接合散热器与半导体元件的方法及其散热器结构技术

本公开涉及一种接合散热器与半导体元件的方法及其散热器结构，该方法包括：将散热器主体接近半导体晶片，使得散热器主体接合面上的热传凸块中的第一类热传凸块接触设置于半导体晶片上的热传垫；进行超音波震动，使得第一类热传凸块与热传垫产生键合；施加压力并进行超音波震动以压紧散热器主体和半导体晶片，使得热传凸块中的第二类热传凸块与热传垫产生键合。在第一类热传凸块接触热传垫前，第一类热传凸块相较于接合面具有第一高度，第二类热传凸块相较于接合面具有第二高度，第一高度大于第二高度。本发明专利技术通过散热器上不同高度热传凸块所形成的渐进式扩散键合，降低以超音波震动产生键合时所需的耗能和键合温度。震动产生键合时所需的耗能和键合温度。震动产生键合时所需的耗能和键合温度。

【技术实现步骤摘要】
接合散热器与半导体元件的方法及其散热器结构


[0001]本公开内容涉及接合散热器与半导体元件的方法及其散热器结构。

技术介绍

[0002]此处的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。
[0003]约自1982年Intel 386处理器有散热问题开始，电子元件的散热渐渐成为重要的问题。相较于传统的泵、压缩机等大型机件，电子元件或电子构装的散热由于体积的限制，需要在小范围达到好的散热以及均温效果，并且需考量设置散热元件所产生的成本不能太高，因此实际上是颇具挑战性的散热领域议题。
[0004]近年来，随着半导体产业最小线宽制程精度不断提升，电子元件尺寸更是进一步缩小，但其发热量和单位面积热密度愈趋增大。为了使电子元件的运作时维持在许可的工作温度，常见的做法是在电子元件上装设各种类型的散热器(如：散热片、均温板、水冷散热装置等)。目前所知的装设结构大多是通过导热胶作为散热器和电子元件之间的固定和热传导媒介，借由导热胶的可塑性高的性质以提升热接触面的接合品质。

技术实现思路

[0005]然而，上述散热方式所使用的导热胶的热传导系数相较于导热性较佳的金属(例如，金、铝、铜等)仍有一个数量级以上的差距，且在前述电子元件逐渐缩小的趋势下也将渐渐不足以应付如此高密度且大量的热能来源。因此，有必要提出进一步提升散热效果的结构和方法。
[0006]有鉴于此，本公开的一些实施方式公开了一种将散热器接合至半导体元件的方法，包括：将散热器主体接近半导体晶片，使得设置于散热器主体的接合面上的多个热传凸块中的第一类热传凸块接触设置于半导体晶片上的热传垫；对散热器主体进行超音波震动，使得第一类热传凸块与热传垫产生键合；施加压力并进行超音波震动以压紧散热器主体和半导体晶片，使得热传凸块中的第二类热传凸块接触热传垫，并与热传垫产生键合。
[0007]于本公开的一或多个实施方式中，在第一类热传凸块接触热传垫之前，第一类热传凸块相较于接合面具有第一高度，第二类热传凸块相较于接合面具有第二高度，第一高度大于第二高度，且第二类热传凸块相较于第一类热传凸块设置在距离接合面的几何中心较远处。
[0008]于本公开的一或多个实施方式中，热传凸块的材料包括金和镍。热传垫的材料包括金和镍，且键合是产生于热传凸块的金与热传垫的金的接触界面。
[0009]于本公开的一或多个实施方式中，将散热器接合至半导体元件的方法还包括：在第一类热传凸块与热传垫产生键合后以及在第二类热传凸块与热传垫产生键合前，施加压力并进行超音波震动以压紧散热器主体和半导体晶片，使得热传凸块中的第三类热传凸块接触热传垫，并与热传垫产生键合。第三类热传凸块相较于接合面具有第三高度，第三高度小于第一高度且大于第二高度。第三类热传凸块相较于第一类热传凸块设置在距离接合面
的几何中心较远处，且相较于第二类热传凸块设置在距离接合面的几何中心较近处。
[0010]于本公开的一或多个实施方式中，第一高度和第三高度的差值约为1至2微米之间，第二高度和第三高度的差值约为1至2微米之间。
[0011]于本公开的一或多个实施方式中，相邻的热传凸块之间的间隔区的宽度介于10微米和100微米之间。
[0012]于本公开的一或多个实施方式中，热传凸块当中的一者在接合面上的垂直投影的面积小于或等于约500平方微米。
[0013]于本公开的一或多个实施方式中，将散热器接合至半导体元件的方法还包括：在进行超音波震动前加热散热器主体。
[0014]本公开的一些实施方式公开了一种散热器结构，包括散热器主体和多个热传凸块。散热器主体具有接合面。热传凸块设置在接合面上，并至少包括第一类热传凸块和第二类热传凸块。第一类热传凸块相较于接合面具有第一高度。第二类热传凸块相较于接合面具有第二高度。第一高度大于第二高度。第二类热传凸块相较于第一类热传凸块设置在距离接合面的几何中心较远处。
[0015]于本公开的一或多个实施方式中，热传凸块的材料包括金和镍。
[0016]于本公开的一或多个实施方式中，热传凸块还包括第三类热传凸块，其相较于接合面具有第三高度。第三高度小于第一高度且大于第二高度。第三类热传凸块相较于第一类热传凸块设置在距离接合面的几何中心较远处，且相较于第二类热传凸块设置在距离接合面的几何中心较近处。
[0017]本公开借由超音波或热音波(超音波以及加热配合，多为先加热升温再施以超音波)接合，可在加工过程中避免对工件施以高温，仅以超音波产生的磨擦热及进一步运用加热及加压以让分别设置在散热器、半导体晶片表面的导热金属凸块表面相互瞬时加热而熔合，最后产生金属键合，生成金属层结构以接合散热器及半导体晶片，利用上述方式，可在接合过程中避免高温以保护被施作接合的工件，甚至，以金属层结构取代传统的导热胶来接合散热器及半导体晶片，亦可大幅降低散热器与半导体晶片的传热路径上的热阻，从而大幅提升散热器对半导体晶片的散热效率。
[0018]为了让本公开的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
[0019]图1示出本公开一些实施例中将散热器接合至半导体元件的方法的流程示意图。
[0020]图2示出本公开一些实施例中将散热器接合至半导体元件的方法的中间阶段的剖面示意图。
[0021]图3示出本公开一些实施例中将散热器接合至半导体元件的方法的中间阶段的剖面示意图。
[0022]图4示出本公开一些实施例中将散热器接合至半导体元件的方法的中间阶段的剖面示意图。
[0023]图5示出本公开一些实施例中将散热器接合至半导体元件的方法的最后阶段的剖面示意图。
[0024]图6示出本公开一些实施例中散热器结构的剖面示意图。
[0025]其中，附图标记说明如下：
[0026]S：方法
[0027]110、120、130：操作
[0028]200：散热器结构
[0029]210：散热器主体
[0030]212：空腔
[0031]220：热传凸块
[0032]2102：接合面
[0033]2202：第一类热传凸块
[0034]2204：第二类热传凸块
[0035]2206：第三类热传凸块
[0036]2208：金属层结构
[0037]300：半导体晶片
[0038]310：热传垫
[0039]320：基板
[0040]SP：间隔区
[0041]L：宽度
[0042]C：几何中心
[0043]H1：第一高度
[0044]H2：第二高度
[0045]H3：第三高度
[0046]P：压力
具体实施方式
[0047]为使本公开的叙述更加详尽与完备，下文针对了本公开的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本公开具体实施例的唯一形式。以下所公开的各实施例，在有益的情形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种接合散热器与半导体元件的方法，其特征在于，包括：将一散热器主体接近一半导体晶片，使得设置于该散热器主体的一接合面上的多个热传凸块中的一第一类热传凸块接触设置于该半导体晶片上的一热传垫；对该散热器主体进行一超音波震动，使得该第一类热传凸块与该热传垫产生键合；以及施加一压力并进行该超音波震动以压紧该散热器主体和该半导体晶片，使得所述热传凸块中的一第二类热传凸块接触该热传垫，并与该热传垫产生键合。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该第一类热传凸块接触该热传垫之前，该第一类热传凸块相较于该接合面具有一第一高度，该第二类热传凸块相较于该接合面具有一第二高度，该第一高度大于该第二高度。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该第二类热传凸块相较于该第一类热传凸块设置在距离该接合面的几何中心较远处。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热传凸块的材料包括金和镍，该热传垫的材料包括金和镍，且该键合是产生于所述热传凸块的金与该热传垫的金的接触界面。5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：在该第一类热传凸块与该热传垫产生键合后以及在该第二类热传凸块与该热传垫产生键合前，施加该压力并进行该超音波震动以压紧该散热器主体和该半导体晶片，使得所述热传凸块中的一第三类热传凸块接触该热传垫，并与该热传垫产生键合；其中该第三类热传凸块相较于该接合面具有一第三高度，该第三高度小于该第一高度且大于该第二高度，该第三类热传凸块相较于该第一类热传凸块设置在距离该接合面的几何中心较远处，且相较于该第二类热传凸块设置在距离该接合面的几何中心较近处。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该第一高度和该第三高度的差值约为1至2微米之间，该第二高度和该第三高度的差值约为1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：林育申，郑坚地，
申请(专利权)人：双鸿科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：