CN103000596A

CN103000596A - 一种浸冷式封装的半导体元器件

Info

Publication number: CN103000596A
Application number: CN2012105260434A
Authority: CN
Inventors: 齐凯
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明公开一种浸冷式封装的半导体元器件，包括一封闭的壳体，在壳体中预先固装有至少一个晶圆片，在壳体中还充满有冷却液，浸没所述晶圆片；冷却液中放置有气囊，所述气囊的气体压缩量大于冷却液受热膨胀时的体积增加量。本发明构建一种新型的芯片封装方式，将晶圆片浸没于冷却液中，借助于冷却液的吸热、导热特性，有效改善半导体元器件在工作时的散热问题，并利用气囊体积的变化缓解冷却液热膨胀带来的问题。

Description

一种浸冷式封装的半导体元器件

技术领域

本发明涉及半导体元器件的封装技术，尤其涉及一种具有浸冷式封装的晶圆片级芯片半导体元器件。

背景技术

半导体元器件广泛的应用于各种电子类产品之中，带芯片的半导体元器件都要经过封装才能使用，半导体元器件的封装就是指把芯片用塑料、陶瓷、金属等绝缘材料外壳包装起来，芯片必须包装起来是因为芯片必须与外界隔离，防止空气中的杂质对芯片中的电路的腐蚀而造成的电气性能的下降；另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏直接影响了芯片自身的性能的发挥和与之连接的PCB（印制电路板）的设计和制造，因此至关重要。

目前材料一般选择绝缘的塑料、陶瓷、金属三种。

典型的封装工艺为：划片—装片—键合—塑封—去飞边—打印—电镀—切筋—成型，成品是一个完整的固体形态。

由于元器件在工作时，尤其是大功率元器件在工作时，会因自身发热而导致元器件的性能下降、工作中断、甚至损坏。所以元器件的散热依赖于封装形式和材料的热传导性能，封装时需要考虑的一个因素就是散热问题。通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配，这样就能缓解由于热环境的变化而产生的应力，以及由于芯片发热而产生的应力，从而可防止芯片破坏。

一种传统的功率半导体元器件的水冷散热结构是，如图1所示，在基体1内设置空阔的行腔2，进、出水口3设在腔体外壁并连通行腔；在行腔中设若干立柱4，一方面起支撑基体上、下两个面的作用，另一方面起散热和热交换的作用。这种结构，会出现在进、出口处流速快，温度低，而在远离进、出口的区域流速慢，温度高，甚至出现涡流死角的现象，导致换热效果不好。

另一种改进形式的功率半导体元器件的水冷散热结构是，将水流行腔改为肠道式沟槽5。如图2所示，这种结构，虽然能使整个散热区域均匀散热，改善了靠近进、出口区域散热好，而远离进、出口区域散热差的问题，和涡流的问题，甚至还能解决死角污垢的问题。但是，综合以上两种结构，都是采用流动水进行散热，并且，也只能是依靠流动水才能解决芯片由于热胀冷缩带来的空间体积变化问题。

发明内容

因此，为解决半导体元器件的散热问题，同时解决芯片热膨胀产生应力的问题，本发明提供一种浸冷式封装的半导体元器件。该元器件采用固定体积的冷却液封装，加置气囊改善热膨胀带来的体积变化，不流动液，同时散热效果好。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

1、一种浸冷式封装的半导体元器件，包括一封闭的壳体，在壳体中预先固装有至少一个晶圆片，其特征在于：在壳体中还充满有冷却液，浸没所述晶圆片；在冷却液中放置有气囊，所述气囊可压缩的最大气体体积量，大于等于所述冷却液受热膨胀时最大的体积增加量。

2、本发明所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述壳体是由易于散热的材料制成。

3、本发明所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述壳体外表面设置有栅格。

4、本发明所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述壳体内固定有晶圆片固定台，所述晶圆片固定在晶圆片固定台上。

5、本发明所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：多个所述晶圆片间隔地设置，在间隔空间中充有冷却液。

6、本发明所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述晶圆片与晶圆片固定台固定接触的面积，以在晶圆片固定台满足支撑功能的基础上，最小为原则。

7、本发明所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述冷却液为绝缘，流动性与导热性高，物理化学稳定性强，沸点高冰点低的溶液。

8、本发明所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述气囊选择柔性、耐高温、绝缘，囊中封存空气的气囊，固定在壳体的内壁上。

9、本发明所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述气囊选择柔性、耐高温、绝缘，囊中封存空气的气囊，悬浮在冷却液中。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用的是一种新型的半导体元器件封装形式，它在封装用的壳体（也可叫基体）内预先固定好晶圆片，并且注满冷却液，冷却液的应用以前在半导体元器件封装技术中从未使用过。并且，冷却液冷却效果好，绝缘，流动性高，物理化学稳定性强等特点，特别适合用于半导体元器件的制作。

2、由于冷却液可以固存，因此减少了进、出管路，使得壳体封装效果好。

3、为了避免冷却液的热膨胀以及晶圆片的热膨胀带来的体积变化问题，本发明在冷却液中置入气囊，利用气囊的可压缩性，有效地解决了热膨胀带来的体积增大问题。因此说，本发明是一种结构简单，散热效果好，又能避免热应力产生的新型封装形式的半导体元器件。

附图说明

图1是现有技术中一种半导体元器件的水冷散热结构示意图；

图2是现有技术中另一种半导体元器件的水冷散热结构示意图；

图3是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图3所示，本发明的整体结构是，一封闭的壳体10，在壳体10内预先固装有晶圆片固定台20和晶圆片30；并在壳体10空腔内充满冷却液40，浸没晶圆片30，冷却液40中置有气囊50。

其中，壳体10是由金属或非金属的易于散热的材料制成。在壳体10完成最后封装之前，首先在壳体10底部固定一个、两个或多个晶圆片固定台20，一般采用焊接固定，晶圆片固定台20的数量视需求而定；其次，在晶圆片固定台20上固定晶圆片30，一般采用焊接或粘接，晶圆片30的数量当然也是一个、两个或多个，视需求而定；最后，在注入冷却液40和气囊50之后，再完成最后一步封装。

这里，较佳地，多个晶圆片30最好间隔设置，使两晶圆片之间也充有冷却液。

晶圆片30与晶圆片固定台20固定相连的部分，接触面积要尽可能的小，晶圆片固定台20在满足支撑功能外，以满足晶圆片30与冷却液有效接触面积最大为原则。

为了增强散热效果，除了将壳体10用易于散热的材料制成，和采用冷却液40以外，还可以在壳体10上制作出栅格60以增加散热表面积。另外，冷却液40要尽可能地充满腔体，将晶圆片30浸没。

冷却液40要选择绝缘，流动性与导热性高，物理化学稳定性强，沸点高冰点低的溶液，例如硅油等。

对于气囊50，固定在壳体10的内壁上，或悬浮在冷却液40中都可以，为冷却液40提供热胀冷缩的变化空间。但是气囊50可压缩的气体体积量要与冷却液40受热膨胀的体积相适合，或者说可压缩的气体体积量一定不能小于冷却液40受热膨胀的体积增大量。

气囊50选择柔性、耐高温、绝缘，囊中封存空气的气囊，例如塑料泡等。

本发明构建一种新型的芯片封装方式，将晶圆片浸没于冷却液中，借助于冷却液的吸热、导热特性，有效改变半导体元器件在工作时的散热问题。

上述各种实施例仅是用于说明本发明，其中各部件的结构、选材和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种浸冷式封装的半导体元器件，包括一封闭的壳体，在壳体中预先固装有至少一个晶圆片，其特征在于：在壳体中还充满有冷却液，浸没所述晶圆片；在冷却液中放置有气囊，所述气囊可压缩的最大气体体积量，大于等于所述冷却液受热膨胀时最大的体积增加量。

2.根据权利要求1所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述壳体是由易于散热的材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述壳体外表面设置有栅格。

4.根据权利要求1所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述壳体内固定有晶圆片固定台，所述晶圆片固定在晶圆片固定台上。

5.根据权利要求1或4所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：多个所述晶圆片间隔地设置，在间隔空间中充有冷却液。

6.根据权利要求4所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述晶圆片与晶圆片固定台固定接触的面积，以在晶圆片固定台满足支撑功能的基础上，最小为原则。

7.根据权利要求1所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述冷却液为绝缘，流动性与导热性高，物理化学稳定性强，沸点高冰点低的溶液。

8.根据权利要求1所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述气囊选择柔性、耐高温、绝缘，囊中封存空气的气囊，固定在壳体的内壁上。

9.根据权利要求1所述的浸冷式封装的半导体元器件，其特征在于：所述气囊选择柔性、耐高温、绝缘，囊中封存空气的气囊，悬浮在冷却液中。