TWI672777B - 撓性散熱器蓋 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露散熱器蓋和包括散熱器蓋的封裝組件。該散熱器蓋具有配置為與電子元件配合的中心區域、配置為與基板配合的周圍區域、以及置於該中心區域與周圍區域之間的連接區域。該連接區域配置為賦予該中心區域以應力消除。
Description
本發明通常關於半導體加工，尤其關於散熱器蓋(heat spreader lid)和包括散熱器蓋的封裝組件。
半導體封裝領域的工業實踐是將半導體芯片或芯片堆棧安裝至由層壓體或有機材料如環氧樹脂構成的封裝基板(substrate)。當在操作中上電時，該芯片或芯片堆棧產生熱。該封裝的熱管理可能需要將一些類型的熱管理機制安裝在該芯片或芯片堆棧上以抽取和發散所產生的熱。若缺少有效的散熱，則所產生的熱可降低芯片效能、削減可靠性並縮短該芯片的使用壽命。
一種類型的熱管理解決方案是設置為與半導體芯片或芯片堆棧的外表面熱接觸的散熱器蓋。傳統的散熱器蓋具有實心的、厚度均勻的連續表面。散熱器蓋的這一表面可使用導熱材料層黏合至該芯片。散熱器蓋亦可包括使用黏合劑黏合至基板的法蘭(flange)，該黏合劑可以是導電的。
隨著半導體芯片和基板尺寸的增長，封裝尺寸也增長，封裝可能由於芯片與封裝界面處的熱應力 (stress)和機械應力而變成翹曲、破裂和分層傾向日益增加。特別地，可在封裝芯片的轉角處或鄰近轉角處觀察到破裂。
需要改善的散熱器蓋和包括散熱器蓋的封裝組件。
本發明的一種實施方式中，結構包括散熱器蓋，該散熱器蓋具有配置為與電子元件配合(couple)的中心區域、配置為與基板配合的周圍區域、以及設置在該中心區域與周圍區域之間的連接區域。該連接區域配置為賦予該中心區域以應力消除。
本發明的一種實施方式中，封裝組件包括電子元件、基板和散熱器蓋；該散熱器蓋具有中心區域、具有法蘭的周圍區域、和設置在該中心區域與該周圍區域之間的連接區域。該連接區域配置為賦予該中心區域以應力消除。該封裝組件可進一步包括連接該法蘭與基板的黏合劑層、及/或連接該散熱器蓋中心區域與電子元件的熱界面層。
10‧‧‧封裝組件
12‧‧‧散熱器蓋
14‧‧‧層壓基板
16‧‧‧晶片
17‧‧‧側邊緣、邊緣
18‧‧‧中心區域
19‧‧‧轉角
20‧‧‧周圍區域
22‧‧‧連接區域
23‧‧‧扇形區
25、26‧‧‧表面
27‧‧‧熱界面材料層
28‧‧‧外周界
30‧‧‧法蘭
32‧‧‧黏合劑層
34、36‧‧‧焊料球
40‧‧‧底膠
41‧‧‧中心點
42、44‧‧‧特徵
d‧‧‧深度
L‧‧‧長度
t‧‧‧厚度、全厚度
t1‧‧‧厚度
t2‧‧‧厚度
w‧‧‧寬度
併入本說明書並作為後者一部分的圖式例示性說明本發明的多種實施方式，且與上述的本發明的一般說明和下述實施方式的詳細說明一起用來解釋本發明的實施方式。
第1圖是根據本發明的一種實施方式的封裝 組件的頂視圖。
第2圖是通常沿著第1圖中的線2-2截取的封裝組件的橫截面圖。
第3圖是通常沿著第1圖中的線3-3截取的封裝組件的橫截面圖。
第4圖是根據本發明的一種實施方式的封裝組件的頂視圖。
第5圖是通常沿著第4圖中的線5-5截取的封裝組件的橫截面圖。
參考第1圖、第2圖、第3圖且根據本發明的一種實施方式，封裝組件10進一步包括散熱器蓋12和層壓基板14，該散熱器蓋和層壓基板與用作典型電子元件的芯片或晶片16組裝在一起。層壓基板14可由層壓體或有機材料如環氧樹脂構成。晶片16可包括一個或多個其裝置結構使用前段(Front-end-of-line(FEOL))製程加工的積體電路，且可封裝在由固化模塑料構成的塊體內。該FEOL製程可包含，例如，用來構建p型和n型場效應電晶體組合的互補金屬氧化物半導體(CMOS)製程，其中兩種場效應電晶體配合以實現邏輯門和其它類型的數位電路。一種實施方式中，晶片16可以是相對大的芯片，如線性維度為22mm或更大的芯片，其生產相對大的封裝組件10。晶片16包括側邊緣17，側邊緣17在轉角19處相交，以建立晶片16的外部邊界或周界。
散熱器蓋12包括中心區域18，在側邊緣17內的整個表面積上，中心區域18與晶片16通過熱界面材料層27配合。散熱器蓋12進一步包括周圍區域20，以及將中心區域18與周圍區域20連接的連接區域22。周圍區域20和連接區域22包圍或環繞中心區域18，且連接區域22設在周圍區域20與中心區域18之間。周圍區域20和連接區域22在連接區域22的外周界28處相交且鄰接。
連接區域22包括朝向該層壓基板14和晶片16的表面25、以及與該表面25相反且通過連接區域22的厚度t1與表面25分隔的另一表面26。由於面積不同，在連接區域22的外周界28內，晶片16的側邊緣17被抵消。表面25、26從連接區域22的外周界28延伸至定義晶片16外邊界的側邊緣17。
周圍區域20成形為提供垂直偏移，該垂直偏移允許周圍區域20與層壓基板14連接並同時調適晶片16至散熱器蓋12的中心區域18的連接。周圍區域20可包括通過黏合劑層32機械連接至層壓基板14的法蘭30，黏合劑層32也可以是導電黏合劑層。法蘭30至層壓基板14的附著增加了封裝組件10的機械強度並將一導電路徑賦予層壓基板14。
散熱器蓋12由導電導熱材料構成，如覆鎳的銅。熱界面材料層27可通過填充位於嚙合面之間的微間隙而有效於降低嚙合的發熱單元與散熱單元之間的接觸電阻。熱界面材料層27也可起輔助令晶片16產生的熱在散熱器蓋12與晶片16間整個界面上分散的功能。熱界面材料層27可以由熱黏合劑、導熱脂、導熱凝膠、相變材料、導熱墊片、或其組合構成。熱界面材料層27的熱阻可取決於，除其它因素外，接觸電阻、堆積導熱率、和層厚度。
回流的焊料球34令晶片16上的結合墊片與層壓基板14上的補充結合墊片配合。層壓基板14上的結合墊片可通過焊料球36與印刷電路板(未顯示)上的補充結合墊片配合。層壓基板14亦可包括用來接地電位和電源點位輸送至晶片16的接地層和電源層。可施加底膠40，令其填充晶片16與層壓基板14之間的未被焊料球34佔據的開放空間，底膠40可包括位於晶片16外緣的楞狀凸起。當晶片16在最終用途裝置中操作時，底膠40保護回流的焊料球34對抗多種不利的環境因素，重新分配由於衝擊造成的機械應力，並防止焊料球34在熱循環過程中在應變下移動。
散熱器蓋12運行，以抽取並分散晶片16產生的熱。散熱器蓋12的厚度和面積應足夠大，以便封裝翹曲控制和功能性地傳播晶片16產生的熱。散熱器蓋12對位於接近電磁干擾(EMI)輻射源也就是晶片16處的法拉第屏蔽(Faraday shield)也有貢獻。在EMI輻射能夠從封裝組件10逃逸，從而中斷、阻塞或以其它方式降低或限制層壓基板14所附接的印刷電路板上的其它元件有效性能之前，或在EMI輻射能夠以其它方式逃逸到容納晶片16和層壓基板14的系統殼外部之前，EMI輻射被散熱器蓋12捕獲。特別地，散熱器蓋12周圍區域20可通過將法蘭30連接至層壓基板14而接地，因此，EMI輻射可隨著電流分散至由層壓基板14中接地層提供的接地。
散熱器蓋12的連接區域22可包括一個或多個特徵42，在代表性實施方式中，特徵42的形式為延伸穿過連接區域22全厚度t的通孔或狹縫。特徵42可在用來形成散熱器蓋12的加工(如，衝壓)過程中形成。
一種實施方式中，連接區域22中的特徵42可關於中心區域18的中心點41呈圓周排列，且可相對於中心點41呈放射取向對齊。各特徵42具有位於連接區域22內的一起點和一終點。相鄰的成對特徵42通過連接區域22的扇形區23分隔。特徵42的長度受限，因此特徵42不突入中心區域18內，以避免對熱抽取和散熱的干擾。為了這一目的，特徵42可相對于外周界28在貫穿晶片16側邊緣17的各方向上延伸一長度L。特徵42的各終點位於除側邊緣17位置外的位置。特徵42亦可具有給定寬度w，可考慮到EMI屏蔽而選擇作為設計參數的寬度。特徵42的長度和寬度，以及特徵42的數目和位置，是可選擇的設計參數，其賦予散熱器蓋12及通過熱界面材料層27與晶片16結合的中心區域18以給定水平的應力減低。
在代表性實施方式中，連接區域22的特徵42是線性的。一種備選的實施方式中，特徵42中的一個或多個可具有非線性的形狀，如彎曲形狀或弧形。在代表性實施方式中，特徵42是長狹縫。一種備選的實施方式中，特徵42中的一個或多個可具有不同的幾何形狀，如定義延伸穿過連接區域22厚度的孔的環狀特徵42。
連接區域22的厚度t1可以是均勻的，或者可表示考慮到小幅厚度偏差的平均厚度。在備選的實施方式中，連接區域22的一個或多個扇形區23的厚度t1可以小於晶片16側邊緣17內側中心區域18的厚度t2。或者，連接區域22整體上可以比中心區域18更薄，且特徵42可省略用於提供應力減低的連接區域22的更薄厚度。
與缺乏這些特徵的傳統散熱器蓋的結構剛度相比，特徵42可降低散熱器蓋12的結構剛度。結構剛度的下降可降低晶片16轉角和晶片16轉角下方的焊料球34和底膠40上的應力。因此，連接區域22以一個或多個特徵42組合在一起，定義了中心區域18的應力減低區域。被降低的結構剛度增加了撓性，而不犧牲熱傳播、翹曲控制、和EMI屏蔽的功能。通過修改特徵42的特徵參數和形貌(如，寬度、長度、深度、取向)，可將撓性增加的程度調整為具體的配置。
參考第4圖和第5圖，圖中相同的元件符號指的是第2圖和第3圖中的相同特徵，且根據備選的實施方式，散熱器蓋12可包括位於連接區域22中的一個或多個特徵44，在代表性實施方式中，特徵44為未延伸穿過連接區域22全厚度(即，不是通孔且僅為部分深度)的溝槽或通道形式。連接區域22與一個或多個特徵44組合在一起，定義了應力減低區域。實施方式中，特徵44可具有一 深度d，其範圍為大於或等於連接區域22厚度的20%且小於或等於連接區域22厚度的80%。一種實施方式中，每一特徵44的深度可以是小於或等於2毫米。
特徵44成組位於連接區域22的外周界28與晶片16的側邊緣17之間。一種實施方式中，特徵44可分佈在連接區域22的表面25上，也可亦分佈在散熱器蓋12連接區域22的表面26上。或者，特徵44可僅分佈在表面25上或僅分佈在表面26上。表面26上的特徵44設置為成對平行於設置為與晶片16側邊緣17對齊的平行特徵44。表面25上的特徵44也設置為與晶片16的側邊緣17平行對齊。在代表性實施方式中，特徵44是線性的，且其設置為與晶片16的側邊緣17平行。對於每一組特徵44，表面26上的特徵44中的至少一個被設置為與表面25上的特徵44中的至少一個平行。
一種實施方式中，特徵44可具有類似於特徵42對齊的放射取向(第1圖)，且特徵44中的一個或多個可具有向內延伸穿過晶片16邊緣17並進入散熱器蓋12中心區域18的長度。因為其深度為厚度的一部分，與作為通孔的特徵42相比，中心區域18中特徵44對熱界面材料層27的影響被降低或無影響。例如，熱界面材料層27可流入溝槽內，而非流經通孔。
本文中對術語“垂直”、“水平”、“橫向”等描述僅用於舉例說明，而非用於限制，以構建參照系。術語如“水平”和“橫向”指與半導體基板上表面平行的平面中的 方向，而不考慮其真實三維空間取向。術語如“垂直”和“正交”指垂直于該“水平”和“橫向”方向的方向。術語如“上”和“下”表明元件或結構相對於彼此的位置，及/或相對于作為相對標高的半導體基板上表面的位置。
與另一元件“連接”或“配合”的一個特徵可直接連接或配合該另一元件，或者相反，可存在一個或多個中間元件。若不存在中間元件，一個特徵可“直接連接”或“直接配合”另一元件。若存在至少一個中間元件，一個特徵可“間接連接”或“間接配合”另一元件。
本發明多種實施方式的說明已經呈現用於例示性說明目的，而不應視為無遺或將本發明限制為所揭露的實施方式。該領域技術人員將明瞭多種修飾和變更而不悖離所描述的實施方式的範疇和精神。選擇本文中使用的術語，以最佳地解釋該實施方式的原則、特定應用或相對於市面上發現技術的技術改進，或令該領域其他技術人員理解本文中揭露的實施方式。
Claims (13)
- 一種半導體結構，包含：一散熱器蓋，具有配置為與電子元件配合的中心區域、配置為與基板配合的周圍區域以及置於該中心區域與該周圍區域之間的連接區域，該連接區域配置為賦予該中心區域以應力消除，其中，該連接區域具有厚度且包括一個或多個溝槽，該一個或多個溝槽部分延伸穿過該連接區域的該厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體結構，其中，該連接區域環繞該中心區域，且該周圍區域環繞該連接區域和該中心區域。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體結構，其中，該一個或多個溝槽通過降低該連接區域的結構剛度而提供應力消除。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體結構，其中，該一個或多個溝槽各自具有大於或等於該連接區域的厚度的20%且小於或等於該連接區域的厚度的80%的深度。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體結構，其中，該一個或多個溝槽中的至少一個設置為延伸入該中心區域內。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體結構，其中，該一個或多個溝槽中的至少一個設置為平行於該電子元件 的側邊緣而延伸。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體結構，其中，該連接區域包括第一表面以及以該連接區域的厚度而與該第一表面分離的第二表面，該一個或多個溝槽中的至少一個位於該第一表面上，且該一個或多個溝槽中的至少一個位於該第二表面上。
- 如申請專利範圍第7項所述的半導體結構，其中，該一個或多個溝槽中位於該第一表面上的該至少一個設置為平行於該一個或多個溝槽中位於該第一表面上的該至少一個而延伸。
- 一種半導體封裝組件，包含：電子元件；基板；以及散熱器蓋，包括中心區域、具有法蘭的周圍區域以及設置於該中心區域與該周圍區域之間的連接區域，其中，該連接區域配置為賦予該中心區域以應力消除，其中，該連接區域具有厚度且包括一個或多個溝槽，該一個或多個溝槽部分延伸穿過該連接區域的該厚度。
- 如申請專利範圍第9項所述的半導體封裝組件，其中，該一個或多個溝槽通過降低該連接區域的結構剛度而提供應力消除。
- 如申請專利範圍第9項所述的半導體封裝組件，進一步包含：位於該散熱器蓋的該中心區域與該電子元件之間的熱界面層。
- 如申請專利範圍第11項所述的半導體封裝組件，其中，該周圍區域包括法蘭，且進一步包含：位於該法蘭與該基板之間的黏合劑層。
- 如申請專利範圍第9項所述的半導體封裝組件，其中，該周圍區域包括法蘭，且進一步包含：位於該法蘭與該基板之間的黏合劑層。
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