JP2012160528A

JP2012160528A - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JP2012160528A
Application number: JP2011018144A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Kobayashi; 吉伸小林; Yusuke Kawai; 祐亮川合
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-23

Abstract

【課題】従来よりも放熱部材の放熱効果を向上させる
【解決手段】半導体パッケージ１０は、半導体素子１２が配置される、絶縁体からなるベース部材１４と、ベース部材１４に形成されるとともに半導体素子１２の正電極及び負電極にそれぞれ接続される導体配線１６Ａ、１６Ｂと、ベース部材１４に形成され、半導体素子１２の絶縁面に接するとともに正電極側の導体配線１６Ａと負電極側の導体配線１６Ｂの一方に接続される、ベース部材１４より高熱伝導性の部材からなる放熱部材１８と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体パッケージに関する。

ＬＥＤ等の半導体素子を収容する半導体パッケージが従来から知られている。この半導体パッケージは半導体素子が配置されるベース部材を備えており、このベース部材は半導体素子から発生する熱に耐えられるようにセラミック等の耐熱性材料から構成されている。さらに半導体パッケージには半導体素子の正電極及び負電極と接続し、ベース部材外に引き出される導体配線も設けられている。

また、ベース部材内には半導体素子から発生した熱を外部に逃すための放熱部材が形成されている。例えば特許文献１−３においては図７に示すように、半導体素子１１０が配置されるベース部材１１２の配置面１１４から当該配置面１１４に対向する底面１１６まで貫通する放熱ビア１１８がベース部材１１２の内部に形成されている。放熱ビア１１８はベース部材１１２よりも熱伝導率の高い銀等の材料から構成されており、半導体素子１１０から発生した熱は放熱ビア１１８を通じて半導体パッケージ１００の外に放出される。

また、特許文献４においては図８に示すように、ベース部材１１２よりも熱伝導率の高い材料から構成された放熱プレート１２０がベース部材１１２に埋設されている。熱伝導率の高い材料をベース部材１１２に埋設することで、半導体パッケージ１００外への放熱が促進される。また、特許文献５においては、導体配線１２２に接続された外部接続用の導電パッドをベース部材１１２の底面１１６に面状に形成し、この導電パッドに放熱効果を持たせている。

特開２００６−５２５６７９号公報特開２０１０−３４４８７号公報特開２０１０−８７１８１号公報特開２００９−２２４７５１号公報特開２００７−２４２９０８号公報

特許文献１−４における放熱ビア及び放熱プレートなどの放熱部材は導体配線間の短絡を防止するため、導体配線とは非接触の状態に維持されている。具体的には導体配線と放熱部材とは絶縁体であるベース部材によって電気的に離間されている。このように従来の半導体パッケージにおいては放熱部材の配置は導体配線による制約を受け、その結果放熱部材の放熱効果が制限される。例えば図７に示した例ではベース部材の側面に形成された導体配線との接触を避けるために放熱部材はベース部材の底面側に延伸せざるを得ない。その結果、熱の主な伝達方向はベース部材の厚さ方向（垂直方向）に限られてしまう。また、図８に示した例では放熱プレートが絶縁体で囲まれているから放熱プレート内に熱がこもってしまう。そこで本発明は、従来よりも放熱部材の放熱効果を向上させることの可能な半導体パッケージを提供することを目的とする。

本発明は半導体素子を収容する半導体パッケージに関する。当該半導体パッケージは、半導体素子が配置される、絶縁体からなるベース部材と、ベース部材に形成されるとともに半導体素子の正電極及び負電極にそれぞれ接続される導体配線と、を備えている。さらに、ベース部材に形成され、半導体素子の絶縁面に接するとともに正電極側の導体配線と負電極側の導体配線の一方に接続される、ベース部材より高熱伝導性の部材からなる放熱部材を備えている。

また、上記発明において、放熱部材は、半導体素子の絶縁面が配置されるベース部材の配置面から配置面に対向する底面まで貫通する放熱ビアと、放熱ビアが貫通する方向とは垂直に延伸するとともに正電極側の導体配線と負電極側の導体配線の一方及び放熱ビアに接続する放熱プレートとを備えることが好適である。

本発明によれば、従来よりも放熱部材の放熱効果を向上させることができる。

本実施形態に係る半導体パッケージを例示する図である。本実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。本実施形態に係る半導体パッケージの製造工程を説明する図である。他の実施形態に係る半導体パッケージを例示する図である。他の実施形態に係る半導体パッケージを例示する図である。他の実施形態に係る半導体パッケージを例示する図である。従来の半導体パッケージを例示する図である。従来の半導体パッケージを例示する図である。

本実施形態に係る半導体パッケージを図１に示す。半導体パッケージ１０は、半導体素子１２が配置されるベース部材１４と、ベース部材１４に形成された導体配線１６Ａ、１６Ｂ及び放熱部材１８（図２参照）を含んで構成されている。なお、図１においてはベース部材１４の厚さ方向をＺ軸とし、平面方向について互いに直交する方向にＸ軸及びＹ軸を取る。

半導体パッケージ１０は耐熱性の基板から構成され、例えばＬＴＣＣ（低温同時焼成積層セラミックス、Low Temperature Co-fired Ceramics）基板や、ＨＴＣＣ（高温同時焼成積層セラミックス、High Temperature Co-fired Ceramics）基板や、ＡｌＮ基板から構成される。

また、半導体素子１２は、例えばＬＥＤ等の発光素子から構成される。半導体素子１２は略平板形状をしており、絶縁体の基板上に素子が形成されている。したがって半導体素子１２は素子が形成された素子形成面と、素子形成面に対向する裏面（基板の裏面）を備えている。半導体素子１２に電力を供給して発光させる際に熱が発生する。例えば半導体素子１２に供給された電気的エネルギーの２０％〜３０％が光に変換され、８０％〜７０％が熱となる。

半導体素子１２はベース部材１４に配置される。ベース部材１４は図１のＺ−Ｙ断面において凹形状をしており、窪み部分に半導体素子１２が配置される。また、半導体素子１２が配置される配置面２０に対向して底面２２（図２参照）が形成され、底面２２から上面２４を繋ぐようにして側面２６が形成されている。ベース部材１４は絶縁体であって、例えばＬＴＣＣ基板の基材であるガラスとセラミックの混合材料や、ＨＴＣＣ基板の基材であるアルミナセラミックや、ＡｌＮ基板の基材である窒化アルミニウム等から構成される。

また、ベース部材１４の窪み部分は封止部材２７によって封止されている。封止部材２７に封止されることによって半導体素子１２が保護される。封止部材２７は透光性を有する材料から構成され、例えばポリオレフィン系樹脂やアクリル樹脂等から構成される。

また、ベース部材１４の配置面２０には導体配線１６Ａ、１６Ｂと後述する放熱パッド３０が形成されている。導体配線１６Ａ、１６Ｂは第一の放熱パッド３０と所定間隔離間して形成されている。導体配線１６Ａ、１６Ｂはボンディングワイヤ３２を介してそれぞれ半導体素子１２の正電極と負電極とに接続される。以下、正電極側の導体配線を１６Ａで表わし、負電極側の導体配線を１６Ｂで表わす。

図２に半導体パッケージ１０のＺ−Ｙ断面を示す。導体配線１６Ａ、１６Ｂはベース部材１４の配置面２０からベース部材１４の内部を貫通してベース部材１４の側面２６に到る。さらに導体配線１６Ａ、１６Ｂは側面２６から底面２２まで延伸する。底面２２まで延伸した導体配線１６Ａ、１６Ｂの端部とプリント基板等の外部基板の接続端子とがはんだ等で接続される。半導体パッケージ１０がＬＴＣＣ基板から構成されるときは、導体配線１６Ａ、１６Ｂは銀、銅、金等の熱伝導性の高い導体材料から構成される。また、半導体パッケージ１０がＨＴＣＣ基板やＡｌＮ基板から構成されるときは、導体配線１６Ａ、１６Ｂはタングステン、モリブデン等の高融点の導体材料から構成される。

また、ベース部材１４の配置面２０には半導体素子１２の裏面を受ける第一の放熱パッド３０が形成されている。第一の放熱パッド３０は平板形状であって、例えば基板の裏面全面を支持し得るように、半導体素子１２の基板よりも面積が大きくなるように形成されている。

さらにベース部材１４の内部には、第一の放熱パッド３０に接続して放熱ビア３４が形成されている。放熱ビア３４は配置面２０からＺ方向（ベース部材１４の厚さ方向）に延伸して端部がベース部材１４の底面２２に露出する。なお、図２においては放熱ビア３４が複数本設けられているが、少なくとも１本設けられていれば良い。また、放熱ビア３４の端部に接続して第二の放熱パッド３６が形成されている。第二の放熱パッド３６はベース部材１４の底面２２に沿った平面形状に形成されている。また、底面２２に延びた導体配線１６Ａ、１６Ｂの少なくとも一方と第二の放熱パッド３６とが非接触状態となるように、導体配線１６Ａと導体配線１６Ｂの少なくとも一方と第二の放熱パッド３６とは互いに離間されている。

また、ベース部材１４の内部には放熱プレート３８が形成されている。放熱プレート３８は半導体パッケージ１０の平面方向（Ｘ−Ｙ平面方向）に広がる平板形状をしており、放熱ビア３４の延伸方向とは略垂直に広がっている。また、放熱プレート３８は放熱ビア３４と接続するとともに、正極側の導体配線１６Ａ又は導体配線１６Ｂの一方とも接続している。図２においては負極側の導体配線１６Ｂに放熱プレート３８が接続されている。導体配線１６Ａと導体配線１６Ｂの一方に接続されることにより、放熱プレート３８の熱が導体配線１６Ａまたは導体配線１６Ｂに伝達される。

第一の放熱パッド３０、第二の放熱パッド３６、放熱ビア３４、放熱プレート３８などの放熱部材１８は、ベース部材１４よりも熱伝導性の高い部材から形成される。なお、半導体パッケージ１０の製造にあたり製造工程を簡略化する観点から、放熱部材を導体配線１６Ａ、１６Ｂと同材料にすることが好適である。なお、第一の放熱パッド３０、第二の放熱パッド３６を省略し、放熱ビア３４、放熱プレート３８から放熱部材１８を構成するようにしてもよい。

次に、本実施形態に係る半導体パッケージ１０の製造方法について説明する。図３に示すように、半導体パッケージはベース部材１４の材料からなるグリーンシート４０Ａ〜４０Ｄと呼ばれるシート状部材を複数層積層させることで形成される。なお、図３においては４層からなるグリーンシートを例示したが、この形態に限られず、半導体パッケージ１０の構造等によって層数が定められる。

各グリーンシート４０Ａ〜４０Ｄは半導体パッケージ１０の設計上のサイズ（例えば１５．２４センチメートル（６インチ）角）に基づいて切り取られるとともに、各階層の形状に応じて整形されている。例えば上層の２層のグリーンシート４０Ａ、４０Ｂは半導体パッケージ１０の窪み部分に対応するように中央が円形状にくり抜かれている。また、図示を省略するが、放熱ビア３４が形成される箇所はグリーンシートに孔が開けられ、印刷蒸着やスパッタ等によってこの孔に放熱部材が埋められる。さらにグリーンシート４０Ｃ、４０Ｄには導体配線１６Ａ、１６Ｂ、第一の放熱パッド３０、第二の放熱パッド３６、放熱プレート３８のパターンが印刷蒸着、スパッタ等によって形成される。これらのグリーンシート４０Ａ〜４０Ｄは積層されて加熱圧着され、さらに焼成されることで半導体パッケージ１０が形成される。

さらに焼成工程の後、図１に示すように半導体素子１２をベース部材１４の配置面２０に配置して半導体素子１２の正電極及び負電極と導体配線１６Ａ、１６Ｂとをボンディングワイヤ３２で接続する。さらに半導体素子１２やボンディングワイヤ３２が配置された半導体パッケージ１０の窪み部分を封止部材２７で埋めて加熱し、封止部材２７を硬化させる。これにより半導体素子１２が半導体パッケージ１０に封止固定される。

次に、本実施形態に係る半導体パッケージ１０の放熱効果について説明する。図２に示されているように、導体配線１６Ａ、１６Ｂを通じて半導体素子１２に電力が供給され、これに伴って半導体素子１２が発熱する。この熱は半導体素子１２の基板裏面から第一の放熱パッド３０に伝達される。さらに第一の放熱パッド３０から放熱ビア３４に熱が伝達し、放熱ビア３４から放熱プレート３８及び第二の放熱パッド３６に熱が伝達される。さらに放熱プレート３８から導体配線１６Ｂに熱が伝達され、導体配線１６Ｂから外気に熱が放出される。また第二の放熱パッド３６からも外気に熱が放出される。このように、本実施形態に係る半導体パッケージにおいては、ベース部材１４の厚さ方向（Ｚ軸方向）に加えて平面方向（Ｘ軸及びＹ軸方向）にも熱が拡散する。ここで、放熱プレート３８が導体配線１６Ａまたは１６Ｂの一方に接続されていることから、両者を絶縁体で離間した場合と比較して熱の伝達が速やかに行われる。なお、放熱プレート３８は導体配線１６Ａまたは１６Ｂの一方に接続されているものの、他の放熱部材１８（第一の放熱パッド３０、第二の放熱パッド３６、放熱ビア３４）は導体配線１６Ａにも導体配線１６Ｂにも接続されていないから、導体配線１６Ａと導体配線１６Ｂとが短絡するおそれはない。

また、図２に示す形態においては放熱プレート３８以外の放熱部材は導体配線１６Ａ、１６Ｂと非接触となるように形成されていたが、この形態に限らない。要するに正電極側の導体配線１６Ａと負電極側の導体配線１６Ｂとの短絡を防止できればよいから、放熱プレート３８が接続された側の導体配線に他の放熱部材を接続させてもよい。図４には負電極側の導体配線１６Ｂに放熱プレート３８の他に第二の放熱パッド３６を接続した半導体パッケージ１０が示されている。放熱プレート３８に加えて第二の放熱パッド３６を導体配線１６Ｂに接続することで、放熱効果がさらに向上する。

また、図５に示すように、放熱プレート３８と導体配線１６Ｂとを接続する第二の放熱ビア４２をベース部材１４内に形成してもよい。また、図６に示すように、放熱プレート３８をベース部材１４内に複数枚形成していずれも導体配線１６Ａと１６Ｂの一方に接続するようにしてもよい。これらの形態によっても放熱効果の更なる向上が図られる。

１０半導体パッケージ、１２半導体素子、１４ベース部材、１６Ａ，１６Ｂ導体配線、１８放熱部材、２０ベース部材配置面、２２ベース部材底面、２４ベース部材上面、２６ベース部材側面、２７封止部材、３０第一の放熱パッド、３２ボンディングワイヤ、３４放熱ビア、３６第二の放熱パッド、３８放熱プレート、４０Ａ-４０Ｄグリーンシート、４２第二の放熱ビア、１００半導体パッケージ、１１０半導体素子、１１２ベース部材、１１４配置面、１１６底面、１１８放熱ビア、１２０放熱プレート、１２２導体配線。

Claims

半導体素子を収容する半導体パッケージであって、
前記半導体素子が配置される、絶縁体からなるベース部材と、
前記ベース部材に形成されるとともに前記半導体素子の正電極及び負電極にそれぞれ接続される導体配線と、
前記ベース部材に形成され、前記半導体素子の絶縁面に接するとともに前記正電極側の導体配線と前記負電極側の導体配線の一方に接続される、前記ベース部材より高熱伝導性の部材からなる放熱部材と、
を備えることを特徴とする、半導体パッケージ。
請求項１記載の半導体パッケージであって、
前記放熱部材は、前記半導体素子の絶縁面が配置される前記ベース部材の配置面から前記配置面に対向する底面まで貫通する放熱ビアと、前記放熱ビアが貫通する方向とは垂直に延伸するとともに前記正電極側の導体配線と前記負電極側の導体配線の一方及び前記放熱ビアに接続する放熱プレートとを備えることを特徴とする、半導体パッケージ。