(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子の回収等のため、離脱可能に構成された基板と冷却部または加熱部とをより密着させる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子３０と、内部１２と内部１２より線熱膨張係数が大きく内部１２を囲む外部１４とを含み、半導体素子３０が固着された第１面１１を含む基板１０と、基板１０の第１面１１と反対の面である第２面１３と接する面４１を含み、基板１０を冷却する冷却部４０と、冷却部４０の面４１と基板１０の第２面１３とが接するように、冷却部４０と基板１０とを挟持する挟保部２０と、を具備する半導体装置。【選択図】図５
2011086818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
内部と前記内部より線熱膨張係数が大きく前記内部を囲む外部とを含み、前記半導体素子が固着された第１面を含む基板と、
前記基板の前記第１面と反対の面である第２面と接する面を含み、前記基板を冷却する冷却部と、
前記冷却部の前記面と前記基板の前記第２面とが接するように、前記冷却部と前記基板とを挟持する挟保部と、
を具備する半導体装置。
【請求項２】
前記冷却部の線熱膨張係数は前記外部より大きい請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記挟持部の線熱膨張係数は前記外部より大きい請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記基板の前記第２面に溝が形成されている請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体素子は、前記第１面に固着された第１素子と、前記第１素子上に固着された第２素子と、を含む請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
前記基板は長方形状をなし、前記溝は、前記長方形状の短辺方向に形成されている請求項４または５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記基板の前記外部と前記半導体素子とは線熱膨張係数が同じである請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体素子と、
内部と前記内部より線熱膨張係数が小さく前記内部を囲む外部とを含み、前記半導体素子が固着された第１面を含む基板と、
前記基板の前記第１面と反対の面である第２面と接する面を含み、前記基板を加熱する加熱部と、
前記加熱部の前記面と前記基板の前記第２面とが接するように、前記加熱部と前記基板とを挟持する挟保部と、
を具備する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に半導体素子が冷却または加熱される半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を冷却（または加熱）するため、半導体素子を基板に実装し、基板に冷却部を熱的に接触させる半導体装置が知られている。例えば、パッケージ基板上に半導体素子を固定し、半導体素子と冷却モジュールとの間に伝熱体を設け、フレームを用いパッケージ基板と冷却モジュールと挟持する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、表面に半導体素子を接合し裏面が冷却体に固定される放熱板を三層とし、三層のうち中心層の線熱膨張係数を両側層より小さくすることが知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−４４７５４号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体素子の回収等のため、半導体素子を固着した基板は、基板を冷却する冷却部（または、基板を加熱する加熱部）から離脱可能であることが好ましい。しかしながら、例えば、基板と冷却部とをクランプやネジ等で固着させると、クランプした箇所やネジ止めした箇所では、基板と冷却部とが密着するが、その他の箇所では基板と冷却部との密着が確保できない場合がある。
【０００５】
本半導体装置は、基板と冷却部または加熱部とをより密着させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例えば、半導体素子と、内部と前記内部より線熱膨張係数が大きく前記内部を囲む外部とを含み、前記半導体素子が固着された第１面を含む基板と、前記基板の前記第１面と反対の面である第２面と接する面を含み、前記基板を冷却する冷却部と、前記冷却部の前記面と前記基板の前記第２面とが接するように、前記冷却部と前記基板とを挟持する挟保部と、を具備する半導体装置を用いる。
【０００７】
例えば、半導体素子と、内部と前記内部より線熱膨張係数が小さく前記内部を囲む外部とを含み、前記半導体素子が固着された第１面を含む基板と、前記基板の前記第１面と反対の面である第２面と接する面を含み、前記基板を加熱する加熱部と、前記加熱部の前記面と前記基板の前記第２面とが接するように、前記加熱部と前記基板とを挟持する挟保部と、を具備する半導体装置を用いる。
【発明の効果】
【０００８】
本半導体装置によれば、基板と冷却部または加熱部とをより密着させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、赤外線検知装置の全体図である。
【図２】図２は、筐体内を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、冷却端の上面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図４（ａ）は、冷却端に基板を配置した上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図５（ａ）は、冷却端に基板を取り付けた上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図６（ａ）から図６（ｃ）は、挟持部を取り付ける方法を示した図である。
【図７】図７（ａ）は、基板、冷却端および挟持部を示す断面模式図である。図７（ｂ）は、基板が冷却された場合の模式図である。
【図８】図８（ａ）は、実施例２の基板、冷却端および挟持部を示す断面模式図である。図８（ｂ）は、基板の断面模式図である。
【図９】図９は、実施例２における計算に用いた２次元形状を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例２における計算結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、図面を参照に実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
実施例１は、赤外線を検知するハイブリッド素子を冷却する例である。図１は、赤外線検知装置の全体図である。赤外線検知を行なうハイブリッド素子は、例えば８０Ｋ程度まで冷却することが求められている。そこで、赤外線検知器は、以下のような構成となっている。筐体７０内にハイブリッド素子が配置されている。排気路７６は、真空ポンプに接続されており、排気路７６から筐体７０内の空気を排出する。これにより、筐体７０内は真空に保持されている。筐体７０の上方にはレンズ９０が設けられている。レンズ９０を通過した赤外線は、筐体７０内のバイブリッド素子に照射される。筐体７０には取付用のフランジ８０が設けられている。コンプレッサ８６は、冷媒であるＨｅを圧縮することにより冷却する。通路８４は、冷却されたＨｅを筐体７０内の冷却ヘッドに導きハイブリッド素子を冷却する。また、通路８４は、冷却ヘッドを冷却したＨｅをコンプレッサに戻す。
【００１２】
図２は、筐体７０内を示す図である。冷媒用孔８２には通路８４が取り付けられ、冷媒用孔８２を介しＨｅが導入される。冷却ヘッド５０は、冷媒用孔８２から導入されたＨｅにより冷却される。冷却端４０は、冷却ヘッド５０に例えば溶接により固定されている。冷却部である例えば冷却端４０にはハイブリッド素子３０を実装した基板１０が取り付けられている。挟持部２０は、基板１０と冷却端４０とを挟持する。これにより、ハイブリッド素子３０が冷却される。筐体７０の上面には、フィルタ７２が設けられている。フィルタ７２は、ハイブリッド素子３０が検出する赤外線７３を透過させ、他の光を遮蔽する。これにより、レンズ９０（図１参照）により集光された光のうち所望の波長の赤外線がハイブリッド素子３０に照射される。フィルタ７２とハイブリッド素子３０との間の側面には、コールドシールド７４が設けられている。コールドシールド７４は、冷却ヘッド５０により冷却されている。コールドシールド７４により、温度の比較的高い筐体７０等から迷光がハイブリッド素子３０に至ることを抑制する。筐体７０内の空気は排気路７６から排出されるため、筐体７０内は真空に保持されている。これにより、筐体７０と冷却ヘッド５０およびハイブリッド素子３０等とが熱的に分離される。
【００１３】
図３（ａ）は、冷却部である例えば冷却端４０の上面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）のように、冷却端４０は平板状であり、四方に凸部４８ａおよび４８ｂが設けられている。冷却端４０の裏面には冷却ヘッド５０が例えば溶接等により熱的に接触されている。冷却端４０の上面４１は、基板１０が密着する面である。
【００１４】
図４（ａ）は、冷却端４０に基板１０を配置した上面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）のように、基板１０は内部１２と外部１４とを備えている。外部１４は内部１２を囲み包み設けられている。言い換えれば、内部１２の周囲は全て外部１４で覆われている。基板１０の上面は、ハイブリッド素子３０が固着される第１面１１である。第１面１１の反対の面は、冷却端４０の上面４１と密着する第２面１３である。基板１０の中央領域には、ハイブリッド素子３０が例えば接着により固着される。基板１０の周辺には、中央領域より膜厚の小さい薄部１６ａおよび１６ｂが設けられている。薄部１６ａおよび１６ｂの側面が凸部４８ａおよび４８ｂの側面に当接するように、基板１０が冷却端４０に嵌め込まれる。このように、基板１０を凸部４８ａおよび４８ｂに嵌めこむことにより、冷却端４０を薄くすることができ、冷却端４０の熱抵抗を小さくできる。
【００１５】
ハイブリッド素子３０は、赤外線検知素子３２と回路素子３４とが積層し接着されている。赤外線検知素子３２は、例えば、赤外線を検知し電気信号に変換する素子である。回路素子３４は、検知された電気信号を増幅し外部に出力する素子である。赤外線検知素子３２は、例えばＨｇ−ＣｄＴｅ基板を用いた半導体素子である。回路素子３４は、例えばシリコン基板を用いた半導体素子である。ハイブリッド素子３０は、例えば接着剤を用い基板１０の第１面１１に固着される。ハイブリット素子３０は非常に脆いため、ハイブリット素子３０を基板１０に固着した状態で、ハイブリッド素子３０は取り扱いされる。
【００１６】
図５（ａ）は、冷却端４０に基板１０を取り付けた上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）のように、挟持部２０ａの内側面には凹部２６ａおよび２８ａが形成され、挟持部２０ｂの内側面には凹部２６ｂおよび２８ｂが形成されている。冷却端４０の凸部４８ａが挟持部２０ａの凹部２８ａに、基板１０の薄部１６ａが挟持部２０ａの凹部２６ａにそれぞれ嵌合する。また、冷却端４０の凸部４８ｂが挟持部２０ｂの凹部２８ｂに、基板１０の薄部１６ｂが挟持部２０ｂの凹部２６ａにそれぞれ嵌合する。これにより、挟持部２０ａおよび挟持部２０ｂは、冷却端４０の上面４１と基板１０の第２面１３とが接するように、基板１０および冷却端４０を挟持する。
【００１７】
図６（ａ）から図６（ｃ）は、挟持部２０を取り付ける方法を示した図である。なお、ハイブリッド素子は図示を省略している。凹部２６ａ、２６ｂ、２８ａおよび２８ｂは挟持部２０ａおよび２０ｂを透視し破線で示している。図６（ａ）のように、挟持部２０ａを基板１０および冷却端４０の右下に配置する。図６（ｂ）のように、挟持部２０ａを基板１０および冷却端４０の右辺および下辺に嵌め込む。冷却端４０の凸部４８ａが挟持部２０ａの凹部２８ａに、基板１０の薄部１６ａが挟持部２０ａの凹部２６ａにそれぞれ嵌合する。図６（ｃ）のように、挟持部２０ｂを基板１０および冷却端４０の左上に配置する。挟持部２０ｂを基板１０および冷却端４０の右辺および下辺に嵌め込む。冷却端４０の凸部４８ｂが挟持部２０ｂの凹部２８ｂに、基板１０の薄部１６ｂが挟持部２０ｂの凹部２６ａにそれぞれ嵌合する。このとき、挟持部２０ａの片部２３は挟持部２０ｂの凹部２６ｂおよび２８ｂに勘合し、挟持部２０ａの片部２５は挟持部２０ｂの凹部２７に勘合する。これにより、図５（ａ）および図５（ｂ）のように、挟持部２０ａおよび２０ｂが基板１０および冷却端４０を挟持する。
【００１８】
挟持部２０ａおよび２０ｂを脱離することにより、冷却端４０から基板１０を取り外すことができる。これにより、高価なハイブリット素子３０を回収することができる。また、ハイブリッド素子３０に不具合があった場合、簡単にハイブリッド素子３０を交換することができる。
【００１９】
図７（ａ）は、基板１０、冷却端４０および挟持部２０を示す断面模式図である。基板１０と冷却端４０との端部６２では矢印のように、基板１０と冷却端４０とが密着するような力が挟持部２０により加わる。内部１２と外部１４との線熱膨張係数が同じである場合、基板１０および冷却端４０の中央領域６０では、基板１０と冷却端４０とを密着させる力が加わらない。このため、基板１０の第２面１３と冷却端４０の上面４１との密着が図られず、基板１０から冷却端４０への熱伝導が悪くなってしまう。
【００２０】
そこで、実施例１では、基板１０の外部１４の線膨張係数を内部１２の線熱膨張係数より大きくなるように、内部１２および外部１４の材料を選択する。例えば、内部１２の材料をＣ／ＳｉＣ、外部１４の材料をサファイアとする。図７（ｂ）は、基板１０が冷却された場合の模式図である。外部１４の線熱膨張係数が内部１２より大きいため、基板１０が冷却されると、外部１４には矢印のように内部１２に向かって応力が発生する。一方、内部１２の線熱膨張係数は小さいため、基板１０が冷却されても形状を保持しようとする。このため、図７（ｂ）のように、基板１０の第１面１１および第２面１３は凸状となる。これにより、基板１０の第２面１３の中央領域が冷却端４０の上面４１の中央領域に押し当てられる。よって、第２面１３と上面４１とが密着する。以上により、基板１０から冷却端４０への熱抵抗を低減することができる。なお、図７（ｂ）における基板１０の凸状の歪みは誇張して図示している。
【００２１】
さらに、冷却端４０の線熱膨張係数が外部１４より大きくなるように冷却端４０の材料を選択する。例えば、冷却端４０の材料をＭｏとする。これにより、冷却端４０は、冷却されると外部１４以上に収縮しようとする。基板１０の第２面１３と冷却端４０の上面４１とがより密着する。よって、基板１０から冷却端４０への熱抵抗をより低減することができる。
【００２２】
さらに、挟持部２０の線熱膨張係数が外部１４より大きくなるように挟持部２０の材料を選択する。例えば、挟持部２０の材料をＭｏとする。これにより、挟持部２０は、冷却されると外部１４以上に収縮しようとする。よって、挟持部２０は、基板１０と冷却端４０とをより挟持する。よって、基板１０から冷却端４０への熱抵抗をより低減することができる。
【実施例２】
【００２３】
実施例２は、基板の第２面に溝を形成する例である。図８（ａ）は、実施例２の基板１０、冷却端４０および挟持部２０を示す断面模式図である。図８（ａ）のように、基板１０の第２面１３に外部１４を貫通し内部１２に達する溝４５が形成されている。図８（ｂ）は基板１０の断面模式図である。図８（ｂ）のように、基板１０が冷却されると、実施例１のように、内部１２と外部１４との線熱膨張係数の差に起因し基板１０の第２面１３は凸状となる。実施例２によれば、溝４５により、第１面１１を凹状とすることができる。なお、図８（ｂ）における基板１０の凸状および凹状の歪みは誇張して図示している。
【００２４】
例えば、図８（ｂ）のように、冷却によりハイブリッド素子３０の下面が凸状となるように反っている場合、基板１０の第１面１１が実施例１の図７（ｂ）のように凸状となると、ハイブリッド素子３０と基板１０との歪が大きくなる。実施例２によれば、溝４５の幅、長さまたは深さを任意に設定することで、第１面１１の反りを任意に設定することができる。これにより、ハイブリッド素子３０の下面の反りと第１面１１の反りとの形状を合わせ、ハイブリッド素子３０と基板１０との歪を抑制することができる。
【００２５】
溝４５の効果を調べるため、有限要素法を用い各部材を室温から約８０Ｋに冷却した際の各部材の歪みの計算を行なった。図９は、実施例２における計算に用いた２次元断面形状を示す図である。基板１０は対称であり、中央に溝が形成されているとした。図９は、基板１０の右半分を示している。基板１０の内部１２はＣ／ＳｉＣ、外部１４はサファイア、冷却端４０および挟持部２０はＭｏの線熱膨張係数を有するとした。長さＬ１、Ｌ２およびＬ３は、それぞれ１３．５ｍｍ、９．５ｍｍおよび１０．５ｍｍとした。挟持部２０の厚さｔ１は１．２ｍｍ、冷却端４０の膜厚ｔ２、外部１４の膜厚ｔ３、内部１２の膜厚ｔ４および外部１４の膜厚ｔ５は、それぞれ、０．３、０．３、０．３および０．４ｍｍとした。溝の幅Ｗ１は０．１ｍｍとした。
【００２６】
図１０は、実施例２における計算結果を示す図である。点線は、冷却前の状態を示し、クロスした実線は冷却後の状態を示している。なお、歪み量は誇張して図示している。図１０のように、基板１０の第１面１１が凹状になるように歪んでいる。挟持部２０の端の上方への変位量ｄは０．０６７ｍｍであった。なお、この計算では、実施例１の図７（ｂ）で説明したメカニズムにより第１面１１および第２面１３が凸状になるような歪みについては考慮されていない。
【００２７】
実施例２によれば、基板１０の第２面１３に溝４５を形成することにより、ハイブリッド素子３０の下面の反りと第１面１１の反りの形状を合わせ、ハイブリッド素子３０と基板１０との歪を抑制することができる。また、第２面１３の反りの大きさを調整し、基板１０と冷却端４０との密着をより向上させることもできる。
【００２８】
実施例１によれば、第１面１１と第２面１３とを共に凸状とすることができる。一方、実施例２では、溝４５を形成することにより、基板１０の第１面１１と第２面１３とをほぼ同じ曲率で同じ方向に反らせることができる。このように、実施例１に加え、基板１０の第２面１３に溝４５を形成することにより、基板１０の第１面１１の反りの方向および曲率と第２面１３の反りの方向および曲率とを独立に調整することができる。よって、ハイブリッド素子３０に加わる応力を抑制するように基板１０の第１面１１の反りの方向および曲率を設定し、かつ基板１０と冷却端４０との密着がより向上するように基板１０の第２面１３の反りの方向および曲率を設定することができる。
【００２９】
溝４５は、第２面１３に複数設けることもできる。また、溝４５が基板１０を横断するように設けることもできるし、基板１０を横断しないように設けることもできる。溝４５による効果を十分発揮するためには、外溝４５は外部１４を貫通し内部１２に達することが好ましい。また、基板１０が長方形状をなしている場合、歪みを緩和する観点から、溝４５は長方形状の短辺方向に設けることが好ましい。
【００３０】
例えば、赤外線検知素子３２と回路素子３４との線熱膨張係数が異なる場合、冷却によりハイブリッド素子３０は冷却されることにより反る。例えば、赤外線検知素子３２が回路素子３４より線熱膨張係数が大きい場合、ハイブリッド素子３０は、図８（ｂ）のように下面が凸状に反る。この場合、溝４５を設けることにより、ハイブリット素子３０の下面の反りと基板１０の第１面１１の反りとを合わせることがきる。ハイブリッド素子３０が、第１面１１に固着された第１素子（例えば回路素子３４）と、第１素子上に固着された第２素子（例えば赤外線検知素子３２）と、を含む場合、ハイブリッド素子３０は冷却により反りやすい。よって、溝４５を設けることが好ましい。
【００３１】
また、回路素子３４と赤外線検知素子３２との間を複数の接続金属で固着している場合、ハイブリッド素子３０と基板１０との反りが異なると、冷却により接続金属に応力が加わる。実施例２によれば、冷却により接続金属に加わる応力を軽減することができる。
【００３２】
実施例１および実施例２においては、半導体素子として赤外線を検知するハイブリッド素子３０を例に説明した。半導体素子はハイブリッド素子以外でもよい。例えば、シリコンを用いた素子でもよい。また、半導体素子は、複数の半導体チップを積層していてもよく、単数の半導体チップでもよい。半導体素子が複数の材料の異なるチップが積層されている場合、冷却により半導体チップは反りやすい。よって、この場合、基板１０に溝４５を形成することが好ましい。また、熱歪の観点から、半導体素子の少なくとも基板１０に接する半導体チップの線熱膨張係数は基板１０の外部１４と同じであることが好ましい。
【００３３】
赤外線を検知するハイブリッド素子３０の場合、８０Ｋ近くまで冷却することが求められ、反りやすい。よって、半導体素子は赤外線を検知するハイブリッド素子３０であることが好ましい。
【００３４】
実施例１および実施例２において、冷却部の代わりに半導体素子を加熱する加熱部が用いられた場合、基板１０の外部１４は内部１２より線熱膨張係数が小さいことが好ましい。加熱部は外部より線熱膨張係数が小さいことが好ましい。さらに、挟持部２０は外部１４より線熱膨張係数が小さいことが好ましい。これらにより、基板１０を加熱した際、実施例１および２と同様に、加熱部の上面と基板の第２面と密着を向上させることができる。
【００３５】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０        基板
１２        内部
１４        外部
１１        第１面
１３        第２面
２０        挟持部
３０        ハイブリッド素子
４０        冷却端
４１        上面
【図１】
2011086818.tif 000003
【図２】
2011086818.tif 000004
【図３】
2011086818.tif 000005
【図４】
2011086818.tif 000006
【図５】
2011086818.tif 000007
【図６】
2011086818.tif 000008
【図７】
2011086818.tif 000009
【図８】
2011086818.tif 000010
【図９】
2011086818.tif 000011
【図１０】
2011086818.tif 000012