TWI682510B - 用於半導體元件且具有被動冷卻功能的載體 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種用於半導體元件(3)且具有被動冷卻功能的載體(2)，包括基體(6)及至少一個電子元件(13，13a，13b)，該基體具有頂側(7)和底側(8)，而該至少一個電子元件嵌入該基體(6)內，其中，該載體(2)包括第一導熱孔(14)，其從該基體(6)的該頂側(7)延伸至該至少一個電子元件(13，13a，13b)，其中，該載體(2)包括第二導熱孔(15)，其從該至少一個電子元件(13，13a，13b)延伸至該基體(6)的該底側(8)，並且其中，該至少一個電子元件(13，13a，13b)經由該第一和該第二導熱孔(14，15)做電性接觸。

Description

用於半導體元件且具有被動冷卻功能的載體
本發明涉及用於半導體元件和裝置的載體，該裝置具有載體和配置在該載體上的半導體元件。
具體地，在這種情況下半導體元件可以是LED。
為發光二極體設計的載體，在例如發光效率、使用壽命和熱管理等各個方面，發揮重要的作用。除了功能和熱的需求外，也需要解決幾何問題。特別是對於移動應用，例如整合到手機相機閃光燈的發光二極體、載體和其它元件，諸如分立(discrete)保護元件和感測器，要盡可能減少佔用的空間和高度。
用於LED的載體的另一個重要要求是使LED的發射光盡可能不被妨礙，特別是避免遮蔽。
本發明的任務是為一個半導體元件，提供一種改進的載體，其具有例如良好的熱管理。
這個任務是本申請專利範圍第1項的解決 對象。
提出一種用於半導體元件且具有被動冷卻功能的載體，包括基體以及至少一個電子元件，該基體具有頂側和底側，而該至少一個電子元件是嵌入至該基體內。該載體還包括第一導熱孔，其從該基體的該頂側延伸到該至少一個電子元件。該載體還包括第二導熱孔，其從該至少一個電子元件延伸到該基體的該底側。該至少一個電子元件經由該第一和該第二導熱孔作電性接觸。
在該載體中，該第一和該第二導熱孔具有兩個功能。促成兩者與該至少一個嵌入元件的電性接觸，並且降低基體的熱阻，因為該第一和該第二導熱孔的高導熱係數，使得它們適合將附連到該載體的半導體元件所輻射的熱迅速有效地從基體的頂側消散。
相應地，該導熱孔確保載體和/或半導體元件的被動冷卻。此處所指被動冷卻，是僅基於“自由”對流的電氣或電子裝置的冷卻。在這種情況下，廢熱被消散到周圍空氣中。
因為在該載體內嵌入至少一個電子元件，因此，該載體的頂側可不必附連元件，這意味著載體的總高度可以是小的。以此方式，對於移動應用至關重要的設計高度是可以顯著降低。
該載體可用於具有半導體元件(例如LED晶片)，直接安裝在該載體上。這可以透過例如AuSn共晶結合或AuSn回流(reflow)程序加以實現。在這種情況下，以 這樣的方式形成在該載體的半導體元件(例如LED)可以被佈置在該基體的頂側。該載體可以包括一個或多個半導體元件。
“嵌入”一詞在這裡應理解為該嵌入式電子元件是由導熱孔或該基體的層將其包圍在裡面。該基體中包含開口，在該開口中，該電子元件被封閉。在其頂側、其底側和其側表面上，該電子元件完全由該基體的材料和導熱孔封閉。
通孔(垂直互連軸，Vertical Interconnect Axis,Via)，使基體的不同層之間能垂直電性連接，其中，“垂直”在這裡指從該基體的底側到頂側的方向。導熱孔在這裡是指一種通孔，它有至少為250W/(m．K)的高導熱係數的特徵。該導熱孔具有從基體的頂側散熱的目的。該導熱孔可含有銅或銀，或者其可以由銅或銀組成。
所描述的該載體的特徵在於，利用導熱孔的低熱阻，將半導體元件的熱量有效的消散。通過這種方式，可以提高半導體元件的使用壽命。可替代地或互補地，由於提高性能的結果而產生的額外熱量只有導熱孔能將其消散，半導體元件相較於沒有導熱孔的載體，有可能以更高的效能操作。
此外，該載體可具有至少一個額外的導熱孔，其從該基體的頂側延伸到底側。該額外的導熱孔可以是純導熱孔，其不需要接觸該嵌入式元件。經由該至少一個附加的導熱孔，能夠進一步改善該基體的導熱係數。
此外，載體可具有金屬結構，其嵌入基體內並向平行於該基體的頂側的方向延伸，該金屬結構直接接觸額外的導熱孔。尤其是，該金屬結構可以接觸該額外的導熱孔。該金屬結構也可以與其它幾個導熱孔直接接觸。由於該金屬結構，具有高導熱係數的材料進一步被引入基體，使整個基體的導熱係數增加。更具體地說，該金屬結構有可能迅速地從該基體的頂側散熱。例如，該金屬結構可以形成為一個塊狀或條狀。
該基體可以具有若干層，其中的金屬結構和該嵌入的電子元件被佈置在同一層中。
嵌入式電子元件可以是用於該至少一個半導體元件的變阻器、二極體、NTC熱敏電阻、PTC熱敏電阻、多層陶瓷晶片電容器(multilayer ceramic chip capacitor)、疊層電感器、或驅動電路。
該嵌入式元件可能適合於防止過量的外加電壓所造成半導體元件的損壞。這樣的ESD保護元件可例如是變阻器或二極體。
該嵌入式元件還可以定義半導體元件的熱連接。NTC和PTC熱敏電阻特別適用於此目的。與該半導體元件的相應連接，它們可以防止半導體元件因過高的溫度而損害。
該嵌入式元件也可能是用於控制半導體元件的驅動電路或控制電路。
特別是，該嵌入式元件可以是任何主動電 子元件(如電子晶片，特別是半導體晶片)或者是任何被動電子元件(如電容器、電阻、變阻器、NTC、PTC或是電感器)。該嵌入零件或元件的實例是數據存儲單元，例如DARM(或任何其他存儲單元)，濾波器(其可配置為高通濾波器，低通濾波器或帶通濾波器，和其可用於過濾的頻率)，積體電路(如邏輯積體電路)，信號處理元件(諸如微處理器)，效能管理元件，光電介面元件(如光電元件)，電壓轉換器(例如DC/DC轉換器或AC/DC轉換器)，機電轉換器(例如PZT(鋯鈦酸鉛)感測器和/或致動器)，電磁波的發射和/或接收單元(如RFID晶片或應答器(transponder))，密碼元件，電容器，電感器，開關(如一個基於電晶體的開關)，以及這些和其他功能的電子元件的組合。該元件還可以含有微機電系統(MEMS)、電池、攝影機或天線。
該基體可包含至少一種材料，其可選自由樹脂(特別是雙馬來醯亞胺三嗪樹脂(bismaleimide triazine resin))、玻璃(特別是玻璃纖維)、預浸材料(prepreg material)、聚醯亞胺、液晶聚合物、氰酸酯(cyanate ester)、環氧類堆積膜、FR4材料、陶瓷和金屬氧化物所組成的群組。FR4是指由環氧樹脂和玻璃纖維織物組成的複合材料族群。樹脂的玻璃纖維層板具有高介電強度和高機械強度特徵。此外，它們具有良好匹配於半導體元件的熱膨脹係數，以保持低的熱干擾。
該載體可具有小於500μm的高度，較好的是小於350μm以下。具體地，該載體的高度可在200至 500μm之間，較好的是200至350μm。如此低的高度，使得在該載體中整合電子元件成為可能。這使得有可能構成在該載體的頂側沒有元件的載體。但是，它也可以進一步的將電子元件佈置在表面上，如同SMD(表面黏著裝置，Surface-Mounted Device)元件的方式設計載體。
此外，該載體可包括第三導熱孔和第四導熱孔，該第三導熱孔從基體的頂側延伸到電子元件，該第四導熱孔從該電子元件延伸到該基體的底側。該嵌入式電子元件也可能經由第三和第四導熱孔作電性接觸。
另外，至少一個第二電子元件可以嵌入該基體內，其中滿該載體含有第五導熱孔，從該基體的頂側延伸到該第二電子元件，其中，該載體含有第六導熱孔，從該電子元件延伸到該基體的底側，並且其中，該嵌入式電子元件經由該第五和該第六導熱孔作電性接觸。與此相對應，該載體可具有若干嵌入式電子元件。例如，第一嵌入元件可能是ESD保護元件，例如變阻器或二極體，而第二嵌入式元件可能是一個溫度感測器或元件以控制該半導體元件的熱連接，如PTC或NTC熱敏電阻，其中該兩個元件可以連接相同的半導體元件。半導體元件連接PTC熱敏電阻可以保護該半導體元件避免過電流。半導體元件連接NTC熱敏電阻可以保護該半導體元件防止過高的溫度。
根據進一步的態樣，提出一種裝置，其包含上述的載體和半導體元件，其中，該半導體元件被佈置在該載體的頂側。
具體地，半導體元件可以是LED。
1‧‧‧裝置
2‧‧‧載體
3‧‧‧半導體元件
4‧‧‧保護層
5‧‧‧磷層
6‧‧‧基體
7‧‧‧頂側
8‧‧‧底側
9‧‧‧接觸表面
10‧‧‧底層
11‧‧‧中間層
12‧‧‧頂層
13‧‧‧電子元件
13a‧‧‧電子元件
13b‧‧‧電子元件
14‧‧‧第一導熱孔
15‧‧‧第二導熱孔
16‧‧‧電接觸點
17‧‧‧第三導熱孔
18‧‧‧第四導熱孔
19‧‧‧額外的導熱孔
20‧‧‧反射層
21‧‧‧SMD元件
22‧‧‧第五導熱孔
23‧‧‧第六導熱孔
24‧‧‧金屬結構
下面是根據圖例的本發明的詳細描述。
第1圖示出裝置的第一實施例。
第2圖和第3圖示出裝置的第二實施例。
第4圖和第5圖顯示一種用於半導體元件載體的第三實施例的透視圖。
第1圖示出了裝置1的第一實施例。裝置1包含用於數個半導體元件3的載體2。在此，該半導體元件是發光二極體。三個半導體元件3被佈置在該載體2上。在每個半導體元件3上上，存在一個透鏡形狀的保護層4。該保護層4含有矽。此外，在該保護層4上塗有一個附加的磷層5。
該載體2具有含頂側7和底側8的基體6。該載體2以這樣的方式形成，該半導體元件3可附連到該基體6的頂側7，例如通過焊接。為了這個目的，該基體6在其頂側7有接觸表面9。
該基體6包含一個多層結構。在這種情況下，該基體6包含至少一個底層10、中間層11和頂層12。該底層10包含該基體6的底側8。該頂層12包含該基體6的頂側7。該中間層11位於該底層10和該頂層12之間。每一層10、11、12均含有玻璃纖維-樹脂混合物。該層10、11、12在該基體6彼此關於玻璃纖維和樹脂的混合比 例可以不同。該層具有的FR4。
電子元件13嵌入在該基體6的中間層11內。該中間層11在玻璃纖維樹脂層中該嵌入式電子元件13的位置有開口。該中間層11限制了該元件13的側面。該頂層12位於元件13的上方，而該底層10位於元件13的下方。因此，該元件13的任一側由該基體6的層10、11、12封閉。
該嵌入式電子元件13可以是用於半導體元件3的變阻器、二極體、NTC熱敏電阻、PTC熱敏電阻、多層陶瓷電容器(MLCC)、多層電感器(ML電感)、或驅動電路。
該載體2還包括第一導熱孔14，它從該基體6的頂側7延伸到該電子元件13。該第一導熱孔14經由位於該頂側7的接觸表面9與該電子元件13接觸。
該載體2還包括第二導熱孔15，它從該電子元件13延伸到該基體6的底側8。該第二導熱孔15經由設置在該基體6的底側8的電接觸點16與該元件13接觸。因此，經由該第一和第該二導熱孔14、15保證元件13的電性接觸。
此外，該載體2具有第三導熱孔17及第四導熱孔18，該第三導熱孔17從該頂側7延伸到該元件13，而該第四導熱孔18從該嵌入式電子元件13延伸至該底側8。該嵌入式電子元件13也經由該第三和第該四導熱孔17、18做電性接觸。
該第一至第四導熱孔14、15、17、18在該載體2具有兩個功能。一方面，它們確保該嵌入式元件13的電性接觸。另一方面，它們降低該載體2的熱阻。因此，該第一至第四導熱孔14、15、17、18使來自該基體6的頂側7由該半導體元件3產生的熱量能快速和有效的消散。因此，該導熱孔14、15、17、18保證該載體2和該半導體元件3的被動冷卻。為此目的，該導熱孔14、15、17、18包含具有高導熱係數的材料。例如，該導熱孔14、15、17、18含有銅或銀。它們也可以由銅或銀組成。這兩種材料具有非常高的導熱係數。純銅具有401W/(m．K)的導熱係數。純銀具有429W/(m．K)的導熱係數。
此外，該載體2具有額外的導熱孔19，其從該頂側7延伸至該底側8。這些附加的導熱孔19僅具有降低該載體2的熱阻的目的，即確保該載體2和該半導體元件3的被動冷卻。這些附加的導熱孔19還含有銅或銀。該額外的導熱孔19不接觸嵌入式元件13。
該附加通孔19具有比該第一到第四導熱孔14、15、17、18大的直徑，該第一到第四導熱孔接觸電子元件13。特別是，該額外的導熱孔19的直徑在100至200μm之間，較好的是在130和170μm之間。該第一至第四導熱孔14、15、17，、8具有直徑在40和100μm之間，較好的是在40和70μm之間。
該基體6的頂側7塗覆有反射層20。這層可反射由該半導體元件3射出的光，從而提高了該載體2 的反射係數。該反射層20也可以是填充聚合物或填充玻璃。
此外，SMD(表面黏著裝置)元件21位於該載體2的頂側7，而沒有被嵌入在基體6內。
在該基體6內嵌入第二電子元件13a和第三電子元件13b。它們均經由導熱孔電性連接位於該基體的頂側7上的接觸表面9。例如，該第二電子元件13a經由該第五導熱孔22與該頂側7連接。
此外，第二和第三元件13a、13b經由導熱孔電性連接位於該基體6的底側8上的電接觸點16。例如，該第二元件13a經由該第六導熱孔與該底側8連接。
該第二和該第三嵌入式元件13a、13b可以與該第一嵌入式元件13具有相同的形式和相同的連接。該第一嵌入式元件13所描述的特徵也適用於該第二和該第三嵌入式元件13a、13b。
第2圖和第3圖示出裝置1的第二實施例，包括半導體元件3和用於該半導體元件3的載體2，其中，該半導體元件3是LED。第2圖示出裝置1沿著垂直平面的剖面圖，而第3圖示出水平剖面圖。
根據第二實施例的該裝置1基本上對應於根據第一實施例的裝置1。然而，該載體2對單一的半導體元件3只提供接觸表面9。此外，該基體6內只剛好嵌入一個元件13。
該嵌入式元件13可含有ZnOPr，其具有 40W/(m．K)的導熱係數。該基體6可具有FR4與0.62W/(m．K)的導熱係數。與此相比，如上所述，該導熱孔14、15、17、18、19可具有顯著地更高的導熱係數。
該載體2可以具有小於500μm的高度，較好的是200至350μm之間。這種載體2顯著地低於其頂側7上有佈置SMD元件21的載體2。因此，藉由在該載體2內嵌入該電子元件13，該裝置的總高度可以顯著降低。另外，也可以在一個載體嵌入若干元件13、13a、13b使其高度仍可能小於500μm。
第3圖示出了額外的導熱孔19以及與第一和第三導熱孔14、17的佈局，該附加通孔19被佈置在該嵌入式元件13周圍。第3圖示出這些額外的通孔19有一個比較大的橫截面，從而提高它們的導熱係數。該第一和該第三通孔14、17具有細長的橫截面。該第二和該第四通孔15、18也可以有這樣細長的橫截面。
該額外的導熱孔19的直徑為150μm，彼此之間的最小距離至少有200μm。該附加通孔19與該嵌入式元件13的最小距離為200μm。該附加通孔19與該載體2的邊緣的最小距離至少為125μm。該嵌入式元件13與邊緣的距離至少為380μm。該嵌入式元件13的高度在80和200μm之間，而該基體6的總高度為300μm。該第一至第四通孔14、15、17、18的各者在第一方向上延伸60μm，但在垂直於該第一方向的第二方向上，它們延伸100μm。該基體6的底和頂層10、12的厚度至少為50μm。 佈置在該基體6的頂和底側7、8的接觸面9、16是由銅組成，並具有30 +/- 10μm的厚度。它們與該基體6的橫向邊緣有至少75μm的距離。這些尺寸得到穩定的該載體2，其具有一個低的高度和高導熱係數的特徵，這使得該半導體元件3具有高效能。
第4圖和第5圖示出第三實施例的半導體元件3的載體2的透視圖。為了更好的說明，在第4圖中未示出該基體6和設在該基體的頂側7上的接觸表面9。在第5圖中，只有該基體6不包括在內。
根據第三實施例的該載體2具有金屬結構24，其被嵌入該基體6內。該金屬結構24被佈置在該基體6的中間層11，其也包含嵌入的電子元件13。該金屬結構24分別與另外三個導熱孔19連接。尤其，它們直接包圍額外的導熱孔19並與它們接觸。由於該金屬結構24，與這些結構接觸的導熱孔19的導熱係數得以提高。
第4圖和第5圖都顯示出該金屬結構24，其形狀為塊狀。另外，該金屬結構24也可以使用其它形狀，諸如帶狀或窗戶形狀。例如，框狀的窗戶形狀具有在中間的開口，並佈置成這樣一種方式，它將在該基體6中嵌入該金屬元件13，且在開口處設置此元件。條狀有非常小的厚度，可能是小於10μm。這裡高度表示是從該底側8的方向上延伸至該頂側7。
1‧‧‧裝置
2‧‧‧載體
3‧‧‧半導體元件
4‧‧‧保護層
5‧‧‧磷層
6‧‧‧基體
7‧‧‧頂側
8‧‧‧底側
9‧‧‧接觸表面
10‧‧‧底層
11‧‧‧中間層
12‧‧‧頂層
13‧‧‧電子元件
13a‧‧‧電子元件
13b‧‧‧電子元件
14‧‧‧第一導熱孔
15‧‧‧第二導熱孔
16‧‧‧電接觸點
17‧‧‧第三導熱孔
18‧‧‧第四導熱孔
19‧‧‧額外的導熱孔
20‧‧‧反射層
21‧‧‧SMD元件
22‧‧‧第五導熱孔
23‧‧‧第六導熱孔

Claims (11)

  1. 一種半導體元件，包括：用於半導體元件(3)且具有被動冷卻功能的載體(2)，包括基體(6)，其具有頂側(7)和底側(8)以及至少一個電子元件(13，13a，13b)，其嵌入該基體(6)內，其中，該載體(2)包括第一導熱孔(14)，其從該基體(6)的該頂側(7)延伸至該至少一個電子元件(13，13a，13b)，其中，該載體(2)包括第二導熱孔(15)，其從該至少一個電子元件(13，13a，13b)延伸至該基體(6)的該底側(8)，其中，該至少一個電子元件(13，13a，13b)經由該第一和該第二導熱孔(14，15)做電性接觸，其中，該第一導熱孔(14)及該第二導熱孔(15)確保固定於該載體(2)上之該半導體元件(3)的被動冷卻，以及其中，該半導體元件(3)直接附連於該載體(2)之該基體(6)之該頂側(7)上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中，該載體(2)具有至少一個額外的導熱孔(19)，其從該基體(6)的該頂側(7)延伸至該基體(6)的該底側(8)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的半導體元件，其中，該額外的導熱孔(19)的直徑比該第一導熱孔 (14)的直徑及該第二導熱孔(15)的直徑大。
  4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述的半導體元件，復包括金屬結構(24)，其嵌入該基體(6)內，並且在平行於該基體(6)的該頂側(7)的方向上延伸，其中，該金屬結構(24)與該額外的導熱孔(19)直接接觸。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的半導體元件，其中，該基體(6)具有多層結構，且其中，該金屬結構(24)與該至少一個嵌入式電子元件(13，13a，13b)位於同一層(11)。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的半導體元件，其中，該至少一個嵌入式電子元件(13，13a，13b)可以是用於至少該半導體元件(3)的變阻器、二極體、NTC熱敏電阻、PTC熱敏電阻、多層陶瓷晶片電容器、多層電感器、或驅動電路。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的半導體元件，其中，該至少一個嵌入式電子元件(13，13a，13b)是主動電子元件或被動電子元件、或嵌入式元件，該主動電子元件包括電子晶片或半導體晶片，而該被動電子元件包括電容器、電阻、變阻器、NTC、PTC或電感器，其中，該嵌入式元件是包括DARM或任何其他存儲單元之數據存儲單元、包括高通濾波器、低通濾 波器或帶通濾波器且能用於過濾頻率之過濾器、包括邏輯晶片或信號處理元件之積體電路、包括DC/DC變換器或AC/DC轉換器之電壓轉換器、包括PZT感測器及/或致動器之機電轉換器、包括RFID晶片或應答器之用於電磁波的傳輸及/或接收單元、密碼元件、電容器、電感器、包括基於電晶體的開關之開關、以及這些和其他功能的電子元件的組合，而該信號處理元件包括微處理器、性能管理元件或包括光電子元件之光電介面元件，及/或其中，該嵌入式電子元件(13，13a，13b)具有微機電系統(MEMS)、電池、攝影機或天線。
  8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的半導體元件，其中，該基體(6)包含至少一種材料，該材料選自由包括雙馬來醯亞胺三嗪樹脂之樹脂、玻璃或玻璃纖維、預浸材料、聚醯亞胺、液晶聚合物、氰酸酯、環氧類堆積膜、FR4材料、陶瓷和金屬氧化物所組成的群組。
  9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的半導體元件，其中，該載體(2)具有小於500μm的高度。
  10. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的半導體元件，其中，該載體(2)包括第三導熱孔(17)，其從該基體 (6)的該頂側(7)延伸至該至少一個電子元件(13，13a，13b)，其中，該載體(2)包括第四導熱孔(18)，其從該至少一個電子元件(13，13a，13b)延伸至該基體(6)的該底側(8)，其中，該至少一個電子元件(13，13a，13b)也經由該第三和該第四導熱孔(17，18)做電性接觸。
  11. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的半導體元件，其中，至少一個第二電子元件(13b)被嵌入該基體(6)內，其中，該載體(2)包括第五導熱孔(22)，其從該基體(6)的該頂側(7)延伸到該第二電子元件(13b)，其中，該載體(2)包括第六導熱孔(23)，其從該第二電子元件(13b)延伸到該基體(6)的該底側(8)，以及其中，該第二嵌入的電子元件(13b)經由該第五和該第六導熱孔(22，23)做電性接觸。
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