JP5090622B2 - 冷却エレメントを備えた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置であって、半導体構成素子、特にレーザダイオードまたはレーザバーが設けられており、前記半導体構成素子が、冷却エレメント上に配置されており、この場合、該冷却エレメントがその内部に、冷却媒体を案内するための冷却通路を有しており、該冷却通路が、少なくとも１つの領域に、冷却媒体への有効な熱接続のためのマイクロ構造部を有している形式のものに関する。

このような形式の公知の半導体装置は、例えばドイツ連邦共和国特許第１９５０６０９３号明細書に示されていてかつ説明されている。このような公知の半導体装置の概略図は、図２に示されている。この場合、マイクロ冷却体２０は、エッチングにより構造化された複数の銅箔を一緒にボンディングすることによって製作される。個々の層は協働で、冷却水流入部２４と、マイクロ冷却体２０の、パワーレーザバーが組み付けられている領域に冷却水を案内する冷却通路２６と、冷却水流出部２８とを形成している。冷却媒体は矢印３０に沿って流入部２４から流出部２８へ流れる。少なくとも１つの領域３２に、マイクロ構造部、例えば狭幅の通路が実現されている。この領域では、冷却水の乱流の流れによって、特別に有効な熱交換が行われる。

レーザバー１２は、軟ろう、例えばインジウムによって、マイクロ冷却体の前縁部にろう接されている。この場合、バー１２が銅ブロック２０に直接に組み付けられることによって、レーザバーから冷却装置への改善された熱移行が可能になる。

しかしながら、シール部に基づいて、マイクロ構造化された領域が直接にレーザバーの下方に位置することはできないという事実が、冷却水への熱結合にとって不利である。したがって、図２に示されているような熱流領域５４が生じる。

例えばろう接ステップ後の冷却に際してまたはレーザバーのスイッチオン・オフに際してのような温度変化負荷のもとでは、例えばインジウムの場合、既に５℃〜７℃の温度引上げ（Temperaturhueben）に際して、軟ろうに塑性変形が生じることがあり得る。この変形は、結合部の部分的なまたは完全な破断を生ぜしめることがあり得る。部分的にまたは完全に中断された結合部は、レーザバーにおける著しく悪化させられた熱導出と好ましくない不均質な流れ分布とをもたらす。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の装置を改良して、マイクロ冷却体上の半導体構成素子の熱的および機械的な連結が改善されるようなものを提供することである。特に、装置の高い熱放散性能および高い機械的安定性が保証されているようにしたい。

この課題は、請求項１記載の半導体装置によって解決される。当該半導体装置の有利な実施態様は、従属請求項２〜１５から得られる。

パワーレーザバーとの関連で論じられるとはいえ、当業者にとっては、以下に記載の本発明による解決手段の一連の利点がパワーレーザバーの場合でしか得られないというわけではないことは、自明のことである。むしろ、本発明は、半導体材料とは異なる熱膨張係数を備えたマイクロ冷却体上に半導体構成素子が配置されていて、かつ運転中に本質的な温度変化にさらされている他の半導体装置の場合にも、有利に使用されることができる。

このことは、前記パワーレーザバーのほかに例えばパワートランジスタおよびパワー発光ダイオードについても当てはまるか、または例えば自動車分野、飛行機またはこれに類するものにおいて使用され、かつそこで著しい外気温度変動にさらされている半導体装置についても当てはまる。

本発明によれば、冒頭に述べた形式の半導体装置では、半導体構成素子と冷却エレメントとの間に中間支持体が配置されていて、該中間支持体がほぼ完全に、冷却通路の、マイクロ構造部を有している領域と冷却エレメント上で重なっており、前記中間支持体が、さらに、半導体構成素子と冷却エレメントとの間の温度差に基づいて発生する機械的な応力を補償するように整備されていてかつ設計されていることが考えられている。

この場合、中間支持体は、半導体構成素子の配置されている領域が重なると同時に、マイクロ構造部を有している領域と「ほぼ完全に」重なっている。これに関して、何らかの電気的な接続領域またはこれに類するものが重なり領域から突出しているかどうかは、取るに足りないことである。

つまり本発明は、半導体構成素子から熱をできるだけ短い経路で冷却媒体に案内すると同時に、半導体構成素子と冷却エレメントとの間の結合部の機械的な安定性を、異なる膨張を補償する中間支持体を用いて保証するという思想に基づいている。

本発明による半導体装置では、有利には、中間支持体の熱膨張係数が、半導体構成素子の熱膨張係数に適合されており、かつ中間支持体が、半導体構成素子と冷却エレメントとの間の温度差のもとで生じる機械的な応力を実質的に弾性の伸び範囲内で補償するほどに高い弾性係数を有していることが考えられている。

これにより、中間支持体は、半導体構成素子および冷却エレメントの異なる熱膨張を、完全に可逆的な伸びによって補償する。したがって、半導体構成素子の機械的な負荷は、ほぼ完全に回避される。

中間支持体は、有利には、銅よりも高い熱伝導率、特に銅よりも約１．５倍高い熱伝導率、有利には３倍高い熱伝導率を有している。

半導体構成素子は、本発明の有利な実施態様では、硬ろうによって中間支持体に結合されている。本発明によれば中間支持体は異なる熱膨張を受容するので、この役目を、公知先行技術による構成の場合のように、塑性変形可能な軟ろうが引き受ける必要はもはやない。これにより、構成素子と中間支持体との結合のために、軟ろうの代わりに耐高温性およびサイクル安定性（Zykelstabil）の硬ろうを使用する自由が提供される。

本発明による装置の有利な実施態様では、同じ理由から、中間支持体はやはり硬ろうによって冷却エレメントに結合されている。

特別に有利には、中間支持体は冷却エレメントおよび半導体構成素子に、硬ろうを介してかまたはインジウムに比較して著しく高融点のろうを介して結合されている。

この場合、硬ろう材料として、有利にはＡｕＳｎ、ＡｕＧｅまたはＡｕＳｉが考慮に値する。上述の意味での比較的に高融点のろうは、例えばＳｎＡｇＳｂ、ＳｎＣｕ、ＳｎＳｂである。この関連では、目下、硬ろうとしてＡｕＳｎを使用することが有利である。

本発明による半導体装置の有利な実施態様によれば、中間支持体が、モリブデン、タングステン、銅・モリブデン合金または銅・タングステン合金から製作されていることが考えられている。この場合、銅・モリブデン合金もしくは銅・タングステン合金の銅成分は、有利には約１０％〜約２０％である。前記材料は、２５０ＧＰａよりも大きいかまたはそれぞころか３００ＧＰａよりも大きい、高い弾性係数を有している。前記材料は、さらに、高い降伏応力および高い温度耐性を示す。

中間支持体は前記材料から冷却エレメント上に、箔として製作されることができると同様に、しかしながらスパッタ層、蒸着層または電気めっき層として製作されることもできる。後者の事例では、中間支持体を冷却体に硬ろうによって結合することは、当然のことながら不要となる。

本発明の別の有利な実施態様では、中間支持体はダイヤモンド複合材料、特にダイヤモンド金属複合材料を有している。このような中間支持体は、有利には、ダイヤモンド・銅、ダイヤモンド・コバルトおよびダイヤモンド・アルミニウムの材料組合せのうちの少なくとも１つの材料組合せを有している。これらの材料は、６００Ｗ／ｍＫまで、銅よりも高い熱伝導率を示すと同時に、半導体構成素子にほぼ相当する膨張係数を示す。銅・ダイヤモンド中間支持体の使用時には、半導体構成素子に面した結合層は有利にはＡｕＳｎを含有し、冷却エレメントに面した結合層は有利にはＳｎＡｇＳｂを含有する。

本発明による構成が、パワー半導体レーザダイオードバー、特にＡｌＧａＡｓをベースとしたパワー半導体レーザダイオードバーを備えた装置において使用されることが、特別に有利である。

本発明による半導体装置の有利な実施態様では、冷却エレメントの同一の外面へ、レーザダイオードと、ビーム視準装置、有利にはマイクロレンズとが配置されている。ビーム視準装置はレーザダイオードのビーム広がりを視準する。ビーム視準装置なしでは中間支持体は、冷却エレメントによる描影（Abschattung）が惹起されることなしに、最大でタンジェント（ビーム広がり）だけ後方へずらされていてよい。このことは、通常、中間支持体と一緒にバーを十分に中央でマイクロ冷却構造体上へ置くには十分ではない。

ビームを視準するためのマイクロレンズは、公知先行技術による従来式の装置でも頻繁に使用される。図２に示されているように、マイクロレンズ６２は、レーザバー１２がマイクロ冷却体の縁部に従来式に配置されるために、補助支持部材６０によって冷却体２０に固定される。

これに対して本発明による装置では、有利には、相応の付加的な付属部材が必要とされない。

本発明による半導体装置の有利な実施態様では、冷却エレメントが、互いに上下にスタッキングされかつ扁平に互いに結合された複数の層を有しており、該複数の層のうちの一部が、冷却エレメントの内部で冷却媒体を案内するための冷却通路を形成するために、構造化されていることが考えられている。

冷却エレメントの前記層は、有利には銅箔から形成されており、該銅箔はエッチングによって構造化されている。

本発明のさらなる利点、有利な実施態様、特徴および詳細は、従属請求項と、所属の図面を用いた以下の実施例の説明とから得られる。

図面には、それぞれ本発明の理解にとって本質的な要素だけが示されている。

図１に断面図で示された半導体装置１０は、パワーレーザダイオードバー１２を有している。このパワーレーザダイオードバー１２はマイクロ冷却体２０上へろう接されている。このマイクロ冷却体２０は、上面に冷却水流入部２４を備えていて、内部に冷却通路２６を備えていて、下面に冷却水流出部２８を備えている。マイクロ冷却体２０内の冷却媒体の流れ方向は、矢印３０によって示されている。

冷却通路２６は、パワーレーザダイオードバー１２の下方の領域３２に、マイクロ構造部、例えば、それぞれ０．３ｍｍの幅および高さを備えた多数の通路を有している。このようなマイクロ構造部は、流れる冷却媒体に乱流を生ぜしめる。このことによって、冷却媒体とマイクロ冷却体との間の熱交換が、極めて有効に構成される。

冷却通路２６内のマイクロ構造化された領域３２の長さは、少なくともパワーレーザダイオードバー１２の長さと同じである。このパワーレーザダイオードバー１２は少なくともこの延在方向で、マイクロ構造化された領域３２と完全に重なっている。有利には、図１に示されているように、マイクロ構造化された領域３２の長さはパワーレーザダイオードバー１２の長さよりも大きい。これにより、パワーレーザダイオードバー１２からマイクロ構造化された領域３２に向かう熱流が生じる領域の横断面は、増大される。

特別に有利には、マイクロ構造化された領域３２は、さらに、パワーレーザダイオードバー１２とちょうど同じ幅であるかまたはパワーレーザダイオードバー１２よりも広幅である。

パワーレーザダイオードバー１２とマイクロ冷却体２０との間には、中間支持体１６が配置されている。この中間支持体１６は、マイクロ構造化された領域３２の上方で、マイクロ冷却体２０の表面へろう接されていて、このマイクロ冷却体２０と完全に重なっている。

中間支持体１６は、例えば、１５％の銅成分を備えた銅・タングステン合金から成っていて、例えば２５０μｍの厚さを有している。

パワーレーザダイオードバー１２と中間支持体１６との間の結合および中間支持体１６とマイクロ冷却体２０の表面２２との間の結合は、ＡｕＳｎ、すなわち、可塑性の性質を実質的に有していないろうによって行われる。この硬ろう付け層は、図１では参照符号１４；１８で示されている。

中間支持体１６はその高い弾性係数に基づいて、例えばパワーレーザダイオードバー１２およびマイクロ冷却体（銅）２０の材料の、運転に起因した加熱と種々異なる熱膨張とに基づいて生じる機械的な応力を、弾性の伸び範囲内で受容する。これにより、硬ろう付け層１４，１８および／またはパワーレーザダイオードバー１２を損傷する危険が、ほぼ完全に減少される。

公知先行技術に基づき公知であるような、パワーレーザダイオードバーとマイクロ冷却体との間の純粋なインジウム・軟ろう結合部に比べれば、中間支持体１６は確かに、より低い熱伝導率しか有していない。しかしながら、この低下させられた熱伝導率は、パワーレーザダイオードバー１２が前記マイクロ構造化された領域３２にはるかに有利に熱結合されることによって、過補償される（ueberkompensiert）。これにより、総じて、図２に示された従来式の構成に比べて、パワーレーザダイオードバーと冷却水との間の改善された熱流が達成される。

１０ｍｍの長さのパワーレーザダイオードバーに対する熱移行抵抗Ｒ_ｔｈは、図１に示された本発明による構成では、従来式の構成で達成される値を約４０％まで下回る。

パワーレーザダイオードバー１２が組み付けられているマイクロ冷却体２０の表面には、図１に示されているように、ビームを視準するためのマイクロレンズ４０が存在する。このために表面２２は、有利には、パワーレーザダイオードバーに対してすぐ近くで、適当な組付け面を提供する。公知の装置では不可欠とされるような、マイクロ冷却体における補助部材または付属部材は、先立って開示された技術的な教示を利用する装置では、必要ではなくなる。

実施例を用いた本発明の説明は、当然のことながら、本発明が前記実施例に限定されるという意味ではない。むしろ、説明の先述の一般的な部分は、図面並びに特許請求の範囲に開示された本発明の特徴に関して、個別にもかつ当業者にとって適当に思われる組合せでも、発明の実現にとって本質的である。したがって例えば、実施例で例示された、銅・タングステン合金から成る中間支持体１６（この中間支持体は、有利には両面でそれぞれ硬ろう１４，１８によって冷却エレメント２０もしくは半導体構成素子１２に結合されている）の代わりに、説明の一般的な部分に示されているようにダイヤモンド複合材料を有している中間支持体１６が使用可能である。銅・ダイヤモンド中間支持体が使用される場合、半導体構成素子１２に面した結合層１４は有利にはＡｕＳｎを含有し、冷却エレメント２０に面した結合層１８は有利にはＳｎＡｇＳｂを含有する。

本実施例の断面図を概略的に示す図である。

公知先行技術による半導体装置の断面図を概略的に示す図である（さらに上記の箇所で詳しく説明されている）。

Claims (11)

1. 半導体装置であって、
   −パワーレーザダイオードバー（１２）が半導体構成素子として設けられており、前記パワーレーザダイオードバー（１２）が、冷却エレメント（２０）上に配置されており、
   −この場合、冷却エレメント（２０）が互いに上下にスタッキングされかつ扁平に互いに結合された複数の層から成っており、該複数の層のうちの一部が、冷却エレメント（２０）の内部に冷却媒体を案内するための冷却通路（２６）を形成するために構造化されており、該冷却通路（２６）が、少なくとも１つの領域（３２）に、冷却媒体への有効な熱移行のためのマイクロ構造部を有しており、
   −パワーレーザダイオードバー（１２）が完全に、冷却通路（２６）の、マイクロ構造部を有している領域（３２）と重なっており、パワーレーザダイオードバー（１２）と冷却エレメント（２０）との間に中間支持体（１６）が配置されており、該中間支持体（１６）が、パワーレーザダイオードバー（１２）および冷却エレメント（２０）の異なる熱膨張に基づいて発生する、パワーレーザダイオードバー（１２）と冷却エレメント（２０）との間の機械的な応力を弾性の伸び範囲内で受容する高さの弾性係数を有しているように整備されていてかつ設計されている半導体装置において、
   冷却エレメント（２０）の同一の表面へ、パワーレーザダイオードバー（１２）と、ビーム視準装置（４０）とが配置されていることを特徴とする、冷却エレメントを備えた半導体装置。
2. 中間支持体（１６）が、銅よりも高い熱伝導率を有している、請求項１記載の半導体装置。
3. 中間支持体（１６）の熱膨張係数が、パワーレーザダイオードバー（１２）の熱膨張係数に相当する、請求項１又は２記載の半導体装置。
4. パワーレーザダイオードバー（１２）が、硬ろう（１４）によって中間支持体（１６）に結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体装置。
5. 中間支持体（１６）が、硬ろう（１８）によって冷却エレメント（２０）に結合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体装置。
6. 硬ろう（１４，１８）として、ＡｕＳｎろうをベースとするろうが使用されている、請求項４または５記載の半導体装置。
7. 中間支持体（１６）が、モリブデンもしくはタングステン、または銅・モリブデン合金もしくは銅・タングステン合金から製作されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の半導体装置。
8. 中間支持体（１６）が、ダイヤモンド金属複合材料を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体装置。
9. 冷却エレメント（２０）の層が、構造化された銅箔によって形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体装置。
10. マイクロ構造化された領域（３２）の長さが、少なくともパワーレーザダイオードバー（１２）の長さと同じであるかまたはパワーレーザダイオードバー（１２）の長さよりも大きく、マイクロ構造化された領域（３２）が、長さの方向でパワーレーザダイオードバー（１２）と完全に重なっている、請求項１から９までのいずれか１項記載の半導体装置。
11. マイクロ構造化された領域（３２）の幅が、パワーレーザダイオードバー（１２）の幅と同じであるかまたはパワーレーザダイオードバー（１２）の幅よりも大きく、マイクロ構造化された領域（３２）が、幅の方向で完全にパワーレーザダイオードバー（１２）と重なっている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の半導体装置。

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