JP5301339B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に積層基板で構成された凹部内に半導体発光素子と封止樹脂部を備えた半導体発光装置に関する。

特許文献１には、貫通穴を備えたベース基板上に接着シートを介してリフレクタ基板を積層して形成された凹部内に発光素子を配置した半導体発光装置が記載されている。発光素子は、ベース基板上に形成された配線パターンへ配線用ワイヤを介して電気的に接続されている。

特開２００６−０８０１１７号公報

特許文献１のような半導体発光装置においては、ベース基板上で、接着シートに含まれる接着剤がリフレクタ基板の内側面より発光素子側に侵入するという問題を生じる場合があった。つまり、半導体発光装置を上面から観測した場合に、リフレクタ基板の貫通穴外周を画定する端部から、接着剤がはみ出した状態となるという問題を生じる場合があった。
接着剤がはみ出すことにより、はみ出した接着剤が熱や紫外光により変色して発光素子からの発光の一部を吸収して光取り出し効率を低下させるという課題があった。

また、近年の小型化の要求に応じ、リフレクタ基板の貫通穴の外周を画定する端部や接着シートの端部と配線パターン上の配線ワイヤの結線部との距離が小さく形成された場合、はみ出した接着剤がベース基板上に設けた配線パターンの配線ワイヤを接続するための領域まで到達し、配線ワイヤの結線を阻害するなど、半導体発光装置の信頼性を低下させるという課題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決して、接着剤のはみ出しにより光取り出し効率や信頼性が低下することのない、接着層を介在した積層基板型の半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、下部基板と、下部基板上に配置される第一の貫通孔を備えた接着層と、接着層上に配置される第二の貫通孔を備えた上部基板と、下部基板上、あるいは、下部基板に形成された第四の貫通孔の底面を塞ぐよう配設した支持基板上に載置された半導体素子と、半導体素子を覆う封止樹脂部を有する。そして、本発明の半導体装置の上部基板は、第一の貫通孔上に張り出した突縁部を備え、突縁部には第三の貫通孔が形成されており、また、前記下部基板は、上面に導体パターンを備え、前記第三の貫通孔は、前記導体パターンの形成されていない領域の上方に形成されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置によれば、接着層が上部基板の内側面より後退しているため、接着層からの接着剤が上部基板の内側面の位置より半導体素子側へ侵入するのを抑制することができる。つまり、半導体装置を上面から観測した場合（以下、「上面視において」）、上部基板の第二の貫通孔の外周を画定する端部から接着剤がはみ出すことがない。そして、はみ出した接着剤が熱や紫外光により変色して発光素子からの発光の一部を吸収して光取り出し効率を低下させることがない。

更に、接着剤のはみ出しを防ぐために突縁部が形成されることによって、突縁部下の窪みで発生しやすくなってしまった気泡を第三の貫通孔から排出して、封止樹脂部内に気泡が残留するのを防ぐことができる。そして、気泡の残留を抑制することにより、気泡と導電ワイヤの接触による導電ワイヤの切断、および、封止樹脂部の気泡によるクラックといった問題を低減することができるとともに、光学特性の信頼性を向上することができる。

本発明における半導体素子としては、半導体発光素子あるいは半導体受光素子を用いることができ、その一対の電極が半導体素子の上面と下面に形成されているもの、上面のみに形成されているもの、あるいは、下面のみに形成されているものを用いることができる。

本発明における半導体素子は、下部基板上、または、下部基板に設けた第四の貫通孔の底面を塞ぐ支持基板上に配置することができる。また、本発明における半導体素子は、単数でも複数でもよく、さらに複数の場合に下部基板上と支持基板上の両方に配置することができる。

本発明における接着層は、単層でも複数層でもよく、半導体装置の用途や製法に応じて適宜選択される。例えば、一層の接着シートのみから構成することも、絶縁性基板と該絶縁性基板の両面に設けられた接着シートの三層から構成することができる。

本発明における導電ワイヤは、金線、アルミニウム線などを用いることができる。

本発明の半導体装置において、下部基板の上面に導体パターンが形成されている場合、第三の貫通孔は、導体パターンの形成されていない領域の上方に形成することができる。

この場合、突縁部の下で封止樹脂部中に発生する気泡を効率よく外部へ排出することができる。気泡は、突縁部の下の導体パターンの形成されていない領域に発生しやすいためである。

本発明の半導体装置において、下部基板は、上面に導体パターンを備え、該導体パターンの接着層に覆われない領域上に半導体素子に接続された導電ワイヤを結線することができる。

この場合、上面視において、上部基板の第二の貫通穴の外周を画定する端部と、導電パターンにおける導電ワイヤの結線部との距離が小さい場合にも、結線部への接着剤の到達を抑制して、導電ワイヤの接続が不良となるのを低減することができる。

本発明の半導体装置において、導体パターンは、半導体素子に導電ワイヤを介して接続される配線部と、該配線パターンと分離して設けられた反射部とを有し、第三の貫通孔は、配線部と反射部に挟まれた導体パターンの形成されていない領域の上方に形成することができる。

この場合、突縁部の下の配線部と反射部に挟まれた導体パターンの形成されていない領域に気泡が発生しやすいが、気泡発生箇所およびその近傍に第三の貫通孔が位置することにより、封止樹脂が硬化する前に第三の貫通孔から気泡を外部へ排出できる。

本発明の半導体装置において、第三の貫通孔は、内壁が上広がりの傾斜を有する形状とすることができる。

この場合、内壁が傾斜していないものと比較して、封止樹脂部中に発生する気泡を効率よく外部へ排出することができる。

本発明の半導体装置において、下部基板は第四の貫通孔を有し、第二の貫通孔は、第四の貫通孔よりも大きくすることができる。
この場合、下部基板に形成した第四の貫通孔内に半導体発光素子を収納することにより、上部基板の内壁を反射面として有効に利用することができる。

本発明の実施例１の半導体発光装置における要部の上面図である。 本発明の実施例１の半導体発光装置における下部基板上の導体パターンを示す上面図である。 図１のＡ−Ａ´線に沿う概略断面図である。 図１のＢ−Ｂ´線に沿う概略断面図である。 本発明の実施例１の半導体装置の製造工程における、多面取りの下部基板上の要部を示す上面図である。 比較例１の半導体発光装置の概略断面図である。 比較例２の半導体発光装置の概略断面図である。 本発明の実施例２の半導体発光装置の概略断面図である。

以下、この発明の好適な実施形態を詳細に説明する。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は、本発明の実施例１の半導体発光装置を上面から観た要部の上面図である。図２は、本発明の実施例における下部基板上の導体パターンを示す上面図である。また、図３は、図１のＡ−Ａ´線に沿う概略断面図、図４は、図１のB−B´線に沿う概略断面図である。

半導体発光装置は、それぞれ絶縁材料からなる上部基板３と下部基板１とが接着層２を介して貼り合わされ、接着層２に設けられた第一の貫通孔８、上部基板３に設けられた第二の貫通孔９および下部基板１に設けられた第四の貫通孔７が形成され、下部基板１の底面に第四の貫通孔７を塞ぐように配設された金属板４上に半導体発光素子１２が載置されている。

第一の貫通孔８、第二の貫通孔９、および第四の貫通孔７により構成される凹部１０には、半導体発光素子１２を覆う透光性の樹脂が充填され、封止樹脂部１５が形成されている。

下部基板１は、約0.1 mmのガラスエポキシ基板からなり、表面に配線部５ａと反射部５ｂとからなる導体パターン５が配設されている。配線部５ａは下部基板１の上面から外側面を経由して底面まで連続して形成されている。そして、配線部５ａは、凹部１０に露出する位置に結線部５ｃを有し、結線部５ｃに半導体発光素子１２の電極に結線された導電ワイヤを結線することにより、配線部５ａは半導体発光素子１２と電気的に接続される。配線部５ａは、凹部１０内に露出するように結線部５ｃが形成されているため、上面視において、配線部５ａの縁は上部基板３の内縁と交差している。反射部５ｂは、配線部５ａと分離して、下部基板１の上面および内側面に形成されている。下部基板１の上面において、配線部５ａと反射部５ｂは、約0.1 mmの間隔を介して配設されている。そのため、上面視において、反射部５ｂの縁も上部基板３の内縁と交差している。

導体パターン５は、配線部５ａ、反射部５ｂともに下部基板の上面あるいは底面においては、約17 μmの銅箔層、約20 μmの銅めっき層、約5 μmのニッケルめっき層、約2 μmのAgめっき層が順次積層された構成（不図示）となっている。また、導体パターン５は、配線部５ａ、反射部５ｂともに下部基板の側面においては、約20 μmの銅めっき層、約5 μmのニッケルめっき層、約2 μmのAgめっき層が順次積層された構成（不図示）となっている。

凹部１０に露出した導体パターン５は、配線部５ａおよび反射部５ｂともに、発光素子１２からの発光を反射して、光取り出し効率を高めるのに寄与している。また、下部基板１の底面に形成された導体パターン５および、底面に形成された導体パターン５に連続する側面に形成された導体パターン５は、半導体発光装置を実装する場合の端子として用いられる。

下部基板１には、第四の貫通孔７が形成され、下部基板１の底面に第四の貫通孔７を塞ぐように配設した銅からなる支持基板４が配設されている。第四の貫通孔７内の金属板４上には、約20 μmの銅めっき層、約5 μmのニッケルめっき層、約2 μmのAgめっき層が順次積層され、その上に接合材１３を介して半導体発光素子１２が搭載されている。

半導体発光素子１２は、対となる電極を上面に備え、それぞれ導電ワイヤ１４を介して下部基板１上の結線部５ｃへ接続されている。

接着層２は、約0.1 mm厚みのガラスエポキシ基板２ａと、ガラスエポキシ基板両面に形成されたエポキシ系接着剤からなる約0.04 mmの接着剤層２ｂとから構成され、総厚0.18 mmとなっている。

接着層２には、第四の貫通孔７より大きな第一の貫通孔８が形成されている。接着層２は、配線部５ａと反射部５ｂを含む導体パターン５の一部を覆うように、そして結線部５ｃを覆わないように、下部基板１上に配置されている。

上部基板３は、約0.2 mmのガラスエポキシ基板からなり、上部基板３の上面、底面および側面に、導体パターン６が形成され、上部基板３の側面に形成された導体パターン６は、半導体発光素子からの光を反射する反射面として機能する。

上部基板３には、第一の貫通孔８より小さな第二の貫通孔９が形成されている。上部基板３の内側面（第二の貫通孔の外周面に相当）は、接着層２の第一の貫通孔側の端部より第二の貫通孔９の中央方向に約0.2 mm張り出している。つまり、上部基板３は、接着層２の上面を完全に覆い、第一の貫通孔８上に張り出した突縁部３ａを有する。

上部基板３の突縁部３ａには、上面に向かって広がるよう傾斜した円錐台形状であって、底面側の直径が約0.1 mm、上面側の直径が約0.2 mmの、上部基板の上面から底面へ通じる第三の貫通孔１１が形成されている。

第三の貫通孔１１は、突縁部３ａにおいて、下部基板上の配線部５ａと反射部５ｂとの間に位置する導体パターン５の形成されていない領域の上方位置となる４箇所に形成されている。

第三の貫通孔１１は、配線部５ａと反射部５ｂとの間などの導体パターンの形成されていない領域の上方位置に形成することにより、効率よく気泡を排出することができる。導体パターンの形成されていない領域、特に、配線部５ａと反射部５ｂに挟まれた領域においては、気泡が発生しやすく、第三の貫通孔１１を気泡発生箇所に近い位置に設けることが気泡排出の観点から有効であるためである。

第三の貫通孔１１は、上部基板３の底面３ｂ側の開口の直径を、0.09 mm以上、すなわち、接着層２の総厚の半分以上の大きさとすることにより、封止樹脂中に発生する気泡を効率よく排出することができる。つまり、後述する比較例２の半導体発光装置において封止樹脂内に残留する気泡を排出することができる。

第三の貫通孔１１は、上部基板３の底面側の開口を、突縁部３ａ内に収まるように形成することにより、接着層２からの接着剤や封止樹脂によって底面側の開口が塞がれて気泡の排出が妨げられるのを抑制することができる。

第三の貫通孔１１は、上面に向かって広がるよう傾斜した形状に形成することにより、効率よく気泡を排出することができる。

上部基板３の上面、底面、および第二貫通孔に露出する内側面には、導体パターン６が配設されている。上部基板の上面および底面に形成された導体パターンは、約17 μmの銅箔層、約20 μmの銅めっき層、約5 μmのニッケルめっき層、約2 μmのAgめっき層が順次積層された構成である。上部基板３の第二貫通孔９に露出する内側面に形成された導体パターンは、約20 μmの銅めっき層、約5 μmのニッケルめっき層、約2 μmのAgめっき層が順次積層された構成である。第二の貫通孔は、第四の貫通孔より大きく形成されているため、上部基板の第二貫通孔側の側面に形成された導体パターンは、側面に入射した発光素子からの発光を反射して、光取り出し効率を高めるのに寄与している。

第一の貫通孔８、第二の貫通孔９、および第四の貫通孔により構成される凹部１０には、シリコーン樹脂からなる透光性の樹脂が、上部基板３の底面３ｂより上方位置まで充填され、半導体発光素子を覆う封止樹脂部１５を形成している。

［本発明の実施例１の製造方法］
次に、本発明の実施例１の半導体発光装置の製造方法について説明する。

まず、円形の第四の貫通孔７、第一の貫通孔８、第二の貫通孔９がそれぞれ所定の間隔かつ所定の大きさで設けられた多面取りの下部基板１、接着層２、上部基板３を準備する。下部基板１、上部基板３には、両面にパターン形成された銅箔が貼付されている。図５に上面から観た下部基板上の要部を示す。下部基板には、さらに一方向に配列したスルースリット１６が形成されている。

次に、各貫通孔の中心がほぼ一致するように、下部基板１上に接着層２を介して上部基板３を貼り合わせ、下部基板１の底面に第四の貫通孔７を塞ぐように銅箔からなる支持基板４を配設する。

次に、電解めっきにより、パターン化された銅箔上、下部基板と上部基板の側面上（下部基板のスルースリット内壁を含む）、および第四の貫通孔７内に露出した支持基板４上に電解めっきにより、Ｃｕ層、Ｎｉ層、Ａｕ層を積層し、導体パターンを形成する。

次に、上部基板３の所定位置にYAGレーザを照射して第三の貫通孔１１を形成する。尚、第三の貫通孔１１の形成は、基板貼り合わせ前に、予め上部基板３にルータードリル加工により行うなどの他の手法を適宜用いることができる。

次に、第四の貫通孔７、第一の貫通孔８、および第二の貫通孔９により形成された凹部１０内の支持基板４上（Ａｕ層）に接合材を介して半導体発光素子を搭載する。その後、半導体発光素子の電極と、配線部５ａ（のうちの結線部５ｃ）とを導電ワイヤを結線して電気的に接続する。

次に、凹部１０内にシリコーン樹脂を充填し、加熱硬化し、封止樹脂部１５を形成する。封止樹脂は、上部基板３の底面３ｂより上方位置まで充填される。

次に、下部基板上に接着層を介して上部基板を貼り合わせた多面取りの状態のものを、所定の間隔でダイシングして個片化する。下部基板１に形成されたスルースリット１６の長手方向に沿うダイシングラインと、該ダイシングラインと垂直であって複数のスルースリットが配列された方向に沿うダイシングラインにてダイシングされる。ダイシングにより、多面取りの状態で下部基板上で一体に繋がった導体パターンが切断され、配線部５ａと反射部５ｂが独立した状態として完成する。スルースリットの長手方向に沿うダイシングにおいては、下部基板のスルースリット上の上部基板を切断することとなり、スルースリット内壁に形成された導体パターンは、配線部５ａとして半導体発光装置の外側面に露出する。

［比較例１］
図６は、本発明の比較例１の半導体発光装置の概略断面図である。

比較例１の半導体発光装置として、第一の貫通孔８と第二の貫通孔９がほぼ同じ大きさの接着層２と上部基板３を有する半導体発光装置を作製した。比較例１の半導体発光装置は、上記実施例１と比較して上部基板３に突縁部３ａおよび第三の貫通孔１１が存在しない以外は、上記実施例１と同じ構成である。上記実施例１の半導体装置と共通する構成については、上記実施例と同じ符号を付して説明を省略する。

比較例１の半導体発光装置においては、接着剤の一部が上部基板内周面よりはみ出した。はみ出した接着剤の表面は、半導体発光装置の通電時に経時的に黒色に変色した。発光素子からの発光に含まれる紫外成分や、周囲温度の上昇に起因する高温熱負荷によるものと考えられる。そして、変色部により半導体発光素子からの発光の一部が吸収され、半導体発光装置の光量が低下した。

［比較例２］
図７は、本発明の比較例２の半導体発光装置の概略断面図である。

比較例２として、第三の貫通孔１１を形成しない以外は上記実施例１と同じ半導体発光装置を作製した。上記実施例１の半導体装置と共通する構成については、上記実施例１と同じ符号を付して説明を省略する。

比較例２の半導体発光装置においては、接着層の上部基板からのはみ出しはなかった。しかし、第一貫通孔９内の上部基板３の内周近傍に複数の気泡が滞留した。これは、封止樹脂が充填される際に突縁部３ａの下の窪みに十分に封止樹脂が流れ込まず、突縁部３ａの下に発生した気泡が、封止樹脂の熱硬化時に膨張して突縁部３ａの下から押し出されるように移動し、一部は封止樹脂の外部へ排出され、一部が残留したものと考えられる。発生した気泡は、直径約0.1 mm〜0. 2 mmの大きさで観測された。発生する気泡の多くは、接着層の総厚の半分から２倍の直径を有しているため、上部基板の底面３ｂ側の第三の貫通孔の直径は、接着層の総厚の半分以上の大きさとすることが好ましい。

気泡は配線部５ａと反射部５ｂとの間の導体パターンのない部分に発生、残留しやすく、気泡が第一貫通孔内の導電ワイヤ１４の方向へ進行して導電ワイヤ１４に接触する場合も生じた。導体パターンがない部分は、導体パターンがない分の厚みが薄いため気泡が発生しやすいものと考えられる。

導電ワイヤに気泡が接触した半導体発光装置は、熱衝撃試験において導電ワイヤを切断する不具合が生じやすく、気泡が存在しないものや、気泡があっても導電ワイヤに接触していないものと比較して、信頼性が低かった。

つまり、本発明の実施例１の半導体発光装置は、比較例１の半導体発光装置と比較して、接着剤のはみ出しがなく、はみ出して変色した接着剤による光吸収がない。

また、本発明の実施例１の半導体発光装置は、比較例２の半導体発光装置と比較して、接着層内周を上部基板内周より後退させて接着剤のはみ出しを回避することにより発生する気泡を残留させることがない。そのため、例えば、気泡が導電ワイヤへ接触して導電ワイヤが断線する、気泡の残留により所望の光学特性が得られないなどの、封止樹脂内に残留した気泡に起因した不具合を防止することができる。

そのため、本発明の半導体発光装置によれば、比較例１および比較例２と比較して信頼性の高い半導体発光装置を提供することができる。

次に、本発明の実施例２の半導体発光装置について説明する。図８は、本発明の実施例２の半導体発光装置の要部を示す断面図である。本実施例の半導体装置の基本的な構成は、実施例１の半導体装置と同じであるので、詳細な説明は実施例１を参照して省略する。

半導体発光装置は、それぞれ絶縁材料からなる上部基板３と下部基板１とが接着層２を介して貼り合わされ、接着層２に設けられた第一の貫通孔８、上部基板３に設けられた第二の貫通孔９が形成され、下部基板１上に半導体発光素子１２が載置されている。接着層２は、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグで構成されている。

第一の貫通孔８、および第二の貫通孔９により構成される凹部１０aには、半導体発光素子１２を覆うエポキシ樹脂からなる透光性の封止樹脂が充填され、封止樹脂部１５が形成されている。

半導体発光素子１２は、対となる電極を上面と下面に備え、上面電極は、導電ワイヤ１４を介して下部基板１上の配線部５へ接続されている。

本実施例の半導体発光装置においても、接着剤のはみ出しがなかった。また、接着剤のはみ出しを回避するために接着層内周を上部基板内周より後退させたことにより発生する気泡の残留もなく、気泡が導電ワイヤに接触することもなかった。また、封止樹脂にエポキシ樹脂を用いた場合に発生しやすいクラックの発生が減少し、気泡を起点としたクラックの発生が抑制されたものと考えられる。

つまり、上記実施例１の半導体装置および実施例２の半導体装置で示されるように、本発明の半導体発光装置においては、一対の電極が上面に配置された半導体発光素子、上面と下面に配置されているもの、あるいは、下面のみに配置されているものを用途等に応じて適宜用いることができる。尚、一対の電極が下面のみに形成された半導体素子を用いた場合、導電ワイヤが不要なため、導電ワイヤと気泡の接触の問題は生じないが、残留した気泡に起因した封止樹脂のクラックの発生などの問題を抑制することができる。

また、本発明の半導体発光装置においては、接着層は単層とも複数層ともすることができる。例えば、一般的に用いられる接着シート、あるいは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグなどを用いることができる。

また、本発明の半導体発光装置においては、封止樹脂はシリコーン樹脂、エポキシ樹脂など用途に適した透光性樹脂を選択することができる。さらに、透光性樹脂に蛍光体や散乱材など適宜機能部材を添加することができる。

また、本発明の半導体発光装置においては、半導体素子は、下部基板に設けられた第四の貫通孔底面を塞ぐ支持基板上、下部基板上に適宜配置することができる。

尚、本発明の半導体発光装置は、上記した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることは勿論である。

例えば、上記実施例においては、半導体素子としては、一つの半導体発光素子を配置しているが、複数を配置してもよく、半導体受光素子などを配置してもよい。

例えば、上記実施例において、第三の貫通孔は円錐台形状の貫通孔が４つ配置されているが、第三の貫通孔の形状、個数は、突縁部下の導体パターン間に合わせて適宜選択することができる。

１：下部基板
２： 接着層
３：上部基板
３ａ：突縁部
４：支持基板
５：導体パターン
６：導体パターン
７：第四の貫通孔
８：第一の貫通孔
９：第二の貫通孔
１０：凹部
１１：第の貫通孔
１２：半導体発光素子
１３：接合材
１４：導電ワイヤ
１５：封止樹脂部

Claims (5)

1. 下部基板と、
   前記下部基板上に配置され、第一の貫通孔を備えた接着層と、
   前記接着層上に配置され、第二の貫通孔および第三の貫通孔を備えた上部基板と、
   前記下部基板上、あるいは、前記下部基板に形成された第四の貫通孔の底面を塞ぐよう配設した支持基板上に載置された半導体素子と、
   前記半導体素子を覆う封止樹脂部とを有し、
   前記上部基板は、前記第一の貫通孔上に張り出した突縁部を備えると共に、該突縁部に前記第三の貫通孔が形成されており、
   前記下部基板は、上面に導体パターンを備え、
   前記第三の貫通孔は、前記導体パターンの形成されていない領域の上方に形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記下部基板は、上面に導体パターンを備え、該導体パターンの前記接着層に覆われない領域上に前記半導体素子に接続された導電ワイヤが結線されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記導体パターンは、前記半導体素子に電気的に接続される配線部と、該配線部と分離して設けられた反射部とを有し、
   前記第三の貫通孔は、前記配線部と前記反射部に挟まれた前記導体パターンの形成されていない領域の上方に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第三の貫通孔の内壁は、上広がりの傾斜を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記第三の貫通孔は、前記上部基板の底面側における直径が前記接着層の総厚の半分以上とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置。

Images