мощный полупроводниковый прибор

Формула изобретения

Полупроводниковый прибор, в котором кристалл, выделяющий тепло, монтируется лицевой стороной вниз, на гибкий носитель с электрической разводкой, с применением столбиков из мягкого металла, а тепло отводится от кристалла путем прижима обратной стороны кристалла к теплоотводу за счет приложения вертикального усилия от лицевой стороны кристалла в сторону теплоотвода, отличающийся тем, что кристалл монтируется металлическими контактными площадками лицевой стороны на соответствующие контактные площадки нижнего теплоотвода корпуса прибора с применением теплопроводящей прослойки, а крышка, герметизирующая прибор и являющаяся верхним теплоотводом прибора, упруго прижимает кристалл к верхнему и нижнему теплоотводам корпуса прибора.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при разработке конструкции и технологии мощных полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Одним из важнейших моментов проектирования мощных приборов является создание конструкции, обеспечивающей наилучший отвод тепла от наиболее нагреваемой части прибора. Как правило, это р-n переходы, расположенные вблизи лицевой поверхности активного кристалла. Под активным кристаллом имеются в виду, например, кристалл мощного биполярного СВЧ-транзистора, кристалл мощного полевого прибора и т.д.

Широко известны полупроводниковые приборы, в которых активный кристалл монтируется (напаивается) своей обратной стороной на теплоотвод (металлизированную керамику с высокой теплопроводностью или металл), а на лицевой стороне располагается тонкопленочная металлическая разводка контактов, к которым впоследствии с применением микросварки приваривают проволочные соединения с соответствующими электродами корпуса прибора [1, 2]. Отвод тепла от наиболее нагретой приповерхностной части кристалла при этом осуществляется через всю толщу кристалла к нижнему теплоотводу корпуса. Например, мощный полевой арсенидно-галлиевый транзистор 3П910Б2, собранный таким образом, обладает тепловым сопротивлением 20°С/Вт при отдаваемой полезной мощности 1 Вт (ТУ аАО.339.264).

Мощный кремниевый СВЧ-транзистор КТ9193А, у которого при отдаваемой мощности 10 Вт и емкости коллекторного р-n перехода 35 пФ тепловое сопротивление составляет 5°С/Вт [3].

В работе [8] указано значение теплового сопротивления переход - внешний теплоотвод 5,65°С/Вт при отдаваемой мощности ~20 Вт для четырех ячеек биполярного транзистора. Общая площадь ячеек составляет 10 ^-7 м². Транзисторные кристаллы смонтированы традиционным способом.

У трех последних приборов источник тепла находится практически на поверхности, на глубине, не превышающей нескольких микрон, и отвод тепла приходится осуществлять через весь кристалл к теплоотводу корпуса транзистора.

Известен способ монтажа кристаллов на носитель (корпус или полиимидная лента с металлической разводкой) лицевой стороной вниз на металлические столбики из мягкого металла (так называемый flip-chip монтаж) [4], который хорошо себя зарекомендовал простотой монтажа большого числа кристаллов. Обычно его применяют, когда нельзя проводить монтаж кристаллов при повышенной температуре (порядка 400°С). Этот способ применяется, как правило, при создании приборов небольшой мощности, рассеивающих немного тепла и не требующих теплоотвода.

Прототипом предлагаемого изобретения является прибор, описанный в [5, 6]. В этом приборе кристалл смонтирован лицевой стороной вниз, металлическими столбиками электрических контактов на тонкопленочную металлическую разводку на гибком носителе (то есть с применением метода перевернутого монтажа), а теплоотвод прижат к обратной стороне кристалла, и выделяемое мощным кристаллом тепло отводится обычным способом: через всю толщу кристалла к его обратной стороне и далее в теплоотвод, что является недостатком прибора.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение энергетических параметров и надежности мощного прибора за счет уменьшения его теплового сопротивления и упрощение сборки прибора за счет уменьшения количества необходимых микросварных соединений и устранения высокотемпературной пайки активных кристаллов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном мощном приборе [5, 6], созданном с помощью метода перевернутого монтажа, в котором тепло отводится от кристалла только с обратной стороны кристалла, отвод тепла осуществляется как от лицевой, так и от обратной сторон кристалла, причем между активной зоной лицевой стороны кристалла и теплоотводом располагается теплопроводящая прослойка, а герметизация корпуса и упругий прижим кристалла и его металлизированных контактных площадок к металлизированным контактным площадкам корпуса осуществляется теплоотводящей крышкой корпуса.

Преимуществом предлагаемой конструкции является значительное уменьшение теплового сопротивления прибора за счет отвода тепла от лицевой и обратной сторон кристалла, что снижает температуру активной зоны прибора и за счет этого уменьшает вероятность его выхода из строя и улучшает параметры.

Кроме того, метод перевернутого монтажа в предлагаемом изобретении сочетается с методом прижимного контакта, как описано в [5, 6, 7], что позволяет устранить высокотемпературные операции, связанные с монтажом кристаллов в корпус (у мощных кремниевых приборов это напайка кристаллов на теплоотвод при температурах ~+400°С, а для арсенидно-галлиевых ~+360°С).

Кроме того, применение перевернутого монтажа во много раз сокращает объем сборочных работ по созданию прибора, если это многокристальные приборы, такие как СВЧ мощные транзисторы, например.

Кроме того, предлагаемая конструкция открывает возможность проектировать и изготавливать полупроводниковые приборы с двухрядным расположением активных кристаллов симметричных относительно выводов корпуса прибора, что значительно увеличивает плотность компоновки активных кристаллов в одном корпусе и повышает энергетические параметры прибора.

Кроме того, уменьшение теплового сопротивления кристалла позволяет проектировать кристаллы со значительно большей площадью активной структуры и увеличивать энергетические параметры прибора.

На фиг.1, 2, 3, 4, 5 показаны несколько вариантов конструкции предлагаемого изобретения на примере СВЧ мощного биполярного транзистора.

Предложено несколько вариантов конструкции корпуса прибора, исходя из существующих технологических возможностей. Варианты отличаются по R_T и сложности изготовления. Наименьшим R_T обладает прибор по схеме Вариант I.

На керамическое основание (алмаз или бромелит), ширина которого больше ширины активного кристалла лицевой стороной вниз, монтируется кристалл транзистора с площадью активной зоны, равной 10^-7 м² (как в описанном выше случае). На лицевую поверхность кристалла в рабочей зоне наносится теплопроводящая прослойка толщиной в несколько микрон. Металлическая разводка электродов кристалла организована так, что разноименные контактные площадки тонкопленочных металлических проводников оканчиваются на максимальном удалении друг от друга (т.е. у разных краев кристалла. Обратная сторона кристалла покрыта толстым слоем А1 (2,5 мкм). Кристалл монтируют лицевой стороной вниз на нижнее керамическое основание. Рисунок металлизации на керамике, продолговатой и прямоугольной по форме, следующий: середина керамики, вдоль осевой линии, свободна от металла по крайней мере на ширину активной зоны кристалла с небольшим запасом, а края покрыты слоем металла толщиной не менее 3 мкм (как показано на чертеже Вариант I). Коллекторный контакт транзистора организован следующим образом: над обратной стороной кристалла, являющейся коллектором прибора, размещают прокладку из мягкого, хорошо проводящего тепло металла, например из отожженной Ag, или Сu фольги, или Аl, равной площади кристалла, от которой отходят необходимое количество полосков, привариваемых к коллекторному выводу корпуса. Далее прибор закрывают крышкой, смонтированной из радиатора (радиатор может быть водоохлаждаемым), Ag или Сu пластины и брусочка алмаза, как показано на чертеже “Разрез вдоль”, и стягивают крышку и фланец. Причем ширина брусочка алмаза больше ширины кристалла. Резиновая прокладка уплотняет шов корпус-крышка, делая прибор герметичным. Операция герметизации прибора проводится в инертном газе, так что внутреннее пространство корпуса заполнено инертным газом (аргоном, например). При стягивании крышки и фланца алмазный брусок крышки прижимает кристалл к соответствующим контактным площадкам теплоотводов корпуса и жестко закрепляет его.

Если в качестве керамики нижнего теплоотвода применить алмаз ( _Т~1200 Вт/°С м) толщиной 1 мм, а прижимать кристалл будет крышка из Ag толщиной 0,5 мм с алмазным бруском, толщиной 0,5 мм, теплопроводящая прослойка же толщиной ~2-3 мкм с _Т=1 Вт/°С м, а толщина кремниевого кристалла равна 100 мкм, то тепловое сопротивление р-n переход - внешний теплоотвод составляет примерно 2,15°С/Вт, что более чем в 2,5 раза меньше, чем R_T кристалла с той же активной площадью, смонтированного традиционным способом на бромелитовую керамику. Если теплопроводность прослойки _Т=50 Вт/°С м, то тепловое сопротивление прибора становится менее 1°С/Вт.

Отличие III варианта от варианта I заключается в более простом изготовлении корпуса в этом случае. Нижний керамический теплоотвод монтируют на фланец прибора (напаивают или прижимают через прокладку из In), как показано на чертеже III Вариант. В этом случае несколько возрастает R_T прибора. Если толщина нижней керамики из алмаза равна 0,5 мм, толщина фланца 1,5 мм, а остальное, как в случае I Вариант, то R_T=2,27°С/Вт.

На чертеже “Вариант II” представлена конструкция транзистора без использования керамики. В этом случае, на активном кристалле формируют металлические столбики на местах контактных площадок для электрической изоляции активной структуры кристалла от металла теплоотвода.

На чертеже “Двухрядное расположение активных кристаллов”.

Представлена конструкция корпуса транзистора, обеспечивающая возможность монтажа двух рядов активных кристаллов. Кристаллы монтируют так же, как и в случае “I Вариант” или “III Вариант”, эмиттерными контактными площадками к середине корпуса, где располагаются платы с элементами настройки или МОП-емкости, а с плат входной сигнал поступает на вход каждого кристалла.

Кристаллы, как и в “I Варианте”, упруго прижаты теплоотводящей крышкой с алмазной вставкой к нижнему и верхнему теплоотводам, а крышка герметизирует корпус с применением резиновой прокладки.

Снижение теплового сопротивления в предлагаемой конструкции достигается потому, что используется принцип параллельного отвода тепла от лицевой и обратной сторон кристалла, и даже если R_T каждой части достаточно велико, то общее R_T прибора значительно меньше. Если r_t верхней части гипотетического прибора равно 5°С/Вт, а нижней - 7°С/Вт, то общее R_T=(5×7)/(5+7)=2,91°С/Вт.

Применение предлагаемой конструкции для создания мощных полупроводниковых приборов обеспечивает следующие преимущества:

- существенное снижение теплового сопротивления прибора повышает его надежность и позволяет получить более высокие энергетические параметры;

- уменьшение трудоемкости сборки прибора;

- устранение высокотемпературных сборочных операций, таких как напайка активных кристаллов в корпус;

- снижение R _T открывает новый подход к проектированию топологии активной зоны кристалла, позволяющей увеличивать активную площадь кристалла и получать за счет этого дополнительную, например, мощность;

- предлагаемое изобретение дает возможность вдвое увеличить количество активных кристаллов в корпусе прибора, что дает дополнительный выигрыш в параметрах прибора.

Источники информации

1. А.Ф.Трутко “Методы расчета транзисторов” “Энергия” Москва 1971, стр.224.

2. “Кремниевые планарные транзисторы” В.Г.Колесников, В.Н.Никишин, В.И.Сыноров и др.; под ред. Я.А.Федотова. - М: Сов. Радио, 1973 г.

3. Журнал “Радио” №№10 и 11 за 1999 г. В.Кожевников, В.Асессоров, А.Асессоров, В.Дикарев “Мощные низковольтные СВЧ-транзисторы для подвижных средств связи”.

4. US Pat. №5071778 от 10 декабря 1991 г.

5. US Pat. №6180436 B1 от 30 января 2001 г.

6. US Pat. №6365964 B1 от 2 апреля 2002 г.

7. “Расчет силовых полупроводниковых приборов” Дерменжи П.Г., Кузьмир В.А., Крюкова Н.Н., под ред. В.А.Кузьмина. - М: Энергия, 1980 г.

8. “Конструктивно-технологические методы повышения энергетических параметров мощных СВЧ биполярных транзисторов”, диссертация на соискание ученой стапени кандидата технических наук. Русаков Е.О. Москва, 1985 г.