105的制备。主芯片104与存储单元芯片119(DRAM堆叠体)通过微凸点和转接板105(起互联功能的硅转接板105)连通，转接板105起主芯片104与DRAM堆叠体119横向互联的作用，并通过TSV通孔将信号引至转接板105背面，将IO扇出至间距相对较大的C4凸点上，使其便于后期与基板106之间做倒桩焊接。

如图6所示，将存储单元芯片119和主芯片104通过微凸点倒装焊接在转接板105上。通过转接板105上的RDL层完成存储单元芯片119和主芯片104的电互连，并通过TSV通孔将信号引至转接板105背面，通过背面的RDL层完成信号扇出，连接至转接板105背面的C4凸点或焊球上，便于后期转接板105与基板106的组装。芯片贴装到转接板105上后，在微凸点焊接处填充底填胶或贴NCF膜103，可以保护微凸点，有效增强结构的可靠性。

如图7所示，完成基板106的制备。基板106可为芯片提供电连接、保护、支撑、散热、组装等功效，以实现多引脚化，缩小封装产品体积、改善电性能及散热性、超高密度或多芯片模块化的目的。

如图8所示，将第六步完成的转接板105、主芯片104和存储单元芯片119组成的组装体通过转接板105背面的C4凸点或焊球倒装焊接在基板106表面，形成封装体。信号会由基板106表层，通过镭射孔、机械钻孔等孔结构连至基板106背面的BGA上，即将信号再次扇出，以便后期与PCB板的贴装。

如图9所示，给图8步骤得到的封装体贴上金属的散热盖体109。需指出，这种散热盖体109的盖顶应是带第二导热管通孔110的结构，以后后期导热管的插入。散热盖体109的底座通过黏合剂(粘胶层107)贴装在基板106的表面或侧壁，在盖顶与芯片接触的地方涂上导热性能良好的导热胶层108，以便热量通过导热胶层108传导到散热盖体109上。

如图10所示，制备水冷散热系统。水冷散热系统是带微槽道112的硅板114。首先在硅板114表面通过化学气相沉积(CVD)或热氧的方式生长一层SiO

如图11所示，水冷散热系统的上下两板通过各自的SiO

如图12所示，将上下两板减薄，露出第一导热管通孔111，再在上板表面进行一次干法刻蚀，露出进液口117和出液口118，以便制冷液的流入与流出。

如图13所示，将水冷散热系统贴装至散热盖体109的盖顶，盖顶表面需涂一层导热性能良好的导热胶层108，以便热量传输至水冷散热系统。水冷散热系统上的第一导热管通孔111需与散热盖体109上的第二导热管通孔110对齐，在第一导热管通孔111处插入单向导电的垂直热管120，垂直热管120直接插到热源芯片表面。垂直热管120只在一个方向具有导电率，因此垂直热管120与存储单元芯片119以及主芯片104的接触端具有较高的温度，而在另一端具有较低的温度，如此以来热量可以迅速流到散热盖体109顶部，再通过水冷板将热量快速耗散。

如图14所示，水冷散热系统内的制冷液微槽道112采用仿蜂窝设计，它能使制冷液具有更好的流动性能，有利于改善微槽道112的均温性和局部温度过高的情况。同时在硅面和散热盖体109留出导热管通孔，将垂直热管120插入导热管通孔直达热源芯片表面，利用垂直热管的单向导电性，使垂直热管两端形成温度差，迫使热量从热源向水冷散热系统转移，同时导热管通孔本身也被流动的制冷液包裹，达到三维散热的效果。热量也迅速流向水冷散热系统，通过微槽道112内的制冷液流动散出，以应对例如HBM这种大量DRAM存储芯片101堆叠，和GPU封装在一起，产生大量的热量的情况。

综上，上述实施例对高带宽内存结构及其制作方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。