ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА
SEMICONDUCTOR DEVICE FOR SURFACE MOUNTING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к полупроводниковому прибору для поверхностного монтажа, который содержит по меньшей мере один полупроводниковый элемент, смонтированный на подложке прибора или интегрированный в подложку прибора, которая имеет верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, и одну или несколько контактных площадок электрического соединения первой высоты и по меньшей мере одну площадку теплового контакта второй высоты, обе расположенные на нижней поверхности полупроводниковой подложки. Полупроводниковые приборы для поверхностного монтажа такого типа могут быть смонтированы на несущих подложках, которые содержат отводящий теплоэлемент для эффективного выведения тепла, создаваемого полупроводниковыми элементами. Примерами таких полупроводниковых приборов являются СИД (светоизлучающие диоды) высокой мощности, которые требуют выведения тепла в процессе работы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Полупроводниковые приборы для поверхностного монтажа, для которых требуется отвод тепла, во многих случаях монтируют на изолированных металлических подложках (ИМП) для эффективного удаления тепла в процессе эксплуатации. Такая изолированная металлическая подложка (ИМП), как правило, содержит проводящий тепло металлический слой, обычно листовой металл, с нанесенным на него электроизоляционным диэлектрическим слоем. На диэлектрический слой наносят электропроводящий слой, чтобы сформировать токопроводящие дорожки для контактирования с монтируемым полупроводниковым прибором. Тем не менее, даже тонкий слой диэлектрического материала с низкой теплопроводностью вызывает высокое термическое сопротивление сборки и тем самым повышенную температуру p-n перехода. Это происходит, в частности, в случае малых приборов с отводом высокой тепловой энергии, что приводит к высокой плотности энергии. Монтаж приборов по технологии поверхностного монтажа (SMT) с изолированной площадкой теплового контакта, т.е. контактной площадкой, образованной из материала хорошо проводящего тепло, на изолированных металлических подложках (ИМП) дает возможность непосредственно приводить площадку теплового контакта в хороший тепловой контакт с металлической подложкой без обычного диэлектрического слоя. С этой целью диэлектрический слой не присутствует или удаляется на участке под площадкой теплового контакта для непосредственного теплового соединения площадки теплового контакта с металлической подложкой посредством теплопроводящего слоя межсоединений.
US 2011/0180819A1 раскрывает полупроводниковый прибор для поверхностного монтажа с двумя контактными площадками электрического соединения и площадкой теплового контакта на нижней поверхности подложки, на которую монтируют СИД. Контактные площадки электрического соединения и площадки теплового контакта имеют одинаковую высоту, и их монтируют с помощью слоя межсоединений к электропроводящему и теплопроводящему слою на подложку печатной платы (ПП). Площадку теплового контакта соединяют термически через проводящий слой с элементом выведения тепла, расположенным на подложке печатной платы.
WO2004/105142A1 раскрывает кристаллодержатель светоизлучающего прибора. Кристаллодержательа имеет основание для монтажа, по меньшей мере один светодиодный кристалл, смонтированный на нем, и электропроводящие шины, сформированные на основании для монтажа, которые должны быть электрически соединены со светоизлучающим кристаллом. Нижнюю поверхность основания для монтажа конфигурируют так, чтобы быть термически связанной с несущей подложкой. Поскольку электропроводящие шины обеспечены на основании для монтажа, выбор материалов основания для монтажа ограничивается непроводящими материалами, такими как керамика. Это значительно ограничивает свободу при конструировании и приводит к недостаточному отведению тепла.
При монтаже такого полупроводникового прибора для поверхностного монтажа на ИМП с диэлектрическим слоем, локально удаленным под площадкой теплового контакта, слои межсоединений между контактной площадкой электрического соединения и электропроводящим слоем и между площадкой теплового контакта и металлической подложкой требуют разного количества материала, такого, например, как припой, из-за неровности поверхности подложки, вызванной локальным удалением диэлектрического слоя. Это может приводить к дефектам соединения при монтаже полупроводникового прибора на подложку. Кроме того, в таком случае невозможно обычное малозатратное нанесение слоя межсоединений посредством равномерного осаждения припойной пасты.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача данного изобретения состоит в обеспечении полупроводникового прибора для поверхностного монтажа приведенного выше типа, который простым и надежным способом можно монтировать на изолированную металлическую подложку с локально удаленным диэлектрическим слоем, что в результате приводит к непосредственному тепловому соединению между площадкой теплового контакта и металлической подложкой.
Задача решена с помощью полупроводникового прибора для поверхностного монтажа согласно п. 1 формулы изобретения. Пункт 8 формулы изобретения относится к устройству с одним или несколькими полупроводниковыми приборами на ИМП или аналогичной несущей подложке с тепловыводящим элементом. Предпочтительные варианты воплощения полупроводникового прибора или устройства являются объектом патентования зависимых пунктов изобретения или описаны в соответствующих частях описания.
Предложенный полупроводниковый прибор для поверхностного монтажа содержит по меньшей мере один полупроводниковый элемент, монтируемый на подложку прибора или интегрируемый в нее, в частности в полупроводниковую подложку с верхней поверхностью и нижней поверхностью. Одну или несколько контактных площадок электрического соединения первой высоты и по меньшей мере одну площадку теплового контакта второй высоты располагают обе на нижней поверхности подложки прибора. Первая и вторая высоты относятся к толщине контактных площадок электрического соединения и площадки теплового контакта на нижней поверхности подложки прибора. Полупроводниковым элементом может быть светоизлучающий диод (СИД), в частности СИД высокой мощности. Полупроводниковым элементом может быть любой другой функциональный элемент, требующий отвода тепла через площадку теплового контакта. В предложенном полупроводниковом приборе вторая высота площадки теплового контакта больше, чем первая высота контактной площадки электрического соединения, для того, чтобы выровнять разницу по высоте между местоположением площадки электрического контакта и местоположением площадки теплового контакта на поверхности ИМП или аналогичной несущей подложке при монтаже прибора на таком носителе.
Эта разница по высоте позволяет монтировать предложенный прибор на ИМП с диэлектрическим и электропроводящим слоем, не присутствующим или удаленным под площадкой теплового контакта, с помощью нанесения электропроводящего и теплопроводящего слоя межсоединений равной толщины на поверхность ИМП. Поскольку слой межсоединений можно нанести, например, равномерным осаждением припойной пасты, можно простым способом получить высоконадежное соединение. Такой полупроводниковый прибор не требует никакой специальной подготовки ИМП или аналогичной несущей подложки. Процесс монтажа не вызывает специальной обработки и затрат. Примерами соединительных материалов или методов (технологических приемов) являются припои, теплопроводящий клей, спекание серебра и другие способы соединения, известные в данном уровне техники.
Полупроводниковый прибор может содержать больше чем одну площадку теплового контакта и также может содержать две или больше чем две контактные площадки электрического соединения. Предпочтительно площадка теплового контакта и площадки электрического контакта отделены друг от друга канавками или зазорами. В варианте воплощения прибора эти канавки или зазоры заполняют электроизоляционным материалом.
Обычные общие толщины диэлектрического слоя и электропроводящего слоя на металлической подложке ИМП находятся в диапазоне между 20 и 300 мкм, более типично находятся между 40 и 100 мкм. Следовательно, в предпочтительном варианте воплощения полупроводникового прибора для поверхностного монтажа разница между первой высотой и второй высотой находится между 20 и 300 мкм, более предпочтительно между 40 и 100 мкм. Площадка (площадки) теплового контакта и площадка (площадки) электрического контакта полупроводникового прибора могут быть выполнены из одного и того же материала, предпочтительно из металла, такого как медь или алюминий. Тем не менее, можно использовать другие материалы, хорошо проводящие электричество и/или тепло, известные в данном уровне техники.
Предложенный полупроводниковый прибор для поверхностного монтажа может быть сформирован по технологии WL-CSP (корпус с размерами кристалла, корпусированного на уровне пластины). По этой технологии электрические, а также необязательно площадки теплового контакта наносят на уровне пластины на матрицу полупроводниковых приборов, например прибор СИД.
Предложенный прибор для поверхностного монтажа может быть смонтирован на несущей подложке, образованной металлической пластиной или слоем металлической основы, с нанесенным диэлектрическим слоем, на котором располагают электропроводящий слой. Электропроводящий слой соответственно структурируют/формируют из него рисунок для обеспечения токопроводящих дорожек и контактных площадок для электрического контактирования с контактными площадками электрического соединения полупроводникового прибора. Диэлектрический слой и электропроводящий слой не присутствуют или удалены под площадкой (площадками) теплового контакта для того, чтобы непосредственно термически соединить площадку(площадки) теплового контакта посредством слоя межсоединений теплового контакта с металлической пластиной или слоем основы. Контактные площадки электрического соединения присоединены электрически с помощью слоя межсоединений электрического контакта к электропроводящему слою. Такой несущей подложкой может быть ИМП, в которой металлическая пластина является металлической подложкой. Другим кандидатом для такой несущей подложки является печатная плата с металлической основой (MC-PCB). На такой несущей подложке можно смонтировать несколько полупроводниковых приборов для поверхностного монтажа описанным выше способом.
Предложенный полупроводниковый прибор для поверхностного монтажа и соответствующее устройство можно предпочтительно использовать в архитектуре СИД высокой мощности, например, для переднего света автомобиля и других применений освещения.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены со ссылкой на варианты воплощения, описанные далее в данном документе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предложенный полупроводниковый прибор для поверхностного монтажа и устройство описаны далее более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи. Фигуры показывают:
Фиг. 1 схематичное сечение полупроводникового прибора для поверхностного монтажа согласного настоящему изобретению; и
Фиг. 2 полупроводниковый прибор фиг. 1, смонтированный на ИМП.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Пример предложенного полупроводникового прибора для поверхностного монтажа схематично показан в сечении на Фиг. 1. На Фигуре показана подложка 1 прибора, которая содержит интегрированный полупроводниковый элемент (явно не показан на Фиг. 1). Такой подложкой 1 прибора может быть кристалл СИД высокой мощности. Две контактные площадки 2 электрического соединения присоединяют к нижней поверхности подложки 1 прибора, отделенные от площадки 3 теплового контакта. Площадки 2 электрического контакта и площадка 3 теплового контакта могут быть выполнены из одинакового материала, например из меди. Мы не показываем необязательные покрытия или металлизацию (гальванические покрытия) для предотвращения окисления и/или для того, чтобы обеспечить возможность надежного (паяного) соединения, например гальваническое покрытие золотом, известное в данном уровне техники. Площадка 3 теплового контакта служит в качестве теплопроводящего элемента для выведения тепла из подложки 1 прибора к тепловыделяющему элементу на несущей подложке, на которую будет смонтирован полупроводниковый прибор. Площадки 2 электрического контакта и площадка 3 теплового контакта отделены зазором, который заполняют изоляционным материалом, например эпоксидным формовочным компаундом (ЭФК), силиконовым формовочным компаундом (СФК) или другими изоляционными материалами, известными в данном уровне техники.
Высота H1 площадок 2 электрического контакта ниже, чем высота H2 площадки 3 теплового контакта, для того, чтобы выровнить разницу высоты поверхности подложки ИМП-подложки 6, на которую будет монтироваться этот прибор. Это показано на Фиг. 2. ИМП-подложка 6 содержит металлическую пластину 7 с диэлектрическим слоем 8 сверху. Электропроводящий слой 9 располагают на диэлектрическом слое для того, чтобы обеспечить электрический контакт полупроводникового прибора, монтируемого на эту ИМП-подложку 6. Как можно видеть на Фиг. 2, диэлектрический слой 8 не присутствует или удален на участке под площадкой 3 теплового контакта монтируемого прибора. Обеспечивая толщину площадки 3 теплового контакта приблизительно такой же, как общая толщина диэлектрического слоя 8 и электропроводящего слоя 9 ИМП-подложки 6, можно присоединить прибор к ИМП подложке 6, используя такую же толщину материала 5 для межсоединения/присоединения, обычно припоя. Это позволяет просто и надежно выполнить процесс монтажа.
При использовании WL-CSP технологий для изготовления приборов СИД площадки электрического контакта также как и площадки теплового контакта можно нанести на уровне пластины на матрицу приборов СИД. Например, толстые медные слои, обычно от одного до нескольких сотен микрон, должны быть нанесены гальванически на пластину для того, чтобы получить площадки электрического и теплового контакта. Поскольку нанесение гальванического покрытия можно выполнить избирательно на различных участках, т.е. для разных контактных площадок, то вариация толщины может быть осуществлена достаточно просто. Медный слой можно нанести гальванически во время первой фазы до толщины площадок электрического контакта. Площадки электрического контакта затем защищают или наносят на них фоторезист во время второй фазы процесса. Затем во время третьей фазы процесса продолжают гальваническую металлизацию для формирования площадок теплового контакта до требуемой толщины. После этого слой защитного покрытия удаляют, получая в результате площадки электрического контакта и площадки теплового контакта разных толщин.
Несмотря на то что изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в изложенном выше описании, эти иллюстрации и описание должны рассматриваться как иллюстративные и являющиеся примером, а не ограничительные; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами воплощения. Другие вариации раскрытых вариантов воплощения могут быть понятны и могут быть осуществлены специалистом в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, при изучении чертежей, раскрытия и прилагаемых пунктов формулы изобретения. В формуле изобретения слово “содержащий” не исключает других элементов или этапов, а термин в единственном числе не исключает множества. Тот факт, что определенные меры перечисляют в разных взаимозависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что такие меры не могут быть предпочтительно использованы. Признаки всех пунктов формулы изобретения для прибора можно свободно объединить. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует истолковывать как ограничивающие объем изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - подложка прибора с интегрированным полупроводниковым элементом
2 - площадки электрического контакта
3 - площадка теплового контакта
4 - изоляционный материал
5 - материал присоединения/межсоединения
6 - ИМП (изолированная металлическая подложка)
7 - металлическая пластина
8 - диэлектрический слой
9 - электропроводящий слой