TWI587461B - 可提高導熱效率之散熱片裝置 - Google Patents

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Description

可提高導熱效率之散熱片裝置
本發明是有關於一種散熱片裝置，特別是指一種可提高導熱效率之散熱片裝置。
隨著半導體製程的日新月異，現有的半導體元件整體之體積逐漸縮小且效能逐漸提升，其半導體元件運作時所產生的熱量會因效能提升而增加，為了避免半導體元件因熱量無法排除而導致半導體元件燒壞，半導體元件的上方會黏貼金屬材質散熱片來提升半導體元件的散熱效果。
參閱圖1，為中華民國發明專利第I415228號一種半導體封裝結構、覆晶封裝、及半導體覆晶封裝的形成方法，該半導體封裝結構10包括一具有上表面42之基板20；一安裝於基板20之上表面上42之半導體晶片30；以及一安裝於該半導體晶片30上並藉由一熱介面材料52與一散熱器80黏貼在一起。
該熱介面材料52通常為具有導熱特性之膠狀材料，在半導體封裝製程中塗抹於該半導體晶片30之上表面，再將該散熱器80下壓黏貼於該熱介面材料52上，將該半導體晶片30運作時產生熱量傳導至外界，避免蓄積太多熱量導致該半導體晶片30燒毀。
但是直接將該熱介面材料直接放置於該半導體晶片及該散熱器將會產生下列問題：
一、接觸面不完整
由於該散熱器與該熱介面材料為異質性材料，當兩者黏貼在一起時，會產生接觸瑕疵，導致該散熱器與該熱介面材料之接觸 面不完整。
二、導熱率下降
當該散熱器與該熱介面材料之接觸面產生瑕疵時，會影響該半導體晶片所產生的熱量無法順利的傳導至該散熱器上，導致該散熱器的熱傳導效率下降。
三、影響使用壽命
該散熱器是使用金屬材質沖壓而成，會有熱脹冷縮的特性，當與異質性材料黏貼時，使用一段時間後會發生接合面剝離的狀況，導致該半導體晶片所產生的熱量無法散熱而影響了半導體產品的使用壽命。
因此，如何有效改善半導體產品中散熱片與熱介面材料的接觸狀況，提高半導體產品的散熱效果，以及維持該半導體晶片於一定的溫度範圍內運作，並保護該半導體產品的使用壽命，便成為相關業者亟需努力之目標。
有鑑於此，本發明之目的是提供一種可提高導熱效率之散熱片裝置，適用在將一基板上之一晶片產生的熱量，藉由一導熱銀膠傳導至該散熱片裝置，該散熱片裝置包含一本體、一第一保護層，及一導熱接合層。
該本體包括一設置於該晶片上方之散熱部，並具有一上表面，及一相反之下表面。
該第一保護層為鎳金屬材質，並鍍覆於該本體之下表面。
該導熱接合層為銀金屬材質，並鍍覆於該第一保護層之表面，當該散熱片裝置使用該導熱銀膠與該晶片黏貼在一起時，該導熱接合層可提升與該導熱銀膠的附著效果，用以提高該晶片的散熱效果。
本發明的又一技術手段，是在於上述之導熱 接合層之表面為粗糙面。
本發明的另一技術手段，是在於上述之導熱接合層鍍覆於該第一保護層之表面形狀及位置，與接觸該晶片之表面形狀及位置相互配合。
本發明之再一技術手段，是在於上述之第一保護層是鍍覆於該本體之表面，並將該本體包覆起來。
本發明的又一技術手段，是在於上述之本體更包括一自該散熱部之周緣往該基板方向延伸的支撐部。
本發明的另一技術手段，是在於上述之本體是選自於銅合金、鋁合金此等之一為材料所構成。
本發明的再一技術手段，是在於上述之導熱接合層之厚度大於1μm。
本發明的又一技術手段，是在於上述之第一保護層之厚度人於2μm。
本發明的另一技術手段，是在於上述之可提高導熱效率之散熱片裝置更包含一第二保護層，為鉻金屬材質，並鍍覆於該第一保護層的表面。
本發明的再一技術手段，是在於上述之第二保護層與該導熱接合層相配合將該第一保護層包覆起來。
本發明之有益功效在於，當使用該導熱銀膠為該晶片與該散熱片裝置之間的導熱材質時，以銀金屬材質之導熱接合層可以提升該散熱片裝置與該導熱銀膠的黏貼度，使該導熱銀膠完整地與該導熱接合層之表面黏貼在一起，不僅可以提高該晶片的散熱效果，更可以延長使用該晶片之半導體產品的使用壽命。
A‧‧‧基板
B‧‧‧晶片
C‧‧‧導熱銀膠
D‧‧‧環型散熱片
E‧‧‧環氧樹脂
3‧‧‧本體
31‧‧‧散熱部
311‧‧‧上表面
312‧‧‧下表面
32‧‧‧支撐部
4‧‧‧第一保護層
5‧‧‧導熱接合層
51‧‧‧粗糙面
6‧‧‧第二保護層
圖1是一裝置示意圖，說明中華民國專利第I415228號一種半導體封裝結構；圖2是一裝置示意圖，說明本發明可提高導熱效率之 散熱片裝置的一第一較佳實施例與一晶片黏貼的態樣；圖3是一局部剖視圖，說明該第一較佳實施例之剖面態樣；圖4是一裝置示意圖，說明本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的一第二較佳實施例；圖5是一裝置示意圖，說明該第二較佳實施例與該晶片黏貼的態樣；圖6是一裝置示意圖，說明本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的一第三較佳實施例；圖7是一裝置示意圖，說明本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的一第四較佳實施例與該晶片黏貼的態樣；圖8是一裝置剖視圖，說明本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的一第五較佳實施例；及圖9是一裝置示意圖，說明本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的一第六較佳實施例。
有關於本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之六個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在進行詳細說明前應注意的是，類似的元件是以相同的編號來作表示。並於說明書內容所提及半導體封裝製程可用於覆晶封裝(Flip Chip Package,FC)、銲球陣列封裝(Plastic Ball Grid Array Package,PBGA)、球閘陣列封裝(Ball Grid Array,BGA)、四方扁平封裝(Quad Flat Package,QFP)、四方扁平無引腳封裝(Quad Flat No-lead Package,QFN)，及晶片級封裝(Chip Scale Package,CSP)等多種半導體封裝技術。
參閱圖2、3，為本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的第一較佳實施例，適用在將一基板A上之一晶片B產生的熱量，藉由一導熱銀膠C傳導至該散熱片裝 置，並包含一本體3、一第一保護層4，及一導熱接合層5。
本發明所使用之導熱銀膠C其實就是在環氧樹脂內摻入大量的銀粉，使其該導熱銀膠C具有導電性及導熱性，與傳統之環氧樹脂之特性並不相同。該導熱銀膠C雖然摻入大量銀粉的樹脂來獲得很高的導熱係數，但環氧樹脂的比例相對較低，造成穩固該晶片B的強度較差，容易造成產品品質的不穩定。即使如此，該導熱銀膠C製造的成本較低，在業界仍廣泛的被使用。
該晶片B為半導體產品，並以封裝技術放置於該基板A上，以方便使用於各種電子產品中。由於封裝技術已為業界所熟悉之技術，在此不再詳加贅述。
該本體3包括一設置於該晶片B上方之散熱部31，並具有一上表面311，及一相反之下表面312，是提供該晶片B散熱之用，通常是以金屬材質所製作，較佳地，該本體3是選自於銅合金、鋁合金此等之一為材料所構成，實際實施時，不應以此為限。
該第一保護層4為鎳金屬材質，其成分包括純鎳或是鎳合金其中之一，並鍍覆於該本體3之下表面312上。其中，鎳金屬是一種具有光澤的銀白色金屬，並容易被拋光，且容易於表面形成一層抗氧化之氧化層，通常是用來隔絕空氣之用，以避免該本體3接觸空氣而產生氧化，但本發明之第一保護層4主要是用以鍍覆該導熱接合層5之間的緩衝層，能使該第一保護層4可以牢牢地鍍覆於該本體3之表面，也可以使該導熱接合層5牢牢地鍍覆於該第一保護層4之表面。
該導熱接合層5為銀金屬材質，其成分包括純銀或是銀合金其中之一，並鍍覆於該第一保護層4之表面。由於使用銀金屬材質之導熱接合層5直接鍍覆於本體3之表面時，會因兩者材質本身的特性差異太大，而造成接觸面常常會產生瑕疵而造成該導熱接合層5剝落。
發明人經試驗得知，該導熱接合層5與鎳材質的材料特性差異較小，容易結合在一起。因此，本發明在鍍覆該導熱接合層5前，必須先鍍覆該第一保護層4，不僅可以提升該散熱片裝置每一層的接合度，也可由接合度的提升而提高該散熱片裝置的導熱效果。此外，該導熱接合層5可以分散的鍍覆於該第一保護層4之表面，以減少銀材料的使用量。
由於該導熱接合層5是以銀金屬材質所製成，當該散熱片裝置使用該導熱銀膠C與該晶片B黏貼在一起時，該導熱接合層5之銀金屬表面與該導熱銀膠C中的銀金屬材質相近，該導熱接合層5可提升與該導熱銀膠C的附著效果，用以提高該晶片B的散熱效果。
較佳地，該導熱接合層5之表面為粗糙面51，可以增加該導熱銀膠C中環氧樹脂的附著效果，以使該導熱銀膠C穩固晶片B的效果提升。此外，經發明人多次試驗得知，該第一保護層4之厚度大於2μm，該導熱接合層5才能緊緊鍍覆於該第一保護層4之表面，而不易剝落；該導熱接合層5之厚度大於1μm，該導熱銀膠C才能緊緊黏貼於該導熱接合層5之表面，而不易分離。使本發明具有最佳的導熱效率，以使該晶片B所產生的熱量能第一時間傳導至外界，並達到最好的散熱的效果。
在該第一較佳實施例中，該本體3為方型片體之態樣，在半導體封裝時，該散熱片裝置之下周緣必須另使用一環型散熱片D，以普通具較佳黏著性之環氧樹脂E黏貼於該基板A上，以將該晶片B密封起來，由於半導體封裝製程已為業界所熟悉之技術，在此便不再詳加贅述。
參閱圖4、5，為本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的第二較佳實施例，該第二較佳實施例與該第一較佳實施例大致相同，相同之處於此不再贅述，不同之處在於該導熱接合層5鍍覆於該第一保護層4之表面形狀及 位置，與接觸該晶片B之表面形狀及位置相互配合。
雖然銀材質具有較好的導電及導熱特性，但是銀金屬是屬於成本較高的貴重金屬，大量使用將提高製造成本。因此，在該第二較佳實施例中，該導熱接合層5將鍍覆部分之第一保護層4的表面上，且該導熱接合層5之面積大小及位置都必須符合該晶片B之上表面的面積大小及位置，使本發明之散熱片裝置於半導體封裝製程時，該導熱接合層5剛剛好貼覆於該晶片B的上方，並與該導熱銀膠C黏貼在一起，用以減少銀金屬的使用量，以最佳的經濟效果達到最佳的散熱功效。
此外，該導熱接合層5並不需要在鍍覆面中進行整面鍍覆，實際實施時，可於鍍覆面上進行局部鍍覆，不應以此為限。舉例來說，該導熱接合層5可於該第一保護層4之表面形成環型之態樣，該環型態樣之導熱接合層5與該晶片B之表面，以該導熱銀膠C黏貼在一起，並達到導電及導熱的特性。
參閱圖6，為本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的第三較佳實施例，該第三較佳實施例與該第二較佳實施例大致相同，相同之處於此不再贅述，不同之處在於該第一保護層4是鍍覆於該本體3之表面上，並將該本體3包覆起來。
雖然本發明之第一保護層4是用來增加該導熱接合層5的鍍覆效果，使該導熱接合層5可以牢牢地黏貼於該散熱片裝置之中，但鎳金屬材質之第一保護層4具有防止氧化的效果，因此，在該第三較佳時施例中，該第一保護層4將該本體3包覆起來，用以避免該本體3與空氣接觸而產生氧化。
參閱圖7，為本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的第四較佳實施例，該第四較佳實施例與該第三較佳實施例大致相同，相同之處於此不再贅述，不同之處在 於該本體3更包括一自該散熱部31之周緣往該基板A方向延伸的支撐部32。
該第四較佳實施例之本體3由該散熱部31及該支撐部32相互配合，使該散熱片裝置之外貌近似帽型，該本體3之支撐部32可取代該環型散熱片D，並於封裝製程中簡化封裝步驟，直接使用該環氧樹脂E黏貼於該基板A上，能降低半導體封裝的成本，並確實將該晶片B密封起來。
參閱圖8，為本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的第五較佳實施例，該第五較佳實施例與該第四較佳實施例大致相同，相同之處於此不再贅述，不同之處在於該可提高導熱效率之散熱片裝置，更包含一第二保護層6，為鉻金屬材質，其成分包括純鉻或是鉻合金其中之一，並鍍覆於該第一保護層4的表面。
鉻是一種銀色的金屬，質地堅硬，表面帶有光澤，具有很高的熔點。因此，本發明於該第一保護層4的表面再鍍覆一層質地堅硬之第二保護層6，用以保護該散熱片裝置。
雖然該第五較佳實施例是將該導熱接合層5直接鍍覆於該第二保護層6之表面上，與鎳金屬材質比較，銀與鉻的表面接合度雖然較低，其品質尚可接受，但該散熱片裝置之製作程序較為簡單，可減低製作的成本，並可使用於低階的電子產品中。
參閱圖9，為本發明可提高導熱效率之散熱片裝置的第六較佳實施例，該第六較佳實施例與該第五較佳實施例大致相同，相同之處於此不再贅述，不同之處在於該第二保護層6與該導熱接合層5相配合將該第一保護層4包覆起來。
在該第六較佳實施例中，該第一保護層4將該本體3包覆起來，避免該本體3接觸空氣而氧化，該第 二保護層6與該導熱接合層5相配合將該第一保護層4包覆起來，使該第一保護層4受堅硬之第二保護層6保護住，並且該導熱接合層5與該第一保護層4黏貼在一起，使該導熱接合層5穩固地黏貼於該散熱片裝置中，以提升該散熱片裝置的導熱效率，及產品的壽命，適合使用於高階或是在嚴苛環境使用下的電子產品中。
由上述說明可知，本發明可提高導熱效率之散熱片裝置確實具有以下優點：
一、提升穩固晶片的強度
該導熱接合層5之表面為粗糙面51，可以增加該導熱銀膠C中環氧樹脂的附著效果，以使該導熱銀膠C穩固晶片B的效果提升。
二、增加使用壽命
該第一保護層4將該本體3包覆起來，避免該本體3接觸空氣而氧化，該第二保護層6與該導熱接合層5相配合將該第一保護層4包覆起來，使該第一保護層4，及該本體3受堅硬之第二保護層6保護住，可提升該散熱片裝置的結構強度，並延長使用的壽命。
三、增加晶片的散熱率
該導熱接合層5與鎳材質的材料特性差異較小，容易結合在一起，可以提升該散熱片裝置本身的導熱效果；該導熱接合層5之銀金屬表面與該導熱銀膠C中的銀金屬材質相近，該導熱接合層5可提升與該導熱銀膠C的附著效果，使該晶片B的熱量傳導出去，以增加晶片B的散熱效率。
綜上所述，本發明於使用導熱銀膠C之散熱 片中，鍍覆了一層可與該導熱銀膠C完美黏貼在一起之導熱接合層5，可以提升該晶片B上的導熱效率。並且為了使該導熱接合層5穩固地附著於該散熱片裝置中，於該本體3外層更鍍覆了一層第一保護層4，達到該本體3與該導熱接合層5之間的緩衝層。再利用堅硬之第二保護層6包覆於該第一保護層4之表面，可提升該散熱片裝置的結構強度，並延長使用的壽命，故確實能夠達到本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之六個較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
3‧‧‧本體
4‧‧‧第一保護層
5‧‧‧導熱接合層

Claims (10)

  1. 一種可提高導熱效率之散熱片裝置，適用在將一基板上之一晶片產生的熱量，藉由一導熱銀膠傳導至該散熱片裝置，並包含：一本體，包括一設置於該晶片上方之散熱部，並具有一上表面，及一相反之下表面；一第一保護層，為鎳金屬材質，並鍍覆於該本體之下表面；及一導熱接合層，為銀金屬材質，並鍍覆於該第一保護層之表面，當該散熱片裝置使用該導熱銀膠與該晶片黏貼在一起時，該導熱接合層可提升與該導熱銀膠的附著效果，用以提高該晶片的散熱效果。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述可提高導熱效率之散熱片裝置，其中，該導熱接合層之表面為粗糙面。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述可提高導熱效率之散熱片裝置，其中，該導熱接合層鍍覆於該第一保護層之表面形狀及位置，與接觸該晶片之表面形狀及位置相互配合。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述可提高導熱效率之散熱片裝置，其中，該第一保護層是鍍覆於該本體之表面，並將該本體包覆起來。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述可提高導熱效率之散熱片裝置，其中，該本體更包括一自該散熱部之周緣往該基板方向延伸的支撐部。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述可提高導熱效率之散熱片裝置，其中，該本體是選自於銅合金、鋁合金此等之一為材料所構成。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述可提高導熱效率之散熱片裝置，其中，該導熱接合層之厚度大於1μm。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述可提高導熱效率之散熱片裝置，其中，該第一保護層之厚度大於2μm。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述可提高導熱效率之散熱片裝置，更包含一第二保護層，為鉻金屬材質，並鍍覆於該第一保護層的表面。
  10. 依據申請專利範圍第9項所述可提高導熱效率之散熱片裝置，其中，該第二保護層與該導熱接合層相配合將該第一保護層包覆起來。
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