TWM610399U

TWM610399U - 散熱器結構

Info

Publication number: TWM610399U
Application number: TW109215952U
Authority: TW
Inventors: 林育申; 鄭堅地
Original assignee: 雙鴻科技股份有限公司
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2021-04-11

Abstract

一種散熱器結構，包括散熱器主體和多個熱傳凸塊。散熱器主體具有接合面。熱傳凸塊設置在接合面上。熱傳凸塊至少包括第一類熱傳凸塊和第二類熱傳凸塊。第一類熱傳凸塊相較於接合面具有第一高度。第二類熱傳凸塊相較於接合面具有第二高度。第一高度大於第二高度。

Description

散熱器結構

本揭示內容係關於接合散熱器與半導體元件的方法及其散熱器結構。

此處的陳述僅提供與本揭示有關的背景信息，而不必然地構成現有技術。

約自1982年Intel 386處理器有散熱問題開始，電子元件的散熱漸漸成為重要的問題。相較於傳統的幫浦、壓縮機等大型機件，電子元件或電子構裝的散熱由於體積之限制，需要在小範圍達到好的散熱以及均溫效果，並且需考量設置散熱元件所產生的成本不能太高，因此實際上是頗具挑戰性的散熱領域議題。

近年來，隨著半導體產業最小線寬製程精度不斷提升，電子元件尺寸更是進一步縮小，但其發熱量和單位面積熱密度愈趨增大。為了使電子元件的運作時維持在許可的工作溫度，常見的做法是在電子元件上裝設各種類型的散熱器（如: 散熱片、均溫板、水冷散熱裝置等）。目前所知的裝設結構大多是透過導熱膠作為散熱器和電子元件之間的固定和熱傳導媒介，藉由導熱膠之可塑性高的性質以提升熱接觸面的接合品質。

然而，上述散熱方式所使用的導熱膠之熱傳導係數相較於導熱性較佳的金屬（例如，金、鋁、銅等）仍有一個數量級以上的差距，且在前述電子元件逐漸縮小的趨勢下也將漸漸不足以應付如此高密度且大量的熱能來源。因此，有必要提出進一步提升散熱效果的結構和方法。

有鑑於此，本揭示的一些實施方式揭露了一種將散熱器接合至半導體元件的方法，包括：將散熱器主體接近半導體晶片，使得設置於散熱器主體的接合面上的多個熱傳凸塊中的第一類熱傳凸塊接觸設置於半導體晶片上的熱傳墊；對散熱器主體進行超音波震動，使得第一類熱傳凸塊與熱傳墊產生鍵合；施加壓力並進行超音波震動以壓緊散熱器主體和半導體晶片，使得熱傳凸塊中的第二類熱傳凸塊接觸熱傳墊，並與熱傳墊產生鍵合。

於本揭示的一或多個實施方式中，在第一類熱傳凸塊接觸熱傳墊之前，第一類熱傳凸塊相較於接合面具有第一高度，第二類熱傳凸塊相較於接合面具有第二高度，第一高度大於第二高度，且第二類熱傳凸塊相較於第一類熱傳凸塊設置在距離接合面的幾何中心較遠處。

於本揭示的一或多個實施方式中，熱傳凸塊的材料包括金和鎳。熱傳墊的材料包括金和鎳，且鍵合係產生於熱傳凸塊的金與熱傳墊的金之接觸界面。

於本揭示的一或多個實施方式中，將散熱器接合至半導體元件的方法更包括：在第一類熱傳凸塊與熱傳墊產生鍵合後以及在第二類熱傳凸塊與熱傳墊產生鍵合前，施加壓力並進行超音波震動以壓緊散熱器主體和半導體晶片，使得熱傳凸塊中的第三類熱傳凸塊接觸熱傳墊，並與熱傳墊產生鍵合。第三類熱傳凸塊相較於接合面具有第三高度，第三高度小於第一高度且大於第二高度。第三類熱傳凸塊相較於第一類熱傳凸塊設置在距離接合面的幾何中心較遠處，且相較於第二類熱傳凸塊設置在距離接合面的幾何中心較近處。

於本揭示的一或多個實施方式中，第一高度和第三高度的差值約為1至2微米之間，第二高度和第三高度的差值約為1至2微米之間。

於本揭示的一或多個實施方式中，相鄰的熱傳凸塊之間的間隔區的寬度介於10微米和100微米之間。

於本揭示的一或多個實施方式中，熱傳凸塊當中的一者在接合面上的垂直投影的面積小於或等於約500平方微米。

於本揭示的一或多個實施方式中，將散熱器接合至半導體元件的方法更包括：在進行超音波震動前加熱散熱器主體。

本揭示的一些實施方式揭露了一種散熱器結構，包括散熱器主體和多個熱傳凸塊。散熱器主體具有接合面。熱傳凸塊設置在接合面上，並至少包括第一類熱傳凸塊和第二類熱傳凸塊。第一類熱傳凸塊相較於接合面具有第一高度。第二類熱傳凸塊相較於接合面具有第二高度。第一高度大於第二高度。第二類熱傳凸塊相較於第一類熱傳凸塊設置在距離接合面的幾何中心較遠處。

於本揭示的一或多個實施方式中，熱傳凸塊的材料包括金和鎳。

於本揭示的一或多個實施方式中，鎳接觸接合面。

於本揭示的一或多個實施方式中，熱傳凸塊更包括第三類熱傳凸塊，其相較於接合面具有第三高度。第三高度小於第一高度且大於第二高度。第三類熱傳凸塊相較於第一類熱傳凸塊設置在距離接合面的幾何中心較遠處，且相較於第二類熱傳凸塊設置在距離接合面的幾何中心較近處。

於本揭示的一或多個實施方式中，第一高度和第三高度的差值約為1至2微米之間。第二高度和第三高度的差值約為1至2微米之間。

於本揭示的一或多個實施方式中，熱傳凸塊間的間隔區的寬度介於10微米和100微米之間。

於本揭示的一或多個實施方式中，第二類熱傳凸塊相較於第一類熱傳凸塊設置在距離接合面的幾何中心較遠處。

於本揭示的一或多個實施方式中，熱傳凸塊的材料包括金、鎳和銅，且銅接觸接合面。

於本揭示的一或多個實施方式中，第一高度和第二高度的差異來自於熱傳凸塊中銅的不同高度。

本揭示藉由超音波或熱音波（超音波以及加熱配合，多為先加熱升溫再施以超音波）接合，可在加工過程中避免對工件施以高溫，僅以超音波產生的磨擦熱及進一步運用加熱及加壓以讓分別設置在散熱器、半導體晶片表面之導熱金屬凸塊表面相互瞬時加熱而熔合，最後產生金屬鍵合，生成金屬層結構以接合散熱器及半導體晶片，利用上述方式，可在接合過程中避免高溫以保護被施作接合的工件，甚至，以金屬層結構取代傳統的導熱膠來接合散熱器及半導體晶片，亦可大幅降低散熱器與半導體晶片之傳熱路徑上的熱阻，從而大幅提升散熱器對半導體晶片的散熱效率。

為了讓本揭示的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

為使本揭示之敘述更加詳盡與完備，下文針對了本揭示的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本揭示具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其他的實施例，而無須進一步的記載或說明。

在以下的描述中，將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，也可在無此等特定細節之情況下實踐本揭示之實施例。在其他情況下，為簡化圖式，本領域熟知的結構與裝置僅示意性地繪示於圖中。

參考第1圖至第5圖。第1圖繪示本揭示一些實施例中將散熱器接合至半導體元件的方法S的流程示意圖。第2圖至第5圖繪示本揭示一些實施例中將散熱器接合至半導體元件之方法S的剖面示意圖。方法S於操作110開始，將散熱器主體210接近半導體晶片300，使得設置於散熱器主體210的接合面2102上的多個熱傳凸塊220中的第一類熱傳凸塊2202接觸設置於半導體晶片300上的熱傳墊310（參考第2圖和第3圖）。熱傳墊310可以是一整個連續層或如第2圖所示的多個獨立的熱傳墊310。多個獨立的熱傳墊310之實施態樣可相較於整個連續層的實施態樣在後續接合的能量消耗和溫度要求上都節省/減少許多。應注意，本揭示並不排除單一層的熱傳墊310。方法S接著進行至操作120，對散熱器主體210進行超音波震動，使得第一類熱傳凸塊2202與熱傳墊310產生鍵合，形成金屬層結構2208（可參考第4圖）。在一些實施例中，在進行前述超音波震動前對散熱器主體210進行加熱，使得熱傳凸塊220更易於與熱傳墊310產生鍵合。加熱的溫度範圍大約為攝氏100至150度。此溫度範圍係由於採用多點分別產生鍵合的實施態樣而能夠有效地降低鍵合溫度，其可更好地保護半導體晶片300。方法S接著進行至操作130，施加壓力P並同時進行超音波震動以壓緊散熱器主體210和半導體晶片300，使得熱傳凸塊220中的第二類熱傳凸塊2204也接觸熱傳墊310，並與熱傳墊310產生鍵合，藉由上述方式，使得在第二類熱傳凸塊2204與熱傳墊310產生鍵合的同時，已和熱傳墊310鍵合的第一類熱傳凸塊2202也朝向第二類熱傳凸塊2204分佈的方向產生鍵合。以第4圖及第5圖為例，第一類熱傳凸塊2202、第二類熱傳凸塊2204陸續與熱傳墊310鍵合，最後也彼此鍵合而形成整面的金屬層結構2208，以緊密接合散熱器主體210和半導體晶片300（可參考第5圖）。在第5圖所繪示的實施例中，金屬層結構2208在散熱器主體210上的垂直投影涵蓋了所有熱傳凸塊220在散熱器主體210上的垂直投影。應注意，在操作120階段，僅第一類熱傳凸塊2202與熱傳墊310產生鍵合並形成小範圍（如第4圖所示）的金屬層結構2208，第二類熱傳凸塊2204於操作120階段尚未與熱傳墊310產生鍵合。

在本揭示的實施例中，半導體晶片300可以是半導體製程中常見的矽半導體晶片或各類摻雜的半導體晶片，半導體晶片300上及內部設置有電路及各式電子元件。在一些實施例中，半導體晶片300係由基板320所支撐，基板320位於半導體晶片300設置熱傳墊310的一面的相對面，即半導體晶片300位於熱傳墊310和基板320之間。基板320的材料可以雙馬來醯亞胺三嗪樹脂（即BT樹脂）或ABF樹脂，但不以此為限。

雖然第2圖至第5圖僅繪示一個散熱器主體210對應至一個半導體晶片300的情形以清楚顯示兩者之間的細部結構關係，但本揭示不排除一個散熱器主體210接合至多個半導體晶片300的情形。在一對多的實施方式下，第2圖至第5圖中的散熱器主體210可繼續橫向延伸並具有多個如前開圖式中所繪示之接合各種半導體晶片300的區域。易言之，一個散熱器主體210可以因應各該半導體晶片300的位置而佈設有多個區域，並在各該區域都設有如前開圖式中的熱傳凸塊220群以接合各半導體晶片300。

在一些實施例中，熱傳凸塊220的材料包括金和鎳，鎳可接觸接合面2102，但不以此為限。熱傳墊310的材料亦包括金和鎳，且前述鍵合係產生於熱傳凸塊220的金與熱傳墊310的金之接觸界面，此設置得以在超音波震動時相較於其他本揭示不特意排除的材料組合（例如，熱傳凸塊220和熱傳墊310其中之一為鋁和鎳的組合，另一為金和鎳的組合）達到更好的鍵合效果。在前述異質接面（金對上鋁）的態樣中，由於金和鋁的擴散速率差異，兩者在產生鍵合時容易產生柯爾達孔洞（Kirkendall voids），這類孔洞易聚集成裂痕，降低熱傳品質，因而減低了鍵合後散熱器主體210對半導體晶片300的散熱效果。

在一些實施例中，在需要調整熱傳凸塊220的高度時，例如形成第一類熱傳凸塊2202和第二類熱傳凸塊2204兩種高度，所使用的方法可以是先於接合面2102欲增加高度的部位鍍上額外的銅，再接著鍍上鎳層和金層。在一些實施例中，不論熱傳凸塊220的高度如何調整，皆可以調整額外鍍上之銅的高度的方式為之，而鎳和金加起來的高度可控制在3微米左右，以達到較好的傳熱效率和製程中的傳遞超音波震動的效率。當然，上開細部數據描述並不直接用以限制本揭示的保護範圍。

在前述實施例中，超音波震動的頻率可為40千赫茲至120千赫茲，但不以此為限。此外，若前述熱傳凸塊220的鎳係以鎳薄膜的形式形成於接合面2102上，則可進一步協助超音波功率更好地傳遞至熱傳凸塊220和熱傳墊310的接合處，幫助產生鍵合。

在第一類熱傳凸塊2202接觸熱傳墊310之前，第一類熱傳凸塊2202相較於接合面2102具有第一高度H1，第二類熱傳凸塊2204相較於接合面2102具有第二高度H2。第一高度H1大於第二高度H2。因此，產生鍵合的順序會由第一類熱傳凸塊2202先開始，再漸漸擴及第二類熱傳凸塊2204。此外，第二類熱傳凸塊2204相較於第一類熱傳凸塊2202設置在距離接合面2102的幾何中心C較遠處。在此對幾何中心C做較為明確的說明。假設接合面2102（散熱器主體210面向半導體晶片300的一面）的形狀為正方形，則該正方形的中心點為幾何中心C；若為圓形，則圓心為幾何中心C，其他形狀依此類推，不再贅述。上述關於第一類熱傳凸塊2202和第二類熱傳凸塊2204之間相對位置的設置條件可使得超音波震動或加熱時，能夠從前述幾何中心C以較佳的效率將震動和熱能傳至接合面2102的各處，在大量製程中可以達到節省成本的效果。雖然上開實施例僅詳細描述了熱傳凸塊220內高外低的結構，本揭示並不排除其他型態（例如，外高內低）的高度分布。

在一些實施例中，在第一類熱傳凸塊2202與熱傳墊310產生鍵合後以及在第二類熱傳凸塊2204與熱傳墊310產生鍵合前，施加壓力P並進行超音波震動以壓緊散熱器主體210和半導體晶片300，使得熱傳凸塊220中的第三類熱傳凸塊2206接觸熱傳墊310並與熱傳墊310產生金屬鍵合。第三類熱傳凸塊2206相較於接合面2102具有第三高度H3。第三高度H3小於第一高度H1且大於第二高度H2。在一些實施例中，第一高度H1和第三高度H3的差值約1至2微米之間，第二高度H2和第三高度H3的差值約為1至2微米之間。

在一些實施例中，第三類熱傳凸塊2206相較於第一類熱傳凸塊2202設置在距離接合面2102的幾何中心C較遠處，且相較於第二類熱傳凸塊2204設置在距離接合面2102的幾何中心C較近處。易言之，在一些實施例中，設置在接合面2102上的熱傳凸塊220愈靠近幾何中心C者其實體高度距離接合面2102愈大，愈遠離幾何中心C者其實體高度距離接合面2102愈小。如此一來，在進行超音波震動和加熱製程時，即可先對幾何中心C周圍的少量熱傳凸塊220進行與熱傳墊310之間的鍵合製程。隨著鍵合的形成，距離幾何中心C較遠且高度較低的熱傳凸塊220接著再與熱傳墊310產生鍵合。此種由中心部分小範圍開始漸往外產生鍵合的方式可使得散熱器主體210和半導體晶片300之間的接合製程能在更低功率、更低溫的情況下完成整面熱傳凸塊220和熱傳墊310之間的鍵合，從而形成金屬層結構2208，以節省製程成本及降低半導體晶片300內部電路元件受損的機率。

在一些實施例中，相鄰的熱傳凸塊220之間的間隔區SP的寬度L介於10微米和100微米之間，其可使得前述由幾何中心C向外產生鍵合的製程較為順暢，整體接合效果較佳，降低在金屬層結構2208產生空隙的機率，並達到平衡低功率與低溫製程的目的。在一些實施例中，一個熱傳凸塊220在接合面2102上的垂直投影的面積小於或等於約500平方微米。前述面積的條件乃用以較佳化上述低功率與低溫製程的功效。

本揭示另一方面提供一種散熱器結構200。參考第6圖。第6圖繪示本揭示一些實施例中散熱器結構200的剖面示意圖。散熱器結構200包括散熱器主體210以及多個熱傳凸塊220。散熱器主體210可以是散熱裝置（heat sink）、均溫板（vapor chamber，VC）、散熱塊（heat slug）、水冷式或氣冷式散熱裝置，但不以此為限。散熱器主體210的主要材質可以是銅，以兼顧較佳整體導熱係數及製作成本，但不以此為限。以均溫板為例，散熱器主體210內可包括具有毛細結構的空腔212，空腔212中可包括散熱用的液體。另以水冷散熱裝置為例，其散熱器主體210內可包括冷卻液流動腔室，但本揭示之散熱器主體210並不以上述示例為限，亦可為不具腔室之任何散熱裝置。散熱器主體210具有接合面2102。熱傳凸塊220設置在接合面2102上。這些熱傳凸塊220至少包括第一類熱傳凸塊2202以及第二類熱傳凸塊2204。第一類熱傳凸塊2202相較於接合面2102具有第一高度H1。第二類熱傳凸塊2204相較於接合面2102具有第二高度H2。第一高度H1大於第二高度H2。第二類熱傳凸塊2204相較於第一類熱傳凸塊2202設置在距離接合面2102的幾何中心C較遠處。在一些實施例中，熱傳凸塊220亦包括第三類熱傳凸塊2206。關於散熱器結構200中各個元件的技術特徵細節，皆可參考上開接合散熱器至半導體元件的方法S的各實施例中對於同樣名稱（標號）之元件的相關描述，在此不再贅述。

值得注意的是，上述熱傳凸塊220之間以及熱傳凸塊220與本揭示所提及的其他所有部件之間都可為電性獨立/隔離。易言之，熱傳凸塊220可以僅作為傳遞熱能用，並可完全不具有電性連接的功效。

綜上所述，本揭示的實施例提供了一種將散熱器接合至半導體元件的方法及其相應的散熱器結構。藉由超音波震動的方式，使得散熱器的導熱金屬直接與半導體晶片上的導熱金屬產生鍵合，以形成金屬層結構替代習知技術所採用的導熱膠，並提高將半導體晶片所產生之熱能傳導至散熱器的效率。配合散熱器上不同高度熱傳凸塊所形成的漸進式擴散鍵合，進一步降低耗能和鍵合溫度。此外，金屬材料的選用使得鍵合面品質提升，大程度減少了孔洞的產生。再者，每個超音波震動鍵合介面的起始面積條件亦幫助控制鍵合溫度值。

雖然本揭示已以實施例揭露如上，然並非用以限定本揭示，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S:方法 110、120、130:操作 200:散熱器結構 210:散熱器主體 212:空腔 220:熱傳凸塊 2102:接合面 2202:第一類熱傳凸塊 2204:第二類熱傳凸塊 2206:第三類熱傳凸塊 2208:金屬層結構 300:半導體晶片 310:熱傳墊 320:基板 SP:間隔區 L:寬度 C:幾何中心 H1:第一高度 H2:第二高度 H3:第三高度 P:壓力

第1圖繪示本揭示一些實施例中將散熱器接合至半導體元件的方法的流程示意圖。第2圖繪示本揭示一些實施例中將散熱器接合至半導體元件的方法的中間階段之剖面示意圖。第3圖繪示本揭示一些實施例中將散熱器接合至半導體元件的方法的中間階段之剖面示意圖。第4圖繪示本揭示一些實施例中將散熱器接合至半導體元件的方法的中間階段之剖面示意圖。第5圖繪示本揭示一些實施例中將散熱器接合至半導體元件的方法的最後階段之剖面示意圖。第6圖繪示本揭示一些實施例中散熱器結構的剖面示意圖。

210:散熱器主體

212:空腔

220:熱傳凸塊

2102:接合面

2202:第一類熱傳凸塊

2204:第二類熱傳凸塊

2206:第三類熱傳凸塊

300:半導體晶片

310:熱傳墊

320:基板

SP:間隔區

L:寬度

C:幾何中心

H1:第一高度

H2:第二高度

H3:第三高度

Claims

一種散熱器結構，包括：一散熱器主體，具有一接合面；複數個熱傳凸塊，設置在該接合面上，該些熱傳凸塊至少包括：一第一類熱傳凸塊，相較於該接合面具有一第一高度；以及一第二類熱傳凸塊，相較於該接合面具有一第二高度，該第一高度大於該第二高度。
如請求項1所述之散熱器結構，其中該些熱傳凸塊的材料包括金和鎳。
如請求項2所述之散熱器結構，其中鎳接觸該接合面。
如請求項1所述之散熱器結構，其中該些熱傳凸塊更包括一第三類熱傳凸塊，相較於該接合面具有一第三高度，該第三高度小於該第一高度且大於該第二高度，該第三類熱傳凸塊相較於該第一類熱傳凸塊設置在距離該接合面的幾何中心較遠處，且相較於該第二類熱傳凸塊設置在距離該接合面的幾何中心較近處。
如請求項4所述之散熱器結構，其中該第一高度和該第三高度的差值約為1至2微米之間，該第二高度和第三高度的差值約為1至2微米之間。
如請求項1所述之散熱器結構，其中該些熱傳凸塊間的間隔區的寬度介於10微米和100微米之間。
如請求項1所述之散熱器結構，其中該些熱傳凸塊當中的一者在該接合面上的垂直投影的面積小於或等於約500平方微米。
如請求項1所述之散熱器結構，其中該第二類熱傳凸塊相較於該第一類熱傳凸塊設置在距離該接合面的幾何中心較遠處。
如請求項1所述之散熱器結構，其中該些熱傳凸塊的材料包括金、鎳和銅，且銅接觸該接合面。
如請求項9所述之散熱器結構，其中該第一高度和該第二高度的差異來自於該些熱傳凸塊中銅的不同高度。