TWI866712B - 散熱結構及其電子封裝件 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種散熱結構，用於電子封裝件，該散熱結構包括：板體，設於該電子封裝件之發熱源上，其中，該板體以金屬與非金屬複合材料所製成。本發明更提供一種配置有該散熱結構之電子封裝件。

Description

散熱結構及其電子封裝件

本發明涉及一種半導體封裝結構，尤指一種散熱結構及其電子封裝件。

隨著電子產品在功能及處理速度之需求的提升，作為電子產品之核心組件的半導體晶片需具有更高密度之電子元件(Electronic Components)及電子電路(Electronic Circuits)，故半導體晶片在運作時將隨之產生更大量的熱能。

因此，為了迅速將熱能散逸至外部，業界通常在半導體封裝件中配置散熱片(Heat Sink或Heat Spreader)，該散熱片通常藉由例如導熱介面材(Thermal Interface Material，TIM)之散熱體結合至晶片背面，以藉散熱體與散熱片逸散出半導體晶片所產生之熱量。

如圖1所示，習知半導體封裝件1之製法先將一半導體晶片11以其作用面11a利用覆晶接合方式(即透過導電凸塊110與底膠111)設於一封裝基板10上，再將一散熱件13以其頂片130藉由散熱體12結合於該半導體晶片11之非作用面11b上，且該散熱件13之支撐腳131透 過黏著層14架設於該封裝基板10上。於運作時，該半導體晶片11所產生之熱能經由該非作用面11b、散熱體12而傳導至該散熱件13之頂片130以散熱至該半導體封裝件1之外部。

然而，隨著該半導體晶片11之功能需求愈來愈多，其接點(I/O)數也愈來愈多，且所產生之熱能也越來越高，一般為金屬銅材質所製得之散熱件13已無法因應高散熱需求。

因此，如何克服上述習知技術的種種問題，實已成目前亟欲解決的課題。

鑑於上述習知技術之種種缺失，本發明提供一種散熱結構，用於電子封裝件，該散熱結構包括：板體，設於該電子封裝件之發熱源上，其內部形成腔室，其中，該板體以金屬與非金屬複合材料所製成；以及工作流體，容置於該腔室中，藉由該發熱源產生之熱能而在氣態與液態之間變換。

如前述之散熱結構中，該金屬為銅、鋁、不鏽鋼或其組合。

如前述之散熱結構中，該非金屬為石墨烯、鑽石或其組合。

如前述之散熱結構中，該板體包含上蓋及下蓋，該上蓋及該下蓋相互組配以於其間形成該腔室。

如前述之散熱結構中，更包含毛細結構，設於該下蓋上並位於該腔室中。

如前述之散熱結構中，更包含複數支撐柱，設於該上蓋上並位於該腔室中，且抵接該毛細結構。

如前述之散熱結構中，更包括支撐腳，係結合該下蓋，以供設於該電子封裝件上。

如前述之散熱結構中，該支撐腳為環狀或柱狀。

本發明更提供一種電子封裝件，包括：線路結構，具有相對之第一側與第二側；電子元件，配置於該線路結構之該第一側上；以及如前述之散熱結構，配置於該電子元件上。

如前述之電子封裝件中，更包括導電元件，配置於該線路結構之該第二側上。

綜上所述，本發明散熱結構以金屬與非金屬複合材料所製成，可具有高強度特性而能降低整體散熱片厚度，以及具有低密度特性而能降低重量，更具有高導熱特性而能提昇散熱能力，以供將該散熱結構結合於封裝件之電子元件上，有效因應高散熱需求。

1:半導體封裝件

10:封裝基板

11:半導體晶片

11a,31a:作用面

11b,31b:非作用面

110,310:導電凸塊

111:底膠

12,32:散熱體

13:散熱件

130:頂片

131:支撐腳

14,34:黏著層

2:散熱結構

20:板體

21:下蓋

21a,22a:內表面

21b,22b:外表面

22:上蓋

23:腔室

24:毛細結構

25:支撐柱

26:支撐腳

3:電子封裝件

30:線路結構

30a:第一側

30b:第二側

301:絕緣層

302:線路層

31:電子元件

311:絕緣材

33:導電元件

圖1為為習知半導體封裝件之剖面示意圖。

圖2為本發明散熱結構之剖面示意圖。

圖3為本發明電子封裝件之剖面示意圖。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「第一」、「第二」及「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。

圖2為本發明散熱結構2之剖面示意圖，該散熱結構2可為均溫板(Vapor Chamber)形式，其包括板體20、腔室23、毛細結構24及複數支撐柱25。

板體20包含下蓋21及上蓋22。下蓋21具有相對之內表面21a及外表面21b，上蓋22具有相對之內表面22a及外表面22b。下蓋21及上蓋22能以內表面21a、22a相對應的方向相互組配，經結合後以於在下蓋21及上蓋22之間形成腔室23。

本實施例中，在腔室23抽真空後注入有工作流體且容置於其中，而工作流體可為水、冷卻液、甲醇、丙酮、汞等，其在吸收熱能後可 相變為氣態，冷卻後可相變為液態。在實際運作時，工作液體在腔室23中可同時呈現出氣態與液態共存的情況。

在本實施例中，板體20是以金屬與非金屬複合材料所製成。

於一實施例中，該金屬為銅(楊氏模數0.13TPa、密度8.9g/cm³、熱傳導率400W/m.k)、鋁(楊氏模數0.07TPa、密度2.7g/cm³、熱傳導率315W/m.k)、不鏽鋼(楊氏模數0.19TPa、密度7.9g/cm³、熱傳導率16.3W/m.k)或其組合，該非金屬為石墨烯(楊氏模數1TPa、密度0.22g/cm³、熱傳導率5300W/m.k)、鑽石(楊氏模數1.2TPa、密度3.5g/cm³、熱傳導率2300W/m.k)或其組合，但本發明並不以此為限。

毛細結構24設置於下蓋21之內表面21a上並位於腔室23中，用以吸附液態的工作流體。

在本實施例中，毛細結構24可以是纖維(Fiber)、顆粒燒結體或金屬網體，其中，顆粒燒結體是指以金屬粉末(例如銅)燒結所形成之具有多個毛細孔或相連通孔洞的組織或結構，金屬網體則是指以金屬(例如銅)編織成之具有多個網目的編織網，但本發明並不以上述為限。

複數支撐柱25設置於上蓋22之內表面22a上且彼此相間隔，並位於腔室23中，於下蓋21及上蓋22相互組配，複數支撐柱25抵接毛細結構24。

在本實施例中，複數支撐柱25以平均分佈的方式形成於上蓋22之內表面22a，彼此間具有一定間距，以平均支撐上蓋22，避免上蓋22的中央部分凹陷。

於一實施例中，複數支撐柱25可以是圓柱體。在其他實施例中，複數支撐柱25也可以是方柱體或長條形。複數支撐柱25亦可以不規則分佈的方式形成於上蓋22之內表面22a，例如針對壓力集中區域來集中設置支撐柱25。

於一實施例中，上蓋22與複數支撐柱25可一體成形，也就是複數支撐柱25之材料可相同於上蓋22。

圖3為本發明電子封裝件3之剖面示意圖，電子封裝件3包括上述圖2之散熱結構2、線路結構30、電子元件31及導電元件33。

線路結構30例如為具核心層或無核心層(coreless)形式之基板，其包含至少一絕緣層301及至少一結合該絕緣層301之線路層302，並具有相對之第一側30a與第二側30b。

又，形成該線路層302之材質為銅，且形成該絕緣層301之材質例如為聚對二唑苯(Polybenzoxazole，簡稱PBO)、聚醯亞胺(Polyimide，簡稱PI)、預浸材(Prepreg，簡稱PP)等介電材或最外側層可為綠漆之防銲材。

電子元件31藉由複數導電凸塊310接置於該線路結構30之第一側30a上，以令電子元件31電性連接線路層302。

於本實施例中，電子元件31為主動元件、被動元件或其組合者，該主動元件例如為半導體晶片，而該被動元件例如為電阻、電容及電感。例如，該電子元件31為半導體晶片，其具有相對之作用面31a與非作用面31b，該作用面31a具有複數電極墊，以藉由複數如銲錫材料、金屬柱(pillar)或其它等之導電凸塊310利用覆晶方式設於該線路結構30之 第一側30a之線路層302上並電性連接該線路層302，且以底膠或非導電底部填充薄膜(NCF)等絕緣材311包覆該些導電凸塊310；亦或，該電子元件31可直接電性接觸該線路結構30之第一側30a之線路層302。因此，有關電子元件31電性連接該線路結構30之方式繁多，並不限於上述。

散熱結構2以其下蓋21之外表面21b經由散熱體32配置於電子元件31之非作用面31b上，以令電子元件31作為發熱源而將熱能傳遞至板體20及其內之工作流體，同時藉由支撐腳26結合至線路結構30之第一側30a上。

在本實施例中，散熱體32可例如為導熱介面材(Thermal Interface Material，簡稱TIM)、銲錫材、金屬材或其它導熱材料。

在本實施例中，支撐腳26以黏著層34結合於線路結構30之第一側30a與下蓋21之外表面21b，並環繞電子元件31而設置。於一實施例中，支撐腳26可以是環狀，但本發明並不以此為限，支撐腳26也可以是柱狀，例如二柱體分別位於電子元件31的相對二側，或是四柱體分別位於電子元件31的四個角落。

於一實施例中，支撐腳26可與下蓋21為一體成形，也就是支撐腳26之材料可相同於下蓋21。

導電元件33可例如為銲錫凸塊，配置於線路結構30之第二側30b上，並電性連接線路層302。

本發明散熱結構2的運作情形如下。電子元件31(發熱源)所產生之熱能經由散熱體32傳遞至下蓋21，在毛細結構24中的工作流體(液態)吸收熱能變化成氣態，並往上蓋22方向及複數支撐柱25之間的 腔室23移動。氣態之工作流體經與外部交換熱能後冷卻，並冷凝成液態，液態之工作流體將往下蓋21方向移動並由毛細結構24所吸收，以進行下一次散熱循環。

綜上所述，本發明散熱結構以金屬與非金屬複合材料所製成，可具有高強度特性而能降低整體散熱片厚度，以及具有低密度特性而能降低重量，更具有高導熱特性而能提昇散熱能力，以供將該散熱結構結合於封裝件之電子元件上，有效因應高散熱需求。

上述實施例用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

2:散熱結構

20:板體

21:下蓋

21a,22a:內表面

21b,22b:外表面

22:上蓋

23:腔室

24:毛細結構

25:支撐柱

26:支撐腳

3:電子封裝件

30:線路結構

30a:第一側

30b:第二側

301:絕緣層

302:線路層

31:電子元件

31a:作用面

31b:非作用面

310:導電凸塊

311:絕緣材

32:散熱體

33:導電元件

34:黏著層

Claims (8)

1. 一種散熱結構，用於電子封裝件，該散熱結構包括：板體，設於該電子封裝件之發熱源上，其內部形成腔室，其中，該板體以金屬與非金屬複合材料所製成，其中，該金屬為銅、鋁、不鏽鋼或其組合，該非金屬為石墨烯、鑽石或其組合；以及工作流體，容置於該腔室中，藉由該發熱源產生之熱能而在氣態與液態之間變換。
2. 如請求項1所述之散熱結構，其中，該板體包含上蓋及下蓋，該上蓋及該下蓋相互組配以於其間形成該腔室。
3. 如請求項2所述之散熱結構，更包含毛細結構，設於該下蓋上並位於該腔室中。
4. 如請求項3所述之散熱結構，更包含複數支撐柱，設於該上蓋上並位於該腔室中，且抵接該毛細結構。
5. 如請求項2所述之散熱結構，更包括支撐腳，係結合該下蓋，以供設於該電子封裝件上。
6. 如請求項5所述之散熱結構，其中，該支撐腳為環狀或柱狀。
7. 一種電子封裝件，包括：線路結構，具有相對之第一側與第二側；電子元件，配置於該線路結構之該第一側上；以及如請求項1至6中任一項所述之散熱結構，配置於該電子元件上。
8. 如請求項7所述之電子封裝件，更包括導電元件，配置於該線路結構之該第二側上。

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