半导体器件制造技术

本发明专利技术涉及一种半导体器件。该半导体器件包括：半导体元件(20)，其具有矩形的二维几何形状且用作热源；以及热沉部(25)，其使得半导体元件(20)安装于其上，其中，所述热导率的方向分量当中的关系为：Kzz≥Kyy＞Kxx，在X、Y和X方向中的热沉部(25)的三维热导率的方向分量规定为Kxx、Kyy和Kzz，并且半导体元件(20)的长边方向定义为X方向，其短边方向定义为Y方向，且厚度方向定义为Z方向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体器件，尤其涉及一种在移动电话基站、卫星通讯、雷达等中使用的高输出功率放大器、高输出激光二极管、发光二极管等。
技术介绍
使用诸如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等的半导体的高输出功率放大器广泛地应用于移动电话基站的功率放大器或在人造卫星等中安装的功率放大器。在这些应用中放大器需要超过100W的较高的输出功率。另一方面，这些放大器需要小型化，导致增加的输出功率密度。当输出功率密度被显著增加时，构成放大器的场效应晶体管(FET)的沟道温度会显著增加，导致对FET的长期可靠性产生不利影响。为了防止可靠性由于温度升高而导致的这种退化，具有形成在其上的场效应晶体管且用作热源的芯片被安装在散热片上，并且上述散热片通常由具有更好的热导率的金属材料制成。一般地，使用铜(Cu)作为具有低成本和更好热导率的金属材料，并且由于Cu的线性热膨胀系数是例如硅、砷化镓等的半导体基板的热膨胀系数的3到6倍，所以在装配操作中在半导体基板上方施加了热应力，造成可靠性退化的问题。为了解决这种问题，将具有较低线性热膨胀系数的材料，例如钨(W)、钼(Mo)等加入铜中，或者使用Cu层压结构以控制该线性热膨胀系数更接近于半导体基板的线性热膨胀系数。这使得相对高的热导率与更接近于半导体基板的线性热膨胀系数的线性热膨胀系数相兼容。由于采用例如GaAs等的化合物半导体的高输出功率激光二极管、发光二极管的自加热导致接合温度的增加会不利地影响器件的可靠性，所以也可以以类似的方式在散热片上安装该芯片用于释放热量。在这种情况下，为了提供较高热导率与较低热应力的更好平衡，还使用了诸如氮化铝(AlN)的此类型的材料。然而，近年来，在高功率放大器，诸如用于如上所述的移动电话基站的功率放大器中增加了对小型化和更高功率的需求，从而使用诸如CuW、CuMo等的散热片材料不能提供用于确保FET足够高可靠性的足够的沟道温度(保证温度(warranty temperature)例如， 对于GaAs或Si大约是120到150摄氏度)。尽管为了解决这个问题需要进一步减小半导体器件的热阻，但当使用诸如高功率放大器的大尺寸半导体元件时，封装的热阻组分大于半导体元件的热阻组分，因此需要减小封装的热阻组分，以便于减小整个系统的热阻。另外，希望增加高功率激光二极管或发光二极管的功率，从而需要减小散热片的热阻。同时，为了获得高功率放大器中使用的诸如CuW或MoCu的传统金属散热片材料的进一步减小的热阻，需要提供增加的具有更大热导率的Cu组分的比率，但由于Cu具有比 17ppm/K更高的热膨胀系数，所以Cu组分的这种增加比率会导致散热片材料的热膨胀系数的增加。这会增加散热片和半导体基板之间的热膨胀系数的差，并且在装配操作期间温度5的增加会加大施加到半导体元件上的热应力，引起可靠性退化的问题。在上述原因中，当保持足够小的热应力时，使用金属散热片会产生进一步增加热导率的难题。为了提供这些问题的解决方案，日本专利特开No. 2005-200, 239、日本专利特开No. H 10-233, 475和日本专利特开No. H 10-107，190中公开了使用具有更高热导率的石墨材料或碳基复合材料来作为散热片材料的实例。这些提案实现了相对更高热导率与更低热应力的更好兼容性。日本专利特开No.2005-200, 239，曰本专利特开No.H 10-233,475,日本专利特开No.H 10-107，190
技术实现思路
然而，上述材料表现出热导率的各向异性，并且存在较高热导率的方向，另一方面，也存在较低热导率的方向。因此，由于用作热源的半导体元件的几何形状和/或这种半导体元件的排列方向，所担心的是热释放能力不能改进和保持在与传统金属散热片或AlN 的热释放能力相等或者退化的水平。因此，关于用作具有热沉部的热源的半导体元件的相对方向，必须采用新的热释放设计观念，其不同于用于与传统金属材料一样具有各向同性热导率的散热片的设计观念。另外，即使确定了半导体元件的方向，平面(二维空间方向) 的相对方向还是不够的，必须确定三维空间相对方向。基于上述情况得到了本专利技术，且本专利技术的目的在于提供一种通过定义半导体元件的三维相对方向而具有增加的热释放能力和提高的可靠性的半导体器件，其中，所述半导体元件具有矩形二维几何形状并用作具有散热片的热源。根据本专利技术的一个方面，提供一种半导体器件，包括半导体元件，所述半导体元件具有矩形二维几何形状并且用作热源；以及热沉部，所述热沉部具有上述半导体元件安装在其上面，其中在X、Y和Z方向中的表示上述热沉部的热导率的最小方向分量的方向平行于除了 Z方向之外的方向，上述半导体元件的长边方向定义为X方向，其短边方向定义为 Y方向和厚度方向定义为Z方向。在本专利技术的上述方面中，在X、Y和Z方向中的表示上述热沉部的热导率的最小方向分量的方向可平行于X方向。在本专利技术的上述方面中，上述热导率的方向分量之间的关系是Kzz ^ Kyy > Kxx, 其中在X、Y和Z方向中的上述热沉部的三维热导率的方向分量规定为Kxx、Kyy和Κζζ。在本专利技术的上述方面中，上述热沉部可以包括至少在它的正面和背面的金属层。在本专利技术的上述方面中，接合层可以包括在上述金属层和上述热沉部之间的界面中。在本专利技术的上述方面中，包括多个上述半导体元件，并且上述半导体元件沿上述半导体元件的长边方向串联排列。在本专利技术的上述方面中，在X、Y和Z方向中的上述热沉部的上述热导率的至少两个方向分量可以等于或高于600W/mK，上述热沉部具有各向异性的热导率。下面将参考图18和图19来描述与使用具有各向同性热导率的材料的金属封装的热阻相比，本专利技术的具有这种结构的半导体器件的热阻减小。图18是具有半导体元件的半导体器件，以及通过利用这种器件执行经由有限元法的热模拟的示意性透视图，其中，所述半导体元件是安装在封装上的氮化镓基FET。附图中不存在除了需要进行模拟的分量之外的分量。在图18中，80表示半导体元件(GaNFET/ SiC基板)，81表示热量产生区域，82表示AuSn焊料，83表示热沉部，84表示Cu箔(金属层)以及85表示接合层。半导体元件80具有矩形二维几何形状，并用作热源。半导体元件80的长边方向被定义为X方向，其短边方向被定义为Y方向，并且厚度方向被定义为Z 方向。关于如图18所示的半导体器件，当改变具有各向异性热导率的热沉部的方向时，通过使用经由有限元法的热模拟进行计算，以便知道热源(器件的有源区)和散热片背面中的温度升高是如何改变的。模拟的条件如下。在该模拟中，使用具有半导体元件80的半导体器件，所述半导体元件80包括形成在SiC基板上的氮化镓基FET，其安装在封装上，所述封装包括热沉部 83，所述热沉部83具有在其正面和背面形成的铜(Cu)箔84。热沉部83是注入铜(Cu)的碳基复合材料。具有30W/mK热导率的接合层85布置在铜(Cu)箔84和热沉部83之间的界面中。将100W的功耗提供给这种半导体器件的产生热量的区域81 (器件的有源区)，以使封装的背面温度固定在25摄氏度。这对应于在封装(Z方向)背面的下面布置下一级散热片的位置。在X、Y和Z方向中的热沉部83的碳基复合材料的热导率的本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种半导体器件，包括：半导体元件，所述半导体元件具有矩形的二维几何形状且用作热源；第一热沉部，所述的第一热沉部使得所述半导体元件安装于其上；以及第二热沉部，所述第二热沉部连接到具有所述半导体元件的所述第一热沉部的相反侧，其中，热导率的方向分量当中的关系为：Ｋ１ｙｙ≥Ｋ１ｘｘ＞Ｋ１ｚｚ，其中，将Ｘ、Ｙ和Ｚ方向中的所述热沉部的三维热导率的方向分量限定为Ｋｘｘ、Ｋｙｙ和Ｋｚｚ，并且其中，所述第二热沉部的热导率的方向分量当中的关系为：Ｋ２ｚｚ≥Ｋ２ｙｙ＞Ｋ２ｘｘ或Ｋ２ｙｙ≥Ｋ２ｚｚ＞Ｋ２ｘｘ，其中，将Ｘ、Ｙ和Ｚ方向中的所述第二热沉部的热导率的方向分量限定为Ｋ２ｘｘ、Ｋ２ｙｙ和Ｋ２ｚｚ。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：黑田尚孝，分岛彰男，田能村昌宏，宫本广信，
申请(专利权)人：日本电气株式会社，
类型：发明
国别省市：JP