本發(fā)明主要涉及到集成電路芯片單粒子試驗(yàn)領(lǐng)域，特指一種倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)及散熱方法。

背景技術(shù)：

1、為提高集成電路芯片的散熱能力和接口性能，微處理器等高端集成電路芯片大量采用了倒裝（flip?chip）結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，同時(shí)在芯片表面安裝散熱器進(jìn)行散熱。

2、目前，倒裝芯片散熱結(jié)構(gòu)如圖1所示。裸片300由襯底100和互連層200構(gòu)成。錫鉛或錫銀等材料組成的金屬球400（bump）連接裸片300（die）的互連層200的第一表面500（pad）與基板600上的第二表面700（pad），從而將裸片300連接到基板600上?；?00的底面連接焊球800。此時(shí)，裸片300的互連層200朝下連接封裝基板600，裸片300的襯底100朝上。散熱器1覆蓋在裸片300的襯底100上面。

3、在單粒子試驗(yàn)過程中，一般采用重離子加速器產(chǎn)生高能重離子輻照硅材料。由于重離子加速器產(chǎn)生的高能重離子在硅材料中的射程為幾十至幾百微米，為確保單粒子試驗(yàn)時(shí)高能重離子能夠到達(dá)倒裝芯片，因此在采用高能重離子對倒裝芯片進(jìn)行單粒子試驗(yàn)前，必須去掉散熱器1，暴露裸片300的襯底100。然而，去掉散熱器1后，倒裝芯片的散熱能力急劇下降，一般工作功率超過5瓦即無法正常工作。

4、為了解決上述問題，現(xiàn)有的傳統(tǒng)方法是降低倒裝芯片工作頻率，或者關(guān)閉倒裝芯片的部分內(nèi)部模塊并分開測試各模塊，使倒裝芯片的工作功率降至5瓦以下，再開展單粒子試驗(yàn)。但是，采用這種方式之后，降低芯片工作頻率會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果高估倒裝芯片的抗單粒子瞬態(tài)效應(yīng)能力，大大增加單粒子試驗(yàn)誤差；關(guān)閉倒裝芯片的部分內(nèi)部模塊并分開測試各模塊會(huì)增加使用的加速器機(jī)時(shí)，還會(huì)大大增加成本，同時(shí)各模塊的耦合效應(yīng)使得通過模塊級的抗單粒子能力測試數(shù)據(jù)合成全芯片的抗單粒子能力誤差極大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作簡便、散熱效果好、成本低廉的倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)及散熱方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)，包括散熱器、半導(dǎo)體制冷片、石墨烯膜及絕緣墊片，所述散熱器采用中間鏤空的結(jié)構(gòu)形式，其鏤空的區(qū)域可完全暴露裸片襯底，所述散熱器的底部通過導(dǎo)熱膠貼合半導(dǎo)體制冷片的熱端；所述半導(dǎo)體制冷片采用中間鏤空的結(jié)構(gòu)形式，其鏤空區(qū)域可完全暴露裸片襯底；所述石墨烯膜的表面可完全覆蓋半導(dǎo)體制冷片的表面且無鏤空；所述石墨烯膜的一面通過導(dǎo)熱膠貼合于所述半導(dǎo)體制冷片的冷端，另一面直接覆蓋于倒裝芯片的裸片襯底和絕緣墊片上。

4、作為本發(fā)明系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)：所述絕緣墊片采用中間鏤空的結(jié)構(gòu)形式，鏤空區(qū)域可完全暴露裸片襯底。

5、作為本發(fā)明系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)：所述絕緣墊片放置于倒裝芯片的基板上，其鏤空區(qū)域露出倒裝芯片的裸片襯底；所述絕緣墊片接觸石墨烯膜的另一面。

6、作為本發(fā)明系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)：所述散熱器的底面可完全覆蓋半導(dǎo)體制冷片的表面。

7、作為本發(fā)明系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)：所述半導(dǎo)體制冷片的熱端通過導(dǎo)熱膠貼合散熱器底部，所述半導(dǎo)體制冷片的冷端通過導(dǎo)熱膠貼合石墨烯膜。

8、作為本發(fā)明系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)：所述半導(dǎo)體制冷片的電源端口通過導(dǎo)線連接電源；所述電源用來為半導(dǎo)體制冷片供電，使半導(dǎo)體制冷片的制冷功率不小于倒裝芯片的工作功率。

9、作為本發(fā)明系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)：所述石墨烯膜為多層石墨烯材料高溫壓制而成，厚度為1微米至10微米，熱導(dǎo)率不小于1500w/（m·k）。

10、一種基于上述任意一項(xiàng)倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)的散熱方法，包括：

11、步驟s1：將半導(dǎo)體制冷片的熱端涂覆導(dǎo)熱膠，貼合在散熱器的底面；

12、步驟s2：將半導(dǎo)體制冷片的冷端涂覆導(dǎo)熱膠，貼合在石墨烯膜的一面；

13、步驟s3：將絕緣墊片放置于倒裝芯片的基板上，其鏤空區(qū)域露出倒裝芯片的裸片襯底；

14、步驟s4：將散熱器、半導(dǎo)體制冷片和石墨烯膜的組合體置于倒裝芯片和絕緣墊片的組合體上并良好固定，使石墨烯膜的另一面與倒裝芯片的裸片襯底表面貼合，也與絕緣墊片接觸；

15、步驟s5：將半導(dǎo)體制冷片的電源端口通過導(dǎo)線連接電源；

16、步驟s6：電源為半導(dǎo)體制冷片供電；

17、步驟s7：啟動(dòng)倒裝芯片工作，開始單粒子試驗(yàn)。

18、作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)：把倒裝芯片和絕緣墊片的組合體放入插座，再將散熱器與插座固定鎖緊，使散熱器、半導(dǎo)體制冷片和石墨烯膜的組合體與倒裝芯片的裸片襯底表面緊密貼合。

19、作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)：把倒裝芯片焊接在pcb板上，再將散熱器與pcb板固定鎖緊，使散熱器、半導(dǎo)體制冷片和石墨烯膜的組合體與與倒裝芯片的裸片襯底表面緊密貼合。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

21、1、本發(fā)明的倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)及散熱方法，首次實(shí)現(xiàn)了倒裝芯片在超過20w的大功率工作下開展單粒子試驗(yàn)。超高熱導(dǎo)率的石墨烯膜可以將倒裝芯片產(chǎn)生的熱量有效傳遞到散熱器上，能夠保障20w以上功率的倒裝芯片正常工作。同時(shí)，重離子可以穿透超薄的石墨烯膜，確保了單粒子試驗(yàn)?zāi)軌蛘＿M(jìn)行。

22、2、本發(fā)明的倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)及散熱方法，散熱功率大、能夠確保重離子到達(dá)倒裝芯片，且結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，實(shí)現(xiàn)了倒裝芯片在大功率工作下開展單粒子試驗(yàn)，尤其適用于大功率倒裝芯片單粒子試驗(yàn)時(shí)的散熱。

技術(shù)特征：

1.一種倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)，其特征在于，包括散熱器（1）、半導(dǎo)體制冷片（2）、石墨烯膜（3）及絕緣墊片（7），所述散熱器（1）采用中間鏤空的結(jié)構(gòu)形式，其鏤空的區(qū)域可完全暴露裸片襯底（100），所述散熱器（1）的底部通過導(dǎo)熱膠（6）貼合半導(dǎo)體制冷片（2）的熱端；所述半導(dǎo)體制冷片（2）采用中間鏤空的結(jié)構(gòu)形式，其鏤空區(qū)域可完全暴露裸片襯底（100）；所述石墨烯膜（3）的表面可完全覆蓋半導(dǎo)體制冷片（2）的表面且無鏤空；所述石墨烯膜（3）的一面通過導(dǎo)熱膠（6）貼合于所述半導(dǎo)體制冷片（2）的冷端，另一面直接覆蓋于倒裝芯片的裸片襯底（100）和絕緣墊片（7）上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述絕緣墊片（7）采用中間鏤空的結(jié)構(gòu)形式，鏤空區(qū)域可完全暴露裸片襯底（100）。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述絕緣墊片（7）放置于倒裝芯片的基板（600）上，其鏤空區(qū)域露出倒裝芯片的裸片襯底（100）；所述絕緣墊片（7）接觸石墨烯膜（3）的另一面。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述散熱器（1）的底面可完全覆蓋半導(dǎo)體制冷片（2）的表面。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體制冷片（2）的熱端通過導(dǎo)熱膠（6）貼合散熱器（1）底部，所述半導(dǎo)體制冷片（2）的冷端通過導(dǎo)熱膠（6）貼合石墨烯膜（3）。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體制冷片（2）的電源端口通過導(dǎo)線（5）連接電源（4）；所述電源（4）用來為半導(dǎo)體制冷片（2）供電，使半導(dǎo)體制冷片（2）的制冷功率不小于倒裝芯片的工作功率。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述石墨烯膜（3）為多層石墨烯材料高溫壓制而成，厚度為1微米至10微米，熱導(dǎo)率不小于1500w/(m·k)。

8.一種基于上述權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)的散熱方法，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的散熱方法，其特征在于，把倒裝芯片和絕緣墊片（7）的組合體放入插座，再將散熱器（1）與插座固定鎖緊，使散熱器（1）、半導(dǎo)體制冷片（2）和石墨烯膜（3）的組合體與倒裝芯片的裸片襯底（100）表面緊密貼合。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的散熱方法，其特征在于，把倒裝芯片焊接在pcb板上，再將散熱器（1）與pcb板固定鎖緊，使散熱器（1）、半導(dǎo)體制冷片（2）和石墨烯膜（3）的組合體與與倒裝芯片的裸片襯底（100）表面緊密貼合。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種倒裝芯片單粒子試驗(yàn)散熱系統(tǒng)及散熱方法，該系統(tǒng)包括散熱器、半導(dǎo)體制冷片、石墨烯膜及絕緣墊片，散熱器采用中間鏤空的結(jié)構(gòu)形式，其鏤空的區(qū)域可完全暴露裸片襯底，散熱器的底部通過導(dǎo)熱膠貼合半導(dǎo)體制冷片的熱端；半導(dǎo)體制冷片采用中間鏤空的結(jié)構(gòu)形式，其鏤空區(qū)域可完全暴露裸片襯底；石墨烯膜的表面可完全覆蓋半導(dǎo)體制冷片的表面且無鏤空；石墨烯膜的一面通過導(dǎo)熱膠貼合于半導(dǎo)體制冷片的冷端，另一面直接覆蓋于倒裝芯片的裸片襯底和絕緣墊片上。該方法基于上述系統(tǒng)來實(shí)施。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作簡便、散熱效果好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：池雅慶,梁斌,陳建軍,羅登,郭陽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國人民解放軍國防科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23