JP4053962B2

JP4053962B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4053962B2
Application number: JP2003355245A
Authority: JP
Inventors: 聡河本; 肇奥田; 宏和田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: US20050082646A1; JP2005123326A; US7391102B2

Description

本発明は、半導体素子を備えた半導体装置に係り、特に、外力に対しての機械的強度を確保するのに適する半導体装置に関する。

半導体レーザ装置は、半導体レーザチップを含み、その実装面としておよび端子として機能するリードフレームや、半導体レーザチップおよびリードフレームを取り囲んで一体化するための成形樹脂部などからなっている。このような構造は、例えば、特開２００３−３１８８５公報に開示されている。
特開２００３−３１８８５号公報

半導体レーザ装置を各種の基板や機器に実装するあるいは実装した状態においては、これに少なからず外力が加わる場合がある。例えば、光ディスク装置の読み取り用／書き込み用に半導体レーザ装置を用いる場合には、ピックアップヘッド筐体に半導体レーザ装置を圧入する工程が存在し、かなりの外力が加わる。このような場合、半導体レーザ装置として機械的な堅牢性が要求される。

特にリードフレームは、通常、板状であり、曲げやひねりなどの外力を受けやすい。リードフレームは、上記のように、半導体レーザチップなどの半導体素子やこれを載置する基板の実装面でもあり、実装のため例えば接着剤で固定されている。しかし、外力によりリードフレームが変形すると接着剤層や実装素子に大きな応力が発生する。

本発明は、上記した事情を考慮してなされたもので、半導体素子を備えた半導体装置において、外力に対しての機械的強度を十分に確保することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様に係る半導体装置は、第１の成形樹脂部と、前記第１の成形樹脂部に密着された板面を有するリードフレームと、前記リードフレームから延設されたリード端子部と、前記第１の成形樹脂部に向かい合ってかつ該第１の成型樹脂部を介して前記リードフレームに向かい合って取り付けられた第２の成形樹脂部と、前記リードフレームの前記板面上であって前記第２の成形樹脂部が向かい合う側に取り付けられた、半導体素子を含むひとつ以上の素子とを具備し、前記素子の少なくともひとつが、前記リードフレームの前記板面の、前記第１および第２の成形樹脂部よりはみ出した部分における外周上に取った任意の２点が形成する線分であって前記リードフレームの前記板面にその線分すべてが含まれるものの集合がなす前記板面上の領域内には一部も存在しないことを特徴とする。

本発明に係る半導体装置によれば、成形樹脂部からはみ出したリードフレームの部分に加わる外力によるリードフレームの変形が素子の実装部位に及ぶのを避けることができるので、外力に対しての機械的強度を十分に確保することが可能になる。

本発明の一態様に係る半導体装置では、成形樹脂部からはみ出すリードフレームの部分に外力が加わることに着目し、リードフレームのそのような外周上に取った任意の２点に力点（すなわち、それによる主としてひねりの力）が発生すると想定する。その２点に挟まれる線分がすべてリードフレーム上に含まれる場合には、リードフレーム内部に変形が伝わり得ると考えることができる。そこで、そのような線分の集合がなす領域には、素子を実装しないようにする。これにより、素子やその接着面での応力発生を抑制し、十分な機械的強度の確保が可能となる。

実施態様として、前記リードフレームの前記板面が、図形として凹図形とすることができる。凹図形とすると、素子に対する上記のような実装領域を確保しやすい。

また、実施態様として、前記リードフレームの前記板面上の前記領域内に一部も存在しない前記素子が、前記第２の成形樹脂部と離間しているようにしてもよい。これによれば、例えば素子としてモニタ用の受光素子を具備させ、その離間による空間をモニタ用のレーザ光の伝送空間に供することができる。

また、実施態様として、前記リードフレームの前記板面上の前記領域内に一部も存在しない前記素子は、受光素子とすることができる。この場合、半導体レーザチップからの出射されるレーザ光のモニタ用の素子として用いられ得る。

また、実施態様として、前記リードフレームの前記板面上の前記領域内に一部も存在しない前記素子の取り付けられた前記リードフレームの板面は、他の素子の取り付けられた前記リードフレームの板面と同一の平面をなすようにすることができる。これによればリードフレームの厚さ方向の形状として単純になる。また、素子の取り付け位置でのリードフレームが第１の成形樹脂部にめり込まないようになるので、その取り付け時の加熱に対する耐性の点で有利である。

また、実施態様として、前記リードフレームは、前記板状の図形として、離間したふたつ以上の部位からなるようにしてもよい。リードフレームはひとつの部位からなることには限定されない。

また、実施態様として、前記リードフレームの一部は、前記第１の成形樹脂部に埋め込まれていてもよい。例えば端子の部分が埋め込まれるようにすることができる。

以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置としての半導体レーザ装置を製造工程順に示す模式的な正面図および側面図である。これらの図において、同一相当の部位には同一番号を付す。まず、図１に示すような形状のリードフレーム１を準備する。このような形状は、例えば、素材となる板材に対してプレスおよびフォーミングなどして得ることができる。後述するが、図１に示すリードフレーム１の形状は、実装（搭載）される素子がリードフレーム１からより離脱しにくくなるように選択されている。なお符合１ａは、リード端子部であり、符合１ｂは、下側の成形樹脂（後述する）との係合性を増すための鍵状部である。

ちなみに、リードフレーム１の母材は、動作時の放熱性を考慮し銅系の材料を用いることが多いが、場合によっては４２アロイなど鉄系の材料を使用することも可能である。リードフレーム１は、組立て性を考慮し、あらかじめ金、ニッケル、パラジウムめっきなどの適当な外装を施すのが好ましい。

次に、図２に示すように、リードフレーム１に、射出成形などにより外囲器のうち下側の成形樹脂２を形成する。成形樹脂２は、図示するように、素子載置部を取り囲むように、またリード端子部１ａへの電気的な結線部２ａを残すように形成される。さらに、そのあと、この実施形態では、リードフレーム１上にセラミック基板３と受光素子５とを配置、固定する。固定方法は、例えば、金すず半田等の接着剤を用い、これを３００℃程度に加熱溶融して行う。これにより電気的な導通も得る。場合によっては、このような半田の代わりに銀エポキシ接着剤等を使用することもできるが、接着剤の這い上がりやアウトガスによる汚染の点では不利である。

セラミック基板３は、この上に載置、固定されるレーザチップ４と線膨張係数が近くシリコン等に比べても熱伝導率の高い窒化アルミニウムなどの材料が適している。また、セラミック基板３には、あらかじめ金蒸着とパターニングにより表面に電極が形成されているものを用いる。セラミック基板３がリードフレーム１上に載置、固定されたら、レーザチップ４をさらにその上に載置、固定する。この固定方法についても、上記の金すず半田や銀エポキシ接着剤などが適用できる。

レーザチップ４は、各種のものを用いることができる。例えば、赤外光と可視光の両方を発光するモノリシック２波長半導体レーザ素子や、赤外光のみまたは可視光（赤色や青紫色）のみを発光する単波長半導体レーザ素子を用いることができる。また、複数の半導体レーザ素子をセラミック基板３上に載置、固定するようにしてもよい。

なお、リードフレーム１は、図示するように、成形樹脂２との関係で、セラミック基板３や受光素子５の固定位置の裏面が露出するようになっている。これは、上記説明の、セラミック基板３や受光素子５の固定時に必要な加熱に対して、およびレーザチップ４や受光素子５の使用時に対しての放熱性を考慮したものである。これに対して、リードフレーム１のリード端子部１ａは、成形樹脂２に埋め込まれ囲まれた状態にされる。

また、リードフレーム１における受光素子５の載置面は、レーザチップ４の載置面と平面として同一である。これに対し例えば、受光素子５の載置面を傾けるようにして、レーザチップ４からのモニタ用のレーザ光をより受けやすくすることも可能ではある。しかしながら、一般的には、フープラインなど一連のリードフレーム１を流す場合、製品設計や装置設計上非常に大きな制約となり、製品特性悪化、設備費増大、組立て速度低下など弊害がある。またこの場合、リードフレーム１の受光素子５の載置面部が成形樹脂２内にめり込んだ形状となるため、上記に述べたような固定時の高温加熱が困難となるという不利もある。

成形樹脂２について補足すると、これは上述のようにリードフレーム１に密着するように成形される。そして受光素子５などの素子は、成形樹脂２が一体化されたリードフレーム１上に加熱接着される。このため、成形樹脂２は、例えばＰＰＡ（ポリフタルアミド）などの耐熱性エンジニアリングプラスチック、または液晶ポリマなどの材料が適している。このほか、ＰＳＦ（ポリサルホン）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＦＲ（ＰＴＦＥ：ポリテトラフロロエチレン）などの材料を用いることもできる。耐熱性、耐薬品性、機械的強度、リード密着性、成形性、アウトガス、コストなど総合的に考えると、ＰＰＡがより適していると考えられる。また、耐熱性の面では上記のような熱可塑性樹脂以外にエポキシなど熱硬化性樹脂も考えられるが、トランスファ成形後のばり発生や高温での特性変動などの点では不利である。

さて、上記のような成形樹脂２の形成、およびセラミック基板３、受光素子５、レーザチップ４の載置、固定が終了したら、次に、各電極（不図示）とリード端子部１ａの結線部２ａの間をボンディングワイヤ（不図示）で結線する。これによりレーザ装置としての内部の組み立てが終る。

次に、図３に示すように、あらかじめ成形された上側の外囲器としての成形樹脂６を下側の成形樹脂２上に精度よく重ね合わせ固定する。ここで、この実施形態では、成形樹脂６の固定後の状態でレーザチップ４や受光素子５との間で間隔を保つようにする。固定の方法には種々あるが、例えば、接着剤の使用、熱溶着、超音波接着、圧入・嵌合（かしめ）などを利用することができる。接着剤の使用であれば、例えば、シリコン系接着剤を成形樹脂２の接着面に塗布後、上部の成形樹脂６を成形樹脂２へ装着し約２００℃程度で硬化・接着させることができる。

また、熱かしめによる固定であれば、例えば、成形樹脂２側には単数または複数の突起部を設け、蓋側の成形樹脂６側にはこれらの突起に対応する穴を設けておき、これらの突起と穴とを嵌合後、突起に向かって加熱しながら成形樹脂６を加圧し突起を潰すことで成形樹脂６を成形樹脂２側に固定することができる。ここで突起と穴とを所望の精度で形成しておけば成形樹脂６は、成形樹脂２に精度よく取り付けられる。成形樹脂２が例えばＰＰＡの場合には、１５０〜３００℃程度に加熱しながら潰すことで十分な固定強度を得ることができる。このような熱かしめを用いると蓋側の成形樹脂６の表面にはかしめ痕６ａが残る。

なお、蓋側の成形樹脂６としては、比較的耐熱温度の低い材料や、樹脂以外の例えば金属系材料なども選択できる。この場合に接着材料を使用しないようにすると、工程の簡素化や材料費の節約が可能で、レーザチップ４や光学系への不純物付着など特性に悪影響を及ぼす心配が減る。

また、外囲器の一方を構成する成形樹脂６の内面の一部には、光反射面を設けておくようにすることができる。このようにすれば、内部の空間をモニタ用レーザ光の伝送空間にして反射し、レーザチップ４の後方から出射されたレーザ光を、蓋側の成形樹脂６と離間する受光素子５に導き入射光量を増加させる効果がある。このため、成形樹脂６には光反射率が高くなるようにその材料や表面処理を選定することが好ましい。例えば、下部の外囲器の成形樹脂２と同じＰＰＡを上部の成形樹脂６の材料として用いることができる。また、ＰＢＴや金属、あるいは成形樹脂６上にめっきしたものなども使用することができる。リードフレーム１上に複数のレーザチップ４および受光素子５が連なって実装されている場合には、内面にリードカットを施しレーザ光を個々の受光素子５に分離することもできる。

以上、本発明の一実施形態としての半導体レーザ装置を製造工程順に沿ってひと通り説明したが、上記のように組み立てられた半導体レーザ装置における外力の印加に対する対処について図４ないし図６を参照してさらに説明する。これらの図において、上記で説明の部位と同一のものには同一符合を付してある。まず、図４は、成形樹脂２と成形樹脂６からなる外囲器とリードフレーム１との位置関係を特に抽出して示す図である。なお、リードフレーム１については、リード端子部の図示を省略する。

図４に示すように、リードフレーム１は成形樹脂２、６からはみ出して存在する。このはみ出し部分１ｃにはドットパターンを与えて図示している。はみ出し部分１ｃの存在は一般的なものであり、この半導体レーザ装置を各種の機器の組み込み実装する場合の位置の基準に利用されたり組み込み実装の固定部位として利用されたりする。例えば、光ディスク装置の読み取り用／書き込み用に半導体レーザ装置を用いる場合には、ピックアップヘッド筐体にこの半導体レーザ装置を圧入しはみ出し部分１ｃを利用して所定位置に実装する。

したがって、成形樹脂２、６からのはみ出し部分１ｃには明らかに外力が加わる。そこで、はみ出し部分１ｃの外周上に取った任意の２点に力点（すなわち、主としてひねりの力を問題とする。）が発生すると想定する。この想定下では、その２点に挟まれる線分がすべてリードフレーム１上に含まれる場合には、リードフレーム１内部（成形樹脂２、６に隠れている内部）に変形が伝わり得ると考えることができる。そこで、そのような線分の集合がなす領域には、リードフレーム１からの離脱が問題となるような半導体素子を実装しないようにする。これにより、その半導体素子やその接着面での応力発生を抑制し、十分な機械的強度の確保する。

具体的には、上記説明の実施形態では、図５に示すようになっている。図５は、成形樹脂２、６からのはみ出し部分１ｃの外周上に取った任意の２点が形成する線分であってリードフレーム１の板内にその線分すべてが含まれるものの集合がなすリードフレーム１上の領域１ｄと、受光素子５の載置、固定の位置との関係を示す図である。この領域１ｄには、ドットパターンを与えて示してある。

図５に示すように、受光素子５は、領域１ｄにはその一部もかからずに載置、固定されている。このため、外力によるリードフレーム１の変形は、受光素子５の載置位置には及ばず（より正確には、その載置位置内では変形量が極めて小さく）、受光素子５がリードフレーム１から離脱（剥離）するような不都合を効果的に防止できる。このような効果は、より微視的には、リードフレーム１の受光素子５の載置位置両側にスリット状の切れ込み１ｅを設けているからと言える。これは、図６の場合と比較すると判然とする。図６は、リードフレーム１の受光素子５の載置位置両側にスリット状の切れ込み１ｅを設けなかった場合の図５と同様な図示である。図６では、切れ込み１ｅがないので、領域１ｄに一部がかかるように受光素子５が載置、固定されてしまっている。

以上の説明により、リードフレーム１のあるべき形状例は、より一般化すると図７、図８に示すようになる。図７、図８は、本発明の一実施形態におけるリードフレーム１の形状の諸例を示す模式的な平面図である（ただしリード端子部については図示を省略し、本質的部分のみ抽出、単純化してある。）。図７、図８内の各図において、符合１０ａから１０ｏはリードフレームであり、符合５０は離脱を問題とする半導体素子（例えば受光素子）である。図７、図８において、上記定義の領域１ｄについては図５、図６と同様にドットパターンを与えて示しており、また破線は、成形樹脂２、６に相当する位置を示している。いずれの場合も、ドットパターンの領域には、離脱を問題とする半導体素子５０の一部もかからないようになっている。

図７、図８に示されるリードフレーム１０ａ〜１０ｏの中では、図７（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）、図８（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）の示されるものは、図形として凹図形であることの共通点がある。凹図形とは、図形外周上の任意の２点を結ぶ線分を考えたとき、いずれかの線分の一部が図形内部からはみ出すような図形をいう（ただし穴がある場合（図７（ｈ））の穴は図形外部とは見ない。）。スリット状の切れ込み（図５の符合１ｅを参照）の形成を考えると、リードフレーム１の形状として凹図形は有力な候補になる。また、リードフレーム１の形状としては、単一のものとして連結されていなくてもかまわない。例えば、図７（ｇ）、図８（ｂ）に示すごとくである。

なお、例えば接着の方法が異なる、材料が異なるなどの要因によりリードフレーム１からの離脱が問題とならないような半導体素子や基板は、当然、変形量が大きい上記領域１ｄに載置、固定してもよい。例えば、図８（ａ）における符号５０ａで示される半導体素子や基板がこれに相当する。

以上説明のように、本実施形態によれば、半導体レーザ装置に外力が加わってもリードフレーム１の特定の素子載置面に過剰な応力が発生することを回避できる。この効果を具体的にデータとして図９を参照して説明する。図９は、本発明の一実施形態としての半導体レーザ装置のリードフレーム１にひねり力を加えたときの、内部の実装素子（受光素子５）に剥離が生じた頻度を従前のものと比較して示すグラフである。図９（ａ）が、図５の場合における受光素子５の場合、図９（ｂ）が、図６の場合における受光素子５の場合である。図９は、これらの差が歴然としていることを示しており本実施形態の有効性が示されている。

また、リードフレーム１と成形樹脂２とが機械的に密着・接着しているものとし、リード端子部１ａに平行な回転軸を考えて、コンピュータによる応力シミュレーションにより、成形樹脂２の前側と後側とから逆向きの回転力（トルク）を加えた場合を考えてみた。この場合、リードフレーム１にひねりによる応力が生じる。従前の場合（図６）と本実施形態（図５）を比較した場合、問題とする素子載置部に発生するミーゼス相当応力は従前の場合（図６）で１１６ＭＰａ、本実施形態（図５）で５７ＭＰａとなり約半分に低下することがわかった。

なお、以上の説明では、半導体レーザ装置のように中空構造の外囲器（成形樹脂２、６）を有する場合を説明したが、中空構造ではなく樹脂などで充填された構造の外囲器を有する装置の場合も同様な効果が得られる。また、リードフレーム１の一部の面が外囲器から露出する構造の装置での説明を行ったが、リードフレーム１が外囲器内部に埋め込まれた構造を有する装置でも同様な効果を得ることができる。また、離脱を問題とする素子は受光素子５に限らず、当然、セラミック基板３（レーザチップ４を含むセラミック基板３）などとすることもできる。本発明は半導体レーザ装置に限らず半導体発光装置や半導体受光装置、光結合装置などにも応用することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置としての半導体レーザ装置を製造工程順に示す模式的な正面図および側面図。図１の続図であって、本発明の一実施形態に係る半導体装置としての半導体レーザ装置を製造工程順に示す模式的な正面図および側面図。図２の続図であって、本発明の一実施形態に係る半導体装置としての半導体レーザ装置を製造工程順に示す模式的な正面図および側面図。図３に示す成形樹脂２と成形樹脂６からなる外囲器とリードフレーム１との位置関係を特に抽出して示す図。図４に示す成形樹脂２、６よりはみ出したリードフレーム１のはみ出し部分１ｃの外周上に取った任意の２点が形成する線分であってリードフレーム１の板内にその線分すべてが含まれるものの集合がなすリードフレーム１上の領域１ｄと、受光素子５の載置、固定の位置との関係を示す図（切れ込み１ｅがある場合）。図４に示す成形樹脂２、６よりはみ出したリードフレーム１のはみ出し部分１ｃの外周上に取った任意の２点が形成する線分であってリードフレーム１の板内にその線分すべてが含まれるものの集合がなすリードフレーム１上の領域１ｄと、受光素子５の載置、固定の位置との関係を示す図（切れ込み１ｅがない場合）。本発明の一実施形態におけるリードフレーム１の形状の例を示す模式的な平面図。図７の続図であって、本発明の一実施形態におけるリードフレーム１の形状の例を示す模式的な平面図。本発明の一実施形態としての半導体レーザ装置のリードフレーム１にひねり力を加えたときの、内部の実装素子（受光素子５）に剥離が生じた頻度を従前のものと比較して示すグラフ。

符号の説明

１…リードフレーム、１ａ…リード端子部、１ｂ…鍵状部、１ｃ…リードフレームのはみ出し部、１ｄ…リードフレーム状の特定領域、１ｅ…切れ込み、２…下側の成形樹脂、２ａ…結線部、３…セラミック基板、４…レーザチップ、５…受光素子、６…上側の成形樹脂、６ａ…かしめ痕、１０ａ〜１０ｏ…リードフレーム、５０…離脱を問題とする半導体素子、５０ａ…離脱が問題とならない半導体素子。

Claims

第１の成形樹脂部と、
前記第１の成形樹脂部に密着された板面を有するリードフレームと、
前記リードフレームから延設されたリード端子部と、
前記第１の成形樹脂部に向かい合ってかつ該第１の成型樹脂部を介して前記リードフレームに向かい合って取り付けられた第２の成形樹脂部と、
前記リードフレームの前記板面上であって前記第２の成形樹脂部が向かい合う側に取り付けられた、半導体素子を含むひとつ以上の素子とを具備し、
前記素子の少なくともひとつが、前記リードフレームの前記板面の、前記第１および第２の成形樹脂部よりはみ出した部分における外周上に取った任意の２点が形成する線分であって前記リードフレームの前記板面にその線分すべてが含まれるものの集合がなす前記板面上の領域内には一部も存在しないこと
を特徴とする半導体装置。
前記素子の少なくともひとつが、レーザチップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記リードフレームの前記板面が、図形として凹図形であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記リードフレームの前記板面上の前記領域内に一部も存在しない前記素子が、前記第２の成形樹脂部と離間していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記リードフレームの前記板面上の前記領域内に一部も存在しない前記素子が、受光素子であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
前記リードフレームの前記板面上の前記領域内に一部も存在しない前記素子の取り付けられた前記リードフレームの板面が、他の素子の取り付けられた前記リードフレームの板面と同一の平面をなすことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。