JP6926613B2 - Semiconductor structures and vehicle lamps - Google Patents
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Description
本発明は、半導体構造体及び車両用灯具に関する。 The present invention relates to semiconductor structures and vehicle lamps.
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)。 Conventionally, a semiconductor structure that efficiently releases heat emitted from a semiconductor light emitting device to the outside has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
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。
In the prior art as described in
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。
However, in the conventional technique as described in
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。 The present disclosure has been made in view of such a situation, and makes it possible to efficiently transfer the heat emitted from the semiconductor light emitting device to the heat sink while sufficiently diffusing it.
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。 The semiconductor structure, which is the first aspect of the present disclosure, includes a semiconductor light emitting element, a ceramic substrate on which the semiconductor light emitting element is mounted, and a ceramic substrate that transfers heat emitted from the semiconductor light emitting element, and a back surface side of the ceramic substrate. A silicon substrate that is arranged and diffuses heat transferred by the ceramic substrate, and a heat sink that is arranged on the back surface side of the silicon substrate and dissipates heat diffused by the silicon substrate are provided, and the ceramic substrate and the said The total thickness of the silicon substrate is 1 mm or more.
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。 Since the total thickness of the ceramic substrate and the silicon substrate is 1 mm or more, heat diffusion in the lateral direction is promoted, and heat diffusion is promoted as a whole. Further, since the silicon substrate is formed by microfabrication and the heat sink is arranged on the back surface side of the silicon substrate, the state of close contact between the heat sink and the silicon substrate is sufficient. .. Therefore, the heat emitted from the semiconductor light emitting device can be efficiently transferred to the heat sink while being sufficiently diffused.
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。 Further, the ceramic substrate is preferably an aluminum nitride substrate.
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。 Further, the thickness of the aluminum nitride substrate is preferably 0.45 mm, and the thickness of the silicon substrate is preferably 0.55 mm or more.
また、前記シリコン基板は、裏面側の表面粗さRaが1nm以下となり、且つ裏面側の表面粗さ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。 Further, it is preferable that the silicon substrate is optically polished so that the surface roughness Ra on the back surface side is 1 nm or less and the surface roughness Ry on the back surface side is 11 μm or less.
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。 Further, the vehicle lamp, which is the second aspect of the present disclosure, includes the semiconductor structure described above, and as in the case of the semiconductor structure, the heat emitted from the semiconductor light emitting device is sufficiently dissipated. It can be efficiently transmitted to the heat sink while being diffused into the heat sink.
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。 According to the first and second aspects of the present disclosure, the heat emitted from the semiconductor light emitting device can be efficiently transferred to the heat sink while being sufficiently diffused.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments. FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a
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。
The semiconductor
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。
The ceramic
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。
Note that mounting is a concept including arranging and mechanically connecting the semiconductor
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。
The
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。
The
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。
The total thickness of the
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。
FIG. 2 is a diagram showing an example of heat diffusion directions K and J emitted from the semiconductor
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。
As shown in FIG. 2, the heat emitted from the semiconductor
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。
Further, the
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。
FIG. 7 is a diagram comparing the thermal resistance of the conventional semiconductor structure 1'and the
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。
The
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。
From the above description, according to the
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。
Further, since the aluminum nitride substrate has high thermal conductivity, the heat emitted from the semiconductor
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。
Further, since the thickness of the aluminum nitride substrate is 0.45 mm or more and the thickness of the
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。
Further, since the
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。
Although the
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。 For example, an example of Au-based solder as a bonding agent has been described, but the present invention is not particularly limited thereto. For example, a bonding agent such as Sn-based solder, Pb-based solder, or In-based solder may be used.
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
1,
Claims (5)
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。 Semiconductor light emitting element and
A ceramic substrate on which the semiconductor light emitting device is mounted and which transfers heat emitted from the semiconductor light emitting device, and
A silicon substrate that is arranged on the back surface side of the ceramic substrate and diffuses heat transferred by the ceramic substrate, and a silicon substrate.
A heat sink that is arranged on the back surface side of the silicon substrate and dissipates heat diffused by the silicon substrate.
With
The total thickness of the ceramic substrate and the silicon substrate is 1 mm or more.
Semiconductor structure.
請求項1に記載の半導体構造体。 The ceramic substrate is an aluminum nitride substrate.
The semiconductor structure according to claim 1.
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。 The thickness of the aluminum nitride substrate is 0.45 mm.
The thickness of the silicon substrate is 0.55 mm or more.
The semiconductor structure according to claim 2.
裏面側の表面粗さRaが1nm以下となり、且つ裏面側の表面粗さ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。 The silicon substrate is
Optically polished so that the surface roughness Ra on the back surface side is 1 nm or less and the surface roughness Ry on the back surface side is 11 μm or less.
The semiconductor structure according to any one of claims 1 to 3.
を含む、
車両用灯具。 The semiconductor structure according to any one of claims 1 to 4.
including,
Vehicle lighting equipment.
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