TWI276210B - Electronic component package and joined assembly - Google Patents

Description

1276210 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明背景 發明領域 5 树明係有關於—種電子組件封裝體，該電子組件封 衣體b括印刷電路板、一安裝在該印刷電路板上表面上 之如LSI(大型積體電路)晶#的電子組件、及一收納在該印 刷電路板上之電子組件之上表面上的導熱構件。 10 先前技術之說明 包子組件封裝體通常包括一安裝在一印刷電路板上 之LSI曰曰片且如散熱器之導熱構件則收納在該LSI晶片 之上表面上例如，一聯結材料設置在該181晶片與該散熱 器之間，如同揭露在日本專利申請公報第2〇〇〇_〇12748中 15者。該聯結材料係由例如一焊接材料構成，且該焊接材料 係使用，例如，Sn-Pb。

一如助熔劑之活化劑可添加於如Sn_Pb之焊接材料以 改善該焊接材料之濕潤性，但是，將助熔劑加入該焊接材 料會沿著該聯結材料與該散熱器及該LSI晶片的接觸表面 20產生空洞。該等空洞使該聯結材料與該散熱器之間以及該 聯結材料與該LSI晶片之間的表面積較小，且這些較小之表X 面積會阻礙熱由該LSI晶片透過該聯結材料有效地傳送^ 該散熱器。 【明内 1276210 發明概要 二口此本發明之目的係提供一種有助於有效率熱傳導 之笔子組件封裝體。此外，本發明之目的係提供一種對實 見以電子組件封I體極有助之聯結總成。 5 树明之電子組件封裝體包含··一印刷電路板；-安 衣在該印刷電路板上表面上之電子組件；一收納在該印刷 電路板上之電子組件之上表面上的導熱構件；及一設置在 該電子組件與該導熱構件之間的聯結材料。又，該聯結材 料係由含置範圍超過3wt%2Ag&in之材料製成。 1〇 該电子組件封裝體可使用由含量範圍超過3wt。/。之Ag 及In之材料製成之聯結材料，且本發明人已發現當在該聯 結材料之總重中的Ag含量增加時，在該聯結材料與該電子 組件之間的邊界處以及該聯結材料與該導熱構件之間的邊 界處的夕數空洞會減少。此外，與一 WSn_pb之習知焊接材 15料相較，含量範圍超過3wt%之Ag及In之材料具有較低之熱 阻抗，且與習知聯結材料相較，該聯結材料可具有較高之 熱傳導性。因此，本發明之聯結材料使該導熱構件可有效 地接受來自該電子組件之熱。 特別地，In具有低於Pb之彈性係數。即使因在該導熱 20構件與該電子組件之間的熱膨脹係數差而使一應力施加在 該導熱構件與該聯結材料之間的邊界處以及該聯結材料與 該電子組件之間的邊界處’該聯結材料亦可以充分之方式 可靠地吸收該應力。又，可以可靠地避免在該導熱構件與 該聯結材料之間以及在該聯結材料與該電子組件之間產生 1276210 分離。 。該聯結材料之熔點可低於一連接該電子組件與該印刷 :—之、子的炼點，且該電子組件係藉由該電子組件封 =體,總成中之端子而安裝在該印刷電路板上。該端子會 5因所知加之熱而溶化，且在該電子組件已安農在該印刷電 板上後，該導熱構件係藉由該聯結材料而安裝在該電子 2件上。該聯結材料會因所施加之熱而熔化，且只要該聯 、"材料之_係設定成低於該端子，則該端子可以可靠地 防止所謂二次熔化的缺點。 10 該聯結材料可使該熔點低於在該電子組件封裝體中之 f熱溫度，如前所述，當該導熱構件安裝在該電子組件上 ^該如…材料會因所施加之熱而熔化。只要該聯結材料 之炼點低於該電子組件之耐熱溫度，斷使在加熱使該聯 結材料炼化時亦可避免該電子組件被破壞。該聯結材料之 15熔點亦可設定成低於，例如，該印刷電路板之耐熱溫度， 因此即使在加熱使該聯結材料熔化時亦可依此方式避免該 電子組件被破壞。 含量範圍超過3wt%之Ag及In之材料可在該聯結材料 之總重中之Ag含量增加時具有更高之液相與固相溫度，且 20在該聯結材料中之含量可以依據連接該電子組件與該印 刷電路板之端子熔點、該電子組件之耐熱溫度、該印刷電 路板之耐熱溫度等來控制。該Ag含量可設定成，例如，在 一等於或小於該聯結材料之總重2〇wt%之範圍中。 一聯結總成可用來實現該電子組件封裴體，且該聯結 1276210 總成可包含：一第一構件，具有一至少部份地暴露在該第 一構件之表面上第一金屬；一第二構件，具有一至少部份 地暴露在該第二構件之表面上第二金屬，且該第二構件係 在該第二金屬處收納在該第一金屬上；及一聯結材料，設 5 置在該等弟一與第二金屬之間’且該聯結材料係由含量範 圍超過3wt%之Ag及In之材料製成。 圖式簡單說明 不赞明之以上與其他目的矜贯點可配合 10 15 式而由以下較佳實施例之詳細說明更加了解，其中 第1圖是示意地顯示一主機板之結構的立體圖； 一第2圖是沿第！圖之線2_2所戴取之截面圖，且示意地顯 示一電子組件封裝體之結構； 弟3圖是-表，顯讀々含量㈣之液相與固相溫度； 第4圖是一射線照片，顯 盥料您 ㈣中之-聯結材料 與一散熱器之間的接觸面； 第5圖是一射線照片，顯示 ..L., 仕第特疋例中之一聯结 材料與一散熱器之間的接觸面； 、 第6圖是一射線照片，顯示在一 材料與-散熱ϋ之間的接觸面； 、&种之一聯結 第7圖是一射線照片，顯示 材料與-散熱器之間的接觸面；—、（例中之-聯結 第8圖是一射線照片，顯示 # 材料與一散熱器之間的接觸面·及第四特定例中之一聯結 第9圖是顯示在該聯結松 /之厚度與該聯結材料之熱 20 1276210 阻抗之間之相關性的圖。 L實施方式3 較佳實施例之說明 第1圖示意地顯示一主機板11之結構，且該主機板η包 5 括一大尺寸之印刷電路板12。一或多個電子組件封裝體 安裝在該印刷電路板12之前方表面上，且各個電子組件封 裝體13包括一安裝在該印刷電路板12上之小尺寸印刷電路 板14。又，該印刷電路板14可使用，何如，一樹脂或陶瓷 基板。 10 一導熱構件或散熱器15係被收納在該印刷電路板14 上，且該散熱器15包括一板狀主體或熱接受器15a及多數由 該熱接受器15a朝垂直方向向上直立之翼片ub。該等翼片 15b互相平行地延伸，且因此在各相鄰對翼片15b之間形成 多數空氣通道16。這種電子組件封裝體使熱可在空氣流 15藉助於，例如，一送風單元（圖未示）經過該等空氣通道16 時，由該等翼片15b有效地輻射出來。該散熱器15可由Cu、 A卜一主要由Cu及/或A1構成之複合材料、一如碳複合材料 之咼導熱材料等製成。又，該散熱器15亦可使用鑄造法製 成。 20 如第2圖所示，一球格柵陣列17形成在該印刷電路板14 之月面上，且$亥球格栅陣列17被用來將該印刷電路板μ安 裝在該印刷電路板12之前方表面上。該球格柵陣列丨？包括 多數依一預定圖案配置之球狀導電端子18，且各導電端子 18係被收納在多數在該印刷電路板12上之對應端子墊或導 1276210 電墊19上。依此方式可在該印刷電路板14與該印刷電路板 12之間建立電氣連接，在此，該等導電端子18可由，例如， Sn_37Pb(wt%)製成。 一電子組件或LSI晶片21係安裝在該印刷電路板14 5 上，且一球格柵陣列22形成在該LSI晶片21之背面。該球格 樹陣列22係用來將該LSI晶片21安裝在該印刷電路板μ 上’且該球格桃陣列22包括多數以與該球格拇陣列I?相同 之方式以一預定圖案配置之球形導電端子23。各導電端子 23係被收納在多數在該印刷電路板14上之對應端子塾或導 10電墊24上。依此方式可在該LSI晶片21舆該印刷電路板14之 間建立電氣連接，在此，該等導電端子23可由，例如， Sn-37Pb(wt%)製成。 舉例來說’除了該LSI晶片21以外，如兩者均未顯示之 電谷器與晶片電阻器的電子元件可安裝在該印刷電路板14 15上。該等電子元件可安裝在該印刷電路板14之背面，且一 未填滿材料膜25設置在該LSI晶片21與該印刷電路板14之 間。該未填滿材料膜25填充在該等導電端子23四週的空 間’且該等導電端子23可以依此方式可靠地互相絕緣。該 未填滿材料膜25可由主要由，例如，環氧樹脂構成之樹脂 2〇材料製成。 前述散熱器15係被收納在該LSI晶片21之前方表面 上，且一聯結材料26設置在該散熱器15與該LSI晶片21之 間。該聯結材料26可由含量範圍超過3wt%之Ag&In之材料 製成’在此，該聯結材料26係由一In-Ag合金製成。該Ag 1276210 含量可設定為，例如，在該聯結材料26之總重中等於或小 於20wt%之範圍内。 如第3圖所示，該In-3Ag(wt%)合金具有攝氏141度之液 相與固相溫度，且這溫度對應於共熔溫度。在材料中之Ag 5 含量增加會造成超過攝氏141度之液相溫度，另一方面，即 使在材料中之Ag含量增加，該固相溫度仍保持攝氏141度。 因此，當在材料中之Ag含量增加時，在液相與固相溫之間 的差會變大。 請再參閱第2圖，一第一金屬或第一金屬膜27形成在該 10 LSI晶片21之前方表面。作為本發明第一構件之lsj晶片21 至少部份地暴露出在該前方表面上之該第一金屬膜27，在 此，該第一金屬膜27可形成在該LSI晶片21之整個前方表面 上。該弟一金屬膜27可由，例如，一丁丨膜與一八11膜之多層 膜、一Ti膜與一Cu膜之多層膜等製成。依此方式，該lSI 15晶片21將該聯結材料％收納在該第一金屬膜27處。 該散熱器15之底面與該LSI晶片21相對，且一第二金屬 或第二金屬膜28形成在該散熱器15之底面或相對表面上。 作為本發明第二構件之散熱器15至少部份地暴露出在該相 對表面上之該第二金屬膜28。該第二金屬膜28可由，例如， 2〇 一抓膜與一八"膜之多層膜製成。依此方式，該聯結材料26 將該第二金屬膜28收納在該散熱器15上。 依此方式，該聯結材料26係設置在該等第一與第一金 屬膜27、28之間。換言之，該散熱器15使該第二金屬膜以 可以與在該LSI晶片21上之第—金屬膜27接觸。如此，該聯 11 1276210 結材料26可用以結合該散熱器15與該LSI晶片21。在此，作 為一第一構件之LSI晶片21、作為一第二構件之散熱器15、 及該聯結材料26共同形成本發明之聯結總成。 多數支持構件29被用來將該散熱器15固定於該印刷電 5路板14上，且該等支持構件29可由一，例如，具有膨脹性 接近於該印刷電路板14之材料製成。這種材料可為(^11、不 鏽鋼等。黏著片（圖未示)設置在該散熱器15與該等支持構件 29之間且在該等支持構件29與該印刷電路板14之間，以將 該散熱器15固定在該印刷電路板14上。例如，一環氧樹脂 10黏著片可用來作為該黏著片，且該黏著片中亦可包括如破 璃纖維或無機填充劑等，而該玻璃纖維或無機填充劑係用 來保持該黏著片之厚度均一。 這種主機板11之缺點是在操作會於該LSI晶片21處產 生熱，且該LSI晶片21之熱會經由該第一金屬膜27、該聯結 I5材料26及該第二金屬膜28傳送至該散熱器15之熱接受器 15a。接著，該熱會由該熱接受器15a傳導至該等翼片15b， 而該等翼片15b係用來產生用以將熱輻射出去之較大表面 積，而該送風單元操作並產生通過如該等空氣通道16之空 氣流。依此方式，該LSI晶片21可有效地避免溫度上升。 20 以下將簡短地說明一製造該電子組件封裝體13之方 法。首先，製備該印刷電路板14，再將一陶瓷或有機基板 附著在該印刷電路板14上。該陶瓷或有機基板可具有如由 0.4mm至0.7mm之範圍内的厚度，且該陶瓷基板中可包含如 Al2〇3、A1N或玻璃等。然後，將該等支持構件29固定在該 12 1276210 印刷電路板14之前方表面，且將該等黏著片設置在該印刷 電路板14與該等支持構件29之間，以將該等支持構件29固 定於該印刷電路板14上。接著，將該等支持構件29壓抵於 該印刷電路板14之前方表面，而該壓力可設定為如等於或 5 小於 1.96x10_3[Pa]。 其次，將該LSI晶片21安裝在該印刷電路板14之前方表 面，且可使用如Sn-37Pb之焊接材料作為該等導電端子23。 該等導電端子23係事先連接在該LSI晶片21之底面上，再將 各個導電端子23放置在該導電墊24上。接著對該等導電端 1〇子23加熱，且溫度之最大值係設定為如等於或小於攝氏230 度。因此，該等導電端子23將會熔化，然後該等導電端子 23會變硬或硬化。依此方式，可將該LSI晶片21安裝在該印 刷電路板14上。 接著，將該未填滿材料膜25放置在該LSI晶片21與該印 15刷電路板14之間，且可製備一液態之熱固性樹脂材料以填 充該LSI晶片21與該印刷電路板14之間的空間，以產生該未 真滿材料膜25。該樹脂材料主要含有環氧樹脂，且當對該 樹脂材料施加如攝氏150度之熱時，該樹脂材料會變硬。依 此方式，該未填滿材料膜25可藉由該硬化樹脂材料而形成 20在該LSI晶片21與該印刷電路板14之間。 然後，將該第二金屬膜28疊置在該散熱器15之相對表 面的一預定範圍上，且在該散熱器15之相對表面上形成一 厚度大約為3μιη之Ni膜。接著，在該Ni膜之表面上形成_ 厚度大約為3μπι之Au膜。此時使用如電鍍法形成該等妬及 13 1276210

Au膜，如此，該等Ni及Au膜可提供前述第二金屬膜28。 接著，將該第一金屬膜27疊置在該LSI晶片21之前方表 面上，且在該LSI晶片21之前方表面上形成一厚度大約為 500nm之Ti膜。接著，在該Ti膜之表面上形成一厚度大約為 5 之Au膜。此時使用如濺鍍法形成該等丁丨及八口膜，如此， 該專Ti及Au膜可提供前述第二金屬膜μ。 在此，該散熱器15可由如無氧銅製成，且由該等见及 Au膜製成之第二金屬膜28係用以避免該散熱器15之相對表 面氧化’而該等第一與第二金屬膜27、28係用以改善該聯 10 結材料26之濕潤性。 然後’將該散熱器15安裝在該LSI晶片21之前方表面， 且將該聯結材料26放置在該等第一與第二金屬膜27、28之 間’以將該散熱器15安裝在該LSI晶片21上。該聯結材料26 係形成為’例如，片狀。在此，該聯結材料26可由如In-10Ag 15製成。接著，將多數黏著片同時設置在該散熱器15與該等 支持構件29之間，且將該等支持構件29壓抵於該印刷電路 板14之前方表面，而該壓力可等於或小於如丨96xl〇-3[pa]。 然後對該散熱器15與該LSI晶片21加熱，使該聯結材料26熔 化而該聯結材料會在冷卻之後變硬或硬化。依此方式， 20該散熱器15可安裝在該LSI晶片21之前方表面上。 然後’將該等導電端子18連接在該印刷電路板14之背 面上’且該等導電端子18係由一如Sn-37Pb之焊接材料製 成°此時對該等導電端子18加熱，且該溫度之最大值係設 定為如大約攝氏230度，而該等導電端子18會因此熔化。當 14 1276210 冷卻後，該等導電端子18變硬或硬化。依此方式，該等導 電端子18可連接於該印刷電路板14之背面。至此完成了該 電子組件封裝體13之製造。接著，將該電子組件封裝體13 安裝在該印刷電路板12之前方表面上。 5 這種電子組件封裝體13以前述方式使用由Ιη-lOAg製 成之聯結材料26，因此，該聯結材料26可具有攝氏230度之 液相溫度，如第3圖所示。由Sn-；37Pb製成之導電端子18、 23通常會在等於或小於如攝氏230度之溫度範圍内熔化。因 此，即使加熱熔化該等導電端子18、23，該聯結材料26亦 10 可以可靠地防止二次熔化。只要該聯結材料26之液相溫度 或熔點設定成高於該等導電端子18、23之熔點，則可在該 第一金屬膜27中省略一Ni膜。該第一金屬膜27之結構可以 較以往更加簡化。 另一方面，如果使用In-5Ag或In-7Ag作為該聯結材料 15 26，則該聯結材料26可具有攝氏160或200度之液相溫度， 如第3圖所示。換言之，該聯結材料26之溶點係設定成低於 該等導電端子18、23之熔點。即使使用一有機基板作為該 印刷電路板14，該聯結材料26可在該印刷電路板14之耐熱 溫度之範圍内熔化。該聯結材料26亦可在該電子組件，即 20 該LSI晶片21之耐熱溫度之範圍内熔化。只要該聯結材料26 之熔點依此方式設定成低於該等導電端子18、23之熔點及 該印刷電路板14與該LSI晶片21之耐熱溫度，則可避免該等 導電端子18、23之二次熔化與該印刷電路板14與該LSI晶片 21之毁壞。 15 1276210 特別地，In具有低於Pb之彈性係數，且In具有由Pb之 彈性係數四分之一至二分之一的彈性係數。即使因為在該 散熱器15與該LSI晶片21之間的熱膨脹係數差而在該散熱 器15與該聯結材料26之間的界面處以及在該聯結材料26與 5 該1^1晶片21之間的邊界處施加應力，該聯結材料26亦可以 可罪地以一充分之方式吸收該應力。此外，在該散熱器15 與該聯結材料26之間以及在該聯結材料26與該LSI晶片21 之間的分離亦可避免。 其次，本發明人已觀察到相對於該聯結材料26之組成 10成分產生空洞之情形。本發明人在該觀察中準備了本發明 之第一至第四例以及一比較例，且在第一例中係使用 In-5Ag來形成該聯結材料26，而在第二例中係使用In_7Ag 來形成該聯結材料26。又，在在第三例中係使用111_10八§來 形成該聯結材料26，且在第四例中係使用迅-丨5Ag來形成該 15聯結材料26，而在該比較例中係使用In-3Ag來形成該聯結 材料26。在該第一至第四例與該比較例中之聯結材料係設 置在該散熱器15與該LSI晶片21之間，且該等接觸表面係可 在該等聯結材料26與該散熱器15之間以肉眼觀察。 如第4圖所示，在該比較例中，於該聯結材料之接觸表 20面中產生了大量的空洞。如第5圖所示，與該比較例相較， 在第一例中’接觸表面中產生較少的空洞，而在第二例中 空洞之數目比第一例更少，如第6圖所示。在第三例中，空 洞之數目再次減少，如第7圖示，而在第四例中的接觸表面 上幾乎看不到空洞，如第8圖所示。 16 1276210 由前述觀察可發現空洞會隨著在該聯結材料26總重中 之Ag含量增加而減少，換言之，該聯結材料26之濕潤性會 隨著在該聯結材料26中之Ag含量增加而改善。由第3圖可確 認空洞隨著在該等固相與液相溫度間之差變大而減少，且 5 較少之空洞使該散熱器15與該聯結材料26之間以及該LSI 晶片21與該聯結材料26之間可以可靠地接觸而不需要添加 如助熔劑之活化劑。如此，該散熱器15可以有效地接受來 自該LSI晶片21之熱。 其次，本發明人已測量出該聯結材料26之熱阻抗。本 10 發明人為該測量準備了本發明之一特定例與第一至第三比 較例。在該特定例中使用的是In-1 〇Ag，且在第一比較例中 使用的是In-48Sn。又，在第二比較例中使用的是In_2〇pb， 且在第三比較例中使用的是Sn-2〇Pb、Sn-95Pb與Sn-20Pb之 多層膜。接著，對該特定例與該等第一至第三比較例進行 15 熱阻抗[°c/w]之測量。 該特定例出現之熱阻抗等於〇 · 03 83 [ l / w ]，且第一比較 例所得到之熱阻抗為〇.〇696[°C/W]。又，第二比較例所得到 之熱阻抗為〇.〇543[。(：/|]，且該第三比較例出現之熱阻抗為 0.0545[X：/W]。該特定例具有一小於該等第一至第三比較例 20之熱阻抗，因此該特定例之聯結材料26具有一優於一由習 知烊接材料製成之聯結材料的熱傳導性。由該測量可知這 種聯結材料26使熱可由該LSI晶片21有效地傳送至該散熱 器 15。 “、 其次，本發明已觀察到在該聯結材料26之厚度與熱阻 17 1276210 抗之間的關係，且本發明人為該觀察準備了一特定例及第 一至第三比較例。在該特定例中使用的是In-10Ag，且在該 第一比較例中使用的是Sn-37Pb、Sn-95Pb與Sn37Pb之多層 膜。又’在該第二比較例中使用的是Sn-2〇pb，且在該第三 5比較例中使用的是In_52Sn。本發明人為特定例與第一至第 二比較例各準備了三個厚度分別為1〇〇μπι、2〇〇μηι與250μηι 之樣本。接著，對該等例之各樣本進行熱阻抗pc/W]之測 量。 如第9圖所示，不論是任何的樣本，該特定例均具有小 10 於第一至第三比較例之熱阻抗。這證明了該特定例之聯結 材料26具有優於一由習知焊接材料製成之聯結材料的熱傳 導性。因此，該散熱器15可有效地接受來自該LSI晶片21之 熱。 I：圖式簡單説明]j 15 第1圖是示意地顯示一主機板之結構的立體圖； 第2圖是沿第1圖之線2·2所截取之截面圖，且示意地顯 示一電子組件封裝體之結構； 第3圖是一表，顯示與Ag含量有關之液相與固相溫度， 第4圖是一射線照片，顯示在一比較例中之一聯結材料 20與一散熱器之間的接觸面； 第5圖是一射線照片，顯示在一第一特定例中之一聯結 材料與一散熱器之間的接觸面； 第6圖是一射線照片，顯示在一第二特定例中之一聯結 材料與一散熱器之間的接觸面； 18 1276210 第7圖是一射線照片，顯示在一第三特定例中之一聯結 材料與一散熱器之間的接觸面； 第8圖是一射線照片，顯示在一第四特定例中之一聯結 材料與一散熱器之間的接觸面；及 5 第9圖是顯示在該聯結材料之厚度與該聯結材料之熱 阻抗之間之相關性的圖。 【主要元件符號說明】 11...主機板 19...導電墊 12···印刷電路板 21...LSI 晶片 13...電子組件封裝體 22...球格柵陣列 14···印刷電路板 23...導電端子 15...散熱器 24···導電墊 15a...熱接受器 25...未填滿材料膜 15b···翼片 26...聯結材料 16...空氣通道 27...第一金屬膜 17...球格柵陣列 28...第二金屬膜 18...導電端子 29...支持構件 19

Claims (1)

1276210 十、申請專利範圍： L 一種電子組件封裝體，包含： 一印刷電路板； 一電子組件，係安裝在該印刷電路板上表面上； 一導熱構件’係被收納在該印刷電路板上之電子組 件之上表面上；及 聯結材料，係没置在該電子組件與該導熱構件之 ® 間’且該聯結材料係由含量範圍超過3wt%之Ag及In之 材料製成。 10 2 1 •如申請專利範圍第1項之電子組件封裝體，其中該聯結 材料之熔點低於一連接該電子組件與該印刷電路板之 端子的熔點。 3·如申睛專利範圍第1項之電子組件封裝體，其中該聯結 材料之熔點低於該電子組件之耐熱溫度。 15 4· 一種聯結總成，包含·· % 一第一構件，具有一至少部份地暴露在該第一構件 之表面上第一金屬； 一第二構件，具有一至少部份地暴露在該第二構件 之表面上第二金屬，且該第二構件係在該第二金屬處收 2〇 納在該第一金屬上；及 一聯結材料，設置在該等第一與第二金屬之間，且 該聯結材料係由含量範圍超過3wt%之Ag及In之材料製 成0 20