CN1174484C - 具有散热结构的半导体封装件 - Google Patents

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Abstract

一种具有散热结构的半导体封装件，包括一黏接至一基板上的半导体芯片，该半导体芯片具有一作用表面，以供多个的焊线焊接其上而将该半导体芯片与基板电性连接；该作用表面上是通过一胶黏层黏接有一由热膨胀系数与该半导体芯片相近的材料制成的盖片，以降低热应力对半导体芯片的影响而有效避免半导体芯片裂损的发生，且藉以提升半导体芯片的作用表面所产生热量的逸散效率，及避免外界入侵的水气凝聚于该半导体芯片的作用表面上；该基板上并接设有一散热片，该散热片具有一顶面以外露出用以包覆该半导体芯片与盖片的封装胶体，且该散热片与该盖片的顶面间相隔一适当距离，以避免散热片触压该半导体芯片，但同时能有效缩减位于散热片与半导体芯片之间的封装树脂的厚度，而可提升散热效率。

Description

具有散热结构的半导体封装件
技术领域
本发明是关于一种半导体封装件，尤指一种具有散热片且该散热片的顶面外露出封装胶体以提升散热效率的半导体封装件。
背景技术
球栅阵列(BGA)半导体封装件(Ball Grid Array SemiconductorPackage)之所以成为封装产品的主流，在于其能提供充分数量的输入/出连结端(I/O Connections)以符合高密度的电子组件(ElectronicComponents)及电子电路(Electrical Circuits)的半导体芯片的需求。然而，半导体芯片上的电子组件及电子电路的密度越高，其运作时所产生的热量便越多；但若不将半导体芯片所产生的热量有效逸散，将会影响至半导体芯片的性能及使用寿命。再者，传统上，BGA半导体封装件的高性能半导体芯片是为封装胶体(Encapsulant or Resin Body)所包覆，而构成封装胶体的封装树脂的热导系数K仅约为0.8w/m·K，热传导性很差，故往往令半导体芯片布设有电子组件及电子电路的作用表面(Active Surface)上产生的热量无法有效通过封装胶体的传递而逸散至大气中。
此外，半导体芯片的材料的热膨胀系数(Coefficient of ThermalExpansion，CTE)约为3ppm/℃，而一般形成封装胶体的封装树脂的CTE则高达约20ppm/℃，故在封装胶体包覆半导体芯片后，于用以固化封装胶体的烘烤作业(Curing)、将半导体封装件焊设于印刷电路板上的迴焊作业(Solder Reflow)及半导体封装件于温度循环(Temperature Cycle)可靠性验证作业中的大幅温度变化下封装胶体较大的热胀冷缩幅度往往会对半导体芯片产生相当的热应力(ThermalStress)效应，而易导致半导体芯片裂损(Crack)，包覆半导体芯片的封装胶体愈厚或半导体芯片愈薄或寸愈大时，对半导体芯片产生的热应力效应愈益显著。所以，此种现有半导体封装件在制造上始终有着良率无法有效提升的缺点。
为解决现有BGA半导体封装件在散热性上的不足，于是在BGA半导体封装件中装设有散热片的结构因应而生。此种将散热片包覆于封装胶体中的方式，虽有助于散热效率的提升，惟半导体芯片作用表面所产生的热量传递至大气的路径中，仍有相当大的部分是经过散热性不佳的封装胶体，使此种半导体封装件的整体散热效率无法提升至令人满意的程度。
针对上述具散热片的BGA半导体封装件的缺点，美国专利第5,216,278号遂提出一种散热片的顶面外露出封装胶体的半导体封装件。如图5所示，该种半导体封装件1的散热片10是通过一导热性胶黏层11黏接至芯片12的顶面上，且该散热片10的上表面100是外露出用以包覆芯片12的封装胶体13。此种结构使芯片12所产生的热量可直接由该导热性胶黏层11与散热片10构成的散热途径(ThermallyConductive Path)逸散至大气中，毋须通经散热性不佳的封装胶体13，故散热效率得到有效提升。然而，散热片10是直接黏着至芯片12的顶面上，当散热片10与芯片12存在厚度上的公差，在进行模压作业(Molding)的合模注胶时，往往会使散热片10受到封装模具(未图标)的压力，该压力便经由散热片10而传递至芯片12上，致使芯片12因而裂损(Crack)，故此种散热片黏接至芯片上的半导体封装件在制造上便存在优良率无法提升的问题；再而，如前所述，半导体芯片的材料的热膨胀系数为约3ppm/℃，然，一般以铜金属制成的散热片10的热膨胀系数则高达约18ppm/℃，在不同制程的温度循环中，散热片10即会对芯片12产生显著的热应力效应而导致芯片12的裂损，故同样地影响至制成品的优良率。
为避免散热片直接黏附至芯片表面上所产生的诸多问题，本案的申请人便于1998年10月12日提出的台湾第87116851号专利申请案中提出一种具散热片的半导体封装件。如图6所示，该种半导体封装件2的散热片20与前述的美国专利的结构相似，均是将散热片20的顶面200外露出封装胶体23，使顶面200直接接触大气以提升散热片20逸散热量的效率；同时，该散热片20的底面201是与芯片22相隔一距离，以避免散热片20于合模注胶时会压触到芯片22，然而该散热片20的底面201与芯片22间是充填有形成封装胶体23的封装树脂，使前述公知半导体封装件的芯片为封装胶体包覆所产生的缺点仍旧会发生在该种半导体封装件2中，即芯片22产生的热量仍须经由封装胶体23而得递至散热片20，将使散热片20的散热效率受到影响，且通常是位于芯片22与散热片20间的距离H越大，封装树脂产生的热阻值越大，热阻值越大则会造成芯片表面温度(Tj)越高，芯片的表面温度越高则越不利于芯片性能的维持与使用期限；还有，封装胶体23仍直接包覆芯片22，令芯片22受到的热应力效应依然显著，使芯片22受损的可能性无法有效降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在半导体芯片上黏片且使盖片与顶面外露出封装胶体的散热片间保持有一适当距离的半导体封装件，以通过该盖片与半导体芯片的接合，避免水气于半导体芯片的作用表面上凝聚，且能有效降低材质间的热应力对半导体芯片产生的影响，而避免半导体芯片于温度循环中发生裂损，以提升制成品的优良率，并进而缩减散热途径中封装胶体所占的部分，以有效提升散热效率，同时，散热片不与半导体芯片接触，故无压触半导体芯片而使其受损的忧虑。
本发明所提供的半导体封装件包括：一基板，具有一顶面及一相对的底面；一黏设于该基板的顶面上的半导体芯片，其具有一作用表面及一与基板的顶面相接的非作用表面；多个的第一导电组件，用以电性连接该半导体芯片与基板；一黏接至该半导体芯片的作用表面上的盖片，其为热膨胀系数相近于该半导体芯片的材料所制成；一接设于该基板的顶面上的散热片，其具有一顶面与一相对的底面，且该散热片的底面与该盖片间形成有一间隙；多个植设于该基板底面上的第二导电组件，用以将该半导体芯片与外界电性连结；以及一用以包覆该半导体芯片、盖片、第一导电组件及散热片的封装胶体，但令该散热片的顶面外露出该封装胶体。
在本发明的另一实施例中，该半导体芯片是通过焊锡凸块(SloderBump)以覆晶(Flp Chip)方式将半导体芯片的作用表面与基板电性连接，故该盖片是黏接于该半导体芯片的非作用表面上。
适用于该盖片的材料是与半导体芯片的热膨胀系数相近，并无特定限制，惟仍以半导体材料或金属材料等可有效传导由与该盖片相接的半导体芯片而来的热量为宜，故较较佳的为经测试淘汰的不良晶圆(Wafer)所切割下来的，这样，该盖片与半导体芯片即具有相同热膨胀系数，而在温度循环中对半导体芯片的作用表面产生最小的热应力。
该盖片与散热片间的间隙不宜过大，以避免充填其中的封装胶体厚度过大而影响散热效率，但也不宜过小，以避免模压作业进行时，注入的封装树脂于该间隙中会因阻力变大而流速变小，导致气洞(Void)形成于该盖片与散热片的间；而封装胶体中若有气洞形成，易在温度循环、信赖可靠性验证测试或实际运作中发生气爆(Popcorn)，致使制成品具有信赖性的问题，且气洞的形成也会增加热阻(因气体的热传导性较封装胶体为差)，而会降低散热效率。因而，在避免气洞生成及间隙过大而影响散热效率的考量下，该间隙的大小宜在0.03mm至0.45mm的间，并以0.05mm至0.30mm的间为较宜。
同时，为进一步在缩小间隙以降低半导体封装件制成后的整体高度但又不致于造成气洞的生成的情况下，可在盖片的顶面上形成有沿注胶时封装树脂模流流动方向所开设的多个沟槽，或形成有多个的凸粒，以由凸粒间形成有可顺向导流封装树脂模流的流道；同理，在该散热片的底面位于该盖片上方的部位上也可形成有顺沿封装树脂模流流动方向所开设的多个沟槽，或由多个凸粒形成的流道。同时，该散热片的底面及盖片的顶面可同时形成有前述的沟槽或由凸粒构成的流道。
附图说明
以下兹以具体实施例配合所附图式进一步详细说明本发明的特点及功效。
图1是本发明第一实施例的半导体封装件的剖视图；
图2是本发明第二实施例的半导体封装件的剖视图；
图3A是本发明第三实施例的半导体封装件的部分剖开的立体图；
图3B是第3A图沿3B-3B线的剖视图；
图4是本发明第四实施例的半导体封装件的部分剖开的立体图；
图5是公知半导体封装件的剖视图；以及
图6是另一公知半导体封装件的剖视图。
组件符号
1、2、3、4、5、6半导体封装件
10、20、34、54、64散热片
11导热性胶黏层12、22芯片
13、23、35封装胶体100上表面
200、300、340a顶面201、301、340b底面
30、40基板31、41、411半导体芯片
32金线  33、43、53、63盖片
36焊球37、38胶黏剂
310、410作用表面311非作用表面
340片体341撑脚
42焊锡凸块530槽沟
630凸粒H距离
S  间隙
具体实施方式
第一实施例
图1所示为本发明第一实施例的半导体封装件的剖视图。
如图所示，该第一实施例的半导体封装件3是包括一基板30，一黏接至该基板30上的半导体芯片31，多根将半导体芯片31电性连接至该基板30的金线32，一黏接至该半导体芯片31上的盖片33，接置于基板30上的散热片34，以及包覆该半导体芯片31、金线32、盖片33及部分的散热片34的封装胶体35。
该基板30具有一布设有多个导电迹线(此为公技术，故未图标)的顶面300以及一相对的也布设有多个导电迹线(未图标)的底面301，其并开设有多个导电穿孔(Vias，未图标)以使顶面300上的导电迹线与底面301上的导电迹线电性连接；该基板30的底面301上还植接有多个焊球36，以供该半导体芯片31与基板30电性连接后，通过该焊球36电性连接至如印刷电路板等外界装置(External Device)。供该基板30制造用的材料可为一般的环氧树脂、聚亚硫氨树脂、三氮杂苯树脂等、或陶瓷材料、玻璃材料等，就其中，又以BT(Bismaleimidetriazine)树脂为较宜。
该半导体芯片31则具有一布设有多个电子组件及电子电路的作用表面310及一相对的非作用表面311，其即是通过该非作用表面311以常用的如银胶等胶黏剂37黏接至该基板30的顶面300上。
该盖片33是使用列为不良品的芯片(Defective Die)以使其热膨胀系数同于半导体芯片31，以在该封装胶体35固化成型后，该盖片33与半导体芯片31的组合可提供半导体芯片31较佳的机械强度，而有效降低封装胶体35于后续制程的温度变化(Temperature Variation及可靠性验证的温度循环(Temperature Cycle)中对半导体芯片31的作用表面310产生的热应力，故能减少半导体芯片31裂损的发生，使制成品的良率和可靠性为之提高并增强了半导体芯片31的抗撞击性。该盖片33宜以热导性的胶黏剂38黏接至半导体芯片31的作用表面310上，以使作用表面310所产生的热量能够有效地通过该胶黏剂38传递至该盖片33。该盖片33的大小是小于半导体芯片31，以避免其黏接至该半导体芯片31上后触及作用表面310上的焊垫(未图标)或影响至金线32的焊线作业的进行；然当金线是以反向焊接(ReverseBondiy)的方式焊接于基板30与半导体芯片31间时，该盖片33可与半导体芯片31一样大小，或甚至略大于半导体芯片31。
该散热片34是由一片体340及用以将该片体340支撑至位于该半导体芯片31上方且不与盖片33及金线32接触的高度的撑脚341所构成。该片体340具有一外露出该封装胶体35的顶面340a及一相对的底面340b，该底面340b须与盖片33的上表面(未予标号)相隔一适当距离而使散热片34与盖片33间形成一间隙S。该间隙S的大小不能过小而致封装胶体35于散热片34与盖片33间的部位形成有气洞，但也毋须过大而使封装胶体35位于间隙S中的部位的厚度过高而影响至整体的散热效率；因而，间隙S宜在0.03mm至0.45mm的范围间，且以0.05mm至0.30mm的范围为较宜。散热片34不致碰触至盖片33的情况，可避免模压作业时因各组件的厚度公差的累积而导致半导体芯片31受压裂损，并可大幅降低半导体芯片31所承受的热应力；但因与盖片33间仅隔开甚小距离，散热片34仍可有效地将由半导体芯片31而来的热量通过其外露的顶面340a逸散至大气中，而无公知半导体封装件的散热途径有相当大的部分是通径热导性不佳的封装树脂的缺点。
为证明上述半导体封装件3的散热效能的提升，兹将其与其它现有技术进行散热效能实验，其结果示于表一至表三。
表一：实验对象的封装件型式
封装件型式     结构I     结构II 结构III(本发明)
A     -     0.3     0.3
尺寸 B     0.8398     0.539     0.2
(mm) C     -     -     0.6144
D     0.3048     0.3048     0.3048
表二：各型式的封装件的其它规格
封装件规格 336-pin BGA
封装件尺寸(L×W×H) 27×27×2.33mm
芯片尺寸 7.77×7.77mm2
焊球间距 1.27mm
基板厚度 0.56mm
散热用焊球数量 36
基板的铜层数 4层
表三：实验结果(于6w的加热能量及静止空气状态下进行测试)
 封装件   Qj-a(℃/w)
 I     9.6
 II     9.0
 III(本发明)     8.4
第二实施例
图2所示为本发明的第二实施例的半导体封装件的剖视图。如图所示，该第二实施例的半导体封装件4的结构大致同于前述的第一实施例，其不同处在于该半导体芯片41是以覆晶(Flip Chip)方式电性连接至基板40上。该半导体芯片41的作用表面410是朝下通过多个的焊锡凸块(Solder Bumps)42黏接至基板40上，由于该半导体芯片41的非作用表面411是朝上以供盖片43的黏设，故盖片43的尺寸可与半导体芯片41相同，而无影响半导体芯片41与基板40间的电性连接作业的忧虑。
第三实施例
图3A及图3B所示为本发明第三实施例的半导体封装件的部分剖开的立体图及其剖视图。如图所示，该第二实施例的半导体封装件5的结构大致同于前述的第一实施例，其不同处在于该半导体封装件5的盖片53上是形成有多个的槽沟530，各槽沟530乃顺沿封装树脂的注胶方向形成，以降低封装树脂模流进入散热片54与盖片53间的流速的影响，使有效减少气洞形成的机率。同理，该种槽沟可相对地设于散热片54的底面位于盖片53的上方处，也可产生相同的效果。
第四实施例
图4所示为本发明第四实施例的半导体封装件的部分剖开的立体图。如图所示，该第四实施例的半导体封装件6的结构大致同于前述的第一实施例，其不同处在于该半导体封装件6的盖片63上是形成有多个成阵列方式排列的凸粒630，使由凸粒间形成供封装树脂模流通过的流道，而使封装树脂模流在流经散热片64与盖片63间时，其流速不致改变太多而造成气洞的形成。同理，该种凸粒也可设置于散热片64的底面上，仍可产生相同的效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施例而已，其它任何未背离本发明的精神与技术下所作的等效改变或修饰，均应仍包含在本专利的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种具有散热结构的半导体封装件，包括：
一基板(30)，具有一顶面(300)及一相对的底面(301)；
一半导体芯片(31)，其具有一作用表面(310)与一相对的非作用表面(311)，该半导体芯片是通过其非作用表面黏接至该基板的顶面(300)上；
多个第一导电元件(32)，用以电性连接该基板与半导体芯片；
一盖片(33)，是黏设至该半导体芯片(31)的作用表面(310)上，其具有与半导体芯片(31)相近的热膨胀系数；
一散热片(34)，具有一顶面(340a)与一相对的底面(340b)，使其接置于该基板(30)上后，该散热片的底面与该盖片间是形成有一间隙；
一封装胶体(35)，用以包覆该半导体芯片(31)、第一导电元件(32)、盖片(33)及散热片(34)，但使该散热片(34)的顶面(340a)外露出该封装胶体(35)；以及
多个第二导电组件(36)，设于该基板(30)的底面(301)上，以供该半导体芯片(31)与外界电性连接。
2.权利要求1所述的半导体封装件，其中，该间隙的范围在0.03mm至0.45mm之间。
3.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，该间隙的范围在0.05mm至0.30mm之间。
4.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，该盖片(33)是由导热性材料制成。
5.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，该盖片(33)是由半导体材料制成。
6.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，该盖片(33)是由与该半导体芯片的热膨胀系数相近的金属材料制成的。
7.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，该盖片(33)是通过导热性胶黏剂黏接至该半导体芯片(31)上。
8.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，该第一导电组件(32)为金线。
9.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，该第二导电组件(36)为焊球。
10.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，该盖片(53)上是形成有多个可顺向导流封装树脂模流的流道。
11.如权利要求10所述的半导体封装件，其中，该流道是由开设于盖片(53)上的沟槽(530)所形成。
12.如权利要求10所述的半导体封装件，其中，该流道是由凸设于盖片(63)上的凸粒(630)所形成。
13.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，该散
热片(64)的底面相对于该半导体芯片处形成有多个可顺向导流封装树脂模流的流道。
14.如权利要求13所述的半导体封装件，其中，该流道是由开设于该散热片(64)底面上的沟槽所形成。
15.如权利要求13所述的半导体封装件，其中，该凸设于该散热片(64)底面上的凸粒所形成。
16.一种具有散热结构的半导体封装件，是包括：
一基板(40)，具有一顶面及一相对的底面；
一半导体芯片(41)，其具有一作用表面与一相对的非作用表面(411)，该半导体芯片(41)是通过其作用表面(410)以覆晶方式电性连接至该基板(40)的顶面上；
一盖片(43)，是黏设至该半导体芯片(41)的非作用表面上，其具有与该半导体芯片(41)相近的热膨胀系数；
一散热片，具有一顶面与一相对的底面，使其接置于该基板(40)上后，该散热片的底面与该盖片间是形成有一间隙；
一封装胶体，用以包覆该半导体芯片(41)、盖片(43)及散热片，但使该散热片的顶面外露出该封装胶体；以及
多个第二导电组件，设于该基板(40)的底面上，以供该半导体芯片与外界电性连接。
17.如权利要求16所述的半导体封装件，其中，该半导体芯片(41)是以焊锡凸块(42)(Solder Bump)与基板(40)电性连接。
18.如权利要求16所述的半导体封装件，其中，该间隙的范围在0.03mm至0.45mm之间。
19.如权利要求16所述的半导体封装件，其中，该间隙的范围在0.05mm至0.30mm之间。
20.如权利要求16所述的半导体封装件，其中，该盖片(43)是由导热性材料制成。
21.如权利要求16所述的半导体封装件，其中，该盖片(43)是由半导体材料制成。
22.如权利要求16所述的半导体封装件，其中，该盖片(43)是由与该半导体芯片的热膨胀系数相近的金属材料制成。
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