具有半導(dǎo)體器件的基臺(tái)的半導(dǎo)體單元的制作方法
【專利摘要】半導(dǎo)體單元包括基臺(tái)以及與基臺(tái)耦合的芯片。所述基臺(tái)配置有底座和以及底座和芯片之間的多個(gè)層。將這些層之一，放熱導(dǎo)電銀(“Ag”)層沉積到底座的頂部上。選擇銀層的厚度，使得基臺(tái)的累積熱膨脹系數(shù)與芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配。耦合至芯片的有源區(qū)的是由彈性可延展材料制造的應(yīng)力釋放層。
【專利說(shuō)明】具有半導(dǎo)體器件的基臺(tái)的半導(dǎo)體單元
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及合并了基臺(tái)(submount)的半導(dǎo)體單元，更具體地涉及支撐半導(dǎo)體器件的基臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1說(shuō)明了相當(dāng)簡(jiǎn)單和典型的半導(dǎo)體單元，，所述半導(dǎo)體單元具有如圖1所示的基臺(tái)I上安裝的半導(dǎo)體器件8?；_(tái)I包括:底座2，例如陶瓷襯底；相對(duì)厚的熱電導(dǎo)體層4，所述相對(duì)較熱的熱電導(dǎo)體層典型地具有最高至幾個(gè)微米的厚度；以及焊接層6。如箭頭所示，層4配置用于對(duì)在使用半導(dǎo)體器件或芯片8期間產(chǎn)生的熱進(jìn)行散熱。通常，層4由金制造，相當(dāng)高成本的實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體單元。
[0003]層4有兩個(gè)重要的功能。功能之一包括將底座2和芯片8結(jié)合在一起，同時(shí)為芯片工作時(shí)散熱。另一個(gè)功能包括為觸點(diǎn)之間間提供導(dǎo)電性能，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的。
[0004]芯片8的操作期間達(dá)到的溫度通常較高。因?yàn)榈鬃?的熱傳導(dǎo)性低于相鄰的Au金屬層4的熱傳導(dǎo)性，周期性的溫度變化導(dǎo)致元件7上的實(shí)質(zhì)上的應(yīng)力。這些應(yīng)力可能降低器件7的可靠性。
[0005]再回到圖1，通常電路允許電流I從正電勢(shì)經(jīng)由金層4和P-N結(jié)流向負(fù)電勢(shì)。層4的電阻率越低，熱阻越少，芯片8的功率轉(zhuǎn)換效率(“PCE”)越高。
[0006]通過(guò)將熱經(jīng)由底座2導(dǎo)引至熱沉的同時(shí)在一部分表面上傳播所產(chǎn)生的熱，電極金(Au)層4促進(jìn)了層4的劇烈溫升。然而，金層4的熱電傳導(dǎo)表面非常小，使得散熱過(guò)程受阻。此外，金層的電阻率也是可觀的。
[0007]因此，需要制造一種成本有效的半導(dǎo)體單元。
[0008]還需要配置這里公開(kāi)類(lèi)型的半導(dǎo)體單元，所述半導(dǎo)體單元可以有效地傳播在單元的制造和操作期間所產(chǎn)生的熱。
[0009]還需要配置這里公開(kāi)類(lèi)型的半導(dǎo)體單元，所述半導(dǎo)體單元具有高功率轉(zhuǎn)換效率。
[0010]還需要提供一種制造半導(dǎo)體單元的工藝，所述工藝具有熱效率和低制造成本的特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]以上明確表示的需求可以通過(guò)以下公開(kāi)的半導(dǎo)體單元和配置所述單元的方法來(lái)滿足。根據(jù)本公開(kāi)的顯著特征之一，將典型地相對(duì)較厚的金(Au)層實(shí)質(zhì)上用銀(Ag)層代替。使用銀層可以通過(guò)減少的熱負(fù)荷來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上的半導(dǎo)體單元的成本節(jié)省、提高的性能和可靠性，這些特點(diǎn)均帶來(lái)高功率轉(zhuǎn)換效率(“PCE”)。
[0012]通常，組成半導(dǎo)體單元的基臺(tái)的不同層的材料具有彼此不同并且與用于制造芯片的材料不同的相應(yīng)熱膨脹系數(shù)(“CTE”)。。一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體單元的底座的熱膨脹系數(shù)比銀層之一的熱膨脹系數(shù)要低。因此，底座的層可以配置為使得所述層的累積熱膨脹系數(shù)與芯片材料的熱膨脹系數(shù)實(shí)質(zhì)上匹配。一旦滿足所述條件，就會(huì)相當(dāng)大地最小化機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生。
[0013]根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例，配置用于最小化應(yīng)力，本發(fā)明的單元配置有厚度受控的銀層，通過(guò)注入電鍍之類(lèi)的已知工藝將所述Ag層沉積到底座項(xiàng)部上。。確定銀層的所需厚度，使得底座的累積熱膨脹系數(shù)與用于配置芯片的材料的熱膨脹系數(shù)實(shí)質(zhì)上相匹配。
[0014]另一個(gè)實(shí)施例包括在芯片和銀層之間沉積的塑料/可延展材料層。軟材料層配置為使得即使銀層的厚度是任意的，也可以減小芯片上的機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)然，這兩項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)行組合。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]所公開(kāi)單元的以上以及其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)以下附圖的具體描述更加清晰明白，其中:
[0016]圖1是代表了已知半導(dǎo)體單元結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0017]圖2是所公開(kāi)單元的示意圖。
[0018]圖3是圖2的改進(jìn)單元的示意圖。
[0019]圖4是圖3的單元的部件的離地視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]現(xiàn)在對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例提供詳細(xì)參考。附圖并不是嚴(yán)格按比例繪制，而且不會(huì)示出在半導(dǎo)體工業(yè)中的普通技術(shù)人員眾所周知的附加層。詞語(yǔ)“耦合”和類(lèi)似術(shù)語(yǔ)不必表示直接或者緊鄰連接，而且也包括通過(guò)中間元件連接。
[0021]圖2示出了所公開(kāi)的半導(dǎo)體單元的結(jié)構(gòu)，包括基臺(tái)10和芯片20。所述芯片20可以從兩端子器件中選擇，例如高功率激光二級(jí)管發(fā)發(fā)光二極管或者發(fā)光二極管；或從三端子器件中選擇，例如晶體管；或從四端子半導(dǎo)體器件中選擇，包括例如霍爾效應(yīng)傳感器；還可以從多端子半導(dǎo)體器件中選擇，例如集成電路?；_(tái)10包括底座12、在底座12上沉積并用作導(dǎo)熱導(dǎo)電裝置的厚銀層14、以及硬質(zhì)焊料的薄層18。銀層14可以使用多種技術(shù)來(lái)沉積，例如電鍍以及其他技術(shù)，所述銀層14可以具有多種尺寸和形狀。例如如圖2所示，銀層14可以在底座12上連續(xù)地延伸至少芯片20的長(zhǎng)度。與使用金的現(xiàn)有技術(shù)相比較，使用銀有效地減小了半導(dǎo)體單元的總成本。
[0022]銀層14不僅使本公開(kāi)的單元成本有效，而且也使單元的熱電利用最有效。銀的熱傳導(dǎo)率比金高，而銀的電阻率比金低。眾所周知，熱傳導(dǎo)表面是材料的功能之一。相應(yīng)地，在使用芯片20的有源區(qū)16時(shí)產(chǎn)生的熱在銀層14的表面A2兩端傳播，所述表面A2的面積大于圖1中金層2的表面Al。因此參與將熱轉(zhuǎn)移到熱沉(圖不未不出)的底座12的面積大于圖1中代表已知工藝工的底座2的面積。實(shí)際上，在同等條件下，由于在所有金屬中銀的熱傳導(dǎo)率是最高的，銀層14的表面Al比實(shí)踐中任意金屬的熱傳播表面都大。試驗(yàn)表明，與同等厚度的圖1所示的金層相比較，甚至20微米厚的銀層也可以將p-n結(jié)溫度的溫度減小10°。因此，顯著地提高了本公開(kāi)的芯片20的可靠性。
[0023]應(yīng)該控制沉積的導(dǎo)熱導(dǎo)電銀層14的厚度，因?yàn)樗鲢y層14的厚度與底座部件的熱膨脹系數(shù)和芯片20的材料直接相關(guān)。因此，如果基臺(tái)10的累積熱膨脹系數(shù)與芯片10的材料的熱膨脹系數(shù)實(shí)質(zhì)上匹配，可以實(shí)質(zhì)上減小影響本公開(kāi)設(shè)備20的機(jī)械應(yīng)力。下述公式清楚地描述了銀層厚度的決定:
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體單元，包括:底座，與底座間隔開(kāi)的芯片，沉積于底座項(xiàng)部上并與芯片耦合的散熱導(dǎo)電銀層，其中所述底座和所述銀層確定了基臺(tái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體單元，還包括位于銀層和芯片之間、在銀層項(xiàng)部上的硬焊料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體單元，其中所述銀層配置有用于確定向基臺(tái)提供與芯片的熱膨脹系數(shù)實(shí)質(zhì)上相匹配的累積熱膨脹系數(shù)的厚度，所述基臺(tái)包含底座、銀層和焊料層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體單元，還包括應(yīng)力釋放層，所述應(yīng)力釋放層由彈性延展材料制成、并且位于硬焊料和芯片的有源區(qū)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體單元，其中所述應(yīng)力釋放層具有緊鄰焊料層的有紋理表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體單元，其中所述應(yīng)力釋放層的有紋理表面配置有分隔開(kāi)的突出部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體單元，其中從包括以下內(nèi)容的組中選擇芯片，所述組包括:兩端子、三端子、四端子和多端子半導(dǎo)體器件及其組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體單元，其中所述兩端子器件包含高功率激光二極管。
9.一種制造半導(dǎo)體單元的方法，包括: 提供底座， 在底座項(xiàng)部上沉積散熱導(dǎo)電銀層；以及 高溫下將底座和銀層焊接到芯片上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在銀層和芯片之間提供硬焊料層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括將銀層配置有用于向基臺(tái)提供與芯片的熱膨脹系數(shù)實(shí)質(zhì)上相匹配的累積熱膨脹系數(shù)的厚度，所述基臺(tái)包含底座、銀層和焊料層，其中所述匹配的系數(shù)提供作用于芯片上的減小的機(jī)械應(yīng)力。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括在焊料層和芯片的有源區(qū)之間提供由可延展材料制成的彈性應(yīng)力釋放層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括向應(yīng)力釋放層提供背對(duì)芯片的有源區(qū)的有紋理表面。
【文檔編號(hào)】H01L23/34GK103620764SQ201180071547
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月17日
【發(fā)明者】亞歷山大·奧夫契尼可夫, 阿列克謝·科米薩諾夫, 伊格爾·貝爾謝夫, 斯衛(wèi)特蘭德·圖德洛夫 申請(qǐng)人:Ipg光子公司