JP4939946B2 - ビーム発光型及び／又はビーム受光型半導体構成素子 - Google Patents
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Description
本発明は、ビーム発光型及び／又はビーム受光型半導体構成素子であって、ビーム発光性及び／又はビーム受光性の半導体チップと、プラスチック成形部と、外部電気端子とを有し、前記プラスチック成形部は、半導体構成素子によって発光及び／又は受光される電磁放射に対して透過性でかつ当該プラスチック成形部を用いて半導体チップが少なくとも部分的に変形されており、前記外部電気端子は、半導体チップの電気的なコンタクト面と電気的に接続されている半導体構成素子に関している。さらに本発明は、そのような半導体構成素子の製造方法にも関している。
この種の半導体構成素子は国際公開第０１/５０５４０号パンフレットから公知である。そこに開示されている構成素子では、半導体チップがリードフレーム上に取付けられている。この半導体チップとリードフレームの部分領域はプレス成形されたプラスチック成形体によって覆われている。リードフレームの外部電気端子はこのプラスチック成形体から突出している。このプラスチック成形体は例えばエポキシ樹脂からなり、無機若しくは有機の変換物質並びに充填物質を含んでいる。
オプトエレクトロニクス構成素子の別の方式は、例えば国際公開第９９/０７０２３号パンフレットから公知である。ここでは、半導体チップが載置されているリードフレームがケーシング基体と共に変形され、さらに反射器型の切欠きを有している。この切欠き内には半導体チップが配設されている。この切欠きは、半導体チップの取付け後にビーム透過性の大抵は透明の鋳造質量体によって、半導体チップと場合によってはチップからリードフレームまでのボンディングワイヤがこれによって取り囲まれるまで充填される。そのような構造形態の公知の鋳造質量体は、例えば透過性のエポキシ樹脂である。類似の構造形態は例えば国際公開第９８/１２７５７号パンフレットから公知である。
米国特許出願公開第６，２７４，９２４号明細書には表面実装可能なＬＥＤケーシング構造形態が開示されており、ここでは半導体チップが内部に埋め込まれリードフレームの外部電気端子と電気的に接続されている剛性のプラスチック体が、軟性のビーム透過性の包含材料、例えばシリコンによって充填されている。このプラスチック体の上にはレンズキャップが載置されている。このレンズキャップは、包含材料に一方では所定の形態を付与し、他方ではケーシング基体からの流出を阻止している。このＬＥＤケーシング構造形態は比較的多数のケーシング構成要素が必要になることに基づいて比較的多くの製造コストがかかる。
発明が解決しようとする課題
本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の半導体構成素子において、一方では技術的に容易に製造が可能であり、他方では特に青色光若しくは紫外線ビームを放出する半導体チップの適用のもとで十分な劣化安定性が得られるように改善を行うことである。
本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の半導体構成素子において、一方では技術的に容易に製造が可能であり、他方では特に青色光若しくは紫外線ビームを放出する半導体チップの適用のもとで十分な劣化安定性が得られるように改善を行うことである。
課題を解決するための手段
前記課題は、請求項１の特徴部分に記載された本発明による半導体素子と、請求項９の特徴部分に記載された本発明による方法によって解決される。この半導体構成素子の別の有利な構成例は請求項２〜８に記載されている。
前記課題は、請求項１の特徴部分に記載された本発明による半導体素子と、請求項９の特徴部分に記載された本発明による方法によって解決される。この半導体構成素子の別の有利な構成例は請求項２〜８に記載されている。
本発明によるビーム発光型及び／又はビーム受光型半導体構成素子は、以下の構成要素を含んでいる。すなわち、
−ビーム発光性及び／又はビーム受光性の半導体チップ
−特に射出成形若しくはプレス成形されたプラスチック成形部、このプラスチック成形部は半導体構成素子によって発光及び／又は受光される電磁ビームに対して透過性であり、該プラスチック成形体を用いて半導体チップが少なくとも部分的に変形され、さらに前記プラスチック成形部は硬化反応性のシリコン成形質量体からなっている、
−外部電気端子、この外部電気端子は半導体チップの電気的なコンタクト面と電気的に接続されている。
−ビーム発光性及び／又はビーム受光性の半導体チップ
−特に射出成形若しくはプレス成形されたプラスチック成形部、このプラスチック成形部は半導体構成素子によって発光及び／又は受光される電磁ビームに対して透過性であり、該プラスチック成形体を用いて半導体チップが少なくとも部分的に変形され、さらに前記プラスチック成形部は硬化反応性のシリコン成形質量体からなっている、
−外部電気端子、この外部電気端子は半導体チップの電気的なコンタクト面と電気的に接続されている。
前記シリコン成形質量体とは、当該明細書では、専らシリコンからなる成形質量体だけでなく、成形プロセスを用いてプラスチック成形部まで処理可能な成形質量体であって、従来の成形質量体よりも劣化安定性が十分に向上しているシリコンからなる成形質量体も含む。
このシリコン成形質量体は有利には１０分以下の硬化時間を有している。このことは経済的に意味のある機械の稼動時間の実現のもとで半導体構成素子の製造を容易にしている。
またこのシリコン成形質量体は有利には、硬化状態において数値６５のショアー硬度（Ｄ型）以上の硬さを有している。それにより有利には機械的影響に対するプラスチック成形部の形状安定性が向上する。
さらにこの成形質量体は、有利にはシリコンの他に少なくとも１つのさらなる材料、例えばエポキシ受信を含んだシリコン複合材料である。そのような複合材料は次のような利点を提供する。すなわちそのつどの適用ケースと使用されるプロセスに対する要求に適合化させることができる。シリコン−エポキシ樹脂複合材は通常は、シリコンのみの成形質量体よりも硬化が早くて機械的な強度も高い。この理由から大抵は容易に成形でき、プロセス時間もより短くできる。
混合光を放出する半導体構成素子の製造のために、シリコン成形質量体は、次のような変換材料を含む。すなわち半導体チップによって発光される及び／又は半導体構成素子によって受光される第１の波長領域の電磁放射の少なくとも一部を吸収し、第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の電磁放射を放出する変換材料を含む。特に無機の蛍光粉末は簡単なやり方でシリコン材料に混合させることが可能である。それに関する例として例えばＣｅｒドーピングされたイットリウム・アルミニウム・ガーネットやＣｅｒドーピングされたテルビウム・アルミニウム・ガーネット粉末が挙げられる。その他の適した無機蛍光物質は、例えば国際公開第０１/５０５４０号パンフレットや国際公開第９８/１２７５７号パンフレットに記載があり、その限りではそれらの開示内容も参照され得る。
有利には本発明によるプラスチック成形部は、青色スペクトル領域若しくは紫外スペクトル領域の電磁放射を放出する半導体チップを有する半導体構成素子において用いられる。
別の有利な実施例によれば、唯一の一体的なプラスチック成形部の半導体チップは硬化反応性のシリコン成形質量体から製造される。この種のプラスチック成形部の基本構成は、例えば先の国際公開第０１/５０５４０号パンフレットに記載されており、その限りではこの開示内容も参照され得る。
別の有利な実施例によれば、半導体チップが半導体チップの電気端子に対する電気的導体線路を備えた支持基板又は支持箔上に被着され、半導体チップが硬化反応性シリコン鋳造質量体からなるプラスチック成形部によって包み込まれる。
本発明による半導体素子の有利な製造方法によれば、半導体チップが外部電気端子を備えた導体フレーム上に固定され、外部電気端子と電気的に接続される。それに続いて半導体チップは、導体フレームの部分領域も含めて射出成形法又はプレス成形法を用いてシリコン成形質量体でもって変形される。
別の有利な方法によれば、半導体チップが半導体チップの電気端子に対する電気的導体線路を備えた支持基板若しくは支持箔上に被着され、電気的導体線路と電気的に接続される。それに続いて半導体チップは支持基板ないしは支持箔上に射出成形法又はプレス成形法を用いてシリコン成形質量体によって包み込まれる。
特に有利には本発明は、０.５ｍｍ×１.０ｍｍ以下の設置面積（底面積）を有している、及び／又は３５０μｍ以下、有利には２５０μｍ以下の全高を有している、ビーム発光型及び／又はビーム受光型半導体構成素子のもとで利用される。
本発明のさらなる利点、さらなる構成及び有利な実施形態は、以下で図１から図３に基づいて説明する実施例から明らかにされる。これらの図面のうち、
図１は本発明の第１実施例の断面図であり、
図２は本発明の第２実施例の断面図であり、
図３は本発明の第３実施例の断面図である。
図１は本発明の第１実施例の断面図であり、
図２は本発明の第２実施例の断面図であり、
図３は本発明の第３実施例の断面図である。
実施例
次に本発明の実施例を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。これらの種々の実施例において同じ構成要素ないし同じ作用の構成要素には、それぞれ同じ名称が用いられ、同じ符号が付されている。これらの図面は基本的には必ずしも縮尺通りのものではない。また個々の構成要素も基本的には実際のサイズ比で相互に示されたものではないことを述べておく。
次に本発明の実施例を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。これらの種々の実施例において同じ構成要素ないし同じ作用の構成要素には、それぞれ同じ名称が用いられ、同じ符号が付されている。これらの図面は基本的には必ずしも縮尺通りのものではない。また個々の構成要素も基本的には実際のサイズ比で相互に示されたものではないことを述べておく。
図１による実施例は、導体フレーム（リードフレーム）上の白色光を放出する発光ダイオード構成素子である。
金属性の導体フレーム（リードフレーム）１０（該フレーム上のチップ取付け領域１６には１つのＬＥＤチップ１が取付けられている）は、透過性のシリコン成形質量体３と共に変形されており、該シリコン成形質量体３からはその相対向する２つの側面においてそれぞれ１つのリードフレーム端子１１，１２が突出している。これらのリードフレーム端子１１，１２は、当該発光ダイオード構成素子の外部電気端子を表している。透過性のシリコン成形質量体３内部では、リードフレーム端子１１，１２の各々がチップ取付け領域１６から当該発光ダイオード構成素子の取付け面１３の方向に向けてＳ字状の湾曲部１４，１５を有している。
シリコン成形質量体３には、屈折率を高めるために無機質の充填剤、例えばＴｉＯ2、ＺｒＯ2、α−Ａｌ2Ｏ3などが添加されていてもよい。
図１による発光ダイオード光源の製造方法のもとでは、ＬＥＤチップ１がリードフレーム１０上のチップ取付け領域１６に取付けられ、リードフレーム端子１１，１２と導電的に接続される。これらのリードフレーム端子１１，１２には、半導体ＬＥＤチップ１の取付け前若しくは取付け後にＳ字状の湾曲部１４，１５が設けられる。半導体チップ１はリードフレーム１０のＳ字状湾曲部１４，１５も含めてプレス成形法若しくは射出成形法を用いて透過性のシリコン成形質量体３と共に変形される。シリコン成形質量体３はプレス成形若しくは射出成形においてさらに少なくとも部分的に硬化される。それにより十分に形状安定した一体型のプラスチック成形部５が形成される。
白色光源のもとでは、半導体ＬＥＤチップ１は、青色スペクトル領域又は紫外スペクトル領域にある発光スペクトルを有する。半導体ＬＥＤチップ１は有利には、ＧａＮ又はＩｎＧａＮをベースに構成される。しかしながら半導体ＬＥＤチップ１はＺｎＳ／ＺｎＳｅなどの材料系からなっていてもよいし、前記スペクトル領域に適したその他の材料系からなっていてもよい。
半導体ＬＥＤチップ１の被着とコンタクト接続の後では、適切な射出成形装置ないしプレス成形装置において透過性のシリコン成形質量体３がリードフレーム端子１１，１２に射出される。シリコン成形質量体３においては、蛍光粉末４が埋め込まれる。この蛍光粉末は半導体ＬＥＤチップ１から放出された電磁放射の少なくとも部分的な波長変換を引き起こす変換材からなっている。この波長変換材を用いることにより、白色光源の光学的な印象を引き起こす放射スペクトルが生成される。蛍光粉末に適した蛍光材は、例えばＣｅｒドーピングされたイットリウム・アルミニウム・ガーネットパウダーやＣｅｒドーピングされたテルビウム・アルミニウム・ガーネットパウダーなどである。
リードフレーム１０の事前作成とシリコン成形質量体３を用いた変形（これは場合によっては蛍光粉末４とさらなる充填材を含む）は、次のように行われる。すなわち、リードフレーム区分１１，１２がプラスチック成形部５から水平方向に引き出され、詳細にはそのろう付け端子面１１Ａ，１２Ａが実質的にプラスチック成形部５の裏側と同じ平面内（これは通常はプリント基板上の構成素子の載置面を表している）に存在するように行われる。これに対してリードフレーム端子１１，１２は注入前に既に最終形状に曲げられる。それらは変形前にチップ端子領域から取付け面の方向でＳ字状の湾曲部を既に有しており、そのためもはや変形後に構成素子に対して曲げによるストレスの影響を与えることはない。このことは特に僅かな体積のプラスチック成形部５しか有さないさらに小型化された構成素子の場合には特に有利となる。なぜならそこでは注入材とリードフレームとの間で層間剥離が生じた場合に、例えば曲げストレスによって完成後の構成素子の気密性が達成できなくなる大きな危険性が解決されるからである。
シリコン成形質量体３は、例えば１０分以下の硬化時間を有し、硬化された状態において６５ショアー硬度（Ｄ）以上の硬度を有する。
完成した構成素子は有利にはプリント基板（ボード）上で平らな水平方向の端子面１１Ａ，１２Ａにリフロー法によってろう付け可能である。それにより表面実装法ＳＭＴ（Surface Mounting Technology）に適した構成素子が製造される。
同じようなやり方でＵＶ放射や青色放射を検出するフォトダイオード構成素子が形成され得る。
図２による第２実施例は、図１による第１実施例と特に次の点で異なっている。すなわち導体フレーム１０の箇所において絶縁性の支持基板１００が金属化層の形態の電気的な導体線路１１１，１１２を備えている点である。プラスチック成形部５は、支持基板１００上に設けられている。この構成素子は第１実施例と類似した手法で形成が可能である。
図３による第３実施例は、小型発光ダイオードであり、これは可撓性の導体フレーム１０と、ビーム発光性の活性領域を備えたＬＥＤチップ１と、プラスチック成形部５とを有している。可撓性の導体フレーム１０は、この場合６０μｍの厚さの金属箔１０１と同じく６０μｍの厚さのプラスチック箔１０２からなっており、これらは高精度に相互に接着されている。プラスチック箔はシリコンプラスチックで形成されていてもよい。
金属箔１０１は、カソードとアノードが定められるように押し抜き加工されている。それぞれカソードとアノードの上方ではプラスチック箔１０２内に押し抜き加工によって複数の孔部が設けられている。ＬＥＤチップ１の下側は前記複数の孔部の一方を貫通してカソード上にボンディングされている。アノードは他方の孔部を通るボンディングワイヤ２を介してＬＥＤチップ１の上側に接続されている。
前記可撓性のフレーム上で多数の構成部材を実現し得るようにするために、包み込みに対して例えばいわゆるキャビティツーキャビティモルディング法（Cavity−to−Cavity Molding）が用いられる。それにより各可撓性の導体フレーム１０上で、ＬＥＤチップ１とボンディングワイヤ２を包み込むプラスチック成形部５が製造される。構成部材を通る射出チャネルの案内によって、射出チャネルの数が低減できる。プラスチック成形部は、前述してきた実施例のプラスチック成形部と同じ材料からなる。
さらにこれらの構成部材はアレイモルディング法（Array−Molding）を用いて包み込むことも可能である。このアレイモルディング法の場合には、それぞれ多数の構成部材を含んだ工具の空洞が充填される。射出構成部材は成形部の冷却後に例えばカッティングによって分離される。アレイモルディング法の場合の面密度は有利には通常はキャビティツーキャビティモルディング法よりも高い。
総じて小型発光ダイオードの設置面積（フットプリント）は約０.５ｍｍ×１.０ｍｍであり、全高は２５０μｍのみである。
前述してきた説明、図面並びに請求項で開示されている本発明の特徴は、個別においても、任意の組み合わせにおいても本発明の本質であり得る。また発光ダイオードの代わりにフォトダイオードが用いられてもよいし、あるいはチップが発光ダイオード及びフォトダイオードとして作動するものであってもよい。
Claims (20)
- ビーム発光型及び／又はビーム受光型半導体構成素子であって、
ビーム発光性及び／又はビーム受光性の半導体チップと、
プラスチック成形部と、
外部電気端子とを有し、
前記プラスチック成形部は、半導体構成素子によって発光及び／又は受光される電磁放射に対して透過性であり、前記半導体チップが当該プラスチック成形部によって少なくとも部分的に取り囲まれるように形成されており、
前記外部電気端子は、半導体チップの電気的なコンタクト面と電気的に接続されている半導体構成素子において、
前記プラスチック成形部が、硬化反応性のシリコン成形質量体からなっており、
前記半導体チップは、可撓性の導体フレーム上で前記プラスチック成形部によって包み込まれるように取付けられており、
前記可撓性の導体フレームはプラスチック箔と金属箔からなり、
前記金属箔はカソードとアノードが定められるように押し抜き加工されており、
前記プラスチック箔は、前記カソードとアノードの上方にそれぞれ１つの孔部を有しており、
前記半導体チップは、前記複数の孔部のうちの１つを貫通して前記カソードにボンディングされていることを特徴とする半導体構成素子。 - 前記プラスチック成形部はキャビティツーキャビティモルディング法またはアレイモルディング法を用いて製造されている、請求項１記載の半導体構成素子。
- 前記プラスチック成形部は、シリコン成形質量体からなっている、請求項１または２記載の半導体構成素子。
- 前記プラスチック成形部と金属箔は、それぞれ６０μｍの厚さを有している、請求項１から３いずれか１項記載の半導体構成素子。
- 前記シリコン成形質量体は、１０分以下の硬化時間を有するものである、請求項１から４いずれか１項記載の半導体構成素子。
- 前記シリコン成形質量体は、硬化された状態において数値が６５以上のショアー硬度（Ｄ）を有している、請求項１から５いずれか１項記載の半導体構成素子。
- 前記シリコン成形質量体は、シリコン複合材料である、請求項１から６いずれか１項記載の半導体構成素子。
- 前記シリコン成形質量体は、変換材料を含んでおり、該変換材料は半導体チップによって発光される及び／又は半導体構成素子によって受光される第１の波長領域の電磁放射の少なくとも一部を吸収し、第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の電磁放射を放出する、請求項１から７いずれか１項記載の半導体構成素子。
- 前記シリコン成形質量体は、無機質の充填剤を含んでいる、請求項１から８いずれか１項記載の半導体構成素子。
- 前記無機質の充填剤には、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、α−Ａｌ2Ｏ3のうちの少なくとも１つが含まれている、請求項９記載の半導体構成素子。
- 前記半導体チップは、青色スペクトル領域若しくは紫外スペクトル領域の電磁放射を放出する、請求項１から１０いずれか１項記載の半導体構成素子。
- ０.５ｍｍ×１.０ｍｍ以下の設置面積（フットプリント）を有している、請求項１から１１いずれか１項記載の半導体構成素子。
- ３５０μｍ以下の全高を有している、請求項１から１２いずれか１項記載の半導体構成素子。
- 請求項１から１３いずれか１項記載の複数のビーム発光型及び／又はビーム受光型の半導体構成素子を製造するための方法において、
各構成部材毎に１つの半導体チップを外部電気端子を備えた可撓性の導体フレーム上に固定し、
各半導体チップに対する射出成形部は、導体フレームの部分領域も含めて半導体チップの設けられる空胴を有し、
ここでは射出チャネルが空胴毎に案内され、
シリコン成形質量体を射出成形法又はプレス成形法を用いて空洞内へ射出し、
前記シリコン成形質量体を前記空胴内で少なくともそれぞれ形状安定したプラスチック成形部が形成されるように硬化させることを特徴とする半導体構成素子の製造方法。 - 前記シリコン成形質量体は、１０分以下の硬化時間を有するものである、請求項１４記載の方法。
- 前記半導体チップは、可撓性の導体フレーム上に固定され、プラスチック箔と金属箔からなっている、請求項１４または１５記載の方法。
- 前記可撓性の導体フレームの製造は、プラスチック箔と金属箔の接着を含んでいる、請求項１６記載の方法。
- 前記金属箔は押し抜き加工され、それによってカソードとアノードを定めている、請求項１７記載の方法。
- 前記カソードとアノードの上方で前記プラスチック箔内に複数の孔部が打ち抜き加工されている、請求項１８記載の方法。
- 前記半導体チップはＬＥＤチップであり、さらに前記複数の孔部のうちの１つを貫通してカソード上にボンディングされている、請求項１９記載の方法。
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