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

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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