TWI273715B - Structures and methods for heat dissipation of semiconductor integrated circuits - Google Patents

Description

-1273715 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本舍月係關於積體電路封裝體的製造，特別係關於一種適用於半導體 積體電路的散熱結構及其製造方法。 【先前技術】 、 補式金氧半(co_ememary metM oxide semiconductor)的技術已公認 為般數位私子產品的領導技術，目前使用在許多電腦產品中。在尺度原 Φ a g她)下’使用於半導體中的互補式金氧半技術的小型化，係可達 成讀的大型積體化(large_scaieintegra㈣與高速化的運作。而高度積體化 的結果，導致積體電路在運作過程中所產生的熱巨幅地增加。為了將上述 令…截出已另不少的封裝方法或結構發表出來，以解決上述問題。 第1圖為-剖面圖，係顯示—習知用於散熱的封裝結構。 第1 j中習知的散熱結構包含一封裝基板100。銲球14〇係形成於封裝 土板00 r日日片110係以覆晶的技術固定於封裝基板1〇〇。銲球107係 結構性且電性地連接晶片11〇與封裝基板励。底谬應係形成於晶片⑽ 與封裝基板應之間。-散熱片(heatsprea㈣12〇覆蓋晶片 ’界面材料例如導熱性的環氧樹脂層115係形成於晶片ιι〇上。一黏著層必 係堂覆於散熱片120上，以便將散熱器(heatsink)13()黏著於散熱片12〇。 積體電路在運作過程中產生於晶片11〇的表面的熱量，首先藉由散熱 ^ , ^^^fi(hotsp〇t)〇 Ϊ可經由導熱性的環氧樹脂層115、散熱片12〇、與黏著層i25，傳遞至散 熱器130。散熱器130具有複數個鰭片，以供足夠大的面積以對流的方式將 熱排至周遭的空氣。 由於封裝基板100、晶H0、導熱性環氧樹脂115、散熱片12〇、黏 著層125、與散熱器130的熱膨脹性質有顯著的不同，在封裝基板励與晶 0503-A30543TWF(5.0) 5 1273715 • ^ 110 115 Π5 .二iitr散熱片120與黏著層125之間、及/或黏著層125絲 使、=之_界面料發生脫華ammatiGn)的現象。上述脫層的發生會 使封衣體失效，而降低封裝製程的良率。因此，封裝體 _地_5來減輕再溫度循環過程中因熱膨脹的差異所造成的應力。-' 體的2_7ίΧ)5δ A1 _揭露—積體電路封裝 =的:f。其碰f路封制包含—雜餘，上麵裝絲財 =¾ A =7路’上述積體電路係電性連接於上述封裝基板的 1 的開口，以將 檟體电路且於其中，而上述開口的邊緣與上述積體電路角 大於開口的邊緣與上述積體電路邊緣的距離。 、 關專解期公職us 2G_侧A1號揭 覆晶封裝體。上述《體包含—基板、U、—散㈣的一 塊、複數個第二凸塊、第一填充材料、盘第二 ^ 數個弟一凸 『刚接點於其表面上。上述晶片係具； 熱片係具有,，而== 絲面係面對上述基板的表面。上述散 述美板並將上、fw 其中上述散熱片的凹部係面對上 这基板並將上述W容納於射。上述第—凸塊係置於上述 于 觸塾與上述基板的導電接點 述第 ^曰曰片的㈣接 並覆蓋填充於上述晶片與上述基底之間， 並覆蓋上侧與增=填充材料峨於増_凹部内， 【發明内容】 本發明係提 有鑑於需要—更好的㈣裝體散熱結構及其形成方法， 0503-A30543TWF(5.0) 6 1273715 供-種散熱結構，包含： •面財至少-f和，均表面與第二麵，上述第-表 ‘面與上述第二表面為相反面.以'及Γ,#接觸墊形成於其上，上述第一表 上述開口的一表面。 ’及一㈣層形成於上述第-表面上 ，覆蓋 本發明係又提供_種散熱結構，包含·一 表面，上述第-表面具有至少—如， j，具有第—表面與第二 :上’上述第一表面與上述第二表面為觸墊形成於 表面上，麟上似扣；—m 1層軸於上述第- 撕⑽，而上述晶片的第二表面係的技術固定於上 (，，位於上物裝基板與上逑晶片之間:“衣基板’·以及-底膠 上述第—表面塊輪的槪^及於 【實施方式】 為了讓本發明之上述和其他目的和 特舉:難實_，並配合__，作詳細說日^;更日—，下文 、斤牛的心例中’開口 (例如孔洞或凹槽)係形成於S片的 :=’_成___如金屬)_ 層^是= =内填U鱗紐·«絲面。上_舰塗㈣ 中’而藉由傳導分散整編的熱量。上述順紐塗覆層亦 觸:空ϋ主動面的表面積’可作為内建的散熱器將熱量藉由對流分餘 結構w娜本侧錄_収封裝 請參考第2A圖，係提供—晶片勘，具有第一表面(非主動表卿 0503-A30543TWF(5.0) 1273715 面㈣主動表面)220,第一表面(非主動表面)210為第二表面(主動表 =㈣相反面。複數個開口 215係形成於第一表面(非主動表面⑽。在 中，開口215為沿第一表面(非主動表面_的長度及/或寬度方 =的，複數個位於上述凹槽之間的脊狀凸麵dge)係提供完整的敎 开他的實施例中’開口215可為複數個孔洞，例如圓柱形或ί 減核的孔洞。複數個導體接難225係形成於第二表面細上

墊225係提供晶片200的線路與固定晶片㈣的封錄板或電路板之間的 錄連接。在某些實施例中’一導體層23〇係形成於第一表面加上，覆 盍開口犯。在本實施例中，導電層230係實質上順應性地位於開口犯二 在形成順應性的導體層挪之後，開口 215(例如凹槽或孔洞)係仍然維持於 ，片2_第一表面(非主動表面)21〇。雖然第2A圖係繪示三個開口犯， 熟悉此技藝者可依其需求改變開口 215的數量。 請參考第2B圖，將銲料凸塊245形成於第二表面(主動表面)22〇的接 觸墊225上。晶片2〇〇係使用銲料凸塊245作為結構性及電性的連結，而 以覆晶的方式固統基板MG。—底膠(underfiU)24G則填充於基板挪與曰 片200的第一表面220之間。 曰曰 、基底25〇可以疋例如一晶片尺寸封裝㈣p 卩砂哪；αρ)的基板、 或是以板上晶片封裝(eMp Gn b⑽d ; CQB)賴程將晶片·目定於其上的 印刷電路板、或是其他適於承載晶片2〇〇的基板。銲料凸塊245較好為錄_ 金材料，但其他材質例如金、鎳_金合金、鍚_錯合金、或其他可甩在接觸塾 225與封裝基板250形成電性連接的金屬。底膠24〇可以是樹脂、或是其他 適用於填充於晶片200與封裝基板200之間，而可以防止銲料凸塊245與 晶片200之間的脫層(delaminati〇n)的材料。在某些實施例中，其未使用散熱 片或散熱器，亦未形成覆蓋晶片2〇〇的第一表面(非主動表面)21〇的^ 體’而使第2B圖的配置為-完整的封裝體。在本實施例中，係提供金屬層 230保護晶片200的第-表面(非主動表面)21〇。並可視需求在不妨礙導體 0503-A30543TWF(5.0) 8 1273715 層230的熱傳表現的情況下，在晶片200的侧壁200s形成一封膠體以增加 對晶片200的保護。 在第2C圖所示本發明之散熱結構中，晶片200係固定於封裝基板25〇 上。在第2C圖中，填滿開口 215所使用的材料可以與順應性的導體層23〇 相同、或是其他具咼度傳導性質的材料。請參考第2c圖，一導熱性介面材 料255係形成於導體層230與被填滿的開口 215上。一散熱片 SPreader)260連接封裝基板250，以覆蓋晶片2〇〇、將熱量導出、並傳導來 自晶片200的第一表面(非主動表面)21〇與封裳基板25〇的熱量。_^熱性 材料亦可以使用於散熱片260的邊緣接觸封錄板25〇之處，以降低熱阻 抗__! resistance)。在第2C圖所示的散熱結構中，順應性的導體層现 與填滿開口 2i5的導體枋料係強化了由晶片2〇〇至散熱片的熱傳辭。 基本上’順應性的導體層230、填滿開口 215的導體材料1熱性介面封料 255、與散熱片260的組合，係成為高效率的組合散熱片，使得晶片上 的湿·度分布更加均勻。 視需求可選擇是否在第2C圖所示的散熱結構加上—外部的散㈣ 2C圖），上嶋11谢_歸流移除晶片 tΙΪΓ _215爾邮__糖娜耐 未在門口 2、ι、Γ^Γ% ’第2C圖所不的散熱結構所能吸收的熱量大於其他 未在開口 2丨5内填充導體材料的結構(例如第2 熱結構得以隨著i定的散熱稱，在_的尖峰、7之下辦^散 隨著-較高的散熱速率，而在較低的尖峰溫=之=作2可以 散熱結構所使轉體轉的比熱愈高，其之 230與散熱片260的材料1 = 5金、鋼、或其他適於黏合導體層 理氣相_、化學^1^=蛛。導熱性介面材_可藉由物 相"_、或是印刷法’形成於導體層230上。考量到 0503-A30543TWF(5.0) 1273715 2有類似導體層230與散熱片26G優良的導熱性f，使用銲材作為導熱性 面材料255可防止脫層的發生。讀過本實施例的敘述之後，熟悉此技藝 者可以瞭解導熱性介面材料255與散熱片為選擇性的元件，可以依需 求決定是否加上導熱性介面材料255與散熱片26〇。 斤第2D圖所不的散熱結構為第％圖之變化例。帛犯圖所示的元件與 第2C圖所示相同者，係以相同的元件符號表示，且不重複敘述。在第2D 圖中’以械導熱性介面材料256的單—步驟來取代以導體材料填滿開口 215和形成導熱性介面材料况的兩個步驟。導熱性介面材料况係填滿開 口 215，並提供順應性的導體層23〇舆散熱片，之間的介面，其可使用以 上所揭露的任何導熱性介面材料。 第2E圖係顯不另一散熱結構，其使用c〇b的製程，基板挪為一印 刷電路板例如為FR-4。-玻璃或應力缓衝層221係形成於晶片勘的第二 表面(主動表面)220上。因為第2e圖所示的散熱結構為c〇B，不一定要以 封膠材料覆姓個晶# 200。可視g要在晶# 不具鍍層的部分形成封膠 讨料(未、.、曰示）^下曝感的導體材料23〇以利熱傳的強化。導體材料a。可 4曰曰片200提供保護，所以不一定要以封膠材料覆蓋晶片的第一表面(非 主動表面)21G。由於導體材料23()赌供—鰭片結構，不需要額外的散献 器。雖然在第2E圖中，係顯示一個晶片200於基板270上，熟悉此技藝; 應，解其可依其f求任意調整以⑽技術固定於基板，上的晶片數量， 或疋其他固定於基板270上的積體電路封裝體、排線drcu㈣、分 離元件(discrete device)、或是其他元件的數量。 第2F圖為一剖面圖，係顯示用以形成緣示於第2A圖的晶片200的基 底結構。奉底施具有第一表面(非主動表面)馳與第二表面(主動表 面)施’第表面(非主動表面)驗為第二表面(主動表面)2施的相反面。 複數個開π 215a飾成鄕—表面(非主動表面)2術。第二表面(主動表 面)22〇a係財複數轉體接觸墊225&，用以構成不同的晶片細定上述晶 0503-A30543TWF(5.0) 10 1273715 封細域_路板之_,_。,_施係形 :弟♦非主動表面)脑上，並覆蓋開口⑽。在某些實施例中， 2 215a的①成诚用—切割工具，係與用來分離上述晶#者為相同的切 。工具然後，切#!|基底2〇〇a，而形成複數個晶片2〇〇。 *基底2_所使㈣基底可以切基底、m_v族元麵化合物基底、玻 兔土 &液阳為②的基底、或是其他與上述齡的基底，其可以為晶圓 ⑽㈣的形式。接觸墊225a的形成，可以是例如於基底綱a的第二表面(主 動表面)22%上沉積—金麟(树示），_以光學郷及磁㈣製程來形 成接觸墊22:>a ’其材質例如為链、銘銅合金、銅、或其他適用於在基底麻 上形成導電層的材料。 開口 215a例如第2A圖所示的開口 2i5，係形成於基底篇的第一表 面(非主動表面)210a，其形成方法可使用例如一光學微影及侧的製程。在 某些實施例中，在形成開口 215a之前，係將基底2〇%研磨至一既定的厚度， 而上述的研程係施加於基底施的第—表面(非主動表面)2跑，上述 的研磨製程要適當，不能將基底施麟太薄，酬基底鳥會在後續的 切製私巾舍生龜裂。_悉此技藝者應當瞭解如何控制基底的厚度。 然後，於基底200a的第一表面(非主動表面)210a形成導體材料23加例如第 2A圖所示的導體材料230，並覆蓋開口 215a。導體材料23〇a可以是鋁、鋁 銅合金、銅、金、鎳_金、或是其他適用於熱傳的材料，其形成可使用無電 鍍(electroless plating)、物理氣相沉積、或化學氣相沉積法。在某些實施例 中’導體材料230a係包含鎳金合金。然後，可藉由例如一雷射切割製程， 將基底200a切割成複數個晶片。在某些實施例中，可直接在晶片2〇〇a形成 開口 215、接觸墊225、與導體層230而形成第2A圖所示的結構，而不需 要在將其形成於晶圓上再加以切割。 第3A〜3C圖為一系列之剖面圖，係顯示本發明散熱結構的形成方法的 另一變形例的流程。 0503-A30543TWF(5.0) 11 1273715 考第3A圖&提供一晶# 3〇〇’具有第一表面(非主動表面)310 與弟一表面(主動表面)32〇，第一表面(非主動表面⑽為第二表面(主動表 面)320的相反面。複數個開口 315複數個係形成於第一表面(非主動表 面)31〇二接觸塾325係形成於第二表面(主動表面)32〇上。一導體層33〇係 形成於第-表面(非絲表面_上，填充鋪朗口 315。在本實施例中， 導體層330係完全填滿開口犯。在功能上，導體層33〇係近似於前述第 2C與2D _示_細醜4 23()。填人帛—絲齡絲面)⑽的 開:315的導體層330絲供一強化轉熱路徑，以提供晶片細長度及/ 或覓度方向上溫度的均衡。由於要求填入開口 3ί5的為單一枯料，並覆莫 開口奶，其製程步驟得以簡化。如同第2C與奶圖所示的傲熱結構; 降低头普&度，或在蝴的辨溫度下，提高健速率。 二300的形成力法可與第2A圖所示者相同或類似，而不再重複敛述。 第』圖係#不覆晶封裝體的散熱結構，其包含第μ圖所示的晶片 3〇=請參考第犯圖’鐸料凸塊％係形成於第二表面(主動表面卿的接 難325上。猎由銲料凸塊泌’使得晶片得以以覆晶的技術固定於— 、’、 上底I 340係形成於封裝基板350與晶片3〇〇的第二表 邮動表卿之間。銲料凸塊345、封録板35〇、與底勝細係讀 弟2B圖所緣不者相同或相似，而不再重複敛述。 明翏考第3C圖，-導熱性的介面材料層355係形成於導體層现上， 而-散熱片360係導熱性地輕合於導體層33〇與封裝基板35〇而覆 =導熱性的介面材料層扮與散熱片⑽係可舆第％圖 或相似，而不再重複敘述。如第3C _示，導熱性的 2 熱片360並非必要元件。口要筮犯同私— 〜丁曰興政 Η糊絲❹ /、要弟3Β圖所不的散熱結構足以將預期產生自晶 片300的熱政出，及可以省略導熱性的介面材料層 第从㈣嶋㈣·_σ21此麵輸視 -« t 〇 215 ^ 200 0503-A30543TWF(5.0) 12 1273715 動表面)210，並具有複數個脊狀凸起(]^辟)216，分別在相鄰的兩個開口^5 之間。脊狀凸起216係可作為鰭片。在第4B圖中，複數個横向的二= 與複數個縱向的凹槽218係形成於晶片2〇1的非主動面。上述的結 成设數個截面為矩形的角柱形突起㈣癒職卿，可作為熱傳的韓^ 請注意開π 215的形狀可以是矩形或孔(其形成係藉由例域二二 使上述孔洞的内表面成為熱傳表面。 x成） 雖然本發明已啸佳實施·露如上，然其並翻樣 何熟習此技#者，在不麟本發明之精神和範_，當可作些許之: 潤飾’因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為 【圖式簡單說明】 弟1圖為一剖面圖，係顯示一習知用於散熱的封裴結構。 第2Α〜2Ε圖為一系列之剖面圖’係顯示本發 形成方法的流程。 S禮_散熱結構的 晶片圖為-剖面圖，係顯示一基底結構，適用於形成第Μ圖所示的 第3Α〜3C圖為一系列之剖面圖，係顯示本 _

的形成綠的綠。 料1補的散熱結構 第4Α圖為第2Α圖所示的晶片2〇〇的底視圖的〜例。 第4Β圖為第2Α圖所示的晶片200的底視圖的另」例 105〜底膠； 110〜晶片； 120〜散熱片； 130〜散熱器； 【主要元件符號說明】 100〜封裝基板； 107〜鲜球； 115〜環氧樹脂層； 125〜黏著層； 0503-A30543TWF(5.0) 13 1273715 200〜晶片； 200a〜基底； ' 200s〜側壁； 201〜晶片； . 210〜第一表面； 210a〜第一表面； 215〜開口； 215a〜開口； 216〜脊狀凸起； 217〜橫向的凹槽； 218〜縱向的凹槽； 219〜突起； 220〜第二表面； 221〜應力缓衝層； 225〜接觸墊； 225a〜接觸墊； 230〜導體材料； 230a〜導體材料， • 240〜底膠； 245〜銲料凸塊； 250〜封裝基板； 255〜導熱性介面材料 256〜導熱性介面材料， 260〜散熱片； 270〜基板； 300〜晶片； 310〜第一表面； 315〜開口； 320〜第二表面； 325〜接觸墊； 330〜導體層； 340〜底膠； 345〜銲料凸塊； 350〜封裝基板； _ 355〜導熱性的介面材料層； 360〜散熱片。 0503-A30543TWF(5.0) 14

Claims (1)

1273715 十、申請專利範圍·· L一種散熱結構，包含： ^ 曰曰片，具有第一表面與第二表面，該第一表面具有至少一開口，， 弟二表面具有-接觸墊形成於其上，該第_表面與該第二表面為相反/ 以及 ‘體層形成於該第一表面上，覆蓋該開口的一表面。 2·如申印專利範圍第丨項所述之散熱結構，其中該導體層 性地覆蓋剌表面。 3·如申印專利範圍第.丨項所述之散熱結構，其中該導體層填滿該開口。 層4·如申明專利範圍第1項所述之散熱結構，其中該導體層包含一金屬 5_如申請專利範圍第4項所述之散熱結構，其中該金屬層包含秦金合 金。 u 二如申請專利範圍第1項所述之散熱結構，更包含一銲料凸塊於該晶片 的該第二表面的該接觸墊上。 7·如申請專利範圍第6項所述之散熱結構，更包含： 一封裝基板，該晶片係以覆晶的技術固定於該封裝基板；以及 一底膠(underfill)，位於該封裝基板與該晶片的第二表面之間。 8·如申請專利範圍第7項所述之散熱結構，更包含： 一導熱介面材料層於該導體層上；以及 一散熱片(heat spreader)覆蓋該封裝基板。 9·如申請專利範圍第6項所述之散熱結構，更包含· -印刷電路板，該晶片係以覆晶的技術固定於該印刷 一底膠(underfill)，位於該印刷電路板與該晶片的# ， 10·如申請專利範圍第1項所述之散熱結構，其中表面之間。 個凹槽(slot)與複數個位於該些凹槽之間的脊狀凸起(行第，面具有，數 0503-A30543TWF(5.0) 15 .1273715 貝上順應性地覆盍於該些凹槽與該些脊狀凸起，而在該第一表面上形成一 散熱器(heat sink)結構。 11·如申請專職目帛10項所述之散熱結構，其巾凹槽包含複數個 沿第-方向延伸的凹槽與複數個沿第二方向延伸的凹槽，該第一方向大體 與該第二方向垂直。 12·—種散熱結構，包含： 片’具有第-表面舆第二表面，該第—表面具有至少—開口，該 I面，、彳接觸墊域於其上，該第_表面與該第二表面為相反面；

-導體層形成於該第-表面上，填滿該開口； 第該晶賴覆晶的技術_該封裝基板，而該晶片的 弟一衣面係面向该封裝基板；以及 -底膠(underfm)，位於該封裝基板與該晶片之間。 13·—種散熱結構的形成方法，包含： 於一晶片的第一表面上形成一開口 的相反m 知-表面健⑸的主動表面 於該第一表面上形成_導體層，填滿該開口。 14‘如申請專利範圍第13項所述之散執 係實質上順應性地覆蓋該開口義表面/、、、”、w、軸方法，其中該導體層 15·如申請專利範圍第13項所述之 填滿該開口。 〜、、、、"構的形成方法，其中該導體層 1(5.如申請專利範圍第1;3項所述之散熱 的形成係使用無電鍍法。 …、％構的形成方法，其中該導體層 Π·如申請專利範圍第13項所述之散編士 / 包含一金屬層。 “、、'、、"構的形成方法，其中該導體層 1S·如申請專利範圍第n項所述之散♦ 其中該金屬層 包含鎳-金合金。 …、％構的形成方法， 0503-A30543TWF(5.0) 16 1273715 口更^申請專刪第丨3項所述之散熱結構的形成方法，其中形吻 於一基底的第一表面上形成複數個開口； 於该基底的該第一表面上形成一層導體材料；以及 分告!1该基底。 基底mr觸19項陳難細嫩法细研磨該

Μ.如申請專利顧第13綱述之散熱結構的形成方法，其㈣曰 =動表㈣㈣、—雜，並更⑽㈣= 22.如申請專利範圍第21項所述之散熱結構的形成方法，更包含： 將該銲料凸塊固定於一封裝基板；以及 將一底膠(underfill)填入該封裝基板與該晶片之間。 23·如申請專利範圍第22項所述之散熱結構的形成方法，更包含： 於該導體層上形成一導熱介面材料；以及 形成一散熱片(heat spreader)覆蓋該封裝基板。 24·如申請專利範圍帛13項所述之散熱結構的形成方法，其中形成該開 口更包含於該晶片的該第一表面形成複數個凹槽(sl〇t)。 25.如申請專利範圍第13項所述之散熱結構的形成方法，其中該些凹槽 的形成係使用一切割機台(dicing apparatus)。 0503-A30543TWF(5.0) 17