JP5912471B2 - 半導体デバイス - Google Patents

Description

本発明は金属基板に半導体を実装した半導体デバイス及び、その製造方法に関する。

近年、消費電力の多い白熱電球の光源の代替として、消費電力が少ない半導体発光素子（LED）を用いた光源が普及してきている。しかしながら、高輝度の光を発するためには多量の電力を必要とするが、大電力を半導体発光素子に印加することで発生する熱が半導体発光素子の発光効率の低下を招くことがあり、その対策として金属の基板を用いて放熱性を向上させる手法が検討されてきた。

上記手法として、金属基板上の一部に絶縁層を形成しその上に配線層を形成したうえで、半導体発光素子の一方の端子を金属基板上に形成された絶縁層上の配線層に実装し他方の端子を金属基板に直接実装する手法（例えば特許文献１）と、金属基板の一部に凹部を形成し、凹部の中に金属基板と電気的に絶縁され表面が金属基板と同一高さの埋設導体を形成し、半導体発光素子の一方の端子を埋設配線層に実装し他方の端子を金属基板に直接実装する手法（例えば特許文献２）とが知られている。

特許文献１では、図９に記載のとおり導体板２０１の上面の一部に絶縁層２１３を形成し、絶縁層２１３の上に導電層２１２を形成し、伝導層２１２は発光ダイオードチップ２００の一方の端子２１４とバンプ２２１を挟んでフリップチップにて接合される。同様に前記発光ダイオードチップ２００の他方の端子２１５はバンプ２２２を挟んで導体板２０１に直接フリップチップにて接続される。これにより、前記発光ダイオードチップ２００から発生した熱が前記バンプ２０２を通り直接導体板に伝わるので放熱効率が高くなると共に、製造が容易である。

特許文献２では、図１０に記載のとおり、導体板３００に凹部を設け、凹部内の側面および底面を絶縁層３０１で覆い、前記絶縁層３０１に埋設し一部が前記導体板３００と同一面上に露出している埋設導体３０２を設置した基板において、発光ダイオードチップ３０５の一方の端子をバンプ３０３を挟んでフリップチップにて埋設導体３０２と電気的に接続し、他方の端子をバンプ３０４を挟んでフリップチップにて導体板３００と直接接続する。このような構造にすることで、特許文献１と同様に発光素子から発生した熱がバンプ３０２を通り直接導体板３００に伝わるので放熱効率が高くなると共に、特許文献１に比べて導体板３００の表面と埋設導体３０２の表面が同一高さであるため、比較的容易に素子を実装させることが出来る。

特許第４１２２７８４号公報（図１） 特許第４１２２７４３号公報（図４）

図９記載の構造の問題点は、前記絶縁層２１３の厚さが前記端子２１４と端子２１５の段差の大きさに比べて非常に厚いため、前記バンプ２２１と前記バンプ２２２の大きさを変えなくては発光ダイオードチップ２００の実装をすることが難しく、また、バンプの大きさを変えることでフリップチップした際にバンプの潰れる高さに幅ができるため、発光ダイオードチップ２００を常に同じ高さ、同じ傾き、同じ接続強度や接続面積で実装する
ことが困難となる。これにより製品ごとに光の向きや信頼性、放熱性と放熱性に起因する輝度にばらつきが発生し、歩留まりが低下するという問題があった。

また、図１０記載の構造の問題点は、埋設導体３０２を絶縁層３０１上に設置する際に、埋設導体３０２が自重で傾く、もしくは沈み過ぎるということがあるため、埋設導体３０２の高さを導体板３００と同じ高さにすることが容易ではない。結果的に発光ダイオードチップ３０５を常に同じ高さ、同じ傾き、同じ接続強度や接続面積で実装することが出来ない。これにより、図９と同様に製品ごとに光の向きや信頼性、放熱性と放熱性に起因する輝度にばらつきが発生し、歩留まりが低下するという問題があった。

そこで本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、高い放熱性と、高い素子の実装精度を両立するデバイスを提供することを目的とする。

本発明の半導体デバイスは、第一のフリップチップ実装端子と、該第一のフリップチップ実装端子よりも熱伝導量が多い第二のフリップチップ実装端子を有する半導体発光素子と、半導体発光素子を実装する金属基板と、金属基板に形成された凹部に充填され、金属基板の表面と同一高さの露出面を有する絶縁層と、絶縁層の露出面上に形成されて金属基板と電気的に接続せず、第一のフリップチップ実装端子と電気的に接続する第一の配線と、金属基板の表面に形成されて第二のフリップチップ実装端子と電気的に接続し、第一の配線と高さが一致している第二の配線と、金属基板の表面で、第一の配線に対し第二の配線の反対側に形成されて第二のフリップチップ実装端子及び第二の配線と電気的に接続し、第一の配線と高さが一致している第三の配線と、を備えることを特徴とするものである。

本発明の半導体デバイスは、半導体素子から金属基板への熱経路に高い熱抵抗を有する部材が挟まれないため、高い放熱性を維持することが出来ると共に、半導体デバイスと金属基板を繋ぐ接続端子の高さを精度良く制御できるので、実装した際の製品ばらつきを減少させることが出来る。

本発明の第１の実施形態に係る半導体デバイスの基板を示す平面図（ａ）および切断部端面図（ｂ）である。 図１に示す基板に半導体素子を実装した半導体デバイスの平面図（ａ）および切断部端面図（ｂ）である。 本発明の第１の実施形態の変形に係る半導体デバイスの熱の移動を示す端面図である。 本発明の第１の実施形態の変形に係る半導体デバイスの基板を示す平面図である。 図４に示す基板に半導体素子を実装した半導体デバイスの平面図である。 本発明の第１の実施形態の変形に係る半導体デバイスの基板を示す平面図（ａ）および切断部端面図（ｂ）である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体デバイスの製造方法を説明する切断部端面図である。 図７Ａの製造方法の続きを説明する切断部端面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の変法を説明する切断部端面図である。 特許文献１記載の従来の半導体デバイスを示す端面図である。 特許文献２記載の従来の半導体デバイスを示す端面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

以下、本発明の実施形態を図１から図３を用いて説明する。
図１は本発明に係る半導体デバイスの基板を示す概略図であり、（a）は平面図で（ｂ）はＡ−Ａ切断部端面図である。基板１は、金属基板２と、金属基板の一部に形成された凹部に充填された絶縁層３と、金属基板２上および絶縁層３上にそれぞれ形成された導電パターン４、５からなる。

絶縁層３の露出面と金属基板２の上面は同一の面上にあり、導電パターン４と導電パターン５も同じ高さである。また、導電パターン４および金属基板２と前記導電パターン５は絶縁されており電気的な接合は無い。

本実施例では金属基板２としてアルミ基板が好適だが、その他の金属基板、たとえば銅基板などの導電性金属基板を用いても良い。また、導電パターン４、５は銀ペースト上に金メッキを形成したものが好適だが、銀ペーストのみでも良く、また、その他の配線形成、例えばニッケルめっきを形成し、その上に金メッキを形成してもよい。また、図２にて後述する半導体素子が半導体発光素子である場合、絶縁層を形成する絶縁部材として、反射率の良い白色レジスト（太陽インキ製造株式会社製「 PSR−4000LEW1」）が望ましいが、半導体素子が発光しない半導体の場合では、エポキシ樹脂等反射率によらない絶縁性樹脂を用いても良く、絶縁層として、金属基板の一部を酸化させても良い。

図２は図１の基板に半導体素子を実装した半導体デバイスの概略図であり、（a）は平面図で（ｂ）はＢ−Ｂ切断部端面図である。半導体素子の一方の端子８と他方の端子９は、導電パターン４、５とそれぞれバンプ１０、１１を挟んでフリップチップにて接続されている。バンプは金が好適だが、他に、銅、はんだなど一般的なものであれば実装可能である。また、本実施形態では半導体素子としてＬＥＤが好適だが、他の半導体、例えばレーザーダイオードやダイオード、トランジスタなどの一般的な半導体素子でも適応可能である。３端子以上の半導体素子に対応する基板に関しては図６にて後述する。

上記構成とすることの熱的利点を、図３を用いて説明する。熱伝導をあらわす矢印Ｌは絶縁層３を通過する熱伝導経路であるのに対し、熱伝導をあらわす矢印Ｈは半導体素子７からバンプ１０、導電パターン４を経由して直接金属基板２に熱を伝導する熱伝導路である。矢印Ｌの熱伝導路は絶縁層３の大きな熱抵抗を有するのに対し、矢印Ｈの熱伝導路は、熱抵抗が大きな部材が含まれていないため効率的に放熱を行うことができる。なお、バンプ１０、１１のうち、より熱伝導量の多い端子を有するほうを矢印Ｈの熱伝導路に接続した方がより効率的に放熱することが出来るが、比較的熱伝導量の少ない端子を接続した
としても一定の効果を有する。半導体素子７としてＬＥＤを実装する場合、Ｎ層の端子に比べて面積が大きく熱伝導量が多いＰ層の端子に矢印Ｈのような熱伝導路を形成することでより効果的に放熱することができる。

金属基板２と絶縁層３の露出面の高さは高精度で同一とすることが可能で、これにより、金属基板２上と絶縁層３上の導電パターンの厚さも高精度で同一とすることが出来るので、導電パターン上に半導体発光素子を実装する際にもバンプ厚さを実装可能な範囲内で最小にすることができ、結果として導電パターンおよびバンプ厚さに由来する実装のばらつきを最小に抑えることが可能となり、高い放熱性を有しながら、バンプに由来する信頼性のばらつき、さらに半導体素子がＬＥＤを含む半導体発光素子の場合には光の向きや輝度のばらつきも改善することが出来る。

図４、図５は本実施形態の変形であり、図４にて複数の半導体発光素子を実装する際の基板を、図５にて図４の基板に半導体素子を実装した半導体デバイスを説明する。

金属基板２の表面に複数の凸部を描くように凹部が形成され、凹部に図１と同様に絶縁層３が形成される。絶縁層３と金属基板２の表面上に、それぞれの淵の内側をトレースするように導電パターン５形成される（図４）。絶縁層が凸形状になっているところのそれぞれにおいて、図２と同様に半導体素子７を実装することが出来る（図５）。これにより、図１から図３にて説明した効果に加え、１枚の基板上において複数の半導体素子を実装することが可能である。

また、本実施形態の別の変形であり、３つの端子に対応した基板について図６を用いて説明する。金属基板２の上端から下端までを繋ぐように凹部を形成し、その上に図１のように絶縁層３を形成する。金属基板に導電パターン４を、絶縁層３上に導電パターン５、１５を形成するが、２つの導電パターン５、導電パターン１５、および金属基板２はそれぞれ電気的に独立している。この上に半導体端子を接続する場合、導電パターン４、５、１５はそれぞれ別々の端子が接続されることとなる。これにより、3端子の半導体素子を実装することが可能となり、この技術を応用することによってさらに多くの端子を実装することが可能である。また、高い放熱性を有しながら、バンプに由来する信頼性のばらつきを改善することが出来る。
なお、図４〜図６の説明は、金属基板２に絶縁層３はいかなる形状にも配置可能であり、また、絶縁層３上および金属基板２上における導電パターン４、５もいかなる形状にも配置可能であることを示すものである。

次に、本発明の製造方法について説明する。製造工程は大きく分けると以下の４工程に分類分けされる。

（Ａ）金属基板を用意する。

（Ｂ）金属基板の金属基板表面と同一の高さから内部にかけて絶縁層を形成する。

（Ｃ）金属基板上および絶縁基板上に均一な高さの導電パターンを形成する。

（Ｄ）半導体素子をフリップチップにて実装する。

図７Ａの（ａ）から（ｅ）および図７Ｂの（ｆ）から（ｈ）により実施例１の半導体デバイスを上記（Ａ）〜（Ｄ）に沿って製造する工程を説明する。

図７Ａ（ａ）にて金属基板２を用意する。金属基板として、アルミ基板、銅基板など、
熱伝導性の良い一般的に用いられる金属基板であればどのような基板を用いても良い。ただし、半導体素子が半導体発光素子である場合、アルミ基板や銀にてコーティングされた金属基板であることが望ましい。基板で効率良く光を反射し、光の利用効率が向上するからである。

金属基板への凹形成について図７Ａ（ｂ）、図７Ａ（ｃ）を用いて説明する。図７Ａ（ｂ）のように金属基板２の上面の全面にフォトレジスト１２を塗布し、マスクを重ねて感光させることで図７Ａ(ｃ)のように金属基板の２の一部に凹部１３を形成する。凹部を形成する別の方法として、ダイサーを用いてハーフダイシングを行っても良い。
金属基板凹部への絶縁層充填について図７Ａ（ｄ）、図７Ａ（ｅ）を用いて説明する。凹部１３に絶縁層３を形成する部材を充填するのだが、その際に、図７Ａ（ｄ）のように金属基板２の高さを超えて充填し、フォトレジスト１２と一緒に研磨してフォトレジストを排除すると共に金属基板と絶縁層を図７Ａ（ｅ）のように同一高さに調整する。また、こうすることで金属基板表面の不純物を排除することが出来るため、配線形成の密着性が向上する。半導体発光素子を実装する場合、絶縁層を形成する絶縁部材として、反射率の良い白色レジスト（太陽インキ製造株式会社製「 PSR−4000LEW1」）が望ましいが、半導体素子が発光しない半導体の場合では、エポキシ樹脂等反射率によらない絶縁性樹脂を用いても良い。

導電パターンの形成について、図７Ｂ（ｆ）、図７Ｂ（ｇ）を用いて説明する。絶縁層３上と金属基板２上のそれぞれに導電パターンが形成されるようにスクリーン印刷用のマスクをかぶせ、スクリーン印刷を行うことでペースト状の導電部材を所定の位置に乗せ、アニールすることで導電パターン下層４ａ、５ａを図７Ｂ（ｆ）のように形成する。こうすることで、微細な範囲への配線形成がより容易となる。ペースト状の導電部材としては銀ペースト、もしくは銅ペーストを用いるが、半導体発光素子を用いるならば反射率の高い銀ペーストが好ましい。

必要に応じて、銀ペーストにて形成された導電パターン下層４ａ、５ａに、酸素イオンを用いてアッシングを行い銀の粒子を露出させ、導電パターン下層４ａ、５ａの上に図７Ｂ（ｇ）のように金メッキを施して導電パターン上層４ｂ、５ｂを形成する。アッシングは銀ペースト表面に残るエポキシ樹脂を排除する為に行う。金メッキの形成は、スパッタリングや真空蒸着による薄膜形成や無電解メッキ法をもちいて形成することが出来る。なお、本製造方法では導電パターン下層をペースト状の導電部材を用いて形成したが、基板１の表面全面に金属層を形成し、エッヂングによって配線形成を行うなど、その他一般的な配線形成を行うことも当然可能である。

半導体素子の実装について、図７Ｂ（ｈ）を用いて説明する。導電パターン上層４ｂ、５ｂ上にさらに金でできたバンプ１０、１１を形成し、バンプ１０、１１と半導体素子７の端子８、９の位置を合わせて超音波圧着にて接合した。バンプ１０、１１は半導体素子７の端子側に形成して接合しても良い。また、バンプ１０、１１は金に限らず、銅、半田でもよく、バンプの形成方法はスタッドバンプ形成法やメッキバンプ形成法など、一般的なバンプ形成法を用いることが可能である。

上記製造方法の変形法として、（Ｂ）の工程の別法を説明する。

図８（ｉ）、（ｊ）は図７Ａ（ｂ）から図７Ａ（ｅ）の工程に相当する。絶縁層を形成する箇所を除いてマスキング１４を施し、マスキングされていない開口部１６を酸化することによって絶縁層3を形成する。特に金属基板としてアルミニウム基板を用いる場合、陽極酸化にて行うことが可能である。このようにして絶縁層を形成することで、厚さの管理がより容易になると共に工程を減らし、より容易に製造することが可能となる。

以上、説明した本発明の実施形態に示した具体的な構成は例示として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成そのものに限定するものではない。これら開示された実施形態に種々の変形、例えば、各部材あるいはその部材の形状や数、配置等を適宜変更してもよく、変明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形も含むものと理解すべきである。

１ 基板、
２ 金属基板、
３ 絶縁層、
４ 導電パターン、
４ａ 銀ペースト端子、
４ｂ 金メッキ、
５ 導電パターン、
５ａ 導電パターン下部、
５ｂ 導電パターン上部、
６ 半導体デバイス、
７ 半導体素子、
８ 端子、
９ 端子、
１０ バンプ、
１１ バンプ、
１２ フォトレジスト、
１３ 凹部、
１４ マスク、
１５ 導電パターン、
１６ 開口部

Claims (1)

1. 第一のフリップチップ実装端子と、該第一のフリップチップ実装端子よりも熱伝導量が多い第二のフリップチップ実装端子を有する半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子を実装する金属基板と、
   前記金属基板に形成された凹部に充填され、前記金属基板の表面と同一高さの露出面を備える絶縁層と、
   前記絶縁層の露出面上に形成されて前記金属基板と電気的に接続せず、前記第一のフリップチップ実装端子と電気的に接続する第一の配線と、
   前記金属基板の表面に形成されて前記第二のフリップチップ実装端子と電気的に接続し、前記第一の配線と高さが一致している第二の配線と、
   前記金属基板の表面で、前記第一の配線に対し前記第二の配線の反対側に形成されて前記第二のフリップチップ実装端子及び前記第二の配線と電気的に接続し、前記第一の配線と高さが一致している第三の配線と、
   を備えることを特徴とする半導体デバイス。
   

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