專利名稱：散熱器、電子器件、散熱器的制造方法和電子器件的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種散熱器(heat sink)、一種電子器件、一種散熱器的制造方法和一種電子器件的制造方法。具體而言，本發(fā)明涉及一種用于釋放由電子器件的操作產(chǎn)生的熱的散熱器、一種這種散熱器的制造方法、一種包括這種散熱器的電子器件和一種這種電子器件的制造方法。
背景技術：
隨著半導體制造技術領域的發(fā)展，已經(jīng)實現(xiàn)了半導體元件的更高的集成度和更高的電路操作速度，導致半導體元件性能的快速提高。另一方面，與這種技術發(fā)展相反，其上設置半導體元件的半導體基片的熱密度(即單位面積產(chǎn)生的熱量)越來越高，這使得需要高效率地冷卻半導體基片的方法。
作為如上所述用于冷卻半導體基片的方法，已知有在半導體基片上設置高導熱性材料(例如碳、石墨、金屬、陶瓷、金剛石等等)的技術(例如，參見日本公開待審PCT專利申請(Kohyo)No.2002-519846)。具體而言，金剛石具有非常高的導熱性，銅的導熱性在通常的工業(yè)材料中是最高的，而單晶金剛石具有大約是銅的5倍的高導熱性，多晶金剛石具有大約是銅的2.5倍的高導熱性。因此，金剛石作為在產(chǎn)生高熱量的半導體激光器和微波振蕩器等領域中用于形成散熱器的材料而成為關注的焦點。
而且，在其中不摻雜雜質(zhì)時，金剛石是絕緣的。因此，當金剛石膜形成在半導體基片的上表面上，而不是在其背面上時，原則上可以利用這種金剛石基片來冷卻基片。
半導體基片的發(fā)熱部分是主要形成有源元件的有源元件部分，并且該有源元件部分局部地存在于半導體基片上。因此，通過在半導體基片表面上形成具有絕緣性能和高導熱性的金剛石膜，發(fā)熱部分產(chǎn)生的熱可以通過金剛石膜傳送到不發(fā)熱部分，而不影響半導體元件的操作。結(jié)果是，可以使半導體基片的溫度在整個表面上是均勻的。如上所述，降低有源元件部分(發(fā)熱部分)的溫度以確保半導體元件的正常操作和電可靠性是很重要的。有鑒于此，可以通過使半導體基片的溫度在整個表面上均勻來降低有源元件部分的溫度。
但是，利用在半導體基片上形成的金剛石層來冷卻半導體基片的上述方法具有以下缺點。具體而言，在半導體制造工藝中，通常在半導體基片上形成半導體元件然后形成用于電連接該半導體元件的配線之后，引入形成金剛石薄膜的工藝。通常情況下，可以利用CVD(化學汽相沉積)法來形成金剛石薄膜，基片的溫度大約是800℃。但是，例如，當鋁合金用作配線的材料時，在形成金剛石薄膜的時候會損壞配線，并且因而損壞半導體元件，因為鋁合金的熔點是大約600℃。而且，由于金剛石薄膜的熱膨脹系數(shù)小于硅，所以在金剛石薄膜和半導體基片之間產(chǎn)生溫度循環(huán)引起的應力，這對機械強度比金剛石薄膜更低的半導體基片產(chǎn)生了損壞。
另一方面，近年來，納米金剛石薄膜引起了關注。在上述金剛石薄膜是具有粒度以微米(μm)為單位的晶粒的多晶膜時，納米金剛石薄膜包含粒度以納米(nm)為單位的晶粒，盡管它也是多晶膜。而且，可以在基板溫度等于或低于400℃的情況下形成納米金剛石薄膜。即，利用納米金剛石薄膜作為散熱路徑會提供以下優(yōu)點，在半導體制造工藝中，可以在半導體基片上形成半導體元件然后形成配線之后來形成金剛石薄膜，形成膜時的基片溫度設置為等于或低于配線材料的熔點。但是，雖然可以在低溫下形成納米薄膜，但是納米金剛石的導熱性很低，而導熱性是最重要的。這是因為納米金剛石薄膜包含具有小的粒度的晶粒，因而在傳熱路徑中具有大量的顆粒邊界，這阻止了晶格振動的傳播。因此難以利用納米金剛石薄膜來冷卻半導體器件。

發(fā)明內(nèi)容
進行本發(fā)明以解決現(xiàn)有技術中的上述問題，并且本發(fā)明的目的在于提供一種具有高導熱性和優(yōu)良的冷卻效率的散熱器以及一種包括這種散熱器的電子器件。
而且，本發(fā)明的目的在于提供一種制造具有高導熱性和優(yōu)良的冷卻效率的散熱器的方法和一種制造電子器件的方法。
本發(fā)明的實施例的第一個方面涉及一種散熱器，包括由絕緣金剛石形成的基座部分和由絕緣金剛石形成并設置在基座部分上的多個壓接件。
實施例的第二個方面涉及一種電子器件，該電子器件包括形成有器件的基片，該基片在第一區(qū)域具有發(fā)熱部分，在不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域具有不發(fā)熱部分；以及散熱器，其具有由絕緣金剛石形成的基座部分、壓接到所述基片的所述發(fā)熱部分上的多個第一壓接件以及壓接到所述基片的所述不發(fā)熱部分上的多個第二壓接件，所述第一壓接件和所述第二壓接件由絕緣金剛石形成并且設置在所述基座部分上。
實施例的第三個方面涉及一種散熱器的制造方法，所述方法包括在絕緣金剛石基片的表面上形成多孔涂層膜；形成從所述多孔涂層膜的頂表面連接到與該頂表面相對的背表面的大量孔；在所述多孔涂層膜的孔內(nèi)埋入掩模；選擇性地除去所述多孔涂層膜；以及利用所述掩模作為蝕刻掩模，沿著從所述絕緣金剛石基片的頂表面朝著與該頂表面相對的背表面的厚度方向，蝕刻所述絕緣金剛石基片的一部分，從而形成多個壓接件。
實施例的第四個方面涉及一種電子器件的制造方法，所述方法包括生產(chǎn)形成有器件的基片，所述基片在第一區(qū)域具有發(fā)熱部分，在不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域具有不發(fā)熱部分；通過以下步驟生產(chǎn)散熱器在絕緣金剛石基片的表面上形成多孔涂層膜，形成從所述多孔涂層膜的頂表面連接到與該頂表面相對的背表面的大量孔，在所述多孔涂層膜的孔內(nèi)埋入掩模，選擇性地除去所述多孔涂層膜，以及利用所述掩模作為蝕刻掩模，沿著從所述絕緣金剛石基片的頂表面朝著與該頂表面相對的背表面的厚度方向上蝕刻所述絕緣金剛石基片的一部分，從而形成多個壓接件；以及將所述散熱器的壓接件壓接到所述基片的所述發(fā)熱部分和所述不發(fā)熱部分的每一個上。
實施例的第五個方面涉及一種電子器件的制造方法，所述方法包括生產(chǎn)形成有器件的基片，所述基片在第一區(qū)域具有發(fā)熱部分，在不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域具有不發(fā)熱部分；通過以下步驟生產(chǎn)散熱器評估其上設置有所述發(fā)熱部分和所述不發(fā)熱部分的所述基片的表面上的臺階形狀，蝕刻絕緣金剛石基片的表面，使得所述絕緣金剛石基片的表面對應于所述基片表面的臺階形狀，在被蝕刻的所述絕緣金剛石基片的表面上形成多孔涂層膜，形成從所述多孔涂層膜的頂表面連接到與該頂表面相對的背表面的大量孔，在所述多孔涂層膜的孔內(nèi)埋入掩模，選擇性地除去所述多孔涂層膜，以及利用所述掩模作為蝕刻掩模，沿著從所述絕緣金剛石基片的頂表面朝著與該頂表面相對的背表面的厚度方向上蝕刻所述絕緣金剛石基片的一部分，從而形成多個壓接件；以及將所述散熱器的所述壓接件壓接到所述基片的所述發(fā)熱部分和所述不發(fā)熱部分的每一個上。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的包括散熱器的電子器件的示意性橫截面圖；圖2是示出在根據(jù)第一實施例的散熱器中的多晶金剛石的晶粒尺寸和導熱性之間的關系的視圖；圖3是示出器件主體和自支持絕緣金剛石基片之間的壓接狀態(tài)的主要部分的橫截面圖，用于解釋根據(jù)第一實施例的電子器件的比較例；圖4是示出根據(jù)第一實施例的電子器件的器件主體和散熱器之間的壓接狀態(tài)的主要部分的橫截面圖；
圖5是示出在根據(jù)第一實施例的電子器件中壓接負荷與接觸量之間的關系的曲線圖；圖6是示出根據(jù)第一實施例的電子器件的器件主體和散熱器之間的另一種壓接狀態(tài)的主要部分的橫截面圖；圖7是示出用于解釋制造根據(jù)第一實施例的散熱器和電子器件的方法的第一工藝的橫截面圖；圖8是示出第二工藝的橫截面圖；圖9是示出第三工藝的橫截面圖；圖10是示出第四工藝的橫截面圖；圖11是示出第五工藝的橫截面圖；圖12是示出第六工藝的橫截面圖；圖13是示出在圖8所示的散熱器制造工藝中多孔涂層膜的陽極氧化之后的狀態(tài)的主要部分透視圖；圖14是在根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電子器件中設置的散熱器的示意性橫截面圖；圖15是示出用于解釋制造根據(jù)第二實施例的散熱器和電子器件的方法的第一工藝的橫截面圖；圖16是示出第二工藝的橫截面圖；圖17是示出第三工藝的橫截面圖；圖18是示出第四工藝的橫截面圖；圖19是示出第五工藝的橫截面圖；圖20是示出第六工藝的橫截面圖；圖21是示出第七工藝的橫截面圖；圖22是根據(jù)第二實施例包括散熱器的電子器件的示意性橫截面圖；圖23是根據(jù)本發(fā)明第三實施例設置在電子器件中的散熱器的示意性橫截面圖；圖24是示出用于解釋制造根據(jù)第三實施例的散熱器和電子器件的方法的第一工藝的橫截面圖；圖25是示出第二工藝的橫截面圖；
圖26是示出第三工藝的橫截面圖；圖27是示出第四工藝的橫截面圖；圖28是示出第五工藝的橫截面圖；圖29是示出第六工藝的橫截面圖；以及圖30是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的具有散熱器的電子器件的示意性橫截面圖。
具體實施例方式
(第一實施例)[散熱器的結(jié)構(gòu)禾包括散熱器的電子器件]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電子器件1包括形成有器件的基片11和散熱器20。形成有器件的基片11稱為器件主體10。器件主體10包括在基片11的第一區(qū)域內(nèi)的發(fā)熱部分12和在除了第一區(qū)域之外的基片11的第二區(qū)域內(nèi)的不發(fā)熱部分13。散熱器20包括由絕緣金剛石形成的基座部分21、被壓接到器件主體10的發(fā)熱部分12上的第一壓接件221、以及被壓接到器件主體10的不發(fā)熱部分13上的第二壓接件222。第一和第二壓接件221和222設置在基座部分21上，并由類似于基座部分21的絕緣金剛石形成。
在第一實施例中，器件主體10是由硅(Si)半導體芯片形成的半導體器件，基片11是Si單晶基片。注意，在本發(fā)明中，器件主體10不局限于Si半導體芯片，并是可以由產(chǎn)生大量熱的III-V化合物半導體芯片形成，例如激光振蕩器、微波振蕩器等等。
在器件主體10的發(fā)熱部分12中，主要設置有通過其操作而發(fā)熱的有源元件，例如絕緣柵型場效應晶體管(IGFET)、雙極晶體管等等。而且，包括這種有源元件的電路設置在發(fā)熱部分12上。在這里使用時，術語“包括有源元件的電路”包括由一個或多個有源元件組成的電路、由有源元件和無源元件組成的電路等等。無源元件包括電阻、電容等等。
不發(fā)熱部分13是基片11的除了發(fā)熱部分12之外的部分。不發(fā)熱部分13包括設置有無源元件的區(qū)域、不設置元件的區(qū)域、用于電隔離這些元件的絕緣隔離區(qū)域等等。
圖1示意性地示出了器件主體10的橫截面結(jié)構(gòu)。在實際的器件主體10中，有源元件和無源元件設置在基片11的表面部分，配線和中間層絕緣膜交替地設置在這些元件上。在器件主體10的表面上，即在基片11上的最上層中，設置有未示出的最終鈍化膜。
根據(jù)第一實施例，由單晶或多晶絕緣金剛石形成散熱器20。
圖2示意性地示出了多晶金剛石中的晶粒尺寸和導熱性之間的關系。在圖2中，橫軸表示多晶金剛石的晶粒尺寸，縱軸表示其導熱性。而且，符號“A”表示粒度以μm為單位的多晶金剛石的導熱性，符號“B”表示粒度以nm為單位的多晶金剛石的導熱性。由“A”表示的粒度以μm為單位的多晶金剛石的導熱性大約是1000W/M-K，由“B”表示的粒度以nm為單位的多晶金剛石的導熱性大約是10W/M-K到100W/M-K。而且，沒有晶粒邊界的單晶金剛石的導熱性大約是2000W/M-K。
如上所述，考慮到導熱性，優(yōu)選地絕緣金剛石由單晶金剛石形成。但是，由于單晶金剛石非常昂貴，所以考慮到制造成本，實際上優(yōu)選地使用多晶絕緣金剛石基片，尤其是自支持絕緣金剛石基片。由于多晶自支持絕緣金剛石基片可以買到，并且因而容易以低成本獲得，所以可以降低散熱器20和電子器件1的制造成本。
還希望多晶絕緣金剛石基片由粒度以微米為單位的金剛石形成。具體而言，盡管μm粒度的多晶金剛石的導熱性是單晶金剛石的一半，但是它是nm粒度的多晶金剛石的10到100倍，如圖2所示。nm尺寸的多晶金剛石的導熱性和半導體例如Si的導熱性幾乎相同。具有小的粒度以nm為單位的多晶金剛石的導熱性低，理由如下。具體而言，盡管金剛石通過晶格振動傳播熱，但是在具有nm的小粒度的多晶金剛石中，由于在熱傳導路徑中存在大量晶粒邊界而阻止了這種晶格振動的傳播，從而降低了導熱性。
如圖1所示，第一壓接件221和第二壓接件222具有從基座部分突起的多個長柱形，并且它們形成為相同的形狀。第一壓接件221設置在與器件主體10的發(fā)熱部分12相應的區(qū)域內(nèi)，并且向基座部分21釋放由發(fā)熱部分12產(chǎn)生的熱，如圖1的箭頭所示。第二壓接件222設置在與器件主體19的不發(fā)熱部分13相應的區(qū)域內(nèi)，并且向不發(fā)熱部分13釋放從發(fā)熱部分12釋放到基座部分21的熱，如圖1的箭頭所示。換句話說，散熱器20配置為使器件主體10的發(fā)熱部分12產(chǎn)生的熱被傳遞并散發(fā)到不發(fā)熱部分13中，因此可以使基片11整個表面上的溫度分布均勻，從而冷卻器件主體10。根據(jù)本實施例的第一壓接件221和第二壓接件222都由長柱形形成，該長柱形的徑向尺寸(直徑)設置為15nm到25nm，高度設置為1μm到2μm。在本實施例中，散熱器20的基本上所有晶粒的尺寸都在μm尺寸范圍內(nèi)(即1μm≤粒度＜10000μm)。粒度在例如幾μm到幾十μm的范圍內(nèi)時，第一壓接件221和第二壓接件222在高度方向上(熱傳導方向上)具有很少的顆粒邊界。而且，優(yōu)選地基座部分21形成為厚度是第一和第二壓接件221和222的高度的幾十倍，從而降低熱阻。換句話說，優(yōu)選地第一和第二壓接件221和222的機械強度設置為低于基座部分21的，從而第一和第二壓接件221和222容易通過翹曲而變形。
在本實施例中，散熱器20可以由具有單晶的絕緣金剛石基片制成，盡管與使用多晶絕緣金剛石基片相比材料成本和制造成本增加。這樣，在本實施例的散熱器20中，最好采用具有多晶金剛石的絕緣金剛石，可以降低最終的制造成本，并提供充足的熱排放效果。
下面將說明壓接根據(jù)第一實施例的電子器件1中的器件主體10和散熱器20的方法。
在只有自支持絕緣金剛石基片用作散熱器的情況下，自支持絕緣金剛石基片210的壓接表面211要被壓接到器件主體10的基片11表面?zhèn)鹊膲航颖砻?10上，如圖3所示。在這種情況下，由于壓接表面110和壓接表面211的接觸面積小，所以不能實現(xiàn)足夠的器件主體10的冷卻效果。這里，為了簡化說明，假設基片11的壓接表面110沒有由半導體元件、電極等的形狀導致的大的不規(guī)則性，或者沒有對應于表面粗糙度等等的微小的不規(guī)則性，并且壓接表面110被模塑成光滑表面。另一方面，自支持絕緣金剛石基片210的壓接表面211被模塑成不光滑表面，其具有與表面粗糙度等等相應的不規(guī)則性。
向壓接表面(不光滑表面)211靠近的壓接表面(光滑表面)110首先與具有最大高度的壓接表面211的凸起部分接觸。為了使壓接表面110接觸壓接表面211的下一個最高凸起部分，首先接觸壓接表面110的最高凸起部分必須最大程度地變形。這樣，由于重復一系列這種接觸和變形步驟，所以需要大的壓接負荷，從而在壓接表面110和壓接表面211之間具有更多數(shù)量的接觸點。具體而言，利用在自然界中存在的所有已知基片中最硬的材料金剛石，難以通過上述變形來確保大量的接觸點。因此，器件主體10側(cè)上的壓接表面110和自支持絕緣金剛石基片210側(cè)上的壓接表面211的接觸面積非常小，這使得在器件主體10和自支持絕緣金剛石基片210之間難以實現(xiàn)充分的熱釋放或熱消散，從而不能獲得充分的冷卻效果。而且，由于器件主體10的實際接觸表面110包括大的不規(guī)則性和微小的不規(guī)則性，所以仍然難以實現(xiàn)冷卻效果。
另一方面，根據(jù)第一實施例的散熱器20包括基座部分21的表面上突起的長柱形的多個壓接件(第一和第二壓接件221和222)。如圖4所示，第一和第二壓接件221和222由于小的壓接負荷而受到翹曲(buckling)變形。這里，基座部分21的頂表面包括對應于表面粗糙度等等的不規(guī)則性。因此，在與頂表面相對的表面上設置的第一和第二壓接件221和222具有與基座部分21的表面不規(guī)則性(臺階形狀)相對應的高度(長度)分布(臺階形狀)。
隨著器件主體10的壓接表面(光滑表面)110接近散熱器21的壓接件組即多個第一和第二壓接件221和222，壓接表面110首先與壓接件組中具有最大高度的壓接件的最頂端接觸。然后，壓接負荷施加給這個壓接件，并且，一旦壓接負荷超過該壓接件的翹曲負荷，壓接件就由于翹曲而變形。隨后，壓接表面110接觸下一個最高的壓接件的頂端，向該壓接件施加壓接負荷以使該壓接件由于翹曲而變形。這樣，重復一系列的接觸和翹曲變形步驟。這里，由于已經(jīng)翹曲變形的壓接件會由于小于或等于翹曲變形所需的壓接負荷的負荷而經(jīng)受進一步的變形，所以與器件主體10的壓接表面110接觸的壓接件的數(shù)量，即接觸點數(shù)量，與壓接負荷成正比，如圖5所示。在圖5中，縱軸表示壓接負荷P，橫軸表示基片11的壓接表面110相對于散熱器20的壓接件221和222頂端的接近量6，符號Pcr表示每個壓接件的壓接負荷。具體而言，根據(jù)本實施例，可以隨著壓接負荷的增大確保接觸點的適當數(shù)量，而與和自支持絕緣金剛石基片210的表面不規(guī)則性相對應的壓接件的高度分布無關。隨著壓接表面110與壓接件221和222之間的接觸點數(shù)量增加，總的接觸面積也增加，從而可以減小器件主體10和散熱器20之間的接觸熱阻。
圖6示出了散熱器20的壓接件組被壓接到基片11的壓接表面119上，壓接件由于自支持絕緣金剛石基片210的表面傾斜和彎曲而相對于壓接表面110略微傾斜。在這種情況下，由于在第一和第二壓接件221和222中產(chǎn)生力矩，所以可以可靠地利用小的壓接負荷使第一和第二壓接件221和222翹曲。結(jié)果是，可以獲得大量的接觸點，從而減小接觸熱阻。
下面將說明根據(jù)第一實施例的散熱器20的制造方法和包括這種散熱器20的電子器件1的制造(組裝)方法。
首先，提供絕緣金剛石基片200。對于絕緣金剛石基片200，使用具有高導熱性和絕緣性能并且包含晶粒尺寸以μm為單位的多晶金剛石的自支持絕緣金剛石基片?？梢酝ㄟ^以下步驟將絕緣金剛石基片200制造成多晶金剛石膜，首先通過利用氫氣和甲烷氣體的CVD法在Si基片上形成厚度為400μm到500μm的多晶金剛石膜，然后通過蝕刻等除去Si基片。通過CVD法形成多晶金剛石膜時的膜形成溫度是大約800℃。
然后，在絕緣金剛石基片200的表面上形成多孔涂層膜30(參見圖7)。例如，在實踐中可以用通過濺射形成的厚度為1.5μm到2.0μm的高純鋁(Al)膜來用作這種多孔涂層膜30。
而且，多孔涂層膜30在酸性溶液例如硫磺溶液中進行陽極氧化處理，從而形成在每個涂層單元311中具有微孔312的多孔層31，并且還在微孔312的底部形成阻擋層32(參見圖8)。通過陽極氧化處理，用作多孔涂層膜30的上述Al膜的表面層被轉(zhuǎn)化為氧化鋁(Al2O3)膜，從而可以在具有六角柱狀的每個涂層單元311的中心部分，從表面朝著深度方向形成長形的微孔312，如圖13所示。
通過陽極氧化處理，例如可以將微孔312的數(shù)量控制在109/cm2到1011/cm2的范圍內(nèi)，并且微孔312的內(nèi)徑可以控制在10nm到100nm的范圍內(nèi)。而且，阻擋層32的厚度和涂層單元311的尺寸可以控制在10nm到100nm的范圍內(nèi)。上述微孔312的數(shù)量和內(nèi)徑、阻擋層32的厚度以及涂層單元311的尺寸都僅僅取決于在陽極氧化處理時施加的電壓，而不取決于溶液的溫度或濃度。因此，通過調(diào)節(jié)陽極氧化處理時的電壓就可以控制這些參數(shù)。在第一實施例中，在多孔涂層膜30的多孔層31中形成每個都具有15nm到25nm的內(nèi)徑和1.5μm到2.5μm深度的微孔312。
實際上，這樣通過陽極氧化處理形成的微孔312在頂表面?zhèn)雀鼘?，并且朝著底部逐漸變窄。但是，因為微孔312需要的深度僅僅是大約幾個μm，并且其內(nèi)徑也在幾十μm和幾百μm之間的范圍內(nèi)，所以微孔312的橫截面結(jié)構(gòu)可以看成基本上是柱狀。
因此，通過微孔312除去在多孔涂層膜30的微孔312底部存在的阻擋層32，從而形成從多孔涂層膜30的頂表面連接到其背表面的孔33(參見圖9)。例如，通過利用各向異性蝕刻例如活性離子蝕刻(RIE)來除去阻擋層32，該蝕刻可以在垂直于多孔涂層膜30表面的方向上實現(xiàn)高速蝕刻。
然后，在多孔涂層膜30的孔中埋入掩模40(參見圖10)。具體而言，可以通過例如利用CVD在包括孔33的內(nèi)部的多孔涂層膜30的表面上形成氧化物膜(SiO2)，然后利用RIE除去這樣形成的氧化物膜、化學機械拋光(CMP)直到暴露多孔涂層膜30的表面，來形成掩模40。
而且，選擇性地除去多孔涂層膜30，從而在絕緣金剛石基片200表面上形成具有長柱狀的掩模40(參見圖11)。例如利用PIE除去多孔涂層膜30。掩模40被用作用于在絕緣金剛石基片200的表面層上形成包括第一壓接件221和第二壓接件222的壓接件組的掩模。
最后，通過將掩模40用作蝕刻掩模，沿著從頂表面到背表面的厚度方向蝕刻絕緣金剛石基片200的一部分，從而形成長形的第一壓接件221和第二壓接件222(參見圖12)。沿厚度方向的蝕刻可以通過RIE等來實現(xiàn)。對于RIE，可以使用包含CF4氣體和O2氣體的混合蝕刻氣體。
當上述一系列工序結(jié)束時，可以制造出散熱器20，該散熱器20包括含有晶粒尺寸以μm為單位的多晶金剛石作為主要成分的基座部分21以及在基座部分21上突起的第一壓接件221和第二壓接件222。
然后，提供由傳統(tǒng)的已知工藝制造的器件主體10，并且將散熱器20的第一壓接件221壓接到器件主體10的發(fā)熱部分12上，將散熱器20的第二壓接件222壓接到器件主體10的不發(fā)熱部分13上。這個工藝結(jié)束后，就制造出散熱器20安裝在器件主體10上的電子器件1。
如上所述，在第一實施例的散熱器20中，晶粒尺寸以μm為單位的絕緣金剛石基片200用于形成基座部分21以及要壓接到器件主體10上的第一和第二壓接件221和222。通過這種結(jié)構(gòu)，可以減少在熱傳播路徑中存在的晶粒邊界，從而降低接觸熱阻，因而可以提高冷卻效率。
而且，在電子器件1中，設置上述散熱器，使得基片11的發(fā)熱部分12產(chǎn)生的熱可以通過第一壓接件221、基座部分21和第二壓接件222有效地分散到不發(fā)熱部分13中。因此，可以使基片11的整個區(qū)域上的溫度分布均勻，結(jié)果可以提高冷卻效率。
而且，在電子器件1中，散熱器20的第一壓接件221和第二壓接件222是長形的，并且配置為可以相對于壓接負荷而翹曲變形。通過這種結(jié)構(gòu)，可以增加發(fā)熱部分12與第一壓接件221之間的接觸面積和不發(fā)熱部分13與第二壓接件222之間的接觸面積，從而減小接觸熱阻，因而可以提高冷卻效率。具體而言，即使在散熱器20的基座部分21中使用硬的絕緣金剛石基片，由于在絕緣金剛石基片上形成了多個壓接件，所以也可以確保器件主體10和散熱器20之間的有效接觸面積。
此外，可以以如下所述的簡單方式來制造散熱器20。具體而言，對多孔涂層膜30進行陽極氧化處理，從而形成規(guī)則排列的大量孔33，并且在這些孔33中埋入掩模40。然后通過利用這個掩模40進行蝕刻而除去絕緣金剛石基片200的表面層的一部分，從而制造散熱器20。
最后，可以通過將散熱器20壓接到器件主體10上的簡單方式來制造電子器件1。
(第二實施例)在本發(fā)明的第二實施例中，提供了散熱器20，其中進一步向第一實施例的散熱器20添加了彈性特性。
如圖14所示，根據(jù)本發(fā)明第二實施例的散熱器20包括具有槽(彎曲槽或彎曲溝)231的固定基座元件(彎曲基片)23，以使得在與其上設置有壓接件221和222的頂表面(第一表面)相對的基座部分21的背表面(第二表面)上，基座部分21卷曲(wrap)。通過這種結(jié)構(gòu)，散熱器20整體會相對于槽231而彎曲，并且從而可以具有彈性。第二實施例的散熱器20的其它部分和第一實施例的散熱器20相同，并且不再說明。
而且，在根據(jù)第二實施例的散熱器20中，圖1中所示的要壓接到器件主體10的發(fā)熱部分12上的第一壓接件(第一壓接件組)221和要壓接到器件主體10的不發(fā)熱部分13上的第二壓接件(第二壓接件組)222彼此分開。利用這樣彼此分開設置的第一壓接件221和第二壓接件222，器件主體10和散熱器20彼此部分地互相壓接。而且，散熱器20可以變形，從而增加壓接部分的粘著性。
實際上，可以利用Si基片作為固定基座元件23。Si基片可以在半導體制造工藝中提供高度適應性，還可以實現(xiàn)彎曲槽231的穩(wěn)定加工。
下面將說明根據(jù)第二實施例的散熱器20的制造方法和包括這種散熱器20的電子器件1的制造方法(組裝方法)。
首先，提供固定基座元件23，并且在固定基座元件23表面上形成絕緣金剛石層200。這里，由于第二實施例中的“絕緣金剛石層200”具有和根據(jù)上述第一實施例的散熱器20的“絕緣金剛石基片200”相同的功能，所以為了說明，這兩種元件使用相同的附圖標記200。固定基座元件23用作要在其上形成絕緣金剛石層200的基座基片，例如，可以使用厚度為500μm到700μm的Si基片。絕緣金剛石層200由具有高導熱性、絕緣性能，并具有晶粒尺寸以μm為單位的多晶自支持絕緣金剛石層來形成。盡管在第二實施例中，可以以和第一實施例的絕緣金剛石基片200相同的方法形成絕緣金剛石層200，但是絕緣金剛石層200的厚度設置為較小的厚度，例如在1μm和3μm之間。
隨后，在絕緣金剛石層200的表面形成多孔涂層膜30(參見圖15)。和第一實施例一樣，實際上可以利用1.5μm到2.0μm厚的Al薄膜作為多孔涂層膜30。
然后，和第一實施例中一樣，在酸溶液例如硫磺溶液中陽極氧化處理多孔涂層膜30，從而形成在每個涂層單元311中具有微孔312的多孔層31，如圖13所示，并且在微孔312的底部形成阻擋層32(參見圖16)。例如，多孔層31的微孔312的內(nèi)徑和深度分別設置為15nm到25nm和1.5μm到2.0μm。
然后，在多孔涂層膜30中(或者多孔層31中)，對除了與器件主體10的發(fā)熱部分12相對應的第一壓接件221的形成區(qū)域221A和與不發(fā)熱部分13相對應的第二壓接件222的形成區(qū)域222A之外的區(qū)域進行密封工藝。在該密封工藝中，保護膜形成在形成區(qū)域221A和222A上，然后使暴露于保護膜之外的部分多孔涂層膜30與沸水或者加熱的蒸汽接觸，以促進多孔涂層膜30尤其是微孔312內(nèi)壁的氧化。一旦密封工藝結(jié)束，就可以完全封閉微孔312(參見圖17)。
在密封工藝之后，在形成區(qū)域221A和222A中，通過微孔312除去多孔涂層膜30底部存在的阻擋層32，從而形成從多孔涂層膜30的頂表面連接到其背表面的孔33(參見圖18)。和第一實施例一樣，利用RIE等除去阻擋層32。
然后，在多孔涂層膜30的孔33的內(nèi)部埋入掩模40(參見圖19)?？梢院偷谝粚嵤├粯佑裳趸锬ば纬裳谀?0。
隨后，選擇性地除去多孔涂層膜30，從而在絕緣金剛石層200的表面上形成具有長柱形的掩模40(參見圖20)。掩模40用于在多晶金剛石膜200的表面形成壓接件組，包括第一和第二壓接件221和222。
最后，將掩模40用作蝕刻掩模，沿著從頂表面朝著其背表面的厚度方向上蝕刻絕緣金剛石層200的一部分，從而在形成區(qū)域221A中形成長形的第一壓接件221，在形成區(qū)域222A形成第二壓接件222(參見圖21)。沿厚度方向的蝕刻是利用RIE等執(zhí)行的。這里，當采用RIE時，可以使用包含CF4氣體和O2氣體的混合蝕刻氣體。
然后，從其背表面朝著其頂表面在固定基座元件23中形成槽231，如上述圖14所示。利用光刻技術形成的掩模通過RIE等來形成槽231。
一旦完成一系列上述步驟，就可以制造出散熱器20，該散熱器20包括含有晶粒尺寸以μm為單位的多晶金剛石作為主要成分的絕緣金剛石層200，以及設置在絕緣金剛石層200上的第一和第二壓接件221和222。
而且，提供由傳統(tǒng)的已知工藝制造的器件主體10，并且以上述的壓接方法將散熱器20的第一壓接件221壓接到器件主體10的發(fā)熱部分12上，將散熱器20的第二壓接件222壓接到器件主體10的不發(fā)熱部分13上。一旦結(jié)束這個步驟，就制造出散熱器20安裝在器件主體10上的電子器件1，如圖22所示。
如上所述，在根據(jù)第二實施例的散熱器20中，在與其上設置有第一和第二壓接件221和222的頂表面相對的基座部分21的背表面上，設置具有槽231的固定基座元件23，以使基座部分21可以卷曲。因此，固定基座元件23和基座部分21可以相對于固定基座元件23的槽231而彎曲，因而實現(xiàn)散熱器20的彈性。根據(jù)第二實施例的電子器件1，由于散熱器20的彈性，器件主體10和散熱器20可以彼此緊密地互相粘附，而與由器件主體10的大的不規(guī)則性和微小的不規(guī)則性引起的其表面粗糙度、由大的不規(guī)則性引起的散熱器20的表面粗糙度、整個器件主體10的翹曲等無關，使得能夠降低器件主體10和散熱器20之間的熱阻，從而進一步提高冷卻效果。
(第三實施例)根據(jù)本發(fā)明的第三實施例，在根據(jù)第一實施例的散熱器20和電子器件1中，提供一種散熱器20，其能夠?qū)谟善骷黧w10表面的大的不規(guī)則性引起的表面粗糙度的同時，緊密地貼附到器件主體10上。
如圖23所示，根據(jù)第三實施例的電子器件1的散熱器20包括具有相同高度h1的多個第一壓接件221和具有相同高度h2的多個第二壓接件222，其中h2比第一壓接件221的高度h1更短。在這里使用的高度h1和h2都是指從基座部分21的背表面開始測量的高度。換句話說，在第三實施例中，將第一壓接件221的高度h1設置為比第二壓接件222的高度h2更高，并且當器件主體10的發(fā)熱部分12存在于凹部而器件主體10的不發(fā)熱部分13存在于凸部時，可以使器件主體10的臺階形狀和散熱器20匹配，從而使器件主體10和散熱器20以它們的互相平行的接觸表面彼此緊密地接觸。
這里，根據(jù)第三實施例的散熱器20不僅可以應用于發(fā)熱部分12存在于器件主體10的凹部而不發(fā)熱部分13存在于器件主體10的凸部的情況，而且還可以應用于其它情況，即發(fā)熱部分12存在于凸部而不發(fā)熱部分13存在于凹部的情況，以及一些發(fā)熱部分12和一些不發(fā)熱部分13存在于凹部而其它發(fā)熱部分12和其它不發(fā)熱部分13存在于凸部的情況。
因此，通過利用評估器件主體10的發(fā)熱部分12和不發(fā)熱部分13表面上的大的不規(guī)則性引起的表面粗糙度(臺階形狀)的方法，利用光學非接觸式表面粗糙度測量裝置測量其上設置有發(fā)熱部分12和不發(fā)熱部分13的表面的臺階形狀的方法等，來評估或測量器件主體10的表面粗糙度(即評價表面粗糙度)，并且可以制造散熱器20以適應這樣評估和測量的表面粗糙度。散熱器20和電子器件1的其它部分和第一實施例的相同，因而不再說明。
下面將說明根據(jù)第三實施例的散熱器20的制造方法以及包括這種散熱器20的電子器件1的制造方法(組裝方法)。
首先，提供由已知工藝(例如參見圖24)制造的器件主體10b，并且利用光學非接觸式表面粗糙度測量裝置來測量其上設置有發(fā)熱部分12和不發(fā)熱部分13的器件主體10表面的臺階形狀。
然后，提供絕緣金剛石基片200。而且，根據(jù)之前測量的器件主體10b表面的臺階形狀，在絕緣金剛石基片200上形成相應于器件主體10b的臺階形狀的大的不規(guī)則性，使得絕緣金剛石基片200和器件主體10緊密粘附，它們的接觸表面彼此平行(參見圖25)。和根據(jù)第一實施例的制造方法一樣，使用具有高導熱性和絕緣性能并且還具有晶粒尺寸以μm為單位的多晶自支持絕緣金剛石基片作為絕緣金剛石基片200。利用各向異性蝕刻例如偏壓濺射(bias sputtering)和增加側(cè)面蝕刻量的RIE，來執(zhí)行在絕緣金剛石基片200表面上形成大的不規(guī)則。
而且，在絕緣金剛石基片200表面上形成多孔涂層膜30(參見圖25)。對于形成多孔涂層膜30的工藝和隨后的工藝，使用與上述第一實施例中相同的制造工藝和制造條件。
然后，在酸溶液例如硫磺酸溶液中陽極氧化處理多孔涂層膜30，從而形成在每個涂層單元311中具有微孔312的多孔層31，如圖13所示，并且在微孔312的底部形成阻擋層32(參見圖26)。隨后，通過微孔312除去多孔涂層膜30的微孔312底部存在的阻擋層32，從而形成從多孔涂層膜30的頂表面連接到其背表面的孔33(參見圖27)。
而且，在多孔涂層膜30的孔33的內(nèi)部埋入掩模40(參見圖28)。然后，選擇性地除去多孔涂層膜30，從而在絕緣金剛石基片200的表面形成具有長柱形的掩模40(參見圖29)。
最后，將掩模40用作蝕刻掩模，沿著從其頂表面朝著其背表面的厚度方向除去一部分絕緣金剛石基片200，從而形成長形的第一壓接件221和第二壓接件222。
一旦完成一系列上述步驟，就可以制造出散熱器20，該散熱器20包括含有晶粒尺寸以μm為單位的多晶金剛石作為主要成分的基座部分21，以及設置為從基座部分21突起的第一壓接件221和第二壓接件222。
然后，通過上述壓接方法，將散熱器20的第一壓接件221壓接到上述器件主體10b的發(fā)熱部分12上，將第二壓接件222壓接到器件主體10b的不發(fā)熱部分13上(參見圖30)。一旦結(jié)束這個步驟，就完成了通過將散熱器20安裝到器件主體10b上所形成的電子器件1。
如上所述，根據(jù)第三實施例的散熱器20包括具有相應于器件主體10表面的大的不規(guī)則性的不同表面粗糙度的第一壓接件221和第二壓接件222，因而可以提高散熱器20與器件主體10b之間的粘附性，從而減小它們之間的熱阻，導致冷卻效果的進一步提高。這樣，通過具有相應于器件主體10b表面的大的不規(guī)則性的表面粗糙度的散熱器20，根據(jù)第三實施例的電子器件10使器件主體10b和散熱器20可以彼此緊密地粘附，因而可以減小器件主體10b和散熱器20之間的熱阻，從而進一步提高冷卻效果。
(其它實施例)應當理解，本發(fā)明不局限于上述典型實施例，并是可以應用于其中的散熱器要求高冷卻效率的電子器件，所述電子器件為包括安裝在單個電路基片上的多個半導體芯片的電子器件、包括設置在電路基片上的半導體芯片和激光振蕩器的電子器件等等。
至此，本發(fā)明提供一種具有高導熱性和優(yōu)良冷卻效率的散熱器以及包括這種散熱器的電子器件。
而且，本發(fā)明提供一種具有高導熱性和優(yōu)良冷卻效率的散熱器的制造方法以及包括這種散熱器的電子器件的制造方法。
權(quán)利要求
1.一種散熱器，包括由絕緣金剛石形成的基座部分；和由絕緣金剛石形成并設置在所述基座部分上的多個壓接件。
2.如權(quán)利要求1所述的散熱器，其中所述絕緣金剛石由多晶金剛石形成。
3.如權(quán)利要求2所述的散熱器，其中所述多晶金剛石具有以微米為單位的粒度。
4.如權(quán)利要求1所述的散熱器，還包括固定基座元件，其設置在與其上設置有所述壓接件的第一表面相對的所述基座部分的第二表面上，所述固定基座元件具有槽，以使所述基座部分可以卷曲。
5.一種電子器件，包括形成有器件的基片，該基片在第一區(qū)域具有發(fā)熱部分，在不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域具有不發(fā)熱部分；和散熱器，其具有由絕緣金剛石形成的基座部分、壓接到所述基片的所述發(fā)熱部分上的多個第一壓接件以及壓接到所述基片的所述不發(fā)熱部分上的多個第二壓接件，所述第一壓接件和所述第二壓接件由絕緣金剛石形成并且設置在所述基座部分上。
6.如權(quán)利要求5所述的電子器件，其中所述散熱器的所述第一壓接件和所述第二壓接件分別以翹曲狀態(tài)壓接到所述發(fā)熱部分和所述不發(fā)熱部分上。
7.如權(quán)利要求5所述的電子器件，其中所述基片是半導體基片，以及所述發(fā)熱部分是其中配置有包括元件的電路的區(qū)域，所述不發(fā)熱部分是其中不配置所述元件的區(qū)域。
8.如權(quán)利要求5所述的電子器件，其中所述第一壓接件和所述第二壓接件配置為彼此分開。
9.如權(quán)利要求5所述的電子器件，還包括設置在與其上設置有所述第一壓接件和所述第二壓接件的第一表面相對的所述基座部分的第二表面上的固定基座元件，所述固定基座元件具有槽，以使所述基座部分可以卷曲。
10.如權(quán)利要求5所述的電子器件，其中所述散熱器的所述多個第一壓接件的高度不同于所述多個第二壓接件的高度。
11.如權(quán)利要求5所述的電子器件，其中所述散熱器通過所述多個第一壓接件、所述基座部分和所述第二壓接件中的每一個，將所述發(fā)熱部分中產(chǎn)生的熱擴散到所述不發(fā)熱部分中。
12.一種散熱器的制造方法，所述方法包括在絕緣金剛石基片的表面上形成多孔涂層膜；形成從所述多孔涂層膜的頂表面連接到與該頂表面相對的背表面的大量孔；在所述多孔涂層膜的孔內(nèi)埋入掩模；選擇性地除去所述多孔涂層膜；以及利用所述掩模作為蝕刻掩模，沿著從所述絕緣金剛石基片的頂表面朝著與該頂表面相對的背表面的厚度方向，蝕刻所述絕緣金剛石基片的一部分，從而形成多個壓接件。
13.如權(quán)利要求12所述的散熱器的制造方法，其中通過陽極氧化處理形成所述大量孔。
14.一種電子器件的制造方法，所述方法包括生產(chǎn)形成有器件的基片，所述基片在第一區(qū)域具有發(fā)熱部分，在不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域具有不發(fā)熱部分；通過以下步驟生產(chǎn)散熱器在絕緣金剛石基片的表面上形成多孔涂層膜，形成從所述多孔涂層膜的頂表面連接到與該頂表面相對的背表面的大量孔，在所述多孔涂層膜的孔內(nèi)埋入掩模，選擇性地除去所述多孔涂層膜，以及利用所述掩模作為蝕刻掩模，沿著從所述絕緣金剛石基片的頂表面朝著與該頂表面相對的背表面的厚度方向上蝕刻所述絕緣金剛石基片的一部分，從而形成多個壓接件；以及將所述散熱器的壓接件壓接到所述基片的所述發(fā)熱部分和所述不發(fā)熱部分的每一個上。
15.一種電子器件的制造方法，所述方法包括生產(chǎn)形成有器件的基片，所述基片在第一區(qū)域具有發(fā)熱部分，在不同于所述第一區(qū)域的第二區(qū)域具有不發(fā)熱部分；通過以下步驟生產(chǎn)散熱器評估其上設置有所述發(fā)熱部分和所述不發(fā)熱部分的所述基片的表面上的臺階形狀，蝕刻絕緣金剛石基片的表面，使得所述絕緣金剛石基片的表面對應于所述基片表面的臺階形狀，在被蝕刻的所述絕緣金剛石基片的表面上形成多孔涂層膜，形成從所述多孔涂層膜的頂表面連接到與該頂表面相對的背表面的大量孔，在所述多孔涂層膜的孔內(nèi)埋入掩模，選擇性地除去所述多孔涂層膜，以及利用所述掩模作為蝕刻掩模，沿著從所述絕緣金剛石基片的頂表面朝著與該頂表面相對的背表面的厚度方向上蝕刻所述絕緣金剛石基片的一部分，從而形成多個壓接件；以及將所述散熱器的所述壓接件壓接到所述基片的所述發(fā)熱部分和所述不發(fā)熱部分的每一個上。
全文摘要
一種散熱器包括由絕緣金剛石形成的基座部分和由絕緣金剛石形成并設置在基座部分上的多個壓接件。
文檔編號H05K7/20GK101038900SQ20071008853
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者小野富男, 酒井忠司, 佐久間尚志, 吉田博昭, 鈴木真理子 申請人:株式會社東芝