CN100394589C - 半导体元件热辐射结构及散热器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的半导体元件的热辐射结构，通过：对散热器的安装座的底表面上提供用于导热片的凹陷；将导热片设置在此凹陷中；以及将功率FET的源极螺纹连接到散热器的安装座的底表面上，这就有可能在不损坏功率FET的内部中的半导体芯片以及不使得电特性恶化的情况下有效地发散半导体元件所产生的热。

Description

半导体元件热辐射结构及散热器

技术领域

本发明涉及半导体元件的热辐射技术，具体而言，涉及诸如功率FET(场效应管)的高输出半导体元件的热辐射技术。

背景技术

在诸如W-CDMA(宽带码分多址)的无线通讯系统中，几百瓦级的功率FET被用于发射无线电波。

在功率放大器(其中诸如几百瓦级的功率FET的高输出半导体元件被使用)的设计中，所使用的半导体元件所产生的热的有效辐射就变成了一个很重要的问题。这是因为，如果热辐射不足并且热存储在半导体元件的内部，半导体元件导致电特性的恶化，例如不能获得充分的饱和输出，在一些情况下，半导体元件可能被热所损坏。

总之，为了获得充分的热辐射效果，几百瓦级的功率FET不能是表面安装型结构，并且具有这样的结构：功率FET的源极的后表面与连接到功率FET外部的散热器直接相接触。但是，通常源极的后表面平面度不好，微小的不规则性存在于源极的后表面上。因此，如果源极的后表面与散热器之间相接触，后表面被螺纹连接，空气进入通过微观不规则所形成的间隙中，导致不能获得充分热辐射效果的问题。

作为解决此问题和提高热辐射特性的技术，提出了一种涉及将功率FET的源极的后表面焊到散热器上的技术以及涉及将热油脂施加到功率FET的源极的后表面和散热器之间的技术(例如，日本实用新型公开出版物No.5-62048和日本专利公开出版物No.4-167455)。

但是，涉及焊接的上述技术所具有的问题是，此技术不适于大规模制造，因为将源极的后表面焊接到具有较大表面积的散热器的工作不很容易执行。同样，上述涉及施加热油脂的技术的问题在于，此技术不适于大规模制造，因为热油脂的施加量和施加面积等对热辐射特性和电特性具有极其重要的效果，还有的问题是，其难于保证热油脂的长周期可靠性。

另外一方面，例如，不使用上述焊接或者热油脂并通过将导热性优良的导热片插入到功率FET和散热器之间而连接的功率FET的结构在日本专利公开出版物No.11-204700中提出。

通常的功率FET的外观视图被显示在图1中。传统的功率FET的热辐射结构的示例被显示在图2-5中。图2是传统的功率FET的外观透视图。图3是传统的功率FET的组装视图。图4-5分别是沿着图2的线VII-VII所取的截面图。

在图2-5中，半导体元件的功率FET 1是图1的功率FET。功率FET 1通过下述构成：长方体形状的壳体1A；栅极2A，所述栅极2A为金属板以从此壳体1A的侧面凸起；漏极2B，所述漏极为金属板以从与壳体1A的栅极2A相对的侧面上的侧面突起；以及源极3，所述源极是设置在壳体1A的底表面上的金属板。源极3从与栅极2A和漏极2B被设置的侧面相正交的两个侧面突起，源极3的端部3A每个设有凹陷(带缺口部分)3B，螺钉4穿透通过所述凹陷。

在衬底5上，启动功率FET 1的电路图案5A被形成，通过其插入功率FET 1的开口5B被设置。

由诸如铝的金属制造的散热器6被设置在与散热片6A相对的侧面上的安装表面6B上，所述侧面具有安装座(锪孔)7，用于安装功率FET 1时功率FET和的衬底5的高度调节。

当源极3的后表面3C的平面度在理想的壳体中是优良时，功率FET 1被安装的方式是：源极3的后表面3C通过衬底5的开口5B与散热器6直接接触，功率FET 1通过使用螺钉4固定，这样源极3推压散热器6的安装座7。栅极2A和漏极2B被焊接到衬底5上的电路图案5A。

通常，此时，功率FET 1的源极3的后表面3C具有较低的平面度，空气进入通过微观不规则所形成的间隙中，结果只通过螺钉来推动源极3不能执行充分的热辐射。出于此原因，在许多的情况下，由具有较好的导热性能的弹性部件所形成的导热片8被插入到源极3和散热器6之间。

导热片8工作以具有保证导热片8与源极3的后表面3C的整个面积相接触的形状。在如图5所示的情况下，导热片8A不直接与源极3的后表面3C的整个面积相接触，并只与源极3的后表面3C的部分面积相接触，如果施加如图所示的螺钉的扭矩，那么由于间隙8B的出现，只有导热片8A的面积升高，这是因为导热片8A的厚度的缘故。导热片8工作以接触后表面3C的整个面积的原因是，诸如功率FET 1内部中的半导体芯片的损坏的不一致由于间隙8B在功率FET中的变形应变的发生的结果而被防止。

除了上述的热辐射结构外，诸如将源极3和散热器6焊接在一起或者在源极3和散热器6之间施加热油脂的散热方法也已经被提出。

但是，涉及功率FET和散热器通过导热片彼此电接触的传统技术的问题是，由于导热片的电阻的缘故功率FET的电特性恶化。

尽管低电阻部件被用作导热片，所述部件不是最好的导电体。出于此原因，导热片具有很大的电阻。此电阻的存在促进了FET从漏极到栅极的反馈，导致诸如FET的不正常振荡的电特性的恶化。

作为使用导热片的技术，可能考虑其中导热片的形状不是导热片设置在功率FET的源极的后表面的整个区域上而是导热片具有这样较小的形状从而导热片与热特别集中的FET的内部中的半导体芯片部分对应的位置相接触的技术。但是，即使使用此技术，在功率FET的接地通过螺纹连接而执行的情况下，被螺纹连接部分由于导热片的厚度的缘故升高一点，由此不可能完全执行接地。同样，如果接地通过螺纹连接的扭矩强制执行，功率FET将变形，导致诸如功率FET的内部中的半导体芯片的裂纹之类的问题。

顺便提及的是，申请人没有发现现有技术中与本发明相关的现有技术，除了到本发明申请日之前所描述的现有技术之外。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体源极的热辐射结构和散热器，其消除了上述问题并可以在不损坏半导体元件的内部中的半导体芯片和不导致电特性的恶化的情况下有效地辐射热。

为了实现此目的，与本发明相关的半导体元件的热辐射结构包括：导电散热器，所述导电散热器的用于固定半导体元件的安装表面上具有凹陷；导热片，所述导热片通过被推入凹陷并与半导体元件部分相接触而将热从半导体元件传输到散热器；半导体元件，所述半导体元件具有与由第一电极(例如图1的功率FET中的源极3)所形成的安装表面相接触的表面，半导体元件被固定到安装表面，所述导热片被夹持在所述半导体元件与安装表面之间，部分第一电极与导热片相紧密接触，另外部分的第一电极与散热器的安装表面电接触。

热辐射结构可以是：其还包括具有开口的衬底，所述衬底设置在所述散热器上，半导体元件通过开口被插入，其中电连接到一个或者多个第二电极(例如，图1的功率FET中的栅极2A和漏极2B)的电路图案被形成在开口的周围部分中，所述第二电极被设置的方式从半导体元件的侧面突起，半导体元件被插入到衬底的开口中并固定到安装表面，第二电极与电路图案相接触，此后，第二电极和电路图案被焊接在一起。

此外，热辐射结构可以是：所述凹陷可以形成在安装支座的底表面上，所述安装支座以凹面形状形成在安装表面上，半导体元件被固定到安装支座的底表面。

与本发明相关的散热器是用于通过将来自半导体元件的热通过导热片辐射热到散热器的热辐射结构的导电散热器，所述半导体元件固定至一安装表面，包括：凹陷，所述凹陷设置在所述安装表面上，与所述被安装的半导体元件的电极部分相紧密接触的所述导热片被放入所述凹陷中；以及与所述被安装半导体元件的所述电极的另外部分相电接触的部分。

散热器可以是：凹陷被形成在安装支座的底表面上，所述安装支座以凹面形状形成在安装表面上以固定半导体元件。

如上所述，根据半导体元件的热辐射结构和本发明的散热器，由于导热片被输入到用于高度调节的凹陷中，所述凹陷被提供在散热器的安装表面上，由于导热片的厚度的缘故的半导体元件的变形应变在拧紧的过程中受到抑制，结果散热器和半导体电极彼此直接电接触，来自半导体的热通过导热片有效地发散到散热器。

因此，在不损坏半导体元件的内部中的半导体芯片的情况下可以被有效地辐射热量，而不会导致电特性的恶化。

附图说明

本发明的上述和其它特征将在结合本发明的下述详细说明及附图的说明而变得显而易见，其中：

图1是通常的功率FET的外表视图；

图2是传统功率FET的热辐射结构的透视图；

图3是传统功率FET的热辐射结构的组装视图；

图4是沿着图2的线VII-VII所取的传统功率FET的热辐射结构的截面图；

图5是沿着图2的线VII-VII所取的传统功率FET的热辐射结构的另外的截面图；

图6是本发明的实施例中的功率FET的热辐射结构的组装视图；

图7是沿着图6的线III-III所取的截面图；以及

图8是显示本发明的实施例中散热器结构的测量结果的图形。

具体实施方式

下面将参照附图详细说明本发明的优选实施例。

首先，参照图6、7，本发明的实施例中的半导体元件的热辐射结构将被说明。此处图1中所显示的通常的功率FET被用作半导体元件。

图6是本发明的实施例中的功率FET的热辐射结构的组装视图。图7是沿着图6的线III-III所取的截面图，这显示了本发明的实施例中的热辐射结构。

在此实施例中，导热片9被放在上述的传统技术的散热器6的安装表面6B上并且用于调整导热片高度的凹陷(锪孔)10被设置，由此散热器6和功率FET 1的元件3彼此直接电接触，与此同时，来自功率FET 1的热被有效地通过导热片9辐射到散热器6。其它的元件与上述的相同，相似的附图标记被用于表示相同的部件。

接着，将参照图6说明此实施例的中所使用的衬底5、导热片9和散热器6。

启动功率FET 1的电路图案5A被形成在衬底5上，通过其功率FET 1被插入的开口5B被设置在衬底5中。导热片9由诸如硅树脂的具有较高的导热系数的弹性部件形成并具有尺寸足以与源极3的后表面3C部分(例如具有较大的发热部分)而不是源极3的后表面3C的整个部分相接触的面积。

散热器6由诸如铝的金属制造，并在与散热片6A相对的侧面上的安装表面6B上设置安装座(锪孔)7，用于在安装功率FET 1时对功率FET 1和衬底5之间进行高度的调节。安装支座7的底表面7A设有用于对导热片9和底表面7A进行高度调节的凹陷10。此凹陷10的深度不大于导热片9的厚度，此深度被确定以通过导热片9的弹性获得合适的应力至功率FET 1，即这样的应力：底表面7A和后表面3C上的微观不规则所引起的间隙被塞住，并彼此紧密相接触。凹陷10具有大于导热片9在推动源极3的后表面3C时延展的面积的面积。

接着，将参照图6和7说明此实施例中功率FET 1的安装过程。

首先，功率FET 1被安装，这样源极3的后表面3C通过衬底5的开口5B直接与散热器6相接触，源极3的后表面3C通过螺钉4推压散热器6的安装座7的底表面7A。此时，导热片9被推动到散热器6的凹陷10中，导热片9被夹持在凹陷10的底表面以及源极3的后表面3C之间。栅极2A和漏极2B被焊接到衬底5上的电路图案5A。

接着，将参照图6、7说明本发明的实施例中的功率FET 1的热辐射结构中的热辐射动作。

由于散热器6的凹陷10的深度等于或者稍微浅于导热片9的厚度，部分后表面3C和导热片9彼此通过螺钉4的固定扭矩相紧密接触。结果，通过后表面3C和凹陷10的底表面上的微观不规则所形成的空间被填充导热片9，导热片9于凹陷的底表面以及源极3的后表面3C紧密接触，保证源极3和散热器6之间的充分热接触。出于此原因，从功率FET 1所产生的热可以下述顺序有效发散：源极3→导热片9→散热器6→空气。

在此情况下，对凹陷10进行调整，这样底表面7A的高度和导热片9的高度相同。因此，由于导热片9的厚度的缘故导致FET 1中的变形应变在拧紧的过程中不再发生，并不造成功率FET 1的内部中的半导体芯片的损坏。

此外，功率FET 1的源极3和散热器6通过螺钉4彼此推动并在凹陷10之外的部分中彼此直接电接触，功率FET 1的源极3和散热器获得相同的电势。即，充分执行接地并不导致功率FET的电特性的恶化。

通过使用通常的功率FET，本发明人测量了用于传统结构和此实施例的热辐射结构中的通常的功率FET的输出功率，在所述传统结构中，导热片于源极的后表面的整个区域相接触，在本发明的热辐射结构中，凹陷10被设置在散热器6中，导热片9被放入凹陷中。

结果，传统的热辐射结构中温度是77.9℃，本实施例中的热辐射结构中的温度是80.4℃。这样，几乎获得了相同的热辐射效果。对于电接地效果，由于如图6和7的如上所做的说明，在散热器6的螺纹连接部分中没有凹陷，也没有导热片9，源极3的后表面3C和散热器6彼此充分接触，源极3和散热器6获得相同的电势。这样，获得充分的电接地效果。

对于K因子，获得了图8中所示的结果。图8显示了在通常的功率FET中所获得100MHz频率上K因子的测量结果。K因子是功率FET的稳定性的指标之一，值越大，稳定性越高。

在图8中，条件A指示其中源极3的后表面被焊接到散热器的热辐射结构，条件B指示了商业可获得的热油脂被施加到源极3的后表面的热辐射结构。同样，条件C指示其中导热片9与源极3的后表面的整个面积相接触的热辐射结构，条件D指示其中散热器6设有凹陷10的结构，其中在此实施例中导热片9被埋入到凹陷10中。

从测量的结果来看，很明显尽管在条件A和条件B中获得了较好的K因子，如上所述，热辐射结构和安装步骤复杂，这些热辐射结构具有很小的散热实际用处。与此相比较，很明显，在条件C和D中，热辐射结构和安装步骤简单，实际可应用性较高，K因子在其中导热片9直接与电极3的后表面相接触的传统的热辐射结构(条件C)中是1.6，而通过采用此实施例(条件D)的热辐射结构被提高到3.3，几乎是上述值的两倍。

如上所述，根据本发明，通过将导热片9放入到散热器6的安装表面6B中，并提供凹陷10用于导热片9的高度调整，散热器6和功率FET 1的电极3彼此直接电接触。来自功率FET 1的热通过放入到凹陷10中的导热片9而被有效地辐射到散热器6，结果热可以在不损坏功率FET的内部中的半导体芯片以及不使得电子属性恶化的情况下有效地辐射。

顺便提及的是，在安装座7不必要的情况下，例如，当电路没有通过使用衬底5连接到电极2A、2B时，凹陷10可以在散热器6的安装表面6B中直接形成。同样在此情况下，可以获得相同的操作和效果。

此外，尽管上述说明只是以在W-CDMA使用的功率FET的热辐射结构作为示例，本发明不限于这些，此实施例也可以应用到诸如高输出功率通用双极(性)晶体管的半导体元件上，并可以获得如上所述的相同的操作和效果。

尽管对本发明的一些实施例进行了说明，普通技术人员可以理解在不背离本发明的精神和原理的情况下可以对本发明进行修改和变化，其范围由所附权利要求书所限定。

Claims (7)

1.一种半导体元件的热辐射结构，包括：

导电散热器，所述导电散热器的用于固定半导体元件的安装表面上具有凹陷；

导热片，所述导热片通过被推入所述凹陷并与所述半导体元件部分相接触而将热从所述半导体元件传输到所述散热器；以及

半导体元件，所述半导体元件具有与由第一电极所形成的所述安装表面相接触的表面，半导体元件被固定到所述安装表面，所述导热片被夹持在所述半导体元件与安装表面之间，所述第一电极的一部分与所述导热片相紧密接触，所述第一电极的另外部分与所述散热器的安装表面电接触。

2.根据权利要求1所述的半导体元件的热辐射结构，其特征在于，热辐射结构还包括具有开口的衬底，所述衬底设置在所述散热器上，所述半导体元件通过所述开口被插入，其中电连接到一个或者多个第二电极的电路图案被形成在开口的周围部分中，所述第二电极以从半导体元件的侧面突起的方式被设置，

所述半导体元件被插入到所述衬底的开口中并固定到所述安装表面，所述第二电极与所述电路图案相接触。

3.根据权利要求2所述的半导体元件的热辐射结构，其特征在于，所述凹陷形成在安装支座的底表面上，所述安装支座以凹面形状形成在所述安装表面上，半导体元件被固定到所述安装支座的底表面。

4.根据权利要求2所述的半导体元件的热辐射结构，其特征在于，所述第二电极和所述电路图案被焊接在一起。

5.根据权利要求3所述的半导体元件的热辐射结构，其特征在于，所述第二电极和所述电路图案被焊接在一起。

6.一种导电散热器，来自半导体元件的热通过导热片可传导至该散热器，所述半导体元件固定至一安装表面，所述散热器包括：

凹陷，所述凹陷设置在所述安装表面上，与所述被安装的半导体元件的电极部分相紧密接触的所述导热片被放入所述凹陷中；以及

与所述被安装半导体元件的所述电极的另外部分相电接触的部分。

7.根据权利要求6所述的导电散热器，来自固定到安装表面的半导体元件的热通过导热片可传导至该散热器，其中所述凹陷被形成在安装支座的底表面上，所述安装支座以凹面形状形成在所述安装表面上以固定所述半导体元件。

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