TWM677237U - 封裝用蓋器件 - Google Patents

Abstract

本創作公開一種封裝用蓋器件，適於安置在半導體晶片之上，封裝用蓋器件包括一陶瓷基蓋體以及一金屬表皮層。所述陶瓷基蓋體具有連續的非金屬相及分散於所述非金屬相中的固態金屬相，所述非金屬相包含碳化矽，且所述固態金屬相包含一高導熱金屬材料。所述金屬表皮層包覆在所述陶瓷基蓋體外，且所述金屬表皮層為所述高導熱金屬材料所形成。因此，所述封裝用蓋器件能具有高剛性、高導熱性、高強度和良好的熱尺寸穩定性。

Description

封裝用蓋器件

本創作涉及一種封裝用器件，特別是涉及一種半導體封裝用蓋器件，可用於基板上晶圓上晶片封裝（CoWoS，Chip-on-Wafer-on-Substrate）等先進封裝。

先進封裝是將不同系統集成到同一封裝內，例如將不同種類的晶片透過封裝、堆疊技術整合在一起，以提升半導體裝置的整體性能，包括傳輸速度、運算速度等，並能縮小尺寸、減少功耗。然而，隨著先進封裝技術的發展，在多種材料相互配合造成的熱應力不均勻、各種封裝參數條件（如溫度、濕度、壓力）、封裝體幾何尺寸等因素之影響下，易導致封裝體發生熱膨脹係數不匹配（CTE mismatch）、翹曲（warpage）、脫層（delamination）與剝離（peeling）、破裂（crack）等現象。

本創作所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種封裝用蓋器件。本創作的構想為，將高導熱金屬材料搭載於陶瓷基多孔載體上，形成一體化結構；這種結構的熱性能和力學性能均佳，從而在先進封裝領域具有廣泛的應用前景。

為了解決上述的技術問題，本創作所採用的其中一技術方案是提供一種封裝用蓋器件，適於安置在半導體晶片之上，所述封裝用蓋器件包括一陶瓷基蓋體以及一金屬表皮層。所述陶瓷基蓋體具有連續的非金屬相及分散於所述非金屬相中的固態金屬相，所述非金屬相包含碳化矽，且所述固態金屬相包含一高導熱金屬材料。所述金屬表皮層包覆在所述陶瓷基蓋體外，且所述金屬表皮層為所述高導熱金屬材料所形成。在本創作中，所述封裝用蓋器件的抗彎強度大於400 MPa，所述封裝用蓋器件的熱膨脹係數為6~20×10 ^-6/K，且所述封裝用蓋器件的導熱係數大於180 W/mK。

在本創作可行或較佳的實施例中，所述非金屬相為一陶瓷基多孔載體，且所述高導熱金屬材料填充於所述陶瓷基多孔載體的孔隙中以形成所述固態金屬相。

在本創作可行或較佳的實施例中，所述陶瓷基多孔載體的孔隙率為20%至70%。

在本創作可行或較佳的實施例中，所述陶瓷基多孔載體為小粒徑顆粒、中粒徑顆粒與大粒徑顆粒所構成，且所述小粒徑顆粒、所述中粒徑顆粒與所述大粒徑顆粒的粒徑比為1 : 2-2.5 : 3-20。

在本創作可行或較佳的實施例中，所述小粒徑顆粒的粒徑在0.1 μm至5 μm的範圍內，所述中粒徑顆粒的粒徑在2 μm至10 μm的範圍內，且所述大粒徑顆粒的粒徑在10 μm至100 μm的範圍內。

在本創作可行或較佳的實施例中，以所述陶瓷基多孔載體的總重量為基準計，所述小粒徑顆粒、所述中粒徑顆粒與所述大粒徑顆粒的重量比為1 : 3 : 4。

在本創作可行或較佳的實施例中，在所述小粒徑顆粒、所述中粒徑顆粒與所述大粒徑顆粒中有99%以上的顆粒為碳化矽顆粒。

在本創作可行或較佳的實施例中，在所述小粒徑顆粒、所述中粒徑顆粒與所述大粒徑顆粒中有30%以下的顆粒為碳化矽顆粒。

在本創作可行或較佳的實施例中，所述金屬表皮層的厚度大於5 μm。

在本創作可行或較佳的實施例中，所述金屬表皮層覆蓋所述陶瓷基蓋體的一外表面，所述金屬表皮層與所述陶瓷基蓋體之間滿足以下關係：2A/T小於等於50%；A表示所述金屬表皮層在所述外表面上的覆蓋厚度；T表示所述金屬表皮層的厚度與所述陶瓷基蓋體的厚度的和。

在本創作可行或較佳的實施例中，所述陶瓷基蓋體的所述非金屬相包含單晶矽、鑽石、類鑽石、氮化硼及石墨烯中的至少一種。

在本創作可行或較佳的實施例中，所述高導熱金屬材料為鋁、銅、銀或其合金。

在本創作可行或較佳的實施例中，所述封裝用蓋器件的導熱係數為250~350 W/mK。

總體來說，本創作所提供的封裝用蓋器件，通過技術特徵“陶瓷基蓋體具有連續的非金屬相及分散於非金屬相中的固態金屬相，非金屬相包含碳化矽，且金屬相包含一高導熱金屬材料”與“金屬表皮層包覆在陶瓷基蓋體外，且金屬表皮層為高導熱金屬材料所形成”的相互配合，能具有諸多優異特性，包括高剛性、高導熱性、高強度和良好的熱尺寸穩定性，非常適合應用於一或多個半導體晶粒（半導體晶片）之先進封裝架構。

為使能更進一步瞭解本創作的特徵及技術內容，請參閱以下有關本創作的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本創作加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本創作所公開有關“封裝用蓋器件”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本創作的優點與效果。本創作可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本創作的構思下進行各種修改與變更。另外，本創作的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本創作的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本創作的保護範圍。

應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

請參閱圖1至圖3，圖1及圖2示出了根據本創作實施例的封裝用蓋器件4的立體結構，圖3示出了根據本創作實施例的封裝用蓋器件4的局部結構特徵。如上述圖式所示，本創作的封裝用蓋器件4包括一陶瓷基蓋體41以及一金屬表皮層42。金屬表皮層42包覆在陶瓷基蓋體41外並與之形成一體化結構，相較於傳統以金屬材料製成的蓋器件，這種結構的熱性能和力學性能均佳，從而在先進封裝領域具有廣泛的應用前景。舉例來說，可將本創作的封裝用蓋器件4安置在半導體晶片之上，使得半導體晶片產生的熱消散。

在本創作中，陶瓷基蓋體41具有連續的非金屬相41A及分散於非金屬相41A中的固態金屬相41B，其中非金屬相41A包含碳化矽，且固態金屬相41B包含一高導熱金屬材料414。另外，金屬表皮層42為高導熱金屬材料414所形成。因此，封裝用蓋器件4可具有諸多優異特性，包括高剛性、高導熱性、高強度和良好的熱尺寸穩定性，非常適合應用於一或多個半導體晶粒（半導體晶片）之先進封裝架構。

由於具有上述技術特徵，封裝用蓋器件4的抗彎強度（flexural strength）大於400 MPa，較佳為400 MPa至600 MPa；封裝用蓋器件4的熱膨脹係數（coefficient of thermal expansion，CTE）為6~20×10 ^-6/K；封裝用蓋器件4的導熱係數大於180 W/mK，較佳為250~350 W/mK。

適用於本創作的高導熱金屬材料414可為但不限於：鋁、銅、銀等金屬或含鋁、銅或銀之合金。實際應用時，可對陶瓷基蓋體41進行一液相金屬滲透處理，使高導熱金屬材料414以金屬熔液的形式向陶瓷基蓋體41內部滲透；或者，可對陶瓷基蓋體41進行一氣相金屬滲透處理，使高導熱金屬材料414以金屬蒸氣的形式向陶瓷基蓋體41內部滲透。另外，在處理過程中，金屬熔液或金屬蒸氣可以在陶瓷基蓋體41的外表面41S（如上表面及/或下表面）上沉積和附著，進一步形成全面覆蓋陶瓷基蓋體41的外表面41S的金屬表皮層42。

在其中一實施例中，高導熱金屬材料414為一鋁銅合金，其中銅含量在20%至80%的範圍內。在另外一實施例中，高導熱金屬材料414為一鋁銅銀合金，其中銅含量在20%至80%的範圍內，且銀含量在5%至30%的範圍內。因此，可以降低金屬滲透處理所需的溫度，並且提高器件的導熱係數。

更進一步來說，陶瓷基蓋體41的非金屬相41A為一陶瓷基多孔載體，其中陶瓷基多孔載體的孔隙率可為20%至70%，即陶瓷基多孔載體內部的孔隙體積可占其總體積的20%至70%。根據力學性能和導熱性能需求，陶瓷基蓋體41的非金屬相41A可進一步包含單晶矽、鑽石、類鑽石、氮化硼及石墨烯中的至少一種。另外，高導熱金屬材料414填充於陶瓷基多孔載體1的孔隙中以形成固態金屬相41B。

如圖3所示，作為陶瓷基蓋體41的非金屬相41A，陶瓷基多孔載體可為小粒徑顆粒411、中粒徑顆粒412與大粒徑顆粒413所構成，且小粒徑顆粒411、中粒徑顆粒412與大粒徑顆粒413的粒徑比可為1 : 2-2.5 : 3-20。實際應用時，小粒徑顆粒411的粒徑可為0.1 μm至5 μm，中粒徑顆粒412的粒徑可為2 μm至10 μm，且大粒徑顆粒413的粒徑可為10 μm至100 μm。較佳地，以陶瓷基多孔載體的總重量為基準計，小粒徑顆粒411、中粒徑顆粒412與大粒徑顆粒413的重量比為1 : 3 : 4。

需要說明的是，隨著陶瓷基多孔載體的尺寸（如厚度）改變，小粒徑顆粒411、中粒徑顆粒412與大粒徑顆粒413各自的粒徑會依上述比例增大或減小。另外，小粒徑顆粒411、中粒徑顆粒412與大粒徑顆粒413可通過燒結或黏著方式連結在一起，並且互相堆積以構成一體化結構（如塊狀或片狀結構）。

在其中一實施例中，陶瓷基蓋體41的非金屬相41A基本為碳化矽，其中在小粒徑顆粒411、中粒徑顆粒412與大粒徑顆粒413中有99%以上的顆粒為碳化矽顆粒。因此，可以提高陶瓷基蓋體41的熱傳導係數。

在另外一實施例中，陶瓷基蓋體41的非金屬相41A為碳化矽和鑽石，其中在小粒徑顆粒411、中粒徑顆粒412與大粒徑顆粒413中有30%以下的顆粒為碳化矽顆粒。因此，可以提高陶瓷基蓋體41的成型性。

在另外再一實施例中，陶瓷基蓋體41的非金屬相41A基本為石墨烯，其中在小粒徑顆粒411、中粒徑顆粒412與大粒徑顆粒413中有1%以下的顆粒為碳化矽顆粒。因此，可以提高陶瓷基蓋體41的熱傳導係數。

請參閱圖4，其示出了本創作的封裝用蓋器件4所應用的一種封裝架構Z。如圖4所示，此種封裝架構Z包括本創作的封裝用蓋器件4以及一環狀器件1、一基板2、一半導體晶片3。具體來說，環狀器件1設置於基板2上，半導體晶片3接合於基板2上，並且配置於環狀器件1的容置區1A內。本創作的封裝用蓋器件4設置於封裝用蓋器件4上，並且位於容置區1A上方以覆蓋半導體晶片3。

實際應用時，環狀器件1可通過一第一黏著層5以結合至基板2上，本創作的封裝用蓋器件4可通過一第二黏著層6以結合至環狀器件1上。另外，半導體晶片3可通過一底部填充層9（Underfill）以附接至基板2，並通過多個連接凸塊8（如多個焊料凸塊）以電連接至基板2；底部填充層9可形成於半導體晶片3周圍，並填入半導體晶片3與基板2之間的空隙。又，在本創作的封裝用蓋器件4與半導體晶片3之間可具有一第三黏著層7（如一熱介面材料）。然而，以上所述只是可行的實施方式，而非用以限制本創作。

如圖3所示，本創作的封裝用蓋器件4視需要可形成為包括一板體4A及從板體4A之其中一表面延伸出的一框體4B，且板體4A與框體4B不可分地構成一體。

[實施例的有益效果]

本創作所提供的封裝用蓋器件，通過技術特徵“陶瓷基蓋體具有連續的非金屬相及分散於非金屬相中的固態金屬相，非金屬相包含碳化矽，且金屬相包含一高導熱金屬材料”與“金屬表皮層包覆在陶瓷基蓋體外，且金屬表皮層為高導熱金屬材料所形成”的相互配合，能具有諸多優異特性，包括高剛性、高導熱性、高強度和良好的熱尺寸穩定性，非常適合應用於一或多個半導體晶粒（半導體晶片）之先進封裝架構。

更進一步來說，本創作所提供的封裝用蓋器件應用於先進封裝，能有效避免熱膨脹係數不匹配、翹曲、脫層與剝離、破裂等現象發生，從而提升製程良率、降低成本。以上所公開的內容僅為本創作的優選可行實施例，並非因此侷限本創作的申請專利範圍，所以凡是運用本創作說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本創作的申請專利範圍內。

Z:封裝架構 1:環狀器件 1A:容置區 2:基板 3:半導體晶片 4:封裝用蓋器件 4A:板體 4B:框體 41:陶瓷基蓋體 41A:非金屬相 41B:固態金屬相 41S:外表面 411:小粒徑顆粒 412:中粒徑顆粒 413:大粒徑顆粒 414:高導熱金屬材料 42:金屬表皮層 5:第一黏著層 6:第二黏著層 7:第三黏著層 8:連接凸塊 9:底部填充層

圖1為本創作的封裝用蓋器件的其中一立體剖面示意圖。

圖2為本創作的封裝用蓋器件的另外一立體剖面示意圖。

圖3為圖1的III部分的放大示意圖。

圖4為包括本創作的封裝用蓋器件的一種封裝架構的示意圖。

4:封裝用蓋器件

41:陶瓷基蓋體

41S:外表面

414:高導熱金屬材料

42:金屬表皮層

Claims (13)

1. 一種封裝用蓋器件，適於安置在半導體晶片之上，所述封裝用蓋器件包括： 一陶瓷基蓋體，具有連續的非金屬相及分散於所述非金屬相中的固態金屬相，所述非金屬相包含碳化矽，且所述固態金屬相包含一高導熱金屬材料；以及 一金屬表皮層，包覆在所述陶瓷基蓋體外，其中所述金屬表皮層為所述高導熱金屬材料所形成； 其中，所述封裝用蓋器件的抗彎強度大於400 MPa，所述封裝用蓋器件的熱膨脹係數為6~20×10 ^-6/K，且所述封裝用蓋器件的導熱係數大於180 W/mK。
2. 如請求項1所述的封裝用蓋器件，其中，所述非金屬相為一陶瓷基多孔載體，且所述高導熱金屬材料填充於所述陶瓷基多孔載體的孔隙中以形成所述固態金屬相。
3. 如請求項2所述的封裝用蓋器件，其中，所述陶瓷基多孔載體的孔隙率為20%至70%。
4. 如請求項3所述的封裝用蓋器件，其中，所述陶瓷基多孔載體為小粒徑顆粒、中粒徑顆粒與大粒徑顆粒所構成，且所述小粒徑顆粒、所述中粒徑顆粒與所述大粒徑顆粒的粒徑比為1 : 2-2.5 : 3-20。
5. 如請求項4所述的封裝用蓋器件，其中，所述小粒徑顆粒的粒徑在0.1 μm至5 μm的範圍內，所述中粒徑顆粒的粒徑在2 μm至10 μm的範圍內，且所述大粒徑顆粒的粒徑在10 μm至100 μm的範圍內。
6. 如請求項4所述的封裝用蓋器件，其中，以所述陶瓷基多孔載體的總重量為基準計，所述小粒徑顆粒、所述中粒徑顆粒與所述大粒徑顆粒的重量比為1 : 3 : 4。
7. 如請求項4所述的封裝用蓋器件，其中，所述小粒徑顆粒、所述中粒徑顆粒與所述大粒徑顆粒中有99%以上的顆粒為碳化矽顆粒。
8. 如請求項4所述的封裝用蓋器件，其中，所述小粒徑顆粒、所述中粒徑顆粒與所述大粒徑顆粒中有30%以下的顆粒為碳化矽顆粒。
9. 如請求項1所述的封裝用蓋器件，其中，所述金屬表皮層的厚度大於5 μm。
10. 如請求項9所述的封裝用蓋器件，其中，所述金屬表皮層覆蓋所述陶瓷基蓋體的一外表面，所述金屬表皮層與所述陶瓷基蓋體之間滿足以下關係：2A/T小於等於50%；A表示所述金屬表皮層在所述外表面上的覆蓋厚度；T表示所述金屬表皮層的厚度與所述陶瓷基蓋體的厚度的和。
11. 如請求項1所述的封裝用蓋器件，其中，所述陶瓷基蓋體的所述非金屬相包含單晶矽、鑽石、類鑽石、氮化硼及石墨烯中的至少一種。
12. 如請求項1所述的封裝用蓋器件，其中，所述高導熱金屬材料為鋁、銅、銀或其合金。
13. 如請求項1所述的封裝用蓋器件，其中，所述封裝用蓋器件的導熱係數為250~350 W/mK。