JP2018182089A

JP2018182089A - 半導体構造体及び車両用灯具

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Publication number: JP2018182089A
Application number: JP2017080237A
Authority: JP
Inventors: 喜郎佐藤; Yoshio Sato; 治美持丸; Harumi Mochimaru
Original assignee: Ichikoh Industries Ltd
Current assignee: Ichikoh Industries Ltd
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-04-14
Also published as: JP6926613B2

Abstract

【課題】半導体発光素子から放出される熱を、十分に拡散させつつ、ヒートシンクに効率的に伝達させることができる半導体構造体及び車両用灯具を提供する。【解決手段】半導体発光素子１１と、半導体発光素子１１が実装され、半導体発光素子１１から放出される熱を伝達させるセラミック基板１３と、セラミック基板１３の裏面側に配置され、セラミック基板１３で伝達される熱を拡散させるシリコン基板１５と、シリコン基板１５の裏面側に配置され、シリコン基板１５で拡散される熱を放熱するヒートシンク１９と、を備え、セラミック基板１３及びシリコン基板１５の合計の厚さは、１ｍｍ以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体構造体及び車両用灯具に関する。

従来、半導体発光素子から放出される熱を効率的に外部に放出する半導体構造体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のような従来技術は、熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板に半導体発光素子が実装されているため、半導体発光素子から放出される熱を窒化アルミニウム基板から効率的に外部に放出することができるものである。

特開２００８−０４７６０４号公報

しかし、特許文献１に記載のような従来技術は、半導体発光素子と、ヒートシンクとの間の厚みが十分ではないため、半導体発光素子から放出される熱を十分に拡散させる状況ではない。また、窒化アルミニウム基板と、ヒートシンクとの間にはグリスが充填されているが、窒化アルミニウム基板と、グリスとの密着状態は不十分であるため、半導体発光素子から放出される熱をヒートシンクに効率的に伝達させる状況ではない。

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子から放出される熱を、十分に拡散させつつ、ヒートシンクに効率的に伝達させることができるようにするものである。

本開示の第１の側面である半導体構造体は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子が実装され、前記半導体発光素子から放出される熱を伝達させるセラミック基板と、前記セラミック基板の裏面側に配置され、前記セラミック基板で伝達される熱を拡散させるシリコン基板と、前記シリコン基板の裏面側に配置され、前記シリコン基板で拡散される熱を放熱するヒートシンクと、を備え、前記セラミック基板及び前記シリコン基板の合計の厚さは、１ｍｍ以上である。

セラミック基板及びシリコン基板の合計の厚さが１ｍｍ以上であるため、横方向への熱拡散が促進され、全体として熱拡散が促進される。また、シリコン基板は微細加工されて形成されるものであり、ヒートシンクは、シリコン基板の裏面側に配置されているものであるため、ヒートシンクとシリコン基板との密着状態は十分なものとなっている。したがって、半導体発光素子から放出される熱を、十分に拡散させつつ、ヒートシンクに効率的に伝達させることができる。

また、前記セラミック基板は、窒化アルミニウム基板である、ことが好ましい。

また、前記窒化アルミニウム基板の厚さは、０．４５ｍｍであり、前記シリコン基板の厚さは、０．５５ｍｍ以上である、ことが好ましい。

また、前記シリコン基板は、表面粗さＲａが１ｎｍ以下となり、且つ表面粗さＲｙが１１μｍ以内となるように、光学研磨がされたものである、ことが好ましい。

また、本開示の第２の側面である車両用灯具は、上記に記載の半導体構造体を含む、ものであり、半導体構造体の場合と同様に、半導体発光素子から放出される熱を、十分に拡散させつつ、ヒートシンクに効率的に伝達させることができる。

本開示の第１及び第２の側面によれば、半導体発光素子から放出される熱を、十分に拡散させつつ、ヒートシンクに効率的に伝達させることができる。

本開示を適用した半導体構造体１の構成例を示す図である。半導体構造体１の半導体発光素子１１から放出される熱の拡散方向Ｋ，Ｊの一例を示す図である。シリコン基板１５と、グリス１７との密着状態を概略的に示す図である。従来の半導体構造体１’の構成例を示す図である。従来の半導体構造体１’の半導体発光素子１１から放出される熱の拡散方向Ｊの一例を示す図である。従来の半導体構造体１’のセラミック基板１３と、グリス１７との密着状態を概略的に示す図である。従来の半導体構造体１’と、本開示を適用した半導体構造体１との熱抵抗を比較する図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限られるものではない。図１は、本開示を適用した半導体構造体１の構成例を示す図である。図１に示すように、半導体構造体１は、半導体発光素子１１、セラミック基板１３、シリコン基板１５、及びヒートシンク１９等を備える。

半導体発光素子１１は、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮ，若しくはＡｌＧａＮ等の化合物半導体から構成される。半導体発光素子１１は、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮ，若しくはＡｌＧａＮ等の化合物をセラミック基板１３上に成膜したものから構成されてもよい。半導体発光素子１１は、レーザーダイオードであってもよい。なお、半導体発光素子１１は、化合部半導体又はレーザーダイオードである場合、金属（Ａｕ）又ははんだ（ＡｕＳｎ）等の接合剤によりセラミック基板１３と接合させることにより、半導体構造体１として構成されればよい。

セラミック基板１３は、半導体発光素子１１が実装されるものであり、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板、炭化ケイ素基板、又は窒化ケイ素基板等が使用可能である。特に、窒化アルミニウム基板は、熱伝導率が高いので、セラミック基板１３としての使用が好ましい。セラミック基板１３は、半導体発光素子１１から放出される熱を外部に伝達させるものである。

なお、実装するとは、半導体発光素子１１を配置して機械的に接続することと、半導体発光素子１１を電気的に接続することと、を含む概念である。

シリコン基板１５は、セラミック基板１３の裏面側に配置されるものであり、セラミック基板１３で伝達される熱を拡散させるものである。なお、シリコン基板１５の表面粗さＲａは、数ｎｍであるのに対し、窒化アルミニウム基板の表面粗さＲａは、約１０μｍであって、熱膨張率も異なるものである。そこで、例えば、シリコン基板１５上に窒化アルミニウム基板を成膜等により配置させる際、シリコン基板１５上をエッチング等により約数μｍ周期で凹凸構造を事前に形成しておいてもよい。

ヒートシンク１９は、シリコン基板１５の裏面側に配置されるものであり、シリコン基板１５で拡散される熱を放熱するものである。

セラミック基板１３及びシリコン基板１５の合計の厚さは、１ｍｍ以上である。具体的には、セラミック基板１３である窒化アルミニウム基板の厚さは、０．４５ｍｍである。一方、シリコン基板１５の厚さは、０．５５ｍｍ以上である。シリコン基板１５は、表面粗さＲａが１ｎｍ以下となり、且つ表面粗さＲｙが１１μｍ以内となるように、光学研磨がされていることが好ましい。

図２は、半導体構造体１の半導体発光素子１１から放出される熱の拡散方向Ｋ，Ｊの一例を示す図である。図３は、シリコン基板１５と、グリス１７との密着状態を概略的に示す図である。図４は、従来の半導体構造体１’の構成例を示す図である。図５は、従来の半導体構造体１’の半導体発光素子１１から放出される熱の拡散方向Ｊの一例を示す図である。図６は、従来の半導体構造体１’のセラミック基板１３と、グリス１７との密着状態を概略的に示す図である。

図２に示すように、半導体構造体１の半導体発光素子１１から放出される熱は、拡散方向Ｊの他に拡散方向Ｋにも拡散する。つまり、半導体構造体１の半導体発光素子１１から放出される熱は、シリコン基板１５の厚みがある分、放熱経路がより多く確保されているため、例えば横方向にも拡散するものである。一方、図４，５に示すように、従来の半導体構造体１’は、セラミック基板１３と、ヒートシンク１９との間には、シリコン基板１５が配置されていない。よって、半導体構造体１’の半導体発光素子１１から放出される熱は、シリコン基板１５の厚みがない分、放熱経路が少ないため、例えば横方向にも拡散しづらい。

また、シリコン基板１５の表面粗さＲａは１ｎｍ以下となるように、光学研磨されたものであり、グリス１７の粒径は約３０μｍである。よって、図３，６に示すように、半導体構造体１のグリス１７とシリコン基板１５との間は、半導体構造体１’のグリス１７とセラミック基板１３との間よりも密着している。

図７は、従来の半導体構造体１’と、本開示を適用した半導体構造体１との熱抵抗を比較する図である。特性曲線Ｌは、窒化アルミニウム基板とヒートシンク１９との間にシリコン基板１５が配置されていないものであって、従来の半導体構造体１’の特性を示すものである。一方、特性曲線Ｍは、窒化アルミニウム基板とヒートシンク１９との間にシリコン基板１５が配置されているものであって、本開示を適用した半導体構造体１の特性を示すものである。図７に示すように、特性曲線Ｌよりも特性曲線Ｍの方が、熱抵抗は低いものとなっている。

なお、半導体構造体１は、車両用灯具として使用されてもよい。

以上の説明から、本開示を適用した半導体構造体１によれば、セラミック基板１３及びシリコン基板１５の合計の厚さが１ｍｍ以上であるため、横方向への熱拡散が促進され、全体として熱拡散が促進される。また、シリコン基板１５は微細加工されて形成されるものであり、ヒートシンク１９は、シリコン基板１５の裏面側に配置されているものであるため、ヒートシンク１９とシリコン基板１５との密着状態は十分なものとなっている。したがって、半導体発光素子１１から放出される熱を、十分に拡散させつつ、ヒートシンク１９に効率的に伝達させることができる。

また、窒化アルミニウム基板は、熱伝導率が高いため、半導体発光素子１１から放出される熱を効率的に外部に放出することができる。また、窒化アルミニウム基板は絶縁体であり、シリコン基板１５は半導体である。よって、半導体発光素子１１と、シリコン基板１５との間に窒化アルミニウム基板が挟み込まれる構造となることにより、電気的絶縁性が保たれるため、半導体発光素子１１と、シリコン基板１５との間の電気的導通を妨げることができる。

また、窒化アルミニウム基板の厚さは、０．４５ｍｍ以上であり、シリコン基板１５の厚さは、０．５５ｍｍ以上であるため、半導体発光素子１１とヒートシンク１９との間の厚みを窒化アルミニウム基板単体よりも低コストで増加させることができる。

また、シリコン基板１５は、表面粗さＲａが１ｎｍ以下となり、表面粗さＲｙが１１μｍ以内となるように、光学研磨がされたものであるため、平坦度の高いものである。よって、シリコン基板１５と、ヒートシンク１９との密着度は高い。したがって、シリコン基板１５と、ヒートシンク１９との密着面積は向上するため、全体として熱抵抗が低減する。熱抵抗低減効果により、半導体発光素子１１から放出される熱は効率良くヒートシンク１９に伝達されるため、信頼性が向上する。また、熱抵抗低減効果により、半導体構造体１のユニットとしての小型化を図ることができる。また、熱抵抗低減効果により、既存サイズのヒートシンク１９を使用した場合、電流をさらに流すことができるため、半導体発光素子１１から放出される光束を増加させることができ、全体として光量を増加させることができる。

以上、本開示を適用した半導体構造体１を実施形態に基づいて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、接合剤としてＡｕ基はんだの一例について説明したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、Ｓｎ基はんだ、Ｐｂ基はんだ、又はＩｎ基はんだ等の接合剤が用いられてもよい。

１，１’ 半導体構造体
１１半導体発光素子
１３セラミック基板
１５シリコン基板
１７グリス
１９ヒートシンク
Ｋ，Ｊ拡散方向
Ｌ，Ｍ特性曲線

Claims

半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が実装され、前記半導体発光素子から放出される熱を伝達させるセラミック基板と、
前記セラミック基板の裏面側に配置され、前記セラミック基板で伝達される熱を拡散させるシリコン基板と、
前記シリコン基板の裏面側に配置され、前記シリコン基板で拡散される熱を放熱するヒートシンクと、
を備え、
前記セラミック基板及び前記シリコン基板の合計の厚さは、１ｍｍ以上である、
半導体構造体。
前記セラミック基板は、窒化アルミニウム基板である、
請求項１に記載の半導体構造体。
前記窒化アルミニウム基板の厚さは、０．４５ｍｍであり、
前記シリコン基板の厚さは、０．５５ｍｍ以上である、
請求項２に記載の半導体構造体。
前記シリコン基板は、
表面粗さＲａが１ｎｍ以下となり、且つ表面粗さＲｙが１１μｍ以内となるように、光学研磨がされたものである、
請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体構造体。
請求項１〜４の何れか一項に記載の半導体構造体、
を含む、
車両用灯具。