TWI658549B - 散熱型封裝結構 - Google Patents

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Abstract

一種散熱型封裝結構，係於一設有電子元件之承載件上設置連接件，再將散熱件設於該電子元件與該連接件上，以藉由該連接件提供支撐力或拉力而避免散熱件與電子元件間發生脫層。

Description

散熱型封裝結構
本發明係有關一種封裝結構，尤指一種散熱型封裝結構。
隨著電子產品在功能及處理速度之需求的提升，作為電子產品之核心組件的半導體晶片需具有更高密度之電子元件(Electronic Components)及電子電路(Electronic Circuits)，故半導體晶片在運作時將隨之產生更大量的熱能，且包覆該半導體晶片之封裝膠體係為一種導熱係數僅0.8Wm-1k-1之不良傳熱材質(即熱量之逸散效率不佳)，因而若不能有效逸散所產生之熱量，則會造成半導體晶片之損害或造成產品信賴性問題。
因此，為了迅速將熱能散逸至大氣中，通常在半導體封裝結構中配置散熱片(Heat Sink或Heat Spreader)，該散熱片通常藉由散熱膠(例如導熱介面材(Thermal Interface Material)，簡稱TIM)結合至晶片背面，以藉散熱膠與散熱片逸散出半導體晶片所產生之熱量，再者，通常令散熱片之頂面外露出封裝膠體或直接外露於大氣中為佳，俾取得較佳之散熱效果。
習知TIM層係為低溫熔融之熱傳導材料(如銲錫材料)，其設於半導體晶片背面與散熱片之間，而為了提升TIM層與晶片背面之間的接著強度，需於晶片背面上覆金(即所謂之Coating Gold On Chip Back)，且需使用助焊劑(flux)，以利於該TIM層接著於該金層上。
如第1A圖所示，習知散熱型之半導體封裝結構1之製法係先將一半導體晶片11以其作用面11a利用覆晶接合方式(即透過導電凸塊110與底膠111)設於一封裝基板10上，且將一金層(圖略)形成於該半導體晶片11之非作用面11b上，再將一散熱件13以其頂片130藉由TIM層12(其包含銲錫層與助焊劑)回銲結合於該金層上，且該散熱件13之支撐腳131藉由黏著層14架設於該封裝基板10上。接著，進行封裝壓模作業，以供封裝膠體(圖略)包覆該半導體晶片11及散熱件13，並使該散熱件13之頂片130外露出封裝膠體而直接與大氣接觸。
於運作時，該半導體晶片11所產生之熱能係經由該非作用面11b、金層、TIM層12而傳導至該散熱件13以散熱至該半導體封裝結構1之外部。
惟，當半導體封裝結構1之厚度薄化要求，且其面積越來越大時，使該散熱件13與TIM層12之間因為熱膨脹係數差異(CTE Mismatch)而導致變形的情況(即翹曲程度)更加明顯，而當變形量過大時，該散熱件13之頂片130與變形之TIM層12’(或與該半導體晶片11)之間容易發生脫層(如第1B圖所示之間隙d)，不僅造成導熱效果下降， 且會造成半導體封裝結構1外觀上的不良，甚而嚴重影響產品之信賴性。
因此，如何克服上述習知技術之問題，實已成為目前業界亟待克服之難題。
鑑於上述習知技術之種種缺失，本發明提供一種散熱型封裝結構，係包括：承載件；電子元件，係設於該承載件上；連接件，係設於該承載件上；以及散熱件，係設於該電子元件與該連接件上。
前述之散熱型封裝結構中，該散熱件包含有散熱體與設於該散熱體上之支撐腳，該散熱體係結合該連接件與該電子元件，且該支撐腳係結合於該承載件上，使該連接件位於該電子元件與該支撐腳之間。例如，該散熱體與該支撐腳係為一體成形或非一體成形。
前述之散熱型封裝結構中，復包括設於該承載件上且用以結合該散熱件之第一膠體。例如，復包括設於該承載件上之第二膠體，且該第一膠體及該第二膠體係相鄰間隔設於該承載件上，該第二膠體之材質不同於該第一膠體之材質，該連接件之高度大於該第一膠體及該第二膠體之高度。
前述之散熱型封裝結構中，該連接件係位於該電子元件外圍。
前述之散熱型封裝結構中，該承載件係為封裝基板或導線架。
前述之散熱型封裝結構中，該電子元件係藉由結合層結合該散熱件。
前述之散熱型封裝結構中，該連接件係為導熱材質或非導熱材質。
前述之散熱型封裝結構中，該連接件係為導電材質或非導電材質。
前述之散熱型封裝結構中，該連接件係為剛性材或彈性材。
前述之散熱型封裝結構中，該承載件上設有複數該連接件，且部分該連接件為剛性材，而部分該連接件為彈性材。
由上可知，本發明之散熱型封裝結構，主要藉由在散熱件與承載件之間結合連接件之設計，以當該散熱型封裝結構因為厚度薄化或面積增大等因素而產生翹曲時，該連接件得以提供支撐力或拉力，維持散熱件與承載件之間的距離，避免該散熱件與電子元件之間發生脫層，進而提升導熱效果，且能提升產品之信賴性。
1、2‧‧‧封裝結構
10‧‧‧封裝基板
11‧‧‧半導體晶片
11a、21a‧‧‧作用面
11b、21b‧‧‧非作用面
110、210‧‧‧導電凸塊
111、211‧‧‧底膠
12、12’‧‧‧TIM層
13、23、23’、23”‧‧‧散熱件
130‧‧‧頂片
131、231‧‧‧支撐腳
14‧‧‧黏著層
20‧‧‧承載件
21‧‧‧電子元件
22‧‧‧結合層
230‧‧‧散熱體
24a‧‧‧第一膠體
24a’‧‧‧膠材
24b‧‧‧第二膠體
25、25a、25b‧‧‧連接件
d‧‧‧間隙
h、t‧‧‧高度
第1A圖係為習知半導體封裝結構之剖視示意圖；第1B圖係為第1A圖之半導體封裝結構產生脫層情況之示意圖；第2A圖係為本發明之散熱型封裝結構之剖視示意圖；第2B及2C圖係為第2A圖之散熱型封裝結構之其它實施例之剖視示意圖；以及 第3A至3H圖係為第2A圖之散熱型封裝結構省略散熱件與結合層之各種態樣的上視圖。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如“上”、“下”、“第一”、“第二”及“一”等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。
第2A圖係為本發明之散熱型封裝結構2，其包括：一承載件20、一電子元件21、一結合層22、複數連接件25以及一散熱件23。
所述之承載件20係例如為封裝基板，且有關封裝基板之種類繁多，並無特別限制；於其它實施例中，該承載件20亦可為導線架。
所述之電子元件21係設於該承載件20上，且該電子 元件21係為主動元件、被動元件、封裝元件或其三者之組合。
於本實施例中，該主動元件係例如半導體晶片，該被動元件係例如電阻、電容及電感，且該封裝元件係包含基板、設於該基板上之晶片及包覆該晶片之封裝層。例如，該電子元件21具有相對之作用面21a及非作用面21b，且該作用面21a設有複數導電凸塊210，使該電子元件21藉該些導電凸塊210以覆晶方式結合並電性連接該承載件20，並以底膠211包覆該些導電凸塊210。於其它實施例中，該電子元件21亦可藉由打線方式電性連接該承載件20。
所述之結合層22係為導熱介面材(TIM)或一般導熱膠，其設於該電子元件21之非作用面21b上。
所述之連接件25係設於該承載件20上且連結散熱件23與承載件20，並位於該電子元件21之外圍，例如位於電子元件21角落處或側邊處，且該連接件25係為各式形狀之柱體、球體或長條狀或其它各種立體形狀，如第3A至3H圖所示之L形、圓形或矩形等形狀之組合，且可緊臨或遠離該電子元件21之周圍設置，但不限於上述。
又，該連接件25可為導熱材質或非導熱材質，若為導熱材質可將電子元件21所產生之部分熱能傳導至該承載件20；或者，該連接件25可為導電材質或非導電材質，若為導電材質時，可將該散熱件23與該承載件20電性連接，進而接地，以提供電子元件21電磁干擾 (Electromagnetic Interference，簡稱EMI)屏蔽(shielding)的功效；另外，該連接件25可為剛性材(如金屬)或彈性材(如膠材)。
所述之散熱件23係設於該結合層22上且具有一散熱體230與複數設於該散熱體230下側之支撐腳231，該散熱體230係為散熱片並以下側接觸該結合層22，且該支撐腳231係以第一膠體24a結合於該承載件20上，並相對位於該承載件20之上側表面，再者，該連接件25係位於該電子元件21與該支撐腳231之間，且該連接件25之高度h大於該第一膠體24a之高度t。
於本實施例中，該散熱體230與該支撐腳231係為一體成形；於其它實施例中，如第2B圖所示之散熱件23’，該散熱體230與該支撐腳231係為非一體成形，例如可用膠材24a’結合該散熱體230與該支撐腳231，其中，該支撐腳231可為金屬材、半導體材或絕緣材；或者，如第2C圖所示，該散熱件23”係為板體或片狀，其藉由該連接件25架設於該承載件20上，以避免該散熱件23”脫落。
再者，如第2A圖所示，於製作過程中，可先將連接件25形成於承載件20上再接置散熱件23，亦或先將連接件25形成於散熱件23，再連同散熱件23一起接置於承載件20上。
又，該連接件25之材質可相同或不同於該散熱體230之材質。
另外，該第一膠體24a之佈設面積係可對應該支撐腳 231之壓印形狀，如第3A至3H圖所示。於製程中，可先將該第一膠體24a形成於該支撐腳231之腳底上，再以該支撐腳231壓合該第一膠體24a於該承載件20上。
本發明之散熱型封裝結構2係藉由該連接件25較該支撐腳231更靠近該電子元件21周圍，故當該散熱型封裝結構2之厚度薄化或面積增大等因素而發生翹曲時，透過該連接件25之設置可使該散熱型封裝結構2之翹曲(warpage)程度相較於習知封裝結構減少，且降低該電子元件21之表面分離應力(surface peeling stress)。例如，翹曲程度減少37%，且該電子元件21之表面分離應力減少23%。
因此，本發明係於該散熱體230(或該散熱件23”)與該承載件20之間形成連接件25，以於該封裝結構2發生翹曲(warpage)時該連接件25能提供支撐力或拉力，而維持該散熱體230(或該散熱件23”)與該承載件20之間的距離，故能避免該散熱體230(或該散熱件23”)與該結合層22(或該電子元件21)之間發生脫層(delamination)。
再者，該連接件25可為剛性材(如金屬)或彈性材(如膠材)，亦或可同時使用彈性連接件25a及剛性連接件25b，如第3G圖所示，若該封裝結構2發生翹曲導致散熱件與承載件距離增大時，該彈性連接件25a可設於該散熱件23與該承載件20距離增加位置處以提供拉力，相對地，若該封裝結構2發生翹曲導致散熱件與承載件距離縮小時，該剛性連接件25b可設於該散熱件23與該承載件20距離縮小位置處以提供支撐力。故彈性及剛性連接件兩者 可同時設置，以於該散熱件23之溫度升降時，使該散熱件23具有更佳的平整度。
於另一實施例中，如第3A至3H圖所示，該散熱型封裝結構2復包括形成於該承載件20上之第二膠體24b，其與該第一膠體24a係位於該承載件20之邊緣，以環繞該電子元件21與該連接件25之周圍，以加強散熱件23與承載件20之結合。具體地，該第二膠體24b之材質與該第一膠體24a之材質可相同或不相同，其中，該第二膠體24b可配合設於支撐腳231處，使該支撐腳231同時結合該第一膠體24a與該第二膠體24b而設於該承載件20上，亦或該第二膠體24b可無需結合支撐腳231，且該第二膠體24b之材質可採用複數種類，不限於單一種類。另外，該連接件25之高度大於該第二膠體24b之高度。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (13)

  1. 一種散熱型封裝結構，係包括：承載件；電子元件，係設於該承載件上；連接件，係設於該承載件上，其中，該連接件材質係為彈性材；以及散熱件，係設於該電子元件與該連接件上，該散熱件係包含散熱體、支撐腳以及用以結合該散熱體與該支撐腳的膠材，其中，該支撐腳為半導體材或絕緣材。
  2. 一種散熱型封裝結構，係包括：承載件；電子元件，係設於該承載件上；複數連接件，係設於該承載件上，其中，部分該連接件之材質係為剛性材，而部分該連接件之材質係為彈性材；以及散熱件，係設於該電子元件與該連接件上，該散熱件係包含散熱體、支撐腳以及用以結合該散熱體與該支撐腳的膠材，其中，該支撐腳為半導體材或絕緣材。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之散熱型封裝結構，其中，該散熱體係結合該連接件與該電子元件，且該支撐腳係結合於該承載件上，使該連接件位於該電子元件與該支撐腳之間。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之散熱型封裝結構，復包括設於該承載件上且用以結合該散熱件之第一膠體。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之散熱型封裝結構，復包括設於該承載件上之第二膠體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之散熱型封裝結構，其中，該第一膠體及該第二膠體係相鄰間隔設於該承載件上。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之散熱型封裝結構，其中，該連接件之高度大於該第一膠體及該第二膠體之高度。
  8. 如申請專利範圍第1或2項所述之散熱型封裝結構，其中，該連接件係位於該電子元件外圍。
  9. 如申請專利範圍第1或2項所述之散熱型封裝結構，其中，該承載件係為封裝基板或導線架。
  10. 如申請專利範圍第1或2項所述之散熱型封裝結構，其中，該電子元件係藉由結合層結合該散熱件。
  11. 如申請專利範圍第1或2項所述之散熱型封裝結構，其中，該連接件係為導熱材質或非導熱材質。
  12. 如申請專利範圍第1或2項所述之散熱型封裝結構，其中，該連接件係為導電材質或非導電材質。
  13. 如申請專利範圍第1或2項所述之散熱型封裝結構，其中，該彈性材係為膠材。
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