[发明专利]具有提高的导热性的耐应变管芯附着和制造方法

说明书

在半导体管芯和用于管芯的封装之间的机械稳定且导热的界面设备以及相关的制造方法，包括：半导体管芯；用于管芯的封装；在封装和/或管芯上的表面积增强图案；以及在管芯和封装之间的管芯附着材料，管芯附着材料通过由管芯附着材料提供的界面将管芯附着到封装；其中：在管芯附着材料与封装和/或管芯之间的有效结合面积在有图案的情况下比在没有图案的情况下大；并且有效结合面积的增加同时增加了用于在封装和/或管芯与管芯附着材料之间的热传输的表面积；并且增加了用于将封装和管芯中的至少一个稳定地附着到管芯附着材料的表面积。

发明背景

半导体管芯(例如发光二极管(LED)和高功率晶体管)具有平坦的安装表面并使用用于封装裸半导体元件(管芯)的各种有机(类似环氧树脂)或无机(焊料)附着方法而附着到平坦封装表面。这个过程通常被称为管芯附着(D/A)过程，且粘合剂或焊料被称为D/A材料。除了将管芯保持在封装内部用于随后的组装操作(如丝焊和包覆成型)以外，管芯表面和封装表面的这个组合和D/A材料还需要满足几个其它要求：

·适应在热循环期间出现的芯片、封装和管芯附着材料的任何膨胀/收缩，其是由于在半导体管芯和封装材料之间的热膨胀系数(CTE)失配而导致的。

·提供用于使热有效地通过封装从半导体管芯传导并到达封装外表面的高导热性。

·为了提高的强度和更好的热管理，标称上没有在半导体管芯和匹配封装表面之间的空隙。

·经得起高速组装过程以确保低制造成本。

通常，封装表面和管芯表面是干净和平坦的。CTE管理和空洞都对较大的管芯变得成问题，且故障可能变得更有问题。可通过在真空环境中执行固化或焊接操作来管理空洞，但这可能很慢并增加封装操作的费用。

因此，对高功率半导体设备制造和可靠的操作的基本挑战涉及在半导体管芯(其中热被产生)和封装之间创建机械稳定且导热的界面，该封装容纳管芯且一般附着到电路板以创建现代电子和光电系统。在图1中示出了说明在现有技术中遇到的挑战的一般性结构，其中D/A材料被显示有一般在高体积制造操作期间出现的空隙(气隙)4。具体来说，图1示出半导体管芯1、D/A材料2和封装3(一般在其金属部分处附着到D/A材料2)。热流方向由指向下的箭头示出。空洞被示为在D/A材料2中的间隙4。这些空隙4可影响成品设备的机械稳定性和热性能，危害在操作中的可靠性。存在两个相关问题，其需要被解决以提高图1所示的组件的总性能。第一个问题是提高热性能。第二个问题是提高机械性能。

关于热性能，半导体设备在高温下比在较低温度下更快地降级。在操作期间在半导体管芯1中产生的热一般需要通过封装3传导到环境。冷却过程的效率取决于图1所示的所有材料的导热性以及界面的数量，热能需要通过所述界面来被传输。图1所示的界面的类型包括：

·管芯1到空气界面(空隙4)

·空气到封装3界面(空隙4)

·空气到D/A材料2界面(空隙4)

·管芯1到D/A材料2界面

·D/A材料2界面到封装3

研究表明，即使使用高导热性材料(管芯1、D/A材料2、封装3材料)，从一种类型的材料到另一类型的材料或通过气穴传输热能也是个大问题。一般而言，这个热界面阻力是取决于所涉及的材料和热如何在不同类型的材料之间的原子或分子水平处被传递(例如由不同类型的原子和分子键特征化)的基本特性。一般而言，热传输可以在例如图2所示的简化阻抗图中被特征化，图2示出管芯、D/A材料和封装的复杂组件的典型非限制性示例。在这里所示的芯片是典型蓝色LED的热表示，其中LED的结在所示蓝宝石衬底的顶部上的非常薄的半导体层中。在这里特别感兴趣的是热路径可被描述和建模为阻碍热的传输的一系列热“阻器”的事实。图2表示在结构中的几个界面，且可看到空隙4的存在。注意，特定的热阻抗取决于未按比例示出的层的特定厚度。