专利名称：半导体芯片的散热封装构造的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体芯片的散热封装构造，特别是关于一种能防止导热介面材 料层发生溢流或空隙的半导体芯片的散热封装构造。
背景技术：
现今，半导体封装产业为了满足各种高密度封装的需求，逐渐发展出各种不同型 式的封装构造，其中常见具有基板(substrate)的封装构造包含球形栅格阵列封装构造 (ball grid array，BGA)、针脚栅格阵列封装构造(pin grid array，PGA)、接点栅格阵列封 装构造(land grid array, LGA)或基板上芯片封装构造(board on chip, B0C)等。在上 述封装构造中，所述基板的上表面承载有至少一芯片，并通过打线(wire bonding)或凸块 (bumping)制程将芯片的数个接垫电性连接至所述基板的上表面的数个焊垫。同时，所述基 板的下表面亦必需提供大量的焊垫，以焊接数个输出端，例如锡球。在完成上述具有基板的 封装构造后，其可通过表面贴装技术(SMT)固定到主机板等电子装置上。当电源通过所述 封装构造使其运转时，所述封装构造的芯片通常会因为电路本身具备电阻而不可避免的产 生热能。因此，必需利用适当的散热构造，以便及时的对所述芯片进行散热，以避免所述芯 片因过热而烧毁。举例而言，请参照图1A、1B及1C，其揭示一种现有半导体芯片的散热封装构造 的组装示意图。如图IA所示，首先，提供一基板11，其上表面电性连接及承载一芯片12。 接着，通过一黏着层13将一框体14固定在所述基板11的上表面周围，使所述芯片12位 于所述框体14内。随后，再将另一黏着层15涂布在所述框体14的上表面。另一方面， 提供一散热片16，并在其下表面形成一润湿层161，以结合一导热介面材料层(thermal interfacematerial, TIM) 17。再者，如图IB所示，利用所述黏着层15将所述散热片16结 合在所述框体14上，同时利用所述导热介面材料层17将所述散热片16结合在所述芯片12 上。在初步结合后，利用适当温度(约160°C )进行烘烤(cure)，使所述黏着层15固化，并 使所述导热介面材料层17适当些微软化结合在所述散热片16及芯片12之间。接着，如图 IC所示，在所述基板11的下表面利用高温回流焊接(reflow)方式植上数个锡球18，如此 即可完成一散热封装构造的组装制程。如图IC所示，在完成上述散热封装构造后，其可通过表面贴装技术(SMT)固定到 主机板等电子装置上。当电源通过所述散热封装构造使其运转时，所述芯片12产生的热能 可通过所述导热介面材料层17传导至所述散热片16，以对所述芯片12持续进行散热。然 而，上述散热封装构造在实际进行组装期间仍具有下述问题如图IC所示，当利用回流焊 接方式植上所述锡球18时，通常必需使用约260°C的高温，所述高温超过上述烘烤制程的 温度(约160°C )甚多。但是，所述导热介面材料层17的材料通常选自低熔点的软金属，例 如铟(In)。由于铟的熔点只有约156°C，因此所述导热介面材料层17在进行回流焊接时， 将吸收热能而大量熔化，并向外溢流到所述芯片12的周围，形成一外溢部171。同时，由于 所述导热介面材料层17损失了部分材料形成所述外溢部171，因此所述导热介面材料层17通常也会连带在内部形成至少一空隙(void) 172。所述空隙172会减少所述导热介面材料 层17能提供的有效导热区积，因而降低对所述芯片12的散热效率。再者，在某些情况下， 若所述空隙172中含有空气或水气，则所述芯片12产生的热能可能会造成所述空隙172中 的空气膨胀或水气汽化，进而造成所谓的爆米花效应(popcorn effect)，迫使所述导热介 面材料层17发生裂痕(crack)。结果，使得所述散热封装构造的散热效率逐渐劣化，甚至因 散热不及而造成所述芯片12烧毁。由于所述导热介面材料层17具有上述不耐高温制程的 问题，因此为了确保封装成品率(yield)，所述导热介面材料层17仅适用在不需进行回流 焊接的接点栅格阵列封装构造(LGA)或针脚栅格阵列封装构造(PGA)，但并不适合应用在 需进行回流焊接的球形栅格阵列封装构造(BGA)。结果，大幅限制了此类散热设计的应用范 围。因此，有必要提供一种改良式的半导体芯片的散热封装构造，以解决现有技术所 存在的问题。
发明内容本发明的主要目的是提供一种半导体芯片的散热封装构造，其是在散热片的导热 面利用挡墙形成限料空间，能在进行回流焊接等高温制程期间防止导热介面材料层向外溢 流或产生空隙，进而有利于提高封装成品率、确保产品散热效率并延长使用寿命。本发明的次要目的是提供一种半导体芯片的散热封装构造，其是在散热片的下表 面利用挡墙形成限料空间，使导热介面材料层可适用在需进行高温回流焊接的球形栅格阵 列封装构造(BGA)等产品上，进而有利于扩大产品应用范围。本发明的另一目的是提供一种半导体芯片的散热封装构造，其是在散热片的下表 面利用点胶方式提供挡墙，以形成限料空间，使导热介面材料层不会向外溢流或产生空隙， 进而有利于简化组装程序及降低制造成本。为达上述目的，本发明提供一种半导体芯片的散热封装构造，其包含一基板、一框 体、一散热片及一导热界面材料层。所述基板具有一承载面，以承载及电性连接至少一芯 片。所述框体结合于所述基板的承载面的周围。所述散热片具有一结合面，所述结合面的 周围结合于所述框体。所述半导体芯片的散热封装构造的特征在于所述散热片的结合面 另具有一导热区，其形成在所述结合面的周围以外的位置，且所述导热区具有一挡墙，以围 绕形成一限料空间。所述导热界面材料层容置于所述限料空间内。所述芯片具有一散热面 伸入至所述限料空间内。所述导热界面材料层夹设于所述散热片的导热区及所述芯片的散 热面之间。在本发明的优选实施例中，所述散热片的导热区的边缘形成一环凸缘，以做为所 述挡墙。在本发明的优选实施例中，所述环凸缘选自金属凸缘或绝缘凸缘。在本发明的优选实施例中，所述散热片的导热区结合所述导热界面材料层，并且 所述导热界面材料层的周缘形成一环状点胶部，以做为所述挡墙。在本发明的优选实施例中，所述环状点胶部包覆在所述导热界面材料层的周缘， 并部分包覆在所述导热界面材料层的表面唇缘。在本发明的优选实施例中，所述环状点胶部选自银胶、硅胶、环氧树脂、热塑性树脂或热固性树脂。在本发明的优选实施例中，所述散热片的导热区处形成一凹槽，以利用所述凹槽 做为所述限料空间，并利用所述凹槽的内周壁做为所述挡墙。在本发明的优选实施例中，所述散热片的导热区另设有一润湿层，所述导热区通 过所述润湿层结合于所述导热界面材料层。所述润湿层选自金、镍、铜、铬、银或其合金。在本发明的优选实施例中，所述导热界面材料层选自铟、锡或其合金。在本发明的优选实施例中，所述芯片的散热面另设有一附着层，所述散热面通过 所述附着层结合于所述导热界面材料层。在本发明的优选实施例中，所述附着层选自钛、钯、金、铬、铜、镍或其合金。在本发明的优选实施例中，所述框体具有一第一表面及一第二表面，所述第一表 面利用一第一黏着层结合在所述基板的承载面，及所述第二表面利用一第二黏着层结合在 所述散热片的结合面。在本发明的优选实施例中，所述基板另具有一讯号输出面，其结合有数个输出端 子。在本发明的优选实施例中，所述输出端子选自锡球、针脚或接点。
图IA至IC 现有半导体芯片的散热封装构造的组装示意图。图2A至2C 本发明第一实施例的半导体芯片的散热封装构造的组装示意图。图3A至3D 本发明第二实施例的半导体芯片的散热封装构造的组装示意图。图4A至4C 本发明第三实施例的半导体芯片的散热封装构造的组装示意图。
具体实施方式为让本发明上述目的、特征及优点更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配 合附图，作详细说明如下请参照图2A、2B及2C，其揭示本发明第一实施例的半导体芯片的散热封装构造的 组装示意图，其中所述散热封装构造包含一基板21、至少一芯片22、一第一黏着层23、一框 体24、一第二黏着层25、一散热片26、一导热界面材料层27及数个输出端子28。本发明适 用于常见具有基板(substrate)的封装构造，例如球形栅格阵列封装构造(BGA)、针脚栅格 阵列封装构造(PGA)、接点栅格阵列封装构造(LGA)或基板上芯片封装构造(BOC)等，特别 是球形栅格阵列封装构造，但并不限于此。如图2A、2B及2C所示，本发明第一实施例的基板21优选为单层或多层的印刷电 路板(PCB)、陶瓷电路板或柔性电路板(FCB)，在本实施例中，是以多层印刷电路板为例，但 不限于此。所述基板21具有一承载面211及一讯号输出面212。所述承载面211用以承载 及结合上述其他构件，例如所述芯片22及框体24等。所述讯号输出面212是所述基板21 对应所述承载面211的另一表面，其用以电性连接所述数个输出端子28，所述输出端子28 可选自锡球、针脚或接点，以构成不同类型的散热封装构造。如图2A、2B及2C所示，本发明第一实施例的芯片22通常选自硅晶圆切割而成的 芯片，其具有一有源表面221及一散热面222。在本实施例中，所述有源表面221向朝向所述基板21并通过数个凸块223电性连接在所述基板21的承载面211上，因而形成一倒装 芯片(flip chip)构造。再者，所述散热面222是所述芯片22对应所述有源表面221的另 一表面，所述散热面222朝向所述散热片26。另外，在一实施例中，所述芯片22的散热面 222另可选择设有一附着层224，使所述散热面222通过所述附着层224结合于所述导热界 面材料层27，所述附着层224可以选自钛、钯、金、铬、铜、镍或其合金，例如铬-铜-金复合 层、钛-钯-金复合层、铬_铜复合层或铬_镍复合层等。如图2A、2B及2C所示，本发明第一实施例的第一黏着层23及第二黏着层25可以 选自银胶、硅胶、环氧树脂、热塑性树脂或热固性树脂等高耐受性的黏着材料，同时所述框 体24可以取材自金属或塑胶，但亦可选自无功能性(dummy)的硅晶圆或电路板。在本实施 例中，所述框体24是一中空环形框体，其外形大致上对应于所述基板21的外形，通常为正 方形或矩形。所述框体24具有一第一表面(未标示)及一第二表面(未标示)，所述第一 表面利用所述第一黏着层23结合在所述基板21的承载面211的周围，及所述第二表面利 用所述第二黏着层25结合在所述散热片26的周围。如图2A、2B及2C所示，本发明第一实施例的散热片26可以选自铜、铝、银、金、镍 或其合金，当所述散热片26的材质本身容易氧化时，亦可于其表面选择镀上一层保护层 (未绘示)，例如镍等。在本发明中，所述散热片26具有一结合面260，所述结合面260朝向 所述框体24，所述结合面260的周围通过所述第二黏着层25结合于所述框体24的第二表 面。再者，所述散热片26的结合面260另具有一导热区261，其形成在所述结合面260的周 围以外的位置，例如所述结合面260的中央位置。所述导热区261具有一挡墙262，以围绕 形成一限料空间263，其用以将所述导热界面材料层27容置于其内部。在本实施例中，所述 散热片26的导热区261的边缘形成一环凸缘，以做为所述挡墙262。所述环凸缘(即所述 挡墙262)可以选择利用一体成型方式形成在所述导热区261的边缘，或者选择利用焊料、 黏着剂、螺固元件或超音波焊接接点等方式结合在所述导热区261的边缘。当利用一体成 型方式形成所述挡墙262 (即所述环凸缘)时，所述挡墙262的材质相同于所述散热片26 ； 当利用结合方式形成所述挡墙262时，所述挡墙262可以选自金属凸缘或绝缘凸缘。另外， 所述散热片26的导热区262另可选择设有一润湿层264，所述导热区262通过所述润湿层 264结合于所述导热界面材料层27，以增加异质金属之间的结合强度。所述润湿层264可 以选自金、镍、铜、铬、银或其合金，例如金属或铬-铜-银复合层等。如图2A、2B及2C所示，本发明第一实施例的导热界面材料层(thermalinterface material, TIM) 27通常选自铟、锡、其他低熔点软金属或其合金。在本实施例中，是以铟 (In)为例，但不限于此。所述导热界面材料层27夹设于所述散热片26的导热区261及所 述芯片22的散热面222之间。更具体来说，所述导热界面材料层27具有一第一表面(未 标示)及一第二表面(未标示)，所述第一表面通过所述润湿层264结合于所述散热片26 的导热区261，及所述第二表面通过所述附着层224结合于所述芯片22的散热面222。如图2A所示，当组装本发明第一实施例的半导体芯片的散热封装构造时，首先准 备所述基板21，接着将所述芯片22的有源表面221的凸块223焊接结合于所述基板21的 承载面211的接垫(未标示)上。再者，利用所述第一黏着层23将所述框体24的第一表 面结合在所述基板21的承载面211的周围，并在所述框体24的第二表面预置所述第二黏 着层25。接着，准备所述散热片26，并将所述导热界面材料层27利用适当方式嵌置于所述
6散热片26的限料空间263内。此时，所述导热界面材料层27的第一表面通过所述润湿层 264暂时结合于所述散热片26的导热区261。随后，如图2B所示，通过所述第二黏着层25 将所述散热片26的周围结合在所述框体24的第二表面上，同时所述导热界面材料层27的 第二表面通过所述附着层224结合于所述芯片22的散热面222，且所述芯片22的散热面 222伸入至所述限料空间263内。接着，利用一适当温度(约160°C )进行烘烤(cure)，使 所述第一及第二黏着层23、25固化，并使所述导热介面材料层27适当些微软化结合在所述 散热片26及芯片22之间。接着，如图2C所示，将整个散热封装构造倒置，在所述基板21的讯号输出面212 利用高温回流焊接(reflow)方式植上所述数个输出端子28，例如锡球。在高温回流焊接 期间，其温度达到约260°C。此时，所述散热片26的导热区261周围具有所述挡墙262，能 用以围绕形成所述限料空间263，以将所述导热界面材料层27容置于其内部，并限制所述 导热界面材料层27无法向外溢流。因此，即使温度超过所述导热界面材料层27的材质的 熔点(例如铟的熔点只有约156°C )，所述导热界面材料层27也不致发生外溢或空隙等缺 陷，故有利于提高散热封装构造的封装成品率、确保产品散热效率并延长使用寿命。再者， 由于所述散热片26利用所述挡墙262形成所述限料空间263，使得所述导热介面材料层27 可适用在需进行高温回流焊接的球形栅格阵列封装构造(BGA)等产品上，因而亦有利于扩 大产品应用范围。如图3A、3B、3C及3D所示，其揭示本发明第二实施例的半导体芯片的散热封装构 造的组装示意图。本发明第二实施例是相似于本发明第一实施例，并沿用第一实施例的大 部分图号，但所述第二实施例的半导体芯片的散热封装构造具有不同的挡墙构造。如图3A 及3B所示，在本发明第二实施例中，在组装时，首先将所述导热界面材料层27的第一表面 通过所述润湿层264暂时结合于所述散热片26的导热区261。接着，在所述导热界面材料 层27的周缘(也就是所述散热片26的导热区261边缘)利用形成一环状点胶部，以做为 一挡墙262’，其同样可以定义形成一限料空间263’。在本实施例中，所述环状点胶部(即 所述挡墙262’ )可选自银胶、硅胶、环氧树脂、热塑性树脂或热固性树脂等高耐受性的黏着 材料。如图3C及3D所示，所述环状点胶部(即所述挡墙262’ )不但包覆在所述导热界面 材料层27的周缘，并且部分包覆在所述导热界面材料层27的第二表面的唇缘。同时，所述 芯片22的散热面222伸入至所述限料空间263’内。所述导热界面材料层27夹设于所述 散热片26的导热区261及所述芯片22的散热面222之间。因此，在倒置散热封装构造并 利用高温回流焊接(reflow)方式植上所述数个输出端子28的期间，本发明第二实施例可 利用所述环状点胶部(即所述挡墙262’ )提供更好的限制材料外溢的效果，并有利于简化 组装程序及降低制造成本。如图4A、4B及4C所示，其揭示本发明第三实施例的半导体芯片的散热封装构造的 组装示意图。本发明第三实施例是相似于本发明第一实施例，并沿用第一实施例的大部分 图号，但所述第三实施例的半导体芯片的散热封装构造具有不同的挡墙构造。如图4A所 示，在本发明第三实施例中，所述散热片26的导热区261处利用冲压(punching)等适当方 式形成一凹槽，以利用所述凹槽做为一限料空间263”，并利用所述凹槽(即所述限料空间 263”)的内周壁做为一挡墙262”。在组装时，首先将所述导热界面材料层27的第一表面通 过所述润湿层264暂时结合于所述散热片26的凹槽(即所述限料空间263”)内的导热区261。接着，如图4B及4C所示，使所述芯片22的散热面222伸入至所述凹槽(即所述限料 空间263”)内。所述导热界面材料层27夹设于所述散热片26的导热区261及所述芯片22 的散热面222之间。因此，当倒置散热封装构造并利用高温回流焊接(reflow)方式植上所 述数个输出端子28时，所述凹槽(即所述限料空间263”)及其内周壁(即所述挡墙262”) 同样能提供良好的限制材料外溢的效果。如上所述，相较于图IA至IC中现有散热封装构造在利用回流焊接方式植上所述 锡球18时，容易使所述导热介面材料层17产生所述外溢部171及空隙等缺陷，图2至4中 本发明在该散热片26的导热区261处利用该挡墙262、262，或262”形成该限料空间263、 263’或263”，能在进行回流焊接等高温制程期间防止该导热介面材料层27向外溢流或产 生空隙，进而有利于提高封装成品率、确保产品散热效率并延长使用寿命。再者，由于适用 在需进行高温回流焊接的球形栅格阵列封装构造(BGA)等产品上，因而亦有利于扩大产品 应用范围。另外，本发明亦可利用所述环状点胶部(即所述挡墙262’ )提供更好的限制材 料外溢的效果，并有利于简化组装程序及降低制造成本。本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。 必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神 及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。
权利要求
一种半导体芯片的散热封装构造，其包含一基板、一框体、一散热片及一导热界面材料层；所述基板具有一承载面，以承载及电性连接至少一芯片；所述框体结合于所述基板的承载面的周围；所述散热片具有一结合面，所述结合面的周围结合于所述框体；所述半导体芯片的散热封装构造的特征在于所述散热片的结合面另具有一导热区，其形成在所述结合面的周围以外的位置，且所述导热区具有一挡墙，以围绕形成一限料空间；所述导热界面材料层容置于所述限料空间内；所述芯片具有一散热面伸入至所述限料空间内；所述导热界面材料层夹设于所述散热片的导热区及所述芯片的散热面之间。
2.如权利要求1所述的半导体芯片的散热封装构造，其特征在于所述散热片的导热 区的边缘形成一环凸缘，以做为所述挡墙。
3.如权利要求2所述的半导体芯片的散热封装构造，其特征在于所述环凸缘选自金 属凸缘或绝缘凸缘。
4.如权利要求1所述的半导体芯片的散热封装构造，其特征在于所述散热片的导热 区结合所述导热界面材料层，并且所述导热界面材料层的周缘形成一环状点胶部，以做为 所述挡墙。
5.如权利要求4所述的半导体芯片的散热封装构造，其特征在于所述环状点胶部包 覆在所述导热界面材料层的周缘，并部分包覆在所述导热界面材料层的表面唇缘。
6.如权利要求4所述的半导体芯片的散热封装构造，其特征在于所述环状点胶部选 自银胶、硅胶、环氧树脂、热塑性树脂或热固性树脂。
7.如权利要求1所述的半导体芯片的散热封装构造，其特征在于所述散热片的导热 区处形成一凹槽，以利用所述凹槽做为所述限料空间，并利用所述凹槽的内周壁做为所述 挡墙。
8.如权利要求1所述的半导体芯片的散热封装构造，其特征在于所述散热片的导热 区另设有一润湿层，所述导热区通过所述润湿层结合于所述导热界面材料层。
9.如权利要求1所述的半导体芯片的散热封装构造，其特征在于所述芯片的散热面 另设有一附着层，所述散热面通过所述附着层结合于所述导热界面材料层。
10.如权利要求1所述的半导体芯片的散热封装构造，其特征在于所述框体具有一第 一表面及一第二表面，所述第一表面利用一第一黏着层结合在所述基板的承载面，及所述 第二表面利用一第二黏着层结合在所述散热片的结合面。
全文摘要
本发明公开一种半导体芯片的散热封装构造，其包含一基板、一框体、一散热片及一导热界面材料层。所述基板承载及电性连接至少一芯片。所述框体结合于所述基板的周围。所述散热片具有一结合面结合于所述框体，且所述结合面另具有一导热区。所述导热区具有一挡墙，以围绕形成一限料空间。所述导热界面材料层容置于所述限料空间内。所述芯片具有一散热面，伸入至所述限料空间内。所述导热界面材料层夹设于所述散热片的导热区及所述芯片的散热面之间。所述限料空间用以在高温制程期间避免所述导热界面材料层发生外溢或空隙等缺陷。
文档编号H01L23/10GK101887872SQ20091020380
公开日2010年11月17日 申请日期2009年5月12日 优先权日2009年5月12日
发明者黄东鸿 申请人:日月光半导体制造股份有限公司