JP2018117149A - 表面実装可能な半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】簡単で信頼性のあるやり方で、サーマルパッドと金属基板との間に直接的接続をもたらす表面実装可能な半導体デバイスを提供する。
【解決手段】上面及び下面を有するデバイス基板１に実装される又は一体化される少なくとも一つの半導体素子を有する表面実装可能な半導体デバイスに関する。第１の高さを有する一つ又は複数の電気パッド２と、第２の高さを有する少なくとも一つのサーマルパッド３とは、デバイス基板１の下面に配置される。表面実装可能な半導体デバイスでは、サーマルパッド３の高さは、電気パッド２の高さよりも高い。
【選択図】図２

Description

本発明は、上面及び下面を有するデバイス基板に実装される又は一体化される少なくとも一つの半導体素子、並びに（半導体）デバイス基板の下面に両方とも配置される第１の高さを有する一つ又は複数の電気接続パッド、及び第２の高さを有する少なくとも一つのサーマルパッドを有する、表面実装可能な半導体デバイスに関する。このようなタイプの表面実装可能な半導体デバイスは、半導体素子から発生した熱を効果的に逃がすために放熱部材を有するキャリア基板に実装されることができる。このような半導体デバイスの例は、動作中に放熱を必要とする高出力ＬＥＤである。

放熱を必要とする表面実装可能な半導体デバイスは、動作中に効果的に熱を取り除くために、大抵、絶縁金属基板（ＩＭＳ）に実装される。このような絶縁金属基板は、通常、電気絶縁誘電体層によって覆われた放熱金属層、一般的に平坦なシート金属を有する。誘電体層の上には、実装された半導体デバイスに接触する導体路を形成するために、導電層が付与される。しかしながら、低い熱伝導率の誘電体物質の薄層でさえアセンブリ内では高い熱抵抗を導き、それ故上昇したジャンクション温度をもたらす。これは特に、高出力密度をもたらす高い熱電力散逸の小型デバイスの場合である。絶縁サーマルパッド、すなわち高い熱伝導材料でできたパッドを備えるＳＭＴ（表面実装技術）デバイスをＩＭＳに実装することは、通常の誘電体層を用いずに、サーマルパッドを直接金属基板に良好に熱接触をさせる機会を提供する。この目的に向けて、サーマルパッドを高い熱伝導相互接続層によって直接金属基板に熱的に接続させるために、誘電体層は、サーマルパッドの下のエリアに存在しないか又はエリアから除去される。

米国特許出願公開第２０１１／０１８０８１９Ａ１号公報は、ＬＥＤが実装される基板の下面に２つの電気接続パッドと、サーマルパッドとを有する表面実装可能な半導体デバイスを開示する。電気接続パッドと、サーマルパッドとは、同じ高さであり、相互接続層を介して、ＰＣＢ（プリント回路基板）基板上の導電性及び熱伝導性の層に実装される。サーマルパッドは、ＰＣＢ基板に配置された放熱部材を備える導電層を介して熱的に接続される。

このような表面実装可能な半導体デバイスを、サーマルパッドの下から誘電体層が局所的に除去されたＩＭＳの上に実装する場合、電気接続パッドと導電層との間の相互接続層及びサーマルパッドと金属基板との間の相互接続層は、局所的に除去された誘電体層に起因する平坦でない基板表面のために、異なる量の材料、例えばはんだのような材料を必要とする。これは、半導体デバイスを基板の上に実装するときに、接続不良の原因となる。更に、はんだペーストの均一な堆積による相互接続層の通常の費用効果の高いアプリケーションは、このような場合には不可能である。

本発明の目的は、簡単で信頼性のあるやり方で、サーマルパッドと金属基板との間に直接熱的接続をもたらす、局所的に除去されている誘電体層を備えた絶縁金属基板の上に実装される上記のタイプの表面実装可能な半導体デバイスを提供することである。

本目的は、請求項１による表面実装可能な半導体デバイスで達成される。請求項８は、ＩＭＳ又は放熱部材を備える同様のキャリア基板の上の一つ又は複数の半導体デバイスのアレンジメントに関する。半導体デバイス又はアレンジメントの有利な実施形態は、従属請求項の主題であり、本明細書の後述部分に説明される。

提案される表面実装可能な半導体デバイスは、上面と下面とを有するデバイス基板、特に半導体基板に実装される又は一体化される少なくとも一つの半導体素子を有する。第１の高さを有する一つ又は複数の電気接続パッドと、第２の高さを有する少なくとも一つのサーマルパッドとは、両方ともデバイス基板の下面に配置される。第１の高さ及び第２の高さは、デバイス基板の下面の電気接続パッド及びサーマルパッドの厚さに関係する。半導体素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、特に高出力ＬＥＤでもよい。半導体素子は、サーマルパッドを通した放熱を必要とする任意の他の機能素子でもよい。提案される半導体デバイスでは、このようなキャリアにデバイスを実装するときに、ＩＭＳ又は同様のキャリア基板の表面の、電気パッドの位置とサーマルパッドの位置との間の高さの差を等しくするために、サーマルパッドの第２の高さは、電気接続パッドの第１の高さよりも高い。

この高さの差は、提案されるデバイスを、誘電体層及び導電層がサーマルパッドの下には存在しないか又は除去されているＩＭＳの上に実装することを、ＩＭＳの表面に等しい厚さを有する導電性及び熱伝導性の相互接続層を付与することによって可能にする。相互接続層は、例えばはんだペーストの均一な堆積によって付与されることができるため、信頼性の高い接続を簡単なやり方で達成することができる。このような半導体デバイスは、ＩＭＳ又は同様のキャリア基板の特別な準備を何も必要としない。実装プロセスは、追加処理及び費用が発生しない。相互接続材料又は技術の例は、はんだ、熱伝導性接着剤、銀焼結、及び当該技術分野で知られた他の接続技術である。

半導体デバイスは、一つより多いサーマルパッドを有してもよく、また、２つ以上の電気接続パッドを有してもよい。サーマルパッド及び電気パッドは、トレンチ又はギャップによって好ましくは互いに分離されている。デバイスの実施形態では、これらのトレンチ又はギャップは、電気絶縁材料で充填されている。

ＩＭＳの金属基板上の誘電体層と導電層との一般的に組み合わされた厚さは、２０〜３００μｍ、より一般的には４０〜１００μｍの範囲内である。従って、表面実装可能な半導体デバイスの好ましい実施形態では、第１の高さと第２の高さとの間の差は、２０〜３００μｍ、より好ましくは４０〜１００μｍである。半導体デバイスのサーマルパッド及び電気パッドは、同一の材料、好ましくは銅又はアルミニウムのような金属で作られてもよい。それにもかかわらず、他の高い導電性及び／又は熱伝導性の材料も、当該技術分野で知られている通り使用することができる。

提案された表面実装可能な半導体デバイスは、ＷＬ−ＣＳＰ（ウエハレベルチップスケールパッケージ）技術で形成されてもよい。この技術では、電気パッド及び任意選択で更にサーマルパッドが、半導体デバイス、例えばＬＥＤデバイスのアレイにウエハレベルで付与される。

提案された表面実装可能なデバイスは、導電層が上に配置された誘電体層によって覆われた金属板又は金属コア層で形成されたキャリア基板に実装される。導電層は、半導体デバイスの電気接続パッドに電気的に接触するためのパッド及び導体路を提供するように適切に構造化／デザインされる。サーマルパッドを、熱的相互接続層によって金属板又は金属コア層に直接熱的に接続させるために、誘電体層及び導電層は、サーマルパッドの下に存在しないか又は除去されている。電気接続パッドは、電気的相互接続層によって、導電層に電気的に接続される。このようなキャリア基板は、金属板が金属基板であるＩＭＳである。このようなキャリア基板の別の候補は、金属コアプリント回路基板（ＭＣ−ＰＣＢ）である。いくつかの表面実装可能な半導体デバイスは、このようなキャリア基板に上記に説明されたやり方で実装される。

提案される表面実装可能な半導体デバイス及び対応するアレンジメントは、例えば自動車の前方照明又は他の照明アプリケーションのための高出力ＬＥＤアーキテクチャで有利に使用されることができる。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかになり、当該実施形態を参照して解明されるだろう。

提案された表面実装可能な半導体デバイス及びアレンジメントは、より詳細な添付図面に関連する例を用いて下記に説明される。

図１は、本発明による表面実装可能な半導体デバイスの模式的な断面である。 図２は、ＩＭＳに実装された図１の半導体デバイスである。

提案される表面実装可能な半導体デバイスの例が、図１において断面で模式的に示される。図は、一体化された半導体素子（図に明示されていない）を有するデバイス基板１を示す。このデバイス基板１は、高出力ＬＥＤチップでもよい。２つの電気接続パッド２は、デバイス基板１の下面にサーマルパッド３から分離されて取り付けられている。電気パッド２及びサーマルパッド３は、同一の材料、例えば銅で作られていてもよい。出願人は、酸化を防止する、及び／又は、信頼性のある（はんだ）相互接続を可能とする任意選択の被膜又はめっき、例えば当該技術分野で知られている金めっきを示していない。サーマルパッド３は、デバイス基板１から半導体デバイスが実装されるキャリア基板上の放熱部材に熱を逃がす熱伝導部材として機能する。電気パッド２及びサーマルパッド３は、絶縁材料４、例えばエポキシモールド化合物（ＥＭＣ）、シリコンモールド化合物（ＳＭＣ）、又は当該技術分野で知られる他の絶縁材料で充填されたギャップによって分離される。

電気パッド２の高さＨ１は、このデバイスが実装されるＩＭＳ基板６の基板表面の高さの差と等しくするために、サーマルパッド３の高さＨ２よりも低い。これは図２に示される。ＩＭＳ基板６は、誘電体層８を上に備える金属板７を有する。導電層９は、このＩＭＳ基板６に実装された半導体デバイスに電気的に接触できるように、誘電体層の上に配置される。図２から分かるように、誘電体層８は、実装されたデバイスのサーマルパッド３の下のエリアに存在しないか又は当該エリアから除去されている。サーマルパッド３の厚さに、ＩＭＳ基板６の誘電体層８及び導電層９を組み合わせたおおよその厚さを与えることで、同じ厚さの相互接続／アタッチ材料５、一般的にはんだを用いて、デバイスはＩＭＳ基板６に取り付けられることができる。これにより、簡単で信頼性のある実装プロセスが可能となる。

ＬＥＤデバイスを組み立てるためのＷＬ−ＣＳＰ技術を用いる場合、電気パッドもサーマルパッドもＬＥＤデバイスのアレイにウエハレベルで付与することができる。例えば、一般的に１〜数百ミクロンの厚い銅層は、電気パッド及びサーマルパッドを達成するために、ウエハ基板にめっきされる。めっきは、異なるエリア、すなわち異なるパッドで選択的に行うことができるため、厚さのバリエーションは、比較的簡単に実現することができる。銅層は、第１プロセスの段階で電気パッドの厚さにめっきされることができる。電気パッドはその後、第２プロセスの段階において、フォトレジストで保護される又は覆われる。その後、第３プロセスの段階では、サーマルパッドを所望の厚さに形成するために、めっきが引き続き行われる。この後、保護カバー層が除去されて、異なる厚さの電気パッド及びサーマルパッドをもたらす。

本発明は、図面及び前述の記載において詳細に図示及び説明されたが、このような図示及び説明は解説的又は例示的であって限定するものではないと見なされるべきである。即ち、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態に対する他のバリエーションは、当業者により、請求項に係る発明を実施する際に、図面、開示内容、及び添付の請求項の精査から理解され、達成され得る。請求項において「有する(comprising)」なる単語は、他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は、複数を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に引用されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。デバイスに関する全請求項の特徴は、自由に組み合わせることができる。請求項における任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

参照符号のリスト
１ 一体化された半導体素子を備えるデバイス基板
２ 電気パッド
３ サーマルパッド
４ 絶縁材料
５ アタッチ／相互接続材料
６ ＩＭＳ
７ 金属板
８ 誘電体層
９ 導電層

Claims (8)

1. 半導体基板上の少なくとも一つの半導体素子、並びに前記半導体素子上に両方とも形成されている第１の高さを有する一つ又は複数の電気接続パッド、及び第２の高さを有する少なくとも一つのサーマルパッドを有し、
   前記サーマルパッドの前記第２の高さは、前記電気接続パッドの前記第１の高さよりも高く、
   前記サーマルパッドは、トレンチ又はギャップによって前記電気接続パッドから分離され、
   前記トレンチ又はギャップは、電気絶縁材料で充填されている、
   表面実装可能な半導体デバイス。
2. 前記サーマルパッドは、前記半導体素子の中央部分に形成されている、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１の高さと前記第２の高さとの間の差は、２０〜３００μｍである、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記第１の高さと前記第２の高さとの間の差は、４０〜１００μｍである、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記半導体素子は、発光ダイオードである、請求項１に記載のデバイス。
6. キャリア基板に実装される請求項１に記載の一つ又は複数の表面実装可能なデバイスのアレンジメントであって、前記キャリア基板は、導電層が上に配置された誘電体層によって覆われた金属板又は金属コア層を少なくとも有し、前記導電層及び前記誘電体層は、前記デバイスの前記サーマルパッドの下に存在しない又は除去されていて、前記サーマルパッドは、熱的相互接続層によって前記金属板又は金属コア層に熱的に接続され、前記電気接続パッドは、電気的相互接続層によって前記導電層に電気的に接続され、前記電気的相互接続層は、前記熱的相互接続層と同じ厚さを有する、アレンジメント。
7. 前記第１の高さと前記第２の高さとの高さの差は、前記導電層と前記誘電体層との厚さの和に等しい、請求項６に記載のアレンジメント。
8. 前記キャリア基板は、絶縁金属基板（ＩＭＳ）又は金属コアプリント回路基板（ＭＣ−ＰＣＢ）である、請求項６に記載のアレンジメント。

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