TW200910539A - Heat radiation package and semiconductor device - Google Patents

Description

200910539 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域3 發明背景 1. 發明領域 5 本發明係有關於一熱輻射封裝體及一半導體裝置，且 特別是有關於一其中安裝有一產生熱之發光元件等的熱輻 射封裝體及一使用該熱輻射封裝體之半導體裝置。 【先前技術3 2. 相關技術之說明 10 在先前技術中，已有用以安裝產生熱之發光元件的熱 輻射封裝體。對於有關這種熱輻射封裝體之技術，在專利 文獻1(曰本專利申請案（公開）2005-116990)中揭露LED元件 安裝在一金屬底座部上，而一作為一反射鏡及/或輻射本體 之金屬反射鏡則透過一副安裝件結合在該金屬底座部上， 15 藉此，來自該LED元件之熱被引導至該金屬底座部與該金 屬反射鏡，且由該處輻射出來。 此外，在專利文獻2(曰本專利申請案（公 開）2004-207367)中揭露一發光元件安裝在一電路圖案上， 且該電路圖案透過多數金凸塊設置在一陶瓷基板上，並且 20 一輻射板亦設置在該陶瓷基板上，藉此一來自該發光元件 之熱透過該等金凸塊與該陶瓷基板而由該輻射板輻射至外 部° 但是，當該半導體元件(例如，LED)之熱輻射為高時， 在熱由該熱輻射部份輻射至外部並使用該陶瓷基板作為一 5 200910539 熱擴散路徑之系統中，如專利文獻2中所述，於許多情形 下，由一絕緣基板之熱擴散無法充分配合熱產生量。因此， 存在有無法充分獲得整體封裝體之熱輻射效能的問題。 【發明内容3 5 發明概要 本發明之一目的是提供一種即使當安裝有其熱產生為 高之半導體元件時，亦可以獲得足夠熱輻射效能之熱輻射 封裝體，及一使用該熱輻射封裝體之半導體裝置。 本發明係有關於一種熱輻射封裝體，其包括：一基板， 10 其一上表面側中設有一凹部；埋置配線部份，係填充在該 基板之凹部中，且產生熱之半導體元件安裝於該埋置配線 部份上；及一散熱器，係連接於該基板之一下表面側。 在本發明之熱輕射封裝體中，其上安裝有產生熱之半 導體元件（發光元件等）的配線基板係藉由將該厚埋置配線 15 部份填充在該基板之凹部中來構成。該埋置配線部份係由 一如銅等金屬製成，且其導熱率為高(400W/mK)。 藉此，當由該配線基板之厚度方向看去時，該配線基 板係構成為使該上方主要部份由其導熱率為高之埋置配線 部份形成，且該基板仍在該埋置配線部份下方作為支持 20 板。此外，該基板插入該等埋置配線部份之間。 在本發明中，該埋置配線部份不僅用來作為安裝該半 導體元件之配線層，並且亦作為用以將熱平順地擴散至該 散熱器中之熱擴散部份。因此，相較於該配線層形成在整 個板狀絕緣基板上的情形，整個配線部份之熱傳導可以明 200910539 顯地改善。 因此，即使當安裝有其產生熱為高之發光元件時，熱 亦可由該埋置配線部份經由該基板平順地擴散至該散熱器 中，且接著熱由該散熱器發散至外部。因此，產生熱之半 5 導體元件可以被冷卻且保持在一預定溫度，並可避免因熱 導致該半導體元件之失效或熱破壞。 較佳地，當需要微細埋置配線部份時，應使用矽基板 作為該基板。另外，亦可使用氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷、 或一絕緣樹脂作為該基板。 10 此外，在本發明之較佳形態中，為了平順地擴散熱， 該等埋置配線部份之一面積係設定為大於(例如，大約2倍) 欲安裝之半導體元件的面積。 如前所述，在本發明中，即使當安裝有其熱產生為高 之半導體元件，亦可得到足夠之熱輻射效能。 15 圖式簡單說明 第1圖是一截面圖，顯示在相關技術中一製造一熱輻射 封裝體之方法； 第2圖是一截面圖，顯示本發明實施例之一半導體裝置 (熱輻射封裝體）； 20 第3圖是當俯視時，第2圖中之半導體裝置的平面圖； 第4圖是一截面圖，顯示本發明實施例之一變化例的半 導體裝置（熱輻射封裝體）；及 第5A至5H圖是截面圖，顯示一製造本發明實施例之熱 輻射封裝體之配線基板的方法。 7 200910539 【liif ^5» ^ 較佳實施例之詳細說明 以下將參照附圖說明本發明之實施例。 在說明本發明之熱輻射封裝體之前，先在以下說明在 5相關技術中之熱輻射封裝體的問題。第1圖是一截面圖’顯 示在相關技術中一製造一熱輕射封裝體之方法。 如第1圖所示，在相關技術中之一熱輻射封裝體3中， 一配線層120設置在一絕緣基板1〇〇上。該絕緣基板1〇〇係由 一絕緣樹脂、氧化鋁陶瓷、或氮化鋁陶瓷形成。發光元件 10 200(LED等）之凸塊220係安裝成可連接於配線層120上，且 該配線層120設置在該絕緣基板1〇〇上。一具有多數翼片420 之散熱器400透過一熱傳導片3〇〇設置在該絕緣基板100下 方’且該散熱器400係由銅或紹形成。 在相關技術中之熱輻射封裝體3中，當使用該絕緣基板 I5 1〇〇作為熱擴散路徑時，一由該發光元件200所產生之熱被 傳送至該散熱器400，且發散至外部。 在此，互相比較在相關技術中之熱輻射封裝體3之絕緣 基板100之間的導熱率。當該絕緣基板1〇〇是由一絕緣樹脂 形成時，其導熱率是lW/mK。此外，當該絕緣基板100是由 20 氧化鋁陶瓷形成時，其導熱率是數十（10到30)W/mK。或 者，當該絕緣基板100是由氮化鋁陶瓷形成時，其導熱率是 170W/mK。 相反地，當該散熱器400係由一銅形成時，有鑒於其導 熱率是400W/mK的事實，該絕緣基板1〇〇之導熱率甚優於該 200910539 散熱器400。 因此，由該發光元件200所產生之熱未充分地擴散’且 因此熱未平順地傳送至該散熱器400側。依此方式，在相關 技術中之熱輻射封裝體3中，其導熱率低於金屬之絕緣基板 5 100設置在該封裝體中之擴散路徑中。因此，特別是在安裝 其熱輻射為高之led等中，存在有因受到該絕緣基板100之 影響而無法得到足夠熱輻射效能的問題。 以下說明之本發明的熱輻射封裝體可解決這個問題， 且以下將說明該實施例之熱輻射封裝體。 10 第2圖是一截面圖，顯示本發明實施例之一熱輻射封裝 體。第3圖是當俯視時，第2圖中之熱輻射封裝體的平面圖。 如第2圖所示’在此實施例之一熱輻射封裝體1中，多數凹 部C(局部整平）設置在一矽基板1〇之上表面側。 一由一氧化矽層製成之絕緣層12形成在該矽基板1〇之 15 上表面上’且包含該等凹部C之内表面。一由一銅等製成之 埋置配線部份14分別填充在該等凹部c中，且該等埋置配線 部份14及該矽基板10與該絕緣層12電絕緣。一配線基板5係 由該石夕基板10及該等埋置配線部份14構成。 在第2圖之例子中，第一、第二、及第三埋置配線部份 20 Ma、14b、1如分別被填充在設置於該矽基板10上之三個凹 部c中。此外，該等埋置配線部份14之上表面可以由在該矽 基板10上之絕緣層12的上表面突出，如第2圖中之例子所 不’或者該等埋置配線部份14之上表面可以被平坦化而具 有相同高度（共平面表面），作為在該矽基板1〇上之絕緣層Ο 200910539 的上表面。 該矽基板10之厚度係設定為2〇〇至700μηι，且該埋置配 線邛伤14之厚度係設定為5〇至3〇〇μηι。在該;5夕基板1〇中之 凹部c的深度係在考慮該埋置配線部份14之厚度的情形下 5決定，且係設定為等於或小於該埋置配線部份14之厚度。 如賴後所述，該等埋置配線部份14與該石夕基板1 〇向下 地構成該等熱擴散路徑。該埋置配線部份14(若為銅時)之導 熱率是40〇W/mK，且該矽基板10之導熱率是低於該埋置配 線部份14之導熱率的i40W/mK。因此，為了使熱朝下側平 10順地擴散，該埋置配線部份14之厚度必須設定為比下方之 矽基板10的厚度更厚。 此外，其導熱率藉分散銀(Ag)填充物等來提高之一熱 傳導片16係設置在該矽基板10之下表面上。一由銅、鋁等 臬成之政熱器30(輻射部份)設置在該熱傳導片16下方，且該 I5散熱器30係由一基體部份30a及多數由該基體部份施向下 突出之翼片30b。 該散熱器30係言史置成具有大於該石夕基板1〇之面積且 設有一由該矽基板10之周緣向外延伸至外部之突出部份 P。該散熱器30利用該等翼片遍來增加其表面積，並藉此 2〇 提高由空氣流所產生之冷卻效果。 該散熱器3〇可以透過熱傳導片1δ直接散合於該石夕基板 10之下表面上’如第2圖中之例子所示。或者，—具有高導 熱率之溥膜片狀熱管可由該石夕基板1 〇延伸至外部，且接著 該散熱器30可嵌合至其端部上。 200910539 依此方式，此實施例之熱輻射封裴體丨基本上是由該配 線基板5、設置在該石夕基板1〇下方之熱傳導片16、及設置在 該熱傳導片16下方之散熱器3〇構成，且該配線基板5包含該 矽基板10及填充在該等凹部c中之埋置配線部份14。 此外，一第一發光元件2〇及一第二發光元件22之如金 凸塊等各個連接端子2〇a、22a係安裝成可分別與該等埋置 配線部份14連接。或者，該等第—與第二發光元件2〇、22 可以連接於设置在該等埋置配線部份14上之連接端子 20a、22a。 10 15 各第一與第二發光元件20、22具有一正(+)電極及一負 ㈠電極’且該帛—發光元件版正(+)電極連接於與一外部 電路之正（+)電極連接的第—埋置配線縣Ma，並且其㈠ 電極連接於該第二埋置配線部份咐。又，該第二發光元件 22之負㈠電極連接於與一外部電路之負㈠電極連接的第三 埋置配線部份14e，且其正(+)電極連接於該第二埋置配線部 份 14b。 20 光 此方式，該第—發光元件2G妓第二發光元件22串 ，連接讀安裝。此外，該等第—與第二發光元件2〇、 光係女裝成使它們的發光部份L朝向上侧，因此可朝上側發 體1之埋置配線 如=述’此實施例之—半導體裝置2係藉將該等第 、第-發光元件2G、22安裝在該細射 部份14上而構成。 " 在此實施例之半導體裝置2中，其厚度為厚且其體積為 11 200910539 之埋置配線部份14形成為可被填充在财基板10之凹部 c中’作為連接該等第—與第二發光元件2Q、η之配線(電 極）’且該等埋置配線部份14係由其導熱率為高(4〇雨购 之銅形成。 P °亥配線基板5係構成為當於厚度方向上觀看時，該 方主要部伤係由其導熱率為高之埋置配線部份14形成， h夕基板10仍位在該等埋置配線部份14下方作為支持 板：此外，因為該等凹部C設置在該碎基板1Q中，該石夕基板 10设置於該等埋置配線部份14之間。 10 又，㈣再參閱第3圖（平面圖），該等第一至第三埋置配 Ί P岛14a至14c分別被設置成近似於一四方形且它們的 〜面積δ又疋成大於該等第一與第二發光元件2〇、22之總面 積（例如，兩倍至五倍）。 依此方式，在此實施例中，該等埋置配線部份14不僅 用來作為安裝該等發光元件20、22之配線（電極），而且亦作 為使熱平順地擴散入該散熱器30之熱擴散部份。 該矽基板10之導熱率（140低於該等埋置配線部份14之 導熱率（400W/mK)，但是具有一最低之最小厚度而可作為 支持板的珍基板10可以定位成藉提供該等凹部c而仍位於 20該等埋置配線部份14與該散熱器30之間。因此，相較於在 相關技術中該配線層120形成於整個板狀配線層120上的情 形，可以大幅改善該配線基板5(該矽基板1〇與該等埋置配 線部份14)之熱傳導。 在依此方式構成之熱輻射封裝體1中，首先，由該等第 12 200910539 一與第二發光元件20、22(金凸塊)所產生之熱透過該等連接 端子20a、22a擴散進入該等埋置配線部份14。此時，該等 埋置配線部份14係由其導熱率為高之銅等製成，且其厚度 為厚，並且其面積(體積）為大。如此，由該等第一與第二發 5 光元件20、22所產生之熱擴散進入該等埋置配線部份14。 接著，一傳送通過該等配線部份14之熱擴散進入該矽基板 10 ° 在此情形下，因為該矽基板10存在該等埋置配線部份 14之間，所以通過該等埋置配線部份14之熱將不僅朝該埋 10 置配線部份14之下部方向擴散進入該矽基板1〇，而且亦朝 該埋置配線部份14之側邊方向擴散進入該矽基板1〇，因 此，熱可有效地擴散。該石夕基板10在該等凹部C之底部區域 中之實質厚度會因設置該等凹部C而大幅減少，因此，熱平 順地擴散進入該熱傳導片16側且沒有熱停滯。接著，擴散 15 通過該熱傳導片16之熱擴散進入該散熱器30且由此發散至 外部。 在此實施例之半導體裝置2中，作為其導熱率為高之熱 擴散部份的埋置配線部份14係設置在該等發光元件下方， 因此，即使當安裝有其熱輻射為高之如LED等發光元件 20 時，該等第一與第二發光元件20、22可以被充分地冷卻。 因此，可以避免由於產生熱所造成之失效與熱破壞，且可 因此改善可靠性。 在此情形下，亦可藉在該散熱器30下方提供一電風扇 強迫空氣冷卻來更進一步改善冷卻能力。 13 200910539 此實施例之變化例之一半導體裝置2a顯示在第4圖 中，且在此變化例之半導體裝置2&之熱輻射封裝體13中， 使用一絕緣基板10a來取代該矽基板1〇，且多數凹部c設置 在其上表面側。又，類似之埋置配線部份丨4填充在該絕緣 5 基板10a之凹部C中。 該絕緣基板10a之材料可使用氮化鋁陶瓷（導熱率： 170W/mK)、氧化銘陶兗（導熱率：數十W/mK)、絕緣樹脂（導 熱率：lW/mK)等。當安裝有可輕易產生熱之半導體元件 時，最好應使用具有一高導熱率之氮化鋁陶瓷作為該絕緣 10基板。當使用該絕緣基板1(^時，可省略在第2圖中之上 方絕緣層12。其他元件類似於在第2圖中之半導體裝置2的 元件，且因此藉由對它們附上相同之符號來省略它們的說 明。 此變化例之半導體裝置2a可達成與在第2圖中之半導 15 體裝置2類似之好處。 在此，在此實施例中，所顯示之該等發光元件(LED等） 作為產生熱之半導體元件。但此實施例之熱輕射封裝體可 被有效地用來作為用於各種產生熱之如CPU裝置等半導體 元件(LSI晶片）的熱輻射封裝體。 20 以下將說明一製造第2圖中之熱輻射封裝體1之前述配 線基板5的方法，如第5A圖所示，首先，製備其厚度大約為 700μηι之晶圓狀矽基板10，接著，將一如一抗蝕層等其中 設有多數開口部份llx之遮罩層11形成在該矽基板1〇上。該 遮罩層11之開口部份llx係配置成對應該上述矽基板】〇之 14 200910539 凹部c。 接著’經由該遮罩層11之開口部份11χ對該石夕基板1〇進 行乾蝕刻。如此，該矽基板10被蝕刻至其一半厚度，然後， 移除該遮罩層11。 5 、緣是’如第_所示，多數凹部C形成在财基板10 中〇 接著’如第5C圖所示，藉熱氧化該矽基板1〇，在含有 該等凹部c之内表面的上表面及該石夕基板1〇之下表面上形 成氧化矽層。如此，可獲得該絕緣層12。在此氧化矽層可 10藉CVD法形成在該上表面側或該絲板1()之兩表面側上作 為該絕緣層12。 然後，如第5D圖所示，利用濺鍍法將由銅等製成之晶 種層14a形成在含有該等凹部C内表面之矽基板的上表面側 上。接著，如第5E圖所示，將一抗電鍍層13形成在該晶種 15層14&上，且在該抗電鍍層13中，多數開口部份l3x設置在 對應於該矽基板10之凹部C的部份中。 接著，如第5F圖所示，利用該晶種層14a作為一電鍍電 力供給路徑對該矽基板10進行電鍍。如此，由銅等製成之 金屬電鑛層14b形成在該抗電鑛層13之開口部份ΐ3χ中。該 20等金屬電鍍層14b形成，並由該抗電鍍層13之上表面突出。 接著，如第5G圖所示，利用CMP拋光該等金屬電鍍層14b 及該抗電鍍·層13 ’使該上表面側平面化，且亦將該等金屬 電鍍層14b之高度調整至一預定高度。 接著，如第5H圖所示，移除該抗電鍍層13。然後，利 15 200910539 用該等埋置配線部份14作為一遮罩來蝕刻該晶種層14a。如 此’可得到各包含該晶種層14a與該金屬電鍍層14b之該等 埋置配線部份14。接著，以研磨機研磨該石夕基板1 〇之背面 側’使得該矽基板10之厚度被調整至一預定厚度。然後， 藉切割分隔該石夕基板10以得到多數獨立之配線基板5。接 著，透過該熱傳導片16,將該散熱器30安裝在該配線基板5 之下表面上。 由於可利用晶圓製程(微影成像與乾钱刻等）使該石夕基 板10微細圖案化，所以可以相對於使用該等陶瓷或該絕緣 10樹脂作為基板之情形，達成該等埋置配線部份14之迷你 化。因此，不僅可以形成第2圖所示之墊狀埋置配線部份 ’而且_等埋置配線部份14亦可以_窄間隙形成微細配 線。因此，此實施例之封裝體可用來作為高效能半導體裝 置用之安裝基板（熱輻射封裳體）。 15 I：圖式簡單說明】 第1圖是-截面圖’顯示在相關技術中—製造一熱轄射 封裝體之方法； 第2圖是-載面圖’顯示本發明實施例之—半導體裝置 (熱輻射封裝體）； 2〇 第3圖是當俯視時，第2圖中之半導體裂置的平面圖； 第4圖是-載面圖，顯示本發明實施例之一變化例的半 導體裝置（熱輻射封裝體）；及 第5A至5H圖是截面圖，顯示一製造本發明實施例之熱 輻射封裝體之配線基板的方法。 16

200910539 【主要元件符號說明】 I, 1 a...熱輕射封裝體 2,2a...半導體裝置 3.. .熱輻射封裝體 5…配線勒反 10.. .矽基板 10a.…絕緣基^反 II. ..遮罩層 1 lx..·開口部份 12…絕緣層 13·.·抗電鍍層 13x...開口部份 14...埋置配線部份 14a...第一埋置配線部份；晶種層 14b...第二埋置配線部份；金屬電 鑛層 14c···第三埋置配線部份 16…熱傳導片 20.. .第一發光元件 20a,22a...連接端子 22.. .第二發光元件 30.. .散熱器 30a...基體部份 30b...翼片 100…絕緣施 120…配線層 200…發光元件 220.. .凸塊 300…熱傳導片 400.. .散熱器 420.. .翼片 C...凹部 L…發光部份 P...突出部份 17

Claims (1)

1. 200910539 十、申請專利範圍： 1. 一種熱輻射封裝體，包含有： 一基板，其一上表面側中設有一凹部； 埋置配線部份，係填充在該基板之凹部中，且產生 5 熱之半導體元件安裝於該埋置配線部份上；及 一散熱器，係連接於該基板之一下表面側。 2. 如申請專利範圍第1項之熱輻射封裝體，其中該基板是 一矽基板，且一絕緣層形成在該凹部之内表面上。 3. 如申請專利範圍第1項之熱輻射封裝體，其中該基板係 10 由氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷、或一絕緣樹脂製成。 4. 如申請專利範圍第1項之熱輻射封裝體，其中該等埋置 配線部份之厚度為50至300μηι。 5. 如申請專利範圍第1項之熱輻射封裝體，其中該埋置配 線部份之面積係設定為大於所安裝之半導體元件的面 15 積。 6. 如申請專利範圍第1項之熱輻射封裝體，其中該埋置配 線部份之厚度係設定為大於下方基板之厚度。 7. 如申請專利範圍第1項之熱輻射封裝體，其中該散熱器 係透過一熱傳導片直接嵌合於該基板之一下表面上。 20 8. —種半導體裝置，包含有： 申請專利範圍第1至8項中任一項之熱輻射封裝 體；及 安裝成可與該埋置配線部份連接之半導體元件。 9.如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中該半導體元 18 200910539 件是一發光元件，且該發光元件係安裝成使其發光部份 朝上。