KR101907953B1 - 일체형 다이아몬드 열 스프레더를 갖는 전자 장치 컴포넌트 - Google Patents

일체형 다이아몬드 열 스프레더를 갖는 전자 장치 컴포넌트 Download PDF

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KR101907953B1
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Abstract

지지 프레임으로서, 상부 표면, 저부 표면, 및 지지 프레임의 상부 표면과 저부 표면 사이에서 연장되는 개구를 포함하는, 상기 지지 프레임; 상부 면, 저부 면을 갖는 합성 다이아몬드 재료의 웨이퍼를 포함하는 다이아몬드 열 스프레더로서, 다이아몬드 열 스프레더가 지지 프레임 내의 개구를 가로질러 연장되도록 지지 프레임에 본딩되는, 상기 다이아몬드 열 스프레더; 및 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면 상에 실장되고 그것에 본딩된 하나 이상의 반도체 컴포넌트를 포함하며, 지지 프레임은 다이아몬드 열 스프레더가 본딩되는 전기 절연성 세라믹 재료로 형성되는, 전자 장치 컴포넌트.

Description

일체형 다이아몬드 열 스프레더를 갖는 전자 장치 컴포넌트{AN ELECTRONIC DEVICE COMPONENT WITH AN INTEGRAL DIAMOND HEAT SPREADER}
본 발명은 일체형 다이아몬드 열 스프레더(heat spreader)를 갖는 전자 장치 컴포넌트(electronic device component)에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 크기가 콤팩트(compact)하고, 양호한 열 스프레딩(heat spreading) 및/또는 열 싱킹(heat sinking) 능력을 제공하며, 다양한 상이한 전자 장치 구성에 실장(mounting)하기에 특히 적합하여 다양한 전자 장치 유형, 구성, 및 응용에서 그것의 융통성(flexibility) 및 유용성을 최대화하는 전자 장치 컴포넌트를 제공하는 문제를 해결한다. 또한, 본 발명의 실시예는 국부적인 열 스팟(localized heat spot)으로부터 반도체 다이 컴포넌트의 배면 전체 상에 발생되는 열의 더 효과적인 스프레딩에 뒤이은, 특정 응용에 최적화되도록 선택될 수 있는 열 싱킹으로 이어지는, 반도체 다이 컴포넌트와 근접 열 접촉(close thermal contact)하여 실장되는, 고품질 다결정 CVD 합성 다이아몬드 재료 또는 단결정 합성 다이아몬드 재료, 예를 들어 단결정 CVD 합성 다이아몬드 재료의 사용을 통해 반도체 다이 컴포넌트 및 반도체 다이 모듈의 크기에 있어서의 감소를 가능하게 한다. 대안적으로, 본 발명의 실시예는 반도체 다이 컴포넌트 및 반도체 다이 모듈이 원하는 작동 온도를 초과함이 없이 더 높은 전력에서 작동되는 것을 가능하게 한다.
전자 장치에 있어서 잘 알려진 문제는 열 방산(heat dissipation)의 문제이다. 고온은 종종 그러한 장치의 성능 및/또는 수명을 제한한다. 이것은 마이크로파 증폭기, 전력 스위치 및 광전자 장치와 같은 고 전력 및/또는 고 주파수에서 작동하는 반도체 장치에서 각별한 문제이다. 따라서 온도를 감소시키고 이에 따라 장치 성능을 개선하고/하거나, 수명을 증가시키고/시키거나, 전력 밀도를 증가시키기 위해 컴포넌트 장치에 의해 발생되는 임의의 열을 스프레딩할 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, 높은 열 전도율을 갖는 열 스프레딩 기판 재료를 이용하여 전자 장치 컴포넌트에 의해 발생되는 열을 스프레딩하여, 전력 밀도를 낮추고 열 싱크(heat sink)를 통한 방산을 촉진하여서 장치 성능을 개선하고/하거나, 수명을 증가시키고/시키거나, 전력 밀도에 있어서의 증가를 가능하게 하는 것이 바람직하다.
다이아몬드는 임의의 재료 중 가장 높은 실온 열 전도율과, 본질적인 비-도핑된(un-doped) 형태로 있을 때 높은 전기 비저항 및 낮은 유전 손실을 조합한, 열 스프레딩 재료로서의 특유의 특성을 갖는다. 따라서 다이아몬드는 다수의 고 전력 밀도 응용에서 반도체 컴포넌트를 위한 열 스프레딩 기판으로서 이용될 수 있다. 또한, 다결정 다이아몬드의 도핑을 통해, 열 스프레더는 또한 전도성일 수 있으며, 이에 따라 열 스프레더가 전기 접속부가 되는 것을 가능하게 한다 - 그렇게 요구되는 경우 -. 화학 증착(chemical vapour deposition, CVD) 기술에 의해 제조되는 대면적 다결정 다이아몬드의 출현은 면적에 있어서의 증가 및 비용에 있어서의 감소를 통해 다이아몬드 열 스프레더에 대한 응용을 확장시켰다. 또한, 이용가능한 단결정 합성 다이아몬드 플레이트의 꾸준히 증가하는 크기가 또한 극도로 높은 열 성능을 요구하는 열 스프레딩 응용에서 그러한 재료를 사용하는 것을 가능하게 하고 있다.
통합된 다이아몬드 열 스프레더를 포함하는 전자 장치 패키지가 당업계에 알려져 있다. 예를 들어, US2012/003794 호는 다이아몬드 열 스프레더가 캐리어 패드(carrier pad)와 위에 놓인 반도체 다이 사이에 배치된 전자 장치 패키지 구성을 개시한다. 복합 캐리어 패드/다이아몬드 열 스프레더/반도체 다이 구조체가 이어서 리드 프레임(lead frame)의 개구 내에 실장된다. 반도체 다이와 리드 프레임 사이에 와이어 본드(wire bond)가 형성되고, 전체 구조체가 성형 재료 내에 봉지(encapsulating)된다.
US2010/0149756 호는 전자 장치 패키지 내에 다이아몬드 열 스프레더를 통합하기 위한 대안적인 배열을 개시한다. 이 문헌은 다이아몬드 열 스프레더가 금속 프레임에 실장되고, 이 복합 다이아몬드 열 스프레더/금속 프레임 구조체가 세라믹 캐리어 기판 위에 본딩되며, 세라믹 캐리어 기판 상에 반도체 다이가 다이아몬드 열 스프레더의 표면이 반도체 다이의 표면과 접촉하도록 - 그러나 그것에 접착되지는 않음 - 실장되는 것을 제안한다. 이어서 열 싱크가 복합 다이아몬드 열 스프레더/금속 프레임 구조체 위에, 열 싱크의 표면이 다이아몬드 열 스프레더의 표면과 접촉하도록 - 그러나 그것에 접착되지는 않음 - 실장된다.
전술한 구성은 다이아몬드 열 스프레더를 전자 장치 패키지 내에 통합하는 문제에 대한 잠재적으로 실행가능한 해법을 제공하지만, 크기가 더 콤팩트하게 만들어질 수 있고, 양호한 열 스프레딩 및/또는 열 싱킹 능력을 제공할 수 있으며, 다양한 상이한 전자 장치 및/또는 열 싱크 구성 내에 실장하기에 더 적합하여서 더 넓은 범위의 전자 장치 유형, 구성, 및 응용에서 사용될 수 있는 시판용 제품을 제공하는 신규한 구성을 제공하는 것이 본 발명의 소정 실시예의 목적이다.
예를 들어, 본 발명자는 US2012/003794 호에 기술된 구성은, 본질적인 특징부로서, 캐리어 패드의 존재를 요구한다는 것을 알았다. 기술된 실시예에서, 캐리어 패드는 다이아몬드 열 스프레더 및 반도체 다이가 캐리어 패드의 상부에 실장된 상태로 리드 프레임의 개구 내에 실장된다. 캐리어 패드는 이에 따라 열 스프레더 및 반도체 다이를 위한 지지 기판으로서의 역할을 한다. 캐리어 패드가 기술된 전자 장치 패키지의 일체형 부분이기 때문에, 특정 전자 장치 응용 또는 구성에 따라 캐리어 패드의 재료 또는 구조를 쉽게 변경하는 것은 불가능하다. 더욱이, 캐리어 패드의 존재는 전자 장치 패키지의 깊이를 증가시키고 이에 따라 매우 얇은 전자 장치 패키지를 요구하는 소정의 전자 장치 구성에서는 사용가능하지 않을 수 있다.
유사한 문제가 또한 US2010/0149756 호에 기술된 구성에 적용될 수 있다. 그것에 기술된 구성에서, 반도체 다이는 다이아몬드 열 스프레더에 직접 실장되는 것이 아니라, 오히려 내부에 배치된 금속 연결부를 포함하는 별개의 세라믹 기판에 실장된다. 세라믹 지지 기판/반도체 다이/열 스프레더-금속 홀더 복합체/열 싱크를 포함하는 적층식 구조체가 형성된다. 세라믹 지지 기판에 기초한 이러한 적층식 구조체는 전자 장치 패키지의 깊이를 증가시키고 이에 따라 매우 얇은 전자 장치 패키지를 요구하는 소정의 전자 장치 구성에서는 사용가능하지 않을 수 있다. 더욱이, 다이아몬드 열 싱크/금속 프레임 복합 구조체 내의 상부 리세스(recess)에 상호보완적인 형상을 갖는 열 싱크는 열 싱크를 다이아몬드 열 스프레더와 접촉하는 상태로 실장하도록 요구될 것으로 보인다. 그렇기 때문에, 다이아몬드 열 스프레더에 대한 실장 구성은 실질적으로 평면의 실장 표면을 갖는 일반적인 열 싱크에 쉽게 적용가능할 것으로 보이지 않는다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 대한 상황을 설정하는 데 도움을 주는 몇 개의 가능한 전자 장치 패키지 구성을 예시한다. 도 1 내지 도 3에 예시된 구성의 비교를 돕기 위해 동일한 부품에 대해 동일한 도면 부호가 사용되었다.
도 1은 표준 RF 장치 구성을 예시하는 개략도를 보여준다. 이 구성은 본딩 재료(6)를 통해 금속성 열 스프레더(4) 상에 실장된 반도체 컴포넌트(2)를 포함한다. 전기 절연성 세라믹 프레임(8)이 금속성 열 스프레더(4) 상에 제공된다. 전기 연결부(10)가 전기 절연성 세라믹 프레임(8) 상에 실장되고, 와이어 연결부(12)를 통해 하나 이상의 반도체 컴포넌트에 전기적으로 연결되도록 구성된다. 이 패키지는 봉지 캡(encapsulating cap)(14)으로 봉지되고, 본딩 재료(18)를 통해 금속성 열 싱크(16) 상에 실장된다. 절연 층(20)이 열 싱크(16) 상에 제공되어 전기 연결부(10)를 열 싱크로부터 전기적으로 절연시킨다.
도 2는 도 1에 예시된 것과 유사하지만 다이아몬드 열 스프레더를 통합한 RF 장치 구성을 예시하는 개략도를 보여준다.
이 구성은 본딩 재료(5)를 통해 다이아몬드 열 스프레더(3) 상에 실장된 반도체 컴포넌트(2)를 포함한다. 다이아몬드 열 스프레더(3)는 본딩 재료(6)를 통해 금속성 열 스프레더(4) 상에 실장된다. 전기 절연성 세라믹 프레임(8)이 금속성 열 스프레더(4) 상에 제공된다. 전기 연결부(10)가 전기 절연성 세라믹 프레임(8) 상에 실장되고, 와이어 연결부(12)를 통해 하나 이상의 반도체 컴포넌트에 전기적으로 연결되도록 구성된다. 이 패키지는 봉지 캡(14)으로 봉지되고, 본딩 재료(18)를 통해 금속성 열 싱크(16) 상에 실장된다. 절연 층(20)이 열 싱크(16) 상에 제공되어 전기 연결부(10)를 열 싱크로부터 전기적으로 절연시킨다.
도 2에 예시된 구성은 따라서, 반도체 컴포넌트(2)와 금속성 열 스프레더(4) 사이에 다이아몬드 열 스프레더(3)가 삽입되는 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 구성과 유사하다. 다이아몬드 열 스프레더(3)는 반도체 컴포넌트(2) 바로 아래의 열 스프레더를 개선하는 데 도움을 준다. 그러나, 금속성 열 스프레더(4)의 상부에 다이아몬드 열 스프레더(3)를 제공할 때, 반도체 컴포넌트(2)와 열 싱크(16) 사이의 거리가 증가된다. 더욱이, 반도체 컴포넌트(2)와 열 싱크(16) 사이의 계면(interface)의 수가 증가된다. 둘 모두의 이러한 요인은 반도체 컴포넌트(2)로부터 열 싱크(16) 내로의 열 유동에 대한 저항을 증가시키며, 다이아몬드 열 스프레더(3)의 유익한 효과를, 어느 정도, 상쇄시킬 것이다.
도 3은 도 2에 예시된 것과 유사하지만 금속성 열 스프레더(4) 내의 윈도우(window) 내에 다이아몬드 열 스프레더(3)를 통합한 RF 장치 구성을 예시하는 개략도를 보여준다.
이 구성은 본딩 재료(5)를 통해 다이아몬드 열 스프레더(3) 상에 실장된 반도체 컴포넌트(2)를 포함한다. 다이아몬드 열 스프레더(3)는 본딩 재료(6)를 통해 금속성 열 스프레더(4) 내의 윈도우 내에 실장된다. 전기 절연성 세라믹 프레임(8)이 금속성 열 스프레더(4) 상에 제공된다. 전기 연결부(10)가 전기 절연성 세라믹 프레임(8) 상에 실장되고, 와이어 연결부(12)를 통해 하나 이상의 반도체 컴포넌트에 전기적으로 연결되도록 구성된다. 이 패키지는 봉지 캡(14)으로 봉지되고, 본딩 재료(18)를 통해 금속성 열 싱크(16) 상에 실장된다. 절연 층(20)이 열 싱크(16) 상에 제공되어 전기 연결부(10)를 열 싱크로부터 전기적으로 절연시킨다.
도 3에 예시된 구성은 따라서, 다이아몬드 열 스프레더(3)가 금속성 열 스프레더(4)의 상부 표면 상에보다는 금속성 열 스프레더(4) 내의 윈도우 내에 실장되는 것을 제외하고는, 도 2에 도시된 구성과 유사하다. 다이아몬드 열 스프레더(3)는 반도체 컴포넌트(2) 바로 아래의 열 스프레더를 개선하는 데 도움을 준다. 또한, 금속성 열 스프레더(4) 내의 윈도우 내에 다이아몬드 열 스프레더(3)를 제공하는 것에 의해, 반도체 컴포넌트(2)와 열 싱크(16) 사이의 거리가 도 2에 도시된 배열에 비해 감소되다. 더욱이, 반도체 컴포넌트(2)와 열 싱크(16) 사이의 계면의 수가 도 2에 도시된 배열에 비해 감소된다. 둘 모두의 이러한 요인은 반도체 컴포넌트(2)로부터 열 싱크(16) 내로의 열 유동에 대한 저항을 감소시키며, 다이아몬드 열 스프레더(3)의 유익한 효과를 증가시키는 데 도움을 준다.
도 3에 예시된 것과 유사한 전자 장치 패키지 구성이 EP0932199 호에 기술되고 예시된다. 이 문헌은 구리 클래딩된 몰리브덴 열 스프레더 또는 플랜지의 윈도우 내에 그 자체가 실장된 다이아몬드 열 스프레더 상에 전자 장치가 실장되는 패키지 구성을 기술한다. 알루미나 프레임이 구리 클래딩된 몰리브덴 플랜지 상에 제공된다. 구리 리드의 형태의 전기 연결부가 알루미나 프레임 상에 실장되고, 와이어 연결부를 통해 전자 장치에 전기적으로 연결되도록 구성된다. 이 패키지는 봉지 캡으로 봉지되고, 본딩 재료(18)를 통해 금속성 열 싱크(16) 상에 실장된다.
전술된 구성과 비교할 때 개선된 전자 장치 패키지를 제공하는 것이 본 발명의 소정 실시예의 목적이다.
본 발명의 제 1 태양에 따르면, 전자 장치 컴포넌트(electronic device component)에 있어서,
지지 프레임으로서, 상부 표면, 저부 표면, 및 지지 프레임의 상부 표면과 저부 표면 사이에서 연장되는 개구를 포함하는, 상기 지지 프레임;
상부 면(top face), 저부 면(bottom face)을 갖는 합성 다이아몬드 재료의 웨이퍼를 포함하는 다이아몬드 열 스프레더(diamond heat spreader)로서, 다이아몬드 열 스프레더가 지지 프레임 내의 개구를 가로질러 연장되도록 지지 프레임에 본딩되는, 상기 다이아몬드 열 스프레더; 및
다이아몬드 열 스프레더의 상부 면 상에 실장되고 상부 면에 본딩된 하나 이상의 반도체 컴포넌트를 포함하며,
지지 프레임은 다이아몬드 열 스프레더가 본딩되는 전기 절연성 세라믹 재료로 형성되고,
하나 이상의 전기 연결부가 전기 절연성 세라믹 지지 프레임 상에 실장되고, 하나 이상의 반도체 컴포넌트에 전기적으로 연결되도록 구성되는, 전자 장치 컴포넌트가 제공된다.
상기에 한정된 바와 같은 전자 장치 컴포넌트는 몇 가지 점에 있어서 도 3에 예시되고 EP0932199 호에 기술된 것과 유사하다. 그러나, 본 발명자는 다이아몬드 열 스프레더가 전기 절연성 세라믹 지지 플레이트에 직접 본딩되도록 다이아몬드 열 스프레더를 사용할 때 금속성 열 스프레더 또는 플랜지가 완전히 생략될 수 있다는 것을 인식하였다. 이러한 변경은 도 3에 예시되고 EP0932199 호에 기술된 구성과 비교할 때 다음과 같은 몇 가지 이점을 갖는다:
(i) 금속성 열 스프레딩 프레임을 생략함으로써, 구성이 더 콤팩트하고 구조가 간단하다. 지지 프레임을 전기 연결부로부터 전기적으로 절연시키는 별개의 컴포넌트를 가져야 하는 요구가 더 이상 존재하지 않는다.
(ii) 다이아몬드 열 스프레더와 지지 프레임 사이의 더 나은 열 계면(thermal interface). 다이아몬드 및 전기 절연성 세라믹에서, 열은 포논(phonon)을 통해 전도되는 반면 금속성 재료는 주로 전자 유동을 통해 열을 전도한다. 전기 절연성 세라믹 지지 프레임과 직접 열 접촉(thermal contact)하는 다이아몬드 열 스프레더를 제공함으로써, 다이아몬드 열 스프레더와 세라믹 지지 프레임 둘 모두에서의 열 유동이 포논을 통해 이루어지며, 이는 다이아몬드 열 스프레더와 전기 절연성 세라믹 지지 프레임 사이의 장벽(barrier)에서의 열 전달을 도울 수 있다. 대조적으로, 다이아몬드 열 스프레더가 금속성 지지 프레임에 본딩될 때, 다이아몬드 재료에서의 포논 열 유동 메커니즘과 금속성 재료에서의 전자 열 유동 메커니즘 사이의 전이(transition)는 열 전달에 대한 저항성 장벽으로 이어질 수 있다.
(iii) 개별 와이어 연결에 대한 요구 없이 다이아몬드 열 스프레더 상에 실장된 컴포넌트에 전기 연결부를 제공하는 것에 대한 더 많은 융통성을 고려하면 전기 절연성 세라믹 지지 프레임 및 전기 절연성 세라믹 지지 프레임 내에 본딩된 다이아몬드 열 스프레더 상에 직접 전기 트랙이 형성될 수 있다.
(iv) 극한 열 관리를 요구하지 않는 다른 전기 컴포넌트가 세라믹 지지 프레임 상에 실장될 수 있고, 이것은, 요점 (iii)에 기술된 바와 같은 금속화된 트랙과 조합되어, 다이아몬드/세라믹 열 스프레더 컴포넌트 위에 복잡한 회로를 제공하는 것에 대한 더 많은 융통성을 제공한다.
일 구성에서, 하나 이상의 전기 연결부는, 지지 프레임의 상부 표면 상에 그리고 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면 상에 배치되고, 다이아몬드 열 스프레더 및 지지 프레임의 상부 표면 상에 하나 이상의 전도 트랙(conduction track)을 형성하도록 패턴화된 금속화 층(metallization layer)으로 형성된다. 하나 이상의 반도체 컴포넌트는 지지 프레임의 상부 표면 상에 실장되고 그것에 본딩된다. 또한, 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면은 (예를 들어, 500 ㎛, 400 ㎛, 300 ㎛, 200 ㎛, 100 ㎛, 50 ㎛, 30 ㎛ 또는 20 ㎛ 이내까지) 리드 프레임의 상부 표면과 동일 평면 상에 있다. 이러한 구성은 세라믹 지지체와 다이아몬드 열 스프레더 둘 모두를 가로지른 평면의 금속화된 표면을 제공하여, 하나 이상의 반도체 컴포넌트가 단일 금속화 층을 통해 다이아몬드 열 스프레더와 세라믹 지지 프레임 둘 모두 상에 쉽게 실장되고 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 제 2 태양에 따르면, 앞서 한정된 바와 같은 전자 장치 컴포넌트에 사용하기 위한 열 스프레딩 기판(heat spreading substrate)에 있어서,
지지 프레임으로서, 상부 표면, 저부 표면, 및 지지 프레임의 상부 표면과 저부 표면 사이에서 연장되는 개구를 포함하는, 상기 지지 프레임; 및
상부 면 및 저부 면을 갖는 합성 다이아몬드 재료의 웨이퍼를 포함하는 다이아몬드 열 스프레더로서, 다이아몬드 열 스프레더가 지지 프레임 내의 개구를 가로질러 연장되도록 지지 프레임에 본딩되는, 상기 다이아몬드 열 스프레더를 포함하며,
지지 프레임은 전기 절연성 세라믹 재료로 형성되는, 열 스프레딩 기판이 제공된다.
그러한 열 스프레딩 기판은 세라믹 지지 프레임의 상부 표면 및/또는 저부 표면 그리고/또는 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면 및/또는 저부 면 상에 배치된 금속화 층을 추가로 포함할 수 있다. 그러한 패키지 구성은 원하는 회로 설계에 따라 금속화 층(들)을 패턴화하고, 반도체 컴포넌트를 다이아몬드 열 스프레더 및 선택적으로 세라믹 지지 프레임 상에 실장하고, 이어서 전자 장치 컴포넌트를 봉지할 수 있는 전자 장치 제조업자에게 판매될 수 있다. 또, 열 스프레딩 기판을 위한 하나의 구성은, 다이아몬드 열 스프레더의 면 및 지지 프레임의 상부 표면에 대한 동일 평면 배열(co-planar arrangement)을 제공하고, 지지 프레임의 상부 표면 상에 그리고 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면 상에 배치된 금속화 층을 제공하는 것이다.
열 스프레딩 기판을 제조하는 방법이 또한 제공되며, 본 방법은,
다이아몬드 열 스프레더를 그린 세라믹체(green ceramic body) 내에 실장하는 단계;
그린 세라믹체를 소성(firing)하는 단계로서, 세라믹체가 다이아몬드 열 스프레더 주위에서 수축 및 경화되어, 다이아몬드 열 스프레더를 세라믹체에 직접 본딩하여, 다이아몬드 열 스프레더 주위에 세라믹 지지 프레임을 형성하는, 소성하는 단계; 및
다이아몬드 열 스프레더 및 세라믹 지지 프레임의 상부 표면을 금속화하는 단계를 포함한다.
이 방법은 본드(bond)를 가로지르는 금속화 층으로 다이아몬드 열 스프레더와 세라믹 지지 프레임을 직접 본딩하는 것을 허용한다. 솔더(solder) 및 금속 브레이즈(metal braze)와 같은 본딩제의 사용을 회피함으로써, 본딩제를 통한 전기 단락의 가능성이 회피된다.
전자 장치 컴포넌트는 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 열 싱크와의 계면을 형성하는 상태로 열 싱크에 실장될 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 전자 장치 컴포넌트는 반도체 컴포넌트가 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면 상에 직접 실장되는 것을 가능하게 하는 동시에 또한 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면을 노출된 상태로 두어, 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 열 싱크와의 직접 열 계면(direct thermal interface)에 이용될 수 있다. 열 싱크는 금속성일 수 있으며, 지지 프레임이 절연 세라믹이기 때문에, 다이아몬드 열 스프레더가 그것 내에 실장되는 세라믹 지지 프레임의 상부 표면 상에 제공된 전기 회로와 열 싱크 사이의 전기 단락에 관한 문제가 없다.
본 발명의 더 나은 이해를 위해 그리고 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지를 보여주기 위해, 이제 본 발명의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 기술될 것이다.
도 1은 (본 발명에 따른 것이 아닌) 금속성 열 스프레더를 포함하는 전자 장치 구성의 단면도를 보여주는 도면,
도 2는 (본 발명에 따른 것이 아닌) 다이아몬드 열 스프레더가 상부 표면 상에 실장된 금속성 열 스프레더를 포함하는 전자 장치 구성의 단면도를 보여주는 도면,
도 3은 (본 발명에 따른 것이 아닌) 다이아몬드 열 스프레더가 금속성 열 스프레더 내에 형성된 윈도우 내에 실장된 금속성 열 스프레더를 포함하는 전자 장치 구성의 단면도를 보여주는 도면,
도 4는 다이아몬드 열 스프레더가 세라믹 지지 프레임 내에 형성된 윈도우 내에 실장된 세라믹 지지 프레임을 포함하는 전자 장치 구성의 단면도를 보여주는 도면,
도 5는 열 싱크 상에 실장하기 전의 그리고 명료함을 위해 봉지 캡이 제거된, 도 4의 전자 장치 컴포넌트의 단면도를 보여주는 도면,
도 6 및 도 7은 세라믹 지지 프레임 내의 다이아몬드 열 스프레더 상에 실장된 반도체 컴포넌트, 및 세라믹 지지 프레임 상에 실장된 극한 열 관리를 요구하지 않는 추가의 반도체 컴포넌트와 함께, 반도체 컴포넌트를 연결하기 위한 트랙을 형성하는 금속화부를 포함하는 다른 전자 장치 컴포넌트의 단면도 및 평면도를 보여주는 도면, 및
도 8은 다수의 다이아몬드 열 스프레더가 그것 내에 실장된 세라믹 지지 프레임을 포함하는 다른 전자 장치 컴포넌트의 단면도를 보여주는 도면.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 대한 상황을 설정하는 데 도움을 주는 그리고 본 명세서의 '배경기술' 섹션에서 논의된 몇 개의 가능한 전자 장치 구성을 예시한다.
본 발명에 따른 전자 장치 구성의 예가 도 4에 예시된다. 도 4에 예시된 바와 같은 구성은 본딩 재료(5)를 통해 다이아몬드 열 스프레더(3) 상에 실장된 반도체 컴포넌트(2)를 포함한다. 다이아몬드 열 스프레더(3)는 본딩 재료(42)를 통해 전기 절연성 세라믹 지지 프레임(40) 내의 윈도우 내에 실장된다. 전기 연결부(44)가 전기 절연성 세라믹 프레임(42) 상에 실장되고, 하나 이상의 반도체 컴포넌트에 전기적으로 연결되도록 구성된다. 이 패키지는 봉지 캡(44)으로 봉지되고, 본딩 재료(48)를 통해 금속성 열 싱크(46) 상에 실장된다. 절연 층(50)이 열 싱크(46) 상에 제공되어 전기 연결부(44)를 열 싱크(46)로부터 전기적으로 절연시킨다. 절연 층(50)은 보통 절연 층 상에 실장된 회로를 가질 것인데, 즉 그것은 인쇄 회로 기판일 수 있다.
도 4에 예시된 구성은 도 3에 예시된 구성과 유사하지만, 도 3의 금속성 열 스프레더(4) 및 전기 절연성 세라믹 프레임(8)은 다이아몬드 열 스프레더가 본딩된 단일의 전기 절연성 세라믹 지지 프레임으로 대체되었다. 도 4의 구성에서 다이아몬드 열 스프레더가 그것 안에 본딩되는 지지 프레임이 전기 절연성이기 때문에, 하나 이상의 전기 연결부는 전기 절연성 세라믹 지지 프레임 상에 직접 실장되고 하나 이상의 반도체 컴포넌트에 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다.
'발명의 내용' 섹션에서 기술된 바와 같이, 본 발명자는 다이아몬드 열 스프레더가 전기 절연성 세라믹 지지 플레이트에 직접 본딩되도록 다이아몬드 열 스프레더를 사용할 때 종래 기술의 배열에서 제공된 금속성 열 스프레더 또는 플랜지가 완전히 생략될 수 있다는 것을 인식하였다. 이러한 변경은 도 3에 예시되고 EP0932199 호에 기술된 구성과 비교할 때 다음과 같은 몇 가지 이점을 갖는다:
(i) 금속성 열 스프레딩 프레임을 생략함으로써, 구성이 더 콤팩트하고 구조가 간단하다. 지지 프레임을 전기 연결부로부터 전기적으로 절연시키는 별개의 컴포넌트를 가져야 하는 요구가 더 이상 존재하지 않는다.
(ii) 다이아몬드 열 스프레더와 지지 프레임 사이의 더 나은 열 계면(thermal interface). 다이아몬드 및 전기 절연성 세라믹에서, 열은 포논(phonon)을 통해 전도되는 반면 금속성 재료는 주로 전자 유동을 통해 열을 전도한다. 전기 절연성 세라믹 지지 프레임과 직접 열 접촉(thermal contact)하는 다이아몬드 열 스프레더를 제공함으로써, 다이아몬드 열 스프레더와 세라믹 지지 프레임 둘 모두에서의 열 유동이 포논을 통해 이루어지며, 이는 다이아몬드 열 스프레더와 전기 절연성 세라믹 지지 프레임 사이의 장벽(barrier)에서의 열 전달을 도울 수 있다. 대조적으로, 다이아몬드 열 스프레더가 금속성 지지 프레임에 본딩될 때, 다이아몬드 재료에서의 포논 열 유동 메커니즘과 금속성 재료에서의 전자 열 유동 메커니즘 사이의 전이(transition)는 열 전달에 대한 저항성 장벽으로 이어질 수 있다.
(iii) 개별 와이어 연결에 대한 요구 없이 다이아몬드 열 스프레더 상에 실장된 컴포넌트에 전기 연결부를 제공하는 것에 대한 더 많은 융통성을 고려하면 전기 절연성 세라믹 지지 프레임 및 전기 절연성 세라믹 지지 프레임 내에 본딩된 다이아몬드 열 스프레더 상에 직접 전기 트랙이 형성될 수 있다.
(iv) 극한 열 관리를 요구하지 않는 다른 전기 컴포넌트가 세라믹 지지 프레임 상에 실장될 수 있고, 이것은, 요점 (iii)에 기술된 바와 같은 금속화된 트랙과 조합되어, 다이아몬드/세라믹 열 스프레더 컴포넌트 위에 복잡한 회로를 제공하는 것에 대한 더 많은 융통성을 제공한다.
세라믹 지지 프레임은 전자 컴포넌트가 실장된 다이아몬드 열 스프레더를 지지하기에 충분한 기계적 안전성을 제공하도록 선택된 전기 절연성 세라믹 재료로부터 제조되어야 한다. 세라믹 지지 프레임은 적어도 50 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛, 250 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛ 또는 600 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 팽창 계수 부정합이 사용 중에 세라믹 지지 프레임으로부터의 다이아몬드 열 스프레더의 탈층으로 이어지지 않는 것을 보장하기 위해 다양한 작동 온도에 걸쳐 다이아몬드 열 스프레더의 열팽창 계수와 상당히 잘 정합되는 열팽창 계수를 갖는 세라믹 재료를 선택하는 것이 또한 바람직할 수 있다.
덧붙여, 다이아몬드 열 스프레더 상의 반도체 컴포넌트 및 선택적으로 세라믹 지지 프레임 상에 실장된 다른 반도체 컴포넌트에 의해 발생되는 열을 추가로 스프레딩하기 위해 상당히 높은 열 전도율을 갖는 세라믹 재료를 선택하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 전기 절연성 세라믹 지지 프레임에 적합한 재료의 예는 다음 중 하나 이상을 포함한다: 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 또는 질화 규소, 또는 탄화 규소.
도 4에 예시된 세라믹 지지 프레임(40)은 실질적으로 평면형이지만, 세라믹 지지 프레임의 상부 표면의 중심 영역이 주연 영역(peripheral region)에 대해 리세스된(recessed) 리세스형 세라믹 지지 프레임을 제공하는 것이 또한 가능하다. 이 점에 관해서, 도 3에 예시된 복합 금속성 플랜지(4) 및 전기 절연성 세라믹 프레임(8) 구성과 유사한 기하학적 구조(geometry)를 갖는 단 하나의 단일형 세라믹 컴포넌트가 제공될 수 있다. 융기된(raised) 주연 영역이 제공되는 그러한 기하학적 구조는 소정 응용에 적합한 와이어 본딩 구성을 제공하는 데 유용할 수 있다.
도 5는 열 싱크 상에 실장하기 전의 그리고 명료함을 위해 봉지 캡이 제거된, 도 4의 전자 장치 컴포넌트의 단면도를 보여준다. 전자 장치 컴포넌트는 본딩 재료(42)를 사용하여 세라믹 프레임(40) 내의 윈도우 내로 다이아몬드 열 스프레더(3)를 본딩함으로써 구성될 수 있다. 다이아몬드/세라믹 열 스프레딩 컴포넌트는 평탄화될 수 있고 선택적으로 금속화(50)될 수 있다. '발명의 내용' 섹션에 기술된 바와 같이, 그러한 열 스프레딩 기판은 원하는 회로 설계에 따라 금속화 층(들)(50)을 패턴화하고, 적합한 본딩 재료(5)를 사용해 하나 이상의 반도체 컴포넌트(2)를 다이아몬드 열 스프레더(3) 상에 실장하고, 이어서 열 싱크 상에 후속 실장하기 위해 패키지를 봉지할 수 있는 전자 장치 제조업자에게 판매될 수 있다.
도 6 및 도 7은 세라믹 지지 프레임(64) 내의 다이아몬드 열 스프레더(62) 상에 실장된 반도체 컴포넌트(60), 세라믹 지지 프레임(64) 상에 실장된 극한 열 관리를 요구하지 않는 추가의 반도체 컴포넌트(66), 및 반도체 컴포넌트(60, 66)를 연결하기 위한 트랙을 형성하는 금속화부(68)를 포함하는 다른 전자 장치 컴포넌트의 단면도 및 평면도를 보여준다.
단일의 다이아몬드 열 스프레더가 세라믹 지지 프레임 내에, 반도체 컴포넌트가 단일의 다이아몬드 열 스프레더 상에 또는 세라믹 지지 프레임 상에 실장되는 상태로 실장되는 도 6 및 도 7에 도시된 배열에 대한 대안으로서, 하나 초과의 다이아몬드 열 스프레더가 세라믹 지지 프레임 내에 실장될 수 있다. 즉, 전자 장치 컴포넌트는 다이아몬드 열 스프레더가 각각의 개구를 가로질러 연장되는 상태로 적어도 2개의 개구를 갖는 절연 세라믹 지지 프레임을 포함할 수 있다. 이어서 하나 이상의 반도체 컴포넌트가 다이아몬드 열 스프레더 각각 상에 실장될 수 있다. 그러한 극한 열 관리를 요구하지 않는 추가의 반도체 컴포넌트가 세라믹 지지 프레임 상에 실장될 수 있다. 선택적으로, 다이아몬드 열 스프레더 및/또는 세라믹 지지 프레임 상에 실장된 반도체 컴포넌트를 연결하는 전기 트랙이 기판 상에 제공될 수 있다. 소정 구성에서, 기하학적 구조(예를 들어, 두께) 및/또는 다이아몬드 재료 등급(예를 들어, 열 전도율)은 그것 상에 실장될 상이한 반도체 컴포넌트에 대해 요구되는 바와 같은 상이한 열 스프레딩 능력을 제공하기 위해 세라믹 지지 프레임 내에 실장된 상이한 다이아몬드 열 스프레더 사이에서 달라질 수 있다. 즉, 상이한 정격 전력 및/또는 작동 온도를 갖는 반도체 장치에 최적화된 다수의 상이한 다이아몬드 열 스프레더가 제공될 수 있다.
도 8은 하나의 그러한 구성의 개략 단면도를 보여준다. 다이아몬드 열 스프레더(82, 84)가 그것 안에 실장되는 2개의 개구를 포함하는 세라믹 지지 프레임(80)이 제공된다. 반도체 컴포넌트(86, 88)가 다이아몬드 열 스프레더(82, 84) 상에 실장된다. 예시된 배열에서, 다이아몬드 열 스프레더(82)는 다이아몬드 열 스프레더(84)보다 두껍다. 예시된 배열에서, 추가의 반도체 컴포넌트(90)가 세라믹 지지 프레임(80)의 상부 면(face) 상에 실장된다. 전도성 트랙(92)이 세라믹 지지 프레임(80) 위에 제공되어 반도체 컴포넌트(86, 88, 90)를 연결한다.
다이아몬드 열 스프레더에는 그것이 추가의 지지 기판 또는 캐리어 패드를 필요로 함이 없이 하나 이상의 반도체 다이를 지지할 수 있고, 이에 따라 전체 전자 장치 패키지의 높이에 있어서의 감소를 허용하게 하는 강도 및 두께가 제공되어야 한다. 또한, 다이아몬드 열 스프레더는 열이 반도체 다이로부터 효율적으로 제거되어 핫 스팟(hot spot)의 온도를 감소시키고 다이아몬드 열 스프레더와 위에 놓인 반도체 다이 사이의 열팽창 계수 부정합에 의해 유발되는 응력을 최소화하게 하는, 상기 또는 각각의 반도체 다이의 주어진 작동 전력 밀도에 대해 충분히 높은 열 전도율을 갖는다. 이러한 특징은, 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면에 복수의 반도체 다이를 직접 본딩하기에 적합한 열 전도성 본딩 재료의 선택과 조합하여, 열로 발생된 응력으로 인해 사용 중에 고장나지 않는 반도체 다이 컴포넌트의 신뢰성 있는 본딩을 가능하게 한다. 전기 연결부는 세라믹 지지 프레임을 가로질러 그리고 장치 패키지 밖으로 반도체 다이를 전기적으로 연결하도록 구성된다. 반도체 다이 컴포넌트 및 전기 연결부는 바람직하게는 봉지재(encapsulant)에 매입되어 튼튼하고 안정적인 제품을 형성한다. 표준 봉지재 재료가 이용될 수 있거나, 대안적으로 저온 CVD 다이아몬드 봉지재가 제공될 수 있다. 그러나, 전자 장치 컴포넌트가 비-봉지 상태(unencapsulated state)로 제조 및 판매될 수 있는 것이 또한 예상된다.
다이아몬드 열 스프레더는 다이아몬드 열 스프레더의 적어도 대부분의 체적이 세라믹 지지 프레임의 개구 내에 위치되도록 세라믹 지지 프레임의 개구 내에 실장될 수 있다. 도 4에 예시된 구성의 하나의 유용한 특징은 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 세라믹 지지 프레임의 저부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 위치되는 것이다. 이것은 다이아몬드 열 스프레더가 노출된 실질적으로 평면의 하부 표면을 갖는 전자 장치 패키지를 제공한다. 그러한 구성은 전자 장치 컴포넌트가 사용 중에 열 싱크에 쉽게 실장되는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 세라믹 지지 프레임에는 하나 이상의 나사 구멍이 제공될 수 있어, 다이아몬드 열 스프레더와의 열 접촉을 제공하기 위해 단지 전자 장치 컴포넌트를 열 싱크의 상부 표면 상에 나사결합함으로써 전자 장치 컴포넌트가 열 싱크 상에 기계적으로 실장될 수 있다.
본 발명자는 고품질 다결정 CVD 합성 다이아몬드 웨이퍼 또는 단결정 합성 다이아몬드 플레이트로부터 형성된 것과 같은 합성 다이아몬드 열 스프레더가, 선택된 본딩 기술과 조합하여, 그러한 웨이퍼를 통합하는 전자 장치 컴포넌트의 신규한 설계를 가능하게 하는 특징을 갖는다는 것을 인식하였다. 전자 장치 컴포넌트 구조체의 신규한 설계는 이전의 설계보다 더 콤팩트하고, 광범위한 전자 장치 패키지 기하학적 유형, 구성, 및 다양한 열 싱크 재료 및 구성을 이용하는 응용에 쉽게 통합된다. 예를 들어, JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council, 합동 전자 장치 엔지니어링 협의회) 표준에 약술된 바와 같은 패키지 기하학적 구조의 모음.
고품질 다결정 CVD 합성 다이아몬드 웨이퍼 또는 단결정 합성 다이아몬드 플레이트는 적어도 50 ㎛의 두께, 및 선택적으로 인장 상태에 있는 다결정 CVD 다이아몬드 웨이퍼의 핵형성 면(nucleation face)에서의 적어도 300 MPa의 인장 파열 강도(tensile rupture strength), 인장 상태에 있는 다결정 CVD 다이아몬드 웨이퍼의 성장 면(growth face)에서의 적어도 200 MPa의 인장 파열 강도, 및 적어도 600 Wm-1Κ-1의 열 전도율을 가질 수 있다. 그러한 웨이퍼는 그러한 웨이퍼 상에 복수의 반도체 다이를 실장하는 것뿐만 아니라 세라믹 리드 프레임 내에 웨이퍼를 실장하는 것이 가능하기에 충분히 튼튼하여, 다이아몬드 재료는, US2012/0003794 호에 기술된 바와 같이 다이아몬드 열 스프레더 및 반도체 다이를 지지하기 위해 구조체 내에 캐리어 패드가 통합될 것을 요구함이 없이, 열 스프레딩 기능을 제공하는 것에 더하여, 반도체 다이를 위한 지지 기판으로서 기능한다.
튼튼한 실장 구성을 제공하기 위해, 다이아몬드 열 스프레더는 다이아몬드 열 스프레더의 적어도 대부분의 체적이 세라믹 지지 프레임의 개구 내에 위치되도록 본딩 재료에 의해 세라믹 지지 프레임의 개구 내에 실장될 수 있다. 또한, 전자 장치 컴포넌트가 전자 장치 내의 다양한 일반적인 그리고 보통 평면형인 열 싱크에 실장될 수 있는 것을 보장하기 위해, 다이아몬드 열 스프레더는 세라믹 지지 프레임의 개구 내에, 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 세라믹 리드 프레임의 저부 표면과 동일 평면 상에 있거나 세라믹 리드 프레임의 저부 표면으로부터 바깥쪽에 위치되도록 실장된다.
또한, 반도체 다이와 다이아몬드 열 스프레더 사이의 열팽창 부정합을 보상하기에 충분히 가요성이면서 반도체 다이와 다이아몬드 열 스프레더 사이의 양호한 열 접촉을 제공하기 위해 복수의 반도체 다이가 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면 상에 실장되고 그것에 본딩될 수 있도록 열 전도성 본딩 재료가 선택될 수 있다는 것이 확인되었다. 그렇기 때문에, US2010/0149756 호에 기술된 바와 같이 반도체 다이가 별개의 지지 기판에 실장되는 더 복잡한 실장 배열이 회피될 수 있다.
세라믹 지지 프레임은 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 열 싱크와의 계면을 형성하는 상태로 전자 장치 컴포넌트를 열 싱크에 실장하기 위한 하나 이상의 기계적 커넥터를 포함할 수 있다. 앞서 기술된 실시예에서, 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 세라믹 리드 프레임의 저부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 위치된다. 그러나, 대안적인 배열에서, 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 세라믹 지지 프레임의 저부 표면으로부터 바깥쪽에 위치될 수 있는 것이 예상된다. 예를 들어, 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면은 세라믹 지지 프레임의 저부 표면에 의해 한정되는 평면으로부터 500 ㎛, 400 ㎛, 300 ㎛, 200 ㎛, 100 ㎛, 50 ㎛, 30 ㎛ 또는 20 ㎛ 이하이도록 위치된 평면을 한정할 수 있다. 유사하게, 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면은 세라믹 지지 프레임의 저부 표면에 의해 한정되는 평면으로부터 5 ㎛, 20 ㎛, 35 ㎛, 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛ 또는 300 ㎛ 이상이도록 위치된 평면을 한정할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 기계적 커넥터는 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 열 싱크와의 계면을 형성하는 상태로 그것에 실장될 때 세라믹 지지 프레임의 저부 표면을 열 싱크로부터 이격시키기 위해 세라믹 지지 프레임의 저부 표면 상에 하나 이상의 스페이서 요소(spacer element)를 포함할 수 있다.
앞서 기술된 바와 같이, 다이아몬드 열 스프레더의 두께, 인장 강도, 및 열 전도율은 튼튼한 실장 및 지지, 그리고 또한 사용 동안 핫 스팟을 감소시키고 열 안정적이고 튼튼한 직접 반도체 다이-온-다이아몬드 열 스프레더 본딩 구성(direct semiconductor die-on-diamond heat spreader bonding configuration)을 가능하게 하기 위해 효율적인 열 스프레딩 기능 둘 모두를 보장하도록 선택되어야 한다. 그렇기 때문에, 다이아몬드 열 스프레더를 형성하는 다이아몬드 재료는 하기의 특성 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
적어도 50 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛, 250 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛ 또는 600 ㎛의 두께;
(예를 들어, 레이저 플래시에 의해 평면을 통해 측정된 바와 같은) 적어도 600 Wm- 1Κ-1, 800 Wm- 1Κ-1, 1000 Wm- 1Κ-1, 1200 Wm- 1Κ-1 또는 1400 Wm- 1Κ-1의 열 전도율;
50 이상 500 ㎛ 미만의 두께 또는 100 이상 500 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 760 MPa x n; 500 이상 750 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 700 MPa x n; 750 이상 1000 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 650 MPa x n; 1000 이상 1250 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 600 MPa x n; 1250 이상 1500 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 550 MPa x n; 1500 이상 1750 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 500 MPa x n; 1750 이상 2000 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 450 MPa x n; 또는 ≥ 2000 ㎛의 두께에 대해 ≥ 400 MPa x n(여기서, 배율(multiplying factor) n은 1.0, 1.1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 또는 2임)의, 인장 상태에 있는 다결정 CVD 다이아몬드 웨이퍼의 핵형성 면에서의 인장 파열 강도;
50 이상 500 ㎛ 미만의 두께 또는 100 이상 500 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 330 MPa x n; 500 이상 750 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 300 MPa x n; 750 이상 1000 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 275 MPa x n; 1000 이상 1250 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 250 MPa x n; 1250 이상 1500 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 225 MPa x n; 1500 이상 1750 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 200 MPa x n; 1750 이상 2000 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 175 MPa x n; 또는 ≥ 2000 ㎛의 두께에 대해 ≥ 150 MPa x n(여기서, 배율 n은 1.0, 1.1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 또는 2임)의, 인장 상태에 있는 다결정 CVD 다이아몬드 웨이퍼의 성장 면에서의 인장 파열 강도;
750 MPa 이상의 파괴 응력(fracture stress)을 갖는 단결정 다이아몬드 플레이트; 및
≤ 20 ㎛, ≤ 10 ㎛, 또는 ≤ 5 ㎛의 표면 편평도.
높은 열 전도율을 갖는, 다이아몬드 열 스프레더를 위한 다이아몬드 재료를 사용하는 것이 유리하다. 이것은 일부 경우에 직접 측정될 수 있지만, 작은 샘플 또는 얇은 층에 대해서는 그렇게 하는 것이 어려울 수 있다. 그렇긴 하지만, 체계적 측정은 열 전도율과 광 흡수(optical absorption) 사이의 관계를 보여준다. 구체적으로, (예를 들어, 레이저 플래시에 의해 측정된 바와 같은) 열 전도율은 CHX 결함과 관련된 흡수 특징과 상관관계가 있는 것으로 나타났다(문헌[Twitchen, Pickles, Coe, Sussmann, Hall, Diamond & Related Materials 10 (2001) 731-735]). 따라서 주파수 2760 cm-1과 주파수 3030 cm-1 사이의 적분 흡수(cm-1 단위)가 측정될 수 있고 열 전도율이 추론될 수 있다. 이에 따라, 다이아몬드 재료는 3.0 cm-1, 2.5 cm-1, 2.0 cm-1, 1.5 cm-1, 1.2 cm-1, 1.0 cm-1, 0.8 cm-1, 또는 0.6 cm-1 이하의 광 흡수를 나타낼 수 있다.
다이아몬드 열 스프레더가 또한 장치 컴포넌트를 전기적으로 격리시키는 기능을 하는 소정 응용의 경우에, 다이아몬드의 다른 중요 특성은 그것의 전기 절연 특성이다. 예를 들어, 열 스프레더의 다이아몬드 재료는 1 x 1010 Ω·cm, 3 x 1010 Ω·cm, 1 x 1011 Ω·cm, 3 x 1011 Ω·cm, 또는 1 x 1012 Ω·cm 이상의 전기 비저항을 가질 수 있다.
더 두꺼운 다이아몬드 열 스프레더가 사용 중에 반도체 다이 아래의 핫 스팟으로부터 스프레딩되는 측방향 열을 증가시킬 것이며, 이는 반도체 다이의 열 관리를 개선하면서도 또한 반도체 다이와 다이아몬드 열 스프레더 사이의 본딩이 열로 유발된 기계적 응력으로 인한 파손에 덜 취약한 것을 보장할 수 있다는 것에 또한 유의하여야 한다. 그러나, 소정 응용의 경우, 열 전도가 방향이 주로 수직이어서 열이 밑에 있는 열 싱크 내로 직접 이동되도록 합성 다이아몬드 재료의 비교적 얇은 웨이퍼가 이용될 수 있다. 그러한 배열은 반도체 다이 내에서 발생되는 온도가 그렇게 극심하지 않거나 전자 장치 패키지가 극도로 효율적인 열 싱크 상에 실장되는 응용에 사용될 수 있다.
얇은 다이아몬드 층에서, 열 전도율은 극히 작은 입자 크기 및 이에 따라 불량한 열 전도율을 갖는 핵형성 층에 의해 영향을 받으며, 당업계에 알려져 있는 래핑(lapping) 및 폴리싱(polishing) 기술을 사용해 이것을 제거하는 것이 더 좋다. 처리 후에도, 성장 표면에 가장 가까웠던 다결정 CVD 다이아몬드 웨이퍼의 측부를 반도체 다이(들)에 맞대어 위치시키고, 핵형성 측에 가장 가까웠던 측부를 전자 장치 패키지의 외부 및 궁극적으로 열 싱크를 향해 위치시키는 것이 더 좋다. 바람직하게는, 반도체 다이가 그것 상에 본딩되는 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면의 입자 크기는 2 ㎛, 3 ㎛, 5 ㎛, 7 ㎛, 10 ㎛, 13 ㎛, 15 ㎛를 초과하여야 한다. 바람직하게는, 열 싱크와의 계면을 형성할 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면의 입자 크기는 0.5 ㎛, 1 ㎛, 2 ㎛, 3 ㎛, 5 ㎛, 7 ㎛, 10 ㎛를 초과하여야 한다. 바람직하게는, 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면의 입자 크기는 열 스프레더의 저부 면의 입자 크기를 초과하여야 한다. 바람직하게는, 핵형성 층의 적어도 5 ㎛, 10 ㎛, 15 ㎛, 20 ㎛, 25 ㎛, 30 ㎛가 실장 전에 다이아몬드 열 스프레더로부터 제거되어야 한다.
열 싱크를 향해 노출된 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면의 측방향 치수는 반도체 다이(들)의 고온 영역의 측방향 치수를 적어도 다이아몬드 열 스프레더의 두께만큼, 그리고 바람직하게는 적어도 100 ㎛, 300 ㎛, 500 ㎛, 750 ㎛, 1 mm, 1.3 mm, 1.7 mm, 2 mm만큼 초과하여야 한다. 더 큰 측방향 치수는 효율적인 열 싱킹(heat sinking)을 위해 사용 중에 전자 장치 컴포넌트가 그것 상에 실장되는 열 싱크로의 열 전달 및 열 스프레딩을 도울 것이다.
전술된 재료 특성이 주로 고품질 다결정 CVD 합성 다이아몬드 웨이퍼와 관련하여 기술되었지만, 본 발명자는 또한 단결정 합성 다이아몬드 플레이트를 이용함으로써 - 소정 응용에서 그러한 재료의 사용이 비용 및 크기에 의해 제한될 수 있지만 - 유사하거나 더 나은 특성이 제공될 수 있다는 것을 알았다.
다이아몬드 열 스프레더를 세라믹 지지 프레임의 개구 내에 실장하는 본딩 재료는 열팽창 계수의 부정합으로 인한 사용 중의 컴포넌트의 상대적 변위를 흡수하면서 이들 컴포넌트 사이의 본딩을 유지하기에 충분히 탄성적인 임의의 재료에 의해 제공될 수 있다. 예는 중합체 접착제, 세라믹 시멘트, 에폭시, 금속성 솔더(solder), 및 금속성 브레이즈(braze)를 포함한다. 소정 실시예에서, 다이아몬드 열 스프레더와 세라믹 지지 프레임 사이의 본딩은 장치 구조체 위에 놓인 봉지재 재료에 의해 제공될 수 있다. 또 대안적으로, 세라믹 지지 프레임은 예를 들어 다이아몬드 열 스프레더가 그 안에 실장된 상태로 세라믹을 소성(firing)함으로써 다이아몬드 열 스프레더에 직접 본딩될 수 있다.
금속성 브레이즈가 다이아몬드 열 스프레더를 세라믹 지지 프레임에 본딩하는 데 사용되면, 브레이즈 자체가 전기 전도성일 것이다. 상부 표면이 이어서 브레이즈 조인(braze join)을 가로질러 금속화되면, 브레이즈 조인을 통해 다이아몬드 열 스프레더의 상부 표면과 저부 표면 사이에 전기 전도성 경로가 존재할 것이다. 다이아몬드 열 스프레더의 상부 표면 및 저부 표면은 다이아몬드 열 스프레더의 상부 표면과 저부 표면 사이에 전기적 격리가 요구되지 않으면 (브레이즈 조인을 가로질러를 비롯해) 완전히 금속화될 수 있다. 그러나, 다이아몬드 열 스프레더의 상부 표면과 저부 표면 사이에 전기적 격리가 요구되면, 금속화부 및 브레이즈 조인은 브레이즈 조인을 통해 다이아몬드 열 스프레더의 상부 표면과 저부 표면 사이에 전기 전도성 경로가 존재하지 않도록 구성되어야 한다. 예를 들어, 브레이즈 조인을 통한 다이아몬드 열 스프레더의 상부 표면과 저부 표면 사이의 전기 전도성 경로를 회피하기 위해 브레이즈 조인에서 다이아몬드 열 스프레더/세라믹 지지 프레임 조립체의 표면 금속화부 내에 간극(gap)이 제공될 수 있다. 다이아몬드 열 스프레더와 세라믹 지지 프레임 사이의 본딩을 위해 연질 또는 경질 금속성 솔더를 사용할 때 유사한 설명이 적용된다.
상기에 기술된 금속성, 전기 전도성 본딩 재료에 대한 대안으로서, 전기 절연성 본딩 재료가 다이아몬드 열 스프레더를 세라믹 지지 프레임에 본딩하는 데 사용될 수 있다. 그러한 재료의 예는 세라믹 시멘트이다. 그러한 전기 절연성 본드는 다이아몬드 열 스프레더-본드-세라믹 지지 플레이트 조립체를 가로지른 표면 금속화를 허용하는 동시에 조립체의 상부 표면과 저부 표면이 전기적으로 격리되는 것을 보장한다.
다이아몬드 열 스프레더를 세라믹 지지 프레임에 본딩하기 위한 또 다른 대안은 다이아몬드 열 스프레더를 세라믹 지지 프레임에, 이들 사이에 어떠한 추가의 본딩 재료 없이 직접 본딩하는 것이다. 이것은 다이아몬드 열 스프레더를 세라믹 지지 플레이트 내로 소성함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드 열 스프레더가 소성 전에 그린 세라믹체(green ceramic body) 내로 실장될 수 있고, 세라믹이 다이아몬드 열 스프레더 주위에서 수축하고 경화되어서 다이아몬드 열 스프레더를 세라믹 지지 프레임에 본딩하도록 조립체가 소성될 수 있다. 조립체는 이어서 금속화될 수 있으며, 다이아몬드 열 스프레더와 세라믹 지지 프레임 사이에 전기 전도성(또는 다른) 본딩 재료가 존재하지 않기 때문에, 조립체는 조립체의 상부 표면과 저부 표면 사이의 전기적 격리를 유지하면서 다이아몬드 열 스프레더와 세라믹 지지 프레임 사이의 계면을 가로질러 금속화될 수 있다.
복수의 반도체 다이를 다이아몬드 열 스프레더에 실장하는 데 이용되는 본딩 재료는 유리하게도 열팽창 계수의 부정합으로 인한 사용 중의 컴포넌트의 상대적 변위를 흡수하면서 이들 컴포넌트 사이의 본딩을 유지하기 위해 열 전도성일뿐만 아니라 충분히 탄성적이다. 복수의 반도체 다이를 다이아몬드 열 스프레더에 실장하는 열 전도성 본딩은 적어도 50 Wm-1K-1, 100 Wm-1K-1, 200 Wm-1K-1 또는 300 Wm-1K-1의 열 전도율을 가질 수 있다. 그러한 열 전도율은 반도체 다이로부터 다이아몬드 열 스프레더 내로 효율적으로 열을 전달하기에 유리하다. 예는 열 전도성 중합체 또는 에폭시 수지, 세라믹 시멘트, 및 금속성 본드, 예를 들어 솔더 및 브레이즈를 포함한다. 금속성 브레이즈 본드와 같은 금속 본딩 방법이 이용되는 경우, 전형적으로 작동하는 온도에서 본딩된 컴포넌트의 얼마간의 기계적 변위를 허용하는 금속성 조성물을 선택하는 것이 가능하다.
앞서 기술된 배열은 다이아몬드 열 스프레더가 세라믹 지지 프레임의 개구 내에 실장되고 본딩되는 구성을 포함한다. 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 세라믹 지지 프레임의 하부 표면과 동일 평면 상에 있거나 그것으로부터 돌출하도록 위치되지만, 상부 표면은 개구 내에, 세라믹 지지 프레임의 상부 표면과 동일 평면 상에, 또는 심지어 세라믹 지지 프레임의 상부 표면을 넘어 돌출하여 위치될 수 있다. 또한, 다이아몬드 열 스프레더가 전적으로 다결정 CVD 합성 다이아몬드 웨이퍼 또는 단결정 합성 다이아몬드 플레이트로부터 제조될 수 있지만, 다결정 CVD 합성 다이아몬드 웨이퍼 또는 단결정 합성 다이아몬드 플레이트가 보조 열 스프레딩 재료 내에 실장되어 열 스프레더를 형성하는 복합 구조체를 다이아몬드 열 스프레더가 포함할 수 있다는 것이 또한 예상된다. 예를 들어, 일 구성에서, 다이아몬드 열 스프레더는 다결정 CVD 합성 다이아몬드 웨이퍼 내에 실장된 하나 이상의 단결정 합성 다이아몬드 플레이트를 포함할 수 있다. 그러한 배열에서, 다이아몬드 재료의 상부 및 저부 면은 리드 프레임에 실장될 때 노출되어, 반도체 다이가 상부 면 상에 실장될 수 있고 저부 면은 사용 중에 외부 열 싱크에 실장될 수 있다.
소정의 실장 구성에서, 다이아몬드 열 스프레더가 실장되는 웨지(wedge)-형상의 또는 계단-형상의 측벽을 갖는 개구를 갖는 세라믹 지지 프레임을 제공하는 것이 유리하다. 이것은 다이아몬드 열 스프레더의 더 튼튼한 실장을 제공하는 데 도움을 줄 수 있고, 또한 세라믹 지지 프레임의 상부 및/또는 저부 면에 대해 다이아몬드 열 스프레더의 상부 및/또는 저부 면을 올바르게 그리고 신뢰성 있게 위치시키는 것에 도움을 줄 수 있다.
제조 루트(manufacturing route)의 면에서, 하나의 방법은 다이아몬드 열 스프레더를 세라믹 지지 프레임 내에 실장하고 이어서 반도체 다이(들)를 다이아몬드 열 스프레더 상에 실장하는 것이다. 그러나, 반도체 다이(들)를 다이아몬드 열 스프레더에 본딩하는 데 사용되는 실장 재료와 비교할 때 다이아몬드 열 스프레더를 세라믹 지지 프레임에 유지하는 실장 재료에 대한 제약이 더 적기 때문에, 소정 실시예에서 반도체 다이(들)를 다이아몬드 열 스프레더에 실장하고 이어서 다이아몬드 열 스프레더를 세라믹 지지 프레임에 실장하는 것이 바람직할 수 있다. 다이아몬드 열 스프레더에의 반도체 다이(들)의 실장은 다이아몬드가 여전히 독립된 웨이퍼 형태로 있는 동안 행해질 수 있으며, 이것은 대량 처리를 도울 수 있다.
이전의 실시예가 모두 다이아몬드 열 스프레더가 세라믹 지지 프레임의 개구 내에 실장되는 배열을 포함하지만, 또 다른 예상되는 대안은 다이아몬드 열 스프레더가 개구를 가로질러 연장되도록 세라믹 지지 프레임 내의 개구 주위에 재료를 본딩함으로써 다이아몬드 열 스프레더가 세라믹 지지 프레임의 저부 표면에 실장되는 실장 배열이다. 다른 면에서, 전자 장치 패키지의 컴포넌트는 앞서 기술된 컴포넌트와 동일할 수 있다. 그러한 구성에서, 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 지지 프레임의 하부 표면으로부터 이격된 평면 내에 위치될 것이다. 그러한 배열이 열 싱크의 평면 표면에 실장될 수 있는 것을 보장하기 위해 지지 프레임 또는 스페이서 요소에 있어서의 컴플라이언스(compliance)가 사용될 수 있다.
앞서 기술된 바와 같은 전자 장치 컴포넌트는 다양한 전자 장치 내로 실장하기 위한 제품으로서 판매될 수 있다. 전자 장치 컴포넌트는 봉지된 컴포넌트로서 판매될 수 있고, 전자 장치 컴포넌트가 통합될 전자 장치의 구성에 따라 다양한 열 싱크에 실장될 수 있다. 전자 장치 컴포넌트의 구성은 특정 응용에 적합하게 열 관리된 전자 장치 컴포넌트를 달성하기 위해 전자 장치 컴포넌트가 콤팩트하고 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면이 열 싱크와의 계면을 형성하는 상태로 실장하기 용이하도록 하는 것이다. 본 발명의 실시예는 열 경로를 단순화시켜, 내부 다이로부터 외부 열 싱크로의 훨씬 더 나은 열 전도율을 제공하여서, 장치의 온도가 상승하는 일 없이 전자 장치 컴포넌트의 뒤쪽과 열 싱크 사이의 접촉 면적이 감소될 수 있고 이에 따라 더 높은 패킹 밀도를 허용할 수 있다. 대안적으로, 동일한 계면 면적이 유지될 수 있어, 더 낮은 접합부 온도 및 더 긴 장치 수명을 제공할 수 있다.
다양한 형태의 열 싱크가 예상되며, 다양한 열 싱크에 쉽게 실장될 수 있다는 것이 현재 기술되는 컴포넌트 구성의 중요한 특징이다. 그러나, 소정 응용에서 열 싱크가 ScD(silicon cemented diamond) 복합 재료와 같은 다이아몬드 복합 재료로 형성되는 것이 예상된다. 그러한 해법은 열 스프레딩 및 열 싱킹 기능 둘 모두에 대해 다이아몬드 재료의 극한 열 성능을 이용하며, 다결정 CVD 다이아몬드 재료의 더 얇은 웨이퍼가 열 스프레더에 이용되는 것을 가능하게 할 수 있다. 유리하게도, 열 싱크는 열을 환경으로 효과적으로 방산시키기 위해 높은 열 전도율 및 큰 표면적 둘 모두를 갖는다.
ScD 외부 열 싱크에 대한 대안으로서, 열 싱크는 예를 들어 WO2004/034466 호에 기술된 바와 같이 다이아몬드 코팅된 ScD에 의해 제공될 수 있다. 후자의 구성에서, 전자 장치 컴포넌트 내의 다이아몬드 열 스프레더는 얇게 유지될 수 있고, 이어서 측방향으로뿐만 아니라 평면을 통해 열을 스프레딩하는 다이아몬드의 이익이 ScD 열 싱크 상의 다이아몬드 층에 의해 부분적으로 제공될 수 있으며, 그것의 입자 크기는 ScD의 표면에 있는 다이아몬드 결정 상에서 에피택셜 성장하는(growing epitaxially) 효과에 의해 전형적인 핵형성 층의 것으로부터 향상될 수 있다. 대안적으로, 다른 형태의 CVD 다이아몬드 기반 열 싱크 전방 표면이 코팅으로서 또는 독립된 층으로서 제공될 수 있다. 열 싱크의 부분을 형성하는 추가의 다이아몬드 층 상에 실장된 전자 장치 컴포넌트 내의 다이아몬드의 조합은 최대의 가능한 성능 향상을 제공한다. 열 싱크와 연관된 외부 다이아몬드 층은 유리하게도 일부 응용에서 낮은 전기 전도율을 가질 수 있지만, 다른 응용에서는 전자 장치 컴포넌트 내의 다이아몬드 층에 의해 전기적 격리가 제공될 수 있기 때문에 전기 전도성일 수 있다(예를 들어, 붕소 도펀트(dopant)를 함유함).
전자 장치 컴포넌트의 구성으로 인해, 열 싱크는 전자 장치 컴포넌트와의 평면 표면 계면을 쉽게 형성할 수 있다. 또한, 열 싱크는 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면 전체를 가로질러 그리고 세라믹 지지 프레임의 저부 표면의 적어도 일부 아래로 연장되어 효율적인 열 싱킹을 보장할 수 있다. 다이아몬드 열 스프레더와 밑에 있는 열 싱크 사이에 열 전도성 계면 재료가 제공되어 이들 컴포넌트 사이의 양호한 열 접촉을 제공할 수 있다. 일반적으로, 이것은 상당한 강도 또는 실장 특성을 갖지 않는 열 페이스트(thermal paste)인데, 왜냐하면 이러한 요건은 지지 프레임 내에 통합된 기계적 실장 특징부에 의해 제공되기 때문이다. 그러나, 전도성 에폭시 재료와 같은 다른 계면 재료가 제공될 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 전자 장치 컴포넌트 구성은 국부적인 열 스팟으로부터의 열의 더 효과적인 스프레딩에 뒤이은, 특정 응용에 최적화되도록 선택될 수 있는 열 싱킹으로 이어지는, 반도체 다이 컴포넌트와 근접 열 접촉하여 실장되는 고품질 다결정 CVD 합성 다이아몬드 재료의 사용을 통해 반도체 다이 컴포넌트 및 반도체 다이 모듈의 크기에 있어서의 감소를 가능하게 한다. 각각의 반도체 다이 컴포넌트는 다이아몬드 열 스프레더 상에 실장될 때 다이아몬드 열 스프레더와의 열 접촉 표면적이 0.2 mm2 내지 400 mm2의 범위이도록 구성될 수 있다. 소정 배열에서, 반도체 다이 모듈을 형성하기 위해 1개 내지 10개의 반도체 다이가 전자 장치 컴포넌트의 다이아몬드 열 스프레더 상에 실장될 것으로 예상된다.
다이 컴포넌트는 수직 배향된 전기 커넥터 또는 수평 배향된 전자 커넥터를 갖도록 구성될 수 있다. 다이아몬드 열 스프레더 위에 전기 연결부가 형성될 수 있기 때문에 수평 배향된 전기 커넥터를 갖는 반도체 다이 컴포넌트가 본 발명에서의 사용에 바람직할 수 있다고 예상된다. 대조적으로, 수직 배향된 전기 커넥터를 갖는 반도체 다이 컴포넌트는 전기 연결부가 다이아몬드 열 스프레더의 에지와 지지 프레임 내의 개구의 측벽 사이의 개구의 주연 영역을 통과하도록 전기 커넥터가 다이아몬드 열 스프레더 내에 드릴링된 관통 구멍 내에 위치되거나 다이아몬드 열 스프레더의 주연 에지 주위에 위치될 것을 요구할 것이다.
본 발명이 실시예와 관련하여 구체적으로 도시되고 기술되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 형태 및 상세 사항에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다.

Claims (15)

  1. 전자 장치 컴포넌트(electronic device component)에 있어서,
    지지 프레임으로서, 상부 표면, 저부 표면, 및 상기 지지 프레임의 상부 표면과 저부 표면 사이에서 연장되는 개구를 포함하는, 상기 지지 프레임;
    상부 면(top face), 저부 면(bottom face)을 갖는 합성 다이아몬드 재료의 웨이퍼를 포함하는 다이아몬드 열 스프레더(diamond heat spreader)로서, 상기 다이아몬드 열 스프레더가 상기 지지 프레임 내의 상기 개구를 가로질러 연장되도록 상기 지지 프레임에 본딩되는, 상기 다이아몬드 열 스프레더; 및
    상기 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면 상에 실장되고 상기 상부 면에 본딩된 하나 이상의 반도체 컴포넌트를 포함하며,
    상기 지지 프레임은 상기 다이아몬드 열 스프레더가 본딩되는 전기 절연성 세라믹 재료로 형성되고,
    하나 이상의 전기 연결부가 상기 전기 절연성 세라믹 지지 프레임 상에 실장되고, 상기 하나 이상의 반도체 컴포넌트에 전기적으로 연결되도록 구성되며,
    상기 하나 이상의 전기 연결부는, 상기 지지 프레임의 상부 표면 상에 그리고 상기 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면 상에 배치되고, 상기 다이아몬드 열 스프레더 및 지지 프레임의 상부 표면 상에 하나 이상의 전도 트랙(conduction track)을 형성하도록 패턴화된 금속화 층(metallization layer)으로 형성되고,
    하나 이상의 반도체 컴포넌트는 상기 지지 프레임의 상부 표면 상에 실장되고 상기 상부 표면에 본딩되며,
    상기 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면은 500 ㎛ 이내까지 상기 지지 프레임의 상부 표면과 동일 평면 상에 있는
    전자 장치 컴포넌트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 열 스프레더 및 상기 지지 프레임 중 어느 하나의 저부 표면 상에라도 금속화 층을 더 포함하는
    전자 장치 컴포넌트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 프레임은 하나 초과의 개구를 포함하며, 다이아몬드 열 스프레더는 상기 지지 프레임 내의 각각의 개구를 가로질러 연장되며,
    하나 이상의 반도체 컴포넌트는 각각의 다이아몬드 열 스프레더의 상기 상부 면 상에 실장되고 상기 상부 면에 본딩되는
    전자 장치 컴포넌트.
  4. ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 3 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 열 스프레더 중 적어도 2개는 상이한 기하학적 구조(geometry)를 갖는
    전자 장치 컴포넌트.
  5. ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 3 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 열 스프레더 중 적어도 2개는 상이한 열 전도율(thermal conductivity)을 갖는
    전자 장치 컴포넌트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 열 스프레더의 저부 면은 500 ㎛ 이하까지 상기 지지 프레임의 저부 표면과 동일 평면 상에 있는
    전자 장치 컴포넌트.
  7. ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면은 400 ㎛ 이하까지 상기 지지 프레임의 상부 표면과 동일 평면 상에 있는
    전자 장치 컴포넌트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 합성 다이아몬드 재료의 웨이퍼는 다결정 CVD 다이아몬드 재료 또는 단결정 다이아몬드 재료로 형성되는
    전자 장치 컴포넌트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 절연성 세라믹 지지 프레임은 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 질화 규소, 또는 탄화 규소 중 하나 이상으로 형성되는
    전자 장치 컴포넌트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 절연성 세라믹 지지 프레임은 적어도 50 ㎛의 두께를 갖는
    전자 장치 컴포넌트.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 프레임의 상부 표면과 저부 표면 사이에서 연장되는 상기 개구는 상기 다이아몬드 열 스프레더가 실장되는 웨지(wedge)-형상 또는 계단-형상의 측벽을 포함하는
    전자 장치 컴포넌트.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 열 스프레더는,
    적어도 50 ㎛의 두께;
    적어도 600 Wm-1Κ-1의 열 전도율;
    50 이상 500 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 760 MPa x n; 500 이상 750 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 700 MPa x n; 750 이상 1000 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 650 MPa x n; 1000 이상 1250 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 600 MPa x n; 1250 이상 1500 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 550 MPa x n; 1500 이상 1750 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 500 MPa x n; 1750 이상 2000 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 450 MPa x n; 또는 ≥ 2000 ㎛의 두께에 대해 ≥ 400 MPa x n(여기서, 배율(multiplying factor) n은 1.0, 1.1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 또는 2임)의, 인장 상태에 있는 다결정 CVD 다이아몬드 웨이퍼의 핵형성 면(nucleation face)에서의 인장 파열 강도(tensile rupture strength);
    50 이상 500 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 330 MPa x n; 500 이상 750 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 300 MPa x n; 750 이상 1000 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 275 MPa x n; 1000 이상 1250 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 250 MPa x n; 1250 이상 1500 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 225 MPa x n; 1500 이상 1750 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 200 MPa x n; 1750 이상 2000 ㎛ 미만의 두께에 대해 ≥ 175 MPa x n; 또는 ≥ 2000 ㎛의 두께에 대해 ≥ 150 MPa x n(여기서, 배율 n은 1.0, 1.1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 또는 2임)의, 인장 상태에 있는 다결정 CVD 다이아몬드 웨이퍼의 성장 면(growth face)에서의 인장 파열 강도;
    750 MPa 이상의 파괴 응력(fracture stress)을 갖는 단결정 다이아몬드 플레이트;
    ≤ 20 ㎛의 표면 편평도(surface flatness);
    2 ㎛를 초과하는 상부 면 입자 크기;
    0.5 ㎛를 초과하는 저부 면 입자 크기;
    3.0 cm-1 이하의 광 흡수(optical absorption); 및
    1 x 1010 Ω·cm 이상의 전기 비저항(electrical resistivity) 중 하나 이상을 더 포함하는
    전자 장치 컴포넌트.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 열 스프레더는 상기 지지 프레임에 직접 본딩되는
    전자 장치 컴포넌트.
  14. 제 1 항에 기재된 바와 같은 전자 장치 컴포넌트에 사용하기 위한 열 스프레딩 기판(heat spreading substrate)에 있어서,
    지지 프레임으로서, 상부 표면, 저부 표면, 및 상기 지지 프레임의 상부 표면과 저부 표면 사이에서 연장되는 개구를 포함하는, 상기 지지 프레임; 및
    상부 면 및 저부 면을 갖는 합성 다이아몬드 재료의 웨이퍼를 포함하는 다이아몬드 열 스프레더로서, 상기 다이아몬드 열 스프레더가 상기 지지 프레임 내의 상기 개구를 가로질러 연장되도록 상기 지지 프레임에 본딩되는, 상기 다이아몬드 열 스프레더를 포함하며,
    상기 지지 프레임은 전기 절연성 세라믹 재료로 형성되고,
    금속화 층이 상기 지지 프레임의 상부 표면 상에 그리고 상기 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면 상에 배치되며,
    상기 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면은 500 ㎛ 이내까지 상기 지지 프레임의 상부 표면과 동일 평면 상에 있는
    열 스프레딩 기판.
  15. 제 14 항에 기재된 열 스프레딩 기판의 제조 방법에 있어서,
    다이아몬드 열 스프레더를 그린 세라믹체(green ceramic body) 내에 실장하는 단계;
    상기 그린 세라믹체를 소성(firing)하는 단계로서, 상기 세라믹체가 상기 다이아몬드 열 스프레더 주위에서 수축 및 경화되어, 상기 다이아몬드 열 스프레더를 상기 세라믹체에 직접 본딩하여, 상기 다이아몬드 열 스프레더 주위에 세라믹 지지 프레임을 형성하고, 상기 다이아몬드 열 스프레더의 상부 면은 500 ㎛ 이내까지 상기 지지 프레임의 상부 표면과 동일 평면 상에 있는, 소성하는 단계; 및
    상기 다이아몬드 열 스프레더 및 상기 세라믹 지지 프레임의 상부 표면을 금속화하는 단계를 포함하는
    열 스프레딩 기판 제조 방법.
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