CN108735613A - 用于形成复合层的方法和具有复合层的工件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于在工件上形成复合层的方法和一种具有复合层的工件。在实施例中，通过将第一材料沉积在半导体设备或工件上然后将第二材料沉积在第一材料上来形成复合层。在另一实施例中，工件是半导体设备。在另一实施例中，方法包括围绕金属表面形成壁，使得壁从由金属表面形成的平面沿垂直方向延伸，并且将填充材料沉积在金属表面上的有壁区域中。在进一步的实施例中，对第一和第二材料执行真空处理，从而形成设置在金属表面上的基质复合层。

Description

用于形成复合层的方法和具有复合层的工件
相关申请的交叉引用
本申请是于2017年4月13日提交的美国专利申请No.15/486907的部分继续申请，该美国专利申请通过引用的方式特此并入本文。
技术领域
概括而言，本公开内容涉及半导体部件和用于生产半导体部件的方法，具体而言，涉及包括用于将半导体部件附接到散热体(heat sink)的单元的半导体部件。
背景技术
半导体部件通常被封装并且然后安装到印刷电路板。半导体部件还可以耦合到散热体，其中，散热体被配置为耗散由半导体部件产生的热量。关于可以如何将半导体部件安装到散热体，若干种不同的方式是已知的。然而，这样的安装方法通常昂贵、需要大量空间、并且需要一个或多个附加的过程步骤以将部件安装到散热体。对提供一种可以以降低的成本并以减少的努力而容易地安装到另一部件(例如，散热体)的半导体部件存在需求。
发明内容
一个示例涉及一种方法。所述方法包括在半导体封装的外表面上形成第一导热层。在半导体封装的外表面上形成的第一导热层被配置为安装到外部散热体。
另一示例涉及一种半导体部件。所述半导体部件包括半导体封装，其具有外表面和布置在半导体封装的外表面上的第一导热层。其上布置有第一导热层的半导体部件被配置为安装到外部散热体，使得第一导热层面向散热体。
本发明的实施例公开了一种方法，其包括：围绕金属表面形成壁，使得壁从由工件的金属表面形成的平面沿垂直方向延伸；将填充材料沉积在金属表面上的有壁区域中；将塑料材料沉积在填充材料上；并且对填充材料和塑料材料执行真空处理，从而形成设置在金属表面上的基质复合层。
本发明的另外的实施例公开了一种方法，其包括用夹持器夹住工件的侧壁，将填充材料沉积在工件的金属表面上，将塑料材料沉积在填充材料上，并且对填充材料和塑料材料执行真空处理，从而形成设置在金属表面上的基质复合层。
本发明的进一步的实施例公开了一种装置，其包括具有粗糙化的金属表面的散热体和设置在粗糙化的金属表面上的基质复合层，其中，基质复合层包括陶瓷填充材料和塑料材料，并且其中，陶瓷填充材料包括二维或三维颗粒、薄片、凝聚颗粒或其组合。
本领域技术人员在阅读以下详细描述并查看附图后将认识到附加的特征和优点。
附图说明
以下参考附图解释示例。附图用于说明某些原理，从而仅示出了对于理解这些原理而言必要的方面。附图没有按比例绘制。在附图中，相同的附图标记表示类似的特征。
图1示意性地示出了安装到散热体的半导体部件的侧视图；
图2示意性地示出了图1的半导体部件和散热体的俯视图；
图3示意性地示出了可借助于螺钉安装到散热体的半导体部件的侧视图；
图4示意性地示出了借助于直接铜接合安装到散热体的半导体部件；
图5示意性地示出了被配置为安装到散热体的半导体部件的示例实施例的侧视图；
图6示意性地示出了根据本发明的一个示例的用于生产半导体部件的方法；
图7示例性地示出了用于电泳沉积的布置。
图8示意性地示出了电泳沉积过程的一个示例；
图9示意性地示出了分配(dispensing)过程的示例；
图10(包括图10A-10C)示意性地示出了用于生产半导体部件的方法的一个示例；
图11示意性地示出了根据一个示例的半导体部件；
图12(图12A-12G)示出了根据实施例的用于在散热体上形成基质复合层的方法；
图13(图13A-13G)示出了根据另一实施例的用于在散热体上形成基质复合层的方法。
图14(图14A-14E)示出了根据又一实施例的用于在散热体上形成基质复合层的方法；并且
图15A-15D示出了设置在散热体上的基质复合层中的不同类型的填充材料。
具体实施方式
在以下详细描述中，对附图进行了参考。附图形成该描述的一部分并且通过说明的方式示出了其中可以实践本发明的具体实施例。要理解的是，除非另外特别指出，否则本文描述的各种实施例的特征可以彼此组合。
例如，已知用于将半导体部件安装到诸如散热体之类的第二部件的若干种方法。将半导体部件附接到散热体移除了在半导体部件工作期间生成的废热。图1示出了用于将半导体部件100附接到散热体111的一种已知的可能性。半导体部件100包括封装110。在半导体封装110内可以布置一个或多个半导体管芯(图1中未示出)。封装110可以包括一个或多个引脚或引线113，以用于将半导体部件100安装到印刷电路板200并且用于提供封装110中的(多个)半导体管芯和周围电路(例如，印刷电路板200上的)之间的电连接。半导体部件100还耦合到散热体111。隔离箔112被布置在半导体部件100和散热体111之间。隔离箔112被配置为将来自半导体部件100的热量耗散到散热体111。然而，使用隔离箔112通常相当昂贵。隔离箔112的另一缺点是需要附加的过程步骤。这是因为半导体部件100、散热体111和隔离箔112必须单独购买，并且随后必须由最终用户组装。首先将隔离箔112层压到散热体111上，并且然后将半导体部件100附接到隔离箔112。例如，隔离箔112可以是陶瓷箔。隔离箔112通常可以是不导电的并且是导热的。
通常，图1中的布置中的爬电距离相当大。这在图2中示意性地示出，
图2示出了图1的布置的俯视图。在图1和图2中爬电距离由箭头示意性地指示。
图3示出了用于将半导体部件100安装到散热体111的已知方法的另一示例。在图3的示例中，散热体111和半导体部件100均包括孔121、122。螺钉120可以插入到孔121、122中，以将半导体部件100固定到散热体111。压缩垫圈123可以插置在螺钉120和半导体部件100之间。然而，该方法也具有若干缺点。例如，导热性取决于充当热耗散器的填充材料(通常是硅)，并且所得的硅/树脂比通常受成型性性能的限制/平衡。已知用于将半导体部件100附接到散热体111的其他机械紧固件，例如包括具有涂有油脂的云母或热增强硅树脂垫的螺母和螺栓或者弹簧夹。
图4中示出了另外的已知方法。半导体部件100被安装在衬底130上，特别是直接铜接合(DCB)衬底130。DCB衬底包括陶瓷介电绝缘体层131。在高温熔化和扩散过程中使用高粘合强度将纯铜层132施加并接合到陶瓷层131的两侧上。然后使用焊料层135将半导体部件100焊接到DCB衬底130的第一侧。散热体111可以耦合到DCB衬底130的与第一表面相对的第二侧。散热器136可以插置在DCB衬底130和散热体111之间。例如，DCB衬底130可以借助于焊料层135而被焊接到散热器136。导热油脂层137可以被布置在散热器136和散热体111之间。
散热器136可以是铜基板或铝基板。但是，特别是在较低的功率范围中，还频繁使用没有基板的布置。在这样的布置中，第二焊料层135和散热器136可以被省略，并且DCB衬底130可以经由导热油脂层137耦合到散热体111。尽管包括DCB衬底130的布置具有若干优点，例如高机械强度和机械稳定性、良好的粘合性和抗腐蚀性、以及很好的导热性，但其也具有一些缺点。缺点包括高成本。此外，在组装所述布置期间需要若干附加的过程步骤，并且隔离部是相当厚的(例如，最小250μm)。
图5示出了根据本发明的半导体部件100的第一示例性实施例。半导体部件100包括半导体封装110。第一导热层115被布置在半导体封装110的外表面上。形成于半导体封装的外表面上的第一导热层115被配置为安装到外部散热体111。相应地，具有布置在半导体封装110的外表面上的第一导热层115的半导体部件100被配置为安装到外部散热体111，使得第一导热层115面向散热体111。
用于生产半导体部件100的方法包括在半导体封装110的外表面上形成第一导热层115。形成于半导体封装110的外表面上的第一导热层115被配置为安装到外部散热体111。
在一个示例中，半导体部件100包括布置在半导体封装110内的至少一个半导体管芯114(参见图11)。第一导热层115可以被布置在半导体封装110的第一外表面或外部表面上。例如，半导体封装110的第一外表面可以包括导电表面140，例如散热体或暴露的管芯焊盘(参见图11)。例如，导电表面140可以包括诸如金属之类的导电材料。例如，半导体封装110可以包括由塑料、玻璃或陶瓷制成的壳体。壳体可以在一侧上包括开口，所述一侧例如底侧或顶侧。导电表面140可以布置在该开口内，使得其形成半导体封装110的相应外表面的一部分。
例如，半导体部件100可以包括用于将半导体封装110安装到印刷电路板(PCB)或DCB 200的引脚或引线113(参见图11)。例如，引脚或引线113可以插置在PCB的通孔中或者可以被表面安装到PCB。借助于第一导热层115，半导体部件100的导电表面140可以热耦合到外部散热体111。这意味着第一导热层115被布置在半导体部件100和外部散热体111之间。外部散热体111可以包括导热材料并且被配置为耗散来自半导体部件100的热量。如图5所示，外部散热体111可以包括鳍片，以增加外部散热体111的表面积。以这种方式，更多的热量可以被传递到周围介质，例如空气或者任何其他合适的冷却流体(图5中未示出)。然而，包括鳍片(fin)的散热体111只是示例。
在封装110安装到外部散热体111之前，特别是在半导体部件100被出售给最终客户之前，第一导热层115形成于半导体封装110上。然后，导热层115可以与半导体部件100一起被安装到外部散热体111，使得导热层面向外部散热体111并被布置在半导体部件100和外部散热体111之间。
例如，第一导热层115可以包括陶瓷材料。然而，可以使用任何其他材料，例如提供足够的电绝缘性和良好导热性的任何材料。由于在半导体部件100被交付给最终客户之前将第一导热层115形成于半导体部件100上，所以对于最终客户而言安装过程变得方便了很多。最终客户只需要购买其上已施加有导热层115的半导体部件100。最终客户可以容易地将半导体部件100安装到外部散热体111。
图5的示例中的半导体封装110可以是所谓的TO-220封装。然而，这只是示例。例如，具有例如布置在半导体封装110的外表面处的导电表面(例如，暴露的散热体或暴露的管芯焊盘)的任何其他封装通常是合适的，例如，DPAK或分离引线框封装。
根据一个示例，一种方法包括在半导体封装110的外表面上形成第一导热层115。在将半导体封装110安装到外部散热体111之前形成导热层115。形成于半导体封装110上的导热层115被配置为安装到外部散热体111。
图6示出了用于生产半导体部件100的方法的另一示例。例如，所述方法可以包括两个连续的步骤。在第一步骤中，可以将第一材料300沉积在半导体封装110的导电表面(例如，散热体或暴露的管芯焊盘)140上。例如，第一材料300可以是或者可以包括氮化硼，特别是六方氮化硼。第一材料300可以是基于陶瓷的材料并且可以包括氧化物、碳化物或氮化物组合。例如，第一材料300可以包括氧化铝、碳化硅或二氧化硅。例如，第一材料300(例如，氮化硼)可以以液滴或薄片的形式提供。例如，第一步骤可以包括电泳沉积过程。例如，电泳沉积(EPD)是用于包括电涂覆、阴极电沉积、阳极电沉积、电泳涂覆、和电泳涂装的宽广范围的工业过程的术语。该过程的特征性特点是悬浮在液体介质中的胶体颗粒在电场的影响下迁移(电泳)并沉积在电极上。通常，可用于形成稳定悬浮液并且可携带电荷的所有胶体颗粒可以用于电泳沉积过程中。例如，这包括诸如聚合物、颜料、染料、陶瓷和金属之类的材料。
半导体封装110具有布置在内部的半导体管芯114。导电表面(例如，散热体或暴露的管芯焊盘)140至少部分地形成半导体封装110的外表面之一。导电表面140电耦合到至少一个引脚或引线113。例如，至少一个引脚或引线113被配置为电接触半导体封装110内的半导体管芯114并且将半导体管芯114电耦合到任何周围电路和可布置在相同印刷电路板上的任何其他部件。引脚或引线113与导电表面140之间的电连接可以经由半导体封装110内的半导体管芯114形成。
至少一个引脚或引线113可以耦合到电源，以便向半导体封装110的导电表面140施加直流电流。在一个示例中，1和1000V之间的电压被施加到导电表面140。例如，半导体部件100可以被浸入容纳涂液或溶液的容器或器皿中。可以使用一个或多个所谓的对电极来完成电路(图6中未示出)。
图7中示意性地示出了用于电泳沉积的布置的一般性原理。所述布置包括容器或器皿410。容器或器皿410中容纳涂液或溶液。待涂覆的导电表面140以及至少一个对电极150被浸入容器410内的涂液或溶液中。导电表面140和对电极150各自连接到端子，即分别连接到用于提供正电位的端子和用于提供负电位的端子。例如，如果导电表面140耦合到用于负电位(-)的端子，则对电极150耦合到用于正电位(+)的端子，如图7所示，反之亦然。在EPD过程期间，直流电流被施加到导电表面140和对电极150上，并因此还被施加到容器410内的溶液或胶体悬浮液。溶液或胶体悬浮液可以包含可离子化基团。
通常存在两种不同类型的E102PD过程，即阳极和阴极。在阳极过程中，带负电的材料被沉积在带正电的电极或阳极上。在阴极过程中，带正电的材料被沉积在带负电的电极或阴极上。当电场被施加时，溶液或悬浮液中的带电颗粒通过电泳过程朝具有相反电荷的电极迁移。例如，存在若干种通过其可以将材料沉积在电极上的机制，包括电荷破坏和由此导致的溶解度降低、浓缩凝聚(concentration coagulation)和盐析。这样的EPD过程在本领域中通常是已知的，并且本文不会进一步详细描述。图8中进一步示例性地示出了图7的所谓的浸渍方法。
图8示出了具有浸入容器410中的溶液或悬浮液411中的半导体封装110的半导体部件100。尽管图8中的箭头指示半导体部件100正被浸入溶液411中，但是在半导体封装110的外表面上示出了第一层320。在EPD过程期间，第一层320可以形成于半导体部件100的导电表面上。
再次参考图6，通过沉积第一材料300将第一层320形成于半导体封装110的外表面上，并且在沉积第一材料300之后，在第二步骤中，将第二材料310沉积在第一材料300上或沉积在由第一材料300形成的预制层上。第二材料310可以是具有或不具有填充物的导热材料。例如，第二材料310可以是或可以包括聚合物。聚合物可以是环氧树脂或硅基聚合物。聚合物材料可以是软聚合物材料(柔性类型聚合物)，或者聚合物材料可以是硬化的。例如，第二材料310可以以液滴或薄片的形式提供。例如，第二步骤可以包括电泳沉积过程(如以上关于第一步骤已描述的)或者分配方法。
图9中示意性地示出了这样的分配方法的一般性原理。代替如图9中示出的分配方法，例如可以使用静电喷涂方法。在分配或静电喷涂方法期间，由于电介质液体的充电，在强电场的影响下从尖端或细管400出现的液流分裂成小液滴。如果聚合物材料溶解在液体中，则该技术可以用于在电极上产生聚合物层。在图9的示例中，电极由其上沉积有第一预制层320(在步骤1中形成)的导电表面140形成。如参考图6已描述的，半导体部件100的至少一个引脚或引线113可以耦合到电源。代替被分裂成小液滴的湿溶液，还可能的是将包括第二材料310(例如，聚合物)的干粉施加到第一材料300或第一预制层。干粉中的颗粒可以带电，并且当耦合到电源时可以被导电表面140吸引。最初朝导电表面140投射液体或粉末中的带电颗粒，并且可以通过由电源提供的静电荷而使液体或粉末中的带电颗粒朝导电表面140加速。取决于颗粒的电荷，导电表面140可以耦合到电源的正极(带负电的颗粒)或负极端子(带正电的颗粒)。
替代地，可以使用聚合物涂覆过程或所谓的电涂覆方法将聚合物沉积在导电表面140上。例如，聚合物涂覆过程通常包括挤出/分散涂覆或溶液施加技术。例如，电涂覆方法包括将导电表面浸入由水基溶液构成的镀液中。然后使用电流来吸引悬浮在液体溶液中的颗粒并将它们沉积到衬底的表面上。因此，电涂覆与电泳沉积非常相似。
在完成第二步骤之后，第一层320包括第一材料300和第二材料310二者。在一些示例中，在第一步骤之后、执行第二步骤之前进行烧结过程。然而，这样的烧结过程是可选的。烧结通常是通过施加热或压力来压缩和形成固体材料而不将材料熔化到液化点的过程。例如，烧结可以增强诸如强度和导热性之类的性质。如果第一材料包括陶瓷，则高温下的烧结过程可以将陶瓷颗粒熔合在一起。
参考图10，示出了用于生产半导体部件100的方法的示例。在图10A中示出的第一步骤中，第一材料300沉积在导电表面140上。第一步骤可以包括电泳沉积过程，如关于图6已描述的。随后可以有可选的烧结步骤(图10中未示出)。在图10B中示出的第二步骤中，第二材料310被沉积在已经布置在导电表面140上的第一材料300上。第二步骤可以包括电泳沉积过程或分配方法，如以上关于图6已描述的。第二材料310可以被沉积在由第一材料300形成的预制层的表面上。然而，由于该预制层包括第一材料300的液滴或薄片，所以该预制层可以是多孔的，在单独的液滴或薄片之间具有空的空间或空腔(如图10A中所示)，第二材料310可以至少部分地填充第一材料300的液滴或薄片之间的多孔预制层的空的空间或空腔，如图10B中示意性地示出的。
第一材料300可以是或可以包括六方氮化硼。沉积的第一材料300可以在导电表面140上形成六方氮化硼预制层。第二材料310可以是或可以包括聚合物并且可以在第一材料300上形成聚合物涂层。所得的第一层320包括第一材料300以及第二材料310。第二步骤之后可以可选地进行第三步骤，在所述第三步骤期间将包括第一材料300和第二材料310的第一层320暴露于真空和/或高温。例如，温度可以是室温(通常在20℃和25℃之间)、高达100℃、高达150℃、高达200℃或高达500℃。图10C中示例性地示出了第三步。当加热第一层320和/或将第一层320暴露于真空时，第一层320可以被聚合。通常，在聚合期间，单体分子在化学反应中一起反应以形成聚合物链或三维网络。通常有许多形式的聚合。在该第三聚合步骤期间，第一材料300(例如，六方氮化硼)可以与第二材料310(例如，聚合物)交联。可以说，第二材料310可以将第一材料300固定就位。如图10C中示意性地示出的，第一材料300和/或第二材料310的结构可以在第三步骤期间被改变。特别地，第一材料300和第二材料310之间的连接可以被改变。这可以为第一层320提供很好的力学特性。
第一层320可以具有>90wt％的质量分数并且在导电表面140上提供氮化硼和聚合物的致密层320。当使用高温时，可以在导电表面140上形成烧结氮化硼层。例如，在第一电泳沉积过程中使用的悬浮液可以是水基的，并且可以包括以0.1–60wt％BN重量为基础的粘合剂(例如，阳离子粘合剂、阴离子粘合剂或不带电粘合剂)。用于在导电表面140上沉积六方氮化硼填充物的使用水基溶液的电泳法沉积过程之后可以进行聚合物涂覆步骤。例如，方法可以包括EPD(电泳沉积过程)氮化硼沉积，之后是(i)共形涂覆(分配或浸渍)、(ii)电涂覆、或(iii)烧结。如果使用选项(i)或(ii)，则可以在导电表面140上形成电绝缘但导热的(陶瓷)层。如果使用选项(iii)，则可以在导热表面140上形成传感器涂层、腐蚀保护和/或模具实现涂层。
例如，六方氮化硼的不导电薄陶瓷层的厚度可以在约1-20μm、20-40μm、40-100μm或100-300μm的范围中。这种厚度的六方氮化硼陶瓷层可以为从约0.1-10kV/s的电压提供电绝缘。通常，电绝缘取决于沉积在半导体的外表面上的第一材料300(例如，陶瓷)的厚度，第一材料300被第二材料310(例如，聚合物)涂覆。例如，用所提出的解决方案可以实现约2W/mK、10W/mK或20W/mK的导热性。
图12(图12A-12G)示出了根据实施例的用于在散热体上形成基质复合层的方法。
在图12A中示出的第一步骤中，提供了散热体111。散热体111可以嵌入封装210的包封材料中。散热体111可以包括诸如铜、镍、锡、金等散热体金属。封装210的包封材料可以包括塑料、玻璃或陶瓷等。在图12B中示出的下一步骤中，散热体111的顶部表面181被粗糙化，使得散热体111的先前的光滑表面现在是粗糙的。粗糙意味着散热体的表面包括小的不规则凹口、凹槽或凹痕182。顶部表面181可以具有小于1μm的粗糙度(Ra<1(或者替代地Ra<1.5、<2、<3或<5))，即算术平均高度小于1μm。然而，表面粗糙度可以大于0.025(Ra>0.03、>0.05或>0.1)。
在图12C中示出的下一步骤中，围绕散热体表面181或封装210(嵌有散热体)形成或附接有坝或壁220。可以围绕散热体111的周界和/或周边放置坝220。如图12C所示，可以在封装210上放置坝220，从而使散热体111的整个顶部表面181(以及可能封装210的顶部表面的部分)可用于沉积或分配填充物和塑料材料。坝220用于容纳之后沉积或分配的材料。坝220可以仅放置在封装210材料的顶部表面211的(部分)上或者放置在封装210的顶部表面211的(部分)和散热体111的顶部表面181的一部分上。坝220可以紧挨着散热体111的周界放置，或者可以与封装210的顶表面211上的散热体111的周界横向间隔开(如例如图15A中所示)。坝220可以包括交联材料，例如环氧树脂材料或聚合物材料。在各种实施例中，坝可以包括硅、丙烯酸树脂等。坝的交联材料和塑料材料350可以是相同的材料或不同的材料。
坝220可以是预先形成的并粘附到散热体111/封装210。替代地，环氧树脂或聚合物材料被分配，并且然后通过环境温度、热或紫外(UV)光来进行交联。坝220可以为约220μm高。替代地，坝可以具有200μm至250μm、10μm至300μm、或者100μm至500μm的高度。坝220的高度可以取决于待沉积或分配的基质复合层的高度。
图12D示出了具有坝220的散热体111的俯视图。在该特定示例中，坝220围绕散热体111的周界并围绕内孔183的周边放置。围绕内孔183的周界和周边的坝220可以包括相同的厚度和相同的高度。替代地，坝220可以包括不同的厚度和/或高度。
在图12E中示出的下一步骤中，在散热体111的粗糙化表面181上形成诸如填充材料之类的第一材料340，所述粗糙化表面181在坝220内并与其邻接。填充材料340可以是陶瓷材料。陶瓷材料可以包括氮化物、氧化物和碳化物基础材料。陶瓷材料可以包括(六方)氮化硼、氧化铝或氮化铝、碳化硼。填充材料可以与先前公开的相同。沉积方法可以是分配方法，其中，填充材料340由分配器分配。替代地，可以使用与先前公开的相同或相似的沉积方法。填充材料340可以是具有或不具有表面涂层的陶瓷填充物。填充材料340(例如，陶瓷填充材料)可以被预处理使得其可以与聚合物交联。填充材料340填充到坝220的高度或者到低于坝220的高度的高度。
在图12F中示出的下一步骤中，诸如塑料材料之类的第二材料350被沉积或形成于填充材料340上。塑料材料350可以是交联材料，例如环氧树脂材料或聚合物材料。替代地，塑料材料350可以与先前公开的相同。在各种实施例中，交联材料350可以是硅树脂或丙烯酸树脂。沉积方法可以是分配方法，其中，塑料材料350由分配器分配。替代地，可以使用与先前公开的相同或相似的沉积方法。塑料材料350可以与用于坝220的材料相同或者可以与其不同。
然后，通过将填充材料340和塑料材料350暴露于真空和/或温度来形成基质复合层360，从而在粗糙化的散热体表面181上形成基质复合层360。材料沉积物340/350可以在室温下或在更高的温度下固化。高温或更高的温度可以是在80℃至120℃、100℃至150℃、或者120℃至200℃的温度范围中的温度。材料沉积物340/350可以暴露于真空。在下表中提供了典型的真空度范围：
图12G示出了设置在散热体111上的基质复合层360。坝220可以保持在散热体111上。
替代地，可以不在沉积填充物和塑料材料340、350(图12E和图12F)之后作为单独的附加步骤来执行暴露于真空，而是在沉积填充材料和环氧树脂材料的同时执行。可以在这些步骤期间施加温度(与暴露于真空一起)或者之后单独施加。暴露于真空可以消除气泡和/或其他化学添加剂。在粗糙化的散热体表面上形成基质复合层360是具有优势的，这是因为其更好地粘附并连接到散热体111上。
图13(图13A-13G)示出了根据另一实施例的用于在散热体上形成基质复合层的方法。
图13的方法与图12中的方法相同，除了在方法步骤图12C/13C和12E/13E之间插入的附加步骤之外。因此，图13A-13C示出了粗糙化散热体表面181以及围绕散热体111/封装210的周界和/或周边构建坝220。
在构建坝220之后，在坝220的周界/周边内或在坝220的内部沉积或分配诸如(塑料)交联材料之类的第三材料370，例如环氧树脂材料或聚合物材料(交联聚合物材料)。第三材料370被分配以便覆盖散热体111的粗糙表面181。这在图13D中被示出。这是具有优势的，因为其提供了无(气)泡的粗糙顶部表面181并且为基质复合层360提供了良好的粘附。交联材料370还可以是硅树脂或丙烯酸树脂。沉积方法可以是分配方法，其中，第三材料370由分配器分配。替代地，可以使用与先前公开的相同或相似的沉积方法。第三材料370可以被分配高达1μm至10μm的高度，或者替代地0.5μm至5μm的高度。
在图13E-13G中示出的接下来的步骤中，填充材料340和塑料材料350被沉积(例如分配)，并且与图12E-12G中公开的方法类似地形成基质复合层380。再次地，填充物和塑料材料340、350的沉积(例如，分配)可以在真空条件下执行，或者可以在它们被沉积之后将沉积层暴露于真空和/或温度。第三材料370、塑料材料350和坝220的交联材料可以包括相同的材料或不同的材料。
图14(图14A-14E)示出了根据又一实施例的用于将基质复合层形成于散热体上的方法。
在图14A中示出的第一步骤中，提供了粗糙化的散热体111。散热体111可以嵌入封装210的包封材料中。散热体111可以包括诸如铜、镍、锡、金等散热体金属。封装210的包封材料可以包括塑料、玻璃或陶瓷等。散热体111可以根据图12B中讨论的流程来被粗糙化。
在图14B中示出的下一步骤中，诸如侧壁夹持器之类的夹持器390抓住或抓紧散热体111或者夹持到散热体111周围的封装210。夹持器390可以在散热体111的侧壁处或者封装210的侧壁处抓住、抓紧或夹持到散热体111。夹持器390可以是夹具夹持器(从侧面或顶部封装的前置夹具以形成所需的形状)。可以使用其他夹持器390。夹持器390可以以在等于或大于3°度与等于或小于10°之间的角度抓住或抓紧散热体/封装111/210。替代地，夹持器390可以以在等于或大于5°度与等于或小于15°之间的角度抓住或抓紧散热体/封装111/210。以一角度夹住散热体/封装111/210是具有优势的，这是因为与不具有这种角度的夹持器相比夹持器390可以被更容易地释放。
夹持器390可以同时夹持到散热体/封装111/210的外侧壁和内孔183，从而使得壁类似于坝210的壁那样形成。夹持器390用于容纳之后沉积或分配的材料。在图14C-14E中示出的接下来的步骤中，以类似于图12E-12G中公开的方法来沉积(例如，分配)填充材料340和塑料材料350并形成基质复合层360/380。再次地，填充物和塑料材料340/350的沉积(例如，分配)可以在真空条件下执行，或者可以在它们被沉积之后将所沉积(例如，分配)的层暴露于真空和/或温度。在进一步的变型中，可以类似于图13D中示出的环氧树脂材料370那样来沉积环氧树脂材料370。
图15A-15D示出了设置在散热体上的基质复合层中的不同类型的填充材料。
图15A和图15B示出了设置在散热体111上的基质复合层385/386，其中，填充材料355/356包括单独的球形填充物颗粒或单独的薄片填充物颗粒(例如，陶瓷颗粒)。填充物颗粒可以是圆形或椭圆形、球体或椭球体的。替代地，填充物颗粒可以是多边形薄片或三维多角形物体。填充物颗粒355可以包括基本上相同的尺寸(如图15A中所示)或者不同尺寸(如图15B中所示)。颗粒可以沿特定方向排列(align)，或者随机或不规则地分布(无主方向)。例如，图15A示出了具有基本上相同尺寸的椭圆形或椭球体颗粒355，所述颗粒355以其主方向平行于散热体111的顶部表面181的方式来排列。相比之下，图15B示出了不同尺寸的球形/圆形和椭圆形/椭球体颗粒356，所述颗粒356被随机分布而没有特别优选的排列。
图15C示出了具有凝聚的球形/薄片填充物颗粒(例如，陶瓷颗粒)的填充材料357的基质复合层387。凝聚颗粒357可以被布置成使得它们的主方向排列并且使得它们是与散热体111的顶部表面181排列的球或圆形。再次地，凝聚颗粒357本身可以包括基本上相同的尺寸或不同的尺寸。类似地，凝聚颗粒357中的颗粒可以包括基本上相同的尺寸或不同的尺寸。
图15D示出了具有凝聚球形/薄片填充物颗粒357(例如，陶瓷颗粒)和单独的填充物颗粒355/356的基质复合层388。这些不同颗粒的任意组合都是可能的。例如，排列的单独填充物颗粒可以与排列的凝聚填充物颗粒结合(例如，彼此正交排列)，排列的凝聚填充物颗粒可以与随机分布的单独填充物颗粒(具有例如相同或不同的尺寸)结合，等等。凝聚填充物颗粒357可以被设置在散热体111的表面181上的某些区域391上，并且单独填充物颗粒355/356可以被设置在散热体111的表面181的其他区域392上。通过在某些区域391中提供凝聚填充物颗粒357并且在其他区域392中提供单独填充物颗粒355/356，可以配置基质复合层388的导热性和/或电绝缘性。例如，布置了单独填充物颗粒355/356的区域392中的基质复合层388的导热性和/或电绝缘性可以高于设置了凝聚颗粒357的区域391中的基质复合层388的导热性(反之亦然)。替代地，在填充物颗粒355排列于其中的区域392中的基质复合层388的导热性和/或电绝缘性可以高于在填充物颗粒355未排列于其中的区域392中的基质复合层388的导热性和/或电绝缘性(反之亦然)。因此，例如，基质复合层388可以被配置或布置成使得封装110附接到散热体111的区域具有高导热性和高电绝缘性，而没有封装连接到散热体111的区域具有高导热性和导电性。
在各种实施例中，还可以执行用于在散热体111上形成基质复合层的实施例方法，以在封装110的散热体140上形成基质复合层。
在各种进一步的实施例中，基质复合层是具有高填充物含量的层。例如，填充物含量可以等于或大于30wt％、等于或大于80wt％、等于或大于90wt％、或等于或大于95wt％。
在各种其他实施例中，基质复合层的电绝缘性取决于层的厚度，即，层越厚，电绝缘性越好。
依次地说明，本文公开了一种方法，其中，通过如下方式来将导热层形成在半导体封装的外表面上：将第一材料沉积在半导体封装的外表面上，并且在沉积第一材料之后将第二材料沉积在第一材料上。可以通过电泳沉积过程来形成第一导热层。沉积第一材料可以在半导体封装的外表面上形成多孔预制层。多孔预制层可以包括空腔，并且将第二材料沉积在第一材料上可以至少部分地填充预制层的空腔。可以通过电泳沉积过程来沉积第一材料。第一材料可以包括氮化硼、氧化铝、碳化硅、二氧化硅、或包括氧化物或氮化物组合的陶瓷材料中的至少一者。可以通过电泳沉积过程、电涂覆过程、分配方法、静电喷涂方法或浸渍方法中的至少一者将第二材料沉积在第一材料上。第二材料可以是具有或不具有填充物或聚合物的导热材料。第一材料可以在被沉积后被烧结。在沉积第二材料之后，第一和第二材料可以被加热和/或暴露于真空。第一导热层的导热性可以取决于第一材料的第一厚度。半导体封装的外表面可以是导电的，并且可以采用半导体封装的散热体或管芯焊盘的形式。第一导热层可以通过将直流电流施加于导电表面来形成，并且可以被配置为安装到外部散热体。
依次地说明，本文公开了一种具有半导体封装的半导体部件，所述半导体封装具有外表面以及布置在外表面上的第一导热层。第一导热层可以包括第一材料，其包括设置在半导体封装的外表面上的多孔预制层和设置在第一材料之上的第二材料。多孔预制层可以包括空腔，并且第二材料可以至少部分地填充多孔预制层的空腔。第一材料可以包括氮化硼、氧化铝、碳化硅、二氧化硅，或者包括氧化物或氮化物组合的陶瓷材料中的至少一者。第二材料可以是聚合物或者具有或不具有填充物的导热材料。封装的外表面可以包括导电表面，其可以采用半导体部件的散热体或管芯焊盘的形式。半导体部件可以被配置为安装到外部散热体，使得第一导热层面向外部散热体。
依次地说明，本文公开了一种方法，其中，围绕金属表面形成壁，使得壁从由工件的金属表面形成的平面沿垂直方向延伸。将填充材料沉积在金属表面上的有壁区域中，将塑料材料沉积在填充材料上，并且对填充材料和塑料材料执行真空处理，从而形成设置在金属表面上的基质复合层。可以在沉积填充材料和塑料材料的同时或之后执行真空处理。可以通过分配填充材料来沉积填充材料，并且可以通过分配塑料材料来沉积塑料材料。金属表面可以被粗糙化，并且可以在沉积填充物和塑料材料之前在粗糙化的金属表面上直接形成交联材料。基质复合层可具有等于或大于90wt％的填充物含量。塑料材料可以是交联材料，并且填充材料可以是陶瓷填充材料。陶瓷填充材料可以包括氮化物或氧化物，以及碳化物基础材料。填充材料可以包括二维或三维颗粒、薄片、凝聚颗粒或其组合。工件可以是散热体。
依次地说明，本文公开了一种方法，其中，用夹持器夹住工件的侧壁，将填充材料沉积在工件的金属表面上，将塑料材料沉积在填充材料上，并且对填充材料和塑料材料执行真空处理，从而形成设置在金属表面上的基质复合层。可以在沉积填充材料和塑料材料的同时或之后执行真空处理。可以通过分配填充材料来沉积填充材料，并且可以通过分配塑料材料来沉积塑料材料。金属表面可以被粗糙化，并且可以在沉积填充物和塑料材料之前将交联材料直接沉积在工件的粗糙化的金属表面上。基质复合层可具有等于或大于90wt％的填充物含量。塑料材料可以是交联材料，并且填充材料可以是陶瓷填充材料。陶瓷填充材料可以包括氮化物或氧化物，以及碳化物基础材料。填充材料可以包括三维颗粒、薄片、凝聚颗粒或其组合。工件可以是散热体。
依次地说明，本文公开了一种装置，其包括具有粗糙化的金属表面和设置在粗糙化的金属表面上的基质复合层的散热体。基质复合层包括陶瓷填充材料和塑料材料，并且陶瓷填充材料包括二维或三维颗粒、薄片、凝聚颗粒或其组合。
尽管已公开了本发明的各种示例性实施例，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可以进行将实现本发明的一些优点的各种改变和修改，而不脱离本发明的精神和范围。对于本领域普通技术人员而言将显而易见的是，执行相同功能的其他部件可以被合适地替换。应当提到的是，参考特定附图解释的特征可以与其他附图的特征组合，即使在尚未明确提到这一点的那些情况下。此外，可以使用适当的处理器指令在所有软件实施方式中实现本发明的方法，或者在利用硬件逻辑单元和软件逻辑单元的组合以实现相同结果的混合实施方式中实现本发明的方法。对本发明构思的这样的修改旨在由所附权利要求覆盖。
为便于描述，使用诸如“在……之下”、“在……以下”、“较低”、“在……之上”、“上”等的空间相关的术语来解释一个元素相对于第二元素的定位。除了附图中描绘的那些之外，这些术语还旨在涵盖设备的不同取向。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也被用于描述各种元素、区域、截面等，并且也不旨在进行限制。贯穿说明书，相似的术语指代相似的元素。
如本文使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是开放式术语，其表明存在所陈述的元素或特征，但不排除附加的元素或特征。除非上下文另有明确指示，否则冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数以及单数。
考虑到以上变型和应用的范围，应当理解的是，本发明不受上述描述的限制，也不受附图的限制。相反，本发明仅由所附权利要求及其法律上的等同物限制。

Claims (43)

1.一种方法，包括：
在半导体封装的外表面上形成第一导热层，其中，形成所述第一导热层包括：
将第一材料沉积在所述半导体封装的所述外表面上；以及
在沉积所述第一材料之后将第二材料沉积在所述第一材料上。
2.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述第一导热层包括电泳沉积过程。
3.如权利要求1所述的方法，其中，沉积所述第一材料包括在所述半导体封装的所述外表面上形成多孔预制层。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述多孔预制层包括空腔，并且将所述第二材料沉积在所述第一材料上包括至少部分地填充所述预制层的所述空腔。
5.如权利要求1所述的方法，其中，沉积所述第一材料包括电泳沉积过程。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料包括以下各项中的至少一项：
氮化硼，
氧化铝，
碳化硅，
二氧化硅，或
包括氧化物或氮化物组合的陶瓷材料。
7.如权利要求1所述的方法，其中，将所述第二材料沉积在所述第一材料上包括电泳沉积过程、电涂覆过程、分配方法、静电喷涂方法或浸渍方法中的至少一者。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二材料包括具有或不具有填充物或聚合物的导热材料。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：
在沉积所述第一材料之后，对所述第一材料进行烧结。
10.如权利要求1所述的方法，在沉积所述第二材料之后还包括以下步骤中的至少一者：
对所述第一材料和所述第二材料进行加热；或者
将所述第一材料和所述第二材料暴露于真空。
11.如权利要求1所述的方法，其中，沉积在所述半导体封装的所述外表面上的所述第一材料具有第一厚度，并且其中，所述第一导热层的导热性取决于所述第一厚度。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述半导体封装的所述外表面包括导电表面。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述导电表面是所述半导体封装的散热体或管芯焊盘。
14.如权利要求12所述的方法，其中，形成所述第一导热层包括将直流电流施加于所述导电表面。
15.如权利要求1所述的方法，其中，形成于所述半导体封装的所述外表面上的所述第一导热层被配置为安装到外部散热体。
16.一种半导体部件，包括：
具有外表面的半导体封装；以及
布置在所述半导体封装的所述外表面上的第一导热层，其中，所述第一导热层包括第一材料和设置在所述第一材料上的第二材料，所述第一材料包括设置在所述半导体封装的所述外表面上的多孔预制层。
17.如权利要求16所述的半导体部件，其中，所述第一材料包括以下各项中的至少一项：
氮化硼，
氧化铝，
碳化硅，
二氧化硅，或
包括氧化物或氮化物组合的陶瓷材料。
18.如权利要求16所述的半导体部件，其中，所述第二材料包括：
具有或不具有填充物的导热材料；或
聚合物。
19.如权利要求16所述的半导体部件，其中所述外表面包括导电表面。
20.如权利要求19所述的半导体部件，其中，所述导电表面是所述半导体部件的散热体或管芯焊盘。
21.如权利要求16所述的半导体部件，其中，具有布置于其上的所述第一导热层的所述半导体部件被配置为安装到外部散热体，使得所述第一导热层面向所述外部散热体。
22.如权利要求16所述的半导体部件，其中，所述多孔预制层包括空腔，并且所述第二材料至少部分地填充所述多孔预制层的所述空腔。
23.一种方法，包括：
围绕金属表面形成壁，使得所述壁从由工件的所述金属表面形成的平面沿垂直方向延伸；
将填充材料沉积在所述金属表面上的有壁区域中；
将塑料材料沉积在所述填充材料上；以及
对所述填充材料和所述塑料材料执行真空处理，从而形成设置在所述金属表面上的基质复合层。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述真空处理是在沉积所述填充材料和所述塑料材料之后执行的。
25.如权利要求23所述的方法，其中，所述真空处理是在沉积所述填充材料和所述塑料材料的同时执行的。
26.如权利要求23所述的方法，其中，沉积所述填充材料包括分配所述填充材料，并且其中，沉积所述塑料材料包括分配所述塑料材料。
27.如权利要求23所述的方法，其中，所述金属表面包括粗糙化的金属表面，并且其中，交联材料是在沉积所述填充材料和所述塑料材料之前直接形成于所述工件的所述粗糙化的金属表面上的。
28.如权利要求23所述的方法，其中，所述基质复合层包括等于或大于90wt％的填充物含量。
29.如权利要求23所述的方法，其中，所述塑料材料是交联材料，并且其中，所述填充材料是陶瓷填充材料。
30.如权利要求29所述的方法，其中，所述陶瓷填充材料包括氮化物或氧化物以及碳化物基础材料。
31.如权利要求23所述的方法，其中，所述填充材料包括二维或三维颗粒、薄片、凝聚颗粒或其组合。
32.如权利要求23所述的方法，其中，所述工件是散热体。
33.一种方法，包括：
用夹持器夹住工件的侧壁；
将填充材料沉积在所述工件的金属表面上；
将塑料材料沉积在所述填充材料上；以及
对所述填充材料和所述塑料材料执行真空处理，从而形成设置在所述金属表面上的基质复合层。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述真空处理是在沉积所述填充材料和所述塑料材料之后执行的。
35.如权利要求33所述的方法，其中，所述真空处理是在沉积所述填充材料和所述塑料材料的同时执行的。
36.如权利要求33所述的方法，其中，沉积所述填充材料包括分配所述填充材料，并且其中，沉积所述塑料材料包括分配所述塑料材料。
37.如权利要求33所述的方法，其中，所述金属表面是粗糙化的金属表面，并且其中，交联材料是在沉积所述填充材料和所述塑料材料之前直接沉积在所述工件的所述粗糙化的金属表面上的。
38.如权利要求33所述的方法，其中，所述基质复合层包括等于或大于90wt％的填充物含量。
39.如权利要求33所述的方法，其中，所述塑料材料是交联材料，并且其中，所述填充材料是陶瓷填充材料。
40.如权利要求39所述的方法，其中，所述陶瓷填充材料包括氮化物或氧化物以及碳化物基础材料。
41.如权利要求33所述的方法，其中，所述填充材料包括三维颗粒、薄片、凝聚颗粒或其组合。
42.如权利要求33所述的方法，其中，所述工件是散热体。
43.一种装置，包括：
具有粗糙化的金属表面的散热体；以及
设置在所述粗糙化的金属表面上的基质复合层，其中，所述基质复合层包括陶瓷填充材料和塑料材料，并且其中，所述陶瓷填充材料包括二维或三维颗粒、薄片、凝聚颗粒或其组合。
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