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技術 ナノチューブ領域を用いて熱ヒートシンク作用を補助する電子デバイス及びその製造方法

出願人 ルミネイションリミテッドライアビリティカンパニー
発明者 アリックメーメットウィーヴァースタントンイージュニアカーナハンジェイムズシーベッカーチャールズエイガーストラーウィリアムディー
出願日 2004年7月7日 (15年3ヶ月経過) 出願番号 2006-518865
公開日 2007年11月1日 (11年11ヶ月経過) 公開番号 2007-531243
状態 特許登録済
技術分野 半導体又は固体装置の冷却等 半導体または固体装置の冷却等 ナノ構造物 発光ダイオード 原子、分子の操作により形成されたナノ構造物 LED素子(パッケージ以外) LED素子のパッケージ
主要キーワード 時々接触 作業空気 熱溜め 能動冷却システム 電気的絶縁領域 閉ループ冷却システム ナノスプリング ヒートシンク部品
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重要な関連分野

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図面 (9)

課題・解決手段

半導体デバイス・ダイ(10、116)が、ヒートシンク支持構造体(30、100)の上に配置される。ナノチューブ(54、126)を含むナノチューブ領域(52、120)が、ヒートシンク支持構造体(30、100)の表面上又はその内部に設けられる。ナノチューブ領域(52、120)は、半導体デバイス・ダイ(10、116)からヒートシンク支持構造体(30、100)への熱輸送に寄与するように設けられる。1つの実施形態によれば、半導体デバイス・ダイ(10)はダイ電極(20、22)を含み、支持構造体(30)は、ナノチューブ領域(52)の少なくとも幾つかによって定められるコンタクトパッド(40、42)を含む。コンタクトパッド(40、42)は、ダイ電極(20、22)に電気的及び機械的に接触する。別の実施形態においては、ヒートシンク支持構造体(100)は、該支持構造体(100)内に横方向に設けられたマイクロチャネル(120)を含む。ナノチューブ領域の少なくとも幾つかは、マイクロチャネル(120)の内部に配置される。

概要

背景

発光ダイオードは、戸外ディスプレイ及び信号、室内照明、並びに高レベル光出力を必要とする他の用途に、ますます多く使用されている。光出力の向上を達成するために、これらのデバイスは、ますます大きな電流で駆動されるようになっており、性能が熱的に制限される結果となっている。

熱の除去を改善するために、フリップチップ方式取付けられる発光ダイオードが開発されてきた。フリップチップ構成においては、活性発光層を透明基板上に成長させ、該発光層の上に前面接点を形成し、光が該透明基板を通して放出されるように、前面を下にして、ダイを、リードフレームヒートシンク部品、又は補助マウント接合する。フリップチップ構成は、発熱する活性層ヒートシンク基板又は補助マウントの近くに配置するものであり、かつ、接点による遮蔽を最小にするものである。

しかしながら、フリップチップ接合は、幾つかの欠点を持っている。ダイボンディングには、通常は、ハンダ付けが用いられる。これは、活性層の近くでデバイスを劣化させる可能性のある大きな熱発生を伴う。ダイを補助マウントに接合する場合には、2つのハンダ付け工程(ダイから補助マウントへのハンダ付け工程、及び補助マウントのハンダ付け工程)が必要である。第2のハンダ付け工程の間に第1のハンダ接合が安定した状態を保つように、第1のハンダ付け工程は、より高い温度で行われることが好ましい。さらに、信頼性のために、比較的厚いハンダバンプが使用されることが多い。これらの厚いハンダ・バンプは、発光ダイオード・ダイからの熱輸送を制限する可能性がある。

本発明は、上述の制限などを克服する改善された装置及び方法を意図するものである。

概要

半導体デバイス・ダイ(10、116)が、ヒートシンク支持構造体(30、100)の上に配置される。ナノチューブ(54、126)を含むナノチューブ領域(52、120)が、ヒートシンク支持構造体(30、100)の表面上又はその内部に設けられる。ナノチューブ領域(52、120)は、半導体デバイス・ダイ(10、116)からヒートシンク支持構造体(30、100)への熱輸送に寄与するように設けられる。1つの実施形態によれば、半導体デバイス・ダイ(10)はダイ電極(20、22)を含み、支持構造体(30)は、ナノチューブ領域(52)の少なくとも幾つかによって定められるコンタクトパッド(40、42)を含む。コンタクトパッド(40、42)は、ダイ電極(20、22)に電気的及び機械的に接触する。別の実施形態においては、ヒートシンク支持構造体(100)は、該支持構造体(100)内に横方向に設けられたマイクロチャネル(120)を含む。ナノチューブ領域の少なくとも幾つかは、マイクロチャネル(120)の内部に配置される。

目的

接合されると、ナノチューブ領域52は、発光ダイオード10と基板30との間に熱伝導性の高い経路を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
6件

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請求項1

半導体デバイス・ダイと、前記半導体デバイス・ダイが上に配置されたヒートシンク支持構造体と、前記ヒートシンク支持構造体の表面上若しくはその内部又は能動デバイス上に配列されたナノチューブを含み、前記半導体デバイス・ダイから該ヒートシンク支持構造体への熱移動に寄与するように設けられたナノチューブ領域と、を含むことを特徴とする半導体デバイス。

請求項2

前記半導体デバイス・ダイは該半導体デバイス・ダイ上に設けられたダイ電極を含み、前記ヒートシンク支持構造体は、前記ナノチューブ領域の少なくとも幾つかによって定められて前記ダイ電極に電気的及び機械的に接触するコンタクトパッドをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の半導体デバイス。

請求項3

前記コンタクトパッドは、前記ナノチューブ領域上に配置された導電性コーティングをさらに含むことを特徴とする、請求項2に記載の半導体デバイス。

請求項4

前記導電性コーティングは、接着層と、障壁層と、前記障壁層全体上に配置された直接接合可能層とを含むことを特徴とする、請求項3に記載の半導体デバイス。

請求項5

前記導電性コーティングは、熱超音波又は熱圧着によって前記ダイ電極に接合された金層を含むことを特徴とする、請求項3に記載の半導体デバイス。

請求項6

前記コンタクトパッドの前記ナノチューブは、互いに概ね平行であり、前記ヒートシンク支持構造体から離れる方向に延びることを特徴とする、請求項2に記載の半導体デバイス。

請求項7

各々のコンタクトパッドは、前記ヒートシンク支持構造体上に配置された概ね平坦触媒層と、前記触媒層から離れる方向に延びる概ね整列したナノチューブと、を含むことを特徴とする、請求項2に記載の半導体デバイス。

請求項8

前記半導体デバイス・ダイは、フリップチップ・ダイ電極構造を有する発光ダイオードデバイス・ダイを含むことを特徴とする、請求項2に記載の半導体デバイス。

請求項9

コンタクトパッドを定める前記ナノチューブ領域の前記ナノチューブは、主にナノロッドであることを特徴とする、請求項2に記載の半導体デバイス。

請求項10

前記ヒートシンク支持構造体は、該支持構造体内に横方向に設けられ、内部に前記ナノチューブ領域の少なくとも幾つかが配置されたマイクロチャネルをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の半導体デバイス。

請求項11

前記マイクロチャネル内に配置された熱輸送流体をさらに含むことを特徴とする、請求項10に記載の半導体デバイス。

請求項12

前記マイクロチャネルを通して前記熱輸送流体を循環させる能動冷却システムをさらに含むことを特徴とする、請求項11に記載の半導体デバイス。

請求項13

前記能動冷却システムは、ポンプ及び熱交換器を含む再循環式能動冷却システムであることを特徴とする、請求項12に記載の半導体デバイス。

請求項14

前記マイクロチャネル内部に配置された前記ナノチューブは、該マイクロチャネルに概ね垂直に配向されることを特徴とする、請求項10に記載の半導体デバイス。

請求項15

前記ナノチューブは、主にナノスプリングであることを特徴とする、請求項14に記載の半導体デバイス。

請求項16

前記マイクロチャネルの表面を覆う触媒層をさらに含み、該マイクロチャネル内部に配置された前記ナノチューブは、前記触媒層から該マイクロチャネルの中心に向って延びることを特徴とする、請求項10に記載の半導体デバイス。

請求項17

前記ヒートシンク支持構造体は、第1の接合面を持つ第1の構造体部分と、前記第1の接合面に平行な第2の接合面を持つ第2の構造体部分と、をさらに含み、前記第1及び第2の接合面は互いに完全に接触し、前記マイクロチャネルは、該第1及び第2の接合面の少なくとも1つにある溝によって定められることを特徴とする、請求項10に記載の半導体デバイス。

請求項18

前記第1及び第2の接合面の少なくとも1つは、該第1及び第2の接合面を互いに陽極接合する酸化物層を含むことを特徴とする、請求項17に記載の半導体デバイス。

請求項19

前記マイクロチャネルは、円形長方形正方形三角形八角形、及び五角形からなる群から選択される断面形状を有することを特徴とする、請求項10に記載の半導体デバイス。

請求項20

半導体デバイスを製造する方法であって、半導体デバイス・ダイをダイ支持体取付けるステップと、ナノチューブを含み、前記取付けられた半導体デバイス・ダイから熱を除去するように構成されるナノチューブ領域を、前記ダイ支持体の上又はその内部に形成するステップと、を含む方法。

請求項21

ナノチューブ領域を形成する前記ステップは、前記ダイ支持体から概ね離れる方向に延びるナノチューブを含むボンディングバンプを定めるナノチューブ領域を、該ダイ支持体上に成長させるステップを含み、前記半導体デバイス・ダイを前記ボンディング・バンプを介して取付けることを特徴とする、請求項20に記載の方法。

請求項22

ナノチューブ領域を形成する前記ステップは、前記ダイ支持体の少なくとも一部の上に触媒層を堆積させるステップをさらに含み、前記ボンディング・バンプの前記ナノチューブを前記触媒層の上に選択的に成長させることを特徴とする、請求項21に記載の方法。

請求項23

ナノチューブ領域を成長させる前記ステップは、主に内部が詰まったナノロッドであるナノチューブを成長させるステップを含むことを特徴とする、請求項21に記載の方法。

請求項24

前記ボンディング・バンプを1つ又はそれ以上の金属層で覆い、金属コーティングされたボンディング・バンプを形成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項21に記載の方法。

請求項25

半導体デバイス・ダイをダイ支持体に取付ける前記ステップは、前記半導体デバイス・ダイのダイ電極を前記金属コーティングされたボンディング・バンプに熱超音波によって接合するステップを含むことを特徴とする、請求項24に記載の方法。

請求項26

前記半導体デバイス・ダイが発光ダイオード・ダイであり、半導体デバイス・ダイをダイ支持体に取付ける前記ステップは、前記発光ダイオード・ダイを前記ボンディング・バンプにフリップチップ接合するステップを含むことを特徴とする、請求項21に記載の方法。

請求項27

ナノチューブ領域を形成する前記ステップは、マイクロチャネルを前記ダイ支持体内に定めるステップと、前記ナノチューブ領域の少なくとも幾つかを定めるナノチューブを前記マイクロチャネル内部に成長させるステップと、を含むことを特徴とする、請求項20に記載の方法。

請求項28

前記マイクロチャネルは、前記取付けられた半導体デバイス・ダイから離れる方向に延びるように設けられることを特徴とする、請求項27に記載の方法。

請求項29

前記マイクロチャネル内に熱輸送流体を配置するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項28に記載の方法。

請求項30

前記マイクロチャネルを通して作動流体を流すステップをさらに含むことを特徴とする、請求項27に記載の方法。

請求項31

前記ダイ支持体は第1及び第2のウェハを含み、マイクロチャネルを定める前記ステップは、前記第1のウェハの接合面に溝をエッチングするステップと、前記第2のウェハを前記第1のウェハの前記接合面に接合するステップと、を含むことを特徴とする、請求項27に記載の方法。

請求項32

前記第2のウェハを前記第1のウェハの前記接合面に接合する前記ステップは、該第2のウェハを該第1のウェハの該接合面に陽極接合するステップを含むことを特徴とする、請求項31に記載の方法。

請求項33

ナノチューブ領域を形成する前記ステップは、前記ダイ支持体の少なくとも一部の上又はその内部に触媒層を堆積させるステップと、前記触媒層の上にナノチューブを成長させるステップと、を含むことを特徴とする、請求項20に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、電子技術に関する。本発明は、特に、照明用途のためのフリップチップ接合発光ダイオードに関するものであり、それに特に関連して説明される。しかしながら、本発明は、他の電子デバイスダイボンディング及び冷却に関連しても用途がある。

背景技術

0002

発光ダイオードは、戸外ディスプレイ及び信号、室内照明、並びに高レベル光出力を必要とする他の用途に、ますます多く使用されている。光出力の向上を達成するために、これらのデバイスは、ますます大きな電流で駆動されるようになっており、性能が熱的に制限される結果となっている。

0003

熱の除去を改善するために、フリップチップ方式取付けられる発光ダイオードが開発されてきた。フリップチップ構成においては、活性発光層を透明基板上に成長させ、該発光層の上に前面接点を形成し、光が該透明基板を通して放出されるように、前面を下にして、ダイを、リードフレームヒートシンク部品、又は補助マウント接合する。フリップチップ構成は、発熱する活性層ヒートシンク基板又は補助マウントの近くに配置するものであり、かつ、接点による遮蔽を最小にするものである。

0004

しかしながら、フリップチップ接合は、幾つかの欠点を持っている。ダイボンディングには、通常は、ハンダ付けが用いられる。これは、活性層の近くでデバイスを劣化させる可能性のある大きな熱発生を伴う。ダイを補助マウントに接合する場合には、2つのハンダ付け工程(ダイから補助マウントへのハンダ付け工程、及び補助マウントのハンダ付け工程)が必要である。第2のハンダ付け工程の間に第1のハンダ接合が安定した状態を保つように、第1のハンダ付け工程は、より高い温度で行われることが好ましい。さらに、信頼性のために、比較的厚いハンダバンプが使用されることが多い。これらの厚いハンダ・バンプは、発光ダイオード・ダイからの熱輸送を制限する可能性がある。

0005

本発明は、上述の制限などを克服する改善された装置及び方法を意図するものである。

0006

1つの態様によれば、半導体デバイス・ダイを含む半導体デバイスが開示される。ヒートシンク支持構造体が準備され、その上に半導体デバイス・ダイが配置される。ナノチューブを含むナノチューブ領域が、ヒートシンク支持構造体の表面上又はその内部に設けられる。ナノチューブ領域は、半導体デバイス・ダイからヒートシンク支持構造体への熱輸送に寄与するように設けられる。

0007

別の態様によれば、半導体デバイスを製造する方法が提供される。半導体デバイス・ダイが、ダイ支持体に取付けられる。ナノチューブを含むナノチューブ領域が、ダイ支持体の上又はその内部に形成される。ナノチューブ領域は、取付けられた半導体デバイス・ダイから熱を除去するように構成される。

0008

業者であれば、以下の詳細な説明を読んで理解することによって、本発明の多くの利点及び利益が明らかになるであろう。

発明を実施するための最良の形態

0009

本発明は、種々の部品及び部品の配置として、並びに、種々の加工工程及び加工工程の組合せとして、具体化することができる。図は、好ましい実施形態を説明することのみを目的としており、本発明を制限するものとして解釈すべきではない。デバイスの図は、尺度に合わせて描かれてはいない。

0010

図1を参照すると、フリップチップ発光ダイオード・ダイ10が、ダイボンディングのための位置に示されている。発光ダイオード10は、透明基板12と、該基板12上に堆積した活性層14、16、18とを有する。1つの適切な実施形態においては、透明基板は、サファイア又はシリコンカーバイドであり、活性層14、16、18は、(有機金属気相エピタキシなどの類似名称でも知られる)金属−有機物化気相堆積分子線エピタキシ、又は別のエピタキシャル膜成長技術によって堆積させる。活性層14、16、18は、GaNベースのp−on−n型又はn−on−p型の発光ダイオード構造を定め、その中で、層14、18は逆の導電型であり、中間層16は、外側の層14、18からの電子及び正孔再結合する電子−正孔対再結合領域を定める。

0011

幾つかのGaNベースの発光ダイオードにおいては、層16は省かれ、放射性再結合は、主に層14、18の接合部周辺で生じる。さらに、ウインドウ層高濃度ドープされた接触層などといった付加的な活性層を含ませることができる。エピタキシャル成長を改善するために、(窒化アルミニウムなどの)成長緩衝層を成長させることができる。さらに、GaNベースのダイオード以外に、InAlGaPベースのダイオード、III族ヒ化物ベースのダイオードなどといった他の種類のダイオードを用いることもできる。

0012

活性層14、16、18は、最上層16、18を含むメサを定めるように、好ましくはリソグラフ加工される。電極20、22は、メサ外及びメサ上に形成され、それぞれ層14、18に電気的に接触する。適切な実施形態においては、電極は、ニッケル拡散層及び金ダイボンディング層などの、薄い接着及び拡散障壁層24と、より厚いダイボンディング層26とを含む。チタン又は別の材料の接着層(図示せず)を含ませることもできる。両電極20、22について層材料24、26が示されるが、それぞれ層14、18の各々に適した電極安定性電気的接触特性とを生じさせるために、異なる材料、及び/又は、より多くの又はより少ない層を、電極20、22に設けることができる。

0013

フリップチップ発光ダイオード・ダイ10は、補助マウント、プリント回路基板などとすることができるヒートシンク支持アセンブリ30にダイボンディングされる。支持アセンブリ30は支持体32を含み、その上に導電層34、36が配置される。導電層34、36は、必要に応じて、プリント回路相互接続メタライゼーションワイヤボンディングパッドなどの一部である。導電層34、36は、発光ダイオード・ダイ10にエネルギーを与えて発光させるために、外部回路(図示せず)に接続される。

0014

導電層34、36の各々の上には、それぞれボンディング・バンプ40、42が配置される。ボンディング・バンプ40、42は、発光ダイオード10の電極20、22の配置と一致するように設けられる。ボンディング・バンプ40、42は、金属、合金、又は、ナノチューブ成長の核となるのに適した別の材料からなる触媒層50を含む。ナノチューブ54を含むナノチューブ領域52を、触媒層50の上に成長させる。幾つかの例示的なナノチューブ54が概略的に図1に示されるが、ナノチューブ配列密度は示されるものより高いことが好ましく、1つの好ましい実施形態においては、ナノチューブ密度は、隣り合うナノチューブ同士が時々接触する程度の高さである。

0015

炭素化合物又はホウ素化合物単壁ナノチューブ又は多重壁ナノチューブを、化学気相堆積法又は別の適切な堆積法によって、触媒層50の上に適切に成長させる。化学気相堆積法においては、触媒層50は、高温炭化水素環境に曝される。当該技術分野において知られているように、ナノチューブは、特定の環境温度並びに炭化水素環境の組成及び圧力といった条件下で自然に形成される。ナノチューブの成長は、温度並びに環境の組成及び性質を選択し、成長時間を調節することによって、制御することができる。好ましくは、成長条件は、図1に概略的に示されるように、概ね触媒層50から離れる方向に延びて触媒層50と垂直に成長する、高密度の概ね平行なナノチューブを形成するように選択される。

0016

ナノチューブ領域52は、フリップチップ発光ダイオード10を支持アセンブリ30にダイボンディングするためのナノチューブ・ボンディング・バンプを定める。ナノチューブ・ボンディング・バンプは、ダイボンディング用の金属層スタック60で覆われることが好ましい。1つの適切な実施形態においては、各々のボンディング・スタック60は、チタンの接着層62と、ニッケルの拡散障壁層64と、金のダイボンディング層66とを含む。発光ダイオード・ダイ10は、ダイボンディングのための位置に、ボンディング前の状態で示されている。好ましい実施形態においては、ダイボンディングは金−金の熱超音波ボンディングによって行われ、その際に、支持アセンブリ30は、ボンディング・バンプの金層66を発光ダイオード10の対応する電極金層26に接触させた状態で、約150℃に加熱される。超音波エネルギーが加えられると、金層26と66が接合し、その後は約600℃まで熱的に安定なダイ接着を形成する。熱超音波ボンディングが好ましいが、必要に応じてハンダ付け又は他のダイボンディング技術がダイボンディングに用いられる。

0017

接合されると、ナノチューブ領域52は、発光ダイオード10と基板30との間に熱伝導性の高い経路を提供する。典型的なハンダは、約25〜60W/mKの熱伝導率を有し、信頼性のために25ミクロンより大きいバンプ高を持つが、それに対してカーボン・ナノチューブは、発光ダイオード又は他の電子デバイスの典型的な動作温度範囲である約0〜150℃にわたって、典型的には1000W/mKを越える熱伝導率を示す。さらに、ナノチューブは、一般に電気伝導性であり、発光ダイオード10にエネルギーを与えるための電気的経路となる。

0018

ナノチューブは、ナノチューブの軸に沿って最大の熱伝導率を持つ非等方的な熱的性質を有し、したがって、図1に示される概ね整列した好ましいナノチューブの方向は、発光ダイオード10から基板30に向かって最大の熱伝導を生ずる。都合の良いことに、触媒層50から概ね離れる方向に延びるナノチューブ54は、典型的には、適切な堆積条件下で自然に成長する。幾つかの又はほとんどのナノチューブについて、図1に示される概ね整列した真っ直ぐなナノチューブの方向から外れる多少の曲がり、絡み合い、又は他の偏位が考えられるが、これによって、ナノチューブ領域52の実質的な利点である熱的及び電気的性質が無くなるものではない。例えば、ナノスプリングとも呼ばれる、大部分がらせん状のナノチューブは、一定の堆積条件下で形成される。さらに、ナノチューブ54は、実質的に内部が詰まったものとすることができる。内部が詰まったナノチューブは、当該技術分野においてナノロッドとしても知られている。ボンディング・バンプのナノチューブ領域52のナノチューブ54は、十分な熱伝導をもたらすように、(約百ナノメータ又はそれ以上の直径に相当する)比較的大きな断面積を持つ円柱状のナノロッドであることが好ましい。

0019

当業者であれば、上述の例示的なフリップチップ発光ダイオード・ダイ10及び/又は基板30を、付加的な又は幾つかの活性層、異なる基板、及び/又は、活性層材料などを含むように容易に変更することができる。発光ダイオード・ダイにはまた、既知の製造技術を用いて、前面接点ではなく裏面接点を構成することができる。さらに、他の種類の半導体デバイスを同様に接合することができる。例えば、ナノチューブ・ベースのボンディング・バンプにトランジスタをダイボンディングすることができるであろう。さらに、3つ以上の電極をダイボンディングできることが分かるであろう。例えば、複数の対応するナノチューブ・ベースのボンディング・バンプを用いて、多数の電極を含むマイクロプロセッサチップをダイボンディングすることができる。

0020

必要に応じて、ナノチューブ・ベースのバンプと、従来の銅又は他の金属のボンディング・バンプとの両方を、ボンディング・パッド構成に利用することが考えられる。こうした構成においては、ナノチューブ・ベースのボンディング・バンプを、好ましくは高熱流束領域に設け、一方従来の銅ボンディング・バンプを、より低温デバイス領域に使用することができる。ボンディング・バンプの具体的な構成又は分布は、用途及び熱管理を考慮することによって選択される。さらに、局所的なナノチューブ・ベースのボンディング・バンプを使用するのではなく、補助マウントの表面全体をナノチューブで覆って、熱除去と横方向への熱拡散の両方をもたらすことができる。こうした一様な構成においては、電気伝導性の問題を考慮すべきである。一様なナノチューブ層は、ボンディング・パッド又はデバイス間を電気的に分離するようにパターン形成することができる。代替的に、バンプを、補助マウント又は基板上ではなく、活性デバイス、すなわち、LED、トランジスタなどの上に作成することができる。同様の金属終端スタックを使用することができるであろう。

0021

引き続き図1を参照し、さらに図2を参照して、ボンディング・バンプ40、42を作成するための適切な工程70を説明する。工程70は、図1に示される導電層34、36のような導電層を含む取付又は支持アセンブリを準備することから始まる72。導電層は、プリント回路、相互接続メタライゼーション、ワイヤ・ボンディング・パッドなどとすることができる。触媒層材料が、堆積によって、取付又は支持アセンブリ上に付加される74。堆積層は、好ましくはリソグラフィによってパターン形成され76、ボンディング・パッドの領域を除いて除去されて、図1に示されるリソグラフィで定められた触媒層50を残す。

0022

パターン形成76の後、適切な環境の化学的性質及び圧力と、処理温度と、同様の成長パラメータとを用いる化学気相堆積によって、ナノチューブ領域52を成長させる80。ホウ素合金ナノチューブの場合には、化学気相堆積においてボロン含有環境が用いられる。ナノチューブ領域52は、リフトオフ方式のメタライゼーション工程82、84、90、92において金属化される。リフトオフ工程においては、レジストを塗布し82、続いて、ナノチューブ領域52を露出させるようにリソグラフィによってパターン形成を行う84。適切な順序金属層を堆積させ90、レジストを除去又は剥離する92。レジスト剥離92の際に、覆っている金属層は、ナノチューブ領域52を除いてリフトオフされ、ナノチューブ領域52には、金属が、図1に示される支持アセンブリ30のダイボンディング用金属層スタック60として残る。

0023

リフトオフ工程82、84、90、92を用いるのではなく、別の適切なリソグラフ加工手順(図示せず)の場合には、最初に金属を堆積させ、続いて、ナノチューブ・バンプ上の堆積金属を保護するためにレジスト塗布及びパターン形成を行う。次いで、露出した金属をエッチングで除去し、ナノチューブ・バンプ上に金属のみを残す。最後に、ナノチューブ・バンプ上のレジストを剥離させる。

0024

図3を参照すると、シリコン・ウェハ96上に成長した例示的なカーボン・ナノチューブ・バンプ92のアレイが示される。各々のナノチューブ・バンプ92は、高密度の概ね整列したナノチューブを含む。ナノチューブは、金属−有機物化学気相堆積(MOCVD、有機金属気相エピタキシなどの類似名称としても知られている)によって成長させた。しかしながら、他の種類の化学気相堆積、並びに、熱蒸着レーザアブレーション、及びスパッタリングなどといった他の堆積技術を利用することもできる。さらに、カーボン・ナノチューブの代わりに、窒化ホウ素、シリコン、銅、又は別の適切な材料からなるナノチューブを使用することができる。

0025

適切なナノチューブ・バンプ成長工程においては、シリコン基板を、脱イオン水洗浄し、次いで空気中において700℃で5分間アニールして、実質的に均一な酸化物層を形成し、あらゆる付着有機材料を除去する。洗浄されたシリコン・ウェハは、金属マスクと、約365nmで作動するUVランプとを用いて、リソグラフィによってパターン形成する。フォトレジストは、ナノチューブ・バンプの堆積前に現像され、後硬化される。フォトレジストを感光させることができる限り、いかなる波長使用可能である。

0026

ナノチューブの堆積は石英反応管の中で行われ、石英反応管は、1つの適切な実施形態においては、2つの温度ゾーン、すなわち反応管の入口にある短いゾーンと、反応及び堆積が行われる長い領域とを持つ直径2.5cmの石英管を含む。典型的な堆積においては、第1のゾーンは、約175℃に設定され、気体入口と、スプレーヘッドとして用いられるクリンプされた端部を持つ毛細スチール管とを含む。第2のゾーンは、約750℃から950℃の間に設定されたクラムシェル型炉の中にある。より高い温度は、より真っ直ぐなナノチューブを生成する傾向があるが、被覆密度を減少させる可能性がある。1つの実施形態における石英反応管の等温ゾーンは約30cmの長さであり、その長さにわたって約20℃の温度変動がある。

0027

基板を反応管の中に装填した後、系を約1標準リットル毎分(SLPM)の乾燥アルゴンガスパージし、その後、同じ流速においてガス組成アルゴン中の約10%水素に変える。2つのオーブン・ゾーンを、それらのターゲット温度まで加熱する。平衡化のために約15分間中断の後、炭素源及び触媒を含む炭化水素環境を導入する。

0028

炭化水素環境は、炭素源と揮発性金属種との混合物熱分解することによって適切に生成される。1つの適切な堆積処理においては、炭素源はキシレンなどの芳香族炭化水素であり、触媒作用を持つ揮発性金属種はフェロセンジシクロペンタジエニル鉄、CAS♯102−54−5)である。キシレン中触媒濃度は、約12ミリグラム/mlである。フェロセンのキシレン溶液は、シリンジポンプによって約45マイクロリットル/minの速度で導入される。約5mlの溶液が導入された後、系は、全ての揮発物を確実に除去するために10分間その温度に保持され、次に、10%水素から純アルゴン切り替える前に200℃以下に冷却される。反応管が冷却ファンによって室温に達したとき、管を開いてコーティングされた基板を取り出す。

0029

上記の例示的な条件は、典型的には、平均の長さが約120から150ミクロンの整列した多重壁カーボン・ナノチューブ及び単壁カーボン・ナノチューブの混合物を生成する。幾つかの多重壁チューブは、約25nmの直径を持つ。チューブは、典型的には、触媒からの残留鉄を含む。

0030

説明した成長工程は単なる例示であることが分かるであろう。当業者であれば、利用可能な堆積装置を用いて特定の用途に適したナノチューブ領域を形成するために、容易に、説明した成長工程を適合させるか又は他の成長工程を適用することができる。例えば、視射角堆積(GLAD)などの物理気相堆積を利用して、主にナノカラム、ナノロッド、又は引き延されたナノスプリングの形状のナノチューブを作成することができる。整列したパターンのナノチューブについての他の手法は、ナノ接触プリンティングと、ナノチューブ成長触媒を基板上に施す他の方法とを含む。

0031

図1から図3を参照して、1つの例示的で適切な発光デバイスの実施形態を説明したが、この場合には、ナノチューブ領域52は、発光ダイオード10からヒートシンク支持アセンブリ30への熱伝導性の高い経路を提供することによってヒートシンクを促進するように、ダイボンディング・バンプ40、42の要素として構成される。ヒートシンク支持アセンブリ30は、それ自体が熱を放散させる実質的な熱溜めとなるか、又は、熱伝導性で、熱を放散する熱溜めと熱的に連絡するヒートシンク補助マウントとなることができる。

0032

ヒートシンク補助マウント構成の場合には、補助マウントが、該補助マウントを横方向に横切って熱を分散させ、取付けられた電子デバイスから迅速に熱を除去し、下方の熱溜めへの迅速な熱の放散を促進することを確実にすることによって、熱放散が改善される。高出力の発光ダイオードの場合には、ヒートシンク補助マウントは、典型的にはシリコン又はシリコン・カーバイドのウェハから作られるが、このウェハは、比較的高い熱伝導性を持ち、実質的に電気的絶縁を形成することができる。

0033

ヒートシンク補助マウントの横方向の熱移動を改善するために、横方向の熱分散膜又は構造体98が、必要に応じて補助マウント上に形成される。1つの好ましい実施形態においては、構造体98は、化学気相堆積、多結晶堆積などによって成長させたダイヤモンド膜である。考えられる別の実施形態においては、構造体98は、補助マウント表面を実質的に覆うナノチューブを有する。この目的のために、熱伝導性ではあるが実質的に電気絶縁性である窒化ホウ素のナノチューブを使用することが効果的である。熱伝導性の熱分散膜98は、2つ以上の発光ダイオード・チップを単一の補助マウントに取付けるために、小さな発光ダイオード・チップを十分に大きな補助マウントに取付けるために、及び、補助マウントの側面積が1つ又はそれ以上の取付けられた発光ダイオードの側面積と比べて大きい他の構成のために、特に効果的である。

0034

図4及び図5を参照して、ナノチューブ領域がヒートシンク補助マウント100の中に熱を分散させるように構成されている本発明の別の実施形態を説明する。この実施形態は、ナノチューブを用いる改善された横方向熱移動についての別の機構を提供するものである。当業者であれば、電子機器支持要素の中の良好な横方向熱移動は、マイクロエレクトロニクス及びフォトニクスの多くの分野にとって一般に有益であり、その有益性は発光ダイオードに限らないことが分かるであろう。マウント内の効率的な横方向熱移動は、フリップチップ・ボンディング構成及び従来のボンディング構成の両方において、電子チップ又は光チップの冷却を促進する。こうした特定の用途については、高い熱伝導性と低い電気伝導性とを組み合わせるために、窒化ホウ素ナノチューブを用いるのが有利である。このように、窒化ホウ素ベースのナノチューブは、熱伝導性の高い電気的絶縁領域を設けるのに特に適している。

0035

補助マウント100は、下部のシリコン補助マウント・ウェハ102と、上部のシリコン補助マウント・ウェハ104とを含み、これらは、間に配置された酸化膜106を介して陽極接合される。陽極接合ではなく、接着接合又は他の種類の接合を利用することができる。パターン形成された導電層110が、上部補助マウント・ウェハ104の露出面112上に配置される。ダイボンディング・パッド114が、導電層110の上に設けられる。導電層110は、ボンディング・パッド114にダイボンディングされる発光ダイオード、マイクロプロセッサ・チップ、又はトランジスタなどの半導体デバイス116に、電力を供給する。ダイボンディング・パッド114は、必要に応じて、図1のナノチューブ領域52のようなナノチューブ・バンプを含む。

0036

複数の熱伝導マイクロチャネル120が図4に透視的に示され、該マイクロチャネル120の1つが、図5に断面として示されている。平面図(図4を参照せよ)に示されるように、マイクロチャネル120は、ダイボンディング領域から外側に向かって、様々な横方向に延びている。(ダイボンディング領域は、取付けられた半導体デバイス116からの熱がヒートシンク補助マウント100に注入されるボンディング・パッド114周辺の領域である。) 断面図(図5を参照せよ)に示されるように、各々の熱伝導マイクロチャネル120は、上部補助マウント・ウェハ104によって覆われる(より具体的には、酸化物層106によって覆われる)下部補助マウント・ウェハ102の中に形成された溝122によって定められる。溝122は、数ミクロンから数十ミクロンまでの幅を持つことが好ましい。連結されていない複数のマイクロチャネル120が図4に示されているが、その代わりに、マイクロチャネルは、ダイボンディング領域において溝122を交差させることによって相互に連結することができる。

0037

触媒コーティング124が、マイクロチャネル120の表面に施される。触媒コーティング124上に成長させたナノチューブ126を含む熱伝導率増強ナノチューブ領域が、マイクロチャネル120の内部に配置される。図5においては、幾つかの例示的なナノチューブ126が溝122の底部から延びていることが概略的に示されるが、ナノチューブ密度は、図5に示されるものより高いことが好ましく、ナノチューブは、溝122の底部に加えて溝122の様々な側面からマイクロチャネル120内に延びることが好ましい。

0038

マイクロチャネル120は、ダイボンディング領域から離れる横方向への熱伝導を促進する。図5の例示的な実施形態においては、マイクロチャネル120は、水などの流体蒸発凝縮サイクルによってダイボンディング領域から熱を除去するヒートパイプとして作動する。流体は、ダイボンディング領域の近くで、半導体デバイス116により生じた熱によって蒸発し、(図5において陰影で表されている)流体蒸気130が発生する。流体蒸気130は、ダイボンディング領域から離れて、マイクロチャネル120の長さ方向に沿って拡散する。ダイボンディング領域から離れたマイクロチャネル120の端部では、流体蒸気130が凝縮して流体液滴132を生ずる。熱は、拡散する蒸気によって運ばれ、凝縮過程で放出される。凝縮した流体は、集まってダイボンディング領域に向って還流し、そこで再蒸発して蒸発/凝縮サイクルを完結させる。

0039

ヒート・パイプによる蒸発/凝縮熱移動の代わりに、又はそれに加えて、マイクロチャネルは、該マイクロチャネル内に配置された実質的に連続な液体又は気体を介した熱伝導によって作動することができる。例えば、マイクロチャネルは、空気を充填したものか、又は水を充填したものとすることができる。

0040

マイクロチャネル120による熱移動は、幾つかの方法でナノチューブ126によって促進される。ナノチューブ126は、溝122の表面との改善された熱的結合をもたらし、作動流体からヒートシンク補助マウント100の材料全体への熱移動を促進する。ナノチューブ126はまた、流体の混合を促進する。さらに、ナノチューブ126は、マイクロチャネル内の毛管作用を高め、凝縮した流体のダイボンディング領域への還流を促進する。さらにまた、ナノチューブ126は、溝122の表面に乱流を発生させる。この乱流は、溝122の表面における澱んだ流体層の生成を抑制する。ナノ構造体は、流れ全体は層流であるにもかかわらず、局所的な乱流と見なすことができる流れの乱れを生じさせる。乱流を生じさせるために、及び、マイクロチャネル120の内部領域から溝の表面に熱を運ぶために、溝の表面から概ね内部に向って延びる、すなわち溝の軸に概ね垂直に整列するナノチューブの自然に形成される配列が、特に有利であることが分かるであろう。しかしながら、ある成長条件で形成される、あまり理想的ではないナノチューブ構成からも、実質的な利点が得られるであろう。

0041

引き続き図4及び図5を参照し、さらに図6を参照して、補助マウント100を製造するための適切な工程140を説明する。下部補助マウント・ウェハの加工は溝を形成すること142から開始し、溝の形成は、塗布されパターン形成されたレジストが溝122の横方向の寸法を定める、リソグラフィによるパターン形成エッチングを含むことが適切である。選択された溝の形状、又は、切子面のある溝の表面若しくはそれ以外の形状にされた溝の表面を定めるために、必要に応じて非等方的エッチングが用いられる。

0042

堆積144の際には、触媒コーティングが溝の表面に施される。触媒コーティングは、ナノチューブの核成長に効果的な金属又は他の薄膜である。適切な実施形態においては、溝の形成142に用いられたパターン形成済みのレジストを剥離する前に触媒コーティングが施され、その結果、該レジストは、触媒の堆積144のためのマスクにもなる。ナノチューブ126を、化学気相堆積によって成長させる146。適切な環境の化学的性質、圧力、温度、及び他の成長パラメータについて、選択された性質を持つナノチューブ領域が、触媒コーティングされた溝122の表面上に成長する。整列したパターンのナノチューブについての他の手法として、視射角堆積(GLAD)と、ナノ接触プリンティングと、ナノチューブ成長触媒を基板上に施す他の方法とを挙げることができる。

0043

別の加工においては、上部補助マウント・ウェハの酸化、例えば酸素リッチな環境中における上部補助マウント・ウェハの熱酸化によって、酸化物層106が形成される150。上部補助マウント・ウェハの酸化された表面は、溝122がエッチングされた下部補助マウント・ウェハの表面に接合される152。好ましい接合工程においては、2つのウェハは、機械的圧力電気的バイアス付加の組合せによって、互いに陽極接合される。しかしながら、他の種類の接合を利用することもできる。接着剤の使用による接合などといった特定の接合工程については、酸化工程150は省略するのが適切である。

0044

ウェハ接合工程152の前に、又はその際に、必要に応じて、作動流体130、132が溝の中に導入される。作動流体として空気を想定する場合には、作業空気流体は、接合工程の際に溝122に自然に閉じ込められる。水又は別の液体の作動流体の場合には、接合工程152の前に、スクイージなどを使用して下部補助マウント・ウェハ102上で流体を回転させることにより、流体を導入することができる。空気以外の気体の作動流体の場合には、所望の作業気体密閉された溝122の中に閉じ込められるように、ウェハ接合工程152を適切な環境中で行うことがある。結果として得られる接合されたウェハ・アセンブリは、好ましくは、導電層110を堆積させてパターン形成し、ボンディング・バンプ114を形成し、接合されたウェハ・アセンブリをダイシングして個々の補助マウントを作成するなどといった、さらなる処理156を経る。

0045

図4から図6の装置100及び製造工程140においては、溝は、下部補助マウント・ウェハ102内のみに形成される。しかしながら、それに代えて、上部補助マウント・ウェハ内に溝を形成することができる。さらに、一致する溝を、下部補助マウント・ウェハと上部補助マウント・ウェハの両方に形成し、ウェハ接合の際に合わせて、マイクロチャネルを定めることができる。さらにまた、マイクロチャネルは、図示された放射状の直線形状以外に、横方向の形状を持つことができる。例えば、熱を補助マウントの横方向に渡って広げて分布させるために、長方形のマイクロチャネル・グリッド、又は、直径が次第に大きくなる同心円状マイクロチャネルのアレイを用いることができる。マイクロチャネル領域は、補助マウントを通して横方向以外にも延ばすことができる。例えば、補助マウントに概ね垂直に配向したビアの中にマイクロチャネルを配置して、補助マウントを通した熱移動を促進することができる。

0046

マイクロチャネル120は、円形、長方形、正方形三角形八角形五角形、又は他の断面形状などの、実質的にあらゆる断面形状を持つものとすることができる。チャネル壁水力直径Dhは、断面積Across及び濡れ縁Pwetを用いて、Dh=(4Across)/Pwetに従って定められる。水力直径Dhは、濡れ縁Pwetに対する断面積Acrossの比に対応するので、良好な熱伝導のためには、大きなAcross/Pwet比を持つ断面形状が好ましい。

0047

図7及び図8を参照して、能動的に冷却されるマイクロチャネルを使用する補助マウントを説明する。発熱デバイス200が、能動的に冷却される補助マウント202に接合される。発熱デバイス200は、高出力発光ダイオード、マイクロプロセッサ・チップなどとすることができる。より一般的には、デバイス200は、大量の熱を発生し、能動的に冷却されることが都合がよいいずれかの種類のデバイスとすることができる。補助マウント202は、互いに接合された上部204と下部206とを含む。1つの好ましい実施形態においては、上部204はシリコン・ウェハであり、一方、下部206は可撓性ガラスでできている。しかしながら、他の材料を用いることもできる。

0048

シリコン製の上部204の接合面は、入口流体溜め210及び出口流体溜め212と、流体溜め210、212を連結する複数のマイクロチャネル214とを定めるために、機械加工又はリソグラフ加工される。下部206は、より大きな入口流体溜め220及び出口流体溜め222を含み、これらはそれぞれ、シリコン製上部204の入口流体溜め210及び出口流体溜め212に連結する。流体流入口226が、下部206内に形成され、入口流体溜め220と流体連通している。流体流出口228が、下部206内に形成され、出口流体溜め222と流体連通している。これらの構造は、機械加工、リソグラフ加工などによって形成することができる。補助マウント202の下部206及び上部204は、接着剤、機械圧着、又は他の適切な接着方法によって相互に固定される。

0049

再循環冷却システム230が、流体流入口226と流体流出口228との間に接続される。再循環冷却システム230は、軸流ポンプ遠心ポンプ、又は他の種類のポンプとすることができるポンプ232と、熱交換器234とを含む。図7の矢印は、再循環冷却システム230及び補助マウント202を通って流れる作動流体の流れの方向を示す。作動流体は、水、誘電性流体、油などとすることができる。熱交換器234は、熱電冷却装置パッシブラジエータなどとすることができる。さらに、閉ループ冷却システムの代わりに、開ループ冷却システムを使用することができる。冷却システム230の構成要素232、234は、補助マウント202から分離させて、流体通路によって補助マウント202の流体流入口226及び流体流出口228に接続するように図示されているが、冷却システムの幾つかの構成要素又は全ての構成要素を、補助マウントに取付け、補助マウントによって支持することも考えられる。

0050

マイクロチャネル214は、補助マウント202から循環流体への熱移動を促進するために、実質的に整列した状態で該マイクロチャネル214の壁から内部に延びるナノチューブ240(図7に概略的に示されている)を含む。ナノチューブ240は、マイクロチャネル214がシリコンの上部204内に形成された後であってシリコンの上部204が下部206に固定される前に、適切に堆積させる。補助マウント202から作動流体への熱除去量は、ナノチューブ240の表面積と、ナノチューブ240が発生させる流体乱流との関数であるため、例えば図7に概略的に表されているナノスプリング240のようならせん状又は他の形状に曲がったナノチューブが好ましい。しかしながら、真っ直ぐな中空ナノチューブ、内部が詰まったナノロッド、又は他の形状のナノチューブを用いることもできる。

0051

ナノチューブ240の密度及び平均の長さは、流体の良好な流れを可能にすると同時に熱移動を最大にするように選択される。水力直径Dhに対するナノチューブの高さの比が(マイクロチャネル214の断面積を実質的に完全に埋めるナノチューブに相当する)1に近いと、良好な熱移動はもたらされるが、流体流れが実質的に妨げられるおそれがある。水力直径Dhに対するナノチューブの高さの比がより低いと、補助マウント202から作動流体への熱移動の減少を犠牲にして、流体流れが強められる。同様に、マイクロチャネル214の壁上におけるナノチューブ240の密度は、0%近く(低いナノチューブ密度)から100%近く(高いナノチューブ密度)までの範囲で選択することができる。より高いナノチューブ密度は熱移動を促進し、一方、より低いナノチューブ密度は流体流れを強める。

0052

直径0.2mmのマイクロチャネルを用いて高出力発光ダイオードを冷却することに関して、コンピュータモデルは、発光ダイオードの真下の約10個のマイクロチャネルと、デバイスの両側に1個ずつのマイクロチャネルと(図8に示されるように、全部で12個のマイクロチャネル)が、発光ダイオードを冷却するのに適していることを示唆する。しかしながら、12個を超える付加的なマイクロチャネルを用いることができ、また、平坦冷却板、すなわち、内部にナノチューブが形成され、発熱デバイスの下に位置する補助マウントの範囲において流体流れと熱除去とをもたらす、上部補助マウントの薄い平坦なエッチングされた領域で、マイクロチャネル214を置き換えることも考えられる。

0053

好ましい実施形態を参照して本発明を説明した。当業者であれば、明らかに、上記の詳細な説明を読んで理解することによって、修正及び変更に想到するであろう。本発明は、すべてのこうした修正及び変更が特許請求の範囲又はその均等物の範囲に入る限り、これらの修正及び変更を含むものであると解釈されることが意図される。

図面の簡単な説明

0054

ナノチューブ領域を含むダイボンディング・バンプを有するヒートシンク支持構造体にフリップチップ方式でダイボンディングされる位置にある、フリップチップ発光ダイオードの側面図を示す。
図1のヒートシンク支持構造体を製造するための適切な方法を示す。
シリコン・ウェハの表面上のナノチューブ・バンプを示す。
透視的に示される補助マウントのマイクロチャネルを持つヒートシンク補助マウントの平面図を示す。
図4のヒートシンク補助マウントにあるマイクロチャネルの1つの断面図を示す。
図4及び図5のヒートシンク補助マウントのマイクロチャネルを製造する適切な方法を示す。
マイクロ電子デバイスのための能動的に冷却される補助マウントの側断面図を示す。
冷却システムが透視的に示されている、図7の能動的に冷却される補助マウントの平面図を示す。

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