JP2008166579A - 放熱部材および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】放熱部材1は、基体7の他部材接続面6に、半田に対する濡れ性を付与すると共に、側面13の、少なくとも他部材接続面6と隣接する領域、および他部材接続面6の、側面13と隣接する領域のうちの少なくとも一方に、前記半田の流れを阻止するための半田ブロック層14を形成した。半導体装置は、素子接続面に、半田からなる素子接続層を介して半導体素子を接続し、他部材接続面に、前記素子接続層を形成する半田より融点の低い半田からなる他部材接続層を介して他部材を接続した。
【選択図】図2
Description
(1) WまたはMoからなる多孔質体の細孔内に、Cuを溶浸させて形成した複合構造を有するCu−W複合材料、Cu−Mo複合材料や、
(2) 多数の微小なダイヤモンド粒子を、結合材としてのCuで結合した複合構造を有するCu−ダイヤモンド複合材料、
(3) Al中に、SiCが粒子状に分散して存在する複合構造を有するAl−SiC複合材料、
(4) Al中に、Siが粒子状に分散して存在する複合構造を有するAl−Si合金、
等が挙げられる。
(5) 前記(1)の、Moからなる多孔質体の細孔内に、Cuを溶浸させて形成した複合構造を有するCu−Mo複合材料層の両面に、Cu層を積層したCu/Cu−Mo/Cuクラッド材や、
(6) Cu層とMo層とCu層とをこの順に積層したCu/Mo/Cuクラッド材、
(7) 前記(2)の、多数の微小なダイヤモンド粒子を、結合材としてのCuで結合した複合構造を有するCu−ダイヤモンド複合材料層の両面に、Cu層を積層したCu/Cu−ダイヤモンド/Cuクラッド材、
(8) 前記(3)の、Al中に、SiCが粒子状に分散して存在する複合構造を有するAl−SiC複合材料層の両面に、Al層を積層したAl/Al−SiC/Alクラッド材、
等が挙げられる。
半田濡れ層20の厚みは0.01〜5μmであるのが好ましい。厚みが前記範囲未満では、前記半田濡れ層20による、半田の濡れ性を向上させる効果が十分に得られないおそれがある。また、厚みが前記範囲を超えても、それ以上の効果が得られないだけでなく、サブマウント1の、ひいては半導体装置4の製造コストを高騰させる要因ともなる。半田濡れ層20は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、湿式メッキ法等の種々の成膜方法によって形成することができる。
特開昭59−21032号公報に記載の製造方法に準拠して、Wからなる多孔質体の細孔内に、Cuを溶浸させて形成した複合構造を有するCu−W複合材料(Cu含量:10重量%)からなる、縦30mm×横30mm×厚み1.5mmの基体前駆体を形成した。次に、前記基体前駆体を、#400のWA砥石をセットした両頭研磨機を使用して、厚みが1.0mmになるまで平面粗研磨し、次いで、厚みが0.6mm、粗さ曲線の算術平均粗さRaが0.4μmになるまで、アルミナ遊離砥粒を用いてラッピング加工して仕上げ、さらに、ワイヤ放電加工によって切断後に、放電出力を変えながら、切断面の粗加工と仕上げ加工を行って、縦2mm×横10mm×厚み0.6mmの平板状で、かつ、切断面である側面の算術平均粗さRaが0.7μmである基体を作製した。基体7の比抵抗は5.3×10-8Ωm、熱伝導率は180W/m・K、熱膨張係数は6.5×10-6/Kであった。
製造したサブマウント1の、素子接続面5側の平面の、対角線方向の表面形状を、長さ10mmに亘って、表面粗さ形状測定機〔(株)東京精密製のサーフコム(登録商標)1400D〕を用いて測定した測定結果から、日本工業規格JIS B 0610:2001「製品の幾何特性仕様(GPS)−表面性状:輪郭曲線方式−転がり円うねりの定義及び表示」において規定された転がり円最大高さうねりWEMを、前記対角線方向の長さ1mmあたりの反り量として求めたところ0.35μmであった。
基体7の他部材接続面6の全面を、Au層を被覆して半田濡れ層20としたこと以外は実施例1と同様にして、側面13、17等の、他部材接続面6と隣接する領域においてのみ、拡散防止層19が、半田ブロック層として露出されたサブマウント1を製造した。製造したサブマウント1の、対角線方向の長さ1mmあたりの反り量は0.22μmであった。
実施例1で使用したのと同じ基体7を用いて、図13に示す層構造を有する、放熱部材としてのサブマウント1を製造した。すなわち、前記基体7の全表面に、厚み2μmのNiめっき層を被覆して密着層18とし、次に、前記基体7の側面13、17等と、素子接続面5とを、治具で隠蔽すると共に、他部材接続面6を露出させた状態で、前記他部材接続面6の全面に、スパッタリング法によって、厚み0.2μmのPt層を被覆して拡散防止層19とした。次に、前記基体7の側面13、17等と、素子接続面5とを、治具で隠蔽すると共に、他部材接続面6の中央の、縦1.6mm×横9.6mmの領域を露出させ、その周囲の領域を、メタルマスクで隠蔽した状態で、真空蒸着法によって、前記露出させた領域に、厚み0.1μmのAu層を被覆して半田濡れ層20とした。
基体前駆体を平面粗研磨し、ラッピング加工して仕上げた後、ワイヤ放電加工によって切断して作製した、縦2mm×横10mm×厚み0.6mmの平板状で、かつ、切断面である側面の算術平均粗さRaが2.0μmである基体を使用したこと以外は実施例1と同様にして、側面13、17等の、他部材接続面6と隣接する領域と、他部材接続面6の、側面13、17等と隣接する領域とにおいて拡散防止層19が、半田ブロック層として露出されたサブマウント1を製造した。製造したサブマウント1の、対角線方向の長さ1mmあたりの反り量は0.22μmであった。
基体前駆体を平面粗研磨し、ラッピング加工して仕上げ、さらに、ワイヤ放電加工によって切断後に、放電出力を変えながら、切断面の粗加工と仕上げ加工を行って作製した、縦2mm×横10mm×厚み0.6mmの平板状で、かつ、切断面である側面の算術平均粗さRaが0.02μmである基体を使用したこと以外は実施例1と同様にして、側面13、17等の、他部材接続面6と隣接する領域と、他部材接続面6の、側面13、17等と隣接する領域とにおいて拡散防止層19が、半田ブロック層として露出されたサブマウント1を製造した。製造したサブマウント1の、対角線方向の長さ1mmあたりの反り量は0.35μmであった。
実施例1で使用したのと同じ基体7を用いて、図11に示す層構造を有する、放熱部材としてのサブマウント1を製造した。すなわち、前記基体7の全表面に、厚み2μmのNiめっき層を被覆して密着層18とし、次に、前記基体7の他部材接続面6を治具で隠蔽すると共に、側面13、17等と、素子接続面5とを露出させた状態で、前記各面の全面に、スパッタリング法によって、厚み0.2μmのPt層を被覆して拡散防止層19とした。また、他部材接続面6において、密着層18を露出させて、前記他部材接続面6に半田に対する濡れ性を付与した。
他部材接続面6に拡散防止層19を形成せず、かつ、半田濡れ層20を、前記他部材接続面6の全面に形成したこと以外は実施例3と同様にして、拡散防止層19が、いずれの面においても半田ブロック層として露出されていないサブマウント1を製造した。製造したサブマウント1の、対角線方向の長さ1mmあたりの反り量は0.22μmであった。
他部材接続面6に半田濡れ層20を形成しなかったこと以外は比較例1と同様にして、拡散防止層19が、いずれの面においても半田ブロック層として露出されていないサブマウント1を製造した。製造したサブマウント1の、対角線方向の長さ1mmあたりの反り量は0.22μmであった。
前記各実施例、比較例で製造したサブマウントの素子接続面に、素子接続層を介して、半導体レーザを、その出射面が、基体の一側面と同一平面となるように位置合わせをして重ねて固定した状態で、N2中に15体積%のH2を含有させた還元性雰囲気中で、300℃×2分間の加熱をして、素子接続層を形成する半田を溶融させて、半導体レーザの下面に半田接合させることで、前記サブマウントと半導体レーザとを接続した。
各実施例、比較例のサブマウントごとに、それぞれ50個ずつ製造した半導体装置の半導体レーザに通電した際に、前記半導体レーザを動作させることができなかったもの、あるいは、動作はさせることができたものの、出射面から出射されたレーザ光の光束の断面形状を観察したところ、光束が、半田によって遮られて所定の断面形状になっていなかったものを不良品として、半導体装置の全個数に占める不良品の個数の割合を、不良率として算出した。結果を表1に示す。
基体前駆体として、特開昭59−21032号公報に記載の製造方法に準拠して作製した、Moからなる多孔質体の細孔内に、Cuを溶浸させて形成した複合構造を有するCu−Mo複合材料(Cu含量:15重量%)からなるものを用いたこと以外は実施例1〜6、比較例1、2と同様にして、表2に示すサブマウントを製造し、前記サブマウントを用いて半導体装置を製造して、不良率を求めた。結果を表2に示す。なお基体の比抵抗は5.3×10-8Ωm、熱伝導率は160W/m・K、熱膨張係数は7.0×10-6/Kであった。
特開2004−175626号公報に記載の製造方法に準拠して、多数の微小なダイヤモンド粒子を、結合材としてのCuで結合した複合構造を有する複合材料(Cu含量:50重量%)からなる、直径50mm、厚み1.0mmの基体前駆体を形成した。次に、前記基体前駆体を、#400のダイヤモンド砥石をセットした平面研磨機を使用して、厚みが0.6mm、粗さ曲線の算術平均粗さRaが0.5μmになるまで平面研磨して仕上げ、ワイヤ放電加工によって切断した後、放電出力を変えながら切断面の粗加工と仕上げ加工を行って、縦2mm×横10mm×厚み0.6mmの平板状で、かつ、切断面である側面の算術平均粗さRaが0.7μmであるの基体を作製した。前記基体の比抵抗は2.6×10-4Ωm、熱伝導率は550W/m・K、熱膨張係数は6.0×10-6/Kであった。そして、前記基体を使用したこと以外は実施例1、比較例1と同様にしてサブマウントを製造し、前記サブマウントを用いて半導体装置を製造して、不良率を求めた。結果を表3に示す。
特開平10−335538号公報に記載の製造方法に準拠して、Al中に、SiCが粒子状に分散して存在する複合構造を有する複合材料(Al含量:30重量%)からなる、縦30mm×横30mm×厚み1.5mmの基体前駆体を形成した。次に、前記基体前駆体を、#800のダイヤモンド砥石をセットした両頭研磨機を使用して、厚みが0.6mm、粗さ曲線の算術平均粗さRaが0.8μmになるまで平面研磨し、ワイヤ放電加工によって切断した後、放電出力を変えながら切断面の粗加工と仕上げ加工を行って、縦2mm×横10mm×厚み0.6mmの平板状で、かつ、切断面である側面の算術平均粗さRaが1.0μmである基体を作製した。前記基体の比抵抗は2.0×10-8Ωm、熱伝導率は150W/m・K、熱膨張係数は8.0×10-6/Kであった。そして、前記基体を使用したこと以外は実施例1、比較例1と同様にしてサブマウントを製造し、前記サブマウントを用いて半導体装置を製造して、不良率を求めた。結果を表3に示す。
特開平6−268117号公報に記載の製造方法に準拠して、Cu層と、Moからなる多孔質体の細孔内に、Cuを溶浸させて形成した複合構造を有するCu−Mo複合材料層(Cu含量:40重量%)と、Cu層とをこの順に積層した複合構造を有するクラッド材からなる、縦30mm×横30mm×厚み0.6mmの基体前駆体を形成した。次に、前記基体前駆体を、縦3mm×横11mmの平板状に打ち抜き加工した後、その側面を、#400のWA砥石を用いて研磨して、縦2mm×横10mm×厚み0.6mmの平板状で、かつ、側面の算術平均粗さRaが0.6μmである基体を作製した。前記基体の比抵抗は4.0×10-8Ωm、熱伝導率は220W/m・K、熱膨張係数は8.3×10-6/Kであった。そして、前記基体を使用したこと以外は実施例1、比較例1と同様にしてサブマウントを製造し、前記サブマウントを用いて半導体装置を製造して、不良率を求めた。結果を表3に示す。
2 半導体レーザ
3 ヒートシンク
4 半導体装置
5 素子接続面
6 他部材接続面
7 基体
8 素子接続層
9 他部材接続層
10 活性層
11 レーザ光
12 出射面
13 側面
14 半田ブロック層
15 C面
16 素子接続層
17 側面
18 密着層
19 拡散防止層
20 半田濡れ層
21 他部材接続層
Claims (15)
- 片面が、半導体素子との接続のための素子接続面、反対面が、他部材との接続のための他部材接続面とされた、少なくとも金属を含む材料からなる平板状の基体を備え、
前記他部材接続面に、半田に対する濡れ性が付与されていると共に、
前記基体の、素子接続面および他部材接続面と交差する側面の、少なくとも一部の領域、および他部材接続面の、側面と隣接する領域のうちの少なくとも一方に、前記半田の流れを阻止するための半田ブロック処理が施されていることを特徴とする放熱部材。 - 前記側面の、少なくとも一部の領域、および他部材接続面の、側面と隣接する領域のうちの少なくとも一方が、Pt、Mo、Pd、Cr、およびAlからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属、またはこれら金属の少なくとも1種を含む化合物からなる半田ブロック層によって被覆されて、半田ブロック処理されていることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。
- 前記素子接続面の少なくとも一部が、半田からなる素子接続層によって被覆されていることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。
- 前記側面の、少なくとも素子接続面と隣接する領域にも、素子接続層が被覆されていることを特徴とする請求項3に記載の放熱部材。
- 基体の側面の、表面粗さを示す、粗さ曲線の算術平均粗さRaが0.1〜1.6μmであることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。
- 基体の比抵抗が1.6×10-8〜1.0×10-3Ωmであることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。
- 基体の熱伝導率が150〜650W/m・K、熱膨張係数が2.0×10-6〜10×10-6/Kであることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。
- 基体が、W、Mo、SiC、およびダイヤモンドからなる群より選ばれた少なくとも1種と、Cu、Al、およびAgからなる群より選ばれた少なくとも1種とからなることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。
- 基体の、素子接続面、他部材接続面、および側面が、NiまたはNiを含む化合物からなる密着層によって被覆されていると共に、他部材接続面において、前記密着層が露出されることで、前記他部材接続面に、半田に対する濡れ性が付与されていることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。
- 基体の、素子接続面、他部材接続面、および側面が、Ni、Ti、Cr、およびCuからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属、またはこれら金属の少なくとも1種を含む化合物からなる密着層と、Pt、Mo、およびPdからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属、またはこれら金属の少なくとも1種を含む化合物からなる拡散防止層とで、この順に被覆されていると共に、側面の、少なくとも他部材接続面と隣接する領域、および他部材接続面の、側面と隣接する領域のうちの少なくとも一方において、前記拡散防止層が、半田ブロック層として露出されることで、前記領域が半田ブロック処理されていることを特徴とする請求項1に記載の放熱部材。
- 他部材接続面のうち、拡散防止層が露出された領域以外の領域が、Au、Ni、およびAgからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属、またはこれら金属の少なくとも1種を含む化合物からなる半田濡れ層によって被覆されて、半田に対する濡れ性が付与されていることを特徴とする請求項10に記載の放熱部材。
- 請求項1に記載の放熱部材の、基体の素子接続面に、半田からなる素子接続層を介して、半導体素子が接続されていると共に、他部材接続面に、前記素子接続層を形成する半田よりも融点の低い半田からなる他部材接続層を介して、他部材が接続されていることを特徴とする半導体装置。
- 素子接続層を形成する半田が、Au−Sn系、またはAu−Ge系の半田であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
- 他部材接続層を形成する半田が、Sn−Ag系、Sn−Cu系、Sn−In系、Sn−Ge系、Sn−Bi系、Sn−Sb系、Sn−Zn系、Sn−Ag−Cu系、Sn−Ag−Bi系、またはSn−Zn−Bi系の半田であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
- 半導体素子が、半導体発光素子であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
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