散熱增強的球柵格陣列封裝的製作方法

2023-07-13 17:35:11

專利名稱：散熱增強的球柵格陣列封裝的製作方法
技術領域：
本發明總地涉及半導體封裝，具體地涉及改善半導體晶片內的散熱。2、背景信息散熱在半導體晶片中是必須的。在極端條件下，如果使半導體晶片過熱，則會損傷 晶片。即使在此極端條件之外，半導體晶片也被設計為在特定的溫度範圍內工作。為了將 晶片保持在其工作溫度範圍內，必須將熱從晶片引走。隨著晶片性能變得更高，當晶片消耗 更多的功率並產生更多的熱時，它們所面臨的挑戰更大。圖IA以截面圖示出基本的半導體晶片封裝。圖IB是半導體晶片封裝100的靠近 視圖。應當指出，本公開中的所有附圖都是概念上的表示，包含在這些附圖中的部件不一定 按比例。提交附圖以圖解與本發明相關的方面和實施例，並且附圖不應被理解為限制。除了半導體功能管芯102之外，半導體晶片包括某種電或光接口。在圖IA和IB 中，這由球柵格陣列(BGA:ball grid array) 104示出。功能管芯102是已經經歷一系列 蝕刻和沉積步驟以在其上製造出電路的半導體襯底。然後，製造的襯底被劃片為各個管芯。 引線接合106用於將功能管芯102上的不同接合焊盤連接到BGA 104。最後，引線接合106 和功能管芯102由封裝材料108包封，封裝材料108可以是環氧模塑化合物。封裝材料的 示例包括環氧或樹脂，並且通常噴射成型。為了使晶片100散熱，熱從功能管芯102通過封裝材料108傳導到外部環境。在 高功率應用中，封裝材料108可以結合到外部熱沉(heat sink)，並且在極端條件下，熱沉 甚至可以耦接到電扇。然而，為了到達熱沉，熱首先通過封裝材料引出。為此目的，之前的 方案已經使用較昂貴的模塑化合物(mold compound)，使封裝材料具有較高的熱導率(例 如，3W/mK而不是標準的lW/mK)。然而，除了昂貴之外，這些模塑化合物可靠性較低，並且在 傳輸模塑操作(transfer molding operation)中較難使用。圖2A示出使用內部散熱器(heat spreader)來輔助散熱的半導體晶片。散熱器 202通常包括諸如銅的金屬，以用於將熱從功能管芯102傳導掉。然而，熱仍需要通過功能 管芯102到散熱器202之間的封裝材料108傳導。然後散熱器202將熱傳導離開晶片，並 且散熱器202通常暴露到空氣(或外部環境)。圖2B示出使用虛設管芯(dummy die)來改善散熱。為了減少熱傳導的距離，虛設 管芯204置於功能管芯102之上以使其更熱靠近散熱器202。虛設管芯204通常為從未制 造的矽襯底分割的管芯。
還使用了諸如空腔向下(cavity-down)或倒裝晶片封裝的其他晶片構造。然而， 這些構造更加昂貴，實際上它們製造起來要昂貴二至五倍。因而，在工業上存在大量需求以 解決上述缺陷和不足。

發明內容
在半導體晶片中，熱粘結劑用於將內部散熱器接合到有源功能管芯。在可選的實 施例中，虛設管芯直接置於有源功能管芯之上，熱粘結劑用於將內部散熱器接合到虛設管 芯。這提供了從熱源(也就是，功能器件)到封裝頂部(也就是，也暴露到空氣的內部金屬 散熱器)的直接的且相對較小的熱傳導路徑。通過研究以下附圖和詳細描述，本公開的其他系統、方法、特徵和優點對於本領域 技術人員將是明顯的或者變得明顯。所有這些另外的系統、方法、特徵和優點旨在包括在本 說明書內，包括在本公開的範圍內，並被所附權利要求保護。


本公開的許多方面能夠通過參照以下附圖更好地理解。附圖中的部件不一定按比 例，而是重點放在清楚地示出本公開的原理。此外，在附圖中，相同的附圖標記在各附圖中 都指代相應的部件。圖IA和IB以截面圖示出基本的半導體晶片封裝；圖2A示出使用內部散熱器來輔助散熱的半導體晶片封裝；圖2B示出使用虛設矽管芯來改善散熱；圖3示出散熱改善的半導體晶片封裝的第一實施例；以及圖4示出散熱改善的半導體晶片封裝的第二實施例。
具體實施例方式以下給出對本發明實施例的詳細描述。儘管將結合附圖描述本公開，但是並不意 欲將本發明限制到這裡公開的實施例。相反，目的是要覆蓋包括在本公開的由所附權利要 求書限定的精神和範圍內的所有替換、修改和等同物。圖3示出第一實施例。如在現有技術中，半導體晶片封裝300包括功能管芯302、 引線接合304和接口 306。晶片封裝300還包括內部散熱器308。然而，熱粘結劑310施加 到功能管芯302並接合到散熱器308。這設置了從功能管芯到散熱器的直接的熱傳導路徑， 而不需要功能管芯與散熱器之間的封裝材料。散熱器308典型地包括金屬，通常為銅。熱粘結劑310能夠從多種類型中的一種選出。例如，它可以是通常用於將熱沉結 合到封裝的熱界面材料，或者是通常用於在封裝內堆疊管芯(例如，堆疊存儲器管芯)的熱 粘結環氧(膜或膏)。更具體地，熱粘結劑310可以是通常通過點膠或模板印刷施加或施加 為膜的充滿粒子(particle-laden)的單成分或雙成分材料。粘結劑被固化以使聚合物交 聯，從而提供粘結特性。熱粘結劑的優點是他們提供了結構上的支撐，因此消除了對機械夾 具的需求。可選地，熱粘結劑310可以是相變材料(PCM :phase change material)。PCM通過 施加熱而經歷從固相到半固相的轉變。該材料在管芯工作條件下處於液相。PCM提供了幾個優點，包括與接觸面(mating surface)共形的能力並且不需要固化。另一選擇是熱粘結劑310可以是熱凝膠。凝膠是低模量輕度交聯的膏狀材料。關 於它們與表面共形的能力，它們和油脂類似。圖4示出第二實施例。此實施例將第一實施例的優點與虛設管芯的使用相結合。 如圖4，半導體晶片封裝400包括功能管芯302、引線接合304、接口 306和散熱器402。虛設 管芯404置於功能管芯302之上。熱粘結劑406施加到虛設管芯404。熱粘結劑406結合 到散熱器402並將虛設管芯404熱連接到散熱器402。像晶片250 —樣，虛設管芯404可以 是未製造的半導體，諸如矽，或者為減少成本，虛設管芯404可以是不合格的管芯，也就是 示出為具有過多缺陷而不能用作功能管芯的管芯。不合格管芯也將減少製造工藝的浪費。 虛設管芯404可以可選地通過使用熱粘結劑408而置於功能管芯302之上，以改善虛設管 芯404與功能管芯302之間的熱導率。熱粘結劑406和熱粘結劑408可以從如上所述的熱 粘結劑310的寬選擇範圍中選出。兩個實施例可以採用標準的封裝材料，因此消除了對較昂貴且不那麼可靠的散熱 增強材料的需求。標準材料也是更期望的，因為在更高溼度回流級別(moisture reflow level)的意義上來看，它們更可靠。此外，在從較高應力的熱循環期間沒有電介質破裂的意 義上來看，標準封裝材料也與低K電介質器件兼容。由於使用了標準的封裝材料，所以較寬 的供應基礎和較低的組裝成本使得製造較容易且較便宜。上述熱粘結劑的施加存在幾個挑戰。當施加熱粘結劑時，為了較好地與管芯和散 熱器共形，必須施加壓力。如果沒有施加足夠的壓力，在粘結劑與管芯或散熱器之間將存在 間隙或孔洞。如果施加過大的壓力，功能管芯會破裂。所需的壓力取決於所用的粘結劑的 類型。另一困難是施加熱粘結劑以覆蓋儘可能多的管芯表面而不流到引線接合上。最大 的覆蓋保證最大的散熱。與晶片封裝300中的相比，添加晶片封裝400中示出的虛設管芯 使得熱粘結劑進一步遠離引線接合。最後，在傳輸噴射模塑之後在熱粘結劑周圍不應有孔洞，封裝材料需要在器件周 圍流動並完全包封引線、管芯和粘結劑，以使最終的晶片是可靠的。所公開的方案能夠改善散熱10-20%，而在封裝成本上僅有略微的增加(< 5% )， 在可靠性能上沒有變化。此外，它利用了當前的製造技術。應當強調，上述實施例僅是可能的實施方式的示例。可以對上述實施例進行許多 變化和修改而不背離本公開的原理。例如，上述實施例是針對BGA封裝而給出，但是可以 應用於其他類型的封裝，包括但不限於雙列直插式封裝(DIP)型的封裝、針柵格陣列(PGA) 封裝、無引線晶片載體(LCC)封裝、小輪廓集成電路(SOIC)封裝、帶引線的塑料晶片載體 (PLCC)封裝、塑料四邊扁平封裝(PQFP)型的封裝和薄四邊扁平封裝(TQFP)型的封裝、薄小 輪廓封裝(TSOP)型的封裝、觸點陣列(LGA)封裝和四邊扁平無引線(QFN)封裝。所有這些 修改和變化旨在在這裡被包括於本公開的範圍內。權利要求
1.一種半導體封裝，包括半導體管芯，具有製造的圖案和接合焊盤； 散熱器；以及熱粘結劑，在該半導體管芯與該散熱器之間；其中該熱粘結劑粘結該半導體管芯和該散熱器，並將熱從該半導體管芯傳導到該散熱ο
2.如權利要求1所述的半導體封裝，其中該熱粘結劑包括熱界面材料，該熱界面材料包括熱粘結環氧膜、熱粘結環氧膏或其組合； 相變材料(PCM)； 熱凝膠；或 上述材料的組合。
3.如權利要求1所述的半導體封裝，還包括模塑化合物，該模塑化合物包封該半導體 管芯、該散熱器和該熱粘結劑。
4.如權利要求1所述的半導體封裝，其中所述半導體封裝是從由雙列直插式封裝 (DIP)型的封裝、針柵格陣列(PGA)封裝、無引線晶片載體(LCC)封裝、小輪廓集成電路 (SOIC)封裝、帶引線的塑料晶片載體(PLCC)封裝、塑料四邊扁平封裝(PQFP)型的封裝和薄 四邊扁平封裝(TQFP)型的封裝、薄小輪廓封裝(TSOP)型的封裝、觸點陣列(LGA)封裝和四 邊扁平無引線(QFN)封裝組成的組中選出的一種。
5.一種半導體封裝，包括製造的半導體管芯，具有製造的圖案和接合焊盤； 虛設半導體管芯，置於該製造的半導體管芯之上； 散熱器，置於該虛設半導體管芯之上；以及 第一熱粘結劑，在該虛設半導體管芯與該散熱器之間；其中該第一熱粘結劑粘結該虛設半導體管芯和該散熱器並將熱從該虛設半導體管芯 傳導到該散熱器，並且其中該虛設半導體管芯傳導來自該製造的半導體管芯的熱。
6.如權利要求5所述的半導體封裝，其中該熱粘結劑包括熱界面材料，該熱界面材料包括熱粘結環氧膜、熱粘結環氧膏或其組合； 相變材料(PCM)； 熱凝膠；或 上述材料的組合。
7.如權利要求5所述的半導體封裝，還包括第二熱粘結劑，該第二熱粘結劑在該虛設 半導體管芯與該製造的半導體管芯之間，其中該第二熱粘結劑粘結該製造的半導體管芯和 該虛設半導體管芯並將熱從該製造的半導體管芯傳導到該虛設半導體管芯。
8.如權利要求7所述的半導體封裝，其中該第一粘結劑和/或第二熱粘結劑包括熱界 面材料，該熱界面材料包括熱粘結環氧膜、熱粘結環氧膏或其組合。
9.如權利要求8所述的半導體封裝，其中該熱粘結環氧膜包括充滿粒子的單成分材 料、充滿粒子的雙成分材料或其組合。
10.如權利要求8所述的半導體封裝，其中該第一粘結劑和/或第二熱粘結劑包括相變 材料(PCM)。
11.如權利要求7所述的半導體封裝，其中該第一粘結劑和/或第二熱粘結劑包括熱凝膠。
12.如權利要求5所述的半導體封裝，其中該虛設半導體管芯是未製造的半導體管芯 或廢棄的製造半導體管芯。
13.如權利要求5所述的半導體封裝，還包括模塑化合物，該模塑化合物包封該半導體 管芯、該散熱器和該熱粘結劑。
14.如權利要求5所述的半導體封裝，其中該半導體封裝是從由DIP封裝、PGA封裝、 LCC封裝、SOIC封裝、PLCC封裝、PQFP封裝和TQFP封裝、TSOP封裝、LGA封裝和QFN封裝組 成的組中選出的一種。
15.一種封裝製造的半導體管芯的方法，包括在該製造的半導體管芯與散熱器之間施加第一熱粘結劑，其中熱粘結劑。
16.如權利要求15所述的半導體封裝，其中熱粘結劑包括熱界面材料，該熱界面材料包括熱粘結環氧膜、熱粘結環氧膏或其組合； 相變材料(PCM)； 熱凝膠；或 上述材料的組合。
17.如權利要求15所述的方法，還包括將虛設半導體管芯置於製造的半導體封裝之上，其中該第一熱粘結劑將該虛設半導體 封裝粘結到該散熱器。
18.如權利要求17所述的方法，還包括在該製造的半導體管芯與該虛設半導體管芯之間施加第二熱粘結劑，其中該第二熱粘 結劑將該製造的半導體管芯粘結到該虛設半導體管芯。
19.如權利要求18所述的半導體封裝，其中熱粘結劑包括熱界面材料，該熱界面材料包括熱粘結環氧膜、熱粘結環氧膏或其組合； 相變材料(PCM)； 熱凝膠；或 上述材料的組合。
20.如權利要求15所述的方法，還包括將該製造的半導體管芯和該散熱器包封在模塑 化合物中。
全文摘要
在半導體晶片中，熱粘結劑用於將內部散熱器接合到有源功能管芯。在可選的實施例中，虛設管芯直接置於有源功能管芯之上，熱粘結劑用於將內部散熱器接合到虛設管芯。這提供了從熱源即功能器件到封裝頂部即也暴露到空氣的內部金屬散熱器的直接的且相對小的熱傳導路徑。
文檔編號H01L23/433GK102047417SQ200980119865
公開日2011年5月4日 申請日期2009年3月27日 優先權日2008年3月28日
發明者羅伯特·瓦倫 申請人:科尼桑特系統股份有限公司