专利名称：半导体用冷却器及半导体用冷却器层叠体的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于半导体激光二极管等的半导体芯片的冷却的半导体用冷却器以及将其多层层叠而形成的半导体用冷却器层叠体。
背景技术：
在半导体激光二极管等的伴随着高发热的半导体芯片上，搭载有被称为水冷套的水冷式半导体用冷却器，通过该半导体用冷却器来冷却使用中的半导体芯片，保持半导体芯片的功能。
作为上述半导体用冷却器有如下的结构通过扩散接合、焊锡接合等将由铜形成的上部板和中间板及下部板一体地形成，并形成冷却水的入口部和出口部及流路部，通过流经从入口部流入的流路部并到达出口部，可以高效地冷却半导体芯片(例如参照专利文献1)专利文献1特开平11-97770号公报发明内容但是，由于由铜被形成的板刚性较低，所以例如在将半导体用冷却器多层层叠并在每个半导体用冷却器上分别搭载半导体激光二极管以增大激光光束的输出的情况下，如果使用螺栓等连结多个半导体用冷却器，则将出现负于螺栓等的连结力导致半导体用冷却器歪斜并对激光光束的方向性产生不良影响的问题。此外，即使在没有多层层叠半导体用冷却器的情况下，如果在半导体用冷却器上发生歪斜，也将对激光光束的方向性产生不良影响。
另外，由于作为各个板的材料的铜的热膨胀率较高，与半导体芯片的材料，例如砷化镓等的热膨胀率差异很大，因此具有由于半导体芯片的发热而导致经过一段时间后半导体芯片从半导体用冷却器脱离的问题。
因此本发明的课题为使其在半导体用冷却器上不发生歪斜，当在半导体芯片以及半导体用冷却器上发生热膨胀时，防止半导体芯片从半导体用冷却器上脱离。
本发明的半导体用冷却器，至少包含有上部板、中间板及下部板，具有冷却介质的入口部、出口部和流路部，用于冷却半导体芯片，其特征在于，该上部板及该下部板是在辅助板的单面或者双面上镀上厚度大于等于0.05mm的铜而构成的复合板，所述辅助板是由拉伸强度大于等于1000N/mm2、热传导率大于等于100W/m·K、热膨胀率小于等于6.0ppm/℃的材料构成的。
镀铜的厚度最好为0.1mm～0.5mm，辅助板的厚度最好为0.1mm～0.5mm。作为满足涉及辅助板的上述拉伸强度，热传导率，热膨胀率的条件的材料，可以列举例如钼，但是并不限于此。当通过砷化镓构成半导体芯片时，辅助板最好由钼构成。
在中间板由铜形成的情况下，使复合板的被镀铜的面向外部露出，并最好以中间板为中心在上下方向上对称地构成。
此外，本发明也提供一种半导体用冷却器层叠体，该半导体用冷却器层叠体是将多层上记半导体用冷却器进行层叠并通过螺栓进行连结，且在各个半导体用冷却器上作为半导体芯片搭载有半导体激光二激管而构成的。
在本发明中，由于将上部板及下部板做成复合板，所述复合板是在辅助板的单面或者两面上镀上厚度大于等于0.05mm的铜而形成的，并且辅助板由于采用拉伸强度大于等于1000N/mm2、热传导率大于等于100W/m·K、热膨胀率小于等于6.0ppm/℃的材料，因此热传导率较高、冷却效率良好，同时，刚性较高不会发生歪斜，由此不会对半导体芯片的动作产生不良影响。特别是，在半导体芯片为半导体激光二极管的情况下，由于通过不使辅助板歪斜，能够将半导体激光二极管的方向保持一定，因此激光光束的方向性不会产生误差。此外，辅助板的热膨胀率由于接近于半导体材料的热膨胀率，因此即使从半导体芯片上发热，经过一段时间后，半导体芯片也不会脱离。
如果把镀铜的厚度做成0.1mm～0.5mm，将辅助板的厚度做成0.1mm～0.5mm，则可以获得不发生歪斜的适当的强度。
如果用钼作为辅助板的材料，则由于加工方便，价格便宜，因此具有良好的经济性。
在辅助板的材料为钼，半导体芯片由砷化镓形成的情况下，相对于砷化镓的热膨胀率为5.9ppm/℃，钼的热膨胀率较低，为5.1ppm/℃，由此可以抑制热膨胀率为17.0ppm/℃的铜的热膨胀，因此半导体芯片不会经过一段时间后从半导体用冷却器上脱离。
另外，在中间板由铜形成，构成上部板及下部板的复合板的镀铜表面向外部露出的情况下，由于以中间板的铜为中心，在上下方向上对称地构成，因此双金属效果被抵消，能够避免半导体用冷却器整体的弯曲，这样也可以防止对半导体芯片的动作造成不良影响。
此外，在将上记半导体用冷却器多层层叠并通过螺栓等进行固定的半导体用冷却器层叠体中，由于各个半导体用冷却器不会负于螺栓等的连结力而不会弯曲，因此在将半导体激光二极管搭载于各个半导体用冷却器上的情况下，能够保持激光光束的方向性，且可以增大输出。
图1是表示2片辅助板和中间板的立体图。
图2是表示在辅助板上实施电镀的上部板以及下部板和中间板的立体图。
图3是表示上部板以及下部板的结构的主视图。
图4是表示接合前的半导体用冷却器的立体图。
图5是表示半导体用冷却器的立体图。
图6是表示冷却介质的流动的说明图。
图7是表示半导体用冷却器层叠体的主视图。
图8是表示半导体用冷却器层叠体的侧视图。
具体实施例方式
本发明的半导体用冷却器是使用图1所示的2片辅助板1、2以及中间板3进行制造的。辅助板1、2是由拉伸强度大于等于1000N/mm2、热传导率大于等于100W/m·K、热膨胀率小于等于6.0ppm/℃的材料形成的。作为满足这些拉伸强度、热传导率、热膨胀率的所有的条件的材料，可以列举出例如钼、铜钨等。钼的拉伸强度为1370N/mm2、热传导率为139W/m·K，热膨胀率为5.1ppm/℃。另一方面，对于铜钨，例如在以2％～10％的体积比含有铜的情况下，其拉伸强度为3322N/mm2～3630N/mm2，热传导率为180W/m·K～200W/m·K，热膨胀率为6.0ppm/℃～8.0ppm/℃。
辅助板1、2具有例如0.1mm～0.5mm程度的厚度。另外，中间板3由例如铜那样的具有良好的热传导率的材料形成，其厚度例如为0.3mm的程度。
在2片的辅助板1、2的单面或者两面上，镀上厚度大于等于0.05mm的铜、形成复合板。在图2中，示出了对辅助板1、2中的任何一个，在两面上进行镀铜10、11、20、21的情况的例子。在图示的例子中，在辅助板1上实施镀铜10、11，构成上部板100a，在辅助板2上实施镀铜20、21，构成下部板200a。
对于辅助板1、2，由于可以在单面或者两面上实施镀铜，所以有如图3(A)～(D)所示的变化。首先，在图3(A)所示的例子中，与图2的例子相同，在辅助板1的两面上实施镀铜10、11，构成上部板100a，对于辅助板2，也在其两面上实施镀铜20、21，构成下部板200a。在图3(B)的例子中，在辅助板1的两面上，实施镀铜10、11，构成上部板100a，仅在辅助板2的下面上实施镀铜20，构成下部板200b。在图3(C)的例子中，对于辅助板1仅在其上面实施镀铜10，构成上部板100b，对于辅助板2，在其两面上实施镀铜20、21，构成下部板200a。在图3(D)的例子中，只在辅助板1的上面实施镀铜10，构成上部板100b，对于辅助板2也仅在下面实施镀铜20，构成下部板200b。无论哪种情况，在接合上部板1、中间板2、下部板3之后，在露出的上下面上，实施镀铜10、20，并按照铜-辅助板1-铜-辅助板2-铜的顺序进行层叠、构成，此外，由于辅助板1、2由同一材料形成，因此形成为以正中央的铜为中心在上下方向上对称的形式。因此，不会发生由于双金属的效果而引起的弯曲，同时，由于上部板1的上面被镀铜，因此对被搭载于上部板1上的半导体芯片的冷却效果较好。
在此，对在构成上部板100以及下部板200的辅助板1、2上实施镀铜时的顺序进行说明。首先，在最初进行辅助板1、2的碱脱脂以及清洗。碱脱脂，通过例如在(5A/D2)的电流密度下的利用NaOH的电解脱脂来进行。
下面，作为用于进行腐蚀的酸处理，通过HCl水溶液进行酸洗，同时，在进行完清洗后，对两面进行腐蚀。该腐蚀是为了除去由钼、铜钨等构成的辅助板1、2的坚固的氧化膜而进行的，作为腐蚀液，采用例如混酸(H2O+HNO3+H2SO4)。通过该腐蚀两面被除去约5μm的程度。
腐蚀后，在H2环境中以约850度的温度进行退火，在还原辅助板1、2的表面材料之后，为了生成衬底以提高其后进行的镀铜的密合强度，进行镍触击电镀。该镍触击电镀为，例如在(5A/D2)的电流密度下，通过利用以氯化镍作为主成分的镀液的伍德浴(ウツド浴)来进行，然后进行清洗以及干燥。
镍触击电镀之后，进行退火以此将镀上的镍与辅助板1、2的材料相烧结，然后进一步在其上进行镍触击电镀，并进行清洗。
下面，在被镀镍的辅助板1、2的两面上，采用例如硫酸铜镀液，在(7A/D2)的电流密度下进行镀铜。在此，镀层厚度为0.1mm～0.5mm的程度，例如可以为0.3mm的程度。
最后，利用机械加工中心等使镀铜面平坦化，实现镀层厚度均一化，同时，通过成形外圆周，由此形成如图2以及图3所示的在辅助板1、2的两面上实施镀铜的复合板，复合板的一方为上部板100a(100b)，另一方为下部板200a(200b)。
按照上述方法，在形成上部板100a(100b)，下部板200a(200b)之后，如图4所示，通过腐蚀、利用机械加工中心进行的加工，分别加工例如上部板100a、中间板3、下部板200a，以此形成用于循环冷却介质的构造，与此同时，形成可能层叠多个半导体用冷却器的构造。
在上部板100a上，贯通上下方向地形成有作为冷却介质的入口的入口部101，进而，形成冷却部102及流入部103，所述冷却部102用于进行通过冷却介质而进行的实际冷却，所述流入部103用于连接入口部101和冷却部102。入口部101形成为能够收纳用于流通冷却介质的管道的大小，从入口部101朝向形成为梳齿状的冷却部102形成有流入部103。
在中间板3上，贯通上下方向地形成有作为冷却介质的流路的流路部31。流路部31，在中间板3与上部板100a以及下部板200a相接合时与冷却部102相连通，起到使从冷却部102中流出的冷却介质向下部板200a流动的作用。
在下部板200a的上侧面上，形成有作为排出的冷却介质的通道的排出路201，而且，以在上下方向贯通下部板200a的形式形成有作为冷却介质的排出口的出口部202。排出路201与出口部202相连通，从中间板3的流路部31流出的冷却介质经由排出路201到达出口部202。出口部202，以能够收纳用于向外部排出冷却介质的管道的形式形成。
另外，在中间板3以及下部板200a上，在与上部板100a的入口部101相对应的位置上分别形成有入口部连通孔32、203，在上部板100a以及中间板3上，在与下部板200a的出口部202相对应的位置上分别贯通形成有出口部连通孔104、33。入口部连通孔32、203以及出口部连通孔104、33为，在将多个半导体用冷却器进行层叠的情况下，用于通过使冷却介质流通的管道的装置。
此外，在上部板100a、中间板3、下部板200a的分别相对应的位置上形成有多个连结螺栓孔105、34、204。该连结螺栓孔105、34、204为在层叠多个半导体用冷却器的情况下，用于插通螺栓的孔。另外，即使在仅在辅助板1、2的单面上镀铜的上部板100b，下部板200b(参照图3)的情况下，也与上述同样的，进行腐蚀、利用机械加工中心进行的加工。此外，入口部插通孔32、203，出口部连通孔104、33，连结螺栓孔105、34、204，可以在接合上部板100a(100b)，中间板3、下部板200a(200b)之后形成。
若接合上部板100a，中间板3、下部板200a，则形成图5所示的半导体用冷却器4。在例如使用焊锡接合上部板、中间板、下部板的情况下，在此之前，对上部板、中间板以及下部板进行前处理。下面，说明该前处理的内容。在辅助板1、2的两面上镀铜的情况和只在辅助板1、2的单面上镀铜情况，前处理的方法稍微有不同，因此分为(1)在辅助板的两面上镀铜的情况；(2)在辅助板的单面上镀铜的情况；来进行说明。由于中间板3由铜形成，因此是与(1)相同的处理。在图3(A)所示的例子中，在上部板100a以及下部板200a上适用(1)的方法。在图3(B)所示的例子中，在上部板100a上适用(1)的方法，在下部板200b上适用(2)的方法。在图3(C)所示的例子中，在上部板100b上适用(2)的方法，在下部板200a上适用(1)的方法。在图3(D)所示的例子中，在上部板100a及下部板200a上适用(2)的方法。
(1)在辅助板的两面上实施镀铜的情况下，首先，将作为前处理对象的上部板100a或者下部板200a，通过例如在电流密度(5A/D2)下的利用NaOH的电解脱脂来进行碱脱脂、清洗。然后，为了除去铜的氧化膜，通过HCl水溶液进行酸洗，并进行清洗。
接着，在例如电流密度(5A/D2)的条件下，利用以氯化镍作为主成分的镀液的伍德浴(ウツド浴)进行镍触击电镀，在清洗后，在(1A/D2)的电流密度下利用以氯化镍和硫酸镍作为主要成份的镀液的伍德浴(ウツド浴)，进行镀镍，直到例如镀层厚度约为1μm。
然后，在清洗后，在(2A/D2)的电流密度下利用氰浴进行金属触击电镀，在清洗后，在(1A/D2)的电流密度下通过进行氰浴，进行金属电镀直到镀层厚度约为2～3μm。该金属电镀是为了接合构成上部板100a以及下部板200a的复合板和中间板3而进行的，这样，便完成了前处理。
(2)在辅助板的单面上实施镀铜的情况下，对没有镀铜的侧面进行处理。首先，进行作为前处理对象的上部板100b或者下部板200b的碱脱脂以及清洗。碱脱脂是通过在例如(5A/D2)的电流密度下的利用NaOH的电解脱脂来进行。而且，在通过HCl水溶液进行酸洗并进行清洗之后，对没有镀铜的侧面进行规定量的腐蚀、清洗、干燥。
接着，在H2环境中在约850℃的温度下进行完退火之后，进行镍触击电镀。该镍触击电镀，是在例如(5A/D2)的电流密度下，通过以氯化镍作为主成分的镀液的伍德浴(ウツド浴)而进行的，在进行电镀后进行水洗。
为了融合电镀后的镍，再次在H2环境中在约850℃的温度下进行退火，然后，在例如(5A/D2)的电流密度下，通过以氯化镍作为主成分的镀液的伍德浴(ウツド浴)进行镍触击电镀。这里进行的镍触击电镀是作为下面将要进行的镀镍的前处理而进行的。
下面，在(1A/D2)的电流密度下，通过以氯化镍和硫酸镍作为主成分的镀液的伍德浴(ウツド浴)，进行镀镍，直到例如镀层厚度达到约1μm。接着，在清洗后进行退火，将在此镀上的镍和通过镍触击电镀镀上的镍进行融合。
下面，在(2A/D2)电流密度下，通过氰浴进行金属触击电镀，在清洗后，通过在(1A/D2)的电流密度下进行氰浴，进行金属电镀直到镀层厚度达到约2～3μm。该金属镀是为了将上部板100b的辅助板1的侧面以及下部板200b的辅助板2的侧面和中间板3进行接合而进行的。到此完成前处理。
根据上记(1)、(2)的任何一个，进行上部板和下部板的前处理，同时，对中间板3也进行与上述(1)相同的处理。也就是，对于中间板3也按照镍触击电镀□镍镀□金属触击电镀□金属镀的顺序进行前处理。
接下来，把厚度为10μm～30μm程度的锡焊板加工成上部板100a(100b)和中间板3的接触面的形状，同时，同样地把厚度为10μm～30μm程度的锡焊板加工成下部板200a(200b)和中间板3的接触面的形状。然后，将这样被加工的2片锡焊板分别夹装在上部板100a(100b)和中间板3之间、中间板3和下部板200a(200b)之间，并通过夹具施加压力进行固定，在300℃～400℃的温度下加热数十秒，进行一体化，然后便形成如图5所示的半导体用冷却器4。
在该半导体用冷却器4上，搭载有半导体芯片5并被冷却。搭载半导体芯片5的位置为图4所示的冷却部102的正上方。如图6所示，从上部板100a的入口部101流入的冷却介质通过流入部103到达冷却部102，对其正上方的半导体芯片5进行冷却。然后该冷却介质沿着流路部31下降，并通过下部板200a的排出路201，从出口部202流出。
构成辅助板1、2的材料，如果热传导率大于等于100W/m·K(例如钼的情况下为139W/m·K)是比较好的，由于在搭载半导体芯片5的上部板的露出面上进行镀铜，所以对半导体芯片5的冷却效果较高。而且，由于拉伸强度也大于等于1000N/mm2(例如钼的情况下为1370N/mm2)且刚性较高，因此可以发挥较高的冷却效果，且可以不发生歪斜地稳定地支承半导体芯片5。因此，不会对半导体芯片的动作产生不良影响，特别是，在半导体芯片为半导体激光二极管的情况下，在激光光束的方向性上不会产生误差。
而且，在图3(A)、(B)、(C)、(D)中的任一结构的情况下，由于以构成中间板3的铜、或者构成中间板的铜以及被镀的铜为中心，在上下方向上对称地构成，因此，可以抵消由铜和辅助板材料的热膨胀率的差异而导致的双金属效果，不会使半导体用冷却器4弯曲，由此也可以防止对半导体芯片的动作产生的不良的影响。
另外，在半导体芯片由砷化镓形成，且辅助板1、2由钼构成的情况下，相对砷化镓的热膨胀率为5.9ppm/℃，钼的热膨胀率较低，为5.1ppm/℃，由于能够抑制铜的热膨胀，因此可以防止经过一段时间后半导体芯片脱落。
虽然可以考虑使用由铜形成的板夹持由钼、铜钨等形成的辅助板，并通过热扩散将其接合为一体，或者通过由铜形成的板经由焊锡等夹持辅助板并将其烧结形成一体，以此形成复合板的方法，但是在这些方法中，却具有在接合部中局部进入空气并形成孔洞，导致热传导被部分地阻断、冷却效果低下的问题，和经过一段时间后辅助板和铜板剥离的问题。而在本发明中，由于通过电镀构成复合板，因此在接合部上不会形成孔洞，不产生上述问题。
图7所示的半导体用冷却器层叠体6，是将图5所示的半导体用冷却器4多层层叠，并在连结螺栓孔105、34、204(参照图4)中贯通螺栓60、通过螺母61进行固定的，在各个半导体用冷却器4的上部板上分别搭载有半导体芯片5。另外，在各个半导体用冷却器4之间，为了确保半导体芯片5的搭载空间留有空间62，而且，第一管道63以及第二管道64在上下方向上贯通各个半导体用冷却器4。
如图8所示，在各个半导体用冷却器4的入口部101以及入口部连通孔32、203(参考图4)中，贯通有第一管道63。若参照图4以及图8进行说明，则在第一管道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，从流出孔63a流出到流入路103中的冷却介质沿着冷却部102(参照图4)，冷却半导体芯片5。此外，没有从流出孔63a流出的冷却介质沿着管道63的内部下降，进而从下方的别的流出孔63a流出，以供别的半导体芯片5的冷却。
另一方面，在各半导体用冷却器4的出口部202以及出口部连通孔34、104中贯通有第二管道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，通过冷却部102并用于冷却的冷却介质从流入孔64a流入，沿着第二管道64上升，然后向外部排出。
这样，通过使冷却介质在各个半导体用冷却器4的内部流通，然后向外部流出，能够冷却所有的半导体芯片5。构成该半导体用冷却器层叠体6的各个半导体用冷却器4，由于不会负于螺栓60的连结力而发生歪斜，因此在半导体芯片5为半导体激光二极管的情况下，激光光束的方向性可以常时保持一定，而且能够增大其输出。
本发明，能够冷却伴有高发热的半导体芯片，且可以用于稳定地进行支持。
权利要求
1.一种半导体用冷却器，至少包含有上部板、中间板及下部板，具有冷却介质的入口部、出口部和流路部，用于冷却半导体芯片，其特征在于，该上部板及该下部板是在辅助板的单面或者双面上镀上厚度大于等于0.05mm的铜而构成的复合板，所述辅助板是由拉伸强度大于等于1000N/mm2、热传导率大于等于100W/m·K、热膨胀率小于等于6.0ppm/℃的材料构成的。
2.如权利要求1所述的半导体用冷却器，其特征在于，所述镀铜的厚度为0.1mm～0.5mm，所述辅助板的厚度为0.1mm～0.5mm。
3.如权利要求1所述的半导体用冷却器，其特征在于，所述辅助板的材料是钼。
4.如权利要求3所述的半导体用冷却器，其特征在于，所述半导体芯片由砷化镓形成。
5.如权利要求1所述的半导体用冷却器，其特征在于，所述中间板由铜形成，所述复合板，其镀铜的面向外部露出。
6.一种半导体用冷却器层叠体，是将多层用于冷却半导体芯片的半导体用冷却器进行层叠并通过螺栓进行连结而构成，该半导体用冷却器至少包含上部板、中间板和下部板，并具有冷却介质的入口部和出口部以及流路部，其特征在于，在各半导体用冷却器上作为半导体芯片搭载有半导体激光二极管，该上部板及该下部板是在辅助板的单面或者双面上镀上厚度大于等于0.05mm的铜而构成的复合板，所述辅助板是由拉伸强度大于等于1000N/mm2，热传导率大于等于100W/m·K，热膨胀率小于等于6.0ppm/℃的材料构成的。
7.如权利要求6所述的半导体用冷却器层叠体，其特征在于，所述镀铜的厚度为0.1mm～0.5mm，所述辅助板的厚度为0.1mm～0.5mm。
8.如权利要求6所述的半导体用冷却器层叠体，其特征在于，所述辅助板的材料是钼。
9.如权利要求8所述的半导体用冷却器层叠体，其特征在于，所述半导体芯片由砷化镓形成。
10.如权利要求6所述的半导体用冷却器层叠体，其特征在于，所述中间板由铜形成，所述复合板，其镀铜的一面向外部露出。
全文摘要
本发明提供一种半导体用冷却器，在半导体用冷却器上不会发生歪斜，同时，当在半导体芯片以及半导体用冷却器上产生热膨胀时，能够防止半导体芯片从半导体用冷却器上脱离。该半导体用冷却器，至少包含有上部板(100a)、中间板(3)及下部板(200a)，具有冷却介质的入口部(101)、出口部(202)和流路部(31)，用于冷却半导体芯片，上部板(100a)及该下部板(200a)是在辅助板的单面或者双面上镀上厚度大于等于0.05mm的铜而构成的复合板，所述辅助板是由拉伸强度大于等于1000N/mm
文档编号H01L23/34GK1841866SQ20051006247
公开日2006年10月4日 申请日期2005年3月28日 优先权日2005年3月28日
发明者吉冈丰吉, 山冈孝之, 妹尾聪 申请人:株式会社泰克尼思科