JP6531568B2

JP6531568B2 - 半導体モジュール

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Publication number: JP6531568B2
Application number: JP2015171309A
Authority: JP
Inventors: 若木　亮輔; 亮輔若木
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2035-08-31
Also published as: JP2017050354A

Description

本開示は、半導体モジュールに関する。

例えば特許文献１には、ＬＥＤランプがメタルコア基板上に半田等を介して接合された発光装置が記載されている。

特開２００８−０２１８６７号公報

このような発光装置において、半田等が上面視でＬＥＤランプに隠れて見えない場合、ＬＥＤランプとメタルコア基板との接合を確認しにくい。

そこで、本発明の一実施の形態は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、半導体装置の配線基板のランド部への接合を上面視で確認しやすい半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態の半導体モジュールは、第１面と、前記第１面より高い第２面と、を有するランド部を備える配線基板と、前記第２面上に配置される外部接続端子を備える半導体装置と、前記第２面上と、前記半導体装置より外側の前記第１面上と、にわたって配置され、前記外部接続端子と前記ランド部とを接合する接合部材と、を具備することを特徴とする。

本発明の一実施の形態の半導体モジュールによれば、接合部材が半導体装置より外側まで配置され、半導体装置の配線基板のランド部への接合を上面視で確認しやすい。

本発明の一実施の形態に係る半導体モジュールの概略上面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面における概略断面図（ｂ）である。図１に示す配線基板の概略上面図（ａ）と、そのＢ−Ｂ断面における概略断面図（ｂ）と、一変形例に係る配線基板の概略断面図（ｃ）及び（ｄ）である。図１に示す半導体装置の上面側の概略斜視図（ａ）と、下面側の概略斜視図（ｂ）である。

以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。但し、以下に説明する半導体モジュールは、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。

＜実施の形態１＞
図１（ａ）は、実施の形態１に係る半導体モジュール１００の概略上面図であり、図１（ｂ）は、そのＡ−Ａ断面における概略断面図である。図２（ａ）は、図１に示す配線基板１０の概略上面図であり、図２（ｂ）は、そのＢ−Ｂ断面における概略断面図である。図３（ａ）及び（ｂ）は、其々、図１に示す半導体装置２０の上面側の概略斜視図、及び下面側の概略斜視図である。

なお、図中、半導体モジュール１００の上面視において、第１方向をｘ方向とし、第１方向に直交する第２方向をｙ方向として示す。また、ｘ方向及びｙ方向に直交する方向をｚ方向として示す。ここで、第１方向は、例えば、半導体モジュールの上面視における半導体装置の輪郭をなす一辺に平行な方向を選択することができ、上面視において長手方向と短手方向を有する半導体装置では長手方向を選択することができる。なお以下、ｘ方向を横方向、ｙ方向を縦方向、ｚ方向を高さ（厚さ）方向として説明することがある。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施の形態１に係る半導体モジュール１００は、配線基板１０と、半導体装置２０と、接合部材３０と、を具備している。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、配線基板１０は、ランド部１５ａを備えている。より詳細には、配線基板１０は、基体１１と配線１５を備え、ランド部１５ａは、配線１５における、半導体装置２０の外部接続端子２５が接合部材３０により接合される部位である。ランド部１５ａは、正極／負極用の対をなしている。ランド部１５ａの上面は、金属の露出面で構成される。なお、ここでいう金属は合金も含む。ランド部１５ａは、本実施の形態のように、配線１５を構成する金属自体がパターニングされることにより形成されてもよいし、配線１５を構成する金属上に設けられるレジスト又はカバーレイなど絶縁保護膜の開口により形成されてもよい。そして、ランド部１５ａは、例えば図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１面１５１と、第１面１５１より高さが高い第２面１５２と、を有している。すなわち、ランド部１５ａは、少なくとも１つの段差を有し、第１面１５１が下段、第２面１５２が上段をなす。なお、本実施の形態では、第１面１５１及び第２面１５２とも平坦面であって、互いに略平行である。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体装置２０は、外部接続端子２５を備えている。より詳細には、半導体装置２０は、主として、表面実装型である。この半導体装置２０は、半導体素子２１がパッケージ２３に実装され且つ封止部材２７により封止されてなる。パッケージ２３は、半導体素子２１を収容する凹部を上面に有する容器本体に、正負一対のリード電極が保持されてなる。半導体素子２１は、パッケージ２３の凹部底面を構成するリード電極の上面に搭載され、両リード電極にワイヤで接続されている。封止部材２７は、パッケージ２３の凹部に充填されている。外部接続端子２５は、正負一対のリード電極の一部で構成されている。すなわち、外部接続端子２５は、一つの半導体装置２０につき一対ある。この外部接続端子２５は、容器本体の下面と同一面であって、この半導体装置２０の実装面となる下面を構成している。そして、図１（ｂ）に示すように、外部接続端子２５は、ランド部１５ａの第２面１５２上に配置されている。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、接合部材３０は、加熱処理により溶融した後、固化し、外部接続端子２５とランド部１５ａとを接合している。そして、接合部材３０は、第２面１５２上と、半導体装置２０より外側の第１面１５１上と、にわたって配置されている。なお、ここでいう「半導体装置２０より外側」とは、主として、半導体モジュール１００の上面視における半導体装置２０より外側を指す。

このような構成を有する半導体モジュール１００は、接合部材３０が上面視における半導体装置２０より外側まで配置され、半導体装置２０の配線基板のランド部１５ａへの接合を上面視で確認しやすい。これは、ランド部１５ａの第２面１５２によって、第１面１５１を基準とする外部接続端子２５の高さを高くでき、それにより、外部接続端子２５と第１面１５１を接合する接合部材３０の裾野が側方ひいては上面視における半導体装置２０より外側に広がりやすくできるからであると考えられる。

なお、本実施の形態では、ランド部１５ａと外部接続端子２５は其々対をなしており、ランド部１５ａと外部接続端子２５の同極どうしが接合部材３０により其々接合される。第２面１５２上と、上面視における半導体装置２０より外側の第１面１５１上と、にわたって配置される接合部材３０は、少なくとも一方の極にあればよいが、接合の信頼性の観点において、両方の極にあることが好ましい。以下、一方の極のみについて説明するが、他方の極についても同様である。

また、本実施の形態では、第１面１５１は、第２面１５２に対して第１方向ｘのみに配置されているが、第１面１５１は、第２面１５２に対して第２方向ｙのみに配置されてもよいし、第２面１５２に対して第１方向ｘと第２方向ｙの両方に配置されていてもよい。よって、「半導体装置２０より外側の第１面１５１」とは、第２面１５２に対して第１方向ｘに配置される第１面１５１に限らず、第２面１５２に対して第２方向ｙに配置される第１面１５１であってもよく、これらの両方であってもよい。

以下、半導体モジュール１００の好ましい形態について詳述する。

図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、上面視において、第１面１５１と第２面１５２は、第１方向ｘに並置されている。そして、第２面１５２と外部接続端子２５の上面視形状は、第２方向ｙの幅（Ｗ_{１５２−１}，Ｗ_２５−１）が略等しい矩形状であることが好ましい（図２（ａ）及び図３（ｂ）参照）。これにより、外部接続端子２５と第１面１５１を接合する接合部材３０の裾野が第１面１５１側に広がりやすくなって、接合部材３０が上面視における半導体装置２０より外側の第１面１５１上に配置されやすくなる。また、半導体装置２０のセルフアライメント効果が得られやすい。

また、第２面１５２の第１方向ｘの幅Ｌ_{１５２−１}は、外部接続端子２５の第１方向ｘの幅Ｌ_２５−１以下であることが好ましく、Ｌ_２５−１より小さいことがより好ましい（図２（ａ）及び図３（ｂ）参照）。これにより、外部接続端子２５と第１面１５１を接合する接合部材３０の裾野が第１面１５１側によりいっそう広がりやすくなって、接合部材３０が上面視における半導体装置２０より外側の第１面１５１上によりいっそう配置されやすくなる。

図３（ｂ）に示すように、外部接続端子２５は、半導体装置２０の下面のみに露出することが好ましい。外部接続端子が半導体装置の側面に露出する場合、接合部材は、半導体装置の側面に接着し、上面視における半導体装置より外側に容易に配置される。一方、外部接続端子２５が半導体装置２０の下面のみに露出する場合、接合部材３０は、半導体装置２０の下方のみに接着し、上面視における半導体装置２０より外側に配置されにくいため、本実施の形態の構成の技術的意義が大きくなる。なお、「外部接続端子２５が半導体装置２０の下面のみに露出する」とは、例えば、半導体装置２０の下面において、外部接続端子２５の全周が容器本体に囲まれている場合を指す。

図２（ｃ）は、一変形例に係る配線基板１０１の概略断面図である。図２（ｃ）に示すように、ランド部１５ａは、第１面１５１と第２面１５２の間に傾斜面１５３を有することが好ましい。これにより、外部接続端子２５と第１面１５１を接合する接合部材３０の裾野が第１面１５１側によりいっそう広がりやすくなって、接合部材３０が上面視における半導体装置２０より外側の第１面１５１上によりいっそう配置されやすくなる。この傾斜面１５３の傾斜角度θ（第２面１５２と傾斜面１５３がなす内側の角度）は、特に限定されないが、接合部材３０を上面視における半導体装置２０より外側に配置しやすくする観点から、例えば９５°以上であって、１００°以上が好ましく、１３５°以上がより好ましい。また、この傾斜面１５３の傾斜角度θは、第１面１５１と第２面１５２の高低差ｄとの関係及び／又はランド部１５ａを小型に形成する観点から、例えば１７５°以下であって、１７０°以下が好ましく、１６０°以下がより好ましい。なお、この傾斜面１５３は、平面だけでなく、曲面も含むものとする。また、曲面の場合、傾斜角度θは接平面で考えるものとする。

なお、第１面１５１と第２面１５２の高低差ｄは、特に限定されないが、接合部材３０を上面視における半導体装置２０より外側に配置しやすくする観点から、例えば０．１ｍｍ以上であって、０．１５ｍｍ以上が好ましく、０．２ｍｍ以上がより好ましい。また、第１面１５１と第２面１５２の高低差ｄは、上記効果を奏する範囲においてランド部１５ａを小型に形成する観点から、例えば０．６ｍｍ以下であって、０．５ｍｍ以下が好ましく、０．４ｍｍ以下がより好ましい。

図２（ｄ）は、一変形例に係る配線基板１０２の概略断面図である。図２（ｄ）に示すように、この半導体モジュールは、配線基板１０２の下に配置され、凸部４５を有する支持部材４０を具備している。この配線基板１０２は、フレキシブル配線基板である。そして、第１面１５１と第２面１５２は、配線基板１０２が凸部４５に沿って撓ることにより設けられることが好ましい。これにより、ランド部１５ａに第１面１５１と第２面１５２を形成するために、配線１５（ランド部１５ａ）自体の厚さを部分的に変える必要がなく、例えば略一定の厚さの配線１５（ランド部１５ａ）であっても、ランド部１５ａに第１面１５１と第２面１５２を形成することができる。

以下、本発明の一実施の形態に係る半導体モジュール１００における各構成要素について詳述する。

（配線基板１０，１０１，１０２）
（基体１１）
配線基板１０の基体１１は、電気的絶縁性を有するものがよいが、導電性を有するものでも、絶縁膜などを介することで配線１５と電気的に絶縁させることができる。配線基板１０の基体１１の材料としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム又はこれらの混合物を含むセラミックスや、銅、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、銀、金、チタン又はこれらの合金を含む金属や、エポキシ樹脂、ＢＴレジン、ポリイミド樹脂などの樹脂又はこれらの繊維強化樹脂（強化材はガラスなど）が挙げられる。配線基板１０は、基体１１の材質や厚さにより、リジッド基板、又はフレキシブル基板とすることができる。
（配線１５）
配線１５は、基体１１の少なくとも上面に形成され、基体１１の内部、下面、側面にも形成されていてもよい。また、配線１５は、半導体装置２０が接合されるランド部１５ａ、外部接続用の端子部、これらを接続する引き出し配線部などを有することが好ましい。配線１５の材料としては、銅、ニッケル、パラジウム、ロジウム、タングステン、クロム、チタン、アルミニウム、銀、金又はそれらの合金が挙げられる。特に、放熱性の観点においては銅又は銅合金が好ましい。また、その場合、配線１５の表層には、銀、金又はこれらの合金などの被膜が設けられていることが好ましい。これらの配線１５は、電解めっき、無電解めっき、スパッタ、蒸着、印刷、塗布、貼付、圧着、コファイア法、ポストファイア法などにより形成することができる。

（半導体装置２０）
（半導体素子２１）
半導体素子２１は、発光素子でもよいし、受光素子でもよいし、電子素子でもよい。発光素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ、半導体レーザ（ＬＤ）チップなどが挙げられる。受光素子としては、フォトダイオードチップなどが挙げられる。電子素子としては、トランジスタチップ、ＩＣチップ、ＬＳＩチップなどが挙げられる。半導体材料としては、蛍光体を効率良く励起できる短波長の光を発光可能な、また高効率の太陽電池を実現可能な、さらに高周波及び高温動作の電子デバイスの実現が可能な材料である、窒化物半導体（主として一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される）を用いることが好ましい。
（パッケージ２３）
パッケージ２３は、主として、半導体素子２１と電気的に接続するリード電極と、そのリード電極を保持する容器本体と、により構成される（プリモールドパッケージ）。リード電極は、金、銀、銅、鉄、アルミニウム、タングステン、コバルト、モリブデン、クロム、チタン、ニッケル、パラジウム、又はこれらの合金、燐青銅、鉄入り銅などで形成することができる。また、リード電極の表層には、銀、アルミニウム、ロジウム、金、銅、又はこれらの合金などの被膜が設けられてもよい。容器本体は、通常、半導体素子収容用の凹部を有するが、平板状であってもよい（その場合は基板本体と呼称する）。容器本体は、脂環ポリアミド樹脂、半芳香族ポリアミド樹脂、ポリシクロへキシレンジメチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンテレフタレートなどの熱可塑性樹脂、又は、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂を母材とするものが挙げられる。また、これらの母材中に、充填剤又は着色顔料として、シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、カーボンブラック、ガラス、珪酸カルシウム（ワラストナイト）、チタン酸カリウムなどの粒子又は繊維を混入させることができる。このほか、容器本体は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム又はこれらの混合物を含むセラミックスなどで構成することもできる。なお、半導体素子２１が電子素子の場合など、パッケージ２３と封止部材２７は一体化されてもよい（フルモールドパッケージ）。
（封止部材２７）
封止部材２７は、半導体素子２１を封止する部材である。封止部材２７の母材としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、又はこれらの変性樹脂やハイブリッド樹脂が挙げられる。封止部材２７は、母材中に、充填剤及び／又は蛍光体を含有してもよい。充填剤は、シリカなどが挙げられる。蛍光体は、ＹＡＧ：Ｃｅ（セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット）などが挙げられる。

（接合部材３０）
接合部材３０は、配線基板のランド部１５ａと半導体装置の外部接続端子２５を接合する部材である。接合部材３０は、各種の半田、低融点金属のろう材などが挙げられる。より具体的な半田としては、例えば錫−ビスマス系、錫−銅系、錫−銀系、金−錫系などが挙げられる。接合部材３０は、加熱処理前には、有機溶剤、フラックスなどを含むペースト状であってよい。

（支持部材４０）
支持部材４０は、フレキシブル配線基板を支持可能な固体であれば、材質は特に限定されないが、例えば、放熱性に優れる金属板、又は比較的安価な樹脂板が好ましい。金属板の材料としては、銅、アルミニウム、又はこれらの合金が挙げられる。樹脂板の材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂が挙げられる。支持部材４０は、半導体モジュール１００を収容する筐体であってもよい。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

＜実施例１＞
実施例１の半導体モジュールは、図１（ａ）及び（ｂ）に示す構造を有する、エッジ方式のバックライトユニットなどに使用される線状光源モジュールである。この半導体モジュールは、以下のような、配線基板の各ランド部上に２４個の半導体装置が略等間隔に接合部材により接合されてなる。

配線基板は、横１６０ｍｍ、縦１．９ｍｍ、厚さ０．０２５ｍｍのポリイミド製（フレキシブル）の基体上に、金被膜付き銅合金製の配線（最大厚０．４ｍｍ）が形成されてなる。ランド部の負極側の第１面は、横０．７５ｍｍ、縦０．８６ｍｍの矩形状であって、第２面は、横１．５６ｍｍ（Ｌ_{１５２−１}）、縦０．８６ｍｍ（Ｗ_{１５２−１}）の矩形状である。ランド部の正極側の第１面は、横０．７５ｍｍ、縦０．８６ｍｍの矩形状であって、第２面は、横０．５４ｍｍ（Ｌ_{１５２−２}）、縦０．８６ｍｍ（Ｗ_{１５２−２}）の矩形状である。第１面と第２面の高低差（ｄ）は、負極側、正極側ともに０．２ｍｍである。

半導体装置は、横３．０ｍｍ、縦１．４ｍｍ、厚さ０．５２ｍｍの白色発光可能なＬＥＤである。パッケージは、上面に半導体素子収容用の凹部を有し、銀被膜付き銅合金製の正負一対のリード電極（厚さ０．２ｍｍ）に、酸化チタン含有エポキシ樹脂の硬化物の容器本体が一体成形されてなる。半導体素子は、青色発光のＬＥＤチップであって、パッケージの凹部底面を構成する負極側のリード電極の上面に搭載され、両リード電極に金のワイヤで接続されている。封止部材は、黄色発光のＹＡＧ：Ｃｅの蛍光体を含有するシリコーン樹脂の硬化物であって、パッケージの凹部に充填されている。外部接続端子は、正負一対のリード電極の下面で構成され、負極側が横１．５６ｍｍ（Ｌ_２５−１）、縦０．８６ｍｍ（Ｗ_２５−１）、正極側が横０．５４ｍｍ（Ｌ_２５−２）、縦０．８６ｍｍ（Ｗ_２５−２）の矩形状（角は丸みを帯びている）である。外部接続端子は、容器本体の下面と同一面であり、この半導体装置の下面を構成している。なお、リード電極のパッケージの側面に露出している部位は、吊りリード部の切断面であって、外部接続端子には含まれない。

接合部材は、錫−３．０銀−０．５銅の半田である。加熱処理はリフロー方式であり、最高到達温度は２５０℃である。

以上のように構成された実施例１の半導体モジュールは、ランド部が１つの平坦面で構成される場合に比べ、接合部材が上面視における半導体装置より外側に配置され、半導体装置の配線基板のランド部への接合を上面視で確認しやすい。

本発明の一実施の形態に係る半導体モジュールは、液晶ディスプレイのバックライト装置、各種照明器具、大型ディスプレイ、広告や行き先案内等の各種表示装置、プロジェクタ装置、さらには、デジタルビデオカメラ、ファクシミリ、コピー機、スキャナ等における画像読取装置などに利用することができる。

１０，１０１，１０２…配線基板（１１…基体、１５…配線（１５ａ…ランド部（１５１…第１面、１５２…第２面、１５３…傾斜面）））
２０…半導体装置（２１…半導体素子、２３…パッケージ、２５…外部接続端子、２７…封止部材）
３０…接合部材
４０…支持部材（４５…凸部）
１００…半導体モジュール

Claims

第１面と、前記第１面より高い第２面と、を有するランド部を備える配線基板と、
前記第２面上に配置され、半導体素子と電気的に接続する正負一対のリード電極と、前記リード電極を保持する容器本体と、正負一対のリード電極の一部で構成される外部接続端子と、を備える半導体装置と、
前記第２面上と、前記半導体装置より外側の前記第１面上と、にわたって配置され、前記外部接続端子と前記ランド部とを接合する接合部材と、を具備し、
上面視において、前記第１面と前記第２面は第１方向に並置されており、
前記第２面の前記第１方向の幅は、前記外部接続端子の前記第１方向の幅以下であり、
前記第２面と前記外部接続端子の上面視形状は、前記第１方向に直交する第２方向の幅が略等しい矩形状であり、
前記半導体装置の下面において、前記外部接続端子の全周が前記容器本体に囲まれている半導体モジュール。
前記ランド部は、前記第１面と前記第２面の間に傾斜面を有する請求項１に記載の半導体モジュール。
前記配線基板の下に配置され、凸部を有する支持部材を具備し、
前記配線基板は、フレキシブル配線基板であって、
前記第１面と前記第２面は、前記配線基板が前記凸部に沿って撓ることにより設けられる請求項１又は２に記載の半導体モジュール。