CN211907417U - 一种半导体封装件以及电子元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种半导体封装件以及电子元件，所述半导体封装件包括散热系统，所述散热系统包括连接在一起的导热层和散热层，所述导热层为液态金属层；该半导体封装件具有较好的导热效果，能够迅速将半导体封装件在工作时产生的热量转移出去，大大提高了半导体封装件的使用寿命和安全性能；此外通过密封层的设置，使得液态金属层在密封层的作用下或者在毛细力的作用下能够保证避免液态金属外泄，从而避免在冷却后出现液态金属层空洞的现象。

Description

一种半导体封装件以及电子元件

技术领域

本实用新型属于半导体领域，涉及一种半导体封装件以及电子元件。

背景技术

球栅阵列(BGA)封装技术是一种表面贴装型封装，它通过在基板的背面按阵列方式制作出球形凸点(ball bump)来代替传统的引线，使得半导体装置的集成度更高、性能更好。BGA封装技术会显著地增加器件的I/O引脚数、减小焊盘间距，进而缩小封装件的尺寸、节省封装的占位空间，从而使PC芯片组、微处理器等高密度、高性能、多引脚封装器件的微型化成为可能。随着封装技术和产品多样化需求的不断加深，高速度、低成本、小尺寸、优秀的电性能是其重要的发展趋势。

在传统的BGA封装的制造工艺中，芯片通过其下表面固定于基板，然后通过引线键合(wire bonding)工艺使设置于芯片上表面的焊盘通过金属线与基板上的焊点形成电气连接。然后，对所述芯片及基板进行模封(molding)，以保护芯片及内部的金属线。最后，通过植球工艺在基板的下侧形成凸球，以使芯片与外部的其他电路形成电气连接。

因此，开发出用于BGA封装过程中对封装件的散热性和使用寿命影响较小的半导体封装件非常有必要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种半导体封装件以及电子元件，通过在半导体封装件中设置散热系统，包括连接在一起的导热层和散热层，其中导热层为液态金属层，其具有较好的导热能力，能够迅速将半导体封装件在工作时产生的热量转移出去，从而大大提高了半导体封装件的散热能力；此外通过密封层的设置，使得液态金属层在密封层的作用下或者在毛细力的作用下能够保证避免液态金属外泄，从而避免在冷却后出现液态金属层空洞的现象。

为达到此实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型的目的之一在于提供一种半导体封装件，所述半导体封装件包括散热系统，所述散热系统包括连接在一起的导热层和散热层，所述导热层为液态金属层。

本实用新型通过在半导体封装件中设置散热系统，包括连接在一起的导热层和散热层，其中导热层为液态金属层，其具有较好的导热能力，能够迅速将半导体封装件在工作时产生的热量转移出去，从而大大提高了半导体封装件的散热能力。

在本实用新型中，导热层和散热层是通过常规的方式连接在一起的，如层压、蒸镀、涂覆、焊接、镀膜等方式。

在本实用新型中对液态金属层的材质不做具体限定，熔点不高于125℃即可，即在常温下为固态，但在随着温度升高，会变成液态，材质本身的导热系数会略微降低，但是导热能力会大大提高，示例性的如：Ga-In-Bi-Sn液态金属层、掺杂有Ge,Si或Sb中任意一种或至少两种的Ga-In-Bi-Sn液态金属层、 In-Bi-Sn液态金属层、Ga-In液态金属层、Ga-In-Sn液态金属层、Ga-Sn液态金属层等，进一步优选In-Bi-Sn的共晶相合金液态金属层。本实用新型中液态金属层的制备方法包括：将原料混合，在惰性气体中熔炼，熔炼后冷却，得到液态合金层；液态金属是采用传统的点胶机形成的，一方面能够控制加入液态金属的重量和体积，另一方面能够避免液态金属层制备过程中的损失。

在本实用新型中，所述散热层包括散热片和设置在散热片外周缘的散热支撑件；所述散热片和散热支撑件为一体成型或可拆卸连接。

本实用新型中对散热层的材质和厚度不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行调整，示例性的选择金属层。

在本实用新型中，散热层的材质通常为铜或铝，也可以对散热层的材质表面进行一些表面处理，便于散热层和液态金属更好的接触，在散热层的表面设置钛或含钛的合金层，能够增加散热层的润湿性，且不会和散热层发生化学反应，便于将散热层和导热层焊接在一起。

在本实用新型中，所述散热层还包括齿状结构，所述齿状结构设置在散热片远离所述导热层一侧的表面。

本实用新型中，散热片远离导热层一侧的表面还设置有齿状结构，便于将半导体封装件产生的热量传导出去。

在本实用新型中，所述半导体封装件还包括芯片和芯片承载件，所述芯片包括第一面和第二面，所述芯片的第一面和散热系统中的导热层相连，所述芯片的第二面和芯片承载件接置并电性相连。

在本实用新型中，芯片为本领域常规使用的芯片，芯片的材质通常为硅、二氧化硅、氮化硅等，在芯片使用过程中，可以不对芯片的表面进行处理，也可以在芯片和导热层之间设置钛层或含钛的合金层。

在本实用新型中，芯片承载件上通常设置有铜导电线路，为防止液态金属滴落到芯片承载件上造成短路，可以在芯片承载件上设置一层非导电高分子保护层，特别是芯片承载件上暴露的导电部分。

在本实用新型中，所述芯片的第二面的表面间隔设置有至少两个导电凸块，所述导电凸块的凸面接置并电性连接芯片承载件。

本实用新型中芯片的第二面的表面设置有电路，导电凸块的作用是用于电荷的传导，导电凸块的个数为至少两个，具体个数以及形状等设置本领域技术人员可根据实际需要进行调整。

在本实用新型中，所述半导体封装件还包括底部填充层，所述底部填充层环设在导电凸块的外周缘，并用于填充任两个导电凸块间的间隙，其作用是将导电凸块固定在芯片上，避免受到冲击、弯折等外部作用力的情况下，焊接部位容易发生断裂。

在本实用新型中，所述芯片承载件与散热层中的散热支撑件通过胶层相连。

在本实用新型中，所述相连的方式为通过胶粘连。

在本实用新型中，所述芯片承载件为球栅阵列式基板。

本实用新型中芯片承载件选用球栅阵列式基板，具有成品率高，可将窄间距焊点失效率降低两个数量级。

本实用新型对芯片承载件的形状与尺寸不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行调成。

在本实用新型中，所述半导体封装件还包括密封层，所述密封层环设在芯片和导热层的外周缘，且与散热层中的散热支撑件间隔设置。

本实用新型通过在芯片和导热层的外周缘设置密封层，从而将导热层和芯片密封起来形成密封结构，可以将芯片有效的保护起来，减少芯片的损耗，另一方面能够进一步避免液态金属层因融化而泄露，而后在冷凝回缩后形成空洞，从而影响芯片的散热效果和使用寿命。

本实用新型对密封层的材质不做具体限定，可以选择与散热层同种材质的材料，在制备过程中可以通过与散热层一体成型的方式进行制备；密封层也可以选择耐高温的亚克力胶层，可以通过涂覆的方式涂覆在导热层和芯片的外周缘。

在本实用新型中，所述密封层包括第一端和第二端，第一端和散热层相连，第二端和芯片承载件相连。

在本实用新型中，所述导热层包括与芯片相对的液态金属相对区和与芯片不相对的液态金属不相对区，所述散热层与导热层相接触的一侧表面设置有至少一个空隙，所述空隙位于液态金属不相对区的正上方，用于承接导热层受热膨胀的部分。

在本实用新型中，导热层即液态金属层，其正对芯片的部分称为液态金属相对区，与芯片不是正相对的部分称之为液态金属不相对区，密封层是封装在液态金属不相对区的外周缘，避免液态金属受热外泄，本申请对密封层的形状不做具体限定，根据液态金属层的形状进行调整即可；空隙设置在液态金属不相对区的正上方，用于承接导热层受热膨胀的部分。

在本实用新型中，所述密封层包括第一端和第二端，所述第一端与所述散热层之间的最短距离为0-5μm，(例如0μm、0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5 μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm等)，所述第二端与所述芯片承载件相连；所述密封层为凸弧结构，所述凸弧结构凸向导热层一侧，所述凸弧结构的切线与散热片形成的夹角为5-25°，例如5°、8℃、10℃、12℃、15℃、17℃、 20℃、22℃、25℃等。

在本实用新型中第一端与散热层之间的最短间距为0-5μm，且密封层为凸弧结构，凸弧结构凸向导热层一侧，即在密封层和散热层之间形成一个很小的边角(即凸弧结构的切线与散热片形成的夹角为5-25°)，小的边角空隙具有毛细力，能够储存外溢的金属液体；其中散热片与凸弧结构相接触的面为平面，则边角为凸弧结构的切线与散热片形成的夹角，若散热片与凸弧结构相接触的面为弧面，则边角为凸弧结构的切线和弧线的切线所形成的夹角。

在本实用新型中，所述芯片与所述散热层之间的距离为10-70μm(例如10 μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、 60μm、65μm、70μm等)，所述导热层的形状为椭球体形状。

本实用新型中，芯片和散热层之间的距离较小，芯片和散热层之间为导热层，即将导热层的厚度控制在较小的范围之内，导热层会形成椭球状的形状，具有毛细力，使得液态金属不会外泄。

在本实用新型中，所述导热层的外周缘设置有导热密封层，所述导热密封层与散热层中的散热支撑件间隔设置。

为进一步保障液态金属不会外泄，在导热层的外周缘设置导热密封层，能够进一步保证液态金属不会外泄。

本实用新型通过导热层的外周缘设置密封层，从而将导热层密封起来形成密封结构，能够进一步避免液态金属层因融化而泄露，而后在冷凝回缩后形成空洞，从而影响散热效果和使用寿命。

本实用新型对导热密封层的材质不做具体限定，可以选择与散热层同种材质的材料，在制备过程中可以通过与散热层一体成型的方式进行制备；密封层导热密封层也可以选择耐高温的亚克力胶层，可以通过涂覆的方式涂覆在导热层的外周缘。

本实用新型的目的之二在于提供一种电子元件，所述电子元件包括目的之一所述的半导体封装件。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型中的半导体封装件包括散热系统，散热系统为连接在一起的导热层和散热层，导热层为液态金属层，具有较好的导热能力，能够迅速将芯片产生的热量传导出去；此外通过密封层的设置，使得液态金属层在密封层的作用下或者在毛细力的作用下能够保证避免液态金属外泄，从而避免在冷却后出现液态金属层空洞的现象。

附图说明

图1是实施例1中散热系统的结构示意图；

图2为实施例1中散热层的结构示意图；

图3为实施例1中半导体封装件的结构示意图；

图4为图3中导热层的结构示意图；

图5为实施例2中半导体封装件的结构示意图；

图6为图5中虚线部分的结构放大图；

图7为实施例3中半导体封装件的结构示意图；

图8为实施例4中半导体封装件的结构示意图；

图9为实施例5中散热层的结构示意图；

其中，1为散热系统，2为芯片，3为芯片承载件，4为底部填充层，5为胶层，6为密封层，7为导热密封层，11为导热层，111为液态金属相对区，112 为液态金属不相对区，12为散热层，13为空隙，121为散热片，122为散热支撑件，123为齿状结构，21为导电凸块。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本实用新型，不应视为对本实用新型的具体限制。

实施例1

本实施方式提供一种半导体封装件，半导体封装件包括散热系，如图1和图2所示，散热系统1包括连接在一起的导热层11和散热层12，散热层包括散热片121和设置在散热片121外周缘的散热支撑件122。如图3和图4所示，半导体封装件包括散热系统、芯片2和芯片承载件3；芯片2包括第一面和第二面，芯片2的第一面和散热系统中的导热层11相连，芯片2的第二面和芯片承载件 3接置并电性相连；芯片2的第二面的表面间隔设置有至少两个导电凸块21，导电凸块21的凸面接置并电性连接芯片承载件3；底部填充层4设置在导电凸块21的外周缘，并用于填充任两个导电凸块21间的间隙；芯片承载件3与散热层12中的散热支撑件通过胶层5相连；密封层6环设在芯片2和导热层11 的外周缘，且与散热层12中的散热支撑件间隔设置；密封层6包括第一端和第二端，第一端与散热层12相连，第二端与芯片承载件3相连；导热层11包括与芯片2相对的液态金属相对区111和与芯片2不相对的液态金属不相对区，散热层12与导热层11相接触的一侧表面设置有空隙13，空隙13位于液态金属不相对区112的正上方，用于承接导热层11受热膨胀的部分。本实施例中液态金属层具有较好的导热效果，能够将芯片产生的热量迅速传导出去；通过在液态金属和芯片的外侧设置密封层，从而将导热层和芯片密封起来，使该半导体封装片在后续应用过程中，液态金属会随着温度的升高逐渐熔化成液体，液体自身具有流动性，会向不同的方向流出，而后在冷凝过程中原有导热层的地方可能会形成空洞，从而影响芯片的导热效果，并减少导热层的使用寿命；且散热层上设置有空隙，能够承接液态金属膨胀的部分，能够减少密封层承接的因液态金属膨胀产生的压力，从而增加半导体封装件的使用寿命。

实施例2

如图5和图6所示，半导体封装件包括散热系统、芯片2和芯片承载件3；散热系统的组成与实施例1相同；芯片2包括第一面和第二面，芯片2的第一面和散热系统中的导热层11相连，芯片2的第二面和芯片承载件3接置并电性相连；芯片2的第二面的表面间隔设置有至少两个导电凸块21，导电凸块21的凸面接置并电性连接芯片承载件3；底部填充层4设置在导电凸块21的外周缘，并用于填充任两个导电凸块21间的间隙；芯片承载件3与散热层12中的散热支撑件通过胶层5相连；密封层6环设在芯片2和导热层11的外周缘，且与散热层12中的散热支撑件间隔设置；密封层6包括第一端和第二端，第一端与散热层12之间的最短距离为3微米，第二端与芯片承载件相连；密封层6为凸弧结构，凸弧结构凸向导热层11一侧，凸弧结构的切线与上水平线散热片121之间形成的夹角为15°。

本实施例中液态金属层具有较好的导热效果，能够将芯片产生的热量迅速传导出去；通过在液态金属和芯片的外侧设置密封层，从而将导热层和芯片密封起来，使该半导体封装片在后续应用过程中，液态金属会随着温度的升高逐渐熔化成液体，液体自身具有流动性，会向不同的方向流出，而后在冷凝过程中原有导热层的地方可能会形成空洞，从而影响芯片的导热效果，并减少导热层的使用寿命；控制第一端与散热层之间的最短间距，且密封层为凸弧结构，凸弧结构凸向导热层一侧，即在密封层和散热层之间形成一个很小的边角，小的边角空隙具有毛细力，能够储存外溢的金属液体，上述仅仅列举了第一端与散热层的最短距离为3微米，凸弧结构的切线与上水平线散热片121之间形成的夹角为15°，通过实验验证第一端与散热层的最短距离为0-5微米，凸弧结构的切线与上水平线散热片121之间形成的夹角为5-25°，形成的边角具有毛细力，能够储存外溢的金属液体。

实施例3

如图7所示，半导体封装件包括散热系统、芯片2和芯片承载件3；散热系统的组成与实施例1相同；芯片2包括第一面和第二面，芯片2的第一面和散热系统中的导热层11相连，芯片2的第二面和芯片承载件3接置并电性相连；芯片2的第二面的表面间隔设置有至少两个导电凸块21，导电凸块21的凸面接置并电性连接芯片承载件3；底部填充层4设置在导电凸块21的外周缘，并用于填充任两个导电凸块21间的间隙；芯片承载件3与散热层12中的散热支撑件通过胶层5相连；芯片承载件3和散热层12的散热件121之间的距离为30μm，导热层的形状为椭球体形状，即导热层的最大厚度为30μm。

本实施例中液态金属层具有较好的导热效果，能够将芯片产生的热量迅速传导出去，芯片和散热层之间的距离较小，芯片和散热层之间为导热层，即将导热层的厚度控制在较小的范围之内，导热层会形成椭球状的形状，具有毛细力，使得液态金属不会外泄，上述实施例仅列举了芯片承载件和散热层的散热件之间的距离为30μm的情况，通过实验验证芯片承载件和散热层的散热件之间的距离为10-70μm，均能够将导热层的厚度控制在较小的范围之内，从而具有毛细力，使得液态金属不会外泄。

实施例4

如图8所示，与实施例3的区别仅在于导热层的外周缘设置有导热密封层7，导热密封层7与散热层12中的散热支撑件间隔设置。

本实施例在实施例3的基础上在导热层的外周缘设置导热密封层，能够进一步保证液态金属不会外泄。

实施例5

与实施例1的区别仅在于，如图9所示，散热层12的组成包括散热片121、设置在散热片121外周缘的散热支撑件122，以及设置在散热片121远离导热层一侧表面的齿状结构123。

本实施例在实施例1的基础上，在散热片远离导热层一侧的表面设置有齿状结构，便于热量的快速散发，从而增加半导体封装件的使用寿命。

本实施方式提供的半导体封装件可用于电子元件。

申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (12)

1.一种半导体封装件，其特征在于，所述半导体封装件包括散热系统(1)，所述散热系统(1)包括连接在一起的导热层(11)和散热层(12)，所述导热层(11)为液态金属层；

所述散热层(12)包括散热片(121)和设置在散热片(121)外周缘的散热支撑件(122)；所述散热片(121)和散热支撑件(122)为一体成型或可拆卸连接；

所述半导体封装件还包括芯片(2)和芯片承载件(3)，所述芯片(2)包括第一面和第二面，所述芯片(2)的第一面和散热系统(1)中的导热层(11)相连，所述芯片(2)的第二面和芯片承载件(3)接置并电性相连。

2.根据权利要求1所述的半导体封装件，其特征在于，所述散热层(12)还包括齿状结构(123)，所述齿状结构(123)设置在散热片(121)远离所述导热层(11)一侧的表面。

3.根据权利要求1所述的半导体封装件，其特征在于，所述芯片(2)的第二面的表面间隔设置有至少两个导电凸块(21)，所述导电凸块(21)的凸面接置并电性连接芯片承载件(3)。

4.根据权利要求3所述的半导体封装件，其特征在于，所述半导体封装件还包括底部填充层(4)，所述底部填充层(4)环设在导电凸块(21)的外周缘，且用于填充任两个导电凸块(21)间的间隙。

5.根据权利要求1所述的半导体封装件，其特征在于，所述芯片承载件(3)与散热层(12)中的散热支撑件(122)通过胶层(5)相连。

6.根据权利要求1所述的半导体封装件，其特征在于，所述半导体封装件还包括密封层(6)，所述密封层(6)环设在芯片(2)和导热层(11)的外周缘，且与散热层(12)中的散热支撑件(122)间隔设置。

7.根据权利要求6所述的半导体封装件，其特征在于，所述密封层(6)包括第一端和第二端，所述第一端与所述散热层(12)相连，所述第二端与所述芯片承载件(3)相连。

8.根据权利要求7所述的半导体封装件，其特征在于，所述导热层(11)包括与芯片(2)相对的液态金属相对区(111)和与芯片(2)不相对的液态金属不相对区(112)，所述散热层(12)与导热层(11)相接触的一侧表面设置有至少一个空隙(13)，所述空隙(13)位于液态金属不相对区(112)的正上方，用于承接导热层(11)受热膨胀的部分。

9.根据权利要求6所述的半导体封装件，其特征在于，所述密封层(6)包括第一端和第二端，所述第一端与所述散热层(12)之间的最短距离为0-5微米，所述第二端与所述芯片承载件(3)相连；

所述密封层(6)为凸弧结构，所述凸弧结构凸向导热层(11)一侧，所述凸弧结构的切线与散热片(121)形成的夹角为5-25°。

10.根据权利要求1所述的半导体封装件，其特征在于，所述芯片(2)与所述散热层(12)之间的距离为10-70μm，所述导热层(11)的形状为椭球体形状。

11.根据权利要求10所述的半导体封装件，其特征在于，所述导热层(11)的外周缘设置有导热密封层(7)，所述导热密封层(7)与散热层(12)中的散热支撑件(122)间隔设置。

12.一种电子元件，其特征在于，所述电子元件包括权利要求1-11任一项所述的半导体封装件。

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