TW201220444A - Semiconductor package device with a heat dissipation structure and the packaging method thereof - Google Patents

Description

201220444 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 種在有置^且=半導體封裝元件’特別是有關於-體封裝元件的 =果咖導係數之散熱結構以增加半導 【先前技術】

之截I參21 知技術之球㈣陣贿裝元件 之截面W圖。球柵式陣列封裝元件⑽具有

粒120設置在載板或基板110上，且利用導線13〇與載才I 11〇形成電性連接。在相對於設置晶粒12〇的載板ιι〇的 表面上設置複數個連接^件⑽。半導體晶粒i2G的熱膨 脹係數的最佳範圍大約是2. 5χ1(Γ6/κ至3. 5χ1〇_6/κ。因此， -般為了散熱的緣故，係在封裝體⑷及航nG表面上 設置-散熱裝f 160 ’如第2圖所示，藉此來增加封裝元 件的散熱效率。 目前球栅式陣列塑膠封裝形式屬於常見的封裝應 用，其主要散熱機制來自於印刷電路板的大型散熱面積， 當大部份的熱產生並透過载板的孔洞與錫球將熱傳導至印 刷電路板時，印刷電路板有足夠的空間與空氣以輻射與熱 對流方式進行熱父換，進而達到散熱的目的。以散熱比例 來看，晶粒產生的熱會有將近85°/。〜95%由此路徑散熱。因 此球栅式陣列塑膠封裝可以解決的散熱能力主要取決於印 刷電路板的設計，當系統小型化的需求產生時，印刷電路 板縮小將會造成此類型封裝體散熱的問題。因此，封裝體 201220444 上方增加散熱機制是系統段常見的散熱手法，特過此手法 增加封裝體頂部的散熱路徑性能，並將晶粒熱源散熱比例 由原先的5%〜1〇%提升至15%〜25%。但是此種手段的散熱能 1有限，即使增加更大的散熱器，可以帶走的熱源將會固 =在一比例之下，因此這類型封裝體的散熱極限往往無法 犬破10 Watts以上的散熱需求。上述無法突破

Mj的散熱極限是受限於封裝體厚度的關係，在打線設計 規範（wire bond design mle)中有規範導線頂端與封裝體 之間的距離以及導線頂端與連接至載板端的距離不得小於 4 mUe。因此，晶粒上方的厚度至少要超過8 mile。這之 間填充材質其熱傳導係數大多介於0. 1 W/m-K〜1. G W/m-K。 因此’造成熱傳導上的束缚，即使有改良制具散熱結構 之球柵式陣騎裝元件，其設計錢用上也無法提供間隙 ^高的縱向熱傳導，僅增強封裝體的平面擴散熱傳導性 月匕’如何提升球栅式陣列塑膠封裝的散熱性能，當務之各 就是解決縱向傳導上的低傳導特性。 〜 因此，隨著製程能力提升與電子產品小型化的發展趨 + ’積體電路晶片的功率增加與封裝體的散熱需求成為常 =要面臨到的問題。因此’如何提供積體電路封裝體且有 良好散熱性能是—項重要的課題。 、 【發明内容】 根據上述習知技術之問題，本發明的主要目的係提供 熱料係數之錢結_定在晶粒上，以提升在 導體封裝元件中縱向傳導性能以及與減少封裝體之間的 6 201220444 間隙。 本發明的另一目的係係提供一具高熱傳導係數之散 熱結構固定在晶粒上，可以提升外部散熱器的散熱效果， 藉此以減少散熱器面積且可以降低使用的成本。 本發明的再一目的係利用設置在晶粒表面上之散熱 結構來增加半導體封裝元件的縱向傳導性能，使其結合外 部散熱機制應用時可以提高整個封裝元件的散熱能力。 本發明的又一目的係提供一種具有散熱結構之半導 • 體封裝元件可以增加半導體封裝元件的應用層面，當較高 功率的晶粒需要評估封裝樣式時，此種形式的封裝元件的 設計不需要用到覆晶球柵式陣列封裝元件（FCBGA)的樣式 即可以達到與覆晶球柵式陣列封裝元件有相同的散熱效 果。 本發明的更一目的係提供一種具有散熱結構之半導 體封裝元件可以增加外部散熱結構的散熱效果，藉此可以 減小散熱裝置面積與使用較便宜的材質。 • 根據上述目的，本發明揭露一種具有散熱結構之半導 體封裝元件之封裝方法，其包含：提供一晶圓，具有上表 面及下表面，配置有複數個晶粒；切割晶圓以得到複數個 晶粒，且每一個晶粒具有主動面及背面，且於主動面上配 置有複數個焊墊；提供載板，具有上表面及下表面，於上 表面配置有複數個第一連接端點及於下表面配置有相對於 第一連接端點之複數個第二連接端點且於上表面設置有複 數個晶片置放區；貼附每一個晶粒在載板之每一個晶粒置 放區上，係將每一個晶粒之該主動面朝上將每一個晶粒之 L j i 7 201220444 背面貼附在載板之晶粒置放區上〜 複數條導線以電性連接複數個晶粒之=打線製程以形成 及該載板之上表面之第一連接 面上之複數焊墊 數個晶粒之該主動面上且與複數個焊散熱結構在複 :封步驟’以包覆複數個晶粒、散熱 板之下表面且與配置於下表面之/ =數個連接元件在載

及切宝彳封f體，u第—連接端點電性連接； 刀。m裝㉟㈣切數個完成封I 根據上述之封裝方法，本發 " 構之车> 發月逻揭路一種具有散熱結 =之+導體封裝其包含：㈣，具有上表面及下表 於上表面配置有複數個第—連接端點及於下表面配置 相對於第連接知點之複數個第二連接端點；晶粒，具 有一主動面及一背面，且於主動面上配置有複數個焊墊， 且以主動面朝上將晶片之背面設置在載板之上表面上；複 數條導線’係用以電性連接該晶粒之主動面上之複數個焊 塾及載板之第一連接端點；一散熱結構，設置在晶粒之主 動面上且介於複數個焊墊之間且與複數個焊墊電性分離； 一封裝體，用以包覆晶粒、複數條導線、散熱結構及載板 之部份上表面；及複數個連接元件，設置在載板之下表面 且與下表面之複數個第二連接端點電性連接。 為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明 顯易懂，下文特舉一較佳實施例，旅配合所附之圖示，做 詳細說明如下。 【實施方式】 201220444 製造及使財發明之較佳實施·詳細㈣如 的是本發明提供了許多可制的創新概念，在 特下可以做廣泛的實施。此特定的實施例僅以 圍表示’以製造及使用本發明’但並非限制本發 首先明參考第3圖，係表示一晶圓之俯視 Γ下=供-晶圓丨。其具有-上表面(未在二

: 表面（未在圖中表示），且配置有複數個晶粒20 者’利用切割刀（未在圖中表示）根據晶目10上的切割線 在圖中表不）切割該晶圓10，以得到複數個晶粒20,如 第4圖所示。 戈

在此第4圖實施例中，每一個晶粒2〇具有一主動面 22及-背面24’且每一個晶粒2〇之主動面&上配置有複 數個焊塾26。接著，同樣參考第4圖，先提供-載板3〇, 具有上表面34及-下表面36’在上表面34配置有複數 個晶粒置放區(虛線區域)32，且在此晶粒置放區32的上表 面34 S&置有魏個第—連接端點4Q及在下表面％具有相 對應於複數個第—連接端點40之複數個第二連接端點 42。接著’將已經完成切割且檢測良好的每—顆晶粒別以 主動面22朝上的方式，逐—置放在載板⑽的上表面料之 曰曰粒。又置區32上。在此實施例中，更包含一黏著層(未在 圖中表示）設置在每一個晶粒20之背面24及载板3〇之上 表面34之間’用以固著晶粒20在載板30之上表面34之 上0 接著°月參考第5圖係表示利用導線電性連接晶粒及 [S ] 9 201220444 載板之截面示意圖。在第5圖中，係利用打線製程將複數 條導線50形成在晶粒20的主動面22的複數個焊墊26上， 且與配置在載板30之上表面34之複數個第一連接端點40 電性連接。 接著，請繼續參考第6A圖，在完成打線製程之後，在 每一個晶粒20的主動面22上，且在複數個焊墊26之間設 置一散熱結構60，此散熱結構60係利用銀膠或是非導電 膠固定在晶粒20之主動面22上、且設置在複數個焊墊26 φ 之間，並與複數個焊墊26彼此電性分離。使用散熱結構 60的目的是由於散熱結構60本身具有高的熱傳導係數而 可以提升半導體封裝元件縱向的熱傳導效能。在此實施例 中，散熱結構60可以是金屬材料例如銅，其熱傳導係數k 為389 W/m-K或是含銅之金屬化合物或是傳導係數k為210 W/m-K的鋁或是含鋁之金屬化合物。此外，在本發明的實 施例中，散熱結構60的形狀可以是圓柱體或是方柱體也可 以是非均勻的圓體或是方柱體。 • 接著，請參考第6B圖，係表示執行一塑封步驟以形 成封裝體包覆晶粒及導線及部份載板之上表面之截面示意 圖。在第6B圖中，係將一高分子材料例如環氧樹脂（epoxy res in)形成在晶粒20上，用以包覆住晶粒20、複數條導 線50、散熱結構60及載板30之部份上表面34以形成一 封裝體70。 接著，請參考第6C圖，係將複數個連接元件80形成 在載板30之下表面36且與下表面36之複數個第二連接端 點42電性連接，在此連接元件80可以是錫球（solder[s] 10 201220444 ball)。接著，利用切割刀（未在圖中表示）根據該載板3〇 上之切割線（sawing line)(未在圖中表示）切割該載板3〇 以得到複數個已完成封裝之半導體封裝元件。 另外，在本發明中還揭露另一較佳實施例，其製程流 程與前述第3圖至第5圖相同，然而不同的是在於：在完成 打線製程之後，在每一個晶粒2〇的主動面22上，且在複 數個焊塾26之間設置-散熱結構62，且此散熱結構犯.的 高度大於導線50的弧度，如第以圖所示。

同樣的，如第7A圖所示之散熱結構62係利用銀膠或 疋非導電膠固定在在晶粒2G之主動面22上且在複數個焊 墊26之間，然而和複數個焊墊％電性分離。使用散熱結 構62的目的是由於散熱結構62本身具有高的熱傳導係數 而可以提升半導體封裝元件縱向的熱傳導效能。在此實施 ^ ”口構62可以是金屬材料例如銅’其熱傳導係數 =389 ^含銅之金屬化合物或是傳導係數k為 ^—WAn-K的銘或是含銘之金屬化合物。此外，在本發明 =施:散熱結構62的形狀可以是圓柱體或是方柱體 也可以疋非均勻的圓體或是方柱體。 繼續如第7B圖所示，係將一高分子材料例 在晶粒20上’用以包覆住晶㈣、複 體r結構62及載板3〇之部份上表面34以 瓜成封裝體70，由於散熱結構⑽的高 度’因此當完成塑封步驟之後，散熱^、日粒^ 為直接連接之狀態且有部 曰曰粒20係 的Π樣疋為了错由散熱結構6〇的高度減少 201220444 與封裝體70之間的間隙而可以增加散熱效率，另外，散熱 結構62可直接利用熱傳導的方式將晶粒20所產生的熱能 向外引出，充分達到散熱之效。 最後請參考第7C圖，係將複數個連接元件80形成在 載板30之下表面34且與下表面36之複數個第二連接端點 42電性連接，在此連接元件80可以是錫球（solder ball)。 接著，利用切割刀（未在圖中表示）根據該載板30上之切割 線（sawing line)(未在圖中表示）切割該載板30以得到複 φ 數個已完成封裝之半導體封裝元件。 因此，根據上述實施例，此種具有散熱結構之半導體 封裝元件可以應用在具散熱結構之球柵式陣列封裝元件 (HSBGA, heat slug BGA)封裝元件上，其散熱效果可以達 到相似於高效能覆晶晶片球柵式陣列封裝元件（HFCBGA， high performance flip chip BGA)之散熱效能。此外，相 較於具有散熱結構（Heat slug)之球栅式陣列封裝元件，本 發明所揭露之具有散熱結構之半導體封裝元件具有較簡單 • 的形狀且製程簡單，於成本以及良率控制上較佳。 以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限 定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之 精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請 專利範圍内。 【圖式簡單說明】 第1圖係表示習知技術之球柵式陣列封裝元件之截面 不意圖， [s] 12 201220444 第2圖係表示習知技術之具散熱機制之球柵式陣列封 裝元件之截面示意圖； 第3圖係根據本發明所揭露之技術，表示一晶圓之俯 視圖， 第4圖係根據本發明所揭露之技術，表示將複數個晶 粒設置在具有晶粒置放區之載板上之截面不意圖， 第5圖係根據本發明所揭露之技術，表示利用打線製 程形成導線以電性連接晶粒與載板之截面不意圖， φ 第6A圖係根據本發明所揭露之技術，表示形成複數 個散熱結構在晶粒之主動面上之截面不意圖， 第6B圖係根據本發明所揭露之技術，表示形成高分 子材料以包覆具有散熱結構之晶粒之截面示意圖； 第6C圖係根據本發明所揭露之技術，表示已經完成 封裝步驟之半導體封裝元件； 第7A圖係根據本發明所揭露之技術，表示形成複數 個散熱結構在晶粒之主動面上之截面不意圖， • 第7B圖係根據本發明所揭露之技術，表示形成高分 子材料以包覆具有散熱結構之晶粒且曝露出散熱結構之截 面示意圖；及 第7C圖係根據本發明所揭露之技術，表示已經完成 封裝步驟之半導體封裝元件之截面示意圖。 【主要元件符號說明】 100球柵式陣列封裝元件 110載板 m 13 201220444 120半導體晶粒 130導線 140封裝體 150連接元件 160散熱裝置 10晶圓 20晶粒 22主動面 24背面 26焊墊 30載板 32晶粒置放區 34上表面 36下表面 40第一連接端點 42第二連接端點 50導線 60散熱結構 62散熱結構 70封裝體 80連接元件

Claims (1)

1. 201220444 七、申請專利範圍： 1. 一種具有散熱結構之半導體封裝元件之封裝方法，包 含： 提供一晶圓，具有一上表面及一下表面，且配置有 複數個晶粒， 切割該晶圓’以得到該些晶粒*且母一晶粒具有一 主動面及一背面，且於該主動面上配置有複數個焊墊； 提供一載板，具有一上表面及一下表面，於該上表 面配置有複數個第一連接端點及於該下表面配置有相對 於該些第一連接端點之複數個第二連接端點且於該上表 面設置有複數個晶粒置放區， 貼附每一該些晶粒在該載板之每一該晶粒置放區 上’係將該些晶粒之該主動面朝上將5玄些晶粒之該背面 貼附在該載板之該晶粒置放區上； 執行一打線製程以形成複數條導線以電性連接該 些晶粒之該主動面上之該些焊墊及該載板之該上表面之 該些第一連接端點； 形成一散熱結構在該些晶粒之該主動面上且與該 些焊墊電性分離； 執行一塑封步驟，形成一高分子材料以包覆該些晶 粒、該散熱結構、該些導線及該載板之該上表面以形成 一封裝體； 形成複數個連接元件在該載板之該下表面且與配 置於該下表面之該些第二連接端點電性連接；以及 切割該封裝體，以形成複數個完成封裝之封裝元 [S] 15 201220444 件。 2·如申請專利範圍第 為印刷電路板。 1項所述之封裝方法， 其中該載板 電膠在丄= 方法’更包含 ，在該導電70件及該晶粒之該主動面之間。

   第1項所述之封裝方法，S更包含一非 導，在該導電元件及該晶片之該主動面之間。 所述_方法，其中該散熱 7.如申請專利範圍第丨賴狀封裝方法 執 結構突出於該封裝體外部。 欢… 8· 一種具有散熱結構之半導體封裝元件，包含： 載板，具有一上表面及一下表面，於該上表面配 置有複數個第一連接端點及於該下表面配置有相對於該 些第一連接端點之複數個第二連接端點； 一晶粒，具有一主動面及一背面，且於該主動面上 配置有複數個焊墊，且以該主動面朝上將該晶片之該背 面設置在該載板之該上表面上； 複數條導線，係用以電性連接該晶粒之該主動面上 之該些焊墊及該載板之該些第一連接端點； 一散熱結構，設置在該晶粒之該主動面上且介於該 些焊墊之間且與該些焊墊電性分離； 一封裝體，用以包覆該晶粒、該些導線、該散熱結 201220444 構及該載板之部份該上表面；以及 複數個連接元件，設置在該載板之該 下表面之該些第二連接端點電性連接。 一該 9·如申請專利範圍第8項所述之半導體料 5亥载板為印刷電路板。 /、中 10.如申請專利範圍第8項所述之半導體 =彻在該載板之該上表面與該晶片之該ί 勺如八申請專利範圍第8項所述之半導體封裝元件，更 12 二銀膠在該散熱結構及該晶片之該主動面之間。 .勺如人申請專職圍第8項所述之半㈣職科，更 -非導電膠在該散熱結構及該晶片之該主動面 13·如申請專利_第8項所述之半導體元件，其中該 政熱結構與該晶粒直接接觸。 “·如申請專利範圍第8項所述之半導體元件，其中該 政熱結構突出於該封裝體外部。