CN107710609B - 具有改进的热导出的元器件 - Google Patents

Abstract

本发明建议，若元器件在基板的有源侧上具有会产生损耗热的元器件结构，则将导热件施加在所述元器件基板的背侧上，所述导热件具有第二导热系数α_LS，所述第二导热系数显著地大于所述基板的第一导热系数α_S。那么通过所述导热件且通过将所述基板与载体连接的连接件就能实现热导出。

Description

具有改进的热导出的元器件

微电子元器件中在负荷下产生的自发热会导致机械张力、提前的材料疲劳或会导致元器件特性发生不允许的变化。因此对于电子元器件而言要力求做到降低其自发热，并且尤其要做到有效地导出损耗热，从而改进电子部件在负荷下的特性。对于表面波元器件(SAW元器件)而言，例如频率稳定性以及信号传输的能力能够得以提高。

对于在低导热性的基板上制造而成的微电子元器件，如例如SAW元器件，自发热的降低通过不同的措施实现。常见的方法之一是扩大元器件中的有源区域的面积，由此降低能量密度并且因此还降低热发生。

热散发通常还通过附加的突出部(Bump)加以改进，如例如从T.Nishizawa、G.Endo、M.Tajima、S.Ono、O.Kawachi于2009年在IEEE超声波专题论文集第903-906页中发表的《使用CSSD封装工艺实现小且低轮廓双工器》(Realization of Small and LowProfile Duplexer Using A CSSD Packaging Technology)中已知的那样。

此外还存在这样的方法，即在元器件的有源侧上为元器件中或元器件处使用的层堆叠增加导热性良好的层，从而改进热散发。典型地，为此使用介电层(SiN、AlN、Al₂O₃)。针对此目的也能使用金属，前提是该金属通过绝缘层与构件的电和/或声有源区域分离。

从文件US 7,940,146 B2中已知，将这样的附加金属层与突出部热连接，能够更高效地从系统中导出热能。

从T.Suzuki、T.Nishizawa、O.Kawachi于2013年在IEEE Joint UFFC、EFTF和PFM专题论文集的第1961-1964页中发表的文章《在电路片尺寸SAW装置结构中使用键合晶片的情况下分析热消散改进》(Analysis of Heat Dissipation Improvement using BondedWafer in Chip Size SAW Device Structure)中已知的用于降低自发热的另一措施基于多层基板的使用。在此将相对薄的例如由压电材料制成的功能层粘接在导热性较高的载体材料上。通过降低导热性不佳的功能性压电层的厚度，提高构件中有效的涡电流并且由此降低自发热。

本发明的任务在于，提供一种产生损耗热的元器件，在该元器件中改进损耗热的散发并且降低通过损耗热引起的元器件的发热。

本发明用以达成上述目的的解决方案为根据权利要求1所述的元器件。本发明的有利的构造方案从其他权利要求中得出。

对于已知的元器件而言，由有源元器件结构产生的损耗热基本上通过基板导出，即在基板平面中向外导出到封装物或载体基板中，而根据本发明的元器件使用的是安置到元器件基板背侧上的导热件，该导热件具有比基板明显更大的导热系数。那么在该元器件结构中产生的损耗热就能以最短的路线穿过基板平面被引导至导热件。在导热件处，损耗热平行于基板平面继续导出并且最终通过金属连接件导出到载体中，基板的有源侧利用该金属连接件安装在载体上。

在此，热流的至少一部分再次被引导穿过基板。由于基板具有结构化的区域，基板的层厚在该结构化区域中减小，因此引导热流通过基板的路线长度相对于所描述的已知的解决方案明显缩短。由此，从元器件结构到导热件和/或从导热件到连接件的穿过基板的竖向的传热相比未结构化的区域，也更多地在基板的结构化的区域中发生。由于导热层具有更好的导热系数，因此相比于没有导热层的情况，能够更好地且更有效地实现热导出。

来自基板的热量尤其可在元器件结构之上或者之下的区域中导出。导出在基板之外进行，因此避免基板的过度发热。由此能提高元器件的可靠性、减小元器件特性的热漂移并且延缓元器件由热引起的老化过程。从而能显著地延长元器件的使用期限。

根据一种实施方式，导热件至少如此安置在背侧上，即使得导热件将元器件结构之上的区域与金属连接件之上的区域导热地连接起来，并且在该路段上平行地跨接在基板之内的相应的路线。以这种方式保证热量从元器件结构到金属连接件的导出路线。热导出路线的横向穿过基板的部分最小化，并且从元器件结构到金属连接件的路线优选地以最短的路线而且在基板的背侧上执行。

根据一种实施方式，金属连接件与热沉相连，该热沉布置在载体中。载体本身可以是元器件包装即封装物的一部分并且与元器件一起形成单元。但是封装物还可包括其他部件。

通常来说，载体在底侧，即背离元器件的表面上，具有金属连接面，通过该金属连接面能够将载体或者包封的元器件安装到电路环境，例如电路板中。膨胀的金属区域可用作热沉，该膨胀的金属区域具有高的热容量，即使在热量大的情况下也不会和热容量较小的材料一样强烈生热。对于导电性良好的材料而言，因此也对于热沉而言，相比导热性较小的材料，进一步的放热也明显变得更容易。

载体可包括由陶瓷材料制成的层。载体能够多层地构建而成并且包含由不同的材料制成的层。多层的载体还可具有起隔绝作用的塑料层和布置在塑料层之间的结构化的金属化物。

结构化的区域设置在元器件结构的区域中和/或设置在金属连接件的区域中。通过结构化的区域，针对性地使得在这样的部位处的传热变得容易，即热量在该部位处产生或者热量在该部位处应通过金属连接件再次被导出。通过结构化的区域，还针对性地使得在决定性的且重要的部位处穿过基板的传热变得容易。

在结构化的区域中使得传热变得容易的可能性在于，在结构化的区域中减小基板的层厚。为此可在基板的背侧中设置凹口。在凹口中基板的厚度可减小直到对于元器件的功能必要的厚度上。由于层厚只在限制为面型的区域中减小，因此在凹口中层厚可比出于机械原因对于整个基板而言所允许的层厚更薄。由此通过具有第一且较小的导热系数的材料的路线也就变得最小。

在一种实施方案中，基板包括压电材料并且元器件本身是利用声波工作的元器件，尤其是利用表面声波工作的元器件。

为此可以尤其有利地使用本发明，因为通常所使用的压电材料具有差的或者低的导热系数α_S。此外利用声波工作的元器件对于发热会尤其敏感地做出反应并且展现出通过TCF(中间频率的温度系数)表达的频率的温度漂移。

利用声波工作的元器件例如是滤波器，该滤波器具有滤波器输入端和分配给该滤波器输入端的元器件结构以及滤波器输出端和分配给该滤波器输出端的元器件结构。如果在与输入端和输出端相关联的元器件结构或其引线或联接面之间发生联结，则会将施加到输入端处的电信号直接耦合到输出端中且耦合到与输出端连接的结构中并且在该处造成干扰信号。

整面安置在基板背侧上的导电层，如导热层，可能会通过以下方式在某些情况下导致串扰，即在输入结构和输出结构之间引起电容耦合。

根据一种实施方式通过以下方式避免这样的串扰，即将作为导热件安置的导电层结构化成两个或多个相互电分离的区域，其中分别将区域布置在输入侧的元器件结构之上且分别将区域布置在输出侧的元器件结构之上。以这种方式就不会通过导热件的导电层产生附加的电容耦合。

原则上导热件也可包含整面安置在基板背侧上的层，在不必担忧串扰时，该层可以是金属的。但是优选地，该整面层出于所提及的原因由电绝缘的材料或半导体形成。

在另一实施方式中，作为导热件安置在基板的背侧上的层在基板的至少一个侧面处向下延长直至载体并且在该处与布置在载体上或载体中的热沉相连。以这种方式，从导热件的层出发穿过基板到达连接件的热流就能够通过导热的跨接部减小，并且热导出能够更快速且更好地进行。

金属连接件可构造为突出部或焊接部位并且将基板上的接触面与载体上侧上相应的联接部位连接。在两种情况中连接件是金属的并且因此具有高的导热系数α。

在另一变型方案中可行的是，除了对于元器件结构或者元器件本身的电联接必要的连接件之外，附加地设置另外的仅仅用于散热的连接件。这在以下情况下是尤其有利的，即在元器件中，更确切地说在基板中产生的热量特别多，并且仍有足够的基板表面供附加的仅仅用于热导出的连接件使用。该另外的连接件能够与元器件结构电连接。优选地，该另外的连接件相对于元器件结构电绝缘。

导热件可包括从铝、银、铜、金中选择的或从电绝缘的材料如氮化铝和碳化硅中选择的材料。

下面根据实施例和附图详细阐述本发明。附图纯粹是例示性的，并非完全依照实际尺寸构成。因此从图中既不可得到绝对尺寸也不可得到相对尺寸，因为各部件为了更好的解释还可能被放大地示出。

图1以横截面显示了已知的利用表面声波工作的元器件连同产生的损耗热流出的路径，

图2借助于穿过元器件的例示性的横截面显示了本发明的简单的实施方式，

图3借助于横截面显示了本发明的另一实施方式，

图4借助于例示性的横截面显示了具有第一结构化的区域的实施方式，

图5以例示性的横截面显示了具有第一和其他结构化的区域的实施方式，

图6以例示性的横截面显示了第五实施方式，

图7显示了已知的元器件的测量点温度与所施加电信号的频率的关联性，

图8显示了根据本发明的元器件的测量点温度与所施加电信号的频率的关联性。

图1显示了已知的利用表面声波工作的元器件，即SAW元器件(SAW＝表面声波)。该元器件包括压电基板SU，该基板以倒装晶片(Flipchip)结构方式通过作为连接件VM使用的突出部键合到例如包括陶瓷片的载体TR上。在基板SU的指向载体TR的有源侧上，勾画出金属化形式的例示性的元器件结构BES。将元器件结构BES与基板SU的有源侧上的接触面连接的电连接未示出。接触面借助于在此实施为突出部的连接件VM用于电和机械联结。此外元器件可利用保护层GT加以保护，例如利用包括环氧树脂的球形顶部覆层。通过该覆层可气密地密封基板SU的有源侧和载体TR之间的空腔，在该空腔之内布置有元器件结构BES。

如从图中看出的那样，元器件通过在载体TR的底侧处的电联接部，与电路板PCB电和机械相连，例如焊接相连。

在基板SU之内通过弯曲的箭头指示热流，随着该热流，通过元器件结构BES产生的损耗热在基板SU的层平面之内延伸遍及基板并且最后通过连接件VM导出到载体TR且继续导出到电路板PCB。由于压电基板SU的导热系数α_S不佳，因此会造成基板强烈发热。热流出延迟并且元器件过热。

图2借助于穿过根据本发明的元器件的例示性的横截面显示了第一实施例。在此，压电基板SU再次通过连接件VM(突出部)安装在载体TR上，该载体又安置在电路板PCB上。但是基板SU的背侧施覆有导热件CL_T的层，例如施覆有金属层。导热件的层在此也延伸遍及区段CL_S，该区段经过基板SU的侧面向下伸延直到载体TR。在载体中，可传导的材料CL的层，更确切地说其侧向的区段CL_S的层，反过来又与附加的通孔镀层VI_Z或者通路VI相连，通孔镀层或者通路同样由于其金属衬里或填充物而能够良好导热并且使得通过载体TR的良好传热成为可能。附加的通孔镀层VI_Z可仅仅为了传热而保留。但是还可行的是，将附加的通孔镀层VI_Z与地电位连接。

在此也例示性地借助于箭头指出热流。它表明了，热量现在主要从元器件结构横向地穿过基板SU流动到可导热的材料CL_T的层中。在该层之内发生快速的传热，从而当元器件在负荷下运行时，实现快速的热分布并且因此实现导热件CL的均匀发热。基板的发热也相应地更均匀。

热量从基板SU的背侧上的导热件CL_T的层出发，以两种路线通过原则上两个不同的路径导出到载体TR且继续导出到电路板PCB。第一路径从导热件横向地穿过基板延伸到连接件且经过连接件到通孔镀层通过载体TR延伸到电路板PCB。另外的已经描述过的热导出路径是通过导热件的侧向区段CL_S直到载体中的相应的通孔镀层。

示出的元器件显示了在负荷下的高效的热导出和降低的温度升高。因此该元器件在其频率精确性、耐久性以及可靠性方面相对于图1中示出的已知的元器件得到了改进。

图3显示了本发明的第二实施例，在其中导热件CL安置到基板的背侧上的层被划分成两个区域CL₁和CL₂。两个区域通过电分离部GS相互电分离，从而避免在导热件处的连续的导电层上发生不同元器件结构的电容耦合。虽然未示出，但是在此导热件CL1，Cl2的层也可通过相应的侧向区段经过基板SU的侧面延续到载体，从而在该路线实现附加的热导出。

图4显示了本发明的第三实施例。与图3相反，在此导热件作为整面的层安置到基板SU的背侧上。为了缩短穿过第一导热系数α_S不佳的基板的热路径，基板SU在结构化的区域SB_VM中的层厚减小。结构化的区域SB_VM在该实施方式中仅仅布置在连接件VM之上并且未布置在声学有源元器件结构BES上，从而其功能不会受到结构化的区域SB_VM中的减小的层厚的干扰。

热路径因此现在从元器件结构BES处的热产生的点出发，横向地穿过基板SU，延伸到可导热的层CL_T中，在该处侧向地延伸到结构化的区域SB且在该处穿过基板SU的减小的层厚延伸到连接件VM并且经过连接件延伸到载体TR中。由于穿过基板的区段，即热量穿过导热系数α_S最小的材料的路径的区段，相对于之前的实施例缩短，因而在此通过结构化的区域和布置在其之下的连接件VM实现了改进的热散发。

在一种实施例中例如基板材料为LiNbO₃，其具有4.6W/mK的导热系数α_S。由环氧树脂制成的遮盖物GT的导热系数甚至仅为0.5W/mK。相反地由例如铝制成的导热件CL的层的导热系数α_LS为237W/mK，即近似为50倍。

图5以例示性的横截面显示了根据第四实施方式的元器件，在其中在基板的背侧处不仅在连接件VM上安置第一结构化的区域SB_VM而且在元器件结构BES上安置第二结构化的区域SB_BEs。两个结构化的区域可通过凹口的深度和基板的减小的层厚而加以区分。此外元器件结构BES上的凹口可具有更大面积，从而在遍及元器件结构的整个区域上实现减小的层厚。基板的层厚在元器件结构BES上可比在连接件VM上大。

由于在此现在从元器件结构到导热件的路线以及从导热件穿过基板到连接件VM中的路线变短了，因而根据第四实施例元器件的热导出相对于在图4中示出的第三实施例进一步得到改进。由于结构化的面积相对于基板总面积而言较小，因此不会由于凹口以不允许的方式降低基板的稳定性。这就排除了断裂危险，特别是因为可导电的层或者导热件的层形状配合地安置在基板的背侧上并且因此增强了其结构强度。虽然未示出，但是在此导热件CL的层也可经过基板的侧面延伸到载体，从而使得直接的热导出成为可能，该直接的热导出不必仅仅穿过基板实现。

在第二至第四实施例中导热件CL的层优选地形状配合地安置到基板SU的背侧上。这可通过合适的金属化，例如通过气相产生的基底金属化和电或无电流的强化而安置。

但是如在按照图6的第五实施例中示出的那样还可行的是，将导热件CL_T作为紧密的层粘接到基板SU的背侧上。作为粘接材料在此优选地使用填充有可良好导热的颗粒的粘接剂，其由此整体上具有良好的导热性。

通过粘接以片或薄膜形式的导热件可节约金属沉积或由气相沉积起隔绝作用的导热件的步骤。同时导热件的粘接的层可为元器件的密封物或者保护层或封装物的一部分。在图中示出了保护层GT的边缘区域，其侧向限制基板并且气密地密封在载体和基板之间的空腔。导热件CL_T则齐平地安坐在侧边部分上且借助于粘接材料或者粘接层AL紧密地与基板连接。该实施方案也可与第一、第二、第三或第四实施例组合，而不必偏离第五实施例的思想。

相对于已知的元器件附加的导热件的层可以一步制成或构成，因此能够简单地结合到元器件的制造过程中。因此，利用本发明可成本适宜地降低元器件的不允许的自发热的危险并且以成本适宜的方式获得热稳定性改进的、通过较小的自发热而使得特性变化较小的元器件以及获得延长的使用期限和提高的可靠性。

图7显示了在已知的元器件的基板上的测量点所测量的温度升高，单位为K/W，与施加到元器件结构处的电信号的频率的关联性。在图中将针对不同功率确定的三条曲线叠放。

元器件在此为用于带3的双工器。这表明，双工器的谐振频率会产生特别多的损耗热，其可使温度升高直至约120℃。若所使用的基板材料的中间频率的温度系数为27.1ppm/K，则频率偏移约为2700ppm，这相当于约5.8MHz的绝对频率偏移。在1785MHz的频率下测量到通过损耗热和发热引起的最大的发热，相当于右通带沿。

图8显示了在根据本发明的元器件的基板上的测量点所测量的温度升高，单位为K/W，与施加到元器件结构处的电信号的频率的关联性。在图中将针对不同功率确定的三条曲线叠放。

元器件在此再次为用于带3的双工器，但是其如在图6中示出的那样实施成具有粘接的铝箔。最大的发热，更确切地说最大的温度升高，再次在右侧通带沿的区域中出现，但是在测量条件的其它方面相同的情况下，最大的发热明显更小，只达到约75℃。这样，在温度系数相同的情况下，温度引起的频率漂移约3.6MHz，即减小了38％。

虽然本发明仅仅针对利用声波工作的元器件进行描述，但是本发明适用于所有的电气和微电子元器件，这些电气和微电子元器件以倒装晶片布置安置在载体上并且其具有导热性不佳、即导热系数低的基板。因此本发明还不受限于这些实施例。

本发明可应用到不同的元器件类型上，可与不同的壳体工艺匹配，可在几何形状方面以与示出的几何形状不同地成型且与关于载体、基板或还有电路板方面的不同材料组合。此外根据本发明元器件可具有其他遮盖层，其可布置在已描述的遮盖层布置之上或之下。

附图标记说明

AL 粘接层

BES 有源侧上的元器件结构

CL_S 基板侧向的导热件

CL_T、CL₁、CL₂ 背侧上的导热件

GS 电分离部

GT 遮盖物/保护层

PCB 电路板

SB_BES 元器件结构上的基板结构化区域

SB_VM 连接件上的基板结构化区域

SU 基板

TR 载体

VI 通路或通孔镀层

VI_Z 附加的通路或通孔镀层，用于

VM 金属的连接件热导出

α_LS 第二导热系数(导热件)

α_S 第一导热系数(基板)

Claims (9)

1.一种元器件，其包括：

基板，所述基板具有第一导热系数α_S；

载体；

金属连接件，利用所述金属连接件将所述基板的有源侧安装在所述载体上且形成所述有源侧和所述载体之间的空腔；

产生损耗热的元器件结构，其设置在所述基板的所述有源侧上且位于所述空腔中；

导热件，所述导热件安置在所述基板的背侧上，所述背侧与所述有源侧相反；

其中所述导热件具有这样的材料，即所述材料具有第二导热系数α_LS，其中α_LS>>α_S；以及

结构化区域，其设置在所述基板的所述背侧上的与所述金属连接件对应的区域中，或设置在所述基板的所述背侧上的与所述金属连接件对应的区域中和与所述元器件结构对应的区域中；

其中，从所述元器件结构到所述导热件和从所述导热件到所述连接件的穿过所述基板的竖向的传热在所述基板的结构化区域中相对于在所述基板的其余区域中更容易，

其中，所述基板的层厚在所述结构化区域中相对于所述基板的所述其余区域减小。

2.根据权利要求1所述的元器件，

其中，所述背侧上的所述导热件至少将所述元器件结构之上的一个或多个区域与所述金属连接件之上的区域连接。

3.根据权利要求1或2所述的元器件，其中，所述金属连接件与所述载体中的热沉相连。

4.根据权利要求1或2所述的元器件，

其中，所述基板包括压电材料，所述元器件是利用声波工作的元器件。

5.根据权利要求4所述的元器件，

其中，所述导热件包括安置在所述背侧上的导电层，所述导电层结构化成两个相互分离的区域，所述两个相互分离的区域布置在不同的元器件结构上，从而通过所述导热件的所述导电层避免不同元器件结构发生电容耦合。

6.根据权利要求1或2所述的元器件，

其中，所述导热件包括整面安置在所述背侧上的层。

7.根据权利要求1或2所述的元器件，

其中，作为导热件安置在所述背侧上的层在所述基板的至少一个侧面处向下伸延直到所述载体并且连接到布置在所述载体上或所述载体中的热沉。

8.根据权利要求1或2所述的元器件，

其中，所述金属连接件构造为突出部或焊接部位，所述金属连接件将所述基板上的接触面与所述载体上侧上的相应的联接部位连接。

9.根据权利要求1或2所述的元器件，

其中，所述导热件包括从Al、Ag、Cu、Au、AlN以及SiC中选择的材料。

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