JP2011254106A - 半導体装置モジュール及びこれに用いられる熱伝導チップ - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置モジュールの放熱効果が不充分であったために、発光効率の向上に限度があった。
【解決手段】配線基板１１上に、ｐ側電極パッド１２、ｎ側電極パッド１３、熱引き用パッドとしても作用する接地電極パッド１４、駆動回路制御電極パッド１５を形成する。LEDパッケージ１６をｐ側電極パッド１２及びｎ側電極パッド１３上に、駆動回路１７をｎ側電極パッド１３、GND電極パッド１４及び駆動回路制御電極パッド１５上に、熱伝導チップ１８をｐ側電極パッド１２及び接地電極パッド１４上に形成する。LEDパッケージ１６からの熱は、矢印Y1に示すごとく、放熱される。
【選択図】 図７

Description

本発明は半導体装置たとえば発光ダイオード（LED）パッケージを配線基板に実装搭載した光半導体装置モジュール及びこれに用いられる熱伝導チップに関する。

光半導体装置モジュールは、配線パッドを形成した配線基板にLEDパッケージを実装搭載することによって構成される。

上述の光半導体装置モジュールにおいては、LEDが動作すると、熱がモジュール内にこもり、この結果、LED内部の発光層の接合温度が上昇して発光効率が低下する。このため、光半導体装置モジュールに放熱対策を施してLED内部の発光層の接合温度の上昇を抑える必要がある。

図１１は第１の従来の光半導体装置モジュールの平面図である（参照：特許文献１）。

図１１の光半導体装置モジュールにおいては、配線基板１０１上に、ｐ側電極パッド１０２、ｎ側電極パッド１０３及び熱引き用パッド１０４を形成し、発光効率が高いフリップチップ型のLEDパッケージ１０５をｐ側電極パッド１０２、ｎ側電極パッド１０３及び熱引き用パッド１０４上にAuバンプあるいは半田ボール（図示せず）によって実装搭載する。この場合、熱引き用パッド１０４は配線基板１０１に広く接触しているので、放熱効果は大きい。これにより、LEDパッケージ１０５からの熱は、矢印X1で示すごとく、熱引き用パッド１０４に放熱され、この結果、発光効率が向上する。

図１２は第２の従来の光半導体装置モジュールの平面図である。

図１２の光半導体装置モジュールにおいては、配線基板２０１上に、ｐ側電極パッド２０２、ｎ側電極パッド２０３及びｎ側電極パッド２０３に接続され熱引き用パッドとして作用する大型の接地（GND）電極パッド２０４を形成し、発光効率が高いフリップチップ型のLEDパッケージ２０５をｐ側電極パッド２０２及びｎ側電極パッド２０３上にAuバンプあるいは半田ボール（図示せず）によって実装搭載する。この場合、熱引き用パッドとしてのGND電極パッド２０４は配線基板２０１に接触しているので、放熱効果は大きい。これにより、LEDパッケージ２０５からの熱は、矢印X2で示すごとく、ｎ側電極パッド２０３からGND電極パッド２０４に放熱され、この結果、発光効率が向上する。

図１３は第３の従来の光半導体装置モジュールの断面図である。

図１３の光半導体装置モジュールにおいては、金属の放熱基板３０１上に、絶縁層３０２を形成する。次に、絶縁層３０２上に、ｐ側電極パッド３０３及びｎ側電極パッド３０４を形成し、さらに、発光効率が高いフリップチップ型のLEDパッケージ３０５をｐ側電極パッド３０３及びｎ側電極パッド３０４上にAuバンプあるいは半田ボール（図示せず）によって実装搭載する。この場合、放熱基板３０１は金属たとえば銅（Cu）よりなるので、放熱効果は大きい。これにより、LEDパッケージ３０５からの熱は、矢印X3で示すごとく、ｐ側電極パッド３０３及びｎ側電極パッド３０４から放熱基板３０１に放熱され、この結果、発光効率が向上する。

図１４は第４の従来の光半導体装置モジュールの断面図である（参照：特許文献２のサブマウント）。

図１４の光半導体装置モジュールにおいては、多層基板４０１内に、熱引き用のベタ電極パッド４０１ａ及びスルーホール４０１ｂを形成する。また、多層基板４０１上に、ｐ側電極パッド４０２及びｎ側電極パッド４０３を形成する。この場合、ｐ側電極パッド４０２及びｎ側電極パッド４０３はスルーホール４０１ｂを介してベタ電極パッド４０１ａに接続される。さらに、発光効率が高いフリップチップ型のLEDパッケージ４０４をｐ側電極パッド４０２及びｎ側電極パッド４０３上にAuバンプあるいは半田ボール（図示せず）によって実装搭載する。この場合、ベタ電極パッド４０１ａは金属たとえば銅（Cu）よりなるので、放熱効果は大きい。これにより、LEDパッケージ４０４からの熱は、矢印X4で示すごとく、ｐ側電極パッド４０２及びｎ側電極パッド４０３からスルーホール４０１ｂを介してベタ電極パッド４０１ａに放熱され、この結果、発光効率が向上する。

特開２００８−１３５６９４号公報 特開２００６−８６１３９号公報

しかしながら、図１１の光半導体装置モジュールにおいては、放熱効果を向上させるためには、熱引き用パッド１０４の面積を大きくしなければならないが、配線基板１０１の制約、併せて駆動回路及び金属リフレクタ（図示せず）の配線基板１０１上への設置から熱引き用パッド１０４の面積を大きくできない。従って、放熱効果に限度があり、この結果、発光効率の向上には限度があるという課題があった。

また、現在主流となっている光半導体装置モジュールにおいては、電流制御回路はｎ側電極に接続されるが、この時、図１２のようにｎ側電極パッド２０３とGND電極パッド２０４をそのまま接続することは不可能という課題があった。

さらに、図１３の光半導体装置モジュールにおいては、放熱基板３０１が金属よりなるので、製造コストが高いという課題があり、また、放熱効果を向上させるには、放熱基板３０１を厚くして熱容量を増加させる必要があり、この結果、光半導体装置モジュールの薄型化が困難であるという課題もあった。

さらにまた、図１４の光半導体装置モジュールにおいては、放熱効果を向上させるためには、スルーホール４０１ｂの数を増加させる必要があり、さらに、このようなスルーホール４０１ｂを有する多層基板４０１によって製造コストが上昇するという課題があった。

上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体装置モジュールは、半導体装置と、半導体装置を実装搭載するための少なくとも2つの配線パッド及び熱引き用パッドが形成された配線基板と、配線パッドの少なくとも１つと熱引き用パッドとの間の配線基板上に設けられた熱伝導チップとを具備し、熱伝導チップが、少なくとも第１、第２の電極と、第１、第２の電極間に設けられた絶縁性高熱伝導部材とを具備し、第１の電極が配線パッドの少なくとも１つに接続され、第２の電極が熱引き用パッドに接続されたものである。これにより、半導体装置からの熱は、配線パッドの少なくとも１つ及び熱伝導チップを介して熱引き用パッドに放熱され、この結果、発光効率が向上する。

また、半導体装置に用いられる熱伝導チップは、少なくとも第１、第２の電極と、第１、第２の電極間に設けられた絶縁性高熱伝導部材とを具備する。これにより、電気的接続の影響を受けずに種々の放熱接続が可能となる。

絶縁性高熱伝導部材は絶縁耐圧が1kV/mm以上かつ空気の熱伝導率より大きい熱伝導率を有し、たとえばアルミナ及び窒化アルミニウムの1つよりなる。

また、絶縁性高熱伝導部材の表面に放熱加工部を設ける。放熱加工部は絶縁性高熱伝導部材の上面、側面、裏面のいずれか1つ以上に設けられた凹凸面である。これにより、絶縁性高熱伝導部材の放熱効果はさらに向上する。

第１、第２の電極間ギャップがスパークギャップとして作用する。これにより、半導体装置に高電圧が印加された場合の静電破壊を防止する。

本発明によれば、熱伝導チップにより、放熱効果を向上させることができ、また、金属の放熱基板を用いず、熱伝導チップを基板上に設けたことにより、半導体装置モジュールの薄型化できる。さらに、多数のスルーホールを有する多層基板も用いないので、製造コストを低減できる。

本発明に係る光半導体装置モジュールに用いられる第１の熱伝導チップを示す平面図である。 図１の（Ａ）の熱伝導チップの斜視図である。 本発明に係る光半導体装置モジュールに用いられる第２の熱伝導チップを示す平面図である。 図３の（Ａ）の熱伝導チップの斜視図である。 本発明に係る光半導体装置モジュールに用いられる第３の熱伝導チップを示す平面図である。 図５の（Ａ）の熱伝導チップの斜視図である。 本発明に係る光半導体装置モジュールの第１の実施の形態を示す平面図である。 本発明に係る光半導体装置モジュールの第２の実施の形態を示す平面図である。 本発明に係る光半導体装置モジュールの第３の実施の形態を示す平面図である。 本発明に係る光半導体装置モジュールの第４の実施の形態を示す平面図である。 第１の従来の光半導体装置モジュールを示す平面図である。 第２の従来の光半導体装置モジュールを示す平面図である。 第３の従来の光半導体装置モジュールを示す断面図である。 第４の従来の光半導体装置モジュールを示す断面図である。

図１は本発明に係る光半導体装置モジュールに用いられる第１の熱伝導チップを示す平面図である。

図１の（Ａ）に示す熱伝導チップC1は2電極構造をなし、放熱機能を有する絶縁性高熱伝導部材１及びその両端に設けられた２つの電極２−１、２−２によって構成される。絶縁性高熱伝導部材１は、好ましくは、絶縁（耐圧）が1kV/mm以上で空気の熱伝導率（κ=0.0241）より大きい熱伝導率（たとえばκ≧10W/(m・K)）を有する。たとえば、絶縁性高熱伝導部材１は絶縁耐圧13〜15kV/mm、κ=170〜230W/(m・K)の窒化アルミニウム（AlN）よりなる。これにより、電極２−１もしくは２−２からの熱は絶縁性高熱伝導部材１を介して電極２−２もしくは２−１に放熱される。

図１の（Ｂ）に示す熱伝導チップC2は、図１の（Ａ）の熱伝導チップC1の電極２−１、２−２に並行に電極２−３、２−４を付加して4電極構成にしたものである。これにより、用途に合わせて熱が絶縁性高熱伝導部材１を介して放熱される。

チップの形状には制限はなく、どのような形でもよい。例えば、図１の（Ｃ）に示す熱伝導チップC3は、図１の（Ａ）の熱伝導チップC1の電極２−１、２−２に交差して電極２−３、２−４を付加して4電極構成にしたものである。これにより、用途に合わせて熱が絶縁性高熱伝導部材１を介して放熱される。

図１の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す熱伝導チップC1、C2、C3においては、電極２−１、２−２、２−３、２−４の電気的接続の影響を受けずに種々の放熱接続を行うことができる。特に、放熱設計が難しい小型あるいは薄型の光半導体装置モジュール内での最適な熱設計を可能にする。

尚、図２は図１の（Ａ）の熱伝導チップC1の斜視図である。

図３は本発明に係る光半導体装置モジュールに用いられる第２の熱伝導チップを示す平面図である。

図３の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の熱伝導チップC1’、C2’、C3’においては、図１の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の熱伝導チップC1、C2、C3の絶縁性高熱伝導部材１の表面に放熱加工部３を設けたものである。この場合の絶縁性高熱伝導部材１の表面とは基板に搭載した状態における上面、側面、裏面のいずれか1つあるいは複数を指す。たとえば、放熱加工部３は、放射率の高い金属めっき処理を、電極間を接続しないように設けた金属めっき層、あるいはブラスト処理等の凹凸処理による表面積増大した凹凸面、あるいは放射率の高い金属板を、電極間を接続しないように貼り付けることによって構成される。また、凹凸処理はめっき処理、金属板と併用しても構わず、電極上に設けることも可能である。これにより、図３の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の熱伝導チップC1’、C2’、C3’の放熱効果は、図１の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の熱伝導チップC1、C2、C3の放熱効果より大きくなる。

尚、図４は図３の（Ａ）の熱伝導チップC1’の斜視図である。

図５は本発明に係る光半導体装置モジュールに用いられる第３の熱伝導チップを示す平面図である。

図５の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の熱伝導チップC1”、C2”、C3”においては、図１の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の熱伝導チップC1、C2、C3の電極２−１、２−２、２−３、２−４の代りに電極２−１’、２−２’、２−３’、２−４’を設け、電極間のギャップを小さくしたものである。この電極間ギャップを調整することにより、電極間ギャップは高電圧印加時に電極間の空気層の静電破壊を利用したスパークギャップとして作用する。この結果、静電気等による高電圧が電極間に印加された場合に、この高電圧を電極間ギャップを介して逃がすことができる。

尚、図６は図５の（Ａ）の熱伝導チップC1”の斜視図である。

また、図３の第２の熱伝導チップと図５の第３の熱伝導チップとを組合わせることもできる。つまり、絶縁性高熱伝導部材１の表面に放熱加工部を設けると共に、電極間ギャップを小さくした電極２−１’、２−２’、２−３’、２−４’を設けることもできる。

図７は本発明に係る光半導体装置モジュールの第１の実施の形態を示す平面図である。

図７の光半導体装置モジュールにおいては、配線基板１１上に、ｐ側電極パッド１２、ｎ側電極パッド１３、熱引き用パッドとして作用するGND電極パッド１４、駆動回路制御電極パッド１５を形成する。発光効率が高いフリップチップ型のLEDパッケージ１６をｐ側電極パッド１２及びｎ側電極パッド１３上にAuバンプあるいは半田ボール（図示せず）によって実装搭載する。また、LEDパッケージ１６を駆動するためのAC/DCコンバータ等を含む駆動回路１７をｎ側電極パッド１３、GND電極パッド１４及び駆動回路制御電極パッド１５上にAuバンプあるいは半田ボール（図示せず）によって実装搭載する。さらに、図１の（Ａ）に示す熱伝導チップC1である熱伝導チップ１８をｐ側電極パッド１２及びGND電極パッド１４上にAuバンプあるいは半田ボール（図示せず）によって実装搭載する。

図７においては、GND電極パッド１４は熱引き用パッドとして作用するので、熱容量は大きい。しかも、熱伝導チップ１８の放熱効果は大きい。これにより、LEDパッケージ１６からの熱は、矢印Y1に示すごとく、ｐ側電極パッド１２及び熱伝導チップ１８を介してGND電極パッド１４に放熱され、この結果、発光効率が向上する。

図７においては、金属リフレクタ（図示せず）も余裕をもって設置でき、従って、放熱効果の向上には、駆動回路１７及び金属リフレクタによる限度がない。また、駆動回路１７の出力が接続されたｎ側電極パッド１３とGND電極パッド１４とは別個であるので、GND電極パッド１４を大型化でき、従って、放熱効果を向上させることができる。さらに、金属の放熱基板を用いないので、光半導体装置モジュールの薄型化できる。さらにまた、多数のスルーホールを有する多層基板も用いないので、製造コストを低減できる。

尚、熱伝導チップ１８として、図３の（Ａ）に示す熱伝導チップC1’を用いれば、放熱効果をさらに向上できる。また、熱伝導チップ１８として、図５の（Ａ）に示す熱伝導チップC1”を用いれば、LEDパッケージ１６に印加された高電圧をGND電極パッド１４へ逃がすことができ、この結果、LEDパッケージ１６の内部素子の劣化、破壊を防止することができる。

図８は本発明に係る光半導体装置モジュールの第２の実施の形態を示す平面図である。

図８の光半導体装置モジュールにおいては、図１の（Ａ）に示す熱伝導チップC1である熱伝導チップ１８をｎ側電極パッド１３及びGND電極パッド１４上にAuバンプあるいは半田ボール（図示せず）によって実装搭載する点を除き、図７の光半導体装置モジュールと同一である。

図８においては、LEDパッケージ１６からの熱は、矢印Y2に示すごとく、ｎ側電極パッド１３、熱伝導チップ１８を介してGND電極パッド１４に放熱され、この結果、発光効率が向上する。

図８の光半導体装置モジュールにおいても、図７の光半導体装置モジュールの場合と同様の効果が期待され、特に放熱効果はｎ側から熱引きし易くなっている。

尚、図８においても、熱伝導チップ１８として、図３の（Ａ）に示す熱伝導チップC1’を用いれば、放熱効果をさらに向上できる。また、熱伝導チップ１８として、図５の（Ａ）に示す熱伝導チップC1”を用いれば、LEDパッケージ１６に印加された高電圧をGND電極パッド１４へ逃がすことができ、この結果、LEDパッケージ１６の内部素子の劣化、破壊を防止することができる。

図９は本発明に係る光半導体装置モジュールの第３の実施の形態を示す平面図である。

図９の光半導体装置モジュールにおいては、図１の（Ｂ）に示す熱伝導チップC2である熱伝導チップ１８をｐ側電極パッド１２、ｎ側電極パッド１３及びGND電極パッド１４上にAuバンプあるいは半田ボール（図示せず）によって実装搭載する点を除き、図７の光半導体装置モジュールと同一である。

図９においては、LEDパッケージ１６からの熱は、矢印Y3に示すごとく、ｐ側電極パッド１２、熱伝導チップ１８を介してGND電極パッド１４に放熱されると共に、矢印Y3’に示すごとく、ｎ側電極パッド１３、熱伝導チップ１８を介してGND電極パッド１４に放熱され、この結果、発光効率が向上する。

図９の光半導体装置モジュールにおいても、図７の光半導体装置モジュールの場合と同様の効果が期待され、特にｎ側、ｐ側両側の電極パッドに接続されているのでバンプ構造のように両極からの熱引きが有効なものの時に有利である。また、同一の電極パッドに複数の接続点があることで熱抵抗に有利になっている。

尚、図９において、熱伝導チップ１８として、図３の（Ｂ）に示す熱伝導チップC2’を用いれば、放熱効果をさらに向上できる。また、熱伝導チップ１８として、図５の（Ｂ）に示す熱伝導チップC2”を用いれば、LEDパッケージ１６に印加された高電圧をGND電極パッド１４へ逃がすことができ、この結果、LEDパッケージ１６の内部素子の劣化、破壊を防止することができる。

図１０は本発明に係る光半導体装置モジュールの第４の実施の形態を示す平面図である。

図１０の光半導体装置モジュールにおいては、図１の（Ｃ）に示す熱伝導チップC3である熱伝導チップ１８をｐ側電極パッド１２、ｎ側電極パッド１３及びGND電極パッド１４上にAuバンプあるいは半田ボール（図示せず）によって実装搭載する点を除き、図７の光半導体装置モジュールと同一である。

図１０においては、LEDパッケージ１６からの熱は、矢印Y4に示すごとく、ｐ側電極パッド１２、熱伝導チップ１８を介してGND電極パッド１４に放熱されると共に、矢印Y4’に示すごとく、ｎ側電極パッド１３、熱伝導チップ１８を介してGND電極パッド１４に放熱され、この結果、発光効率が向上する。

図１０の光半導体装置モジュールにおいても、図７の光半導体装置モジュールの場合と同様の効果が期待される。

尚、図１０においても、熱伝導チップ１８として、図３の（Ｃ）に示す熱伝導チップC3’を用いれば、放熱効果をさらに向上できる。また、熱伝導チップ１８として、図５の（Ｃ）に示す熱伝導チップC3”を用いれば、LEDパッケージ１６に印加された高電圧をGND電極パッド１４へ逃がすことができ、この結果、LEDパッケージ１６の内部素子の劣化、破壊を防止することができる。

上述の実施の形態においては、光半導体装置として、フリップチップ型のLEDパッケージを用いたが、フェイスアップ型のLEDパッケージでもよい。また、LEDの代りに半導体レーザを用いてもよい。

C1、C2、C3、C1’、C2’、C3’、C1”、C2”、C3”：熱伝導チップ
１：絶縁性高熱伝導部材
２−１、２−２、２−３、２−４、２−１’、２−２’、２−３’、２−４’：電極
１１：配線基板
１２：ｐ側電極パッド
１３：ｎ側電極パッド
１４：GND電極パッド（熱引き用パッド）
１５：駆動回路制御電極パッド
１６：LEDパッケージ
１７：駆動回路
１８：熱伝導チップ
１０１：配線基板
１０２：ｐ側電極パッド
１０３：ｎ側電極パッド
１０４：GND電極パッド（熱引き用パッド）
１０５：LEDパッケージ
２０１：配線基板
２０２：ｐ側電極パッド
２０３：ｎ側電極パッド
２０４：GND電極パッド
２０５：LEDパッケージ
３０１：放熱基板
３０２：絶縁層
３０３：ｐ側電極パッド
３０４：ｎ側電極パッド
３０５：LEDパッケージ
４０１：多層基板
４０１ａ：ベタ電極パッド
４０１ｂ：スルーホール
４０２：ｐ側電極パッド
４０３：ｎ側電極パッド
４０４：LEDパッケージ

Claims (15)

1. 半導体装置と、
   該半導体装置を実装搭載するための少なくとも2つの配線パッド及び熱引き用パッドが形成された配線基板と、
   前記配線パッドの少なくとも１つと前記熱引き用パッドとの間の前記配線基板上に設けられた熱伝導チップと
   を具備し、
   前記熱伝導チップが、
   少なくとも第１、第２の電極と、
   該第１、第２の電極間に設けられた絶縁性高熱伝導部材と
   を具備し、
   前記第１の電極が前記配線パッドの少なくとも１つに接続され、
   前記第２の電極が前記熱引き用パッドに接続された半導体装置モジュール。
2. 前記絶縁性高熱伝導部材が絶縁耐圧が1kV/mm以上かつ空気の熱伝導率より大きい熱伝導率を有する請求項１に記載の半導体装置モジュール。
3. 前記絶縁性高熱伝導部材がアルミナ及び窒化アルミニウムの1つよりなる請求項２に記載の半導体装置モジュール。
4. 前記絶縁性高熱伝導部材の表面に放熱加工部を設けた請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置モジュール。
5. 前記放熱加工部が前記絶縁性高熱伝導部材の上面、側面、裏面のいずれか1つ以上に前記第１、第２の電極間を接続しないように設けられた金属めっき層である請求項４に記載の半導体装置モジュール。
6. 前記放熱加工部が前記絶縁性高熱伝導部材の上面、側面、裏面のいずれか1つ以上に設けられた凹凸面である請求項４に記載の半導体装置モジュール。
7. 前記放熱加工部が前記絶縁性高熱伝導部材の上面、側面、裏面のいずれか1つ以上に前記第１、第２の電極間を接続しないように貼り付けられた金属板である請求項４に記載の半導体装置モジュール。
8. 前記第１、第２の電極間ギャップがスパークギャップとして作用する請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置モジュール。
9. 前記熱引き用パッドが接地電極パッドである請求項８に記載の半導体装置モジュール。
10. 前記配線パッドの他の1つと前記熱引き用パッドとの間にさらに熱伝導チップが設けられた請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置モジュール。
11. 少なくとも第１、第２の電極と、
    該第１、第２の電極間に設けられた絶縁性高熱伝導部材と
    を具備する熱伝導チップ。
12. 前記絶縁性高熱伝導部材が絶縁耐圧が1kV/mm以上かつ空気の熱伝導率より大きい熱伝導率を有する請求項１１に記載の熱伝導チップ。
13. 前記絶縁性高熱伝導部材がアルミナ及び窒化アルミニウムの1つよりなる請求項１１に記載の熱伝導チップ。
14. 前記絶縁性高熱伝導部材の表面に放熱加工部を設けた請求項１１に記載の熱伝導チップ。
15. 前記放熱加工部が前記絶縁性高熱伝導部材の上面、側面、裏面のいずれか1つ以上に設けられた凹凸面である請求項１４に記載の熱伝導チップ。
    
    
    

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