專利名稱：具有散熱器的半導(dǎo)體器件的制作方法
具有散熱器的半導(dǎo)體器件
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及具有用于傳導(dǎo)熱離開半導(dǎo)體管芯的熱路徑的半導(dǎo)體器件，并且更特別地涉及諸如具有增強(qiáng)型熱耗散能力的球柵陣列(BGA)半導(dǎo)體封裝的半導(dǎo)體器件。常常以不同的芯片載體配置(諸如球柵陣列(BGA)型封裝)來封裝半導(dǎo)體集成電路和器件。此類封裝保護(hù)脆弱且易碎的半導(dǎo)體管芯(die)及到達(dá)和來自管芯的電連接。半導(dǎo)體封裝是可靠的且被大量地生產(chǎn)。在從計(jì)算和手持式電子設(shè)備到汽車和工業(yè)環(huán)境的許多行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用中都需要半導(dǎo)體封裝。 BGA封裝包括安裝在多層襯底(例如印刷電路板(PCB))的頂側(cè)上的半導(dǎo)體管芯，在那里，PCB的底側(cè)或下側(cè)具有被布置為接觸諸如另一 PCB的表面以與外部電路互連的焊球陣列。工業(yè)不斷地需要具有帶有較小覆蓋區(qū)和厚度的較高性能半導(dǎo)體集成電路和器件的半導(dǎo)體封裝。隨著功率和速度要求的增加和管芯尺寸的減小，由集成電路和器件產(chǎn)生的熱增加。如果產(chǎn)生的熱未被有效地耗散，則可能妨礙器件的性能并可能導(dǎo)致故障。因此，需要通過增強(qiáng)半導(dǎo)體封裝(諸如BGA半導(dǎo)體封裝)的熱耗散能力來解決或至少緩解上述問題。


被結(jié)合到本文中并構(gòu)成本說明書的一部分的附圖舉例說明本發(fā)明的多個(gè)方面并連同說明一起用來解釋本發(fā)明的原理。雖然將結(jié)合某些實(shí)施例來描述本發(fā)明，但并不意圖使本發(fā)明局限于所述的那些實(shí)施例。相反，意圖是覆蓋被包括在由所附權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有替換、修改和等價(jià)物。在附圖中圖I是依照本發(fā)明的實(shí)施例的用于半導(dǎo)體器件的襯底的頂視平面圖；圖2是依照本發(fā)明的實(shí)施例的沿著線1-1截取的圖I所示的襯底的橫截面圖；圖3 8是依照本發(fā)明的實(shí)施例的圖示球柵陣列(BGA)半導(dǎo)體器件的不同組裝步驟的橫截面圖；圖9是依照本發(fā)明的實(shí)施例的圖8所示的BGA半導(dǎo)體器件的橫截面圖的180°旋轉(zhuǎn)圖；圖10是依照本發(fā)明的實(shí)施例的包括具有暴露的散熱器板(heat spreader plate)的BGA半導(dǎo)體器件的橫截面圖；圖11是依照本發(fā)明的實(shí)施例的具有熱球布置的襯底的頂視平面圖；圖12是依照本發(fā)明的實(shí)施例的具有焊球布置的襯底的底視平面圖；以及圖13是依照本發(fā)明的實(shí)施例的組裝BGA器件的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一方面是具有熱路徑的半導(dǎo)體器件，其包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的襯底；散熱器板具有第一表面和第二表面；第一多個(gè)導(dǎo)電凸塊，其被布置為將襯底的第一側(cè)和散熱器板的第二表面熱連接；芯片或半導(dǎo)體管芯，其具有頂側(cè)和底側(cè)，所述芯片被布置為將芯片的底側(cè)與散熱器板的第二表面熱連接，并將芯片的頂側(cè)與襯底的第二側(cè)電連接；以及模制化合物，其封裝芯片和所述第一多個(gè)導(dǎo)體凸塊。本發(fā)明的實(shí)施例還包括布置在襯底的第二側(cè)上的第二多個(gè)導(dǎo)電凸塊，形成半導(dǎo)體器件的輸入端和輸出端。襯底可以具有窗口。該窗口可以具有邊緣側(cè)且芯片具有邊緣側(cè)，并且芯片位于窗口內(nèi)，并且在窗口的邊緣側(cè)與芯片的邊緣側(cè)之間存在間隙。模制化合物封裝散熱器板的第一表面?？梢允股崞靼宓牡谝槐砻姹┞?。所述第一多個(gè)凸塊可以具有比所述第二多個(gè)凸塊小、大或相同的尺寸。所述第一多個(gè)凸塊包括熱球。本發(fā)明的一方面是一種組裝具有熱路徑的半導(dǎo)體器件的方法，包括附接第一多個(gè)導(dǎo)電凸塊以將襯底的第一側(cè)熱連接到散熱器板的第二表面；布置芯片或半導(dǎo)體管芯以將芯片的背側(cè)與散熱器板的第二表面熱連接，并將芯片的頂側(cè)與襯底的第二側(cè)電連接；以及用模制化合物來封裝芯片和所述第一多個(gè)導(dǎo)電凸塊。本發(fā)明的實(shí)施例還包括附接布置在襯底的第二側(cè)上的第二多個(gè)導(dǎo)電凸塊以形成 半導(dǎo)體器件的輸入端和輸出端。所述襯底可以布置有窗口，其中，該窗口具有邊緣側(cè)且芯片具有邊緣側(cè)，并且芯片被布置在窗口內(nèi)且在窗口的邊緣側(cè)與芯片的邊緣側(cè)之間存在間隙。所述封裝還可以包括封裝散熱器板的第一表面。所述封裝可以擴(kuò)展至散熱器板的第一表面且散熱器板的第一表面可以仍被暴露。本發(fā)明公開了半導(dǎo)體器件和用于將半導(dǎo)體器件與具有熱路徑的熱耗散區(qū)域組裝以傳遞并耗散來自半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體管芯的背側(cè)的熱量的方法。所述半導(dǎo)體器件的熱耗散區(qū)域的熱路徑包括具有被鍵合到半導(dǎo)體管芯的背側(cè)的第一側(cè)的散熱器板和被固定到所述散熱器板的第一側(cè)的板，該板具有熱球、凸塊等的陣列。在操作期間由半導(dǎo)體管芯產(chǎn)生的熱通過散熱器板沿著熱路徑從半導(dǎo)體管芯的背側(cè)耗散，這增強(qiáng)了半導(dǎo)體封裝的熱耗散能力?，F(xiàn)在參考圖1，示出了依照本發(fā)明的實(shí)施例的用于半導(dǎo)體器件的襯底10的頂視平面圖。襯底10具有第一側(cè)或表面12、窗口 14和電過孔15,電過孔15形成通過第一側(cè)12到達(dá)底側(cè)或表面以提供用于半導(dǎo)體器件的各部件和各器件的電互連的電路徑的通道。圖2是沿著圖I的虛線1-1截取的襯底10的橫截面圖。圖2示出襯底10的第二側(cè)或表面16。出于說明的目的，在實(shí)施例中，襯底10具有在約O. 2mm至Imm的范圍的厚度和具有在約15mm至50mm的范圍的邊長(zhǎng)的大體上矩形或正方形的配置。窗口 14也是具有在約6mm至20mm的范圍的邊長(zhǎng)的矩形或正方形。應(yīng)認(rèn)識(shí)到板10和窗口 14的實(shí)際尺寸可以采取不同的配置和形式。這里提供的尺寸僅僅是出于說明的目的提供的示例。襯底10可以是多層印刷電路板(PCB)或引線框架，由在每側(cè)具有軋制的銅跡線的諸如雙馬來酰亞胺三嗪(BT)環(huán)氧樹脂/玻璃層壓件的材料，或諸如此類制成。窗口 14和過孔15在襯底10中被打孔或鉆孔等。襯底10可以具有干膜或濕膜焊料掩模以保證所有過孔15被完全遮蓋。如圖3所示，第一組或第一多個(gè)熱球18或凸塊被附接到或成組地滴到在襯底10的第一側(cè)12上的焊料焊盤(未示出)。熱焊料焊盤和熱球18的圖案可以形成任何數(shù)目的圖案的球柵陣列。出于說明目的，在實(shí)施例中，第一組熱球18的尺寸或直徑在約O. Imm至約O. 5mm的范圍，具有約Imm的節(jié)距，并且熱球18可以具有均勻的尺寸、尺度和材料。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，熱球18的實(shí)際尺度、材料和節(jié)距可以采取不同的配置和形式，例如襯底上的陣列中的不同熱球可以具有不同的材料。這里提供的尺度和材料僅僅是出于說明的目的提供的示例。熱球18的材料是熱傳導(dǎo)材料。熱傳導(dǎo)材料的示例是金屬、合金等，諸如鉛錫(PbSn)合金、錫銀銅(SnAgCu)合金、具有183°C的熔融溫度的徑直共熔(63% Sn/37% Pb)焊球、近共熔(62% Sn/36% Pb/2% Ag)焊球等。由常規(guī)焊球機(jī)器來形成熱球18。圖4示出散熱器板20，具有布置在熱球18上的第一側(cè)22和第二側(cè)24使得散熱器板20的第二側(cè)24接觸熱球18。散熱器板的第二側(cè)24還具有互補(bǔ)的焊料焊盤布置(未示出)以匹配襯底10的第一側(cè)12上的熱球陣列?？梢栽诎?0、熱球18和散熱器板20組件上執(zhí)行回流操作。半導(dǎo)體器件的熱耗散區(qū)域包括散熱器板20。散熱器板20由具諸如銅、銅合金等的良好傳熱率的材料制成。例如，實(shí)施例中的散熱器板20的芯材料是具有鍍覆鋁(Al)和氧化層的銅(Cu)。散熱器板20的厚度可以約為O. 3mm至O. 5mm。散熱器板20的實(shí)際尺度取決于適合于任何特定應(yīng)用的具體要求和規(guī)格。
圖5示出被旋轉(zhuǎn)180°的圖4的組件。在圖5中，包括集成電路和/或器件的半導(dǎo)體管芯或芯片26通過襯底10的窗口 14被放置在散熱器板20的第二側(cè)24上。芯片26具有底表面或背側(cè)28和頂面或有源表面30。窗口 14的尺寸被確定為使得芯片26配合在窗口 14內(nèi)，但是芯片26的側(cè)邊緣不接觸窗口 14的側(cè)邊緣。也就是說，芯片26的面積尺度小于窗口 14的面積尺度使得在芯片26的側(cè)邊緣34與襯底10的側(cè)邊緣36之間存在間隙或空間32。芯片26可以具有約O. I μ m至O. 5 μ m的厚度和約5mm至15mm的邊長(zhǎng)和寬度尺度。芯片26的背側(cè)28被用具有熱傳導(dǎo)樹脂(諸如包含銀的環(huán)氧樹脂、熱增強(qiáng)型環(huán)氧樹脂管芯附接粘合劑等)的管芯附接粘合劑38鍵合到散熱器板20的第二側(cè)24。在一個(gè)實(shí)施例中，管芯附接粘合劑38的厚度為約40 μ m。圖6示出被用導(dǎo)線40電連接到襯底10的第二側(cè)16的芯片26的頂面或有源表面30。導(dǎo)線40的材料可以是金(Au)、銅(Cu)等。使用常規(guī)引線鍵合工藝和市售引線鍵合設(shè)備將導(dǎo)線40從芯片26的頂面30鍵合到襯底10的第二側(cè)16上的引線鍵合焊盤(未示出)。來自引線鍵合焊盤的襯底10中或襯底10上的跡線(未示出)將襯底10中的過孔15互連到襯底的第二側(cè)16以便與襯底10的第二側(cè)16上的一組焊料焊盤(未示出)進(jìn)行電互連。導(dǎo)線40將芯片26的有源表面30上的鍵合焊盤電連接到襯底10的第二側(cè)16上的鍵合焊盤。襯底10的第二側(cè)16上的鍵合焊盤有時(shí)稱為“指(finger) ”，其為可以經(jīng)由過孔15延伸到襯底10中的各種層的導(dǎo)電跡線的端部。圖7示出模具材料42,其可以包括密封劑包塑(overmold)材料、液體模具材料、圓頂模具材料等，覆蓋芯片26、導(dǎo)線40和第一組熱球18。模具材料24還可以覆蓋散熱器板20的第一側(cè)22?？梢杂棉D(zhuǎn)移模制工藝等來施加模具材料42以完全地密封并保護(hù)半導(dǎo)體器件的易碎部件，諸如芯片26、導(dǎo)線40、襯底引線鍵合焊盤等。模具材料42形成具有第一側(cè)或表面44和第二側(cè)或表面46的保護(hù)覆蓋層，其保護(hù)半導(dǎo)體器件部件不受諸如濕氣、應(yīng)變、沖擊、振動(dòng)、灰塵等外部和環(huán)境條件的影響。模具材料42可以是環(huán)氧樹脂等，并且被選擇為滿足特定應(yīng)用的具體要求。通常，模具材料所需的物理性質(zhì)包括螺旋形流、膠凝時(shí)間、粘性、填料含量等。熱性質(zhì)包括玻璃轉(zhuǎn)化溫度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性等。所有上述性質(zhì)和材料影響模制工藝表征和封裝可靠性。然而，此類模塑工藝在本領(lǐng)域中是眾所周知的，因此，不需要為了本發(fā)明的透徹理解而再詳細(xì)描述。
圖8示出第二組或第二多個(gè)導(dǎo)電凸塊48，諸如用來形成半導(dǎo)體器件50的焊球。第二組導(dǎo)電凸塊48被附接或成組地滴到襯底10的第二側(cè)16上的球附接或焊料焊盤(未示出)。電跡線結(jié)束于在導(dǎo)電凸塊48被鍵合到的焊球附接焊盤處。導(dǎo)電凸塊48可以以形成任何數(shù)目的圖案的球柵陣列的圖案來布置。出于說明的目的，在實(shí)施例中，第二組導(dǎo)電凸塊48的尺寸在約O. 3mm至O. 8mm的范圍，并具有約Imm至I. 5mm的節(jié)距。應(yīng)認(rèn)識(shí)到導(dǎo)電凸塊48的實(shí)際尺度和節(jié)距可以采取不同的配置和形式。這里提供的尺寸僅僅是出于說明的目的提供的示例。如前文所討論的，導(dǎo)電凸塊48的材料可以是與第一組熱球18相同或不同的材料，并且可以是具有183°C的熔融溫度的徑直共熔(63% Sn/37% Pb)焊球、近共熔(62%Sn/36% Pb/2% Ag)焊球等。用常規(guī)回流工藝(諸如以230°的最高溫度使用諸如強(qiáng)制對(duì)流回流烘箱和表面安裝組裝)將導(dǎo)電凸塊48在襯底10的第二側(cè)16上回流到焊料焊盤(未示出)上?？梢詫雽?dǎo)體器件50附接到諸如PCB的另一表面以與外部電路(未示出)互連。在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件50是已知為塑料BGA(PBGA)的BGA型封裝。應(yīng)認(rèn)識(shí)到 在散熱器板20的第二側(cè)24與襯底10的第一側(cè)12之間具有熱球陣列18的本實(shí)施例的半導(dǎo)體器件50 (其中，芯片26被附接于散熱器板20的第二側(cè)24)的耗散區(qū)域的配置可以應(yīng)用于其它半導(dǎo)體封裝類型，例如包括倒裝封裝、芯片級(jí)封裝(CSP)(諸如示例性的重新分配芯片封裝)等。圖9是依照本發(fā)明的實(shí)施例的圖8所示的BGA半導(dǎo)體器件50的橫截面圖的180°旋轉(zhuǎn)圖。在本實(shí)施例中，模具材料42封裝散熱器板20。圖10是BGA半導(dǎo)體器件60的另一實(shí)施例的橫截面圖，其中，散熱器板20的第一側(cè)22被暴露于諸如空氣的外部環(huán)境。圖9和10示出依照本發(fā)明的實(shí)施例的具有熱耗散區(qū)域的BGA半導(dǎo)體器件封裝配置，其中，芯片26被布置為面朝下且芯片26的底表面被鍵合到散熱器板20。散熱器板20還被熱球18連接到襯底10，其中，熱球18被作為增強(qiáng)型熱路徑引入封裝中以將熱從芯片26的背側(cè)28傳遞至散熱器板20。用此耗散區(qū)域配置，在熱模擬評(píng)估中已經(jīng)顯示圖9所示的BGA器件50在常規(guī)PBGA封裝上表現(xiàn)出150% 200%的增加的熱性能。圖11和12分別示出襯底10上的熱球和焊球布置或圖案。更具體地，圖11是依照本發(fā)明的實(shí)施例的具有熱球布置70的襯底的頂視平面圖。熱球布置70示出布置在襯底窗口 14周圍的襯底10的第一或頂面12上的多個(gè)熱球18。在此布置中，熱球18被布置在襯底10上的區(qū)域內(nèi)，而不是在被襯底10的周界包圍的區(qū)域內(nèi)示出的外邊緣區(qū)域或空間72內(nèi)。沒有熱球在襯底表面12上的空間72中以允許進(jìn)行半導(dǎo)體器件的其它處理步驟，諸如用于產(chǎn)生半導(dǎo)體器件的保護(hù)性模具材料42的模具的施加。圖12示出依照本發(fā)明的實(shí)施例的具有導(dǎo)電凸塊或焊球布置80的襯底10的底視平面圖。焊球布置80示出布置在襯底窗口 14周圍的襯底10的第二或底面16上的多個(gè)導(dǎo)電凸塊48。襯底10包括接近窗口 14的空白區(qū)82，沒有導(dǎo)電凸塊48位于其中以允許其它組裝步驟，諸如用于產(chǎn)生半導(dǎo)體器件的保護(hù)性模具材料42的模具形式的施加。雖然圖11的熱球18被示為小于圖12的導(dǎo)電凸塊38，但熱球18和導(dǎo)電凸塊48可以是任何尺寸。熱球18可以是與導(dǎo)電凸塊48相同的尺寸、小于或大于導(dǎo)電凸塊48。所選的熱球18和導(dǎo)電凸塊48的尺寸是設(shè)計(jì)選擇，并且可以取決于用于任何特定應(yīng)用的特定要求。圖13是依照本發(fā)明的實(shí)施例的組裝BGA半導(dǎo)體器件的方法100的流程圖。方法100遵循用圖I 8說明的組裝步驟。執(zhí)行第一球附接102以將熱凸塊18附接于襯底10的第一側(cè)12。將散熱器板20安裝或放置104到適當(dāng)位置，后面是回流106以將散熱器板20熱附接到熱球18或?qū)崆驏抨嚵懈浇拥揭r底10。用熱傳導(dǎo)環(huán)氧樹脂或樹脂將半導(dǎo)體管芯或芯片26放置208及鍵合110至散熱器板20。諸如用引線鍵合工藝112將芯片26電連接到襯底10。在包括芯片26、導(dǎo)線40、引線鍵合焊盤、熱球柵陣列等的半導(dǎo)體器件的部件上對(duì)包塑或密封劑材料42進(jìn)行模塑114。執(zhí)行第二球附接116及回流以將導(dǎo)電凸塊48附接到襯底10的第二側(cè)16。應(yīng)認(rèn)識(shí)到為了便于描述和說明，相對(duì)于單個(gè)半導(dǎo)體封裝描述了以上過程?？梢栽趩蝹€(gè)襯底上同時(shí)處理多個(gè)半導(dǎo)體封裝。半導(dǎo)體器件組裝中的最終步驟然后是切單以將單獨(dú) 的半導(dǎo)體器件從較大的襯底或面板中分離出來。
權(quán)利要求
1.一種具有熱路徑的半導(dǎo)體器件，包括 襯底，其具有第一側(cè)和第二側(cè)； 散熱器板，其具有第一表面和第二表面； 第一多個(gè)導(dǎo)電凸塊，其將所述襯底的所述第一側(cè)和所述散熱器板的所述第二表面熱連接; 芯片，其具有頂部有源表面和相反的底表面，其中，所述芯片的所述底表面被附接到所述散熱器板的所述第二表面，并且其中，所述芯片的所述頂部有源表面被電連接到所述襯底的所述第二側(cè)；以及 模塑化合物，其封裝所述芯片、所述第一多個(gè)導(dǎo)電凸塊、以及所述芯片的所述有源表面與所述襯底的所述第二側(cè)之間的電連接，其中，由所述芯片產(chǎn)生的熱從所述芯片的所述底表面耗散到所述散熱器板的所述第二表面并隨后到所述散熱器板的所述第一表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的半導(dǎo)體器件，還包括形成所述半導(dǎo)體器件的輸入端和輸出端的布置在所述襯底的所述第二側(cè)上的第二多個(gè)導(dǎo)電凸塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的半導(dǎo)體器件，其中，所述襯底具有窗口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中，所述窗口具有邊緣側(cè)且所述芯片具有邊緣側(cè)，并且芯片被布置在所述窗口內(nèi)使得在所述窗口的所述邊緣側(cè)與所述芯片的所述邊緣側(cè)之間存在間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的半導(dǎo)體器件，其中，所述所述模塑化合物覆蓋所述散熱器板的所述第一表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的半導(dǎo)體器件，其中，所述散熱器板的所述第一表面被暴露。
7.一種組裝具有熱路徑的半導(dǎo)體器件的方法，包括 將第一多個(gè)導(dǎo)電凸塊附接到襯底的第一側(cè)； 經(jīng)由所述導(dǎo)電凸塊將散熱器板的第二表面附接到所述襯底的所述第一側(cè)； 將芯片的背側(cè)附接到所述散熱器板的所述第二表面，其中，所述芯片的所述背側(cè)被熱連接到所述散熱器板的所述第二表面； 將所述芯片的有源表面與所述襯底的第二側(cè)電連接；以及 用模塑化合物來封裝所述芯片、所述電連接和所述第一多個(gè)導(dǎo)電凸塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括在所述襯底的所述第二側(cè)上附接第二多個(gè)導(dǎo)電凸塊以形成所述半導(dǎo)體器件的輸入端和輸出端。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，所述襯底具有窗口且所述芯片被布置在所述窗口內(nèi)，其中，在所述窗口的側(cè)邊緣與所述芯片的側(cè)邊緣之間存在間隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，所述封裝還包括封裝所述散熱器板的所述第一表面。
全文摘要
一種具有散熱器的半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體器件具有被附接到散熱器板的第二側(cè)的半導(dǎo)體管芯。散熱器板的第二側(cè)被用熱球附接到襯底的第一側(cè)。襯底包括窗口，半導(dǎo)體管芯被布置在該窗口內(nèi)，在管芯的邊緣與窗口的邊緣之間存在間隙。該管芯被諸如用導(dǎo)線電連接到襯底的第二側(cè)。然后用模具化合物來密封管芯、到襯底的電連接、以及熱球。可以將連接凸塊附接到襯底的第二側(cè)以用于器件I/O。在操作期間由管芯產(chǎn)生的熱通過散熱器板沿著熱路徑從半導(dǎo)體管芯的背側(cè)耗散。
文檔編號(hào)H01L21/60GK102790034SQ20111012729
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者黃衛(wèi)東 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司