IT201700000485A1 - Dispositivo a semiconduttore, apparecchiatura e procedimento corrispondenti - Google Patents

Dispositivo a semiconduttore, apparecchiatura e procedimento corrispondenti

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IT201700000485A1
IT201700000485A1 IT102017000000485A IT201700000485A IT201700000485A1 IT 201700000485 A1 IT201700000485 A1 IT 201700000485A1 IT 102017000000485 A IT102017000000485 A IT 102017000000485A IT 201700000485 A IT201700000485 A IT 201700000485A IT 201700000485 A1 IT201700000485 A1 IT 201700000485A1
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graphene
package
thermally conductive
semiconductor die
semiconductor
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IT102017000000485A
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Federico Giovanni Ziglioli
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St Microelectronics Srl
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Description

“Dispositivo a semiconduttore, apparecchiatura e procedimento corrispondenti”
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo tecnico
La descrizione è relativa ai dispositivi a semiconduttore, come per es. circuiti integrati (IC, “Integrated Circuit”).
Una o più forme di attuazione possono essere applicate per es. ai circuiti integrati (IC) QFN (Quad-Flat No-Leads), QFN con routing e simili.
Sfondo tecnologico
La dissipazione termica può avere un ruolo nell’ideare la realizzazione di involucri o “package” per i dispositivi a semiconduttore quali i dispositivi di potenza.
La dissipazione termica può comportare di usare (grandi) dissipatori (“heat sink”) e/o spessi strati di metallo, che possono dare origine a problemi di costo e di affidabilità.
Anche la possibilità di ottenere una schermatura contro l’interferenza elettromagnetica o EMI (ElectroMagnetic Interference) di piccole dimensioni e a basso costo può essere un fattore che merita attenzione.
Documenti come US 2013/0221511 A1 o US 2013/0307128 A1 sono esempi di soluzioni per formare assiemi di die a semiconduttore con diffusori di calore (“heat spreader”) e/o package per semiconduttori con strutture di dissipazione termica e schermatura da EMI.
Il grafene è un allotropo del carbonio e può dare origine a una struttura bidimensionale a nido d’ape che presenta varie caratteristiche interessanti, come per es. la conduttività termica.
Riempitivi (“filler”) di grafene in una matrice organica (per es., polimerica) vengono impiegati oggigiorno per varie applicazioni, come per gli inchiostri conduttivi, i materiali di interfaccia termica (TIM, “Thermal Interface Material”), gli strati barriera, gli strati di schermatura, gli incapsulanti e gli adesivi elettricamente conduttivi.
Tali applicazioni possono comprendere fiocchi di grafene o nano-piastrine di grafene (GNP, “Graphene Nano-Platelet”), in forma mono- o multi-strato, come riempitivi in un sistema composito.
Per esempio, US 2014/0287239 A1 descrive l’adesione di un chip a circuito integrato su un dispositivo a microstruttura realizzata attraverso l’uso di un materiale basato su un adesivo in cui sono incorporati dei fiocchi di grafene.
Inoltre, CN 204367303 U descrive uno stampo per realizzare dei package di plastica montati con una sottile pellicola di grafene di raffreddamento durante un processo per realizzare di package di plastica.
Scopo e sintesi
Nonostante un’attività abbastanza estesa in tale area, è tuttora avvertita l’esigenza di soluzioni perfezionate, per es. con riferimento ai dispositivi a semiconduttore di potenza.
Uno scopo di una o più forme di attuazione è di soddisfare una tale esigenza.
Secondo una o più forme di attuazione, tale scopo può essere raggiunto per mezzo di un dispositivo a semiconduttore avente le caratteristiche esposte nelle rivendicazioni che seguono.
Una o più forme di attuazione possono anche essere relative a un’apparecchiatura corrispondente (per es. un’apparecchiatura applicativa comprendente uno o più dispositivi a semiconduttore montati su un supporto, come una scheda a circuito stampato o PCB - Printed Circuit Board) e a un procedimento corrispondente.
Le rivendicazioni sono parte integrante della descrizione dell’invenzione come qui fornita.
Breve descrizione delle varie viste dei disegni
Una o più forme di attuazione saranno ora descritte, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento alle figure annesse, nelle quali:
- le Figure 1 e 2 sono esempi di viste in sezione trasversale di una o più forme di attuazione,
- le Figure 3 e 4 sono viste in pianta di una o più forme di attuazione,
- le Figure 5 e 6 sono esempi di viste in sezione trasversale di una o più forme di attuazione,
- la Figura 7 è una vista in pianta di una o più forme di attuazione, e
- le Figure 8 e 9 sono esempi di viste in sezione trasversale di una o più forme di attuazione.
Si apprezzerà che per chiarezza e semplicità, le varie figure possono non essere disegnate con una stessa scala.
Descrizione dettagliata
Nella descrizione che segue sono illustrati uno o più dettagli specifici, allo scopo di fornire una comprensione approfondita degli esempi delle forme di attuazione di questa descrizione. Le forme di attuazione possono essere ottenute senza uno o più dei dettagli specifici o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi, operazioni, materiali o strutture note non sono illustrate o descritte in dettaglio in modo tale che certi aspetti delle forme di attuazione non saranno resi poco chiari.
Un riferimento a “una forma di attuazione” nel quadro della presente descrizione intende indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritta con riferimento alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Per cui, le frasi come “in una forma di attuazione” che possono essere presenti in uno o più punti della presente descrizione non fanno necessariamente riferimento proprio alla stessa forma di attuazione.
Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in un modo adeguato qualsiasi in una o più forme di attuazione.
I riferimenti usati qui sono forniti semplicemente per convenienza e quindi non definiscono l’ambito di protezione o l’ambito delle forme di attuazione.
Nelle figure, il numero di riferimento 10 indica nel suo complesso un dispositivo a semiconduttore che, in una o più forme di attuazione, può essere montato su un substrato di supporto S come per es. una scheda a circuito stampato – PCB.
Un dispositivo a semiconduttore di potenza può essere un esempio di un tale dispositivo. Una o più forme di attuazione possono comprendere per es. un circuito QFN (QuadFlat No-Leads), QFN con routing che comprende eventualmente un substrato sacrificale.
In una o più forme di attuazione (e secondo una struttura generica nota di per sé), il dispositivo 10 può comprendere un die (o “chip”) a semiconduttore 12 montato, per es. con uno strato 14 termicamente conduttivo interposto (per es. una colla, un nastro o una lega morbida per saldatura), su un die pad 16. Inoltre, sulla struttura 12, 14, 16 discussa in precedenza può essere provvisto un package 18 (comprendente per es. un materiale in plastica, come un PMC - Package Moulding Compound).
Dei lead elettricamente conduttivi 20 o pad 22 possono fornire una connessione elettrica tra die a semiconduttore 12 e linee elettricamente conduttive fornite per es. sul substrato di supporto S. In una o più forme di attuazione, questo può avvenire per es. attraverso formazioni di contatto come quelle indicate con 20a.
In una o più forme di attuazione come esemplificato nelle Figure 1 e 2, si può fornire uno strato di TIM (Thermal Interface Material) 24 per es. al fine di facilitare il trasferimento di calore (ed eventualmente dell’alimentazione) tra il die a semiconduttore 12 e il substrato S.
In una o più forme di attuazione, una superficie frontale o superiore del package 18 (per es. opposta al substrato S) può essere provvista di una porzione incassata 18a. Questo può avere come risultato che un’area frontale o superiore 12a del die a semiconduttore 12 sia esposta alla superficie del package (si veda per es. la Figura 1) o si trovi in (stretta) prossimità ad essa (si veda per es. la Figura 2, nella quale si può avere una connessione elettrica 26 almeno sopra una porzione della superficie 12a per es. per un’alimentazione ad alta potenza).
In una o più forme di attuazione (si veda per es. la Figura 6), può non essere presente una porzione incassata 18a per cui un’area frontale o superiore 12a del die a semiconduttore 12 può essere disposta a una certa distanza dalla superficie frontale o superiore del package 18.
In una o più forme di attuazione, può essere fornito uno strato di grafene 28 che si estende sopra la superficie frontale (superiore) del package 18, per es. sopra la porzione incassata 18a, se presente.
In una o più forme di attuazione, come esemplificato per es. nella Figura 1, lo strato di grafene 28 può estendersi sopra una porzione sostanziale (per es. quasi la totalità) della superficie frontale del package 18.
In una o più forme di attuazione, come esemplificate nella Figura 2 e nelle viste in pianta (dall’alto) delle Figure 3 e 4, lo strato di grafene 28 può estendersi solo su una porzione della superficie frontale o superiore del package 12.
In una o più forme di attuazione, come esemplificato nelle Figure da 1 a 3, 5 e 6, lo strato di grafene può estendersi nella porzione incassata 18a del package 18 in modo da estendersi a contatto con (si veda per es. la Figura 1) e/o in stretta prossimità (si veda per es. la Figura 2) della superficie frontale 12a del die a semiconduttore 12.
In una o più forme di attuazione, come esemplificate nella Figura 6, la superficie frontale del package 18 può essere sostanzialmente piana, in modo tale che lo strato di grafene 28 possa estendersi a una certa distanza dalla superficie frontale 12a del die o chip a semiconduttore 12.
In una o più forme di attuazione, lo strato di grafene 28 può essere fornito stampando un inchiostro a base di grafene (per es., un inchiostro che comprende fiocchi di grafene o nano-piastrine di grafene GNP).
In una o più forme di attuazione, un tale inchiostro può essere sottoposto (per es., dopo l’essiccazione e/o la sinterizzazione) a compressione. In tal modo, si può comprimere uno strato a base di grafene che presenta uno spessore da 30 a 50 micron (1 micron = 10<-6>m) in uno strato avente uno spessore per es. da 5 a 10 micron (1 micron = 10<-6>m).
Un tale strato (per es. adesivo) 28 può fornire una dissipazione termica migliorata in corrispondenza della superficie frontale (superiore) del package.
In una o più forme di attuazione, un dissipatore (dedicato) HS può quindi essere applicato sullo strato 28 (come rappresentato schematicamente nelle linee a tratto e punto nella Figura 1) eventualmente dopo un montaggio del dispositivo 10 sul substrato S.
In una o più forme di attuazione, si possono fornire formazioni (per es. di metallo) termicamente conduttive 30 che si estendono a ponte tra lo strato 28 e il substrato S (per es. in 30a) per fornire una dissipazione termica verso il substrato S.
Le viste in pianta (dall’alto) delle Figure 3, 4 e 7 sono esempi della possibilità, in una o più forme di attuazione, di fornire le formazioni in ubicazioni differenti e/o con sagome differenti per es. in conformità ai requisiti delle applicazioni.
In una o più forme di attuazione come esemplificate nelle Figure 5 e 6, le formazioni 30 possono essere fornite integralmente (in uno stesso pezzo) con i conduttori elettricamente conduttivi 20 con la capacità di fornire allo stesso tempo una connessione elettrica verso il die a semiconduttore 12 e percorsi di dissipazione termica dallo strato di grafene 28.
In una o più forme di attuazione, oltre a fornire percorsi di dissipazione termica per lo strato di grafene 28, formazioni quali le formazioni 30 possono anche fornire una connessione a massa per lo strato di grafene 28, facilitando con ciò il fornire una schermatura da EMI del die a semiconduttore 12.
Si apprezzerà che, in una o più forme di attuazione come esemplificato per es. nella Figura 6, un tale effetto di schermatura da EMI da parte dello strato di grafene 28 (per es. attraverso formazioni pad di massa 30) può essere facilitato anche se lo strato di grafene 28 si estende a una certa distanza dalla superficie frontale 12a del die a semiconduttore 12.
Le Figure 8 e 9 sono esempi della possibilità, in una o più forme di attuazione, di combinare la previsione dello strato di grafene 28 con un tradizionale wire bonding 32 tra il die a semiconduttore 12 e i lead o pad 20, 22.
In una o più forme di attuazione, la stampa dello strato di grafene 28 può avvenire per es. attraverso stampa serigrafica, con la sbavatura dell’inchiostro che è mantenuta entro tolleranze accettabili per l’applicazione prevista.
Inoltre, si apprezzerà che le caratteristiche di una o più forme di attuazione qui esemplificate con riferimento a ciascuna delle Figure da 1 a 9 si possono applicare – individualmente o in combinazione - a una o più forme di attuazione esemplificate nelle altre figure.
Una o più forme di attuazione possono così fornire un dispositivo a semiconduttore (per es. 10), comprendente:
- un die (o “chip” per es. 12) a semiconduttore avente una superficie (frontale o superiore) (per es. 12a) del die a semiconduttore,
- un package (per es. 18) formato sul die a semiconduttore, il package avendo una porzione (frontale o superiore) (per es. 18a) che si affaccia a detta superficie del die a semiconduttore, e
- uno strato termicamente conduttivo (per es. 28) sopra detta porzione del package che si affaccia a detta superficie del die a semiconduttore, lo strato termicamente conduttivo comprendendo grafene.
In una o più forme di attuazione, detta porzione del package può comprendere una porzione incassata (per es.
18a) del package.
In una o più forme di attuazione, lo strato termicamente conduttivo comprendente grafene può estendersi a contatto con (si veda per es. la Figura 1) o in prossimità di (si veda per es. la Figura 2) detta superficie del die a semiconduttore in corrispondenza di detta porzione incassata.
Una o più forme di attuazione possono comprendere almeno un elemento termicamente conduttivo (per es. 30) che si estende dal package, l’almeno un elemento termicamente conduttivo in una relazione di scambio termico con lo strato termicamente conduttivo comprendente grafene.
In una o più forme di attuazione, lo strato termicamente conduttivo comprendente grafene può essere esteso sul package, in cui lo strato termicamente conduttivo comprendente grafene fornisce uno schermo dall’interferenza elettromagnetica (EMI) per il die a semiconduttore.
Una o più forme di attuazione possono comprendere un pad di montaggio del die (per es. 16) per il die a semiconduttore, con detta superficie del die a semiconduttore situata opposta al pad di montaggio del die.
Una o più forme di attuazione possono comprendere un dissipatore (per es. HS) disposto in una relazione di scambio termico con lo strato termicamente conduttivo comprendente grafene.
Una o più forme di attuazione possono riguardare un’apparecchiatura comprendente:
- un substrato di supporto (per es. una PCB) per dispositivi a semiconduttore,
- almeno un dispositivo a semiconduttore secondo una o più forme di attuazione su detto substrato di supporto (per es. S), l’apparecchiatura comprendendo opzionalmente formazioni elettricamente e/o termicamente conduttive (per es. 20, 30) che si estendono tra lo strato termicamente conduttivo comprendente grafene e detto substrato di supporto.
Un procedimento per fabbricare un dispositivo a semiconduttore secondo una o più forme di attuazione può comprendere fornire lo strato termicamente conduttivo comprendente grafene stampando un inchiostro contenente grafene su detto package.
Una o più forme di attuazione possono comprendere applicare una compressione a detto inchiostro contenente grafene stampato su detto package.
Fermi restando i principi di fondo, i dettagli e le forme di attuazione possono variare, anche in modo apprezzabile, rispetto a quanto è stato descritto in precedenza, puramente a titolo di esempio, senza uscire dall’ambito di protezione. L’ambito di protezione è definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo a semiconduttore (10), comprendente: - un die a semiconduttore (12) avente una superficie (12a) del die a semiconduttore, - un package (18) formato sul die a semiconduttore (12), il package (18) avendo una porzione (18a) che si affaccia a detta superficie (12a) del die a semiconduttore (12), e - uno strato termicamente conduttivo (28) su detta porzione (18a) del package (18) affacciata a detta superficie (12a) del die a semiconduttore (12), lo strato termicamente conduttivo (28) comprendendo grafene.
  2. 2. Dispositivo a semiconduttore (10) secondo la rivendicazione 1, in cui detta porzione del package (18) comprende una porzione incassata (18a) del package.
  3. 3. Dispositivo a semiconduttore (10) secondo la rivendicazione 2, in cui lo strato termicamente conduttivo (28) comprendente grafene si estende a contatto con o in prossimità di detta superficie (12a) del die a semiconduttore (12) in corrispondenza di detta porzione incassata (18a).
  4. 4. Dispositivo a semiconduttore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno un elemento termicamente conduttivo (30) che si estende dal package (18), l’almeno un elemento termicamente conduttivo (30) in una relazione di scambio termico con lo strato termicamente conduttivo (28) comprendente grafene.
  5. 5. Dispositivo a semiconduttore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato termicamente conduttivo (28) comprendente grafene si estende sul package (18), in cui lo strato termicamente conduttivo (28) comprendente grafene fornisce uno schermo dall’interferenza elettromagnetica per il die a semiconduttore (12).
  6. 6. Dispositivo a semiconduttore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un pad di montaggio del die (16) per il die a semiconduttore (12), con detta superficie (12a) del die a semiconduttore (12) situata opposta al pad di montaggio del die (16).
  7. 7. Dispositivo a semiconduttore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un dissipatore termico (HS) disposto in una relazione di scambio termico con lo strato termicamente conduttivo (28) comprendente grafene.
  8. 8. Apparecchiatura, comprendente: - un substrato di supporto (S) per dispositivi a semiconduttore, - almeno un dispositivo a semiconduttore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7 su detto substrato di supporto (S), l’apparecchiatura comprendendo preferibilmente formazioni elettricamente e/o termicamente conduttive (20, 30) che si estendono tra lo strato termicamente conduttivo (28) comprendente grafene e detto substrato di supporto (S).
  9. 9. Procedimento per fabbricare un dispositivo a semiconduttore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7, il procedimento comprendendo fornire lo strato termicamente conduttivo (28) comprendente grafene stampando un inchiostro contenente grafene su detto package (18).
  10. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, comprendente applicare una compressione a detto inchiostro contenente grafene stampato su detto package (18).
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