JP2001257301A - 同心状にリードが設けられたパワー半導体デバイスパッケージ - Google Patents

同心状にリードが設けられたパワー半導体デバイスパッケージ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱的特性に優れ、実装領域面積が小さく、複
数の半導体デバイスを近接して実装できる半導体パッケ
ージを提供する。 【解決手段】 同心状にリードが設けられたパワー半導
体デバイスパッケージは、二つ又はそれ以上のほぼ同心
状の導電体を含む。内部導電体は、その端部において、
一又は二以上の半導体デバイス用の接続点を、また他端
において電気的な接続手段を与える。外部導電体は、内
部導電体上に押しつけられ、絶縁体によって分離されて
いる。発光ダイオード(LED)などの半導体デバイス
は、エポキシ接着剤あるいはハンダ付けなどにより内部
導電体に取り付けられ、ボンディングワイヤによって外
部伝導体に接続される。このパッケージは、円筒状又は
長方形などから構成される立体状をしている。このパッ
ケージは、追加の半導体実装面及び三つ以上の導電体を
含むようにすることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスを
実装するためのパッケージの設計に関する。
【0002】
【従来の技術】発光ダイオード(LED)などの半導体
デバイスを実装するための現状のパッケージには、「穴
を通す」タイプのもの、あるいは表面実装タイプのもの
がある。これらのパッケージは、プリント配線基板(P
CB)とともに用いられ、半導体デバイスをPCBに確
実に実装するための専用の組み立て工程が必要になる場
合がある。すなわち、半導体のリードを、PCBに電気
的かつ熱的に接続するために、ハンダ付け工程が行われ
る。LEDの場合には、このPCBとの接続法によっ
て、パッケージ内のLEDへの電力の供給及び発光が可
能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】現状のLEDパッケー
ジは、PCB又は丈夫な配線と接続するために、薄いリ
ード(リードフレーム)を有するもの、あるいはリード
のないもの(メッキした金あるいはスズトレース(tin
traces)を利用したPCB)がある。このような現状の
LEDパッケージは、本質的に、LEDパッケージ内の
LEDチップによって生じた熱の拡散及び伝導の特性が
貧弱である。このため、現状のLEDパッケージには、
0.3ワットより高い電力で動作するものはほとんどな
い。
【0004】現状のLEDパッケージにはまた、実装領
域が大きいという欠点がある。実装領域面積当たりのパ
ッケージ当たりの光束、たとえば装置パネル内の照度が
重要となるような状況には、現状のLEDパッケージを
適用するのは難しい。さらに、既存のLEDパッケージ
は、所定のスペクトル効果及び照度効率を得るために、
反射(混色)チャンバー内で異なる色の複数のLEDを
近接して配置するには大きすぎる場合がある。
【0005】
【課題を解決するための手段】同心状にリードが設けら
れたパワー半導体デバイスパッケージは、現状の半導体
パッケージの設計上固有の問題を排除する。このパッケ
ージによれば、実際の組み立て作業におけるハンダ付け
工程の必要性を回避するかあるいは最小限に抑えられる
可能性がある。またこのパッケージによれば、優れた熱
拡散特性が得られる。このパッケージは、一対の共軸の
丸いあるいは四角い複数のリードを含んでおり、これら
は薄い絶縁フィルムによって電気的に分離されている。
このパッケージに電力を供給するのに、PCBに実装す
ることは必要ではない。パッケージからのリードは、低
コストのコネクタに確実に実装される。このコネクタ
は、単にパッケージをコネクタに差し込むことによって
ヒートシンクとして機能するようにも設計することがで
きる。コネクタが電力をLEDに供給すると、コネクタ
は、LEDによって生じた熱を排除する。このパッケー
ジは、内包された複数のLEDに対して、優れた熱拡散
及び熱伝導特性を示す。このようなことは、実際の組み
立て作業において、LEDチップを一方の端部において
直線状のワイヤ(内側)の端面に接続することによっ
て、そして、同ワイヤの反対側をヒートシンクに挿入す
ることによって達成される。このようにする代わりに、
外部のワイヤ又は導電体をヒートシンクに挿入すること
も可能である。ワイヤの直径及び材質は、LEDチップ
パッケージの熱的な特性に基づいて選択することができ
る。内側ワイヤの円筒状の表面とコネクタのヒートシン
クとの接触面における熱抵抗を低減するために、サーマ
ルコンパウンド(a thermal compound)あるいはグリー
スを用いてもよい。このような設計上の工夫によって、
大きな電力のLEDをパッケージ化し、過熱状態になら
ずに高いワット数で動作させることができる。
【0006】共軸の円筒状あるいは四角形状の設計に加
え、パッケージに、複数層の共軸の導電体を採り入れる
こともできる。たとえは、パッケージが、三つの同心の
円筒状の導電体を含むようにすることができる。このよ
うな設計は、複数のLEDを使用する場合を考慮したも
のである。パッケージ構成の他のバリエーションとし
て、複数のLEDと他のデバイス、たとえば半導体デバ
イス、抵抗、及びキャパシタなどを、半導体の一部を取
り除いた部分に接続させるようにして含むようにするこ
ともできる。このようなパッケージのバリエーション
は、たとえば半導体レーザーに対して有用である。
【0007】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して詳細に説
明する。図面において、同一又は類似の符号は、同一の
要素を指し示している。
【0008】図1(a)は、同心状にリードが設けられ
たパワー半導体デバイスパッケージの設計10の断面図
である。同心状にリードが設けられたパワー半導体デバ
イスパッケージ20は、内部導電体22を含んでいる。
内部導電体22の断面形状は、円形、四角、三角形な
ど、適した形状であればどのようなものでもよい。内部
導電体22は、電気接続端23と、この電気接続端23
の反対側に実装表面端面25を有している。外部導電体
24は、内部導電体22を囲み、全体として内部導電体
22と同じ断面形状に沿うように設けられている。内部
導電体22及び外部導電体24は、絶縁フィルム26に
よって分離されている。絶縁フィルム26は、内部導電
体24と外部導電体26を、電気的に絶縁している。絶
縁フィルム26としては、たとえば、非常に薄い高温誘
電コーティングを用いることができる。
【0009】内部導電体22と外部導電体24は、しま
りばめ(press fit)によってしっかりと固定すること
ができる。内部導電体22の実装面25及び外部導電体
24の対応する面27は、機械加工又は鋳造(打ち抜
き)によって、ダイ・アタッチング、ワイヤ・ボンディ
ング及び光学特性を考慮して設計された形状とすること
ができる。
【0010】外部導電体24をパッケージの長さ方向に
沿って内部導電体22よりも短くし、内部導電体22及
び絶縁フィルム26が露出するようにしてもよい。絶縁
フィルム26を内部導電体22から除去し、内部導電体
22に電気的及び熱的な接点としてメッキを施してもよ
い。パッケージ20全体を、ダイ・アタッチング、ワイ
ヤ・ボンディング、光学的反射率、電気的及び熱的な接
点、および腐食耐性を考慮して、ニッケルを下層、銀、
金、あるいは他の貴金属32を上層としてメッキしても
よい。また、目的とする機能に合致するよう、反射作用
のある材料を選択的にメッキあるいはコーティングして
もよい。
【0011】実装面25の部分には、図1(a)に示す
ように、LEDチップ28が内部導電体22に固定され
ている。LEDチップ28と外部導電体24との接続に
は、ボンディングワイヤ30が使われている。LEDチ
ップ28を内部導電体22に固定するのには、たとえば
標準的な導電性エポキシあるいはハンダ付けを用いるこ
とができる。同様に、ボンディングワイヤ30のLED
チップ28及び外部導電体24への接続には、エポキ
シ、ハンダ付けその他の標準的なボンディング技術を用
いることができる。LEDチップ28及びボンディング
ワイヤ30は、ドーム状のエポキシ(エポキシドーム)
34によって保護することができる。
【0012】図1(a)には、LEDチップ28は、一
つの電気的接続部となるボンディングワイヤ30と共に
示されている。また、LEDチップ28は、内部導電体
22と直接ボンディングされて、第二の電気的接続部を
形成している。コンピュータチップなどの半導体デバイ
スからの電気的接続手段のすべてを、その半導体デバイ
スの上面に形成することができるが、LEDについて
も、パッケージ20内で、このような方法で電気的に接
続することができる。あるいは、LEDなどのように普
通は上側に電気的な接続部を有する半導体デバイスは、
上下を逆にして、直接基板に接続することもできる(た
とえばハンダ付けによって)。このような構成(「フリ
ップチップ」として知られている)を図1(b)に示
す。図1(b)では、半導体デバイス29が、内部導電
体22′及び外部導電体24′に接続された状態として
示されている。内部導電体22′と外部導電体24′
は、絶縁体26′によって分離されており、これにより
電気的に絶縁される。半導体デバイス29は、接続点3
0′において、内部導電体22′及び外部導電体24′
に電気的に接続されている。半導体デバイス39を、た
とえばハンダ付けやエポキシ接着で接続することもでき
る。
【0013】設計10は、パッケージ20がヒートシン
ク36に挿入された状態として示されている。ヒートシ
ンク36は、内部導電体22のための電気的なコネクタ
としての役割も持つ。戻りの電源線(図1(a)には示
していない)は、外部コネクタ24に接続される。パッ
ケージ20は、たとえば押し込むことによって簡単にヒ
ートシンク36に挿入することができる。熱的な特性を
改善するために、内部導電体22の電気的な接続端23
に熱グリースなどの熱伝導性材料38を塗布して、内部
導電体22の表面とヒートシンク37との境界部の熱抵
抗を低減するようにしてもよい。
【0014】図1(a)では、ヒートシンク36が内部
導電体22に取り付けられた状態が示されている。これ
とは別の方法で、パッケージ20に実装されている半導
体デバイスが発する熱を除去するようにしてもよい。た
とえば、熱源36を内部導電体22に接続する代わり
に、あるいは熱源36を内部導電体22に接続するのと
併せて、ヒートシンクを外部導電体24に結合させるこ
ともできる。
【0015】内部導電体22は、特別の応用に適合する
ような寸法とすることができる。たとえば、内側導電体
22の直径を0.1mmから5mmもしくはそれ以上の
寸法とすることができる。内部導電体22及び外部導電
体24は、たとえば銅などの適切な導電性材料から形成
することができる。
【0016】パッケージ20は非常に細いので、異なる
色のLEDを備えたいくつかのパッケージ20を混色が
生じるように配置することができる。たとえば、青のL
EDと緑のLEDをパッケージ化して、希望する別の色
の光を得ることができる。あるいは、複数のLEDを、
白色を発するようパッケージ化することもできる。熱散
逸特性が優れているので、パッケージ20を、複数のL
EDから全体として白色の光を発光させるのに用いるこ
とができる。
【0017】図1(a)に示した例では、LEDチップ
28は、パッケージ20内にパッケージ化されている。
しかしながら、パッケージ20を、半導体レーザーや他
のパワー半導体デバイスを含む電気デバイスや、抵抗、
インダクタ、キャパシタなどを含む個別の電気部品とと
もに使用することもできる。
【0018】追加の半導体デバイスをパッケージ20に
含めることもできる。一つの構成として、追加の複数の
LED(図1(a)には示していない)を内部導電体2
0に取り付けることができる。他の構成として、第三の
導電体(図1(a)には示していない)を、外部導電体
24と同心的に配置することもできる。その場合、半導
体デバイスを第2の導電体24に取り付け、内部導電体
22にボンディングすることもできる。このような構成
では、内部導電体24に取り付けられた半導体デバイス
(たとえばLEDチップ28)は、第三の導電体にボン
ディングされよう。
【0019】さらに別の構成では(図1(a)には示し
ていない)、第四及びそれ以上の導電体を、内部もしく
は第一の導電体と同心的に配置することができる。
【0020】図2(a)〜図2(c)は、内部導電体2
2の端面25及びボンディングワイヤ30の接続につい
ての他の選択可能な例を示している。図2(a)〜図2
(c)に示したように、LEDチップ28は、内部導電
体の端面の中央部に配置されている。LEDチップ28
の周囲の表面のわずかな変更でも、光量分布に大きな影
響を与える。図2(a)〜図2(c)に示すように、内
部導電体の端面の設計には、三つの異なる選択肢が考え
られる。図2(a)は平坦な面41を例示し、図2
(b)は、光束を上方に向けるよう浅い凹型の形状をし
た反射カップ43を例示し、図2(c)は、光束が下方
に分布するようにして半球の照射空間よりも大きな照射
空間を与えるよう、LEDチップ28の面が持ち上げら
れた台座部45を例示している。
【0021】図2(a)〜図2(c)は、また、ボンデ
ィングワイヤ30を外部電極に接続するための選択肢も
示している。LEDチップ28は、内部導電体の中央部
にダイ・アタッチングされている。しかしながら、針状
のボンディングワイヤ30をボンディングする位置は、
外部導電体の端面の任意の場所とすることができ、柔軟
な設計が可能となる。
【0022】図3は、同心的にリードが設けられたパワ
ー半導体デバイスパッケージ50を示している。パッケ
ージ50は、長さ方向に沿って縦に加工された平坦面5
3を有する内部導電体52を含んでいる。中間導電体5
6は、内部導電体52を部分的に被包しており、絶縁層
54によって内部導電体52から分離されている。中間
導電体56は、内部導電体52の面53の形状に対応す
る加工面57を有している。外部導電体60は、中間導
電体56を部分的に被包しており、絶縁層58によって
中間導電体56から分離されている。外部導電体60の
面59は、中間導電体56及び内部導電体52の面57
及び53と対応するように加工されている。このような
加工の結果、平坦面53が露出し、半導体デバイスなど
の電気デバイスの実装に利用される。このように、中間
導電体56及び外部導電体60は、図3に示すように内
部導電体52と部分的に同心となっている。
【0023】パッケージ50の表面の実装面61に、た
とえばLEDチップなどの複数の半導体デバイス62が
中間導電体56に実装された状態が示されている。ボン
ディングワイヤ64は、半導体デバイス62から内部導
電体52へ接続されている。半導体デバイス66は、内
部導電体52に接続された状態で示されており、ボンデ
ィングワイヤ68は、半導体デバイス66から外部導電
体60へ接続された状態で示されている。内部導電体5
2の平坦面53に沿って、多数の半導体デバイス70が
接続されている。ボンディングワイヤ72は、半導体デ
バイス70を外部導電体60に接続している。たとえば
抵抗やキャパシタなどからなる電気部品74も、平坦面
53に接続された状態で示されている。
【0024】半導体デバイスをパッケージ50に接続す
るのに他の選択肢を選ぶこともできる。たとえば、フリ
ップチップ(図3には示されていない)を、ハンダ付け
あるいはエポキシを用いて、内部導電体52と中間導電
体56の間に取り付けることもできる。半導体デバイス
を外部導電体60の面59に取り付けることもでき、そ
の場合は、ボンディングワイヤによって内部導電体52
に接続することもできる。
【0025】パッケージ50は、半導体デバイス70を
レーザーへの応用に最も適するよう構成していることか
ら、半導体レーザーなどへの応用に特に有用である。パ
ッケージ50は、LEDパッケージに加え、他の応用に
も用いることができる。たとえば、電気部品74を半導
体デバイス70、62、66と連携させて用いることに
より、現在のプリント回路基板が果たしている多くの機
能を果たすようにすることができる。
【0026】パッケージ50内に示されている半導体デ
バイスへの電力を内部導電体52から供給し、戻りの電
気的経路(不図示)として中間導電体56及び外部導電
体60を利用することもできる。内部導電体52の端部
75を適当なヒートシンク(不図示)に挿入することに
よって、内部導電体52を、パッケージ50内の半導体
デバイスによって生じる熱を除去するのに利用すること
もできる。他の構成として、中間導電体56と外部導電
体60のいずれか一方あるいは両方をヒートシンクに結
合して熱を除去するようにしてもよい。当該他の構成で
は、ヒートシンクへの挿入を容易にするために、中間導
電体56及び外部導電体60の長さを、内部導電体52
の長さより長くすることができる。この場合には、ヒー
トシンクを、中間導電体56、外部導電体60のいずれ
か一方あるいは両方への電力の供給手段とすることがで
きる。
【0027】図3に示したパッケージ50は、全体とし
て円筒状であり、部分的に同心の三つの導電体を含んで
いる。しかしながら、平坦面53と類似した追加の実装
面をパッケージ50の周辺に設けることによって、さら
に変形することができる。あるいは追加の導電体を、そ
れぞれが既存の導電体と全体として同心となるように設
けることもできる。さらに、パッケージ50の導電体の
電気的な構成を図3に示すような構成にしたり、あるい
は他の構成にすることもできる。さらに他の変形例とし
ては、パッケージ50を直方体その他の立体として、半
導体デバイスその他の電気部品を導電体の複数の面に実
装するようにしてもよい。一般に、導電体を共軸、同
心、あるいは対称的な構成とすることで、半導体実装面
を、優れた熱拡散特性を有する丈夫なものとすることが
できる。
【0028】以上で用いられた用語や説明は、あくまで
も例示としてのものであって、制限的に解釈されるべき
ものではない。当業者によれば、特許請求の範囲に規定
された発明の趣旨及び発明の範囲、及び特に示されてい
る場合を除いてすべての用語が最も広い意味に理解され
るべきそれらの均等範囲において、多くの変形例を考え
得るものであることが認識される。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は同心的にリードが設けられたパワー半
導体デバイスパッケージの断面図、(b)は同心的にリ
ードが設けられたパワー半導体パッケージの上から見た
図で、半導体デバイスの他の実装を示した図である。
【図2】図1(a)に示したパッケージに対する種々の
光学的設計例及びボンディングの特徴を例示した図であ
る。
【図3】同心的にリードが設けられたパワー半導体デバ
イスパッケージの他の設計例を示した図である。
【符号の説明】
20…パワー半導体デバイスパッケージ、22…内部導
電体、24…外部導電体、25…実装表面端面、26…
絶縁フィルム、28…LEDチップ、30…ボンディン
グワイヤ、34…エポキシ、36…ヒートシンク、52
…内部導電体、54…絶縁層、56…中間導電体、60
…外部導電体、62…半導体デバイス、64…ボンディ
ングワイヤ、70…半導体デバイス、72…ボンディン
グワイヤ、74…電気部品
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウールバートン ダグラス ピー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94043 マウンテン ビュー ホワイスマ ン パーク ドライブ 461 (72)発明者 スナイダー ウェイン エル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94306 パロ アルト クーパー ストリ ート 3365

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 端面及び第一の長さを有する第一の導電
    体と、 第一の導電体の外側に同心状に配置され、第二の長さを
    有している第二の導電体と、 第一及び第二の導電体の間に配置された第一の絶縁体
    と、 第一の導電体の前記端面及び第二の導電体に接続された
    半導体デバイスと、 を含むことを特徴とする半導体パッケージ。
  2. 【請求項2】 前記半導体デバイスは発光ダイオード
    (LED)であり、前記LEDはボンディングワイヤに
    よって第二の導電体に接続されている請求項1記載の半
    導体パッケージ。
  3. 【請求項3】 前記端面は、平坦面、凹面又はペデスタ
    ルのいずれか一つである請求項1記載の半導体パッケー
    ジ。
  4. 【請求項4】 前記半導体デバイスはフリップチップで
    ある請求項1記載の半導体パッケージ。
  5. 【請求項5】 第一及び第二の導電体は、その断面が円
    形又は方形のいずれかである請求項1記載の半導体パッ
    ケージ。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の半導体パッケージにおい
    て、さらに、第二の導電体の外側に同心状に配置され、
    第三の長さを有している第三の導電体と、 第三及び第二の導電体を分離している第二の絶縁体と、 第一の導電体及び第三の導電体に接続されている第二の
    半導体デバイスと、 を含むことを特徴とする半導体パッケージ。
  7. 【請求項7】 第一及び第二の絶縁体はポリマー材であ
    り、第一、第二、第三の導電体の露出面は、ニッケル、
    銀、金を含む材料を用いた一又は二以上のコーティング
    によってコートされている請求項6記載の半導体パッケ
    ージ。
  8. 【請求項8】 第一の導電体は、第一の長さに沿った露
    出した平坦面及び第一の長さに沿った絶縁された表面を
    含み、第二及び第三の導電体は、当該絶縁された表面と
    同心状にその外側に設けられている請求項1記載の半導
    体パッケージ。
  9. 【請求項9】 請求項8記載の半導体パッケージにおい
    て、さらに、前記露出した平坦面上に実装された複数の
    電気デバイスを含み、それぞれが第二の導電体及び第三
    の導電体のうちの一方にボンディングされていることを
    特徴とする半導体パッケージ。
  10. 【請求項10】 前記複数の電気デバイスに一又は二以
    上のLEDを含んでいる請求項9記載の半導体パッケー
    ジ。
  11. 【請求項11】 前記複数の電気デバイスは、半導体レ
    ーザー、抵抗、インダクタ及びキャパシタのうち一又は
    二以上を含んでいる請求項9記載の半導体パッケージ。
  12. 【請求項12】 第一の導電体はほぼ円筒状であり、前
    記絶縁された表面は円筒の曲面を含み、第二及び第三の
    導電体は当該曲面と同心状にその外側に設けられている
    請求項8記載の半導体パッケージ。
  13. 【請求項13】 第一の導電体は長方形の面を含む立体
    であり、前記絶縁された表面は第一の長さに沿って第一
    の導電体の任意の三つの側面を含み、第二及び第三の導
    電体は前記絶縁された表面と同心状にその外側に設けら
    れている請求項8記載の半導体パッケージ。
  14. 【請求項14】 請求項1記載の半導体パッケージにお
    いて、さらに、差込口を有するヒートシンクを含み、第
    一の導電体の一つ及び第二の導電体が前記差込口に圧入
    されており、前記ヒートシンクは圧入された第一の導電
    体に電力を供給する手段となっていることを特徴とする
    半導体パッケージ。
  15. 【請求項15】 一又は二以上の半導体を実装するため
    の第一の表面を含み第一の長さを有する内部導電体と、 前記内部導電体の長さ方向の一部に沿って少なくとも一
    部が同心状である一又は二以上の外部導電体と、 前記内部導電体と前記一又は二以上の外部導電体のそれ
    ぞれとの間に配置された絶縁材と、 第一の表面の上に配置された一又は二以上の半導体デバ
    イスと、 を含むことを特徴とする半導体パッケージ。
  16. 【請求項16】 前記内部導電体は半導体デバイスを実
    装するための第二の表面を含み、前記第二の表面は第一
    の長さ方向に沿って形成され、第二の表面上に配置され
    た一又は二以上の電気デバイスを含み、前記電気デバイ
    スには一又は二以上の半導体デバイス及び個別電気デバ
    イスが含まれている請求項15記載の半導体パッケー
    ジ。
  17. 【請求項17】 請求項15記載の半導体パッケージに
    おいて、さらに、前記内部導電体に結合されたヒートシ
    ンクと、 一又は二以上の半導体デバイスの一又は二以上の上に配
    置された光学コーティングと、 を含むことを特徴とする半導体パッケージ。
  18. 【請求項18】 電気部品を実装するための第一の表面
    とパッケージを電力供給手段に結合するための電気的接
    続部を含む内部導電体と、 前記内部導電体と共軸にほぼその外側に設けられた一又
    は二以上の外部導電体と、 前記内部導電体及び前記一又は二以上の外部導電体それ
    ぞれの間に配置された電気的絶縁手段と、 含むことを特徴とする電気部品を実装するための共軸パ
    ッケージ。
  19. 【請求項19】 内部導電体は複数の端面及び一又は二
    以上の側面を有する立体で、第一の表面は一つの端面上
    にあり、内部導電体は電気部品を実装するための第二の
    表面を含み、第二の表面は一又は二以上の側面の上に形
    成され、一又は二以上の電気デバイスが第二の表面の上
    に配置されている請求項18記載の共軸パッケージ。
  20. 【請求項20】 さらに、一又は二以上の内部導電体及
    び一又は二以上の外部導電体に結合されたヒートシンク
    と、 第一の表面の上に配置され、一又は二以上の外部導電体
    にボンディングされた一又は二以上の電気デバイスと、 内部導電体及び一又は二以上の外部導電体の露出された
    表面の上に配置された導電性のコーティングと、 を含む請求項18記載の共軸パッケージ。
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