JP2015176975A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発明は高出力の半導体素子と冷却装置を有する半導体装置において、実装される半導体素子を固定する電極の構造により、半導体素子と電極部から発する熱を効率的に熱交換し冷却することができるようにする。
【解決手段】半導体素子１が実装されたセラミック上面の表層部に導体層が形成されたプレート２と、プレートを冷却する冷却ブロックと給電極端子４１と絶縁シートと接地電極端子３１で狭持する構造を備えており、接地電極端子３１と給電極端子４１は同一の形状を成しており、以上のような構成により、半導体素子と電極部から発する熱を効率的に熱交換し冷却を可能にすることとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関するもので、特に、発熱の大きい発光素子を搭載してからなる光半導体装置に関するものである。

近年、加工用途等に用いる高出力半導体レーザは通電電流の大きい半導体素子を有し、該半導体素子の機能の安定化および異常加熱を防止するため冷却性能を持つヒートシンクあるいは冷却ブロックを設けた構造となっている。

図５と図６は上記従来の半導体装置を示しており、図６（ａ）〜（ｅ）に示すように、ヒートシンク１０にサブマウント９を介して実装された半導体素子１は、ヒートシンク１０の上に接着固定された絶縁シート５２、電極板１２に、Ａｕワイヤー７によって結線接続されている。サブマウント９は半導体素子１と同程度の線膨張係数を持ち、ヒートシンク１０の熱による膨張収縮による半導体素子１へのストレスを軽減するために用いられる。ヒートシンク１０は冷却ブロック６の上に設置され、接地電極ブロック１２で保持された構造の半導体装置１４２である。図５に示すように、半導体装置１４２は、水冷却管が内部に配置された水冷装置８に絶縁シート５３を介して設置される。

以上のように構成された半導体装置について、その動作を説明する。

半導体装置１４２を流れる電流の経路は、冷却ブロック６から給電され、ヒートシンク１０、半導体素子１、Ａｕワイヤー７、電極板１１を介して、接地電極ブロック１２へ接地される。給電された半導体素子１はレーザ発光および発熱する。その半導体素子１から発熱した熱は、ヒートシンク１０、冷却ブロック６を介して、水冷装置１３によって熱伝導および熱交換され、半導体素子１が冷却される。

特開２００２−２７０９０４号公報 特開昭５９−０２７５３７号公報

しかしながら、従来の半導体装置は、熱交換されにくい構造である課題を有している。

半導体装置１４２はヒートシンク１０を介して上下に位置する冷却ブロック６と接地電極ブロック１２で通電する。半導体素子１から発熱した熱は、半導体素子１の下方にあるヒートシンク１０、冷却ブロック６を介して、水冷装置８によって熱伝導および熱交換されるが、その間には絶縁シート５３があり、これが熱伝導を阻害する要因となる。

また、半導体装置１５２の上部から排熱されない構造となっており、半導体素子１のＡｕワイヤー７からほとんど熱は逃げることなく、ヒートシック１０から絶縁シート５２、接地電極ブロック１２は排熱する効果はほぼない。しかしながら、通電の際、電極板１１と接地電極ブロック１２の間で接触抵抗により発熱が生じ、結果的に半導体素子１が冷却にくくなっている。

より高電流になると、電流が流れる箇所、冷却ブロック６２、ヒートシンク１０、接地電極ブロック１２も熱が生じるし、電極が分離されていると接触抵抗よりそこより熱が生じる。よって、高電流になると、半導体素子１以外にこれらの電流が流れる箇所の電極も冷却する必要がある。この場合、ヒートシンク１０を大きく、かつ、厚い構造にすることで、接地電極ブロック１２も大きく形成し、ある程度の空冷での熱交換を良くすることはできるが、水冷装置８を介する熱交換とは比較にならない。また、ヒートシンク１０に半導体素子１は熱膨張係数と同等な特性を持つサブマウント９を介してはんだ等（図示せず）を用いて実装されるが、はんだ溶融接合に際し、ヒートシンク１０がはんだ溶融に必要な熱量を奪ってしまうため、単純にヒートシンク１０を大きくすることは難しい。また、半導体装置１４２の検査においては、水冷装置８に半導体装置１５２を設置し通電し検査を行う、あるいは、組立の途中段階で通電し検査を行う必要がある。通常、この通電検査は主に半導体素子１の特性とボンディング等の接合性の検査であり、ワイヤーボンディング後のヒートシンク１０を組み立てた状態で上下から通電により検査を行う。しかしながら、組立検査の利便性および検査設備の制約等があり、ヒートシンク１０を小さくせざるを得ない。

本発明は、発熱源である発光素子や電極の高効率の熱交換を可能にする半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、半導体素子が実装されたセラミック上面の表層部にＣｕ、Ｎｉ、Ａｕが導体層として形成されたプレートと、前記プレートを冷却する冷却ブロックと給電極端子と絶縁シートと接地電極端子で狭持する構造を備えており、前記冷却ブロック上に積層して固定されている部分のＡｕワイヤーにより直接接続された前記接地電極端子と前記給電極端子は同一の形状を成して、前記絶縁シートにより絶縁されている。

そして、この構成により、半導体素子と電極部から発する熱を効率的に熱交換し冷却を可能にすることとなる。

以上のように、本発明は高出力の半導体素子と冷却装置を有する半導体装置において、実装される半導体素子を固定する電極の構造により、半導体素子と電極部から発する熱を効率的に熱交換し冷却することができる。

本発明の半導体装置の実施の形態１における組立斜視図 本発明の半導体装置の実施の形態１における製造方法を表す斜視図 本発明の半導体装置の実施の形態２における製造方法を表す斜視図 本発明の半導体装置の実施の形態３における組立斜視図 従来の半導体装置の組立斜視図 従来の半導体装置の製造方法を表す斜視図

以下、本発明を実施するための形態について、図１から図２を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１および図２において、半導体素子１が実装されたセラミック上面の表層部にＣｕ、Ｎｉ、Ａｕが導体層として形成されたプレート２は、冷却ブロック６１の上に搭載し、給電極端子４と絶縁シート５１と接地電極端子５を順に積層して固定する。半導体素子１と接地電極端子５をＡｕワイヤー７でボンディング接続することで、半導体装置１４が完成する。その後、半導体装置１４は水冷装置１３に固定配置されて、給電極端子４より通電することで、半導体素子１が発光する構造となっている。

以上のように、本実施の形態によれば、半導体素子１から発生する熱を、直にプレート２から冷却ブロック６と水冷装置８に伝えることが可能となる。すなわち、従来よりも、熱伝達を阻害する部品がなくなり、効率的に熱交換がされ冷却することができる。水冷装置８の内部は水路が施されており、水冷により半導体装置１４を冷却する。

また、半導体素子１上部に接地電極がないため、接触抵抗による発熱、および熱の未伝達経路がなくなるため、半導体素子の冷却が阻害されない。

一方、接地電極端子３と給電極端子４は冷却ブロック６上に同一の形状で積層されていることより、冷却ブロック６から直に熱交換が可能となる。したがって、電極端子は冷却ブロックに合わせて形状を決めることができるため、電流が流れやすいように電極端子を大きくすることができる。これにより、大電流に対しても電極端子の発熱を抑えられることができる。

接地電極端子３と給電極端子４は、プレート２に実装された半導体素子１の発光面以外の３辺を囲う形状を成し、接地電極端子３と給電極端子４を絶縁する絶縁シート５１も同一の形状で積層され、ボルト（図示せず）で冷却ブロック６に固定される。接地電極端子３と給電極端子４は電気伝導、かつ熱伝導の優れた金属、たとえばＣｕが用いられ、
少なくとも、接地電極端子５は半導体素子１とＡｕワイヤー７でボンディング接続されるため、Ａｕめっきが施されおり、給電極端子４もプレート２の導体層との接触抵抗を小さくするため、かつ給電ケーブル等との接触抵抗を無くすために、Ａｕめっきが施されていることが望ましい。

絶縁シート５１は熱伝導性がよく薄く形成できる材料、たとえば、アルミナセラミックスまたは窒化アルミニウムを用いることが望ましい。

冷却ブロック６は水冷装置８からの直接冷却されるため、できるだけ大きくすることが望ましいが、冷却ブロック状態でのワイヤーボンディングや通電での検査を考慮すると、半導体素子１の熱放射角を考慮した大きさ、厚みに関しても熱交換効率を考慮した厚さにすることが望ましい。

なお、上記した第１の実施形態においては、半導体素子１の実装面を反転させた場合、接地電極端子３と給電極端子４は通電方向が逆転するが、同様の効果は変わらない。

（実施の形態２）
本実施の形態において実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図３において、プレート２の上面に導体層を形成せずセラミック等の絶縁体とする半導体装置１４である実施の形態１と異なるのは、半導体素子１を導体のサブマウント９に実装し、プレート２に搭載した点である。

以下，本実施の形態に半導体装置１４１おけるについて、その動作を説明する。

図３に示すように、サブマウント９の表面は半導体素子１が実装される領域にＡｕとＳｎからなるはんだ９１が施され、その周囲にワイヤーボンディングのためのＡｕめっき９２が施され、裏面はＡｕめっきが施されている。半導体素子１ははんだ接合よりサブマウント９に実装された後、プレート２に実装される。プレート２はサブマウント９が接合される領域にＡｕめっきが施されており、Ｓｎ系のはんだ（図示せず）を用いて実装される。

以下（実施形態１）と同様に、半導体装置１４３が組立される。ワイヤーボンディングにおいて、給電極端子４とサブマント９のＡｕめっき９２、半導体素子１と接地電極端子３１がＡｕワイヤー７で接続される。半導体素子１の発光面以外の３辺を囲う接地電極端子３１の形状は、給電極端子４より大きくしている。

以上のように、本実施の携帯によれば、プレート２の上面に導体層を形成しない絶縁体でも、サブマウント９で半導体素子１を実装し、半導体素子１の発光面以外の３辺を囲う接地電極端子３１の形状は、給電極端子４より大きくすることにより、プレート２の上面に導体層を形成しなくてよい。

なお、実施の形態１において、プレート２をセラミックとしたが、この形態においては絶縁構造であればその限りではない。

（実施の形態３）
本実施の形態において実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図４において、冷却装置８から冷却水路（図示せず）から供給される冷却水の水路１３を施した半導体装置１４３である。

実施の形態１および２と異なるのは、半導体装置１４のプレート２、接地電極端子３、給電極端子４、冷却ブロック６のそれぞれに水路１３を施した点である。

以下，本実施の形態に半導体装置１４３おけるについて、その動作を説明する
図４に示すように、半導体装置１４３のプレート２１、接地電極端子３２、給電極端子４１、冷却ブロック６３のそれぞれに水路１３を設けている。

半導体装置１４３を搭載した水冷装置８から冷却水が水路１３を通り、冷却ブロック６１からプレート２１、冷却ブロック６１から接地電極端子３２、給電極端子４１を冷却水による熱交換が可能なる。

以上のように、本実施の形態によれば、半導体装置１４４に水路１５を設けることにより、冷却水で半導体装置１４３の内部で冷却することがで、より熱交換効率が向上する。

この半導体装置１４３の水路１３は、任意で経路を形成し、必要な部分のみを重点的に冷却することができる。

本発明の半導体装置は半導体素子と電極部から発する熱を効率的に熱交換し冷却することができ、高出力の半導体素子と冷却装置を有する半導体装置等として産業上有用である。

１ 半導体素子
２ プレート
３ 接地電極端子
３１ 接地電極端子
３２ 接地電極端子
４ 給電極端子
４１ 給電極端子
５ 絶縁シート
５１ 絶縁シート
５２ 絶縁シート
５３ 絶縁シート
６ 冷却ブロック
６１ 冷却ブロック
７ Ａｕワイヤー
８ 水冷装置
９ サブマウント
９１ サブマウント
１０ ヒートシンク
１１ 電極板
１２ 接地電極ブロック
１３ 水路
１４ 半導体装置
１４１ 半導体装置
１４２ 半導体装置
１４３ 半導体装置

Claims (7)

1. 半導体素子が実装されたセラミック上面の表層部にＣｕ、Ｎｉ、Ａｕが導体層として形成されたプレートと、前記プレートを冷却する冷却ブロックと給電極端子と絶縁シートと接地電極端子で固定する構造を備えた半導体装置。
2. 前記半導体素子はＡｕワイヤーにより直接接続された前記接地電極端子と、前記接地電極端子と前記給電極端子は前記絶縁シートにより絶縁され、前記給電極端子は前記プレートの導体層と接触しており、前記プレートと前記冷却ブロックは絶縁されて電気接続される請求項１記載の半導体装置。
3. 前記冷却ブロックと前記プレートは、上から順に前記接地電極端子、前記絶縁シート、前記給電極端子で締付けて固着されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記冷却ブロック上に積層して固定されている部分の前記接地電極端子と前記給電極端子は同一の形状を成していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 前記給電極端子は前記半導体素子の給電面と同一面に配置されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
6. 前記半導体素子は、ＧａＡｓまたはＧａＮからなる化合物発光素子であり、
   前記プレートは、アルミナセラミックスまたは窒化アルミニウムを用いて形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
7. 前記プレート上面には、導電層が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

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