專利名稱：半導體用冷卻器及半導體用冷卻器層疊體的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于半導體激光二極管等的半導體芯片的冷卻的半導體用冷卻器以及將其多層層疊而形成的半導體用冷卻器層疊體。
背景技術：
在半導體激光二極管等的伴隨著高發熱的半導體芯片上，搭載有被稱為水冷套的水冷式半導體用冷卻器，通過該半導體用冷卻器來冷卻使用中的半導體芯片，保持半導體芯片的功能。
作為上述半導體用冷卻器有如下的結構通過擴散接合、焊錫接合等將由銅形成的上部板和中間板及下部板一體地形成，并形成冷卻水的入口部和出口部及流路部，通過流經從入口部流入的流路部并到達出口部，可以高效地冷卻半導體芯片(例如參照專利文獻1)專利文獻1特開平11-97770號公報發明內容但是，由于由銅被形成的板剛性較低，所以例如在將半導體用冷卻器多層層疊并在每個半導體用冷卻器上分別搭載半導體激光二極管以增大激光光束的輸出的情況下，如果使用螺栓等連結多個半導體用冷卻器，則將出現負于螺栓等的連結力導致半導體用冷卻器歪斜并對激光光束的方向性產生不良影響的問題。此外，即使在沒有多層層疊半導體用冷卻器的情況下，如果在半導體用冷卻器上發生歪斜，也將對激光光束的方向性產生不良影響。
另外，由于作為各個板的材料的銅的熱膨脹率較高，與半導體芯片的材料，例如砷化鎵等的熱膨脹率差異很大，因此具有由于半導體芯片的發熱而導致經過一段時間后半導體芯片從半導體用冷卻器脫離的問題。
因此本發明的課題為使其在半導體用冷卻器上不發生歪斜，當在半導體芯片以及半導體用冷卻器上發生熱膨脹時，防止半導體芯片從半導體用冷卻器上脫離。
本發明的半導體用冷卻器，至少包含有上部板、中間板及下部板，具有冷卻介質的入口部、出口部和流路部，用于冷卻半導體芯片，其特征在于，該上部板及該下部板是在輔助板的單面或者雙面上鍍上厚度大于等于0.05mm的銅而構成的復合板，所述輔助板是由拉伸強度大于等于1000N/mm2、熱傳導率大于等于100W/m·K、熱膨脹率小于等于6.0ppm/℃的材料構成的。
鍍銅的厚度最好為0.1mm～0.5mm，輔助板的厚度最好為0.1mm～0.5mm。作為滿足涉及輔助板的上述拉伸強度，熱傳導率，熱膨脹率的條件的材料，可以列舉例如鉬，但是并不限于此。當通過砷化鎵構成半導體芯片時，輔助板最好由鉬構成。
在中間板由銅形成的情況下，使復合板的被鍍銅的面向外部露出，并最好以中間板為中心在上下方向上對稱地構成。
此外，本發明也提供一種半導體用冷卻器層疊體，該半導體用冷卻器層疊體是將多層上記半導體用冷卻器進行層疊并通過螺栓進行連結，且在各個半導體用冷卻器上作為半導體芯片搭載有半導體激光二激管而構成的。
在本發明中，由于將上部板及下部板做成復合板，所述復合板是在輔助板的單面或者兩面上鍍上厚度大于等于0.05mm的銅而形成的，并且輔助板由于采用拉伸強度大于等于1000N/mm2、熱傳導率大于等于100W/m·K、熱膨脹率小于等于6.0ppm/℃的材料，因此熱傳導率較高、冷卻效率良好，同時，剛性較高不會發生歪斜，由此不會對半導體芯片的動作產生不良影響。特別是，在半導體芯片為半導體激光二極管的情況下，由于通過不使輔助板歪斜，能夠將半導體激光二極管的方向保持一定，因此激光光束的方向性不會產生誤差。此外，輔助板的熱膨脹率由于接近于半導體材料的熱膨脹率，因此即使從半導體芯片上發熱，經過一段時間后，半導體芯片也不會脫離。
如果把鍍銅的厚度做成0.1mm～0.5mm，將輔助板的厚度做成0.1mm～0.5mm，則可以獲得不發生歪斜的適當的強度。
如果用鉬作為輔助板的材料，則由于加工方便，價格便宜，因此具有良好的經濟性。
在輔助板的材料為鉬，半導體芯片由砷化鎵形成的情況下，相對于砷化鎵的熱膨脹率為5.9ppm/℃，鉬的熱膨脹率較低，為5.1ppm/℃，由此可以抑制熱膨脹率為17.0ppm/℃的銅的熱膨脹，因此半導體芯片不會經過一段時間后從半導體用冷卻器上脫離。
另外，在中間板由銅形成，構成上部板及下部板的復合板的鍍銅表面向外部露出的情況下，由于以中間板的銅為中心，在上下方向上對稱地構成，因此雙金屬效果被抵消，能夠避免半導體用冷卻器整體的彎曲，這樣也可以防止對半導體芯片的動作造成不良影響。
此外，在將上記半導體用冷卻器多層層疊并通過螺栓等進行固定的半導體用冷卻器層疊體中，由于各個半導體用冷卻器不會負于螺栓等的連結力而不會彎曲，因此在將半導體激光二極管搭載于各個半導體用冷卻器上的情況下，能夠保持激光光束的方向性，且可以增大輸出。
圖1是表示2片輔助板和中間板的立體圖。
圖2是表示在輔助板上實施電鍍的上部板以及下部板和中間板的立體圖。
圖3是表示上部板以及下部板的結構的主視圖。
圖4是表示接合前的半導體用冷卻器的立體圖。
圖5是表示半導體用冷卻器的立體圖。
圖6是表示冷卻介質的流動的說明圖。
圖7是表示半導體用冷卻器層疊體的主視圖。
圖8是表示半導體用冷卻器層疊體的側視圖。
具體實施例方式
本發明的半導體用冷卻器是使用圖1所示的2片輔助板1、2以及中間板3進行制造的。輔助板1、2是由拉伸強度大于等于1000N/mm2、熱傳導率大于等于100W/m·K、熱膨脹率小于等于6.0ppm/℃的材料形成的。作為滿足這些拉伸強度、熱傳導率、熱膨脹率的所有的條件的材料，可以列舉出例如鉬、銅鎢等。鉬的拉伸強度為1370N/mm2、熱傳導率為139W/m·K，熱膨脹率為5.1ppm/℃。另一方面，對于銅鎢，例如在以2％～10％的體積比含有銅的情況下，其拉伸強度為3322N/mm2～3630N/mm2，熱傳導率為180W/m·K～200W/m·K，熱膨脹率為6.0ppm/℃～8.0ppm/℃。
輔助板1、2具有例如0.1mm～0.5mm程度的厚度。另外，中間板3由例如銅那樣的具有良好的熱傳導率的材料形成，其厚度例如為0.3mm的程度。
在2片的輔助板1、2的單面或者兩面上，鍍上厚度大于等于0.05mm的銅、形成復合板。在圖2中，示出了對輔助板1、2中的任何一個，在兩面上進行鍍銅10、11、20、21的情況的例子。在圖示的例子中，在輔助板1上實施鍍銅10、11，構成上部板100a，在輔助板2上實施鍍銅20、21，構成下部板200a。
對于輔助板1、2，由于可以在單面或者兩面上實施鍍銅，所以有如圖3(A)～(D)所示的變化。首先，在圖3(A)所示的例子中，與圖2的例子相同，在輔助板1的兩面上實施鍍銅10、11，構成上部板100a，對于輔助板2，也在其兩面上實施鍍銅20、21，構成下部板200a。在圖3(B)的例子中，在輔助板1的兩面上，實施鍍銅10、11，構成上部板100a，僅在輔助板2的下面上實施鍍銅20，構成下部板200b。在圖3(C)的例子中，對于輔助板1僅在其上面實施鍍銅10，構成上部板100b，對于輔助板2，在其兩面上實施鍍銅20、21，構成下部板200a。在圖3(D)的例子中，只在輔助板1的上面實施鍍銅10，構成上部板100b，對于輔助板2也僅在下面實施鍍銅20，構成下部板200b。無論哪種情況，在接合上部板1、中間板2、下部板3之后，在露出的上下面上，實施鍍銅10、20，并按照銅-輔助板1-銅-輔助板2-銅的順序進行層疊、構成，此外，由于輔助板1、2由同一材料形成，因此形成為以正中央的銅為中心在上下方向上對稱的形式。因此，不會發生由于雙金屬的效果而引起的彎曲，同時，由于上部板1的上面被鍍銅，因此對被搭載于上部板1上的半導體芯片的冷卻效果較好。
在此，對在構成上部板100以及下部板200的輔助板1、2上實施鍍銅時的順序進行說明。首先，在最初進行輔助板1、2的堿脫脂以及清洗。堿脫脂，通過例如在(5A/D2)的電流密度下的利用NaOH的電解脫脂來進行。
下面，作為用于進行腐蝕的酸處理，通過HCl水溶液進行酸洗，同時，在進行完清洗后，對兩面進行腐蝕。該腐蝕是為了除去由鉬、銅鎢等構成的輔助板1、2的堅固的氧化膜而進行的，作為腐蝕液，采用例如混酸(H2O+HNO3+H2SO4)。通過該腐蝕兩面被除去約5μm的程度。
腐蝕后，在H2環境中以約850度的溫度進行退火，在還原輔助板1、2的表面材料之后，為了生成襯底以提高其后進行的鍍銅的密合強度，進行鎳觸擊電鍍。該鎳觸擊電鍍為，例如在(5A/D2)的電流密度下，通過利用以氯化鎳作為主成分的鍍液的伍德浴(ウツド浴)來進行，然后進行清洗以及干燥。
鎳觸擊電鍍之后，進行退火以此將鍍上的鎳與輔助板1、2的材料相燒結，然后進一步在其上進行鎳觸擊電鍍，并進行清洗。
下面，在被鍍鎳的輔助板1、2的兩面上，采用例如硫酸銅鍍液，在(7A/D2)的電流密度下進行鍍銅。在此，鍍層厚度為0.1mm～0.5mm的程度，例如可以為0.3mm的程度。
最后，利用機械加工中心等使鍍銅面平坦化，實現鍍層厚度均一化，同時，通過成形外圓周，由此形成如圖2以及圖3所示的在輔助板1、2的兩面上實施鍍銅的復合板，復合板的一方為上部板100a(100b)，另一方為下部板200a(200b)。
按照上述方法，在形成上部板100a(100b)，下部板200a(200b)之后，如圖4所示，通過腐蝕、利用機械加工中心進行的加工，分別加工例如上部板100a、中間板3、下部板200a，以此形成用于循環冷卻介質的構造，與此同時，形成可能層疊多個半導體用冷卻器的構造。
在上部板100a上，貫通上下方向地形成有作為冷卻介質的入口的入口部101，進而，形成冷卻部102及流入部103，所述冷卻部102用于進行通過冷卻介質而進行的實際冷卻，所述流入部103用于連接入口部101和冷卻部102。入口部101形成為能夠收納用于流通冷卻介質的管道的大小，從入口部101朝向形成為梳齒狀的冷卻部102形成有流入部103。
在中間板3上，貫通上下方向地形成有作為冷卻介質的流路的流路部31。流路部31，在中間板3與上部板100a以及下部板200a相接合時與冷卻部102相連通，起到使從冷卻部102中流出的冷卻介質向下部板200a流動的作用。
在下部板200a的上側面上，形成有作為排出的冷卻介質的通道的排出路201，而且，以在上下方向貫通下部板200a的形式形成有作為冷卻介質的排出口的出口部202。排出路201與出口部202相連通，從中間板3的流路部31流出的冷卻介質經由排出路201到達出口部202。出口部202，以能夠收納用于向外部排出冷卻介質的管道的形式形成。
另外，在中間板3以及下部板200a上，在與上部板100a的入口部101相對應的位置上分別形成有入口部連通孔32、203，在上部板100a以及中間板3上，在與下部板200a的出口部202相對應的位置上分別貫通形成有出口部連通孔104、33。入口部連通孔32、203以及出口部連通孔104、33為，在將多個半導體用冷卻器進行層疊的情況下，用于通過使冷卻介質流通的管道的裝置。
此外，在上部板100a、中間板3、下部板200a的分別相對應的位置上形成有多個連結螺栓孔105、34、204。該連結螺栓孔105、34、204為在層疊多個半導體用冷卻器的情況下，用于插通螺栓的孔。另外，即使在僅在輔助板1、2的單面上鍍銅的上部板100b，下部板200b(參照圖3)的情況下，也與上述同樣的，進行腐蝕、利用機械加工中心進行的加工。此外，入口部插通孔32、203，出口部連通孔104、33，連結螺栓孔105、34、204，可以在接合上部板100a(100b)，中間板3、下部板200a(200b)之后形成。
若接合上部板100a，中間板3、下部板200a，則形成圖5所示的半導體用冷卻器4。在例如使用焊錫接合上部板、中間板、下部板的情況下，在此之前，對上部板、中間板以及下部板進行前處理。下面，說明該前處理的內容。在輔助板1、2的兩面上鍍銅的情況和只在輔助板1、2的單面上鍍銅情況，前處理的方法稍微有不同，因此分為(1)在輔助板的兩面上鍍銅的情況；(2)在輔助板的單面上鍍銅的情況；來進行說明。由于中間板3由銅形成，因此是與(1)相同的處理。在圖3(A)所示的例子中，在上部板100a以及下部板200a上適用(1)的方法。在圖3(B)所示的例子中，在上部板100a上適用(1)的方法，在下部板200b上適用(2)的方法。在圖3(C)所示的例子中，在上部板100b上適用(2)的方法，在下部板200a上適用(1)的方法。在圖3(D)所示的例子中，在上部板100a及下部板200a上適用(2)的方法。
(1)在輔助板的兩面上實施鍍銅的情況下，首先，將作為前處理對象的上部板100a或者下部板200a，通過例如在電流密度(5A/D2)下的利用NaOH的電解脫脂來進行堿脫脂、清洗。然后，為了除去銅的氧化膜，通過HCl水溶液進行酸洗，并進行清洗。
接著，在例如電流密度(5A/D2)的條件下，利用以氯化鎳作為主成分的鍍液的伍德浴(ウツド浴)進行鎳觸擊電鍍，在清洗后，在(1A/D2)的電流密度下利用以氯化鎳和硫酸鎳作為主要成份的鍍液的伍德浴(ウツド浴)，進行鍍鎳，直到例如鍍層厚度約為1μm。
然后，在清洗后，在(2A/D2)的電流密度下利用氰浴進行金屬觸擊電鍍，在清洗后，在(1A/D2)的電流密度下通過進行氰浴，進行金屬電鍍直到鍍層厚度約為2～3μm。該金屬電鍍是為了接合構成上部板100a以及下部板200a的復合板和中間板3而進行的，這樣，便完成了前處理。
(2)在輔助板的單面上實施鍍銅的情況下，對沒有鍍銅的側面進行處理。首先，進行作為前處理對象的上部板100b或者下部板200b的堿脫脂以及清洗。堿脫脂是通過在例如(5A/D2)的電流密度下的利用NaOH的電解脫脂來進行。而且，在通過HCl水溶液進行酸洗并進行清洗之后，對沒有鍍銅的側面進行規定量的腐蝕、清洗、干燥。
接著，在H2環境中在約850℃的溫度下進行完退火之后，進行鎳觸擊電鍍。該鎳觸擊電鍍，是在例如(5A/D2)的電流密度下，通過以氯化鎳作為主成分的鍍液的伍德浴(ウツド浴)而進行的，在進行電鍍后進行水洗。
為了融合電鍍后的鎳，再次在H2環境中在約850℃的溫度下進行退火，然后，在例如(5A/D2)的電流密度下，通過以氯化鎳作為主成分的鍍液的伍德浴(ウツド浴)進行鎳觸擊電鍍。這里進行的鎳觸擊電鍍是作為下面將要進行的鍍鎳的前處理而進行的。
下面，在(1A/D2)的電流密度下，通過以氯化鎳和硫酸鎳作為主成分的鍍液的伍德浴(ウツド浴)，進行鍍鎳，直到例如鍍層厚度達到約1μm。接著，在清洗后進行退火，將在此鍍上的鎳和通過鎳觸擊電鍍鍍上的鎳進行融合。
下面，在(2A/D2)電流密度下，通過氰浴進行金屬觸擊電鍍，在清洗后，通過在(1A/D2)的電流密度下進行氰浴，進行金屬電鍍直到鍍層厚度達到約2～3μm。該金屬鍍是為了將上部板100b的輔助板1的側面以及下部板200b的輔助板2的側面和中間板3進行接合而進行的。到此完成前處理。
根據上記(1)、(2)的任何一個，進行上部板和下部板的前處理，同時，對中間板3也進行與上述(1)相同的處理。也就是，對于中間板3也按照鎳觸擊電鍍□鎳鍍□金屬觸擊電鍍□金屬鍍的順序進行前處理。
接下來，把厚度為10μm～30μm程度的錫焊板加工成上部板100a(100b)和中間板3的接觸面的形狀，同時，同樣地把厚度為10μm～30μm程度的錫焊板加工成下部板200a(200b)和中間板3的接觸面的形狀。然后，將這樣被加工的2片錫焊板分別夾裝在上部板100a(100b)和中間板3之間、中間板3和下部板200a(200b)之間，并通過夾具施加壓力進行固定，在300℃～400℃的溫度下加熱數十秒，進行一體化，然后便形成如圖5所示的半導體用冷卻器4。
在該半導體用冷卻器4上，搭載有半導體芯片5并被冷卻。搭載半導體芯片5的位置為圖4所示的冷卻部102的正上方。如圖6所示，從上部板100a的入口部101流入的冷卻介質通過流入部103到達冷卻部102，對其正上方的半導體芯片5進行冷卻。然后該冷卻介質沿著流路部31下降，并通過下部板200a的排出路201，從出口部202流出。
構成輔助板1、2的材料，如果熱傳導率大于等于100W/m·K(例如鉬的情況下為139W/m·K)是比較好的，由于在搭載半導體芯片5的上部板的露出面上進行鍍銅，所以對半導體芯片5的冷卻效果較高。而且，由于拉伸強度也大于等于1000N/mm2(例如鉬的情況下為1370N/mm2)且剛性較高，因此可以發揮較高的冷卻效果，且可以不發生歪斜地穩定地支承半導體芯片5。因此，不會對半導體芯片的動作產生不良影響，特別是，在半導體芯片為半導體激光二極管的情況下，在激光光束的方向性上不會產生誤差。
而且，在圖3(A)、(B)、(C)、(D)中的任一結構的情況下，由于以構成中間板3的銅、或者構成中間板的銅以及被鍍的銅為中心，在上下方向上對稱地構成，因此，可以抵消由銅和輔助板材料的熱膨脹率的差異而導致的雙金屬效果，不會使半導體用冷卻器4彎曲，由此也可以防止對半導體芯片的動作產生的不良的影響。
另外，在半導體芯片由砷化鎵形成，且輔助板1、2由鉬構成的情況下，相對砷化鎵的熱膨脹率為5.9ppm/℃，鉬的熱膨脹率較低，為5.1ppm/℃，由于能夠抑制銅的熱膨脹，因此可以防止經過一段時間后半導體芯片脫落。
雖然可以考慮使用由銅形成的板夾持由鉬、銅鎢等形成的輔助板，并通過熱擴散將其接合為一體，或者通過由銅形成的板經由焊錫等夾持輔助板并將其燒結形成一體，以此形成復合板的方法，但是在這些方法中，卻具有在接合部中局部進入空氣并形成孔洞，導致熱傳導被部分地阻斷、冷卻效果低下的問題，和經過一段時間后輔助板和銅板剝離的問題。而在本發明中，由于通過電鍍構成復合板，因此在接合部上不會形成孔洞，不產生上述問題。
圖7所示的半導體用冷卻器層疊體6，是將圖5所示的半導體用冷卻器4多層層疊，并在連結螺栓孔105、34、204(參照圖4)中貫通螺栓60、通過螺母61進行固定的，在各個半導體用冷卻器4的上部板上分別搭載有半導體芯片5。另外，在各個半導體用冷卻器4之間，為了確保半導體芯片5的搭載空間留有空間62，而且，第一管道63以及第二管道64在上下方向上貫通各個半導體用冷卻器4。
如圖8所示，在各個半導體用冷卻器4的入口部101以及入口部連通孔32、203(參考圖4)中，貫通有第一管道63。若參照圖4以及圖8進行說明，則在第一管道63中，在上部板100a(100b)的入口部101的高度方向形成有流出孔63a，在入口部101中，從流出孔63a流出到流入路103中的冷卻介質沿著冷卻部102(參照圖4)，冷卻半導體芯片5。此外，沒有從流出孔63a流出的冷卻介質沿著管道63的內部下降，進而從下方的別的流出孔63a流出，以供別的半導體芯片5的冷卻。
另一方面，在各半導體用冷卻器4的出口部202以及出口部連通孔34、104中貫通有第二管道64。在第二管道64中，在下部板200a(200b)的出口部202的高度方向上形成有流入孔64a，在出口部202中，通過冷卻部102并用于冷卻的冷卻介質從流入孔64a流入，沿著第二管道64上升，然后向外部排出。
這樣，通過使冷卻介質在各個半導體用冷卻器4的內部流通，然后向外部流出，能夠冷卻所有的半導體芯片5。構成該半導體用冷卻器層疊體6的各個半導體用冷卻器4，由于不會負于螺栓60的連結力而發生歪斜，因此在半導體芯片5為半導體激光二極管的情況下，激光光束的方向性可以常時保持一定，而且能夠增大其輸出。
本發明，能夠冷卻伴有高發熱的半導體芯片，且可以用于穩定地進行支持。
權利要求
1.一種半導體用冷卻器，至少包含有上部板、中間板及下部板，具有冷卻介質的入口部、出口部和流路部，用于冷卻半導體芯片，其特征在于，該上部板及該下部板是在輔助板的單面或者雙面上鍍上厚度大于等于0.05mm的銅而構成的復合板，所述輔助板是由拉伸強度大于等于1000N/mm2、熱傳導率大于等于100W/m·K、熱膨脹率小于等于6.0ppm/℃的材料構成的。
2.如權利要求1所述的半導體用冷卻器，其特征在于，所述鍍銅的厚度為0.1mm～0.5mm，所述輔助板的厚度為0.1mm～0.5mm。
3.如權利要求1所述的半導體用冷卻器，其特征在于，所述輔助板的材料是鉬。
4.如權利要求3所述的半導體用冷卻器，其特征在于，所述半導體芯片由砷化鎵形成。
5.如權利要求1所述的半導體用冷卻器，其特征在于，所述中間板由銅形成，所述復合板，其鍍銅的面向外部露出。
6.一種半導體用冷卻器層疊體，是將多層用于冷卻半導體芯片的半導體用冷卻器進行層疊并通過螺栓進行連結而構成，該半導體用冷卻器至少包含上部板、中間板和下部板，并具有冷卻介質的入口部和出口部以及流路部，其特征在于，在各半導體用冷卻器上作為半導體芯片搭載有半導體激光二極管，該上部板及該下部板是在輔助板的單面或者雙面上鍍上厚度大于等于0.05mm的銅而構成的復合板，所述輔助板是由拉伸強度大于等于1000N/mm2，熱傳導率大于等于100W/m·K，熱膨脹率小于等于6.0ppm/℃的材料構成的。
7.如權利要求6所述的半導體用冷卻器層疊體，其特征在于，所述鍍銅的厚度為0.1mm～0.5mm，所述輔助板的厚度為0.1mm～0.5mm。
8.如權利要求6所述的半導體用冷卻器層疊體，其特征在于，所述輔助板的材料是鉬。
9.如權利要求8所述的半導體用冷卻器層疊體，其特征在于，所述半導體芯片由砷化鎵形成。
10.如權利要求6所述的半導體用冷卻器層疊體，其特征在于，所述中間板由銅形成，所述復合板，其鍍銅的一面向外部露出。
全文摘要
本發明提供一種半導體用冷卻器，在半導體用冷卻器上不會發生歪斜，同時，當在半導體芯片以及半導體用冷卻器上產生熱膨脹時，能夠防止半導體芯片從半導體用冷卻器上脫離。該半導體用冷卻器，至少包含有上部板(100a)、中間板(3)及下部板(200a)，具有冷卻介質的入口部(101)、出口部(202)和流路部(31)，用于冷卻半導體芯片，上部板(100a)及該下部板(200a)是在輔助板的單面或者雙面上鍍上厚度大于等于0.05mm的銅而構成的復合板，所述輔助板是由拉伸強度大于等于1000N/mm
文檔編號H01L23/34GK1841866SQ20051006247
公開日2006年10月4日 申請日期2005年3月28日 優先權日2005年3月28日
發明者吉岡豐吉, 山岡孝之, 妹尾聰 申請人:株式會社泰克尼思科