JP3255284B2 - 半導体装置及び発光ダイオード - Google Patents

半導体装置及び発光ダイオード

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子とリード
電極とをワイヤで接続させた半導体装置に係わり、特
に、熱衝撃や温度サイクルに対しても信頼性の高い樹脂
封止型半導体装置及び発光ダイオードに関する。
【0002】
【従来技術】近年、発光ダイオードの特性を活かして種
々の分野に利用され始めている。特に、光の3原色に相
当するRGB(赤色、緑色、青色)がそれぞれ1000
mcd以上にも及ぶ超高光度に発光可能なものが開発さ
れたこと。また、一種類のLEDチップを利用して白色
光が発光可能なLEDチップが、開発されたことなどか
ら急速に様々な分野に利用され始めている。
【0003】LEDチップを用いた発光ダイオードを図
4に示す。図4は砲弾型発光ダイオードの模式的断面図
である。発光ダイオード400は、一対のリード電極4
04、405の一方上にLEDチップ403を搭載させ
Agペーストなどを利用して固定することにより電気的
に接続させる。他方、LEDチップ403が搭載されて
いない別のリード電極404とLEDチップ403の別
の電極とを金線402を利用してワイヤボンディングさ
せリード電極との電気的接続をとる。このようなLED
チップとリード電極とを接続させたものを砲弾型の樹脂
406などでモールドすることにより発光ダイオード4
00を形成できる。このような発光ダイオード400の
リード電極404、405間に電流を流すことでLED
チップを発光させ発光ダイオード400から所望の発光
を得ることができる。
【0004】他方、半導体素子とリード電極間とをワイ
ヤボンディングさせると、半導体素子を被覆する樹脂の
応力等に伴いワイヤの断線が生ずる場合がある。半導体
素子の電極とワイヤをボールボンディングさせる、一
方、ステッチボンディング部はリード電極にキャピラリ
ーごとワイヤを押しつけ超音波を掛けることによりリー
ド電極と接続させている。このようなワイヤの断線は、
図5(A)に示す如く接続されたワイヤ502の最も薄
いステッチボンディング部近傍503において生ずる。
そのため、部分的にワイヤが変形し薄くなった箇所にお
いて生ずる断線を防止すべく、特開昭57−89235
号、特開平4−214643号や特開平5−25149
1号などの如くボンディング部を導電性樹脂などで被覆
する、或いはボンディング接続するなどして接続性能を
補償している。このような問題は、発光ダイオードも同
様であり、上記方式の他、各種材料の選択、樹脂中にフ
ィラーを含有させることや密着性の向上などにより改善
されてきている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら半導体装
置は利用分野の広がりと共に要求される特性も極めて厳
しくなってきている。具体的には、航空機や車載用など
熱衝撃、温度サイクル条件の厳しい条件での使用も要求
される。このような場合、半導体装置の電気接触の不良
を引き起こす場合がある。同様に、発光ダイオードにお
いては発光光度が低下する、或いは不点灯となるものも
ある。したがって、上記構成の半導体装置では十分では
なく、更なる改良が求められている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、カップ内部に
発光素子を配置させたマウントリードと、発光素子の電
極とワイヤで接続されたインナーリードと、発光素子、
ワイヤ及びリード電極の一部を被覆するモールド部材と
を有する発光ダイオードであって、前記マウントリード
と前記インナーリードが対向して延材し、前記モールド
部材を介してワイヤと対向するリード電極の上端部は鈍
角又は曲線形状であり、リード電極とワイヤとの間隔が
一定以上に保持されることを特徴とする樹脂封止型半導
体装置である。これにより、熱衝撃時にリード電極の上
端部近傍で応力の集中が発生することを低減させること
ができる。そのため、上端部近傍を通過するワイヤが応
力により断線することがなく信頼性の高い半導体装置と
することができる。さらに、キャスティングケースによ
る樹脂の成型を行っても、ワイヤと電極との間隔が狭く
なることがなくワイヤの断線を防ぐことが可能である。
【0007】また、本発明の発光ダイオードは、カップ
内部に発光素子を配置させたマウントリードと、発光素
子の電極とワイヤで接続されたインナーリードと、発光
素子、ワイヤ及びリード電極の一部を被覆するモールド
部材とを有する。モールド部材を介してワイヤと対向す
るリード電極の上端部は鈍角又は曲線形状の発光ダイオ
ードである。特に、透光性を有するモールド部材を使用
せざるを得ない発光ダイオードにおいては、応力の発生
が少ない樹脂を選択することが実際上難しい。また、透
光性を確保するためには応力を緩和させるフィラーの含
有量も限られる。そのため、本発明は比較的簡単な構成
でインナーリードの上端部において生ずる応力を緩和さ
せつつ効率よく発光可能な発光ダイオードとすることが
できる。
【0008】本発明の請求項3に記載の発光ダイオード
は、発光素子がマウントリードのカップ内に複数あると
共に各発光素子とワイヤを介して接続される複数のイン
ナーリードがマウントリードから徐々に離れている。マ
ウントリードからインナーリードが離れるにしたがって
ワイヤボンドされるワイヤの進入角が浅くなる。即ち、
インナーリードの上端面とワイヤとの距離が少なくな
る。そのためマウントリードから離れるにつれ、インナ
ーリードの上端部において応力の少ない本発明の効果が
大きくなる。
【0009】本発明の請求項4に記載の発光ダイオード
は、マウントリードとインナーリードが対向して延材し
ている。対向して延材したリード電極を使用した発光ダ
イオードはその形成過程において、リード電極を利用し
て金型などから発光ダイオードを取り出す。この時、完
全にモールド樹脂が硬化していなければ、インナーリー
ドが曲がるなどによりワイヤとインナーリードとの距離
が近づく場合がある。この場合においても本発明は、ワ
イヤ切れのない発光ダイオードとすることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明者は種々の実験の結果、特
定形状のリード電極を利用することにより信頼性が著し
く向上し得ることを見出し本発明を成すに至った。
【0011】本発明者は熱衝撃などにより発光不良とな
った発光ダイオードを調べた結果、リード電極の端面近
傍にてワイヤの断線が生じやすいこと、及びワイヤの断
線がリード電極近傍における応力の集中に起因している
ことを見出した。
【0012】即ち、発光ダイオードを構成するモールド
部材やリード電極などは熱衝撃や熱サイクルに伴って熱
膨張或いは熱収縮を起こす。この熱膨張や熱収縮が材料
ごとに異なること及びその材料との界面や形状により応
力が集中する。
【0013】特に、RGBに対応する複数のLEDチッ
プを配置させ、各々のLEDチップを各リード電極とワ
イヤで接続させる多色発光可能な発光ダイオードを構成
する場合やリード電極が一対に対向して延材する発光ダ
イオードなどでは、通常と異なる箇所でワイヤの断線が
顕著に生ずる場合がある。このような断線は、図5
(A)に示す如きリード電極504と接続されたステッ
チボンディング近傍503のワイヤ502が細くなった
部位ではなく、リード電極504の端部501上であり
ワイヤ502が極めて太い図5(B)に示す如き箇所5
13でも断線が生ずる場合がある。
【0014】LEDチップをモールドした樹脂などによ
る応力は、リード電極に均等には掛からない。モールド
部材による応力は、リード電極の端部などを構成する突
出部近傍に特に強く働く。そのため、通常のワイヤ断線
とは異なり、ステッチボンディング近傍のワイヤが扁平
し薄くなった部位近傍503ではなくワイヤ径の太い部
位513においても断線する。言い換えると、リード電
極が平らな部位ではほとんど応力の集中が生じない。表
面に起伏があり、端部や突起部など鋭角を構成する部位
では、モールド部材の熱収縮や熱膨張時に応力が集中す
る傾向にあると考えられる。本発明は、この応力の集中
を避けたリード電極の形状とさせることによりワイヤー
の断線を防止しうるものである。
【0015】なお、モールド部材中にフィラーを入れ
て、樹脂膨張率を調節することにより、ワイヤの断線を
少なくすることができる。しかしながら、発光素子や受
光素子などの光半導体素子においては、モールド部材を
介して光を透過させなければならない。透光性を維持す
るため、光半導体装置においてはフィラーの含有量にも
ある程度の制限があるため、本発明の効果が顕著に現れ
ることとなる。
【0016】以下、本発明の実施態様例として図2にR
GBがそれぞれ発光可能な発光ダイオードの模式的部分
断面図を示す。なお、図2にはLEDチップを保護する
モールド部材を省略してある。具体的には、RGBがそ
れぞれ発光可能なLEDチップ203をマウントリード
205上に一列に配置させてある(図中奥行き方向)。
LEDチップ203の並びと直交してインナーリード2
04、214、224が一列に配置させてある。各LE
Dチップの電極とインナーリード及びマウントリードと
を金線202、212、222、232でワイヤボンデ
ィングさせる。ワイヤボンディングさせたLEDチップ
を不示図のモールド樹脂で被覆することにより多色発光
ダイオードを構成することができる。本発明の発光ダイ
オードでは、発光観測面側から見てワイヤと交差するイ
ンナーリードの上端面が押し圧加工により加工されてい
る。断面で観測するとそれぞれのリード電極の上端面2
01、211、221、231の如く窪んでいる。
【0017】ワイヤはその強度や使用量の制限などから
マウントリードから離れるにつれ、インナーリードと接
続されるワイヤの進入角が浅くなる傾向にある。即ち、
ワイヤ212とインナーリード214上端部間の距離が
短くなる。そのため、インナーリード214の上端部近
傍に発生する応力でワイヤが断線しやすい傾向にある。
本発明は、ワイヤ直下のインナーリード上端部断面を少
なくとも鈍角形状とさせてある。この特定形状がリード
電極の端面近傍を通過するワイヤに応力が集中すること
を緩和する。したがって、インナーリードへの進入角が
浅い場合においてもワイヤの断線が極めて少ない、信頼
性の高い発光ダイオードとすることができる。なお、ワ
イヤとボンディングさせるマウントリード205の上端
部もモールド樹脂を介してワイヤ232と対向する上端
部231が樹脂応力の集中を緩和させる鈍角又は曲線形
状とすることで本発明の効果が生ずる。また、LEDチ
ップの代わりに他の半導体素子において利用できること
もいうまでもない。以下、本発明の具体的構成について
詳述する。
【0018】(リード電極104、105、204、2
05、214、224)リード電極104、105とは
外部電源などと半導体素子であるLEDチップ103な
どとを電気的に接続させるために用いられるものであ
る。したがって、電気伝導性がよくモールド部材106
との密着性に優れた種々の金属材料などを好適に利用す
ることができる。具体的には、鉄、銅、アルミニウムな
どの金属、鉄入り銅、ステンレスなどの合金やこれら
に、金、銀、白金など種々の金属をメッキさせたものが
好適に挙げられる。
【0019】特に本発明のワイヤと接続されるリード電
極は、接続されるワイヤが通過するリード電極近傍にお
いて応力が緩和される構成とさせてある。具体的には、
リード電極の尖った先端部にモールド部材などの応力が
集中しやすい傾向にあるため、図3(A)、(B)、
(C)、(D)に示す如く、リード電極の断面端部の角
を少なくともワイヤが通過する直上から曲線形状を利用
してなくす、或いは鈍角に形成させる。このようなリー
ド電極は、半導体素子が複数ある時や半導体素子上に複
数の電極があるときは、その数に応じて各リード電極を
設けることができる。
【0020】リード電極の加工は、平板を打ち抜き加
工、押し圧などによって比較的簡単に形成させることが
できる。ワイヤが配置されるリード電極近傍の応力を少
なくさせる本発明の特定形状とさせるためには、リード
電極形成時に押し圧加工時や打ち抜き加工を利用するこ
とにより容易に形成させることができる。通常のリード
電極形成後に別途押し圧加工などにより、図3(A)、
(B)、(C)、(D)の如き上端部形状301、31
1、321、331とさせ、半導体装置の構造や形成方
法に係わらず、ワイヤとリード電極との距離を稼ぐこと
によりワイヤの断線を防止しうることもできる。
【0021】また、図1の如きリード電極104、10
5を一対に対向して延材させた場合、モールド形成工程
時にリード電極104とワイヤ102との間隔が小さく
なる場合がある。即ち、キャスティングケース内に発光
素子103がワイヤ102で接続されたリード電極10
4、105を樹脂で被覆する。このキャスティングケー
スから抜き出すことにより、キャスティングケースを型
として発光ダイオードを形成させることができる。しか
しながら、形成された発光ダイオードをキャスティング
ケースから抜き出す場合、十分に樹脂が硬化していない
場合がある。そのため、一対に対向して延材させたリー
ド電極104、105を利用して抜き出された発光ダイ
オードは、離型中にワイヤ101の形状やリード電極の
形状が変形する場合がある。変形後にワイヤ101とリ
ード電極104の端部が極めて近ければ図5(B)の如
きワイヤの断線を生ずることとなる。
【0022】同様に、複数の発光素子をリード電極上に
配置させる場合、発光素子とリード電極間の距離が遠く
なる。そのため、キャスティングケースからの抜き出し
時などにワイヤが垂れる場合がある。垂れたワイヤがリ
ード電極の端部近傍にあれば、その箇所でワイヤの断線
が生ずることとなる。本発明はリード電極の形状を変更
することにより、ワイヤとリード電極との間隔をある程
度確保することで応力が集中したとしてもワイヤの断線
がない優れた発光ダイオードとできるものである。
【0023】(半導体素子103、203)本発明に用
いられる半導体素子103は、種々の半導体材料を用い
て構成することができる。光半導体素子として発光素子
などを形成させるためには、各種CVD法、MBE法、
HVPE法や液相成長法などの方法を用いて形成させる
ことができる。半導体材料としてはSi、Geを材料と
したものの他、各種化合物を好適に利用することができ
る。また、半導体素子として発光素子を利用する場合、
発光素子の基板も導電材料や絶縁材料など種々の材料を
利用することができる。LEDチップの代表として窒化
物半導体(AlxInyGa1-x-yN、0≦x、0≦y、
0≦x+y≦1)材料を利用して形成させる場合、結晶
性よく形成させるためには窒化物半導体やサファイア基
板を利用することができる。
【0024】半導体素子の構造もショットキー接合、P
IN接合やpn接合を利用したホモ構造、ヘテロ構造、
ダブルへテロ構造などとすることができる。また、発光
効率を向上させるなどの理由により、単一量子井戸構造
や多重量子井戸構造とすることができる。
【0025】発光素子の具体的材料としては、光の三原
色に対応する青色や緑色は比較的短波長であるためバン
ドギャップの大きい材料を利用することが好ましい。こ
のような材料としては窒化物半導体が挙げられる。ま
た、赤色にはガリウム燐、ガリウムヒ素、ガリウム燐ヒ
素、インジウム・ガリウム・燐、アルミニウム・インジ
ム・ガリウム燐などを発光層に用いたものが挙げられ
る。
【0026】現在のところ、結晶性と量産性とを満たし
た窒化物半導体を形成させるためには、窒化物半導体は
サファイア基板など絶縁性基板上に形成される。そのた
め、同一面側に正負一対の電極を形成する場合がある。
この場合、ワイヤが少なくとも2本以上形成されること
となるため、ワイヤの数が多くかつ、ワイヤ長が長くな
るにつれ本発明の効果が大きくなる。
【0027】(ワイヤ102、202、212、22
2、232)ワイヤ102は半導体素子103とリード
電極104とを電気的に接続させるためのものであり、
電気導電性がよいこと及びリード電極104や半導体素
子103の電極との密着性がよいことが好ましい。本発
明においてワイヤ径を太くすることによりモールド部材
等による応力の集中に対して強度を強くさせることがで
きる。しかしながら、ワイヤ径を太くすればするほど、
ボンディング接続が難しくなる傾向にある。また、電気
伝導性や密着性の観点から金線などを利用する場合があ
る。この場合、コストやワイヤボンディングの自由度を
高めるために太くさせすぎることができない。通常、ワ
イヤの径は20μmから50μm程度が好適に選択され
る。より好ましくは、25μmから35μmが選択され
る。そのため、本発明の効果が大きく寄与することとな
る。このようなワイヤの具体的材料として、金、銀、
銅、アルミニウムやこれらの合金を好適に利用すること
ができる。
【0028】(モールド部材106)モールド部材10
6は、半導体素子103、ワイヤ102などを外部環境
からの外力、塵芥や水分などから保護するために用いら
れる。モールド部材106の形状を種々に変えることに
よって発光素子から放出される光や受光素子が受光する
光の指向特性を種々選択することができる。即ち、モー
ルド部材106の形状を凸レンズ形状、凹レンズ形状と
することによってレンズ効果をもたすことができる。そ
のため、所望に応じて、砲弾型、発光観測面側から見て
楕円状、立方体、三角柱など種々の形状を選択すること
ができる。リード電極の端面からモールド部材の端面ま
での距離が大きい場合は、モールド部材の量に応じて内
部応力が強く働くことからある程度の厚みがあるレンズ
効果を持たせたモールド部材においてワイヤ切れを生じ
やすい傾向があると考えられ顕著な問題となる。
【0029】光半導体素子用の具体的モールド部材とし
ては、耐光性、透光性に優れたアクリル樹脂、イミド樹
脂、シリコン樹脂などの有機物質や硝子など無機物質を
選択することができる。また、モールド部材に発光素子
からの光を拡散させる目的で酸化アルミニウム、酸化バ
リウム、チタン酸バリウム、酸化珪素などを含有させる
こともできる。同様に外来光や発光素子からの不要な波
長をカットするフィルター効果を持たすために各種着色
剤を添加させることもできる。さらに、発光素子からの
発光波長によって励起され蛍光を発する蛍光物質を含有
させる。また、モールド樹脂の内部応力を緩和させる各
種フィラーを含有させることもできる。このような種々
の添加物を含有させることによってモールド部材の応力
の集中が複雑になったとしても、ワイヤ切れを本発明の
比較的簡単な構成で防止しうることができる。以下、本
発明の具体的実施例について詳述するが、本発明はこれ
のみに限定されないことはいうまでもない。
【0030】
【実施例】(実施例1)厚さ0.5mm、高さ3.5c
m、幅25cmのステンレスから構成される金属平板を
打ち抜き及び押圧加工により、タイバーで接続されたリ
ード電極が形成される。最外郭のタイバーで接続された
以外はくし状金属片が互いに向き合った形状となってい
る。互いに向き合ったリード電極の一方105は押圧加
工によりLEDチップ103が内部に配置される凹部が
設けられている。
【0031】また、凹部が設けられていない他方のリー
ド電極端部は押し圧加工により、図1に示す如く、ワイ
ヤと接続されるリード電極の上端部101を鈍角に形成
させてある。
【0032】凹部内に発光素子として青色(470n
m)が発光可能なLEDチップ103を、ダイボンド機
器を用いて配置させる。LEDチップ103はサファイ
ア基板上に窒化物半導体が発光層として積層させたもの
である。LEDチップの半導体上には正負一対の電極が
形成されている。凹部内にはLEDチップをマウント樹
脂としてエポキシ樹脂組成物により配置させる。マウン
ト樹脂を硬化後、LEDチップの各電極とタイバーで接
続されたリード電極104、105とをそれぞれワイヤ
ボンディング機器を用いてワイヤボンドする。ワイヤ1
02として直径35μmの金線を用いてLEDチップ上
の電極上でボールボンディングさせる。LEDチップの
電極とボールボンディングさせたワイヤをキャピラリー
ごと延ばしリード電極上でステッチボンディングさせ
る。この作業を2回繰り返すことにより、LEDチップ
103の正負各電極と一対のリード電極104、105
とをそれぞれワイヤボンディングさせる。
【0033】LEDチップ103とリード電極104、
105が金線102で接続されたものを射出成型用の金
型に配置させる。金型内にエポキシ樹脂を注入させ14
0度2時間で硬化させる。硬化後、型から樹脂モールド
されたLEDチップを取り出し、タイバーを切断するこ
とで複数の発光ダイオード100を一度に形成させるこ
とができる。形成された発光ダイオード100はリード
電極104、105が一対に対向して延材された構造と
なる。一方は、LEDチップが配置されたマウントリー
ドとして働き、他方はインナーリードとして働く。
【0034】他方、端部に予め押し圧加工により窪みを
形成させていない以外は同様のリード電極を用いて発光
ダイオードを形成させた。こうして形成された各発光ダ
イオードを2000個ずつ用いて熱衝撃試験を行った。
熱衝撃試験前の各発光ダイオードは、3.5V、20m
Aで平均輝度がほぼ等しく発光可能であるものを選択し
た。
【0035】各発光ダイオードを−40℃30分、10
0℃30分で100サイクル毎に1000サイクルまで
熱衝撃試験に掛けた。熱衝撃サイクル後、点灯チェック
に掛けたところ、リード電極上の上端部断面を鈍角に形
成させていない発光ダイオードは300サイクル目から
点灯不良となる発光ダイオードが現れ1000サイクル
では約12%が不灯となった。これに対して、窪みを形
成させていない発光ダイオードはいずれも発光可能であ
った。また、不灯となった発光ダイオードをメチルセロ
ソルブ溶液に浸して観測したところ、図5(B)の如
く、リード電極504の上端部501の上でワイヤ50
2の断線が生じていることを確認した。
【0036】
【発明の効果】本発明はリード電極とワイヤとの間隔を
一定以上に保持することにより、熱衝撃時においてもワ
イヤの断線のない極めて信頼性の高い半導体装置とする
ものである。さらに、キャスティングケースによる樹脂
の成型を行っても、ワイヤと電極との間隔が狭くなるこ
とがなくワイヤの断線を防ぐことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の半導体装置の一例として一対に対向
するリード電極を持った発光ダイオードの模式的断面図
を示す。
【図2】 本発明の半導体装置の一例として複数のLE
Dチップとそれぞれワイヤで接続されたリード電極を持
った発光ダイオードの模式的部分断面図を示す。
【図3】 本発明のワイヤと接続されるリード電極例の
一部を示す模式的部分拡大図である。
【図4】 本発明と比較のために示す発光ダイオードの
模式的断面図を示す。
【図5】 リード電極近傍でのワイヤの断線を示す模式
的説明図あり、図5(A)はステッチボンディング部近
傍におけるワイヤの断線であり、図5(B)はリード電
極端面上でのワイヤの断線を示すものである。
【符号の説明】
100・・・発光ダイオード 101・・・リード電極の上端部 102・・・ワイヤ 103・・・半導体素子 104、105・・・リード電極 106・・・モールド部材 201、211、221、231・・・リード電極の上
端面 202、212、222、232・・・ワイヤ 203・・・半導体素子 204、214、224・・・インナーリード 205・・・マウントリード 301、311、321、331・・・上端部形状 400・・・発光ダイオード 402・・・ワイヤ 403・・・LEDチップ 404・・・インナーリード 405・・・マウントリード 406・・・モールド部材 501・・・上端部 502・・・ワイヤ 503・・・ワイヤが扁平し薄くなった部位近傍 504・・・リード電極 513・・・モールド部材を介してリード電極の上端部
と対向する、ワイヤ径の太い部位

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カップ内部に発光素子を配置させたマウ
    ントリードと、発光素子の電極とワイヤで接続されたイ
    ンナーリードと、発光素子、ワイヤ及びリード電極の一
    部を被覆するモールド部材とを有する発光ダイオードで
    あって、 前記マウントリードと前記インナーリードが対向して延
    材し、前記モールド部材を介してワイヤと対向するリー
    ド電極の上端部は鈍角又は曲線形状であり、リード電極
    とワイヤとの間隔が一定以上に保持されることを特徴と
    する発光ダイオード。
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