CN213459715U - 用于半导体元件的散热器 - Google Patents

Abstract

一种用于半导体元件的散热器，包括超声波接收面、超声波熔接面、多个侧面以及至少一散热腔体。超声波熔接面相对于超声波接收面设置。超声波熔接面上设置有多个热传凸块。多个侧面连接超声波接收面和超声波熔接面。至少一散热腔体，位于超声波接收面和超声波熔接面之间，并由超声波接收面、超声波熔接面和侧面所包覆。本实用新型通过散热器的结构设置，以较佳的震动传输使得散热器的导热金属直接与半导体晶片上的导热金属产生键合。

Description

用于半导体元件的散热器

技术领域

本公开内容涉及用于半导体元件的散热器。

背景技术

此处的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。

近年来，电子元件的散热渐渐成为重要的问题。相较于传统的泵、压缩机等大型机件，电子元件或电子构装的散热由于体积的限制，需要在小范围达到好的散热以及均温效果，并且需考量设置散热元件所产生的成本不能太高，因此实际上是颇具挑战性的散热领域议题。

随着半导体产业最小线宽制程精度不断提升，电子元件尺寸更是进一步缩小，但其发热量和单位面积热密度愈趋增大。为了使电子元件的运作时维持在许可的工作温度，常见的做法是在电子元件上装设各种类型的散热器(例如，散热片、均温板、水冷散热装置等)。目前所知的装设结构大多是通过导热胶作为散热器和电子元件之间的固定和热传导媒介，通过导热胶的可塑性高的性质以提升热接触面的接合品质。

实用新型内容

然而，上述散热方式所使用的导热胶的热传导系数相较于导热性较佳的金属(例如，金、铝、铜等)仍有一个数量级以上的差距，且在前述电子元件逐渐缩小的趋势下也将渐渐不足以应付如此高密度且大量的热能来源。因此，有必要提出进一步提升散热效果的结构和方法。

有鉴于此，本公开的一些实施方式公开了一种用于半导体元件的散热器。散热器包括：超声波接收面、超声波熔接面、多个侧面、以及至少一散热腔体。超声波熔接面相对于超声波接收面设置。超声波熔接面上设置有多个热传凸块。多个侧面连接超声波接收面和超声波熔接面。至少一散热腔体，位于超声波接收面和超声波熔接面之间，并由超声波接收面、超声波熔接面和侧面所包覆。

于本公开的一或多个实施方式中，超声波接收面包括凹陷面、第一凸起面、第二凸起面以及两个连接面。凹陷面、第一凸起面和第二凸起面的平面延伸方向彼此平行。凹陷面位于第一凸起面和第二凸起面之间并通过连接面与第一凸起面和第二凸起面连接。

于本公开的一或多个实施方式中，散热腔体内包括水冷管路，水冷管路的入口和出口设置在其中一个侧面上。

于本公开的一或多个实施方式中，散热腔体内还包括多个散热鳍片，散热鳍片的两端分别连接超声波接收面和超声波熔接面。

于本公开的一或多个实施方式中，散热鳍片分别接触该水冷管路。

于本公开的一或多个实施方式中，热传凸块至少包括第一类热传凸块和第二类热传凸块。第一类热传凸块相较于超声波熔接面具有第一高度。第二类热传凸块相较于超声波熔接面具有第二高度。第一高度大于该第二高度。

本公开的一些实施方式公开了一种半导体元件与散热器半导体元件的接合方法，包括将超声波产生器接触散热器的超声波接收面并于超声波接收面上产生超声波震动。超声波震动经由散热器的超声波接收面、多个侧面以及至少一散热腔体传递至散热器的超声波熔接面上的多个热传凸块。这些热传凸块传递超声波震动至半导体元件的至少一热传垫上，并使得热传凸块与热传垫产生键合。其中超声波熔接面相对于超声波接收面设置。侧面连接超声波接收面和超声波熔接面。散热腔体位于超声波接收面和超声波熔接面之间，并由超声波接收面、超声波熔接面和侧面所包覆。

于本公开的一或多个实施方式中，超声波产生器是接触超声波接收面的凹陷面。凹陷面位于超声波接收面的第一凸起面和第二凸起面之间。凹陷面、第一凸起面和第二凸起面的平面延伸方向彼此平行。凹陷面位于第一凸起面和第二凸起面之间并通过两个连接面与第一凸起面和第二凸起面连接。

于本公开的一或多个实施方式中，热传凸块分别传递超声波震动至半导体元件的热传垫上，并使得热传凸块与热传垫产生键合的步骤系包括：自热传凸块的第一类热传凸块传递超声波震动至热传垫，使得第一类热传凸块与热传垫产生键合；以及施加压力使得热传凸块中的第二类热传凸块接触并传递超声波震动至热传垫，使得第二类热传凸块与热传垫产生键合。其中第一类热传凸块相较于超声波熔接面具有第一高度。第二类热传凸块相较于超声波熔接面具有第二高度。第一高度大于该第二高度。

本公开通过散热器的超声波接收面、超声波熔接面以及多个热传凸块的结构设置，以较佳的震动传输配合超声波或热音波接合，可在加工过程中避免对半导体元件施以过高温度，仅以超声波产生的磨擦热及进一步运用加热及加压以让分别设置在散热器、半导体元件表面的导热金属凸块表面相互瞬时加热而熔合，最后产生金属键合，生成金属层结构以接合散热器及半导体元件。利用上述方式，可在接合过程中避免高温以保护被施作接合的半导体元件。甚至，其可视为以金属层结构取代传统的导热胶来接合散热器及半导体元件，借以大幅降低散热器与半导体元件的传热路径上的热阻，从而提升散热器对半导体元件的散热效率。

为了让本公开的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A示出本公开一些实施例中散热器的上视立体示意图。

图1B示出本公开一些实施例中散热器的下视立体示意图。

图1C示出本公开一些实施例中散热器的侧剖面示意图。

图1D示出本公开一些实施例中散热器的另一方向的侧剖面示意图。

图2示出本公开一些实施例中散热器的侧剖面示意图。

图3A示出本公开一些实施例中在散热器上产生超声波震动的侧剖面示意图。

图3B示出本公开一些实施例中在散热器上产生超声波震动的另一方向的侧剖面示意图。

图4A示出本公开一些实施例中接合散热器与半导体元件的中间步骤的侧剖面示意图。

图4B示出本公开一些实施例中接合散热器与半导体元件后的侧剖面示意图。

其中，附图标记说明如下：

100、100A：散热器

102：超声波接收面

1022：凹陷面

1024：第一凸起面

1026：第二凸起面

1028：连接面

104：超声波熔接面

1042：热传凸块

1042A：第一类热传凸块

1042B：第二类热传凸块

1042C：第三类热传凸块

106：侧面

108：散热腔体

1082A：入口

1082B：出口

1084：散热鳍片

1084A、1084B：端

200：半导体元件

210：热传垫

300：金属层结构

S：超声波产生器

A-A’、B-B’：线段

C：几何中心

H1：第一高度

H2：第二高度

H3：第三高度

具体实施方式

为使本公开的叙述更加详尽与完备，下文针对了本公开的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本公开具体实施例的唯一形式。以下所公开的各实施例，在有益的情形下可相互组合或取代，也可在一实施例中附加其他的实施例，而无须进一步的记载或说明。

在以下的描述中，将详细叙述许多特定细节以使读者能够充分理解以下的实施例。然而，可在无此等特定细节的情况下实践本公开的实施例。在其他情况下，为简化附图，熟知的结构与装置仅示意性地示出于图中。

参考图1A至图1D。图1A示出本公开一些实施例中散热器100的上视立体示意图。图1B示出一些实施例中散热器100的下视立体示意图。图1C示出本公开一些实施例中散热器100沿图1A中线段A-A’的侧剖面示意图。图1D示出本公开一些实施例中散热器100沿图1A中线段B-B’的侧剖面示意图。本公开的实施例提供一种用于半导体元件的散热器100。散热器100包括超声波接收面102、超声波熔接面104、多个侧面106以及至少一个散热腔体108。超声波熔接面104相对于超声波接收面102而设置。超声波熔接面104上设置有多个热传凸块1042。侧面106连接超声波接收面102和超声波熔接面104。散热腔体108位于超声波接收面102和超声波熔接面104之间，并由超声波接收面102、超声波熔接面104和侧面106所包覆。多个独立的热传凸块1042的结构可相较于整面一体的热传金属层的结构在接合制程的能量消耗和温度要求上都节省/减少许多。由于温度较低(约摄氏100至150度)，热传凸块1042于后续制程中的金属接合面杂质也较少，提升接面品质。散热器100主要可以由铜所制成，但不以此为限。

在一些实施例中，热传凸块1042(沿X-Y方向)的侧向长度可以是25微米左右，(沿Z方向)的厚度可以是2微米左右，以达到较佳超声波熔接制程效果。但前述尺寸选择并不用以限制本揭示的保护范围。此外，图1B所示的尺寸比例仅为示意图，并非用以限制超声波熔接面104和热传凸块1042之间的真实尺寸比例。

参考图1A。在一些实施例中，超声波接收面102包括凹陷面1022、第一凸起面1024、第二凸起面1026以及两个连接面1028。第一凸起面1024和第二凸起面1026的平面延伸方向彼此平行(例如，图1A中的X-Y方向)。凹陷面1022位于第一凸起面1024和第二凸起面1026之间并通过连接面1028与第一凸起面1024和第二凸起面1026连接。凹陷面1022在Z方向的高度小于第一凸起面1024和第二凸起面1026。

散热器100还包括提供散热腔体108连通外部的管路(图略)的入口1082A和出口1082B。在一些实施例中，当散热腔体108为两个时，不同散热腔体108的入口1082A和出口1082B可设置在散热器100的同一个侧面106上。参考图1A、图1C和图1D。详细而言，靠近线段B-B’的B’处并沿着Y轴延伸的散热腔体108具有位于图中侧面106上的入口1082A，其液体流向为自正y方向流入，并向负y方向从出口1082B(图1A中以虚线示出)流出。此外，对于靠近线段B-B’的B处并沿着Y轴延伸的另一散热腔体108(图1A非剖面图，未显露其位置，故省去标号)，其液体流向为自负y方向经入口1802A(图1A中以虚线示出)流入，并向正y方向从位于侧面106上的出口1082B流出。通过上述具备不同液体流向的两个散热腔体108相邻所构成的散热器100，可使得散热器100各处的温度更加平均分布。

参考图1C和图1D。散热腔体108内亦可包括至少一个散热鳍片1084，以进一步增加散热效率。在一些实施例中，散热鳍片1084的两端1084A、1084B分别连接超声波接收面102和超声波熔接面104，以帮助超声波震动的传递以及热传导。

参考图2。图2示出本公开一些实施例中散热器100A的侧剖面示意图，其视角同图1C。在一些实施例中，热传凸块1042至少包括第一类热传凸块1042A和第二类热传凸块1042B。第一类热传凸块1042A相较于超声波熔接面104具有第一高度H1。第二类热传凸块1042B相较于超声波熔接面104具有第二高度H2。第一高度H1大于第二高度H2。此外，在一些实施例中，第二类热传凸块1042B相较于第一类热传凸块1042A设置在距离超声波熔接面104的几何中心C较远处，但不以此为限。在其它实施例中，亦可设置第二类热传凸块1042B在内而第一类热传凸块1042A在外包围第二类热传凸块1042B的结构。在另一些实施例中，可以包括第三类热传凸块1042C，即热传凸块1042超过两种不同高度的情况。在图2所示的实施利中，第三类热传凸块1042C具有高度介于第一高度H1和第二高度H2之间的第三高度H3。

由于超声波熔接制程中些许的高度差可产生先后不同时间接合的现象，因此上述三种高度彼此的高度差可以为微米等级，操作恰当时甚至可以是0.1微米的数量级。当然，本公开并不排除高度差较大的情况，例如数十微米以上的高度差。应注意，这些高度差并非由制程误差或公差所形成，乃是特意为之的区域性高度差区别。也就是说，同一高度会集中在同一区域。上述结构可使得超声波熔接由少部分面积开始扩张，而非一整面同时熔接，因此可达到降低熔接时功率及温度的功效，从而节省制程成本及降低散热对象半导体元件(后详述)内部电路元件受损的机率。

参考图3A至图4B。图3A示出本公开一些实施例中在散热器100上产生超声波震动的沿线段A-A’的侧剖面示意图。图3B示出本公开一些实施例中在散热器100上产生超声波震动的沿线段B-B’的侧剖面示意图。图4A示出本公开一些实施例中接合散热器100与半导体元件200的中间步骤的侧剖面示意图。图4B示出本公开一些实施例中接合散热器100与半导体元件200后的侧剖面示意图。本公开一些实施例公开一种半导体元件200与散热器100的接合方法。此方法为将超声波产生器S接触散热器100的超声波接收面102并于超声波接收面102上产生超声波震动。此超声波震动经由散热器100的超声波接收面102、多个侧面106以及至少一散热腔体108传递至散热器100的超声波熔接面104上的多个热传凸块1042(可参考图3A至图4B中的箭头指向)。详细而言，超声波产生器S接触凹陷面1022，超声波震动经由凹陷面1022传递至第一凸起面1024和第二凸起面1026，并经由散热腔体108或侧面106传递至超声波熔接面104以及热传凸块1042。这些热传凸块1042传递超声波震动至半导体元件200的热传垫210上，并使得热传凸块1042与热传垫210产生键合，并形成单一金属层结构300。

如同上开其它实施例所述，在此方法的应用中，超声波熔接面104相对于超声波接收面102设置。侧面106连接超声波熔接面104和超声波熔接面104。散热腔体108位于超声波接收面102和超声波熔接面104之间，并由超声波接收面102、超声波熔接面104和侧面106所包覆。其它结构特征如凹陷面1022、第一凸起面1024和第二凸起面1026亦可适用于此处提及的方法。多个独立的热传凸块1042可相较于整面一体连续的热传金属层的实施态样在接合的能量消耗和温度要求上都节省/减少许多。

在一些实施例中，在进行前述超声波接合的同时或之前可对散热器100进行加热(即热音波)，使得热传凸块1042更易于与热传垫210产生键合。加热的温度范围大约为摄氏100-150度。此温度范围是由于采用多点分别产生键合的实施态样而能够有效地降低键合温度，其可更好地保护半导体元件200。在一些实施例中，可先加温、再施加压力使得热传凸块1042接触热传垫210。接着进行短暂的超声波震动以使热传凸块1042和热传垫210产生键合。

在一些实施例中，热传凸块1042的材料包括金和镍，镍接触超声波接收面102。热传垫210的材料亦包括金和镍，且前述键合是产生于热传凸块1042的金与热传垫210的金的接触界面，此设置得以在超声波或热音波接合时相较于其他本公开不特意排除的材料组合(例如，热传凸块1042和热传垫210其中之一为铝和镍的组合，另一为金和镍的组合)达到更好的键合效果。在前述异质接面(金对上铝)的态样中，由于金和铝的扩散速率差异，两者在产生键合时容易产生柯尔达孔洞(Kirkendall voids)，这类孔洞易聚集成裂痕，降低热传品质，因而减低了键合后散热器100对半导体元件200的散热效果。

在前述实施例中，热音波接合的频率大于16千赫兹，可为40千赫兹至120千赫兹，但不以此为限。此外，若前述热传凸块1042的镍是以镍薄膜的形式形成于超声波熔接面104上，则可进一步协助超声波功率更好地传递至热传凸块1042和热传垫210的接合处，帮助产生键合。

配合图2并同时参考前述图3A至图4B。在一些实施例中，前述热传凸块1042分别传递超声波震动至半导体元件200的热传垫210上，并使得热传凸块1042与热传垫210产生键合的步骤还包括了以下的详细阶段。首先，自热传凸块1042的第一类热传凸块1042A传递超声波震动至热传垫210，使得第一类热传凸块1042A与热传垫210产生键合。接着，施加压力使得热传凸块1042中的第二类热传凸块1042B接触并传递超声波震动至热传垫210，使得第二类热传凸块1042B与热传垫210产生键合。上开其它实施例中关于第一类热传凸块1042A的第一高度H1大于第二类热传凸块1042B的第二高度H2的特征亦为此处实施例所采用。当然，第三类热传凸块1042C的特征亦可为此处的实施例所采用。

综上所述，本公开的实施例提供了一种用于半导体元件的散热器及半导体元件与散热器的接合方法。通过散热器的超声波接收面、超声波熔接面以及多个热传凸块的结构设置，以较佳的震动传输配合超声波或热音波接合，使得散热器的导热金属直接与半导体晶片上的导热金属产生键合。此种方式可在加工过程中避免对半导体元件施以过高温度，仅以超声波产生的磨擦热及进一步运用加热及加压以让分别设置在散热器、半导体元件表面的导热金属凸块表面相互瞬时加热而产生金属键合，生成金属层结构以接合散热器及半导体元件。此外，本公开所提供的实施例替代了现有技术所采用的导热胶，并提高将半导体元件所产生的热能传导至散热器的效率。

虽然本公开已以实施例说明如上，然并非用以限定本揭示，任何熟习此技艺者，在不脱离本公开的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本公开的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (6)

1.一种用于半导体元件的散热器，其特征在于，包括：

一超声波接收面；

一超声波熔接面，相对于该超声波接收面设置，该超声波熔接面上设置有多个热传凸块；

多个侧面，连接该超声波接收面和该超声波熔接面；以及

至少一散热腔体，位于该超声波接收面和该超声波熔接面之间，并由该超声波接收面、该超声波熔接面和所述侧面所包覆。

2.如权利要求1所述的散热器，其特征在于，该超声波接收面包括一凹陷面、一第一凸起面、一第二凸起面以及两个连接面，该凹陷面、该第一凸起面和该第二凸起面的平面延伸方向彼此平行，该凹陷面位于该第一凸起面和该第二凸起面之间并通过所述连接面与该第一凸起面和该第二凸起面连接。

3.如权利要求1所述的散热器，其特征在于，该散热腔体内包括一水冷管路，该水冷管路的入口和出口设置在其中一个所述侧面上。

4.如权利要求3所述的散热器，其特征在于，该散热腔体内还包括多个散热鳍片，所述散热鳍片的两端分别连接该超声波接收面和该超声波熔接面。

5.如权利要求4所述的散热器，其特征在于，所述散热鳍片分别接触该水冷管路。

6.如权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述热传凸块至少包括：

一第一类热传凸块，相较于该超声波熔接面具有一第一高度；以及

一第二类热传凸块，相较于该超声波熔接面具有一第二高度，该第一高度大于该第二高度。

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