CN110648983A - 散热器件、半导体封装系统及其制造方法 - Google Patents

散热器件、半导体封装系统及其制造方法 Download PDF

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I·埃舍尔-珀佩尔
M·格鲁贝尔
M·于尔斯
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Abstract

本发明公开了一种散热器件(100)，其包括：包括第一材料并且具有表面部分(108)的第一部分(104)；以及处于所述表面部分上的第二部分(110)，所述第二部分包括第二材料；所述第二部分(110)具有孔隙度。

Description

散热器件、半导体封装系统及其制造方法
技术领域
本发明涉及散热器件、封装系统及其制造方法。
背景技术
电子器件往往需要散热器件(例如，热沉)来去除电子器件生成的热能。对于诸如功率封装的功率器件而言尤其如此。
功率半导体器件往往包括功率半导体管芯，其被配置为沿管芯的两个负载端子之间的负载电流通路传导负载电流。此外，可以(例如)通过绝缘电极(有时又称为栅极电极)对负载电流通路加以控制。例如，一旦接收到来自(例如)驱动器的对应控制电流，控制电极就可以将功率半导体器件设置为处于传导状态和阻断状态之一。
在已经制造功率半导体管芯之后，往往例如以允许将具有管芯的封装布置在应用中(例如，布置在电子器件中)的方式将功率半导体管芯安装在封装内，以使得(例如)管芯可以耦合到支撑部，例如印刷电路板(PCB)。
DE 10 2015 101 674 A1公开了一种具有引线框架的封装。引线框架包括管芯焊盘，半导体芯片安装至管芯焊盘。管芯焊盘的远离半导体芯片的主表面至少部分地被暴露，这允许向封装安装热沉，以使得从半导体芯片生成的多余热量被有效地去除。用于制造散热器件以及向电子器件安装散热器件的成本对于本行业而言是很重要的。性能、尺寸和可靠性与此有关。用于为电子器件提供散热器件的不同解决方案是多种多样的，并且必须解决本申请的需求。
发明内容
可能存在以简单且可靠的方式制造散热器件以及包括散热器件的封装的需求。
根据本文公开的主题的第一方面，提供了一种散热器件(例如，热沉)。根据示例性实施例，提供了一种散热器件，所述散热器件包括：包括第一材料并且具有表面部分的第一部分；以及直接耦合至所述表面部分的第二部分，所述第二部分包括第二材料；所述第二材料具有孔隙度。根据另一示例性实施例，所述散热器件是按照根据本文公开的一个或多个实施例的方法制造的。根据示例性实施例，提供了一种使用喷涂技术或者等离子体喷涂技术在散热器件的第一部分的表面部分上提供所述散热器件的第二部分的方法，其中，所述第一部分包括第一材料，并且所述第二部分包括第二材料。
根据本文公开的主题的第二方面，提供了一种封装系统。根据示例性实施例，所述封装系统包括：包括电子芯片的封装；所述封装具有包封所述电子芯片的封装主体；所述封装主体具有由金属构成的暴露的热传递表面；并且所述封装系统还包括根据第一方面或其实施例的散热器件，所述散热器件热耦合至所述热传递表面。根据示例性实施例，制造封装系统的方法包括：将根据本文公开的一个或多个实施例的散热器件安装至包括电子芯片的封装。
根据本文公开的主题的第三方面，提供了一种电子设备。根据示例性实施例，提供了一种电子设备，其包括：支撑部，尤其是印刷电路板，PCB；以及根据第二方面或其实施例的封装系统，所述封装系统被安装到所述支撑部。根据另一示例性实施例，提供了一种制造电子设备的方法，所述方法包括：将包括电子芯片的封装安装至支撑部；将根据第一方面或其实施例的散热器件热耦合至所述封装。
对其它示例性实施例的描述
在下文中，描述了散热器件、封装系统、电子设备和方法的其它示例性实施例，可以在本文公开的主题的各方面的实施方式中实现任何数量的上述项目以及上述项目的任何组合。
在本申请的上下文中，术语“封装”尤其可以表示至少一个至少部分地包封的电子芯片，所述电子芯片具有至少一个又被称为引出端子的外部电接触部。
术语“电子芯片”尤其可以表示在(例如)其表面部分中具有至少一个集成电路元件(例如，二极管或晶体管)的半导体芯片。电子芯片可以是赤裸管芯，或者可以是已经通过包封体封装或包封的。
在本申请的上下文中，术语“包封体”尤其可以表示包围(例如，密封地包围)电子芯片和载体的部分以提供机械保护、电绝缘并且任选在操作期间对散热有贡献的基本上电绝缘并且优选导热的材料。例如，这样的包封体可以是模制化合物。
在本申请的上下文中，术语“载体”尤其可以表示诸如引线框架的导电结构，其充当电子芯片中的一者或多者的支撑部，并且还可以对芯片与一个或多个其它部件(例如，引出端子)之间的电互连有贡献。换言之，载体可以实现机械支撑功能和电连接功能。此外，至少在最终产品中(在封装之后)，载体可以包括电分隔的几个部分。相应地，载体又可被称为载体结构(或者在引线框架的情况下，被称为引线框架结构)。
在本申请的上下文中，术语“部件”尤其可以表示载体或者可以连接至载体以向封装提供其电子功能的任何电子构件。具体地讲，部件可以是无源部件，例如电感器(尤其是线圈)、电容器(例如，陶瓷电容器)、欧姆电阻、电感、二极管、变压器等。具体地讲，可以将不能通过另一电信号控制电流的部件称为无源部件。然而，部件也可以是有源部件，尤其是，可以是能够通过另一电信号控制电流的部件。有源部件可以是具有放大信号或产生功率增益的能力的模拟电子滤波器、振荡器、晶体管或者另一集成电路元件。具体地讲，部件可以是任何表面安装器件(SMD)，可以是任何通孔器件(THD)，可以是传感器、发光二极管或激光二极管。在另一个实施例中，部件也可以是封装，尤其是包封的其它电子芯片。
根据实施例，第二部分具有孔隙度(即，第二部分的体积分数由孔构成)。换言之，根据实施例，第二部分是多孔的/由多孔材料构成。根据实施例，散热器件包括第一部分和第二部分。根据实施例，第二部分的孔隙度大于0.1％(换言之，第二部分的孔的体积分数大于第二部分的总体积的0.1％)。根据实施例，第二部分的孔隙度处于0.1％和30％之间的范围内，尤其处于1％和20％之间的范围内，更尤其处于3％和15％之间的范围内。该类型的孔隙度可以是通过根据本文公开的主题的实施例的制造散热器件的方法实现的。具体而言，该类型的孔隙度可以是通过在第一部分的表面部分上沉积第二材料的颗粒而实现的。根据实施例，由此沉积的第二材料的颗粒形成了第二部分。
根据实施例，第一部分的第一材料为金属。例如，根据实施例，第一材料是在其表面上形成天然氧化物层的金属。根据实施例，第一材料包括铝和镁的至少其中之一。铝具有相对较低的密度，因而允许以合理的成本制造出重量轻的散热器件。然而，在铝的表面上形成的天然氧化物层往往可能对散热器件到热传递表面的附接产生不利影响。通过为散热器件的第一部分提供包括第二材料的第二部分，第二材料可以被选择为允许使用预期附接材料。第二部分的孔隙度可以进一步提高散热器件到热传递表面的附接的可靠性。
根据实施例，第一材料不同于第二材料。根据另一实施例，第二材料为金属。例如，根据实施例，第二材料包括铜(Cu)、铜合金、铜锌合金(Cu-Zn合金)、铜锡合金(Cu-Sn)、银(Ag)、银合金、青铜和黄铜的至少其中之一。
根据实施例，散热器件的第二部分包括可焊接表面。根据另一实施例，第二材料包括可焊接材料，例如铜。
根据另一实施例，第二部分具有的平均厚度大于30μm(微米)，尤其是大于50μm，并且更尤其是大于100μm。例如，根据实施例，第二部分的平均厚度可以处于30μm和1mm(毫米)之间的范围内，例如，处于30μm和500μm之间的范围内，尤其是处于50μm和200μm之间的范围内。通过为第二部分提供这样的足够的平均厚度，第二部分充当热传递表面和散热器件的第一部分之间的中间散热器。
根据实施例，第二材料的热导率高于第一材料的热导率。根据实施例，第一材料可以是具有处于80W/mK-230W/mK的范围内的热导率的Al或Al合金，并且第二材料可以是具有处于100W/mK-400W/mK的范围内的热导率的Cu或者Cu合金。
这可以允许降低第一部分的至少一个尺寸，从而允许整个散热器件更加紧凑。
根据实施例，第二部分包括多个孔，至少部分的孔被填充以第三材料。例如，根据实施例，第三材料可以具有比第二材料高的耐腐蚀性。通过这种方式，可以提高第二部分的耐腐蚀性。
根据实施例，第一部分和第二部分之间的界面包括某一表面粗糙度。除非另外明确指出，否则本文中的术语“粗糙度”是指常用规范中所定义的均方根粗糙度(rms粗糙度)。根据实施例，第一部分和第二部分之间的界面的均方根粗糙度处于1μm和100μm之间的范围内，尤其是处于5μm和40μm之间的范围内，更尤其是处于10μm和40μm之间的范围内。界面的粗糙度可以提高第一部分和第二部分之间的粘合度。根据实施例，RMS粗糙度是在1mm的长度内测量的。
根据另一实施例，第二部分具有的热特性不同于第一部分的热特性(例如，不同于第一材料的热特性)。根据实施例，第二部分是材料层，即，包括第二材料的材料层。根据另一实施例，所述材料层具有的热特性不同于第一部分的热特性。
根据实施例，热传递表面和第二部分的至少其中之一包括两个或更多个体部分。换言之，根据实施例，两个或更多个体部分彼此(横向)间隔开。根据实施例，材料层被图案化，即，第二部分是图案化的材料层。例如，根据实施例，第二部分的图案(即，几何形状)可以适于热传递表面，尤其是，其中，热传递表面包括共享同一(即单个)散热器件的两个或更多个体表面部分(例如，如果热传递表面由两个或更多个体部件形成)。例如，根据实施例，第二部分的图案可以为热传递表面的每个个体表面部分提供个体热接触部分。
根据实施例，散热器件的表面部分包括第一材料。例如，根据实施例，第一部分由包括第一材料的主体构成。根据实施例，表面部分由第一材料形成。例如，根据实施例，主体由第一材料构成。例如，根据实施例，第一部分由铝(例如，单块铝)形成，其包括表面部分。铝具有的优点是重量轻且价格低。此外，铝具有良好的导热性。
根据实施例，第一部分包括其它层，例如，阻挡层和/或粘合层和/或粘合促进层。根据另一实施例，粘合促进层包括以下中的一者或多者：铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、金(Au)、和/或铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、金(Au)中的一者或多者的合金。例如，根据实施例，第一部分包括主体(例如，上述主体)和另一层，所述另一层位于主体和第二部分之间，所述另一层展现出表面部分。根据实施例，阻挡层(尤其是形成阻挡层的材料)被配置为防止第一材料和第二材料发生化学反应和/或相互扩散。例如，根据实施例，阻挡层防止由第一材料和第二材料形成(不希望出现)的金属间相。例如，根据实施例，阻挡层包括镍(Ni)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)和铬(Cr)中的一者或多者。
根据另一实施例，散热器件还包括处于第二部分上的附接材料。根据实施例，附接材料被配置为将散热器件附接到热传递表面。根据实施例，附接材料包括以下至少其中之一：(i)焊料，尤其是软焊料、焊膏或扩散焊料；(ii)热界面材料；(iii)可烧结材料。根据实施例，附接材料是通过向第二部分上沉积附接材料的颗粒而施加的。例如，根据实施例，通过喷涂或者等离子体喷涂将附接材料施加至第二部分。
根据实施例，附接材料被配置为(例如，附接材料的量足以)提供与热传递表面的外形配合的连接。换言之，根据实施例，附接材料被配置为使第二部分和/或热传递表面的表面粗糙度(或者表面结构)趋向平缓。
根据实施例，封装系统包括：包括电子芯片的封装以及尤其是通过本文公开的附接材料附接至封装的散热器件(根据本文公开的主题的一个或多个实施例)。例如，根据实施例，封装包括热传递表面(例如，将从上面去除热量的表面)，并且散热器件附接至热传递表面。
根据另一实施例，封装(例如，封装系统)安装在支撑部(尤其是印刷电路板)的第一主表面上，并且热传递表面(或者例如第二热传递表面)被提供在支撑部的与第一主表面相对(即，背离第一主表面)的第二主表面上。第一主表面和第二主表面之间的热连接可以是通过在第一主表面和第二主表面之间延伸的多个过孔而实现的。根据另一实施例，封装可以包括与支撑部相对的另一热传递表面，其中，另一散热器件附接至另一热传递表面。通过这种方式，有可能从电子设备(包括封装和印刷电路板)的两侧对电子设备进行冷却。
根据实施例，电子芯片包括(例如，是)半导体芯片，尤其是功率半导体芯片，例如，垂直电流器件，尤其是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、碳化硅(SiC)器件或者氮化镓(GaN)器件。例如，功率半导体芯片可以被配置为用于大约100瓦的额定功率，因而对于大约95％的假定效率而言将产生5瓦的热生成。具体而言，对于功率半导体芯片而言，电可靠性和机械完整性是重要问题，这可以通过本文描述的散热器件来解决。根据实施例，功率半导体芯片是具有垂直功率流的芯片(即，垂直电流器件，尤其是在芯片的相对侧中的每者上具有负载电极(例如，单个负载电极)的芯片)。根据实施例，功率半导体芯片包括绝缘栅双极晶体管、场效应晶体管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管)、二极管等的至少其中之一。借助于这样的构成，有可能提供用于汽车应用、高频应用等的封装。可以由这样的以及其它的功率半导体电路和封装构成的电路的示例是半桥、全桥等。然而，本文公开的散热器件对于需要散热的任何器件而言可以是有利的。具体而言，根据本文公开的主题的实施例的散热器件可以通过将第二部分焊接至热传递表面而可靠地机械附接并热耦合至热传递表面。
根据实施例，第一部分包括与表面部分(其可以被称为第一表面部分)相对的另一表面部分(其可以被称为第二表面部分)，其中，另一表面部分被配置为接纳另一散热器件。根据另一实施例，另一表面部分是通过等值界面提供的，所述等值界面例如是具有152μm的厚度以及2.3瓦每米和开尔文(W/mK)的热导率的界面(又称为K10界面)。
根据实施例，在两个或更多封装与散热器件之间提供界面(例如，等值界面)。根据另一实施例，界面可以被配置为接触两个或更多电隔离的封装(或者在另一实施例中，两个或更多电连接的封装)，并且热耦合至根据本文公开的主题的实施例的公共散热器件。
根据制造根据本文公开的主题的实施例的散热器件的方法，所述方法包括：提供包括第一材料并且具有表面部分的第一部分；以及在表面部分上沉积第二材料的颗粒，以由此形成第二部分。
根据另一实施例，沉积第二材料的颗粒包括将处于流体流(例如，气体流，即，根据实施例，流体是气体，例如，空气或氮气)中的颗粒传送到表面部分上。例如，根据实施例，沉积第二材料的颗粒是通过将第二材料的颗粒喷涂(或者等离子体喷涂)到表面部分上而执行的。为此，可以使用本领域已知的任何适当喷涂技术。令人意外的是，本发明人发现喷涂(例如，等离子体喷涂)是用以实现本文描述的第二部分的预期特性的适当沉积技术。
根据另一实施例，第二材料的颗粒的动能足以在颗粒撞击在表面部分上时使表面部分变形。例如，根据实施例，流体流所具有的速度至少为流体中的音速的20％-120％。
通过第二材料的撞击颗粒而形成表面部分将在表面部分上产生良好的颗粒粘合性。
根据实施例，所述方法还包括提供等离子体，尤其是，其中，流体流包括等离子体(例如，流体流可以包括离子，和/或颗粒是带电颗粒)。根据另一实施例，颗粒的沉积是对颗粒的等离子体辅助沉积。根据另一实施例，等离子体被配置为将颗粒提供为反应颗粒。
取决于在制造散热器件的实际方法中实施的实施例，所得到的散热器件可以展现出本文参考散热器件的相应实施例所描述的一种或多种特性。
在表面部分上沉积第二材料的颗粒所具有的优点在于，可以在相对小量的时间内在表面部分上沉积相对大的量的第二材料(例如，与电镀相比)。
在实施例中，电子芯片包括由控制器电路、驱动器电路和功率半导体电路构成的组中的至少一个。所有这些电路都可以被集成到一个半导体芯片中，或者可以被单独集成在不同芯片中。例如，可以通过芯片实现对应的功率半导体应用，其中，这样的功率半导体芯片的集成电路元件可以包括至少一个晶体管、至少一个二极管等，所述至少一个晶体管例如所至少一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)和/或至少一个场效应晶体管和/或至少一个碳化硅(SiC)器件和/或至少一个氮化镓(GaN)器件(尤其是MOSFET，金属氧化物半导体场效应晶体管)。具体而言，可以制造实现半桥功能、全桥功能等的电路。
在实施例中，电子芯片被直接安装(尤其是直接焊接、烧结或胶黏)到导电载体(例如，引线框架)的主表面上。根据实施例，载体包括金属，例如，铜。根据另一实施例，利用涂覆材料(例如，金属，例如镍)涂覆载体(例如，铜引线框架)。根据另一实施例，引线框架包括管芯焊盘，电子芯片安装至该管芯焊盘。根据另一实施例，封装主体至少部分地包封载体。根据实施例，封装的引出端子被暴露。此外，根据实施例，管芯焊盘和/或接触夹的一侧至少部分地不被包封体覆盖(即，管芯焊盘和/或接触夹的一侧至少部分地相对于包封体被暴露)。例如，根据实施例，管芯焊盘的一侧和/或接触夹的一侧相对于包封体被暴露(双侧冷却封装)。
在实施例中，通过可以包括模制材料的包封体包封(至少一个)电子芯片。例如，可以通过将一个或多个部分置于上模制工具和下模制工具之间并向其中注入液体模制材料而提供对应包封的部分(尤其是芯片与载体、部件)。在模制材料凝固之后，完成了包封体的形成。如果希望，可以利用改善模制材料的特性(例如，除热特性)的颗粒来填充模制材料。
在实施例中，热耦合并且电耦合至电子芯片的接触夹相对于包封体被部分地暴露。换言之，接触夹可以仅部分地被包封体覆盖，使得至少热传递表面保持不被包封体覆盖。允许热传递表面延伸出包封体促进并简化了除热，这对于功率半导体应用而言具有极高的重要性。根据实施例，电子芯片包括第一表面和相对的第二表面。根据另一实施例，电子芯片的第一表面电耦合(例如，焊接、烧结或者胶黏)至导电载体(例如，引线框架)。根据另一实施例，导电夹将导电载体和电子芯片的第二表面电连接。例如，根据实施例，电子芯片的第一表面包括第一负载电极(例如，漏极电极)，并且电子芯片的第二表面包括第二负载电极(例如，源极电极)，其中，与第一和第二表面的电连接是与相应负载电极的电连接。如果电子芯片包括栅极电极，那么根据实施例，第二表面包括栅极电极，该栅极电极通过另一导电夹电耦合至导电载体。根据实施例，导电夹相对于包封体被暴露，并且形成了热传递表面。
根据实施例，散热器件附接至导电夹的未被包封体覆盖并且暴露于封装的环境的主表面，使得至少一个电子芯片在封装的操作期间所生成的热量通过散热器件从封装去除或消散。因而，从本文公开的主题的实施例的意义上来讲，导电夹的暴露的主表面充当热传递表面。根据另一实施例，封装包括热传递表面，热传递表面与封装的(至少一个)电子芯片间隔开但与该(至少一个)电子芯片热耦合。
在实施例中，一种方法包括例如通过焊接来电连接封装和支撑部。如上文所提及的，烧结和胶黏是焊接的替代方式。
根据实施例，散热器件通过附接材料而附接至热传递表面。例如，根据实施例，附接材料包括以下的至少其中之一：(i)焊料，尤其是软焊料、焊膏或扩散焊料；(ii)热界面材料；(iii)可烧结材料。具体而言，焊接提供了良好且可靠的机械连接和热连接。
根据另一实施例，散热器件的第二部分是散热器，其将来自热传递表面的热量分配到表面部分。例如，具体而言，如果第二材料是高热导率的材料(例如，如果第二材料的热导率高于第一材料的热导率)，那么由该第二材料构成的第二部分可以充当散热器(例如，取决于第二部分的几何结构)。例如，根据实施例，表面部分的面积大于热传递表面的面积。根据实施例，表面部分的面积达到热传递表面的面积的至少120％。由于更大的面积，在热传递表面处提供的热量被传播至表面部分的更大面积。
根据实施例，封装还包括具有暴露部分的引线框架，该暴露部分被配置为将封装电和/或机械耦合至支撑部。根据另一实施例，引线框架包括管芯焊盘，电子芯片被附接至管芯焊盘。根据另一实施例，暴露部分是管芯焊盘的暴露部分(例如，与管芯焊盘的附接电子芯片的前表面相对的管芯焊盘的后表面)。
根据另一实施例，封装主体具有第一侧(例如，顶侧)、第二侧(例如，底侧)以及在第二侧和第一侧之间延伸的侧壁，第二侧朝向支撑部；引线框架包括至少一个引出端子，至少一个引出端子在第二侧或者所述侧壁中的至少一个侧壁处被暴露或者延伸出第二侧或所述至少一个侧壁，至少一个引出端子电连接至电子芯片。
根据实施例，封装还包括第一侧处的暴露的引出端子。根据实施例，引出端子形成了热传递表面的至少部分。例如，封装的热传递表面(散热器件附接到该表面)可以位于封装主体的第一侧上。
根据另一实施例，热传递表面具有达到第一侧的总面积的50％、但是小于100％的面积。换言之，根据实施例，热传递表面未完全覆盖封装的第一侧，而是仅覆盖封装的第一侧的至少50％的部分。
根据实施例，电子芯片为半导体芯片，尤其是具有第一负载端子(源极电极/漏极电极之一)和第二负载端子(例如，源极电极/漏极电极中的另一个)的功率半导体芯片。例如，功率半导体芯片可以是二极管，尤其是只有两个端子(第一负载端子和第二负载端子)的二极管。如果在另一示例中功率半导体芯片是晶体管，那么功率半导体芯片可以包括至少一个控制电极(例如，栅极电极)，以用于控制第一负载端子和第二负载端子之间的通路的导电性。
在上文中已经并且下文还将参考散热器件、封装、电子设备和各种方法来描述本文公开的主题的示例性实施例。应当指出，与本文公开的主题的不同方面有关的特征的任何组合当然也是可能的。具体而言，一些特征已经或者将参考器件类型实施例来描述，而其它特征则已经或者将参考方法类型实施例来描述。然而，从上文和下文的描述可以理解，除非另行指出，否则除了属于一个方面的特征的任何组合之外，涉及不同方面或实施例的特征的任何组合，乃至(例如)器件类型实施例的特征与方法类型实施例的特征的组合也被视为随本申请得到公开。就此而言，应当理解，可从对应的明确公开的器件特征导出的任何方法特征应当以器件特征的相应功能为基础，并且不应被认为局限于结合器件特征所公开的器件特定的要素。此外，应当理解，可从对应的明确公开的方法特征导出的任何器件特征可以是在方法中描述的相应功能的基础上借助于本文公开的或者本领域已知的任何适当器件特征来实现的。
通过下文的描述和所附权利要求(本发明不限于此)并结合附图，本文公开的主题的上述和其它目的、特征和优点将变得显而易见，在附图中，类似的部分或要素通过类似的附图标记表示。具体而言，上文提及的定义和内容对下文的描述同样有效，反之亦然。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施例，附图被包括以提供对本文公开的主题的示例性实施例的进一步理解并且构成说明书的部分。
在附图中：
图1示出了根据本文公开的主题的实施例的散热器件的截面图。
图2示出了根据本文公开的主题的实施例的另一散热器件的截面图。
图3示出了根据本文公开的主题的实施例的另一散热器件的截面图。
图4示出了图1的散热器件的部分的截面图。
图5示出了根据本文公开的主题的实施例的电子设备的透视图。
图6示出了根据本文公开的主题的实施例的另一电子设备的透视图。
图7示出了根据本文公开的主题的实施例的封装系统的截面图。
图8示出了根据本文公开的主题的实施例的另一封装系统的截面图。
图9示出了根据本文公开的主题的实施例的另一电子设备的截面图。
图10示出了根据本文公开的主题的实施例的另一电子设备的截面图。
具体实施方式
附图中的图示只是示意性的而不是按比例绘制的。
在参考附图更加详细地描述示例性实施例之前，将对开发示例性实施例所基于的一些一般考虑事项加以总结。
本文公开的主题的一些实施例中使用的焊料是在不损害封装或支撑部的电子芯片或其它部件的适当温度范围内可熔的金属或金属合金。软焊料典型地具有处于从100℃到450℃的范围内的熔点。根据实施例，焊料包括铅锡焊料(Pb-Sn)、镍金焊料(Ni-Au)、钯金焊料(Pd-Au)、镍钯金银焊料(Ni-Pd-Au-Ag)的至少其中之一。
扩散焊料典型地在施加时具有第一熔融温度。在施加之后并且典型地在某一压力下，扩散焊料与将要连接的参与金属形成金属间相，其中，金属间相典型地具有比初始扩散焊料高的熔点。
举几个例子，焊料可以被施加作为焊盘、作为焊膏、或者可以被喷涂。除了本文明确提及的焊料之外，其它实施例中可以使用任何其它适当焊料。
图1示出了根据本文公开的主题的实施例的散热器件100的截面图。
根据实施例，散热器件100(例如，如图1所示的热沉)包括主体102，主体102包括第一材料，例如，铝。根据实施例，主体102由铝构成。主体可以具有复杂的三维形状，例如，如图1所示，从而提供大表面面积。根据实施例，主体102形成散热器件100的第一部分104。
根据另一实施例，散热器件100包括处于第一部分104的表面部分108上的包括第二材料(例如，铜)的材料层106。根据另一实施例，材料层106形成了散热器件100的第二部分110。
根据实施例，材料层106是可焊接的，因而允许散热器件100被焊接到热传递表面(图1未示出)。
根据实施例，提供喷涂装置112，其用于将处于流体流114(例如，气流)中的第二材料的颗粒传送到表面部分108上，并且使颗粒沉积在表面部分108上。
图2示出了根据本文公开的主题的实施例的另一散热器件200的截面图。
根据实施例，第一部分104包括主体102和载体层116，例如，镍层。根据实施例，表面部分108是由载体层116形成的。根据另一实施例，第二部分位于表面部分108上。
根据另一实施例，第一部分104包括与表面部分108相对的另一表面部分118。根据实施例，另一表面部分被提供用于(例如，被配置为)接纳另一散热器件120。例如，在实施例中，另一表面部分118可以是具有定义的特性的表面部分，所述定义的特性例如为表面面积、表面粗糙度、热导率、材料等。例如，第一部分可以是在散热器件的制造者或者封装的制造者的场所处提供的，在实施例中，散热器件可以安装到第一部分，而另一散热器件12可以在客户的场所处安装到散热器件200。
图3示出了根据本文公开的主题的实施例的另一散热器件300的截面图。
散热器件300与图2所示的散热器件200类似，并且还包括处于第二部分110上的附接材料122，例如，焊料。根据另一实施例，附接材料被提供在热传递表面(图3中未示出)上。根据实施例，附接材料122被提供为连续层，如图3所示。根据实施例，附接材料可以被提供成另一形状，例如，作为结构化层或作为凸块。
图4示出了图1的散热器件100的部分的截面图。
根据实施例，散热器件100在其表面部分108上包括多个颗粒124，它们一起形成了第二部分110。根据实施例，第二部分具有大于0.1％的孔隙度，并且包括多个孔126。根据实施例，利用第三材料128填充孔的至少部分。第三材料可以提高第二部分110的耐腐蚀性。根据实施例，通过对第三材料的原位喷涂或者等离子体喷涂而将第三材料提供在孔中。换言之，根据实施例，(i)当在不从沉积气氛(其可以是真空)中移除散热器件的情况下沉积第二材料的颗粒之后，和/或(ii)在沉积第二材料的颗粒的同时，可以通过喷涂或者等离子体喷涂将第三材料沉积在孔中。
如图4示意性所示，第一部分104和第二部分110之间的界面可以具有某一表面粗糙度，其可能源自于表面部分108上的撞击颗粒124。
图5示出了根据本文公开的主题的实施例的电子设备130的透视图。
根据实施例，电子设备130包括支撑部132以及安装到支撑部132的封装134。引线框架133的部分相对于封装134的包封体被暴露。根据实施例，可以将散热器件(未示出)附接到引线框架133的后侧(即，背离电子芯片的一侧，图5未示出)。根据实施例，封装134是通孔器件，例如，晶体管出口器件(TO器件)，如图5所示，其中封装134的引线136延伸穿过支撑部132的通孔138。
图6示出了根据本文公开的主题的实施例的另一电子设备230的透视图。
根据实施例，封装234被作为表面安装器件(SMD)安装到支撑部132，该封装的引线136被附接(例如，焊接)至支撑部132上的导电焊盘(图6未示出)。根据实施例，引线框架133包括具有相对于包封体被至少部分地暴露(即，未被包封体覆盖)的主表面的管芯焊盘137。半导体芯片(即管芯，图6中未示出)被安装在管芯焊盘137的与至少部分暴露的主表面相对的主表面上。
图7示出了根据本文公开的主题的实施例的封装系统140的截面图。
根据实施例，封装系统140包括被示为表面安装器件的封装234。根据实施例，封装234包括被包封体144包封的半导体芯片(图7中未示出)。根据实施例，包封体144形成(构成)了封装主体145或者封装主体的至少部分。根据实施例，封装234包括热传递表面146，其可以是由例如金属层236(例如，铜层)形成的。根据实施例，金属层234是引线框架的安装半导体芯片的暴露部分。
根据实施例，封装系统还包括散热器件500，散热器件500包括第一部分104和第二部分110。在散热器件500的第二部分110和封装234的热传递表面146之间提供作为附接材料122的焊膏。在其它实施例中，当然可以使用其它附接材料。
图8示出了根据本文公开的主题的实施例的另一封装系统240的截面图。
根据实施例，封装系统240包括封装234。此外，封装系统240包括充当中间散热器的散热器件600。散热器件600通过又可以被称为“芯片-散热器-互连”的附接材料(例如，焊料)而附接至封装234。
根据实施例，散热器600包括表面148上的位于与附接材料122相对处的界面层150，例如，如图8所示。根据实施例，界面层150提供了另一表面部分218，另一散热器件120(例如，客户散热器件)附接(或者可附接)至另一表面部分218。根据实施例，界面层150是具有定义的特性的界面层，例如，ISO界面。
图9示出了根据本文公开的主题的实施例的另一电子设备330的截面图。
根据实施例，电子设备330包括支撑部232以及在第一主表面152上安装到支撑部232的封装334。支撑部232包括第二主表面154。根据另一实施例，电子设备330包括根据本文公开的主题的实施例的散热器件700。根据另一实施例，热传递表面246是支撑部232的第二主表面154，散热器件700通过附接材料122附接到热传递表面246。为了将封装334热耦合至散热器件700，在支撑部232中提供多个过孔156。过孔156可以由与形成连接过孔的材料相同的材料形成，所述连接过孔将支撑部的不同金属化层(图9未示出)电连接。
根据另一实施例，封装还提供了与支撑部232相对(远离支撑部232)的另一热传递表面346。根据实施例，另一散热器件800通过适当的附接材料122附接至另一热传递表面346。根据实施例，散热器件700和另一散热器件800两者包括根据本文公开的主题的实施例的第一部分和第二部分。
图10示出了根据本文公开的主题的实施例的另一电子设备430的截面图。
根据实施例，至少两个封装434(例如，三个封装，如图10所示)中的每者包括半导体芯片142，其通过引线136(例如，图10所示的引出端子)电连接至支撑部332，例如，如图10所示的印刷电路板。金属元件(例如，金属层326)热耦合至半导体芯片142，金属元件形成了通过附接材料422(例如，焊料)附接界面450的热传递表面446。根据实施例，金属层326是引线框架的在其上安装半导体芯片142的管芯焊盘，或者在另一实施例中，金属层326是接触夹。根据实施例，界面450热耦合至少两个封装434。根据另一实施例，界面450不将至少两个封装434电连接。换言之，界面450将至少两个封装434电隔离。应当指出，至少两个封装434当然(仍然)可以通过支撑部332被电耦合。
根据实施例，每个封装434的封装主体145具有第一侧160、第二侧162和侧壁164，引线136从封装主体145延伸出来。根据实施例，引线136中的至少一些是引线框架的安装电子芯片142的部分。
根据实施例，电子芯片142是垂直电流器件，其中，管芯焊盘(金属层326)电连接至电子芯片142的负载电极。
根据另一实施例，散热器件900(例如，图10所示的热沉)通过例如附接材料(图10中未示出)而附接至界面450。相应地，从本文公开的主题的意义上来讲，至少两个封装434的组件、界面450和散热器件900可以被视为封装系统。可以根据本文公开的主题的一个或多个实施例对散热器件900加以配置。
根据实施例，术语“适于”尤其包括“被配置为”的含义。
应当指出，术语“包括”不排除其它要素或特征，并且“一”不排除多个。此外，术语“包括”包括“尤其包括”的含义以及“由……构成”的含义。换言之，术语“包括铜”包括“尤其包括铜”和“由铜构成”。也可以使联系不同实施例描述的要素相结合。还应当指出，附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。此外，无意使本申请的范围局限于说明书中描述的工艺、机器、制造、组合物、手段、方法和步骤的过程的具体实施例。相应地，所附权利要求旨在将这种工艺、机器、制造、组合物、手段、方法或步骤的包括在其范围内。

Claims (29)

1.一种散热器件(100，200，300，500，600，700，800，900)，包括：
包括第一材料并且具有表面部分(108)的第一部分(104)；以及
直接耦合至所述表面部分的第二部分(110)，所述第二部分包括第二材料，所述第二部分(110)具有孔隙度；
所述第一部分还包括阻挡层(116)和/或粘合层和/或粘合促进层。
2.根据权利要求1所述的散热器件，其中，所述第二部分(110)的孔隙度处于0.1％和30％之间的范围内，尤其处于1％和20％之间的范围内，更尤其处于3％和15％之间的范围内。
3.根据权利要求1和2中的任何一项所述的散热器件，其中，所述第一材料为金属，尤其是，其中，所述第一材料包括铝、铝合金、镁、或者镁合金的至少其中之一。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的散热器件，其中，所述第二材料不同于所述第一材料。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的散热器件，其中，所述第二材料的热导率高于所述第一材料的热导率。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的散热器件，其中，第二材料包括铜或铜合金或者银或银合金或者青铜或黄铜的至少其中之一。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的散热器件，其中，所述第二部分(110)是材料层，所述材料层具有不同于所述第一部分的热特性的热特性。
8.根据权利要求7所述的散热器件，其中，所述材料层是图案化的材料层。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的散热器件，其中，所述阻挡层(116)包括镍、钛、氮化钛和铬中的一者或多者。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的散热器件，其中，所述粘合促进层包括以下中的一者或多者：铝、钛、镍、金、和/或铝、钛、镍、金中的一者或多者的合金。
11.一种封装系统(140，240，340)，包括：
包括电子芯片(142)的封装(134，234，334，434)；
所述封装(134，234，334，434)具有包封所述电子芯片(142)的封装主体(145)；
所述封装主体(145)具有由金属构成的暴露的热传递表面(146，246，346，446)；以及
所述封装系统(140，240，340)还包括根据前述权利要求中的任何一项所述的散热器件(100，200，300，500，600，700，800，900)，所述散热器件热耦合至所述热传递表面(146，246，346，446)。
12.根据权利要求11所述的封装系统(140，240，340)，所述散热器件(100，200，300，500，600，700，800，900)通过附接材料(122)附接至热传递表面(146，246，346，446)。
13.根据权利要求12所述的封装系统(140，240，340)，其中，所述附接材料(122)包括以下至少其中之一：
焊料，尤其是软焊料、焊膏或扩散焊料；
热界面材料；
可烧结材料。
14.根据权利要求11到13中的任何一项所述的封装系统(140，240，340)，其中，所述表面部分(108)的面积大于所述热传递表面(146，246，346，446)的面积。
15.根据权利要求11到14中的任何一项所述的封装系统(140，240，340)，其中，所述表面部分(108)的面积达到所述热传递表面(146，246，346，446)的面积的至少120％。
16.根据权利要求11到15中的任何一项所述的封装系统(140，240，340)，所述封装还包括具有暴露部分的引线框架，所述暴露部分被配置为将所述封装电耦合和/或机械耦合至支撑部(132，232，332)。
17.根据权利要求16所述的封装系统(140，240，340)，还包括热耦合并且电耦合至所述电子芯片的接触夹，其中，所述接触夹相对于包封体被部分地暴露。
18.根据权利要求17所述的封装系统(140，240，340)，所述封装还包括在第一侧(160)处的暴露的引出端子，尤其是，其中，所述引出端子形成了所述热传递表面的至少部分。
19.根据权利要求11到18中的任何一项所述的封装系统(140，240，340)，其中，所述热传递表面(146，246，346，446)具有达到所述第一侧(160)的总面积的至少30％、但是小于100％的面积。
20.根据权利要求11到19中的任何一项所述的封装系统(140，240，340)，其中，所述电子芯片(142)是半导体芯片，尤其是，所述电子芯片(142)是具有第一负载端子和第二负载端子的功率半导体芯片。
21.一种制造散热器件(100，200，300，500，600，700，800，900)的方法，所述散热器件(100，200，300，500，600，700，800，900)包括第一部分(104)和第二部分(110)，所述方法包括：
提供所述第一部分(104)，所述第一部分包括第一材料并且具有表面部分(108)，所述第一部分还包括阻挡层(116)和/或粘合层和/或粘合促进层；
在所述表面部分(108)上沉积第二材料的颗粒，以由此形成所述第二部分(110)。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，沉积所述第二材料的所述颗粒(124)包括将流体流(114)中的所述颗粒传送到所述表面部分(108)上，尤其是，其中，所述流体流(114)具有声音在流体中的速度的至少20％的速度，另外，尤其是，其中，所述流体为气体。
23.根据权利要求22所述的方法，所述方法还包括提供等离子体，尤其是，其中，所述流体流包括所述等离子体。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述等离子体被配置为将所述颗粒提供为反应颗粒。
25.一种散热器件(100，200，300，500，600，700，800，900)，其是根据权利要求21到24中的任何一项所述的方法制造的。
26.一种使用喷涂技术或者等离子体喷涂技术在散热器件(100，200，300，500，600，700，800，900)的第一部分(104)的表面部分(108)上提供所述散热器件的第二部分(110)的方法，其中，所述第一部分(104)包括第一材料，并且所述第二部分(110)包括第二材料。
27.一种电子设备(130，230，330，430)，包括：
支撑部(132，232，332)，尤其是印刷电路板；
根据权利要求11到20中的任何一项所述的封装系统，所述封装系统(140，240，340)被安装到所述支撑部(132，232，332)。
28.一种制造电子设备(130，230，330，430)的方法，所述方法包括：
将包括电子芯片(142)的封装(134，234，334，434)安装到支撑部(132，232，332)；
将根据权利要求1到10中的任何一项所述的散热器件(100，200，300，500，600，700，800，900)热耦合至所述封装(134，234，334，434)。
29.一种制造封装系统的方法，所述方法包括：
将根据权利要求1到10中的任何一项所述的散热器件(100，200，300，500，600，700，800，900)安装到包括电子芯片(142)的封装(134，234，334，434)。
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