TWM621142U - 半導體用散熱中介層 - Google Patents

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吳智孟
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創新服務股份有限公司
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Abstract

本創作是一個中介層,該中介層的頂面設一個頂面毛細結構,底面設一個底面毛細結構。該中介層的周邊有一組凸部與一組凹部,該凹部在兩個凸部之間。利用該頂面毛細結構和底面毛細結構,讓冷卻流體進行液態轉換氣態的熱循環,而與配置在中介層的半導體產生熱交換作用。因此,所述的中介層適用半導體立體封裝技術,幫助冷卻流體直接帶走半導體的熱,使散熱功能更有效率。

Description

半導體用散熱中介層
本創作涉及半導體的封裝技術,尤指一種中介板,適用在半導體立體封裝結構,具備散熱效果。
採用立體封裝結構,將更多的半導體晶片聚集在一起,達到體積小、功能強的要求。通電後,該半導體晶片產生高熱,高熱會延遲運算效率,甚至會降低使用期限。如何散熱,就成為半導體晶片亟待解決的課題。
在美國第20200105644號專利案中,一種散熱裝置附接於半導體立體封裝結構,藉由溫度較低的冷卻液不斷補充到一個流道,帶走封裝結構的熱。雖然,這項水冷方式的設計能提升散熱效率。但是,該散熱裝置推動冷卻液流動的力來自一台泵,體積龐大的散熱裝置,顯然跟不上封裝結構微型化的先進技術。
台灣第202121618號專利案提出一種堆疊結構,結合台灣第202002201號專利案的散熱結構,在立體封裝內部添加一個熱傳導結構,來改良散熱問題。具體而言,半導體晶片堆疊的每層加裝一個散熱層,該散熱層是具備導熱效率的熱介面材料,通過矽穿孔或銅柱等電連接結構,取得半導體晶片的熱傳導效果。缺點是,熱傳導散熱效果有限。特別是,多層堆疊時,下層半導體晶片散熱不及,效果大幅降低。
目前解決散熱問題較佳的方案,是一種蒸氣室結構或稱均溫結構。所述的蒸氣室結構利用冷卻流體氣相與液相的熱循環,達到快速的散熱效果。因此,該蒸氣室運用在半導體的立體封裝技術,能改善多個高性能晶片的散熱效率。
譬如,日本第5554444號(公開第2015050323號)專利案與台灣第202002031號專利案都提到一個蓋體,運用在半導體的立體封裝結構,實現蒸氣室的散熱效果。
又,台灣第I672775號(申請第106119235號)專利案,在立體封裝結構設計至少一條冷卻通道圍繞堆疊的半導體晶片。在冷卻通道進行相變的流體,帶走半導體晶片的熱而具備散熱效果,故冷卻通道相當於蒸氣室的功能。
還有一種半導體封裝結構和組裝結構,在半導體晶片與封裝基板之間設置所需的蒸氣室,該蒸氣室帶走半導體晶片的熱,並向多國提出專利的申請,如美國第20200111728號與中國第111009493號等案。
前述各項蒸氣室專利中,以熱介面材料或封裝膠體為介質,使蒸氣室結構間接地結合於半導體封裝結構。如此,該介質的導熱率影響蒸氣室結構的散熱效果甚鉅。
鑒於此,本案創作人提供一種中介層,主要目的在於:適用半導體的立體封裝技術,幫助冷卻流體直接帶走半導體的熱,使散熱功能比先前技術更有效率。
源於上述目的之達成,本創作包括:一個中介層;一個頂面毛細結構設在該中介層的頂面;一個底面毛細結構設在該中介層的底面;一組凸部設在該中介層的周邊;以及,一組凹部設在該中介層的周邊,該凹部在兩個凸部之間。
如此,本創作利用頂面毛細結構和底面毛細結構,讓冷卻流體進行液態轉換氣態的熱循環,而與配置在中介層的半導體產生熱交換作用。因此,所述的中介層適用半導體立體封裝技術,幫助冷卻流體直接帶走半導體的熱,使散熱功能比先前技術更有效率。
為使本創作之目的、特徵和優點,淺顯易懂,茲舉一個或以上較佳的實施例,配合所附的圖式詳細說明如下。
接下來,結合附圖,描述本案的實施例。附圖中,用相同的標號表示相同或近似的結構或單元。可預知的是,所述的實施例僅為本案部分的範例,不是全部的實施例。基於所述的範例能夠推演獲得其他的實施例,或視需要更改、變化的構造,均屬本案保護的範圍。
在以下描述中,方向用語如「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「內」、「外」與「側面」,只是參照附圖的方向。方向用語的使用,是為了更好的、更清楚的描述且理解本案,不明示或暗示所述的裝置或元件必須具備特定的方位、構造和操作,故不能理解為對本案技術內容的限制。
除非特定且明確的規範和限定,在以下描述中,「安裝」、「相連」、「連接」或「設在…上」應做廣義理解,例如固定連接、拆卸式連接、一體連接、機械連接、直接地相連、間接地相連或是兩個元件內部的連接。對屬於本案領域的技術人員而言,憑藉普通知識或經驗能夠理解上述術語在各個實施例,甚至於本案具體的含義。
除非另有說明,在以下描述中,「多個」表示兩個或兩個以上。
第1圖是俯視圖,顯示本創作封裝結構10的第一實施例。所述的封裝結構10上方是一個蓋子11,所述的蓋子11是一個正方體,該正方體的四個角落各有一個孔12。
在本實施例,所述的蓋子11採用銅、銅合金與其他的導熱金屬之一製成。某些實施例中,將銅、銅合金與其他的導熱金屬之一披覆高分子材料製成所述的蓋子11表面,同樣具備導熱率。
第2圖是仰視圖,所述的封裝結構10下方是形狀相同於蓋子11的一個底板20,該底板20中央位置陣列一組電接腳21,該組電接腳21依四方形環狀排列。四個墊塊22形成於該底板20的四個角落。
如第4、10圖所示,該封裝結構10切成兩個部分。從透視圖看到,所述的蓋子11內側有五個面合圍一個內部空間。該底板20封閉蓋子11的開口,二者結合並圍成密閉的一個蒸氣室13。一個防漏結構23在底板20與蓋子11之間,避免蒸氣室13發生滲漏情況。
在本實施例,所述的蓋子11內側蝕刻一組毛細結構15。該毛細結構15是交錯的多條隙縫,形成於蓋子11內側的五個面之一。如此,該組毛細結構15佈滿蓋子11內側的五個面。某些實施例中,該組毛細結構15透過雷射雕刻、沖壓與壓鑄之一手段形成於蓋子11的表面。
另外,該蓋子11內側結合一組金屬製的網14。透過焊接或粘著手段之一,該網14固定在蓋子11內側的五個面之一,不破壞亦不堵塞該面的毛細結構15。如此,該組網14遮蔽蓋子11內側的毛細結構15。
如第3、5圖所示,該封裝結構10的蒸氣室13中,封裝一個半導體晶片堆疊結構和適量的冷卻流體(圖未示)。
在本實施例,所述的冷卻流體是超純水。該超純水具備一個導熱率,在容積固定不變的蒸氣室13,進行液相轉換氣相的變化,故蒸氣室13添入適量的超純水即可。某些實施例中,所述的冷卻流體選自乙醇、丁烷及其混合物之一。
此處所稱的半導體晶片堆疊結構,泛指多個半導體晶片透過多個中介層堆疊的三維結構體並設在底板20上。這些中介層堆疊為三層結構體,由下往上界定下層中介層33、中層中介層32與上層中介層30,有助於結構的描述,避免混淆。在本實施例,該中介層選自陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板、氧化鋁陶瓷基板、氧化矽陶瓷基板與氮化矽陶瓷基板之一。
以上層中介層30為例,其頂面的中央位置是一個工作區40,該工作區40是一個正方形區域,在正方形區域四周陣列一組導熱柱43。透過蝕刻、雷射雕刻、沖壓與壓鑄之一手段,在上層中介層30的頂面形成一個頂面毛細結構31,該頂面毛細結構31是行與列交錯的多條隙縫,避開該組導熱柱43。
接著看到第7圖,該上層中介層30底面也有工作區40,是由一個座落區41和一組導電柱42組成。該組導電柱42圍在正方形座落區41四周,該組導熱柱43環繞在該組導電柱42周圍。透過蝕刻、雷射雕刻、沖壓與壓鑄之一手段,在上層中介層30的底面形成一個底面毛細結構35,該底面毛細結構35也是行與列交錯的多條隙縫,避開該組導電柱42和該組導熱柱43。另外,該上層中介層30周邊具備一組凸部36,兩個凸部36間隔一個凹部37,故上層中介層30周邊有一組凹部37。
從第5、6、10圖來看,該中層中介層32的結構大致相同於上層中介層30,差異處在於:中層中介層32的凸部36錯開上層中介層30的凸部36,以致中、上兩層中介層的凹部37相互錯開。
所述的下層中介層33結構大致相同於中層中介層32,差異處在於:下、中兩層中介層的凸部36與凹部37也是採用錯位設計。
當蓋子11罩住半導體晶片堆疊結構,該上、中、下三層中介層30、32、33以凸部36接觸該組網14,這些凸部36由上至下為階梯排列。同時,從上層中介層30到下層中介層33錯開的凹部37成為一個流道34,所述的流道34保持一個傾斜角度並連到蒸氣室13。如此,該半導體晶片堆疊結構的周邊有一組流道34。
如第8、9圖所示,該組導熱柱43從上層中介層30經過中層中介層32貫穿到下層中介層33。該導熱柱43是一根導熱率優異的銅柱,該銅柱的端部附著一個錫點(圖未示),能熔融結合底板20相應的電接腳21。在半導體晶片堆疊結構中,該導熱柱43是不導電的,其與電接腳21具備熱傳導作用。
所述的半導體晶片44位於座落區41。其中,每個中介層的內部布置一些電子電路(圖未示),在半導體晶片44與該組導電柱42之間輸入(或輸出)一個電力(或信號)。該上層中介層30的導電柱42經由中、下兩層中介層32、33的導電柱42連到底板20的電接腳21;該中層中介層32的導電柱42經由下層中介層33的導電柱42連到底板20的電接腳21;該下層中介層33的導電柱42直接連到底板20的電接腳21。因此,所述的封裝結構10具備導電特性。
導電後,各層的半導體晶片44依邏輯運算並產生高溫。該下層中介層33在半導體晶片堆疊結構的底部,累積的熱量會比其他中介層更多。
熱由高溫往低溫傳遞。該半導體晶片44的熱,由上、中、下三層中介層30、32、33經過網14熱傳導至蓋子11散熱至外界。同時,該半導體晶片44的熱蒸發超純水,由液態轉換為氣態,充斥在蒸氣室13中。蒸汽經由中層中介層32的底面毛細結構35,下層中介層33的頂面毛細結構31,遊走於中、下兩層中介層32、33之間,由流道34順著第6圖箭頭50方向流動,直接帶走半導體晶片44部分的熱。上、中兩層中介層30、32之間的蒸汽,匯入流道34的蒸汽,並依第6圖箭頭50方向流向半導體晶片堆疊結構上方的網14。蒸汽通過網目流入毛細結構15,接觸蓋子11而與低溫的外界產生熱傳導現象。
如第10圖所示,降溫的水蒸汽凝結為超純水,依表面張力附著網14的網目與隙縫般毛細結構15中。根據毛細現象,超純水順著毛細結構15蔓延到網14,從蓋子11內側的水平位置往周邊的垂直位置流動至底板20。
該超純水沿著網14到達第一個接觸物,通常是上層中介層30的凸部36。在表面張力的作用下,流到上層中介層30頂面的超純水會浸入頂面毛細結構31。依毛細作用,所述的超純水滴擴散至全部的頂面毛細結構31,從而分布在上層中介層30的表面。
當然,其餘的超純水往流道34下方繼續流動,順著網14接觸中層中介層32的凸部36。在頂面毛細結構31的引導下,同樣會擴散至中層中介層32頂面。剩餘的水滴順著網14通過凹部37,流到下層中介層33的凸部36,沿著頂面毛細結構31擴散至整個頂面。
如此,所述的超純水在該組毛細結構15、該組流道34、頂面毛細結構31與底面毛細結構35之間,進行液相轉換氣相的熱循環,達到半導體晶片的散熱效果。
如第11、12圖所示,本創作封裝結構10的第二實施例,其構造大致相同於第一實施例,差異處在於:一組緊固件51將一組散熱鰭片52結合於蓋子11外部,提升封裝結構10的散熱效果。
在不背離本案廣義的概念下,熟習此項技術者能理解,並對上開的實施例進行改變。因此,本案不限於說明書揭示的特定實施例,舉凡根據本案精神與技術範疇所為的修改,均應為申請專利範圍界定的文字內容所涵蓋和保護。
10:封裝結構 11:蓋子 12:孔 13:蒸氣室 14:網 15:毛細結構 20:底板 21:電接腳 22:墊塊 23:防漏結構 30:上層中介層 31:頂面毛細結構 32:中層中介層 33:下層中介層 34:流道 35:底面毛細結構 36:凸部 37:凹部 40:工作區 41:座落區 42:導電柱 43:導熱柱 44:半導體晶片 50:箭頭 51:緊固件 52:散熱鰭片
第1圖是封裝結構第一實施例的俯視圖。 第2圖是第1圖實施例的仰視圖。 第3圖切掉蓋子頂面,俯瞰本創作的中介層在封裝結構內部。 第4圖透視蓋子,觀察多層中介層在封裝結構內部。 第5圖沿第3圖A-A線切開的剖視圖。 第6圖顯示多層堆疊中介層局部的放大比例。 第7圖以仰視角度觀察單一中介層的底面。 第8圖顯示堆疊的中介層與半導體晶片。 第9圖剖開封裝結構觀察內部的構造。 第10圖繪製熱循環的網與毛細結構。 第11、12圖以不同的角度觀察封裝結構的第二實施例。
30:上層中介層
35:底面毛細結構
36:凸部
37:凹部
40:工作區
41:座落區
42:導電柱
43:導熱柱

Claims (6)

  1. 一種半導體用散熱中介層,包括: 一個中介層; 一個頂面毛細結構(31)設在該中介層的頂面; 一個底面毛細結構(35)設在該中介層的底面; 一組凸部(36)設在該中介層的周邊;以及 一組凹部(37)設在該中介層的周邊,該凹部(37)在兩個凸部(36)之間。
  2. 如請求項1所述的半導體用散熱中介層,其中,該頂面毛細結構(31)是行與列交錯的多條隙縫。
  3. 如請求項1所述的半導體用散熱中介層,其中,該底面毛細結構(35)是行與列交錯的多條隙縫。
  4. 如請求項1所述的半導體用散熱中介層,其中,該中介層的頂面中央位置是一個工作區(40),該工作區(40)四周陣列一組導熱柱(43)。
  5. 如請求項4所述的半導體用散熱中介層,其中,該中介層的底面也有工作區(40),該工作區(40)具備一個座落區(41)與一組圍在座落區(41)四周的導電柱(42),該組導熱柱(43)環繞該組導電柱(42)周圍。
  6. 如請求項1〜5中任一項所述的半導體用散熱中介層,其中,該中介層選自陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板、氧化鋁陶瓷基板、氧化矽陶瓷基板與氮化矽陶瓷基板之一。
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