TWI303471B - Plastic ball grid array package with integral heatsink - Google Patents

Description

1303471 , A7 ' B7 五、發明説明（1 ) 背景 本發明關於高性能半導體裝置封裝。 半導體裝置曰增需要具有高熱及電性能之較低成本封 裝。供高性能裝置使用之一般封裝為塑料球栅陣列 (’fPBGA”）。此PBGA為表面安裝之封裝，與引線框基楚之 表面安裝封裝，如塑料四線扁平封裝（"PQFP")及其他相 較，其可提供較高熱及電性能，及較低厚度輪廓及較小之 足跡。一直在追求包封之結構與設計之改進，以提供增加 之熱及電性能，及保持已建立之標準PBGAs之足跡與厚度 特性。 傳統PBGAs中，半導體裝置產生之熱之小部份經模塑化 合物耗散至四周，主要在封裝之上表面擴散，較少程度經 側邊擴散。在標準PBGAs中之半導體裝置產生之熱之大部 分經焊球傳導至產品板，該板之作用如一散熱器。 曾利用各種方法或建議以自PBGAs增加功率耗散。例 如，在封裝上以鼓風方式可增加功率耗散至四周；但成本 考慮及空間限制使此一氣冷方式不實際。例如，增加豐裝 與板間之焊球數目，特別是增加裝置直下面之焊球數目可 增加功率耗散；及利用具有多金屬層之疊層基板亦可增加 功率耗散。此等方法需要增加封裝尺寸及改變封裝結構。 自PBGA增加功率耗散另一方法，通常稱為”熱改進之 PBGA ’’或TEPBGA，利用一部分嵌入金屬熱擴散器。此部 分嵌入之金屬熱擴散器包括一上平面部分，具有無模塑化 合物之頂表面暴露在四周；及嵌入部分，稱為支撐臂自上 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1303471 A7

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循衣傳遞之應力及應力損害，因為在熱擴散器之支撐臂與 基板之間備有釋放物。本發明以上之製備係由於在熱擴散 ，支撐臂與基板之間無直接連接，或，如有_或多個支撑 臂與基板之直接連接，其為彈性接點。 、準此，本發明足一特性為製造塑料球柵陣列封裝之方 =j將具有一上部分及複數個支撐臂之熱擴散器置於一塑 模空腔中；在塑模空腔上置-球栅陣列，#包括裝在基板 支撐表面上之半導體模片及連接至基板，俾支撐臂之下端 與模片週圍之基板支撐表面接觸；賴塑材料注人空腔以 構成模蓋；及使模塑材料變硬以構成模蓋。

、本發月另特性為具有部分嵌入之熱擴散器之TEPBGA 〈形成方法，將具有一上部分及複數個支撐臂之熱擴散器 置於基板<模片支撐表面上，俾熱擴散器之至少一支撐臂 利用彈性連接物如彈性黏膠連接在基板上；將模塑空腔置 於熱擴教器之上；將模塑材料注人空腔中；及使模塑材料 變=構成模蓋。在模塑材料注人期間，彈性連接物將熱 擴固疋在與基板相關之適當位置，當模塑材料變硬構 成模蓋，部分嵌入之熱擴散器在與基板相關之適當位置變 為固定。 本發明另一特性為一塑料球柵陣列半導體封裝，並包括 :金屬熱擴散器，其具有支撐臂.入模蓋中，其中該嵌入 心支撑臂與基板未直接堅固連接；或其中該任何支撑臂與 基板連接時，係利用彈性材料如彈性黏劑連接。 在某些κ她例中，熱擴散器由金屬製造，在一特殊實施

1303471 A7 B7 五、發明説明（4 ) 擴散器由銅製造。在某些實施例中，擴散器有四 支撐臂’其構型使其下端可與通常為矩形較佳為方形陣 j基板表面接觸。在某些實施例中，彈性材料具有一彈 性模數範圍在〇.5 MPa至謂MPa，較佳為t略至1〇 Mpa = ’且於特定實施例中該彈性材料具有一5 5 MPa之 :性模數。某些實施例中，彈性材料為彈性黏劑，如硬黏 劑，如可用Dow-Coming 7920之代號商購。 气某些實施例中，封裝元件需加以選擇俾封裝之總尺寸 準規私之内（特別是，總封裝厚度與標準封裝之 厚度相同或較少）。例如’在某實施例中，模片之厚度加 上挺片連接環氧數脂’線接合迴路高度及線至塑模間隙必 須決足’肖自基板至封裝之頂部之高度（即，總模蓋厚度 加熱擴散器厚度，及熱擴散器黏膠厚度）必須大於ιΐ7 例如’在某些實施例中，位於半導體裝置及熱擴散 益間之元件部分之厚度’即，位於臨界熱路徑中之元件必 須加以決定以便使臨界熱路徑之長度最小。 、例如在某些實施例中，在模片及熱擴散器之上部分間 <至少一部分模塑材料使其盡量薄，同時，避免模片之上 表面及熱擴散器之下表面間之接觸，熱擴散器之上部分因 此由下表面向下穿出而變厚。結果，在半導體裝置與封裝 S上表面間之路徑中金屬之比例增加，俾自模片至其上之 四周之臨界熱路徑之熱阻抗可以降低。例如，在某實施例 中#在模片#熱擴散器之上部分間之至少部分體積由具有 較模塑材料為低之熱電阻率之材料所佔據。 在某些特別較佳實施例中，利用—種在熱擴散器下表面 -8 - 1303471 . A7 ---—-一 B7 五、發明説明~^~'

St銅或化學粗糙化銅，以便改進熱擴散器之底部 口物間之膠連。熱擴散器之下表面在注入模 ㈣’加以處理以提供黑氧化銅層或化學粗糙表面。利用 :乳化物時：其可用曝露銅表面在NaC102 一足夠長時間以 —成理想厚度層，該厚度較佳在3 μπι至15 μπι之範圍，在 一特殊κ她例中約為7 μιη厚。或者，如利用化學粗糙化 銅表面時可用微蝕刻方法構成，如傳統之H2S〇4_H2〇2方 法或其他化學方法以提供理想粗糙度，較佳為0.5 μιη至 1·0 μηι範圍，及在一特殊實施例中約為〇 5 。 發明可提供封裝中最佳之功率耗散並較傳統封裝容易 製造，且在使用中之熱循環期間較傳統封裝不易失效。 圖式簡略說明 圖1為一傳統熱改進塑料球柵陣列封裝之橫向剖面圖， 其具有部分嵌入之熱擴散器，該熱擴散器具有支撐 連接至基板。 、=2為本發明一實施例之改進熱增強塑料球柵陣列封裝 之橫向剖面格圖。 圖3為本發明另一實施例之改進熱增強塑料球柵陣列封 裝之橫向剖面略圖。 及4B*本發明一實施例具有一放大部分’顯示熱 擴散器之下表面介面處具有下覆材料之熱改進塑料球柵陣 列封裝之橫向剖面圖。 圖5為本發明另一實施例之熱改進塑料球柵陣列封裝之 橫向剖面略圖，顯示半導體裝置與熱擴散器之上部分間所 -9- 1303471

用之較低熱電阻率材料。 廿圖6為本發明又_實施例之熱改進塑料球栅陣列封裝之 美β】面略圖’ _不熱擴散器較厚中心部分及對應之模蓄 較薄部分覆在半導體裝置之上。 | 詳細說明 一本發月見將參考圖式詳細說明，圖式亦說明本發明其他 貝施彳]圖式為略圖，其顯示本發明之特性及與其他特性 及、構之關係’圖式並不合比例。為清晰之說明計，本發 明之說明實施例’其他圖式中顯示之並元件並未再編號： 但在圖中可輕易辨認。 ,參考圖Ί中工業中廣泛使用之熱改進塑料球柵陣列 (TEPBGA )封叙。此結構利用一金屬熱擴散器2 〇 2，其 邛刀肷入模盍中，嵌入部分連接至基板及具有圓形上部分 2〇6，該部份有一無模塑化合物及暴露在四周之上表面 209。此一構造可提供在無氣流之下3·9瓦之功率耗散， 及在氣流1GG lfpm之下提供4 2瓦之功率耗散。改進之熱 耗散係封裝中增加之熱容量及二設計因素所致。 一個對改進之熱性能於pBGA中之一設計因素為降低裝 置上之熱電阻率，即在裝置之上表面與封裝表面間電阻率 降低，使較多熱流向頂部及四周傳導。此路徑之熱電阻為 鄰近上表面209之熱擴散器上部分206，其厚度為£之熱 電阻，及模塑化合物2〇4，其在裝置上表面與熱擴散器上 表面206之下表面間厚度為G之熱電阻之和。因為構成熱 擴散器之金屬之熱傳導率為模塑化合物之熱傳導率之至少 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱) 1303471 五、發明説明（7 100倍，金屬厚度之比例增加可降低熱電阻，及增加自裝 置至封裝頂部傳導之熱。作為一實際作法，熱擴散器之上 部刀206<最大厚度£；在此構型中被模蓋厚度A，及容納 模蓋厚度内之模片與模片連接環氧樹脂之組合厚度B，及 線迴路207，其在模片之上表面之上延伸之一尺寸〇，其 必須與熱擴散器上部分2 06之上表面保持一間隙c而益接 觸，故其最大厚度E被限制在〇·3 mm。有些熱量經散擴散 器之側壁21〇傳導至頂部，但至裝置之熱路徑較長及傳導 不艮。以下尺寸為典型常用之熱改進PBGA封裝如圖2所 示··模蓋厚度A，LH mm;模片+模片連接環氧樹脂厚度 B ’ 0.38mm;線接合迴路高度^，〇·33_;熱擴散器厚 度E，0.3 0 mm ;線迴路間隙c，0.16 mm。 對PBGA封裝中改進熱性能有貢獻之另一設計因素為熱 擴散器表面209之暴露，其直徑v在廣泛使用構型中為22 mm，與模塑化合物之表面比較，其傳導更多熱量至四 =。熱量傳導通常與熱擴散器表面2〇9之面積成正比，但 實際上此面積受限制於模蓋之上表面之5 〇 %。 根據本發明，改進之製造可能性及降低之熱應力失效之 得以提供，係在製造期間消除使用熱擴散器之支撐臂之堅 固連接。 圖2顯示本發明一實施例之細節，其中之熱擴散器3 〇 ^ 係由在基板之模片支撐表面3 1 〇上之彈性黏劑之一點3 〇 2 連接在基板304上，在基板之位置至少一支撐臂3〇6覆於 其上。支撐臂之下端可構型以提供一 ”足部”如圖2中之 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 1303471

1303471 五、發明説明（9 :處，參數之設計可產生一段氧化銅層厚度約為7 較 佳之厚度為3 μι^15 μπι之範圍。或者，如利用化學粗糙 鋼表面時，則利用微蝕刻方法，如傳統之H2S〇4_H2〇2方法 或〜他化學方法，如揭示於T· Kida等人所著，，改進乾薄膜 f接”，發表於2〇01年7月之光電子製造會議，發表於網際 網路網址www.pcfab.com，以參考方式併入此間。在一特 T實施射1學粗糙方法參數設計後可產生表面粗糖度 約〇·5 μχη ;較佳粗糙度為〇 5 ^^至h〇 範圍。 又 圖5顯示本發明封裝之另一實施例，其中之熱傳導材料 6〇9係置於模片頂部6〇7與熱擴散器6〇2，61〇之底部⑼8 又間。在此實施例中，熱傳導材料6 〇 9限定在必須具有熱 傳導率大於典型模塑化合物之傳導率（即大於〇〜7 W/mK)。此材料可能係堅固環氧樹脂，或，在某些實施 例中可為彈性材料以提供應力释放。 圖6顯不本發明另一實施例，其中熱擴散器702，710已 加以修改’俾其在中間部分7 〇 6較厚，以便使模片頂部 7〇7與熱擴散器底部708間之熱路徑長度最小，同時，可 保持理想封裝輪廓。此種變厚之完成係經由將熱擴散器此 面積中I金屬加厚.，或者，在此區域中使用熱傳導材科 (如圖5所限定）。此種修改較傳統PbgA可大幅提高熱性 能至20%或更多。 其他實施例見以下之申請專利範圍。 -13- igg本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4祝格(210X297公釐)

Claims (1)

1. I303^^|113866 號專利申請案 申文申請專利範圍替換本(97年1月）六、申請專利範園 ϊ 奶年?月、1日移ι/ί)正本| 1· 一種製造球柵陣列封裝之方法，包含·· *:?有1邛刀及複數個支撐臂之熱擴散器置於模塑 將包括裝在基板之支撐表面另 又仿衣面及連接至基板之半導體模 片之一球柵陣列置於模塑空腔上，你；t #后奈 ^ 上工胺上，俾支撐臂之下端與模 片周圍之基板之支撐表面接觸； 將模塑材料注入空腔； 使模塑材料硬化以構成模蓋； 一處理該熱擴散器之—下表面，以便在注人模塑材料之 河構成黑氧化銅層，該黑氧化銅層增強介於該熱擴散 之該下表面與該模蓋之間的黏著力。 2. 如申請專利範圍第i項之方法’其中該熱擴散 製成。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該處理包含將執 散益之銅下表面暴露在NaC丨〇2以構成黑氧化銅層。 4. 如申請專利範圍第2項之方法，其十該處理包括將敎 散器之銅下表面暴露在NaC1〇2中，其條件足以形成具 3 μιη至1 5 μηι厚度之黑氧化銅層。 ^ 5_如：請專利範圍第4項之方法’其中該處理包含將熱 散器之銅下表面暴露在]^^。2中，其條件足以形成^ 7 μηι之黑氧化銅層。 ’、 6,如申請專利範圍第i項之方法’其中該熱擴散器由金 製成，且進一步包含在注入模塑材料之前，處理金屬 擴散器之下表面以將下表面粗糙化。 器 屬 擴 擴 有 擴 有 屬 79056-970131.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1303471

   7·如申請專利範圍第6項之方 万去，其中该處理包含徼蝕刻 …、擴政之銅下表面。 8·如申請專利範圍第7項 甘士》占 ^ 方去，其中戎處理包含熱擴散 裔銅τ表面之微餘亥j，以使其粗糙度在〇5 _至" μπι之範圍。 9·如申請專利範圍第8項之方法 乃古兵甲忒處理包含微蝕刻 …擴散器之銅下表面之粗糙度為〇·5 μιη。 10· —種製造塑料球柵陣列封裝方法，包含： 將具有一上部分及複數個支撐臂熱擴散器置於基板之 模片支撐表面，俾熱擴散器之至少一支撐臂利用彈性固 定物，如彈性黏劑固定在基板上； 將模塑空腔置於熱擴散器上； 將模塑材料注入空腔内；及 使模塑材料硬化以構成模蓋。 11· 一種塑料球柵陣列半導體封裝，包括附著於一基板上之 一膜片，以及具有嵌入模蓋中之支撐臂之金屬熱擴散 器，其中該嵌入之支撐臂並未直接剛性接合足部固定於 基板，且其中在該熱擴散器及該模蓋之一模塑化合物之 一介面處將該熱擴散器之一下表面化學粗糙化。 12·如申請專利範圍第丨i項之封裝，其中該熱擴散器由金屬 製造。 13.如申請專利範圍第i 2項之封裝，其中該熱擴散器係由銅 製造。 14·如申請專利範圍第1 1項之封裝，其中該熱擴散器具有四 -2- 79056-970131.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1303471 A8 « ’ B8 C8 --------D8 六、申請專利範圍 個支撐臂，其構型可使其下端與通常為矩形陣列之基板 表面接觸。 15.如申凊專利範圍第丨4項之封裝，其中該熱擴散器具有四 個支撐臂，其構型可使其下端與通常為方形陣列之基板 表面接觸。 16·如申請專利範圍第12項之封裝，其中該金屬熱擴散器之 下表面在熱擴散器與模蓋模塑化合物處介面係化學粗糙 化。 17.如申明專利範圍第丨2項之封裝，其中該金屬熱擴散器之 下表面包含在熱擴散器與模蓋之模塑化合物之介面處之 一層黑氧化銅。 18·如申請專利範圍第丨6項之封裝，其中該熱擴散器之粗糙 化下表面之粗糙度為〇·5 μιη至1() μηι。 19. 如申請專利範圍第18項之封裝，其中該熱擴散器之粗糙 化下表面之粗糙度為〇.5 μηι。 20. 如申請專利範圍第17項之封裝，其中該黑氧化銅層有一 厚度為3 μ m至1 5 μ m。 21 ·如申請專利範圍第2 〇項之封裝，其中該黑氧化銅層之厚 度為7 μιη。 22. 如申請專利範圍第12項之封裝，其中該熱擴散器為鋼製 成。 23. 如申請專利範圍第丨丨項之封裝，其中該覆於半導體裝置 上之熱擴散器之一部分向下穿出至半導體裝置之上表 面’且模蓋之對應部分在半導體裝置之上表面與熱擴散 79056-970131. doc

   A8 B8 C8 D8

   申請專利範圍 1303471 器之間較周圍為薄。 24.2塑料球柵陣列半導體封裳，包括具有嵌 二撑臂之金屬熱擴散器’其中該任何與基板固定：： 臂係利用彈性材料固定。 又之支拉 其中該彈性材之料彈性 其中该彈性材料之彈性 其中該彈性材料之彈性 其中該彈性材料包含彈 其中該彈性黏劑為矽黏 其中該熱擴散器由金屬 其中該熱擴散器有四個 25.如申請專利範圍第2 4項之封裝 模數為 0.5 MPa 至 100 MPa。 26·如申請專利範圍第2 5項之封裝 模數在1 MPa至1 〇 MPa之範圍。 27·如申請專利範圍第2 5項之封震 模數為5.5 MPa。 28. 如申請專利範圍第2 4項之封裝 性黏劑。 29. 如申請專利範圍第2 8項之封裝 劑。 30·如申請專利範圍第2 4項之封裝 製成。 31·如申請專利範圍第2 4項之封裝 其構型可使其下端與矩形陣列之基板表面接 32. =:專：範圍第31項之封裝’其中該熱擴散器有四個 =牙，、構型可使其下端與方形陣列之基板 觸。 ^ 33. 如申請專利範圍第24項之封裝，其中覆於半導體裝置之 上表面之熱擴散器之一部分向下穿出至半導體裝置之上 -4- 79056-970131.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 470313 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍 表面，且對應之模蓋部分在半導體裝置之上表面與熱擴 器之間較其四周為薄。 79056-970131.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)