JP4934954B2 - ヒートシンク及びヒートシンクを備えた半導体装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明のヒートシンクを備えた半導体装置を示す模式的断面図である。図1の半導体装置は、第1の板状部材2と第2の板状部材3によって構成されたヒートシンクを有しており、発熱体であるLEDチップ1を第1の板状部材2上に実装している。第1の板状部材2と第2の板状部材3との間には冷却用流体を流す流路12が形成されている。第2の板状部材3は流体の供給口36aと排出口36bとを備えている。第1の板状部材2の上面には、LEDチップ1の実装領域を除いて絶縁性部材4が形成されており、その絶縁性部材4の上に金属部材5が形成されている。第1の板状部材2と金属部材5は絶縁性部材4によって電気的に絶縁されている。発熱体であるLEDチップ1は、その上面に形成されたn側電極が金属部材5とワイヤーで接続されている。一方、LEDチップ1のp側電極は、LEDチップ1の底面に形成されており、第1の板状部材2に接続されている。金属部材5の上には、さらに金属製のキャップ溶接部材6が電気的に接続するように形成されている。また、第1の板状部材2と第2の板状部材3も電気的に接続されている。電源8は、キャップ溶接部材6と第2の板状部材3に接続される。電気的接続経路としては、発熱体1を介して第1の板状部材2と金属部材5とが接続されている。即ち、第2の板状部材3と第1の板状部材2とがLEDチップ1のp側電極に電流を流すリードの役割を果たし、金属製のキャップ溶接部材6と金属部材5とがLEDチップ1のn側電極に電流を流すリードの役割を果たしている。また金属部材5上のキャップ溶接部材6には、さらにLEDチップ1を保護するためのカバーであるキャップ7が形成されている。キャップ7にはLEDチップ1の発光を観測できるように窓部が形成され、透光性の窓部材9が嵌め込まれている。
厚みで200μmの無酸素銅からなる第1の板状部材及び第2の板状部材を、図4、図5に示すように加工を施す。第1の板状部材には螺子穴を四方に形成し、発熱体を形成する第1の面に対向した第2の面には凹凸加工をしている(図4)。第2の板状部材にも螺子穴を四方に形成し、また流体を導入する供給口と排出口を形成する(図5)。これらの部材の形成面には、Au層、及び/又はAuSn層を形成する。その後、N2ガス雰囲気中にて300℃〜400℃の熱処理を施し貼り合わせて積層板状部材を形成する。この積層板状部材には発熱体をAuSn等の接着部材を使用して実装する。このとき、銅薄板に施すAuSnの共晶温度に比べ、発熱体を実装する際に用いるAuSnの共晶温度が低くなるよう、AuSn重量比を制御しておくことで、発熱体を接合する際のヒートシンクの剥離を抑制できる。このような発熱体を形成したヒートシンクは、水冷冶具に実装して流体として例えば純水等を循環させてもヒートシンクから流体が漏れることはない。
ケミカルエッチング等により前記第1の板状部材の第2の面に、凹凸構造を施して積層板状部材を形成してなるヒートシンクにおいて、該ヒートシンク上に□1mmの窒化物半導体から成るLED素子を21個実装し、開口径で8mm程度のLED光源を試作した。前記凹凸は凹部の幅200μm、深さ200μmであって、凸部の幅を800μmである。このLED光源を構成する21素子中の平均的な1素子のI−L特性と,従来受動的冷却手段により得られる1素子のIL特性を調べたところ、図12に示すように、○点で示す受動的冷却手段では0.3A〜0.5Aからリニアリティが崩れる。これに対して、本実施例である能動的冷却手段においては、実線で示すようにLED素子が21個実装された半導体装置であっても0.5A以上にも及ぶリニアリティがとれていることが確認できた。また、図13に示すように,該□1mmのLED素子を21実装した半導体装置から5Wattを超える光出力が得られた。素子間隔が200μm程度であって熱干渉を考慮したとしても、このような高密度実装でありながらリニアリティが良好な高輝度LED光源が得られた。
本発明のヒートシンクに、前記LED素子を21個実装してなる半導体装置において、流体として循環冷却媒体である純水(温度25℃,流量0.4L/minの条件)を循環させて定電流駆動させた。その結果を図14、15に示す。
前記半導体装置は、純水(温度25℃,流量0.4L/minの条件)を循環させ,電流10.5A(1素子当たりの投入電流は0.5A)で定電流駆動させた(図14)。比較例となる受動的冷却方法では、点線で示すように1素子に0.5A投入した場合には、100時間経過後には出力が約10%低下することが推測されるが、本発明の能動的冷却手段を用いたヒートシンクに実装させた場合、発熱体であるLED素子の間隔が200μmと高密度実装でありながらも100時間後の劣化はほとんど観測できなかった。このときの熱密度は約2Watt/mm2であるが、3Wattを超える光出力が得られた。
また、本発明のヒートシンクにLED素子を21実装してなる半導体装置において、純水(温度25℃,流量0.4L/minの条件)を循環させ、電流20A(1素子当たりの投入電流は0.95A)で定電流駆動させた(図15)。受動的冷却方法では、1素子に1A投入した場合、10時間経過後には出力が約15%低下することが推測されるが、本発明の能動的冷却手段を用いたヒートシンクに実装させた場合、素子間隔が200μmと高密度実装でありながらも、10時間後の劣化はほとんど観測できなかった。このときの熱密度は約5Watt/mm2であるが、5Wattを超える光出力が得られた。
ヒートシンクに発熱体がマトリクス状に実装されたもの(以下、「系」という。)が、真空断熱空間に置かれており、ヒートシンク内に25℃の冷却水が循環していると仮定してシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図16に示す。図16(a)は、凸部を発熱体の中央と四隅に配置し、凸部の径を相対的に大きく設定したヒートシンクを用いたシミュレーションである(以下、単に「系(a)」という。)。図16(b)は、凸部を発熱体の中央に配置し、凸部の径を相対的に小さく設定したヒートシンクを用いたシミュレーションである(以下、単に「系(b)」という。)。図16(c)は、凸部が全くないように設定したヒートシンクを用いたシミュレーションである(以下、単に「系(c)」という)。
2・・・第1の板状部材
3・・・第2の板状部材
Claims (19)
- 発熱体である複数のLEDチップが該LEDチップの幅よりも狭い間隔をおいて配列し、熱的に接続される第1の面を有する第1の板状部材と、該第1の板状部材の第2の面と接続される第2の板状部材とから成る積層板状部材に、流体が供給される供給口と、該供給口と連通し流体が排出される排出口とを備えたヒートシンクにおいて、
前記第1の板状部材の第2の面には凹凸を有し、
前記凹凸の凸部は、少なくとも一部が前記LEDチップ同士の間隔に相当する位置に形成され、
前記第2の板状部材は、前記供給口及び前記排出口から前記第2の板状部材の中央に向かって扇状に広がった扇状凹部と、該扇状凹部の底面に前記流体の流れる方向に放射状に配列された支持柱とを有し、前記支持柱が前記第1の板状部材との接合面となることを特徴とするヒートシンク。 - 前記凹凸は、発熱体の接続領域に対向した第2の面に有することを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク。
- 前記凹凸は、段差が10μm以上500μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のヒートシンク。
- 発熱体である複数のLEDチップが該LEDチップの幅よりも狭い間隔をおいて配列し、熱的に接続される第1の面を有する第1の板状部材と、該第1の板状部材の第2の面と接続される第2の板状部材とから成る積層板状部材に、流体が供給される供給口と、該供給口と連通し流体が排出される排出口とを備えたヒートシンクにおいて、
前記第1の板状部材の第2の面には凹凸を有し、
前記凹凸の凸部は、少なくとも一部が前記LEDチップ同士の間隔に相当する位置に形成され、
前記第2の板状部材は、前記供給口及び前記排出口から前記第2の板状部材の中央に向かって扇状に広がった扇状凹部と、該扇状凹部の底面に前記流体の流れる方向に放射状に配列された支持柱とを有し、前記支持柱が前記第1の板状部材との接合面となり、
前記第1の板状部材は、第1の面における発熱体の接触面積(a)に対して、発熱体の接触領域に対向した第2の面における表面積(b)が大きいことを特徴とするヒートシンク。 - 前記第1の面における発熱体の接触面積(a)と、第2の面における発熱体の接触領域に対向した第2の面における表面積(b)との比が、0.2≦(a/b)<1であることを特徴とする請求項4に記載のヒートシンク。
- 前記第1の板状部材における第1の面と前記発熱体とは共晶材料を介して接続されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のヒートシンク。
- 前記第1の板状部材における第2の面と前記第2の板状部材とは共晶材料を介して接続されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のヒートシンク。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載のヒートシンクと、半導体から成る発熱体とを備えたことを特徴とする半導体装置。
- 前記発熱体は、前記第1の板状部材における第1の面上に1以上が実装されて成ることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
- 前記発熱体が半導体発光素子であることを特徴とする請求項8又は9に記載の半導体装置。
- 第1の面を有する第1の板状部材と、該第1の板状部材の第2の面と接続される第2の板状部材とから成る積層板状部材に、冷却用流体が供給される供給口と、前記冷却用流体を流す流路と、前記冷却用流体が排出される排出口とを備えたヒートシンクと、前記第1の板状部材の前記第1の面上に1次元又は2次元状に配列するように実装された複数の窒化物半導体発光素子とを備え、前記窒化物半導体発光素子同士の間隔が前記窒化物半導体素子の幅よりも狭い半導体発光装置であって、
前記流路内において前記第1の板状部材の表面に複数の凸部が形成され、前記凸部の少なくとも一部が前記窒化物半導体素子同士の間隔に相当する位置に形成され、
前記第2の板状部材は、前記供給口及び前記排出口から前記第2の板状部材の中央に向かって扇状に広がった扇状凹部と、該扇状凹部の底面に前記流体の流れる方向に放射状に配列された支持柱とを有し、前記支持柱が前記第1の板状部材との接合面となることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記複数の凸部は、前記流路の入口から出口に向かって最も近接する凸部同士を順次結んだ線分が屈曲を繰り返すよう互いにずれて配置されたことを特徴とする請求項11に記載の半導体発光装置。
- 前記複数の凸部の少なくとも一部は、前記半導体発光素子の間に中心が位置するように形成されたことを特徴とする請求項11又は12に半導体発光装置。
- 前記複数の凸部の少なくとも一部は、前記半導体発光素子の略中央に中心が位置するように形成されたことを特徴とする請求項11乃至13のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
- 前記複数の凸部が各半導体発光素子の略中央と頂点付近とに配置されたことを特徴とする請求項11乃至14のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
- 前記凸部の上面が対向する板状部材に接合されたことを特徴とする請求項11乃至15のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
- 前記流路が平面視で略円形又は略楕円形であることを特徴とする請求項1乃至16のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
- 前記流路の入口及び/又は出口が円弧状であることを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
- 前記板状部材の貼り合わせ面が、Auを含む金属材料によって覆われていることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
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