JP4272664B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、放熱機能を有したステムの上側に半導体素子を設け、この半導体素子をキャップで覆い、ステムの下面から複数のリードを取出すようにした半導体モジュールに係わり、特にサージ保護用のコンデンサを組込んだ半導体モジュールに関する。

一般に、ＬＥＤ、半導体レーザ、発光素子等の半導体素子において高出力を得るためにはこの半導体素子に印加する電流を増加する必要がある。出力光強度が増加したり、印加電流が増加すると半導体素子の温度が上昇するので、半導体素子を放熱板の機能を有したステム上に取付け、この半導体素子をキャップで覆った半導体モジュールを密閉構造とし、ステムを例えばペルチェ効果を利用した電子冷却装置で冷却している。

また、この半導体モジュールが各種の製造工場の電波環境や電源電力環境で使用される場合には、半導体素子に対する信号線に種々のサージ電圧が混入する。半導体素子にサージ電圧が入力されると半導体素子が誤動作したり、損傷を被ることがある。この外部から侵入するサージ電圧から半導体素子を保護するために、一般に、半導体モジュールの密閉部分内に半導体素子と共にサージ吸収用のコンデンサが組込まれている。

しかし、大きなサージ電圧が発生する可能性がある電波環境で使用される場合には、容量の大きいコンデンサを密閉部分内に組込むことができない。そこで、半導体モジュールの密閉部外に容量の大きいコンデンサを外付したサージ保護付半導体レーザが特許文献１に提案されている。すなわち、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、導電性材料で形成された円板状のステム１の上面１ａに台座２が固定され、この台座２にレーザチップ３とモニタ用受光素子４が取付けられている。

さらに、ステム１に穿設された貫通孔をステム１に対して電気的絶縁を保持した状態で貫通するアノードリード５、共通リード６、モニタリード７とがステム１に対して固定されている。アノードリード５の上端はボンディングワイヤ８を介して、レーザチップ３のアノード端子に接続されている。又モニタリード７の上端は、ボンディングワイヤ９を介して、モニタ用受光素子４の信号出力端子に接続されている。また、レーザチップ３のカソード端子及びモニタ用受光素子４のアース端子（カソード端子）は共通に台座２を介して共通リード６の上端に接続されている。

そして、ステム１の上側に取設けられたレーザチップ３とモニタ用受光素子４の台座２、アノードリード５の上端、及びモニタリード７の上端を共通に覆うキャップ１０が設けられている。

さらに、レーザチップ３のアノード端子に接続されたアノードリード５のステム１の下面１ｂ近傍位置と、共通リード６の下面１ｂ近傍位置との間にチップコンデンサ１１が接続されている。

このような構成のサージ保護付半導体レーザにおいては、レーザチップ３から出力されるレーザ光の光強度は、モニタ用受光素子４で検出され、モニタリード７と共通リード６との間の信号レベルとして、検出される。

また、アノードリード５と共通リード６間に、電源部や他の一般回線から侵入した高周波のサージ電圧は、アノードリード５と共通リード６間に介挿されたチップコンデンサ１１にて吸収され、ステム１の上側に設けられたレーザチップ３の誤動作、およびレーザチップ３の損傷が未然に防止できる。
特開２００１―２５７４１１号公報

しかしながら上述したサージ保護付半導体レーザにおいてもまだ改良すべき次のような課題がある。

すなわち、電磁波によるサージ電圧の印加がステム１とコンデンサ１１との間に入った場合、レーザチップ３より先にコンデンサ１１でサージ電圧を吸収する必要があるため、コンデンサ１１をできるだけステム１の近接位置に取付ける必要がある。

その結果、コンデンサ１１とステム１の下面との間隔が狭くなり、最終の製造工程において、コンデンサ１１とステム１との間にショートが発生する懸念がある。したがって、このショートがアノードリード５と共通リード６との間のショートに発展する懸念がある。

また、放熱機能を得るためには、一般的にステム１の下面１ｂに放熱板を接触させる方法が用いられる。しかし、コンデンサ１１がアノードリード５と共通リード６に直付けされているために、コンデンサ１１の電極がむき出しととなり、放熱板の接触面積が小さくなる。また、放熱板を介して、アノードリード５と共通リード８との間でショートが発生する懸念がある。

したがって、このサージ保護付半導体レーザの製造工程における最終のコンデンサ１１の実装工程における不良率が高くなり、最終の歩留まりが低下する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ステムを介した放熱機能を低下することなく、サージ電圧吸収用のコンデンサの実装容易化を図ることができ、さらに、製造工程における歩留まりを向上できる半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解消するために本発明は、板状のステムの上側にアノード端子とカソード端子とを有する半導体素子を設け、該半導体素子をその下端に有する開口部がステムの上面に固定されたキャップで覆い、そのステムに対して、上端が半導体のアノード端子及びカソード端子に接続されるとともにその下端がステムの下方に位置するアノードリード及びカソードリードを取付けた半導体モジュールにおいて、
ステムの下面の一部領域に取付けられ、アノードリード及びカソードリードが下方へ貫通する貫通部が形成された実装基板と、この実装基板の下面に形成され、一端部が各貫通部の周辺を覆う接続部であり他端部が互いに対向する電極である一対の配線導体膜と、実装基板の下面における電極相互間に取付けられたコンデンサと、アノードリード及びカソードリードと対向する配線導体膜の接続部とを電気的に接続する導電性材料とを備えている。

このように構成された半導体モジュールにおいては、上側に半導体素子が設けられたステムの下面に、一方面にサージ電圧吸収用のコンデンサが予め実装された実装基板が取付けられている。この場合、実装基板の表面（下面）には、コンデンサを電気的に取付けるための配線導体膜（配線パターン）が印刷されており、コンデンサはこの各配線導体膜の電極相互間に取付けられている。各配線導体膜（配線パターン）の他端にはアノードリード及びカソードリードが下方へ貫通する各貫通部の周辺を覆う接続部が形成されている。したがって、各接続部と各リードとを例えばはんだ等で接続することにより、コンデンサはは各リードと電気的に接続される。

また、別の発明は、上記発明の半導体モジュールにおいて、実装基板の貫通部が、実装基板の外周縁の一部で形成されている。

このように、貫通部を実装基板の外周縁の一部で形成させることによって、各リードを側方から各貫通部内に嵌め込むことが可能となり、実装基板の取付作業性を向上できる。また、実装基板の面積を限界まで減少できるので、ステムの放熱機能を上昇できる。

本発明においては、ステムを介した放熱機能を低下することなく、サージ電圧吸収用のコンデンサの実装容易化を図ることができ、さらに、製造工程における歩留まりを向上できる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係わる半導体モジュールの概略構成を示す図であり、図１（ａ）は正面図であり、図１（ｂ）は底面図であり、図１（ｃ）は断面図であり、図１（ｄ）はキャップを外した状態を示す斜視図である。

例えば鉄等の導電性材料で形成された外形Ｄ₀＝５．６ｍｍ、高さＨ＝１．２ｍｍの円板状のステム１２の上面１２ａに台座１３が固定され、この台座１３に半導体素子としてのＬＥＤ（発光ダイオード）１４とモニタ用受光素子１５とが取付けられている。ステム１２には、円形形状の中心位置に対して互いに対称位置に内径ｄ₀＝１．０ｍｍの２つの貫通孔１６、１７が穿設されており、一方の貫通孔１６には、外径ｄ₁＝０．２５ｍｍのアノードリード１８が貫通しており、他方の貫通孔１７には、外径ｄ₁＝０．２５ｍｍのモニタリード１９が貫通している。アノードリード１８及びモニタリード１９が貫通孔１６、１７を電気的絶縁を保持した状態で貫通するために、アノードリード１８及びモニタリード１９は貫通孔１６、１７の中心位置にガラス充填材で固定されている。

アノードリード１８の上端はボンディングワイヤ２０を介して、ＬＥＤ１３のアノード端子に接続されている。モニタリード１９の上端はボンディングワイヤ２１を介して、モニタ用受光素子１５の信号出力端子に接続されている。また、ＬＥＤ１４のカソード端子及びモニタ用受光素子１５のアース端子（カソード端子）は共通に台座１３を介して鉄等の導電性材料で形成されたステム１２に接続されている。

ステム１２の下面１２ｂには、下方へ延びる外径ｄ₁＝０．２５ｍｍのカソードリード２２の上端がろう付け固定されている。したがって、カソードリード２２はステム１２、台座１３を介して、ＬＥＤ１４のカソード端子及びモニタ用受光素子１５のアース端子（カソード端子）に接続されている。

図１（ｂ）に示すように、ステム１２の下面１２ｂから下方に延びるアノードリード１８、カソードリード２２、及びモニタリード１９は、ステム１２の中心位置を中心とする直径Ｄ₃＝２．０mmの円の周上に位置する。

そして、ステム１２の上側に取設けられた、ＬＥＤ１４とモニタ用受光素子１５が取付けられた台座１３、アノードリード１８の上端、及びモニタリード１９の上端を共通に覆う円筒状の鉄製のキャップ２３が設けられている。そして、このキャップ２３の下端開口がステム１２の上面１２ａの周辺部に例えば電気溶接等にて固定されている。このキャップ２３の上面には、ＬＥＤ１４から出力された光２６を外部へ導くためのガラスが嵌込まれた窓２５が設けられている。したがって、キャップ２３内は密封状態である。

ＬＥＤ１４から出力される光２６の強度は、アノードリード１８とカソードリード２２間に流す電流値に応じて変化する。また、ＬＥＤ１４の後方から出力された光２６ｂの一部はモニタ用受光素子１５で受光され、ＬＥＤ１４から出力された光２６の相対的光強度としてモニタリード１９とカソードリード２２間の信号レベルとして、検出される。

ステム１２の下面１２ｂには、ほぼ円形形状を有した、例えば樹脂材料からなる印刷配線基板で形成された実装基板２７が貼付けられている。この実装基板２７の外径Ｄ₁は、前述したアノードリード１８、カソードリード２２、及びモニタリード１９の各位置を通過する円の直径Ｄ₃＝２．０mmより１．０ｍｍ大きい、外径Ｄ₁＝３．０ｍｍに設定されている。また、実装基板２７の厚みＴは、図２（ａ）に示すように、Ｔ＝０．５ｍｍに設定されている。

さらに、この実装基板２７の外周縁には、この外周縁の一部からなる貫通部２８ａ、２８ｂ、２８ｃが形成されている。そして、貫通部２８ａ、２８ｂ、２８ｃをアノードリード１８、カソードリード２２、及びモニタリード１９が貫通している。

さらに、図２（ａ）に示すように、実装基板２７の下面２７ｂには、３つの配線導体膜としての３つの配線パターン２９ａ、２９ｂ、２９ｃが印刷配線されている。配線パターン２９ａの一端に貫通部２８ａの周辺を覆う接続部３１ａが形成され他端に電極３０ａが形成されている。また、配線パターン２９ｂの一端に貫通部２８ｂの周辺を覆う接続部３１ｂが形成され他端に電極３０ｂが形成されている。配線パターン２９ｃは貫通部２８ｂの周辺を覆う。

なお、実装基板２７の周辺縁に、各配線パターン２９ａ、２９ｂ、２９ｃが形成されていない部分を設けているのは、隣接部品が各配線パターン２９ａ、２９ｂ、２９ｃに接触することを未然に防止するためである。

そして、この実装基板２７の下面２７ｂにおける電極３０ａ、３０ｂ相互間に図２（ｂ）に示すチップコンデンサ３２が取付られている。具体的には、このチップコンデンサ３２は、高さ×幅×長さが、０．８ｍｍ×０．８ｍｍ×１．６ｍｍの直方体形状を有し、両端に電極３３ａ、３３ｂが形成されており、１μＦの容量を有する。各電極３３ａ、３３ｂが配線パターン２９ａ、２９ｂの各電極３０ａ、３０ｂに接続される。

チップコンデンサ３２が取付られた実装基板２７がステム１２の下面１２ｂに取付けられた状態において、配線パターン２９ａ、２９ｂの各接続部３１ａ、３１ｂと貫通部２８ａ、２８ｂ内のアノードリード１８、カソードリード２２とを例えばはんだ等で電気的に接続する。同様に、配線パターン２９ｃと貫通部２８ｃ内のモニタリード１９とを例えばはんだ等で電気的に接続する。

図３はこのように構成された半導体モジュールをステム１２の下方から見た斜視図である。

次に、このような構成の半導体モジュールにおいて、サージ電圧吸収用のコンデンサを後付する場合の製造手順を説明する。先ず、実装基板２７がステム１２の下面１２ｂに取付けられていない状態の半導体モジュールを製造する。

次に、樹脂料板を、図２（ａ）に示すように、基板の一方面に、図示形状の３つの配線パターン２９ａ、２９ｂ、２９ｃを印刷し、外径Ｄ₁＝３．０ｍｍの円形で、かつ円形の外周縁の一部に貫通部２８ａ、２８ｂ、２８ｃが形成された形状に切断して実装基板２７を製造する。次に、この実装基板２７の下面２７ｂにおける電極３０ａ、３０ｂ相互間に図２（ｂ）に示すチップコンデンサ３２を例えばはんだ等で溶着する。

そして、チップコンデンサ３２が下面２７ｂに取付けられた状態の実装基板２７を、各貫通部２８ａ、２８ｂ、２８ｃにアノードリード１８、カソードリード２２、及びモニタリード１９が貫通するように、ステム１２の下面２７ｂに貼付ける。この場合、各貫通部２８ａ、２８ｂ、２８ｃが実装基板２７の外周縁の一部で形成されているので、各リード１８、１９、２２を実装基板２７の側方から各貫通部２８ａ、２８ｂ、２８ｃ内に嵌め込むことが可能となり、実装基板２７のステム１２の下面２７ｂに対する取付作業性を向上できる。

最後に、配線パターン２９ａ、２９ｂの各接続部３１ａ、３１ｂと貫通部２８ａ、２８ｂ内のアノードリード１８、カソードリード２２とを例えばはんだ等で電気的に接続する。同様に、配線パターン２９ｃ貫通部２８ｃ内のモニタリード１９とを例えばはんだ等で電気的に接続する。

また、同様な構成の半導体モジュールにおいて、サージ電圧吸収用コンデンサを先付けする場合の製造手順を説明する。先ず、チップコンデンサ３２が取付けられた実装基板２７を準備し、ステム１２の下面１２ｂにアノードリード１８、カソードリード２２、モニタリード１９を介して、例えばはんだ等で電気的に接続する。

次に、ステム１２の上面１２ａの台座１３にモニタ用受光素子１５、ＬＥＤ１４、ボンディングワイヤ２０、２１、キャップ２３を順次組立てる。

このように構成された半導体モジュールにおいては、チップコンデンサ３２とステム１２との間には、樹脂料板で形成された実装基板２７が介在するので、製造過程において、チップコンデンサ３３がステム１２に接触することはないので、製造上の歩留まりを向上できる。

また、前述したように、実装基板２７の各貫通部２８ａ、２８ｂ、２８ｃが実装基板２７の外周縁の一部で形成されているので、実装基板２７のステム１２の下面２７ｂに対する取付作業性を向上できる。

また、このように構成された半導体モジュールを、例えば実際の電子機器に組込む場合は、図４に示すように、例えばペルチェ効果を利用した電子冷却装置の冷却板３４に形成された円形の取付口３５に装着する。この場合、半導体モジュールで生じた熱は、ステム１２の下面１２ｂから冷却板３４の取付口３５の周辺部へ伝わる。この場合、ステム１２の下面１２ｂが冷却板３４に直接接する接触面積が大きいほど冷却効果は大きい。

そこで、この実施形態においては、図１（ｂ）に示すように、実装基板２７の外径Ｄ₁を、アノードリード１８、カソードリード２２、及びモニタリード１９の各位置を通過する円の直径Ｄ₃＝２．０mmより１．０ｍｍのみ大きい、外径Ｄ₁＝３．０ｍｍに設定されている。このように、実装基板２７の外径Ｄ₁を必要最低限に設定することによって、取付口３５の内径も小さくでき、ステム１２の下面１２ｂが冷却板３４に直接接する接触面積を大きくでき、半導体モジュールの放熱効果を上昇できる。

なお、ステム１２の外径Ｄ₀＝５．６ｍｍは、ほぼ一定である。また、アノードリード１８、カソードリード２２、及びモニタリード１９が取付口３５の内周面に接するのを防止する必要があるので、たとえ、実装基板２７が取付けられていない場合であっても、取付口３５の内径を実施形態以下に設定することはできない。したがって、この実施形態の半導体モジュールにおいては、従来のサージ電圧吸収用のチップコンデンサ３２が外付けされていない半導体モジュールの放熱機能とほぼ同等の放熱機能を確保することが可能である。

また、サージ電圧吸収用コンデンサを先付けした場合、サージ電圧に対して故障しやすいＬＥＤ１４を製造、検査過程においても保護することが可能となり、製造上の歩留まりをより一層向上できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、図５に示す実装基板３６を採用することも可能である。この実装基板３６においては、アノードリード１８、カソードリード２２、及びモニタリード１９が貫通する各貫通部３７ａ、３７ｂ、３７ｃは、実装基板３６の外周縁の一部として形成されておらず、貫通穴で構成されている。したがって、その分だけ、実装基板３６の外径が、図２の実装基板２７の外径Ｄ1より大きく設定されている。

さらに、この半導体モジュールに組み込まれる、アノード端子とカソード端子を有する半導体素子として、前述したＬＥＤ１４の他に、半導体レーザ、フォトダイオード、受光素子等であってもよい。

本発明の一実施形態に係わる半導体モジュールの概略構成を示す図 同実施形態の半導体モジュールに組込まれている実装基板とチップコンデンサを示す図 同実施形態の半導体モジュールを下方から見た斜視図 同実施形態の半導体モジュールを冷却装置に組込んだ状態を示す断面模式図 同実施形態の半導体モジュールに組込み可能な他の実装基板を示す斜視図 従来のサージ保護付半導体レーザを示す図

符号の説明

１２…ステム、１３…台座、１４…ＬＥＤ、１５…モニタ用受光素子、１６，１７…貫通孔、１８…アノードリード、１９…モニタリード、２０，２１…ボンディングワイヤ、２２…カソードリード、２３…キャップ、２７，３６…実装基板、２８ａ，２８ｂ，２８ｃ…貫通部、２９ａ，２９ｂ、２９ｃ…配線パターン、３０ａ，３０ｂ…電極、３２…チップコンデンサ

Claims (2)

1. 板状のステムの上側にアノード端子とカソード端子とを有する半導体素子を設け、該半導体素子をその下端に有する開口部が前記ステムの上面に固定されたキャップで覆い、前記ステムに対して、その上端が前記半導体のアノード端子及びカソード端子に接続されるとともにその下端が前記ステムの下方に位置するアノードリード及びカソードリードを取付けた半導体モジュールにおいて、
   前記ステムの下面の一部領域に取付けられ、前記アノードリード及びカソードリードが下方へ貫通する貫通部が形成された実装基板と、
   この実装基板の下面に形成され、一端部が前記各貫通部の周辺を覆う接続部であり他端部が互いに対向する電極である一対の配線導体膜と、
   前記実装基板の下面における前記電極相互間に取付けられたコンデンサと、
   前記アノードリード及びカソードリードと対向する配線導体膜の接続部とを電気的に接続する導電性材料と
   を備えたことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記実装基板の前記貫通部が、前記実装基板の外周縁の一部で形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。

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