专利名称：散热型半导体封装件及其所应用的散热结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体封装件，尤其涉及 一种散热型半导体封装 件及其所应用的散热结构。
背景技术：
倒装芯片式球栅阵列(Flip Chip Ball Grid Array, FCBGA)半导体封 装件为一种具有倒装芯片与球栅阵列的封装结构，以使至少一半导体 芯片的主动而可通过多个导电凸块而电性连接至基板的一表面上，并 于该基板的另--表面上植设多个作为输入/输出(1/0)端的焊球；此一封 装结构可大幅縮减体积，同时减去现有焊线(wire)的设计，而可降低阻 抗提升电性，以避免信号于传输过程中衰退，因此确已成为下-i让代 芯片与电子元件的主流封装技术。由于该倒装芯片式球栅阵列封装的优越特性，使其多运用于高集 成度(integration)的电子元件中，以符合该型电子元件的体积及运算需 求，但是此类电子元件亦由于其高频率运算特性，使其于运作过程所 产生的热能亦将比一般封装件高，闺此其散热效果是否良好即成为该 类封装技术影响品质良率的重要关键。对现有的倒装芯片式球栅阵列半导体封装件而言，是直接将用以 进行散热的散热片粘着于该芯片的非主动面，而不需通过导热性差的 封装胶体(Encapsiil肌t沐传递热量，藉以达到-""较其他封装件为佳的散 热功效。一般提供散热片接着于倒装芯片式半导体芯片的非主动面上所使 用的接着材料是以环氧树脂为基底(印oxy-base)，其热传导系数约为 2 4Wm。K，对于有数百w/m°K热传导系数的散热片而言(铜的热传导 系数为400 w/m°K)，明显无法有效传递热量；因此，随着电子产品亦 或半导体封装件散热需求的提高，势必使用具较大的热传导系数的导 热接着材料，以提供散热片与倒装芯片式半导体芯片的连结与热量的传递。鉴此，美国专利US6,504,242、 US6,38(),621 、 US6，504,723遂使用 以锡金属为基底(Sn-base)的焊锡(solder)材料作为散热片与倒装芯片式 半导体芯片间粘着的热传导介质材料(Thermal Interface material, TIM)， 由于该焊锡材料为金属成份，其热传导系数约为50Wm。K，若为纯锡， 其热传导系数更可达86 w/m°K，相比于传统的环氧树脂型接着材料， 其热传导能力高出甚多，且更能符合高散热的需求。参阅图1，但是此种由焊锡材料15所构成的热传导介质材料(TIM) 中，因其与散热片13(-—般为铜材质)的湿润(wetting)能力甚佳, -旦进 行热熔融结合时，焊锡材料15会很快在散热片13上扩散开来，使得 散热片13与倒装芯片式半导体芯片12间未能形成有足够的厚度形成 共金(entatic)结构，同吋，亦导致焊锡材料15与倒装芯片式半导体芯片 12的连结面积縮小，甚至发生断裂问题而影响散热效能及产品可靠度。参阅图2，为美国专利US6,380,621所揭示的倒装芯片式半导体封 装件剖面示意图，其于倒装芯片式半导体芯片22的非主动面以及散热 片23的表面预先形成如镍(Ni)或金(Au)的金属层24,以供使用如焊锡 材料25的热传导介质材料进行热熔融接着时，焊锡材料25可以与该 金属层24形成共金结构，以限制其湿润区域。然而此种方式由于必须预先在散热片表面及倒装芯片式半导体芯 片非主动面上形成如镍或金的金属层，不仅制造过程复杂且成本亦高。另参阅图3A及3B，为美国专利US6,504,723所揭示的倒装芯片 式半导体封装件剖面示意图，其提供 -于屮心部分形成有向下渐缩的 凸出部331以及于边缘部分形成有向—F延伸的延伸部332的散热结构 33，该屮心部分的凸出部331是由一底面及四周的倾斜面所构成，且 于该凸出部331表面预先涂布有助焊剂36，以将该散热结构33通过--接合材料(bonding material) 37而压合至接置有倒装芯片式半导体芯片 32的基板31上，并使该散热结构33的凸出部331压合至预设于该倒 装芯片式半导体芯片32非主动面上的焊锡材料35，并进行热烙融，而 使该焊锡材料35分布于该散热结构33的凸出部331与该倒装芯片式 半导体芯片32间的间隙，并通过该凸出部331的倾斜面容置及限制该 辉锡材料35流动。 但是此种散热结构过于复杂且制造过程成本亦高，不符实际应用 及经济考虑。因此，如何提供一种低成本的简易方式即可限制焊锡热传导介质 材料(TIM)在散热片与半导体芯片间的湿润区域以防止其不当溢流，同时毋须使用复杂的散热结构及预镀金属层于散热片及半导体芯片.--匕 以节省制造过程时间及成本，实为w前亟待解决的课题。发明内容鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种 散热型半导体封装件及其所应用的散热结构，可限制焊锡热传导介质材料(TIM)在散热片与半导体芯片间的湿润区域。本发明的又一 目的在于提供一种散热型半导体封装件及其所应用 的散热结构，可确保热传导介质材料具足够厚度而可与散热片及半导 体芯片产生共金结合,.本发明的再-一目的在于提供一种散热型半导体封装件及其所应用 的散热结构，毋须使用复杂的散热结构及预镀金属层于散热片及半导 体芯片上，以节省制造过程时间及成本。为达上述及其它目的，本发明的散热型半导体封装件包括芯片 承载件；倒装芯片式半导体芯片，接置并电性连接至该芯片承载件； 散热片，间隔-'热传导介质材料(TIM)而接着于该倒装芯片式半导体芯片上，其中于该散热片上相对与热传导介质材料接着区域的周围表面形成有R]槽，且该凹槽表面形成有与热传导介质材料湿润效果不佳的阻碍层，以限制该热传导介质材料的湿润区域。该散热片为例如铜材 质所构成，该热传导介质材料例如为焊锡材料，该凹槽可以雷射烧灼 形成，从而使该凹槽表面形成如氧化金属层(例如为氧化铜)的阻碍层， 藉以降低该焊锡热传导介质材料的湿润能力，进而使焊锡热传导介质 材料在加热熔融时，不致湿润至凹槽，以确保焊锡热传导介质材料厚 度足够而可与散热片及倒装芯片式半导体芯片非主动面产生共金结卩o本发明亦揭示一种散热结构，包括散热片，且该散热片预设有 间隔一热传导介质材料而接着于半导体芯片上的接着区；凹槽，形成 于该散热片上对应于该接着区周围；以及阻碍层，形成于该凹槽表面，且该阻碍层与该热传导介质材料湿润效果不佳。该热传导介质材料例 如为焊锡材料，而该凹槽表面的阻碍层为利用雷射烧灼金属材质的散 热片所产生于该凹槽表面的氧化金属层。因此，本发明的散热型半导体封装件及其所应用的散热结构，主 要即在散热片上用以与倒装芯片式半导体芯片接着的区域周围形成凹 槽，并于该凹槽表面形成如氧化金属层的阻碍层，从而将该散热片间 隔一焊锡热传导介质材料而接着至完成置晶的倒装芯片式半导体芯片 非主动面，使焊锡热传导介质材料在加热熔融时，闳于散热件表面形 成有氧化金属层的凹槽，而降低该焊锡热传导介质材料的湿润能力， 不致使其湿润至凹槽，以确保热传导介质材料厚度足够而可与散热片 及倒装芯片式半导体芯片非主动面产生共金结合，确保散热件与该倒 装芯片式半导体芯片有效接着，同时毋需使用现有复杂的散热结构及 预镀金属层于散热片及半导体芯片上，以节省制造过程时间及成本。
图1为显示现有散热片间隔焊锡热传导介质材料而接着于倒装芯片式半导体芯片上所产生湿润外扩的示意图；图2为美国专利US6,380，621所揭示的倒装芯片式半导体封装件剖 面示意图；图3A及3B为美国专利US6,504,723所揭示的倒装芯片式半导体 封装件剖面示意图；图4为本发明的散热型半导体封装件的剖面示意图；图5为本发明的散热结构的平面示意图；以及图6A及6B为本发明的散热型半导体封装件不同实施例的剖面示 意图。主要元件符号说明12倒装芯片式半导体芯片13散热片15 焊锡材料22 倒装芯片式半导体芯片
23散热片24金属层25焊锡材料31基板32倒装芯片式半导体芯片33散热结构331凸出部332延伸部35焊锡材料36助焊剂37接合材料41芯片承载件42倒装芯片式半导体芯片43散热片430接着区431凹槽432阻碍层45热传导介质材料46导电凸块具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术 人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。参阅图4，为本发明的散热型半导体封装件的示意图。 如图所不，该散热型半导体封装件包括有芯片承载件41;倒装 芯片式半导体芯片42，接置并电性连接至该芯片承载件41;散热片43， 间隔一热传导介质材料(TIM) 45而接着于该倒装芯片式半导体芯片42 上，其屮于该散热片43上相对与热传导介质材料45接着区域的周围 表面形成有凹槽431，且该凹槽431表面形成有阻碍层432，以限制该
该芯片承载件41例如为球栅阵列式(BGA)基板，其具有相对的第 一表面及第二表面，以供倒装芯片式半导体芯片42藉其主动面且间隔 多个导电凸块46而接置并电性连接至该基板第 一表面，且于该基板第 二表面上可植设多个焊球，以供该倒装芯片式半导体芯片42电性连接至外部装置。当然，该芯片承载件亦可为导线架。另配合参阅图5，为显示该散热件43的平面示意图，该散热件43 于其表面预先规划有供与倒装芯片式半导体芯片42间隔热传导介质材 料而相互接着的接着区430，其中该接着区430的面积略等于该半导体 芯片42的面积，但亦可小于或大于该半导体芯片42的面积，如图6A 及6B所示；同时于该接着区430周围设有凹槽431 。该散热片43为金属材质，例如铜所构成，该凹槽431可以雷射烧 灼形成，藉以在该凹槽431表面成有如氧化金属层(氧化铜)的阻碍层 432。该散热片43间隔一例如为焊锡的热传导介质材料45而接着于该 倒装芯片式半导体芯片42的非主动面，其中该焊锡热传导介质材料45 在加热熔融时，因于散热件43表面形成有如氧化金属层的阻碍层432 的凹槽431，而可降低该焊锡材料的湿润能力，不致使其湿润至凹槽 431，以确保焊锡热传导介质材料具足够的厚度与散热片43及倒装芯 片式半导体芯片42产生共金结合，进而确保散热件43与该倒装芯片 式半导体芯片42有效接着。本发明亦揭示一种散热结构，包括散热片43，且该散热片43 预设有间隔一热传导介质材料而接着于半导体芯片上的接着区430;凹 槽431，形成f该散热片43上对应于该接着区430周围；以及阻碍层 432，形成于该凹槽431表面，且该阻碍层432与该热传导介质材料湿 润效果不佳。该热传导介质材料例如为焊锡材料，而该凹槽431表面 的阻碍层432为利用雷射烧灼金属材质的散热片43所产生于该凹槽 431表面的氧化金属层。该接着区430的面积可选择约略等于、小于或 大于半导体芯片的面积。因此，本发明的散热型半导体封装件及其所应用的散热结构，主 要即在散热片上用以与倒装芯片式半导体芯片接着的区域周围形成凹 槽，并于该凹槽表面形成氧化金属层，从而将该散热片间隔一焊锡热
传导介质材料而接着至完成接置芯片的倒装芯片式半导体芯片非主动 面，使焊锡热传导介质材料在加热熔融时，因于散热件表面形成有氧 化金属层的凹槽，而降低该焊锡热传导介质材料的湿润能力，不致使 其湿润至凹槽，以确保焊锡热传导介质材料厚度足够而可与散热片及 倒装芯片式半导体芯片非主动面产生共金结合，确保散热件与该倒装 芯片式半导体芯片有效接着，同时毋需使用现有复杂的散热结构及预 镀金属层于散热片及半导体芯片上，以节省制造过程时间及成本。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制 本发明。尤其应特别注意的是该芯片承载件的选择以及芯片与芯片承 载件的电性连接方式的采用，任何本领域技术人员均可在不违背本发 明的精祌及范围下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的 权利保护范围应如随附的权利要求所列。
权利要求
1. 一种散热型半导体封装件，包括芯片承载件；半导体芯片，接置并电性连接至该芯片承载件；以及散热片，间隔一热传导介质材料而接着于该半导体芯片上，其中于该散热片上相对与热传导介质材料接着区域的周围表面形成有凹槽，且该凹槽表面形成有与热传导介质材料湿润效果不佳的阻碍层，以限制该热传导介质材料的湿润区域。
2. 根据权利要求1所述的散热型半导体封装件，其中，该芯片承 载件为球栅阵列式基板及导线架的其中之一。
3. 根据权利要求1所述的散热型半导体封装件，其中，该半导体 芯片具有相对的主动面及非主动面，以将其主动面间隔多个导电凸块 而接置并电性连接至该芯片承载件，且使该散热件间隔热传导介质材 料而接着于该半导体芯片非主动面。
4. 根据权利要求1所述的散热型半导体封装件，其中，该散热片 材质为金属铜，该热传导介质材料为焊锡材料，该阻碍层为氧化铜。
5. 根据权利要求1所述的散热型半导体封装件，其中，该凹槽以 雷射烧灼形成。
6. 根据权利要求1所述的散热型半导体封装件，其中，该阻碍层 为氧化金属层。
7. 根据权利要求1所述的散热型半导体封装件，其中，该接着区 域的面积可选择等于、小于及大于半导体芯片面积的其中之一。
8. 一中散热结构，包括散热片，且该散热片预设有接着区，从而间隔一热传导介质材料 而接着于半导体芯片上；凹槽，形成于该散热片上对应于该接着区周围；以及 阻碍层，形成于该凹槽表面，且该阻碍层与该热传导介质材料湿 润效果不佳。
9. 根据权利要求8所述的散热结构，其中，该散热片材质为金属 铜，该热传导介质材料为焊锡材料，该阻碍层为氧化铜。
10. 根据权利要求8所述的散热结构，其中，该阻碍层为氧化金属层。
11. 根据权利要求8所述的散热结构，其中，该阻碍层为利用雷射 烧灼金属材质的散热片所产生于该凹槽表面的氧化金属层。
12. 根据权利要求8所述的散热结构，其中，该半导体芯片具有相 对的主动面及非主动面，以将其主动面间隔多个导电凸块而接置并电 性连接至-- 芯片承载件，且使该散热件间隔热传导介质材料而接着于 该半导体芯片非主动面。
13. 根据权利要求8所述的散热结构，其中，该接着区的面积可选 择等于、小于及大于半导体芯片面积的其中之--。
全文摘要
本发明公开了一种散热型半导体封装件及其所应用的散热结构，该封装件包括有芯片承载件、接置并电性连接至该芯片承载件的倒装芯片式半导体芯片、以及间隔一如焊锡材料的热传导介质材料而接着于该倒装芯片式半导体芯片上的散热片，其中于该散热片上相对于热传导介质材料接着区域的周围表面形成有凹槽，且该凹槽表面形成有如氧化金属层的阻碍层，藉以降低该热传导介质材料的湿润能力，进而使热传导介质材料在加热熔融时，不致湿润至凹槽，确保热传导介质材料具足够厚度而可与散热片及倒装芯片式半导体芯片产生共金结合。
文档编号H01L23/34GK101211872SQ20061016998
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月26日 优先权日2006年12月26日
发明者杨格权, 林长甫, 陈锦德 申请人:矽品精密工业股份有限公司