JP2015018873A

JP2015018873A - 半導体モジュール

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Publication number: JP2015018873A
Application number: JP2013143888A
Authority: JP
Inventors: 鉄美越智; Tetsumi Ochi; 吉伸小林; Yoshinobu Kobayashi
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-29

Abstract

【課題】信頼性を高めた半導体モジュールを提供する。
【解決手段】半導体モジュール１００は、上面１２に開口する凹部１６が設けられる基板１０と、凹部１６に収容される半導体素子と、凹部１６の開口を覆うように上面１２に設けられ、当該上面１２と対向する主面を有する窓部材５０と、上面１２と窓部材５０との間を埋める封止部７０と、を備える。窓部材５０は、主面の外周部５２ａから当該窓部材５０の側面５６にかけて金属層５８が設けられており、封止部７０は、金属層５８を介して主面および側面５６の双方と接合する。封止部７０は、側面５６から上面１２の外周に向けて広がるフィレット７２を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を内部に封止した半導体モジュールに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ、Light Emitting Diode）は、主に可視光から赤外光の波長域における光源として照明や信号、光通信など様々な用途で利用される。一般に、ＬＥＤ素子は、化合物半導体からなる発光素子を外部環境から保護するため、光透過性を有する材料により封止してパッケージ化される。

封止方法としては、リード電極に取り付けた発光素子を樹脂材料で被覆する方法や、開口を設けたパッケージ本体に発光素子を収容し、ガラス板などの窓部材で開口部に蓋をする方法が挙げられる。後者に示す方法として、パッケージ本体の開口部に金属枠を設けるとともに、金属枠とガラス板との間を低融点ガラスで接合する技術が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３３５１９号公報

パッケージ本体と窓部材とを低融点ガラスを用いて封止する場合、加熱により溶融状態となったガラスを用いることから、パッケージ本体および窓部材は接合時に一時的に加熱される。このとき、パッケージ本体と窓部材に用いられる材料の熱膨張係数が異なると、冷却による収縮量に差が生じ、低融点ガラスが固まるとともに窓部材に応力がかかる。窓部材に応力が残留すると、窓部材が剥がれたり損傷したりしやすくなるため、封止の信頼性が低下することとなる。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、信頼性を高めた半導体モジュールの提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の半導体モジュールは、上面に開口する凹部が設けられる基板と、凹部に収容される半導体素子と、凹部の開口を覆うように上面に設けられ、当該上面と対向する主面を有する窓部材と、上面と窓部材との間を埋める封止部と、を備える。窓部材は、主面の外周部から当該窓部材の側面にかけて金属層が設けられており、封止部は、金属層を介して主面および側面の双方と接合する。

上記態様の半導体モジュールによれば、封止部が窓部材の主面および側面の双方と接合するため、いずれか一方の面と接合される場合と比べて封止性を高めることができる。また、封止部との接合部に金属層を設けることで、窓部材にかかる応力を緩和することができる。特に、金属層は、窓部材の主面と側面とで形成される角を覆うように設けられることから、窓部材の角に加わる応力を緩和することができる。これにより、半導体モジュールの信頼性を高めることができる。

上記態様の半導体モジュールにおいて、封止部は、側面から上面の外周に向けて広がるフィレットを形成することとしてもよい。

上記態様の半導体モジュールにおいて、上面の外周を囲うように当該上面の上に設けられる枠部をさらに備え、窓部材は、枠部の内側に配置されており、封止部は、枠部の内壁と窓部材の側面との間を埋めることとしてもよい。

上記態様の半導体モジュールにおいて、窓部材は、基板と比較して熱膨張率の低い材料で構成されており、主面が凹面となるように湾曲して設けられることとしてもよい。

上記態様の半導体モジュールにおいて、半導体素子は、波長２００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の帯域に含まれる紫外光を発する発光素子であり、窓部材は、紫外光を透過する材料で構成されることとしてもよい。

上記態様の半導体モジュールにおいて、基板はセラミックであり、窓部材は石英であることとしてもよい。

本発明の半導体モジュールによれば、モジュールの信頼性を高めることができる。

実施形態に係る半導体モジュールを示す断面図である。図１に示す半導体モジュールの上面図である。変形例１に係る半導体モジュールを示す断面図である。変形例２に係る半導体モジュールを示す断面図である。変形例３に係る半導体モジュールを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、実施形態に係る半導体モジュール１００を示す断面図であり、図２は、図１に示す半導体モジュール１００の上面図である。半導体モジュール１００は、紫外光を発するＬＥＤである発光素子４０が基板１０の凹部１６に収容され、凹部１６の開口が窓部材５０により覆われる。窓部材５０の主面の一つである入射面５２の外周部５２ａと、窓部材５０の側面５６にはメタライズ処理により形成される金属層５８が設けられ、基板１０と窓部材５０の間には封止部７０が設けられる。半導体モジュール１００は、窓部材５０の主面と側面の双方に設けられる金属層５８を介して封止されるため、いずれか一方の面にメタライズ処理を施す場合と比べて封止性が高められる。また、窓部材５０の角を覆うように金属層５８が設けられることから、窓部材５０の角にかかる応力を緩和することができる。このような金属層５８を有する窓部材５０を用いることで、半導体モジュール１００の封止の信頼性を高めることができる。

半導体モジュール１００は、基板１０と、発光素子４０と、窓部材５０と、封止部７０とを備える。基板１０は、上面１２と、下面１４と、凹部１６とを有する。

基板１０は、上面１２と下面１４とを有する平板形状であり、上面１２に開口領域Ｃ１を形成する凹部１６が設けられる。基板１０は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを含むセラミック基板であり、いわゆる高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ、High Temperature Co-fired Ceramic）である。

上面１２は、矩形状であり、その中央部に矩形の開口領域Ｃ１を形成する凹部１６が設けられる。上面１２のうち凹部１６が設けられていない外周領域Ｃ２には、メタライズ処理が施され、金属面６０が形成される。金属面６０は、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等を含む基材にニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等がメッキされて形成される。金属面６０は、窓部材５０との間を封止する封止部７０が接合される。

下面１４は、矩形状であり、発光素子４０のアノードまたはカソードと接続される外部電極２６が設けられる。外部電極２６は、凹部１６の配線面２２に設けられる内部電極２４と基板１０の内部で電気的に接続される。

凹部１６は、上面１２に開口しており、その内部に発光素子４０を収容する。凹部１６の底部には、格納面２０と、配線面２２とが設けられる。格納面２０は、凹部１６の底部における中央に設けられ、発光素子４０が載置されるサブマウント４６が配置される。配線面２２は、格納面２０の周囲に設けられ、サブマウント４６から延びるボンディングワイヤ４８が接続される内部電極２４が設けられる。格納面２０と配線面２２の間には段差が設けられ、配線面２２は、格納面２０と比べて一段高い面として形成される。

発光素子４０は、化合物半導体で構成されるＬＥＤであり、凹部１６の内部に収容され、窓部材５０を通して半導体モジュール１００の外部に光を放射する。本実施形態では、発光素子４０として紫外光ＬＥＤを用い、その中心波長又はピーク波長が約２００ｎｍ〜３６０ｎｍの紫外領域に含まれるものを用いる。例えば、殺菌効率の高い波長である２６０ｎｍ付近の紫外光を発するものを用いる。このような紫外光ＬＥＤとして、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いたものが知られている。

発光素子４０は、発光面４２と、発光面４２に対向する取付面４４とを有する。発光素子４０は、取付面４４がサブマウント４６と接するようにサブマウント４６の上に載置される。発光素子４０が取り付けられたサブマウント４６は、基板１０の格納面２０に配置され、基板１０と熱的に接続される。これにより、発光素子４０が発する熱を基板１０を介して外部に放熱させる。サブマウント４６は、ボンディングワイヤ４８により内部電極２４と接続される。これにより、発光素子４０は、サブマウント４６、ボンディングワイヤ４８および内部電極２４を介して外部電極２６と電気的に接続される。

窓部材５０は、入射面５２と、出射面５４と、側面５６とを有し、凹部１６の開口を覆うように上面１２に設けられる。窓部材５０は、入射面５２の外周部５２ａが基板１０の外周領域Ｃ２に位置するよう配置される。窓部材５０は、発光素子４０が発する紫外光を透過する材料で構成され、例えば、石英（ＳｉＯ_２）やサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）等を用いればよい。本実施形態では、窓部材５０として石英を用いる。発光素子４０が発する紫外光は入射面５２に入射し、窓部材５０を透過して出射面５４から外部に出力される。

入射面５２は、発光素子４０の発光面４２と対向するとともに、その外周部５２ａが金属面６０が設けられる上面１２と対向する。入射面５２の外周部５２ａから側面５６にかけて金属層５８が設けられる。金属層５８は、真空蒸着やスパッタリングなどの方法により形成され、例えば、窓部材５０の側からチタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）が順に積層される多層膜である。チタンの代わりにクロム（Ｃｒ）を用いてもよい。

金属層５８は、窓部材５０と基板１０との間を封止する封止部７０と接合される。金属層５８は、入射面５２と側面５６の双方に設けられることから、封止部７０は金属層５８を介して入射面５２と側面５６の双方と接合することとなる。これにより、金属層５８が入射面５２と側面５６のいずれか一方の面にのみ設けられる場合と比べて、封止部７０との接合性を高めることができる。また、金属層５８は、入射面５２と側面５６とで形成される角を覆うように設けられことから、窓部材５０の角に集中する応力を緩和することができる。

封止部７０は、基板１０と窓部材５０との間に設けられ、その隙間を充填する封止材である。封止部７０は、低融点の金属材料で構成され、例えば、金錫（ＡｕＳｎ）や銀錫（ＡｇＳｎ）の合金を含む。封止部７０は、溶融状態において金属層５８と金属面６０の間に広がり、金属層５８および金属面６０と共晶結合を形成する。これにより、封止部７０は、基板１０と窓部材５０の間を封止する。なお、封止時には、凹部１６の内部に窒素（Ｎ_２）などの不活性ガスが充填される。

封止部７０は、溶融状態における金属層５８および金属面６０との表面張力により、側面５６から上面１２の外周に向けて上面１２からの厚さが薄くなっていくフィレット７２を形成する。このようなフィレット７２を設けることで、基板１０と窓部材５０の熱膨張率差によって窓部材５０に加わる応力を緩和することができる。

以上の構成により、半導体モジュール１００は、紫外光ＬＥＤである発光素子４０を内部に封止し、窓部材５０を通して紫外光を外部に出力可能とする。本実施形態に係る半導体モジュール１００は、窓部材５０として石英を用いるため、波長３６０ｎｍ以下の紫外光を発する発光素子４０を用いた場合でも、効率よく紫外光を外部に取り出すことができる。

以下、実施形態に係る半導体モジュール１００が奏する効果について示す。

半導体モジュール１００が備える窓部材５０は、入射面５２の外周部５２ａから側面５６にかけて金属層５８が形成されており、金属層５８を介して封止部７０と接合される。金属層５８と封止部７０とは共晶結合を形成することから、金属層５８を形成することで窓部材５０と基板１０の間の封止性を高めることができる。

窓部材５０は、金属層５８を介して入射面５２と側面５６の双方において封止部７０と接合されるため、金属層５８が入射面５２と側面５６のいずれか一方の面にのみ設けられる場合と比べて、封止部７０との接合性を高めることができる。また、入射面５２と側面５６の双方に封止部７０が接合することで、窓部材５０の入射面５２に沿った方向にかかる力と、入射面５２に交差する方向にかかる力の双方に対して強い構造とすることができる。これにより、封止の信頼性を高めることができる。

半導体モジュール１００は、基板１０と窓部材５０との封止に低融点ガラスではなく、金属材料で構成される封止部７０を用いる。窓部材５０として用いる石英は、一般に低融点ガラスに対する濡れ性が好ましくないため、低融点ガラスを封止部として用いると、封止の信頼性が低下するおそれがある。一方、本実施形態では、メタライズ処理を施した窓部材５０を濡れ性の高い金属材料により封止するため、封止の信頼性を高めることができる。

半導体モジュール１００は、封止部７０として、基板１０や窓部材５０と比べて柔らかい材料である金属を用いる。これにより、基板１０および窓部材５０に用いる材料の熱膨張率差に起因して応力が加わる場合においても、封止部７０が応力を緩和させる緩衝層として機能する。これにより、比較的硬い材料である低融点ガラスを封止部７０として用いる場合と比べて、応力緩和の効果を高めることができ、封止の信頼性を上げることができる。

半導体モジュール１００は、基板１０の上面１２に金属面６０が設けられており、封止部７０は、金属面６０の上において上面１２の外周方向に延びるフィレット７２を形成する。フィレット７２を形成することによって、封止部７０による応力緩和の効果をさらに高めることができ、封止の信頼性を上げることができる。

半導体モジュール１００は、基板１０と窓部材５０との接合に金属枠を設けない構成としているため、両者の間に金属枠を挿入する場合と比べて、窓部材５０の入射面５２と発光素子４０の発光面４２との距離を短くすることができる。これにより、発光素子４０が発する紫外光が半導体モジュール１００の内部で減衰する割合を抑え、紫外光の取り出し効率を高めることができる。

（変形例１）
図３は、変形例１に係る半導体モジュール１００を示す断面図である。変形例１に係る半導体モジュール１００は、基板１０と、枠部３０と、窓部材５０と、封止部７０とを備える。変形例１においては、上面１２の外周を囲うように上面１２に設けられる枠部３０が設けられる点で上述した実施形態とは異なる。以下、上述の実施形態との相違点を中心に述べる。

枠部３０は、上面１２に設けられ、上面１２の外周を囲うように設けられる。枠部３０は、基板１０と同様にセラミック材料で構成され、基板１０と一体的に成型される。窓部材５０は、枠部３０の内壁３２の内側に配置される。同様に、上面１２に設けられる金属面６０や封止部７０は、枠部３０の内壁３２の内側に配置される。

変形例１に係る半導体モジュール１００は、上面１２の外周に設けられる枠部３０をさらに備えることにより、金属面６０や封止部７０を保護することができる。これにより、金属面６０や封止部７０に外力が加わって損傷することを防ぐことができ、封止の信頼性を高めることができる。

なお、図３では、枠部３０の高さが窓部材５０の出射面５４の高さより低くした半導体モジュール１００を示しているが、枠部３０の高さが出射面５４の高さよりも高くなるようにしてもよい。枠部３０の高さを高くすることで、出射面５４と側面５６とで形成される角を枠部３０により保護することができる。これにより、封止の信頼性をさらに高めることができる。

（変形例２）
図４は、変形例２に係る半導体モジュール１００を示す断面図である。変形例２においては、枠部３０の内壁３２にメタライズ処理が施された第２金属面６０ｂが形成されており、封止部７０は、第２金属面６０ｂと金属層５８の間を充填するように設けられる点で上述した変形例１とは異なる。また、変形例２に係る半導体モジュール１００では、窓部材５０の出射面５４が凸面となるように湾曲して設けられる。以下、上述の変形例１との相違点を中心に述べる。

基板１０の上面１２には、第１金属面６０ａが設けられ、枠部３０の内壁３２には、第２金属面６０ｂが設けられる。第１金属面６０ａおよび第２金属面６０ｂは、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等を含む基材にニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等でメッキされることで形成される。第１金属面６０ａおよび第２金属面６０ｂは、封止部７０と接合される。

窓部材５０は、出射面５４が凸面となるように、いいかえれば、入射面５２が凹面となるように湾曲して設けられ、ドーム状の構造を形成する。これにより、窓部材５０が平坦面である場合と比べて、耐衝撃性を高めることができ、半導体モジュール１００の信頼性を高めることができる。なお、ドーム状の構造は、窓部材５０と基板１０および枠部３０の熱膨張率差を利用して形成することができる。詳細は後述する。

封止部７０は、窓部材５０の側面５６と、枠部３０の内壁３２との間を充填するように設けられる。封止部７０は、溶融状態において金属層５８と第１金属面６０ａおよび第２金属面６０ｂの間に流し込まれ、その後、冷えて固まることとにより形成される。封止部７０は、上面１２と入射面５２との隙間および内壁３２と側面５６との隙間の双方を充填するため、封止性をさらに高めることができる。

なお、基板１０と窓部材５０の間を封止する際、溶融状態の封止部７０により、基板１０、枠部３０および窓部材５０は加熱され、それぞれの材料の熱膨張率に応じて膨張することとなる。セラミックで構成される基板１０や枠部３０に比べて、石英で構成される窓部材５０は熱膨張率が小さいことから、冷却によって封止部７０が固まる際、基板１０および枠部３０は、窓部材５０と比べて大きく収縮する。したがって、封止部７０が固まった状態において、窓部材５０は、基板１０および枠部３０からの圧縮応力を受けることとなる。この圧縮応力により、窓部材５０は湾曲した形状を有することとなる。

変形例２に係る半導体モジュール１００は、窓部材５０が湾曲することにより、基板１０および枠部３０からの圧縮応力を緩和させることができ、窓部材５０の角に応力が集中することを防ぐことができる。また、窓部材５０の出射面５４をドーム状に形成することで、出射面５４に加わる外力に対して強い構造とすることができる。

（変形例３）
図５は、変形例３に係る半導体モジュール１００を示す断面図である。変形例３における基板１０は、格納面２０を構成するヒートシンク３６を有する点で上述した実施形態とは異なる。ヒートシンク３６は、矩形の平板形状を有し、一方の面が格納面２０を形成し、他方の面が基板１０の下面１４を形成する。ヒートシンク３６は、例えば、銅タングステン（ＣｕＷ）または銅モリブデン（ＣｕＭｏ）の材料で構成される。その他、銅モリブデン銅（ＣｕＭｏＣｕ）などを用いてもよい。ヒートシンク３６を設けることで、発光素子４０の放熱性を高めることができ、半導体モジュール１００の信頼性を向上させることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。また、上述の実施形態および変形例に開示されている複数の構成要素の適宜組合せにより種々の発明を形成してもよいし、実施形態および変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

上述した実施形態および変形例においては、発光素子として紫外光を発するものを用いる場合を示したが、可視光や赤外光を発する発光素子を用いてもよい。また、発光素子の代わりに受光素子を配置することとしてもよく、その他の半導体素子を内部に格納することとしてもよい。

上述した実施形態および変形例においては、窓部材の材質として石英もしくはサファイアを用いる場合を示したが、窓部材の材質はこれらに限られず、透明プラスチックなどの樹脂材料を窓部材として用いてもよい。

上述した実施形態および変形例においては、基板や枠部の材料として高温焼成セラミック多層基板（ＨＴＣＣ）を用いる場合を示したが、セラミック材料としてシリカ（ＳｉＯ_２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）等を含む低温焼成セラミック多層基板（ＬＴＣＣ、Low Temperature Co-fired Ceramic）を用いてもよい。この場合、金属面６０としてタングステンやモリブデンなどの高融点材料の代わりに、銅や銀など比較的融点の低い材料を基材として用いてもよい。

１０…基板、１２…上面、１６…凹部、３０…枠部、３２…内壁、４０…発光素子、５０…窓部材、５２ａ…外周部、５６…側面、５８…金属層、７０…封止部、７２…フィレット、１００…半導体モジュール。

Claims

上面に開口する凹部が設けられる基板と、
前記凹部に収容される半導体素子と、
前記凹部の開口を覆うように前記上面に設けられ、当該上面と対向する主面を有する窓部材と、
前記上面と前記窓部材との間を埋める封止部と、
を備え、
前記窓部材は、前記主面の外周部から当該窓部材の側面にかけて金属層が設けられており、
前記封止部は、前記金属層を介して前記主面および前記側面の双方と接合することを特徴とする半導体モジュール。
前記封止部は、前記側面から前記上面の外周に向けて広がるフィレットを形成す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。
前記上面の外周を囲うように当該上面の上に設けられる枠部をさらに備え、
前記窓部材は、前記枠部の内側に配置されており、
前記封止部は、前記枠部の内壁と前記窓部材の側面との間を埋め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。
前記窓部材は、前記基板と比較して熱膨張率の低い材料で構成されており、前記主面が凹面となるように湾曲して設けられることを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
前記半導体素子は、波長２００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の帯域に含まれる紫外光を発する発光素子であり、
前記窓部材は、前記紫外光を透過する材料で構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体モジュール。
前記基板はセラミックであり、前記窓部材は石英であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体モジュール。