TW556469B - IC package with an implanted heat-dissipation fin - Google Patents

Description

556469 五、發明說明（i) 發明領域： 本發明是關於一種内嵌散熱鰭片之電子元件，尤指一 種將散熱鰭片嵌入封裝膠體中、藉以將電子元件中之產熱 直接導出至周圍環境中之元件結構者。 I . 發明背景： 丨 按，電子封裝元件之散熱問題，隨著運用功率越來越 丨 大之發展趨勢，產品之散熱問題乃成為一不容忽視之課 題，在常見之電子設備運用中，較常見之散熱方法即有加 裝散熱鰭片、與於設備空間中加置一強迫風流風扇等兩 I種；惟，此二種散熱方法僅止於對電子元件設置環境產生 一加速導熱效果，至於對電子封裝元件本身晶片產熱之導 i出問題，卻是助益不大，尤其在運用為封裝膠體之環氧樹 I酉旨材料導熱性不佳先天條件下，如何將晶片之產熱迅速導 出，以避免内部熱量累積導致電子元件性能降低、或甚至 失效之努力，乃為刻不容緩。 ； 而為解決前述問題，半導體業界乃於電子元件之膠體 I内發展出各式各樣之增益散熱封裝，如所附之圖一至圖五 I即為各種不同型式之增益散熱封裝。 ' 請參閱圖一所示，係為一種内嵌散熱片（Drop-in 丨heat spreader)之示意圖；其中，電子封裝元件1之膠體 + 10内係封裝有一晶片11，晶片11之晶片墊12下方、間隔一 i預定間隙處、則植入有一内嵌散熱片1 3，用以將晶片1 1產 |生之熱量於膠體1 0内分散；惟，此一散熱方式僅是於膠體

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第5頁 556469 五、發明說明（2) 1 0内將晶片1 1之產熱分散，而且其内嵌散熱片1 3係鄰近電 ! 子封裝元件1與印刷電路板（未圖示）相對應之連接側1 0 0設 i · 置，非為通常有較廣散熱空間之散熱側200，故明顯地其 I _ 整體散熱效果仍是不佳。 _ 請參閱圖二所示，係為一具外露式晶片墊（Exposed d i e p a d )之電子封裝元件之示意圖；其中，至於晶片1 1下 \ 方之晶片墊12係以其下緣曝露於封裝膠體10之連接側100 上；惟，同前所述，此一設計係將主要散熱用之晶片墊12 ； I鄰近電子封裝元件1與印刷電路板（未圖示）相對應之連接 I ;

i側10 0設置，而非設在較廣散熱空間乏散熱側200，故同樣 丨H 地有整體散熱效果不佳之情況；而在習知技藝中，具外露 I式晶片墊1 2之電子封裝元件1通常需搭配主機板或印刷電 丨路板（未圖示）特定之露銅區設計，始能有效藉道主機板或

I !印刷電路板（未圖示）散熱，是以，除增加成本外，亦會使 _ I _ 丨加工之困難度增加。 . 請參閱圖三所示，係為一具外露式散熱凸塊式 |(Exposed heat slug)散熱片之電子封裝元件之示意圖； 丨 :其中，外露式散熱凸塊式散熱片13於膠體10内係直接接觸 I設置於晶片墊12之下方，此一設計雖可有效將膠體10内晶 |片11之產熱直接由散熱片13擴散並導出至電子封裝元件1 1馨 |之連接側100;惟，在製作上，因散熱片13與晶片墊12之 i公差配合精密度需求高，故其熱循環可靠度測試之失敗 I率亦高，因此，如圖所示之散熱設計目前並未大量使用於 I量產成品中。

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五、發明說明（3) 在前述圖一至圖三中， 一 屬於塑料方型扁平式封穿Γ 、封裝兀件1之封裝型式係 PQFP)’ 明顯地，因受限;tStic quad flat Packs， 甘山々％為α '鑄杈製程（Μ ο 1 d i n g)之設計，故 r介而拙卞+ b 置於電子封裝元件1之連接側1 〇〇 (亦即，鄰近主機板或印 ^ M ^ ^ 會六— P刷電路板側）為主；而同樣地散 熱需未，亦存在於球栅陳列 t 丨平夕u 封裝（Bal i gri(i array ia(： S，之電子封裝元件中，惟，在此類封裝型式 达邊，Φ "錫球引腳之特性，故其内鼓之散熱結構則是以 才 ，子封裝元件1之散熱側2 0 0 (亦即，遠離主機板或 印刷電路板側）。 j請參閱圖四所示，係為一具層疊晶片式（Stacked die)散熱片之BGA電子封裝元件之示意圖；其中，層疊晶 i片式散熱片1 3係於膠體！ 〇内疊置於晶片j 1上，故能將晶片 1 1之產熱單向導引至封裝膠體1 0之散熱側2 0 0 ;惟，在散 |熱片13之頂端因仍具有部分之膠體1〇材料，故其整體散熱 |效果同樣地亦受到膠體丨〇材料導熱性不佳之影響。 請參閱圖五所示，係為另一種具外露式散熱片 丨（Exposed drop-in heat spreader)之 BGA電子封裝元件之 i示意圖；其中，外露式散熱片13係以跨越晶片11之方式設 |置於膠體1 0中，散熱片1 3之兩端係架設於晶片墊1 2上，龙 以其頂端外露於電子封裝元件1之散熱側2 〇 〇 ;惟，此一設 計’雖能達到將晶片1 1之產熱分散於封裝膠體1 0之表面 (亦即散熱側2 0 0 )，但其導熱路徑卻須經由部分膠體1 〇材 料或是晶片墊1 2，故整體導熱效益亦是不佳。 556469 五、發明說明（4) 在前述各習知結構中，圖一至圖三主要是藉由鄰近電 子封裝元件1連接側1 0 0之散熱片1 3或晶片墊1 2進行晶片11 ♦ 產熱之擴散，而圖四與圖五之結構，則是藉由鄰近電子封 i ‘ ! 裝元件1散熱側20 0設置之散熱片13進行晶片11產熱之擴 1 Λ 散；惟，無論是BGA或是PQFP封裝型式之前述各種電子封 裝元件1結構，因受限於鑄模製程（Mol ding)之模穴（Mold | cavity)設計，故基本上均無法運用體積大於封裝膠體10 | 本身之散熱片1 3 ;是以，根據經驗知，無論是運用前述何 i 種散熱片1 3結構，亦僅能將電子封裝元件1之整體散熱效 果提升約2 0 %左右，故在一般之運用中，常需藉助外加式 _ i之散熱鰭片（External heat sink)或是強迫風流方能有效 I將晶片11之產熱有效排除至鄰近之大氣環境中。 | 請參閱圖六所示，即為於圖一中電子封裝裝元件1之 i散熱側2 0 0增設一散熱鰭片2之示意圖；其中，散熱鰭片2 係藉由一黏貼墊3固定於封裝膠體1 0之散熱側2 0 0，用以提 、 :供電子封裝元件1 一較大之散熱面積；惟，在此一設計 |中，除膠體1 0材料本身之導熱性不佳外，黏貼墊3本身亦 會形成膠體1 0與外加式散熱鰭片2間之接觸熱阻（C ο n t a c t i t h e r m a 1 r e s i s t a n c e )，直接影響整體結構之排熱效果。

! I 1 爰是，為求更進一步提升電子封裝元件本身散熱效果 儀 之努力，確是值得研究投入與重視。 i I發明概述： ί 本發明之主要目的，即是在提供一種内嵌散熱鰭片之 556469 五、發明說明（5) 電子封裝元件，藉由一内嵌至封裝膠體内之散熱鰭片，有 ‘ 效將晶片之產熱直接輸送至電子封裝元件散熱側之大氣環 * 境中擴散，藉此達成提升電子封裝元件整體之排熱效果。 i ' 本發明之另一目的，即是在提供一種將散熱鰭片内嵌 | . 於電子元件封裝中之方法，係在電子封裝元件之點膠式 i ... ! (Dispensing)封模製程中，於封裝膠體待固化（Curing)且 丨 呈液態時，將散熱鰭片直接植入至膠體中，藉此將散熱鰭 i 片一體成形於電子封裝元件上。 i 本發明之一種内嵌散熱鰭片之電子封裝元件，係以一 1 I ： !膠體封裝一内置之晶片，此電子封裝元件又包括一連接側 _ i及一相對應之散熱側，其特徵在於：在散熱側之膠體中， i - 内嵌有一延伸突出至膠體外之散熱鰭片，用以提供電子封 ! |裝元件一較迅速與較寬廣之產熱輸出路徑。 ! , 在本發明之一實施例中，内嵌之散熱鰭片於膠體内係 ' |可與晶片處於一直接接觸之狀態。 _ ! ! 在本發明之一實施例中，内嵌之散熱鰭片於該膠體内 i係可與晶片間隔有一預定間隙。 | 在本發明之一實施例中，散熱鰭片於電子封裝元件之 I膠體外又可包括至少一架設點。 I 本發明之一種將散熱鰭片内嵌於電子元件封裝中之方 · i法，係於電子封裝元件封裝用膠體於固化成形前，先行將 I散熱鰭片之一部分固定嵌埋於膠體中晶片之一上方位置， i以於膠體固化後，使膠體與散熱鰭片形成為一體成形件。 I 本發明中，散熱鰭片於膠體中之植入位置，係可與晶

第9頁 556469 五、發明說明（6) 片以一直接接觸狀態設置、或是間隔一預定間隙設置。 為使 貴審查委員對於本發明能有更進一步的了解與 1 認同，茲配合圖式作一詳細說明如后。 丨 | ... ! 發明之詳細說明： 在以下之說明中，若有元件之功能相同、但構形略有 不同者，仍是以相同之名稱與圖號名之，以便利發明解說 i之一貫性。 ! 請參閱圖七A與圖七B所示，係分別為本發明内嵌散熱 i籍片之電子封裝元件一實施例側面與頂面之示意圖；其 i中，電子封裝元件6係以一膠體1 0封裝一内置之晶片1 1 (圖 |示之晶片11下可設置一晶片墊12)，同前所述，此電子封 裝元件1又包括一連接側1 0 0及一相對應之散熱側2 0 0，而 本發明之主要特徵係在於：在電子封裝元件6散熱側2 0 0之 膠體1 0中，内嵌有一延伸突出至膠體1 0外之散熱鰭片6卜 | 如圖所示，本發明中，散熱鰭片61之設計係可以較膠 :體1 0幅度為寬之尺寸設置，其底端6 1 3係直接植入在膠體 ilO内，而其頂端61 4則是以多鰭片方式之較大接觸面積延 ί . i伸突入至電子封裝元件6散熱側20 0之開闊空間中；是以， :藉由本發明内嵌散熱鰭片61於電子封裝元件6中之設置， I乃可將晶片1 1之產熱直接導出至膠體1 0外、由散熱鰭片6 1 i之頂端6 1 4散熱，由是乃可提供電子封裝元件6—較前述習 i知結構迅速且寬廣之產熱輸出路徑。

第10頁 556469 五、發明說明（7) 在圖七A與圖七B中，電子封裝元件1係屬PQFP式封 裝，而本發明之設計亦可運用在BGA式之封裝中。 · 請參閱圖八所示，係為本發明内嵌散熱鰭片6 1之電子 | ‘ 封裝元件6另一實施例之側面示意圖；其中，散熱鰭片61 !. 同樣是以其底端61 3植入在電子封裝元件6之膠體10内（並 丨 可以其底端61 3之底腳611站立在電子封裝元件6之晶片墊 | 12上），其頂端61 4亦延伸突入至電子封裝元件6散熱側200 ! 之開闊空間中，藉此，乃可提供電子封裝元件6 —較迅速

I 與寬廣之晶片11產熱輸出路徑。 ! ： 本發明中，内嵌散熱鰭片6 1於膠體1 0内係可如圖七Α φ 實施例所示之與晶片1 1處於一直接接觸之狀態，其亦可如 I圖八實施例所示之與晶片11間隔有一預定間隙S。 ! 又如圖八所示，本發明之散熱鰭片6 1於電子封裝元件 | 6之膠體1 0外（亦即，在其頂端6 1 4上），又可包括至少一架 ' :設點6 1 2，此架設點6 1 2可為如圖所示之孔洞、或為突出 - 點、頂面凹陷、亦或是其他具延伸架設功能之結構；本發 I明中，藉由此架設點61 2之設計，乃可提供電子封裝元件6 |與其他散熱結構連接之導熱介面架設，此類之散熱結構 k未圖示）係可包括機殼頂蓋、其他電子元件之散熱結構、 丨

I I i散熱風扇、熱管結構、冷卻水管結構、或是其他之散熱元 i鲁 丨件。 請參閱圖九所示，係為本發明將散熱鰭片内嵌至電子 |元件封裝中之方法一實施例之流程圖；本發明方法之主要 I實施係在改良電子封裝元件之膠體固化步驟400，在點膠

第11頁 556469 五、發明說明（8) 封模步驟3 0 0後，且於電子封裝元件封裝用膠體於固化成 形前（步驟4 0 1 )、亦即膠體仍為液態時，以一適當之夾 - 具，將散熱鰭片之一部分（亦即前述之散熱鰭片底端）固定 I # 嵌埋於膠體中晶片之一上方位置（步驟4 0 2 )，藉此，乃可 i . ! ! 於膠體固化步驟40 0完成固化40 3後，使膠體與散熱鰭片形 成為一體成形件；爰是，乃可使散熱鰭片將膠體内之晶片 產熱直接輸送至電子封裝元件外逸散，除可避免再受到如 ί 前述黏貼墊等妨礙導熱路徑之情事，亦因此可使電子封裝 丨 |元件之架設得免除除額外散熱鰭片之添加作業。 | 同前所述，本發明中，散熱鰭片於膠體中之植入位 癱 i置，係可與晶片以一直接接觸狀態設置、或是間隔一預定 i間隙設置。 本發明之方法同時可運用在PQFP、BGA、或是其他類 :似之封裝型式中。 ^ 本發明中，電子封裝元件之膠體固化步驟400，需控 - :制溫度及時間以施作膠體之固化成型，此類之時間與溫度 I控制係屬習知技藝，故在此不予贅敘。

I I 本發明在植入散熱鰭片之步驟40 2中，散熱鰭片係可 :藉由下突點固定於晶片上（如圖七A所示）、以底腳站立於 j |晶片墊上（如圖八）、或是以其他之固定方式定位；同時， _ i在此步驟402中，亦可以適當之夾治具暫時固定，此類之 i夾治具乃須配合電子封裝元件之型式以及其製程設備實 1施，而此類之技術乃屬熟習此項技藝者可輕易實施者，故 I在此不予贅敘。

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第12頁 556469 五、發明說明（9) 本發明中，内嵌散熱鰭片之頂端與底端係可為前述之 一體成形型式，其亦可為二分離之螺合件，亦即將内嵌散 熱鰭片之頂端與底端分別構件，底端内建於膠體内，而其 ！ 頂端則可於電子封裝元件運用時，再以螺合或其他之直接 1 接觸方式架設連接至底端上；惟，此類之實施在實際運用 | 時，仍是以前述圖示之整體結構運用，故亦包括在本發明 之技術範疇内。 本發明之實施明顯優於前述背景中之外加散熱鰭片之 實施型式，為顯示本發明此一優勢，乃以一實際例子模擬 比較本發明内嵌散熱鰭片之電子封裝元件與對照習知外加 散熱鰭片之電子封裝元件，其模擬條件如下： 1. 相同尺寸之散熱鰭片：1呂（Aluminum)製，4 Ox 4 Ox 8.5 mm，底端為 0.5 mm; 2. 習知外加散熱鰭片所使用之黏貼墊為熱黏膠 (Thermal grease)； 3. 晶片：功率 3· 5 W， 8· 24x 8· 06x 0· 3 2 5 mm ; 4. 封裝型式同為BGA: 3 5x 3 5x 0· 56 mm，四層基底； 5 ·印刷電路板同為：1 0 Ox 1 0 Ox 1. 6 mm，四層；以及 6 .邊界條件同為：環境溫度4 5°C，自然對流。 而所得知數值計算結果如下： 1.習知外加散熱鰭片之電子封裝元件：晶片溫度為 93. 9°C ，熱阻為 13. 97°C /W;而 2.本發明内嵌散熱鰭片之電子封裝元件：晶片溫度為

第13頁 556469 五、發明說明（ίο) 81. 9°C (較習知降低12°C )，熱阻為10. 54°C /W (較習 知降低24.55%)。 · 由此一例子有效顯明本發明内散散熱II片之電子封裝 丨. 元件優於習知外加散熱鰭片之電子封裝元件結構。 i 藉由本發明内嵌散熱鰭片之電子封裝元件，乃具有下 i 丨列優點： 丨 ! ; ! (1)可藉助各種尺寸、各種形式之散熱鰭片，有效將 I ! ! 電子封裝元件之產熱經水平與垂直方向有效排除 至週遭之大氣環境中。 _ (2)不需藉由外加方式即可利用散熱鰭片散熱，故無 會導致排熱效果降低之接觸熱阻發生。 ： (3 )可視需要可在散熱鰭片上預留架設點，便利其他 散熱設施之架設。 * (4 )藉由遠離主機板與印刷電路板設置之散熱鰭片， - 在不需搭配特殊設計之主機板與印刷電路板，即 可有效散熱。 (5)製程簡易，且散熱鰭片與原封裝體之公差配合精 ； 密度需求低。 ' (6)由模擬計算可發現本發明之内嵌散熱鰭片較習知 _ 之外加散熱鰭片更能有效降低晶片溫度。 , 以上所述係利用一較佳實施例詳細說明本發明，而非 :限制本發明之範圍，而且熟知此類技藝人士皆能明瞭，適

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第14頁 556469 五、發明說明（11) 當而作些微的改變及調整，仍將不失本發明之要義所在， 亦不脫離本發明之精神和範圍。 綜上所述，本發明實施之具體性，誠已符合專利法中 所規定之發明專利要件，謹請 貴審查委員惠予審視，並 賜准專利為禱。

第15頁 556469 圖式簡單說明 圖式之簡單說明： 圖一係為一種習知具内嵌散熱片之電子封裝元件之側 · 面示意圖； 圖二係為一種習知具外露式晶片墊之電子封裝元件之 丨. 側面示意圖； 圖三係為一種習知具外露式凸塊式散熱片之電子封裝 元件之側面示意圖； 圖四係為一種習知具層疊晶片式散熱片之電子封裝元 件之側面示意圖； 圖五係為另一種習知具外露式散熱片之電子封裝元件 I· 之側面示意圖； 圖六係為圖一中電子封裝元件配置一外加散熱鰭片之 側面示意圖； 圖七A係為本發明内嵌散熱鰭片之電子封裝元件一實 · 施例之側面示意圖； _ 圖七B係為圖七A之頂側一實施例之示意圖； 圖八係為本發明内嵌散熱鰭片之電子封裝元件另一實 施例之側面示意圖；以及 圖九係為形成本發明電子封裝元件之固化製程一實施 例之流程圖。 ：_ 圖號說明： 1電子封裝元件 2散熱鰭片 3黏貼墊 6本發明之電子封裝元件

第16頁 556469 圖式簡單說明 1 0膠體 11晶片 1 2晶片墊 1 3内嵌散熱片 6 1内嵌散熱鰭片 1 0 0連接側 2 0 0散熱側 6 11底腳 6 1 2架設點 6 1 3底端 6 1 4頂端

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Claims (1)

1. 556469 六、申請專利範圍 1 · 一種内嵌散熱鰭片之電子封裝元件，係以一膠體封裝一 内置之晶片，乃又包括一連接側及一相對應之散熱側， 其特徵在於：在該散熱側之該膠體中，内嵌有一延伸突 出至該膠體外之散熱鰭片。 2. 如申請專利範圍第1項所述之内嵌散熱鰭片之電子封裝 元件，其中所述之該散熱鰭片於該膠體内係與該晶片處 於一直接接觸之狀態。 3. 如申請專利範圍第1項所述之内嵌散熱鰭片之電子封裝 元件，其中所述之該散熱鰭片於該膠體内係與該晶片間 隔有一預定間隙。 4. 如申請專利範圍第1項所述之内嵌散熱鰭片之電子封裝 元件，其中所述之該散熱鰭片又包括至少一架設點。 5. —種將散熱鰭片内嵌於電子元件封裝中之方法，該電子 元件之内置晶片係以一膠體封裝，其特徵在於：在該電 子元件封裝用之該膠體於固化成形前，先行將該散熱鰭 片之一部分固定嵌埋於該膠體中該晶片之一上方位置， 以於該膠體固化後，使該膠體與該散熱鰭片形成為一體 成形件。

   第18頁 556469 六、申請專利範圍 6 .如申請專利範圍第5項所述之將散熱鰭片内嵌於電子元 件封裝中之方法，其中所述之該散熱鰭片於該膠體内係 i · 與該晶片處於一直接接觸之狀態。 i‘ I ! ί I ! 1 - ί ' |7.如申請專利範圍第5項所述之將散熱鰭片内嵌於電子元 丨 !件封裝中之方法，其中所述之該散熱鰭片於該膠體内係 ! 與該晶片間隔有一預定間隙。

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