Na maioria, se não em todos os processadores modernos, o silício é ligado por um chip flip em um interposer, que possui todas as conexões. Como resultado, a parte de trás da matriz de silício fica no topo - apontando para onde o dissipador de calor está conectado.
Nos processadores de mesa, isso geralmente é ligado com o composto térmico ao invólucro de metal superior, permitindo assim uma boa transferência de calor da matriz para o dissipador de calor. De fato, é por isso que, com alguns dos processadores muito novos, é preciso ter cuidado com o aperto apertado dos dissipadores de calor, pois é possível fraturar literalmente o silício se a carcaça de metal for deformada pela pressão. O resultado é mais ou menos assim: Image Source
Para CPUs de laptop, um processo semelhante é usado, exceto que a concha de metal é omitida para economizar espaço e peso. O dissipador de calor, neste caso, liga-se diretamente à matriz de silício. Geralmente, almofadas térmicas ou pelo menos uma camada espessa de composto térmico são usadas para evitar lascar ou rachar o silício quando o dissipador de calor é conectado. O resultado é o seguinte: Fonte da imagem
O mesmo processo é usado em muitas outras aplicações. Os pacotes TO-220, como você mencionou, têm a pastilha diretamente colada à base de metal traseira e os pinos são colados à frente. Grandes FPGAs executados em alta velocidade usam um pacote semelhante às CPUs de desktop - flip-chip para um interposer com uma cobertura superior de metal.
Para responder ainda mais ao ponto de encontrar recursos formais, provavelmente não há nada mais formal do que o Intel Packaging Databook, que embora pareça descrever várias dimensões mecânicas, ele também na seção de introdução e materiais de embalagem entra na estrutura de pacote BGA flip-chip . Também menciona (que se refere à versão sem tampa) que:
A parte traseira da matriz é exposta, permitindo que as soluções térmicas e o material da interface térmica tenham contato direto com a superfície da matriz.
Tentei ver se conseguia encontrar exatamente o que é feito na parte de trás da matriz para proteção, mas não há nada especificamente mencionado. Com toda a probabilidade, nada mais será do que uma camada de passivação - tipicamente nitreto de silício ou carboneto de silício.