СБОРНЫЙ КОРПУС МИКРОСХЕМЫ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
INTEGRATED CIRCUIT COMPOSITE HOUSING AND ITS APPLICATION METHOD

Область техники
Изобретение относится к сборному корпусу микросхемы и его использованию для монтажа по крайней мере одной полупроводниковой микросхемы; корпус состоит из фланца и подложки, причем по крайней мере одна микросхема и подложка размещаются на одной стороне фланца.
Предшествующий уровень техники
В изобретении описывается сборный корпус микросхемы, который может использоваться для монтажа и инкапсулирования полупроводниковых микросхем, содержащих, например, полевые транзисторы с вертикальным p-n-переходом (VJFET). Структуры VJFET применяются, в частности, в полупроводниковых устройствах РЧ большой мощности. Корпусы микросхем описываются, например, в патентах US 6318622 B1, US 6967400 B2, US 6465883 B2 и US 7256494 B2.
В патенте US 6318622 В1 описывается блок микросхем высокой мощности, монтируемый на дополнительной подложке. Полупроводниковые микросхемы подключаются к основной подложке с помощью проводных межсоединений. Для внешних электрических подключений применяются ленточные соединители (соединители с плоским кабелем). Для защиты внутренней структуры блока используется дополнительный колпачок. В патенте US 6967400 B2 описывается корпус микросхемы, включающий подложку, микросхему, клеящий материал, крышку и прокладку. Для внешних электрических подключений используются переходные отверстия на торцевых поверхностях подложки, через которые проходят соединительные провода. Это позволяет легко выводить электрические соединения от микросхемы наружу корпуса.
В описанных узлах возникают две проблемы: проблема соединения нескольких подложек и проблема отвода тепла. Во время работы мощных устройств вырабатывается большое количество тепла, которое необходимо отводить в окружающую среду, чтобы не допустить превышения критической температуры устройства (что может привести к его выходу из строя). Возможности улучшения теплообмена (например, с помощью внешних охладителей) не предусмотрены.
В патенте US 6465883 B2 высокопроизводительная транзисторная микросхема для ВЧ-связи подсоединяется к электро- и теплопроводящему фланцу с его обратной стороны. В патенте US 7256494 B2 описывается корпус микросхемы с теплораспределителем, установленным с обратной стороны микросхемы. Электрические выводы затвора и стока транзистора подключаются к подложке, монтируемой поверх фланца или теплоотвода. Описанные узлы демонстрируют хорошие термические свойства, но их использование ограничено в условиях, требующих электроизоляции фланца или теплораспределителя относительно земли. Такая изоляция необходима, например, в микросхемах VJFET с выводом стока, расположенным внизу микросхемы.
Раскрытие изобретения
Объектом изобретения является сборный корпус микросхемы с высокоэффективным отводом тепла от полупроводниковой микросхемы, в частности для микросхем с расположением контакта стока с нижней стороны. Нижняя сторона микросхемы - это сторона, противоположная той, на которой находятся остальные электрические контакты, например, контакты истока и электрические соединения микросхемы с внешними устройствами. Нижней стороной микросхема крепится к монтажному основанию. Другим объектом данного изобретения является сборный корпус микросхемы и способ его использования с возможностью монтажа и демонтажа микросхемы из узла. В случае отказа полупроводниковой микросхемы ее легко можно будет извлечь и заменить исправной микросхемой.
Вышеупомянутые объекты реализуются путем изготовления сборного корпуса микросхемы в соответствии с пунктом формулы изобретения 1 и способа его использования в соответствии с пунктом 15.
Сборный корпус микросхемы для монтажа, по крайней мере, одной полупроводниковой микросхемы в соответствии с данным изобретением состоит из фланца и подложки, причем, по крайней мере, одна микросхема и подложка располагаются на одной стороне фланца. В данном случае фланец представляет собой описанную ранее монтажную конструкцию. Фланец изготавливается из электро- и теплопроводного материала. Это означает, что данный материал имеет низкое электрическое и термическое сопротивление по сравнению с другими материалами, например, изоляционными.
Преимущество сборного корпуса микросхемы согласно настоящему изобретению заключается в высокой эффективности отвода тепла, по крайней мере, от одной полупроводниковой микросхемы благодаря фланцу. Даже в случае расположения вывода стока транзистора на нижней стороне микросхемы фланец будет иметь тепловой контакт с этой стороной. Узел прост в сборке и эксплуатации, состоит из небольшого числа деталей, экономичен и может использоваться в высокочастотных системах.
Проводящий материал фланца может состоять (полностью или частично) из металла, в частности из металла с высокой теплопроводностью, такого как медь. Фланец, изготовленный из меди, имеет высокую теплопроводность и хорошо отводит от микросхемы тепло, вырабатываемое, например, в устройствах на микросхемах высокой мощности. Поддержание температуры микросхемы на уровне ниже критического необходимо для предотвращения ее отказа и повреждения.
Подложка может быть изготовлена с применением материала с низкими потерями на высоких частотах, например, материала для печатных плат. Такой материал лишь незначительно поглощает сигнал в высокочастотных устройствах; излучение на высоких частотах проходит через него практически без потерь. Материал для печатных плат недорог, удобен в обращении, механически стабилен, к нему легко крепить другие электронные и электрические компоненты, такие как электрические контакты.
По крайней мере, одна микросхема может содержать контактный вывод стока транзистора на своей нижней стороне. Нижняя сторона микросхемы - это сторона, противоположная той, на которой находятся остальные электрические контакты микросхемы. Сборный корпус микросхемы, согласно настоящему изобретению, также позволяет прикреплять контактный вывод стока транзистора, расположенный с нижней стороны микросхемы, к фланцу на той же стороне и, соответственно, к охлаждающему устройству.
На одной стороне фланца может монтироваться, по крайней мере, одна микросхема и/или подложка с использованием припоя, эвтектического сплава, токопроводящего клея и/или спекаемой пасты. Это позволяет легко и без чрезмерных затрат присоединять к фланцу по крайней мере одну микросхему и/или подложку.
Выводы, по крайней мере, одной микросхемы, в частности расположенные на стороне, по крайней мере, одной микросхемы, противоположной обращенной к фланцу, могут быть соединены с подложкой с помощью электрических соединителей, в частности проводов и/или ленточных кабелей (соединителей с плоским кабелем). Это дает простое и надежное электрическое соединение между, по крайней мере, одной микросхемой и подложкой.
Сборный корпус микросхемы может содержать электрические выходы для подключения высокочастотных элементов к внешним устройствам, в частности к печатной плате усилителя. Это облегчает использование сборного корпуса микросхемы в высокочастотных устройствах.
На подложке, по крайней мере, одной микросхемы могут располагаться торцевые металлизированные контакты, в частности, контактирующие, по крайней мере, с одной микросхемой, для электрического подключения, по крайней мере, к одному внешнему устройству. Металлизированные контакты могут размещаться на боковой поверхности подложки и/или к ним могут припаиваться провода для контакта, по крайней мере, с одним внешним устройством. Размещение торцов металлизированных контактов подложки на боковых поверхностях и возможность пайки облегчают электрическое подключение внешних устройств к контактам. Благодаря такому расположению можно легко обеспечивать электрический контакт микросхемы с внешними устройствами. Торцевые металлизированные контакты удобно расположены для внешних электрических подключений.
Сборный корпус микросхемы может быть оснащен электрической изоляцией между выводами, по крайней мере, одной микросхемы и фланцем. Это позволяет предотвращать короткое замыкание контактов микросхемы на фланец, особенно в случае фланцев с высокой электропроводностью, например, медных.
Сборный корпус микросхемы может быть оснащен, по крайней мере, одним охлаждающим устройством, в частности блоком охлаждения. Кроме того, с фланцем сборного корпуса микросхемы могут быть связаны термическими соединениями другие активные или пассивные охлаждающие устройства. Например, могут использоваться устройства с контуром водяного охлаждения или вентилятором. Это обеспечивает хорошее охлаждение, по крайней мере, одной микросхемы даже в высокочастотных устройствах с большим количеством выделяемого тепла. В сборном корпусе микросхемы могут быть также предусмотрены приспособления для монтажа фланца, по крайней мере, с одной микросхемой и подложкой на охлаждающем устройстве. Такими приспособлениями могут быть, например, винты.
Между выводами, по крайней мере, одной микросхемы и охлаждающим устройством может располагаться электрическая изоляция для защиты от короткого замыкания между выводами и/или от замыкания на охлаждающее устройство.
Сборный корпус микросхемы может содержать диэлектрическую подложку между фланцем и охлаждающим устройством, в частности имеющую форму пластины. Она может располагаться со стороны фланца, противоположной той, где находятся, по крайней мере, одна микросхема и подложка, для обеспечения электрической изоляции.
Сборный корпус микросхемы также может содержать крышку для защиты, по крайней мере, одной микросхемы и выводов. Крышка может быть съемной. Это позволяет легко менять микросхемы в корпусе, например, в случае отказа микросхемы.
Сборный корпус микросхемы может быть оснащен винтами с диэлектрическими втулками для крепления, по крайней мере, одной микросхемы, подложки и фланца к охлаждающему устройству. Это обеспечивает удобную, быструю и надежную сборку корпуса микросхемы с защитой от короткого замыкания через винты.
Способ использования сборного корпуса микросхемы в соответствии с настоящим изобретением включает демонтаж микросхем, в частности снятие, по крайней мере, одной микросхемы с подложки. Реализуемость способа также обеспечивается описанным ранее расположением деталей самого сборного корпуса микросхемы. Способ позволяет заменять, по крайней мере, одну микросхему, например, в случае ее отказа, на другую (исправную) микросхему.
Преимущества описываемого способ использования сборного корпуса микросхемы в соответствии с данным изобретением аналогичны вышеописанным преимуществам самого сборного корпуса микросхемы.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем описании настоящего изобретения используются ссылки на элементы варианта конструктивного исполнения, изображенные на прилагаемых чертежах:
Фиг. 1 иллюстрирует конструктивное исполнение сборного корпуса микросхемы 1 для монтажа, по крайней мере, одной полупроводниковой микросхемы 2 в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 2 иллюстрирует конструктивное исполнение сборного корпуса микросхемы 1, показанного на фиг. 1, с приспособлениями для его крепления к охлаждающему устройству (не показано).
Осуществление изобретения
На фиг. 1 представлен вариант конструктивного исполнения сборного корпуса микросхемы 1 для монтажа, по крайней мере, одной полупроводниковой микросхемы 2 в соответствии с настоящим изобретением. Сборный корпус микросхемы 1 содержит полупроводниковую микросхему 2 с выводами транзистора, например, с выводами для затвора и истока на верхней стороне микросхемы 2а и с выводом стока на нижней стороне микросхемы 2b. В конструкцию сборного корпуса микросхемы 1 также входит фланец 3, с одной стороны которого размещаются микросхема 2 и подложка 4. Фланец 3 выступает в качестве охлаждающего устройства, обладая хорошей теплопроводностью.
В процессе эксплуатации микросхема 2 выделяет тепло. В установках высокой мощности это тепло может повышать температуру микросхемы 2 и в результате привести к ее повреждению. Поэтому тепло необходимо отводить в окружающую атмосферу, чтобы обеспечить охлаждение микросхемы 2 и/или поддержание ее температуры на уровне ниже критического. Превышение критической температуры в микросхеме 2 может вызвать ее отказ и/или выход из строя.
Фланец 3 благодаря хорошему тепловому контакту с микросхемой 2 поглощает отходящее от нее тепло и выводит его непосредственно в атмосферу или в дополнительное охлаждающее устройство (для простоты не показано). Наиболее подходящим материалом для изготовления фланца 3 является металл с высокой теплопроводностью, например медь.
Для надежного механического и термического соединения микросхемы 2 с фланцем 3 рекомендуется в качестве материалов 5 для крепления микросхемы 2 использовать припои, эвтектические сплавы, токопроводящие клеи и/или спекаемую пасту. Микросхема 2 и/или подложка 4 могут монтироваться на одной стороне фланца с помощью таких материалов. Между микросхемой 2 и фланцем 3 можно разместить электрическую изоляцию 9. Для этого можно использовать пластину из изолирующего материала. Она будет предохранять от короткого замыкания между электрическими контактами, по крайней мере, одной микросхемы 2 и фланцем 3.
Подложка 4 располагается с той же стороны фланца 3, что и микросхема 2, и в ней может быть предусмотрена выемка для размещения микросхемы 2. Электрические выходы 7 на подложке 4 используются для электрического контакта с микросхемой 2. Одним из способов электрического подключения микросхемы 2 к подложке 4 являются межсоединения, например, с помощью проводов и/или ленточных кабелей 6. Электрические выходы 7 можно продлить до торцевых металлизированных контактов подложки 8. Они могут размещаться на боковых поверхностях подложки 4 и крепиться пайкой. Торцевые металлизированные контакты подложки 8 удобно использовать для электрического подключения к внешним устройствам, например, с помощью проводов, припаянных к контактам 8. Через торцевые металлизированные контакты 8 и электрические выходы 7, присоединенные (например, с помощью проводов и/или ленточных кабелей 6) к контактам микросхемы 2, последняя может подключаться к внешним устройствам (не показаны).
Сверху над микросхемой 2, в том числе над ее контактными выводами и приваренными проводами и/или ленточными кабелями 6, можно установить крышку 13 для механической и электрической зашиты микросхемы 2 и соединений. Крышка 13 может быть изготовлена из полимеров, не проводящих электрический ток. Ее можно сделать съемной, чтобы иметь возможность заменять при необходимости микросхему 2.
Как показано на фиг. 2, сборный корпус микросхемы 1 может быть оснащен приспособлениями 10, 11 для крепления к дополнительному охлаждающему устройству (для простоты не показано). Таким охлаждающим устройством может служить, например, оребренная пластина или теплообменник для водяного охлаждения. В качестве монтажных приспособлений могут использоваться винты 10, которые вкручиваются в охлаждающее устройство, скрепляя вместе подложку 4, фланец 3 и дополнительное охлаждающее устройство. Между фланцем 3 и охлаждающим устройством можно установить диэлектрическую подложку 11 для обеспечения электрической изоляции между фланцем 3 и охлаждающим устройством. Такая изоляция необходима в высокочастотных установках, если во фланце 3 индуцируется ток. Изоляция снижает индуктивные потери, вызываемые наведенными токами. Подложку 4, фланец 3, электрическую изоляцию 12 и охлаждающее устройство можно скрепить вместе как многослойную конструкцию с помощью зажимных винтов 10.
Для электрической изоляции винтов 10 от фланца 3 можно использовать диэлектрические втулки 11, имеющие чашеобразные головки с буртиком. Сборный корпус микросхемы 1 может быть скреплен с помощью приспособлений 11 и 12 как многослойная конструкция и механически прикреплен к охлаждающему устройству.
Изоляция токопроводящих деталей (фланца 3, внешнего охлаждающего устройства, винтов) друг от друга может повысить эффективность работы узла 1 и делает его пригодным для использования в высокочастотных устройствах.
Характеристики вышеописанных вариантов осуществления изобретения можно комбинировать с характеристиками вариантов конструктивного исполнения, применяемых в современных технологиях. В описанном узле 1 допускается использование деталей из других материалов и в другой форме. Например, фланец 3 может быть изготовлен не из меди, а из стали или других материалов, в частности металлов. Вместо Н-образной формы подложки 4 и фланца 3 с выемками для приспособлений 10, 11, соединяющих вместе узел 1, можно использовать, например, форму с двумя сквозными отверстиями. Для скрепления деталей узла 1 в единое целое можно вместо внешнего охлаждающего устройства использовать гайки на винтах 10.
Способ использования сборного корпуса 1 включает установку микросхемы 2 на фланец 3, например, с использованием припоя, эвтектического сплава, токопроводящего клея и/или спекаемой пасты 5. Между ними можно разместить электроизоляционный слой 9. Вокруг микросхемы 2 с той же стороны фланца 3 располагается подложка 4, устанавливаемая с использованием, например, припоя, эвтектического сплава, токопроводящего клея и/или спекаемой пасты 5. Микросхема 2 подключается к электрическим выходам 7 подложки 4, например, с использованием проводов или ленточных кабелей 6. Электрические выходы 7 можно продлить до боковых поверхностей подложки 4 и припаивать для лучшего контакта с внешними электрическими устройствами, такими как усилители. Размещение микросхемы 2 на фланце 3, а не непосредственно на подложке 4, обеспечивает более эффективную передачу тепла между микросхемой 2 и фланцем 3.
Сверху над микросхемой 2 и электрическими соединениями 6 между ней и выходами 7 подложки 4 можно установить крышку 13. Крышка 13 может быть сделана в виде съемного колпачка. Можно вместо этого залить микросхему 2 компаундом. Это может быть обычный полимер, используемый в полупроводниковой промышленности для герметизации микросхем.
Использование съемной крышки 13, которая может крепиться к подложке 4 с помощью приспособлений 10, 11 или клея, позволяет легко заменять микросхему 2. Сборный корпус микросхемы 1 можно демонтировать, в частности снять, по крайней мере, одну микросхему (2) с подложки 4. Например, в случае отказа установленной микросхемы 2 ее можно заменить на другую (исправную) микросхему. После снятия крышки 13 удаляется связующий материал 6, микросхема 2 отделяется от фланца 3, и на фланец 3 устанавливается новая микросхема 2, которая крепится с использованием, например, припоя, эвтектического сплава, токопроводящего клея и/или спекаемой пасты 5. Контакты микросхемы 2 подключаются к электрическим выходам 7 подложки 4 через электрические соединения. Затем к корпусу 1 снова прикрепляется крышка, например, сверху микросхемы 2, как показано на фиг. 1 и 2.
Может также потребоваться выполнить ряд других действий: например, очистить детали от клеящего вещества или припоя, эвтектического сплава, токопроводящего клея и/или спекаемой пасты. Кроме того, порядок шагов при выполнении способа, представленного в настоящем изобретении, можно изменять. Наконец, вместо описанных шагов способа или наряду с ними можно выполнять действия, предусмотренные другими известными современными технологиями.
Перечень обозначений позиций узла
1 сборный корпус микросхемы
2 полупроводниковая микросхема
2а верхняя сторона микросхемы
2b нижняя сторона микросхемы
3 фланец
4 подложка
5 материал для присоединения микросхемы
6 проводка
7 электрические выходы
8 торцевые металлизированные контакты подложки
9 электрическая изоляция между выводами, по крайней мере, одной микросхемы и фланцем
10 приспособления для крепления фланца, по крайней мере, с одной микросхемой и подложкой к охлаждающему устройству (например, винты)
11 приспособления для крепления фланца, по крайней мере, с одной микросхемой и подложкой к охлаждающему устройству (например, диэлектрические втулки)
12 электрическая изоляция между выводами, диэлектрическая подложка между фланцем и охлаждающим устройством
13 крышка