(57)【要約】  半導体ユニットがサブマウントおよびサブマウントに結合されたチップを含む。サブマウントはベース及びベースとチップとの間に複数の層を有するように構成される。層の１つは熱拡散性及び電気伝導性を有する銀（Ａｇ）層であり、ベース上に成膜される。銀層の厚さは、サブマウントの累積的な熱膨張係数がほぼチップのそれと適合するように選択される。チップの活性領域と結合されるのは、弾性及び展性を有する材料からなる応力減衰層である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース、前記ベースから離隔したチップ、及び前記ベース上に成膜され前記チップに結合された熱拡散性であり電気伝導性であるＡｇ層を含み、前記ベース及び前記Ａｇ層がサブマウントを画定する、半導体ユニット。
【請求項２】
前記Ａｇ層上であって前記Ａｇ層と前記チップとの間に硬いはんだをさらに含む、請求項１に記載の半導体ユニット。
【請求項３】
前記Ａｇ層がサブマウントを提供するように決定された厚さを有するように構成され、前記サブマウントが前記ベース、前記Ａｇ層及び前記はんだ層を含み、累積的な熱膨張係数が前記チップの熱膨張係数と実質的に適合する、請求項２に記載の半導体ユニット。
【請求項４】
弾性及び展性を有する材料からなり、前記硬いはんだと前記チップの活性領域との間に応力減衰層をさらに含む、請求項２に記載の半導体ユニット。
【請求項５】
前記応力減衰層が前記はんだ層に隣り合う凹凸を有する表面を有する、請求項４に記載の半導体ユニット。
【請求項６】
前記応力減衰層の前記凹凸を有する表面が間隔をあけた突出部で構成される、請求項５に記載の半導体ユニット。
【請求項７】
前記チップが２端子、３端子、４端子及び多端子半導体デバイス及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の半導体ユニット。
【請求項８】
前記２端子デバイスが高出力レーザーダイオードを含む、請求項７に記載の半導体ユニット。
【請求項９】
ベースを提供する段階、前記ベース上に熱拡散性及び電気伝導性を有するＡｇ層を成膜する段階、並びに前記ベース及び前記Ａｇ層を昇温してチップにはんだ付けする段階を含む、半導体ユニットの製造方法。
【請求項１０】
前記Ａｇ層とチップとの間に硬いはんだ層を提供する段階をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
サブマウントを提供する厚さを有するように前記Ａｇ層を構成する段階をさらに含み、前記サブマウントが前記ベース、前記Ａｇ層及び前記はんだ層を含み、累積的な熱膨脹係数が前記チップの熱膨張係数と実質的に適合し、前記係数の適合が前記チップに働く機械的応力を低減するように提供する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
展性を有する材料からなる弾性応力減衰層を前記はんだ層と前記チップの活性領域との間に提供する段階をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記チップの活性領域から離れて面する凹凸を有する表面を有するように前記応力減衰層を提供する段階をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサブマントを組み込む半導体ユニットに関連し、より具体的には半導体デバイスを支持するためのサブマウントに関連する。
【背景技術】
【０００２】
図１には、図１に示すようにサブマウント１に実装された半導体デバイス８を有する、かなり簡略化された典型的な半導体ユニットを図示している。サブマウント１はセラミック基板のようなベース２、典型的には数ミクロンよりも厚い比較的厚い熱伝導性及び電気伝導性の層４並びにはんだ層６を含む。層４は矢印で示されるように、半導体デバイスまたはチップ８の使用時に発生する熱を拡散するように構成される。典型的には、層４は金からなり、半導体ユニットをコスト的にかなり不利にすることが多い。
【０００３】
層４は２つの重要な機能を有する。機能の１つはチップの動作から熱を拡散する接合ベース２及びチップ８を含む。もう１つの機能は当業者に周知のように、コンタクト間の電気伝導性を提供することを含む。
【０００４】
チップ８の動作時に到達する温度は典型的には高い。ベース２の熱伝導性は隣り合うＡｕ金属層４のそれよりも低いため、温度変化を繰り返すとデバイス７にかなりの応力を発生させる。これらの応力はデバイス７の信頼性を低下させる恐れがある。
【０００５】
さらに図１を参照すると、典型的には電子回路は電流Ｉを正ポテンシャルからＡｕ層４及びＰ−Ｎ接合を介して負のポテンシャルへ流れることを可能にする。層４の抵抗率が低下すると、抵抗加熱は低下し、チップ８の電力変換効率（ＰＣＥ）が向上する。
【０００６】
電極金（Ａｕ）層４によって、発生した熱を表面の一部の上に拡散させ、その一方で熱を、ベース２を介してヒートシンクまで導くことによってユニットの動作の際に温度上昇の重大性が緩和される。しかしながら、Ａｕ層４の熱伝導性及び電気伝導性の表面はかなり小さく、熱拡散プロセスを妨げる。さらにＡｕ層の電気抵抗率は相当程度ある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従ってコスト面で有利な半導体ユニットを製造することが望まれている。
【０００８】
さらに、本明細書で開示されるような、ユニットの製造時及び動作時に発生する熱を効率的に拡散することが可能な半導体ユニットを構成することが望まれている。
【０００９】
またさらに本明細書で開示されるような、高い電力変換効率を有する半導体ユニットを構成することが望まれている。
【００１０】
また、その熱効率及び低い製造コストによって区別される半導体ユニットを製造するプロセスを提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の必要性は、本明細書において以下に開示されるような半導体ユニット及びユニットを構成する方法によって達成される。本開示の顕著な特徴の１つに従えば、典型的には比較的厚い金（Ａｕ）層が銀（Ａｇ）層と実質的に置き換えられる。Ａｇ層の使用は、かなりのコストの低減及び低減される熱負荷を通して半導体ユニットの性能及び信頼性の向上につながり、それらの全ては高い電力変換効率（ＰＣＥ）につながる。
【００１２】
典型的には半導体ユニットのサブマウントを構成するそれぞれの層の材料は、それぞれが互いに異なりチップ製造に用いられる材料とも異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。一般に、半導体ユニットのベースはＡｇ層よりも低いＣＴＥを有する。そのためサブマウントの層はそれらの累積的なＣＴＥがチップの材料のＣＴＥと実質的に適合するように構成されうる。この条件が一度達成されると、機械的応力の発生が大幅に最小化される。
【００１３】
応力を最小化するように構成された本開示の１つの実施形態に従えば、発明されるユニットは、電気めっきのような既知のあらゆるプロセスによってベース上に成膜されるＡｇ層の制御された厚さを有するように構成される。Ａｇ層の望ましい厚さは、サブマウントの累積的なＣＴＥがチップを構成するために用いられる材料のそれと実質的に適合するように決定される。
【００１４】
さらなる実施形態は、チップとＡｇ層との間に成膜される可塑性／展性のある材料の層を含む。軟らかい材料の層は、Ａｇ層の厚さが任意であっても、チップへの機械的応力を低減しうるように構成される。もちろん、両方の技術が組み合わされてもよい。
【００１５】
開示されるユニットの上述及びその他の特徴及び利点は、以下の図と併せて以下の詳細な説明からより容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】周知された半導体ユニットの構成を示す概略図である。
【図２】開示されたユニットの概略図である。
【図３】図２の改良されたユニットの概略図である。
【図４】図３のユニットの構成要素の上方からの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
開示された構成の詳細について以下に参照される。図面は正確なスケールではなく、半導体産業における当業者に良く知られた追加的な層を示しているのでもない。「結合」及び類似した用語は必ずしも直接及び直近に接続するものを指すのではなく、中間的な要素を介して接続することも含む。
【００１８】
図２は、サブマウント１０及びチップ２０を含む半導体ユニットの開示された構成の１つの構造を示している。後者は高出力レーザーダイオード発光ダイオードまたは発光ダイオードのような２端子デバイス、トランジスタのような３端子デバイス、例えばホール効果センサを含む４端子半導体デバイス及びＩＣのような多端子半導体デバイスから選択されうる。サブマウント１０はベース１２、ベース１２上に成膜され熱拡散体および電気拡散体として用いられる厚いＡｇ層１４及び硬いはんだの薄い層１８を含む。Ａｇ層１４は電気メッキ及びその他の方法のような様々な技術によって成膜されてもよく、様々な大きさ及び形状を有しうる。例えば、図２に示されるように、Ａｇ層１４はベース１２上に少なくともチップ２０の長さに関して連続的に延設されるものであってよい。銀の使用は金を用いる周知の従来技術と比べると、半導体ユニットの全体的なコストを効果的に低減させる。
【００１９】
Ａｇ層１４は開示されるユニットをコスト的に有利にするだけではなく、ユニットを熱的及び電気的にも最も効率的なものとする。銀の熱伝導率は金のそれよりも高く、その一方電気抵抗率は低い。周知のように、熱伝導表面は材料の機能である。従って、チップ２０が使用時であるときに活性領域１６によって発生する熱は図１のＡｕ層２の表面Ａ１よりも大きなＡｇ層１４の表面Ａ２に渡って拡散する。そのため熱のヒートシンク（図示しない）への移送に関わるベース１２の面積は、周知技術を示す図１のベース２の面積よりも大きい。実際に、Ａｇ層１４の表面Ａ１は、熱伝導率が金属の中で最も高いため、同一条件では現実にどのような金属の熱拡散表面よりも大きい。試験では２０ミクロンの厚さのＡｇ層でさえ同等の厚さを有する図１の金層と比較してｐ−ｎ接合の温度を約１０℃減少させることが示されている。従って、開示されたチップ２０の信頼性が大きく改善される。
【００２０】
成膜された熱拡散性及び電気伝導性のＡｇ層１４の厚さは、サブマウントの成分及びチップ２０の材料の熱膨張係数と直接相関するため、制御されるべきである。その結果、サブマウント１０の累積的な熱膨張係数がチップ２０の材料のそれと実質的に適合するならば、開示されたデバイス２０に影響を及ぼす機械的応力を実質的に低減することができる。以下の数式はＡｇ層の厚さの決定をかなり特徴づける。
【００２１】
【数１】
2014518450.tif 000003
【００２２】
ここで、Ｋは熱膨張係数でありＤはサブマウント１０のいずれかの所定の層の厚さである。従ってそれぞれの材料の熱膨張係数が既知であるので、サブマウント層のそれぞれの厚さが分かれば提供されるＡｇの厚さを容易に決定することができる。以下の例を検討する。
【００２３】
Ａｇの膨脹係数は１９．５であり、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるベース１２の係数は４．５であり、ＧａＡｓ−チップ２０の例示的な材料−の膨脹係数は５．８である。さらにベース層１２の厚さＤが３００ミクロンであると仮定する。従って、Ａｇ層１４の厚さはサブマウント１０の累積的な膨張係数が５．８であるように選択されるべきである。上述の開示された数式を用いると、Ａｇ層１４は以下の厚さＸを有すべきである。
【００２４】
【数２】
2014518450.tif 000004
【００２５】
Ａｇ層はおよそ２８ミクロンの厚さである。従って、この例では、２８ミクロンの厚さのＡｇ層が、チップ２０に働く機械的応力を最小にする。
【００２６】
図３はその他の応力低減技術を示している。図２に示された層に加えてサブマウント１０はチップ２０とはんだ１８との間に位置する弾性的であり電気伝導性の材料の軟らかいめっき層２２で構成される。層２２は、例えば純粋な金であってもよい。
【００２７】
図４ははんだ１８に面する、凹凸のある表面２４を有する可塑性の層の例示的な構成を示している。表面２４のパターンは限定されず、例えば円筒状、ピラミッド状、三角形及びその他の規則的な、並びに不規則な形状の、互いに間隔をあけて配置されそれらの間にそれぞれ谷部を画定する突出部を含みうる。ユニットがはんだ付け後に冷却されるにつれて、応力によって影響を受ける弾性材料は変形する。従って、層２２はチップ２０を機械的応力から保護する応力減衰バリアとして構成される。応力減衰層２２の使用によって、チップ設計者はＡｇ層１４の厚さを任意とすることができる。もちろん、本開示に従って決定された厚さのＡｇ層１４と弾性めっき２２の組み合わせを用いて開示されたユニットを製造してもよい。
【００２８】
結論として、セラミック、金属又はその他の適した材料からなるものでありうるサブマウント上に成膜された厚いＡｇ層は、本明細書に開示された上述の種類の半導体ユニットの製造コストを劇的に低減する。さらに、Ａｇ層の厚さが数式に従って決定されれば、チップ２０は製造の加熱／冷却段階の際に発生する機械的応力から保護されうる。最後に、Ａｇ層が任意の厚さを有するとしても、特に構成された軟らかい層がまた機械的応力を大きく低減するのに十分なものでありうる。
【００２９】
本開示は、本明細書で説明された特定の構成に限定されない。記載され図示された特定の構造及び構成からの発展はそれ自体を当業者に示唆するものであり、以下の特許請求の範囲に規定されるように、本開示の範囲から逸脱しないで用いられうる。
【符号の説明】
【００３０】
１  サブマウント
２  ベース
４  熱伝導性及び電気伝導性の層
６  はんだ層
７  デバイス
８  チップ
１０  サブマウント
１２  ベース
１４  Ａｇ層
１６  活性領域
２０  チップ
２２  応力減衰層
２４  表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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