TW201320263A - 加強散熱的封裝結構 - Google Patents

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Abstract

一種加強散熱的封裝結構，包含：一晶片載體；一高功率晶片，設置於該晶片載體上；一封裝膠材，包覆該高功率晶片；一散熱層，設置於該封裝膠材上，其中該散熱層包含複數個奈米碳球；以及一非鰭片式散熱裝置，設置於該散熱層之上或該封裝膠材與該散熱層之間。該封裝膠材亦可包含複數個奈米碳球。

Description

加強散熱的封裝結構
本發明係關於一種加強散熱的封裝結構，特別是關於一種包含複數個奈米碳球及非鰭片式散熱層之封裝結構。
當今半導體元件製造趨勢為減小元件尺寸及增快資料處理速度，高密度元件電路佈局因應而生，單位面積產生的熱能因此大幅提高。近年來攜帶型電子消費產品諸如手機、平板型電腦的進步日新月異，手持式電子產品中的元件散熱更考量到散熱封裝結構的尺寸大小。一種不佔空間又有效率的散熱結構必須跟上元件製造趨勢，而且能及時提供需要的散熱能力。
一般常見的封裝結構有兩種不同形貌：圖1顯示一習知散熱的封裝結構10，該散熱結構10配置於半導體晶片封裝之上，該散熱結構10包含：一晶片載體11；一高功率晶片14，設置於該晶片載體11上；一封裝膠材13，包覆該高功率晶片14；以及一鰭片式散熱裝置15，設置於該封裝膠材13之上；另包含複數個錫球17置於該晶片載體11相對於該高功率晶片14之另一表面。圖2顯示一習知散熱的封裝結構20，該散熱結構20包含：一晶片載體21；一高功率晶片24，設置於該晶片載體21上；一封裝膠材23，包覆該高功率晶片24；以及一平板式散熱裝置25，設置於該封裝膠材23之上。另包含複數個錫球27置於該晶片載體21相對於該高功率晶片24之另一表面。
比較圖1及圖2兩種結構，其皆具有較厚的厚度且較大的面積，應用於手持式電子產品皆不甚理想。一般習知的散熱封裝結構如圖1及2，其散熱能力與和空氣接觸表面積成正相關。如傳統鰭片式散熱層，鰭片數目愈多散熱效率愈高，然而售價較高以及結構厚度較厚；傳統平板式散熱層售價較低以及結構厚度較薄，但散熱效率不如傳統鰭片式散熱層。為了進一步提高散熱效率，傳統散熱結構需要增加強制對流，也就是附加安裝對流風扇裝置，以達到日益嚴苛的散熱需求。
因此，發明一種不佔空間又有效率的散熱結構有其必要。
本發明之一實施例提供一種加強散熱的封裝結構，包含：一晶片載體；一高功率晶片，設置於該晶片載體上；一封裝膠材，包覆該高功率晶片；一散熱層，設置於該封裝膠材上，其中該散熱層包含複數個奈米碳球；以及一非鰭片式散熱裝置，設置於該散熱層之上或該封裝膠材與該散熱層之間。
本發明之一實施例提供另一種加強散熱的封裝結構，包含：一晶片載體；一高功率晶片，設置於該晶片載體上；一封裝膠材，包覆該高功率晶片，該封裝膠材包含複數個奈米碳球；以及一非鰭片式散熱裝置，設置於該封裝膠材上。
上文已相當廣泛地概述本揭露之技術特徵及優點，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神和範圍。
奈米碳球(Carbon nanocapsules,CNCs)為一種碳結晶結構，其尺寸介於1-100奈米之間，一般而言，最常見的CNCs為30奈米。CNCs具有一特殊的物理性質，即有效地吸收高溫下半導體元件產生的熱能並以紅外線的形式釋放。一般矽基板具有1.1eV的能帶間隙，CNCs釋放的紅外線能量小於1.1eV，故不為矽基板所吸收，因此，將CNCs整合入封裝結構中能有效率地提高其散熱效果。除此之外，因為CNCs的加入，使得習知封裝結構的形貌得以變得更輕薄，本發明將揭露此一含有CNCs的加強散熱封裝結構於以下實施例中。
圖3係本發明一實施例之加強散熱的封裝結構30，包含：一晶片載體31；一高功率晶片34，設置於該晶片載體31上；一複數個錫球32，設置於該晶片載體31之一下表面312；一封裝膠材33，包覆該高功率晶片34而設置於載體31之上表面311；一散熱層38，設置於該封裝膠材33上，其中該散熱層38混合有複數個奈米碳球(CNCs)37；以及一非鰭片式散熱裝置35，設置於該散熱層38與該封裝膠材33之間。該晶片載體31可為一彈性基板、一剛性基板、或一半導體基板(如矽基板)。該高功率晶片34置於該晶片載體31的一上表面311，一般而言，該高功率晶片34含有0.5瓦以上的輸出功率，且其與載體41電性連接的方式可以是透過凸塊或是銲線連接(圖式省略)，現今高瓦數的發光元件或中央處理器皆適用此封裝。此實施例中使用的封裝膠材可為環氧樹脂、或加強散熱效果的填充環氧樹脂。
該散熱層38的形式包含薄膜、膏狀物、及粉末塗料，上述材料中皆含有複數個奈米碳球(CNCs)37。由於CNCs具有良好的散熱能力，因此在散熱層38材料中佔有1%重量百分比的CNCs即能發揮效果。其中散熱層38的形成方法包含：塗佈、絲網印刷、模版印刷、旋塗、噴刷、套印、濺射、蒸鍍、浸漬、電鍍、以及電漿輔助沈積。此外，奈米碳球(CNCs)表面也可經官能基化(functionalized)而使含有CNCs的散熱層38膠材能藉由上述形成方法結合於該散熱裝置35之上表面，不需額外的黏附材料或製程。該散熱層38與該散熱裝置35形成之單元亦可以直接藉由傳統封裝製程與各式半導體封裝結合。
該散熱裝置35為一非鰭片式散熱板，例如一平板狀散熱板。該散熱板可為一金屬薄膜，其成分選自由銅及鋁所組成之群組。習知的鰭片式散熱板價格高並具有較厚的尺寸，不符合一般講求輕薄的攜帶型電子產品的要求，因此CNCs的加入可有效減薄散熱板的厚度及增加散熱之效率。
圖4係本發明一實施例之加強散熱的封裝結構40，包含：一晶片載體41；一高功率晶片34，設置於該晶片載體41上；一複數個錫球42，設置於該晶片載體41之一下表面412；一封裝膠材43，包覆該高功率晶片34；一散熱層48，設置於該封裝膠材43上表面，其中該散熱層48內混合了複數個奈米碳球(CNCs)45；以及一非鰭片式散熱裝置49，設置於該散熱層48之上。該晶片載體41可為一彈性基板、一剛性基板、或一半導體基板。該高功率晶片34置於該晶片載體41的一上表面411，一般而言，該高功率晶片34含有0.5瓦以上的輸出功率，其與載體41電性連接的方式可以是透過凸塊或是銲線連接(圖式省略)，現今高瓦數的發光元件或中央處理器皆適用此封裝型態。此實施例中封裝膠材可為環氧樹脂、或加強散熱效果的填充環氧樹脂。
該散熱層48的形式包含薄膜、膏狀物、及粉末塗料，上述材料中皆含有複數個奈米碳球(CNCs)45。由於CNCs具有良好的散熱能力，因此在散熱層48材料中佔有1%重量百分比的CNCs即能發揮效果。其中散熱層48的形成方法包含：塗佈、絲網印刷、模版印刷、旋塗、噴刷、套印、濺射、蒸鍍、浸漬、電鍍、以及電漿輔助沈積。此外，奈米碳球(CNCs)表面也可經官能基化(functionalized)而使含有CNCs的散熱層48膠材能藉由上述形成方法結合於該散熱裝置49之下表面與該封裝膠材43之上表面，不需額外的黏附材料或製程。該散熱層48與該散熱裝置49形成之單元亦可以直接藉由傳統封裝製程與各式半導體封裝結合。
該散熱裝置49為一非鰭片式散熱板，例如一平板狀散熱板。該散熱板可為一金屬薄膜，其成分選自由銅及鋁所組成之群組。習知的鰭片式散熱板價格高並具有較厚的尺寸，不符合一般講求輕薄的攜帶型電子產品的要求，因此CNCs的加入可有效減薄散熱板的厚度。
圖5係本發明另一實施例之加強散熱的封裝結構50，包含：一晶片載體51；一高功率晶片34，設置於該晶片載體51上；一複數個錫球52，設置於該晶片載體51之一下表面512；一封裝膠材53，包覆該高功率晶片34；一非鰭片式散熱裝置57，設置於該封裝膠材53上，其中該封裝膠材53內混合有複數個奈米碳球(CNCs)55。於本實施例中，該晶片載體51可為一彈性基板、一剛性基板、或一半導體基板。該高功率晶片34置於該晶片載體51的一上表面511，一般而言，該高功率晶片34含有0.5瓦以上的輸出功率，現今高瓦數的發光元件或中央處理器皆適用此封裝。此實施例中使用一般的封裝膠材，例如環氧樹脂、或加強散熱效果的填充環氧樹脂。
該封裝膠材53的材料包含環氧樹脂、或加強散熱效果的填充環氧樹脂，上述材料中皆含有複數個奈米碳球(CNCs)45。由於CNCs具有良好的散熱能力，因此在封裝膠材53中佔有1%重量百分比的CNCs即能發揮效果。此外，奈米碳球(CNCs)表面也可經官能基化(functionalized)而使含有CNCs的封裝膠材53能藉由上述形成方法結合於該晶片載體51上表面511與該非鰭片式散熱裝置57之下表面571，不需額外的黏附材料或製程。由於混合於封裝膠材53內為非導電性(non conductive)的奈米碳球(CNCs)，因此不會破壞封裝膠材53的絕緣特性。該封裝膠材53與該非鰭片式散熱裝置57形成之單元亦可以直接藉由傳統封裝製程與各式半導體封裝結合。
該散熱裝置57為一非鰭片式散熱板，例如一平板狀散熱板。該散熱板可為一金屬薄膜，其成分選自由銅及鋁所組成之群組。習知的鰭片式散熱板價格高並具有較厚的尺寸，不符合一般講求輕薄的攜帶型電子產品的要求，因此CNCs的加入可有效減薄散熱板的厚度。
含有奈米碳球(CNCs)的散熱層或封裝膠材可與許多現有的封裝結構直接整合，諸如接腳式(lead frame based)封裝、晶圓層級晶片(wafer-level chip scale)封裝、基板式(substrate based)封裝、陶瓷式(ceramic based)封裝、多晶片式(multi chip)封裝、3D積體電路(3D IC)封裝、系統(system-in-package)封裝、次系統封裝(sub-system)、模組(module)封裝等，對現今產業需要的加強散熱之小體積封裝結構有立即的幫助。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，在不背離後附申請專利範圍所界定之本揭露精神和範圍內，本揭露之教示及揭示可作種種之替換及修飾。例如，上文揭示之許多製程可以不同之方法實施或以其它製程予以取代，或者採用上述二種方式之組合。
此外，本案之權利範圍並不侷限於上文揭示之特定實施例的製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，基於本揭露教示及揭示製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟，無論現在已存在或日後開發者，其與本案實施例揭示者係以實質相同的方式執行實質相同的功能，而達到實質相同的結果，亦可使用於本揭露。因此，以下之申請專利範圍係用以涵蓋用以此類製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟。
10、20．．．習知散熱的封裝結構
11、21、31、41、51．．．晶片載體
13、23、33、43、53．．．封裝膠材
14、24、34．．．高功率晶片
15．．．鰭片式散熱裝置
17、27、32、42、52．．．錫球
25．．．平板式散熱裝置
30、40、50．．．加強散熱的封裝結構
35、49、57．．．非鰭片式散熱裝置
37、45、55．．．奈米碳球
38、48．．．散熱層
圖1顯示一習知散熱的封裝結構；
圖2顯示一習知散熱的封裝結構；
圖3係本發明一實施例之加強散熱的封裝結構；
圖4係本發明另一實施例之加強散熱的封裝結構；以及
圖5係本發明一實施例之加強散熱的封裝結構。
30．．．加強散熱的封裝結構
31．．．晶片載體
32．．．錫球
33．．．封裝膠材
34．．．高功率晶片
35．．．非鰭片式散熱裝置
37．．．奈米碳球
38．．．散熱層

Claims (10)

  1. 一種加強散熱的封裝結構，包含：一晶片載體；一高功率晶片，設置於該晶片載體上；一封裝膠材，包覆該高功率晶片；一散熱層，設置於該封裝膠材上，其中該散熱層包含複數個奈米碳球；以及一非鰭片式散熱裝置，設置於該散熱層之上或該封裝膠材與該散熱層之間。
  2. 根據請求項1所述之加強散熱的封裝結構，其中該散熱層的形式包含薄膜、膏狀物、及粉末塗料。
  3. 根據請求項1所述之加強散熱的封裝結構，另包含複數個錫球，設置於該晶片載體相對於該高功率晶片的一表面。
  4. 根據請求項1所述之加強散熱的封裝結構，其中該高功率晶片含有0.5瓦以上的輸出功率。
  5. 根據請求項1所述之加強散熱的封裝結構，其中該非鰭片式散熱裝置包含一平板式散熱裝置。
  6. 根據請求項5所述之加強散熱的封裝結構，其中該平板式散熱裝置為一金屬薄膜，該金屬薄膜係選自由銅及鋁所組成之群組。
  7. 一種加強散熱的封裝結構，包含：一晶片載體；一高功率晶片，設置於該晶片載體上；一封裝膠材，包覆該高功率晶片，該封裝膠材包含複數個奈米碳球；以及一非鰭片式散熱裝置，設置於該封裝膠材上。
  8. 根據請求項7所述之加強散熱的封裝結構，另包含複數個錫球，設置於該晶片載體相對於該高功率晶片的一表面。
  9. 根據請求項7所述之加強散熱的封裝結構，其中該高功率晶片含有0.5瓦以上的輸出功率。
  10. 根據請求項7所述之加強散熱的封裝結構，其中該非鰭片式散熱裝置包含一平板式散熱裝置，該平板式散熱裝置為一金屬薄膜，該金屬薄膜係選自由銅及鋁所組成之群組。
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