專利名稱：具散熱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體封裝件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種半導(dǎo)體封裝件，尤指一種具有散熱片且該散熱片的頂面外露出封裝膠體以提升散熱效率的半導(dǎo)體封裝件。
球柵數(shù)組(BGA)半導(dǎo)體封裝件(Ball Grid Array SemiconductorPackage)的所以成為封裝產(chǎn)品的主流，在于其能提供充分個量的輸入/出連結(jié)端(I/O Connections)以符合具高密度的電子組件(ElectronicComponents)及電子電路(Electrical Circuits)的半導(dǎo)體芯片的需求。然而，半導(dǎo)體芯片上地電子組件及電子電路的密度越高，其運作時所產(chǎn)生的熱量便越多；但若不將半導(dǎo)體芯片所產(chǎn)生的熱量有效逸散，將會影響至半導(dǎo)體芯片的性能及使用壽命。再而，傳統(tǒng)上，BGA半導(dǎo)體封裝件的高性能半導(dǎo)體芯片是為封裝膠體(Encapsulant orResin Body)所包覆，而構(gòu)成封裝膠體的封裝樹脂的熱導(dǎo)是個K僅約為0.8w/m。K，熱傳導(dǎo)性甚差，故往往令半導(dǎo)體芯片布設(shè)有電子組件及電子電路的作用表面(Active Surface)上產(chǎn)生的熱量無法有效藉封裝膠體的傳遞而逸散至大氣中。
此外，半導(dǎo)體芯片的材料的熱膨脹是個(Coefficient of ThermalExpansion，CTE)約為3ppm/℃，而一般形成封裝膠體的封裝樹脂的CTE則高達約20ppm/℃，故在封裝膠體包覆半導(dǎo)體芯片后，于用以固化封裝膠體的烘烤作業(yè)(Curing)、將半導(dǎo)體封裝件焊設(shè)于印刷電路板上的？？焊作業(yè)(Solder Reflow)及半導(dǎo)體封裝件于溫度循環(huán)(Temperature Cycle)可靠性驗證作業(yè)中的大幅溫度變化下封裝膠體較大的熱脹冷縮幅度往往會對半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生相當(dāng)?shù)臒釕?yīng)力(ThermalStress)效應(yīng)，而易導(dǎo)致半導(dǎo)體芯片裂損(Crack)，包覆半導(dǎo)體芯片的封裝膠體愈厚或半導(dǎo)體芯片愈薄或寸愈大時，對半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱應(yīng)力效應(yīng)愈益顯著。是以，此種習(xí)知半導(dǎo)體封裝件在制造上始終有良率無法有效提升的缺點。
為解決習(xí)知BGA半導(dǎo)體封裝件在散熱性上的不足，遂有于BGA半導(dǎo)體封裝件中裝設(shè)有散熱片的結(jié)構(gòu)因應(yīng)而生。此種將散熱片包覆于封裝膠體中的方式，雖有助于散熱效率的提升，惟半導(dǎo)體芯片作用表面所產(chǎn)生的熱量傳遞至大氣的路徑中，仍有相當(dāng)大的部分是經(jīng)過散熱性不隹的至令人滿意的程度。
針對上述具散熱片的BGA半導(dǎo)體封裝件的缺點，美國專利第5,216,278號遂提出一種散熱片的頂面外露出封裝膠體的半導(dǎo)體封裝件。如圖5所示，該種半導(dǎo)體封裝件1的散熱片10是藉一導(dǎo)熱性膠黏層11黏接至芯片12的頂面上，且該散熱片10的上表面100是外露出用以包覆芯片12的封裝膠體13。此種結(jié)構(gòu)使芯片12所產(chǎn)生的熱量可直接由該導(dǎo)熱性膠黏層11與散熱片10構(gòu)成的散熱途徑(Thermally Conductive Path)逸散至大氣中，毋須通經(jīng)散熱性不隹的封裝膠體13，故散熱效率得到有效提升。然而，散熱片10是直接黏著至芯片12的頂面上，當(dāng)散熱片10與芯片12存在厚度上的公差，在進行模壓作業(yè)(Molding)的合模注膠時，往往會使散熱片10受到封裝模具(未圖標(biāo))的壓力，該壓力便經(jīng)由散熱片10而傳遞至芯片12上，致使芯片12因而裂損(Crack)，故此種散熱片黏接至芯片上的半導(dǎo)體封裝件在制造上便存在有優(yōu)良率無法提升的問題；再而，如前所述，半導(dǎo)體芯片的材料的熱膨脹是個為約3ppm/℃，然，一般以銅金屬制成的散熱片10的熱膨脹是個則高達約18ppm/℃，在不同制程的溫度循環(huán)中，散熱片10即會對芯片12產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力效應(yīng)而導(dǎo)致芯片12的裂損，故同樣地影響至制成品的優(yōu)良率。
為避免散熱片直接黏附至芯片表面上所產(chǎn)生的諸多問題，本案的申請人便于1998年10月12日提出的臺灣第87116851號專利申請案中提出一種具散熱片的半導(dǎo)體封裝件。如圖6所示，該種半導(dǎo)體封裝件2的散熱片20與前述的美國專利的結(jié)構(gòu)相似，均是將散熱片20的頂面200外露出封裝膠體23，使頂面200直接接觸大氣以提升散熱片20逸散熱量的效率；同時，該散熱片20的底面201是與芯片22相隔一距離，以避免散熱片20于合模注膠時會壓觸到芯片22，然而該散熱片20的底面201與芯片22間是充填有形成封裝膠體23的封裝樹脂，使前述公知半導(dǎo)體封裝件的芯片為封裝膠體包覆所產(chǎn)生的缺點仍舊會發(fā)生在該種半導(dǎo)體封裝件2中，即芯片22產(chǎn)生的熱量仍須經(jīng)由封裝膠體23而得遞至散熱片20，將使散熱片20的散熱效率受到影響，且通常是位于芯片22與散熱片20間的距離H越大，封裝樹脂產(chǎn)生的熱阻值θj-a越大，θj-a越大則會造成芯片表面溫度(Tj)越高，芯片的表面溫度越高則越不利于芯片性能的維持與使用期限；再而，封裝膠體23仍直接包覆芯片22，令芯片22受到的熱應(yīng)力效應(yīng)依然顯著，使芯片22受損的可能性無法有效降低。
本發(fā)明的目的在于提供一種在半導(dǎo)體芯片上黏片且使蓋片與頂面外露出封裝膠體的散熱片間保持有一適當(dāng)距離的半導(dǎo)體封裝件，以藉該蓋片與半導(dǎo)體芯片的接合，避免水氣于半導(dǎo)體芯片的作用表面上凝聚，且能有效降低材質(zhì)間的熱應(yīng)力對半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的影響，而避免半導(dǎo)體芯片于溫度循環(huán)中發(fā)生裂損，以提升制成品的優(yōu)良率，并進而縮減散熱途徑中封裝膠體所占的部分，以有效提升散熱效率，同時，散熱片不與半導(dǎo)體芯片接觸，故無壓觸半導(dǎo)體芯片而使其受損的憂慮。
本發(fā)明所提供的半導(dǎo)體封裝件包括一基板，具有一頂面及一相對的底面；一黏設(shè)于該基板的頂面上的半導(dǎo)體芯片，其具有一作用表面及一與基板的頂面相接的非作用表面；多個的第一導(dǎo)電組件，用以電性連接該半導(dǎo)體芯片與基板；一黏接至該半導(dǎo)體芯片的作用表面上的蓋片，其為熱膨脹是個相近于該半導(dǎo)體芯片的材料所制成者；一接設(shè)于該基板的頂面上的散熱片，其具有一頂面與一相對的底面，且該散熱片的底面與該蓋片間形成有一間隙；多個植設(shè)于該基板底面上的第二導(dǎo)電組件，用以將該半導(dǎo)體芯片與外界電性連結(jié)；以及一用以包覆該半導(dǎo)體芯片、蓋片、第一導(dǎo)電組件及散熱片的封裝膠體，但令該散熱片的頂面外露出該封裝膠體。
在本發(fā)明的另一實施例中，該半導(dǎo)體芯片是藉焊錫凸塊(SloderBump)以覆晶(Flip Chip)方式將半導(dǎo)體芯片的作用表面與基板電性連接，故該蓋片是黏接于該半導(dǎo)體芯片的非作用表面上。
適用于該蓋片的材料為與半導(dǎo)體芯片的熱膨脹是個相近者，并無特定限制，惟仍以半導(dǎo)體材料或金屬材料等可有效傳導(dǎo)由與該蓋片相接的半導(dǎo)體芯片而來的熱量者為宜，故較隹者為經(jīng)測試淘汰的不良晶圓(Wafer)所切割下來者，如此，該蓋片與半導(dǎo)體芯片即具有相同熱膨脹是個，而在溫度循環(huán)中對半導(dǎo)體芯片的作用表面產(chǎn)生最小的熱應(yīng)力。
該蓋片與散熱片間的間隙不宜過大，以避免充填其中的封裝膠體厚度過大而影響散熱效率，但亦不宜過小，以避免模壓作業(yè)進行時，注入的封裝樹脂于該間隙中會因阻力變大而流速變小，導(dǎo)致氣洞(Void)形成于該蓋片與散熱片的間；而封裝膠體中若有氣洞形成，易在溫度循環(huán)、信賴可靠性驗證測試或?qū)嶋H運作中發(fā)生氣爆(Popcorn)，致使制成品具有信賴性的問題，且氣洞的形成亦會增加熱阻(因氣體的熱傳導(dǎo)性較封裝膠體為差)，而會降低散熱效因而，在避免氣洞生成及間隙過大而影響散熱效率的考量下，該間隙的大小宜在0.03mm至0.45mm的間，并以0.05mm至0.30mm的間為較宜。
同時，為進一步在縮小間隙以降低半導(dǎo)體封裝件制成后的整體高度但又不致于造成氣洞的生成的情況下，可在蓋片的頂面上形成有沿注膠時封裝樹脂模流流動方向所開設(shè)的多個溝槽，或形成有多個的凸粒，以由凸粒間形成有可順向?qū)Я鞣庋b樹脂模流的流道；同理，在該散熱片的底面位于該蓋片上方的部位上亦可形成有順沿封裝樹脂模流流動方向所開設(shè)的多個溝槽，或由多個凸粒形成的流道。同時，該散熱片的底面及蓋片的頂面可同時形成有前述的溝槽或由凸粒構(gòu)成的流道。
以下茲以具體實施例配合所附圖式進一步詳細說明本發(fā)明的特點及功效。


圖1是本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體封裝件的剖視圖2是本發(fā)明第二實施例的半導(dǎo)體封裝件的剖視圖3A是本發(fā)明第三實施例的半導(dǎo)體封裝件的部分剖開的立體圖3B是第3A圖沿3B-3B線的剖視圖4是本發(fā)明第四實施例的半導(dǎo)體封裝件的部分剖開的立體圖5是公知半導(dǎo)體封裝件的剖視圖；以及
圖6是另一公知半導(dǎo)體封裝件的剖視圖。組件符號1、2、3、4、5、6半導(dǎo)體封裝件10、20、34、54、64散熱片11導(dǎo)熱性膠黏層12、22芯片13、23、35封裝膠體100上表面200、300、340a頂面201、301、340b底面30、40基板31、41、411半導(dǎo)體芯片32金線33、43、53、63蓋片36焊球37、38膠黏劑310、410作用表面311非作用表面340片體341撐腳42焊錫凸塊530槽溝630凸粒H距離S 間隙第一實施例
圖1所示為本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體封裝件的剖視圖。
如圖所示，該第一實施例的半導(dǎo)體封裝件3是包括一基板30，一黏接至該基板30上的半導(dǎo)體芯片31，多根將半導(dǎo)體芯片31電性連接至該基板30的金線32，一黏接至該半導(dǎo)體芯片31上的蓋片33，接置于基板30上的散熱片34，以及包覆該半導(dǎo)體芯片31、金線32、蓋片33及部分的散熱片34的封裝膠體35。
該基板30具有一布設(shè)有多個導(dǎo)電跡線(此為公技術(shù)，故未圖標(biāo))的頂面300以及一相對的亦布設(shè)有多個導(dǎo)電跡線(未圖標(biāo))的底面301，其并開設(shè)有多個導(dǎo)電穿孔(Vias，未圖標(biāo))以使頂面300上的導(dǎo)電跡線與底面301上的導(dǎo)電跡線電性連接；該基板30的底面301上還植接有多個焊球36，以供該半導(dǎo)體芯片31與基板30電性連接后，藉該焊球36電性連接至如印刷電路板等外界裝置(External Device)。供該基板30制造用的材料可為一般的環(huán)氧樹脂、聚亞硫氨樹脂、三氮雜苯樹脂等、或陶瓷材料、玻璃材料等，就其中，又以BT(Bismaleimidetriazine)樹脂為較宜。
該半導(dǎo)體芯片31則具有一布設(shè)有多個電子組件及電子電路的作用表面310及一相對的非作用表面311，其即是藉該非作用表面311以常用的如銀膠等膠黏劑37黏接至該基板30的頂面300上。
該蓋片33是使用列為不良品的芯片(Defective Die)以使其熱膨脹是個同于半導(dǎo)體芯片31，俾在該封裝膠體35固化成型后，該蓋片33與半導(dǎo)體芯片31的組合可提供半導(dǎo)體芯片31較隹的機械強度，而有效降低封裝膠體35于后續(xù)制程的溫度變化(Temperature Variation及可靠性驗證的溫度循環(huán)(Temperature Cycle)中對半導(dǎo)體芯片31的作用表面310產(chǎn)生的熱應(yīng)力，故能減少半導(dǎo)體芯片31裂損的發(fā)生，使制成品的優(yōu)良率和可靠性為之提高并增強了半導(dǎo)體芯片31的抗撞擊性。該蓋片33宜以熱導(dǎo)性的膠黏劑38黏接至半導(dǎo)體芯片31的作用表面310上，以使作用表面310所產(chǎn)生的熱量得有效地藉該膠黏劑38傳遞至該蓋片33。該蓋片33的大小是小于半導(dǎo)體芯片31，以避免其黏接至該半導(dǎo)體芯片31上后觸及作用表面310上的焊墊(未圖標(biāo))或影響至金線32的焊線作業(yè)的進行；然當(dāng)金線是以反向焊接(ReverseBondiy)的方式焊接于基板30與半導(dǎo)體芯片31間時，該蓋片33可與半導(dǎo)體芯片31一樣大小，或甚而略大于半導(dǎo)體芯片31。
該散熱片34是由一片體340及用以將該片體340支撐至位于該半導(dǎo)體芯片31上方且不與蓋片33及金線32接觸的高度的撐腳341所構(gòu)成者。該片體340具有一外露出該封裝膠體35的頂面340a及一相對的底面340b，該底面340b須與蓋片33的上表面(未予標(biāo)號)相隔一適當(dāng)距離而使散熱片34與蓋片33間形成一間隙S。該間隙S的大小不能過小而致封裝膠體35于散熱片34與蓋片33間的部位形成有氣洞，但亦毋須過大而使封裝膠體35位于間隙S中的部位的厚度過高而影響至整體的散熱效率；因而，間隙S宜在0.03mm至0.45mm的范圍間，且以0.05mm至0.30mm的范圍為較宜。散熱片34不致碰觸至蓋片33的情況，可避免模壓作業(yè)時因各組件的厚度公差的累積而導(dǎo)致半導(dǎo)體芯片31受壓裂損，并可大幅降低半導(dǎo)體芯片31所承受的熱應(yīng)力；但因與蓋片33間僅隔開甚小距離，散熱片34仍可有效地將由半導(dǎo)體芯片31而來的熱量藉其外露的頂面340a逸散至大氣中，而無公知半導(dǎo)體封裝件的散熱途徑有相當(dāng)大的部分是通徑熱導(dǎo)性不隹的封裝樹脂的缺點。
為證明上述半導(dǎo)體封裝件3的散熱效能的提升，茲將其與其它習(xí)知者進行散熱效能實驗，其結(jié)果示于表一至表三。表一實驗對象的封裝件型式
表二各型式的封裝件的其它規(guī)格表三實驗結(jié)果(于6w的加熱能量及靜止空氣狀態(tài)下進行測試)第二實施例
圖2所示為本發(fā)明的第二實施例的半導(dǎo)體封裝件的剖視圖。如圖所示，該第二實施例的半導(dǎo)體封裝件4的結(jié)構(gòu)大致同于前述的第一實施例，其不同處在于該半導(dǎo)體芯片41是以覆晶(Flip Chip)方式電性連接至基板40上。該半導(dǎo)體芯片41的作用表面410是朝下藉多個的焊錫凸塊(Solder Bumps)42黏接至基板40上，由于該半導(dǎo)體芯片41的非作用表面411是朝上以供蓋片43的黏設(shè)，故蓋片43的尺寸可與半導(dǎo)體芯片41相同，而無影響半導(dǎo)體芯片41與基板40間的電性連接作業(yè)的憂慮。第三實施例
圖3A及圖3B所示為本發(fā)明第三實施例的半導(dǎo)體封裝件的部分剖開的立體圖及其剖視圖。如圖所示，該第二實施例的半導(dǎo)體封裝件5的結(jié)構(gòu)大致同于前述的第一實施例，其不同處在于該半導(dǎo)體封裝件5的蓋片53上是形成有多個的槽溝530，各槽溝530乃順沿封裝樹脂的注膠方向形成，以降低封裝樹脂模流進入散熱片54與蓋片53間的流速的影響，使有效減少氣洞形成的機率。同理，該種槽溝可相對地設(shè)于散熱片54的底面位于蓋片53的上方處，亦可產(chǎn)生相同的效果。第四實施例
圖4所示為本發(fā)明第四實施例的半導(dǎo)體封裝件的部分剖開的立體圖。如圖所示，該第四實施例的半導(dǎo)體封裝件6的結(jié)構(gòu)大致同于前述的第一實施例，其不同處在于該半導(dǎo)體封裝件6的蓋片63上是形成有多個成陣列方式排列的凸粒630，使由凸粒間形成供封裝樹脂模流通過的流道，而使封裝樹脂模流在流經(jīng)散熱片64與蓋片63間時，其流速不致改變太多而造成氣洞的形成。同理，該種凸粒也可設(shè)置于散熱片64的底面上，仍可產(chǎn)生相同的效果。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施例而已，其它任何未背離本發(fā)明的精神與技術(shù)下所作的等效改變或修飾，均應(yīng)仍包含在本專利的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具散熱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體封裝件，包括
一基板(30)，具有一頂面(300)及一相對的底面(301)；
一半導(dǎo)體芯片(31)，其具有一作用表面(310)與一相對的非作用表面(311)，該半導(dǎo)體芯片是藉其非作用表面黏接至該基板的頂面(300)上；
多個第一導(dǎo)電元件(32)，用以電性連接該基板與半導(dǎo)體芯片；
一蓋片(33)，是黏設(shè)至該半導(dǎo)體芯片(31)的作用表面(310)上，其具有與半導(dǎo)體芯片(31)相近的熱膨脹系數(shù)；
一散熱片(34)，具有一頂面(340a)與一相對的底面(340b)，使其接置于該基板(30)上后，該散熱片的底面與該蓋片間是形成有一間隙(s)；
一封裝膠體(35)，用以包覆該半導(dǎo)體芯片(31)、第一導(dǎo)電元件(32)、蓋片(33)及散熱片(34)，但使該散熱片(34)的頂面(340a)外露出該封裝膠體(35)；以及
多個第二導(dǎo)電組件(36)，設(shè)于該基板(30)的底面(301)上，以供該半導(dǎo)體芯片(31)與外界電性連接。
2.權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該間隙(s)的范圍宜在0.03mm至0.45mm間。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該間隙(s)的范圍較宜在0.05mm至0.30mm間。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該蓋片(33)是由導(dǎo)熱性材料制成。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該蓋片(33)是由半導(dǎo)體材料制成。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該蓋片(33)是由與該半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)相近的金屬材料制成的。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該蓋片(33)是藉導(dǎo)熱性膠黏劑黏接至該半導(dǎo)體芯片(31)上。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該第一導(dǎo)電組件(32)為金線。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該第二導(dǎo)電組件(36)為焊球。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該蓋片(53)上是形成有多個可順向?qū)Я鞣庋b樹脂模流的流道。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該流道是由開設(shè)于蓋片(53)上的溝槽(530)所形成。
12.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該流道是由凸設(shè)于蓋片(63)上的凸粒(630)所形成者。
13.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該散熱片(64)的底面相對于該半導(dǎo)體芯片處形成有多個可順向?qū)Я鞣庋b樹脂模流的流道。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該流道是由開設(shè)于該散熱片(64)底面上的溝槽所形成者。
15.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體封裝件，其中，該凸設(shè)于該散熱片(64)底面上的凸粒所形成者。
16.一種具散熱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體封裝件，是包括
全文摘要
一種具散熱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體封裝件,包括一黏接至一基板上的半導(dǎo)體芯片,該半導(dǎo)體芯片具有一作用表面,以供多個的焊線焊接其上而將該半導(dǎo)體芯片與基板電性連接;該作用表面上是藉一膠黏層黏接有一由熱膨脹系個與該半導(dǎo)體芯片相近的材料制成的蓋片,以降低熱應(yīng)力對半導(dǎo)體芯片的影響而有效避免半導(dǎo)體芯片裂損的發(fā)生,且藉以提升半導(dǎo)體芯片的作用表面所產(chǎn)生熱量的逸散效率,及避免外界入侵的水氣凝聚于該半導(dǎo)體芯片的作用表面上;該基板上并接設(shè)有一散熱片,該散熱片具有一頂面以外露出用以包覆該半導(dǎo)體芯片與蓋片的封裝膠體,且該散熱片與該蓋片的頂面間相隔一適當(dāng)距離,以避免散熱片觸壓該半導(dǎo)體芯片,但同時能有效縮減位于散熱片與半導(dǎo)體芯片間的封裝樹脂的厚度,而可提升散熱效率。
文檔編號H01L23/48GK1354512SQ00132439
公開日2002年6月19日 申請日期2000年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月17日
發(fā)明者賴正淵, 黃建屏 申請人:矽品精密工業(yè)股份有限公司