CN101075590A - 封装元件 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种封装元件，至少有一件元件，设置于一基材上。一材料层用来封装元件并且至少覆盖基材的一部分，其中材料层至少包含有邻近于元件的一第一部分和在第一部分之上的一第二部分。第二部分的导热系数高于第一部分的导热系数。本发明的半导体封装元件不但能提供高效率的散热功能，而且能维持其良好的电性功能。

Description

封装元件
技术领域
本发明涉及一种半导体封装元件。
背景技术
为了保护半导体制程后的晶圆上切割下来的晶片，已经提出有各种元件封装方法和结构。封装元件保护其中的半导体元件不受外界环境的粒子、湿气、电荷或其他非预期因素的影响，以提升半导体元件的稳定性和工作性能。
图1为一现有习知技术封装元件的截面图。此封装元件包含一基材100、一元件110(亦即一半导体晶粒或晶片)以及一保护作用的环氧树脂层130。元件110设置于基材100上，并利用金线120电性连接于基材100。环氧树脂层130覆盖元件110，并且将元件110工作中所产生的热量散发于其上的散热层(图未示)。
对流动于元件110的上表面的电流所产生的热量进行散热是必须的。如果不能有效移除热量，元件的上表面所聚积的热量会影响元件110的电子性能。以一需要消耗大约40瓦特功率的中央处理器(CPU)而言，如果不能有效的散热，工作中CPU所聚积起来大量热量，很可能会缩短元件110的寿命。随着封装半导体元件尺寸的缩小，散热效率变差。而且，虽然低介电常数的材料可以加强元件110的工作速度，但是由于它们的导热系数低，在元件110中使用低介电常数的材料会更加恶化元件整体的散热效率。
为解决上述的散热问题，采用一外部的散热层和/或一风扇来散发元件110所产生的热量。但是，由于这样的散热层或风扇不属于封装元件的结构的一部分，使得其散热的效率较低。
参考美国专利公开No.2004/0041279，其揭露了一种封装电子元件，利用一改进的粘接层将晶粒固定到基材上。
美国专利公开No.2005/0222300也揭露了一种用于封装的环氧树脂的成份。
由前述可知，可以有效散热的封装结构以及形成封装结构的方法，仍然是迫切所需的。
有鉴于上述现有的封装元件存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型的封装元件，能够改进一般现有的封装元件，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的封装元件存在的缺陷，而提供一种新型的半导体封装元件，所要解决的技术问题是使其增加散热效率，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种封装元件，其特征在于包括：至少有一件元件，设置于一基材上；以及一材料层，封装该元件并且至少覆盖该基材的一部分，其中该材料层具有邻近于该元件的一第一部分和在该第一部分之上的一第二部分，该第二部分的导热系数高于该第一部分的导热系数。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的封装元件，其中所述的第一部分的材料不同于该第二部分的材料。
前述的封装元件，其中所述的第一部分包含一热固性聚合体，其玻璃态转化温度(Tg)高于200℃。
前述的封装元件，其中所述的第一部分的导热系数小于或等于0.3W/mK，而该第二部分的导热系数高于0.8W/mK。
前述的封装元件，其中所述的第二部分包含导热性填充物。
前述的封装元件，其中所述的导热性填充物包含金属粉末、陶瓷填充物和无机纳米复合材料中至少一种。
前述的封装元件，其中所述的第二部分包含一热固性聚合体，其玻璃态转化温度(Tg)高于200℃。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种封装元件，包括：至少有一件元件，设置于一基材上；一第一热固性聚合体层，封装该元件；以及至少一层第二热固性聚合体层，其形成于该第一热固性聚合体层上以封装该元件，其中该第一热固性聚合体层的导热系数小于该第二热固性聚合体层的导热系数。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的封装元件，其中所述的第一热固性聚合体层的导热系数小于或等于0.3W/mK，而该第二热固性聚合体层的导热系数高于该第一热固性聚合体层，且高于0.8W/mK。
本发明的目的及解决其技术问题另外还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种封装元件，包括：至少有一件元件，设置于一基材；一第一环氧树脂层，封装该元件；以及至少一层第二环氧树脂层，其形成于该第一环氧树脂层上以封装该元件，其中该第一环氧树脂层的导热系数小于该第二环氧树脂层的导热系数，该第二环氧树脂层的导热系数高于0.8W/mK，而该第二环氧树脂层包含硅石、石英、氮化硼和氮化铝中至少一种。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为了达到上述目的，本发明提供了一种封装元件，根据一些代表性的实施例，一封装元件包含位于基材上的一元件以及一材料层。至少有一件元件设置于一基材上。材料层将元件封装并且至少覆盖基材的一部分，材料层至少包含有邻近于元件的一第一部分和在第一部分之上的一第二部分。第二部分的导热系数高于第一部分的导热系数。
借由上述技术方案，本发明封装元件至少具有下列优点：本发明的半导体封装元件不但能提供高效率的散热功能，而且能维持其良好的电性功能。
综上所述，本发明是有关于一种封装元件，至少有一件元件，设置于一基材上。一材料层用来封装元件并且至少覆盖基材的一部分，其中材料层至少包含有邻近于元件的一第一部分和在第一部分之上的一第二部分。第二部分的导热系数高于第一部分的导热系数。本发明的半导体封装元件不但能提供高效率的散热功能，而且能维持其良好的电性功能。本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品结构或功能上皆有较大的改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的封装元件具有增进的突出功效，从而更加适于实用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是一现有技术封装元件的截面图。
图2A和图2B是根据一实施例形成一封装元件的代表性制程的截面示意图。
图3是根据另一实施例的一封装元件的截面示意图。
100、200、300：基材            110、210、310：元件
120：金线                      130：环氧树脂层
220、320：导线                 225：第一材料层
227、235、335：导热性填充物    230：第二材料层
330：材料层               330a：第一部分
330b：第二部分            340：离子植入
t1、t2、t3厚度
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的封装元件其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
下面对代表性实施例的说明将结合其附图来进行。在说明中，相对性的形容词，例如“较低”、“较高”、”“水平的”、“垂直的”、“在上面”、“在下面”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”等，以及类似的副词(例如，“水平地”、“垂直地”、“向上地”、“向下地”等)，应当根据接下来的说明或根据所讨论的图所显示的方向来解释。使用这些相对的术语是为了便于说明，并非要求其所解释或操作的装置作精确的方向。
图2A为一实施例的截面示意图，显示一半导体元件，其设置于一基材上，且被一第一材料层所封装。在此实施例中，基材200可以为硅基材、III-V族化合物基材、玻璃基材、印刷电路板(PCB)或其他任何相类似的基材。
尽管图中只显示一个元件210，实际上在基材200上可以设有多个元件。元件210可以是一半导体晶片，例如记忆体晶片、中央处理器(CPU)、逻辑电路、特定用途积体电路(ASIC)、镭射二极体、发光二极体或其他半导体元件。在一些实施例中，元件210利用一打线制程、一覆晶制程或其他适合于电性连接元件210与基材200的制程，使元件210电性连接于基材200。元件210也可以利用一导电或非导电粘接剂至少部分地固定于基材200。在列举的实施例中，元件210利用一打线制程将导线220电性连接至基材200。在打线制程中，使用一打线机(图未示)，把元件210上的焊垫(图未示)利用导线220连接至基材200上。导线220在一些实施例中为一金属线。在实施例中，导线220包括金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、铝/铜合金或其他适合于打线制程的金属性材料。
元件210接着被封装于一第一材料层225内。第一材料层225覆盖了元件210的侧壁和上表面。在一些实施例中，第一材料层225至少覆盖基材200的上表面的一部分。在这一实施例中，第一材料层225更覆盖导线220。如图2A所示，第一材料层具有厚度t1约介于10μm和200μm之间。
第一材料层225最好具有一玻璃态转化温度(Tg)在200℃以上的热固性聚合体，例如聚酰亚胺、环氧树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸脂(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚醚醚酮(PEEK)、聚氯乙烯(PVC)或其他相类似的材料。在一较佳实施例中，第一材料层225包含环氧树脂。
在一些实施例中，特别是在第一材料层225包含环氧树脂时，其进一步包含导热性填充物227，例如金属粉末、陶瓷填充物、无机纳米复合材料或其他掺杂物或添加物，用来增强第一材料层225的导热性或其他特性。在一些实施例中，导热性填充物227的填充程度使得元件210至少在一定程度上电性隔离后续形成于材料层225上面或上方的材料层。在此使用的“金属粉末”包含金属性元素，例如铝、铜、铁或其他导热性元素。“陶瓷填充物”包含硅石、石英、氮化硼、氮化铝或其他电性能与之相近的材料。“无机纳米复合材料”包含纹层粘土颗粒或纳米管。如图2B所示，在第一材料层225的原始材料(图未示)内加入导热性填充物235，并使之混合。原始材料随后被旋转涂布或压模形成于基材200和元件210上。经涂布的基材200和具有第一材料层225的元件210随后在炉子或烤箱中加热以除去其中的湿气。
下面的表格I-III显示环氧树脂基质中的掺杂物/添加物浓度和导热系数之间的关系，其中“W”代表瓦特，“m”代表米，“K”代表绝对温标的温度。
表I
  添加物   矾土(氧化铝)
  体积％   0   11.55   22.17   35.33   44.34   61.66   77.83
  导热系数(W/mK)   0.14   0.186   0.22   0.43   0.65   1.22   2.02
表II
  添加物   硅石
  体积％   0   12.20   24.39   36.59   48.78   60.98   73.17
  导热系数(W/mK)   0.18   0.26   0.31   0.4   0.54   0.67   0.85
表III
  添加物   石英
  体积％   0   12.20   24.39   36.59   48.78   60.98   73.17
  导热系数(W/mK)   0.18   0.26   0.45   0.72   1.07   1.61   2.28
由表格I-III可见，导热系数随环氧树脂基质中的掺杂物矾土、硅石或石英的浓度的增加而增加。熟知本领域的技术人员可以利用改变掺杂物浓度来使材料层具有预期的导热系数。测量掺杂物浓度和导热系数的方法为本领域技术人员所熟知，因此在此不再赘述。在一些较佳实施例中，第一材料层225的导热系数小于或等于0.3W/mK，在改变相应的掺杂物浓度的同时还要避免导线220之间的短路。
在其他实施例中，第一材料层225包含一具有电子共轭的材料，例如聚对苯乙炔(PPV)。具有电子共轭的第一材料层225的固有的导热系数小于或等于0.3W/mK。
图2B为一实施例的截面示意图，显示一半导体元件210形成于一基材200上，且被形成于第一材料层225上方的一第二材料层230封装。第二材料层230形成于第一材料层225上方，并且封装元件210。第二材料层230覆盖元件210的侧壁和上表面以及第一材料层225。在一些实施例中，第二材料层230至少覆盖基材200的一部分。在此实施例中，第二材料层230更覆盖导线220。如图2B所示，第二材料层230具有一厚度t2约介于0.3mm至2.0mm之间。
第二材料层230最好具有一玻璃态转化温度(Tg)在200℃以上的热固性聚合体，例如聚酰亚胺、环氧树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸脂(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚醚醚酮(PEEK)、聚氯乙烯(PVC)或其他相类似的材料。第一材料层225和第二材料层230可以包含同样的或不同的基质(matrixes)。在一实施例中，第一材料层225和第二材料层230的基质都包含环氧树脂。
在一些实施例中，第二材料层230进一步包含导热性填充物235，例如金属粉末、陶瓷填充物、无机纳米复合材料或其他掺杂物，用来增强第二材料层230的导热性，与前面关于该第一材料层225所作的描述相同。金属粉末、陶瓷填充物、无机纳米复合材料可以利用一混合处理而加进第二材料层230的原始材料(图未示)内。第二材料层230的原始材料随后旋转涂布或压模形成于第一材料层225上及基材200和元件210上。添加物也可以利用掺杂、热烤入或其他非混合制程加入第二材料层230中。经涂布的基材200和具有第二材料层230的原始材料的元件210随后在炉子或烤箱中处理以除去其中的湿气。第一材料层225和第二材料层230的选择取决于封装元件预期达到的机械和电子性能。表I-III中所提供的参杂物浓度和导热系数之间的关系仅仅是作为举例。熟知本领域的技术人员可以利用改变导热性填充物235及其浓度来形成预期的封装结构。
图2B中所显示的双层封装元件主要是利用第二原料层230提供预期的散热功能。在这一实施例中，第一材料层225保护或隔离元件210，不受第二材料层230的导热性填充物235的散热的影响。利用双层结构可提供具有预期的散热和电性能的封装元件。在一些实施例中，第二材料层230的导热系数大约高于约0.8W/mK，其取决于导热性填充物235的掺杂浓度。
在其他实施例中，第二材料层230包含一电子共轭聚合体。例如，电子共轭包括n电子共轭。用于合成这样的共轭聚合体的单体为芳香族化合物或包含多重碳-碳双键。实施例中具有电子共轭的第二材料层230的导热系数高于约0.8W/mK。
如图2B所示，第二材料层230设置于第一材料层225之上，进而封装元件210。在较佳实施例中，第二材料层230的导热系数高于第一材料层225的导热系数。由于其较高的导热系数，第二材料层230可以有效的散发由元件210的工作所产生的热量至周围的环境或一散热层或风扇(图未示)。如上所述，第一材料层225的导热系数最好小于或等于约0.3W/mK，并且第二材料层230的导热系数最好大于约0.8W/mK。在一些实施例中，第一材料层225和第二材料层230实际上可能具有相同的导热系数，只要封装元件的散热符合预期的要求即可。熟知本领域的技术人员可以基于本发明的内容，根据需要来修改第一材料层225和第二材料层230的导热系数。
在此实施例中，第一材料层225除了可以传送热量至第二材料层230外，还可以作为一电隔离层，能够防止导热性填充物235扩散至第一材料层225内，以免其对导线220产生干扰。在这一实施例中，第一材料层225充分地防止由导热性填充物235扩散至第一材料层225内所导致在导热性填充物235与导线220之间的接触。在第一材料层225内的任意热导热性填充物227的浓度均为足够低，以免对元件210的工作产生影响。在一些实施例中，第一材料层225的电阻大于第二材料层230，以使其在进行有效的热传输同时不会干扰元件210的工作。在其他实施例中，第一材料层225和第二材料层230具有相同的电阻，只要第一材料层225和第二材料层230内的掺杂物不影响封装元件的电性能即可。熟知本领域的技术人员可以按照这些实施例来修改第一材料层225和第二材料层230的电阻。
第一材料层225还可以在元件210和第二材料层230之间起一缓冲层的作用，以避免由于元件210和第二材料层230之间热膨胀系数不同所导致的破裂。此外，第二材料层230内加入的导热性填充物235完全不影响第二材料层230和第一材料层225之间的粘着力。只要第一材料层225和第二材料层230两者之间的材料性质互相类似，任何影响两者之间粘着力的因素都可以完全消除。例如，第一材料层225和第二材料层230可以为相同的材料，如环氧树脂层。
在一些实施例中，图2B所示的结构还对最终封装的机械性能作出贡献。因为第一材料层225和第二材料层230对元件210进行封装并与基材200相接触，第一材料层225和第二材料层230的物理性质会影响在最终封装结构中的热应力。所以，可以利用第2B图中所示结构的物理性质来控制最终封装结构的性能。
在一些具有金属粉末添加物235的实施例中，第二材料层230防护粒子，使元件210不发生类似于动态随机存取记忆体(DRAM)内发生的软错误(soft error)。这些电导热性添加物使得元件210不受辐射影响，因此可以维持元件210的电性能。
在一些实施例中，元件210具有多于两层的封装。在这些实施例中，位于多层结构底部的第一材料层225，可以防止导热性填充物扩散至元件210。位于第一材料层225之上的其他材料层执行如上所述的附加的机械、热传输和/或电隔离功能。熟知本领域的技术人员能够选取需要的材料层以提供具有各种各样的预期特性的元件。
图3为根据另一实施例的一封装元件的截面示意图。封装元件包含一基材300、一元件310和一材料层330。元件310设置于基材300上。材料层330形成于元件310和基材300之上。材料层330包含至少两部分。材料层330的第一部分330a邻近于元件310，且材料层330的第二部分330b邻近于材料层330的第一部分，并且第二部分330b更接近于材料层330的上表面。元件310利用引线键合方法或一倒装晶片制程电性连接与基材300。在这一实施例中，元件310连接于穿过基材的导线320。形成基材300、元件310和导线320的示范性材料在上述关于图2A和图2B的说明中已有描述。
在这一实施例中，材料层330的第一部分330a和第二部分330b包含相同的材料，并形成一单独的层。材料层330利用旋转涂布或压模形成的方法形成于元件310上方。经涂布的基材300和具有材料层330的元件310随后在炉子或烤箱中处理以除去其中的湿气。
材料层330的第二部分330b包括有导热性填充物335，并且其导热系数大于材料层330的第一部分330a。第二部分330b的导热系数可利用在材料层330内添加导热性填充物来提高，例如金属粉末、陶瓷填充物、无机纳米复合材料或其他掺杂物，用来增强第二部分330b的导热性。在一较佳实施例中，金属粉末、陶瓷填充物、无机纳米复合材料可以利用一掺杂制程加入材料层330的基质中。掺杂制程可以是例如第三图所示的离子植入340。离子植入的深度可以利用使用离子植入技术中熟知的参数来控制，例如离子植入功率。掺杂制程也可以是一热驱动制程，具有导热性填充物335的一材料沈积于材料层330的上表面，接下来导热性填充物335受热驱动至材料层330内一预期的深度，深度可利用例如时间、温度和/或沈积的掺杂层的厚度来控制。掺杂物在材料层330内的分配可以为逐渐变化或突然变化，只要封装结构达到预期的散热目的即可。在一些实施例中，如图3所示的材料层330的厚度“t3”约介于约0.3mm至2mm之间。第一部分330a的厚度t1′约介于约10μm至200μm之间。第二部分330b的厚度为t2′。厚度t1′和t2′为可调的，只要材料层330可以有效地散发元件310的热量并且导热性填充物335不使元件310的电性能恶化即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1、一种封装元件，其特征在于包括：
至少有一件元件，设置于一基材上；以及
一材料层，封装该元件并且至少覆盖该基材的一部分，其中该材料层具有邻近于该元件的一第一部分和在该第一部分之上的一第二部分，该第二部分的导热系数高于该第一部分的导热系数。
2、根据权利要求1所述的封装元件，其特征在于其中所述的第一部分的材料不同于该第二部分的材料。
3、根据权利要求1所述的封装元件，其特征在于其中所述的第一部分包含一热固性聚合体，其玻璃态转化温度(Tg)高于200℃。
4、根据权利要求1所述的封装元件，其特征在于其中所述的第一部分的导热系数小于或等于0.3W/mK，而该第二部分的导热系数高于0.8W/mK。
5、根据权利要求1所述的封装元件，其特征在于其中所述的第二部分包含导热性填充物。
6、根据权利要求1所述的封装元件，其特征在于其中所述的导热性填充物包含金属粉末、陶瓷填充物和无机纳米复合材料中至少一种。
7、根据权利要求1所述的封装元件，其特征在于其中所述的第二部分包含一热固性聚合体，其玻璃态转化温度(Tg)高于200℃。
8、一种封装元件，包括：
至少有一件元件，设置于一基材上；
一第一热固性聚合体层，封装该元件；以及
至少一层第二热固性聚合体层，其形成于该第一热固性聚合体层上以封装该元件，其中该第一热固性聚合体层的导热系数小于该第二热固性聚合体层的导热系数。
9、根据权利要求8所述的封装元件，其特征在于其中所述的第一热固性聚合体层的导热系数小于或等于0.3W/mK，而该第二热固性聚合体层的导热系数高于该第一热固性聚合体层，且高于0.8W/mK。
10、一种封装元件，包括：
至少有一件元件，设置于一基材上；
一第一环氧树脂层，封装该元件；以及
至少一层第二环氧树脂层，其形成于该第一环氧树脂层上以封装该元件，其中该第一环氧树脂层的导热系数小于该第二环氧树脂层的导热系数，该第二环氧树脂层的导热系数高于0.8W/mK，而该第二环氧树脂层包含硅石、石英、氮化硼和氮化铝中至少一种。
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