JP2000208679A - 化合物半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度サイクル試験に耐える信頼性の高いモジ
ュールを構成できる化合物半導体素子を提供する。 【解決手段】 化合物半導体チップの一面に一面が接続
されたサブマウントと、このサブマウントの他面に一面
が接続されたペルチェモジュールと、このペルチェモジ
ュールの他面に一面が接続された放熱板と、この放熱板
の一面に一面が接続されたパッケージと、このパッケー
ジの開口部を覆うキャップと、このキャップに設けられ
た窓とを具備する化合物半導体素子において、前記化合
物半導体チップの線膨張係数に近い材料からなるサブマ
ウントとペルチェモジュールの基板と、熱抵抗が小さく
且つ前記化合物半導体チップの線膨張係数に近い材料か
らなる放熱板と、この放熱板の線膨張係数に近い材料か
らなるパッケージとを具備した事を特徴とする化合物半
導体素子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度サイクル試験
に耐える信頼性の高いモジュールを構成できる化合物半
導体素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は、従来より一般に使用されている
従来例の構成説明図である。図において、サブマウント
２は、化合物半導体チップ１の一面に一面が接続されて
いる。ペルチェモジュール３は、サブマウント２の他面
に一面が接続されている。

【０００３】放熱板４は、このペルチェモジュール３の
他面に一面が接着４１されている。パッケージ５は、こ
の放熱板４の一面に一面が接続されている。キャップ６
は、パッケージ５の開口部を覆て設けられ、パッケージ
５にシーム溶接６１されている。窓７は、キャップ６
に、接着剤７１により接着されている。

【０００４】より具体的には、通常、化合物半導体チッ
プ１、この場合は、インジュウムリン材よりなるチップ
１は、アルミナ基板を使用したサブマウント２上に実装
されることが多い。サブマウント２をペルチェモジュー
ル３の冷却側３０１に載せる。

【０００５】ペルチェモジュール３の放熱側３０２を、
パッケージの放熱板４に接着する。ペルチェモジュール
３の基板は通常アルミナである。パッケージ５は、例え
ば、コバールが使われ、キャップ６も同様である。

【０００６】キャップ６に設けられている窓７はサファ
イアで構成され、接着剤でキャップ６に固定されてい
る。キャップ６とパッケージ５はシーム溶接されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな装置においては、以下の問題点を有する。 （１）インジュウムリンのＰＤアレイのような、細長い
チップ１を使用する場合に、インジュウムリンは、サブ
マウント２のアルミナ基板7×10^-6／℃と熱膨脹率差が
大きいために、温度サイクルを行うと、その応力により
チップ１が割れてくる。

【０００８】（２）ペルチェモジュール３で使用されて
いる基板材料と熱膨脹率の異なるサブマウント２を接着
すると、温度サイクル試験によりモジュール３の最外周
のペルチェ素子に大きな応力が加わり、クラックが入
り、ペルチェモジュール３の故障の原因となる。

【０００９】（３）サファイア材よりなる窓７とキャッ
プ６とは、接着固定では機械強度に乏しい。

【００１０】本発明の目的は、上記の課題を解決するも
ので、温度サイクル試験に耐える信頼性の高いモジュー
ルを構成できる化合物半導体素子を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明では、請求項１の化合物半導体素子に
おいては、化合物半導体チップの一面に一面が接続され
たサブマウントと、このサブマウントの他面に一面が接
続されたペルチェモジュールと、このペルチェモジュー
ルの他面に一面が接続された放熱板と、この放熱板の一
面に一面が接続されたパッケージと、このパッケージの
開口部を覆うキャップと、このキャップに設けられた窓
とを具備する化合物半導体素子において、

【００１２】前記化合物半導体チップの線膨張係数に近
い材料からなるサブマウントとペルチェモジュールの基
板と、熱抵抗が小さく且つ前記化合物半導体チップの線
膨張係数に近い材料からなる放熱板と、この放熱板の線
膨張係数に近い材料からなるパッケージとを具備した事
を特徴とする。

【００１３】この結果、 （１）化合物半導体チップのＰＤアレイのような、細長
いチップを使用する場合にも、化合物半導体チップの線
膨張係数に近い材料からなるサブマウントが使用された
ので、温度サイクル試験が行われても、化合物半導体チ
ップが割れるおそれがない化合物半導体素子が得られ
る。

【００１４】（２）ペルチェモジュールで使用されてい
る基板材料と線膨張係数の近い材料からなるサブマウン
トが使用されたので、温度サイクル試験によりペルチェ
モジュールの最外周のペルチェ素子に大きな応力が加わ
って、クラックが入り、ペルチェモジュールが故障する
ような恐れが無い化合物半導体素子が得られる。化合物
半導体素子が得られる。

【００１５】本発明の請求項２においては、請求項1記
載の化合物半導体素子において、前記化合物半導体チッ
プの材料としてインジュウムリンが使用され、前記サブ
マウントと前記ペルチェモジュールの基板材料として窒
化アルミニウムが使用され、前記放熱板の材料として銅
タングステンが使用され、前記パッケージの材料として
セラミックが使用された事を特徴とする。

【００１６】この結果、 （１）インジュウムリンの化合物半導体チップのＰＤア
レイのような、細長いチップを使用する場合にも、イン
ジュウムリンの化合物半導体チップの線膨張係数に近い
材料の窒化アルミニウムからなるサブマウントが使用さ
れたので、温度サイクル試験が行われても、インジュウ
ムリンの化合物半導体チップが割れるおそれがない化合
物半導体素子が得られる。

【００１７】（２）ペルチェモジュールで使用されてい
る窒化アルミニウムの基板材料と、線膨張係数の近い材
料からなる窒化アルミニウムのサブマウントが使用され
たので、温度サイクル試験によりペルチェモジュールの
最外周のペルチェ素子に大きな応力が加わって、クラッ
クが入り、ペルチェモジュールが故障するような恐れが
無い化合物半導体素子が得られる。

【００１８】本発明の請求項３においては、請求項1記
載の化合物半導体素子において、前記パッケージとこの
パッケージの線膨張係数に近い材料からなる前記キャッ
プとがシーム溶接された事を特徴とする。

【００１９】この結果、強固なシーム溶接構造のケース
が得られる化合物半導体素子が得られる。

【００２０】本発明の請求項４においては、請求項1乃
至請求項3の何れかに記載の化合物半導体素子におい
て、前記セラミック材からなるパッケージは金メッキさ
れたコバール材のシールリングと銀ロー付けされこのシ
ールリングを介してニッケルメッキされたコバール材か
らなるキャップとシーム溶接された事を特徴とする。

【００２１】この結果、同じ材料同士のシーム溶接部分
が構成出来たので、強固なシーム溶接構造のケースが得
られる化合物半導体素子が得られる。

【００２２】本発明の請求項５においては、請求項1乃
至請求項４の何れかに記載の化合物半導体素子におい
て、前記キャップとこのキャップの線膨張係数に近い材
料からなる前記窓とが金属溶融固定された事を特徴とす
る。

【００２３】この結果、接着固定の場合よりより強固に
固定された化合物半導体素子が得られる。

【００２４】本発明の請求項６においては、請求項1乃
至請求項５の何れかに記載の化合物半導体素子におい
て、前記ニッケルメッキされたコバール材からなるキャ
ップが所定個所がタングステンにより焼成されたサファ
イア材からなる窓に前記所定個所にて銀ロー付け固定さ
れた事を特徴とする。

【００２５】この結果、ニッケルメッキとタングステン
焼成個所とが銀ロー付け固定され、堅牢な化合物半導体
素子が得られる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明の一実施例の要部構成説明図で
ある。

【００２７】サブマウント１２とペルチェモジュール１
３の基板とは、化合物半導体チップ１１の線膨張係数に
近い材料からなる。チップ１１は、サブマウント１２
に、接着固定１２１されている。放熱板１４は、熱抵抗
が小さく且つ化合物半導体チップ１１の線膨張係数に近
い材料からなる。パッケージ１５は、放熱板１４の線膨
張係数に近い材料からなり、放熱板１４に銀ロー付け１
５１されている。

【００２８】キャップ１６は、パッケージの線膨張係数
に近い材料からなり、パッケージ１５とシーム溶接１６
１され、窒素封止されている。窓１７は、キャップ１６
の線膨張係数に近い材料からなり、キャップ１６とは、
銀ロー或いは金錫半田付け等により金属溶融固定１７２
されている。

【００２９】より具体的には、化合物半導体チップ１
１、この場合は、インジュウムリン材よりなるチップ１
１の線膨張係数約4.6×10^-6／℃に近い窒化アルミニウ
ム（約4.2×10^-6／℃）を材料とするサブマウント１２
に、チップ１１を接着固定１２１する。

【００３０】チップ１１の冷却用として用いられる、ペ
ルチェモジュール１３の基板も窒化アルミニウムが使用
される。放熱板１４には、熱抵抗が小さく、かつ、窒化
アルミニウムに近い線膨張係数約6×10^-6／℃を持つ銅
タングステンが使用される。

【００３１】パッケージ１５には、銅タングステンに近
い線膨張係数約7×10^-6／℃を有するアルミナを使用
し、銅タングステンからなる放熱板１４と銀ロウ付け固
定１５１される。キャップ１６には、アルミナに近い線
膨張係数約6×10^-6／℃を有するコバールにニッケルメ
ッキしたものが使用される。

【００３２】パッケージ１５には、予め、金メッキした
コバールのシームリング１５２を銀ロウ付け１５３して
置く。窓１７には、キャップ１６のコバールに近い線膨
張係数約5×10^-6／℃を有するサファイア材を使用す
る。

【００３３】サファイア材からなる窓１７には、予め、
所定の接合個所には、タングステンなどをパターニング
後、焼成して、例えば、タングステンメタライズ部を形
成して置く。コバールにニッケルメッキされたキャップ
１６と、タングステンなどがパターニングされたサファ
イア材からなる窓１７の所定の接合個所とは、銀ロー付
け１７２される。

【００３４】パッケージ１５の、金メッキされたコバー
ルのシームリング１５２と、コバールにニッケルメッキ
されたキャップ１６とは、窒素雰囲気中で、シーム溶接
１６１される。

【００３５】この結果、 （１）化合物半導体チップ１１のＰＤアレイのような、
細長いチップ１１を使用する場合にも、化合物半導体チ
ップ１１の線膨張係数に近い材料からなるサブマウント
１２が使用されたので、温度サイクル試験が行われて
も、化合物半導体チップ１１が割れるおそれがない化合
物半導体素子が得られる。

【００３６】（２）ペルチェモジュール１３で使用され
ている基板材料と線膨張係数の近い材料からなるサブマ
ウント１２が使用されたので、温度サイクル試験により
ペルチェモジュール１３の最外周のペルチェ素子に大き
な応力が加わって、クラックが入り、ペルチェモジュー
ル１３が故障するような恐れが無い化合物半導体素子が
得られる。

【００３７】（３）パッケージ１５とキャップ１６部分
が、同じ材料同士のシーム溶接１６１部分が構成出来た
ので、強固なシーム溶接構造のケースが得られる化合物
半導体素子が得られる。

【００３８】（４）キャップ１６とこのキャップ１６の
線膨張係数に近い材料からなる窓１７とが金属溶融固定
１７２されたので、接着固定の場合より、より強固に固
定された窓部分を有する化合物半導体素子が得られる。

【００３９】なを、以上の説明は、本発明の説明および
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明は、上記実施例に限定されること
なく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、
変形をも含むものである。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
または請求項２によれば、次のような効果がある。化合
物半導体チップの線膨張係数に近い材料からなるサブマ
ウントとペルチェモジュールと、熱抵抗が小さく且つ前
記化合物半導体チップの線膨張係数に近い材料からなる
放熱板と、この放熱板の線膨張係数に近い材料からなる
パッケージとを具備した化合物半導体素子を構成した。

【００４１】この結果、 （１）化合物半導体チップのＰＤアレイのような、細長
いチップを使用する場合にも、化合物半導体チップの線
膨張係数に近い材料からなるサブマウントが使用された
ので、温度サイクル試験が行われても、化合物半導体チ
ップが割れるおそれがない化合物半導体素子が得られ
る。

【００４２】（２）ペルチェモジュールで使用されてい
る基板材料と線膨張係数の近い材料からなるサブマウン
トが使用されたので、温度サイクル試験によりペルチェ
モジュールの最外周のペルチェ素子に大きな応力が加わ
って、クラックが入り、ペルチェモジュールが故障する
ような恐れが無い化合物半導体素子が得られる。

【００４３】本発明の請求項３によれば、次のような効
果がある。パッケージとこのパッケージの線膨張係数に
近い材料からなるキャップとがシーム溶接されたので、
強固なシーム溶接構造のケースが得られる化合物半導体
素子が得られる。

【００４４】本発明の請求項４によれば、次のような効
果がある。放熱板の線膨張係数に近い材料からなるパッ
ケージとしてセラミック材からなるパッケージが使用さ
れたので、コバール材からなるキャップとシーム溶接す
るために、金メッキされたコバール材のシールリングを
介してキャップとシーム溶接するように構成した。

【００４５】この結果、同じ材料同士のシーム溶接部分
が構成出来たので、強固なシーム溶接構造のケースが得
られる化合物半導体素子が得られる。

【００４６】本発明の請求項５によれば、次のような効
果がある。キャップとこのキャップの線膨張係数に近い
材料からなる窓とが金属溶融固定されたので、接着固定
の場合よりより強固に固定された化合物半導体素子が得
られる。

【００４７】本発明の請求項６によれば、次のような効
果がある。ニッケルメッキされたコバール材からなるキ
ャップが、所定個所がタングステンにより焼成されたサ
ファイア材からなる窓に、所定個所にて銀ロー付け固定
されたので、ニッケルメッキとタングステン焼成個所と
が銀ロー付け固定され、堅牢な化合物半導体素子が得ら
れる。

【００４８】従って、本発明によれば、温度サイクル試
験に耐える信頼性の高いモジュールを構成できる化合物
半導体素子を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。

【図２】従来より一般に使用されている従来例の要部構
成説明図である。

【符号の説明】

１１ 化合物半導体チップ １２ サブマウント １２１ 接着固定 １３ ペルチェモジュール １４ 放熱板 １５ パッケージ １５１ 銀ロー付け １５２ シームリング １５３ 銀ロウ付け １６ キャップ １６１ シーム溶接 １７ 窓 １７１ タングステンメタライズ部 １７２ 銀ロウ付け

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 忠重 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 赤坂 恭一 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA33 BB01 BB08 BD14

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】化合物半導体チップの一面に一面が接続さ
   れたサブマウントと、 このサブマウントの他面に一面が接続されたペルチェモ
   ジュールと、 このペルチェモジュールの他面に一面が接続された放熱
   板と、 この放熱板の一面に一面が接続されたパッケージと、 このパッケージの開口部を覆うキャップと、 このキャップに設けられた窓とを具備する化合物半導体
   素子において、 前記化合物半導体チップの線膨張係数に近い材料からな
   るサブマウントとペルチェモジュールの基板と、 熱抵抗が小さく且つ前記化合物半導体チップの線膨張係
   数に近い材料からなる放熱板と、 この放熱板の線膨張係数に近い材料からなるパッケージ
   とを具備した事を特徴とする化合物半導体素子。
2. 【請求項２】前記化合物半導体チップの材料としてイン
   ジュウムリンが使用され、前記サブマウントと前記ペル
   チェモジュールの基板材料として窒化アルミニウムが使
   用され、前記放熱板の材料として銅タングステンが使用
   され、前記パッケージの材料としてセラミックが使用さ
   れた事を特徴とする請求項1記載の化合物半導体素子。
3. 【請求項３】前記パッケージとこのパッケージの線膨張
   係数に近い材料からなる前記キャップとがシーム溶接さ
   れた事を特徴とする請求項１又は請求項２記載の化合物
   半導体素子。
4. 【請求項４】前記セラミック材からなるパッケージは金
   メッキされたコバール材のシールリングと銀ロー付けさ
   れこのシールリングを介してニッケルメッキされたコバ
   ール材からなるキャップとシーム溶接された事を特徴と
   する請求項１乃至請求項３の何れかに記載の化合物半導
   体素子。
5. 【請求項５】前記キャップとこのキャップの線膨張係数
   に近い材料からなる前記窓とが金属溶融固定された事を
   特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の化合
   物半導体素子。
6. 【請求項６】前記ニッケルメッキされたコバール材から
   なるキャップが所定個所がタングステンにより焼成され
   たサファイア材からなる窓に前記所定個所にて銀ロー付
   け固定された事を特徴とする請求項１乃至請求項５の何
   れかに記載の化合物半導体素子。