專利名稱:具散熱器的球門陣列封裝體及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明有關(guān)于半導(dǎo)體芯片的封裝,特別是關(guān)于一種球門陣列(ball gridarray;BGA)封裝體。
背景技術(shù):
因為具有高接腳數(shù)與高速的性能,球門陣列封裝體已成為先進(jìn)集成電路產(chǎn)品主流的封裝型式。上述先進(jìn)集成電路產(chǎn)品在運作過程中會產(chǎn)生大量的熱,因此需要加上散熱器(heat spreader)而成為具散熱器的球門陣列(heatspreader ball grid array;HSBGA)封裝體,以幫助散熱。然而,上述具散熱器的球門陣列封裝體會在熱循環(huán)/熱沖擊試驗時產(chǎn)生較高的應(yīng)力,且低介電常數(shù)(low k;LK)材料的強(qiáng)度較低,而在上述具散熱器的球門陣列封裝體中發(fā)生龜裂或脫層,而在上述檢定試驗中被判定拒收。低介電常數(shù)材料的介電常數(shù)小于3.9(二氧化硅的介電常數(shù)),在先進(jìn)的微電子組件中作為隔離相鄰的金屬導(dǎo)線的材料(稱為層間介電層或金屬間介電層)。低介電常數(shù)材料可降低導(dǎo)線間的串音效應(yīng)(cross talk)。所謂的低介電常數(shù)芯片(LK die),即為具有低介電常數(shù)的金屬間介電層的芯片,亦即,其金屬間介電層是使用低介電常數(shù)材料。
熱循環(huán)試驗是用以測試受測物在極高溫與極低溫下的耐受能力,并使其曝露在極高溫與極低溫之間的溫度循環(huán)。熱沖擊試驗是用以評估凝態(tài)組件曝露在大幅度的溫差之下,抵抗作用于其上的熱應(yīng)力的能力。熱沖擊會導(dǎo)致芯片的龜裂或脫層、封裝材的開口或封裝體的裂縫、以及電性的改變。當(dāng)熱循環(huán)/熱沖擊試驗超過30次循環(huán)時,就視為破壞性的試驗。
覆晶封裝體的成本約為具散熱器的球門陣列封裝體的10倍,將其取代具散熱器的球門陣列封裝體時,并不具成本效益。
Suzuki等人在美國專利US 5,977,633中揭露一半導(dǎo)體組件,其具有鏤空的金屬基封裝基板;Bechtel等人在美國專利US 5,223,741中揭露一集成電路的封裝結(jié)構(gòu);Nahesh等人在美國專利US 5,585,671中揭露一低熱絕緣性(thermal resistance)的封裝體,適用于高能覆晶芯片;Novotny等人在美國專利US 6,462,410中揭露具散熱器的集成電路組件;Kucharek在美國專利US 4,748,495中揭露具散熱器的多芯片模塊的封裝體。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此,本發(fā)明的主要目的是提供一種具散熱器的球門陣列封裝體及其形成方法,以改善其熱循環(huán)/熱沖擊試驗時的可靠度。
為達(dá)成本發(fā)明的上述目的,本發(fā)明提供一種具散熱器的球門陣列封裝體及其形成方法,如以下所述。首先,提供一半導(dǎo)體芯片,其固定于一球門陣列基板。接下來,在上述球門陣列基板上,將上述半導(dǎo)體芯片封入一封裝膠體。然后,將一散熱器置于上述球門陣列基板上,并使上述封裝膠體與上述散熱器之間具有一間隔。以及,至少于上述散熱器與上述封裝膠體之間的上述間隔內(nèi),置入一散熱膏(thermal grease),而藉以形成本發(fā)明的具散熱器的球門陣列封裝體。亦可以將散熱膏置于上述封裝膠體上后,再將上述散熱器置于上述球門陣列基板上。本發(fā)明亦包含上述方法所形成的具散熱器的球門陣列封裝體。
圖1為一剖面圖,是顯示用于本發(fā)明第一與第二實施例的球門陣列封裝結(jié)構(gòu)。
圖2A為一剖面圖,是顯示本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)。
圖2B為一剖面圖,是顯示本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)。
符號說明10~半導(dǎo)體芯片 12~球門陣列基板14~球狀接合物 16~導(dǎo)線18~封裝膠體 20~散熱器21~周邊延伸部 22~環(huán)氧樹脂黏著劑24~散熱器 30~間隔32~散熱膏 34~間隔36~散熱膏 40~支柱42~強(qiáng)化材 44~環(huán)氧樹脂黏著劑46~環(huán)氧樹脂黏著劑 100~球門陣列封裝結(jié)構(gòu)102、104~具散熱器的球門陣列封裝體
具體實施例方式
為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂,下文特舉一較佳實施例,并配合所附圖標(biāo),作詳細(xì)說明如下請參考圖1,為一剖面圖,是顯示使用于下列本發(fā)明的第一及第二實施例的球門陣列封裝結(jié)構(gòu)100。
球門陣列封裝結(jié)構(gòu)100包含一半導(dǎo)體芯片10,置于并藉由例如導(dǎo)線16電性連接于一基板12上。基板12包含多個球狀接合物14,置于與半導(dǎo)體芯片10所在,相反側(cè)的表面上。
半導(dǎo)體芯片10較好是包含硅、鍺、或硅鍺(silicon germanium;SiGe),而更好為硅。當(dāng)半導(dǎo)體芯片10為硅時,其熱膨脹系數(shù)較好為2.5~3.5,更好為2.8;當(dāng)半導(dǎo)體芯片10為鍺時,其熱膨脹系數(shù)較好為5.5~6.5,更好為6.1。
球狀接合物較好為含鉛的錫鉛共晶合金(63% Sn-37% Pb)、無鉛的錫銀合金(96.5% Sn-3.5% Ag)、錫銀銅合金(95.5%Sn-3.8%Ag-0.7%Cu)、或錫銀銅銻合金(96.2%Sn-2.5%Ag-0.8%Cu-0.5%Sb),如果有環(huán)保的考量時,較好以錫銀合金取代目前最常使用的錫鉛共晶合金。
將半導(dǎo)體芯片10與導(dǎo)線16封入封裝膠體18內(nèi)。封裝膠體18較好為包含(a)環(huán)氧樹脂其含量較好為10~20wt%。其作為黏結(jié)劑(binder),可增加成型性(moldability)、硬化速度、液化時的黏度、與抗孔洞性(resistanceto voiding)。其亦可減少封裝膠體偏移與導(dǎo)線偏移(wire sweep);其又可以控制離子濃度,例如為酚醛樹脂(Cresol-Novolac epoxy)(高溫)或雙酚醛類樹酯(Diglycidyl Ether of Bisphenol A;DGEBA)。
(b)固化劑(curing agent)其含量較好為5~15wt%。其功能為增加成型性、改善電性、增加抗熱性與抗?jié)裥?。例如為胺類、酚類、或酸?acidanhydrides)類。
(c)催化劑低含量,較好為約1wt%。其功能為增加聚合率以減少封膠時的硬化時間。例如為胺類、咪唑類(imidazoles)、有機(jī)磷化氫類(organophosphines)、尿素類(ureas)、路易士酸類(Lewis acids)、或較好為上述的有機(jī)鹽類。
(d)偶合劑(coupling agent)低含量,較好為小于2wt%。其功能為提升聚合物本體與無機(jī)填充物之間的界面黏著性(interfacial adhesion)、調(diào)整封裝膠體的黏度。例如為硅烷類、鈦酸鹽類、鋁的螯合物(aluminumchelates)、或鋯鋁酸鹽類(zircoaluminates)。
(e)填充物(filler)其含量較好為50~75wt%。其功能為降低封裝膠體的熱膨脹系數(shù)、增加導(dǎo)熱性、改善電性與機(jī)械性質(zhì)、減少在分模線(partingline)的溢膠(resin bleed)、及減少收縮量。例如為磨碎的熔化硅砂(groundfused silica)(被廣泛使用)、氧化鋁。
(f)防火劑(flame retardant)其含量較好為2~5wt%。其功能為延緩著火的時間。例如為溴化環(huán)氧樹脂、三氧化二銻。
(g)脫膜劑(mold-release agent)微量。其功能為幫助將封裝體與模具分離、減少水氣入侵與腐蝕。例如為聚硅氧(silicone)、碳?xì)浠衔锵?hydrocarbon waxes)、含有機(jī)酸根的鹽類。
(h)著色劑其含量較好為約5wt%。其功能為降低光活性(photonicactivity)、提供組件可見度及/或美觀性(aesthetics)。例如為碳黑。
(i)應(yīng)力松弛劑其含量較好為約1wt%。其功能為抑制裂縫的增殖、減少裂縫的產(chǎn)生、降低熱機(jī)械收縮。例如為聚硅氧、丙烯睛-丁二烯(Acrylontrile-Butadiene)橡膠、聚丁基甲酯(polybutyl acrylate)封裝膠體18的熱膨脹系數(shù)較好為5~12或15,更好則約為7.0。
第一實施例請參考圖2A,為一剖面圖,是顯示本發(fā)明第一實施例的具散熱器的球門陣列封裝體102。
散熱器20是置于并覆于球門陣列封裝結(jié)構(gòu)100上,并與封入半導(dǎo)體芯片10的封裝膠體18之間具有一間隔30。散熱器20是類似于倒的方形烤盤的形狀,并具有一周邊延伸部21。周邊延伸部21是如圖2A所示,藉由環(huán)氧樹脂黏著劑22固定于基板12。
散熱器20較好為包含銅、鋁、鍍鉻的銅、鍍鉻的鋁、鍍鎳的銅、鍍鎳的鋁、不銹鋼、或其它材料,而更好為銅。散熱器20的熱膨脹系數(shù)依材質(zhì)不同,較好為10~25,更好約為17,即是其材質(zhì)為銅時。
之后更可以在進(jìn)行其它制程。例如可使用黏著劑將散熱器20置于一印刷電路板或一強(qiáng)化材上。
本發(fā)明的一重要特征,是將散熱膏32置入并填入散熱器20與封裝膠體18之間的間隔30。雖然不需要使散熱膏32完全填滿間隔30,但是填滿度愈高,效果愈好。較好為在開始充填散熱膏32之處,留下一小段間隔30,預(yù)留散熱膏32膨脹的空間以釋放應(yīng)力。
亦可以先將散熱膏32置于封裝膠體18上后,在將散熱器20置于其上。
散熱膏32,亦稱為熱導(dǎo)接口物質(zhì)(therma linterface materials;TIM),較好為一膠體(硅膠),內(nèi)含導(dǎo)熱粒子例如氧化鋅、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、陶瓷填充物、或其它具導(dǎo)熱性的材料。
散熱膏32為一導(dǎo)熱性的材料,在熱膨脹系數(shù)例如約為17的散熱器20與熱膨脹系數(shù)例如約為7的封裝膠體18之間,作為一導(dǎo)熱界面。如此可減少兩者間的熱應(yīng)力,并已證實在本發(fā)明第一實施例的具散熱器的球門陣列封裝體102中,減少了50%~90%(依據(jù)所選擇的散熱膏32種類及其填充方式而定)的裂縫與脫層的情形。具散熱器的球門陣列封裝體的散熱性能優(yōu)于覆晶型式的球門陣列封裝體,且不會受到高應(yīng)力而損傷到具低介電常數(shù)材料的芯片。
第二實施例請參考圖2B,為一剖面圖,是顯示本發(fā)明第一實施例的具散熱器的球門陣列封裝體104。
在球門陣列封裝結(jié)構(gòu)100的封裝膠體18的周為形成一支柱40與其間隔配置(支柱40大體呈四方環(huán)狀)。支柱40包含一強(qiáng)化材42,藉由環(huán)氧樹脂黏著劑44固定于基板12。強(qiáng)化材42較好是包含銅、鋁、鍍鉻的銅、鍍鉻的鋁、鍍鎳的銅、鍍鎳的鋁、或其它材料例如不銹鋼,更好為銅。
散熱器24是藉由環(huán)氧樹脂黏著劑,固定于支柱40的上端,因此散熱器24是覆于球門陣列封裝結(jié)構(gòu)100上而與封入半導(dǎo)體芯片10的封裝膠體18之間具有一間隔34。
散熱器24較好為包含銅、鋁、鍍鉻的銅、鍍鉻的鋁、鍍鎳的銅、或鍍鎳的鋁,而更好為銅。散熱器20的熱膨脹系數(shù)依材質(zhì)不同,較好為10~25,更好約為17,即是其材質(zhì)為銅時。
之后更可以在進(jìn)行其它制程。例如可使用黏著劑將散熱器24置于一印刷電路板或一強(qiáng)化材上。
本發(fā)明的一重要特征,是將散熱膏36置入并填入散熱器24與封裝膠體18之間的間隔34。較好為在開始充填散熱膏36之處,留下一小段間隔34,預(yù)留散熱膏36膨脹的空間以釋放應(yīng)力。
亦可以先將散熱膏36置于封裝膠體18上后,在將散熱器24置于其上。
散熱膏36,亦稱為熱導(dǎo)接口物質(zhì)(thermal interface materials;TIM),較好為一膠體(硅膠),內(nèi)含導(dǎo)熱粒子例如氧化鋅、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、陶瓷填充物、或其它具導(dǎo)熱性的材料。
散熱膏36為一導(dǎo)熱性的材料,在熱膨脹系數(shù)例如約為17的散熱器24與熱膨脹系數(shù)例如約為7的封裝膠體18之間,作為一導(dǎo)熱界面。如此可減少兩者間的熱應(yīng)力,并已證實在本發(fā)明第二實施例的具散熱器的球門陣列封裝體104中,減少了50%~90%(依據(jù)所選擇的散熱膏36種類及其填充方式而定)的裂縫與脫層的情形。具散熱器的球門陣列封裝體的散熱性能優(yōu)于覆晶型式的球門陣列封裝體,且不會受到高應(yīng)力而損傷到具低介電常數(shù)材料的芯片。
在本發(fā)明第一、二實施例的具散熱器的球門陣列封裝體102、104中,散熱膏32、36是作為緩沖層以釋放分別來自散熱器20、24的應(yīng)力,并將熱量由封裝膠體18傳導(dǎo)至散熱器20、24,而將熱量自半導(dǎo)體芯片10/封裝膠體18排除。散熱膏32、36須具有高導(dǎo)熱性、高黏度、與高彈性。
本發(fā)明是具有以下優(yōu)點(1)可將具散熱器的球門陣列封裝應(yīng)用于具低介電常數(shù)材料的芯片;(2)降低具低介電常數(shù)材料的芯片所受的應(yīng)力沖擊;(3)高散熱性;(4)降低封裝成本;(5)不須變更現(xiàn)有制程設(shè)備;(6)封裝膠體的選擇性較大。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上,然其并非用以限定本發(fā)明,任何熟習(xí)此技藝者,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),當(dāng)可作些許的更動與潤飾,因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求范圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種具散熱器的球門陣列封裝體的形成方法,包含提供一半導(dǎo)體芯片,其固定于一球門陣列基板;在該球門陣列基板上,將該半導(dǎo)體芯片封入一封裝膠體;將一散熱器置于該球門陣列基板上,并使該封裝膠體與該散熱器之間具有一間隔;以及至少于該散熱器與該封裝膠體之間的該間隔內(nèi),置入一散熱膏。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具散熱器的球門陣列封裝體的形成方法,其中該封裝膠體包含環(huán)氧樹脂與固化劑;該散熱器包含銅、鋁、鍍鉻的銅、鍍鉻的鋁、鍍鎳的銅、或鍍鎳的鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具散熱器的球門陣列封裝體的形成方法,其中散熱膏具有內(nèi)含導(dǎo)熱粒子的硅膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具散熱器的球門陣列封裝體的形成方法,更包含于該半導(dǎo)體芯片與該封裝膠體以外的該球門陣列基板上,形成一支柱,且該散熱器是置于該支柱上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具散熱器的球門陣列封裝體的形成方法,更包含于該半導(dǎo)體芯片與該封裝膠體以外的該球門陣列基板上,形成一支柱,且該支柱包含一強(qiáng)化材,而該散熱器是置于該支柱上。
6.一種具散熱器的球門陣列封裝體的形成方法,包含提供一半導(dǎo)體芯片,其固定于一球門陣列基板;在該球門陣列基板上,將該半導(dǎo)體芯片封入一封裝膠體;將一散熱膏置于該半導(dǎo)體芯片上;將一散熱器置于該球門陣列基板與該散熱膏上;以及將該散熱器置于一印刷電路板或具有強(qiáng)化材的黏著劑上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具散熱器的球門陣列封裝體的形成方法,其中該封裝膠體包含環(huán)氧樹脂與固化劑;該散熱器包含銅、鋁、鍍鉻的銅、鍍鉻的鋁、鍍鎳的銅、或鍍鎳的鋁。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具散熱器的球門陣列封裝體的形成方法,其中散熱膏具有內(nèi)含導(dǎo)熱粒子的硅膠。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具散熱器的球門陣列封裝體的形成方法,更包含于該半導(dǎo)體芯片與該封裝膠體以外的該球門陣列基板上,形成一支柱,且該散熱器是置于該支柱上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具散熱器的球門陣列封裝體的形成方法,更包含于該半導(dǎo)體芯片與該封裝膠體以外的該球門陣列基板上,形成一支柱,且該散熱器包含一強(qiáng)化材,而該散熱器是置于該支柱上。
11.一種具散熱器的球門陣列封裝體,包含一球門陣列基板;一半導(dǎo)體芯片,其固定于一球門陣列基板;一封裝膠體在該球門陣列基板上,將該半導(dǎo)體芯片封入于其中;一散熱器置于該球門陣列基板上,與該封裝膠體之間具有一間隔;以及一散熱膏,至少于該散熱器與該封裝膠體之間的該間隔內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中該封裝膠體包含環(huán)氧樹脂與固化劑;該散熱器包含銅、鋁、鍍鉻的銅、鍍鉻的鋁、鍍鎳的銅、或鍍鎳的鋁。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中散熱膏具有內(nèi)含導(dǎo)熱粒子的硅膠,該導(dǎo)熱粒子包含氧化鋅、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、陶瓷填充物、或其它具導(dǎo)熱性的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中該封裝膠體的熱膨脹系數(shù)為5~15;該散熱器的熱膨脹系數(shù)為10~25。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中該半導(dǎo)體芯片為硅芯片,其熱膨脹系數(shù)為2.5~3.5。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中該散熱器具有倒的方形烤盤的形狀,并具有一周邊延伸部;該散熱器是藉由該周邊延伸部,并使用一環(huán)氧樹脂黏著劑置于該球門陣列基板上。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中該散熱器具有倒的方形烤盤的形狀,并具有一周邊延伸部;且該散熱膏填滿該間隔。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具散熱器的球門陣列封裝體,更包含一支柱,形成于該半導(dǎo)體芯片與該封裝膠體以外的該球門陣列基板上,且該散熱器是置于該支柱上。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具散熱器的球門陣列封裝體,更包含一支柱,形成于該半導(dǎo)體芯片與該封裝膠體以外的該球門陣列基板上,且該支柱包含一強(qiáng)化材,而該散熱器是置于該支柱上。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具散熱器的球門陣列封裝體,更包含一支柱,形成于該半導(dǎo)體芯片與該封裝膠體以外的該球門陣列基板上,且該支柱包含一銅強(qiáng)化材,而該散熱器是置于該支柱上。
21.一種具散熱器的球門陣列封裝體,包含一球門陣列基板;一半導(dǎo)體芯片,其固定于一球門陣列基板;一封裝膠體在該球門陣列基板上,將該半導(dǎo)體芯片封入于其中;一散熱膏,于該封裝膠體上;一散熱器置于該球門陣列基板、該封裝膠體、與該散熱膏上;以及一印刷電路板或強(qiáng)化材置于將該散熱器上。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中該封裝膠體包含環(huán)氧樹脂與固化劑;該散熱器包含銅、鋁、鍍鉻的銅、鍍鉻的鋁、鍍鎳的銅、或鍍鎳的鋁。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中散熱膏具有內(nèi)含導(dǎo)熱粒子的硅膠,該導(dǎo)熱粒子包含氧化鋅、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、陶瓷填充物、或其它具導(dǎo)熱性的材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中該封裝膠體的熱膨脹系數(shù)為5~15;該散熱器的熱膨脹系數(shù)為10~25。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中該半導(dǎo)體芯片為硅芯片,其熱膨脹系數(shù)為2.5~3.5。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中該散熱器具有倒的方形烤盤的形狀,并具有一周邊延伸部;該散熱器是藉由該周邊延伸部,并使用一環(huán)氧樹脂黏著劑置于該球門陣列基板上。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的具散熱器的球門陣列封裝體,其中該散熱器具有倒的方形烤盤的形狀,并具有一周邊延伸部;且該散熱膏填滿于該封裝膠體與該散熱器之間。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的具散熱器的球門陣列封裝體,更包含一支柱,形成于該半導(dǎo)體芯片與該封裝膠體以外的該球門陣列基板上,且該散熱器是置于該支柱上。
29.根據(jù)權(quán)利要求21所述的具散熱器的球門陣列封裝體,更包含一支柱,形成于該半導(dǎo)體芯片與該封裝膠體以外的該球門陣列基板上,且該支柱包含一強(qiáng)化材,而該散熱器是置于該支柱上。
30.根據(jù)權(quán)利要求21所述的具散熱器的球門陣列封裝體,更包含一支柱,形成于該半導(dǎo)體芯片與該封裝膠體以外的該球門陣列基板上,且該支柱包含一銅強(qiáng)化材,而該散熱器是置于該支柱上。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種具散熱器的球門陣列封裝體及其形成方法。其形成方法包含提供一半導(dǎo)體芯片,其固定于一球門陣列基板;在上述球門陣列基板上,將上述半導(dǎo)體芯片封入一封裝膠體;將一散熱器置于上述球門陣列基板上,并使上述封裝膠體與上述散熱器之間具有一間隔;以及至少于上述散熱器與上述封裝膠體之間的上述間隔內(nèi),置入一散熱膏(thermal grease);從而形成本發(fā)明的具散熱器的球門陣列封裝體,可以先將散熱膏置于上述封裝膠體,再將上述散熱器置于上述球門陣列基板上。
文檔編號H01L23/42GK1619798SQ20041009132
公開日2005年5月25日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月20日
發(fā)明者黃永盛, 郭彥良, 林裕庭 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司