DE202011003706U1

DE202011003706U1 - Oberflächenmontierbaren Leistungsgehäusen für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung

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Publication number: DE202011003706U1
Application number: DE202011003706U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2011-09-26
Anticipated expiration: 2021-03-10

Abstract

Oberflächenmontierbares Leistungsgehäuse für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung gekennzeichnet dadurch, daß das oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse unter Nutzung hoch thermisch leitender und elektrisch isolierenden Materialien aus ein oder mehreren Schichten besteht, die intern eine elektrische Verbindung von der Isolationsschicht (1) über eine Verkappungsschicht (2) zur Justageschicht (3) mittels elektrisch leitende Vertikalverbindungen Via XY (X = A...N; Y = 1...m) besitzt und somit die Oberseite der Isolationsschicht (1) mit der Oberseite der Justageschicht (3) elektrisch verbindet und eine elektrische Verbindung (9) zu einer Verdrahtungsebene (8) ermöglicht und zugleich die Isolationsschicht (1) auf der Unterseite einen vollkommen elektrisch isolierten metallischen thermischen Kontakt (4) besitzt, der eutektische Eigenschaften besitzt und somit über einen thermischen Verbindungswerkstoff (10) die thermische Verbindung zum Kühlmedium (11) herstellt.

Description

Im Allgemeinen werden optische Halbleiterbauelemente in oberflächenmontierbare (Surface Mount Technology) und durchsteckbar montierbare Bauformen unterschieden.
Oberflächenmontierbare optische Bauteile sind nur begrenzt so auslegbar, daß bestimmte thermische Eigenschaften, insbesondere ein sehr niedriger thermischer Widerstand erreichbar wird. Hauptproblem ist die unterschiedliche Konstruktion von Halbleiterchips und deren Spannungsfestigkeit gegenüber der konstruktiven Umgebung. Um diese Einschränkungen zu beachten, müssen zusätzliche Maßnahmen realisiert werden, die je nach Applikation zu einer Erhöhung des sowieso unerwünschten thermischen Widerstandes zwischen Chip und Kühlmedium führen und so eine Begrenzung der gewünschten Eigenschaften, wie Lebensdauer und Arbeitstemperaturbereich, bewirken.
Als Aufgabe steht somit die Schaffung eines automatisch oberflächenmontierbaren Leistungsgehäuses, welches konstruktiv gegenüber den als durchsteckbar und derzeitigen als oberflächenmontierbar bezeichneten optischen Bauteilen, die durch Rückseitenkontakte gekennzeichnet sind, eine weitgehende Eliminierung des thermischen Widerstandes führt.
Die Aufgabe wird gemäß 1 (1a, 1b) dadurch gelöst, daß das Gehäuse unter Nutzung hoch thermisch leitender aber elektrisch isolierenden Materialien mit einem Wärmeleitwert, der größer als 3 W/mK ist, aus ein oder mehreren Schichten besteht, die eine interne elektrische Verbindung mittels Via in von der Isolationsschicht (1) über eine Verkappungsschicht (2) zur Justageschicht (3) besitzt und somit die Oberseite der Isolationsschicht (1) mit der Oberseite der Justageschicht (3) elektrisch verbindet.
Beispiele solcher thermisch leitenden aber elektrisch isolierenden Materialien sind Aluminium basierende Keramiken, passivierte Substrate aus Silizium oder Ga-Verbindungen oder isolierend oxydierte Metalle.
Desweiteren besitzt die Isolationsschicht (1) auf der Unterseite einen vollkommen elektrisch isolierten metallischen thermischen Kontakt (4), der eutektische Eigenschaften zu einem thermischen Verbindungswerkstoff (10) besitzt.
Die elektrische Verbindung zwischen der Isolationschicht (1) und der Justageschicht (3) erfolgt mittels elektrisch leitende Vertikalverbindungen Via A1...Via An, Via B1...Via Bn, Via C1...Via Cn, Via D1...Via Dn, Via E1...Via En, Via F1...Via Fn, und folgende, wobei die Anzahl der Vertikalverbindungen von der notwendigen Auslegung der Anzahl der Kontakte und deren Stromtragfähigkeit abhängig ist (2).
In 2 ist eine Variante mit 8 Kontaktflächen (IAL, IBL, ICL, IDL, IEL, IFL, IGL, IHL) für Halbleiterchips, zum Beispiel Leuchtdiodenchips, auf der Isolationsschicht (1) und 8 Kontaktflächen (IAH, IBH, ICH, IDH, IEH, IFH, IGH, IHH) auf der Justageschicht (3) zur Realisierung des elektrischen Anschlusses dargestellt. In 3 ist die Ausführung des thermischen Kontaktes (4) dargestellt, der abhängig von der Gehäuseausführung geometrisch optimiert und beliebig ausgeführt werden kann.
Die beschriebene Gehäuseausführung wird gemäß in 4 dargestellten Form mit einem Kühlmedium (11), welches den der Applikation genügenden thermischen Anforderungen in Materialauswahl und Konstruktion genügen muß und somit den hohen thermischen Ableiteffekt erreicht, mittels einem thermischen Verbindungswerkstoffes (10) mit hohem thermischen Leitwert durch Klebe- und oder eutektischem Verfahren verbunden ist. Die mit eutektischen Verfahren verbundenen Lote ermöglichen die eutektische Verbindung von zum Beispiel Aluminium als Kühlmedium (11) und Kupfer als thermischer Kontakt (4). Der für die Applikation notwendige thermische Leitwert wird bekanntermaßen in Abhängigkeit von der umgesetzten Verlustleistung und dem Arbeitstemperaturbereich bestimmt.
Die elektrische Verdrahtung erfolgt durch die Verdrahtungsebene (8), die auf der Rückseite die elektrische Verbindung (9) zu den Kontaktflächen (IAH, IBH, ICH, IDH, IEH, IFH, IGH, IHH) der Gehäuseoberseite mittels klassischer eutektischer Verbindung herstellt. Zugleich kann die Verdrahtungsebene (8) bei entsprechender Festigkeitsausführung, zum Beispiel in Form von Metallkernleiterplatten, zur mechanischen Anpressung des oberflächenmontierbaren Leistungsgehäuses auf den thermischen Verbindungswerkstoff (10) und damit zu deren reproduzierbarer miminaler Schichtdicke und schließlich einem reproduzierbaren thermischen Widerstand zum Kühlmedium (11) hin genutzt werden. Gleichzeitig kann das thermische Ableitvermögen weiter erhöht werden.
In 5 ist eine Ausführungsvariante der Verdrahtungsebene (8) dargestellt, auf der das oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse aufgesetzt wird. Dabei wird das Bauteil durch die Verdrahtungsebene (8) gesteckt, welches gleichzeitig zur Justage und Unverschiebbarkeit in Bezug auf die Verdrahtungsebene (8) führt.
Im Gegensatz zu den aus technologischen Gründen bevorzugten quadatischen oder rechteckigen Ausführung der Gehäuse, auf die diese Konstruktion eines oberflächenmontierbaren Leistungsgehäuses anwendbar ist, wird speziell auf eine runde Bauform orientiert, die erheblich platzsparender als rechteckig ausgeführte Formen ist. Die runde Bauform ist durch eine optimierte technologische 8-eckige Form realisiert worden, welche in 2 im Detail dargestellt ist. Die runde Ausführung ist dadurch erreicht worden, daß die fertigungsbedingten Aussparungen eine oktale Rundform ergeben, bei der sich die Aussparungen zum Mittelpunkt des Leistungsgehäuses hin richten. Die Form und Anzahl der in 2 dargestellten metallisierten Kontaktflächen (IAL, IBL, ICL, IDL, IEL, IFL, IGL, IHL) für die Platzierung und Kontaktierung der Chips sowie die elektrischen Kontaktflächen (IAH, IBH, ICH, IDH, IEH, IFH, IGH, IHH) zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse sind in Ihrer Ausführungform und Zuordnung nur Beispiele.

Claims

Oberflächenmontierbares Leistungsgehäuse für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung gekennzeichnet dadurch, daß das oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse unter Nutzung hoch thermisch leitender und elektrisch isolierenden Materialien aus ein oder mehreren Schichten besteht, die intern eine elektrische Verbindung von der Isolationsschicht (1) über eine Verkappungsschicht (2) zur Justageschicht (3) mittels elektrisch leitende Vertikalverbindungen Via XY (X = A...N; Y = 1...m) besitzt und somit die Oberseite der Isolationsschicht (1) mit der Oberseite der Justageschicht (3) elektrisch verbindet und eine elektrische Verbindung (9) zu einer Verdrahtungsebene (8) ermöglicht und zugleich die Isolationsschicht (1) auf der Unterseite einen vollkommen elektrisch isolierten metallischen thermischen Kontakt (4) besitzt, der eutektische Eigenschaften besitzt und somit über einen thermischen Verbindungswerkstoff (10) die thermische Verbindung zum Kühlmedium (11) herstellt.
Oberflächenmontierbaren Leistungsgehäusen für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung gekennzeichnet dadurch, daß das oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse gemäß Anspruch (1) mittels einem thermischen Verbindungswerkstoffes (10) mit hohem thermischen Leitwert durch Pressverfahren, Klebeverfahren und oder eutektische Verfahren mit einem Kühlmedium (11) verbunden ist.
Oberflächenmontierbaren Leistungsgehäusen für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung gekennzeichnet dadurch, daß das oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse gemäß Anspruch (1) und Anspruch (2) mittels einer beliebig ausgeführten Linse (6) oder einem optischen Deckel (7) oder einem optisch verwendbaren Verguß, welcher innerhalb des Verkappungsraumes (5), verschlossen wird.
Oberflächenmontierbaren Leistungsgehäusen für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung gekennzeichnet dadurch, daß das oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse gemäß Ansprüche (1) bis (3) auf einer Verdrahtungsebene (8) elektrisch so verbunden ist, daß die Linse (6) oder der optische Deckel (7) oder der optische Verguß (14) durch die Verdrahtungsebene (8) zeigen.
Oberflächenmontierbaren Leistungsgehäusen für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung gekennzeichnet dadurch, daß die Isolationsschicht (1). Die Verkappungsschicht (2) und die Justageschicht (3) des oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse gemäß Ansprüche (1) bis (4) aus Keramik und oder Metallen und oder aus Silizium besteht.
Oberflächenmontierbaren Leistungsgehäusen für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung gekennzeichnet dadurch, daß das oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse gemäß Ansprüche (1) bis (5) mittels thermischen Verbindungswerkstoff (10), welcher als lösbares Auftragsmaterial ausgeführt ist, mit dem Kühlmedium (11) verbindet.
Oberflächenmontierbaren Leistungsgehäusen für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung gekennzeichnet dadurch, daß das oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse gemäß Ansprüche (1) bis (5) mittels thermischen Verbindungswerkstoff (10), welcher als nichtlösbares und zerstörendes Klebematerial ausgeführt ist, mit dem Kühlmedium (11) verbindet.
Oberflächenmontierbaren Leistungsgehäusen für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung gekennzeichnet dadurch, daß das oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse gemäß Ansprüche (1) bis (5) mittels thermischen Verbindungswerkstoff (10), welcher als durch Wärme lösbares eutektisches Material ausgeführt ist, mit dem Kühlmedium (11) verbindet.
Oberflächenmontierbaren Leistungsgehäusen für Halbleiterchips und deren Anordnung zur Wärmeableitung gekennzeichnet dadurch, daß das oberflächenmontierbare Leistungsgehäuse gemäß Anspruch (1) bis Anspruch (8) eine runde Ausführung dadurch erhält, daß die fertigungsbedingten Aussparungen eine oktale Rundform ergeben, bei der sich die Aussparungen zum Mittelpunkt des Leistungsgehäuses hin richten.