CN108878372A - 挠性散热盖 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及挠性散热盖，揭露散热盖和包括散热盖的封装组件。该散热盖具有配置为与电子元件配合的中心区域、配置为与衬底配合的周围区域、以及置于该中心区域与周围区域之间的连接区域。该连接区域配置为赋予该中心区域以应力消除。

Description

挠性散热盖
技术领域
本发明通常涉及半导体加工，尤其涉及散热盖和包括散热盖的封装组件。
背景技术
半导体封装领域的工业实践是将半导体芯片或芯片堆栈安装至由层压体或有机材料如环氧树脂构成的封装衬底(substrate)。当在操作中上电时，该芯片或芯片堆栈产生热。该封装的热管理可能需要将一些类型的热管理机制安装在该芯片或芯片堆栈上以抽取和发散所产生的热。若缺少有效的散热，则所产生的热可降低芯片效能、削减可靠性并缩短该芯片的使用寿命。
一种类型的热管理解决方案是设置为与半导体芯片或芯片堆栈的外表面热接触的散热盖。传统的散热盖具有实心的、厚度均匀的连续表面。散热盖的这一表面可使用导热材料层黏合至该芯片。散热盖亦可包括使用黏合剂黏合至衬底的法兰(flange)，该黏合剂可以是导电的。
随着半导体芯片和衬底尺寸的增长，封装尺寸也增长，封装可能由于芯片与封装界面处的热应力(stress)和机械应力而变成翘曲、破裂和分层倾向日益增加。特别地，可在封装芯片的转角处或邻近转角处观察到破裂。
需要改善的散热盖和包括散热盖的封装组件。
发明内容
本发明的一种实施方式中，结构包括散热盖，该散热盖具有配置为与电子元件配合的中心区域、配置为与衬底配合的周围区域、以及设置在该中心区域与周围区域之间的连接区域。该连接区域配置为赋予该中心区域以应力消除。
本发明的一种实施方式中，封装组件包括电子元件、衬底和散热盖；该散热盖具有中心区域、具有法兰的周围区域、和设置在该中心区域与该周围区域之间的连接区域。该连接区域配置为赋予该中心区域以应力消除。该封装组件可进一步包括连接该法兰与衬底的黏合剂层、及/或连接该散热盖中心区域与电子元件的热界面层。
附图说明
并入本说明书并作为后者一部分的附图例示性说明本发明的多种实施方式，且与上述的本发明的一般说明和下述实施方式的详细说明一起用来解释本发明的实施方式。
图1是根据本发明的一种实施方式的封装组件的顶视图。
图2是通常沿着图1中的线2-2截取的封装组件的横截面图。
图3是通常沿着图1中的线3-3截取的封装组件的横截面图。
图4是根据本发明的一种实施方式的封装组件的顶视图。
图5是通常沿着图4中的线5-5截取的封装组件的横截面图。
符号说明：
2 图2所示的横截面图切割线
3 图3所示的横截面图切割线
5 图5所示的横截面图切割线
10 封装组件
12 散热盖
14 层压衬底
16 晶片
17 侧边缘
18 中心区域
19 转角
20 周围区域
22 连接区域
23 扇形区
25、26 表面
27 热界面材料层
28 外周界
30 法兰
32 黏合剂层
34、36 焊料球
40 底胶
41 中心点
42、44 特征
d 深度
L 长度
t 厚度
t1 厚度
t2 厚度
w 宽度。
具体实施方式
参考图1、图2、图3且根据本发明的一种实施方式，封装组件10进一步包括散热盖12和层压衬底14，该散热盖和层压衬底与用作典型电子元件的芯片或晶片16组装在一起。层压衬底14可由层压体或有机材料如环氧树脂构成。晶片16可包括一个或多个其装置结构使用前段(Front-end-of-line(FEOL))制程加工的集成电路，且可封装在由固化模塑料构成的块体内。该FEOL制程可包含，例如，用来构建p型和n型场效应晶体管组合的互补金属氧化物半导体(CMOS)制程，其中两种场效应晶体管配合以实现逻辑门和其它类型的数字电路。一种实施方式中，晶片16可以是相对大的芯片，如线性维度为22mm或更大的芯片，其生产相对大的封装组件10。晶片16包括侧边缘17，侧边缘17在转角19处相交，以建立晶片16的外部边界或周界。
散热盖12包括中心区域18，在侧边缘17内的整个表面积上，中心区域18与晶片16通过热界面材料层27配合。散热盖12进一步包括周围区域20，以及将中心区域18与周围区域20连接的连接区域22。周围区域20和连接区域22包围或环绕中心区域18，且连接区域22设在周围区域20与中心区域18之间。周围区域20和连接区域22在连接区域22的外周界28处相交且邻接。
连接区域22包括朝向该层压衬底14和晶片16的表面25、以及与该表面25相反且通过连接区域22的厚度t1与表面26分隔的另一表面26。由于面积不同，在连接区域22的外周界28内，晶片16的侧边缘17被抵消。表面25、26从连接区域22的外周界28延伸至定义晶片16外边界的侧边缘17。
周围区域20成形为提供垂直偏移，该垂直偏移允许周围区域20与层压衬底14连接并同时调适晶片16至散热盖12的中心区域18的连接。周围区域20可包括通过黏合剂层32机械连接至层压衬底14的法兰30，黏合剂层32也可以是导电黏合剂层。法兰30至层压衬底14的附着增加了封装组件10的机械强度并将一导电路径赋予层压衬底14。
散热盖12由导电导热材料构成，如覆镍的铜。热界面材料层27可通过填充位于啮合面之间的微间隙而有效于降低啮合的发热单元与散热单元之间的接触电阻。热界面材料层27也可起辅助令晶片16产生的热在散热盖12与晶片16间整个界面上分散的功能。热界面材料层27可以由热黏合剂、导热脂、导热凝胶、相变材料、导热垫片、或其组合构成。热界面材料层27的热阻可取决于，除其它因素外，接触电阻、堆积导热率、和层厚度。
回流的焊料球34令晶片16上的结合垫片与层压衬底14上的补充结合垫片配合。层压衬底14上的结合垫片可通过焊料球36与印刷电路板(未显示)上的补充结合垫片配合。层压衬底14亦可包括用来接地电位和电源点位输送至晶片16的接地层和电源层。可施加底胶40，令其填充晶片16与层压衬底14之间的未被焊料球34占据的开放空间，底胶40可包括位于晶片16外缘的楞状凸起。当晶片16在最终用途装置中操作时，底胶40保护回流的焊料球34对抗多种不利的环境因素，重新分配由于冲击造成的机械应力，并防止焊料球34在热循环过程中在应变下移动。
散热盖12运行，以抽取并分散晶片16产生的热。散热盖12的厚度和面积应足够大，以便封装翘曲控制和功能性地传播晶片16产生的热。散热盖12对位于接近电磁干扰(EMI)辐射源也就是晶片16处的法拉第屏蔽(Faraday shield)也有贡献。在EMI辐射能够从封装组件10逃逸，从而中断、阻塞或以其它方式降低或限制层压衬底14所附接的印刷电路板上的其它元件有效性能之前，或在EMI辐射能够以其它方式逃逸到容纳晶片16和层压衬底14的系统壳外部之前，EMI辐射被散热盖12捕获。特别地，散热盖12周围区域20可通过将法兰30连接至层压衬底14而接地，因此，EMI辐射可随着电流分散至由层压衬底14中接地层提供的接地。
散热盖12的连接区域22可包括一个或多个特征42，在代表性实施方式中，特征42的形式为延伸穿过连接区域22全厚度的通孔或狭缝。特征42可在用来形成散热盖12的加工(如，冲压)过程中形成。
一种实施方式中，连接区域22中的特征42可关于中心区域18的中心点41呈圆周排列，且可相对于中心点41呈放射取向对齐。各特征42具有位于连接区域22内的一起点和一终点。相邻的成对特征42通过连接区域22的扇形区23分隔。特征42的长度受限，因此特征42不突入中心区域18内，以避免对热抽取和散热的干扰。为了这一目的，特征42可相对于外周界28在贯穿晶片16侧边缘17的各方向上延伸一长度L。特征42的各终点位于除侧边缘17位置外的位置。特征42亦可具有给定宽度w，可考虑到EMI屏蔽而选择作为设计参数的宽度。特征42的长度和宽度，以及特征42的数目和位置，是可选择的设计参数，其赋予散热盖12及通过热界面材料层27与晶片16结合的中心区域18以给定水平的应力减低。
在代表性实施方式中，连接区域22的特征42是线性的。一种备选的实施方式中，特征42中的一个或多个可具有非线性的形状，如弯曲形状或弧形。在代表性实施方式中，特征42是长狭缝。一种备选的实施方式中，特征42中的一个或多个可具有不同的几何形状，如定义延伸穿过连接区域22厚度的孔的环状特征42。
连接区域22的厚度t1可以是均匀的，或者可表示考虑到小幅厚度偏差的平均厚度。在备选的实施方式中，连接区域22的一个或多个扇形区23的厚度t1可以小于晶片16侧边缘17内侧中心区域18的厚度t2。或者，连接区域22整体上可以比中心区域18更薄，且特征42可省略用于提供应力减低的连接区域22的更薄厚度。
与缺乏这些特征的传统散热盖的结构刚度相比，特征42可降低散热盖12的结构刚度。结构刚度的下降可降低晶片16转角和晶片16转角下方的焊料球34和底胶40上的应力。因此，连接区域22以一个或多个特征42组合在一起，定义了中心区域18的应力减低区域。被降低的结构刚度增加了挠性，而不牺牲热传播、翘曲控制、和EMI屏蔽的功能。通过修改特征42的特征参数和形貌(如，宽度、长度、深度、取向)，可将挠性增加的程度调整为具体的配置。
参考图4和图5，图中相同的附图标记指的是图2和图3中的相同特征，且根据备选的实施方式，散热盖12可包括位于连接区域22中的一个或多个特征44，在代表性实施方式中，特征44为未延伸穿过连接区域22全厚度(即，不是通孔且仅为部分深度)的沟槽或通道形式。连接区域22与一个或多个特征44组合在一起，定义了应力减低区域。实施方式中，特征44可具有一深度d，其范围为大于或等于连接区域22厚度的20％且小于或等于连接区域22厚度的80％。一种实施方式中，每一特征44的深度可以是小于或等于2毫米。
特征44成组位于连接区域22的外周界28与晶片16的侧边缘17之间。一种实施方式中，特征44可分布在连接区域22的表面25上，也可亦分布在散热盖12连接区域22的表面26上。或者，特征44可仅分布在表面25上或仅分布在表面26上。表面26上的特征44设置为成对平行于设置为与晶片16侧边缘17对齐的平行特征44。表面25上的特征44也设置为与晶片16的侧边缘17平行对齐。在代表性实施方式中，特征44是线性的，且其设置为与晶片16的侧边缘17平行。对于每一组特征44，表面26上的特征44中的至少一个被设置为与表面25上的特征44中的至少一个平行。
一种实施方式中，特征44可具有类似于特征42对齐的放射取向(图1)，且特征44中的一个或多个可具有向内延伸穿过晶片16边缘17并进入散热盖12中心区域18的长度。因为其深度为厚度的一部分，与作为通孔的特征42相比，中心区域18中特征44对热界面材料层27的影响被降低或无影响。例如，热界面材料层27可流入沟槽内，而非流经通孔。
本文中对术语“垂直”、“水平”、“横向”等描述仅用于举例说明，而非用于限制，以构建参照系。术语如“水平”和“横向”指与半导体衬底上表面平行的平面中的方向，而不考虑其真实三维空间取向。术语如“垂直”和“正交”指垂直于该“水平”和“横向”方向的方向。术语如“上”和“下”表明元件或结构相对于彼此的位置，及/或相对于作为相对标高的半导体衬底上表面的位置。
与另一元件“连接”或“配合”的一个特征可直接连接或配合该另一元件，或者相反，可存在一个或多个中间元件。若不存在中间元件，一个特征可“直接连接”或“直接配合”另一元件。若存在至少一个中间元件，一个特征可“间接连接”或“间接配合”另一元件。
本发明多种实施方式的说明已经呈现用于例示性说明目的，而不应视为无遗或将本发明限制为所揭露的实施方式。该领域技术人员将明了多种修饰和变更而不悖离所描述的实施方式的范畴和精神。选择本文中使用的术语，以最佳地解释该实施方式的原则、特定应用或相对于市面上发现技术的技术改进，或令该领域其他技术人员理解本文中揭露的实施方式。

Claims (20)

1.一种结构，包含：
一散热盖，具有配置为与电子元件配合的中心区域、配置为与衬底配合的周围区域以及置于该中心区域与该周围区域之间的连接区域，该连接区域配置为赋予该中心区域以应力消除。
2.如权利要求1所述的结构，其中，该连接区域环绕该中心区域，且该周围区域环绕该连接区域和该中心区域。
3.如权利要求1所述的结构，其中，该连接区域包括一个或多个延伸穿过该连接区域的厚度的开口，且该一个或多个开口通过降低该连接区域的结构刚度而提供应力消除。
4.如权利要求3所述的结构，其中，该中心区域包括一中心点，且该连接区域中的一个或多个开口中的至少一个相对于该中心区域的该中心点呈放射性取向。
5.如权利要求3所述的结构，其中，该一个或多个开口中的至少一个是线性的。
6.如权利要求3所述的结构，其中，该一个或多个开口各自横向延伸至该电子元件的侧边缘。
7.如权利要求6所述的结构，其中，该一个或多个开口各自具有位于该连接区域内的起点和终点，且该终点位于该电子元件的该侧边缘之外。
8.如权利要求1所述的结构，其中，该连接区域包括多个开口，该多个开口延伸穿过该连接区域的厚度并将该连接区域分为多个扇形区，该中心区域具有第一厚度，且该多个扇形区中的至少一个具有小于该第一厚度的第二厚度。
9.如权利要求1所述的结构，其中，该连接区域具有厚度，该连接区域包括一个或多个沟槽，该一个或多个沟槽部分延伸穿过该连接区域的厚度，且该一个或多个沟槽通过降低该连接区域的结构刚度而提供应力消除。
10.如权利要求9所述的结构，其中，该一个或多个沟槽各自具有大于或等于该连接区域的厚度的20％且小于或等于该连接区域的厚度的80％的深度。
11.如权利要求9所述的结构，其中，该一个或多个沟槽中的至少一个设置为延伸入该中心区域内。
12.如权利要求9所述的结构，其中，该一个或多个沟槽中的至少一个设置为平行于该电子元件的侧边缘而延伸。
13.如权利要求9所述的结构，其中，该连接区域包括第一表面以及以该连接区域的厚度而与该第一表面分离的第二表面，该一个或多个沟槽中的至少一个位于该第一表面上，且该一个或多个沟槽中的至少一个位于该第二表面上。
14.如权利要求13所述的结构，其中，该一个或多个沟槽中位于该第一表面上的该至少一个设置为平行于该一个或多个沟槽中位于该第一表面上的该至少一个而延伸。
15.一种封装组件，包含：
电子元件；
衬底；以及
散热盖，包括中心区域、具有法兰的周围区域以及设置于该中心区域与该周围区域之间的连接区域，
其中，该连接区域配置为赋予该中心区域以应力消除。
16.如权利要求15所述的封装组件，其中，该连接区域具有厚度，该连接区域包括一个或多个延伸穿过该连接区域的厚度的开口，且该一个或多个开口通过降低该连接区域的结构刚度而提供应力消除。
17.如权利要求15所述的封装组件，其中，该连接区域具有厚度，该连接区域包括一个或多个沟槽，该一个或多个沟槽部分延伸穿过该连接区域的厚度，且该一个或多个沟槽通过降低该连接区域的结构刚度而提供应力消除。
18.如权利要求15所述的封装组件，进一步包含：
位于该散热盖的该中心区域与该电子元件之间的热界面层。
19.如权利要求18所述的封装组件，其中，该周围区域包括法兰，且进一步包含：
位于该法兰与该衬底之间的黏合剂层。
20.如权利要求15所述的封装组件，其中，该周围区域包括法兰，且进一步包含：
位于该法兰与该衬底之间的黏合剂层。
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