JP5246130B2

JP5246130B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP5246130B2
Application number: JP2009239479A
Authority: JP
Inventors: 聡司大嶋
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: JP2011086818A

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に半導体素子が冷却または加熱される半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device in which a semiconductor element is cooled or heated.

半導体素子を冷却（または加熱）するため、半導体素子を基板に実装し、基板に冷却部を熱的に接触させる半導体装置が知られている。例えば、パッケージ基板上に半導体素子を固定し、半導体素子と冷却モジュールとの間に伝熱体を設け、フレームを用いパッケージ基板と冷却モジュールと挟持する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、表面に半導体素子を接合し裏面が冷却体に固定される放熱板を三層とし、三層のうち中心層の線熱膨張係数を両側層より小さくすることが知られている（例えば、特許文献２）。 In order to cool (or heat) a semiconductor element, a semiconductor device is known in which a semiconductor element is mounted on a substrate and a cooling unit is in thermal contact with the substrate. For example, a semiconductor device is known in which a semiconductor element is fixed on a package substrate, a heat transfer body is provided between the semiconductor element and the cooling module, and the package substrate and the cooling module are sandwiched using a frame (for example, Patent Documents). 1). Moreover, it is known that the heat sink with the semiconductor element bonded to the front surface and the back surface fixed to the cooling body is made into three layers, and the linear thermal expansion coefficient of the central layer among the three layers is made smaller than both side layers (for example, Patent Document 2).

特開昭５８−４４７５４号公報JP 58-44754 A 特開２００４−２８１６７６号公報JP 2004-281676 A

半導体素子の回収等のため、半導体素子を固着した基板は、基板を冷却する冷却部（または、基板を加熱する加熱部）から離脱可能であることが好ましい。しかしながら、例えば、基板と冷却部とをクランプやネジ等で固着させると、クランプした箇所やネジ止めした箇所では、基板と冷却部とが密着するが、その他の箇所では基板と冷却部との密着が確保できない場合がある。 In order to recover the semiconductor element, the substrate to which the semiconductor element is fixed is preferably removable from a cooling unit that cools the substrate (or a heating unit that heats the substrate). However, for example, when the substrate and the cooling unit are fixed with clamps or screws, the substrate and the cooling unit are in close contact with each other at the clamped or screwed locations, but the substrate and the cooling unit are in close contact with each other at other locations. May not be secured.

本半導体装置は、基板と冷却部または加熱部とをより密着させることを目的とする。 An object of the present semiconductor device is to make the substrate and the cooling unit or the heating unit more closely contact each other.

例えば、半導体素子と、内部と前記内部より線熱膨張係数が大きく前記内部を囲む外部とを含み、前記半導体素子が固着された第１面を含む基板と、前記基板の前記第１面と反対の面である第２面と接する面を含み、前記基板を冷却する冷却部と、前記冷却部の前記面と前記基板の前記第２面とが接するように、前記冷却部と前記基板とを挟持する挟保部と、を具備する半導体装置を用いる。 For example, a semiconductor element, a substrate including a first surface to which the semiconductor element is fixed, and a substrate opposite to the first surface of the substrate, the substrate including a semiconductor element, an interior and an exterior having a larger linear thermal expansion coefficient than the interior and surrounding the interior A cooling unit that cools the substrate, and the cooling unit and the substrate so that the surface of the cooling unit and the second surface of the substrate are in contact with each other. A semiconductor device including a holding portion for holding is used.

例えば、半導体素子と、内部と前記内部より線熱膨張係数が小さく前記内部を囲む外部とを含み、前記半導体素子が固着された第１面を含む基板と、前記基板の前記第１面と反対の面である第２面と接する面を含み、前記基板を加熱する加熱部と、前記加熱部の前記面と前記基板の前記第２面とが接するように、前記加熱部と前記基板とを挟持する挟保部と、を具備する半導体装置を用いる。 For example, a semiconductor element, a substrate including a first surface to which the semiconductor element is fixed, and a substrate opposite to the first surface of the substrate, the substrate including a semiconductor element, an interior and an exterior having a smaller linear thermal expansion coefficient than the interior, and surrounding the interior A heating unit that heats the substrate, and the heating unit and the substrate so that the surface of the heating unit and the second surface of the substrate are in contact with each other. A semiconductor device including a holding portion for holding is used.

本半導体装置によれば、基板と冷却部または加熱部とをより密着させることができる。 According to this semiconductor device, the substrate and the cooling unit or the heating unit can be more closely attached.

図１は、赤外線検知装置の全体図である。FIG. 1 is an overall view of an infrared detection device. 図２は、筐体内を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the inside of the housing. 図３（ａ）は、冷却端の上面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。3A is a top view of the cooling end, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3A. 図４（ａ）は、冷却端に基板を配置した上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。4A is a top view in which the substrate is disposed at the cooling end, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 4A. 図５（ａ）は、冷却端に基板を取り付けた上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。FIG. 5A is a top view in which a substrate is attached to the cooling end, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 図６（ａ）から図６（ｃ）は、挟持部を取り付ける方法を示した図である。FIG. 6A to FIG. 6C are diagrams showing a method of attaching the clamping portion. 図７（ａ）は、基板、冷却端および挟持部を示す断面模式図である。図７（ｂ）は、基板が冷却された場合の模式図である。Fig.7 (a) is a cross-sectional schematic diagram which shows a board | substrate, a cooling end, and a clamping part. FIG. 7B is a schematic diagram when the substrate is cooled. 図８（ａ）は、実施例２の基板、冷却端および挟持部を示す断面模式図である。図８（ｂ）は、基板の断面模式図である。FIG. 8A is a schematic cross-sectional view illustrating a substrate, a cooling end, and a sandwiching portion of Example 2. FIG. 8B is a schematic cross-sectional view of the substrate. 図９は、実施例２における計算に用いた２次元形状を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a two-dimensional shape used in the calculation in the second embodiment. 図１０は、実施例２における計算結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a calculation result in the second embodiment.

以下に、図面を参照に実施例について説明する。 Embodiments will be described below with reference to the drawings.

実施例１は、赤外線を検知するハイブリッド素子を冷却する例である。図１は、赤外線検知装置の全体図である。赤外線検知を行なうハイブリッド素子は、例えば８０Ｋ程度まで冷却することが求められている。そこで、赤外線検知器は、以下のような構成となっている。筐体７０内にハイブリッド素子が配置されている。排気路７６は、真空ポンプに接続されており、排気路７６から筐体７０内の空気を排出する。これにより、筐体７０内は真空に保持されている。筐体７０の上方にはレンズ９０が設けられている。レンズ９０を通過した赤外線は、筐体７０内のバイブリッド素子に照射される。筐体７０には取付用のフランジ８０が設けられている。コンプレッサ８６は、冷媒であるＨｅを圧縮することにより冷却する。通路８４は、冷却されたＨｅを筐体７０内の冷却ヘッドに導きハイブリッド素子を冷却する。また、通路８４は、冷却ヘッドを冷却したＨｅをコンプレッサに戻す。 Example 1 is an example of cooling a hybrid element that detects infrared rays. FIG. 1 is an overall view of an infrared detection device. The hybrid element that performs infrared detection is required to be cooled to, for example, about 80K. Therefore, the infrared detector has the following configuration. A hybrid element is disposed in the housing 70. The exhaust path 76 is connected to a vacuum pump, and exhausts air in the housing 70 from the exhaust path 76. Thereby, the inside of the housing 70 is kept in a vacuum. A lens 90 is provided above the housing 70. The infrared light that has passed through the lens 90 is irradiated to the hybrid element in the housing 70. The housing 70 is provided with a mounting flange 80. The compressor 86 cools by compressing He which is a refrigerant. The passage 84 guides the cooled He to the cooling head in the housing 70 to cool the hybrid element. The passage 84 returns He that has cooled the cooling head to the compressor.

図２は、筐体７０内を示す図である。冷媒用孔８２には通路８４が取り付けられ、冷媒用孔８２を介しＨｅが導入される。冷却ヘッド５０は、冷媒用孔８２から導入されたＨｅにより冷却される。冷却端４０は、冷却ヘッド５０に例えば溶接により固定されている。冷却部である例えば冷却端４０にはハイブリッド素子３０を実装した基板１０が取り付けられている。挟持部２０は、基板１０と冷却端４０とを挟持する。これにより、ハイブリッド素子３０が冷却される。筐体７０の上面には、フィルタ７２が設けられている。フィルタ７２は、ハイブリッド素子３０が検出する赤外線７３を透過させ、他の光を遮蔽する。これにより、レンズ９０（図１参照）により集光された光のうち所望の波長の赤外線がハイブリッド素子３０に照射される。フィルタ７２とハイブリッド素子３０との間の側面には、コールドシールド７４が設けられている。コールドシールド７４は、冷却ヘッド５０により冷却されている。コールドシールド７４により、温度の比較的高い筐体７０等から迷光がハイブリッド素子３０に至ることを抑制する。筐体７０内の空気は排気路７６から排出されるため、筐体７０内は真空に保持されている。これにより、筐体７０と冷却ヘッド５０およびハイブリッド素子３０等とが熱的に分離される。 FIG. 2 is a view showing the inside of the housing 70. A passage 84 is attached to the refrigerant hole 82, and He is introduced through the refrigerant hole 82. The cooling head 50 is cooled by He introduced from the refrigerant hole 82. The cooling end 40 is fixed to the cooling head 50 by welding, for example. For example, the substrate 10 on which the hybrid element 30 is mounted is attached to the cooling end 40 that is a cooling unit. The sandwiching unit 20 sandwiches the substrate 10 and the cooling end 40. Thereby, the hybrid element 30 is cooled. A filter 72 is provided on the upper surface of the housing 70. The filter 72 transmits the infrared rays 73 detected by the hybrid element 30 and blocks other light. As a result, the hybrid element 30 is irradiated with infrared light having a desired wavelength out of the light collected by the lens 90 (see FIG. 1). A cold shield 74 is provided on the side surface between the filter 72 and the hybrid element 30. The cold shield 74 is cooled by the cooling head 50. The cold shield 74 prevents stray light from reaching the hybrid element 30 from the casing 70 having a relatively high temperature. Since the air in the housing 70 is discharged from the exhaust path 76, the inside of the housing 70 is kept in a vacuum. Thereby, the housing | casing 70, the cooling head 50, the hybrid element 30, etc. are thermally isolate | separated.

図３（ａ）は、冷却部である例えば冷却端４０の上面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）のように、冷却端４０は平板状であり、四方に凸部４８ａおよび４８ｂが設けられている。冷却端４０の裏面には冷却ヘッド５０が例えば溶接等により熱的に接触されている。冷却端４０の上面４１は、基板１０が密着する面である。 3A is a top view of, for example, the cooling end 40 that is a cooling unit, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3A. As shown in FIGS. 3A and 3B, the cooling end 40 has a flat plate shape and is provided with convex portions 48a and 48b in four directions. The cooling head 50 is in thermal contact with the back surface of the cooling end 40 by welding, for example. An upper surface 41 of the cooling end 40 is a surface to which the substrate 10 is in close contact.

図４（ａ）は、冷却端４０に基板１０を配置した上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）のように、基板１０は内部１２と外部１４とを備えている。外部１４は内部１２を囲み包み設けられている。言い換えれば、内部１２の周囲は全て外部１４で覆われている。基板１０の上面は、ハイブリッド素子３０が固着される第１面１１である。第１面１１の反対の面は、冷却端４０の上面４１と密着する第２面１３である。基板１０の中央領域には、ハイブリッド素子３０が例えば接着により固着される。基板１０の周辺には、中央領域より膜厚の小さい薄部１６ａおよび１６ｂが設けられている。薄部１６ａおよび１６ｂの側面が凸部４８ａおよび４８ｂの側面に当接するように、基板１０が冷却端４０に嵌め込まれる。このように、基板１０を凸部４８ａおよび４８ｂに嵌めこむことにより、冷却端４０を薄くすることができ、冷却端４０の熱抵抗を小さくできる。 4A is a top view in which the substrate 10 is disposed at the cooling end 40, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 4A. As shown in FIGS. 4A and 4B, the substrate 10 includes an inner portion 12 and an outer portion 14. The exterior 14 surrounds the interior 12 and is provided. In other words, the periphery of the interior 12 is entirely covered with the exterior 14. The upper surface of the substrate 10 is the first surface 11 to which the hybrid element 30 is fixed. The surface opposite to the first surface 11 is the second surface 13 that is in close contact with the upper surface 41 of the cooling end 40. The hybrid element 30 is fixed to the central region of the substrate 10 by adhesion, for example. In the periphery of the substrate 10, thin portions 16a and 16b having a thickness smaller than that of the central region are provided. The substrate 10 is fitted into the cooling end 40 so that the side surfaces of the thin portions 16a and 16b are in contact with the side surfaces of the convex portions 48a and 48b. Thus, by fitting the board | substrate 10 in the convex parts 48a and 48b, the cooling end 40 can be made thin and the thermal resistance of the cooling end 40 can be made small.

ハイブリッド素子３０は、赤外線検知素子３２と回路素子３４とが積層し接着されている。赤外線検知素子３２は、例えば、赤外線を検知し電気信号に変換する素子である。回路素子３４は、検知された電気信号を増幅し外部に出力する素子である。赤外線検知素子３２は、例えばＨｇ−ＣｄＴｅ基板を用いた半導体素子である。回路素子３４は、例えばシリコン基板を用いた半導体素子である。ハイブリッド素子３０は、例えば接着剤を用い基板１０の第１面１１に固着される。ハイブリット素子３０は非常に脆いため、ハイブリット素子３０を基板１０に固着した状態で、ハイブリッド素子３０は取り扱いされる。 In the hybrid element 30, an infrared detection element 32 and a circuit element 34 are laminated and bonded. The infrared detection element 32 is, for example, an element that detects infrared rays and converts them into electrical signals. The circuit element 34 is an element that amplifies the detected electric signal and outputs it to the outside. The infrared detection element 32 is a semiconductor element using, for example, an Hg—CdTe substrate. The circuit element 34 is a semiconductor element using, for example, a silicon substrate. The hybrid element 30 is fixed to the first surface 11 of the substrate 10 using, for example, an adhesive. Since the hybrid element 30 is very fragile, the hybrid element 30 is handled with the hybrid element 30 fixed to the substrate 10.

図５（ａ）は、冷却端４０に基板１０を取り付けた上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）のように、挟持部２０ａの内側面には凹部２６ａおよび２８ａが形成され、挟持部２０ｂの内側面には凹部２６ｂおよび２８ｂが形成されている。冷却端４０の凸部４８ａが挟持部２０ａの凹部２８ａに、基板１０の薄部１６ａが挟持部２０ａの凹部２６ａにそれぞれ嵌合する。また、冷却端４０の凸部４８ｂが挟持部２０ｂの凹部２８ｂに、基板１０の薄部１６ｂが挟持部２０ｂの凹部２６ａにそれぞれ嵌合する。これにより、挟持部２０ａおよび挟持部２０ｂは、冷却端４０の上面４１と基板１０の第２面１３とが接するように、基板１０および冷却端４０を挟持する。 5A is a top view in which the substrate 10 is attached to the cooling end 40, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 5A. As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), recesses 26a and 28a are formed on the inner side surface of the clamping part 20a, and recesses 26b and 28b are formed on the inner side surface of the clamping part 20b. The convex part 48a of the cooling end 40 is fitted into the concave part 28a of the clamping part 20a, and the thin part 16a of the substrate 10 is fitted into the concave part 26a of the clamping part 20a. Further, the convex portion 48b of the cooling end 40 is fitted into the concave portion 28b of the sandwiching portion 20b, and the thin portion 16b of the substrate 10 is fitted into the concave portion 26a of the sandwiching portion 20b. Thereby, the clamping part 20a and the clamping part 20b clamp the board | substrate 10 and the cooling end 40 so that the upper surface 41 of the cooling end 40 and the 2nd surface 13 of the board | substrate 10 may contact | connect.

図６（ａ）から図６（ｃ）は、挟持部２０を取り付ける方法を示した図である。なお、ハイブリッド素子は図示を省略している。凹部２６ａ、２６ｂ、２８ａおよび２８ｂは挟持部２０ａおよび２０ｂを透視し破線で示している。図６（ａ）のように、挟持部２０ａを基板１０および冷却端４０の右下に配置する。図６（ｂ）のように、挟持部２０ａを基板１０および冷却端４０の右辺および下辺に嵌め込む。冷却端４０の凸部４８ａが挟持部２０ａの凹部２８ａに、基板１０の薄部１６ａが挟持部２０ａの凹部２６ａにそれぞれ嵌合する。図６（ｃ）のように、挟持部２０ｂを基板１０および冷却端４０の左上に配置する。挟持部２０ｂを基板１０および冷却端４０の右辺および下辺に嵌め込む。冷却端４０の凸部４８ｂが挟持部２０ｂの凹部２８ｂに、基板１０の薄部１６ｂが挟持部２０ｂの凹部２６ａにそれぞれ嵌合する。このとき、挟持部２０ａの片部２３は挟持部２０ｂの凹部２６ｂおよび２８ｂに勘合し、挟持部２０ａの片部２５は挟持部２０ｂの凹部２７に勘合する。これにより、図５（ａ）および図５（ｂ）のように、挟持部２０ａおよび２０ｂが基板１０および冷却端４０を挟持する。 FIG. 6A to FIG. 6C are diagrams showing a method of attaching the clamping unit 20. The hybrid element is not shown. The concave portions 26a, 26b, 28a and 28b are shown by broken lines through the holding portions 20a and 20b. As shown in FIG. 6A, the sandwiching portion 20 a is disposed at the lower right of the substrate 10 and the cooling end 40. As shown in FIG. 6B, the sandwiching portion 20 a is fitted into the right side and the lower side of the substrate 10 and the cooling end 40. The convex part 48a of the cooling end 40 is fitted into the concave part 28a of the clamping part 20a, and the thin part 16a of the substrate 10 is fitted into the concave part 26a of the clamping part 20a. As shown in FIG. 6C, the sandwiching portion 20 b is disposed on the upper left of the substrate 10 and the cooling end 40. The sandwiching portion 20b is fitted into the right side and the lower side of the substrate 10 and the cooling end 40. The convex part 48b of the cooling end 40 is fitted into the concave part 28b of the clamping part 20b, and the thin part 16b of the substrate 10 is fitted into the concave part 26a of the clamping part 20b. At this time, the piece portion 23 of the holding portion 20a is fitted into the recess portions 26b and 28b of the holding portion 20b, and the piece portion 25 of the holding portion 20a is fitted into the recess portion 27 of the holding portion 20b. Thereby, as shown in FIG. 5A and FIG. 5B, the sandwiching portions 20 a and 20 b sandwich the substrate 10 and the cooling end 40.

挟持部２０ａおよび２０ｂを脱離することにより、冷却端４０から基板１０を取り外すことができる。これにより、高価なハイブリット素子３０を回収することができる。また、ハイブリッド素子３０に不具合があった場合、簡単にハイブリッド素子３０を交換することができる。 The substrate 10 can be removed from the cooling end 40 by detaching the holding portions 20a and 20b. Thereby, the expensive hybrid element 30 can be collected. Further, when there is a problem with the hybrid element 30, the hybrid element 30 can be easily replaced.

図７（ａ）は、基板１０、冷却端４０および挟持部２０を示す断面模式図である。基板１０と冷却端４０との端部６２では矢印のように、基板１０と冷却端４０とが密着するような力が挟持部２０により加わる。内部１２と外部１４との線熱膨張係数が同じである場合、基板１０および冷却端４０の中央領域６０では、基板１０と冷却端４０とを密着させる力が加わらない。このため、基板１０の第２面１３と冷却端４０の上面４１との密着が図られず、基板１０から冷却端４０への熱伝導が悪くなってしまう。 FIG. 7A is a schematic cross-sectional view showing the substrate 10, the cooling end 40, and the clamping unit 20. At the end portion 62 between the substrate 10 and the cooling end 40, a force that causes the substrate 10 and the cooling end 40 to be in close contact with each other is applied by the sandwiching portion 20 as indicated by an arrow. In the case where the linear thermal expansion coefficients of the inside 12 and the outside 14 are the same, the force for bringing the substrate 10 and the cooling end 40 into close contact is not applied in the central region 60 of the substrate 10 and the cooling end 40. For this reason, the 2nd surface 13 of the board | substrate 10 and the upper surface 41 of the cooling end 40 are not contact | adhered, but the heat conduction from the board | substrate 10 to the cooling end 40 will worsen.

そこで、実施例１では、基板１０の外部１４の線膨張係数を内部１２の線熱膨張係数より大きくなるように、内部１２および外部１４の材料を選択する。例えば、内部１２の材料をＣ／ＳｉＣ、外部１４の材料をサファイアとする。図７（ｂ）は、基板１０が冷却された場合の模式図である。外部１４の線熱膨張係数が内部１２より大きいため、基板１０が冷却されると、外部１４には矢印のように内部１２に向かって応力が発生する。一方、内部１２の線熱膨張係数は小さいため、基板１０が冷却されても形状を保持しようとする。このため、図７（ｂ）のように、基板１０の第１面１１および第２面１３は凸状となる。これにより、基板１０の第２面１３の中央領域が冷却端４０の上面４１の中央領域に押し当てられる。よって、第２面１３と上面４１とが密着する。以上により、基板１０から冷却端４０への熱抵抗を低減することができる。なお、図７（ｂ）における基板１０の凸状の歪みは誇張して図示している。 Therefore, in Example 1, the materials of the inner 12 and the outer 14 are selected so that the linear expansion coefficient of the outer 14 of the substrate 10 is larger than the linear thermal expansion coefficient of the inner 12. For example, the material of the inside 12 is C / SiC, and the material of the outside 14 is sapphire. FIG. 7B is a schematic diagram when the substrate 10 is cooled. Since the coefficient of linear thermal expansion of the outer part 14 is larger than the inner part 12, when the substrate 10 is cooled, a stress is generated in the outer part 14 toward the inner part 12 as indicated by an arrow. On the other hand, since the coefficient of linear thermal expansion of the interior 12 is small, it tries to maintain its shape even when the substrate 10 is cooled. For this reason, the 1st surface 11 and the 2nd surface 13 of the board | substrate 10 become convex shape like FIG.7 (b). Thereby, the central region of the second surface 13 of the substrate 10 is pressed against the central region of the upper surface 41 of the cooling end 40. Therefore, the second surface 13 and the upper surface 41 are in close contact with each other. As described above, the thermal resistance from the substrate 10 to the cooling end 40 can be reduced. Note that the convex distortion of the substrate 10 in FIG. 7B is exaggerated.

さらに、冷却端４０の線熱膨張係数が外部１４より大きくなるように冷却端４０の材料を選択する。例えば、冷却端４０の材料をＭｏとする。これにより、冷却端４０は、冷却されると外部１４以上に収縮しようとする。基板１０の第２面１３と冷却端４０の上面４１とがより密着する。よって、基板１０から冷却端４０への熱抵抗をより低減することができる。 Further, the material of the cooling end 40 is selected so that the linear thermal expansion coefficient of the cooling end 40 is larger than that of the outside 14. For example, the material of the cooling end 40 is Mo. As a result, the cooling end 40 tends to contract more than the outside 14 when cooled. The second surface 13 of the substrate 10 and the upper surface 41 of the cooling end 40 are more closely attached. Therefore, the thermal resistance from the substrate 10 to the cooling end 40 can be further reduced.

さらに、挟持部２０の線熱膨張係数が外部１４より大きくなるように挟持部２０の材料を選択する。例えば、挟持部２０の材料をＭｏとする。これにより、挟持部２０は、冷却されると外部１４以上に収縮しようとする。よって、挟持部２０は、基板１０と冷却端４０とをより挟持する。よって、基板１０から冷却端４０への熱抵抗をより低減することができる。 Furthermore, the material of the clamping part 20 is selected so that the linear thermal expansion coefficient of the clamping part 20 is larger than that of the outside 14. For example, the material of the clamping unit 20 is Mo. Thereby, the clamping part 20 tends to shrink | contract outside 14 or more, when cooled. Therefore, the clamping part 20 clamps the board | substrate 10 and the cooling end 40 more. Therefore, the thermal resistance from the substrate 10 to the cooling end 40 can be further reduced.

実施例２は、基板の第２面に溝を形成する例である。図８（ａ）は、実施例２の基板１０、冷却端４０および挟持部２０を示す断面模式図である。図８（ａ）のように、基板１０の第２面１３に外部１４を貫通し内部１２に達する溝４５が形成されている。図８（ｂ）は基板１０の断面模式図である。図８（ｂ）のように、基板１０が冷却されると、実施例１のように、内部１２と外部１４との線熱膨張係数の差に起因し基板１０の第２面１３は凸状となる。実施例２によれば、溝４５により、第１面１１を凹状とすることができる。なお、図８（ｂ）における基板１０の凸状および凹状の歪みは誇張して図示している。 Example 2 is an example in which a groove is formed on the second surface of the substrate. FIG. 8A is a schematic cross-sectional view illustrating the substrate 10, the cooling end 40, and the sandwiching unit 20 according to the second embodiment. As shown in FIG. 8A, a groove 45 is formed in the second surface 13 of the substrate 10 so as to penetrate the outside 14 and reach the inside 12. FIG. 8B is a schematic cross-sectional view of the substrate 10. When the substrate 10 is cooled as shown in FIG. 8B, the second surface 13 of the substrate 10 is convex due to the difference in the linear thermal expansion coefficient between the inside 12 and the outside 14 as in the first embodiment. It becomes. According to the second embodiment, the groove 45 can make the first surface 11 concave. Note that the convex and concave distortions of the substrate 10 in FIG. 8B are exaggerated.

例えば、図８（ｂ）のように、冷却によりハイブリッド素子３０の下面が凸状となるように反っている場合、基板１０の第１面１１が実施例１の図７（ｂ）のように凸状となると、ハイブリッド素子３０と基板１０との歪が大きくなる。実施例２によれば、溝４５の幅、長さまたは深さを任意に設定することで、第１面１１の反りを任意に設定することができる。これにより、ハイブリッド素子３０の下面の反りと第１面１１の反りとの形状を合わせ、ハイブリッド素子３０と基板１０との歪を抑制することができる。 For example, when the lower surface of the hybrid element 30 is warped by cooling as shown in FIG. 8B, the first surface 11 of the substrate 10 is as shown in FIG. If it becomes convex, the distortion between the hybrid element 30 and the substrate 10 increases. According to the second embodiment, the warp of the first surface 11 can be arbitrarily set by arbitrarily setting the width, length, or depth of the groove 45. Thereby, the shape of the warp of the lower surface of the hybrid element 30 and the warp of the first surface 11 can be matched, and the distortion between the hybrid element 30 and the substrate 10 can be suppressed.

溝４５の効果を調べるため、有限要素法を用い各部材を室温から約８０Ｋに冷却した際の各部材の歪みの計算を行なった。図９は、実施例２における計算に用いた２次元断面形状を示す図である。基板１０は対称であり、中央に溝が形成されているとした。図９は、基板１０の右半分を示している。基板１０の内部１２はＣ／ＳｉＣ、外部１４はサファイア、冷却端４０および挟持部２０はＭｏの線熱膨張係数を有するとした。長さＬ１、Ｌ２およびＬ３は、それぞれ１３．５ｍｍ、９．５ｍｍおよび１０．５ｍｍとした。挟持部２０の厚さｔ１は１．２ｍｍ、冷却端４０の膜厚ｔ２、外部１４の膜厚ｔ３、内部１２の膜厚ｔ４および外部１４の膜厚ｔ５は、それぞれ、０．３、０．３、０．３および０．４ｍｍとした。溝の幅Ｗ１は０．１ｍｍとした。 In order to investigate the effect of the groove 45, the strain of each member was calculated when the member was cooled from room temperature to about 80K using the finite element method. FIG. 9 is a diagram illustrating a two-dimensional cross-sectional shape used in the calculation in the second embodiment. The substrate 10 is symmetrical, and a groove is formed at the center. FIG. 9 shows the right half of the substrate 10. The inside 10 of the substrate 10 is C / SiC, the outside 14 is sapphire, and the cooling end 40 and the sandwiching portion 20 have a linear thermal expansion coefficient of Mo. The lengths L1, L2 and L3 were 13.5 mm, 9.5 mm and 10.5 mm, respectively. The thickness t1 of the clamping part 20 is 1.2 mm, the film thickness t2 of the cooling end 40, the film thickness t3 of the outer part 14, the film thickness t4 of the inner part 12, and the film thickness t5 of the outer part 14 are 0.3,. 3, 0.3 and 0.4 mm. The width W1 of the groove was 0.1 mm.

図１０は、実施例２における計算結果を示す図である。点線は、冷却前の状態を示し、クロスした実線は冷却後の状態を示している。なお、歪み量は誇張して図示している。図１０のように、基板１０の第１面１１が凹状になるように歪んでいる。挟持部２０の端の上方への変位量ｄは０．０６７ｍｍであった。なお、この計算では、実施例１の図７（ｂ）で説明したメカニズムにより第１面１１および第２面１３が凸状になるような歪みについては考慮されていない。 FIG. 10 is a diagram illustrating a calculation result in the second embodiment. A dotted line indicates a state before cooling, and a crossed solid line indicates a state after cooling. Note that the distortion amount is exaggerated. As shown in FIG. 10, the first surface 11 of the substrate 10 is distorted so as to be concave. The upward displacement d of the end of the sandwiching portion 20 was 0.067 mm. In this calculation, the distortion that makes the first surface 11 and the second surface 13 convex due to the mechanism described in FIG. 7B of the first embodiment is not taken into consideration.

実施例２によれば、基板１０の第２面１３に溝４５を形成することにより、ハイブリッド素子３０の下面の反りと第１面１１の反りの形状を合わせ、ハイブリッド素子３０と基板１０との歪を抑制することができる。また、第２面１３の反りの大きさを調整し、基板１０と冷却端４０との密着をより向上させることもできる。 According to the second embodiment, by forming the groove 45 in the second surface 13 of the substrate 10, the warp of the lower surface of the hybrid element 30 and the shape of the warp of the first surface 11 are matched, and the hybrid element 30 and the substrate 10 are aligned. Distortion can be suppressed. Moreover, the magnitude | size of the curvature of the 2nd surface 13 can be adjusted, and the contact | adherence with the board | substrate 10 and the cooling end 40 can also be improved more.

実施例１によれば、第１面１１と第２面１３とを共に凸状とすることができる。一方、実施例２では、溝４５を形成することにより、基板１０の第１面１１と第２面１３とをほぼ同じ曲率で同じ方向に反らせることができる。このように、実施例１に加え、基板１０の第２面１３に溝４５を形成することにより、基板１０の第１面１１の反りの方向および曲率と第２面１３の反りの方向および曲率とを独立に調整することができる。よって、ハイブリッド素子３０に加わる応力を抑制するように基板１０の第１面１１の反りの方向および曲率を設定し、かつ基板１０と冷却端４０との密着がより向上するように基板１０の第２面１３の反りの方向および曲率を設定することができる。 According to the first embodiment, both the first surface 11 and the second surface 13 can be convex. On the other hand, in the second embodiment, by forming the groove 45, the first surface 11 and the second surface 13 of the substrate 10 can be warped in the same direction with substantially the same curvature. Thus, in addition to Example 1, by forming the groove 45 on the second surface 13 of the substrate 10, the direction and curvature of the first surface 11 of the substrate 10 and the direction and curvature of the second surface 13 are warped. And can be adjusted independently. Therefore, the warping direction and the curvature of the first surface 11 of the substrate 10 are set so as to suppress the stress applied to the hybrid element 30, and the adhesion of the substrate 10 and the cooling end 40 is further improved. The direction and curvature of the curvature of the two surfaces 13 can be set.

溝４５は、第２面１３に複数設けることもできる。また、溝４５が基板１０を横断するように設けることもできるし、基板１０を横断しないように設けることもできる。溝４５による効果を十分発揮するためには、外溝４５は外部１４を貫通し内部１２に達することが好ましい。また、基板１０が長方形状をなしている場合、歪みを緩和する観点から、溝４５は長方形状の短辺方向に設けることが好ましい。 A plurality of grooves 45 may be provided on the second surface 13. Further, the groove 45 can be provided so as to cross the substrate 10 or can be provided so as not to cross the substrate 10. In order to sufficiently exhibit the effect of the groove 45, it is preferable that the outer groove 45 passes through the outer part 14 and reaches the inner part 12. Moreover, when the board | substrate 10 has comprised rectangular shape, it is preferable to provide the groove | channel 45 in a rectangular short side direction from a viewpoint of relieving distortion.

例えば、赤外線検知素子３２と回路素子３４との線熱膨張係数が異なる場合、冷却によりハイブリッド素子３０は冷却されることにより反る。例えば、赤外線検知素子３２が回路素子３４より線熱膨張係数が大きい場合、ハイブリッド素子３０は、図８（ｂ）のように下面が凸状に反る。この場合、溝４５を設けることにより、ハイブリット素子３０の下面の反りと基板１０の第１面１１の反りとを合わせることがきる。ハイブリッド素子３０が、第１面１１に固着された第１素子（例えば回路素子３４）と、第１素子上に固着された第２素子（例えば赤外線検知素子３２）と、を含む場合、ハイブリッド素子３０は冷却により反りやすい。よって、溝４５を設けることが好ましい。 For example, when the linear thermal expansion coefficients of the infrared detection element 32 and the circuit element 34 are different, the hybrid element 30 is warped by being cooled. For example, when the infrared detection element 32 has a larger linear thermal expansion coefficient than the circuit element 34, the lower surface of the hybrid element 30 is warped in a convex shape as shown in FIG. In this case, by providing the groove 45, the warpage of the lower surface of the hybrid element 30 and the warpage of the first surface 11 of the substrate 10 can be matched. When the hybrid element 30 includes a first element (for example, the circuit element 34) fixed to the first surface 11 and a second element (for example, the infrared detection element 32) fixed to the first element, the hybrid element 30 is easily warped by cooling. Therefore, it is preferable to provide the groove 45.

また、回路素子３４と赤外線検知素子３２との間を複数の接続金属で固着している場合、ハイブリッド素子３０と基板１０との反りが異なると、冷却により接続金属に応力が加わる。実施例２によれば、冷却により接続金属に加わる応力を軽減することができる。 Further, when the circuit element 34 and the infrared detection element 32 are fixed with a plurality of connecting metals, if the warpage between the hybrid element 30 and the substrate 10 is different, stress is applied to the connecting metal due to cooling. According to the second embodiment, the stress applied to the connection metal by cooling can be reduced.

実施例１および実施例２においては、半導体素子として赤外線を検知するハイブリッド素子３０を例に説明した。半導体素子はハイブリッド素子以外でもよい。例えば、シリコンを用いた素子でもよい。また、半導体素子は、複数の半導体チップを積層していてもよく、単数の半導体チップでもよい。半導体素子が複数の材料の異なるチップが積層されている場合、冷却により半導体チップは反りやすい。よって、この場合、基板１０に溝４５を形成することが好ましい。また、熱歪の観点から、半導体素子の少なくとも基板１０に接する半導体チップの線熱膨張係数は基板１０の外部１４と同じであることが好ましい。 In the first embodiment and the second embodiment, the hybrid element 30 that detects infrared rays is described as an example of the semiconductor element. The semiconductor element may be other than a hybrid element. For example, an element using silicon may be used. In addition, the semiconductor element may be formed by laminating a plurality of semiconductor chips or a single semiconductor chip. When semiconductor elements are stacked with a plurality of chips made of different materials, the semiconductor chips are likely to warp due to cooling. Therefore, in this case, it is preferable to form the groove 45 in the substrate 10. From the viewpoint of thermal strain, it is preferable that the linear thermal expansion coefficient of the semiconductor chip in contact with at least the substrate 10 of the semiconductor element is the same as that of the outside 14 of the substrate 10.

赤外線を検知するハイブリッド素子３０の場合、８０Ｋ近くまで冷却することが求められ、反りやすい。よって、半導体素子は赤外線を検知するハイブリッド素子３０であることが好ましい。 In the case of the hybrid element 30 that detects infrared rays, the hybrid element 30 is required to be cooled to close to 80K and easily warps. Therefore, the semiconductor element is preferably a hybrid element 30 that detects infrared rays.

実施例１および実施例２において、冷却部の代わりに半導体素子を加熱する加熱部が用いられた場合、基板１０の外部１４は内部１２より線熱膨張係数が小さいことが好ましい。加熱部は外部より線熱膨張係数が小さいことが好ましい。さらに、挟持部２０は外部１４より線熱膨張係数が小さいことが好ましい。これらにより、基板１０を加熱した際、実施例１および２と同様に、加熱部の上面と基板の第２面と密着を向上させることができる。 In the first and second embodiments, when a heating unit that heats the semiconductor element is used instead of the cooling unit, the outer portion 14 of the substrate 10 preferably has a smaller linear thermal expansion coefficient than the inner portion 12. The heating part preferably has a smaller linear thermal expansion coefficient than the outside. Furthermore, it is preferable that the pinching portion 20 has a smaller linear thermal expansion coefficient than the outer portion 14. Accordingly, when the substrate 10 is heated, the adhesion between the upper surface of the heating unit and the second surface of the substrate can be improved, as in the first and second embodiments.

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

１０基板
１２内部
１４外部
１１第１面
１３第２面
２０挟持部
３０ハイブリッド素子
４０冷却端
４１上面 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Board | substrate 12 Inside 14 Outside 11 1st surface 13 2nd surface 20 Nipping part 30 Hybrid element 40 Cooling end 41 Upper surface

Claims

A semiconductor element;
A substrate including a first surface to which the semiconductor element is fixed, including an inner portion and an outer portion that has a larger linear thermal expansion coefficient than the inner portion and surrounds the inner portion;
A cooling part including a surface in contact with a second surface that is opposite to the first surface of the substrate, and cooling the substrate;
A holding part for holding the cooling part and the substrate so that the surface of the cooling part and the second surface of the substrate are in contact with each other;
A semiconductor device comprising:

The semiconductor device according to claim 1, wherein a linear thermal expansion coefficient of the cooling unit is larger than that of the outside.

The semiconductor device according to claim 1, wherein a linear thermal expansion coefficient of the sandwiching portion is larger than the outside.

The semiconductor device according to claim 1, wherein a groove is formed in the second surface of the substrate.

The semiconductor device according to claim 4, wherein the semiconductor element includes a first element fixed to the first surface, and a second element fixed on the first element.

The semiconductor device according to claim 4, wherein the substrate has a rectangular shape, and the groove is formed in a short side direction of the rectangular shape.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the outside of the substrate and the semiconductor element have the same linear thermal expansion coefficient.

A semiconductor element;
A substrate including an inside and an outside having a smaller linear thermal expansion coefficient than the inside and surrounding the inside, and including a first surface to which the semiconductor element is fixed;
A heating unit that heats the substrate, including a surface in contact with a second surface that is opposite to the first surface of the substrate;
A holding portion for holding the heating portion and the substrate so that the surface of the heating portion and the second surface of the substrate are in contact with each other;
A semiconductor device comprising: