TW201304624A

TW201304624A - 基板結構、半導體裝置陣列及其半導體裝置

Info

Publication number: TW201304624A
Application number: TW100137755A
Authority: TW
Inventors: 林貞秀
Original assignee: 旭麗電子（廣州）有限公司; 光寶科技股份有限公司
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2013-01-16
Also published as: CN102881804B; US20130015565A1; TWI430717B; CN102881804A; US8937375B2

Abstract

一種基板結構，其係為複合材料與金屬所積層壓合，該基板結構具有彼此相對之一第一表面與一第二表面，該第一表面成型有多個承載部，該第二表面成型有多個電連接部，該基板結構包含以下所述之多種熱應力釋放結構的至少其中之一：一第一熱應力釋放結構，為該基板結構在不同軸向具有實質相同的長度；一第二熱應力釋放結構，為多個設置在該基板結構之各自獨立的對位記號；一第三熱應力釋放結構，為多個橋接線的寬度小於該些電連接部之寬度；一第四熱應力釋放結構，為單一成型軸向之該些橋接線；一第五熱應力釋放結構，其為至少一個設置在該基板結構上之淨空區，該淨空區係沿著該基板結構的一軸向延伸成型，該淨空區上不具有承載部或電連接部。

Description

基板結構、半導體裝置陣列及其半導體裝置

本發明係有關於一種基板結構、半導體裝置陣列及其半導體裝置，尤指一種經過高溫製程後仍可保持平整之基板結構、半導體裝置陣列及其半導體裝置。

電子元件在運作時所消耗的電能，除了實際工作外，大部分轉化成熱量，而電子元件產生的熱量會使內部溫度上升，因此必須提高散熱的效率，以避免電子元件可靠度的下降。以發光二極體為例，經由不斷的研發改善，使發光二極體具有較高的電功率及更強之工作電流，以期能生產出具有高亮度的發光二極體。但由於在提高其電功率及工作電流之下，發光二極體將會相對產生較多的熱量，使得其易於因過熱而影響其性能之表現，甚至造成發光二極體的失效。

為了提高散熱的效率，散熱基板的發展亦逐漸受到重視，一般來說，發光二極體晶片可黏貼在供散熱之金屬塊(slug)上，藉由金屬塊之高熱傳導特性，發光二極體晶片之熱量向外部傳導。然，金屬塊係與絕緣樹脂材料進行壓合，以組成用於承載發光二極體晶片的基板，而金屬與複合材料之間均具有熱物理特性之差異，如因金屬與絕緣樹脂材料之間的熱膨脹係數差異大而造成熱膨脹係數不匹配(CTE mis-match)的問題，故在經過高溫製程後，如迴焊製程因熱膨脹比例不同而產生熱應力，導致基板的變形。

本發明之目的之一在於提供一種基板結構，本發明所製作之基板結構可利用其上的多種熱應力釋放結構來釋放基板結構經過高溫後因熱應力所造成的翹曲現象，進而提高基板結構所製作之半導體裝置的可靠度。

本發明實施例係提供一種基板結構，其係為複合材料與金屬所積層壓合，該基板結構具有一彼此相對之一第一表面與一第二表面，該第一表面成型有多個承載部，該第二表面成型有多個電連接部，該基板結構包含以下所述之多種熱應力釋放結構的至少其中之一：一第一熱應力釋放結構，為該基板結構在不同軸向具有實質相同的長度；一第二熱應力釋放結構，為多個設置在該基板結構之各自獨立的對位記號；一第三熱應力釋放結構，為多個橋接線的寬度小於該些電連接部之寬度；一第四熱應力釋放結構，為單一成型軸向之該些橋接線；一第五熱應力釋放結構，其為至少一個設置在該基板結構上之淨空區，該淨空區係沿著該基板結構的一軸向延伸成型，該淨空區上不具有承載部或電連接部。

本發明實施例係提供一種半導體裝置陣列，其包括：一種基板結構，其係為複合材料與金屬所積層壓合，該基板結構具有彼此相對之一第一表面與一第二表面，該第一表面成型有多個承載部，該第二表面成型有多個電連接部，該些承載部與該些電連接部係相互對應而形成多個基板單元，該基板結構包含以下所述之多種熱應力釋放結構的至少其中之一：一第一熱應力釋放結構，為該基板結構在不同軸向具有實質相同的長度；一第二熱應力釋放結構，為多個設置在該基板結構上之各自獨立的對位記號；一第三熱應力釋放結構，為多個橋接線，其中該些橋接線的寬度小於該些電連接部之寬度；一第四熱應力釋放結構，為單一成型軸向之該些橋接線；一第五熱應力釋放結構，其為至少一個設置在該基板結構上之淨空區，該淨空區係沿著該基板結構的一個軸向延伸成型，該淨空區上不具有承載部或電連接部；多個半導體元件，分別電連接於每一該基板單元之該承載部；以及多個封裝體，分別包覆其所對應之該半導體元件。

本發明實施例係提供一種半導體裝置，其係由前述之半導體裝置陣列所切割成型者。

本發明具有以下有益的效果：本發明係提出一種基板結構，其上具有至少一種熱應力釋放結構，以改善基板經過高溫製程後因基板中之各種材質的熱物理特性不同所導致的基板翹曲問題。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

本發明係提供一種可設置半導體元件(例如發光二極體，LED)之基板結構，尤其是針對由複合材料與金屬所積層壓合之基板(如：印刷電路板，PCB)，複合材料多屬高分子材料(譬如：玻璃纖維)而屬於異向性材料，故在不同軸向有不同的特性，如表一所示之熱膨脹係數(CTE)；再者，基板結構中的金屬(例如銅)與複合材料之間均具有熱物理特性之差異，如因金屬與複合材料之熱膨脹係數差異很大而造成熱膨脹係數不匹配(CTE mis-match)的問題，故在經過高溫製程後因膨脹比例不同而產生熱應力，導致基板的變形。而就熱應力來分析，熱膨脹係數、彈性係數(elastic modulus，E)、封裝材之玻璃轉移溫度(Tg)均是影響熱應力的因子，故由表一之材料特性，本發明所提出之基板結構可針對基板中因不同材料的熱應力加以釋放，使基板呈現較為平整之態樣。

請參考圖1A、圖1B，圖1A顯示本發明所提出之基板結構的俯視圖，圖1B顯示本發明所提出之基板結構的仰視圖，本發明所提出之基板結構可克服前述因熱物理特性不同所導致的基板翹曲問題，以使基板結構呈現平整的態樣，值得說明的是，圖1A、圖1B繪製出多種熱應力釋放結構，而本發明可以選擇性的應用圖1A、圖1B所示的多種熱應力釋放結構的至少其中之一，亦即以選擇性的方式將下述各種熱應力釋放結構做一組合、搭配以達到改善基板翹曲之目的。其中，該基板結構具有彼此相對之一第一表面10A與一第二表面10B。如圖1A所示，該第一表面10A成型有多個承載部12。如圖1B所示，該第二表面10B成型有多個電連接部13。承載部12與電連接部13的線路佈局係相互對應而在該基板結構上構成多個基板單元S。如圖2所示，在單一基板單元S中，基板結構具有一芯層11(或稱絕緣層)、在芯層11的上表面(即圖1A所述之第一表面10A)成型有承載部12及在芯層11的下表面(即圖1B前述之第二表面10B)成型為電連接部13，更具體的說，芯層11可為玻璃纖維布含浸於樹脂膠液中所固化形成的複合材料之膠片，承載部12和電連接部13均可為與芯層11壓合疊層的金屬，如銅層所製作之線路，且承載部12和電連接部13分別裸露於芯層11的上、下表面，以提供電性連接之功能，另外，在本具體實施例中，基板結構中更具有一散熱塊(slug)18，其係將金屬塊壓合內嵌於芯層11中而使承載部12與電連接部13電性連結，而所述的承載部12、電連接部13與散熱塊18亦可利用同一金屬以一體成型的方式製作；另外，如圖2所示，芯層11的上表面(即前述之第一表面10A)上更成型有阻焊層(又稱防焊層，solder mask)19，其可用於保護基板結構中的線路，以防止線路與空氣接觸造成氧化的問題，而圖2中阻焊層19所露出的承載部12即為與如下文所述之半導體元件D之元件進行焊接或打線連接的金屬區，再者，阻焊層19與承載部12會實質地齊平，以利後續製程的進行。

前述基板結構上的各個基板單元S可以分別進行半導體元件D(如LED)的固晶打線製程，再以封裝膠材，如樹脂包覆於半導體元件D以形成封裝體P，以構成半導體裝置陣列，再將所述之陣列經過切割而形成單一的半導體裝置或半導體產品(如圖3A、圖3B所示)，例如將半導體元件D設於承載部12之第一極性功能區12A上，同時以導線(圖未示)將半導體元件D電連接於承載部12之第二極性功能區12B，而電連接部13和橋接線15則可用於連接於系統基板等電路。

以下將詳細說明本發明之基板結構針對基板翹曲問題所進行的多種熱應力釋放結構之佈局設計：

復參考圖1A，本發明之第一熱應力釋放結構係將基板結構切割成近似為對稱，使其在不同軸向(X軸、Y軸)中具有實質相同的長度，如近似正方形的單元，例如46mm×50mm、42mm×42mm或50.8mm×50.8mm等等，而經過4小時150℃的烘烤後，相對於先前技術，基板結構的翹曲程度已大幅降低。近似正方形的結構在於將基板結構在X-Y之直角座標軸中設計為近似長度(即相鄰兩邊長度近似)，故當熱應力產生時，應力可同時在兩軸向中產生，由於兩軸向之應力近似，故使基板結構較難在某一特定軸向中產生彎折，藉以保持基板結構經過高溫後之平整性。

再者，請同時配合圖1A、圖4，本發明之第二熱應力釋放結構係在基板結構上設有多個各自獨立的對位記號14。為了製程上的對位，例如切割、固晶、打線等，在基板結構的第一、第二表面10A、10B(即芯層11的上、下表面)的周緣設有框狀排列之對位記號14，而在習知技術中，傳統對位記號係為一連續性之框狀結構，故使得傳統對位記號在受熱後的熱應力會沿著連續性的結構而累加，此亦可能造成基板結構彎曲或蹺曲的問題。因此，本發明則將傳統對位記號設計成多個且彼此獨立的對位記號14(即相鄰之對位記號14之間具有間隙G而不相互接觸、互不相連)，換言之，本發明將傳統之連續框狀的對位記號經過蝕刻、切割等將其區分成多個、不互相連續或連接的對位記號14，故可藉由相鄰的對位記號14之間的間隙G進行熱應力之釋放。再者，本發明之對位記號14可利用基板結構上的銅箔所製成。

此外，本發明之第三熱應力釋放結構係在線路佈局上減少線路與線路間的橋接線15的面積。舉例而言，如圖1B、圖5所示，通常在第二表面10B(即芯層11的下表面)之相鄰基板單元S的電連接部13之間為了製程上的電連接所需而設計有橋接線15，而本實施例即在於減少橋接線15的面積。具體而言，本發明將橋接線15的寬度縮小至製程上可實施的最小寬度，縮減橋接線15的面積可具有以下效果：減少第二表面10B之銅材料的量，使基板結構之第一表面10A和第二表面10B所使用的銅量具有匹配性，藉以使第一表面10A和第二表面10B的熱應力可產生相互抵銷的作用，藉以保持基板結構經過高溫後之平整性；此一效果的產生乃是由於承載部12、電連接部13及橋接線15均為銅層所製作之線路，且通常第二表面10B(芯層11的下表面)之用銅量(即電連接部13、對位記號14及橋接線15的用銅總量)會大於第一表面10A(芯層11的上表面)之用銅量(即承載部12及對位記號14的用銅總量)，故本具體實施例利用減少橋接線15的用銅量，以降低第二表面10B之用銅量，即可使第一表面10A和第二表面10B的用銅量達到較佳的一致性，此用銅量的一致性即可使第一表面10A和第二表面10B產生方向相反、數值相近的熱應力，藉以保持基板結構經過高溫後之平整性。

另外，縮減橋接線15的面積可減少切割刀具在後續封裝製程進行切單顆時因銅的延展性所導致之毛邊或是基板結構與封裝膠材剝離的問題，進而可避免水氣入侵而影響信賴性。具體而言，傳統的橋接線的寬度係約略同於電連接部13的寬度，而當半導體元件封裝完成進行切割時，銅材料的延展性可能會導致銅材料之切割邊緣產生毛邊、不平整切面的產生，因而造成基板結構與封裝膠材剝離而使水氣易於入侵的問題。因此，本發明除了將傳統的橋接線15縮小面積以達到基板結構經過高溫後之平整性，更可利用本發明之橋接線15之寬度小於電連接部13之寬度的設計解決前述因傳統的橋接線在切割時所衍生的水氣入侵等元件之可靠度問題。

本發明之第四熱應力釋放結構係在線路佈局上針對橋接線15的數量及其成型軸向進行改良，如圖1B、圖6所示。傳統的橋接線的排列是在基板結構的兩個軸向上(即基板結構之X、Y軸)而以吃錫方向為準，上述的吃錫方向係指對應線路之間的空隙之延伸軸向，而在焊接的過程中，焊料可沿著該軸向進行流動。

首先就橋接線15的數量而言，本發明之第四熱應力釋放結構則僅具有單一成型軸向之橋接線15，故與傳統的橋接線相比較，本案可減少一個成型軸向之橋接線15，以達到減少橋接線15之數量的目的，而第四熱應力釋放結構所達成之減少橋接線15的數量之效果約可同於前述第三熱應力釋放結構之減少橋接線15的面積之效果(值得說明的是，第四熱應力釋放結構中的橋接線15之寬度同樣可為製程上的最小寬度)，這樣可以使第一表面10A和第二表面10B所使用的銅量具有匹配性，藉以使第一表面10A和第二表面10B的熱應力可產生相互抵銷的作用。

再者，為了減少熱應力集中的問題，本發明之每一橋接線15的成型軸向係平行於電連接部13之吃錫方向T2(其平行於基板結構之Y軸)，但不同於承載部12的吃錫方向T1(其平行於基板結構之X軸)。如圖5、圖6所示，電連接部13之第一、第二連接部13A、13B間的空隙之延伸軸向即為吃錫方向T2，其係平行於基板結構之Y軸；同理，如圖1A、圖4所示，承載部12之第一、第二極性功能區12A、12B間的空隙之延伸軸向即為吃錫方向T1，其係平行於基板結構之X軸；故在線路佈局上，電連接部13之吃錫方向T2會垂直於第一表面10A之承載部12的吃錫方向T1，亦即第一、第二連接部13A、13B間的空隙之延伸軸向與第一、第二極性功能區12A、12B間的空隙之延伸軸向是相互垂直。因此，藉由調整橋接線15的成型軸向平行於電連接部13之吃錫方向T2，以及電連接部13之吃錫方向T2垂直於承載部12的吃錫方向T1之線路佈局設計，可使第一表面10A和第二表面10B的熱應力分散在基板結構的X、Y軸，以避免應力集中在單一軸向所造成的基板結構翹曲問題。

本發明之第五熱應力釋放結構係在線路佈局上設置淨空區16，如圖1A、圖7A至7B所示。本發明之淨空區16係沿著該基板結構的一軸向延伸成型且位於第一表面10A不具有承載部12及相對之第二表面10B不具有電連接部13的區域，但為了製程上所需的電連接，淨空區可設有橋接線15。較佳者，為使基板結構之應力平均，淨空區16通常是沿一軸向以橫貫地或縱貫地設置於基板結構的中央位置，並將基板結構區分為兩個大致對稱的部分。

例如在本實施例中，第一淨空區16A係在基板結構之Y軸的一半處沿著X軸以縱貫的方式設置於基板結構的中央位置，而第二淨空區16B則在基板結構之X軸的一半處沿著Y軸以橫貫的方式設置於基板結構的中央位置(如圖7A、圖7B所示)，且第一、第二淨空區16A、16B相互交錯，兩者的交錯點可恰好設置於基板結構的中央(或稱中心)位置，以達基板結構之應力平均，由於第一、第二淨空區16A、16B並無銅材質之線路(或者僅有小面積之橋接線15)，故熱應力即可在淨空區16進行釋放，以減少基板翹曲問題，而如圖7B所示，每一橋接線15的成型軸向等同於該第一、第二連接部13A、13B之間的空隙之延伸軸向且不同於該第一、第二極性功能區12A、12B之間的空隙之延伸軸向。

但在一變化實施例中，基板結構上可設有單一的淨空區16，例如單一的第一淨空區16A，或是單一的第二淨空區16B，如同前所述，因第一淨空區16A是形成在Y軸上而僅存有橋接線15，橋接線15的成型軸向亦可等同於該第一、第二連接部13A、13B之間的空隙之延伸軸向而不同於該第一、第二極性功能區12A、12B之間的空隙之延伸軸向。然而，第二淨空區是形成在X軸上且不具有任何橋接線15或其他銅製線路。

再者，基板結構更可在淨空區16上成型有穿孔17，以進一步提高熱應力釋放的效果。以電鍍製程而言，如圖8A、圖8B所示，由於淨空區16上需設有橋接線15，故僅能在無橋接線15之軸向上的淨空區16成型所述之穿孔17，例如在本具體實施例中，橋接線15設在第一淨空區16A，故穿孔17可開設於第二淨空區16B，穿孔17係開設於沿Y軸成型之第二淨空區16B，而沿X軸成型之第一淨空區16A並無穿孔的結構。

又一方面，以無電解電鍍製程而言，淨空區16上原本無需設置有橋接線，故如圖9所示，基板結構之第一、第二淨空區16A、16B上並無橋接線，且在本實施例中，基板結構之第一、第二淨空區16A、16B上亦無穿孔的結構。而在另一實施例中，同樣為無電解電鍍製程的基板佈局，由於淨空區16上無需設有橋接線，故如圖10所示，第一、第二淨空區16A、16B則均可開設有穿孔17。

依照前述多種熱應力釋放結構所進行基板結構的改良，在實際的量測結果中，以50.8mm×50.8mm的基板結構為例，最大翹曲值均可小於0.8mm，較佳小於0.5mm，根據IPC-TM-650 2.4.22之規範所揭示的翹曲度計算，翹曲度小於1.6%，較佳可小於1.0%，故以目前實施態樣的基板結構進行半導體元件封裝製程可有效提高半導體元件封裝產品的可靠度。

此外，前述實際量測所使用的基板厚度為0.35mm，亦可使用1.3mm至0.9mm厚度的基板結構，另外可選擇性鍍上鎳/金(Ni/Au)(最少為0.3 μm)或鎳/銀(Ni/Ag)(最少為3 μm)，而鍍金(Au)可改善封裝產品之信賴性、鍍銀(Ag)可改善封裝產品之反射率。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。

10A．．．第一表面

10B．．．第二表面

11．．．芯層

12．．．承載部

12A．．．第一極性功能區

12B．．．第二極性功能區

13．．．電連接部

13A．．．第一連接部

13B．．．第二連接部

14．．．對位記號

15．．．橋接線

16．．．淨空區

16A．．．第一淨空區

16B．．．第二淨空區

17．．．穿孔

18．．．散熱塊

19．．．阻焊層

S．．．基板單元

D．．．半導體元件

P．．．封裝體

G．．．間隙

T1、T2．．．吃錫方向

圖1A係顯示本發明的基板結構的俯視立體圖。

圖1B係顯示本發明的基板結構的仰視立體圖。

圖2係顯示本發明的基板單元之剖視圖。

圖3A係顯示本發明的半導體裝置的立體示意圖。

圖3B係顯示本發明的半導體裝置的立體仰視圖。

圖4係顯示圖1A之A部分的放大圖。

圖5係顯示圖1B之B部分的放大圖。

圖6係顯示圖1B之C部分的放大圖。

圖7A係顯示本發明的基板結構的俯視圖。

圖7B係顯示本發明的基板結構的仰視圖。

圖8A係顯示本發明第二實施例的基板結構的俯視圖。

圖8B係顯示本發明第二實施例的基板結構的仰視圖。

圖9係顯示本發明第三實施例的基板結構的仰視圖。

圖10係顯示本發明第四實施例的基板結構的仰視圖。

10A．．．第一表面

12．．．承載部

14．．．對位記號

16．．．淨空區

S．．．基板單元

T1．．．吃錫方向

Claims

一種基板結構，其係為複合材料與金屬所積層壓合，該基板結構具有彼此相對之一第一表面與一第二表面，該第一表面成型有多個承載部，該第二表面成型有多個電連接部，該基板結構包含以下所述之多種熱應力釋放結構的至少其中之一：一第一熱應力釋放結構，為該基板結構在不同軸向具有實質相同的長度；一第二熱應力釋放結構，為多個設置在該基板結構之各自獨立的對位記號；一第三熱應力釋放結構，為多個橋接線的寬度小於該些電連接部之寬度；一第四熱應力釋放結構，為單一成型軸向之該些橋接線；以及一第五熱應力釋放結構，其為至少一個設置在該基板結構上之淨空區，該淨空區係沿著該基板結構的一軸向延伸成型，該淨空區上不具有承載部或電連接部。
如申請專利範圍第1項所述之基板結構，其中在該第二熱應力釋放結構中，所述之對位記號係設置於該第一或第二表面的周緣，且相鄰之該對位記號之間具有間隙而不相連。
如申請專利範圍第1項所述之基板結構，其中該些橋接線係成型在該第二表面且電連接於該些電連接部之間或是電連接於該些電連接部與該些對位記號之間。
如申請專利範圍第3項所述之基板結構，其中每一該電連接部具有第一連接部與第二連接部，每一該承載部具有第一極性功能區與第二極性功能區，每一該些橋接線各自的成型軸向等同於該第一、第二電連接部之間的空隙之延伸軸向且不同於該第一、第二極性功能區之間的空隙之延伸軸向。
如申請專利範圍第4項所述之基板結構，其中每一該些橋接線之各自的成型軸向垂直於該第一、第二極性功能區之間的空隙之軸向。
如申請專利範圍第1項所述之基板結構，其中每一該電連接部具有第一連接部與第二連接部，每一該承載部具有第一極性功能區與第二極性功能區，該第一、第二電連接部之間的空隙之延伸軸向垂直於該第一、第二極性功能區之間的空隙之延伸軸向。
如申請專利範圍第1項所述之基板結構，其中在該第五熱應力釋放結構中，該淨空區為該第一表面不具有該些承載部及該第二表面不具有該些電連接部的區域。
如申請專利範圍第7項所述之基板結構，其中該淨空區包括兩交錯設置之第一、第二淨空區。
如申請專利範圍第8項所述之基板結構，其中該第一或第二淨空區至少具有一穿孔。
如申請專利範圍第7項所述之基板結構，其中該淨空區具有連接於該些電連接部之間或是連接於該些電連接部與該些對位記號之間的該些橋接線，每一該電連接部具有第一連接部與第二連接部，每一該承載部具有第一極性功能區與第二極性功能區，每一該橋接線之成型軸向等同於該第一、第二電連接部之間的空隙之延伸軸向且不同於該第一、第二極性功能區之間的空隙之延伸軸向。
一種半導體裝置陣列，其包括：一基板結構，其係為複合材料與金屬所積層壓合，該基板結構具有彼此相對之一第一表面與一第二表面，該第一表面成型有多個承載部，該第二表面成型有多個電連接部，該些承載部與該些電連接部係相互對應而形成多個基板單元，該基板結構包含以下所述之多種熱應力釋放結構的至少其中之一：一第一熱應力釋放結構，為該基板結構在不同軸向具有實質相同的長度；一第二熱應力釋放結構，為多個設置在該基板結構上之各自獨立的對位記號；一第三熱應力釋放結構，為多個橋接線，其中該些橋接線的寬度小於該些電連接部之寬度；一第四熱應力釋放結構，為單一成型軸向之該些橋接線；一第五熱應力釋放結構，其為至少一個設置在該基板結構上之淨空區，該淨空區係沿著該基板結構的一個軸向延伸成型，該淨空區上不具有承載部或電連接部；多個半導體元件，其係分別電連接於每一該基板單元之該承載部；以及多個封裝體，其係包覆其所對應之該半導體元件。
一種半導體裝置，其係由如申請專利範圍第11項所述之半導體裝置陣列所切割成型者。