JP4485511B2 - ヒートシンク装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はヒートシンク（Heat Sink）装置及びその製造方法に関し、特に光電素子（Opto-Electrical Device）の埋め込み式（Embedded）金属製ヒートシンク装置及びその製造方法に関する。
半導体素子には、発光ダイオード（Light-emitting Diode：ＬＥＤ）やレーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）といった小型の光電素子が含まれ、大型や小型のバックライトモジュール（Backlight Module）や照明モジュールに応用する際には、大量の光電素子を用いなければ輝度と照度を十分に得ることができなかった。しかし、高出力で作動させた場合、多くの光電素子から構成されたモジュールは温度が急速に上昇し、モジュールの動作に悪い影響を与える上、その中にある光電素子が高温により損壊してしまうことがあった。
光電素子モジュールの動作により温度が上昇する問題を解決するため、従来技術では外掛けファンを使用したり、放熱板の面積を増大したりする方法を採用していた。しかし、外掛けファンを使用する方法では、ファンの回転で発生する振動が光源を不安定にして揺らぎを発生させる上、ファンを回転させるための電力も必要であった。一方、放熱板の面積を増大させる方法では、熱伝導率の高い金属によりヒートシンクを形成し、光電素子とヒートシンクの間の接合界面には金属が混入された接着剤を用いていた。しかし、この接着剤は、熱伝導率が純金属には遠く及ばないため、装置を運転する際に発生する熱が接合界面に蓄熱され、ヒートシンクの放熱機能を十分に発揮させることができていなかった。そのため、光電素子は長時間操作すると損壊しやすく、大きな入力パワーで作動させることもできなかった。
また、半導体素子と外部回路とを電気的に接続するため、一般に放熱板は接着剤により回路基板に接着しなければならなかった。そのため、デバイスを作動させるときに発生する熱が接着剤に蓄熱される上、プラスチック材料からなる回路基板は熱伝導率が低いため、放熱板の放熱性能は大幅に低下していた。
そのため、発光ダイオードやレーザダイオードといった光電素子には、優れた放熱性能が要求されていた。
本発明の課題は、半導体素子の正負極と外部回路との間を電気的に接続する少なくとも１つのボンディングパッドを有し、金属製ヒートシンク上に埋め込まれた半導体素子を外部回路に簡単に接続することにより、優れた放熱性能を発揮することのできるヒートシンク装置を提供することにある。
本発明の他の課題は、粘着テープにより金属製ヒートシンクを半導体素子の底面上に配置することにより、接着剤やその他の接着技術を用いる必要がなく、半導体素子の周囲にある金属製ヒートシンク上にボンディングパッドを配置して半導体素子の電極と外部回路とを電気的に接続することにより、素子を作動させた時に発生する熱を迅速かつ効果的に除去し、素子の良好な動作性を確保して寿命を延ばすことができる上、半導体素子の正負極を外部回路に簡単に接続することのできるヒートシンク装置の製造方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、粘着テープにより金属製ヒートシンクを半導体素子の底面上に配置することにより、接着剤やその他の接着技術を用いる必要がなく、半導体素子の周囲にある金属製ヒートシンク上にボンディングパッドを配置して半導体素子の電極と外部回路とを電気的に接続することにより、素子を作動させた時に発生する熱を迅速かつ効果的に除去し、素子の良好な動作性を確保して寿命を延ばすことができる上、半導体素子の正負極を外部回路に簡単に接続することのできるヒートシンク装置の製造方法を提供することにある。
本発明は、前記課題を解決するための手段として、
（１） 金属薄層、金属製ヒートシンク、及び、２つのボンディングパッドを備えたヒートシンク装置であって、前記金属薄層は、第１表面と第２表面とを有し、前記第１表面には、極性の異なる２つの電極を有する半導体素子が少なくとも１つ埋め込まれ、前記金属製ヒートシンクは、前記金属薄層の前記第２表面に接合され、前記ボンディングパッドは、前記第１表面上に配置され、ワイヤを介して前記各電極と外部回路とにそれぞれ電気接続したことを特徴とするヒートシンク装置を提供する。
（１） 金属薄層、金属製ヒートシンク、及び、２つのボンディングパッドを備えたヒートシンク装置であって、前記金属薄層は、第１表面と第２表面とを有し、前記第１表面には、極性の異なる２つの電極を有する半導体素子が少なくとも１つ埋め込まれ、前記金属製ヒートシンクは、前記金属薄層の前記第２表面に接合され、前記ボンディングパッドは、前記第１表面上に配置され、ワイヤを介して前記各電極と外部回路とにそれぞれ電気接続したことを特徴とするヒートシンク装置を提供する。
（２） 前記半導体素子は、ＧａＮ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＰｂＳ系材料又はＳｉＣ系材料である化合物半導体材料で構成すればよい。
（３） 前記金属薄層は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ若しくはこれらの金属合金であればよい。
（４） 前記金属薄層の厚みは、１０μｍよりも小さくするのが好ましい。
（５） 前記金属製ヒートシンクは、Ｆｅ／Ｎｉ合金、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、又はこれらの金属合金から構成すればよい。
（６） 前記金属製ヒートシンクの厚みは、１０μｍよりも大きいのが好ましい。
（７） 前記ボンディングパッドは、前記金属薄層の表面に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された導電層とを備えるようにするのが好ましい。
（８） 前記金属製ヒートシンクと前記金属薄層の間に形成された光反射層をさらに備えるようにするのが好ましい。
また、本発明は、前記課題を解決するための手段として、
前記（１）に記載のヒートシンク装置の製造方法であって、
（９） 仮基板の表面に粘着テープを接着する工程と、前記粘着テープの表面の一部に極性の異なる２つの電極を有する半導体素子を圧着する工程と、前記粘着テープ及び前記半導体素子の表面に金属薄層を形成することにより、前記金属薄層の第１表面に前記半導体素子を埋め込む工程と、前記金属薄層の第２表面に金属製ヒートシンクを形成する工程と、前記粘着テープ及び前記仮基板を除去する工程と、前記金属薄層の表面に２つのボンディングパッドを形成し、該ボンディングパッドと前記半導体素子の各電極とをワイヤを介して電気的に接続する工程とを含むことを特徴とするヒートシンク装置の製造方法を提供する。
前記（１）に記載のヒートシンク装置の製造方法であって、
（９） 仮基板の表面に粘着テープを接着する工程と、前記粘着テープの表面の一部に極性の異なる２つの電極を有する半導体素子を圧着する工程と、前記粘着テープ及び前記半導体素子の表面に金属薄層を形成することにより、前記金属薄層の第１表面に前記半導体素子を埋め込む工程と、前記金属薄層の第２表面に金属製ヒートシンクを形成する工程と、前記粘着テープ及び前記仮基板を除去する工程と、前記金属薄層の表面に２つのボンディングパッドを形成し、該ボンディングパッドと前記半導体素子の各電極とをワイヤを介して電気的に接続する工程とを含むことを特徴とするヒートシンク装置の製造方法を提供する。
（１０） 前記粘着テープの両面は粘着性を有するようにすればよい。
（１１） 前記粘着テープは、耐酸アルカリ性材料で構成するのが好ましい。
（１２） 前記金属薄層は、蒸着法、スパッタリング法又は無電解めっき法により形成すればよい。
（１３） 前記金属製ヒートシンクは、電解めっき法又は無電解めっき法により形成すればよい。
（１４） 前記ボンディングパッドは、前記金属薄層の前記第１の表面上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された導電層とを備えるのが好ましい。
（１５） 前記金属薄層を形成する工程と前記金属製ヒートシンクを形成する工程との間に、前記金属薄層上に光反射層を形成する工程をさらに含むのが好ましい。
本発明のヒートシンク装置は、半導体素子の正負極と外部回路との間を電気的に接続する電極である少なくとも１つのボンディングパッドを有するため、金属製ヒートシンクに埋め込まれた半導体素子を外部回路に接続するための回路基板が不要となる。
本発明のヒートシンク装置は、回路基板上に配置せずに、その上にある半導体素子と外部回路とを電気的に接続することができるため、放熱機能を十分に発揮することができる。
本発明のヒートシンク装置の製造方法は、粘着テープにより金属製ヒートシンクを半導体素子の底面上に粘着させることにより、接着剤やその他の接着技術を用いる必要がなく、工程が簡単で信頼性が高い上、素子を運転したときの温度を迅速かつ効果的に下げて、素子の良好な動作性を確保して寿命を延ばすことができる。
本発明のヒートシンク装置及びその製造方法は、半導体素子の電極を外部回路へ簡単に接続することができるとともに、金属製ヒートシンクの放熱機能を向上させて半導体素子の放熱により発生する問題を解決することができる。以下、本発明の実施形態を詳細かつ完全に説明するため、図１Ａから図８の図面を併せて参照する。
図１Ａから図８は、本発明の好適な実施形態によるヒートシンク装置の製造工程を示す平面図及びそれに対応した断面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態のヒートシンク装置の製造では、まず、仮基板１００及び粘着テープ１０２を準備する。そして、粘着テープ１０２の一方の表面１０４を仮基板１００の表面に接合し、残る他方の表面１０６を露出させる。粘着テープ１０２は、耐酸アルカリ性材料からなり、約１０μｍよりも大きい厚みを有するのが好ましい。また粘着テープ１０２は、表面１０４、１０６がそれぞれ粘着性を有し、約１００μｍの厚みを有する両面粘着テープであればなお好ましい。但し、粘着テープ１０２を軟質プラスチック材料で構成するのであれば、一方の表面１０４のみが粘着性を有し、残る他方の表面１０６は粘着性を有しない構成となる。
続いて、１又は複数の半導体素子を準備する。この半導体素子は、トランジスタ、モノリシックＩＣ（monolithic IC）又は光電素子（発光ダイオード、レーザダイオードなど）でもよい。半導体素子は、図２Ｃに示す光電素子１０８ａ、１０８ｂのように、互いに極性の異なる２つの電極を有し、これらの電極は、半導体素子の同じ側か互いに異なる側に配置されてもよい。本実施形態において、光電素子１０８ａの２つの電極１１０、１１２はそれぞれ同じ側に配置され、光電素子１０８ｂの２つの電極１１０、１１２は、光電素子１０８ｂ上でそれぞれ反対側に配置されている。電極１１０がｎ型のとき、電極１１２はｐ型であり、電極１１０がｐ型のとき、電極１１２はｎ型である。本実施形態の半導体素子は光電素子１０８ａである。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、光電素子１０８ａの一側を粘着テープ１０２の表面１０６に向けて下向きに圧着させ、光電素子１０８ａを粘着テープ１０２の表面１０６へ接着させたり埋め込んだりして固定し、この接着された側と表裏の関係にある側である光電素子１０８ａの他方の側を露出させ、粘着テープ１０２の一側に設けられた２つの電極１１０、１１２を光電素子１０８ａで圧着させる。本実施形態では、２つの電極が導電されないように、光電素子１０８ａが圧着される粘着テープ１０２の中の圧着側には、少なくとも１つの電極を設ける必要がある。また、多くの光電素子１０８ａを同時に製造する場合は、これら光電素子１０８ａは工程の必要性に応じて任意に配列させてもよい。
本実施形態の光電素子１０８ａは、ＧａＮ系ＬＥＤ（GaN-based LED）、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤ（AlGaInP-based LED）、ＰｂＳ系ＬＥＤ（PbS-based LED）又はＳｉＣ系ＬＥＤ（SiC-based LED）でもよい。他の実施形態の光電素子１０８ａは、ＧａＮ系レーザダイオード（GaN-based LD）、ＡｌＧａＩｎＰ系レーザダイオード（AlGaInP-based LD）、ＰｂＳ系レーザダイオード（PbS-based LD）又はＳｉＣ系レーザダイオード（SiC-based LD）でもよい。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、粘着テープ１０２に光電素子１０８ａを固定し、蒸着法、スパッタリング法又は無電解めっき法により、光電素子１０８ａの表面と粘着テープ１０２の表面１０６とを金属薄層１１４で被覆する。本実施形態の金属薄層１１４は、金属材料が堆積しやすいように、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、又はこれらの金属合金といった付着性を有する金属材料から選択するのが好ましい。また、本実施形態の金属薄層１１４は、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、又はこれらの金属合金といった反射率が高い金属材料から選択するのが好ましい。本実施形態の金属薄層１１４は、単層、多層のいずれで構成してもよい。また、金属薄層１１４は、厚みが約１０μｍよりも小さいことが好ましく、本実施形態の金属薄層１１４の厚みは約１０ｎｍである。
金属薄層１１４の形成後、半導体デバイスのヒートシンクを直接製造するか、製品の必要性に応じて半導体素子のうち、光電素子に属するものに対して光反射構造を選択的に配置し、光電素子の光取り出し効率を高める。本実施形態は、蒸着法、スパッタリング法、無電解めっき法又は電解めっき法により光反射層１２０を形成して光電素子１０８ａの上方にある金属薄層１１４を被覆する。この光反射層１２０は、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、又はこれらの金属合金といった反射率が良好な金属材料から選択することが好ましく、単層又は多層のいずれでもよい。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、本実施形態の光反射層１２０は、金属薄層１１４上に順次堆積された銀膜１１６及び金膜１１８から構成される。銀膜１１６は厚みが約３００ｎｍであり、金膜１１８は厚みが約１５０ｎｍである。本実施形態の光反射層１２０の厚みは、約１０μｍよりも小さいことが好ましい。しかし金属薄層１１４が光反射率の高い金属薄膜材料からなる場合、金属薄層１１４は光反射機能を提供するため、光反射層をさらに配置する必要はない。
続いて、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、電解めっき法や無電解めっき法などにより、光反射層１２０を被覆し、厚い単一の金属層からなる金属製ヒートシンク１２２を形成する。これにより、高い熱伝導率が得られる。本実施形態の金属製ヒートシンク１２２は、電解めっき法又は無電解めっき法により、光反射層１２０上のみに形成される。金属製ヒートシンク１２２は、Ｆｅ／Ｎｉ合金、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、又はそれらの金属合金といった放熱性に優れた金属からなることが好ましい。金属製ヒートシンク１２２は、高い熱伝導率を提供するため、厚みが約１０μｍよりも大きいことが好ましい。本実施形態の金属製ヒートシンク１２２は、厚みが約３ｍｍである。
本発明の特徴は、蒸着法、スパッタリング法や無電解めっき法といった堆積法（薄膜作製技術）により、まず、厚みが小さい金属薄膜を、続く金属製ヒートシンクを形成するための電解めっき又は無電解めっきの基礎として形成した後、半導体素子の必要性に応じて光反射層を選択的に形成し、光電素子の光取り出し効率を向上させることにある。本発明は、１つの粘着テープだけで、半導体素子の底面上へ金属製ヒートシンクを製造することができるため、工程が非常に簡単な上、既存の装置を使用でき、余分な製造コストがかからない。また、半導体素子は、金属製ヒートシンクの表面に埋め込まれ、半導体素子と金属製ヒートシンクの間に接着剤を用いる必要がないため、半導体素子の伝熱面積と熱伝導率を大幅に向上させることができる。
図６に示すように、金属製ヒートシンク１２２を製造し、粘着テープ１０２及び仮基板１００を除去すると、光電素子１０８ａと同一面内に配置した電極１１０、１１２と、光電素子１０８ａを設けた金属薄層１１４とを露出させることができる。金属薄層１１４及び光電素子１０８ａは、粘着テープ１０２により仮基板１００上に接着させることができるため、金属製ヒートシンク１２２、金属薄層１１４、光反射層１２０及び光電素子１０８ａは、仮基板１００から簡単に分離させることができる。
続いて、図７に示すように、粘着剤１４０により数個のボンディングパッド１２８、１３４を光電素子１０８ａの周囲にある金属薄層１１４の露出表面上へ接着させて固定させる。ボンディングパッド１２８は、絶縁層１２４及び導電層１２６を主に含む。粘着剤１４０により絶縁層１２４を金属薄層１１４の表面上へ接合すると、導電層１２６は、絶縁層１２４上に配置される。同様に、ボンディングパッド１３４は、絶縁層１３０及び導電層１３２を主に含み、絶縁層１３０は、粘着剤１４０を介して金属薄層１１４の表面上へ接合され、導電層１３２は絶縁層１３０上に配置される。本実施形態は、１つの半導体素子が、互いに極性の異なる、少なくとも２つの電極を有するため、２つのボンディングパッドと組み合わせ、各電極を各ボンディングパッドにそれぞれ対応させることができる。
その後、図８に示すように、光電素子の電極１１０、１１２とボンディングパッド１２８、１３４の導電層１２６、１３２とをそれぞれ接続する少なくとも２つのワイヤ１３６、１３８をワイヤボンディング方式により形成し、電極１１０とボンディングパッド１２８の間と、電極１１２とボンディングパッド１３４の間とを電気的に接続する。本実施形態において、同極性の電極とボンディングパッドとの間は、必ずしも１本のワイヤのみで接続する必要はなく、例えば、４本のワイヤで正極とｐ型ボンディングパッドとを接続し、３本のワイヤで負極とｎ型ボンディングパッドとを接続してもよい。そのため、電極と同極性のボンディングパッドとの間には少なくとも１本のワイヤを設けるが、そのワイヤの数は、チップ設計の必要性に応じて増減させることができる。外部回路（図示せず）のワイヤは太いため、光電素子１０８ａなどの半導体素子の電極１１０、１１２のサイズは小さく、外部回路を２つの電極１１０、１１２に直接接続することは困難であるため、電極１１０、１１２よりも遥かに大きいボンディングパッド１２８、１３４を配置することにより、外部回路との接続を容易に行うことが可能である。また、光電素子１０８ａの周囲にある金属薄層１１４の表面上にボンディングパッド１２８、１３４を配置した後に、ワイヤボンディング方式により光電素子１０８ａ上にある電極１１０、１１２は、それぞれワイヤ１３６、１３８及びボンディングパッド１２８、１３４を介してボンディングパッド１２８、１３４に接合されている外部回路と電気的に接続されるため、回路基板は不要となる。
このように、本発明は、金属製ヒートシンク上にボンディングパッドが配置され、半導体素子の電極と外部回路とが電気的に接続されているため、回路基板が不要となる上、金属製ヒートシンクを回路基板上に配置する必要がなく、金属製ヒートシンクの放熱性能を十分に発揮させることができる。
前述の通り、当業者が理解できるように、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本出願による特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
１００ 仮基板
１０２ 粘着テープ
１０４ 表面
１０６ 表面
１０８ａ 光電素子
１０８ｂ 光電素子
１１０ 電極
１１２ 電極
１１４ 金属薄層
１１６ 銀膜
１１８ 金膜
１２０ 光反射層
１２２ 金属製ヒートシンク
１２４ 絶縁層
１２６ 導電層
１２８ ボンディングパッド
１３０ 絶縁層
１３２ 導電層
１３４ ボンディングパッド
１３６ ワイヤ
１３８ ワイヤ
１４０ 粘着剤
１０２ 粘着テープ
１０４ 表面
１０６ 表面
１０８ａ 光電素子
１０８ｂ 光電素子
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１１６ 銀膜
１１８ 金膜
１２０ 光反射層
１２２ 金属製ヒートシンク
１２４ 絶縁層
１２６ 導電層
１２８ ボンディングパッド
１３０ 絶縁層
１３２ 導電層
１３４ ボンディングパッド
１３６ ワイヤ
１３８ ワイヤ
１４０ 粘着剤
Claims (15)
- 金属薄層、金属製ヒートシンク、及び、２つのボンディングパッドを備えたヒートシンク装置であって、
前記金属薄層は、第１表面と第２表面とを有し、前記第１表面には、極性の異なる２つの電極を有する半導体素子が少なくとも１つ埋め込まれ、
前記金属製ヒートシンクは、前記金属薄層の前記第２表面に接合され、
前記ボンディングパッドは、前記第１表面上に配置され、ワイヤを介して前記各電極と外部回路とにそれぞれ電気接続したことを特徴とするヒートシンク装置。 - 前記半導体素子は、ＧａＮ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＰｂＳ系材料又はＳｉＣ系材料である化合物半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク装置。
- 前記金属薄層は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ若しくはこれらの金属合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク装置。
- 前記金属薄層の厚みは、１０μｍよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートシンク装置。
- 前記金属製ヒートシンクは、Ｆｅ／Ｎｉ合金、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、又はこれらの金属合金からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヒートシンク装置。
- 前記金属製ヒートシンクの厚みは、１０μｍよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク装置。
- 前記ボンディングパッドは、
前記金属薄層の表面に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成された導電層と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒートシンク装置。 - 前記金属製ヒートシンクと前記金属薄層の間に形成された光反射層をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のヒートシンク装置。
- 前記請求項１に記載のヒートシンク装置の製造方法であって、
仮基板の表面に粘着テープを接着する工程と、
前記粘着テープの表面の一部に極性の異なる２つの電極を有する半導体素子を圧着する工程と、
前記粘着テープ及び前記半導体素子の表面に金属薄層を形成することにより、前記金属薄層の第１表面に前記半導体素子を埋め込む工程と、
前記金属薄層の第２表面に金属製ヒートシンクを形成する工程と、
前記粘着テープ及び前記仮基板を除去する工程と、
前記金属薄層の表面に２つのボンディングパッドを形成し、該ボンディングパッドと前記半導体素子の各電極とをワイヤを介して電気的に接続する工程と、
を含むことを特徴とするヒートシンク装置の製造方法。 - 前記粘着テープの両面は粘着性を有することを特徴とする請求項９に記載のヒートシンク装置の製造方法。
- 前記粘着テープは、耐酸アルカリ性材料からなることを特徴とする請求項９又は１０に記載のヒートシンク装置の製造方法。
- 前記金属薄層は、蒸着法、スパッタリング法又は無電解めっき法により形成することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のヒートシンク装置の製造方法。
- 前記金属製ヒートシンクは、電解めっき法又は無電解めっき法により形成することを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のヒートシンク装置の製造方法。
- 前記ボンディングパッドは、
前記金属薄層の前記第１の表面上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成された導電層と、
を備えることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載のヒートシンク装置の製造方法。 - 前記金属薄層を形成する工程と前記金属製ヒートシンクを形成する工程との間に、
前記金属薄層上に光反射層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項に記載のヒートシンク装置の製造方法。
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