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CN1697169A - 具有散热结构的半导体封装及其制造方法 - Google Patents

具有散热结构的半导体封装及其制造方法 Download PDF

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CN1697169A
CN1697169A CNA2005100656670A CN200510065667A CN1697169A CN 1697169 A CN1697169 A CN 1697169A CN A2005100656670 A CNA2005100656670 A CN A2005100656670A CN 200510065667 A CN200510065667 A CN 200510065667A CN 1697169 A CN1697169 A CN 1697169A
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Abstract

公开了一种容易散热并且在模压工艺期间不损坏半导体芯片的半导体封装及其制造方法。具有散热结构的该半导体封装包括衬底，安装在衬底上并通过键合装置与衬底电连接的半导体芯片，粘附到半导体芯片上并由热传导材料形成的热嵌片，部分地暴露于半导体封装外部的热扩散器，该热扩散器形成在热嵌片的上方以与热嵌片间隔缓冲间隙。

Description

具有散热结构的半导体封装及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有散热结构的半导体封装及其制造方法，更具体地，涉及一种具有散热结构的半导体封装及其制造方法以用于避免半导体芯片的故障，该故障是由当需要使用热扩散器(heat spreader)和热嵌片(heat slug)将在半导体芯片的高速操作期间所产生的热量快速消散到封装外部时热耗散中的阻碍所引起的。
背景技术
通常，热耗散是用于高速、高频专用集成电路(ASIC)产品或者例如动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)的高速半导体存储器的半导体封装的重要特性。
最近日益需要高速和高输出的半导体器件，并且半导体封装要适应这种需要。现在正在开发或已经开发的半导体封装依照需要高输出的电源端被粗略地分成两种类型：其中散热器(heat sink)通常粘附在功率晶体管或模块器件上的塑料封装型，以及其中通过对陶瓷衬底使用金属外壳很容易地消散在电子元件工作期间所产生的热量的散热型。
图1是常规球栅阵列(BGA)封装100的截面图。
如图1所示，BGA封装100包括衬底110、半导体芯片130以及散热器170。
半导体芯片130粘附在衬底110的上表面并通过键合线140与衬底110电连接。具有上述结构的BGA封装100具有散热器170，散热器170在操作形成于半导体芯片130内部的电子元件时，将产生的热量有效地消散到BGA封装100的外部。如图1所示，散热器170位于半导体芯片130的上部并且散热器170的一个表面暴露于BGA封装100的外部。因此，半导体芯片130所产生的热量能够容易地消散到BGA封装100的外部。
在半导体芯片130上形成散热器170以后，通过绝缘密封树脂180来密封衬底110上的键合线140和散热器170。如上所述，密封散热器170从而使其一个表面暴露到BGA封装100的外部。
在其上安装有半导体芯片130的衬底110的下表面上形成焊球190。
与不具有散热器的另一常规BGA封装相比，BGA封装100设置有常规散热器170以确保改善的热特性。散热器170暴露于BGA封装100的表面，从而使操作形成于半导体芯片130中的电子元件时所产生的热量被容易地消散到BGA封装100的外部。
在包括常规散热器170的BGA封装100中，从半导体芯片130产生的一些热量通过位于半导体芯片130下部的衬底110消散到BGA封装100的外部，其余热量通过位于半导体芯片130上部的散热器170消散到BGA封装100的外部。
在半导体芯片130上形成散热器170以与半导体芯片130间隔约300-400μm的距离(图1的L1)，使得不损坏键合线140。间隙L1填充有绝缘密封树脂180。通常，高热传导材料、例如金属材料用作散热器170。然而不利的是，已知绝缘密封树脂180具有低的热导率。
因此，在常规BGA封装100中，半导体芯片130不直接接触散热器170，因此半导体芯片130产生的大部分热量以辐射热的形式传输到散热器170。因此，使用常规BGA封装结构的热耗散并不有效。
发明内容
本发明提供一种具有散热结构的半导体封装，其中通过设置各种散热装置有效地消散由半导体芯片中形成的电子元件的操作所产生的热量；能够改善电子元件操作的可靠性；当排布散热装置之后通过密封树脂密封半导体封装时，可以避免半导体芯片受到模具按压。本发明还提供一种半导体封装的制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种具有散热结构的半导体封装，其包括：衬底；安装在衬底上并电连接到其上的半导体芯片；耦合到半导体芯片的热嵌片，所述热嵌片由热传导材料形成；以及部分地暴露于半导体封装外部的热扩散器，所述热扩散器形成在热嵌片的上方从而与热嵌片间隔开。
根据本发明的另一方面，提供了一种具有散热结构的半导体封装的制造方法，其包括：将半导体芯片电耦合到衬底上；将由热传导材料制成的热嵌片耦合到半导体芯片的上表面上；以及在热嵌片上部的上方形成热扩散器从而与热嵌片间隔开。
本发明的其它目的、优点和特征将从结合附图的下列详细描述中变得更加显而易见。
附图说明
通过参考附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述特征和优点将变得更加明了。
图1是常规球栅阵列封装(BGA)的截面图；
图2A到2E是根据本发明的半导体封装制造方法的截面图；
图3A到3C示出了根据本发明的半导体封装中所采用的热嵌片的透视图。
具体实施方式
以下将参考附图更充分地描述本发明，附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以多种不同形式实施而不应解释为仅限于在此阐述的实施例。而且，提供这些实施例是为了使本公开彻底而全面，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
根据本发明实施例的半导体封装构成高频率微处理器或ASIC产品，或者高速半导体存储器例如DRAM或SRAM。这类器件大多具有多引脚的输入/输出端子。构成这类器件的半导体封装可以根据多引脚结构分成例如塑料或陶瓷针栅阵列(PGA)封装、焊盘栅阵(LGA)封装、球栅阵列(BGA)封装、四侧引脚扁平封装、引线框式封装(lead frame package)等。
此外，可用于根据本发明的半导体封装的衬底包括印刷电路板，陶瓷衬底，金属衬底，硅衬底等，其能够应用于PGA封装、LGA封装、BGA封装、四侧引脚扁平封装和引线框式封装。
以下，为便于说明，在本发明的实施例中，BGA封装用作半导体封装而印刷电路板用作衬底。
参考图2A到2E解释本发明的实施例。
图2A到2E是根据本发明优选实施例的半导体封装制造方法的截面图。该方法和图将在以下解释。
如图2E所示，根据本发明示例性实施例的半导体封装200包括衬底210、半导体芯片230、热嵌片260和热扩散器270。
这里，衬底210具有在衬底210的下部形成的多个焊球290。不管半导体封装200的形成顺序，将焊球290耦合到衬底210能够在任何阶段进行。
半导体芯片230安装在衬底210的上表面上并且通过粘合剂220粘附到衬底210上。此时，银膏通常用作粘合剂220。半导体芯片230是具有包括在其中的高频微处理器或ASIC产品或高速存储器(例如DRAM或SRAM)的芯片。
半导体芯片230的键合焊盘(未示出)以及衬底210的电极焊盘(未示出)通过键合装置240相互电连接。虽然键合线在本发明的示例性实施例中用作键合装置240，但本发明不限于此。即，可以通过例如倒装芯片键合将半导体芯片230和衬底210彼此电连接。键合线可由金、铜、铝或者其组合形成。
热嵌片260由热传导材料制成并且粘附到半导体芯片230的上部。这里，热嵌片260优选由高热传导材料制成，所述高热传导材料选自由铜、铜合金、铝、铝合金、钢、不锈钢、以及其组合所构成的组。而且，热嵌片260可以由从陶瓷、绝缘体或半导体材料所构成的组中选取的一种所制成。热嵌片260可以通过铸造、锻造或模压(press-molding)形成。
使用粘合剂250将热嵌片260粘附到半导体芯片230上。此处，粘合剂250必须符合几种要求，包括不影响半导体芯片230的表面以及适当支撑热嵌片260。粘合剂250为电绝缘体，优选为热导体。热传导树脂也优选用作粘合剂250。更优选地，硅橡胶或由弹性体材料组成的缓冲粘合物(buffer binder)用作粘合剂250。粘合剂250减轻了到半导体芯片230的外部冲击的传送，从而抑制了由于外部冲击所致的半导体芯片230的破坏。此外，能够避免由于热嵌片260和半导体芯片230之间热膨胀系数的不同所致的热嵌片260的剥离。
热塑粘合环氧树脂(thermo-plastic adhesive epoxy)、热固粘合环氧树脂(thermo-setting adhesive epoxy)、热传导环氧树脂、粘合带、或者其组合也用作粘合剂250。
在本发明的示例性实施例中，将在以下描述的设置在半导体芯片230和热扩散器270之间的热嵌片260优选具有约200-400μm的厚度L2。
图3A到3C是根据本发明示例性实施例的热嵌片260的透视图。如图3A到3C所示，热嵌片260可以具有平坦表面262。而且，热嵌片260的一个表面具有突起264或沟槽266，从而能够使将半导体芯片230所产生的热量的消散效果最大化。
如图2E所示，在热嵌片260上形成热扩散器270以与热嵌片260间隔缓冲间隙L3。优选地，缓冲间隙L3足够宽以用作热扩散器270和热嵌片260之间的缓冲，例如约100μm或更小。此时，缓冲间隙L3起缓冲作用以吸收在密封半导体芯片230期间所施加的压力，并将热嵌片260的热量传送到热扩散器270。通过在热嵌片260和散热器270之间设置薄缓冲间隙L3，能避免在使用绝缘密封树脂280密封形成在衬底210上的元件期间所施加的模具压力所造成的对半导体芯片230的损伤。为了使缓冲间隙L3起到这种作用，缓冲间隙L3更优选在大约20-30μm的范围内。
热扩散器270包括上部板部分272和支撑物274。上部板部分272形成在热嵌片260上并且与热嵌片260间隔预定的缓冲间隙L3。支撑物274形成在上部板部分272的下表面上以及其边缘处，粘附到衬底210上，并支撑上部板部分272。这里，热扩散器270的上部板部分272具有约100-200μm的厚度和平坦的形状。优选热扩散器270由高热传导材料制成，该高热传导材料选自由铜、铜合金、铝、铝合金、钢、不锈钢、及其组合所构成的组。热扩散器270可以通过铸造、锻造或模压等制造。
绝缘密封树脂280密封安装在衬底210上的半导体芯片230、热嵌片260和热扩散器270以保护它们不受外部冲击。如图2E所示，暴露热扩散器270的上部板部分272的一个表面从而有效地将来自热扩散器270的热量消散到封装200的外部。因此，通过绝缘密封树脂280密封衬底210、半导体芯片230、热嵌片260以及热扩散器270的支撑物274。例如，环氧模封化合物(epoxy molding compound，EMC)可用作绝缘密封树脂280。
在本发明的上述实施例中，经由焊球290、衬底210及键合装置240，将外部系统板(未示出)输出的电信号输入到半导体芯片230中。相反地，经由键合装置240、衬底210及焊球290将半导体芯片230输出的电信号输入到外部系统板中。通过上述输入和输出过程，可以高速驱动半导体芯片230。半导体芯片230所产生的热量可以与驱动半导体芯片230的速度成比例。
在本发明中，如上所述，在半导体芯片230的上部设置具有高热导率的热嵌片260和热扩散器270。因而，虽然从高速操作的半导体芯片230中产生大量的热量，但是使用热嵌片260和热扩散器270能够更容易地消散热量。因此，能避免由于热耗散中的阻碍所致的半导体芯片230的故障。
以下，参考图2A到2E说明根据本发明示例性实施例的半导体封装制造方法。
如图2A所示，使用粘合剂220、例如银膏将半导体芯片230粘附到衬底210上。通过键合装置240将衬底210的电极焊盘(未示出)和半导体芯片230的键合焊盘(未示出)电连接。
如图2B所示，将粘合剂250涂覆到半导体芯片230的上表面，随后将热嵌片260粘附到半导体芯片230上，由此避免形成在半导体芯片230的上表面上的I/O键合焊盘(未示出)被损坏。
如图2C所示，热扩散器270形成在热嵌片260上以与热嵌片260间隔预定的缓冲间隙L3。
如图2D所示，通过利用绝缘密封树脂280、例如EMC的模封，保护了半导体芯片230、键合装置240、热嵌片260以及热扩散器270。这里，为了确保热耗散效率，热扩散器270的上表面没有覆盖绝缘密封树脂280。
如表示外部I/O端子形成步骤的图2E所示，在完成密封以后，形成半导体封装200的外部I/O端子，即图2E所示的焊球290。优选但不是强制地，在密封以后进行外部I/O端子的形成。不管半导体封装200的形成顺序，外部I/O端子能够可选地形成。
尽管已经描述并在附图中表示了某些示例性实施例，但应理解的是，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行形式和细节上的各种变化。因此，应理解的是，上述实施例仅用于说明的目的而不应解释为对本发明的限制。
如上所述，根据本发明的具有散热结构的半导体封装及其制造方法，能够通过由高热传导材料制成的热嵌片和热扩散器快速地消散半导体芯片所产生的热量。
此外，通过热嵌片和半导体芯片之间的粘合剂以及热嵌片和热扩散器之间的间隙，在使用绝缘密封树脂的密封工艺中能稳定地保护半导体芯片。也就是说，因为在半导体封装中同时进行热耗散功能和半导体芯片的保护功能，所以根据本发明能够长期保持半导体芯片的良好性能。
本申请要求于2004年1月28日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2004-0005464的优先权，其全部内容在此引入作为参考。

Claims (25)

1.一种具有散热结构的半导体封装，包括：
衬底；
安装在所述衬底上并电连接到其上的半导体芯片；
耦合到所述半导体芯片的热嵌片，所述热嵌片由热传导材料形成；以及
部分地暴露于所述半导体封装的外部的热扩散器，所述热扩散器形成在所述热嵌片的上方从而与所述热嵌片间隔开。
2.根据权利要求1的半导体封装，其中所述热扩散器与所述热嵌片间隔约100μm或更小的间隙。
3.根据权利要求1的半导体封装，其中所述热嵌片由高热传导材料制成，该高热传导材料选自由铜、铜合金、铝、铝合金、钢、不锈钢、及其组合所构成的组。
4.根据权利要求1的半导体封装，其中所述热嵌片具有约200-400μm的厚度。
5.根据权利要求1的半导体封装，其中所述热嵌片的一个表面是平坦表面、突起、沟槽或其组合的形状。
6.根据权利要求1的半导体封装，其中所述热嵌片由选自陶瓷、绝缘体和半导体材料所构成的组中的热传导材料所制成。
7.根据权利要求1的半导体封装，其中所述热扩散器包括：
上部板部分，其具有暴露于所述半导体封装外部的一个表面以及形成在所述热嵌片上方以与所述热嵌片间隔开的另一表面；以及
支撑物，其形成在所述上部板部分的边缘的下表面上，所述支撑物用于在所述衬底上支撑所述上部板部分。
8.根据权利要求1的半导体封装，其中所述热扩散器由高热传导材料制成，所述高热传导材料选自由铜、铜合金、铝、铝合金、钢、不锈钢、及其组合所构成的组。
9.根据权利要求7的半导体封装，其中所述热扩散器的上部板部分具有约100-200μm的厚度。
10.根据权利要求7的半导体封装，其中所述热扩散器的上部板部分具有基本平坦的表面。
11.根据权利要求1的半导体封装，其中通过粘合剂耦合所述半导体芯片和所述热嵌片，其中所述粘合剂是电绝缘体和热导体。
12.根据权利要求11的半导体封装，其中所述粘合剂是热传导树脂。
13.根据权利要求11的半导体封装，其中所述粘合剂是由硅橡胶或弹性体材料制成的缓冲粘合剂。
14.根据权利要求7的半导体封装，其中通过绝缘密封树脂密封所述衬底、所述半导体芯片、所述热嵌片以及所述热扩散器的支撑物，所述树脂暴露所述热扩散器的上部板部分的表面。
15.根据权利要求14的半导体封装，其中所述绝缘密封树脂是环氧模封化合物。
16.根据权利要求1的半导体封装，其中所述半导体芯片通过键合线电连接到所述衬底。
17.一种具有散热结构的半导体封装的制造方法，该方法包括：
将半导体芯片电耦合到衬底；
将由热传导材料制成的热嵌片耦合到所述半导体芯片的上表面；以及
在所述热嵌片上部的上方形成热扩散器以与所述热嵌片间隔开。
18.根据权利要求17的方法，还包括在形成所述热扩散器之后，通过绝缘密封树脂密封所述衬底、所述半导体芯片、所述热嵌片以及所述热扩散器的支撑物以暴露所述热扩散器的上部板部分的一个表面。
19.根据权利要求17的方法，其中在所述热嵌片的上方形成所述热扩散器从而与所述热嵌片间隔约100μm或更小的间隙。
20.根据权利要求17的方法，其中所述热嵌片由高热传导材料制成，该高热传导材料选自由铜、铜合金、铝、铝合金、钢、不锈钢、及其组合所构成的组。
21.根据权利要求17的方法，其中所述热嵌片的一个表面是平坦表面、突起、沟槽或其组合的形状。
22.根据权利要求17的方法，其中所述热嵌片由选自陶瓷、绝缘体和半导体材料所构成的组中的热传导材料制成。
23.根据权利要求17的方法，其中所述热扩散器包括：上部板部分，其具有暴露于所述半导体封装外部的一个表面和形成在所述热嵌片上方以与所述热嵌片间隔开的另一表面；以及形成在所述上部板部分的边缘的下表面上的支撑物，所述支撑物用于在所述衬底上支撑所述上部板部分。
24.根据权利要求17的方法，其中所述热扩散器由高热传导材料制成，该高热传导材料选自由铜、铜合金、铝、铝合金、钢、不锈钢、及其组合所构成的组。
25.根据权利要求17的方法，其中通过粘合剂粘着所述半导体芯片和所述热嵌片，并且所述粘合剂是电绝缘体和热导体。
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