JP2008187031A - 半導体チップ収納用の放熱パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤチップ等の半導体チップの発熱を効率良く放熱することができる半導体チップ収納用の放熱パッケージを実現する。
【解決手段】樹脂より成り、孔16が形成された略リング状の枠体18と、枠体18の底面18ａの略全面を覆う略円板状の先端部20ａ及び枠体18を貫通して外方へ向かって水平方向に取り出される後端部20ｂを有し、熱伝導性が良好な導電材料より成る第１のリードフレーム20を有する半導体チップ収納用の放熱パッケージ。
【選択図】図１

Description

この発明は、発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）、レーザーダイオードチップ等の半導体チップの発熱を効率良く放熱することができる半導体チップ収納用の放熱パッケージに関する。

図２４は、従来の半導体素子としてのＬＥＤ（発光ダイオード）を示すものであり、このＬＥＤ60は、絶縁基板62の表面に、その底面から上方に向かって孔径が徐々に拡大する略漏斗形状の凹部を設けると共に該凹部内面を反射面と成してリフレクタ64を形成して成る。

上記絶縁基板62の表面には、第１の導体パターン66と第２の導体パターン68とが相互に絶縁状態で被着形成されており、上記リフレクタ64の底面において、半導体チップとしてのＬＥＤチップ70を第１の導体パターン66にダイボンドすることにより、上記第１の導体パターン66と、ＬＥＤチップ66底面の一方の電極（図示せず）とを電気的に接続している。また、第２の導体パターン68と、上記ＬＥＤチップ70上面の他方の電極（図示せず）とをボンディングワイヤ72を介して電気的に接続して成る。

上記第１の導体パターン66には第１のリードフレーム74が接続され、第２の導体パターン68には第２のリードフレーム76が接続されている。第１のリードフレーム74及び第２のリードフレーム76は、絶縁基板62の表面から側面を通って絶縁基板62の外方へ延設されている。
また、上記絶縁基板62の表面は、先端に凸レンズ部78を有する透光性の蓋部材80によって封止されている。

而して、上記第１のリードフレーム74及び第２のリードフレーム76を介してＬＥＤチップ70に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ70から所定波長の光が発光し、蓋部材80の凸レンズ部78によって集光されて外部へ放射されるようになっている。

上記した従来のＬＥＤ60にあっては、ＬＥＤ60を長時間駆動させたり、発光輝度を高めるために高電流駆動させた場合には、ＬＥＤチップ70が著しく発熱して高温状態となり、ＬＥＤチップ70の熱劣化を生じていた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬＥＤチップ等の半導体チップの発熱を効率良く放熱することができる半導体チップ収納用の放熱パッケージを実現することにある。

上記の目的を達成するため、本発明に係る半導体チップ収納用の放熱パッケージは、孔が形成された枠体と、該枠体の底面の略全面を覆う熱伝導性が良好な導電材料より成る第１のリードフレームを有することを特徴とする。
上記枠体を貫通して孔内に露出する第２のリードフレームを有する構造と成しも良く、この場合、第２のリードフレームと、上記第１のリードフレームとは、上下方向に所定の間隙を設けて対向配置されることにより絶縁される。
上記リードフレームは、銅合金で構成するのが適当である。

また、本発明に係る他の半導体チップ収納用の放熱パッケージは、孔が形成された枠体と、該枠体の底面の略全面を覆う熱伝導性が良好な材料より成る放熱板と、上記枠体を貫通して孔内に露出するリードフレームを有することを特徴とする。
上記放熱板は、銅合金、アルミニウム、セラミックの何れかで構成するのが適当である。

本発明の半導体チップ収納用の放熱パッケージにあっては、ＬＥＤチップやレーザーダイオードチップ等の半導体チップを熱伝導性が良好な導電材料より成る第１のリードフレーム上に配置することにより、半導体チップの発熱を、第１のリードフレームを介して外部へと放熱できるようになっており、しかも、第１のリードフレームが、枠体底面の略全面を覆う形状と成されているので、放熱面積を大きく確保することができ、放熱効果が高い。

また、本発明の他の半導体チップ収納用の放熱パッケージにあっては、ＬＥＤチップやレーザーダイオードチップ等の半導体チップを熱伝導性が良好な材料より成る放熱板上に配置することにより、半導体チップの発熱を、放熱板を介して外部へと放熱できるようになっており、しかも、放熱板が、枠体底面の略全面を覆う形状と成されているので、放熱面積を大きく確保することができ、放熱効果が高い。

以下、図面に基づき、本発明に係る半導体チップ収納用の放熱パッケージの実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る第１の放熱パッケージ10を模式的に示す平面図、図２は、本発明に係る第１の放熱パッケージ10を模式的に示す概略断面図、図３は、本発明に係る第１の放熱パッケージ10を模式的に示す底面図である。
本発明の第１の放熱パッケージ10は、樹脂より成り、孔16が形成された略リング状の枠体18と、熱伝導性が良好な導電材料で構成された第１のリードフレーム20及び第２のリードフレーム22を備えて成る。これらリードフレーム20，22の板厚は０．３mm程度と成されている。
第１のリードフレーム20は、上記枠体18の底面18ａの略全面を覆う略円板状の先端部20ａと、枠体18を貫通して外方へ向かって水平方向に取り出される後端部20ｂを有している。第１のリードフレーム20の先端部20ａの一部は上記孔16内に露出している。

また、第２のリードフレーム22は、上記枠体18を貫通して孔16内に露出する先端部22ａと、枠体18の外方へ向かって水平方向に取り出されている後端部22ｂを有している。

上記第１のリードフレーム20の先端部20ａと、第２のリードフレーム22の先端部22ａは、上下方向に所定の間隙を設けて対向配置されることにより、相互に絶縁されている。
而して、第１の放熱パッケージ10にあっては、第１のリードフレーム20の先端部20ａと、第２のリードフレーム22の先端部22ａを同一平面上に配置せず、上下方向に所定の間隙を設けて対向配置したことにより、第１のリードフレーム20の先端部20で枠体18の底面18ａの略全面を覆っても、第１のリードフレーム20と第２のリードフレーム22間の絶縁性を確保できるのである。

図４は、第１の放熱パッケージ10に半導体チップとしてのＬＥＤチップ24を収納して半導体素子としてのＬＥＤ（発光ダイオード）11を構成した状態を示す平面図、図５は概略断面図である。
ＬＥＤチップ24は、上記孔16内に露出した第１のリードフレーム20の先端部20ａにダイボンドすることにより、第１のリードフレーム20とＬＥＤチップ24底面の一方の電極（図示せず）とを電気的に接続している。
また、第２のリードフレーム22の先端部22ａと、上記ＬＥＤチップ24上面の他方の電極（図示せず）とをボンディングワイヤ26を介して電気的に接続して成る。

上記ＬＥＤチップ24は、電圧が印加されると所定波長の光を発光し、例えば、窒化ガリウム系半導体結晶で構成されている。
また、上記枠体18の孔16内には、エポキシ樹脂等より成る透光性のコーティング材28を充填してＬＥＤチップ24を封止して成る。

而して、上記ＬＥＤ11は、第１のリードフレーム20及び第２のリードフレーム22を介してＬＥＤチップ24に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ24から所定波長の光が発光し、コーティング材28を透過して外部へ放射されるようになっている。

上記した本発明の第１の放熱パッケージ10にあっては、第１のリードフレーム20の先端部20ａに配置したＬＥＤチップ24の発熱を、第１のリードフレーム20を介して第１の放熱パッケージ10外部へと放熱できるようになっており、しかも、ＬＥＤチップ24が配置された第１のリードフレーム20の先端部20ａが、枠体底面18ａの略全面を覆う形状と成されているので、放熱面積を大きく確保することができ、放熱効果が高い。
上記第１のリードフレーム20は、熱伝導性が良好な導電材料である銅合金で構成することができる。
上記においては、第１のリードフレーム20の上方に、所定の間隙を設けて対向配置される第２のリードフレーム22が１本の場合を例示したが、これに限定されるものではなく、第２のリードフレーム22は複数本あっても良い。

図６は、本発明に係る第２の放熱パッケージ53を模式的に示す平面図、図７は、本発明に係る第２の放熱パッケージ53を模式的に示す概略断面図、図８は、本発明に係る第２の放熱パッケージ53を模式的に示す底面図である。
本発明の第２の放熱パッケージ53は、樹脂より成り、孔54が形成された略リング状の枠体55と、第１のリードフレーム56及び第２のリードフレーム57と、放熱板58を備えて成る。
上記放熱板58は、枠体55の底面55ａの略全面を覆う略円板状と成されており、その一部は上記孔54内に露出している。該放熱板58は、熱伝導性が良好な各種材料、例えば、銅合金、アルミニウム等の導電材料、或いは、セラミック等の絶縁材料で構成することができる。

また、第１のリードフレーム56及び第２のリードフレーム57は、それぞれ、上記枠体55を貫通して孔54内に露出する先端部56ａ，57ａと、枠体55の外方へ向かって水平方向に取り出されている後端部56ｂ，57ｂを有している。
第１のリードフレーム56の先端部56ａと、第２のリードフレーム57の先端部57ａは、水平方向に所定の間隙を設けて対向配置されることにより、相互に絶縁されている。

図９は、第２の放熱パッケージ53にＬＥＤチップ24を収納してＬＥＤ59を構成した状態を示す平面図、図１０は概略断面図である。
ＬＥＤチップ24は、上記孔54内に露出した放熱板58上に配置され、また、第１のリードフレーム56の先端部56ａと、上記ＬＥＤチップ24上面の一方の電極（図示せず）とをボンディングワイヤ26を介して電気的に接続して成ると共に、第２のリードフレーム57の先端部57ａと、上記ＬＥＤチップ24上面の他方の電極（図示せず）とをボンディングワイヤ26を介して電気的に接続して成る。
さらに、上記枠体55の孔54内には、エポキシ樹脂等より成る透光性のコーティング材28を充填してＬＥＤチップ24を封止して成る。

而して、上記ＬＥＤ59は、第１のリードフレーム56及び第２のリードフレーム57を介してＬＥＤチップ24に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ24から所定波長の光が発光し、コーティング材28を透過して外部へ放射されるようになっている。

上記した本発明の第２の放熱パッケージ53にあっては、放熱板58上に配置したＬＥＤチップ24の発熱を、該放熱板58を介して第２の放熱パッケージ53外部へと放熱できるようになっており、しかも、ＬＥＤチップ24が配置された放熱板58が、枠体底面55ａの略全面を覆う形状と成されているので、放熱面積を大きく確保することができ、放熱効果が高い。

上記第１の放熱パッケージ10及び第２の放熱パッケージ53は、プラスチック材料を加熱溶融し、金型内に加圧注入し、固化させて成形を行うインジェクションモールド（射出成形）により製造することができる。
すなわち、第１の放熱パッケージ10の場合、第１のリードフレーム20の先端部20ａと、第２のリードフレーム22の先端部22ａを、所定の位置関係で金型内に配置し、その後、加熱溶融したプラスチック材料を金型内に加圧注入した後固化させれば良い。
また、第２の放熱パッケージ53の場合は、第１のリードフレーム56、第２のリードフレーム57及び放熱板58を、所定の位置関係で金型内に配置し、その後、加熱溶融したプラスチック材料を金型内に加圧注入した後固化させれば良い。

尚、第１の放熱パッケージ10にＬＥＤチップ24を収納して構成した上記ＬＥＤ11、第２の放熱パッケージ53にＬＥＤチップ24を収納して構成した上記ＬＥＤ59は、ＬＥＤチップ24が配置された第１のリードフレーム20の先端部20ａ（ＬＥＤ11の場合）、ＬＥＤチップ24が配置された放熱板58（ＬＥＤ59の場合）を、他の放熱部材に接続することにより、更に放熱効果を高めることができる。

図１１〜図１３は、上記ＬＥＤ11を、他の放熱部材に接続して使用する場合を示したものであり、上記ＬＥＤ11と、枠部材14と、放熱部材15とを一体化して構成されている。図１１において、42は高熱伝導性絶縁接着材42であり、該高熱伝導性絶縁接着材42を介してＬＥＤ11と放熱部材15とが接続されている。該高熱伝導性絶縁接着材42の厚さは２０〜３０μｍと成されている。

図１４〜図１７は、放熱部材15を示すものであり、図１４は正面図、図１５は平面図、図１６は側面図、図１７は図１５のＢ−Ｂ断面図である。
放熱部材15は、熱伝導性が良好なアルミニウム等の導電材料で構成されており、本体部30と、一対の切欠部32（図１５）を有している。

図１８〜図２０は、枠部材14を示すものであり、図１８は平面図、図１９は側面図、図２０は図１８のＣ−Ｃ断面図である。
枠部材14は、樹脂等の絶縁材料で構成されており、導電材料で構成された上記放熱部材15と、第１の放熱パッケージ10の第１のリードフレーム20、第２のリードフレーム22との絶縁性を確保するために用いられるものである。

上記枠部材14は、上記第１の放熱パッケージ10の枠体18の側周面18ｂ（図２参照）に当接して囲繞する略リング状の本体部34と、該本体部34の下端に形成され、上記放熱部材15の切欠部32形成位置の本体部の側周面30ａ（図１３参照）に当接して覆う一対の垂下部36と、本体部34上端から垂下部36下端に至るまで形成された一対の切欠部38を有している。 また、上記垂下部36には、ＬＥＤ11を載置する段部40が形成されており、該段部40にＬＥＤ11を載置した際、第１の放熱パッケージ10の第１のリードフレーム先端部20ａと放熱部材15との間に２０〜３０μｍの間隙が形成されるよう設計されている。
さらに、上記切欠部38の幅は、第１の放熱パッケージ10の第１のリードフレーム20及び第２のリードフレーム22の幅と略同一と成されている。

上記ＬＥＤ11、枠部材14、放熱部材15は、図２１に示す要領で一体化される。すなわち、表面に高熱伝導性絶縁接着材42を２０〜３０μｍの厚さで被着した放熱部材15に枠部材14を嵌合し、以て、放熱部材15の切欠部32形成位置の本体部側周面30ａを、枠部材14の垂下部36で覆う。
次に、ＬＥＤ11を、枠部材14の垂下部36の段部40上に載置し、ＬＥＤ11を構成する第１の放熱パッケージ10の枠体18の側周面18ｂを、枠部材14の本体部34で囲繞することにより、ＬＥＤ11と枠部材14との嵌合を行う。
この結果、ＬＥＤ11の枠体底面の18ａの略全面を覆う第１のリードフレーム先端部20ａと放熱部材15とが高熱伝導性絶縁接着材42を介して接続される。

上記の通り、枠部材14の切欠部38の幅が、第１の放熱パッケージ10の第１のリードフレーム20及び第２のリードフレーム22の幅と略同一と成されているので、第１のリードフレーム20及び第２のリードフレーム22を上記切欠部38内に挿通することにより、ＬＥＤ11と枠部材14との嵌合時の位置決めを容易に行うことができると共に、第１のリードフレーム20及び第２のリードフレーム22が切欠部38内でガタツキを生じることがなく、ＬＥＤ11と枠部材14とを強固に固定できる。

上記高熱伝導性絶縁接着材42としては、例えば、熱伝導性が良好な金属粉末を、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂中に混合して成る高熱伝導性樹脂が該当する。
尚、高熱伝導性絶縁接着材42の厚さが大きいと、熱伝導性を阻害するため、１００μｍ以下の厚さとするのが適当であり、より好ましくは、上記の通り２０〜３０μｍの厚さとするのが良い。

上記においては、ＬＥＤチップ24が配置された第１のリードフレーム20の先端部20ａが、高熱伝導性絶縁接着材42を介して放熱部材15と接続されているので、ＬＥＤチップ24の発熱は、第１のリードフレーム20及び高熱伝導性絶縁接着材42を介して放熱部材15へと伝導し、ＬＥＤ11外部へ効率良く放熱することができる。

上記枠部材14及び放熱部材15に、それぞれ一対の切欠部38，32を形成したのは、ＬＥＤチップ24に接続されたリードフレーム20，22の取出し方向の自由度を高めるためである。
すなわち、枠部材14及び放熱部材15の切欠部38，32は、リードフレーム20，22の枠体18からの取出箇所と対応する位置に形成されると共に、枠部材14の切欠部38の幅はリードフレーム20，22の幅と略同一、放熱部材15の切欠部32の幅はリードフレーム20，22より幅広と成されていることから、切欠部38，32内において、リードフレーム20，22を屈曲させて所望の方向へ取出すことができる。

例えば、図２２に示すように、リードフレーム20，22を、枠部材14及び放熱部材15の切欠部38，32内において、枠部材14の垂下部36の外面36ａに沿うよう下方に屈曲させた後、放熱部材15の本体部底面30ｂと略面一となるよう放熱部材15外方へ９０度屈曲させれば、リードフレーム20，22を回路基板等（図示せず）へ表面実装することが可能となる。
また、放熱部材15の本体部底面30ｂを、他の放熱部材（図示省略）上に表面実装することにより、本体部底面30ｂを他の放熱部材に接触させれば、ＬＥＤチップ24の発熱を、放熱部材15を介して、更に他の放熱部材へと効率良く放熱することができる。

また、図２３に示すように、リードフレーム20，22を、枠部材14及び放熱部材15の切欠部38，32内において、枠部材14の垂下部36の外面36ａに沿うよう屈曲させて垂直下方向に取り出せば、放熱パイプ50（他の放熱部材）の筒状体52内部に収納して使用することができる。
この場合、枠部材14の垂下部36で覆われいない放熱部材15の本体部30の側周面30ａを、放熱パイプ50の筒状体52の内周面と接触させることにより、ＬＥＤチップ24の発熱を、放熱部材15を介して、更に放熱パイプ50へと効率良く放熱することができる。

尚、上記した通り、絶縁材料で構成された枠部材14は、導電材料で構成された放熱部材15と、ＬＥＤ11を構成する第１のリードフレーム20、第２のリードフレーム22との絶縁性を確保するために用いられるものである。
すなわち、ＬＥＤ11を枠部材14の垂下部36の段部40上に載置した際、ＬＥＤ11の第１のリードフレーム先端部20ａと放熱部材15間に２０〜３０μｍの間隙が形成されるので、ＬＥＤ11を構成する第１のリードフレーム先端部20ａと放熱部材15との物理的な接触が阻止され絶縁性が確保される。

また、図２２及び図２３に示すように、リードフレーム20，22を、枠部材14及び放熱部材15の切欠部38，32内において、枠部材14の垂下部36の外面36ａに沿うよう下方に屈曲させた場合においても、放熱部材15の切欠部32形成位置の本体部側周面30ａが枠部材14の垂下部36で覆われているので、リードフレーム20，22と放熱部材15との物理的な接触が阻止され絶縁性が確保される。

而して、導電材料で構成された放熱部材15と、ＬＥＤ11の第１のリードフレーム20、第２のリードフレーム22との絶縁性を確保するのは、例えば、図２２に示した構造の表面実装用のＬＥＤ11を、他の導電性の放熱部材（図示省略）上に多数個配置して使用する場合等、複数個のＬＥＤ11を同一の導電部材上に配置して使用する場合があるためである。

尚、他の放熱部材として、表面に絶縁被膜を形成したアルミニウム基板（図示省略）を用い、該アルミニウム基板上に、上記ＬＥＤ11を載置するようにしても良い。この場合、ＬＥＤチップ24が配置された第１のリードフレーム20の先端部20ａが、アルミニウム基板に接続されるため、ＬＥＤチップ24の発熱は、第１のリードフレーム20を介してアルミニウム基板へと伝導し、ＬＥＤ11外部へ効率良く放熱することができる。

上記においては、半導体チップとしてＬＥＤチップ24、半導体素子としてＬＥＤ11，59を例示したが、これに限定されるものではなく、半導体チップとしてレーザーダイオードチップ等、半導体素子としてレーザーダイオード等を用いることもできる。

本発明に係る第１の放熱パッケージを模式的に示す平面図である。 本発明に係る第１の放熱パッケージを模式的に示す概略断面図である。 本発明に係る第１の放熱パッケージを模式的に示す底面図である。 本発明に係る第１の放熱パッケージにＬＥＤチップを収納してＬＥＤを構成した状態を示す平面図である。 本発明に係る第１の放熱パッケージにＬＥＤチップを収納してＬＥＤを構成した状態を示す概略断面図である。 本発明に係る第２の放熱パッケージを模式的に示す平面図である。 本発明に係る第２の放熱パッケージを模式的に示す概略断面図である。 本発明に係る第２の放熱パッケージを模式的に示す底面図である。 本発明に係る第２の放熱パッケージにＬＥＤチップを収納してＬＥＤを構成した状態を示す平面図である。 本発明に係る第２の放熱パッケージにＬＥＤチップを収納してＬＥＤを構成した状態を示す概略断面図である。 本発明に係る第１の放熱パッケージにＬＥＤチップを収納して構成したＬＥＤを放熱部材に接続した場合を模式的に示す概略断面図である。 本発明に係る第１の放熱パッケージにＬＥＤチップを収納して構成したＬＥＤを放熱部材に接続した場合を模式的に示す平面図である。 図１１のＡ−Ａ概略断面図である。 放熱部材を模式的に示す正面図である。 放熱部材を模式的に示す平面図である。 放熱部材を模式的に示す側面図である。 図１５のＢ−Ｂ概略断面図である。 枠部材を模式的に示す平面図である。 枠部材を模式的に示す側面図である。 図１８のＣ−Ｃ概略断面図である。 ＬＥＤ、枠部材、放熱部材の一体化の方法を示す説明図である。 リードフレームの取出し方向を変化させた状態を模式的に示す概略断面図である。 リードフレームの取出し方向を変化させた状態を模式的に示す概略断面図である。 従来の発光ダイオード（半導体素子）を模式的に示す概略断面図である。

符号の説明

10 第１の放熱パッケージ
11 発光ダイオード
16 孔
18 枠体
18ａ枠体の底面
18ｂ枠体の側周面
20 第１のリードフレーム
20ａ第１のリードフレームの先端部
20ｂ第１のリードフレームの後端部
22 第２のリードフレーム
22ａ第２のリードフレームの先端部
22ｂ第２のリードフレームの後端部
24 ＬＥＤチップ
26 ボンディングワイヤ
28 コーティング材
53 第２の放熱パッケージ
54 孔
55 枠体
56 第１のリードフレーム
57 第２のリードフレーム
58 放熱板
59 発光ダイオード

Claims (5)

1. 孔が形成された枠体と、該枠体の底面の略全面を覆う熱伝導性が良好な導電材料より成る第１のリードフレームを有する半導体チップ収納用の放熱パッケージ。
2. 上記枠体を貫通して孔内に露出する第２のリードフレームを有しており、該第２のリードフレームと、上記第１のリードフレームとは、上下方向に所定の間隙を設けて対向配置されることにより絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ収納用の放熱パッケージ。
3. 上記リードフレームが、銅合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体チップ収納用の放熱パッケージ。
4. 孔が形成された枠体と、該枠体の底面の略全面を覆う熱伝導性が良好な材料より成る放熱板と、上記枠体を貫通して孔内に露出するリードフレームを有する半導体チップ収納用の放熱パッケージ。
5. 上記放熱板が、銅合金、アルミニウム、セラミックの何れかで構成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体チップ収納用の放熱パッケージ。

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