CN1748327A - 半导体器件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体器件，由半导体元件产生的热能够被充分去除。半导体器件(100)包括具有底表面(2b)和与底表面(2b)相对的元件安装表面(2a)的基板(2)，及具有安装到元件安装表面(2a)上的主表面(1a)的半导体元件(1)。主表面(1a)在长边方向上的长度L与从底表面(2b)到元件安装表面(2a)的距离H之间的比率H/L设定为不小于3.0。当半导体元件为发光元件时，元件安装表面(2a)变为空腔(2u)用于容纳元件(1)，金属层(13)设置在空腔(2u)的表面上。当用于外部连接的电极(32)设置在主表面(1a)上时，防止电极(32)的连接材料(34)外流的槽在空腔侧上的连接部分处制成在主表面(1a)内。

Description

半导体器件
技术领域
本发明涉及半导体器件。尤其是，本发明涉及装配有诸如半导体激光器或发光二极管等的半导体发光元件的半导体器件。
背景技术
因为已经存在提高半导体器件性能的要求，所以安装在半导体器件上的半导体元件产生的热量已经有显著的增加。对于诸如半导体激光器、发光二极管等的半导体发光显示装置来说也是如此。因此，半导体元件安装在其上的材料优选与半导体元件具有相同的热膨胀系数，且具有高导热率。具有改进的放热结构的半导体器件的一个实例在日本已审专利号4-36473中作了披露。这种基板是具有以铜、钨和钼为主要成份的复合材料。其热膨胀系数接近安装的半导体发光元件的热膨胀系数5.0至8.5×10-6/K。另外，其导热率高达200W/m·K或更大。在本发明中，元素将用其化学符号表示，铜用Cu表示，钨用W表示等。此外，对于在日本专利公开号2002-232017中披露的发明，尽管发明目的是提高半导体器件的发光效率，但是设置有导电部分的基板是具有高导热率的平板状陶瓷。然而，根据应用领域，对于这些半导体器件，包括这些类型的发光器件，对半导体元件的高输出有需求。结果，已经具有增加半导体元件尺寸的趋势，且发热量也已经显著提高。特别对于具有半导体发光元件的半导体器件，光辐射量有显著增加，伴之以元件尺寸增加和发热显著增加。结果，需要一种能提高半导体器件的发热区附近的放热效率的新措施。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的发明人已经研究了半导体元件周围的区域的结构。本发明提供了这样一种半导体器件，所述半导体器件包括：半导体元件；和基板，该基板具有所述元件安装在其上的上表面和位于相反侧的底表面。L为半导体元件的主表面的长边的长度，H为从基板上表面上的半导体元件的安装部到底表面的距离，比率H/L为0.3或更大。在本发明中，半导体元件发的热被充分释放，从而延长了半导体器件的寿命。除了上述以外，本发明的半导体器件具有半导体元件，该半导体元件为发光元件。发光元件安装到其上的放热基板的所述部分形成为空腔。此外，金属层形成在所述上表面上。这样，提高了放热性能，另外，来自发光元件的光由金属层反射，从而提高了器件的光辐射效率。并且，除了上述以外，对于本发明的半导体器件，连接在发光元件和用于供电的接线板之间的连接件放置在与空腔间隔开的位置处，且用于防止连接件渗入空腔的装置紧接所述连接件设置在上表面上。这样，连接件没有覆盖空腔中的金属层，从而阻止器件的光辐射效率降低。
附图说明
图1是根据本发明实施方式1的半导体器件的实例的截面图。
图2是图1所示半导体元件的一个模式的透视图。
图3是图1所示半导体元件的另一模式的透视图。
图4是描述放热的半导体器件的截面图。
图5是根据本发明实施方式2的半导体器件的实例的截面图。
图6是图5所示半导体发光元件的一个模式的透视图。
图7是根据本发明实施方式3的半导体器件的实例的截面图。
图8是图7中用V表示的区域的一个模式的放大的截面图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的实施方式。在以下实施方式中，相同或相应部分的部分用相同的标号表示，且它们的描述没有重复。
(实施方式1)
参看图1，示出了根据本发明实施方式1的半导体器件的实例的截面图。图2是图1所示的半导体元件的一个模式的透视图。在图1的半导体器件100中，存在具有主表面1a的半导体元件1。存在与元件安装在其上的框架部分2c成一体的基板2。基板2具有上表面2a和底表面2b。在这两个表面之间存在距离H。半导体元件1的主表面1a与基板2的上表面2a相对。在所示状态下，主表面1a是矩形。主表面1a的长边的长度是长度L，与长边11的长度一致。短边方向上的长度与短边12的长度一致。对于其它实施方式来说也是如此，但如果主表面1是矩形，通常，另一侧的表面约为相同形状。然而，并不总是如此。如图3中所示，存在不同于矩形的主表面的实例。本发明的半导体元件的主表面的纵向上的长度是从在垂直于主表面的方向上投射的图像的轮廓测量的。实例在图3A至3E中示出。用L表示的部分是纵向上的长度。例如，如果是圆形或正方形，则长度L分别是直径或其侧边之一的长度。如果是椭圆，则长度L是主轴的长度。基板上表面和底表面之间的距离是H。在本发明的半导体器件中，比率L/H为0.3或更大。比率L/H优选为0.45至1.5，更优选地是在0.5和1.25之间。
尽管对其它实施方式来说也是如此，但图4是半导体器件的截面图，用于示意性地描述放热。如箭头50所示，当热Q由半导体发光元件1产生时，热在基板2内扩散，并传递到基板2的底表面2b。通过使得距离Z变大，有助于基板2的底表面2b放热的区域扩大。换句话说，有效释放了从半导体发光元件1产生的热。为了增加距离Z，必须增大距离H。结果，在本发明中，距离H增大，且提高了从底表面2b释放的热量。此外，为了具有可靠的放热效果，距离Y优选是第一边11的长度L的2倍或更大。
尽管对其它实施方式来说也是如此，基板2是放热件。材料将取决于根据半导体器件需要的封装设计。除了封装半导体器件外，也需要使得制造容易、重量轻、和使用寿命长。然而，如前所述，最重要的特性是，热膨胀系数与半导体元件的热膨胀系数类似，且具有高导热率。本发明的基板的导热率是170W/m·K或更大，优选为200W/m·K或更大。
基板的材料是(1)各种无机和有机材料及其化合物；(2)复合材料，其中这些各种无机和有机材料微观混合，而不是化合；(3)组合材料，其中这些材料宏观组合。
对于(1)的无机材料，实例包括：诸如碳(例如，石墨、金钢石)、Si等的半金属；金属材料，该金属材料以Al、Cu、Ag、Au为主要成份；以及属于周期表中的族4a至7a、8a的过渡金属；半金属和金属的化合物，如TiC、ZrN、等；半金属的化合物，如SiC，B4C等；半金属和非金属的化合物，例如Si3N4和BN等；金属和半金属的化合物，如AlN等。对于有机材料，具有存在于活性有机体中、自然界中的化合物，以及合成的有机材料。实例包括DNA、酶、天然或合成橡胶、纤维、树脂，有机金属化合物等。
对于(2)，(1)的各种材料被微观混合和分散或排列。例如，具有各种复合材料，例如Cu-W、Cu-Mo、Al-SiC、Al-AlN、Ag-C、Si-SiC等。对于(3)，来自(1)和(2)的一些材料组合成块。这可采用许多形式。实例包括：Cu和Mo、Al和SiC等的分层体；板状实例，中间部分为Cu，外周为Cu-Mo；功能上分层的实例，其中在Cu-Mo层的厚度方向上存在Cu量改变的梯度等。这些实例在适当时候根据封装设计产生。下面我们将介绍代表性基板的实施实例。
例如，对于前述Cu-W或Cu-Mo的复合材料，当Cu的质量百分比含量在5％到40％的范围内时，热膨胀系数通常为5×10-6/K到12×10-6/K。此外，当将以Al-SiC为主要成份的复合材料用于基板2时，当SiC的质量百分比含量在10％到70％范围内时，热膨胀系数在8×10-6/K到20×10-6/K的范围内。假定使用GaN、GaAs、InP、或Si的半导体元件1，则它们的热膨胀系数在3×10-6/K到7×10-6/K的范围内。因此，优选使热膨胀系数接近此范围。因此，对于Cu-W或Cu-Mo的复合材料，Cu的质量百分比含量优选在5％到40％的范围内，更优选在10％到35％的范围内，甚至更优选在10％到20％的范围内。对于这些复合材料，形成以W或Mo粉末为主要成份的模制体，或将其进一步烧结，产生多孔体。Cu渗入所述孔内(渗入法)。可选地，模制以Cu和W或Cu和Mo为主要成份的粉末混合物，并将其烧结(烧结法)。此外，例如，当Al-SiC的复合材料用于所述基板时，Al成分的质量百分比优选在25％到35％的范围内。所述材料通过以下方法制造：铸造法，其中SiC粉末分散在Al熔化溶液中并被冷却；渗入法，其中Al渗入以SiC为主要成份的多孔体的孔内；烧结法，其中在模制以Al粉末和SiC粉末为主要成份的混合物后，将其烧结。
此外，尽管在图中未示出，但为了形成与半导体元件1的电连接，将诸如接合线、倒装芯片、通孔等连接装置设置在基板2和半导体元件1之间。
尽管对本发明的其它实施方式来说相同，但金属层13形成在基板2的元件安装表面2a上，用于与半导体元件连接，或用于使所述元件通电。在此情形下，为了使金属层具有足够的连接强度，表面2a的表面粗糙度优选具有JIS标准(JIS B 0601)下Rmax在0.1到20微米的范围内的最大粗糙度。当最大粗糙度小于0.1微米时，在形成金属层时难以获得糙面(粘固)效应。另一方面，当Rmax超过20微米时，表面2a上的吸收的诸如氧气的气体的量增加，当形成金属层时释放的气体量增加，且难以获得成膜所需要的真空度。更优选地，Rmax在0.1微米和8微米之间。当RmaX超过8微米时，在连接期间容易产生孔，且连接强度可能有不均匀性。
对于本发明的半导体器件，通过使得基板和半导体元件的主表面的尺寸在上述预定范围内，元件产生的热平稳地释放。因此，极大地减少了元件的温度上升过度的效应，如半导体器件的输出减少或所述元件附近的组件劣化。可能提高来自所述器件的输出和延长使用寿命。
(实施方式2)
参看图5，示出了根据本发明实施方式2的半导体器件的截面图。在此情形下，半导体器件1是发光元件。如上所述，根据H/L控制器件100的设计。金属层13形成在元件安装表面2a上，且优选形成有如上所述的表面形式。利用此实施方式，金属层具有反射发光元件1发射的光的作用。结果，金属层通常由具有高反射率的金属(例如银或铝等)构成，或由以高反射率的金属为主要成份的金属构成。通过电镀(喷镀)或气相沉积形成金属层13，使得它覆盖元件安装表面。金属层不仅可形成在元件安装表面上，也可形成在其它部分上，或它可形成在基板2的整个表面上。当基板主体导电时，例如，如果它是属于金属材料或类似物，则利用电镀方法镀亮银是优选的。此外，如果元件安装表面自身的反射率很高，则不必存在金属层。另外，在图5中，金属层13设置在空腔2u中，但是也可使用不带有空腔2u的基板2，并使得金属层13设置在基板2的元件安装表面2a上。
可以根据半导体发光元件1的尺寸建立基板2的厚度，或换言之，从底表面2b到元件安装表面2a的距离H。例如，距离H可以是0.3mm或更大和10mm或更小。
将半导体发光元件1设置为其接触金属层13。所述元件由诸如ZnSe、GaAs、GaP、GaN、InP等的II-VI族或III-V族复合半导体发光元件构成。这里，族II的元素包括锌(Zn)、和镉(Ga)、和铟(In)。族III的元素包括硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、和铟(In)。族V的元素包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、和锑(Sb)。族VI的元素包括氧(O)、硫(S)硒(Se)、和碲(T)。这些化合物半导体可以形成在蓝宝石或类似物基板的顶部上。
基板2举例来说可以由Fe-Ni合金或Fe-Ni-Co合金构成。此外，可以在元件安装表面2a和金属层13之间设置中间层(未示出)。对于中间层，实例包括Ni、Ni-Cr、Ni-P、Ni-B、Ni-Co、Cu、和Au等等。这些通过喷镀形成。当通过气相沉积形成时，实例包括Ti、V、Cr、Ni、NiCr合金、Cu、W、Zr、Nb、和Ta等等。此外，中间层可以用上述镀层和/或气相沉积层形成多层。中间层的厚度优选为0.01到5微米，更优选为0.1微米到1微米。
在此实施方式中，半导体元件的主表面1a的纵向上的长度L和基板2的上表面和底表面之间的距离H与前述实施方式中相同。图6示出所述实施方式的半导体元件的透视图。在此状态下，元件具有阶状部分1d，但是也可消除此部分。边11是半导体发光元件1的长边，边12是短边。在此状态下，边11的长度相应于长度L，且近似垂直于发光元件的阶状部分1d延伸。边12近似平行于阶状部分延伸。存在边11和12约为相同长度的情形。当主表面1a不是矩形，则其与前述相同。例如，即使主表面1a是矩形，但带有圆角，则沿主表面1a的轮廓投影绘出外推线，且将其确定为长边L。
在此实施方式中，利用半导体发光元件1，从主表面1a和/或主表面1a的相对侧供电。光从设置在半导体发光元件中的发光层(未示出)发出。半导体发光元件可以是发光二极管，或可以是半导体激光器。此外，半导体发光元件产生的光的波长没有特别限制。
存在穿过基板2的孔2h。孔2h形状近似为柱形。在孔2h的内侧上，存在绝缘玻璃4和销3a和3b。销3a和3b供电给半导体发光元件1且由不锈钢(SUS)或Fe-Co-Ni合金构成。此外，只要电阻小，销3a和3b可由其它成份形成。绝缘玻璃4设置用于将销3a和3b定位在孔2h内。绝缘剥离4填充孔2h且也具有使销3a和3b和基板2绝缘的功能。
接合线21和22使销3a和3b与半导体发光元件1电连接。从销3a和3b供给的电经由接合线21和22供给半导体发光元件1。接合线21和22可以由金、铝、或其合金构成。
为了使得半导体发光元件1输出增加，纵向上的长度，换言之，长边的长度L优选为1mm或更大，或主表面1a的表面面积优选为1mm2或更大。
如果从半导体发光元件1产生的热量没有充分释放到外部并被消除，则元件自身温度升高。这造成发光效率降低，且可导致光波长改变，从而不再以恒定色的发射光。并且，由于所述热，诸如荧光体等的外围部件劣化。结果，缩短了半导体器件的使用寿命。特别地，当发光元件的长度L超过1mm时，元件中央部分中的温度趋于升高，从而其使用寿命缩短。在本实施方式的半导体器件中，由于优化了H/L，热得以充分释放，从而阻止了上述问题出现。
此外，利用实施方式2，除了上述放热改进外，来自发光元件的光由金属层反射，从而提高了器件的光输出。
(实施方式3)
图7示出根据本发明实施方式3的半导体器件的截面图。图8是图7的圆V内的区域的放大截面图。如上所述，根据H/L控制所述半导体器件的设计。金属层形成在元件安装表面上，且优选形成有如上所述的表面形式。金属层具有反射发光元件1发射的光的作用。如图7中所示，与实施方式2不同，该实施方式的半导体器件100不具有销。连接件33设置在基板2的顶部上。由绝缘板31和电极32形成的接线板34通过连接件33固定到基板2上。连接件33举例来说是焊料或粘合剂。为了防止连接件33流入空腔2u，在基板2上形成槽2t。如果连接件33流入空腔2u，则造成空腔2u中的表面不均匀性，且降低了光反射率。只要能获得相同目的，也可使用其它装置。例如，可以存在具有凸起的区域。绝缘板31举例来说由陶瓷构成。然而，代替绝缘板31，也可设置诸如氮化硅膜或氧化硅膜的绝缘膜。在绝缘板31的顶部上，存在用于与接合线21和24电连接的导电电极32。所述电极通过印刷、真空沉积、喷镀等形成。槽2t通过机械处理或喷砂形成。另外，可通过部分去除形成在基板2的表面上的底镀层形成槽2t，或可将槽2t设置在没有被喷镀的区域中。槽的宽度优选为50微米或更大且1毫米或更小。更优选的是，槽的宽度为100微米或更大且500微米或更小。如果所述宽度太小，则连接件容易越过槽。如果宽度太大，则变得浪费空间。如上所述，本发明的实施方式3具有连接板33，所述连接板设置在与空腔2u分离开的位置处，且将基板2与接线板34连接。基板设置有槽2t，所述槽作为防止连接件33流入空腔2u的装置。利用所述结构，通过防止连接件覆盖空腔中的金属层，本发明的实施方式3的半导体器件可防止期间的发光效率降低。
实施例
对于使用图1、7、和8中所示半导体器件100的实施例，测量了半导体发光元件1发光时半导体发光元件1的温度。
(实施例1)
首先，制备具有如图7中所示结构的半导体器件100。所述基板由包含质量百分比为15％的铜、质量百分比为85％的钨的复合材料构成，且半导体发光元件1是GaN系列化合物半导体发光二极管。半导体器件100的底表面2b安装在铜框架的顶部上。使用上述材料，且分别对基板2的尺寸Y、元件的尺寸L(长边的长度L)、基板厚度H(从元件安装表面2a到底表面2b的距离H)进行了多种测量，制备表1中所示的样本。
用1A的电流使从样本1到样本10的半导体发光元件1发光。在发光一分钟后，使用辐射温度计(非接触)测量温度T1。继续发光，在发光三分钟后，对样本1到样本9中的每一个测量温度T3。对样本1到样本10中的每一个测量温度增加率((T3-T1)/T1)。这些结果也示出在表1中。对于表1中所示的温度增加率，双圆表示温度增加率小于10％。单圆表示温度增加率小于20％。×表示温度增加率为20％或更大。从表1中可看到，在本发明的范围之外的样本2的温度增加率较大。结果，可看到，样本2的放热性能较差。对于其它样本，由于它们在本发明的范围内，所以可看到，温度增加率被适当控制。特别地，尽管图中没有示出，但样本5至样本7的温度增加率为5％或更小。
表1
  样本号   基板尺寸Y(mm)   元件尺寸L(mm)   基板厚度H(mm)   H/L   温度增加率
  1   3   1   1   1   ◎
  2   3   1   0.2   0.2   ×
  3   3   1   0.3   0.3   ○
  4   3   1   0.45   0.45   ○
  5   3   1   0.5   0.5   ◎
  6   3   1   0.75   0.75   ◎
  7   3   1   1.25   1.25   ◎
  8   3   1   1.5   1.5   ◎
  9   3   1   2   2   ◎
  10   2   1   1   1   ◎
此外，制备具有图1的基板结构的样本。所述基板大致具有与上述基板相同的尺寸，且由包含质量百分比为30％的Al和质量百分比为70％的SiC的复合材料制成。使用大致与上述发光元件具有相同尺寸的Si半导体元件。所述样本在与上述H/L大致相同的范围内。通过进行大致相同的步骤，和在与上述H/L大致相同的范围内，当确认温度增加率时，获得与上述趋势相同的结果。
所披露的实施方式仅为实例，而非限制性的。本发明的范围由权利要求书限定，且不限于上述描述。可在权利要求书的范围和精神内作出任何修改。
工业适用性
根据本发明，提供了能充分去除半导体元件产生的热的半导体器件。此外，利用装配有发光元件的半导体器件，提供了具有极佳发光效率的半导体器件。

Claims (3)

1、一种半导体器件，包括：
半导体元件；
基板，该基板具有上表面和位于相反侧的底表面，所述半导体元件安装在所述上表面上；
比率H/L为0.3或更大，其中L为所述半导体元件的主表面的纵向上的长度，H为从所述基板的上表面上的半导体元件安装部到所述底表面的距离。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：
所述半导体元件是发光元件；
所述基板的、所述半导体元件安装在其上的部分形成为空腔；且
在所述上表面上形成金属层。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中：
具有连接件，该连接件连接在所述基板和接线板之间，所述接线板将电供给到所述半导体发光元件；
所述连接件被放置在与所述空腔分离开的位置处；
用于防止所述连接件渗入所述空腔的装置邻近所述连接件设置在所述上表面上。
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