JP2015207747A - ワイドバンドギャップ半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】構成部品間の熱膨張係数の整合を図り、耐熱性、電気伝導性、放熱性を改善することにより、高温での動作を可能としたワイドバンドギャップ半導体デバイスを提供する。
【解決手段】ワイドバンドギャップ材料基盤の中央には凹部が設けられている。凹部には銀粉が充填され、ワイドバンドギャップ半導体デバイスが載置され、加圧、焼結することにより、電気的接合がなされている。これによりワイドバンドギャップ半導体デバイスからの熱を効果的に放熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイドバンドギャップ材料を用いたワイドバンドギャップ半導体デバイスに関する

従来、ワイドバンドギャップ材料を用いたワイドバンドギャップ半導体デバイスは、基盤となるワイドバンドギャップ結晶基盤が、極めて高価である為に、その普及が遅れている。

またワイドバンドギャップ基盤を用いたワイドバンドギャップ半導体デバイスの基本的特徴は、高温動作であるが、本特徴を生かすための周辺技術もまた、開発が遅れている。

ワイドバンドギャップ半導体デバイスは、例えば摂氏３５０度と言う高温での動作が可能である為に、高温での断続動作に依る構成部品の熱疲労が大きく信頼性を低下させる。

その為に熱疲労を少なくする為に、熱膨張係数の整合、耐熱性の確保、電気伝導性、放熱など多岐に渉り、それぞれの構成部品間での整合が必要となり、多くの問題を抱えている。

本発明は、上記した多くの問題を一挙に解決する画期的なものである。

問題を解決する為の手段

問題を解決する為の第一の手段は、各適用部材の熱膨張係数の整合である。

即ち各適用部材の熱膨張係数を適合する事に依り、整合の為の部材が減少し、構成が簡素化される。

問題を解決する為の第二の手段は、熱伝導性の良い材料で、且つ電気的絶縁性（半絶縁性）と電気的導電性を併せ持つ材料の使用である。

問題を解決する為の第三の手段は、ワイドバンドギャップ材料を基盤とした半導体デバイスに於いて、基盤の一部に凹部を設ける事である。

問題を解決する為の第四の手段は、上記第三の手段に記載されている凹に銀粉を充填し、当該凹部の銀粉上にワイドバンドギャップチップを載置し、それぞれを焼結し電気的結合を有する事である。

問題を解決する為の第五の手段は、上記第三の手段に記載する半導体デバイスに於いて、ワイドバンドギャップ材料基盤として導電型及び半導電型ワイドバンドギャップ材料基盤を重畳したワイドバンドギャップ材料基盤を用いる事である。

問題を解決する為の第六の手段は、上記第四の手段に記載する銀粉とワイドバンドギャップチップとの間に、電気伝導性を有する導体を挟置したワイドバンドギャップ材料基盤を用いる事である。

問題を解決する為の第七の手段は、上記第三の手段に記載する基盤の凹部の形状を、垂直（９０度）から外側に対して、１０度までの範囲の傾斜を有するワイドバンドギャップ材料の基盤を用いたる事である。

問題を解決する為の第八の手段は、上記第七の手段に記載する傾斜部の一部或いは全部に導電性物質を形成したワイドバンドギャップ材料基盤を用いる事である。

問題を解決する為の第九の手段は、上記第七の手段に記載した導電性物質が、傾斜部を超えてワイドバンドギャップ基盤の表面に迄形成されたワイドバンドギャップ材料基盤を用いたワイドバンドギャップ基盤を用る事である。

問題を解決する為の第十の手段は、上記第五の手段に記載する重畳されたワイドバンドギャップ材料基盤の重合部に電気導電性を有する導体を形成したワイドバンドギャップ材料基盤を用いる事である。

問題を解決する為の第十一の手段は、上記第四の手段に記載されている焼結による電気結合を形成するに際して、加圧焼結する事である。

問題を解決する為の第十二の手段は、導電性ワイドバンドギャップ材料基盤上に形成された、ワイドバンドギャップ半導体チップを、半導電性ワイドバンドギャップ材料基盤上に、導電性材料を介して形成する事である。

問題を解決する為の第十三の手段は、上記に記載されている各手段に記載されたワイドバンドギャップ半導体デバイスは、上記各請求項に記載する請求項目との組み合わる事である。

発明の効果

本発明の実施により、モジュウルの構成が、非常に簡素化され、また使用材料間の熱膨張係数が整合された結果、高温動作での信頼性が向上し、同時に価格も減少された。

ワイドバンドギャップ材料基盤にチップ挿入の凹部垂直切込み表示図面と断面図を示す ワイドバンドギャップ材料基盤にチップ挿入凹部傾斜付き切り込み表示図面と断面図を示す 図１及び２のチップ挿入凹部内部及び外周部に金属層の形成と断面図を示す。 ワイドバンドギャップ材料基盤の導電性基盤と絶縁性基盤とを重畳した基盤に導電性金属の形成を示す。 ワイドバンドギャップ材料基盤を放熱板とし、放熱基盤上に導電帯を介してチップを載置出来る様にした状況とその断面図を示す。 チップ下の金属層の厚さの説明図 チップとワイドバンドギャップ材料基盤との接着の説明図で斜線部分は、導電性物質を示す。

発明を実施する為の形態

本発明の実施の形態を図に基ずいて説明する。

斜線で示される導電性物質は、銀を使用した。

チップと基盤との接着は、焼結に依り、銀粉を用いて、温度摂氏２５０度、圧力は３０ＭＰａ／ｃｍ２、不活性雰囲気中にて３０分加熱した。

銀粉の径はｎｍオーダーの場合は、ｕｍオーダーに比較して温度差が摂氏５０度以下の温度でも焼結出来た。

チップ基盤が導電性の場合と絶縁性の場合とで、図示の様に電極の形成位置を変更し、何れの場合でも放熱が効果的に行なわれる様に、構造を考案した。

本発明の様な構成、構造、材料を用いて構築すれば、チップ基板、組み立て基板の何れでも導電性、絶縁性の如何に関わらず、また組み合わせの如何を問わず、簡単な構成で、最高の放熱特性を示し、熱膨張係数の整合おも不要で、その為に熱疲労に起因する破断は皆無となり、高温での断熱動作寿命は、原理的に無限大となり、動作信頼性が格段に向上する。

図６で、ｌが無い場合、チップ端部の温度が上昇して、チップ剥がれが生じる。

即ちＣＯＨ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｈｅａｔｓｉｎｋ）が実現できる。

図５．
ａ．放熱板（ｈｅａｔｓｉｎｋ）

図６．
ｃ．チップ
ｌ．金属端から、チップ端から４５度で外挿して、金属底に接した間の距離
ｔ．金属層の厚さ
ｑ 角度

図７．
ｃ．チップ
Ｐ 印加圧力
Ｍ１ チップ底の金属
Ｍ２ 組み立て基盤上の金属
Ｍ３ チップと基盤を焼結接続するための金属粉

Claims (12)

1. ワイドバンドギャップ材料を基盤とした半導体デバイスに於いて、基盤の一部に凹部を設けたワイドバンドギャップ材料基盤を使用したワイドバンドギャップ半導体デバイス。
2. 請求項１に記載する凹に銀粉を充填し、当該凹部の銀粉上にワイドバンドギャップチップを載置し、加圧、焼結し電気的結合を有したワイドバンドギャップ半導体デバイス。
3. 請求項１に記載する半導体デバイスに於いて、ワイドバンドギャップ材料基盤として導電型及び半導電型ワイドバンドギャップ材料基盤を重畳したワイドバンドギャップ材料基盤を用いたワイドバンドギャップ半導体デバイス。
4. 請求項２に記載する銀粉とワイドバンドギャップチップとの間に、電気伝導性を有する導体を挟置したワイドバンドギャップ材料基盤を用いたワイドバンドギャップ半導体デバス。
5. 請求項１に記載する基盤の凹部の形状を、垂直（９０度）から外側に対して、１０度までの範囲の傾斜を有するワイドバンドギャップ材料の基盤を用いたワイドバンドギャップ半導体デバイス。
6. 請求項５に記載する傾斜部の一部或いは全部に導電性物質を形成したワイドバンドギャップ材料基盤を用いた、ワイドバンドギャップ半導体デバイス
7. 請求項６に記載した導電性物質が、傾斜部を超えてワイドバンドギャップ基盤の表面に迄形成されたワイドバンドギャップ材料基盤を用いたワイドバンドギャップ半導体デバイス。
8. 請求項３に記載する重畳されたワイドバンドギャップ材料基盤の重合部に電気導電性を有する導体を形成したワイドバンドギャップ材料基盤を用いたワイドバンドギャップ半導体デバイス。
9. 請求項２に記載されている焼結による電気結合を形成するに際して、加圧焼結されたワイドバンドギャップ半導体デバイス。
10. 導電性ワイドバンドギャップ材料基盤上に形成された、ワイドバンドギャップ半導体チップを、半導電性ワイドバンドギャップ材料基盤上に、導電性材料を介して形成されたワイドバンドギャップ半導体デバイス。
11. 請求項１０に記載されたワイドバンドギャップ半導体デバイスは、上記各請求項に記載する請求項目との組み合わせを含む。
12. チップ基盤材料と熱放散基盤（ヒートシンク）とが、同じ化学的成分で構成されたワイドバンドギャップ半導体デバイス。

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