CN115810594A - 具有蒸气室的半导体立体封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有蒸气室的半导体立体封装结构，一个盖子结合一个底板围成一个蒸气室，在蒸汽室封装多个配置半导体晶片的中介层堆叠的三维结构体。所述的盖子内侧形成一组毛细结构，一组网结合于盖子内侧并遮蔽该组毛细结构。每个中介层周边有一组凸部，两个凸部间隔一个凹部，全部的中介层以凸部接触该组网，从上层中介层到下层中介层的凹部成为连到蒸气室的一个流道。该蒸气室添加适量的冷却流体，从该流道到该组毛细结构，所述的冷却流体进行液态转换气态的热循环，达到半导体晶片的散热效果。每个中介层的顶面和底面也有毛细结构，引导两层中介层高温的气体经由流道到蒸气室，成为热循环的一部分。

Description

具有蒸气室的半导体立体封装结构

技术领域

本发明涉及半导体的封装技术，尤指一种立体封装结构，利用蒸气室或称均温结构产生半导体晶片的散热效果。

背景技术

采用立体封装结构，将更多的半导体晶片聚集在一起，达到体积小、功能强的要求。通电后，该半导体晶片产生高热，高热会延迟运算效率，甚至会降低使用期限。如何散热，就成为半导体晶片亟待解决的课题。

在美国第20200105644号专利案中，一种散热装置附接于半导体立体封装结构，凭借温度较低的冷却液不断补充到一个流道，带走封装结构的热。虽然，这项水冷方式的设计能提升散热效率。但是，该散热装置推动冷却液流动的力来自一台泵，体积庞大的散热装置，显然跟不上封装结构微型化的先进技术。

中国台湾第202121618号专利案提出一种堆叠结构，结合中国台湾第202002201号专利案的散热结构，在立体封装内部添加一个热传导结构，来改良散热问题。具体而言，半导体晶片堆叠的每层加装一个散热层，该散热层是具备导热效率的热介面材料，通过硅穿孔或铜柱等电连接结构，取得半导体晶片的热传导效果。缺点是，热传导散热效果有限。特别是，多层堆叠时，下层半导体晶片散热不及，效果大幅降低。

目前解决散热问题较佳的方案，是一种蒸气室结构或称均温结构。所述的蒸气室结构利用冷却流体气相与液相的热循环，达到快速的散热效果。因此，该蒸气室运用在半导体的立体封装技术，能改善多个高性能晶片的散热效率。

譬如，日本第5554444号(公开第2015050323号)专利案与中国台湾第202002031号专利案都提到一个盖体，运用在半导体的立体封装结构，实现蒸气室的散热效果。

又，中国台湾第I672775号(申请第106119235号)专利案，在立体封装结构设计至少一条冷却通道围绕堆叠的半导体晶片。在冷却通道进行相变的流体，带走半导体晶片的热而具备散热效果，故冷却通道相当于蒸气室的功能。

还有一种半导体封装结构和组装结构，在半导体晶片与封装基板之间设置所需的蒸气室，该蒸气室带走半导体晶片的热，并向多国提出专利的申请，如美国第20200111728号与中国第111009493号等案。

前述各项蒸气室专利中，以热介面材料或封装胶体为介质，使蒸气室结构间接地结合于半导体封装结构。如此，该介质的导热率影响蒸气室结构的散热效果甚巨。

除此之外，美国第20190393193号专利案的公开信息，揭示一种具有蒸气室功能的半导体封装，主要是在一个电连接构造的空间中，所述的蒸气室设在多个集成电路之间。但是，该蒸气室的流动空间，仅限集成电路彼此相隔的狭窄空间，导致半导体封装整体的散热效益不佳。

还有一种半导体封装具备一个中介层附接于半导体，见于美国第7,002,247号专利案的公开信息。其中，所述的中介层具有两个包含诸如凹槽的芯结构的板，构成中介层的内部密封容积直接接触半导体背面，从而形成一个蒸汽室，企图降低半导体晶片的热，达到均温效果。可惜的是，该半导体封装仅靠晶片表面的附接结构，容易损伤半导体晶片，相对弱化整体的支撑构造。

发明内容

鉴于此，本案发明人提供新一代立体封装结构，其主要目的在于：蒸气室结构封装半导体晶片与冷却流体，让冷却流体直接带走半导体晶片的热，故散热效果比现有技术更有效率。

源于上述目的的达成，本发明的一种具有蒸气室的半导体立体封装结构，其特征在于，包括：

一个底板；

多个半导体晶片通过多个中介层堆叠在所述的底板上，该中介层有一个顶面毛细结构与一个底面毛细结构，该中介层周边具备一组凸部，两个凸部间隔一个凹部；

一个盖子内侧有一组毛细结构与一组网，该组网遮蔽所述的毛细结构，当盖子结合底板围成一个蒸气室，该盖子罩住全部的半导体晶片，全部的中介层以凸部接触该组网，从上层中介层到下层中介层的凹部成为连到蒸气室的一个流道；以及

适量的冷却流体添入该蒸气室中，在该组毛细结构、该组流道、顶面毛细结构与底面毛细结构之间进行液态转换气态的热循环，达到半导体晶片的散热效果。

所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其中，该上层中介层到下层中介层的凹部错开，保持倾斜的流道，以致该上层中介层到下层中介层的凸部排列为阶梯状态。

所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其中，所述的盖子采用铜、铜合金与其他的导热金属之一制成。

所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其中，将铜、铜合金与其他的导热金属之一披覆在所述的盖子表面。

所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其中，该组毛细结构为交错的隙缝，通过蚀刻、激光雕刻、冲压与压铸之一手段形成于所述的盖子表面。

所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其中，所述的冷却流体选自超纯水、乙醇、丁烷及其混合物之一。

所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其中，该中介层选自陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板、氧化硅陶瓷基板与氮化硅陶瓷基板之一。

所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其中，一组导热柱依阵列穿过所有堆叠的中介层。

所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其中，所述的盖子外部结合一组散热鳍片。

如此，本发明的盖子结合底板围成蒸气室，将半导体晶片与冷却流体封装在蒸气室，共同组成立体封装结构。冷却流体在蒸气室进行液态转换气态的热循环，直接带走半导体晶片的热，散热效果自然比现有技术更有效率。

为使本发明的目的、特征和优点，浅显易懂，兹举一个或以上较佳的实施例，配合所附的图式详细说明如下。

附图说明

图1是本发明封装结构第一实施例的俯视图。

图2是图1实施例的仰视图。

图3是切掉盖子顶面并俯瞰封装结构的内部构成的示意图。

图4是透视盖子观察封装结构的内部构成的示意图。

图5是沿图3的A-A线切开的剖视图。

图6是具体描绘图5放大比例的流道部位的示意图。

图7是以仰视角度观察单一中介层的底面的示意图。

图8是显示堆叠的中介层与半导体晶片的示意图。

图9是剖开封装结构观察内部的构造的示意图。

图10是绘制蒸气室通过网与毛细结构成为热循环的一部分的示意图。

图11、图12是以不同的角度观察本发明封装结构的第二实施例的示意图。

图13是图3的局部放大图。

附图标记说明：封装结构10；盖子11；孔12；蒸气室13；网14；毛细结构15；底板20；电接脚21；垫块22；防漏结构23；上层中介层30；顶面毛细结构31；中层中介层32；下层中介层33；流道34；底面毛细结构35；凸部36；凹部37；工作区40；座落区41；导电柱42；导热柱43；半导体晶片44；箭头50；紧固件51；散热鳍片52。

具体实施方式

接下来，结合附图，描述本案的实施例。附图中，用相同的标号表示相同或近似的结构或单元。可预知的是，所述的实施例仅为本案部分的范例，不是全部的实施例。基于所述的范例能够推演获得其他的实施例，或视需要更改、变化的构造，均属本案保护的范围。

在以下描述中，方向用语如「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「后」、「内」、「外」与「侧面」，只是参照附图的方向。方向用语的使用，是为了更好的、更清楚的描述且理解本案，不明示或暗示所述的装置或元件必须具备特定的方位、构造和操作，故不能理解为对本案技术内容的限制。

除非特定且明确的规范和限定，在以下描述中，「安装」、「相连」、「连接」或「设在…上」应做广义理解，例如固定连接、拆卸式连接、一体连接、机械连接、直接地相连、间接地相连或是两个元件内部的连接。对属于本案领域的技术人员而言，凭借普通知识或经验能够理解上述术语在各个实施例，甚至于本案具体的含义。

除非另有说明，在以下描述中，「多个」表示两个或两个以上。

图1是俯视图，显示本发明封装结构10的第一实施例。所述的封装结构10上方是一个盖子11，所述的盖子11是一个正方体，该正方体的四个角落各有一个孔12。

在本实施例，所述的盖子11采用铜、铜合金与其他的导热金属之一制成。某些实施例中，将铜、铜合金与其他的导热金属之一披覆高分子材料制成所述的盖子11表面，同样具备导热率。

图2是仰视图，所述的封装结构10下方是形状相同于盖子11的一个底板20，该底板20中央位置阵列一组电接脚21，该组电接脚21依四方形环状排列。四个垫块22形成于该底板20的四个角落。

如图4、图10所示，该封装结构10切成两个部分。从透视图看到，所述的盖子11内侧有五个面合围一个内部空间。该底板20封闭盖子11的开口，二者结合并围成密闭的一个蒸气室13。一个防漏结构23在底板20与盖子11之间，避免蒸气室13发生渗漏情况。

在本实施例，所述的盖子11内侧蚀刻一组毛细结构15。该组毛细结构15数量为五个，形成于盖子11内侧的五个面。每个毛细结构15是交错的多条隙缝，分布在盖子11相应的面。某些实施例中，该组毛细结构15通过激光雕刻、冲压与压铸之一手段形成于盖子11的表面。

另外，该盖子11内侧结合一组金属制的网14。该组网14数量为五张，延伸在盖子11内侧的五个面。每张网14通过焊接或粘着手段固定于盖子11相应的面，不破坏也不堵塞毛细结构15。如此，该网14遮蔽毛细结构15。

如图3、图5所示，该封装结构10的蒸气室13中，封装一个半导体晶片堆叠结构和适量的冷却流体(图未示)。

此处所称的半导体晶片堆叠结构，泛指多个半导体晶片通过多个中介层堆叠的三维结构体并设在底板20上。这些中介层堆叠为三层结构体，由下往上界定下层中介层33、中层中介层32与上层中介层30，有助于结构的描述，避免混淆。在本实施例，该中介层选自陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板、氧化硅陶瓷基板与氮化硅陶瓷基板之一。

以上层中介层30为例，其顶面之中央位置是一个工作区40，该工作区40是一个正方形区域，在正方形区域四周阵列一组导热柱43。通过蚀刻、激光雕刻、冲压与压铸之一手段，在上层中介层30的顶面形成一个顶面毛细结构31，该顶面毛细结构31是行与列交错的多条隙缝，避开该组导热柱43。

接着看到图7，该上层中介层30底面也有工作区40，是由一个座落区41和一组导电柱42组成。该组导电柱42围在正方形座落区41四周，该组导热柱43环绕在该组导电柱42周围。通过蚀刻、激光雕刻、冲压与压铸之一手段，在上层中介层30的底面形成一个底面毛细结构35，该底面毛细结构35也是行与列交错的多条隙缝，避开该组导电柱42和该组导热柱43。另外，该上层中介层30周边具备一组凸部36，两个凸部36间隔一个凹部37，故上层中介层30周边有一组凹部37。

从图5、图6、图10、图13来看，该中层中介层32的结构大致相同于上层中介层30，差异处在于：中层中介层32的凸部36错开上层中介层30的凸部36，以致中、上两层中介层的凹部37相互错开。

所述的下层中介层33结构大致相同于中层中介层32，差异处在于：下、中两层中介层的凸部36与凹部37也是采用错位设计。

当盖子11罩住半导体晶片堆叠结构，该上、中、下三层中介层30、32、33以凸部36接触该组网14，这些凸部36由上至下为阶梯排列。同时，从上层中介层30到下层中介层33错开的凹部37成为一个流道34，所述的流道34保持一个倾斜角度并连到蒸气室13。如此，该半导体晶片堆叠结构的周边有一组流道34。

如图8、图9所示，该组导热柱43从上层中介层30经过中层中介层32贯穿到下层中介层33。该导热柱43是一根导热率优异的铜柱，该铜柱的端部附着一个锡点(图未示)，能熔融结合底板20相应的电接脚21。在半导体晶片堆叠结构中，该导热柱43是不导电的，其与电接脚21具备热传导作用。

所述的半导体晶片44位于座落区41。其中，每个中介层的内部布置一些电子电路(图未示)，在半导体晶片44与该组导电柱42之间输入(或输出)一个电力(或信号)。该上层中介层30的导电柱42经由中、下两层中介层32、33的导电柱42连到底板20的电接脚21；该中层中介层32的导电柱42经由下层中介层33的导电柱42连到底板20的电接脚21；该下层中介层33的导电柱42直接连到底板20的电接脚21。因此，所述的封装结构10具备导电特性。

如图5、图6、图10、图13所示，在本实施例，所述的冷却流体是超纯水。该超纯水具备一个导热率，在容积固定不变的蒸气室13，进行液相转换气相的变化，故蒸气室13添入适量的超纯水即可。某些实施例中，所述的冷却流体选自乙醇、丁烷及其混合物之一。

假设，该蒸气室13的下方是超纯水。根据毛细现象，该超纯水顺着盖子11四周的毛细结构15，抗衡重力来到盖子11内侧的顶面。该组网14接触每个凸部36存在间隙，所以超纯水经由间隙从下层中介层33经由中层中介层32升到上层中介层30，从而扩散到每层中介层30、32、33的顶面毛细结构31与底面毛细结构35。

在图8、图9中，导电后，各层的半导体晶片44依逻辑运算并产生高温。该下层中介层33在半导体晶片堆叠结构的底部，累积的热量会比其他中介层更多。故底层的半导体晶片44热传导至下层中介层33，该下层中介层33的超纯水受热，由液态转换为气态，沿着顶面毛细结构31与底面毛细结构35扩散至周边。在高温传递至低温的特性下，蒸汽由流道34顺着箭头50(见图6)方向流到盖子11内侧的顶面，带走底层半导体晶片44的热。

同时，该半导体晶片堆叠结构中间的半导体晶片44，热传导至中层中介层32，使顶面毛细结构31与底面毛细结构35的超纯水从液态转换为高温蒸汽，该蒸汽由流道34顺着箭头50(见图6)方向流到盖子11内侧的顶面，带走中间的半导体晶片44的热。

另外，顶层半导体晶片44一面隔着网14，间接接触盖子11内侧的顶面，另面触及上层中介层30。因此，顶层半导体晶片44一部分热传导至网14再由盖子11散热至外界，其余的热传导至上层中介层30，使顶面毛细结构31与底面毛细结构35的超纯水从液态转换为高温蒸汽，混合来自中、下两层中介层32、33的气体一起通过网目，热对流盖子11的毛细结构15的超纯水。该超纯水热交换成为高温气体，能够热传导至毛细结构15的壁，经由盖子11散热至外界予以降温。

如图10、图13所示，降温的蒸汽凝结为超纯水。一部分的超纯水在盖子11的毛细结构15，继续与高温气体进行热对流。对网14而言，该超纯水属于浸润液体，表示其余的超纯水能附着在盖子11内侧顶面的网14。在重力下，该超纯水以水滴状态坠落。坠落在上层中介层30的顶面，该超纯水热交换上层中介层30，由液态蒸发为高温气体再次上升。坠落在凸部36接触网14的部位，通过间隙的毛细作用扩散至上层中介层30的顶面毛细结构31与底面毛细结构35，再次带走顶层或中层半导体晶片44的热。

一些超纯水通过流道34会滴在中层中介层32或下层中介层33的凸部36。通常能扩散至中、下二层中介层32、33的顶面毛细结构31，或是经由凸部36接触网14之间隙，扩散至中、下二层中介层32、33的底面毛细结构35，也能带走中层或下层半导体晶片44的热。

如此，所述的超纯水在该组毛细结构15、该组流道34、顶面毛细结构31与底面毛细结构35之间，进行液相转换气相的热循环，达到半导体晶片的散热效果。

如图11、图12所示，本发明封装结构10的第二实施例，其构造大致相同于第一实施例，差异处在于：一组紧固件51将一组散热鳍片52结合于盖子11外部，提升封装结构10的散热效果。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有蒸气室的半导体立体封装结构，其特征在于，包括：

一个底板；

多个半导体晶片通过多个中介层堆叠在所述的底板上，该中介层有一个顶面毛细结构与一个底面毛细结构，该中介层周边具备一组凸部，两个凸部间隔一个凹部；

一个盖子内侧有一组毛细结构与一组网，该组网遮蔽所述的毛细结构，当盖子结合底板围成一个蒸气室，该盖子罩住全部的半导体晶片，全部的中介层以凸部接触该组网，从上层中介层到下层中介层的凹部成为连到蒸气室的一个流道；以及

适量的冷却流体添入该蒸气室中，在该组毛细结构、该组流道、顶面毛细结构与底面毛细结构之间进行液态转换气态的热循环，达到半导体晶片的散热效果。

2.如权利要求1所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其特征在于，该上层中介层到下层中介层的凹部错开，保持倾斜的流道，以致该上层中介层到下层中介层的凸部排列为阶梯状态。

3.如权利要求1所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其特征在于，所述的盖子采用铜、铜合金与其他的导热金属之一制成。

4.如权利要求1所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其特征在于，将铜、铜合金与其他的导热金属之一披覆在所述的盖子表面。

5.如权利要求1所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其特征在于，该组毛细结构为交错的隙缝，通过蚀刻、激光雕刻、冲压与压铸之一手段形成于所述的盖子表面。

6.如权利要求1所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其特征在于，所述的冷却流体选自超纯水、乙醇、丁烷及其混合物之一。

7.如权利要求1所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其特征在于，该中介层选自陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板、氧化硅陶瓷基板与氮化硅陶瓷基板之一。

8.如权利要求1所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其特征在于，一组导热柱依阵列穿过所有堆叠的中介层。

9.如权利要求1所述具有蒸气室的半导体立体封装结构，其特征在于，所述的盖子外部结合一组散热鳍片。

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