CN1599062A - 一种大功率半导体器件用的大面积散热结构 - Google Patents

Abstract

一种大功率半导体器件用的大面积散热结构，属于大功率半导体器件制作技术领域，其特征是利用倒装焊方法通过导热绝缘膜将管芯焊接在热导率较高的热沉之上；也可以在倒装焊芯片的衬底侧再加装热沉形成双面散热结构。本发明使器件发热区通过器件正面的导热绝缘膜和金属凸点形成散热通路，可以将器件的热阻降低到极低的水平，从而避免器件在大功率工作下的自加热效应，提高器件的稳定性和可靠性。而且本发明所公开的方法制作工艺简单，成本低廉，适于大批量生产。

Description

一种大功率半导体器件用的大面积散热结构

技术领域

本发明涉及一种大功率半导体器件用的大面积散热结构，目的是为了避免半导体器件在大功率工作时由于衬底导热不良而导致的器件升温所带来的弊端，从而提高器件的稳定性和可靠性。而且制作工艺简单，成本低廉。本发明属于大功率半导体器件制作技术领域。

背景技术

随着半导体器件制作工艺技术的不断进步，半导体器件的各项性能指标也不断提高。基于传统的硅(Si)、砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)基半导体材料的电子器件已经获得了优异的高频特性，但由于材料的禁带宽度较窄，器件功率密度的提高受到限制。而宽禁带半导体材料制备工艺的逐渐成熟，使进一步提高器件的功率密度成为可能。

理论上最佳的宽禁带半导体材料是金刚石，但是目前金刚石材料的制备工艺还很不成熟，无法满足器件制作的要求。相对而言，III族氮化物和碳化硅(SiC)基材料，尤其是氮化镓(GaN)基材料的外延生长工艺已经比较成熟，GaN可以和铝镓氮(AlGaN)或铟镓氮(InGaN)形成质量较好的异质结结构，特别适合制作光电子或电子器件，例如，目前被广泛关注的微波大功率AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件。因此，GaN基器件已经成为半导体器件领域的研究开发重点。

然而，由于III族氮化物的熔点极高而且氮气的平衡气压非常高(H.Mokoc.Nitridesemiconductors and devices.Berlin：Springer，1999)，使得高质量、大面积体单晶氮化物衬底很难获得，所以III族氮化物只能通过异质外延技术制备。目前外延GaN基材料的可选衬底主要包括蓝宝石(Sapphire)、SiC和Si等单晶材料。SiC衬底导热性最好(热导率为4.9W/K.cm)，外延材料质量较好，但是价格昂贵，而且不易获得清洁的表面，制约了其大规模应用。Si衬底价格便宜，导热性也较好(热导率1.5W/K.cm)，但是外延材料质量较差。蓝宝石衬底价格适中，且GaN基材料在蓝宝石衬底上的外延质量较好，以蓝宝石为衬底的外延生长技术是目前最为成熟的(S.Nakamura，S.Pearton，and G.Fasol，The BlueLaser Diode：The Complete Story，Berlin，Springer，2000)。所以，基于蓝宝石衬底的GaN基半导体器件在性能价格比上具有明显优势。

然而，蓝宝石衬底的导热能力很差(热导率0.4W/k.cm)，对大功率器件的开发十分不利。对于大功率器件，散热问题极为重要，除去器件的有效输出功率，其余的耗散功率必然在器件内部转化为热量。例如蓝宝石衬底的GaN基HEMT器件，耗散功率可达10W/mm以上！如果产生的热量不能及时散发出去，必然会产生严重的自加热效应使器件温度升高，导致器件性能恶化以至烧毁失效。对于大多数半导体器件，散热的主要途径是热传导。蓝宝石衬底极低的热导率使器件的热阻(定义为器件的温度变化与相应的耗散热功率的比值)很大，严重阻碍了热量的散发。另外，由于蓝宝石衬底与GaN基材料的热膨胀系数失配较大，芯片本身的温度变化时，由于热膨胀系数的差别会在GaN中引入额外的热应力，对器件的性能和可靠性产生不利影响。因此，对于以蓝宝石等导热能力差的材料为衬底的大功率半导体器件，急需降低芯片热阻，避免自加热效应，以充分发挥宽禁带半导体材料的优势。

目前，降低蓝宝石衬底芯片热阻的方法主要是衬底减薄和倒装焊。减薄衬底可以降低芯片热阻，在Si、GaAs基器件领域已广泛使用。理论上只要衬底足够薄，芯片热阻就会降得足够低。由于蓝宝石衬底的热导率很低，必须减薄到50μm以下热阻才能满足需要。然而衬底越薄，减薄工艺难度越大、成本越高、成品率越低。另外，衬底越薄，芯片机械强度越小，而大功率条件下器件要承受巨大的应力，薄衬底器件的可靠性不高。考虑上述情况，芯片衬底不能无限减薄。对于蓝宝石衬底的大功率GaN器件，靠衬底减薄来降低芯片热阻的效果有限。

对蓝宝石衬底器件，常用的倒装焊散热方法是(Y.F.Wu，D.Kapolned，J.P.Ibbetson，P.Parikh，B.P.Keller and U.K.Mishra，Very-High Power Density AlGaN/GaN HEMTs，IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL.48，NO.3，MARCH 2001)：首先电镀金加厚源漏电极(或者只是源极电极)，形成10-20μm的金凸点，然后在热沉上制作互联导体、金凸点(也可以没有金凸点)，最后把器件倒扣于热沉上，对准，压焊。这种倒装焊工艺可以降低器件热阻，但也有明显得不足：一是工艺复杂，需要在器件上制作精密的金凸点，而且凸点间距只有数微米，压焊时必须精确定位(1μm量级)才能避免发生短路，需要专门的倒装焊设备；二是散热能力仍显不足。器件的主要发热区在栅电极下的沟道部分，而金凸点制作在源漏电极上，未与发热区直接接触，热流通路过长，器件热阻没有充分降低。

因此，就目前常用的降低器件热阻的方法，无论是衬底减薄还是倒装焊技术，对于蓝宝石衬底的大功率器件而言，都难以满足芯片制作的需要。

发明内容

本发明是为了解决以蓝宝石等导热性差的材料为衬底的大功率半导体器件的散热问题，避免器件大功率工作时的自加热效应所带来的弊端而完成的，其目的是提供一种可有效降低芯片热阻的散热结构，从而提高器件的稳定性和可靠性。

本发明提出一种大功率半导体器件用的大面积散热结构，其特征在于：所述的大面积散热结构是用任何一种工艺制作在芯片有源区上表面且具有任意图形的导热绝缘膜，该膜连接到热导率大于衬底材料热导率的导热材料即热沉上。

所述导热绝缘膜的层数大于或等于一层，每层绝缘膜的厚度为0.001μm-5000μm。

所述导热绝缘膜占整个芯片表面积的0.001％-100％。

所述导热绝缘膜的膜材料是下列各材料中的任意一种或它们的组合：氮化铝，金刚石，类金刚石，碳化硅，氮化硅，氮化硼，二氧化硅，氧化铍，多晶硅，非晶硅，所述组合材料所占的整个导热绝缘膜膜材料的百分比为0％-100％。

所述衬底材料是下列各材料中的任何一种：蓝宝石，碳化硅，硅，砷化镓，硫化锌，氧化锌，铝酸镁以及铝酸锂。

它是一种双面散热结构，即所述的衬底材料部分地或全部地由热沉代替后再与裸露的芯片下表面连接。

在所述芯片的上或下表面和热沉之间有电极，该电极与所述热沉的热沉电极相连且制作在芯片的相应表面上。

在本发明中，芯片通过器件有源区表面的大面积导热绝缘膜与热沉连接，主要发热区通过导热绝缘膜直接与热沉接触，热流通路短，散热方式直接，可充分降低芯片热阻；而且可以避免精密的凸点制作和对准压焊工艺，制作工艺和设备要求都比较简单，成本低廉，适于大批量生产。另外，通过调整多层绝缘膜各层的膜厚和材料，可以实现应变补偿，减小热沉材料与半导体材料之间的热膨胀系数失配所造成的热应力。如果器件和热沉之间采用焊料连接也可以起到应变补偿的作用。实验结果表明，应用本发明所提出的散热结构，可极大降低芯片热阻，改善器件的大功率工作特性。

附图说明

图1为常用的倒装焊AlGaN/GaN HEMT芯片结构示意图：

1-蓝宝石衬底，2-外延层，3-器件源极焊盘，4-器件栅极电极，

5-器件漏极焊盘，6-金凸点，7-热沉电极，8-陶瓷热沉。

图2为本发明实施例1中的倒装焊AlGaN/GaN HEMT芯片结构示意图：

9-铜凸点，10-铅锡焊点，11-金焊盘，12-铜焊盘，

13-Si基热沉，14-氮化硅导热绝缘膜，其它同图1。

图3为本发明实施例1中的制作了焊点的AlGaN/GaN HEMT器件实物照片：

91-源极凸点，92-栅极凸点，93-漏极凸点。

图4为本发明实施例1中的AlGaN/GaN HEMT器件与热沉焊接后的实物照片：

15-HEMT器件，71-热沉上的源极/地电极，72-热沉上的栅极电极，

73-热沉上的漏极电极。

图5为本发明实施例1中的倒装焊AlGaN/GaN HEMT芯片与常规倒装焊结构芯片的功率特性对比。

图6为本发明实施例2中的器件热沉连接示意图：

81-Si基下热沉，82-Si基上热沉，其它同图1、图2。

具体实施方式：

本发明是按照如下技术方案实现的：

目前，常用的GaN基HEMT器件倒装焊结构如图1所示。其中，1为在蓝宝石衬底，2为外延层，在其上制作完成AlGaN/GaN HEMT器件，3为器件的源极焊盘，4为栅极电极，5为漏极焊盘，6为金凸点，7为AlN陶瓷热沉8上的热沉电极。由于器件的主要发热区是栅极下的沟道部分，而金凸点制作在源漏电极上，没有与发热区直接接触。热量要先通过栅源或栅漏间区，再通过凸点传导到热沉。热流通路过长，散热效果不佳。而且，由于HEMT器件的源漏电极间距很小，只有几微米，因此金凸点的间距也很小，在制作凸点和对准压焊时精度要求很高。显然，这种倒装焊工艺非常复杂，对设备要求很高。

本发明证明，将芯片通过器件有源区表面的大面积导热绝缘膜与热沉相连，发热区产生的热量可直接通过导热绝缘膜和热沉散发出去，可获得很低的热阻，改善器件的大功率工作特性。同时，制作工艺简单，设备要求低，成本低廉，适于大批量生产。

本发明所公开的结构适用于所有类型的蓝宝石衬底器件的散热结构，同时也适用于其它衬底器件的散热结构。

下面通过实施例对本发明做进一步说明

实施例1

本发明所公开的蓝宝石衬底AlGaN/GaN HEMT大面积倒装焊芯片结构如图2所示：1为蓝宝石衬底，2为外延层，在其上制作AlGaN/GaN HEMT器件，3为器件的源极焊盘，4为栅极电极，5为漏极焊盘，9为铜凸点，10为铅锡焊点，11和12为Si基热沉13上的金焊盘和铜焊盘，7为热沉电极，14为氮化硅导热绝缘膜。芯片制作过程中，用常规工艺制作HEMT器件；然后在芯片正面利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法沉积氮化硅导热绝缘膜；再在导热绝缘膜上开电极引出孔，制作粘附层和倒装焊凸点；同时在Si基热沉上也用类似的工艺沉积氮化硅薄膜，开电极引出孔，制作粘附层和倒装焊凸点；最后，芯片与热沉使用铅锡焊料焊接成一体。制作好倒装焊凸点的HEMT器件实物照片如图3所示：91、92、93分别为源极、栅极、漏极凸点。倒装焊连接到Si基热沉上的芯片实物照片如图4所示：15为倒扣的HEMT器件，71、72、73分别为热沉上的源极/地电极、栅极电极、漏极电极。

用本发明所公开的结构制作的倒装焊HEMT芯片，有源区直接通过表面的导热绝缘膜及焊接凸点与热沉相连，可有效降低芯片热阻。而且凸点间距较大，凸点面积也较大，凸点制作和对准简单。另外，凸点周围有绝缘膜，可避免焊接过程中造成电极短路。实验证明，本实例制作的倒装焊AlGaN/GaN HEMT芯片与常规倒装焊HEMT芯片相比，相同条件下其输出功率密度可提高40％以上，如图5所示。

用于本发明所公开的导热绝缘膜为单层氮化硅，厚度为300nm，膜层除电极引出孔外占满芯片的整个表面。

实施例2

本发明所公开的蓝宝石衬底AlGaN/GaN HEMT大面积倒装焊芯片结构如图6所示：1为蓝宝石衬底，2为外延层，在其上制作AlGaN/GaN HEMT器件，3、4、5分别为器件的源极焊盘、栅极电极、漏极焊盘，9为铜凸点，14为氮化硅导热绝缘膜，81为Si基下热沉，82为Si基上热沉。器件的制作工艺与实施例1基本相同，只是将衬底减薄，并在衬底一侧加装了上热沉，形成双面散热结构，使芯片热阻进一步降低。实验证明，本实例制作的双面散热结构倒装焊AlGaN/GaN HEMT芯片与常规倒装焊HEMT芯片相比，相同条件下其输出功率密度可提高60％以上。

用于本发明所公开的导热绝缘膜为单层氮化硅，厚度为300nm，膜层除电极引出孔外占满芯片的整个表面。蓝宝石衬底减薄至50μm。

Claims (7)

1.一种大功率半导体器件用的大面积散热结构，其特征在于：所述的大面积散热结构是用任何一种工艺制作在芯片有源区上表面且具有任意图形的导热绝缘膜，该膜连接到热导率大于衬底材料热导率的导热材料即热沉上。

2.根据权利要求1所述的一种大功率半导体器件用的大面积散热结构，其特征在于：所述导热绝缘膜的层数大于或等于一层，每层绝缘膜的厚度为0.001μm-5000μm。

3.根据权利要求1所述的一种大功率半导体器件用的大面积散热结构，其特征在于：所述导热绝缘膜占整个芯片表面积的0.001％-100％。

4.根据权利要求1所述的一种大功率半导体器件用的大面积散热结构，其特征在于：所述导热绝缘膜的膜材料是下列各材料中的任意一种或它们的组合：氮化铝，金刚石，类金刚石，碳化硅，氮化硅，氮化硼，二氧化硅，氧化铍，多晶硅，非晶硅，所述组合材料所占的整个导热绝缘膜膜材料的百分比为0％-100％。

5.根据权利要求1所述的一种大功率半导体器件用的大面积散热结构，其特征在于：所述衬底材料是下列各材料中的任何一种：蓝宝石，碳化硅，硅，砷化镓，硫化锌，氧化锌，铝酸镁以及铝酸锂。

6.根据权利要求1所述的一种大功率半导体器件用的大面积散热结构，其特征在于：它是一种双面散热结构，即所述的衬底材料部分地或全部地由热沉代替后再与裸露的芯片下表面连接。

7.根据权利要求1、6所述的一种大功率半导体器件用的大面积散热结构，其特征在于：在所述芯片的上或下表面和热沉之间有电极，该电极与所述热沉的热沉电极相连且制作在芯片的相应表面上。

Images