DE102019114263A1

DE102019114263A1 - Wärmeleitungsstruktur oder halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102019114263A1
Application number: DE102019114263.6A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Bessho; Masataka DEGUCHI; Nagahiro Saito; Kazuo Hashimi
Original assignee: Nagoya University NUC; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nagoya University NUC; Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2039-05-29
Also published as: DE102019114263B4; US11075140B2; JP7160579B2; JP2020004836A; US20200006195A1; CN110660761B; CN110660761A

Abstract

Die Offenbarung stellt eine Wärmeleitungsstruktur mit höherer Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragung bereit. Diese Ausführungsform ist eine Wärmeleitungsstruktur, in welcher Wärme von einem ersten Element zu einem zweiten Element geleitet wird. Die Wärmeleitungsstruktur umfasst mindestens eine selbstorganisierte Monolage und eine Wärmeabführungsschmiere. Die selbstorganisierte Monolage wird mindestens auf einer Oberfläche des ersten Elements und des zweiten Elements gebildet. Die Wärmeabführungsschmiere ist zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element angeordnet. Die Wärmeabführungsschmiere ist mit der selbstorganisierten Monolage in Kontakt.

Description

Technisches Gebiet
Die Offenbarung betrifft eine Wärmeleitungsstruktur oder eine Halbleitervorrichtung bzw. einen Halbleiterapparat.
Stand der Technik
Einige Elemente, welche in elektronischen Vorrichtungen bzw. Geräten eines Automobils und in einem elektrischen Produkt verwendet werden, wie ein Leistungs- bzw. Antriebsmodul zur Steuerung der Energiezufuhr, erzeugen während des Gebrauchs bzw. des Betriebs Wärme, wie ein Wechselrichter bzw. Umrichter oder eine CPU eines Computers. Um durch die Wärme ausgelöstes funktionelles Versagen eines elektronischen Gerätes zu vermeiden und dessen Leistungsfähigkeit beizubehalten, sollte die erzeugte Wärme unverzüglich nach außerhalb des elektronischen Gerätes abgeführt werden. Deshalb umfasst bzw. enthält das elektronische Gerät gewöhnlich ein Wärmeabführungselement bzw. Wärmeableitungselement bzw. wärmeabführenden Element, wie eine Wärmesenke. Gewöhnlich ist zwischen einem Wärmeerzeugungselement bzw. wärmeerzeugenden Element und dem Wärmeabführungselement eine Wärmeabführungsschmiere angeordnet, um die durch das Wärmeerzeugungselement erzeugte Wärme effizient an das Wärmeabführungselement zu leiten, wodurch Wärmeabführung beschleunigt wird.
Gewöhnlich ist die allgemein verwendete Wärmeabführungsschmiere eine halbfeste Schmiere, in welcher beispielsweise ein hoch-wärmeleitfähiger feiner Pulverfüllstoff, welcher ein Metalloxid, wie Zinkoxid oder Aluminiumoxid, und ein anorganisches Nitrid, wie Bornitrid, Siliziumnitrid, oder Aluminiumnitrid enthält, in einem synthetischen Kohlenwasserstofföl oder ähnlichem, wie einem Silikonöl oder einem Polyolefinöl, dispergiert ist. Schnelle Leistungsverbesserung von Elektronikgeräten und schneller Fortschritt von kompakten und hoch-dichten Implementierungen bzw. Anwendungen bewirken jedoch einen schnellen Anstieg der Wärmeerzeugungsmenge der Elektronikgeräte. Deshalb wurden verschiedene Arten der Entwicklung hinsichtlich des Aspekts der Wärmesteuerung in Elektronikgeräten gemacht.
Zum Beispiel offenbart JP 2016-162929 A eine zwischen haftenden bzw. klebenden Körpern angeordnete und unter Druck verwendete Wärmeabfiihrungsschmiere. Die Wärmeabführungsschmiere enthält ein silikonbasiertes Öl und einen Wärmeübertragungsfüllstoff, welcher im silikonbasierten Öl dispergiert ist. Der Wärmeübertragungsfüllstoff weist eine Mohs-Härte von 4 oder weniger und eine Wärmeleitfähigkeit von 80 W/mK oder mehr auf.
„Effects of chemical bonding on heat transport across interfaces“ (Mark D. Losego et al., NATURE MATERIALS, Vol. 11, Juni 2012) beschreibt eine Studie bezüglich Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragung zwischen ein Qz-Substrat und einem Au-Substrat, wobei eine bifunktionelle selbstorganisierte Monolage bzw. Monoschicht (SAM), welche mit beiden Substraten verbunden ist, verwendet wird, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Quellenverzeichnis
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2016-162929
Nicht-Patentliteratur
Nicht-Patentliteratur 1: Effects of chemical bonding on heat transport across interfaces (Mark D. Losego et al., NATURE MATERIALS, Vol. 11, Juni 2012)
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wie in JP 2016-162929 A und ähnlichem offenbart, wird, während die Wärmeabführungsschmiere mit der verbesserten Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragung vorgeschlagen wird, eine Technik benötigt, welche höhere Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragung bereitstellen kann. In der Studie, welche in „Effects of chemical bonding on heat transport across interfaces“ (Mark D. Losego et al., NATURE MATERIALS, Vol. 11, Juni 2012) offenbart wurde, ist, während die Studie mit einer idealen Grenzfläche bzw. Oberfläche (flache Oberfläche ohne Unebenheiten) als ein Modell ausgeführt wird, da ein tatsächlich verwendetes Element Unebenheiten aufweist, die Technik, welche in „Effects of chemical bonding on heat transport across interfaces“ (Mark D. Losego et al., NATURE MATERIALS, Vol. 11, Juni 2012) offenbart wird, nicht praktisch.
Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung eine Wärmeleitungsstruktur, welche eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragung aufweist, bereit.
Lösung des Problems
Deshalb haben die Erfinder gewissenhaft geforscht und herausgefunden, dass das Aufbringen einer Wärmeabführungsschmiere auf einer selbstorganisierten Monolage, welche auf der Oberfläche des Elements gebildet ist, eine weiter verbesserte Wärmeübertragung sicherstellt, und diese Ausführungsform erreicht.
Deshalb sind die beispielhaften Aspekte dieser Ausführungsform wie folgt.

(1) Eine Wärmeleitungsstruktur, wobei Wärme von einem ersten Element zu einem zweiten Element geleitet wird. Die Wärmeleitungsstruktur umfasst mindestens eine selbstorganisierte Monolage und eine Wärmeabführungsschmiere. Die mindestens eine selbstorganisierte Monolage ist auf mindestens einer Oberfläche des ersten Elements und des zweiten Elements gebildet. Die Wärmeabführungsschmiere ist zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element angeordnet. Die Wärmeabführungsschmiere ist mit mindestens einer selbstorganisierten Monolage in Kontakt.
(2) In der Wärmeleitungsstruktur gemäß (1) ist die selbstorganisierte Monologe aus einem SAM-bildenden Material gebildet, welches eine Kopfgruppe aufweist, und die Kopfgruppe bildet eine kovalente Bindung mit der Oberfläche des ersten Elements oder des zweiten Elements.
(3) In der Wärmeleitungsstruktur gemäß (2) bildet die Kopfgruppe eine kovalente Bindung mit einer funktionellen Gruppe, welche sich auf der Oberfläche des ersten Elements oder des zweiten Elements befindet.
(4) In der Wärmeleitungsstruktur gemäß (2) oder (3) weist das SAM-bildende Material eine Schwanzgruppe zusätzlich zur Kopfgruppe auf, und die Schwanzgruppe weist Hydrophobizität auf.
(5) In der Wärmeleitungsstruktur gemäß (4) weist die mindestens eine selbstorganisierte Monolage einen Wasser-Kontaktwinkel von 70° oder mehr auf.
(6) In der Wärmeleitungsstruktur gemäß einem von (1) bis (5) ist das SAM-bildende Material eine organische Silanverbindung.
(7) In der Wärmeleitungsstruktur gemäß einem von (1) bis (6) enthält die Wärmeabführungsschmiere ein Mineralöl, ein Ester-basiertes synthetisches Öl, ein synthetisches Kohlenwasserstofföl, ein Silikonöl, oder ein fluoriertes Öl als ein Basisöl.
(8) In der Wärmeleitungsstruktur gemäß einem von (1) bis (7) ist das erste Element ein Wärmeerzeugungselement, und das zweite Element ein Wärmeabführungselement bzw. Wärmedissipationselement.
(9) Eine Halbleitervorrichtung, welche die Wärmeleitungsstruktur gemäß einem von (1) bis (8) umfasst. Das erste Element ist ein Halbleitermodul.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Offenbarung kann die Wärmeleitungsstruktur, welche eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragung aufweist, bereitstellen.
Figurenliste

1A ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine beispielhafte Konfiguration einer Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform darstellt;
1B ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine beispielhafte Konfiguration einer Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform darstellt;
1C ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine beispielhafte Konfiguration der Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform darstellt;
2 ist eine schematische Perspektivansicht, welche eine beispielhafte Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform beschreibt;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht der Leistungskarte bzw. Spannungskarte bzw. Stromkarte 10 in 2 entlang einer zur XY-Oberfläche eines Koordinatensystems in der Zeichnung parallelen Ebene und der Ebene entlang den Transistoren Ta und Tb;
4 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine Konfiguration darstellt, in welcher Wärmebeständigkeit im Beispiel oder Vergleichsbeispiel gemessen wird;
5 ist ein Graph, welcher Messergebnisse der Wärmebeständigkeit in den Beispielen 1 und 2 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 zeigt; und
6 ist ein Graph, welcher Messergebnisse der Wärmebeständigkeit in den Vergleichsbeispielen 3 bis 5 zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ein Aspekt dieser Ausführungsform ist eine Wärmeleitungsstruktur, wobei Wärme von einem ersten Element an ein zweites Element geleitet wird. Die Wärmeleitungsstruktur umfasst mindestens eine selbstorganisierte Monolage, welche auf mindestens einer Oberfläche des ersten Elements und des zweiten Elements gebildet ist, und eine Wärmeabführungsschmiere, welche zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element angeordnet ist. Die Wärmeabführungsschmiere ist in Kontakt mit der mindestens einen selbstorganisierten Monolage. In dieser Ausführungsform ist die mindestens eine selbstorganisierte Monolage auf mindestens einer Oberfläche des ersten Elements und des zweiten Elements gebildet, und die Wärmeabführungsschmiere ist zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element angeordnet, um die selbstorganisierte Monolage zu berühren. Die Anordnung bzw. Konfiguration dieser Ausführungsform stellt verbesserte Wärmeleitung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element sicher.
Das Nachstehende beschreibt jede Komponente der Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform.
Wärmeleitungsstruktur
(Erstes Element und zweites Element)
In der Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform wird die Wärme vom ersten Element zum zweiten Element geleitet. Das erste Element und das zweite Element sind nicht besonders beschränkt, und sind notwendigerweise nur Elemente, die die Wärmeleitung betreffen. Das erste Element ist ein Element auf der Stromaufwärtsseite des zweiten Elements im Wärmestrom, während das zweite Element ein Element auf der Stromabwärtsseite ist. Das erste Element ist beispielsweise ein Wärmeerzeugungselement, während das zweite Element beispielsweise ein Emissionselement ist, welches die Wärme vom Wärmeerzeugungselement empfängt bzw. aufnimmt, um die Wärme vom Wärmeerzeugungselement abzugeben bzw. abzuführen. In dieser Beschreibung bedeutet das „Wärmeerzeugungselement“ ein Element, welches Wärme durch Bestromung oder ähnlichem erzeugt. Insbesondere in dieser Ausführungsform ist ein Element, welches zu viel Wärme erzeugt, um ausreichend durch Wärmeabführung aufgrund natürlicher Konvektion gekühlt zu werden, ein Ziel bzw. eine Aufgabe des Wärmeerzeugungselements. Das Wärmeerzeugungselement umfasst beispielsweise ein Halbleitermodul, wie eine Leistungskarte und eine CPU. In dieser Beschreibung ist das „Wärmeabführungselement“ ein Element, welches die durch das Wärmeerzeugungselement erzeugte Wärme empfängt, wie das Halbleitermodul, und ein Element, welches zur Wärmeabführung vom Wärmeerzeugungselement beiträgt. Das Wärmeabführungselement kann ein Element sein, welches direkt zur Wärmeabführung beiträgt, oder ein Element, welches indirekt zur Wärmeabführung beiträgt. Zum Beispiel kann das Wärmeabführungselement selbst ein Kühlelement sein, wie eine Wärmesenke, oder das Wärmeabführungselement kann ein Element sein, welches die Wärme zum Kühlelement (wie einer Wärmesenke), welche an der Stromabwärtsseite im Wärmefluss bzw. Wärmestrom angeordnet ist, überträgt. Das Wärmeabführungselement ist nicht zwingend ein Element ausschließlich für die Wärmeabführung, soweit das Wärmeabführungselement zur Aufnahme der Wärme vom Wärmeerzeugungselement und zur Abführung der Wärme nach Außen beiträgt. Zum Beispiel kann ein isolierendes Material und ein Gehäuse als das Wärmeabführungselement verwendet werden.
Ein Material, welches die Oberfläche des ersten Elements oder des zweiten Elements bildet, ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel, wenn die selbstorganisierte Monolage auf lediglich dem ersten Element gebildet wird, ist es lediglich erforderlich, dass das Material, welches die Oberfläche des ersten Elements bildet, das Material ist, auf welchem die selbstorganisierte Monolage gebildet werden kann, und wenn die selbstorganisierte Monolage auf lediglich dem zweiten Element gebildet wird, ist es lediglich erforderlich, dass das Material, welches die Oberfläche des zweiten Elements bildet, das Material ist, auf welchem die selbstorganisierte Monolage gebildet werden kann. Das Material, welches die Oberfläche des ersten Elements oder des zweiten Elements bildet, umfasst zum Beispiel ein Metall (wie Kupfer, Aluminium, Germanium, oder ähnliches) oder ein Polymermaterial. Außerdem ist, zum Beispiel Silizium (Si), Glas, Keramik (wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumcarbid, und ähnliches), oder ein Kohlenstoff-Material (wie Graphit, Diamant, und ähnliches) eingeschlossen. Die Oberfläche des ersten Elements oder des zweiten Elements kann aus einem einzelnen Material gebildet sein, oder kann aus einer Mehrzahl an Materialien gebildet sein. Das Polymermaterial umfasst zum Beispiel ein thermoplastisches Harz oder ein duroplastisches Harz, und umfasst insbesondere zum Beispiel ein Acrylharz, wie Polymethylmethacrylat, ein Epoxidharz, ein Polyamidharz, ein Aramidharz (aromatisches Polyamid, und ähnliches), ein Polyimidharz, ein ABS-Harz, ein Polyethylenharz, ein Polypropylenharz, ein Polystyrolharz, ein Polycarbonatharz, ein Polyethylentherephthalat-(PET)-Harz, ein Phenolharz, ein Harnstoffharz, oder ein Melaminharz.
In einigen Ausführungsformen existiert eine funktionelle Gruppe auf der Oberfläche des ersten Elements oder des zweiten Elements. Ein SAM-bildendes Material, welches die selbstorganisierte Monolage bildet, kann an die funktionelle Gruppe gebunden bzw. gekoppelt werden. Eine derartige funktionelle Gruppe kann mit einer Behandlung mit ultravioletter Strahlung und ähnlichem geeignet gebildet werden.
(Selbstorganisierte Monolage)
In dieser Beschreibung bedeutet die „selbstorganisierte Monolage (SAM)“ ein monomolekularer Film (Film aus einer einzelnen molekularen Schicht), in welcher sich einzelne Moleküle eines selbstorganisierten Monolagen-Bildungsmaterial (SAM-bildendes Material) als ein Rohstoff bzw. Ausgangsmaterial auf der Elementoberfläche sammeln und sich autonom anordnen. Selbst wenn ein Teil des folglich erhaltenen Films keinen monomolekularen Film gegen die Intention (unbeabsichtigt) bildet (zum Beispiel im Fall, in welchem eine Mehrzahl an Schichten von Doppelschicht oder mehr gebildet werden), ist jedoch der erhaltene Film im technischen Umfang der Offenbarung enthalten, insofern der Film zumindest mit der Intention gebildet wird, um hauptsächlich die SAM zu bilden.
In dieser Beschreibung bedeutet „selbstorganisierte Monolage-Bildungsmaterial (SAM-bildendes Material)“ ein Material, welches die selbstorganisierte bzw. sich selbstanordnende Monolage auf der Elementoberfläche bilden kann. In einigen Ausführungsformen weist das SAM-bildende Material mindestens eine reaktive Gruppe (Kopfgruppe) auf, welche sich zur Bildung einer kovalenten Bindung mit der Elementoberfläche eignet. „Geeignet zur Bildung einer kovalenten Bindung mit der Elementoberfläche“ umfasst nicht nur den Fall, in welchem die Kopfgruppe die kovalente Bindung mit Elementen, welche das Element bilden, ausbildet, sondern auch den Fall, in welchem die Kopfgruppe die kovalente Bindung mit einer funktionellen Gruppe, welche auf der Elementoberfläche existiert, bildet. Die kovalente Bindung der selbstorganisierten Monolage mit der Elementoberfläche stellt eine verbesserte Wärmeleitung zwischen der selbstorganisierten Monolage und dem Element über Phononen sicher.
Die Kopfgruppe ist nicht besonders beschränkt, infern die Kopfgruppe eine funktionelle Gruppe ist, welche sich zur Bildung der kovalenten Bindung mit der Elementoberfläche eignet. Die Kopfgruppe umfasst zum Beispiel eine Alkoxysilyl-Gruppe, eine halogenierte Silyl-Gruppe, eine Cyano-Gruppe, eine Thiol-Gruppe, eine Carboxyl-Gruppe, und eine Brom- oder Phosphorsäure-Gruppe. Die Kohlenstoffzahl einer Alkoxy-Gruppe in der Alkoxysilyl-Gruppe ist zum Beispiel eins bis vier, und in einigen Ausführungsformen eins bis drei. Als ein spezifisches Beispiel umfasst die Alkoxy-Gruppe eine Methoxy-Gruppe (Methoxysilyl-Gruppe) oder eine Ethoxy-Gruppe (Ethoxysilyl-Gruppe). Das Halogenatom in der halogenierten Silyl-Gruppe umfasst zum Beispiel Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), und Iod (I). In einigen Ausführungsformen ist das Halogenatom unter diesen Atomen Cl oder Br. Das SAM-bildende Material kann eine Kopfgruppe aufweisen oder kann eine Mehrzahl (zum Beispiel zwei oder drei) an Kopfgruppen aufweisen. Im SAM-bildenden Material, welches die Mehrzahl an Kopfgruppen aufweist, kann die Mehrzahl an Kopfgruppen identisch sein, oder kann wechselseitig bzw. gegenseitig bzw. untereinander unterschiedlich sein. In einigen Ausführungsformen wird gewöhnlich eine Verbindung, welche eine Mehrzahl an identischen Kopfgruppen aufweist, verwendet.
In einigen Ausführungsformen weist das SAM-bildende Material mindestens eine Schwanzgruppe auf, welche sich in einer entgegengesetzten Richtung zur Kopfgruppe (entgegengesetzte Richtung zur Elementseite) zusätzlich zur Kopfgruppe erstreckt. Während die Schwanzgruppe hinsichtlich des Aspekts der Eignung mit der Wärmeabführungsschmiere nicht besonders beschränkt ist, weist die Schwanzgruppe in einigen Ausführungsformen Hydrophobizität (lipophile Eigenschaft) auf. Die Schwanzgruppe, welche die Hydrophobizität aufweist, verringert weiter den Wärmeleitungswiderstand zwischen der selbstorganisierten Monolage und der Wärmeabfuhrschmiere. Es wird angenommen, dass die Schwanzgruppe in die Wärmeabführungsschmiere eindringt, um die Wärmeleitung mittels den Phononen effizient zu bewirken. Es wird ebenso angenommen, dass die Hydrophobizität der Schwanzgruppe die Wärmeabführungsschmiere effektiv an die selbstorganisierte Monolage anziehen kann, und dies stellt eine Beschränkung der Beteiligung von Wassergehalt und ähnlichem enthaltenen Luftblasen auf der selbstorganisierten Monolage sicher, wenn die Wärmeabführungsschmiere aufgetragen bzw. angeordnet wird. Diese Vermutungen beschränken diese Ausführungsform nicht. Die Hydrophobizität der Schwanzgruppe verstärkt bzw. verbessert die Wirkung, die Wärmeabführungsschmiere auf der Elementoberfläche zu halten, und bewirkt, dass die Wärmeabführungsschmiere kaum abgetragen (Desorption) wird. In einigen Ausführungsformen weist die selbstorganisierte Monolage, welche aus dem SAM-bildenden Material, welches die Schwanzgruppe mit der Hydrophobizität aufweist, gebildet wurde, einen Wasserkontaktwinkel von 70° oder mehr, in einigen Ausführungsformen 75° oder mehr, und in einigen Ausführungsformen 80° oder mehr auf. Die Schwanzgruppe mit der Hydrophobizität umfasst zum Beispiel eine substituierte oder unsubstituierte aliphatische Gruppe oder eine substituierte oder unsubstituierte aromatische Gruppe. Die Kohlenstoffzahl der aliphatischen Gruppe ist zum Beispiel 1 bis 30, in einigen Ausführungsformen 3 bis 28, und in einigen Ausführungsformen 5 bis 26. Die aliphatische Gruppe kann eine gesättigte aliphatische Gruppe, oder kann eine ungesättigte aliphatische Gruppe sein. Die aliphatische Gruppe kann die Gestalt einer geraden Kette aufweisen, kann die Gestalt einer verzweigten Kette aufweisen oder kann eine Ringform aufweisen. Die aliphatische Gruppe kann einen Ring (zum Beispiel einen Cyclo-Ring (Cyclohexyl-Ring und ähnliches)) bilden, wobei zumindest ein Teil nicht-aromatisch ist. Die Kohlenstoffzahl der aromatischen Gruppe ist beispielsweise 5 bis 30, und in einigen Ausführungsformen 6 bis 28. Ein Teil der Kohlenstoff-Atome, welche die aliphatische Gruppe (zum Beispiel Kohlenstoff-Atome, welche eine Hauptkette der aliphatischen Gruppe bilden) bilden, können durch Heteroatome (wie Stickstoff-Atome, Sauerstoff-Atome, Schwefel-Atome, oder ähnliches) substituiert bzw. ausgetauscht sein. Ein Teil der Kohlenstoff-Atome, welche die aromatische Gruppe (zum Beispiel Kohlenstoff-Atome, welche den aromatischen Ring bilden) bilden, können durch Heteroatome (wie Stickstoff-Atome, Sauerstoff-Atome, Schwefel-Atome, oder ähnliches) substituiert bzw. ausgetauscht sein. Der Substituent umfasst beispielsweise eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoff-Gruppe, welche die Kohlenstoffzahl von 1 bis 12 (eine Methyl-Gruppe, eine Ethyl-Gruppe, oder ähnliches), eine Amino-Gruppe (zum Beispiel, Mono- oder Dialkylamino-Gruppe, wie eine Dimethylamino-Gruppe oder ähnliches), ein Halogen-Atom (zum Beispiel, Fluor-Atom), und eine Epoxy-Gruppe aufweist. In einigen Ausführungsformen ist der Substituent eine Alkyl-Gruppe (zum Beispiel die Kohlenstoffzahl von 1 bis 4).
In einigen Ausführungsformen umfasst eine beispielhafte Schwanzgruppe die aliphatische Gruppe, welche die Kohlenstoffzahl von 10 oder mehr (typischerweise 10 bis 30) aufweist. In einigen Ausführungsformen ist die aliphatische Gruppe die geradkettige aliphatische Gruppe, welche die Kohlenstoffzahl von 10 bis 30 (typischerweise, eine Kohlenwasserstoff-Gruppe, wie eine Alkyl-Gruppe, eine Alkenyl-Gruppe, oder eine Alkinyl-Gruppe) aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist die aliphatische Gruppe die geradkettige Alkyl-Gruppe, welche die Kohlenstoffzahl von 10 bis 30 aufweist. Ein spezifisches Beispiel des SAM-bildenden Materials mit einer derartigen Schwanzgruppe umfasst n-Octadecyltrimethoxysilan (ODS), n-Octadecyltrichlorsilan, oder ähnliches.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die beispielhafte Schwanzgruppe eine substituierte oder unsubstituierte aromatische Gruppe (zum Beispiel, Benzolring). In einigen Ausführungsformen ist die Kohlenstoffzahl der aromatischen Gruppe 5 bis 30, und in anderen Ausführungsformen 6 bis 20. Die Schwanzgruppe ist zum Beispiel eine substituierte oder unsubstituierte Aryl-Gruppe. Der Substituent kann zum Beispiel durch eine gestättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoff-Gruppe, welche die Kohlenstoffzahl von 1 bis 12 (wie eine Methyl-Gruppe, eine Ethyl-Gruppe und ähnliches), eine Amino-Gruppe (zum Beispiel, Mono- oder Dialkylamino-Gruppe, wie eine Dimethylamino-Gruppe oder ähnliches), ein Halogen-Atom (zum Beispiel Fluor-Atom und Chlor-Atom) aufweist, veranschaulicht werden. Ein spezifisches Beispiel des SAM-bildenden Materials, welches eine derartige Schwanzgruppe aufweist, umfasst p-Aminophenyltrichlorsilan, p-Chlormethylphenyltrichlorsilan, oder ähnliches.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die beispielhafte Schwanzgruppe eine aliphatische Gruppe, welche die Epoxy-Gruppe als den Substituenten aufweist. Ein Teil der Kohlenstoff-Atome der aliphatischen Gruppe können durch Sauerstoff-Atome substituiert sein. In einigen Ausführungsformen wird die Alkyl-Gruppe (zum Beispiel, die Kohlenstoffzahl von 5 bis 30), welche die Epoxy-Gruppe als den Substituenten aufweist, verwendet, und ein Teil der Kohlenstoff-Atome der Alkyl-Gruppe können durch Sauerstoff-Atome substituiert bzw. ausgetauscht sein. Ein spezifisches Beispiel des SAM-bildenden Materials, welches eine derartige Schwanzgruppe aufweist, umfasst zum Beispiel 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan.
Das SAM-bildende Material kann zum Beispiel eine Verbindung mit einer Struktur, in welcher die vorstehend beschriebene Kopfgruppe und Schwanzgruppe an ein Kernatom, wie Silizium (Si) oder Titan (Ti) gebunden sind, umfassen. In einigen Ausführungsformen ist das SAM-bildende Material eine Verbindung (Organosiliziumverbindung), welche Silizium als das Kernatom umfasst. Ein spezifisches Beispiel des SAM-bildenden Materials umfasst eine organische Silanverbindung mit einer Struktur, in welcher mindestens eine Alkoxy-Gruppe (zum Beispiel, die Methoxy-Gruppe oder die Ethoxy-Gruppe) und mindestens eine Schwanzgruppe an das Silizium-Atom als das Kernatom gebunden sind. Insbesondere umfasst das SAM-bildende Material die Verbindung (wie Trimethoxysilan, Triethoxysilan, oder ähnliches) mit einer Struktur, in welcher drei Alkoxy-Gruppen (zum Beispiel, die Methoxy-Gruppe oder die Ethoxy-Gruppe) und eine Schwanzgruppe an das Silizium-Atom als das Kernatom gebunden sind. Zum Beispiel führt das Ausführen einer Hydrolyse an der Alkoxysilyl-Gruppe zu einer Silanol-Gruppe (Si-OH), um die Bildung der kovalenten Bindung mit der funktionellen Gruppe (zum Beispiel, eine OH-Gruppe), welche auf der Elementoberfläche vorliegt, zu ermöglichen.
In dieser Ausführungsform als das spezifische Beispiel umfasst das SAM-bildende Material die durch die nachstehenden Formeln (I) bis (V) dargestellten Verbindungen. Die aus diesen Verbindungen gebildeten SAM weisen die hohe Hydrophobizität auf (lipophile Eigenschaft). CH₃-(CH₂)₁-Si(OA)₃ (I) [CH₃-(CH₂)₁]₂-Si(OA)₂ (II) [CH₃-(CH₂)₁]₃-SiOA (III) CH₃-(CH₂)_m-COO-(CH₂)_n-Si(OA)₃ (IV) CH₃-(CH₂)_m-O-(CH₂)_n-Si(OA)₃ (V)
In den Formeln (I) bis (V), ist „1“ eine ganze Zahl von 0 bis 23, in einigen Ausführungsformen eine ganze Zahl von 1 bis 21 und in einigen Ausführungsformen eine ganze Zahl von 2 bis 19. „m“ ist eine ganze Zahl von 0 bis 17, und in einigen Ausführungsformen eine ganze Zahl von 1 bis 15. „n“ ist eine ganze Zahl von 0 bis 16, und in einigen Ausführungsformen eine ganze Zahl von 1 bis 14. A gibt die Alkyl-Gruppe mit der Kohlenstoffzahl von 1 bis 4 an, und ist in einigen Ausführungsformen die Methyl-Gruppe (Methoxy-Gruppe) oder die Ethyl-Gruppe (Ethoxy-Gruppe).
Die organische Silanverbindung, welche die hydrophobe Gruppe aufweist, kann beispielsweise umfassen: Octadecyltriethoxysilan, Octadecyltrimethoxysilan, Octadecyltrichlorsilan, Octadecylmethoxydichlorsilan, 3-Butenyltriethoxysilan, 3-Butenyltrimethoxysilan, 3-Butenyltrichlorsilan, n-Butyltriethoxysilan, n-Butyltrimethoxysilan, n-Butyltrichlorsilan, n-Decyltriethoxysilan, n-Decyltrimethoxysilan, n-Decyltrichlorsilan, n-Decylmethyldiethoxysilan, n-Decylmethyldimethoxysilan, n-Decylmethyldichlorsilan, Diethyldiethoxysilan, Diethyldimethoxysilan, Diethyldichlorsilan, Isooctadecyltriethoxysilan, Isooctadecyltrimethoxysilan, Isooctadecyltrichlorsilan, Dihexyldiethoxysilan, Dihexyldimethoxysilan, Dihexyldichlorsilan, Dioctyldiethoxysilan, Dioctyldimethoxysilan, Dioctyldichlorsilan, Docosenyltriethoxysilan, Docoseniltrimethoxysilan, Docoseniltrichlorsilan, Docosylmethyldiethoxysilan, Docosylmethyldimethoxysilan, Docosylmethyldichlorsilan, Dodecylmethyldiethoxysilan, Dodecylmethyldimethoxysilan, Dodecylmethyldichlorsilan, Dodecyltriethoxysilan, Dodecyltrimethoxysilan, Dodecyltrichlorsilan, Eicosyltriethoxysilan, Eicosyltrimethoxysilan, Eicosyltrichlorsilan, Ethyltriethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Ethyltrichlorsilan, Heptyltriethoxysilan, Heptyltrimethoxysilan, Heptyltrichlorsilan, Hexadecyltriethoxysilan, Hexadecyltrimethoxysilan, Hexadecyltrichlorsilan, Hexyltriethoxysilan, Hexyltrimethoxysilan, Hexyltrichlorsilan, Isobutyltriethoxysilan, Isobutyltrimethoxysilan, Isobutyltrichlorsilan, 3-Methoxypropyltriethoxysilan, 3-Methoxypropyltrimethoxysilan, 3-Methoxypropyltrichlorsilan, Methyltriethoxysilan, Methyltrimethoxysilan, Methyltrichlorsilan, Methyltripropoxysilan, Methyltris(methoxyethoxy)silan, Nonyltriethoxysilan, Nonyltrimethoxysilan, Nonyltrichlorsilan, Octyltriethoxysilan, Octyltrimethoxysilan, Octyltrichlorsilan, Pentyltriethoxysilan, Pentyltrimethoxysilan, Pentyltrichlorsilan, Propyltriethoxysilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltrichlorsilan, Tetradecyltriethoxysilan, Tetradecyltrimethoxysilan, Tetradecyltrichlorsilan, Undecyltriethoxysilan, Undecyltrimethoxysilan, Undecyltrichlorsilan, 7-Octenyltriethoxysilan, 7-Octenyltrimethoxysilan, und 7-Octenyltrichlorsilan. Unter diesen Verbindungen, hinsichtlich des Aspektes der Leichtigkeit der Handhabbarkeit und Sicherheit, werden in einigen Ausführungsformen Octadecyltriethoxysilan, Octadecyltrimethoxysilan, Isooctadecyltriethoxysilan, und Isooctadecyltrimethoxysilan verwendet.
Ein Verfahren zur Bildung des SAM-bildenden Materials auf der Elementoberfläche ist nicht besonders beschränkt, aber, zum Beispiel kann ein Gasphasen-Verfahren oder ein Flüssigphasen-Verfahren verwendet werden. Bei dem Gasphasen-Verfahren ist zum Beispiel die Elementoberfläche dem Dampf, welches das SAM-bildende Material (zum Beispiel, eine organische Silanverbindung) enthält, für eine gewisse Zeitspanne ausgesetzt, und somit kann die SAM gebildet werden. Bei dem Flüssigphasen-Verfahren wird zum Beispiel die Elementoberfläche in eine Lösung, welche das SAM-bildende Material (zum Beispiel, eine organische Silanverbindung) enthält, für eine gewisse Zeitspanne eingetaucht, und somit kann die SAM gebildet werden.
Eine Vorbehandlung kann auf dem Element vor der Bildung der SAM auf der Elementoberfläche ausgeführt werden. Die Vorbehandlung umfasst zum Beispiel eine Behandlung zur Einführung einer Hydroxyl-Gruppe auf die Elementoberfläche. Die Verwendung des Elements, in welcher eine derartige Vorbehandlung ausgeführt wurde, stellt die effiziente Bildung der hoch-qualitativen (zum Beispiel, hoch-ausgerichtet bzw. hochorientiert) SAM auf der Elementoberfläche sicher. Ein Verfahren zur Einführung der Hydroxyl-Gruppe umfasst zum Beispiel ein Verfahren, in welchem die Elementoberfläche mit einem Vakuum-Ultraviolettlicht (nachstehend auch als das „VUV“ bezeichnet) unter einer Sauerstoff (typischerweise, Sauerstoff-Molekül (O₂)) enthaltenden Atmosphäre bestrahlt wird. Zum Beispiel wird die Elementoberfläche mit dem VUV in einer entkomprimierten bzw. entspannten Atmosphäre (zum Beispiel in einigen Ausführungsformen ungefähr 1 Pa bis 1500 Pa, und ungefähr 10 Pa bis 1000 Pa) bestrahlt, und somit kann die Hydroxyl-Gruppe an die Elementoberfläche eingeführt werden. Somit kann das Element, welches die zur Bildung der SAM geeignete Oberfläche aufweist, hergestellt werden.
(Wärmeabführungsschmiere)
Die Wärmeabführungsschmiere ist zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element angeordnet, während sie in Kontakt mit der selbstorganisierten Monolage ist.
Die Wärmeabführungsschmiere ist nicht besonders beschränkt. Die Wärmeabführungsschmiere ist eine Schmiere, welche eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, und kann hinsichtlich der Wärmeableitungsfähigkeit und Viskosität geeignet ausgewählt werden. Die Wärmeableitungsschmiere ist eine Schmierpaste oder eine Verbindungspaste, welche zum Beispiel durch Mischen einer Kombination aus einem Bindemittel bzw. Dickungsmittel und einem wärmeleitfähigen Füllstoff oder dem wärmeleitfähigen Füllstoff mit einer verdickenden Wirkung mit dem Basisöl erhalten wird. Das Basisöl ist nicht besonders beschränkt, sondern verschiedene synthetische Öle, wie ein Mineralöl, ein Ester-basiertes synthetisches Öl, ein synthetisches Kohlenwasserstofföl, ein Silikonöl, oder ein fluoriertes Öl können verwendet werden. Unter diesen wird in einigen Ausführungsformen das Mineralöl, das synthetische Kohlenwasserstofföl, oder das Silikonöl verwendet. Das Mineralöl, das synthetische Kohlenwasserstofföl, und das Silikonöl sind ausgezeichnet in der Wärmebeständigkeit des Basisöls hinsichtlich des Aspekts der langen Schmier-Lebensdauer der Schmiere.
Eine Füllstoffmenge der Wärmeabführungsschmiere ist nicht besonders beschränkt, aber kann geeignet gemäß einer Größe und einer Fläche eines Raumes zwischen dem ersten Element (zum Beispiel, das Wärmeerzeugungselement) und dem zweiten Element (zum Beispiel, das Wärmeabführungselement) bestimmt werden.
(Struktur)
In der Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform ist die selbstorganisierte Monolage auf der Oberfläche von zumindest einem des ersten Elements und des zweiten Elements gebildet, und die Wärmeabführungsschmiere ist zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element angeordnet, während diese die selbstorganisierten Monolage berührt. Eine Beschreibung der spezifischen Konfiguration bzw. Anordnung der Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform wird mit Bezug zu 1A bis 1C gegeben.
1A ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine beispielhafte Anordnung bzw. Konfiguration der Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform darstellt. In der Wärmeleitungsstruktur der in 1A dargestellten Ausführungsform ist eine erste selbstorganisierte Monolage 103a auf der Oberfläche eines ersten Elements 101 angeordnet, eine Wärmeabführungsschmiere 104 ist auf der ersten selbstorganisierten Monolage 103a aufgebracht, und ein zweites Element 102 ist auf der Wärmeabführungsschmiere 104 angeordnet. Das heißt, in einer Ausführungsform ist die erste selbstorganisierte Monolage 103a auf dem ersten Element 101 angeordnet, und die Wärmeabführungsschmiere 104 ist zwischen der ersten selbstorganisierten Monolage 103a und dem zweiten Element 102 aufgebracht. In dieser Ausführungsform ist die selbstorganisierte Monolage lediglich auf der Oberfläche des ersten Elements angeordnet, und ist nicht auf der Oberfläche des zweiten Elements angeordnet.
1B ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine beispielhafte Anordnung bzw. Konfiguration der Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform darstellt. In der Wärmeleitungsstruktur der in 1B dargestellten Ausführungsform ist die Wärmeabführungsschmiere 104 auf der Oberfläche des ersten Elements 101 aufgebracht, eine zweite selbstorganisierte Monolage 103b ist auf der Wärmeabführungsschmiere 104 aufgetragen, und das zweite Element 102 ist auf der zweiten selbstorganisierten Monolage 103b angeordnet. Das heißt, in einer Ausführungsform ist die zweite selbstorganisierte Monolage 103b auf dem zweiten Element 101 angeordnet, und die Wärmeabführungsschmiere 104 ist zwischen der zweiten selbstorganisierten Monolage 103b und dem ersten Element 101 aufgebracht. In dieser Ausführungsform ist die selbstorganisierte Monolage lediglich auf der Oberfläche des zweiten Elements angeordnet, und ist nicht auf der Oberfläche des ersten Elements angeordnet.
1C ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine beispielhafte Anordnung bzw. Konfiguration der Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform darstellt. In der Wärmeleitungsstruktur der in 1C dargestellten Ausführungsform ist die erste selbstorganisierte Monolage 103a auf der Oberfläche des ersten Elements 101 aufgebracht, die Wärmeabführungsschmiere 104 ist auf der ersten selbstorganisierten Monolage 103a aufgetragen, die zweite selbstorganisierte Monolage 103b ist auf der Wärmeabführungsschmiere 104 angeordnet, und das zweite Element 102 ist auf der zweiten selbstorganisierten Monolage 103b angeordnet. Das heißt, in einer Ausführungsform sind die erste selbstorganisierte Monolage 103a und die zweite selbstorganisierte Monolage 103b jeweils auf dem ersten Element 101 und dem zweiten Element 102 angeordnet, und die Wärmeabführungsschmiere 104 ist zwischen der ersten selbstorganisierten Monolage 103a und der zweiten selbstorganisierten Monolage 103b aufgebracht. In dieser Ausführungsform ist die selbstorganisierte Monolage auf jeder Oberfläche des ersten Elements und der Oberfläche des zweiten Elements angeordnet. Die erste selbstorganisierte Monolage und die zweite selbstorganisierte Monolage sind gegenseitig unabhängig, und können aus einem identischen Material gebildet werden oder können aus verschiedenen Materialien gebildet werden. Selbst wenn die Wärmeabführungsschmiere in den Anordnungen bzw. Konfigurationen der 1A bis 1C aufgetragen ist, wird angenommen, dass die Wärmeübertragung verbessert ist.
Die Anordnung bzw. Konfiguration dieser Ausführungsform stellt die verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element sicher. Als der Grund für die verbesserte Wärmeübertragung werden die nachstehenden Gründe angenommen. Da die selbstorganisierte Monolage auf der Elementoberfläche regelmäßig ausgerichtet und an die Elementoberfläche chemisch gebunden ist, kann die Wärme vom Element effizient über die Bewegung der Phononen empfangen werden. Die selbstorganisierte Monolage, welche auf der Elementoberfläche regelmäßig ausgerichtet ist, kann die Wärme auf die Wärmeabführungsschmiere übertragen. Insbesondere dringt, wie vorstehend beschrieben, wenn die selbstorganisierte Monolage die hydrophobe Gruppe aufweist, die hydrophobe Gruppe in die Wärmeabführungsschmiere ein, und deshalb wird angenommen, dass die Wärmeübertragung wirksam bzw. effektiv auftritt. In einigen Fällen bleiben bei dem herkömmlichen Verfahren, in welchem die Wärmeabführungsschmiere einfach auf die Elementoberfläche aufgetragen ist, Bläschen bzw. Blasen auf der Unebenheit auf dem Element. Die Bläschen, welche auf der Unebenheit verbleiben, verringern die Neigung der Wärmeabführungsschmiere, die Elementoberfläche an dem Bereich zu berühren, und somit sinkt die Wärmeübertragung bzw. Wärmeleitung. Währenddessen kann, als diese Ausführungsform, die Bildung der selbstorganisierten Monolage auf der Elementoberfläche die Luftbläschen und ähnliches bewahren in der Unebenheit auf der Elementoberfläche gefangen zu sein. Durch den vorstehend beschriebenen Grund wird angenommen, dass die Wärmeübertragung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element verbessert ist. Die Vermutung beschränkt diese Ausführungsform nicht.
Halbleitervorrichtung
Das Nachstehende beschreibt die beispielhafte Anordnung bzw. Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform mit Bezug zur Zeichnung. 2 ist eine Perspektivansicht einer Halbleitervorrichtung 2. Die Halbleitervorrichtung 2 ist eine Einheit, bei welcher eine Mehrzahl an Leistungskarten 10 und eine Mehrzahl an Kühlern 3 gestapelt sind. In 2 ist das Bezugszeichen 10 auf lediglich einer Leistungskarte aufgebracht, und Bezugszeichen auf den anderen Leistungskarten sind weggelassen. Ähnlicher wie in 2 ist das Bezugszeichen 3 auf lediglich einem Kühler aufgebracht, und Bezugszeichen auf den anderen Kühlern wurden weggelassen. Zur Ansicht der gesamten Halbleitervorrichtung 2, ist ein Gehäuse 31, welches die Halbleitervorrichtung 2 beherbergt, mittels virtuellen Linien dargestellt. Die eine Leistungskarte 10 ist zwischen den zwei Kühlern 3 sandwichartig angeordnet. Eine Isolierplatte 6a ist zwischen der Leistungskarte 10 und einen Kühler 3 sandwichartig angeordnet, und eine Isolierplatte 6b ist zwischen der Leistungskarte 10 und dem anderen Kühler 3 sandwichartig angeordnet. Die Schmieren 20a und 20b (siehe 3) sind zwischen der Leistungskarte 10 und den Isolierplatten 6a und 6b aufgetragen. Schmieren 9a und 9b (siehe 3) sind zwischen der Leistungskarte 10 und den Isolierplatten 6a und 6b auf dem Kühler 3 aufgetragen. In 2 sind die Darstellungen der Schmieren ausgelassen. Zur leichten Verständlichkeit stellt 2 die eine Leistungskarte 10 und die Isolierplatten 6a und 6b extrahiert von der Halbleitervorrichtung 2 dar.
Die eine Leistungskarte 10 beherbergt vier Halbleitervorrichtungen. Die vier Halbleitervorrichtungen sind insbesondere zwei Transistoren Ta und Tb und zwei Dioden Da und Db. Die Halbleitervorrichtungen werden mittels einem Kühlmittel gekühlt, welches durch die Kühler 3 strömt. Das Kühlmittel ist eine Flüssigkeit, typischerweise Wasser.
Sowohl die Leistungskarte 10 als auch der Kühler 3 sind vom Flachplatten-Typ, und derart gestapelt, dass sich flache Oberflächen, welche größtmögliche bzw. maximale Flächen unter einer Mehrzahl der Seitenoberflächen aufweisen, wechselseitig bzw. von beiden Seiten gegenüberstehen. Die Leistungskarten 10 und die Kühler 3 sind abwechselnd gestapelt, und die Kühler 3 sind an beiden Enden in einer Stapelrichtung der Einheit angeordnet. Die Mehrzahl an Kühlern 3 sind mittels Verbindungsleitungen 5a und 5b verbunden. Eine Kühlmittel-Zuleitung 4a und eine Kühlmittel-Ableitung 4b sind mit dem Kühler 3, welcher an dem einen Ende in der Stapelrichtung der Einheit angeordnet ist, verbunden. Das durch die Kühlmittel-Zuleitung 4a zugeführte Kühlmittel wird an jeden Kühler 3 mittels der Verbindungsleitung 5a verteilt. Das Kühlmittel absorbiert die Wärme von der benachbarten Leistungskarte 10 während es durch jeden Kühler 3 fließt bzw. durchströmt. Das Kühlmittel, welches durch jeden Kühler 3 geflossen bzw. geströmt ist, strömt bzw. fließt durch die Verbindungsleitung 5b und wird von der Kühlmittel-Ableitung 4b abgegeben bzw. entlassen.
Wenn die Halbleitervorrichtung 2 in Gehäuse 31 beherbergt ist, wird eine Blattfeder 32 auf der Seite des anderen Endes in der Stapelrichtung der Einheit eingefügt. Die Blattfeder 32 überträgt Last von beiden Seiten in der Stapelrichtung auf die Einheit, wobei die Leistungskarte 10, die Isolierplatten 6a und 6b, und die Kühler 3 gestapelt sind. Die Last ist beispielsweise 1 bis 10 [kN]. Die Schmieren 20a und 20b sind zwischen den Isolierplatten 6a und 6b, und der Leistungskarte 10 aufgetragen. Die Lasteinleitung dehnt bzw. expandiert die Schicht der Schmiere, um sie dünn zu machen, wobei die Wärmeleitungseffizienz bzw. der Wirkungsgrad der Wärmeleitung von der Leistungskarte 10 zum Kühler 3 verbessert wird. Die Leistungskarte 10 weist flache Oberflächen 10a und 10b auf, auf welchen jeweils selbstorganisierte Monolagen (nicht dargestellt) gebildet sind. Die Bildung der selbstorganisierten Monolage stellt die verbesserte Leitung der Wärme sicher, welche in der Leistungskarte 10 der Schmieren 20a und 20b erzeugt wurden. Die Isolierplatten 6a und 6b entziehen der Leistungskarte 10 direkt die Wärme. Deshalb dienen in dieser Ausführungsform die Isolierplatten 6a und 6b als die Wärmeableitungselemente.
In der Halbleitervorrichtung 2 wird die selbstorganisierte Monolage auf der Oberfläche der Leistungskarte 10, welche die Halbleitervorrichtungen (jede Vorrichtung Ta, Tb, Da, und Db) beherbergt, gebildet, und die Schmieren 20a und 20b sind zwischen den selbstorganisierten Monolagen und den Isolierplatten 6a und 6b angeordnet. In der anderen Ausführungsform müssen die selbstorganisierten Monolagen nicht auf den flachen Oberflächen 10a und 10b der Leistungskarte 10 gebildet sein, sondern auf den Oberflächen der Isolierplatten 6a und 6b. In der anderen Ausführungsform kann die selbstorganisierte Monolage ebenso auf den Oberflächen der Isolierplatten 6a und 6b zusätzlich zu den flachen Oberflächen 10a und 10b der Leistungskarte 10 gebildet sein. In der anderen Ausführungsform kann die selbstorganisierte Monolage auf den Oberflächen der Isolierplatten 6a und 6b und/oder auf der Oberfläche des Kühlers 3 gebildet sein.
Es wird die Leistungskarte 10 beschrieben. Die Leistungskarte 10 umfasst die Wärmeabführungsplatten bzw. Wärmeabfuhrplatten 16a und 16b, welche auf der einen flachen Oberfläche 10a ausgesetzt bzw. angeordnet sind, welche der Isolierplatte 6a zugewandt ist. Wie vorstehend beschrieben, ist die selbstorganisierte Monolage auf der flachen Oberfläche 10a gebildet, und die Schmiere 20a ist zwischen der selbstorganisierten Monolage und der Isolierplatte 6a angeordnet. Eine andere Wärmeabführungsplatte 17 (nicht in 2 dargestellt) ist auf der flachen Oberfläche 10b auf der gegenüberliegenden Seite der flachen Oberfläche 10a ausgesetzt bzw. angeordnet. Die selbstorganisierte Monolage ist auf der flachen Oberfläche 10b gebildet, und die Schmiere 20b ist zwischen der selbstorganisierten Monolage und der Isolierplatte 6b angeordnet. Drei Elektrodenanschlüsse 7a, 7b, und 7c erstrecken sich von einer Deckfläche (Oberfläche, welche einer positiven Richtung einer Z-Achse in der Zeichnung zugewandt ist) der Leistungskarte 10, und Steueranschlüsse 29 erstrecken sich von einer unteren Oberfläche (Oberfläche, welche einer negativen Richtung der Z-Achsenrichtung in der Zeichnung zugewandt ist).
Es wird eine Beschreibung der Struktur zwischen der Leistungskarte 10 und dem Kühler 3 mit Bezug zu 3 gegeben. 3 ist eine Querschnittsansicht der Leistungskarte 10 von 2, entlang der Ebene parallel zur XY-Fläche des Koordinatensystems in der Zeichnung und der Ebene durch die Transistoren Ta und Tb.
Zuerst wird die innere Struktur der Leistungskarte 10 beschrieben. Die vier Halbleitervorrichtungen (Transistoren Ta und Tb, Dioden Da und Db) sind in einer Harzverpackung 13 beherbergt. Die Verpackung 13 wird durch Spritzguss gebildet und verschließt die Halbleitervorrichtungen. In der nachstehenden Beschreibung werden in einigen Fällen die flachen Oberflächen 10a und 10b der Leistungskarte 10 als die flachen Oberflächen 10a und 10b der Verpackung 13 bezeichnet. In der Ausführungsform, welche in der Zeichnung dargestellt ist, weisen die flachen Oberflächen 10a und 10b Teile einschließlich metallische Wärmeabführungsplatten und Harzverpackungsteile auf, und die selbstorganisierten Monolagen sind auf dem gesamten Bereich der flachen Oberflächen 10a und 10b einschließlich dieser Teile gebildet.
Die Halbleitervorrichtungen sind jeweils ein flacher Chip. Der Chip des Transistors Ta (Tb) weist eine flache Oberfläche auf, auf welcher eine Kollektorelektrode ausgesetzt ist, und die andere flache Oberfläche, auf welcher eine Emitterelektrode ausgesetzt ist. Die Elektrode auf der einen flachen Oberfläche des Transistors Ta ist mit einer Rückseite der Wärmeabführungsplatte 16a mit Lötzinn 15 verbunden. Die Wärmeabführungsplatte 16a weist eine Vorderseite auf, welche auf der flachen Oberfläche 10a der Verpackung 13 ausgesetzt ist. Die Elektrode auf der anderen flachen Oberfläche des Transistors Ta ist mit einer Rückseite der Wärmeabführungsplatte 17 über einen leitfähigen Abstandhalter bzw. Spacer 14 mit dem Lötzinn 15 verbunden. Die Wärmeabführungsplatte 17 weist eine Stirnfläche bzw. Vorderseite auf, welche auf der flachen Oberfläche 10b der Verpackung 13 ausgesetzt ist. Der Transistor Ta (Tb) umfasst eine Gate-Elektrode, welche an dem Ende der einen flachen Oberfläche des Chips angeordnet ist. Ähnlich wie der Transistor Ta, umfasst der Transistor Tb jeweils Elektroden, welche mit der Wärmeabführungsplatte 16b und der Wärmeabführungsplatte 17 unter Verwendung des Lötzinns 15 und des Abstandshalters bzw. Spacers 14 verbunden sind.
Die Wärmeabführungsplatte 16a ist ein Teil des Elektrodenanschlusses 7a. Der Elektrodenanschluss 7a, welches die Elektrode des Transistors Ta mit einer externen anderen Vorrichtung verbindet, weist einen Teil auf, welcher auf der flachen Oberfläche 10a der Verpackung 13 ausgesetzt ist, und der Teil entspricht der Wärmeabführungsplatte 16a. Da der Elektrodenanschluss 7A in Kontakt mit der Elektrode des Transitors Ta ist, überträgt der Elektrodenanschluss 7a die Wärme im Inneren des Transistors Ta leicht. Währenddessen ist es erforderlich, da der Kühler 3 aus Aluminium (leitfähiges Metall) ist, dass der Kühler 3 von der Wärmeabführungsplatte 16a isoliert ist. Deshalb umfasst die Halbleitervorrichtung 2 die Isolierplatte 6a, welche zwischen dem Kühler 3 und der Wärmeabführungsplatte 16a (Leistungskarte 10) sandwichartig angeordnet ist. Die Isolierplatten 6a und 6b sind aus dünnem, hoch-isolierendem, und hoch-wärmeleitfähigem Keramik. Die Wärmeabführungsplatte 16a (Elektrodenanschluss 7a) und der Abstandhalter bzw. Spacer 14 sind aus hoch-leitfähigem und hoch-wärmeleitfähigem Kupfer. Dasselbe trifft für Wärmeabführungsplatte 16b und die Wärmeabführungsplatte 17 zu.
Ähnlich wie die Wärmeabführungsplatte 16a, sind die Wärmeabführungsplatten 16b und 17 jeweils Teile bzw. Bestandteile der Elektrodenanschlüsse 7b und 7c. Ähnlich wie die Transistoren Ta und Tb, sind die Dioden Da und Db flache Chips. Die Elektroden, welche auf den Deckflächen der Dioden Da und Db ausgesetzt sind, sind an die Wärmeabführungsplatten 16a, 16b, und 17, ähnlich wie die Transistoren Ta und Tb, gebunden.
Wie in 3 dargestellt, wird die selbstorganisierte Monolage (nicht dargestellt) auf der Deckfläche 10a der Leistungskarte 10 gebildet, und die Schmiere 20a wird über die selbstorganisierte Monolage aufgetragen. Die Schmiere 20a wird über die gesamten Deckflächen der Wärmeabführungsplatte 16a und der Wärmeabführungsplatte 16b aufgetragen, und zwischen der Deckfläche 10a der Verpackung 13 und der Isolierplatte 6a aufgetragen. Ähnlich wird die selbstorganisierte Monolage auf der Deckfläche 10b der Leistungskarte 10 gebildet, und die Schmiere 20b wird über die selbstorganisierte Monolage aufgetragen. Das heißt, die Schmiere 20b wird ähnlich der Schmiere 20a ebenso zwischen der Wärmeabführungsplatte 17 und der Isolierplatte 6b aufgetragen.
Die Schmiere 9a ist zwischen der Isolierplatte 6a und dem Kühler 3 angeordnet. Ähnlich ist ebenso die Schmiere 9b zwischen der Isolierplatte 6b und dem Kühler 3 angeordnet. Die Isolierplatten 6a und 6b sind beispielsweise aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumnitrid (A1N) hergestellt.
Die Halbleitervorrichtung 2 ist auf einen Wechselrichter eines Antriebssystems in einem Elektrofahrzeug anwendbar (zum Beispiel Hybrid-Fahrzeug).
[Beispiele]
Das Nachstehende beschreibt einige Beispiele, welche diese Ausführungsform betreffen, während diese Ausführungsform nicht durch die Beispiele beschränkt ist.
(Beispiel 1)
Als Vorrichtungen bzw. Geräte zum Messen der Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragung wurden das erste Messwerkzeug 51 und das zweite Messwerkzeug 52 hergestellt bzw. hergerichtet. Das erste Messwerkzeug 51 umfasst einen Kühlabschnitt 5 1a als einen Abschnitt, welcher in bzw. während der Messung der Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragung gekühlt wird, und einen ersten Säulenabschnitt 51b. Das erste Messwerkzeug 51 ist aus Aluminium. Das zweite Messwerkzeug 52 umfasst einen Wärmeabschnitt 52a als einen Abschnitt, welcher in bzw. während der Messung der Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragung erwärmt wird, und einen zweiten Säulenabschnitt 52b. Das zweite Messwerkzeug 52 ist aus Aluminium. Der erste Säulenabschnitt 51b und der zweite Säulenabschnitt 52b weisen eine Mehrzahl an Messlöchern (nicht dargestellt) auf, um einen Thermofühler entlang einer Dickenrichtung anzuordnen.
3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan (GOPTS) wurde als das SAM-bildende Material verwendet, und die SAM wurde auf einer Deckfläche des ersten Säulenabschnitts 51b des ersten Messwerkzeugs 51 (aus Aluminium), welche in 4 dargestellt ist, in der nachstehenden Reihenfolge gebildet. Die Strukturformel von GOPTS ist nachstehend angegeben.
Zuerst wird Ultraschall-Reinigung mit Aceton auf der Deckfläche des ersten Säulenabschnitts 51b für 10 Minuten ausgeführt, anschließend wurde die Ultraschall-Reinigung mit Ethanol für 10 Minuten ausgeführt, und ferner wird die Ultraschall-Reinigung mit Reinstwasser für 10 Minuten ausgeführt.
Als nächstes wird die Deckfläche des ersten Säulenabschnitts 51b mit dem Vakuum-Ultraviolettlicht (VUV), welches von einer Excimer-Lampe ausgesendet wird, für 20 Minuten bei Raumtemperatur unter Atmosphärendruck bestrahlt. Mit einer derartigen VUV-Strahlung wurde die Deckfläche gereinigt und eine OH-Gruppe wurde auf der Deckfläche eingeführt.
Das erste Messwerkzeug 51, welches durch die VUV-Bestrahlung behandelt wurde, wurde in einem Reaktionsgefäß vom Teflon-Typ (eingetragener Handelsname) beherbergt, in einen elektrischen Ofen eingebracht, und bei 150 °C für 10 Minuten erwärmt. Somit wurde adsorbiertes Wasser vom Reaktionsgefäß und dem ersten Messwerkzeug 51 entfernt.
Das erste Messwerkzeug 51 und das Reaktionsgefäß, auf welchem eine derartige Wärmebehandlung ausgeführt wurde, wurden in eine Glovebox überführt, in welcher die Feuchtigkeit bei 7 bis 12 % (relative Feuchtigkeit bei 25 °C) gehalten wurde. In der Glovebox wurde das erste Messwerkzeug 51 derart befestigt, dass das erste Messwerkzeug 51 auf einem Substrat-Halter, welcher sich auf dem Bodenteil bzw. der Unterseite des Reaktionsgefäßes befindet, angeordnet wurde, während das erste Messwerkzeug 51 die Deckfläche oben aufwies. Beim ersten Messwerkzeug 51 wurde das SAM-bildende Material (GOPTS), welches in einen Glas-Behälter gestellt wurde, in das Reaktionsgefäß gegeben. Das heißt, das erste Messwerkzeug 51 und das SAM-bildende Material wurden im Reaktionsgefäß beherbergt, und das Reaktionsgefäß wurde verschlossen.
Das verschlossene Reaktionsgefäß wurde in den elektrischen Ofen bei 150 °C für drei Stunden gehalten, das GOPTS wurde mittels chemischer Dampfabscheidung auf der Deckfläche des ersten Säulenabschnitts 51 abgeschieden, und die SAM wurde auf der Deckfläche gebildet. Anschließend wurde das Reaktionsgefäß aus dem elektrischen Ofen genommen und gekühlt. Das vorstehend beschriebene Verfahren stellte das erste Messwerkzeug 51 bereit, wobei die vom GOPTS abgeleitete SAM auf der Oberfläche gebildet wurde. Bei der Messung wies die SAM-Oberfläche einen Wasser-Kontaktwinkel von ungefähr 80° auf.
Als nächstes wurde die Wärmeabführungsschmiere (hergestellt von Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Produktname: X-23-7865-150) auf bzw. über die Deckfläche des zweiten Säulenabschnitts 52b des zweiten Messwerkzeugs 52 aufgetragen. Als nächstes wurde die Deckfläche des ersten Säulenabschnitts 51b, worauf die SAM gebildet wurde, und die Deckfläche des zweiten Säulenabschnitts 52b, worauf die Wärmeabführungsschmiere aufgetragen wurde, wie in 4 dargestellt, verbunden bzw. vereint, und ein vorbestimmter Druck wurde zwischen dem ersten Messwerkzeug 51 und dem zweiten Messwerkzeug 52 angelegt. In 4 bezeichnet das Bezugszeichen 53 die Wärmeabführungsschmiere. In 4 ist die SAM nicht dargestellt.
Als nächstes wurde der Kühlabschnitt 51a bei einer konstanten Temperatur gehalten, und der Wärmeabschnitt 52a wurde erwärmt, somit wurde ein konstanter Temperaturunterschied in der Dickenrichtung der Messwerkzeuge bewirkt. Der übertragene Wärmeflussrate bzw. Wärmestromrate wurde aus dem Temperaturgradient erhalten, und die Wärmebeständigkeit [°C/W] wurde aus dieser Wärmeflussrate bzw. Wärmestromrate berechnet. Das Ergebnis ist in 5 gezeigt. Im Graph von 5 gibt die Horizontalachse bzw. X-Achse den Druck [MPa] an und die Vertikalachse bzw. Y-Achse gibt die Wärmebeständigkeit [°C/W] an.
(Beispiel 2)
Die Wärmebeständigkeit [°C/W] wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen, außer, dass die Bestrahlungszeit des Vakuum-Ultraviolettlichts (VUV) 180 Minuten statt 20 Minuten betrug. Dieses Ergebnis ist in 5 angegeben.
(Vergleichsbeispiel 1)
Die Wärmebeständigkeit [°C/W] wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen, außer, dass das erste Messwerkzeug 51 ohne die SAM verwendet wurde. Das heißt, in Vergleichsbeispiel 1 ist die Wärmeabführungsschmiere zwischen den Deckflächen beider Messwerkzeuge angeordnet und die SAM wird nicht gebildet. Dieses Ergebnis ist in 5 angegeben.
(Vergleichsbeispiel 2)
Die Wärmebeständigkeit [°C/W] wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen, außer, dass das erste Messwerkzeug 51 ohne die SAM verwendet wurde und die Wärmeabführungsschmiere nicht angewandt wurde. Das heißt, in Vergleichsbeispiel 2 ist nichts zwischen den Deckflächen beider Messwerkzeuge angeordnet, und diese Deckflächen sind direkt in Kontakt. Das Ergebnis ist in 5 angegeben.
(Vergleichsbeispiel 3)
Die vom Octadecyltrimethoxysilan (ODS) abgeleitete SAM wurde auf der Deckfläche des ersten Messwerkzeuges 51 mit der ähnlichen Methode zu der von Beispiel 1 gebildet. Die Wärmebeständigkeit [°C/W] wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen, außer, dass das erste Messwerkzeug 51 mit der vom ODS abgeleiteten SAM verwendet wurde und die Wärmeabführungsschmiere nicht aufgetragen wurde. Das heißt, in Vergleichsbeispiel 3 ist die vom ODS abgeleitete SAM auf der Deckfläche des ersten Messwerkzeugs 51 gebildet und die SAM ist in Kontakt mit der Deckfläche des zweiten Messwerkzeugs 52. Das Ergebnis is in 6 angegeben.
(Vergleichsbeispiel 4)
Die vom Octadecyltrimethoxysilan (ODS) abgeleitete SAM wurde auf der Deckfläche des ersten Messwerkzeuges 51 und der Deckfläche des zweiten Messwerkzeugs 52 mit der ähnlichen Methode zu der von Beispiel 1 gebildet. Die Wärmebeständigkeit [°C/W] wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen, außer, dass das erste Messwerkzeug 51 und das zweite Messwerkzeug 52 mit der vom ODS abgeleiteten SAM verwendet wurden und die Wärmeabführungsschmiere nicht aufgetragen wurde. Das heißt, in Vergleichsbeispiel 4 sind die SAM auf den Deckflächen beider Messwerkzeuge gebildet, und beide SAM sind direkt in Kontakt. Das Ergebnis is in 6 angegeben.
(Vergleichsbeispiel 5)
Die Wärmebeständigkeit [°C/W] wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gemessen, außer, dass das erste Messwerkzeug 51 ohne die SAM verwendet wurde und die Wärmeabführungsschmiere nicht aufgetragen wurde. Das heißt, im Vergleichsbeispiel 5 ist nichts zwischen den Deckflächen beider Messwerkzeuge angeordnet, und diese Deckflächen sind direkt in Kontakt. Vergleichsbeispiel 5 entspricht Vergleichsbeispiel 2. Das Ergebnis ist in 6 angegeben.
Die in 5 und 6 angegebenen Ergebnisse zeigen, dass die Konfiguration der Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform die Wärmebeständigkeit verringert. Das heißt, dass die Wärmeleitungsstruktur gemäß dieser Ausführungsform die höhere Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragung aufweist.
Während die Ausführungsformen im Detail beschrieben wurden, ist die spezifische Konfiguration nicht auf die Ausführungsformen beschränkt. Designänderungen innerhalb eines Umfangs, welcher nicht vom Konzept der Offenbarung abweicht, sind in der Offenbarung umfasst.
Bezugszeichenliste

2: Halbleitervorrichtung
3: Kühler
4a: Kühlmittel-Zuleitung
4b: Kühlmittel-Ableitung
5a, 5b: Verbindungsleitung
6a, 6b: Isolierplatte
7a, 7b, 7c: Elektrodenanschluss
9a, 9b: Schmiere
10: Leistungskarte
10a, 10b: Flache Oberfläche
13: Verpackung
14: Abstandhalter bzw. Spacer
15: Lötzinn
16a, 16b, 17: Wärmeabführungsplatte
20a, 20b: Schmiere
29: Steuerungsanschluss
31: Behälter
32: Blattfeder
Da, Db: Diode
Ta, Tb: Transistor
51: Erstes Messinstrument
51a: Kühlabschnitt
51b: Erster Säulenabschnitt
52: Zweites Messinstrument
52a: Wärmeabschnitt
52b: Zweiter Säulenabschnitt
53: Wärmeabführungsschmiere
101: Erstes Element
102: Zweites Element
103a: Erste selbstorganisierte Monolage
103b: Zweite selbstorganisierte Monolage
104: Wärmeabführungsschmiere

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016162929 A [0004, 0008]
JP 2016162929 [0006]

Claims

Wärmeleitungsstruktur, wobei Wärme von einem ersten Element zu einem zweiten Element geleitet wird, umfassend: mindestens eine selbstorganisierte Monolage, welche auf mindestens einer Oberfläche des ersten Elements und des zweiten Elements gebildet ist; und eine Wärmeabführungsschmiere, welche zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element angeordnet ist, wobei die Wärmeabführungsschmiere mit mindestens einer selbstorganisierten Monolage in Kontakt ist.
Wärmeleitungsstruktur nach Anspruch 1, wobei mindestens eine selbstorganisierte Monolage aus einem SAM-bildenden Material, welches eine Kopfgruppe aufweist, gebildet ist, und die Kopfgruppe eine kovalente Bindung mit der Oberfläche des ersten Elements oder des zweiten Elements bildet.
Wärmeleitungsstruktur nach Anspruch 2, wobei die Kopfgruppe eine kovalente Bindung mit einer funktionellen Gruppe bildet, welche sich auf der Oberfläche des ersten Elements oder des zweiten Elements befindet.
Wärmeleitungsstruktur nach Anspruch 2 oder 3, wobei das SAM-bildende Material eine Schwanzgruppe zusätzlich zur Kopfgruppe aufweist, und die Schwanzgruppe Hydrophobizität aufweist.
Wärmeleitungsstruktur nach Anspruch 4, wobei mindestens eine selbstorganisierte Monolage einen Wasser-Kontaktwinkel von 70° oder mehr aufweist.
Wärmeleitungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das SAM-bildende Material eine organische Silanverbindung ist.
Wärmeleitungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wärmeabführungsschmiere ein Mineralöl, ein Ester-basiertes synthetisches Öl, ein synthetisches Kohlenwasserstofföl, ein Silikonöl, oder ein fluoriertes Öl als ein Basisöl enthält.
Wärmeleitungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Element ein Wärmeerzeugungselement ist, und das zweite Element ein Wärmeabführungselement ist.
Halbleitervorrichtung, welche die Wärmeleitungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, wobei das erste Element ein Halbleitermodul ist.