TWM541642U - 半導體及複合式散熱基板結構 - Google Patents

半導體及複合式散熱基板結構 Download PDF

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TWM541642U
TWM541642U TW105220109U TW105220109U TWM541642U TW M541642 U TWM541642 U TW M541642U TW 105220109 U TW105220109 U TW 105220109U TW 105220109 U TW105220109 U TW 105220109U TW M541642 U TWM541642 U TW M541642U
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Xing-Yan Lin
Pi-Cheng Luo
Bo-Zhao Huang
bo-wei Liu
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Description

半導體及複合式散熱基板結構
本創作係關於一種半導體及複合式散熱基板結構，特別指一種高功率的半導體及複合式散熱基板結構。
近年來，隨著半導體製程技術的進步，許多半導體元件逐漸朝向體積小、高功率、高速傳輸的方向發展。於光通訊領域中，一般利用雷射二極體作為訊號的發射單元，由於雷射二極體具有方向性佳及輸出功率高等特性，在光通訊上受到廣泛運用。由於雷射二極體係屬於高功率的半導體元件，當雷射二極體驅動時容易產生熱，若未將這些熱即時釋出，會導致半導體的接面溫度上升，降低半導體元件的工作效率，降低的效率因熱電轉換，將累積更多的熱造成雷射二極體的溫度更進一步地上升，進而影響雷射二極體的穩定性、發光效率、甚至使用壽命。
一般為避免高溫影響雷射二極體元件的工作效率，實務上多採用導熱效果較佳的材料作為雷射二極體的散熱基板，透過高導熱的散熱基板增加雷射二極體散熱的效率，藉以達到較佳的散熱效果。然而，一般散熱基板的材料多採用陶瓷散熱基板，應用於高功率的雷射二極體時，往往無法即時處理雷射二極體運 作時產生的高溫，而這類的高溫將因為熱的累積而持續上升，進而影響到雷射二極體的工作效率及使用壽命。因此，本案創作人認為有必要針對現有的散熱基板進行改良，以改善高功率雷射二極體於運作時容易產生高溫的問題。
有鑑於此，本創作的目的在於解決一般散熱基板無法應付高功率雷射二極體於運作時所產生的高溫，進而影響雷射二極體的工作效率、使用壽命等若干問題。
為達上述目的，本創作係提供一種半導體及複合式散熱基板結構，包含一散熱基板以及一導熱金屬層。該散熱基板包含有一基板主體、以及一設置於該基板主體上的設置槽。該導熱金屬層係大面積地覆蓋於該基板主體的設置槽上，於該導熱金屬層的一側係具有用以搭載雷射半導體的搭載面，相對該搭載面的另一側則具有一散熱面，用以由該搭載面吸收該雷射半導體的熱後，由該導熱金屬層另一側的散熱面擴散至該散熱基板。
進一步地，該雷射半導體及該導熱金屬層之間係具有一用以將雷射半導體固定於該導熱金屬層上的金屬焊料層。
進一步地，該雷射半導體係為邊射型雷射二極體。
進一步地，該散熱基板係由氮化鋁(AlN)材料所製成。
進一步地，該導熱金屬層係由銅(Cu)材料所製成。
進一步地，該散熱基板係由氮化鋁(AlN)材料所製 成，該導熱金屬板係由銅(Cu)材料所製成。
進一步地，該設置槽內係具有一平面，該導熱金屬層的散熱面係緊密貼合於該設置槽內的平面。
進一步地，該設置槽內係具有一或複數個第一微結構，該導熱金屬層的散熱面上係具有與該第一微結構相對應的第二微結構，藉由該第二微結構及該第一微結構之間的結合增加該導熱金屬層及該散熱基板之間的接觸面積。
進一步地，該導熱金屬層的厚度係不大於該散熱基板厚度的一半。
進一步地，該散熱基板係具有設置於該設置槽兩側與該設置槽間具有階差的階段部，該階段部的寬度係大於70μm。
為達上述目的，本創作係提供一種半導體及複合式散熱基板結構，包含一散熱基板以及一導熱金屬層。該散熱基板包含有一基板主體、以及一設置於該基板主體上的設置表面。該導熱金屬層係大面積地覆蓋於該基板主體的設置表面上，於該導熱金屬層的一側係具有用以搭載雷射半導體的搭載面相對該搭載面的另一側則具有一散熱面，用以由該搭載面吸收該雷射半導體的熱，由該導熱金屬層另一側的散熱面擴散至該散熱基板。
進一步地，該雷射半導體及該導熱金屬層之間係具有一用以將雷射半導體固定於該導熱金屬層上的金屬焊料層。
進一步地，該雷射半導體係為邊射型雷射二極體。
進一步地，該散熱基板係由氮化鋁(AlN)材料所製 成。
進一步地，該導熱金屬層係由銅(Cu)材料所製成。
進一步地，該散熱基板係由氮化鋁(AlN)材料所製成，該導熱金屬板係由銅(Cu)材料所製成。
進一步地，該設置表面係為一平面，該導熱金屬層的散熱面係緊密貼合於該設置表面上。
進一步地，該設置表面上係具有一或複數個第一微結構，該導熱金屬層的散熱面上係具有與該第一微結構相對應的第二微結構，藉由該第二微結構及該第一微結構之間的結合增加該導熱金屬層及該散熱基板之間的接觸面積。
進一步地，該導熱金屬層的厚度係不大於該散熱基板厚度的一半。
進一步地，該散熱基板相對該設置表面的另一側具有另一設置表面，該另一設置表面上形成另一導熱金屬層，該另一設置表面緊密接合於該另一導熱金屬層的一導熱表面上。
進一步地，該另一設置表面上係具有一或複數個第三微結構，該另一導熱金屬層的該導熱表面上係具有與該第三微結構相對應的第四微結構，藉由該第四微結構及該第三微結構之間的結合增加該另一導熱金屬層及該散熱基板之間的接觸面積。
是以，本創作係比起習知技術具有以下之優勢功效：
1. 本創作透過相對高導熱效果的導熱金屬層預先吸收雷射二極體產生的高溫，並藉由導熱金屬層與散熱基板接觸，可 以將所吸收的熱迅速的傳導至該散熱基板。
2. 本創作係控制該導熱金屬層的厚度，藉以減少該導熱金屬層因熱膨脹效應改變該雷射二極體的位置，進而導致該雷射二極體的耦光效率受到影響。
100‧‧‧複合式散熱基板結構
10‧‧‧散熱基板
11‧‧‧基板主體
12‧‧‧設置槽
13‧‧‧階段部
20‧‧‧導熱金屬層
21‧‧‧搭載面
22‧‧‧散熱面
30‧‧‧雷射半導體
40‧‧‧金屬焊料層
A1‧‧‧第一微結構
A2‧‧‧第二微結構
200‧‧‧複合式散熱基板結構
50‧‧‧散熱基板
51‧‧‧基板主體
52‧‧‧設置表面
53‧‧‧設置表面
60‧‧‧導熱金屬層
61‧‧‧搭載面
62‧‧‧散熱面
70‧‧‧金屬焊料層
80‧‧‧雷射半導體
90‧‧‧導熱金屬層
91‧‧‧導熱表面
92‧‧‧傳熱表面
B1‧‧‧第一微結構
B2‧‧‧第二微結構
B3‧‧‧第三微結構
B4‧‧‧第四微結構
圖1，為本創作第一實施態樣的外觀示意圖。
圖2，為本創作第一實施態樣的結構分解圖。
圖3，為本創作第一實施態樣的剖面示意圖。
圖4，為本創作第二實施態樣的剖面示意圖。
圖5，為本創作第三實施態樣的外觀示意圖。
圖6，為本創作第三實施態樣的結構分解圖。
圖7，為本創作第三實施態樣的剖面示意圖。
圖8，為本創作第四實施態樣的剖面示意圖。
有關本創作之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下。再者，本創作中之圖式，為說明方便，其比例未必照實際比例繪製，該等圖式及其比例並非用以限制本創作之範圍，在此先行敘明。
請先參閱「圖1」、「圖2」及「圖3」，係為本創作第一實施態樣的外觀示意圖、結構分解示意圖及剖面示意圖，如圖所示：本實施態樣係提出一種複合式散熱基板結構100，該 複合式散熱基板100包含一散熱基板10以及一設置於該散熱基板10上的導熱金屬層20。該散熱基板10包含有一基板主體11以及一設置於該基板主體11上的設置槽12。
所述的散熱基板10例如可以由氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)、氧化鋁(Al2O3)或包含上述材料的化合物或複合材料所製成，於本創作中不予以限制。於較佳實施態樣中，該散熱基板10可選用以氮化鋁(AlN)材料製成的散熱基板10實施，由於氮化鋁具有導熱性好、熱膨脹係數小的特性，不容易隨溫度的變化膨脹或縮小，可避免雷射二極體因溫度變化導致光束偏移的問題。
所述的導熱金屬層20係形成於該基板主體11上，並大面積地覆蓋於該基板主體11上的設置槽12的平面。該金屬導熱層20包含有一搭載面21以及一散熱面22。該散熱面22係緊密貼合於該設置槽12的平面上；該搭載面21係用以搭載雷射半導體30並吸收該雷射半導體30產生的熱，並導熱至該散熱面22後擴散至該散熱基板10。該導熱金屬層20例如可以由導熱性較佳的銅(Cu)、銅鎢(CuW)、銅合金、銅鉬(CuMo)、鋁(Al)、鋁合金、鑽銅(Dia Cu)、散熱陶瓷或其它散熱性較佳的材料所製成，於本創作中不予以限制。於較佳實施態樣中，該導熱金屬層20可選用以銅(Cu)製成的導熱金屬層20實施，由於銅導熱速度較快，可以迅速的接收來自雷射半導體30的熱，並迅速的傳導至該散熱基板10。
於較佳實施態樣中，所述的雷射半導體30係為邊射 型雷射二極體。該雷射半導體30係設置於該金屬導熱層20上，並藉由金屬焊料層40固定於該金屬導熱層20上，該金屬焊料層40例如可以為金(Au)、錫(Sn)、金錫合金、其他金屬或包含上述材料組合而成的合金或複合材料所製成，於本創作中不予以限制。
於較佳實施態樣中，為維持該散熱基板10結構的強度，該導熱金屬層20的厚度係不大於該散熱基板10厚度的一半，避免散熱基板10過薄導致結構損壞，另一方面，限制該導熱金屬層20於垂直方向上受熱膨脹而產生的偏移量。於另一較佳實施態樣中，該散熱基板10係具有設置於該設置槽12兩側與該設置槽12間具有階差的階段部13，該階段部13的寬度係大於70μm，藉以維持該散熱基板10的結構強度。
於本實施態樣中，該金屬導熱層20係屬於厚度較薄的金屬層，當在預先吸收來自雷射半導體30的熱時，減少該雷射半導體30於垂直方向上的偏移量，且該金屬導熱層20並與該設置槽12接觸的距離較短，可以迅速經由該散熱面22將熱傳導至該散熱基板10。
請一併參閱「圖4」，係為本創作第二實施態樣的剖面示意圖，如圖所示：本實施態樣中，該散熱基板10的設置槽12內係具有一或複數個第一微結構A1以及該導熱金屬層20的散熱面22上係具有與該第一微結構A1相對應的一或複數個第二微結構A2，藉由該第二微結構A2及該第一微結構A1之間的結合，增加該導 熱金屬層20與該散熱基板10的接觸面積，使該金屬導熱層20更易於將熱傳導至該散熱基板10。
以下請先參閱「圖5」、「圖6」及「圖7」，係為本創作的第三實施態樣的外觀示意圖、結構分解示意圖及剖面示意圖，如圖所示：本實施態樣與第一實施態樣及第二實施態樣的差異在於散熱基板結構的設計方式不同，其餘相同部分以下便不再予以贅述。
本實施態樣係提出一種半導體及複合式散熱基板結構200，該半導體及複合式散熱基板200包含有一散熱基板50以及一設置於該散熱基板50上的導熱金屬層60。該散熱基板50包含有一基板主體51、一設置於該基板主體51上的設置表面52。該導熱金屬層60大面積地覆蓋於該基板主體51的設置表面52上。該導熱金屬層60包含有分別設置於對向兩側的搭載面61以及散熱面62。該搭載面61係用以搭載雷射半導體80並吸收該雷射半導體80產生的熱並導熱至該散熱面62，再藉由散熱面62擴散至該散熱基板50。
所述的雷射半導體80係設置於該金屬導熱層60上，並藉由金屬焊料層70使該雷射半導體80固定於該金屬導熱層60上。該金屬焊料層70例如可以為金(Au)、錫(Sn)、金錫合金、其他金屬或包含上述材料的合金或複合材料製成，於本創作中不予以限制。
所述的散熱基板50更包含一設置於該散熱基板50底部的另一設置表面53，並形成另一導熱金屬層90於該另一設置表面53上，以使該另一導熱金屬層90的導熱表面91與該另一設置表面53之間緊密貼合，藉以使將該散熱基板50的熱即時導熱至該另一導熱金屬層90再擴散至傳熱表面92，藉由該傳熱表面92將熱能藉由熱傳導、熱輻射以及熱對流方式將熱能傳播出去，其傳導方式於本創作中不予以限制。
以下請一併參閱「圖8」，係本創作第四實施態樣的剖面示意圖，如圖所示：於本較佳實施態樣中，該導熱金屬層60的厚度及該導熱金屬層90的厚度分別係不大於該散熱基板50厚度的一半，避免散熱基板50過薄導致結構損壞。
於本實施態樣中，該金屬導熱層60與該另一金屬導熱層90係採用厚度較薄的金屬層，當在吸收來自雷射半導體80的熱時，減少該雷射半導體80於垂直方向上的偏移量，且該金屬導熱層60、該另一金屬導熱層90與該設置表面52、53接觸的距離較短，可以迅速經由該散熱面62將熱傳導至該散熱基板50，該另一金屬導熱層90可以與基板、殼體或散熱材料或散熱介質接觸，可以迅速的將累積在該散熱基板50的迅速吸收並導出至外部。
為了增加該金屬導熱層60與該散熱基板50的接觸面積，該散熱基板50的設置表面52上係具有一或複數個第一微結構B1，該金屬導熱層60的散熱面62上係具有與該第一微結構 B1相對應的第二微結構B2，藉由該第二微結構B2及該第一微結構B1之間的結合，增加該金屬導熱層60與該散熱基板50之間的接觸面積。該散熱基板50的另一設置表面53上係具有一或複數個第三微結構B3，該另一金屬導熱層90的導熱表面91上係具有與該第三微結構B3相對應的第四微結構B4，藉由該第四微結構B4及該第三微結構B3之間的結合，增加該金屬導熱層90與該散熱基板50之間的接觸面積，藉由該第一微結構B1與該第二微結構B2的結合，以及第三微結構B3與該第四微結構B4的結合，可使整體的散熱基板50結構的導熱係數提升，使該散熱基板50更快速的導熱及提升整體的導熱效率。
綜上所述，本創作透過相對高導熱效果的導熱金屬層預先吸收雷射半導體所產生的高溫，並藉由導熱金屬層與散熱基板之間的接觸，導熱金屬層可以迅速的將熱吸收並傳導至散熱基板。此外，本創作係控制該導熱金屬層的厚度，當熱膨脹發生時其形變量較小，藉以減少該導熱金屬層因熱膨脹效應對該雷射半導體出光位置及耦光效率造成的影響。
以上已將本創作做一詳細說明，惟以上所述者，僅惟本創作之一較佳實施例而已，當不能以此限定本創作實施之範圍，即几依本創作申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本創作之專利涵蓋範圍內。
100‧‧‧複合式散熱基板結構
10‧‧‧散熱基板
11‧‧‧基板主體
13‧‧‧階段部
20‧‧‧導熱金屬層
30‧‧‧雷射半導體
40‧‧‧金屬焊料層

Claims (21)

  1. 一種半導體及複合式散熱基板結構，包含：一散熱基板，包含有一基板主體、以及一設置於該基板主體上的設置槽；以及一導熱金屬層，係大面積地覆蓋於該基板主體的設置槽上，於該導熱金屬層的一側係具有用以搭載雷射半導體的搭載面，相對該搭載面的另一側則具有一散熱面，用以由該搭載面吸收該雷射半導體的熱後，由該導熱金屬層另一側的散熱面擴散至該散熱基板。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該雷射半導體及該導熱金屬層之間係具有一用以將雷射半導體固定於該導熱金屬層上的金屬焊料層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該雷射半導體係為邊射型雷射二極體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該散熱基板係由氮化鋁(AlN)材料所製成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該導熱金屬層係由銅(Cu)材料所製成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該散熱基板係由氮化鋁(AlN)材料所製成，該導熱金屬層係由銅(Cu)材料所製成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該設置槽內係具有一平面，該導熱金屬層的散熱面係緊密貼合於該設置槽內的平面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該設置槽內係具有一或複數個第一微結構，該導熱金屬層的散熱面上係具有與該第一微結構相對應的第二微結構，藉由該第二微結構及該第一微結構之間的結合增加該導熱金屬層及該散熱基板之間的接觸面積。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該導熱金屬層的厚度係不大於該散熱基板厚度的一半。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該散熱基板係具有設置於該設置槽兩側與該設置槽間具有階差的階段部，該階段部的寬度係大於70μm。
  11. 一種半導體及複合式散熱基板結構，包含：一散熱基板，包含有一基板主體、以及一設置於該基板主體上 的設置表面；以及一導熱金屬層，係大面積地覆蓋於該基板主體的設置表面上，於該導熱金屬層的一側係具有用以搭載雷射半導體的搭載面，相對該搭載面的另一側則具有一散熱面，用以由該搭載面吸收該雷射半導體的熱後，由該導熱金屬層另一側的散熱面與該散熱基板接觸擴散至該散熱基板。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該雷射半導體及該導熱金屬層之間係具有一用以將雷射半導體固定於該導熱金屬層上的金屬焊料層。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該雷射半導體係為邊射型雷射二極體。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該散熱基板係由氮化鋁(AlN)材料所製成。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該導熱金屬層係由銅(Cu)材料所製成。
  16. 如申請專利範圍第11項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該散熱基板係由氮化鋁(AlN)材料所製成，該導熱金屬層係由銅(Cu)材料所製成。
  17. 如申請專利範圍第11項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該設置表面係為一平面，該導熱金屬層的散熱面係緊密貼合於該設置表面上。
  18. 如申請專利範圍第11項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該設置表面上係具有一或複數個第一微結構，該導熱金屬層的散熱面上係具有與該第一微結構相對應的第二微結構，藉由該第二微結構及該第一微結構之間的結合增加該導熱金屬層及該散熱基板之間的接觸面積。
  19. 如申請專利範圍第11項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該導熱金屬層的厚度係不大於該散熱基板厚度的一半。
  20. 如申請專利範圍第11項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該散熱基板相對該設置表面的另一側具有另一設置表面，該另一設置表面上形成另一導熱金屬層，該另一設置表面緊密接合於該另一導熱金屬層的一導熱表面上。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的半導體及複合式散熱基板結構，其中，該另一設置表面上係具有一或複數個第三微結構，該另一導熱金屬層的該導熱表面上係具有與該第三微結構相對應的第四微結構，藉由該第四微結構及該第三微結構之間的結合增 加該另一導熱金屬層及該散熱基板之間的接觸面積。
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