具有半导体器件的基台的半导体单元的制作方法
【专利摘要】半导体单元包括基台以及与基台耦合的芯片。所述基台配置有底座和以及底座和芯片之间的多个层。将这些层之一，放热导电银(“Ag”)层沉积到底座的顶部上。选择银层的厚度，使得基台的累积热膨胀系数与芯片的热膨胀系数相匹配。耦合至芯片的有源区的是由弹性可延展材料制造的应力释放层。
【专利说明】具有半导体器件的基台的半导体单元
【技术领域】
[0001]本发明涉及合并了基台(submount)的半导体单元，更具体地涉及支撑半导体器件的基台。
【背景技术】
[0002]图1说明了相当简单和典型的半导体单元，，所述半导体单元具有如图1所示的基台I上安装的半导体器件8。基台I包括:底座2，例如陶瓷衬底；相对厚的热电导体层4，所述相对较热的热电导体层典型地具有最高至几个微米的厚度；以及焊接层6。如箭头所示，层4配置用于对在使用半导体器件或芯片8期间产生的热进行散热。通常，层4由金制造，相当高成本的实现半导体单元。
[0003]层4有两个重要的功能。功能之一包括将底座2和芯片8结合在一起，同时为芯片工作时散热。另一个功能包括为触点之间间提供导电性能，如本领域普通技术人员已知的。
[0004]芯片8的操作期间达到的温度通常较高。因为底座2的热传导性低于相邻的Au金属层4的热传导性，周期性的温度变化导致元件7上的实质上的应力。这些应力可能降低器件7的可靠性。
[0005]再回到图1，通常电路允许电流I从正电势经由金层4和P-N结流向负电势。层4的电阻率越低，热阻越少，芯片8的功率转换效率(“PCE”)越高。
[0006]通过将热经由底座2导引至热沉的同时在一部分表面上传播所产生的热，电极金(Au)层4促进了层4的剧烈温升。然而，金层4的热电传导表面非常小，使得散热过程受阻。此外，金层的电阻率也是可观的。
[0007]因此，需要制造一种成本有效的半导体单元。
[0008]还需要配置这里公开类型的半导体单元，所述半导体单元可以有效地传播在单元的制造和操作期间所产生的热。
[0009]还需要配置这里公开类型的半导体单元，所述半导体单元具有高功率转换效率。
[0010]还需要提供一种制造半导体单元的工艺，所述工艺具有热效率和低制造成本的特点。
【发明内容】
[0011]以上明确表示的需求可以通过以下公开的半导体单元和配置所述单元的方法来满足。根据本公开的显著特征之一，将典型地相对较厚的金(Au)层实质上用银(Ag)层代替。使用银层可以通过减少的热负荷来实现实质上的半导体单元的成本节省、提高的性能和可靠性，这些特点均带来高功率转换效率(“PCE”)。
[0012]通常，组成半导体单元的基台的不同层的材料具有彼此不同并且与用于制造芯片的材料不同的相应热膨胀系数(“CTE”)。。一般来说，半导体单元的底座的热膨胀系数比银层之一的热膨胀系数要低。因此，底座的层可以配置为使得所述层的累积热膨胀系数与芯片材料的热膨胀系数实质上匹配。一旦满足所述条件，就会相当大地最小化机械应力的产生。
[0013]根据本公开一个实施例，配置用于最小化应力，本发明的单元配置有厚度受控的银层，通过注入电镀之类的已知工艺将所述Ag层沉积到底座项部上。。确定银层的所需厚度，使得底座的累积热膨胀系数与用于配置芯片的材料的热膨胀系数实质上相匹配。
[0014]另一个实施例包括在芯片和银层之间沉积的塑料/可延展材料层。软材料层配置为使得即使银层的厚度是任意的，也可以减小芯片上的机械应力。当然，这两项技术可以进行组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]所公开单元的以上以及其他特点和优点可以通过以下附图的具体描述更加清晰明白，其中:
[0016]图1是代表了已知半导体单元结构的示意图。
[0017]图2是所公开单元的示意图。
[0018]图3是图2的改进单元的示意图。
[0019]图4是图3的单元的部件的离地视图。
【具体实施方式】
[0020]现在对本发明的实施例提供详细参考。附图并不是严格按比例绘制，而且不会示出在半导体工业中的普通技术人员众所周知的附加层。词语“耦合”和类似术语不必表示直接或者紧邻连接，而且也包括通过中间元件连接。
[0021]图2示出了所公开的半导体单元的结构，包括基台10和芯片20。所述芯片20可以从两端子器件中选择，例如高功率激光二级管发发光二极管或者发光二极管；或从三端子器件中选择，例如晶体管；或从四端子半导体器件中选择，包括例如霍尔效应传感器；还可以从多端子半导体器件中选择，例如集成电路。基台10包括底座12、在底座12上沉积并用作导热导电装置的厚银层14、以及硬质焊料的薄层18。银层14可以使用多种技术来沉积，例如电镀以及其他技术，所述银层14可以具有多种尺寸和形状。例如如图2所示，银层14可以在底座12上连续地延伸至少芯片20的长度。与使用金的现有技术相比较，使用银有效地减小了半导体单元的总成本。
[0022]银层14不仅使本公开的单元成本有效，而且也使单元的热电利用最有效。银的热传导率比金高，而银的电阻率比金低。众所周知，热传导表面是材料的功能之一。相应地，在使用芯片20的有源区16时产生的热在银层14的表面A2两端传播，所述表面A2的面积大于图1中金层2的表面Al。因此参与将热转移到热沉(图不未不出)的底座12的面积大于图1中代表已知工艺工的底座2的面积。实际上，在同等条件下，由于在所有金属中银的热传导率是最高的，银层14的表面Al比实践中任意金属的热传播表面都大。试验表明，与同等厚度的图1所示的金层相比较，甚至20微米厚的银层也可以将p-n结温度的温度减小10°。因此，显著地提高了本公开的芯片20的可靠性。
[0023]应该控制沉积的导热导电银层14的厚度，因为所述银层14的厚度与底座部件的热膨胀系数和芯片20的材料直接相关。因此，如果基台10的累积热膨胀系数与芯片10的材料的热膨胀系数实质上匹配，可以实质上减小影响本公开设备20的机械应力。下述公式清楚地描述了银层厚度的决定:
【权利要求】
1.一种半导体单元，包括:底座，与底座间隔开的芯片，沉积于底座项部上并与芯片耦合的散热导电银层，其中所述底座和所述银层确定了基台。
2.根据权利要求1所述的半导体单元，还包括位于银层和芯片之间、在银层项部上的硬焊料。
3.根据权利要求2所述的半导体单元，其中所述银层配置有用于确定向基台提供与芯片的热膨胀系数实质上相匹配的累积热膨胀系数的厚度，所述基台包含底座、银层和焊料层。
4.根据权利要求2所述的半导体单元，还包括应力释放层，所述应力释放层由弹性延展材料制成、并且位于硬焊料和芯片的有源区之间。
5.根据权利要求4所述的半导体单元，其中所述应力释放层具有紧邻焊料层的有纹理表面。
6.根据权利要求5所述的半导体单元，其中所述应力释放层的有纹理表面配置有分隔开的突出部。
7.根据权利要求1所述的半导体单元，其中从包括以下内容的组中选择芯片，所述组包括:两端子、三端子、四端子和多端子半导体器件及其组合。
8.根据权利要求7所述的半导体单元，其中所述两端子器件包含高功率激光二极管。
9.一种制造半导体单元的方法，包括: 提供底座， 在底座项部上沉积散热导电银层；以及 高温下将底座和银层焊接到芯片上。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括在银层和芯片之间提供硬焊料层。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括将银层配置有用于向基台提供与芯片的热膨胀系数实质上相匹配的累积热膨胀系数的厚度，所述基台包含底座、银层和焊料层，其中所述匹配的系数提供作用于芯片上的减小的机械应力。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括在焊料层和芯片的有源区之间提供由可延展材料制成的弹性应力释放层。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括向应力释放层提供背对芯片的有源区的有纹理表面。
【文档编号】H01L23/34GK103620764SQ201180071547
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2011年6月17日 优先权日:2011年6月17日
【发明者】亚历山大·奥夫契尼可夫, 阿列克谢·科米萨诺夫, 伊格尔·贝尔谢夫, 斯卫特兰德·图德洛夫 申请人:Ipg光子公司