高密度集成封装散热破局：芯片-铜块-铜柱-AMB陶瓷基板的垂直散热通路

随着高性能 CPU、GPU、FPGA 以及 GaN 等第三代半导体功率器件功率密度持续提升，单位面积热流密度显著增加，散热能力已成为限制系统性能、寿命与可靠性的关键因素。传统表面贴装技术将芯片直接焊接于 PCB 表层，热流需经过焊料、PCB 介质及过孔等路径，存在散热路径长、热阻大等问题。尽管在 PCB 内埋入铜块可局部增强导热，但仍可能受限于界面热阻偏高、铜与介质 CTE 失配以及热机械可靠性不足。

本文提出一种基于“芯片—铜块—实心镀铜柱—AMB 陶瓷覆铜基板”的高密度集成封装垂直散热方案。该方案在多层板内部嵌入已预焊芯片的铜块，并通过实心镀铜柱与底部 AMB 陶瓷基板形成低热阻、以金属/陶瓷为主的垂直导热通路，为高功率密度器件的散热与可靠性提升提供一种可行的工程路径。

1. 方案概述

本方案在多层电路板内部集成预焊芯片的铜块，并通过实心镀铜柱将铜块底部与 AMB 陶瓷覆铜基板连接，构建从芯片到系统级散热器的垂直散热通道。其核心热流路径可概括为：

芯片 → 芯片/铜块焊接层 → 铜块 → 实心镀铜柱 → 银烧结层 → AMB 顶层铜箔 → 陶瓷基体 → AMB 底部铜层 → 系统散热器

该结构减少了传统 PCB 介质和普通散热过孔带来的高热阻环节，同时利用 AMB 陶瓷基板的高导热、高绝缘和较高机械强度，改善高功率密度封装中的热扩散与热机械可靠性。

2. 工艺流程

2.1 内层芯板铣槽与铜块预嵌入

在 PCB 内层芯板对应区域加工铣槽，例如在 L3—L4 层间形成槽①。将预成型铜块精准嵌入槽内并完成固定，使铜块上表面与 L3 层表面保持平齐。铜块上表面需提前通过扩散焊或烧结工艺与芯片牢固连接，以实现芯片级的高效热耦合。

该步骤的关键在于铜块尺寸公差、槽壁间隙、共面度以及芯片焊接质量的控制，以保证后续压合填充和热通路连续性。

2.2 第一次多层压合

在已嵌入铜块的芯板上下两侧，依次叠放半固化片与铜箔，执行第一次高温高压压合，形成包含 L2—L5 层的基础框架结构。压合过程中，半固化片树脂需充分流动并填充铜块周围间隙，避免空洞、分层和局部应力集中。

2.3 第二次多层压合与表面处理

对首次压合后的板件进行二次叠层压合，扩展至 L6 层及以上。随后，在芯片对应顶部区域进行激光开窗与电镀加厚处理，并完成外层线路图形转移等常规 PCB 制程，得到多层成形板。

该阶段需兼顾已埋入芯片和铜块的热敏感性，控制压合温度、压力及升降温速率，避免对芯片、界面焊层和铜块嵌合结构造成损伤。

2.4 底部开窗、激光钻孔与实心镀铜柱制备

在铜块正下方的 L5—L6 层区域进行开窗铣削，形成用于放置 AMB 基板的槽②。随后，在铜块底部对应位置，通过激光钻孔与电镀填孔工艺制备贯穿介质层的实心镀铜柱。

该实心镀铜柱作为垂直互连结构，上端连通铜块底部，下端露出板面，为后续连接 AMB 基板提供低热阻的金属桥梁。工艺控制重点包括激光钻孔孔壁质量、电镀填孔致密性、空洞率以及铜柱与铜块之间的结合强度。

2.5 AMB 基板组装、银烧结键合与绝缘填充

将 AMB 陶瓷覆铜基板精准对位并预置于槽②窗口内。在实心镀铜柱底部与 AMB 顶层铜箔之间放置纳米银膜，使“镀铜柱—银膜—AMB 铜层”紧密贴合。通过低温银烧结工艺形成致密冶金结合，将 AMB 基板集成至多层板内部，以实现较低的热界面电阻。

随后，在 AMB 基板侧壁与槽②内壁间隙处灌注绝缘树脂。待树脂填满缝隙并完全固化后，实现 AMB 基板的机械锚固、侧壁电气绝缘与密封保护。该步骤需控制银烧结温度、压力、时间及界面空洞率，并确保绝缘树脂与 PCB 介质、陶瓷和铜表面的兼容性。

3. 方案优势

低热阻垂直散热通路

通过“芯片—铜块—实心镀铜柱—AMB 陶瓷基板”构建以金属和陶瓷为主的垂直导热路径，减少传统 PCB 介质带来的热阻，有利于将核心热量快速传导至系统散热器。

改善热机械可靠性

AMB 陶瓷覆铜基板可选用 AlN、Si3N4 等高导热陶瓷材料，具有较低 CTE、较高机械强度和良好绝缘性能。通过合理的层叠与界面设计，可改善硅、GaN 等高功率芯片与封装结构之间的热膨胀匹配，降低热循环下的界面应力。

兼容高密度集成封装

该方案将散热结构嵌入多层板内部，不显著增加系统外围体积，适合高密度、高功率器件的集成封装需求。

降低结到环境热阻

在系统级散热器配合下，该垂直通路可有效降低结到环境的热阻 

Rth,j−a，提升高功率密度 PCB 在严苛工况下的长期可靠性。

4. 关键工艺控制与可靠性考量

工程实现中，需重点关注以下环节：

铜块与芯板槽的尺寸匹配、共面度及嵌合稳定性；

半固化片流动填充能力，避免铜块周围空洞和分层；

激光钻孔与电镀填孔质量，控制孔壁缺陷和铜柱空洞；

银烧结界面的致密性、空洞率及与 PCB 材料的工艺兼容性；

绝缘树脂的填充完整性、CTE 匹配和耐热性；

热循环、高温高湿和功率循环下的界面可靠性验证。

5. 结语

“芯片—铜块—实心镀铜柱—AMB 陶瓷基板”垂直散热方案，通过在内埋铜块与 AMB 陶瓷覆铜基板之间建立低热阻金属互连，为高性能 CPU、GPU、FPGA 及 GaN 功率器件的高密度封装散热提供了一种具有工程可行性的解决思路。该方案在降低热阻、改善热机械可靠性方面具有潜力，但实际应用仍需结合具体材料体系、层叠结构、制程能力和可靠性要求进行系统优化与验证。