JP2013535808A - デバイスおよびデバイスの製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、オプトエレクトロニクス半導体チップ（２）を備えたデバイス（１）に関する。本発明では、半導体チップ（２）が接続層（３）により接続支持体（４）上に固定されて被覆材（５）に埋め込まれており、接続層（３）と被覆材（５）との間の少なくとも一部の領域に分離層（６）が配置されている。本発明はまた、デバイスの製造方法に関する。

Description

本発明は、オプトエレクトロニクス半導体チップを含むデバイス、および、こうしたデバイスの製造方法に関する。
本願は、独国特許出願第１０２０１００２６３４３．５号の優先権を主張するものであり、その開示内容は引用により本願にも含まれる。
表面実装可能な発光ダイオードなどの表面実装可能なオプトエレクトロニクスデバイスを製造するため、半導体チップはケーシング内に固定され、そこに、半導体チップを保護するために被覆材が設けられる。
機械的応力が作用すると半導体チップの固定が解離してしまうことがあり、その場合、デバイスの早期の故障に至りかねない。
したがって、本発明の課題は、動作中に高い信頼性を発揮できるデバイスを提供することである。また、本発明の課題は、こうしたデバイスを簡単かつ高い信頼性で製造できるようにすることである。
この課題は、独立請求項に記載された発明によって解決される。本発明の有利な実施態様および実施形態は従属請求項の対象となっている。
本発明では、オプトエレクトロニクス半導体チップを含むデバイスにおいて、半導体チップが接続層により接続支持体上に固定されて被覆材に埋め込まれており、接続層と被覆材との間の少なくとも一部の領域に分離層が配置されていることを特徴とする。分離層により接続層と被覆材とが機械的に相互に分離され、機械的応力、特に張力によってデバイス内で半導体チップの剥離が生じる危険が著しく低減される。分離層は、被覆材に生じる応力が接続層に殆どないし全く伝わらないように構成される。
被覆材は、デバイスを上から見たとき、特には分離層を完全に覆う。
また、分離層により、被覆材の弾性への要求も低減される。つまり、被覆材として比較的高い弾性率を有する材料を利用でき、その際に半導体チップと接続支持体とのあいだの接合部の機械的安定性が損なわれない。例えば、被覆材は２ＧＰａ以上の弾性率を有するエポキシ樹脂を含むことができる。
有利には、分離層は被覆材よりも低い弾性率を有する。弾性率が低くなればなるほど、変形に対する材料の対抗力も小さくなる。
分離層のための材料は、有利には、最大で１ＧＰａ、特に有利には最大で２００ｋＰａの弾性率を有する。
有利には、分離層は、ガラス転移点Ｔ３が室温以下である材料を含む。ガラス転移点を上回る温度では、有機ガラスまたは無機ガラスは、高い変形力を特徴とするエネルギ弾性領域にある。有利には、分離層は、エラストマー、樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン、シリコーンゲル、ポリウレタン、ゴムの材料群から選択される材料を含む。
有利な実施形態では、分離層には粒子が埋め込まれる。粒子によって分離層の密度を高めることができる。粒子は分離層の熱作用を低下させるため、接続層への応力伝導の危険は大幅に低減される。
また、粒子によって、分離層の光学特性を調整することができる。
別の有利な実施形態では、分離層は、動作中に半導体チップによって形成される放射または半導体チップによって検出される放射に対して、反射性を有するように構成される。この場合、分離層には、放射を特に拡散反射させる粒子が埋め込まれる。例えば、二酸化チタン粒子が添加されることにより、可視スペクトル領域において８５％以上、例えば９５％の反射性が得られる。
選択的な変形形態では、分離層は、動作中に半導体チップから放出される放射に対して、所望に応じた吸収性を有するように構成される。「所望に応じた吸収性を有する」とは、特に、放射が分離層に当たったとき、少なくとも８０％の成分まで吸収されることであると理解されたい。特には、分離層は、ヒトの目にとって黒く見えるように構成される。こうした分離層により、発光デバイスでは、オフ状態とオン状態とのあいだに高いコントラストが得られる。吸収性の分離層として例えばカーボンブラック粒子が適している。
別の有利な実施形態では、分離層は、デバイスを上から見たとき、接続層のうち半導体チップから突出する部分を、少なくとも部分的に、有利には完全に、覆う。分離層が完全に覆われることにより、被覆材と接続層とがデバイスのどの位置でも直接に接しないことが保証される。
別の有利な実施形態では、分離層は直接に半導体チップに接する。特に、分離層は、横方向、すなわち、オプトエレクトロニクス半導体チップの半導体層の主延在平面に沿った方向で、半導体チップを取り巻く。
デバイスは有利には表面実装可能素子ＳＭＤ（サーフィスマウンテッドデバイス）として構成される。また有利には、デバイスはケーシングボディを備え、このケーシングボディが半導体チップの配置されるキャビティを有する。さらに、接続支持体をリードフレームの一部として構成し、そこにケーシングボディの基体を一体成形することもできる。
別の有利な実施形態では、デバイスを上から見たとき、キャビティの底面は分離層によって完全に覆われる。言い換えれば、キャビティの底面に接するキャビティの側面によって、分離層が横方向で画定される。
別の有利な実施形態では、半導体チップは垂直方向で分離層の上方に突出する。こうして、半導体チップのうち接続支持体から遠い側の表面に分離層が存在しないことを簡単に保証できる。
また、本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップを含むデバイスの製造方法では、まず、接続支持体が用意され、ついで、この接続支持体上に半導体チップが接続層によって固定され、続いて、この接続層上に分離層が被着され、さらに、この分離層上に被覆材が被着されることにより、半導体チップが被覆材内に埋め込まれる。
分離層により被覆材が確実に被着され、デバイスでの機械的応力が半導体チップと接続支持体との間の接合部を損なったり劣化させたりすることがほぼなくなる。
有利な実施形態では、分離層はディスペンサによって塗布される。これに代えてまたはこれに加えて、他の調量プロセスおよび充填プロセスを適用してもよい。例えば、注型、噴射、噴射プレスまたは印刷などのプロセスを利用可能である。
本発明の方法は上述したデバイスの製造に特に適している。したがって、デバイスに関連して説明した特徴は方法に当てはまり、逆も同様である。
本発明の他の特徴および態様および利点を、図示の実施例に則して以下に説明する。
本発明のデバイスの第１の実施例の概略断面図である。 本発明のデバイスの第２の実施例の概略断面図である。 本発明のデバイスに対するオプトエレクトロニクス半導体チップの実施例を示す図である。 本発明のデバイスの製造方法の第１のステップを示す概略断面図である。 本発明のデバイスの製造方法の第２のステップを示す概略断面図である。 本発明のデバイスの製造方法の第３のステップを示す概略断面図である。
図中、同一または同種の要素または同様の機能を有する要素には、同じ参照番号を付してある。
図示の各要素は、相互に縮尺通りに描かれておらず、むしろ、表示しやすくするためおよび／または理解しやすくするために、意図的に拡大して描かれていることに注意されたい。
図１には、デバイスの第１の実施例が概略断面図で示されている。デバイス１は、接続層３によって第１の接続支持体４に固定されたオプトエレクトロニクス半導体チップ２を有している。接続層３として特に接着層が適している。ただしはんだ層も利用可能である。
第１の接続支持体４は第２の接続支持体４２とともにオプトエレクトロニクスデバイス１に対するリードフレームを形成する。ケーシングボディ４０はこのリードフレームに一体成形されている。
デバイス１は例えば表面実装可能素子として構成されており、第１の接続支持体４および第２の接続支持体４２によって光透過面１０とは反対側の面から外部へ電気的にコンタクト可能である。
ケーシングボディ４０はキャビティ４１０を有しており、このキャビティ４１０内に半導体チップ２が配置されている。第２の接続支持体４２は接続線４３、例えばボンディングワイヤを介して、半導体チップ２に接続されている。これにより、デバイス１の動作中、第１の接続支持体４および第２の接続支持体４２を介して、種々の側から電荷担体が半導体チップ２へ注入され、また、半導体チップ２から放出される。
半導体チップ２および接続線４３は被覆材５に埋め込まれており、この被覆材５は、半導体チップ２および接続線４３を、機械的負荷または湿分などの外部影響から保護する。
被覆材５はデバイスの光透過面１０を形成している。
被覆材５と接続層３とのあいだに分離層６が配置されている。分離層６は、デバイスを上から見たとき、接続層３のうち横方向すなわち半導体チップ２の各半導体層の主延在平面に沿って突出した部分を覆っている。このため、被覆材５と接続層３とはいずれの箇所においても直接には接しない。このように、接続層３と被覆材５との機械的分離は高い信頼性をもって実現される。
被覆材５はデバイス１を上から見たとき分離層６を完全に覆う。
分離層６は被覆材５よりも小さな弾性率を有する。よって、デバイス１での機械的応力は僅かな成分しか接続層３へ作用しない。このため、例えば第１の接続支持体４と接続層３との界面において半導体チップ２が第１の接続支持体４から剥離するおそれは著しく低減される。
分離層６は有利には最大で１ＧＰａの弾性率、特に有利には最大で２００ｋＰａの弾性率を有する。
有利には、分離層は、ガラス転移温度Ｔ３が室温以下である材料を含む。分離層は、有利には、エラストマー、樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン、シリコーンゲル、ポリウレタン、ゴムなどの材料群から選択される材料を含む。
分離層６による機械的分離が行われるため、被覆材５に対し、弾性率が比較的高い、例えば２ＧＰａ以上の弾性率を有する材料を利用できる。例えば、被覆材５はエポキシを含むかまたはエポキシから成る。
垂直方向で見ると半導体チップ２は分離層６の上方に突出する。半導体２のうち第１の接続支持体４とは反対側の表面には、分離層６は存在しない。
半導体チップ２、特に光放射および／または光検出のために設けられる活性領域は、有利にはＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体材料を含む。
ＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体材料は、紫外領域（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ）の放射を形成するために、可視スペクトル領域（特に青色光から緑色光に対してＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、または、特に黄色光から赤色光に対してＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＰ）から赤外スペクトル領域（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ）に至るまで特に適している。ここで、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１，特にｘ≠１，ｙ≠１，ｘ≠０および／またはｙ≠０である。ＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体材料、特に前述した材料系の材料により、光形成の際に高い内部量子効率が得られる。
デバイスの第２の実施例が図２の概略断面図に示されている。この第２の実施例はほぼ図１の第１の実施例に相応する。相違点は、デバイスを上から見たとき、被覆材５が半導体チップ２の反対側で凸状に湾曲していることである。被覆材５は、この実施例では付加的に、動作中に半導体チップから放出される光および／または半導体チップに受信される光に対する集光レンズの機能を担当する。この被覆材５は一体であってもよいしまたは複数部分から成っていてもよい。例えば、被覆材５のうちレンズを形成する領域は、別個のステップで半導体チップをカプセル化した後に、形成される。
光出射面１０の側方での被覆材５の形状により、デバイス１の空間的放射特性を調整可能である。
さらに、第１の実施例とは異なり、分離層６に粒子６５が埋め込まれている。粒子６５により、分離層６の密度を調整する（特に高める）ことができる。これにより、分離層６の熱拡散を簡単に低減できる。
粒子６５は、有利には、２００ｎｍ以上１０μｍ以下の平均粒径、特に有利には５００ｎｍ以上５μｍ以下の平均粒径を有する。
粒子は、例えば、ガラス、または、酸化アルミニウムもしくは酸化ケイ素もしくは二酸化チタンなどの酸化物を含むかまたはこれらの材料から成る。さらに、粒子によって、分離層の光学特性を制御することができる。
有利な実施例では、分離層６内に反射性の粒子が埋め込まれる。例えば、二酸化チタンの粒子を用いると、可視スペクトル領域で８５％以上、例えば９５％の反射率が得られる。反射性を有するように構成された分離層により、全体として、デバイス１から出る光の出力を高めることができる。
選択的な変形例では、分離層６内に、所望に応じて光を吸収する粒子が埋め込まれる。この粒子には例えばカーボンブラック粒子が適している。
所望に応じた吸収性を有するように構成された分離層６により、オフ状態とオン状態とのあいだのデバイス１のコントラスト比が高められる。
もちろん、図１に示されている第１の実施例に関連して粒子を適用してもよい。また、分離層６への要求に応じて、粒子を省略することもできる。
第１の実施例または第２の実施例のデバイスに特に適した半導体チップ２の実施例を、図３の概略断面図に則して詳細に説明する。
半導体チップ２は第１の半導体層列を含む半導体ボディ２１を有しており、この第１の半導体層列が半導体ボディ２１を形成している。半導体ボディ２１は支持体２７上に配置されており、支持体２７は半導体ボディ２１の各半導体層に対する成長基板とは異なる。支持体２７は半導体ボディ２１の機械的安定のために用いられる。このため、成長基板はもはや必要ない。成長基板が除去された半導体チップ２は薄膜半導体チップと称される。
薄膜半導体チップ、例えば薄膜発光ダイオードチップは、本発明では、次に挙げる少なくとも１つの特徴を有する。
・半導体ボディが、活性領域を含む半導体層列、特にエピタキシ層列を含む。この半導体ボディのうち、支持体部材（例えば支持体２７）に面する第１の主表面に、鏡面層が被着されているか、または、半導体層列内にブラッグ鏡が集積されている。鏡面層またはブラッグ鏡は、半導体層列内で形成された光の少なくとも一部を反射により半導体層列内へ戻す。
・半導体層列は２０μｍ以下の範囲の厚さ、特に１０μｍの範囲の厚さを有する。および／または、
・半導体層列は、インタミキシング構造を有する少なくとも１つの表面を備えた少なくとも１つの半導体層を含む。インタミキシング構造は理想的には半導体層列において近似的な光のエルゴード分布を生じさせる。つまり、半導体層列が近似にエルゴード確率分散特性を有する。
薄膜発光ダイオードの基本原理は、I.Schnitzer et al., Appl.Phys.Lett.63(16), 18.Oct.1993の第2174頁−第2176頁に説明されている。この文献の開示内容は引用により本願に含まれるものとする。
半導体ボディ２１は、第１の半導体領域２３と第２の半導体領域２４とこれらの間に配置される活性領域２２とを有する。第１の半導体領域２３および第２の半導体領域２４は相互に異なる導電型を有しているので、ダイオード構造が生じる。
半導体ボディ２１は実装層２６により支持体２７に固定される。実装層２６として例えばはんだまたは接着剤が適している。
半導体ボディ２１と支持体２７との間には鏡面層２５が配置されている。鏡面層２５は、活性領域２２の動作中に形成される光が半導体ボディ２１の光出射面２０の方向へ反射されるように構成されている。
半導体チップ２の動作時には、第１のコンタクト２８および第２のコンタクト２９を介して電荷担体が種々の側から活性領域２２へ注入される。第２のコンタクト２９と半導体ボディ２１との間に分配層２９ａが形成されている。分配層２９ａは電荷担体を活性領域２２へ均等に注入するために設けられる。分配層２９ａは例えば透明な導電性酸化物ＴＣＯ（トランスペアレントコンダクティブオキサイド）を含むかまたはこうした材料から形成されている。これに代えてまたはこれに加えて、分配層２９ａが活性領域２２で形成される光に対して透明であるかまたは少なくとも一部透過性を有する薄さの金属層を有してもよい。第１の半導体領域２３の横断方向での導電性が充分に高い場合、分配層２９ａを省略することもできる。
半導体ボディ２１の光出射面２０には、有利には予成形された変換プレート７が形成されており、この変換プレート７には活性領域２２で形成された光を変換する変換物質７１が埋め込まれている。変換プレート７は、図示されていない固定層により、半導体ボディ２１に固定することができる。これとは異なり、変換物質７１を被覆材５に埋め込んでもよい。特に、半導体チップから放射される１次光が直接に利用される場合、変換物質を完全に省略することができる。
さらに、上述した実施例とは異なって、支持体２７が半導体ボディの半導体層列のための成長基板により形成される半導体チップを適用することもできる。この場合、実装層２６は必要ない。また、少なくとも２つのコンタクトが半導体チップの同じ面に配置された半導体チップを適用してもよい。
これに代えてまたはこれに加えて、半導体チップを、光受信のための光検出器として構成することもできる。
デバイスの製造方法の実施例として、図１に関連して説明したデバイスの製造方法が、図４Ａ−図４Ｃに示されている。
まず、第１の接続支持体４と第２の接続支持体４２とを含むケーシングボディ４０が用意される。ケーシングボディ４０は半導体チップの実装のために設けられたキャビティ４１０を有している。
ついで、半導体チップ２が、接続層３、例えば導電性接着剤層またははんだ層により、第１の接続支持体４に固定される。
図４Ｂには、接続層３上の、横方向で半導体チップ２から突出する領域に分離層６が被着されることが示されている。この被着は例えばディスペンサによって行われる。これに代えて、例えば、注型、射出、射出プレス、印刷などのプロセスを利用することもできる。
次に、半導体チップ２と第２の接続支持体４２との電気的接続を形成するために、ボンディングワイヤが半導体チップ２と第２の接続支持体４２との間の接続線４３として形成される（図４Ｃ）。なお、上述した実施例と異なり、接続線４３を分離層６の被着前に形成してもよい。
デバイスを完成するために、半導体チップ２および接続線４３が被覆材５内に埋め込まれる。ここで、被覆材５は分離層６によって接続層３から機械的に分離されている。こうして、機械的応力が生じて半導体チップ２が第２の接続支持体４２から剥離してしまう危険が低減される。よって、デバイスの寿命が長くなり、信頼性が高まる。
上述した方法によれば、比較的高い弾性率を有する被覆材、例えばエポキシをベースとした被覆材が用いられる場合にも、高い信頼性および長い寿命を有するデバイスを製造できる。弾性率を優先的に考慮して被覆材５の材料を選定する必要がなくなり、他の化学的特性および／または物理的特性、例えば光透過率または劣化耐性に基づいて選択できるようになる。
本発明は上述した実施例に限定されない。本発明のそれぞれの新規な特徴は、特許請求の範囲または発明の詳細な説明に明示的に示されていなくとも、単独でまたは任意に組み合わせて、本発明の対象となりうる。

Claims (15)

  1. オプトエレクトロニクス半導体チップ（２）を備えたデバイス（１）であって、
    前記半導体チップ（２）が、接続層（３）によって接続支持体（４）上に固定されて被覆材（５）に埋め込まれており、
    前記接続層と前記被覆材との間の少なくとも一部の領域に分離層（６）が配置されている
    ことを特徴とするデバイス。
  2. 前記分離層は前記被覆材よりも小さい弾性率を有する、請求項１記載のデバイス。
  3. 前記分離層は最大で１ＧＰａの弾性率を有する、請求項１または２記載のデバイス。
  4. 前記分離層には粒子が埋め込まれている、請求項１から３までのいずれか１項記載のデバイス。
  5. 前記分離層は、動作中に前記半導体チップから放出される放射または前記半導体チップによって検出される放射に対して、反射性を有するように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のデバイス。
  6. 前記分離層は、動作中に前記半導体チップから放出される放射または前記半導体チップによって検出される放射に対して、所望に応じた吸収性を有するように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のデバイス。
  7. 前記分離層は、前記デバイスを上から見たとき、前記接続層のうち前記半導体チップを越えて突出する部分を完全に覆っている、請求項１から６までのいずれか１項記載のデバイス。
  8. 前記分離層は直接に前記半導体チップに接している、請求項１から７までのいずれか１項記載のデバイス。
  9. 前記半導体チップは垂直方向で前記分離層の上方に突出する、請求項１から８までのいずれか１項記載のデバイス。
  10. 前記デバイスはケーシングボディ（４０）を備えており、前記半導体チップは前記ケーシングボディのキャビティ（４１０）内に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のデバイス。
  11. 前記キャビティの底面は前記分離層によって完全に覆われている、請求項１０記載のデバイス。
  12. 前記分離層は、ガラス転移点が室温以下である材料を含む、請求項１から１１までのいずれか１項記載のデバイス。
  13. オプトエレクトロニクス半導体チップ（２）を備えたデバイス（１）の製造方法であって、
    接続支持体（４）を用意するステップと、
    前記半導体チップ（２）を接続層（３）により前記接続支持体（４）上に固定するステップと、
    前記接続層（３）上に分離層（６）を被着するステップと、
    前記半導体チップ（２）が被覆材（５）内に埋め込まれるように、該被覆材（５）を前記分離層（６）上に設けるステップと
    を含む
    ことを特徴とするデバイスの製造方法。
  14. 前記分離層をディスペンサによって形成する、請求項１３記載のデバイスの製造方法。
  15. 請求項１から１２までのいずれか１項記載のデバイスを製造する、請求項１３または１４記載のデバイスの製造方法。
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