CN111987052A - 半导体封装 - Google Patents

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CN111987052A
CN111987052A CN202010914544.4A CN202010914544A CN111987052A CN 111987052 A CN111987052 A CN 111987052A CN 202010914544 A CN202010914544 A CN 202010914544A CN 111987052 A CN111987052 A CN 111987052A
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CN
China
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semiconductor package
heat
heat conducting
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package according
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张文远
陈伟政
宫振越
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Shanghai Zhaoxin Integrated Circuit Co Ltd
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Shanghai Zhaoxin Integrated Circuit Co Ltd
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Abstract

本发明公开一种半导体封装。半导体封装包含一基板。半导体封装也包含一半导体管芯，半导体管芯设置于基板之上并电连接于基板。半导体封装还包含一导热结构，导热结构设置于半导体管芯之上。导热结构包含一导热部及与导热部连接的一连接部。导热结构在半导体封装一剖面中被区分为多个导热区域及多个透气区域，且透气区域位于导热区域之间。

Description

半导体封装
技术领域
本发明涉及一种半导体封装，且特别是涉及一种包含更高导热效率的导热结构的半导体封装。
背景技术
随着半导体产业的快速发展，遂发展出小体积、高整合密度、高效能的半导体装置。基于前述趋势，热消散(heat dissipation)在半导体封装中更为重要。若半导体封装中的半导体管芯过热，则可能损坏。随着单一半导体管芯的效能变得更高，半导体管芯会消耗更多的功率并伴随产生更多的热。因此，如何达成良好的热消散已成为一大挑战。
一般而言，会在半导体封装中加入金属导热槽(heat sink)，以加强热消散。然而，为使金属散热模块或散热装置等散热器与半导体管芯结合所用的热界面材料(thermalinterface material)通常包含聚合物，此热界面材料具有较低的热传导系数，导致热传导效率降低。此外，在形成热界面材料的过程中容易产生孔隙(void)，这些孔隙也可能增加热阻(thermal resistance)。
发明内容
本发明提供一种半导体封装，以解决半导体管芯的热消散问题。
本发明实施例包含一种半导体封装。半导体封装包含一基板。半导体封装也包含一半导体管芯，半导体管芯设置于基板之上并电连接于基板。半导体封装还包含一导热结构，导热结构设置于半导体管芯之上。导热结构包含一导热部及与导热部连接的一连接部。导热结构在半导体封装一剖面中被区分为多个导热区域及多个透气区域，且透气区域位于导热区域之间。
在本发明的实施例中，通过在半导体封装中设置具有更高导热效率的导热结构，可有效改善使用一般热界面材料产生的问题，以进一步提升半导体管芯的热消散速度。
附图说明
以下将配合所附的附图详述本发明实施例。应注意的是，各种特征部件并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，元件的尺寸可能经放大或缩小，以清楚地表现出本发明实施例的技术特征。
图1为本发明一实施例的半导体封装的部分剖视图；
图2为本发明一实施例的导热膜在平坦状态的示意图；
图3A至图3D为将一个图2所示的导热膜形成图1所示的导热部的不同范例的示意图；
图4A与图4B为将多个图2所示的导热膜形成图1所示的导热部的不同范例的示意图；
图5为本发明另一实施例的导热结构的部分俯视图；
图6为本发明另一实施例的半导体封装的部分剖视图；
图7为本发明又一实施例的半导体封装的部分剖视图。
符号说明
100,102,104:半导体封装
10:基板
10B:底表面
10T:顶表面
11:焊球
13:内连线系统
20:半导体管芯
30:导热结构
31:导热部
31-1:导热区域
31-3:透气区域
33:连接部
36:导热膜
40:盖体
50:散热器
T:厚度
A-A’,B-B’,C-C’,D-D’,E-E’,F-F’:剖面线
C:封闭的空间
S1,S2:表面
X,Y,Z:坐标轴
具体实施方式
以下的揭露内容提供许多不同的实施例或范例以实施本案的不同特征。以下的揭露内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。例如，若是本发明实施例叙述了一第一特征部件形成于一第二特征部件之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征部件与上述第二特征部件是直接接触的实施例，也可能包含了有附加特征部件形成于上述第一特征部件与上述第二特征部件之间，而使上述第一特征部件与第二特征部件可能未直接接触的实施例。
应理解的是，额外的操作步骤可实施于所述方法之前、之间或之后，且在所述方法的其他实施例中，部分的操作步骤可被取代或省略。
此外，其中可能用到与空间相关用词，例如「在…下方」、「下方」、「较低的」、「在…上方」、「上方」、「较高的」及类似的用词，这些空间相关用词为了便于描述图示中一个(些)元件或特征部件与另一个(些)元件或特征部件之间的关系，这些空间相关用词包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及附图中所描述的方位。当装置被转向不同方位时(旋转90度或其他方位)，则其中所使用的空间相关形容词也将依转向后的方位来解释。
在说明书中，「约」、「大约」、「大抵」的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，或10％之内，或5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明「约」、「大约」、「大抵」的情况下，仍可隐含「约」、「大约」、「大抵」的含义。
除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与此篇揭露所属的一般技术者所通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有与相关技术及本发明的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本发明实施例有特别定义。
以下所揭露的不同实施例可能重复使用相同的参考符号及/或标记。这些重复为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。
图1显示根据本发明一实施例的半导体封装100的部分剖视图。要注意的是，为了简便起见，图1中可能省略半导体封装100的部分部件。
参照图1，半导体封装100包含一基板10。在一些实施例中，基板10的材料可包含元素半导体，例如：硅或锗；化合物半导体，例如，碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、锑化铟等；合金半导体，例如：硅锗(silicon germanium)、砷磷化镓(galliumarsenide phosphide)、磷化铝铟(aluminum indium phosphide)、砷化铝镓(aluminumgallium arsenide)、砷化镓铟(gallium indium arsenide)、磷化镓铟(gallium indiumphosphide)、砷磷化镓铟(gallium indium arsenide phosphide)等或前述的组合，但本发明实施例并非以此为限。在一些其他的实施例中，基板10的材料可包含有机高分子复合材料及其前述的组合。
在一些实施例中，基板10可包含各种导电特征(例如，导线(conductive line)或导孔(via))。举例而言，前述导电特征可由铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、其各自的合金、其他适当的导电材料或上述的组合所形成，但本发明实施例并非以此为限。如图1所示，位于基板10的底表面10B的多个焊球11可形成一球栅阵列(ball grid array,BGA)，使半导体封装100的基板10可与半导体封装100外部的电子装置电连接。
参照图1，半导体封装100包含半导体管芯20，半导体管芯20设置于基板10之上并电连接于基板10。具体而言，半导体管芯20可通过一内连线系统(interconnect system)13连接于基板10的顶表面10T。在一些实施例中，内连线系统13可包含一金属凸块(metalbump)(例如，焊球(solder ball)、锡铅凸块(solder bump))、卷带接合(tape-automatedbonding,TAB)、各向异性导电胶(anisotropic conductive adhesive,ACA)、高分子凸块(polymeter bump)或其他适合的导电材料，但本发明实施例并非以此为限。举例来说，金属凸块可于半导体管芯20与基板10之间形成一冶金内连线(metallurgicalinterconnection)。
参照图1，半导体封装100包含一导热结构30，导热结构30设置于半导体管芯20之上。导热结构30可用于将半导体管芯20产生的热排出。具体而言，如图1所示，导热结构30包含一导热部31及与导热部31连接的一连接部33，且连接部33可与半导体管芯20的顶表面20直接接触，但本发明实施例并非以此为限。
在本实施例中，导热部31的材料可包含石墨烯(graphene)或类石墨烯的材料，而连接部33的材料可包含金属与焊料，但本发明实施例并非以此为限。在一些其他的实施例中，导热部31的材料可包含石墨、碳纤维、氮化硼或其他合适的材料。在一些实施例中，连接部33可通过金属溅射(Metal sputtering)的方式形成于导热部31的底部，但本发明实施例并非以此为限。
参照图1，在半导体封装100的剖面中，导热部31被区分为多个导热区域31-1及多个透气区域31-3，透气区域31-3位于导热区域31-1之间。多个导热区域31-1及多个透气区域31-3可通过不同的方式形成，以下将通过附图进行详细说明。
在一些实施例中，导热结构30的导热部31可由单一导热膜36或多个导热膜36所形成。图2绘示根据本发明一实施例的导热膜36在平坦状态的示意图。参照图2，导热膜36可为一石墨烯薄膜。在一些实施例中，导热膜36在其表面(即X-Y平面)的热传导系数可大于或等于约500W/mK，或者可大于或等于约1000W/mK；在一些实施例中，导热膜36的厚度T可介于10μm至300μm，但本发明实施例并非以此为限。此外，在一些实施例中，(石墨烯)导热膜36在第一表面S1(例如：即X-Y平面)的热传导系数大于导热膜36在第二表面S2(即导热膜36的侧表面，例如：即X-Z平面或是Y-Z平面)的热传导系数(Z方向的热传导系数)。亦即，(石墨烯)导热膜36在第一表面S1的热传导优于第二表面S2的热传导，可作为主要的散热途径。
图3A至图3D绘示将一个图2所示的导热膜36形成图1所示的导热部31的不同范例。举例来说，图3A至图3D可分别为导热部31的俯视图，而图1所示的导热部31可例如为沿着图3A中的剖面线A-A’、沿着图3B中的剖面线B-B’、沿着图3C中的剖面线C-C’或沿着图3D中的剖面线D-D’所切的剖面，但本发明实施例并非以此为限。
参照图3A，导热结构30的导热部31由单一导热膜36所形成，且导热膜36可被卷曲为类似圆形的螺旋状。亦即，在本实施例中，导热结构30的导热部31在基板10的顶表面10T上的投影可为螺旋状，但本发明实施例并非以此为限。在此实施例中，由于导热膜36在X-Y平面(参照图2)有较大的热传导系数，所以管芯20产生的热可由朝向透气区域31-3的第一表面S1排出，并通过透气区域31-3传递至外界。
参照图3B，导热结构30的导热部31由单一导热膜36所形成，且导热膜36可被弯折为方波(square wave)状。亦即，在本实施例中，导热结构30的导热部31在基板10的顶表面10T上的投影可为方波状，但本发明实施例并非以此为限。在此实施例中，由于导热膜36在X-Y平面(参照图2)有较大的热传导系数，且弯折的导热膜36具有较大的表面积(相较于未弯折的导热膜)，所以管芯20产生的热可由朝向透气区域31-3的第一表面S1更有效率地排出，并通过透气区域31-3传递至外界。
参照图3C，导热结构30的导热部31由单一导热膜36所形成，且类似地，导热膜36可被弯折为与第3B图不同的方波状。亦即，在本实施例中，导热结构30的导热部31在基板10的顶表面10T上的投影可为方波状，但本发明实施例并非以此为限。在此实施例中，由于导热膜36在X-Y平面(参照图2)有较大的热传导系数，所以管芯20产生的热可由朝向透气区域31-3的第一表面S1更有效率地排出，并通过透气区域31-3传递至外界。
参照图3D，导热结构30的导热部31由单一导热膜36所形成，且导热膜36可被卷曲为类似矩的螺旋状。亦即，在本实施例中，导热结构30的导热部31在基板10的顶表面10T上的投影可为螺旋状，但本发明实施例并非以此为限。在此实施例中，由于导热膜36在X-Y平面(参照图2)有较大的热传导系数，所以管芯20产生的热可由朝向透气区域31-3的第一表面S1排出，并通过透气区域31-3传递至外界。
在图3A至图3D所示的范例中，导热结构30的导热部31都由单一导热膜36所形成，但本发明实施例并非以此为限。图4A与图4B绘示将多个图2所示的导热膜36形成图1所示的导热部31的不同范例。举例来说，图4A与图4B可分别为导热部31的俯视图，而图1所示的导热部31可例如为沿着图4A中的剖面线E-E’或沿着图4B中的剖面线F-F’所切的剖面，但本发明实施例并非以此为限。
参照图4A，导热结构30的导热部31由多个导热膜36所形成，且每个导热膜36可被卷曲为一(封闭)圆形。亦即，每个导热膜36在基板10的顶表面10T上的投影为一(封闭)圆形。此外，这些导热膜36在基板10的顶表面10T上的投影彼此的距离相等(亦即，在半导体封装100的剖面中，多个透气区域31-3具有相同的宽度)，使得导热结构30的导热部31在基板10的顶表面10T上的投影可为同心圆，但本发明实施例并非以此为限。在此实施例中，由于每个导热膜36在X-Y平面(参照图2)有较大的热传导系数，所以管芯20产生的热可由各自的导热膜36中朝向透气区域31-3的第一表面S1排出，并通过相邻两个导热膜36之间的透气区域31-3传递至外界。
参照图4B，导热结构30的导热部31由多个导热膜36所形成，且每个导热膜36可被弯折形成为一(封闭)矩形。亦即，每个导热膜36在基板10的顶表面10T上的投影为一(封闭)矩形。此外，这些导热膜36在基板10的顶表面10T上的投影彼此的距离相等，使得导热结构30的导热部31在基板10的顶表面10T上的投影可为具有共同的中心但不同宽度的多个矩形，但本发明实施例并非以此为限。在此实施例中，由于每个导热膜36在X-Y平面(参照图2)有较大的热传导系数，所以管芯20产生的热可由各自的导热膜36中朝向透气区域31-3的第一表面S1排出，并通过相邻两个导热膜36之间的透气区域31-3传递至外界。
在一些其他的实施例中，每个导热膜36在基板10的顶表面10T上的投影所形成的封闭图形可包含椭圆形、三角形、五边形、其他多边形或不规则形，可依实际需求调整。此外，在一些其他的实施例中，这些导热膜36在基板10的顶表面10T上的投影彼此的距离也可不同，可依实际需求调整。
再者，在前述的实施例中，都以导热结构30只包含一个导热部31进行说明，但本发明实施例并非以此为限。图5绘示根据本发明另一实施例的导热结构30的部分俯视图。参照图5，在一些实施例中，导热结构30包含多个导热部31，而连接部33可通过金属溅射的方式形成于这些导热部31的底部，但本发明实施例并非以此为限。
举例来说，每个导热部31可被卷曲为如图3A所示的结构，但本发明实施例并非以此为限。在一些其他的实施例中，每个导热部31可具有(或类似于)如图3B、图3C、图3D、图4A或图4B所示的结构。或者，导热结构30所包含的多个导热部31彼此的结构不完全相同。举例来说，一些导热部31可具有(或类似于)如图3A所示的结构，而其他导热部31中可具有(或类似于)如图3C所示的结构，可依实际需求调整。
再者，如图5所示，在一些实施例中，导热结构30的多个导热部31可形成一阵列(例如，4×2的阵列)，但本发明实施例并非以此为限。在一些其他的实施例中，导热结构30的多个导热部31也可以呈其他规则或不规则的排列。
由于本发明实施例的导热膜36在其表面的具有较大的热传导系数(例如，大于或等于约500W/mK，或者大于或等于约1000W/mK)，通过将导热膜36卷曲或弯折为前述各种不同实施例的结构，可增加导热结构30的导热部31的整体导热效率，以进一步提升半导体管芯20的热消散速度。
此外，本发明实施例的半导体封装100不需要使用包含低热传导系数的聚合物的热界面材料，能有效降低由于形成热界面材料的过程中产生孔隙造成热阻增加的可能性。
图6显示根据本发明另一实施例的半导体封装102的部分剖视图。类似地，为了简便起见，图6中可能省略半导体封装102的部分部件。
参照图6，半导体封装102包含一基板10。半导体封装102也包含一半导体管芯20，半导体管芯20设置于基板10之上并电连接于基板10。半导体封装103还包含一导热结构30，导热结构30设置于半导体管芯20之上。导热结构30包含一导热部31及与导热部31连接的一连接部33。导热结构30在半导体封装102一剖面中被区分为多个导热区域31-1及多个透气区域31-3，且透气区域31-3位于导热区域31-1之间。
参照图6，在一些实施例中，半导体封装102可进一步包含一盖体40，盖体40设置于导热结构30之上并与导热结构30直接接触。如图6所示，盖体40与基板10之间可形成一相对或是几乎封闭的空间C，且半导体管芯20与导热结构30都位于封闭的空间C中。
在一些实施例中，盖体40的材料可包含金属(例如，金、铝、铜等)、金属合金或其他具有高导电系数的材料，但本发明实施例并非以此为限。此外，在一些实施例中，盖体40可通过粘着剂粘附于基板10的顶表面10T，以形成封闭的空间C，但本发明实施例并非以此为限。
图7显示根据本发明又一实施例的半导体封装104的部分剖视图。类似地，为了简便起见，图7中可能省略半导体封装104的部分部件。
图7所示的半导体封装104具有与图6所示的半导体封装102类似的结构。其不同之处在于，半导体封装104可进一步包含一散热器50，散热器50设置于盖体40之上。举例来说，散热器50可包含散热模块或散热装置。具体而言，如图7所示，半导体封装104可包含两个导热结构30，一个导热结构30设置于半导体管芯20与盖体40之间，并与半导体管芯20及盖体40直接接触；另一个导热结构30设置于盖体40与散热器50之间，并与盖体40及散热器50直接接触，但本发明实施例并非以此为限。
在一些实施例中，散热器50的材料可与盖体40的材料相同或相似，举例来说可包含金属(例如，金、铝、铜等)、金属合金或其他具有高导电系数的材料，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，散热器50可进一步提升半导体封装104的整体导热效率。
综上所述，在本发明实施例中，通过在半导体封装中设置具有更高导热效率的导热膜，并将导热膜卷曲或弯折为前述各种不同实施例的结构，可增加导热结构的导热部的整体导热效率，由此有效改善使用一般热界面材料产生的问题(例如，有效降低由于形成热界面材料的过程中产生孔隙造成热阻增加的可能性)，以进一步提升半导体管芯的热消散速度。
以上概述数个实施例的部件，以便在本发明所属技术领域中具有通常知识者可以更理解本发明实施例的观点。在本发明所属技术领域中具有通常知识者应该理解，他们能以本发明实施例为基础，设计或修改其他制作工艺和结构以达到与在此介绍的实施例相同的目的及/或优势。在本发明所属技术领域中具有通常知识者也应该理解到，此类等效的结构并无悖离本发明的精神与范围，且他们能在不违背本发明的精神和范围之下，做各式各样的改变、取代和替换。因此，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定者为准。另外，虽然本发明已以数个优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明。
整份说明书对特征、优点或类似语言的引用，并非意味可以利用本发明实现的所有特征和优点应该或者可以在本发明的任何单个实施例中实现。相对地，涉及特征和优点的语言被理解为其意味着结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因而，在整份说明书中对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定代表相同的实施例。
再者，在一个或多个实施例中，可以任何合适的方式组合本发明的所描述的特征、优点和特性。根据本文的描述，相关领域的技术人员将意识到，可在没有特定实施例的一个或多个特定特征或优点的情况下实现本发明。在其他情况下，在某些实施例中可辨识附加的特征和优点，这些特征和优点可能不存在于本发明的所有实施例中。

Claims (14)

1.一种半导体封装，其特征在于，包括：
基板；
半导体管芯，设置于该基板之上并电连接于该基板；
导热结构，设置于该半导体管芯之上，该导热结构包括导热部及与该导热部连接的连接部，且该导热部在该半导体封装一剖面中被区分为多个导热区域及多个透气区域，该些透气区域位于该些导热区域之间。
2.如权利要求1所述的半导体封装，其中该导热部的材料包括石墨烯、石墨、碳纤维或氮化硼。
3.如权利要求1所述的半导体封装，其中该导热部由导热膜所形成，且该导热膜在该基板的顶表面上的投影为螺旋状。
4.如权利要求1所述的半导体封装，其中该导热部由导热膜所形成，且该导热膜在该基板的顶表面上的投影为方波状。
5.如权利要求1所述的半导体封装，其中该导热部具有第一表面和第二表面，该第一表面的热传导系数大于该第二表面的热传导系数，且该第一表面朝向对应的该透气区域。
6.如权利要求1所述的半导体封装，其中该导热部由多个导热膜所形成，且每该导热膜在该基板的顶表面上的投影为封闭图形。
7.如权利要求6所述的半导体封装，其中该封闭图型为圆形、椭圆形、多边形或不规则形。
8.如权利要求6所述的半导体封装，其中该些导热膜在该基板的顶表面上的投影彼此的距离相等。
9.如权利要求6所述的半导体封装，其中每个该导热膜具有第一表面和第二表面，该第一表面的热传导系数大于该第二表面的热传导系数，且该第一表面朝向对应的该透气区域。
10.如权利要求1所述的半导体封装，其中该导热结构包括多个该导热部，且该连接部连接该些导热部。
11.如权利要求10所述的半导体封装，其中该些导热部形成阵列。
12.如权利要求1所述的半导体封装，还包括：
盖体，设置于该导热结构之上并与该导热结构直接接触，
其中该盖体与该基板之间形成封闭的空间，该半导体管芯与该导热结构位于该封闭的空间中。
13.如权利要求12所述的半导体封装，还包括：
散热器，设置于该盖体之上。
14.如权利要求13所述的半导体封装，其中该半导体封装包括多个该导热结构，且该些导热结构的其中之一设置于该盖体与该散热器之间。
CN202010914544.4A 2020-03-26 2020-09-03 半导体封装 Pending CN111987052A (zh)

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