CN1047278C - 改进散热性能的电子电路组件 - Google Patents

Abstract

提供了散热性能被改善了的一种电子电路组件。该组件包括一块元件承载板，它有一个穿过该板的开口。该开口被作成能容纳一个发热元件的大小。用作散热器的一个金刚石层被附接到该元件承载板的底面。通过元件承载板上的开口，发热元件被直接附接到金刚石层上去。该金刚石层提供了电气绝缘以及优良的热分散性能。

Description

改进散热性能的电子电路组件

本发明在整体上涉及电子电路组件，更具体地，涉及改进了散热性能的电子电路组件。

现代电子电路组件包含有高功率模拟和数字半导体器件，它们固有地会产生大量的热量。在工作期间，各元件产生的热量必须被散发掉以保持一个可接受的工作温度。

通常，电子元件是被安装在印刷电路板上。印刷电路板并不是好的散热器，但是，它提供了电子电路工作时所必需的电绝缘，并且为连接各种元件的印刷电路提供了一个衬底。为了散发热量，常规的印刷电路板通常被安装在金属散热器上，例如铜，它们将从该电路板上把热量带走。

在模拟电子线路中，例如，随着现代电信技术所要求的频率和功率的增高，上述散热方式已不足以保持工作温度了。同样的问题也出现在数字式电子线路，例如具有高性能的微处理器中。现有技术的解决方案是将那些发热最多的特殊元件隔离出来，并把它们单独与位于印刷电路板下面的金属散热器相连上。上述方法是通过设计一个穿过印刷电路板的开口来实现的。该开口通到金属散热器上。

发热元件不能直接地连接到金属散热器上，因为它必须连到一个电气上绝缘的衬底上。因此，该发热元件首先被附接到一陶瓷衬底上。然后，通过印刷电路板上的开口，将该陶瓷衬底贴到金属散热器上。

现有技术的解决方法导致一些特殊的缺点。例如，发热元件和散热器之间的陶瓷衬底不能特别好地散热。与铜相比，陶瓷仅具有其散热能力的百分之一。因而，尽管可以保持正常的工作温度，但将存在热梯度，即安装在陶瓷衬底上的发热元件附近，热量将高一些。这导致诸如金属移动(metal migration)一类问题，最终导致器件故障。

此外，氧化铍通常被用作为陶瓷衬底因为它具有极其优良的散热特性。然而，在生产过程中，氧化铍产生许多有毒物质。而且，由于将发热元件与散热器相连接的陶瓷不是特别好的散热元件。

因此，必须将电子元件本身设计成尽可能有效地散热。典型地，电子元件是一块半导体芯片。为了提供有效的散热，此种半导体芯片通常被作成薄到5密耳(mil)的厚度。这一厚度导致器件易碎，并要求额外的处理工艺，因此，影响产品的成本及产量。

因此，需要一种具有改善了散热性能的电子电路组件，它克服了现有技术的这些缺点。特别地，需要这样一种散热配置，它能有效地和均匀地传导热量，同时又能提供电气绝缘且不需要附加的陶瓷衬底。此外，也还希望提供足够的散热能力，因而就无须将发热元

件作成薄型的了。

本发明提供了一种改善了散热性能的电子电路组件，具有：一块元件承载板，包括第一表面，第二表面，以及至少一个从第一表面延伸到第二表面的开口，该电子电路组件的特征在于：还具有该元件承载板的第一表面相邻设置的第一金刚石层，该第一金刚石层通过开口绝缘地与电子元件相接触；以及由一种金属构成的第一金属层，位于第一金刚石层及元件承载板的第一表面之间；第二金属层，由金属的金属碳化合物构成，并位于第一金属层及元件承载板的第一表面之间；电子元件，位于至少一个开口内并叠加到第二金属层上；以及第一焊料，位于第二金属层及电子元件之间。

术语“金刚石”一词，在用于描述与本发明相关联的那些材料时，指大致上为金刚石。

图1为一个简化的示例性电子电路组件的透视图；

图2是现有技术的电子电路组件的一个简化的剖面图；

图3是按照本发明的电子电路组件的一个简化的剖面图；

图4是按照本发明的电子电路组件的一替代实施例的一个简化剖面图；

图5是按照本发明的电子电路组件的又一替代实施例的简化剖面图。

图1是一个电子电路组件10的透视图。电路组件10是一个简化的示例性组件。电路组件10包括元件承载板12，通常是一块包括绝缘板和连接各电子元件的若干导电条(图中没有画出)的印刷电路板。元件14,16,18,20，和22代表组成该电路的各种电子元件。元件14和16代表各种表面安装的集成电路。元件18和20代表片状电阻和片状电容。元件22是发热元件。例如，发热元件22可以是高频模拟器件或者微处理器。注意，金属丝23,25,27和29表示元件22和该电路其余部分之间的丝焊(wirebomded)连接点。此外，元件22也可能是一个经由各种导电条电气连接到电路的其余部分的被封装好的器件。

电路组件10更进一步地还包括设置在印刷电路板12的底面的散热层24。在现有技术中，散热层24可以是一块铜衬底。此外，发热元件22可被安装在一块陶瓷衬底上(未示出)，并通过印刷电路板12上的开口26连接到散热层24上。开口26被作成能容纳元件22的大小。

相反，按照本发明，散热层24由一金刚石层组成。此外，发热元件22是被直接安装到金刚石层24上。下面，要进一步详细地讨论现有技术的方法和按照本发明的电路组件。

图2是现有技术电路组件30的一个高度简化的剖面图。电路组件30包含元件承载板32，通常，它是一块印刷电路板。印刷电路板32包含一个开口34。该开口34的大小可容纳附接在陶瓷衬底38上的电子元件36。典型地，电子元件36包括一个半导体芯片，陶瓷衬底38包括氧化铍衬底印刷电路板32和陶瓷衬底38都附接到金属散热器40上。通常，金属散热器40包括铜衬底。在实际应用中，电路组件30与铜制衬底40被安装在一个电子设备中，诸如计算机或便携式电话。通常，该铜衬底层40将被拧到背板上以便更进一步地分散该电子电路中的热量。

图3是按照本发明的一个电子电路组件的一个高度简化的剖面图。图3表示一种优选电路组件，而图4和图5表示按照本发明的可替换的组件。参见图3，设有第一个金刚石层50。金刚石层50最好是多晶结构的金刚石薄片，厚度为10-30密耳。金刚石层50是采用商用化学蒸气沉积(CVD)工艺构成的，可以从Diamonex^TM公司获得这种金刚石薄片。另外，该金刚石层50也可以由无定形(非晶体形)的金刚石或单晶金刚石构成。在下面要详细说明的各种替代实施例中，金刚石层50也可由沉积薄膜构成。

在最佳实施例中，金刚石层50被溅射沉积上一层能与碳相互作用的金属层。优选金属为钨。参见图3，当金属钨被溅射在金刚石层54上时，在金属钨层54的下面形成一个钨的碳化物层(碳化钨层)52。金属钨层54提供了一个表面，它将镀上焊锡，以便于如将要被说明的那样，连接该电路组件的其余部分。可以理解，其它能形成金属碳化合物的各种金属可以代替这种被溅射的钨。在该最佳实施例中，大约1000-5000埃(A)厚的钨被沉积上去。

该最佳实施例的电路组件还包含一块元件承载板56。元件承载板56是一块印刷电路板。该承载板56包括第一个面，即底面58。底面58正对着第二个面，即顶面(正面)60。该承载板56还包括一个从顶面60延伸到底面58的开口62。开口62的大小为能容纳包括本实施例的半导体芯片的电子元件64。可以理解，承载板56可包括若干个这一类开口，以满足其他的发热电子元件的要求。

在该最佳实施例中，半导体芯片64通过开口62附接到金刚石层50上。更特别地，半导体芯片64有一个底面66，它通过包括第一种焊料的第一材料层68被附接到金刚石层50。由于金刚石层50已经被金属钨层54所复盖，所以层68通过金属钨层54粘接到金刚石层50上去。

类似地，承载板56的底面58被包括第二焊料的第二材料层70所复盖。

在按照本发明的构成电路组件的最佳方法中，半导体芯片64在电路承载板56被附接到金刚石层50上去以前先被附接到金刚石层50上去。更特别地，半导体芯片64在对应承载板56上的开口62的位置与金刚石层50附接。焊料层68被加热到一个合适的温度以形成软熔(reflow)，从而把半导体芯片64粘贴到金刚石层50上去。接下来，以类似的方法，把承载板56紧密地连接到金刚石层50上去。开口62环包着半导体芯片64。

在本最佳实施例中，复盖半导体芯片64底面的第一焊料层68由锡锑合金构成。锡锑(Tin antinmony)合金具有相对高一些的软熔温度。相反，复盖承载板56的底面58的第二焊料层70由软熔温度低一些的焊料构成，例如锡铅合金(tin lead)。在按照本发明的生产电路组件的方法中，半导体芯片64首先通过在焊料温度上软熔粘接。然后，承载板56通过在较低的温度软熔而被附接。因此，焊料软熔温度的不同使得半导体芯片64保持对准，且当承载板56被附接到金刚石层50上去时，不受干扰。

该最佳实施例中，半导体芯片64的厚度大约为15-20密耳。这个厚度是指芯片被制造出来以后的厚度。由于金刚石层50提供了如此有效的散热，因此，半导体芯片64就不需要如现有技术所要求的那样被作薄了。于是，许多工艺步骤可被删掉，而使产量提高。

承载56的厚度最好制成太约与半导体芯片64相同。因此，半导体芯片64的顶面72与承载板56的顶面高度相同。而且，半导体芯片64的底面66也与承载板56的底面齐平。于是，半导体芯片64的底面66位于由承载板56的底面58所限定的平面上。由于半导体芯片64不需要很薄，且与承载板56一样厚，所以工艺过程大大简化。进而，对额外的陶瓷衬底的需求，连同与之相联系的成本及额外的工艺流程都被去掉了。

一种替代实施例如图4所示。图4是按照本发明的一个电路组件的简化剖面图。图中相同的参考标号代表电子电路组件的类似部分。图4中所示的实施例容许使用预先被作成薄片的芯片，因而可使用那些设计用于和现有技术的附加陶瓷衬底一道使用的芯片。

图4的实施例和图3的实施例之间的一个值得注意的差异是，在图4的实施例中，金刚石层50还包含延伸进开口62中的第一个部分80。该第一个部分80绝缘地连接半导体芯片65的底面66。金刚石层50可具备有或制备有金属碳化合物层和金属层，以便于如前面所述，从承载板56和半导体芯片64的底面粘附焊接。此外，在本实施例中，金刚石层50可沉积无定形(非晶体形)或多晶形金刚石。可采用的金刚石的化学沉积方法已在，例如，美国专利No.5,124,179和No.5,126,206中被公开，并在这里被引作参考文献。

图5示出本发明的又一替代实施例。图5是一个包含有与图2中所示实施例的那些元件相类似的元件的电路组件的简化剖面图。图5的实施例中的一个显著的不同在于复盖承载板56的顶面60的第二金刚石层90。该第二金属刚石层最好是由一个共形的(conformal)类金刚石(diamond-like)碳膜(DLC)的镀层构成。第二金刚石层最好是采用低压CVD工艺或者是离子溅射工艺在承载板56上形成，例如，可从Diamonex^TM公司得到这种工艺。可以理解，金刚石层90共形地套住设置在承载板56的上表面上的元件、金属连线，导电条等等。

应当注意，本发明提供了一个具有改善了散热性能的电子电路组件。采用金刚石层代替传统的金属散热器，同时提供散热和绝缘面。因此，就不再需要将发热元件与散热器连接起来的陶瓷衬底了。此外，由于金刚石的导热效率大约是通常的铜的五倍，所以按照本发明，热量就均匀地被散布在整个金刚石层上。此外，在发热元件是半导体芯片的场合，由于热量可以由具有正常厚度的半导体芯片充分地散发出去，因此，在生产出这些芯片以后，不需要进一步作薄。

Claims (6)

1．一种改善了散热性能的电子电路组件(10)，具有：

一块元件承载板(56)，包括第一表面(58)，第二表面(60)，以及至少一个从第一表面(58)延伸到第二表面(60)的开口(62)，该电子电路组件的特征在于：还具有

该元件承载板的第一表面(58)相邻设置的第一金刚石层(50,51)，该第一金刚石层通过开口(62)绝缘地与电子元件(64)相接触；以及

由一种金属构成的第一金属层(52)，位于第一金刚石层及元件承载板的第一表面之间；

第二金属层(54)，由金属的金属碳化合物构成，并位于第一金属层及元件承载板的第一表面之间；

电子元件(64,65)，位于至少一个开口内并叠加到第二金属层上；以及

第一焊料(68)，位于第二金属层及电子元件之间。

2．根据权利要求1的电路组件，其中第一金刚石层(51)的第一个部分(80)延伸进开口中以便与电子元件(65)相遇。

3．根据权利要求1的电路组件，进一步包括位于第二金属层和元件承载板之间的第二焊料(70)，第一焊料(68)具有比第二焊料(70)高一些的融化温度。

4．根据权利要求1的电路组件，还包括与电子元件物理地接触的第二金刚石层(90)。

5．根据权利要求1的电路组件，其中金属包括钨。

6．根据权利要求1的电路组件，其中碳化合物包括碳化钨。

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