JP2013236010A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、半導体素子の熱膨張率と近い熱膨張率を有し、かつ高い熱伝導率を有する材料で形成された部品を半導体素子に取り付けた、低価格な半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本願の発明に係る半導体装置は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、又はＧａＮで形成された基板を有する半導体素子と、Ｃｕと炭素材の複合材料、又はＡｌと炭素材の複合材料で形成され、該半導体素子にはんだ付けされた素子固定部品と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、光ディスク、表示（ディスプレー）、光通信などに用いられる半導体装置に関する。
特許文献１には、サブマウントに半導体レーザ素子を取り付けた半導体装置が開示されている。このサブマウントは、ＷとＣｕの合金、ＭｏとＣｕの合金、又はＷとＭｏとＣｕの合金で形成され、サブマウントの熱膨張率とＩｎＰなどで形成された半導体レーザ素子の熱膨張率が略一致している。
特開昭６０−９２６８６号公報
サブマウントは高温時に半導体素子に対し過大な応力を及ぼすことなく、しかも熱伝導に優れたものであることが望ましい。そのため、サブマウントは、半導体素子の熱膨張率と近い熱膨張率を有し、かつ高い熱伝導率を有する材料で形成される必要がある。特許文献１に開示のサブマウントはそのような材料で形成されている。しかし、特許文献１のサブマウントはＷやＭｏなどのレアメタルを用いるので半導体装置が高価になる問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体素子の熱膨張率と近い熱膨張率を有し、かつ高い熱伝導率を有する材料で形成された部品を半導体素子に取り付けた、低価格な半導体装置を提供することを目的とする。
本願の発明に係る半導体装置は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、又はＧａＮで形成された基板を有する半導体素子と、Ｃｕと炭素材の複合材料、又はＡｌと炭素材の複合材料で形成され、該半導体素子にはんだ付けされた素子固定部品と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、Ｃｕと炭素材の複合材料、又はＡｌと炭素材の複合材料で形成された素子固定部品と半導体素子をはんだ付けするので、半導体素子に過大な応力を及ぼすことなく放熱性の高い半導体装置を低価格で提供できる。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 図１の半導体装置を矢印方向からみた図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体装置の断面図である。 図１０のＡ−Ａ線における断面図である。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０はＣＡＮパッケージで形成されている。半導体装置１０は、ステム１２を有している。ステム１２の上には放熱ブロック１４が接続されている。放熱ブロック１４は、例えばＣｕやＦｅなどの放熱性の高い材料で形成されている。
放熱ブロック１４ははんだ１８を介して素子固定部品２２と接続されている。このはんだ付けを容易にするために、放熱ブロック１４の表面にＡｕ層１６が形成され、素子固定部品２２の表面にＡｕ層２０が形成されている。はんだ１８はＡｕ層１６とＡｕ層２０に挟まれている。
素子固定部品２２は、Ｃｕと炭素材の複合材料、又はＡｌと炭素材の複合材料で形成されている。素子固定部品２２は、厚さ数十〜数百μm、長さ数十〜数千μm、幅数百〜数千μm程度のサイズで形成される。例えば、厚さ２００μm程度、長さは半導体素子長（例えば５００μm）程度、幅６００μm程度のサイズである。
素子固定部品２２は半導体素子３０にはんだ付けされている。半導体素子３０は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、又はＧａＮで形成された基板を有する発光素子で形成されている。このはんだ付けを容易にするために、素子固定部品２２の表面にＡｕ層２４が形成され、半導体素子３０の表面にＡｕ層２８が形成されている。はんだ２６はＡｕ層２４とＡｕ層２８の間に挟まれている。はんだ２６は、例えばＡｕＳｎで形成されている。
半導体素子３０のはんだ２６と反対の面にはＡｕ層３２が形成されている。ここで、半導体素子３０の電気的接続について説明する。図２は、図１の半導体装置を矢印方向からみた図である。Ａｕ層２４とＡｕ層３２にそれぞれワイヤを接続することで半導体素子３０の電気的接続をとっている。図１ではこのワイヤを省略している。図１の説明に戻る。半導体素子３０、素子固定部品２２、及び放熱ブロック１４を覆うようにキャップ４４が形成されている。キャップ４４はステム１２に固定されている。キャップ４４の頂上部にはガラス４６が形成されている。また、ステム１２の下方にはリード５０が伸びている。
はんだ２６で素子固定部品２２と半導体素子３０を接合する場合、はんだ２６の溶融時に素子固定部品２２と半導体素子３０が例えば２８０℃程度の高温となる。そのため、半導体素子３０に大きな応力がかからないように、素子固定部品２２の熱膨張率と半導体素子３０の熱膨張率を略一致させておく必要がある。
ＧａＡｓ基板を有する半導体素子３０の熱膨張率は５．７×１０−６／℃である。本発明の実施の形態１に係る素子固定部品２２は、Ｃｕと炭素材の複合材料、又はＡｌと炭素材の複合材料で形成したので、組成を調整することにより概ね５×１０−６／℃〜１５×１０−６／℃の範囲で熱膨張係数を変更できる。よって、素子固定部品２２の熱膨張率を半導体素子３０の熱膨張率と略一致させることができる。
しかも、素子固定部品２２の熱伝導率は４５０Ｗ／ｍＫ以上である。これは、従来サブマウントの材料として用いられていたＡｌＮの熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫであることを考慮すると非常に高い値である。よって半導体素子３０の放熱を促進できる。 その結果、非常に発熱量の多い６３８ｎｍ波長帯の高出力ＬＤで半導体素子３０を形成することもできる。
素子固定部品２２は、広く使用されている工業材料であるＣｕ、Ａｌ、炭素材を用いるので低コストである。従って、例えば特許文献１のようにＭｏやＷなどのレアメタルでサブマウント（素子固定部品）を形成する場合と比較して部品のコストを低減できる。
複合材料としては、Ｃｕと炭素繊維を焼結させて得られる金属基炭素繊維複合材料又はＡｌと炭素繊維を焼結させて得られる金属基炭素繊維複合材料を採用してもよい。この炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、又はナノチューブ・ナノファイバー撚合ワイヤから選択することができる。しかしながら、Ｃｕと炭素材の複合材料、又はＡｌと炭素材の複合材料は、半導体素子と略一致した熱膨張率を有し、かつ熱伝導率が高い限り特に限定されない。
放熱ブロック１４を素子固定部品２２と同じ材料で形成してもよい。Ｃｕと炭素材の複合材料、又はＡｌと炭素材の複合材料は、Ｃｕ製の放熱ブロックよりも熱伝導率が高いので、半導体素子３０の放熱を促進できる。
その他にも本発明の実施の形態１に係る半導体装置はさまざまな変形が可能である。例えば、半導体素子３０は発光素子に限定されず、受光素子で形成してもよい。さらに、半導体素子３０は発光素子や受光素子などの光素子に限定されず、高周波素子（ＭＭＩＣ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ）で形成してもよい。
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。実施の形態１との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態２に係る半導体装置は、素子固定部品２２のＣｕ（又はＡｌ）がＡｕ層２０、２４のＡｕと相互拡散しないようにバリアメタル層６０、６２を有することを特徴とする。
素子固定部品２２の表面には、Ｔｉ又はＰｔでバリアメタル層６０、６２が形成されている。バリアメタル層６０、６２の表面にはそれぞれＡｕ層２０、２４が形成されている。
素子固定部品２２はＣｕ又はＡｌを含むため、素子固定部品２２がＡｕ層２０、２４と接するとＣｕ又はＡｌがＡｕ層２０、２４に拡散し、Ａｕ層２０、２４のＡｕが素子固定部品２２へ拡散する相互拡散が起こることがある。特に半導体素子３０と素子固定部品２２をはんだ２６で接続する場合は、はんだ溶融時などに半導体素子３０と素子固定部品２２の温度が高くなるので、当該相互拡散が起こりやすくなる。相互拡散が起こると素子固定部品２２の熱膨張率や熱伝導率が変化するおそれがある。
ところが本発明の実施の形態２に係る半導体装置では、バリアメタル層６０、６２を形成したので、当該相互拡散を防止できる。なお、本発明の実施の形態２に係る半導体装置は少なくとも実施の形態１と同程度の変形が可能である。
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。実施の形態１との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態３に係る半導体装置は、素子固定部品１１０にステム１２を固定したことを特徴とする。
前述のとおり素子固定部品１１０は熱伝導率が十分高いので、素子固定部品１１０自体を十分大きくすれば放熱ブロックは不要である。そこで、素子固定部品１１０をステム１２に接続した。この場合、キャップ４４は、半導体素子３０及び素子固定部品１１０を覆う。素子固定部品１１０は、半導体素子３０の応力緩和と半導体素子３０の放熱の両方の機能を併せ持つので、素子固定部品１１０を直接ステム１２に接続して半導体装置の構成を簡素にできる。
図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。図５に示すように、素子固定部品１１２を「サブマウント（図１の素子固定部品２２）と放熱ブロック」全体の構造と一致させてもよい。なお、本発明の実施の形態３に係る半導体装置は少なくとも実施の形態１と同程度の変形が可能である。
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。実施の形態１との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態４に係る半導体装置は、素子固定部品１１２及び、素子固定部品１１２に接続されたステム１１４を有する。そして、ステム１１４を複合材料で形成したことを特徴とする。
ステム１１４は、素子固定部品１１２と同じ材料で形成されている。これにより、ステムにＣｕなどを用いた場合と比較して半導体素子３０の放熱性を高めることができる。図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。変形例の半導体装置は、図６のステムと素子固定部品とを同じ材料で一体形成したステム１１６を有することを特徴とする。これにより組み立て工程を簡素化できる。
本発明の実施の形態４に係る半導体装置は少なくとも実施の形態１と同程度の変形が可能である。また、例えば図４のステム１２を複合材料で形成してもよい。
実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置の断面図である。実施の形態４との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態５に係る半導体装置は、ステム１１４の表面に鉄層１２０を形成したことを特徴とする。そして、キャップ４４は鉄層１２０と溶接されてステム１１４に固定されている。
キャップ４４とステム１１４を溶接する際には、ステム１１４を高温にする必要がある。しかし複合材で形成されたステム１１４は熱伝導率が高く加熱が困難である。そのため、ステム１１４とキャップ４４を溶接するのは困難である。そこで、ステム１１４の表面に鉄層１２０を設けて、キャップ４４と鉄層１２０を溶接することでこの問題を解消した。
図９は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。鉄層１２２は、ステム１１６のキャップ４４と接合される部分にのみ形成した。なお、本発明の実施の形態５に係る半導体装置は少なくとも実施の形態１と同程度の変形が可能である。
実施の形態６．
図１０は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置の断面図である。フレーム２００は、フレーム部２００ａとリード部２００ｂを有している。フレーム２００の上には樹脂モールド２０２が形成されている。フレーム部２００ａには素子固定部品２０４が固定されている。素子固定部品２０４は実施の形態１の素子固定部品２２と同じ材料で形成されている。素子固定部品２０４の上にははんだを介して半導体素子３０が接続されている。
図１１は、図１０のＡ−Ａ線における断面図である。はんだ２１０は、素子固定部品２０４の表面に形成されたＡｕ層２１２と半導体素子３０の表面に形成されたＡｕ層２１４の間に形成されている。
このように、フレーム２００を用いるタイプの半導体装置に対しても本発明の素子固定部品を用いることができる。また、フレーム２００を複合材で形成してさらに半導体素子の放熱性を高めてもよい。また、フレームと２００と素子固定部品２０４を一体形成してもよい。なお、本発明の実施の形態５に係る半導体装置は少なくとも実施の形態１と同程度の変形が可能である。
なお、実施の形態１−６の素子固定部品と半導体素子の相対位置について、素子固定部品と半導体素子のどちらが上方に突出してもよい。実施の形態１−５では素子固定部品が半導体素子３０よりも上方に突出するようにした。一方、実施の形態６では、半導体素子３０が素子固定部品よりも上方に突出するようにした。
１０ 半導体装置、 １２ ステム、 １４ 放熱ブロック、 １６，２０，２４，２８ Ａｕ層、 ２２ 素子固定部品、 ３０ 半導体素子、 ４４ キャップ、 ６０，６２ バリアメタル層、 １１４，１１６ ステム、 １２０，１２２ 鉄層、 ２００フレーム

Claims (9)

  1. ＧａＡｓ、ＩｎＰ、又はＧａＮで形成された基板を有する半導体素子と、
    Ｃｕと炭素材の複合材料、又はＡｌと炭素材の複合材料で形成され、前記半導体素子にはんだ付けされた素子固定部品と、を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記複合材料は、Ｃｕと炭素繊維を焼結させたもの又はＡｌと炭素繊維を焼結させたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記素子固定部品の表面に、Ｔｉ又はＰｔで形成されたバリアメタル層と、
    前記バリアメタル層の表面に形成されたＡｕ層と、を備え、
    前記はんだは前記Ａｕ層と前記半導体素子の間に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記素子固定部品と接続された放熱ブロックと、
    前記放熱ブロックと接続されたステムと、
    前記ステムに固定され、前記半導体素子、前記素子固定部品、及び前記放熱ブロックを覆うキャップと、を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記素子固定部品と接続されたステムと、
    前記ステムに固定され、前記半導体素子及び前記素子固定部品を覆うキャップと、を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記ステムを前記素子固定部品と同じ材料で形成したことを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置。
  7. 前記ステムと前記素子固定部品とを同じ材料で一体形成したことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
  8. 前記ステムの表面に形成された鉄層を備え、
    前記キャップは前記鉄層と溶接されて前記ステムに固定されたことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置。
  9. 前記素子固定部品に固定されたフレームを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
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