JP2006100753A - Semiconductor module and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor module which installs a semiconductor component such as a light emitting device or the like, and can realize high heat dissipation and a structure in thin formation. <P>SOLUTION: A semiconductor module 10 can improve heat dissipation by efficiently transmitting a heat generated from a light emitting device 15 to a metal board 11 in such a way that a projection 12 of the metal board 11 is prepared. Therefore, a more high reliable semiconductor module can be offered in such a way that a drivability of the light emitting device can be kept by suppressing an influence caused by heat. And, a miniaturized and thin semiconductor module, capable of reducing packaging area by packaging a plurality of light emitting device 15 in exposed state and by totally gas-sealing, can be realized. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体モジュールおよびその製造方法であり、特に放熱性を向上させた半導体モジュールおよびその製造方法である。   The present invention relates to a semiconductor module and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor module with improved heat dissipation and a method for manufacturing the same.

まず光を大量に照射する必要がある場合、一般には電灯等が用いられている。しかし、軽薄短小および省電力を目的として、図9の様にプリント基板101に光素子102を実装させる場合がある。   First, when it is necessary to irradiate a large amount of light, an electric lamp or the like is generally used. However, the optical element 102 may be mounted on the printed circuit board 101 as shown in FIG.

この光素子102は、半導体で形成された発光ダイオード(Light Emitting Diode)が主ではある。   The optical element 102 is mainly a light emitting diode formed with a semiconductor.

この発光素子102は、2本のリード103,104が用意され、一方のリード103には、発光ダイオードチップ105の裏面(アノードまたはカソード)が半田等で固着され、他方のリード104は、前記チップ表面の電極(カソードまたはアノード)と金属細線106を介して電気的に接続されている。また前記リード103、104、発光ダイオードチップ105および金属細線106を封止する透明な樹脂封止体107がレンズも兼ねて形成されている。   The light-emitting element 102 is provided with two leads 103 and 104. The back surface (anode or cathode) of the light-emitting diode chip 105 is fixed to one lead 103 with solder or the like, and the other lead 104 is the chip. It is electrically connected to the surface electrode (cathode or anode) via a fine metal wire 106. A transparent resin sealing body 107 that seals the leads 103 and 104, the light emitting diode chip 105, and the fine metal wires 106 is also formed as a lens.

一方、プリント基板101には、発光素子102に電源を供給するための電極108,109が設けられ、ここに設けられたスルーホールに前記リードが挿入され、半田等を介して発光素子102が実装されている(特許文献1を参照)。
特開平9−252651号公報
On the other hand, the printed circuit board 101 is provided with electrodes 108 and 109 for supplying power to the light emitting element 102. The lead is inserted into a through hole provided therein, and the light emitting element 102 is mounted via solder or the like. (See Patent Document 1).
JP-A-9-252651

しかしながら、前述した発光素子102は、樹脂封止体107、リード103,104等が組み込まれたパッケージで成るため、実装されたプリント基板101のサイズ、重量が大きくなる。また、基板自身の放熱性が劣るため、全体として温度上昇をきたす問題があった。そのため、半導体チップ自身も温度上昇し、駆動能力が低下する問題があった。   However, since the light emitting element 102 described above is formed of a package in which the resin sealing body 107, the leads 103, 104, and the like are incorporated, the size and weight of the mounted printed board 101 are increased. Further, since the heat dissipation of the substrate itself is inferior, there is a problem that the temperature rises as a whole. For this reason, the temperature of the semiconductor chip itself also rises, and there is a problem that the driving capability is lowered.

本発明は上記した問題を鑑みて成されたものである。本発明の主な目的は、放熱性を向上させた半導体モジュールおよびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems. A main object of the present invention is to provide a semiconductor module with improved heat dissipation and a method for manufacturing the same.

本発明の半導体モジュールでは、金属基板と、前記金属基板上に絶縁膜を介して形成された導電パターンと、前記導電パターン上に載置された半導体素子とを具備し、前記金属基板には突出部が形成されており、前記突出部は前記半導体素子が載置された導電パターンの下方に位置することを特徴とする。従って、半導体素子から発生した熱を金属基板を介して外部に放出することができ、放熱性の向上を実現した回路装置を提供することが可能となる。   The semiconductor module of the present invention includes a metal substrate, a conductive pattern formed on the metal substrate via an insulating film, and a semiconductor element placed on the conductive pattern, and protrudes from the metal substrate. The protrusion is located below the conductive pattern on which the semiconductor element is mounted. Therefore, the heat generated from the semiconductor element can be released to the outside through the metal substrate, and a circuit device that realizes improved heat dissipation can be provided.

また、本発明の半導体モジュールでは、金属基板、接続部および透明基板からなる空間に、半導体素子の劣化および/または導電パターンの劣化を防止するガスが封入されているとこを特徴とする。従って、酸化による半導体素子および/または導電パターンの劣化を抑止することが可能となる。   Further, the semiconductor module of the present invention is characterized in that a gas that prevents deterioration of the semiconductor element and / or the deterioration of the conductive pattern is sealed in a space composed of the metal substrate, the connection portion, and the transparent substrate. Therefore, it is possible to suppress deterioration of the semiconductor element and / or the conductive pattern due to oxidation.

本発明の半導体モジュールの製造方法では、金属基板に突出部を形成する工程と、前記金属基板上に絶縁膜を介して導電パターンを形成する工程と、前記導電パターン上に半導体素子を載置する工程とを具備し、前記突出部は前記半導体素子が載置される予定の領域の下方に形成されることを特徴とする。従って、高放熱性が実現された半導体モジュールを提供することが可能となる。   In the method for manufacturing a semiconductor module of the present invention, a step of forming a protrusion on a metal substrate, a step of forming a conductive pattern on the metal substrate via an insulating film, and a semiconductor element are mounted on the conductive pattern And the protrusion is formed below a region where the semiconductor element is to be placed. Therefore, it is possible to provide a semiconductor module that realizes high heat dissipation.

本発明の半導体モジュールによれば、金属基板の突出部を設けることにより、半導体素子から発生する熱を効率よく金属基板に伝導させることが可能となる。従って、半導体素子から発生した熱による半導体素子の駆動能力の低下を抑制することができ、半導体モジュールの信頼性を向上させることが可能となる。   According to the semiconductor module of the present invention, the heat generated from the semiconductor element can be efficiently conducted to the metal substrate by providing the protruding portion of the metal substrate. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the driving capability of the semiconductor element due to heat generated from the semiconductor element, and it is possible to improve the reliability of the semiconductor module.

また、本発明の半導体モジュールによれば、金属基板の周囲に接続部が設けられ、透明基板を接続部に固着することにより空間を形成している。そして、この空間内にガスを充填させることにより、半導体素子をガス封止している。従って、半導体素子および/または導電パターンの酸化による劣化を抑制することができ、半導体モジュールの製品寿命を向上させることが可能となる。更に、発光素子のベア実装が可能となるため、半導体モジュールの小型化と薄型化を実現することができる。   According to the semiconductor module of the present invention, the connection portion is provided around the metal substrate, and the space is formed by fixing the transparent substrate to the connection portion. The semiconductor element is gas-sealed by filling the space with a gas. Therefore, deterioration due to oxidation of the semiconductor element and / or the conductive pattern can be suppressed, and the product life of the semiconductor module can be improved. Furthermore, since the light emitting element can be barely mounted, the semiconductor module can be reduced in size and thickness.

本発明の半導体モジュールの製造方法によれば、金属基板に突出部を形成しており、突出部は半導体素子の載置される予定の領域の下方に位置している。従って、半導体素子から発生する熱を効率的に金属基板に伝達することができ、放熱性および信頼性の向上を実現した半導体モジュールを提供することが可能となる。   According to the method for manufacturing a semiconductor module of the present invention, the protrusion is formed on the metal substrate, and the protrusion is located below the region where the semiconductor element is to be placed. Therefore, it is possible to efficiently transfer the heat generated from the semiconductor element to the metal substrate, and it is possible to provide a semiconductor module that realizes improved heat dissipation and reliability.

本発明は、放熱が必要な半導体素子が実装された半導体モジュールであり、特に絶縁層を介して下層に凹凸のある基板が貼りあわされ、これを介してパワーデバイスの放熱を向上させたものである。図1からも判るように、突出部12、突起物12Aが突出しているため、この部分の熱抵抗が低くなり、放熱性が向上するものである。   The present invention is a semiconductor module in which a semiconductor element that requires heat dissipation is mounted, and in particular, a substrate having unevenness is attached to the lower layer through an insulating layer, and the heat dissipation of the power device is improved through this. is there. As can be seen from FIG. 1, since the protruding portion 12 and the protrusion 12 </ b> A protrude, the thermal resistance of this portion is lowered and the heat dissipation is improved.

半導体素子としては、発光素子、受動素子、裏面が電流の流入または流出電極となる半導体素子が挙げられる。第1の実施例、第2の実施例および第3の実施例では、放熱性を向上して駆動能力を高める目的で発光素子を採用して説明する。また、第4の実施例では放熱板で封止されたパワー系半導体素子を採用して説明する。   Examples of the semiconductor element include a light emitting element, a passive element, and a semiconductor element whose back surface serves as a current inflow or outflow electrode. In the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, description will be made by adopting a light emitting element for the purpose of improving heat dissipation and increasing driving ability. In the fourth embodiment, a power semiconductor element sealed with a heat radiating plate will be used.

〈第1の実施形態〉
図1および図2を参照して、本形態の半導体モジュールを説明する。
<First Embodiment>
The semiconductor module of this embodiment will be described with reference to FIGS.

金属基板11の表面には突出部12が形成されており、突出部12が被覆されるように金属基板11の表面には絶縁性樹脂13の膜が被着されている。そして、絶縁性樹脂13の上面に導電パターン14が形成されており、突出部12と導電パターン14とは絶縁性樹脂13によって絶縁されている。導電パターン14には複数の発光素子15が電気的に接続されており、発光素子15はそれぞれが光透過性の樹脂16によって封止されている。また、金属基板11の周辺に接続部17が設けられており、接続部17には透明基板18が固着されている。従って、金属基板11、接続部17および透明基板18によって空間が形成され、この空間内に発光素子15が封止され、また導電パターン15も実質封止される。更に、この空間には発光素子15および/または導電パターンの劣化を防止するガスが封入されている。   A protrusion 12 is formed on the surface of the metal substrate 11, and a film of an insulating resin 13 is deposited on the surface of the metal substrate 11 so as to cover the protrusion 12. A conductive pattern 14 is formed on the upper surface of the insulating resin 13, and the protrusion 12 and the conductive pattern 14 are insulated by the insulating resin 13. A plurality of light emitting elements 15 are electrically connected to the conductive pattern 14, and each of the light emitting elements 15 is sealed with a light transmissive resin 16. Further, a connection portion 17 is provided around the metal substrate 11, and a transparent substrate 18 is fixed to the connection portion 17. Accordingly, a space is formed by the metal substrate 11, the connection portion 17, and the transparent substrate 18, and the light emitting element 15 is sealed in the space, and the conductive pattern 15 is substantially sealed. Further, a gas for preventing deterioration of the light emitting element 15 and / or the conductive pattern is sealed in this space.

ここで樹脂16は、透明であるため、一般に密着性が悪い。そのため透明基板18で封止した方が良い。ただ密着性が良好な場合、接続部17や透明基板18は、不要である。   Here, since the resin 16 is transparent, the adhesion is generally poor. Therefore, it is better to seal with the transparent substrate 18. However, when the adhesion is good, the connecting portion 17 and the transparent substrate 18 are not necessary.

金属基板11としてはAl、CuやFeなどが用いることができるが、本形態では放熱性を考慮してCuが採用されている。金属基板11は、発光素子15から発生する熱を効率よく外部に放出すること、発光素子の温度上昇を防止することにより、駆動能力を上昇させることなどの役割を有する。また、金属基板11の平坦性から上方に向かって発光される光以外の光を効率よく反射させて上方に向かわせること、また実装上のビス止め孔加工、放物面などの湾曲加工性に優れることなどの利点が挙げられる。   As the metal substrate 11, Al, Cu, Fe, or the like can be used. In this embodiment, Cu is adopted in consideration of heat dissipation. The metal substrate 11 has a role of efficiently releasing the heat generated from the light emitting element 15 to the outside and increasing the driving capability by preventing the temperature of the light emitting element from rising. In addition, light other than light emitted upward from the flatness of the metal substrate 11 is efficiently reflected and directed upward, and screwing hole processing on mounting, bending workability such as a parabolic surface, etc. Advantages such as superiority can be mentioned.

図1(B)に示すように、金属基板11に突出部12が形成されることにより、導電パターン14と突出部12とを絶縁が保たれた状態で近接させることができる。従って、発光素子15から発生する熱を金属基板11へ効率よく逃すことが可能となる。この突出部12は、発光素子15が載置された導電パターンの下方に形成されることが好ましい。   As shown in FIG. 1B, by forming the protruding portion 12 on the metal substrate 11, the conductive pattern 14 and the protruding portion 12 can be brought close to each other while insulation is maintained. Therefore, the heat generated from the light emitting element 15 can be efficiently released to the metal substrate 11. The protrusion 12 is preferably formed below the conductive pattern on which the light emitting element 15 is placed.

絶縁性樹脂13は、発光素子から発生する熱を金属基板11に伝達させる場合に於いては、熱抵抗素材となる。そのため、その熱抵抗を下げるためにSi酸化膜、酸化アルミニウムなどのフィラーを混入させた絶縁性樹脂13を採用することも可能である。しかし、フィラーの粒径によっては、フィラーが突出部12の上部と導電パターン14との間に挟まれてしまい、導電パターン14を傷つけたり、平坦性を損なう恐れがある。このような場合には図1(C)に示すように、突出部12を突起物12Aの集合から形成することで、フィラーが突起物12Aの間に入り込むスペースが確保され、導電パターン14に影響を与えることなく、放熱性の向上を実現することが可能となる。   The insulating resin 13 becomes a heat resistance material when heat generated from the light emitting element is transmitted to the metal substrate 11. Therefore, it is possible to employ an insulating resin 13 in which a filler such as a Si oxide film or aluminum oxide is mixed in order to reduce the thermal resistance. However, depending on the particle size of the filler, the filler may be sandwiched between the upper portion of the protruding portion 12 and the conductive pattern 14, which may damage the conductive pattern 14 or impair the flatness. In such a case, as shown in FIG. 1C, by forming the protrusion 12 from a set of protrusions 12A, a space for the filler to enter between the protrusions 12A is secured, and the conductive pattern 14 is affected. It is possible to achieve an improvement in heat dissipation without imparting.

導電パターン14は銅箔から形成されており、チップのランド、ボンディングパッド、および外部リード用の固着パッドなどとして機能する。本形態では、導電パターン14と突出部12は絶縁が保たれた状態で近接しているが、場合によっては熱的または電気的に接続されても良い。   The conductive pattern 14 is formed of a copper foil and functions as a chip land, a bonding pad, a fixed pad for an external lead, and the like. In this embodiment, the conductive pattern 14 and the projecting portion 12 are close to each other in a state where insulation is maintained, but may be thermally or electrically connected depending on circumstances.

発光素子15としては発光ダイオード、半導体レーザーなどが採用される。ベアの発光ダイオードはチップの裏面はカソードタイプをアノードタイプの2種類があり、本形態ではアノードタイプである、これは電源の向きを変えるだけで、カソードタイプも実現できる。   As the light emitting element 15, a light emitting diode, a semiconductor laser, or the like is employed. There are two types of bare light emitting diodes, the cathode type and the anode type on the back side of the chip. In this embodiment, the type is an anode type. This can be realized by simply changing the direction of the power source.

発光素子15として発光ダイオードを採用した場合、発光ダイオードを封止するように光透過性の樹脂16が設けられている。これはレンズとして採用するものであり、効率よく基板から上方に光を発射させるために凸状に形成されている。樹脂16の材料は光に対して透明な樹脂であればよく、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などが採用される。図1(A)ではレンズのサイズにより、金属細線19の途中から導電パターン14との接続箇所までを樹脂16にて封止せずに構成しているが、図1(B)、図1(C)のように完全に覆ってもよい。完全に覆うことにより、光集光能力を向上させると同時に金属細線の接続箇所の信頼性も向上させることができる。   When a light emitting diode is employed as the light emitting element 15, a light transmissive resin 16 is provided so as to seal the light emitting diode. This is employed as a lens, and is formed in a convex shape in order to efficiently emit light upward from the substrate. The material of the resin 16 may be a resin transparent to light, and a silicone resin, an epoxy resin, or the like is employed. In FIG. 1 (A), the portion from the middle of the fine metal wire 19 to the connection portion with the conductive pattern 14 is not sealed with the resin 16 depending on the size of the lens, but FIG. 1 (B) and FIG. ) May be completely covered. By completely covering, it is possible to improve the light condensing ability and at the same time improve the reliability of the connection point of the fine metal wires.

図1(B)および図1(C)を参照して、金属基板11、接続部17および透明基板18によって空間が形成され、この空間内に発光素子15が封止される。通常、発光素子15がベアで実装される場合、発光素子が空気に触れることにより酸化による劣化が起こり、発光量、発光強度が低下する。しかし、樹脂16で封止することにより劣化を防止することができる。しかしながら樹脂16の材料によっては、密着性が弱いものがある。その場合は、同図に示す如く密閉空間を構成することが好ましい。空間内の酸素量が限られているため、酸化量も限られており、時間と共に進む劣化、酸化を抑制できる。また、最初から劣化を止めるには、発光素子の劣化を起こさせないガス、酸化を発生させないガスで空間を充満させ、封止することが好ましい。また、ガス封止によって導電パターン14の酸化も抑制することができる。これらのガスとして、例えば、窒素ガス、不活性ガスなどが挙げられる。   With reference to FIG. 1B and FIG. 1C, a space is formed by the metal substrate 11, the connection portion 17, and the transparent substrate 18, and the light emitting element 15 is sealed in this space. Usually, when the light emitting element 15 is mounted in a bare state, the light emitting element comes into contact with air, causing deterioration due to oxidation, resulting in a decrease in light emission amount and light emission intensity. However, deterioration can be prevented by sealing with resin 16. However, some materials of the resin 16 have poor adhesion. In that case, it is preferable to form a sealed space as shown in FIG. Since the amount of oxygen in the space is limited, the amount of oxidation is also limited, and deterioration and oxidation that progress with time can be suppressed. In order to stop the deterioration from the beginning, it is preferable that the space is filled with a gas that does not cause deterioration of the light emitting element or a gas that does not generate oxidation, and is sealed. Moreover, the oxidation of the conductive pattern 14 can also be suppressed by gas sealing. Examples of these gases include nitrogen gas and inert gas.

ここで金属基板11は、光照射装置として機能させるため、発光素子15を複数個点在させ、これらの駆動回路は外付けで実現しているが、これらの駆動回路を金属基板11に実装させても良い。本形態では、放熱性と実装面積を考慮してベアチップの発光素子が実装されたが、パッケージされた素子が実装されても良い。これは、図6、図7にて後述する。また、ガスの充填によって酸化が抑制されているので、ベア実装された発光素子15を樹脂16で封止しなくてもよい。従って、実装面積を小さくすることができ、半導体モジュールの小型化、薄型化を実現すること可能となる。   Here, in order for the metal substrate 11 to function as a light irradiation device, a plurality of light emitting elements 15 are interspersed and these drive circuits are realized externally, but these drive circuits are mounted on the metal substrate 11. May be. In this embodiment, a bare chip light emitting element is mounted in consideration of heat dissipation and mounting area, but a packaged element may be mounted. This will be described later with reference to FIGS. Further, since the oxidation is suppressed by gas filling, the bare light-emitting element 15 does not have to be sealed with the resin 16. Therefore, the mounting area can be reduced, and the semiconductor module can be reduced in size and thickness.

図2(A)を参照して、導電パターン14の酸化による光反射効率の低下を防止するために、導電パターン14の表面には被膜14Aを被着させてもよい。被膜14Aとしては、比較的酸化されにくく、光反射性に優れ、また金属細線とのボンディング性が考慮されて、光沢性のあるNiやAuが採用することができる。ここでは、コスト面からNiが採用され、金属基板全域は実質光沢性のあるNiが被着され、光反射板として活用される。またボンディングポイントのみ、ボンディング可能な材料(Al,Ni,Cu、Au)が形成され、それ以外を銀や白金でカバーしてもよい。   Referring to FIG. 2A, a coating 14 </ b> A may be deposited on the surface of the conductive pattern 14 in order to prevent a decrease in light reflection efficiency due to oxidation of the conductive pattern 14. As the coating 14A, it is possible to use Ni or Au that is relatively difficult to oxidize, has excellent light reflectivity, and is glossy in consideration of bonding properties with a fine metal wire. Here, Ni is adopted from the viewpoint of cost, and the entire metallic substrate is coated with substantially glossy Ni, which is used as a light reflecting plate. Further, only bonding points may be formed with materials that can be bonded (Al, Ni, Cu, Au), and the others may be covered with silver or platinum.

例えば、被膜14AとしてNiが採用された場合、ベアチップの発光ダイオードは導電パターンとのコンタクト抵抗が考慮され、固着領域のNiが取り除かれ、銀ペーストやハンダなどの導電性固着材21を介して導電パターン14と電気的に接続される。一般に、金属細線としてAlが採用された場合は、超音波を使ったボンディングでNiと接続することができる。   For example, when Ni is adopted as the coating 14A, the bare chip light emitting diode is considered in contact resistance with the conductive pattern, Ni in the fixing region is removed, and conductive through the conductive fixing material 21 such as silver paste or solder. It is electrically connected to the pattern 14. In general, when Al is adopted as the thin metal wire, it can be connected to Ni by bonding using ultrasonic waves.

また、図2(B)を参照して、金属基板11上に形成される導電パターンを多層配線とすることも可能である。ここでは、第1の配線層25と第2の配線層26から成る二層構造としたが、3層以上の多層構造も可能である。第1の配線層25と第2の配線層26とは接続手段27によって所望の箇所で電気的に接続されている。多層配線構造にすることによって、第1の配線層25と第2の配線層26とは、平面的に交差するように形成することができる。従って、搭載する素子の数や種類が増加した場合でも、多層配線構造により、クロスオーバーが可能となり、パターンの引き回しを自由に行うことができる。   In addition, referring to FIG. 2B, the conductive pattern formed on the metal substrate 11 can be a multilayer wiring. Here, a two-layer structure including the first wiring layer 25 and the second wiring layer 26 is used, but a multilayer structure of three or more layers is also possible. The first wiring layer 25 and the second wiring layer 26 are electrically connected at a desired location by a connecting means 27. By adopting a multilayer wiring structure, the first wiring layer 25 and the second wiring layer 26 can be formed so as to intersect in a plane. Therefore, even when the number and types of elements to be mounted are increased, the multi-layer wiring structure enables crossover and the pattern can be drawn freely.

図3(A)を参照して、本形態では発光素子15を直列に接続している。これは、発光素子15に流れる電流値を一定にさせることで各発光素子15の発光量を一定にするためである。しかし、発光素子の一つが破損して電流が流れなくなると、すべての発光素子が発光を停止してしまう問題がある。   With reference to FIG. 3A, in this embodiment, the light emitting elements 15 are connected in series. This is because the light emission amount of each light emitting element 15 is made constant by making the value of the current flowing through the light emitting element 15 constant. However, if one of the light emitting elements is damaged and no current flows, all the light emitting elements stop emitting light.

しかし、発光素子を並列に接続すると、例えば、導電パターンの表面にNiを採用してダイボンドした場合では、金属細線のコンタクト抵抗とチップのコンタクト抵抗にばらつきが生じる。従って、複数の発光素子の内、コンタクト抵抗の少ない発光素子に電流が集中し、特定の発光素子が異常に明るくなったり、破損に至ったりする問題がある。   However, when the light emitting elements are connected in parallel, for example, when Ni is used for the surface of the conductive pattern and die bonding is performed, the contact resistance of the fine metal wire and the contact resistance of the chip vary. Accordingly, there is a problem that current concentrates on a light emitting element having a small contact resistance among a plurality of light emitting elements, and a specific light emitting element becomes abnormally bright or is damaged.

そこで、本形態のように発光素子が直列に接続された複数の半導体モジュール10A、10B、10Cを並列に接続した。従って、各半導体モジュールに流れる電流値は同じであり、各発光素子に流れる電流値も同じであるため発光素子の明るさは統一される。また、例えば半導体モジュール10A内の発光素子のどれかが破損した場合、残りの半導体モジュール10B、10Cが並列接続されているので、照射装置としての機能を維持することができる。更に、壊れた回路装置だけを取り替えるだけで修復することができる。   Therefore, a plurality of semiconductor modules 10A, 10B, and 10C in which light emitting elements are connected in series as in this embodiment are connected in parallel. Accordingly, the current value flowing through each semiconductor module is the same, and the current value flowing through each light emitting element is also the same, so the brightness of the light emitting elements is unified. For example, when any of the light emitting elements in the semiconductor module 10A is damaged, the remaining semiconductor modules 10B and 10C are connected in parallel, so that the function as an irradiation device can be maintained. Furthermore, it can be repaired by replacing only the broken circuit device.

また、図3(B)に示すように、複数の半導体モジュールを組み合わせて照明装置を構成することによって、個々の回路装置に角度を持たせることができ、より効率的な光の供給が可能となる。   In addition, as shown in FIG. 3B, by configuring a lighting device by combining a plurality of semiconductor modules, each circuit device can be angled, and more efficient light supply is possible. Become.

以上述べたように、一般に発光素子は、化合物半導体材料で構成され、しかも熱に弱く、酸化にも弱い。よってこのような構造を取ることにより、特性の向上を図ることができる。また発光素子ではなく、化合物で構成された受光素子でも同様のことが言える。   As described above, a light-emitting element is generally made of a compound semiconductor material, and is weak against heat and also weak against oxidation. Therefore, by taking such a structure, the characteristics can be improved. The same applies to a light-receiving element made of a compound instead of a light-emitting element.

〈第2の実施形態〉
図4および図5を参照して、本形態の半導体モジュールの製造方法を説明する。
<Second Embodiment>
With reference to FIG. 4 and FIG. 5, the manufacturing method of the semiconductor module of this form is demonstrated.

図4(A)を参照して、金属基板11上にレジスト23を塗布して、所定の箇所がレジスト23で被覆されるようにパターニングを行う。金属基板11としては、Cu、AlやFeなどが採用される。しかし、他の金属や合金でもよく、エッチングが可能な金属であればよい。本形態では放熱性を考慮してCuが採用されている。厚みは放熱性および平坦性を考慮して決定される。   Referring to FIG. 4A, a resist 23 is applied on the metal substrate 11 and patterned so that a predetermined portion is covered with the resist 23. As the metal substrate 11, Cu, Al, Fe, or the like is employed. However, other metals or alloys may be used as long as they can be etched. In this embodiment, Cu is adopted in consideration of heat dissipation. The thickness is determined in consideration of heat dissipation and flatness.

図4(B)を参照して、レジスト23をマスクにしてウェットエッチングを行うことにより、突出部12を形成する。本形態では複数の突起物12Aから剣山状の突出部12を構成したが、台地状の凸部を突出部12としてもよい。突出部12の高さは耐圧が考慮されて決定され、50μm〜100μm程度が好適である。また、突出部12は後の工程で配置される発光素子搭載領域の下方に形成されることが好ましい。突出部12を形成した後、レジスト23は除去される。   With reference to FIG. 4B, the protrusion 12 is formed by performing wet etching using the resist 23 as a mask. In the present embodiment, the sword mountain-shaped protrusion 12 is configured from the plurality of protrusions 12 </ b> A, but a plate-like protrusion may be used as the protrusion 12. The height of the protruding portion 12 is determined in consideration of the pressure resistance, and is preferably about 50 μm to 100 μm. Moreover, it is preferable that the protrusion part 12 is formed under the light emitting element mounting area | region arrange | positioned at a next process. After the protrusion 12 is formed, the resist 23 is removed.

図4(C)を参照して、金属基板11の上面に絶縁性樹脂13と導電箔24を積層させる。これは、金属基板11上に塗布された絶縁性樹脂13の上面に導電箔24を圧着させてもよいし、絶縁性樹脂13が塗布された導電箔24を金属基板11に圧着させてもよい。このとき、絶縁性樹脂13に突出部12が埋め込まれるように圧着され、突出部12と導電箔は絶縁されている。また、突出部12にとって金属基板11に凹凸が形成されることになり、絶縁性樹脂13との密着性が向上する。   With reference to FIG. 4C, insulating resin 13 and conductive foil 24 are laminated on the upper surface of metal substrate 11. The conductive foil 24 may be pressure-bonded to the upper surface of the insulating resin 13 applied on the metal substrate 11, or the conductive foil 24 coated with the insulating resin 13 may be pressure-bonded to the metal substrate 11. . At this time, the protruding portion 12 is pressure-bonded so as to be embedded in the insulating resin 13, and the protruding portion 12 and the conductive foil are insulated. Further, the protrusions 12 are uneven in the metal substrate 11, and the adhesion with the insulating resin 13 is improved.

導電箔24はロウ材に付着性、ボンディング性、メッキ性が考慮されて、その材料が選択される。具体的な材料としては、Cuを主原料とした導電箔、Aiを主原料とした導電箔、またはFe−Ni等の合金から成る導電箔などが採用される。また、他の導電材料でも可能である、特にエッチングできる導電材が好ましい。絶縁性樹脂13には、放熱性が考慮されてフィラーを混入しても良い。   The conductive foil 24 is selected in consideration of adhesiveness, bonding property, and plating property to the brazing material. As a specific material, a conductive foil made of Cu as a main raw material, a conductive foil made of Ai as a main raw material, or a conductive foil made of an alloy such as Fe-Ni is adopted. In addition, a conductive material that can be etched, which is also possible with other conductive materials, is preferable. A filler may be mixed in the insulating resin 13 in consideration of heat dissipation.

図4(D)を参照して、導電箔24をエッチングすることにより導電パターン14を形成する。導電パターン14Aは発光素子15が載置されるパターンであり、突出部12の上方に位置する。図示していないが、導電パターン14にはNiが被着されてもよい。このとき、発光素子載置領域にはNiが被覆されないことが好ましい。   Referring to FIG. 4D, the conductive pattern 14 is formed by etching the conductive foil 24. The conductive pattern 14 </ b> A is a pattern on which the light emitting element 15 is placed, and is located above the protruding portion 12. Although not shown, Ni may be applied to the conductive pattern 14. At this time, it is preferable that the light emitting element mounting region is not covered with Ni.

図5(A)を参照して、導電パターン14上に発光素子15を載置する。発光素子15の裏面は電極となっているので、銀ペーストやハンダなどの導電性固着材にて固着され、発光素子15の上面電極と導電パターンとは金属細線19にて電気的に接続される。その後、光透過性の樹脂16によって発光素子15は封止される。これはレンズとして用いられ、効率よく基板から上方に光を発射させるため、凸状に形成されている。樹脂16の材料は光に対して透明な樹脂であればよく、ここではシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などが採用される。本図では、金属細線19を完全に樹脂16にて覆うことにより、光集光能力の向上と金属細線19の接続信頼性の向上させている。しかし、少なくとも発光素子15が被覆されればよい。   With reference to FIG. 5A, the light emitting element 15 is mounted on the conductive pattern 14. Since the back surface of the light emitting element 15 is an electrode, it is fixed by a conductive fixing material such as silver paste or solder, and the upper electrode of the light emitting element 15 and the conductive pattern are electrically connected by a thin metal wire 19. . Thereafter, the light emitting element 15 is sealed with the light transmissive resin 16. This is used as a lens, and is formed in a convex shape in order to efficiently emit light upward from the substrate. The material of the resin 16 may be a resin transparent to light, and here, a silicone resin, an epoxy resin, or the like is employed. In this figure, the thin metal wire 19 is completely covered with the resin 16 to improve the light condensing capability and the connection reliability of the fine metal wire 19. However, it is sufficient that at least the light emitting element 15 is covered.

図5(B)を参照して、金属基板11の表面に接続部17と透明基板18を設置することで空間を形成し、この空間内に発光素子15および導電パターン14を封止する。更に、この空間内にガスを封入して発光素子15の酸化を抑制する。このガスとしては窒素ガス、不活性ガスなどが選択される。   Referring to FIG. 5B, a space is formed by installing connection portion 17 and transparent substrate 18 on the surface of metal substrate 11, and light emitting element 15 and conductive pattern 14 are sealed in this space. Further, gas is sealed in this space to suppress oxidation of the light emitting element 15. Nitrogen gas, inert gas, etc. are selected as this gas.

ガスを注入する方法として、接続部17に一つのガス注入孔を形成する方法、接続部17に二つのガス注入孔を形成する方法が挙げられる。   As a method for injecting gas, a method of forming one gas injection hole in the connection portion 17 and a method of forming two gas injection holes in the connection portion 17 can be cited.

前者は、本装置を真空装置内に配置し、空間内も含めて真空にする。その後、ガスを真空装置内に導入し、真空故に空間内にガスが充填される。その後、注入孔を樹脂などで塞ぐ方法である。   In the former case, the apparatus is placed in a vacuum apparatus, and a vacuum is created including the space. Thereafter, the gas is introduced into the vacuum apparatus, and the space is filled with the gas because of the vacuum. Thereafter, the injection hole is closed with a resin or the like.

後者は、一方の注入孔からガスを導入し、他方の注入孔から空間内に存在していた空気を排出し、空間内がガスで置き換わった後、注入孔を樹脂等で塞ぐ方法である。   The latter is a method in which gas is introduced from one injection hole, air existing in the space is discharged from the other injection hole, and after the space is replaced with gas, the injection hole is closed with resin or the like.

前者の方法では、真空排気の際に空間内の空気の排気が遅いため、圧力差から透明基板が反る。また、光の吸収をできるだけ抑制するために透明基板18はできるだけ薄い方がよい。従って機械的強度が低下する。そのためスペーサを設ける必要がある。このスペーサは、ホトレジストなどでパターニングしても良いし、透明流体を散布しても良い。また、樹脂16から成るレンズをスペーサとして代用しても良い。   In the former method, since the air in the space is slowly exhausted during the vacuum exhaust, the transparent substrate warps due to the pressure difference. Also, the transparent substrate 18 should be as thin as possible in order to suppress light absorption as much as possible. Accordingly, the mechanical strength is reduced. Therefore, it is necessary to provide a spacer. This spacer may be patterned with a photoresist or the like, or a transparent fluid may be dispersed. Further, a lens made of resin 16 may be used as a spacer.

また、ガス封止によって発光素子および導電パターンの酸化などによる劣化を抑制することができるので、レンズを省略して半導体モジュールを構成することも可能である。   In addition, since deterioration due to oxidation of the light emitting element and the conductive pattern can be suppressed by gas sealing, a semiconductor module can be configured by omitting a lens.

接続部17の形成位置は、基本的には発光素子15を密封できればよい。また、図示していないが、外部電極は接続部17の外に位置させなければならない。以上の工程によって、本形態の半導体モジュール10が完成される。   The connection portion 17 may be formed at any position as long as the light emitting element 15 can be sealed. Although not shown, the external electrode must be positioned outside the connection portion 17. The semiconductor module 10 of this embodiment is completed through the above steps.

以上、金属基板11の上に素子実装、そしてレンズ状の樹脂16を形成する方法を説明したが、前もってモールドされた発光素子を用いても良い。   The method for mounting the element on the metal substrate 11 and forming the lens-shaped resin 16 has been described above. However, a light-emitting element molded in advance may be used.

〈第3の実施形態〉
前述したように、透明な樹脂でモールドされた発光素子15を用いても良い。これを図6、図7を参照して説明する。
<Third Embodiment>
As described above, the light emitting element 15 molded with a transparent resin may be used. This will be described with reference to FIGS.

この場合、リードフレーム等でアノード、カソード電極を用意し、その上に発光素子15を実装し、トランスファーモールドする方法がある。   In this case, there is a method in which an anode and a cathode electrode are prepared with a lead frame or the like, the light emitting element 15 is mounted thereon, and transfer molding is performed.

またリードフレームを使わず、シートにアノード、カソード電極を配置し、その上に発光素子15を実装し、トランスファーモールドした後に、シートを剥がす方法も考えられる。また銅板からアノード、カソード電極をハーフエッチングで形成し、その上に発光素子15を実装し、トランスファーモールドした後に、電極だけが残るようにエッチバックまたは研削しても良い。どちらにしても封止樹脂28の裏面にアノード、カソード電極が露出する。具体的構造は図7を参照して説明する。   Further, a method may be considered in which an anode and a cathode electrode are arranged on a sheet without using a lead frame, the light emitting element 15 is mounted thereon, transfer molded, and then the sheet is peeled off. Alternatively, the anode and cathode electrodes may be formed by half etching from a copper plate, and the light emitting element 15 may be mounted thereon and transfer molded, and then etched back or ground so that only the electrodes remain. In either case, the anode and cathode electrodes are exposed on the back surface of the sealing resin 28. A specific structure will be described with reference to FIG.

図7を参照して、半導体パッケージ30は封止樹脂28と封止された発光素子15とが密着性に優れているので、接続部17や透明基板18は、省略することが可能である。また、封止樹脂28の上面に発光素子15から発生する光を効果的に放出するためにレンズ29を形成しても良い。レンズ29は光に対して透明な樹脂等で形成される。   Referring to FIG. 7, since the sealing resin 28 and the sealed light emitting element 15 are excellent in adhesiveness in the semiconductor package 30, the connecting portion 17 and the transparent substrate 18 can be omitted. Further, a lens 29 may be formed on the upper surface of the sealing resin 28 in order to effectively emit light generated from the light emitting element 15. The lens 29 is made of a resin that is transparent to light.

効果は、第1の実施例と同様なのでここでは省略する。当然であるが図2(B)のように多層基板でもよい。   Since the effect is the same as that of the first embodiment, it is omitted here. Of course, a multilayer substrate may be used as shown in FIG.

第1の実施例、第3の実施例、どちらにしても以下のメリットがある。発光素子は、蛍光灯と比べ長寿命であり、電力消費の意味でも効果がある。よって今後照明機器等で数多く採用される。その際、プリント基板よりも放熱性が高いため、更に寿命が長くなり、同じ発光量であれば、低電流で駆動でき、同じ電流値であれば、より発光量を増大できる。   Either of the first embodiment and the third embodiment has the following advantages. The light emitting element has a longer life than a fluorescent lamp and is also effective in terms of power consumption. Therefore, it will be widely used in lighting equipment. At that time, since the heat dissipation is higher than that of the printed circuit board, the life is further extended. If the light emission amount is the same, it can be driven at a low current, and if the current value is the same, the light emission amount can be further increased.

〈第4の実施形態〉
本実施の形態は、放熱手段が構成されたパワー系半導体素子32を例にあげて説明する。
<Fourth Embodiment>
In the present embodiment, a power semiconductor element 32 having a heat dissipating means will be described as an example.

符号33で示すものは、今まで説明してきた基板であり、突出部12を有する金属基板11の上に絶縁性樹脂13が被覆され、更に導電パターン14が形成されている。   What is indicated by reference numeral 33 is the substrate described so far, and the insulating resin 13 is coated on the metal substrate 11 having the protrusions 12, and the conductive pattern 14 is further formed.

この上には、放熱手段が一体化されたパワーモジュール35が実装されている。   On top of this, a power module 35 in which heat dissipating means is integrated is mounted.

パワーモジュール35は、パワー系半導体素子32が封止されており、裏面がキャップ状の放熱板34に固着されている。   In the power module 35, the power semiconductor element 32 is sealed, and the back surface is fixed to a cap-shaped heat sink 34.

パワー系半導体素子32は、裏面が電流の流入または流出電極となる半導体素子で、半導体素子の裏面に接続された放熱板34が湾曲して半導体素子の表面の電極と実質同程度位置にまで延在され、放熱板34は、突出部12の上方に位置する導電パターン14に電気的に接続される。   The power semiconductor element 32 is a semiconductor element whose back surface serves as an inflow or outflow electrode of current, and a heat radiating plate 34 connected to the back surface of the semiconductor element is curved and extends to a position substantially the same as the electrode on the front surface of the semiconductor element. The heat sink 34 is electrically connected to the conductive pattern 14 located above the protrusion 12.

例えば、パワー系半導体素子32としては、NPNトランジスタ、PNPトランジスタ、パワーMOS、IGBT、GTBT等であり、上記したようにチップ裏面が電流の流出または流入電極としてなり、表面は、制御電極および電流の流入または流出電極が設けられているものが挙げられる。更には、ICも可能である。このようなパワー系半導体素子32は、熱も発生するが、チップの裏面から放熱板34を介して導電パターン14、突出部12を介して金属基板11へ伝えることができる。
For example, the power semiconductor element 32 is an NPN transistor, a PNP transistor, a power MOS, an IGBT, a GTBT, or the like. As described above, the back surface of the chip serves as an outflow or inflow electrode, and the surface includes the control electrode and the current. Examples include an inflow or outflow electrode. Furthermore, an IC is also possible. The power semiconductor element 32 generates heat, but can be transmitted from the back surface of the chip to the metal substrate 11 via the heat dissipation plate 34 and the conductive pattern 14 and the protrusion 12.

本発明の半導体モジュールを説明する(A)上面図、(B)断面図、(C)断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS (A) Top view, (B) Cross section, (C) Cross section explaining semiconductor module of this invention. 本発明の半導体モジュールを説明する(A)断面図、(B)断面図である。It is (A) sectional drawing explaining the semiconductor module of this invention, (B) sectional drawing. 本発明の半導体モジュールを説明する(A)上面図、(B)断面図である。It is (A) top view and (B) sectional drawing explaining the semiconductor module of this invention. 本発明の半導体モジュールの製造方法を説明する(A)断面図−(D)断面図である。It is (A) sectional drawing- (D) sectional drawing explaining the manufacturing method of the semiconductor module of this invention. 本発明の半導体モジュールの製造方法を説明する(A)断面図、(B)断面図である。It is (A) sectional drawing explaining the manufacturing method of the semiconductor module of this invention, (B) sectional drawing. 本発明の半導体モジュールを説明する(A)上面図、(B)断面図、(C)断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS (A) Top view, (B) Cross section, (C) Cross section explaining semiconductor module of this invention. 本発明の半導体モジュールを説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the semiconductor module of this invention. 本発明の半導体モジュールを説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the semiconductor module of this invention. 従来の回路装置を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the conventional circuit device.

符号の説明Explanation of symbols

10 半導体モジュール
11 金属基板
12 突出部
12A 突起物
13 絶縁性樹脂
14 導電パターン
14A 被膜
15 発光素子
16 樹脂
17 接続部
18 透明基板
19 金属細線
20A 外部電極
20B 外部電極
21 導電性固着材
23 レジスト
24 導電箔
25 第1の配線層
26 第2の配線層
27 接続手段
28 封止樹脂
29 レンズ
30 半導体パッケージ
31 電極
32 半導体素子
33 基板
34 放熱板
35 パワーモジュール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor module 11 Metal substrate 12 Protrusion part 12A Protrusion 13 Insulating resin 14 Conductive pattern 14A Coating 15 Light emitting element 16 Resin 17 Connection part 18 Transparent substrate 19 Metal wire 20A External electrode 20B External electrode 21 Conductive fixing material 23 Resist 24 Conductivity Foil 25 First wiring layer 26 Second wiring layer 27 Connection means 28 Sealing resin 29 Lens 30 Semiconductor package 31 Electrode 32 Semiconductor element 33 Substrate 34 Heat sink 35 Power module

Claims (11)

金属基板と、
前記金属基板上に絶縁膜を介して形成された導電パターンと、
前記導電パターン上に載置された半導体素子とを具備し、
前記金属基板には突出部が形成されており、前記突出部は前記半導体素子が載置された導電パターンの下方に位置することを特徴とする半導体モジュール。
A metal substrate;
A conductive pattern formed on the metal substrate via an insulating film;
Comprising a semiconductor element mounted on the conductive pattern,
A protrusion is formed on the metal substrate, and the protrusion is located below a conductive pattern on which the semiconductor element is placed.
前記半導体素子は、発光素子、受光素子、裏面が電流の流入または流出電極となる半導体素子であることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein the semiconductor element is a light emitting element, a light receiving element, or a semiconductor element whose back surface serves as an inflow or outflow electrode of current. 前記発光素子は発光ダイオードまたは半導体レーザーであることを特徴とする請求項2記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 2, wherein the light emitting element is a light emitting diode or a semiconductor laser. 前記突出部は複数の突起物から構成されることを特徴とする請求項1記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein the projecting portion includes a plurality of projections. 前記金属基板の周囲には接続部が設けられ、前記接続部に透明基板が固着されることにより、前記発光素子が封止されることを特徴とする請求項1記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 1, wherein a connection portion is provided around the metal substrate, and the transparent substrate is fixed to the connection portion to seal the light emitting element. 前記金属基板、前記接続部および前記透明基板からなる空間に、前記半導体素子の劣化および/または前記導電パターンの劣化を防止するガスが封入されていることを特徴とする請求項5記載の半導体モジュール。   6. The semiconductor module according to claim 5, wherein a gas that prevents deterioration of the semiconductor element and / or deterioration of the conductive pattern is sealed in a space formed by the metal substrate, the connection portion, and the transparent substrate. . 前記半導体素子は、裏面が電流の流入または流出電極となる半導体素子で、前記半導体素子の裏面に接続された放熱板が湾曲して前記半導体素子の表面の電極と実質同程度位置にまで延在され、前記放熱板は前記突出部の上方に位置する導電パターンと電気的に接続されることを特徴とする請求項1記載の半導体モジュール。   The semiconductor element is a semiconductor element whose back surface serves as a current inflow or outflow electrode, and a heat sink connected to the back surface of the semiconductor element is curved and extends to a position substantially equal to the electrode on the front surface of the semiconductor element. The semiconductor module according to claim 1, wherein the heat radiating plate is electrically connected to a conductive pattern located above the protruding portion. 金属基板に突出部を形成する工程と、
前記金属基板上に絶縁膜を介して導電パターンを形成する工程と、
前記導電パターン上に半導体素子を載置する工程とを具備し、
前記突出部は前記半導体素子が載置される予定の領域の下方に形成されることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
Forming a protrusion on the metal substrate;
Forming a conductive pattern on the metal substrate via an insulating film;
Placing a semiconductor element on the conductive pattern,
The method of manufacturing a semiconductor module, wherein the protrusion is formed below a region where the semiconductor element is to be placed.
前記半導体素子は発光ダイオード、半導体レーザーまたは裏面が電流の流入または流出電極となる半導体素子であることを特徴とする請求項8記載の半導体モジュールの製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor module according to claim 8, wherein the semiconductor element is a light emitting diode, a semiconductor laser, or a semiconductor element whose back surface serves as an inflow or outflow electrode of current. 前記金属基板に接続部が設けられ、前記接続部に透明基板を固着することにより前記半導体素子が封止されることを特徴とする請求項8記載の半導体モジュールの製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor module according to claim 8, wherein a connection portion is provided on the metal substrate, and the semiconductor element is sealed by fixing a transparent substrate to the connection portion. 前記金属基板、前記接続部および前記透明基板からなる空間に、前記半導体素子の劣化および/または前記導電パターンの劣化を防止するガスが封入されることを特徴とする請求項10記載の半導体モジュールの製造方法。   11. The semiconductor module according to claim 10, wherein a gas that prevents deterioration of the semiconductor element and / or deterioration of the conductive pattern is sealed in a space including the metal substrate, the connection portion, and the transparent substrate. Production method.
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