JP2004015061A

JP2004015061A - 集積回路、冷却体および温度センサを有する半導体構成素子

Info

Publication number: JP2004015061A
Application number: JP2003161197A
Authority: JP
Inventors: Karl-Heinz Wienand; カール−ハインツ　ヴィーナント; Karlheinz Ullrich; カールハインツ　ウルリヒ
Original assignee: Heraeus Sensor Technology GmbH
Current assignee: Yageo Nexensos GmbH
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-01-15
Also published as: US20030227067A1; DE10225602A1; EP1369915A2; US6787870B2; EP1369915A3

Abstract

【課題】とりわけ、低い熱量を有するセンサが使用されて、半導体回路素子のヒートシンクの領域での集積回路からの放熱時に正確かつ迅速な温度検出を行うこと。
【解決手段】温度センサは薄フィルム状測定抵抗を有しており、薄フィルム状測定抵抗は薄膜状サブストレートの電気的に絶縁性の表面上に被着されており、温度センサの全厚は１０μｍ〜１００μｍの範囲内にあり、温度センサは冷却体と熱的に結合されていることを特徴とする、集積回路、冷却体および温度センサを有する半導体構成素子を提供すること。
【選択図】　　　図１ａ

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集積回路と、集積回路と熱的に結合されていて、抵抗が熱に依存する温度センサと、ヒートシンクである冷却体を有する半導体構成素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
「集積回路」という概念は、１つのケーシング内に封止され、半導体基板上に集積された電子回路（ＩＣ）を含む。また冒頭に記載した「半導体構成素子」という概念は、冷却体を有する複合的な構成素子を指している。
【０００３】
ＥＰ０３５００１５Ｂ１から、少なくとも１つのパワーＭＯＳＦＥＴと、このパワーＭＯＳＦＥＴと熱的に結合されているセンサとを含むケーシングを有する半導体構成素子が公知である。ここでこのセンサは温度に依存して、自身の２つの端子間で抵抗を変化させる。温度センサとしてサイリスタが設けられている。しかしバイポーラトランジスタを使用することもできる。このようにして半導体構成素子を、クリチカルな温度に達したときにＭＯＳＦＥＴが容易にはスイッチオフされずに、例えば伝導率の低減によって負荷が減少されるように改善することが可能である。
【０００４】
ＷＯ９６／０２９４２から冷却体ないしはヒートシンクを有する、半導体構成素子用のケーシングが公知である。ここで集積された半導体構成素子にはボンディングワイヤを介して通常のリードフレームが備えられている。またこの半導体構成素子は、その底面ないしはその底部領域でポリマー材料を介してプレート状のヒートシンクないし冷却体と熱的に伝導性に接続されている。ヒートシンクの材料は有利にはアルミニウムまたは銅から成る。
【０００５】
さらにＥＰ０５７８４１１Ｂ１から、リードフレームに取り付けられてプラスチックケーシング内に設けられている半導体デバイスを有する半導体装置が公知である。ここでケーシングの表面は半導体デバイス上に、上方に向けられた一体形成された複数の熱散逸部材を有しており、ここでこの熱散逸部材は円錐形の張り出し部として形成されている。この張り出し部は半導体デバイスの直接的上方に設けられた領域内に延在している。
【０００６】
さらにＥＰ０７２３２９３Ａ１からヒートシンクを有する半導体装置が公知である。ここでリードフレーム内に取り付けられた半導体素子がヒートシンクと直に接している。このヒートシンクは半導体構成素子内に発生している熱を逃がす。
【０００７】
ＵＳ６０９２９２７から、パワー半導体の温度を求める方法が公知である。ここで、集積されたアナログ回路はパワー半導体とともにヒートシンク上にまとめてパッケージされる。このようにして、パワー半導体と集積回路との間の熱抵抗、パワー半導体とヒートシンクとの間の熱抵抗、およびアナログな集積回路とヒートシンクとの間の熱抵抗を求めることができる。従って、パワー半導体内の出力損を求めることができる。ここで集積回路の温度、熱容量を使用したヒートシンクの温度、並びに集積回路の電圧および電流の点でヒートシンク温度および熱抵抗を検出することができる。ここでパワー半導体の温度の漸近的な表示システムに対する出力信号が生成される。
【０００８】
さらにＵＳ５５９６２３１では、選択的に電気的絶縁材料によって被覆されているヒートシンクが集積回路に対して設けられている。ここで電気的に絶縁性の材料は、陽極処理アルミニウムを有する。ここでこの材料は、蒸着によってヒートシンク上に生成される。ヒートシンク自体は、高い熱伝導率を有するので選択された銅または銅合金から構成される。
【０００９】
ここで全集積回路はプラスチックケーシング内に収容されることが可能である。
【００１０】
さらにＷＯ８０／００８７８から差動カロリーメータが公知である。ここでこの差動カロリーメータは、ヒートシンクの原則に従って作動する。ここで対になった熱容量測定箇所は、ヒートシンクの中央部分内に対称的に配置される。ここで測定室のうちの１つは基準物質を含み、他の測定室はいわゆる試料物質を含む。温度測定期間中は種々異なる時点で温度測定が行われる。
【００１１】
【特許文献１】
欧州特許第０３５００１５号明細書
【特許文献２】
国際公開第９６／０２９４２号明細書
【特許文献３】
欧州特許第０５７８４１１号明細書
【特許文献４】
欧州特許出願公開第０７２３２９３号明細書
【特許文献５】
米国特許第６０９２９２７号明細書
【特許文献６】
米国特許第５５９６２３１号明細書
【特許文献７】
国際公開第８０／００８７８号明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、とりわけ、低い熱量を有するセンサが使用されて、半導体回路素子のヒートシンクの領域での集積回路からの放熱時に正確かつ迅速な温度検出を行うことである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の課題は、温度センサは薄フィルム状測定抵抗を有しており、薄フィルム状測定抵抗は薄膜状サブストレートの電気的に絶縁性の表面上に被着されており、温度センサの全厚は１０μｍ〜１００μｍの範囲内にあり、温度センサは冷却体と熱的に結合されていることを特徴とする、集積回路、冷却体および温度センサを有する半導体構成素子によって解決される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
特に有利には、温度センサである薄フィルム状測定抵抗は薄いのでわずかな熱量しか有していない。従って半導体チップのヒートシンク領域内での集積化が、冷却部構造の変化なしに可能である。
【００１５】
請求項１に記載された構成要件の有利な構成は、請求項２〜１５に記載されている。
【００１６】
温度センサの有利な実施形態では、薄フィルム状測定抵抗は平らな構成素子として構成されている。測定抵抗は、有利にはメアンダ状のパターン形状の層を有しており、実質的にはプラチナまたはプラチナ合金からなる。この層の厚さは０．　８〜１．　２μｍの範囲内にある。
【００１７】
半導体構成素子の有利な構成では、温度センサが集積回路と冷却体との間に配置されている。
【００１８】
さらに本発明の有利な構成では、薄フィルム状測定抵抗が、電気的に絶縁性の表面を有するサブストレート上に被着される。ここでこのサブストレートは金属、有利にはニッケルまたは、クロムおよびアルミニウムを含有するニッケル合金または鉄合金から成る。クロムの含有は有利には約２０質量％までである。またアルミニウムの含有は約５質量％までである。このような鉄合金は文献「Ｓｔａｈｌｓｃｈｌｕｅｓｓｅｌ（Ｃ．　Ｗ．　Ｗｅｇｓｔ著，　Ｖｅｒｌａｇ　Ｓｔａｈｌｓｃｈｌｕｅｓｓｅｌ　Ｗｅｓｔ　ＧｍｂＨ　Ｍａｒｂａｃｈ　１９９８年，　第１８版；ＩＳＢＮ　３−９２２５９９−１４−１）」内では材料番号１．　４７６７および略名（ＤＩＮ規格）ＣｒＡｌ２０　５（Ｘ８ＣｒＡｌ２０−５）も付けられている。
【００１９】
プラチナ薄フィルム状測定抵抗を、３０〜８０μｍの範囲内の厚さを有するニッケル薄膜またはニッケル合金薄膜ないしは鉄合金薄膜上に被着するのは特に有利である。これによって熱容量が僅かなので、ほぼ遅延なく温度検出が行われる。
【００２０】
本発明の有利な構成では、薄フィルム状測定抵抗は２〜５μｍの範囲の厚さを有する絶縁層上に被着される。この絶縁層は有利には一酸化ケイ素または酸化アルミニウムを有しており、ＰＶＤ法でサブストレート上に被着されている。
【００２１】
さらに本発明の有利な構成では、薄フィルム状測定抵抗上にパッシベーション層が被着されている。このパッシベーション層は、有利には一酸化ケイ素（ＳｉＯ）または酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から成る。このパッシベーション層は、１〜５μｍの厚さを有する。パッシベーション層はＰＶＤ法によって被着される。
【００２２】
さらに有利な実施形態では薄フィルム状測定抵抗が平ら（Ｅｂｅｎｅ）に配置される。ここで測定抵抗ないしパッシベーション層は一方で、冷却体と接している熱的な結合層によって被覆され、他方ではサブストレートとともに熱分配器と接している。この熱分配器は少なくとも一部で集積回路を包囲する。
【００２３】
有利な構成では、集積回路の少なくとも一部と熱分配器との間に電気的には絶縁されているが、熱的には良好な伝導性である層が配置される。
【００２４】
【実施例】
以下に構成要件を図１ａ、図１ｂ、図２ａおよび図２ｂに基づきより詳細に説明する。
【００２５】
図１ａには、サブストレート上の集積された半導体構成素子の縦断面図が示されている。ここでこれは熱分配器によってほぼ包囲されている。さらに縦断面図では、熱分配器と冷却体ないしはヒートシンクとのあいだの移行領域に配置された温度センサが識別可能である。
【００２６】
図１ｂには、図１ａの部分的に分割して示された一部が示されている。ここでは、縦断面図で示されたセンサの構造が部分的により良く識別可能である。
【００２７】
図２ａには、温度センサの平面図が示されている（図１ａの切断Ａ−Ｂ）。ここでこの温度センサはヒートシンクに直に隣接して配置されている。
【００２８】
図２ｂは、図２ａと択一的な図が示されている（図１ａの切断Ａ−Ｂ）。
【００２９】
図１ａには、電気的に絶縁性の表面を有するサブストレート２上の集積回路１を有する半導体構成素子が示されている。ここで集積回路１の、サブストレート２と反対側の面は、熱伝導性層３を介して熱分配器４と熱的に結合されている。ここで熱分配器４は少なくとも部分的に、サブストレート２上に存在する集積回路１を包囲する。しかしここでサブストレート２と接続された、集積回路１の領域ないし底面領域は空けておかれる。
【００３０】
熱分配器４の、サブストレート２に反する面上には電気的に絶縁性であるが、熱は良好に伝導する層５が熱的な結合層として存在する。この熱結合層上には、プラチナ基板上の平面状に構成された電気的な薄層抵抗が温度センサ７として構成されている。温度センサ７はジグザグ状またはメアンダ状の抵抗層を測定抵抗として有する。この抵抗層は同じように薄層技術で仕上げられた接続線路８、９（図２ａ，　図２ｂ）を介して外部接続端子１０と接続される。
【００３１】
図１ｂでは温度センサ７の測定抵抗１５がニッケル薄膜またはニッケル合金から成る薄膜（Ｆｏｌｉｅ）１６ないしは材料番号１．　４７６７（Ｓｔａｈｌｓｃｈｌｕｅｓｓｅｌ）の鉄合金からなる薄膜上に被着されている。ここで薄膜１６と測定抵抗１５との間には、この図面には示されていない接続線路とともに，２〜５μｍの範囲の厚さを有する電気的絶縁層ないし絶縁層１７が存在する。絶縁層１７は、一酸化ケイ素または酸化アルミニウムから成る。
【００３２】
さらに図１ａないし図１ｂの縦断面図では第２の熱結合層１２が識別可能である。この第２の熱結合層は、熱分配器４と反対側の自身の面上でヒートシンク１３ないしは冷却体と熱的に結合されている。ヒートシンク１３は有利には熱伝導の良好な材料、例えば銅またはアルミニウムからなる。
【００３３】
図１ａの熱伝導層３、５および１２は電気的に絶縁性であり、しかし熱的には良好な伝導性である材料からなる。これは例えばセラミックが充填された熱伝導接着剤である。
【００３４】
従って温度センサ７によって、熱分配器４の領域からヒートシンク１３に流れる熱量が検出され、このように検出された温度信号によって集積回路１は例えば切り換え措置によってオーバーヒートから保護される。
【００３５】
図２ａから識別される窒化アルミニウム層１４は、図２ｂの構成にはないので、ここでは温度センサ７は直接的に熱分配器４の外部表面上に被着される。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】サブストレート上の集積された半導体構成素子の縦断面図である。
【図１ｂ】図１ａの部分的に分割して示された一部を示す概略図である。
【図２ａ】温度センサの平面図である（図１ａの切断Ａ−Ｂ）。
【図２ｂ】図２ａと択一的な図である（図１ａの切断Ａ−Ｂ）。
【符号の説明】
１　集積回路
２　サブストレート
３　熱伝導層
４　熱分配器
５　熱結合層
７　温度センサ
８　接続線路
９　接続線路
１０　外部接続端子
１２　第２の熱結合層
１３　冷却体
１４　窒化アルミニウム層
１５　測定抵抗
１６　薄膜
１７　絶縁層
１８　パッシベーション層

Claims

集積回路と、当該集積回路と熱的に結合されており、抵抗が温度に依存する温度センサと、ヒートシンクである冷却体とを有する半導体構成素子において、
前記温度センサ（７）は薄フィルム状測定抵抗（１５）を有しており、
当該薄フィルム状測定抵抗は薄膜状サブストレート（１６）の電気的に絶縁性の表面上に被着されており、
前記温度センサの全厚は１０μｍ〜１００μｍの範囲内にあり、
前記温度センサ（７）は前記冷却体（１３）と熱的に結合されている
ことを特徴とする、集積回路、冷却体および温度センサを有する半導体構成素子。
前記薄フィルム状測定抵抗（１５）は平らな構成部分として構成されている、請求項１記載の半導体構成素子。
前記温度センサ（７）は集積回路（１）と冷却体（１３）の間に配置されている、請求項１または２記載の半導体構成素子。
前記薄フィルム状測定抵抗（１５）は、金属から成る薄膜状サブストレート（１６）の電気的に絶縁性の表面上に被着されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
前記電気的に絶縁性の表面は、２〜５μｍの範囲の厚さを有する絶縁層（１７）から構成されている、請求項４記載の半導体構成素子。
前記絶縁層（１７）は一酸化ケイ素または酸化アルミニウムを有する、請求項５記載の半導体構成素子。
前記絶縁層（１７）はＰＶＤ法によって被着されている、請求項６記載の半導体構成素子。
前記薄フィルム状測定抵抗（１５）に対する薄膜状サブストレート（１６）はニッケルまたは、クロムおよびアルミニウムを含有するニッケル合金または鉄合金を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
前記薄膜状サブストレート（１６）は、３０〜８０μｍの範囲内の厚さを有するニッケル薄膜または、クロムおよびアルミニウムを含有するニッケル合金から成る薄膜または鉄合金から成る薄膜から成る、請求項８記載の半導体構成素子。
一酸化ケイ素または酸化アルミウムから成るパッシベーション層（１８）が前記薄フィルム状測定抵抗（１５）上に被着されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
前記パッシベーション層（１８）は、１〜５μｍの範囲内の厚さを有している、請求項１０記載の半導体構成素子。
前記パッシベーション層（１８）はＰＶＤ法によって被着されている、請求項１０または１１記載の半導体構成素子。
前記薄フィルム状測定抵抗（１５）には一方では、前記冷却体（１３）と接している熱結合層（１２）が備えられ、他方では、自身のサブストレートとともに熱分配器（４）と接しており、
当該熱分配器は集積回路（１）に隣接して配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の半導体構成素子。
前記熱分配器（４）は、少なくとも一部で前記集積回路（１）を包囲している、請求項１３記載の半導体構成素子。
前記集積回路（１）の一部と熱分配器（４）との間に電気的に絶縁性で、熱的に良好な伝導性である層が配置されている、請求項１３または１４記載の半導体構成素子。