JP2018501649A - 高パワー密度の用途において低い熱バリア抵抗を有するダイヤモンド部品のためのボンディング方式 - Google Patents
高パワー密度の用途において低い熱バリア抵抗を有するダイヤモンド部品のためのボンディング方式 Download PDFInfo
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Abstract
Description
具体的な課題は、ある種のタイプの無線周波数(rf)パワーデバイスの熱拡散に関する。このようなデバイスでは、局所パワー密度は、例えば、1MW/cm2を超えることがある。この熱を拡散させ、接合温度を低下させることは、信頼性と、また連続波性能の向上を可能にする。電子デバイス用途に加えて、ある種の極端光用途における現在の最先端熱管理構成を改善することも必要とされる。
このような用途でダイヤモンド材料を使用することに伴う1つの問題は、ダイヤモンド材料を他の部品に結合することが困難であること、およびすべてのボンディングが温度の大きな変化を受け、そして熱バリア抵抗がデバイス性能に対して重大な意味を持つようになる高パワー密度の用途において使用するときにこれが特有な問題であることである。ダイヤモンドヒートスプレッダのメタライゼーションは、ダイ接着のためにぬれ性表面を形成することを必要とする。ダイヤモンドは、優れた室温ヒートスプレッダであることが知られている一方で、デバイス接合温度を低下させることのその有用性が、電気デバイスの接着方法に関係するTBR(熱バリア抵抗)により低下する。
一般に、機械的接着と同様に、積層メタライゼーションコーティングは、高パワー密度半導体部品に結合されたダイヤモンドヒートスプレッダの有効性を最大化するなど、低い熱バリア抵抗と整合するはずである。
本発明の一態様は、半導体デバイスを提供し、
半導体部品;
ダイヤモンドヒートスプレッダ;及び
金属結合部
を含み、
半導体部品が、金属結合部を介してダイヤモンドヒートスプレッダに結合(すなわち、固着(adhere))され、
金属結合部が、ダイヤモンドヒートスプレッダに結合(すなわち、固着)されたクロムの層、およびクロムの層と半導体部品との間に配置されたさらなる金属層を含み、
半導体部品が、少なくとも1kW/cm2の面積パワー密度および/または少なくとも1W/mmの線パワー密度で動作するように構成される。
ダイヤモンドヒートスプレッダ;及び
ダイヤモンドヒートスプレッダ上に配置された金属コーティング
を含み、
金属コーティングが、ダイヤモンドヒートスプレッダに結合されたクロムの層、およびクロムの層の上方に配置されたさらなる金属層を含み、
ダイヤモンドヒートスプレッダが、下記の特性:
1000nm以下、500nm以下、100nm以下、50nm以下、20nm以下、10nm以下、または5nm以下の表面粗さRq;
少なくとも1000W/mK、1300W/mK、1500W/mK、1800W/mK、または2000W/mKの熱伝導率;
20ppm未満の窒素濃度;
633nmの励起波長においてラマンにより評価したグラファイトsp2炭素信号が低いことまたはその欠如;及び
20cm-1以下、10cm-1以下、8cm-1以下、5cm-1以下、3cm-1以下、2cm-1以下、1.5cm-1以下のラマン半値全幅(FWHM)ピーク幅、
のうちの1つまたは複数を有する。
本発明のより良い理解のために、そして本発明をどのようにして実際に実行することができるかを示すために、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して単に例としてここで説明する。
(i)結合したデバイス構造がダイヤモンド/Ti/Pt/AuSn/半導体部品の層構造を含むように、標準的なチタン−白金−金でメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダおよびスズ系はんだを利用して、メタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダに半導体部品を結合するデバイス構造、ならびに
(ii)結合したデバイス構造がダイヤモンド/Cr/AuSn/半導体部品の層構造を含むように、クロム−金でメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダおよびスズ系はんだを利用して、メタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダに半導体部品を結合するデバイス構造
を比較することによって、本明細書において図説している。
ダイヤモンドヒートスプレッダ;及び
ダイヤモンドヒートスプレッダ上に配置された金属コーティング
を含み、
金属コーティングが、ダイヤモンドヒートスプレッダに結合されたクロムの層、およびクロムの層の上方に配置された、金などのさらなる金属層を含み、
ダイヤモンドヒートスプレッダが、下記の特性:
1000nm以下、500nm以下、100nm以下、50nm以下、20nm以下、10nm以下、または5nm以下の表面粗さRq;
少なくとも1000W/mK、1300W/mK、1500W/mK、1800W/mK、または2000W/mKの熱伝導率;
20百万分率未満の窒素濃度;
633nmの励起波長においてラマン分光法により評価したグラファイトsp2炭素信号が低いことまたはその欠如;及び
20cm-1以下、10cm-1以下、8cm-1以下、5cm-1以下、3cm-1以下、2cm-1以下、1.5cm-1以下のラマン半値全幅(FWHM)ピーク幅、
のうちの1つまたは複数を有する。
図5は、小さなデバイスの例および長いデバイスの例を示している。(図4に図示した温度位置に対応する)小さなデバイスのT5および長いデバイスのT3は、はんだ熱伝導率に非常に敏感である。
ウィンドウパッケージ内に実際の条件下でマウントされ、50Vおよび1Aで動作する実際のGaNオンSiC HPA90フィンガーデバイスを、本明細書において説明したメタライゼーション手法の影響を試験するためにシミュレーションした。図8は、Ti/Pt系結合を含むデバイスとCr系結合を含むデバイスとを比較したX−プロファイルに対する温度のプロットを示し、Cr系結合がデバイスのX−プロファイル全体にわたり温度の著しい低下をもたらすことを示している。図9は、Ti/Pt系結合からCr系結合へと動く際にデバイス全体にわたる温度のほぼ25%の低下を図示している図8の2つのデバイス間の温度差のプロットを示している。図10は、Ti/Pt系結合を含むデバイスとCr系結合を含むデバイスとを比較したZ−プロファイルに対する温度のプロットを示し、Cr系結合がデバイスのZ−プロファイルの全体を通して温度の著しい低下をもたらすことを示している。
これらの結果は、クロム系メタライゼーション方式の熱管理への影響は、より低パワーのデバイスに対しては無視できることがある一方で、超高パワーの半導体デバイスに対しては非常に顕著になることを示している。
本発明について実施形態を参照して詳細に示し説明したが、形態および詳細における様々な変更を、別記の特許請求の範囲により規定されたような発明の範囲から逸脱せずに行うことができることを、当業者なら理解するであろう。
本発明について実施形態を参照して詳細に示し説明したが、形態および詳細における様々な変更を、別記の特許請求の範囲により規定されたような発明の範囲から逸脱せずに行うことができることを、当業者なら理解するであろう。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔1〕半導体部品;
ダイヤモンドヒートスプレッダ;及び
金属結合部
を含み、
前記半導体部品が、前記金属結合部を介して前記ダイヤモンドヒートスプレッダに結合され、
前記金属結合部が、前記ダイヤモンドヒートスプレッダに結合されたクロムの層、および前記クロムの層と前記半導体部品との間に配置されたさらなる金属層を含み、
前記半導体部品が、少なくとも1kW/cm 2 の面積パワー密度および/または少なくとも1W/mmの線パワー密度で動作するように構成される、
半導体デバイス。
〔2〕前記クロムの層が、5〜500nmの範囲内の厚さを有する、前記〔1〕に記載の半導体デバイス。
〔3〕前記クロムの層が、50〜250nmの範囲内の厚さを有する、前記〔1〕に記載の半導体デバイス。
〔4〕前記さらなる金属層が、金、銀、タンタル、およびスズのうちの1つまたは複数を含む、前記〔1〕から〔3〕までのいずれかに記載の半導体。
〔5〕前記さらなる金属層が、金を含む、前記〔4〕に記載の半導体デバイス。
〔6〕前記さらなる金属層が、金およびスズを含む、前記〔4〕に記載の半導体デバイス。
〔7〕前記さらなる金属層が、はんだまたはろう付け材料を含めて、5〜100μmの範囲内の厚さを有する、前記〔1〕から〔6〕までのいずれかに記載の半導体デバイス。
〔8〕前記さらなる金属層が、前記はんだまたはろう付け材料を含めて、15〜40μmの範囲内の厚さを有する、前記〔7〕に記載の半導体デバイス。
〔9〕前記半導体部品の前記面積パワー密度が、少なくとも2kW/cm 2 、5kW/cm 2 、10kW/cm 2 、20kW/cm 2 、50kW/cm 2 、100kW/cm 2 、1MW/cm 2 、2MW/cm 2 、4MW/cm 2 、6MW/cm 2 、8MW/cm 2 、または10MW/cm 2 である、前記〔1〕から〔8〕までのいずれかに記載の半導体デバイス。
〔10〕前記半導体部品の前記線パワー密度が、少なくとも2W/mm、2.5W/mm、3W/mm、4W/mm、6W/mm、8W/mm、または10W/mmである、前記〔1〕から〔9〕までのいずれかに記載の半導体デバイス。
〔11〕前記ダイヤモンドヒートスプレッダが、下記の特性、
1000nm以下、500nm以下、100nm以下、50nm以下、20nm以下、10nm以下、または5nm以下の表面粗さRq;
少なくとも1000W/mK、1300W/mK、1500W/mK、1800W/mK、または2000W/mKの熱伝導率;
20百万分率未満の窒素濃度;
633nmの励起波長においてラマン分光法により評価したグラファイトsp2炭素信号が低いことまたはその欠如;及び
20cm -1 以下、10cm -1 以下、8cm -1 以下、5cm -1 以下、3cm -1 以下、2cm -1 以下、1.5cm -1 以下のラマン半値全幅(FWHM)ピーク幅、
のうちの1つまたは複数を有する、前記〔1〕から〔10〕までのいずれかに記載の半導体デバイス。
〔12〕ダイヤモンドヒートスプレッダ;及び
前記ダイヤモンドヒートスプレッダ上に配置された金属コーティング
を含み、
前記金属コーティングが、前記ダイヤモンドヒートスプレッダに結合されたクロムの層、および前記クロムの層の上方に配置されたさらなる金属層を含み、及び、
前記ダイヤモンドヒートスプレッダが、下記の特性、
1000nm以下、500nm以下、100nm以下、50nm以下、20nm以下、10nm以下、または5nm以下の表面粗さRq;
少なくとも1000W/mK、1300W/mK、1500W/mK、1800W/mK、または2000W/mKの熱伝導率;
20百万分率未満の窒素濃度;
633nmの励起波長においてラマン分光法により評価したグラファイトsp2炭素信号が低いことまたはその欠如;及び
20cm -1 以下、10cm -1 以下、8cm -1 以下、5cm -1 以下、3cm -1 以下、2cm -1 以下、または1.5cm -1 以下のラマン半値全幅(FWHM)ピーク幅、
のうちの1つまたは複数を有する、
メタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
〔13〕前記クロムの層が、5〜500nmの範囲内の厚さを有する、前記〔12〕に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
〔14〕前記クロムの層が、50〜250nmの範囲内の厚さを有する、前記〔12〕に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
〔15〕前記さらなる金属層が、金、銀、タンタル、およびスズのうちの1つまたは複数を含む、前記〔12〕から〔14〕までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
〔16〕前記さらなる金属層が、金を含む、前記〔15〕に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
〔17〕前記さらなる金属層が、100nm〜1μmの範囲内の厚さを有する、前記〔12〕から〔16〕までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
〔18〕前記さらなる金属層が、300nm〜700nmの範囲内の厚さを有する、前記〔12〕から〔17〕までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
〔19〕前記金属コーティングが、前記クロムの層および前記さらなる金属層だけから構成される2層コーティングである、前記〔12〕から〔18〕までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
〔20〕はんだまたはろう付け結合部を介して別のデバイス部品に固着された前記〔12〕から〔19〕までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダを備える、マウントしたダイヤモンド部品。
〔21〕はんだまたはろう付け結合部を用いずに別のデバイス部品に固着された前記〔12〕から〔19〕までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダを含む、マウントしたダイヤモンド部品。
〔22〕前記〔20〕または〔21〕に記載のマウントしたダイヤモンド部品を含む、光学部品。
〔23〕前記〔20〕または〔21〕に記載のマウントしたダイヤモンド部品を含む、半導体部品。
Claims (23)
- 半導体部品;
ダイヤモンドヒートスプレッダ;及び
金属結合部
を含み、
前記半導体部品が、前記金属結合部を介して前記ダイヤモンドヒートスプレッダに結合され、
前記金属結合部が、前記ダイヤモンドヒートスプレッダに結合されたクロムの層、および前記クロムの層と前記半導体部品との間に配置されたさらなる金属層を含み、
前記半導体部品が、少なくとも1kW/cm2の面積パワー密度および/または少なくとも1W/mmの線パワー密度で動作するように構成される、
半導体デバイス。 - 前記クロムの層が、5〜500nmの範囲内の厚さを有する、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記クロムの層が、50〜250nmの範囲内の厚さを有する、請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記さらなる金属層が、金、銀、タンタル、およびスズのうちの1つまたは複数を含む、請求項1から3までのいずれかに記載の半導体。
- 前記さらなる金属層が、金を含む、請求項4に記載の半導体デバイス。
- 前記さらなる金属層が、金およびスズを含む、請求項4に記載の半導体デバイス。
- 前記さらなる金属層が、はんだまたはろう付け材料を含めて、5〜100μmの範囲内の厚さを有する、請求項1から6までのいずれかに記載の半導体デバイス。
- 前記さらなる金属層が、前記はんだまたはろう付け材料を含めて、15〜40μmの範囲内の厚さを有する、請求項7に記載の半導体デバイス。
- 前記半導体部品の前記面積パワー密度が、少なくとも2kW/cm2、5kW/cm2、10kW/cm2、20kW/cm2、50kW/cm2、100kW/cm2、1MW/cm2、2MW/cm2、4MW/cm2、6MW/cm2、8MW/cm2、または10MW/cm2である、請求項1から8までのいずれかに記載の半導体デバイス。
- 前記半導体部品の前記線パワー密度が、少なくとも2W/mm、2.5W/mm、3W/mm、4W/mm、6W/mm、8W/mm、または10W/mmである、請求項1から9までのいずれかに記載の半導体デバイス。
- 前記ダイヤモンドヒートスプレッダが、下記の特性、
1000nm以下、500nm以下、100nm以下、50nm以下、20nm以下、10nm以下、または5nm以下の表面粗さRq;
少なくとも1000W/mK、1300W/mK、1500W/mK、1800W/mK、または2000W/mKの熱伝導率;
20百万分率未満の窒素濃度;
633nmの励起波長においてラマン分光法により評価したグラファイトsp2炭素信号が低いことまたはその欠如;及び
20cm-1以下、10cm-1以下、8cm-1以下、5cm-1以下、3cm-1以下、2cm-1以下、1.5cm-1以下のラマン半値全幅(FWHM)ピーク幅、
のうちの1つまたは複数を有する、請求項1から10までのいずれかに記載の半導体デバイス。 - ダイヤモンドヒートスプレッダ;及び
前記ダイヤモンドヒートスプレッダ上に配置された金属コーティング
を含み、
前記金属コーティングが、前記ダイヤモンドヒートスプレッダに結合されたクロムの層、および前記クロムの層の上方に配置されたさらなる金属層を含み、及び、
前記ダイヤモンドヒートスプレッダが、下記の特性、
1000nm以下、500nm以下、100nm以下、50nm以下、20nm以下、10nm以下、または5nm以下の表面粗さRq;
少なくとも1000W/mK、1300W/mK、1500W/mK、1800W/mK、または2000W/mKの熱伝導率;
20百万分率未満の窒素濃度;
633nmの励起波長においてラマン分光法により評価したグラファイトsp2炭素信号が低いことまたはその欠如;及び
20cm-1以下、10cm-1以下、8cm-1以下、5cm-1以下、3cm-1以下、2cm-1以下、または1.5cm-1以下のラマン半値全幅(FWHM)ピーク幅、
のうちの1つまたは複数を有する、
メタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。 - 前記クロムの層が、5〜500nmの範囲内の厚さを有する、請求項12に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
- 前記クロムの層が、50〜250nmの範囲内の厚さを有する、請求項12に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
- 前記さらなる金属層が、金、銀、タンタル、およびスズのうちの1つまたは複数を含む、請求項12から14までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
- 前記さらなる金属層が、金を含む、請求項15に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
- 前記さらなる金属層が、100nm〜1μmの範囲内の厚さを有する、請求項12から16までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
- 前記さらなる金属層が、300nm〜700nmの範囲内の厚さを有する、請求項12から17までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
- 前記金属コーティングが、前記クロムの層および前記さらなる金属層だけから構成される2層コーティングである、請求項12から18までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダ。
- はんだまたはろう付け結合部を介して別のデバイス部品に固着された請求項12から19までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダを備える、マウントしたダイヤモンド部品。
- はんだまたはろう付け結合部を用いずに別のデバイス部品に固着された請求項12から19までのいずれか1項に記載のメタライズしたダイヤモンドヒートスプレッダを含む、マウントしたダイヤモンド部品。
- 請求項20または21に記載のマウントしたダイヤモンド部品を含む、光学部品。
- 請求項20または21に記載のマウントしたダイヤモンド部品を含む、半導体部品。
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