(57)【要約】  本発明は、熱に敏感な電子回路のために改善された熱伝達能力を提供するための電子デバイスおよび電子デバイスの作製法に関する。本発明は、信号、看板、自動車および照明用途またはディルプレイ回路またはこれらのいずれかの組み合わせのためのＬＥＤ照明器具などの様々な用途のための電子デバイスの使用にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、発熱する電子回路と、その他の電子回路と、断熱手段と、放熱手段とを備え、前記発熱する電子回路およびその他の電子回路が、前記基板に配置されており、前記断熱手段が、前記発熱する電子回路から第１の方向に沿って前記他の電子回路に向かう放熱を防止するように前記基板内に配置されている電子デバイスにおいて、
放熱手段が、前記第１方向とは異なる第２の方向に沿って基板を通って熱を放散するように基板内に配置されていることを特徴とする、電子デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の電子デバイスにおいて、
前記基板が熱伝導性である、電子デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電子デバイスにおいて、
前記基板がシリコンで作製されている、電子デバイス。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、
基板が、１００Ｗ／Ｋ・ｍ〜２００Ｗ／Ｋ・ｍの範囲、好ましくは１４０Ｗ／Ｋ・ｍの熱伝導性を有する材料を備える、電子デバイス。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、
前記発熱する電子回路が、発光デバイス（ＬＥＤ）、好ましくは高出力ＬＥＤを備えている、電子デバイス。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、
前記その他の電子デバイスが、集積された電子構成要素、ダイオードおよび／またはトランジスタなどの能動的な構成要素、抵抗器、キャパシタ、インダクタなどの受動的な構成要素、またはこれらのいずれかの組み合わせを備える、電子デバイス。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、
前記その他の電子回路が、ＬＥＤの光出力の色および／または光束の設定など、発熱する電子回路の特性を制御するように接続され、配置されている、電子デバイス。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項記載の電子デバイスにおいて、
断熱手段が、１００Ｗ／Ｋ・ｍ以下、好ましくは５０Ｗ／Ｋ・ｍ以下、好ましくは１０Ｗ／Ｋ・ｍ以下、好ましくは２Ｗ／Ｋ・ｍ以下の熱伝導性を有する材料を備える、電子デバイス。
【請求項９】
請求項８に記載の電子デバイスにおいて、
前記材料が酸化ケイ素である、電子デバイス。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、
前記放熱手段が、２００Ｗ／Ｋ・ｍ以上、好ましくは３００Ｗ／Ｋ・ｍ以上、さらに好ましくは４００Ｗ／Ｋ・ｍ以上の熱伝導性を有する材料を備える、電子デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電子デバイスにおいて、
前記放熱手段が、金属の材料、好ましくは銅を含む、電子デバイス。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか１項記載の電子デバイスにおいて、
前記断熱手段が、基板内にトレンチを有している、電子デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電子デバイスにおいて、
前記トレンチが、第１方向に対して横方向に、好ましくは基板を通って少なくとも半分の距離の深さまで延びている、電子デバイス。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、
前記放熱手段が、放熱材料を充填された、基板を通るトレンチを備える、電子デバイス。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、
前記その他の電子回路が、少なくとも１つの第１の低電圧ダイオードをさらに備え、これにより、静電放電（ＥＳＤｓ）から発熱電子回路を保護する、電子デバイス。
【請求項１６】
請求項１から１５までのいずれか１項に記載の電子デバイスにおいて、
該装置が、チップモジュール、好ましくはマルチチップモジュールである、電子デバイス。
【請求項１７】
基板と、発熱する電子回路と、その他の電子回路と、発熱する電子回路から他の電子回路を保護するために配置された断熱手段および放熱手段を備える電子回路を作製する方法において、該方法が、
電子回路を基板に集積するステップと、
装置の拡散、隔離および接続を行うステップと、
リソグラフィにより基板に窓をパターン形成するステップと
を含む、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、該方法が、
窓にトレンチをエッチングするステップと、
基板を酸化するステップと、
基板の熱伝導特性よりも大きい熱伝導特性を有する材料をトレンチ内に蒸着するステップと、
第１の表面とは本質的に反対側の基板表面に設けられた誘電体に窓を配置し、パターン形成するステップと、
第２の表面から第１の表面に向かって窓内に第２のトレンチをドライエッチングするステップと、
第２のトレンチに酸化物を蒸着するステップと、
第２のトレンチ内にシード層を蒸着するステップと、
第２のトレンチ内に電気めっきされた銅を成長させるステップと、
基板の第２の表面にダイをハンダ付けするステップと
をさらに備える、方法。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載の方法において、該方法が、
基板の第１の表面に設けられた非酸化性の誘電体に窓を配置し、パターン形成するステップと、
前記トレンチ内に蒸着されたＴＥＯＳを残してトレンチの外部のＴＥＯＳを除去するためにドライエッチングするステップと、
不要な銅残留物を除去するために基板の第２の表面に化学機械研磨を施すステップと、
金属、好ましくはＴｉＮｉＡｇ（チタン、ニッケルおよび銀）を基板の第２の表面に蒸着するステップと
をさらに備える、方法。
【請求項２０】
請求項１７から１９までのいずれか１項に記載の方法において、
より大きい熱伝導特性を有する材料が、テトラエトキシラン（ＴＥＯＳ）酸化物を含む、方法。
【請求項２１】
請求項１８から２０までのいずれか１項に記載の方法において、
４００〜６００オングストロームの厚さのチタンと４０００〜６０００オングストロームの厚さの銅とを備えるようにシード層を蒸着する、方法。
【請求項２２】
請求項１８から２１までのいずれか１項に記載の方法において、
前記トレンチをエッチングするステップが、好ましくはドライエッチングを含む、方法。
【請求項２３】
請求項１８から２２までのいずれか１項に記載の方法において、
前記トレンチをエッチングするステップが、好ましくは３０〜５０μｍの範囲の深さまでエッチングすることを含む、の方法。
【請求項２４】
請求項１から１６までのいずれか１項に記載の電子回路の使用法において、
信号伝達、信号、自動車および照明用途またはディスプレイ回路またはこれらの任意の組み合わせにＬＥＤ照明器具を用いる使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱に敏感な電子回路を保護するために改善された熱伝導能力を提供する電子デバイスおよび電子デバイスの作製法に関する。本発明は、種々異なった用途に用いられる電子デバイスの使用法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイスでは電子構成要素の数が増大しており、電子構成要素には過剰な熱を大量に発生させるものや熱に対して敏感なものもあり、一時的または恒久的に電子回路の機能不良を引き起こす場合がある。
【０００３】
特に所定領域における電子素子の数が増大すると同時にますます小型化する電子デバイスの開発の継続に伴って、電子回路産業ではこのようなことに関心が高まっている。その結果、これらの構成要素の間に生じる、例えば発熱による不都合な影響を取り除くことが次第に難しくなっている。それ故、このことに対する改善措置を見いだそうとする過程において、発熱する構成要素とその他の構成要素とが互いから分離されている形でこれらの装置を設計するよう試みられてきた。
【０００４】
例えば、このことが明白な問題となった１つの特定分野は、信号伝達および信号において定評のある高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）を大容量で使用する分野である。これらのダイオードは、数年以内には照明用途で従来の照明器具の代替となることが予想される。
【０００５】
電子デバイスといえば、今日では一般にチップをベースとしたものとみなされている。コンパクトなマルチチップモジュールを得るための周知の原理では、シリコンで作製された基板などの汎用の基板に実装されたむきだしのＬＥＤチップを使用する。この基板には、ますます多くの電子構成要素、例えば、ダイオードおよびトランジスタなどの能動的な構成要素ならびに抵抗器、キャパシタおよびインダクタなどの受動的な構成要素が集積化される。これらの構成要素は、マルチチップモジュールの光出力の色および光束の設定を行う。
【０００６】
ＬＥＤの発光特性に基づき、８０％ほどの多量の入力電力が熱として放散される。その結果、この熱はＬＥＤの接合部温度を上昇させ、ＬＥＤの耐用寿命および効率を低下させる。さらに、ＬＥＤ接合部温度が１５０℃よりも高いレベルに上昇することがますます頻繁に起こり、１８５℃程にさえもなる場合がある。このような温度範囲では、電子デバイスの機能が著しく影響され、マルチチップモジュールの良好な光制御に不利な影響を及ぼす。
【０００７】
このような光モジュールの良好な光制御を維持するためには、ＬＥＤ接合部において温度が所定閾値よりも低く保持されることが不可欠である。したがって、放熱を増大し、電子デバイスを過熱から保護する方法を見いだすことが望ましい。
【０００８】
米国特許出願公開第２００５／００７４０４６号明細書が、レーザダイオードなどの熱を発生するダイオードチップが、ヒートシンクおよび断熱層によって電気回路構成から分離されており、これにより、発光素子によって生じた熱が駆動チップに伝達されないことを開示している。
【０００９】
しかしながら、従来技術の装置には多くの欠点が付随している。それ故、基板に集積された熱に敏感な構成要素を遮蔽する都合のよい代替解決策が求められている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００７４０４６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のことを考慮して、本発明の課題は、上述の問題を解決するか、または少なくとも減じることである。特に１つの課題は、とりわけＬＥＤ照明用途のためのサブマウントにおいて改善された電子デバイスの断熱を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、本発明の第１の実施態様によれば、基板、発熱する電子回路および他の電子回路を備える電子デバイスによって解決される。電子デバイスは、さらに断熱手段および放熱手段を備えている。発熱する電子回路およびその他の電子回路は基板に配置されている。断熱手段は、発熱する電子回路から第１方向に沿って他の電子回路に向かう放熱を防止するように基板に配置されており、放熱手段は、第１方向とは異なる第２方向に沿って基板を通って熱を放散させるように基板に配置されている。それ故、シリコンサブマウントに熱バリヤおよび高い熱伝導率の経路が配置され、これにより、熱を放散し、利点として、サブマウントに集積された電子デバイスの過熱を防止する装置が得られる。
【００１２】
このように、利点として断熱手段および放熱手段が基板に組み込まれているので、わずかな空間しか占めず、放熱手段を設けることにより得られる任意の方向に基板を通って案内することにより放熱の制御が改善される。したがって、基板の前面に集積された装置を妨害することなしに、熱伝導によって、熱を基板の背面に向けるか、または案内することができる。
【００１３】
さらに放熱の効果としてＬＥＤを流れる電流が増大し、これにより、利点として発光装置からの発光効率が増大する。
【００１４】
電子デバイスの基板は、好ましくは熱伝導性であってよく、これにより、熱を熱発生源から運び出すことができるという利点を有する。
【００１５】
さらに基板はシリコンに作製されてもよく、これにより、有利な半導体特性が得られる。
【００１６】
さらに基板は、１００Ｗ／Ｋ・ｍ〜２００Ｗ／Ｋ・ｍの間の範囲、またはより好ましくは１４０Ｗ／Ｋ・ｍの熱伝導率を有する材料を備えていてもよい。これにより、利点として、基板自体の熱伝導率よりも著しく大きい熱伝導率がもたらされる。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、発熱する電子回路は、発光装置（ＬＥＤ）、好ましくは高出力ＬＥＤを備えていてもよい。過熱は多くの種類の電子構成要素において発生するが、発光装置、特に高出力で駆動される発光装置の使用時に効率的な放熱効果を提供できることは特に有利な場合がある。
【００１８】
他の電子回路の熱感応性により、これらの電子回路は特性に応じて、所定の構成要素から放出される熱を遮断することにより大きい利点を得る場合もある。このように、その他の電子デバイスは、例えばダイオードおよび／またはトランジスタなどの能動的な構成要素または抵抗器、キャパシタ、インダクタなどの受動的な構成要素、またはこれらのいずれかの組み合わせであってもよい。
【００１９】
本発明の１実施形態によれば、その他の電子回路は、ＬＥＤの光出力の色および／または光束設定など、発熱する電子回路の特性を制御するように接続され、配置されている。従って、本発明により、改善された外見および性能を有する発光装置が得られるという利点が達成される。
【００２０】
本発明の別の実施形態によれば、断熱手段は、１００Ｗ／Ｋ・ｍ以下、好ましくは５０Ｗ／Ｋ・ｍ以下、またはより好ましくは１０Ｗ／Ｋ・ｍ以下、さらに好ましくは２Ｗ／Ｋ・ｍの熱伝導率を有する材料を備えている。本質的には、周囲の基板の残り部分よりも比較的低い熱伝導率を有する材料を備えていることにより、熱からの改善された保護が達成される。この効果は、断熱材料として酸化ケイ素を有している場合に特に有利に発揮される。
【００２１】
本発明の別の実施形態によれば、放熱手段が、２００Ｗ／Ｋ・ｍ以上、好ましくは３００Ｗ／Ｋ・ｍ以上、さらに好ましくは４００Ｗ／Ｋ・ｍ以上の熱伝導率を有する材料を備えている。これにより、改善された放熱能力により、熱に敏感な電子回路の保護の改善が有利に行われる。この効果は、金属、好ましくは銅などの高い熱伝導率を有する材料を備えることにより特に有利に発揮される。
【００２２】
それ故、利点として、材料の異なった熱伝導率が、基板に集積された電子デバイスを熱から保護するために用いられる。
【００２３】
本発明のさらに別の実施形態によれば、断熱手段は、基板内のトレンチを占めている。利点として、トレンチを用いることにより、熱を遮断する目的で効率的かつ効果的であり、かつ作製も容易なバリヤが提供される。有利には、トレンチは第１方向に対して横方向に、好ましくは基板の少なくとも半分の深さまで延びていてもよい。
【００２４】
本発明のさらに別の実施形態によれば、放熱手段は、基板を通るトレンチを有し、これらのトレンチには放熱材料が充填されている。それ故、利点として基板を通るこれらの通路を通って熱を効率的に放散できる。
【００２５】
付加的に、本発明のさらに別の実施形態によれば、他の電子回路はさらに静電放電（ＥＳＤｓ）から発熱電子回路を保護するために少なくとも１つの第１の低電圧ダイオードを備えている。
【００２６】
別の実施形態によれば、電子デバイスは、チップモジュール、好ましくはマルチチップモジュールであり、このことは、電子構成要素の広範な構成を可能にするという利点を有する。
【００２７】
換言すれば、本発明は好ましい１実施形態では電子デバイスを備える基板によって実施され、これらの電子デバイスは、酸化ケイ素を充填された深トレンチによって、例えば、ＬＥＤによって生じた熱から遮断される。酸化ケイ素の熱伝導率は極めて低いので、酸化ケイ素はＬＥＤによって放出される熱から構成要素を保護する。銅を充填された、基板を通る通路は、ヒートパイプとして働き、放熱を容易にする。
【００２８】
上記課題は、基板、発熱電子回路および他の電子回路を備える電子デバイスの作製法において、本発明の第１の実施態様により解決される。電子デバイスは、さらに断熱手段および放熱手段を備え、これらの手段は、発熱する電子回路から他の電子回路を保護するために配置されている。本方法は、次のステップ、すなわち、
電子回路を基板に集積するステップと、
デバイスの拡散、隔離および接続を行うステップと、
リソグラフィにより基板に窓をパターン形成するステップと
を備える。
【００２９】
本発明の１実施形態によれば、本方法は、さらに次のステップ、すなわち、
窓にトレンチをエッチングするステップと、
基板を酸化するステップと、
トレンチ内に基板の熱伝導特性よりも大きい熱伝導特性を有する材料を蒸着するステップと、
第１の表面とは本質的に反対側の基板表面の誘電体に窓を配置し、パターン形成するステップと、
第２の表面から第１の表面に向かって窓内に第２のトレンチをドライエッチングするステップと、
第２のトレンチ内に酸化物を蒸着するステップと、第２のトレンチ内にシード層を蒸着するステップと、
第２のトレンチ内に電気めっきされた銅を成長させるステップと、
基板の第２の表面にダイをハンダ付けするステップと
を備える。
【００３０】
本発明の別の実施形態によれば、本方法は、さらに次のステップ、すなわち、
基板の第１の表面に設けられた非酸化性の誘電体に窓を配置し、パターン形成するステップと、
トレンチ内に蒸着されたＴＥＯＳを残してトレンチの外部のＴＥＯＳを除去するためにドライエッチングするステップと、
不要な銅残留物を除去するために基板の第２の表面に化学機械研磨を施すステップと、
金属、好ましくはＴｉＮｉＡｇ（チタン、ニッケルおよび銀）を基板の第２の表面に蒸着するステップと
を備える。
【００３１】
本発明のさらなる実施形態によれば、より大きい熱伝導特性を有する材料は、テトラエトキシラン（ＴＥＯＳ）酸化物を含む。
【００３２】
好ましい実施形態によれば、誘電体は非酸化性であってもよいことを述べておく。別の好ましい実施形態によれば、第２のトレンチ内に酸化物を蒸着するステップは、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）を含む。
【００３３】
本発明のさらに別の実施形態によれば、シード層は、４００〜６００オングストロームの厚さのチタンおよび４０００〜６０００オングストロームの厚さの銅を含むように蒸着される。
【００３４】
好ましくは、トレンチのエッチングは３０〜５０ｍｍの範囲の深さまで延びていてよい。トレンチをエッチングするステップは、好ましくはドライエッチングを含んでいてもよいことにも注意されたい。
【００３５】
上記課題は、本発明の第３の実施態様によれば、前述のいずれかの実施形態に対応する実施形態に従った電子デバイスを、信号、看板、自動車およびその他の照明用途、ディスプレイ回路またはこれらのいずれかの組み合わせのためのＬＥＤ照明器具に用いることにより達成される。
【００３６】
本発明の実際の用途は、高出力ＬＥＤを使用する、信号、看板、自動車およびその他の照明用途のための広範なＬＥＤ照明器具に使用することを含む。
【００３７】
本発明のその他の課題、特徴および利点が以下の詳細な開示内容、従属請求項および図面から明らかである。
【００３８】
一般に、特許請求の範囲で用いられた全ての用語は、本明細書に明確に規定されていない場合には技術分野における通常の意味に従って解釈されるべきものである。「１つの／その（素子、装置、構成要素、手段、ステップなど）に関する全ての言及は、特に明確に述べられていない場合には、前記素子、装置、構成要素、手段、ステップなどの少なくとも１つに言及しているものと解釈されるべきものである。本明細書に開示されたいずれの方法ステップも、明確に述べられてない場合には、開示された正確な順序で実施されなくてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明の上記課題ならびに付加的な課題、特徴および利点は、以下に示す例示的かつ非限定的な、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明および添付の図面を参照してよりよく理解されるであろう。同様の素子には同じ参照番号を用いる。
【００４０】
図１は、表面実装された発熱する電子回路１０２と、その他の電子回路１０３と、断熱手段１０４と、放熱手段１０５とを有する基板１０１を備えた電子デバイス１００を示している。同様に図面には、発熱する電子回路１０２からの放熱方向を示す矢印１０６が示されている。図１は、放熱を増大し、これにより、電子デバイスを熱から保護する原理を示している。
【００４１】
図２は、本発明の一実施態様に従って電子回路を構成するプロセスに関するステップａ〜ステップｈを概略的に示している。図２の区分ａ〜ｈは、本発明を実施する電子デバイス２００を示しているが、当業者には知られているように他の様々な実施形態が可能である。装置２００はＮ型またはＰ型の半導体材料の基板２０１を備えている。典型的には、基板２０１は、ドーピング、拡散、エッチングまたは薄膜蒸着などの標準プロセスを用いて準備されている。基板は、第１の表面２０７および第２の表面２０８を有している。図２の区分ａには、窓２０２および２０３が基板２０１の第１の表面２０７に設けられた非酸化性の誘電体２０４内にどのように配置され、パターン形成されるかが示されている。熱を発生する電子回路に接続されるコネクタ２０５および２０６が、金属化法を用いて表面２０７に直接に付加されている。図２の区分ｂには、トレンチ２１２および２１３が窓２０２および２０３の内部に約３０〜５０μｍの深さまでドライエッチングされている。
【００４２】
これらのトレンチ２１２および２１３がエッチングされた後に表面２０７は酸化され、テトラオキシレン（ＴＥＯＳ）が図２の区分ｃの参照番号２２２および２２３で示したトレンチを充填するように蒸着される。このように、低い熱伝導率を備えた材料を用いて効果的な熱バリヤが形成されている。ドライエッチングはトレンチ外部の不要なＴＥＯＳを除去し、トレンチ内に蒸着されたＴＥＯＳは残留する。
【００４３】
図２の区分ｄは、窓２１５および２１６を示している。これらの窓は、基板の第２の表面２０８に設けられた非酸化性の誘電体２１４内に配置され、パターン形成される。
【００４４】
図２の区分ｅは、窓２０５および２０６の内部のドライエッチングが、どのようにしてトレンチ２２５および２２６を誘電体の前面２１７および２１８まで形成したかを示している。この場合、ＰＥＣＶＤ酸化物がこれらのトレンチ内に蒸着される。
【００４５】
図２の区分fに示すように、同じトレンチ２２５および２２６内に、チタン５００オングストローム〜銅５０００オングストロームの範囲の厚さを備えたシード層２０９が蒸着される。図２の区分ｇは、電気めっきプロセスを用いてどのようにしてトレンチに銅２３５および２３６が充填されるかを示している。
【００４６】
さらに、図２の区分ｇには、化学機械研磨プロセスが銅残留物を第２の表面２２８からどのようにして除去したかが示されている。
【００４７】
最後に図２の区分ｈは、ＴｉＮｉＡｇ（チタン、ニッケル、銀）２３８がどのようにして基板２０１の第２の表面２０８に蒸着され、ヒートシンクとしてダイのはんだ付けを簡易化するかが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による電子デバイスの概略図である。
【図２ａ】図１に示した電子デバイスの作製法に含まれるステップを示す概略図である。
【図２ｂ】図１に示した電子デバイスの作製法に含まれるステップを示す概略図である。
【図２ｃ】図１に示した電子デバイスの作製法に含まれるステップを示す概略図である。
【図２ｄ】図１に示した電子デバイスの作製法に含まれるステップを示す概略図である。
【図２ｅ】図１に示した電子デバイスの作製法に含まれるステップを示す概略図である。
【図２ｆ】図１に示した電子デバイスの作製法に含まれるステップを示す概略図である。
【図２ｇ】図１に示した電子デバイスの作製法に含まれるステップを示す概略図である。
【図２ｈ】図１に示した電子デバイスの作製法に含まれるステップを示す概略図である。
【図１】
2009536447.tif 000003
【図２ａ】
2009536447.tif 000004
【図２ｂ】
2009536447.tif 000005
【図２ｃ】
2009536447.tif 000006
【図２ｄ】
2009536447.tif 000007
【図２ｅ】
2009536447.tif 000008
【図２ｆ】
2009536447.tif 000009
【図２ｇ】
2009536447.tif 000010
【図２ｈ】
2009536447.tif 000011