半導(dǎo)體裝置的制造方法
【專利說明】半導(dǎo)體裝置
[0001]給出具有半導(dǎo)體構(gòu)件的半導(dǎo)體裝置。
[0002]功率半導(dǎo)體從半導(dǎo)體結(jié)的臨界溫度起(所述臨界溫度也能夠稱為T1 (“結(jié)溫度”))具有壽命的顯著降低(“降級”)和能力的顯著降低(“性能”)。例如發(fā)光二極管(LED)(尤其是所謂的高功率LED)、集成電路(IC)(例如高功率圖形芯片)、功率放大器(“功率放大器”)以及功率晶體管(例如功率MOSFET和IGBT)屬于典型的功率半導(dǎo)體。例如對高功率LED而言典型地在溫度T1大約105°C的情況下、對IGBT而言典型地在溫度T τ大約175°C的情況下開始降級。尤其是對LED而言不僅存在功率半導(dǎo)體本身的壽命降低的風(fēng)險，而且使例如所應(yīng)用的發(fā)光物質(zhì)硅酮層降級，由此LED的光譜可能以不希望的方式改變。
[0003]在傳統(tǒng)的系統(tǒng)解決方案中，功率半導(dǎo)體的溫度在運(yùn)行中反復(fù)地(vielfach)不夠準(zhǔn)確地認(rèn)知，以致于功率必須限制到安全值，所述安全值通常在最大可使用功率的85%到90%。在沒有降級的風(fēng)險的情況下對功率的進(jìn)一步提高需要熱方面優(yōu)化的載體以及溫度監(jiān)測。
[0004]有效的溫度管理例如在LED的情況下在確定光功率大小、尤其是確定最大能夠?qū)崿F(xiàn)的光功率(以流明/瓦特為單位)大小的情況下扮演越來越重要的角色?；谳d體系統(tǒng)的有限的建模準(zhǔn)確度，LED的溫度必須向下調(diào)節(jié)到85°C至90°C，以致于LED在鑒于降級的最大可能溫度典型地為105°C的情況下不能以最大功率運(yùn)行。由此導(dǎo)致溫度每更低10°C大約5%的性能損失。
[0005]在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的解決方案中，例如在陶瓷載體或硅載體上同時施加功率半導(dǎo)體和溫度傳感器，其中一個或多個功率半導(dǎo)體置于載體的平坦面上，溫度傳感器元件也布置在所述面上。在此，功率半導(dǎo)體也能夠分別具有獨(dú)立載體(“I級載體”)，利用所述獨(dú)立載體所述功率半導(dǎo)體施加到共同載體(“2級載體”)上。又經(jīng)由共同載體進(jìn)行到散熱件上的裝配。由此在多數(shù)邊界面上(例如焊接接頭上)得到在大多數(shù)情況下不能相對準(zhǔn)確描述的熱電阻和結(jié)電導(dǎo)值(Uebergangsleitwerte)。在一個或多個功率半導(dǎo)體旁的溫度傳感器測量的溫度通過各個部件之間的熱電阻和結(jié)電導(dǎo)值以及通過各個部件中(例如在共同載體中和散熱件中)的導(dǎo)熱性來確定并且由此在某種程度上只表示間接測量。通過額外將溫度傳感器布置在具有一個或多個功率半導(dǎo)體的共同載體上，額外地也還容忍增加的空間需求以及由此容忍更大的結(jié)構(gòu)大小。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)從功率半導(dǎo)體到散熱件上盡可能良好的熱傳導(dǎo)，例如嘗試:盡可能多地減少布置在其間的、例如以載體本體形式的部件和材料的數(shù)量，或者甚至將功率半導(dǎo)體直接裝配到散熱件上。
[0007]確定的實(shí)施方式的至少一個任務(wù)是給出如下半導(dǎo)體裝置，所述半導(dǎo)體裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對運(yùn)行中產(chǎn)生熱的半導(dǎo)體構(gòu)件的溫度的測量。
[0008]該任務(wù)通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的主題來解決。該主題的有利的實(shí)施方式和改進(jìn)方案在從屬權(quán)利要求中表明并且此外由下列的描述和附圖得知。
[0009]根據(jù)至少一個實(shí)施方式，半導(dǎo)體裝置具有半導(dǎo)體構(gòu)件。半導(dǎo)體構(gòu)件能夠例如是功率半導(dǎo)體構(gòu)件。功率半導(dǎo)體構(gòu)件能夠例如是如下半導(dǎo)體構(gòu)件，所述半導(dǎo)體構(gòu)件在規(guī)定的運(yùn)行中在沒有足夠的冷卻的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)如下溫度，即通過該溫度能夠損壞半導(dǎo)體構(gòu)件。例如能夠從發(fā)光二極管、集成電路(例如圖形芯片、放大器芯片)以及晶體管中選出半導(dǎo)體構(gòu)件。尤其是，半導(dǎo)體構(gòu)件能夠例如是高功率LED、高功率圖形芯片、功率放大器、功率MOSFET 或者 IGBT。
[0010]此外，半導(dǎo)體裝置具有載體本體，半導(dǎo)體構(gòu)件裝配在所述載體本體上。載體本體尤其是與半導(dǎo)體構(gòu)件分開制造的載體本體，在所述載體本體上施加和/或裝配完成的半導(dǎo)體構(gòu)件。載體本體具有集成在載體本體中的溫度傳感器。載體本體尤其是能夠具有集成在載體本體中的
熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)，所述熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)被設(shè)置以及設(shè)立用于:能夠經(jīng)由電阻改變來實(shí)現(xiàn)溫度測量。熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)能夠特別優(yōu)選地由NTC熱敏電阻材料構(gòu)成并且例如構(gòu)造為一層或多層的熱敏電阻構(gòu)件，所述熱敏電阻構(gòu)件允許通過合適的接觸來實(shí)現(xiàn)電阻測量。熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)尤其是能夠具有合適的NTC陶瓷材料。作為其備選，熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)例如也能夠具有PTC材料，例如PTC陶瓷。陶瓷NTC熱敏電阻和陶瓷PTC熱敏電阻的材料以及原則上的構(gòu)造對專業(yè)人員而言是已知的并且因此在此不進(jìn)一步闡述。
[0011]此外，載體本體具有陶瓷本體，所述陶瓷本體直接與集成在載體本體中的熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)連接。在此能夠尤其鑒于合適的載體特性和穩(wěn)定性以及盡可能高的導(dǎo)熱能力來構(gòu)造陶瓷本體。例如陶瓷本體能夠具有氧化鋁和/或氮化鋁。陶瓷本體例如能夠構(gòu)造為用于集成在載體本體中的熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)的載體材料。換而言之，熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)能夠施加在陶瓷本體上。陶瓷本體和熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)例如能夠在共同的過程中一體式地生產(chǎn)。
[0012]根據(jù)至少一個實(shí)施方式，與熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)相比，陶瓷本體具有更大的電阻。尤其是陶瓷本體能夠例如具有大于50000 Ω.αιι的電阻。集成的熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)能夠具有少于5000 Ω.cm的電阻，優(yōu)選地少于2000 Ω.cm的電阻并且特別優(yōu)選地少于1000Ω.cm的電阻。只要沒有以其他方式表明，此處和以下利用“電阻”表示電阻率。例如，與熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)比較，陶瓷本體也能夠是電絕緣的。
[0013]此外，半導(dǎo)體裝置具有散熱件，載體本體裝配在所述散熱件上。散熱件尤其是能夠構(gòu)造為金屬散熱件。金屬散熱件在此表示基本上由金屬本體構(gòu)成的散熱件，在所述金屬本體上能夠施加局部或大面積的電絕緣層用于電絕緣和/或施加電接觸區(qū)域、印制導(dǎo)線和/或連接端用于電連接半導(dǎo)體裝置和/或半導(dǎo)體構(gòu)件。
[0014]尤其是這樣構(gòu)造在此描述的半導(dǎo)體裝置，即在運(yùn)行中在半導(dǎo)體構(gòu)件和熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)之間的功率相關(guān)的溫度差小于3K/W。在半導(dǎo)體構(gòu)件和熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)之間這樣小的溫度差尤其是能夠通過一個或多個針對陶瓷本體的下列設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)。
[0015]對于在此描述的半導(dǎo)體裝置，熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)尤其是布置在半導(dǎo)體構(gòu)件和散熱件之間的散熱線路中，即沿著在運(yùn)行中在半導(dǎo)體裝置中形成的溫度梯度。散熱線路在此尤其是也能夠?qū)?yīng)于載體本體和半導(dǎo)體構(gòu)件在散熱件上的布置方向。換而言之，通過熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)的在此描述的特定布置，在運(yùn)行中在半導(dǎo)體構(gòu)件中產(chǎn)生的熱量(所述熱量通過載體本體沿著散熱件方向?qū)С?必然被引導(dǎo)通過熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)。由此，與對于通常的功率半導(dǎo)體系統(tǒng)而言的情況(其中溫度傳感器布置在共同載體上在功率半導(dǎo)體旁)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)對半導(dǎo)體構(gòu)件的溫度的更直接溫度測量。此外能夠通過熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)集成到載體本體中實(shí)現(xiàn)小的結(jié)構(gòu)大小和/或結(jié)構(gòu)高度。對于移動應(yīng)用(例如智能手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)中集成的LED相機(jī)閃光燈)特定地，在此描述的半導(dǎo)體裝置通過更小的結(jié)構(gòu)高度和/或更小的結(jié)構(gòu)件面積能夠具有與具有LED和分立溫度傳感器的通常結(jié)構(gòu)形狀相比較少的空間需求。
[0016]根據(jù)另一實(shí)施方式，熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)從散熱件看過去布置在陶瓷本體上方，即布置在陶瓷本體和半導(dǎo)體構(gòu)件之間。由此能夠?qū)崿F(xiàn):熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)很靠近產(chǎn)生熱量的半導(dǎo)體構(gòu)件布置，由此能夠盡可能直接地可測量半導(dǎo)體構(gòu)件的溫度。
[0017]此外能夠也可能的是:熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)從散熱件看過去布置在陶瓷本體下方，即布置在陶瓷本體的背離半導(dǎo)體構(gòu)件的側(cè)上。由此例如能夠?qū)崿F(xiàn):從散熱件看過去半導(dǎo)體構(gòu)件在上側(cè)能夠通過載體本體的接觸結(jié)構(gòu)來電接觸，而在載體本體下側(cè)上的熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)能夠與半導(dǎo)體構(gòu)件分開地被電接觸。
[0018]此外也可能的是:載體本體具有例如多個熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)，例如從散熱件看過去在陶瓷本體的上側(cè)上以及在陶瓷本體的下側(cè)上。
[0019]為了能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能良好的散熱，載體本體能夠例如額外地也具有金屬層或金屬箔，所述金屬層或金屬箔例如能夠布置在陶瓷本體的背離熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)的側(cè)上。
[0020]除此以外也可能的是:載體本體具有熱通路，所述熱通路穿過陶瓷本體突出并且所述熱通路例如由陶瓷本體中金屬填充的開口構(gòu)成。熱通路尤其是能夠與熱敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)