用于半导体元件的散热结构的制作方法

本公开内容涉及用于半导体元件的散热结构。

背景技术：

此处的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。

近年来，电子元件的散热渐渐成为重要的问题。相较于传统的泵、压缩机等大型机件，电子元件或电子构装的散热由于体积的限制，需要在小范围达到好的散热以及均温效果，并且需考量设置散热元件所产生的成本不能太高，因此实际上是颇具挑战性的散热领域议题。

随着半导体产业最小线宽工艺精度不断提升，电子元件尺寸更是进一步缩小，但其发热量和单位面积热密度愈趋增大。为了使电子元件的运行时维持在许可的工作温度，常见的做法是在电子元件上装设各种类型的散热器(例如，散热片、均温板、水冷散热装置等)。目前所知的装设结构大多是通过导热胶作为散热器和电子元件之间的固定和热传导媒介，通过导热胶的可塑性高的性质以提升热接触面的接合品质。

技术实现要素：

然而，上述散热方式所使用的导热胶的热传导系数相较于导热性较佳的金属(例如，金、铝、铜等)仍有一个数量级以上的差距，且在前述电子元件逐渐缩小的趋势下也将渐渐不足以应付如此高密度且大量的热能来源。因此，有必要提出进一步提升散热效果的结构和方法。

有鉴于此，本公开的一些实施方式公开了一种用于半导体元件的散热结构，包括上腔体、第一侧腔体、以及第二侧腔体。上腔体向第一方向延伸。第一侧腔体连接上腔体并向第二方向延伸。第一侧腔体与上腔体流体连通。第二侧腔体连接上腔体并向第三方向延伸。第二侧腔体与上腔体流体连通。上腔体的下边、第一侧腔体的第一内边以及第二侧腔体的第二内边围绕定义出容置空间。下边、第一内边以及第二内边上分别设置有多个热传凸块。热传凸块面向容置空间。

于本公开的一或多个实施方式中，第一方向垂直于第二方向和第三方向。

于本公开的一或多个实施方式中，上腔体内位于第一侧腔体和第二侧腔体之间的部分包括至少一金属实心柱。金属实心柱的两端分别接触上腔体的上边和下边。上边和下边定义出上腔体垂直于第一方向的范围。

于本公开的一或多个实施方式中，第一侧腔体内和第二侧腔体内分别包括至少一金属实心柱。位于第一侧腔体内的金属实心柱的两端分别接触第一侧腔体的第一内边和第一外边。第一内边和第一外边定义出第一侧腔体垂直于第二方向的范围。位于第二侧腔体内的金属实心柱的两端分别接触第二侧腔体的第二内边和第二外边。第二内边和第二外边定义出第二侧腔体垂直于第三方向的范围。

于本公开的一或多个实施方式中，散热结构还包括至少一毛细结构，贴附于上边、下边、第一内边、第一外边、第二内边和第二外边当中的至少一者上。毛细结构位于上腔体、第一侧腔体或第二侧腔体内。

于本公开的一或多个实施方式中，散热结构还包括至少一毛细支柱。毛细支柱的两端分别接触位于上边的毛细结构和位于下边的毛细结构。

于本公开的一或多个实施方式中，热传凸块是由镍和金所组成。

于本公开的一或多个实施方式中，第一侧腔体和第二侧腔体直接流体连通，且共同环绕容置空间。

于本公开的一或多个实施方式中，第一侧腔体与第二侧腔体间隔开。

本公开的一些实施方式公开了一种半导体元件与散热结构的接合方法，包括：将至少一个表面设置有热传垫的半导体元件置入散热结构的容置空间中，容置空间是由散热结构的上腔体、第一侧腔体和第二侧腔体所围绕，设置在前述表面上的热传垫面向设置在上腔体上的多个热传凸块；施加第一压力使得热传垫接触设置在上腔体的热传凸块；以及将已相互接触的热传凸块和热传垫进行超音波焊接。

于本公开的一或多个实施方式中，半导体元件与散热结构的接合方法还包括施加第二压力使得设置在半导体元件的另一表面的另一热传垫接触设置在第一侧腔体的另一些热传凸块。

于本公开的一或多个实施方式中，半导体元件与散热结构的接合方法还包括以导热胶填充于第二侧腔体和半导体元件之间以使得第二腔体热耦合至半导体元件。

本公开通过散热结构三面以上接触半导体元件的方式提高了散热面积，且通过金对金的直接超音波焊接降低热传递时的热阻，并辅以直接无缝接触且连接散热结构相对的两个相隔金属面的金属实心柱提升超音波的震动传递量，达到同时提高散热效能并降低设置均温板于待散热工作物的所需温度及能量(即降低成本)的多重技术效果。

为了让本公开的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。

附图说明

图1示出本公开一些实施例中散热结构的剖面示意图。

图2a示出本公开一些实施例中散热结构的立体示意图。

图2b示出本公开一些实施例中散热结构的立体示意图。

图3示出本公开一些实施例中接合散热结构与半导体元件的流程示意图。

图4a示出本公开一些实施例中接合散热结构与半导体元件的中间阶段的剖面示意图。

图4b示出本公开一些实施例中接合散热结构与半导体元件的中间阶段的剖面示意图。

图4c示出本公开一些实施例中接合散热结构与半导体元件的中间阶段的剖面示意图。

图5示出本公开一些实施例中散热结构与半导体元件接合后的剖面示意图。

附图标记说明：

100、100a、100b：散热结构

120：上腔体

122：下边

124：上边

1222、1422、1622：热传凸块

130、150：金属实心柱

140：第一侧腔体

142：第一内边

144：第一外边

160：第二侧腔体

162：第二内边

164：第二外边

170：毛细结构

180：毛细支柱

200：半导体元件

220、220a1、220a2、220a3：热传垫

300：导热胶

d1：第一方向

d2：第二方向

d3：第三方向

as：容置空间

s：方法

s1、s2、s3：操作

a1、a2、a3：表面

p1：第一压力

p2：第二压力

g：缝隙

具体实施方式

为使本公开的叙述更加详尽与完备，下文针对了本公开的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本公开具体实施例的唯一形式。以下所公开的各实施例，在有益的情形下可相互组合或取代，也可在一实施例中附加其他的实施例，而无须进一步的记载或说明。

在以下的描述中，将详细叙述许多特定细节以使读者能够充分理解以下的实施例。然而，可在无这些特定细节的情况下实践本公开的实施例。在其他情况下，为简化附图，熟知的结构与装置仅示意性地示出于图中。

参考图1。图1示出本公开一些实施例中散热结构100的剖面示意图。散热结构100包括上腔体120、第一侧腔体140以及第二侧腔体160。上腔体120向第一方向d1延伸。第一侧腔体140连接上腔体120并向第二方向d2延伸，且第一侧腔体140与上腔体120流体连通。第二侧腔体160连接上腔体120并向第三方向d3延伸，且第二侧腔体160与上腔体120流体连通。在一些实施例中，第一方向d1垂直于第二方向d2和第三方向d3。第二方向d2可以是平行于第三方向d3，但不以此为限。在一些扩展实施例中，第一方向d1与第二方向d2和第三方向d3所呈现的夹角可以为非垂直，亦即本公开并不排除第一侧腔体140或第二侧腔体160自上腔体120往外斜向延伸的实施方式。此外，在一些特定实施例中，第二方向d2和第三方向d3甚至可以是非平行，亦即本公开并不排除第一侧腔体140或第二侧腔体160协向延伸的方向不相同的实施方式。前述不同的延伸方向的各种组合的实施可能性，可以依据待散热工作件(例如，半导体元件、芯片等生热件)的形状而制作。在一些实施例中，散热结构100可以是包覆式均温板。

在图1所示的实施例中，上腔体120的下边122、第一侧腔体140的第一内边142以及第二侧腔体160的第二内边162围绕定义出容置空间as，且下边122、第一内边142以及第二内边162上分别设置有多个热传凸块1222、1422、1622，这些热传凸块1222、1422、1622皆面向容置空间as。因此，容置空间as可用于放置待散热工作件，并通过热传凸块1222、1422、1622将热能经由散热结构100传导并散热至他处。前述的下边122、第一内边142以及第二内边162可视为散热结构100接触外界的外层或外壳，其主要由金属(例如，铜)所制成。

在一些实施例中，热传凸块1222、1422、1622是由镍和金所组成。镍可用以使金在散热结构100上的附着性较佳。制作方式可为事先将镍镀于散热结构100上，再镀上金。倘若需调整不同区域的热传凸块1222、1422、1622相较于散热结构100的外层或外壳(例如，上述的下边122、第一内边142和第二内边162)的高度，可先于欲增加高度的部位镀上额外的铜，再接着镀上镍层和金层。在一些实施例中，不论热传凸块1222、1422、1622的高度如何调整，皆以调整额外镀上的铜的高度的方式为之，而镍和金加起来的高度可控制在3微米左右，以达到较好的传热效率和工艺中的传递超音波震动的效率。当然，上开细节数据描述并不直接用以限制本公开的保护范围。在一些实施例中，位于同一侧(例如，下边122)上的热传凸块1222可设置为具有两种以上的高度。如此一来，当进行超音波震动的接合工艺时，会先由高度最高的一小部分热传凸块1222开始与待散热工作件产生键合，再循序扩张至高度较小的热传凸块1222也产生键合。如此工艺可降低金属键合产生的温度至约摄氏100-150度而降低待工作物于接合过程中产生结构损坏的机率，且亦减低键合工艺所需能耗。

继续参考图1。在一些实施例中，上腔体120内位于第一侧腔体140和第二侧腔体160之间的部分包括至少一金属实心柱130。金属实心柱130的两端分别接触上腔体120的上边124和下边122。上边124和下边122定义出上腔体120垂直于第一方向d1的范围，即上腔体120内的空腔部分的边界。通过金属实心柱130，上边124和下边122之间的热传导效率可增加，且超音波震动传递的能耗亦可大幅下降。在此架构下，若上边124接收到外加的超音波震动，金属实心柱130可更直接有效地将超音波震动传递至下边122，对于将散热结构100以超音波震动方式将热传凸块1222与待散热工作件接合的实施方式来说，很大程度帮助了工艺顺利及节省成本与耗能。此外，金属实心柱130亦使得散热结构100更为坚固而降低损坏率。

在一些实施例中，第一侧腔体140内和第二侧腔体160内分别包括至少一金属实心柱150，位于第一侧腔体140内的金属实心柱150的两端分别接触第一侧腔体140的第一内边142和第一外边144。第一内边142和第一外边144定义出第一侧腔体140垂直于第二方向d2的范围，即第一侧腔体140内的空腔部分的边界。位于第二侧腔体160内的金属实心柱150的两端分别接触第二侧腔体160的第二内边162和第二外边164。第二内边162和第二外边164定义出第二侧腔体160垂直于第三方向d3的范围，即第二侧腔体160内的空腔部分的边界。同样地，通过金属实心柱150，第一内边142和第一外边144之间以及第二内边162和第二外边164之间的热传导效率可增加，且超音波震动传递的能耗亦可大幅下降。在此架构下，若第一外边144接收到外加的超音波震动，其金属实心柱150更直接有效地将超音波震动传递至第一内边142，若第二外边164接收到外加的超音波震动，金属实心柱150可更直接有效地将超音波震动传递至第二内边162，对于将散热结构100以超音波震动方式将热传凸块1422、1622与待散热工作件接合的实施方式来说，很大程度帮助了工艺顺利及节省成本与耗能。金属实心柱130、150可以是与散热结构100的版料蚀刻一体成型，亦可以是独立的金属柱经过烧结、加压焊、电阻焊、超音波焊等工法，使其与散热结构100紧密无缝接合。

继续参考图1。在一些实施例中，散热结构100还包括至少一毛细结构170，贴附于上边124、下边122、第一内边142、第一外边144、第二内边162和第二外边164当中的至少一者上。毛细结构170位于上腔体120、第一侧腔体140或第二侧腔体160内。图1所示乃示例毛细结构170存在于所有前述结构中的实施例，但不须以此为限。在一些实施例中，散热结构100还包括至少一毛细支柱180，毛细支柱180的两端分别接触位于上边124的毛细结构170和位于下边122的毛细结构170。在一些实施例中，毛细支柱180可以是贴合于毛细结构170，再经由烧结、加压焊、电阻焊或超音波焊等工法，使其与散热结构100(例如，上边124和下边122)无缝紧密接合。

参考图2a和图2b。此二图分别示出本公开实施例中散热结构100a、100b的两种示例实施方式的立体示意图，其旨在显示整体三维结构的特征，因此细节结构如热传凸块1222、1422、1622等特征在此二图予以省略。在图2a的实施例中，散热结构100a有三面可用来设置热传凸块1222、1422、1622以接触待散热工作件。此三面可对应至前面已详加描述过的下边122、第一内边142和第二内边162。在图2b的实施例中，散热结构100b有五面可用来接触待散热工作件，此五面的其中一面可对应至下边122，另外四面可对应至第一内边142和第二内边162。与图2a不同的是，图2b的第一内边142和第二内边162在x-y平面上形成一个封闭内面，环绕并在x-y方向上包围容置空间as，因而在图2b的实施例中形成如同正方体四个侧面的结构。如此一来，散热效果由于接触面积增加(由三个面变为五个面)而更好。在图2a的实施例所呈现的架构下，第一侧腔体140与第二侧腔体160间隔开，须通过上腔体120方能达到第一侧腔体140与第二侧腔体160之间的流体连通。在图2b的实施例所呈现的架构下，第一侧腔体140和第二侧腔体160不须通过上腔体120即可直接流体连通，且第一侧腔体140和第二侧腔体160共同环绕容置空间as。

参考图3至图4c。图3示出本公开一些实施例中接合散热结构100与半导体元件200的流程示意图。图4a至图4c示出本公开一些实施例中接合散热结构100与半导体元件200的中间阶段的剖面示意图。本公开一些实施例公开一种接合散热结构100与半导体元件200的方法s。方法s于操作s1开始，将至少一个表面a1设置有多个热传垫220的半导体元件200置入散热结构100的容置空间as中。容置空间as由散热结构100的上腔体120、第一侧腔体140和第二侧腔体160所围绕。设置在表面a1的热传垫220面向设置在上腔体120上的多个热传凸块1222(参考图4a和图4b)。方法s接着进行至操作s2，施加第一压力p1使得热传垫220a1接触设置在上腔体120的热传凸块1222。在一些实施例中，操作s2亦施加第二压力p2使得设置在半导体元件200的另一表面a2的另一些热传垫220a2接触设置在第一侧腔体140的另一些热传凸块1422(参考图4b)。在一些实施例中，施加第一压力p1的方向为垂直于第一方向d1，施加第二压力p2的方向为垂直于第二方向d2。

方法s接着进行至操作s3，将已相互接触的热传凸块1222和热传垫220a1进行超音波焊接，使得多个热传凸块1222与热传垫220a1产生键合。在一些实施例中，热传凸块1422亦和热传垫220a2接触并进行超音波焊接，且多个热传凸块1422与热传垫220a2亦产生键合(参考图4b和图4c)。虽然附图中显示热传垫220a1(或220a2)为单一连续结构，但在一些实施例中，热传垫220a1(或220a2)亦可为多个分别对应多个热传凸块1222、1422的多个凸块结构。超音波震动的频率大于16千赫兹，可为40千赫兹至120千赫兹，但不以此为限。超音波震动源可以是如第一压力p1的箭头所示方向接触上边124以传递超音波震动，亦可如第二压力p2的箭头所示方向接触第一外边144以传递震动。图4c所示出的半导体元件200与第二侧腔体160的第二内边162尚有一缝隙g，乃实际工艺可能遇到的情况，此缝隙g可于后续工艺填补。当然，在一些实施例中，超音波焊接后亦不排除半导体元件200位于容置空间as中的至少三个面(如a1～a3)或每个面都与散热结构100完全金对金接合的情形，换言之，在进行超音波焊接前，半导体元件200不排除置入容置空间as中的至少三个面或每个面皆可设置热传垫，且散热结构100围绕成容置空间as的面不排除设置对应半导体元件200的传热垫的热传凸块，但不以此为限。

由上开关于散热结构100的结构描述可知，上腔体120、第一侧腔体140和第二侧腔体160内有预先使用金属实心柱130、150以直接且低消耗地传递超音波震动自上边124至下边122以及自第一外边144至第一内边142(一些实施例中亦可自第二外边164至第二内边162，于此不详述)，进而使得接合工艺可行且经济。在一些实施例中，热传垫220亦由金和镍等材料所组成，且金的部分与热传凸块1222、1422在操作s2时直接接触。因此，超音波震动会传递至金对金的接触面并产生摩擦热，且由于金凸块在接合时的单个接合面尺寸够小(热传凸块1222、1422、1622的侧向长度一般而言会在100微米以下，一些实施例中约为25微米)，其熔点会远低于大片铜板(或整片金膜)直接焊接的架构，因此所需完成焊接的总能量较低，可以在散热结构100内部温度升高至造成涨版或破坏半导体元件200之前完成焊接。

参考图5。图5示出本公开一些实施例中散热结构100与半导体元件200接合后的剖面示意图。在一些实施例中，方法s进一步以导热胶300填充图4c于第二侧腔体160和半导体元件200之间的缝隙g以使得第二侧腔体160热耦合至半导体元件200。在一些实施例中，可在第二侧腔体160上设置热传凸块1622，使得热传凸块1622热耦合至热传垫220a3。上述方式可在散热能力已相较于现有技术大幅提升(因为半导体元件200已有至少两面通过超音波接合而与散热结构100产生金对金键合)的前提下省去其它面的超音波接合，进而降低制造成本。在前述导热胶300以填充缝隙g的实施例中，可选择性地不设置第二侧腔体160上的热传凸块1622。

综上所述，本公开的实施例提供了一种用于半导体元件的散热结构以及半导体元件与散热结构的接合方法，其通过三面以上的散热接触面以及前述三面中至少两面的金对金直接键合面，达到超音波焊接时热传凸块与热传垫的热阻较现有技术降低的效果，因而使半导体元件可以更高功率执行其功能，并降低散热模块、风道设计或进一步水冷设计的需求的技术效果。此外，金属实心柱的设置亦使得超音波产生的超音波震动更易低耗能地传递至焊接接合面，进一步降低完成焊接的所需能量。

虽然本公开已以实施例公开如上，然并非用以限定本公开，任何本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本公开的保护范围当视权利要求所界定者为准。