JP2002222998A

JP2002222998A - 光半導体素子

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Publication number: JP2002222998A
Application number: JP2001019953A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Tamemoto; 広昭為本
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2002-08-09
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: JP4904623B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光半導体素子の小型化による信頼性と放熱効
率の低下を抑制することのできる新たな素子構造を提供
すること。【解決手段】絶縁基板の表面に正負一対の導電パター
ンをその各々が絶縁基板の上面から側面を経て下面に連
続的するように形成して成る基材と、前記正負一対の導
電パターンを介して前記基材の上面に電気接続された半
導体チップと、前記半導体チップを覆う封止樹脂とを備
えた光半導体素子において、前記封止樹脂が、前記基材
上面と前記基材側面の少なくとも一部とに接着する。ま
た、絶縁基板の側面のうち導電パターンを形成した面の
少なくとも１つを絶縁基板上面より見て非直線状に形成
する。基材の絶対的な幅は一定としながら、放熱経路と
なる導電パターンの幅を実効的に広げることができ、さ
らに、封止樹脂の接着面積を拡大することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本件発明は、光半導体チップ
を樹脂により基材上に封止してなる光半導体素子の信頼
性及び放熱性の向上に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５（ａ）及び（ｂ）に、従来の一般的
な光半導体素子の一例として特開平２０００−４９３８
４号公報に記載された光半導体素子を示す。図５に示す
光半導体素子は、基材５の上に載置された光半導体チッ
プ７を封止樹脂９で覆った表面実装型光半導体素子であ
る。基材５は、正負一対の導電パターン３及び４を各々
上面から下面に連続して形成した絶縁基板１からなり、
基材５の上に、ＬＥＤチップや半導体レーザチップなど
の光半導体チップ７が、一方の導電パターン３を介して
接続されている。また、光半導体チップ７は、金属ワイ
ヤ７によって他方の導電パターン４にも接続されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図５に示すような従来
の光半導体素子では、封止樹脂９は基材５の上面にのみ
接着されていた。しかし、光半導体素子の小型化が進む
と、封止樹脂９と基材５の接着面積が減少するため、封
止部の冷熱サイクルに対する信頼性の低下が問題とる。
特に、いわゆる２５１２５サイズ以下の小型素子におい
て、信頼性の低下が顕著である。即ち、冷熱サイクル
中、封止樹脂９と基材５の界面には互いの熱膨張係数の
不一致による応力が加わり、さらに、界面に侵入した水
分の熱膨張による力が加わるため、冷熱サイクルによっ
て封止樹脂と基材５の界面が破壊される、いわゆるポッ
プコーン現象が発生する。

【０００４】また、光半導体素子が小型化すると、光半
導体チップ７の放熱効率の低下も問題となる。光半導体
チップ７は、基材５に形成された導電パターン３及び４
を介して、光半導体素子が実装される親基板に対して放
熱する。しかし、基材５は、一般に、両面に銅箔を張っ
たガラスエポキシ板（＝絶縁基板）に周期的に矩形又は
長円形の穴を形成し、ガラスエポキシ板の全体に銅メッ
キを施した後に、上下両面を所定の形状にエッチング
し、矩形又は長円形の穴の直線部に沿って素子単位に分
割することにより形成される。したがって、ガラスエポ
キシ板の側壁部分において導電パターン３は銅メッキ分
の厚さしかなく、熱抵抗が比較的高い。しかも、導電パ
ターン３は絶縁基板１であるガラスエポキシ板のいずれ
かの側面に形成されているため、半導体素子の小型化に
伴い基材５の寸法が減少すると、熱抵抗の高い導電パタ
ーン側壁部分の幅も減少してしまう。このため、光半導
体チップ７が小型化すると、それに応じて放熱効率も低
下する問題があった。

【０００５】銅メッキ厚を厚くすれば熱抵抗を低減させ
ることができるが、細かいパターンのエッチング加工が
困難となり、特に正負の導電性パターンが対向する位置
のギャップの制御が困難となる。

【０００６】そこで、本件発明は、光半導体素子の小型
化による信頼性と放熱効率の低下を抑制することのでき
る新たな素子構造を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本件発明に係る光半導体素子は、絶縁基板の表面に
正負一対の導電パターンをその各々が絶縁基板の上面か
ら側面を経て下面に連続的するように形成して成る基材
と、前記正負一対の導電パターンを介して前記基材の上
面に電気接続された半導体チップと、前記半導体チップ
を覆う封止樹脂とを備えた光半導体素子において、前記
封止樹脂が、前記基材上面と前記基材側面の少なくとも
一部とに接着していることを特徴とする。即ち、本件発
明によれば、基材の側面を封止樹脂の接着領域として利
用することにより封止樹脂の接着面積を増加させ、小型
であっても冷熱サイクルに対する信頼性の高い光半導体
素子を得ることができる。尚、本件発明において、基材
の「側面」とは基材の上面と下面とを接続する全ての面を
いい、例えば、基材が貫通孔を有する場合は貫通孔内の
側面も含む。

【０００８】また、前記基材の外周にある側面の少なく
とも１つが、前記基材の上面より見て非直線状に形成さ
れ、その非直線状に形成された側面に前記導電パターン
が形成され、かつ、前記封止樹脂が接着していることが
好ましい。例えば、絶縁基板の側面を上面より見て円弧
状、Ｖ字状、又は波状に形成することができる。これに
より、基材の絶対的な幅は一定としながら、放熱経路と
なる導電パターンの幅を実効的に広げることができ、さ
らに、封止樹脂の接着面積を拡大することができる。し
たがって、光半導体素子の小型化による信頼性及び放熱
効率の低下を同時に抑制することができる。

【０００９】また、基材側面を非直線状にする代わり
に、基材に貫通孔を形成し、その貫通孔内の側面を介し
て上面と下面の導電パターンを連続させ、さらに、貫通
孔の側面において基材と封止樹脂を接着させることもで
きる。これにより、封止樹脂の接着面積を拡大すること
ができ、また、貫通孔の寸法を適切に設定すれば、基材
側面に形成した場合よりも導電パターンの実効的な幅を
広げることができる。したがって、この実施形態によっ
ても光半導体素子の小型化による信頼性及び放熱効率の
低下を同時に抑制することができる。

【００１０】尚、本件発明において、光半導体素子と
は、発光或いは受光機能を有する半導体素子を言い、Ｌ
ＥＤ，半導体レーザ、フォトダイオードなどを指す。光
半導体素子は、適当な基板上に半導体層を積層した半導
体チップと、その半導体チップを固定し、実装基板との
間の電気接続を行うための基材とからなる。また、封止
樹脂とは、透光性を有し、光半導体チップを外力、湿度
及び腐蝕環境より保護するものを指す。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。尚、ここでは、光半導
体素子がＬＥＤ素子である場合を例に説明する。以下に
説明する図において、図５と同一の符号を付した部材は
同一又は対応する部材を示す。実施の形態１．図１は、本発明の実施の形態１に係る光
半導体素子を示す概略断面図である。ＧａＮ系ＬＥＤチ
ップ（＝光半導体チップ）７を基材５の上に載置して封
止樹脂９で覆った表面実装型光半導体素子を示す。ＬＥ
Ｄチップ７は、サファイア等の透光性部材２０の上に窒
化ガリウムを主成分としたｎ型半導体層２１ａ及びｐ型
半導体層２１ｂが積層された構造を有し、各々の半導体
層に形成されたｎパッド電極２３及びｐパッド電極２２
を介して基材５の導電パターンと接続されている。パッ
ド電極２２及び２３以外の領域の半導体層を覆うよう
に、酸化ケイ素、ポリイミド又はその複合積層膜よりな
る絶縁保護膜２４が形成されている。各パッド電極２２
及び２３と導電パターン３及び４との間は、接合部材３
によって接合されている。接合部材には、例えば、はん
だ、金バンプを導電パターンとパッド電極の間に超音波
接合したもの、銀、金、パラジウムなどの導電性ペース
ト、異方性導電性ペーストなどを用いることができる。

【００１２】基材５は、正負一対の導電パターン３及び
４を各々上面１ａから側面１ｂ及び１ｂ’を経て下面１
ｃに連続して形成した絶縁基板１からなり、基材５の上
に、ＬＥＤチップ７が、導電パターン３及び４を介して
接続されている。絶縁性基板には、例えば、ガラスエポ
キシ積層基板、液晶ポリマ基板、ポリイミド樹脂基板、
セラミックス基板等を用いることができる。また、導電
パターンには、例えば、銅、リン青銅、鉄、ニッケル等
の電気良導体を用いることができる。さらに、導電パタ
ーン３及び４の表面に銀、金、パラジウムなどの貴金属
めっきを行うと、接合部材３との接合性向上及び導体保
護のために好ましい。負側の導電パターン３は、絶縁基
板の上面１ａから左側面１ｂを経て下面１ｃへと連続
し、正側の導電パターン４は絶縁基板１の上面１ａから
右側面１ｂ’を経て下面１ｃへと連続している。導電パ
ターン３及び４の絶縁基板上面側の間隔（ギャップ）
は、ＬＥＤチップ７の電極２２及び２３のピッチに合わ
せて０．０５から０．３ｍｍ程度に形成されている。

【００１３】封止樹脂９は、ＬＥＤチップ７を封止する
ように塗布されており、エポキシ、シリコーン、変性ア
クリル樹脂等の透光性を有する絶縁樹脂を用いることが
できる。封止樹脂９は、従来と同様に基材５の上面５ａ
を覆うだけでなく、さらに、基材５の側面のうち導電パ
ターン３及び４が形成された面５ｂ、５ｂ’を覆うよう
に形成されている。

【００１４】図２は、図１に示す光半導体素子を上面よ
り見た概略平面図である。基材５の側面のうち導電パタ
ーン３及び４が形成された面５ｂ、５ｂ’は、図に示す
ように、基材上面より見て円弧状に、即ち、円柱側壁を
一部切り取ったような凹形状に形成されている。導電パ
ターン３及び４は一般に薄膜であるため、基材５の形状
は絶縁性基板１の形状によってほぼ決まる。基材５の側
面を、このように基材上面から見て非直線上に、即ち、
基材上下方向に平行なストライプ状の凹部を有する形状
とすることにより、基材５の絶対的を幅は一定にしなが
ら、基材５側面に形成された導電パターン３及び４の実
効的な幅を広げ、それにより導電パターンからの放熱効
率を高めることができる。

【００１５】また、封止樹脂９は、基材５の上面５ａだ
けでなく、非直線状に湾曲するように加工した基材側面
５ｂ及び５ｂ’をも覆うように塗布されている。このた
め、封止樹脂９の剥離に対する抵抗力は、封止樹脂９と
基材の上面５ａとの接着だけでなく、封止樹脂９と基材
の側面５ｂ及び５ｂ’との接着によっても得られること
になる。しかも、基材の側面５ｂ及び５ｂ’は湾曲して
いるため接着面積が広く、また、単純な平面に比べて剥
離が進行しにくいため、封止樹脂９と基材５の剥離を効
果的に抑制することができる。封止樹脂９の基材側面を
覆う部分９ａは、湾曲して形成された基材５の側面５ｂ
及び５ｂ’の凹部を埋めて平坦化するように形成する
と、従来と同様に矩形のチップ形状とすることができ
る。

【００１６】図１及び図２において基材５の側面が基材
上面から見て単一の円弧状である場合について説明した
が、基材５の好ましい側面形状はこれに限られない。例
えば、側面の全面を円弧状にする代わりに、平らなの側
面の一部に円弧状断面をもつ凹部を形成しても良い。ま
た、基材５の側面を基材上面から見てＶ字状に形成して
も良く、複数の円弧又はＶ字が集合にしたような波状に
形成しても良い。また、図１及び図２に示す実施形態で
は、後述する加工法の制約から、基材の上面から下面ま
で同一の断面形状を有する形状について説明したが、基
材の上面から下面にかけて基材５の断面形状を変化させ
ても良い。例えば、基材５の側面のうち導電パターン３
及び４が形成された面５ｂ及び５ｂ’を、基材上面及び
正面の双方から見て円弧状となるように、即ち、すり鉢
状に形成しても良い。

【００１７】本実施の形態におけるＬＥＤ素子の大きさ
は、特に限定されないが、例えば平面寸法が約１×５ｍ
ｍから約２．５×１．２５ｍｍ程度の大きさのものを用
いることが好ましい。ＬＥＤ素子がこの程度の大きさの
場合に、封止樹脂接着強度の向上及び放熱抵抗の低減と
いう効果が顕著となるからである。

【００１８】以下、本実施の形態に係るＬＥＤ素子の製
造方法について説明する。尚、ここでは、絶縁基板１に
ガラスエポキシ基板を用い、導電パターン３及び４が銅
から成る場合を例に説明する。まず、両面に銅箔を貼っ
た大面積のガラスエポキシ積層板を準備し、基材の境界
にあたる位置に基材幅に合わせたピッチで周期的な貫通
孔を開ける。この貫通孔の内壁が、基材完成時に基材側
面となる。貫通孔の形状は、所望の側壁形状に合わせて
適宜形成する。例えば、基材上面より見て円状の側面を
形成する場合には円形又は楕円形、上面より見てＶ字状
の側面を形成する場合には菱形、上面より見て波状の側
面を形成する場合には複数の円形又は菱形が連続した形
の貫通孔を形成すれば良い。

【００１９】次に、貫通孔を形成した両面銅箔貼りガラ
スエポキシ積層板の全面に、銅メッキを施す。この銅メ
ッキによって貫通孔の内面にも銅が付着し、ガラスエポ
キシ積層板の上面及び下面に貼りつけられた銅箔を互い
に連結することができる。銅メッキ後、表裏の銅箔を所
定の形状にエッチングして、各基材の正負導電パターン
３及び４に対応したパターンを形成する。

【００２０】次に、導電パターンが形成されたガラスエ
ポキシ積層板に銀、金、パラジウム等の貴金属めっきを
施し、導電パターンの表面を貴金属で覆う。こうして、
複数の基材５が配列した部材が完成する（以下、基材集
合部材と称す）。

【００２１】次に、基材集合部材に配列している基材５
の各々に、ＬＥＤチップ７を接合する。ＬＥＤチップ７
の接合には、上記の通り金バンプ、はんだ、導電性ペー
スト、異方導電性ペーストなどの適当な接合材３を用い
ることができる。

【００２２】次に、基材集合部材の裏面のみをマスキン
グし、封止樹脂を全面に塗布する。これにより、各基材
に分離したときに基材側面５ｂ及び５ｂ’にあたる部分
である貫通穴の内面にも封止樹脂が浸透する。次に、封
止樹脂を硬化させると、基材５の上面５ａと側面５ｂ及
び５ｂ’とに封止樹脂を形成することができる。そし
て、基材集合部材を貫通孔の中心を通過する線に沿って
ＬＥＤ素子の大きさに割断するとＬＥＤ素子が完成す
る。

【００２３】実施の形態２．実施の形態１では、導電性
パターンを従来と同様に基材の側面に形成していた。本
実施の形態においては、基材にスルーホールを設け、そ
の内面に導電性パターンを形成する。その他の構成及び
材料は、実施の形態１と同様である。

【００２４】図３及び図４は、本発明の実施の形態２に
係る光半導体素子の概略を示す断面図及び平面図であ
る。ＧａＮ系ＬＥＤチップ７が、ｎパッド電極２３及び
ｐパッド電極２２を介して基材５の導電パターン３及び
４と接続されている。基材５は、正負一対の導電パター
ン３及び４を各々上面１ａから貫通孔１０及び１０’を
経て下面１ｃに連続して形成した絶縁基板１からなる。
負側の導電パターン３は、絶縁基板の上面１ａから左側
貫通孔１０の内面を経て下面１ｃへと連続し、正側の導
電パターン４は絶縁基板１の上面１ａから右側貫通孔１
０’の内面を経て下面１ｃへと連続している。貫通孔１
０及び１０’は、その円周が絶縁基板の側面よりも長く
なるように、かつ、導電パターン３及び４によって埋め
られることのない十分な直径に形成することが好まし
い。封止樹脂９は、ＬＥＤチップ７を封止するように塗
布されており、従来と同様に基材５の上面５ａを覆う部
分だけでなく、さらに、基材５に設けられた貫通孔１０
及び１０’の内部の充填された部分９ｃにも形成されて
いる。

【００２５】このように、絶縁基板１の内側に設けた貫
通孔１０及び１０’を介して上下の導電パターンを連結
することにより、光半導体チップの外形寸法を従来と変
えることなく、導電パターンの上下連結部分の幅を実質
的に広げ、その部分の熱抵抗を低減することができる。
この効果は、導電パターン３及び４の間のギャップが狭
く、導電パターンの厚さを厚くできないフリップチップ
型素子及び２５１２５サイズ以下の素子において顕著で
ある。また、封止樹脂９が貫通孔１０及び１０’の内面
にも接着していることにより、封止樹脂９と基材５の間
の接着面積を拡大して剥離に対する抵抗力を高めること
ができる。

【００２６】本実施の形態においては、貫通孔１０及び
１０’が円形である場合を示したが、矩形など他の形状
であっても構わない。また、貫通孔１０及び１０’は、
正及び負の導電パターンの形成領域の各々に２箇所以上
設けても良い。

【００２７】次に、実施の形態２に係る光半導体素子の
製造方法について説明する。実施の形態１と同様に、絶
縁基板１にガラスエポキシ基板を用い、導電パターン３
及び４が銅から成る場合を例に説明する。まず、両面に
銅箔を貼った大面積のガラスエポキシ積層板を複数の基
材の区画に分け、各基材の正電極及び負電極上に相当す
る位置に貫通孔１０及び１０’を開ける。次に、貫通孔
１０及び１０’を形成した両面銅箔貼りガラスエポキシ
積層板の全面に、銅メッキを施す。この銅メッキによっ
て貫通孔の内面にも銅が付着し、ガラスエポキシ積層板
の上面及び下面に貼りつけられた銅箔を互いに連結する
ことができる。銅メッキ後、表裏の銅箔を所定の形状に
エッチングして、各基材の正負導電パターン３及び４に
対応したパターンを形成する。導電パターンの表面に貴
金属メッキを施し、複数の基材５が配列した基材集合部
材が完成する。

【００２８】次に、基材集合部材に配列している基材５
の各々に、ＬＥＤチップ７を接合した後、基材集合部材
の裏面のみをマスキングし、封止樹脂を全面に塗布す
る。これにより、貫通穴１０及び１０’の内面にも封止
樹脂が浸透する。次に、封止樹脂を硬化させると、基材
５の上面５ａと貫通孔１０及び１０’の内面とに封止樹
脂を形成することができる。そして、基材集合部材を予
め定めた基材の区画に沿って沿って割断するとＬＥＤ素
子が完成する。

【００２９】尚、本実施の形態においては、半導体チッ
プの半導体層面を基材導体に対向して固定するフリップ
チップ方式で実装した光半導体素子について説明した
が、半導体チップの基板面を基材導体に対向して固定し
金線などによるワイヤーボンディングで導電パターンと
電気接続させる方式で実装した光半導体素子において
も、上記実施の形態と同様にして本件発明を適用するこ
とができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、封止樹脂と基材の接着
面積を増加させて接着強度を向上させ、冷熱サイクルに
対する耐性に優れた高信頼性の光半導体素子を提供する
ことができる。また、基材の上下面を連結する導電パタ
ーンの実効的な幅を拡大して、素子の放熱効率を向上す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る光半導
体素子を示す断面図である。

【図２】図２は、図１に示す光半導体素子を示す平面
図である。

【図３】図３は、本発明の実施の形態２に係る光半導
体素子を示す断面図である。

【図４】図４は、図３に示す光半導体素子を示す平面
図である。

【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、従来の光半導体素
子を示す平面図及び断面図である。

【符号の説明】

１絶縁基板、３及び４導電パターン、５基材、５
ｂ及び５ｂ’基材側面、１０及び１０’貫通孔、７光
半導体チップ、９封止樹脂。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板の表面に正負一対の導電パター
ンをその各々が絶縁基板の上面から側面を経て下面に連
続的するように形成して成る基材と、前記正負一対の導
電パターンを介して前記基材の上面に電気接続された半
導体チップと、前記半導体チップを覆う封止樹脂とを備
えた光半導体素子において、前記封止樹脂が、前記基材上面と前記基材側面の少なく
とも一部とに接着していることを特徴とする光半導体素
子。
【請求項２】前記基材の外周にある側面の少なくとも
１つが、前記基材の上面より見て非直線状に形成され、
その非直線状に形成された側面に前記導電パターンが形
成され、かつ、前記封止樹脂が接着していることを特徴
とする請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】前記非直線状に形成された側面が、前記
絶縁基板の上面より見て円弧状に形成されていることを
特徴とする請求項２記載の光半導体素子。
【請求項４】前記非直線状に形成された側面が、前記
絶縁基板の上面より見てＶ字状に形成されていることを
特徴とする請求項２記載の光半導体素子。
【請求項５】前記非直線状に形成された側面が、前記
絶縁基板の上面より見て波状に形成されていることを特
徴とする請求項２記載の光半導体素子。
【請求項６】前記基材に貫通孔が形成されており、前
記正負一対の導電パターンの各々が前記基材の上面から
前記貫通孔内の側面を経て下面に連続する共に、前記封
止樹脂が前記貫通孔内の側面に接着していることを特徴
とする請求項１記載の光半導体素子。
【請求項７】前記半導体チップが、前記基材にフリッ
プチップ接続されていることを特徴とする請求項１記載
の光半導体素子。