JP6581886B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は複数の半導体素子を搭載した半導体装置に関する。たとえば、半導体素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、レーザダイオード（ＬＤ）素子等の半導体発光素子、フォトダイオード（ＰＤ）素子等の半導体受光素子、及び逆電圧保護素子がある。
従来の半導体装置としてガラスエポキシ基板等の樹脂基板を有するものがある（参照：特許文献１）。この樹脂基板の表面側において、電極パッド上にＬＥＤ素子及びツェナダイオード（ＺＤ）素子を搭載し、ＬＥＤ素子の一電極及びＺＤ素子の一電極は上記電極パッドから離間した他の電極パッド上にワイヤによって電気的に接続される。表面側のＬＥＤ素子が搭載された電極パッドと裏面側の電極パッドとはＬＥＤ素子の底面積より大きい断面積の延長部によって接続され、また、表面側の他の電極パッドと裏面側の他の電極パッドとは小さい断面積の電極によって接続される。これにより、ＬＥＤ素子から発生する熱をＬＥＤ素子の底面積より大きい断面積の延長部によって放熱し、高密度実装による熱的悪影響を排除する。
特開２００８−７１９５５号公報
しかしながら、上述の従来の半導体装置をプリント配線基板に半田付けして使用状態にして熱衝撃試験を行うと、樹脂基板の熱応力による膨張収縮によってワイヤが断線するという課題がある。
上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、樹脂基板と、第１、第２の半導体素子と、樹脂基板の表面側に設けられた、第１の半導体素子を搭載する第１の素子搭載用金属パターン、第２の半導体素子を搭載する第２の素子搭載用金属パターン、第１の素子搭載用金属パターンと第２の素子搭載用金属パターンとを接続する接続用金属パターン、第１、第２の半導体素子にワイヤによって接続されたワイヤボンディング用金属パターン、及び第１の素子搭載用金属パターンに接続され、ワイヤボンディング用金属パターンに近接した第１のダミー金属パターンと、樹脂基板の裏面側に設けられた、第１の素子搭載用金属パターンに対向した第１の実装端子用金属パターン並びに第２の素子搭載用金属パターン及びワイヤボンディング用金属パターンに対向した第２の実装端子用金属パターンと、樹脂基板を貫通し、第１の素子搭載用金属パターンと第１の実装端子用金属パターンとを電気的に接続する金属構造体とを具備し、ワイヤボンディング用金属パターンは、接続用金属パターンと第１のダミー金属パターンとによって挟まれたものである。
本発明によれば、第１の素子搭載用金属パターンとワイヤボンディング用金属パターンとの間の樹脂基板の部分の熱応力による膨張収縮を第１のダミー金属パターンによって抑制し、ワイヤが受ける負荷が小さくなり、この結果、ワイヤの断線を防止できる。
本発明に係る半導体装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂基板の表面側金属パターン図、（Ｃ）は（Ａ）の樹脂基板の裏面側金属パターン図である。 図１の半導体装置の断面図であり、（Ａ）は図１の（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）は図１の（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は図１の（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（Ｄ）は図１の（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 比較例としての半導体装置を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂基板の表面側金属パターン図、（Ｃ）は（Ａ）の樹脂基板の裏面側金属パターン図である。 図３の半導体装置の断面図であり、（Ａ）は図３の（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）は図３の（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る半導体装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂基板の表面側金属パターン図、（Ｃ）は（Ａ）の樹脂基板の裏面側金属パターン図である。 図５の半導体装置の断面図であり、（Ａ）は図５の（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）は図５の（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は図５の（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（Ｄ）は図５の（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 図１の半導体装置の完成状態を示す断面図である。
図１は本発明に係る半導体装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂基板の表面側金属パターン図、（Ｃ）は（Ａ）の樹脂基板の裏面側金属パターン図であり、図２は図１の半導体装置の断面図であり、（Ａ）は図１の（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）は図１の（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は図１の（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（Ｄ）は図１の（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
図１、図２に示すように、樹脂基板１の表面側には、矩形状のＬＥＤ素子搭載用金属パターン１１、ＬＥＤ素子搭載金属パターン１１より小さい矩形状のＺＤ素子搭載用金属パターン１２、ＬＥＤ素子搭載用金属パターン１１とＺＤ素子搭載用金属パターン１２とを電気的に接続する接続用金属パターン１３、ワイヤボンディング用金属パターン１４、及び第１のダミー金属パターン１５が形成される。この場合、ワイヤボンディング用金属パターン１４及び第１のダミー金属パターン１５はＬＥＤ素子２のＺＤ素子３側の領域にあって、ＺＤ素子３が配置されていない領域に配置される。つまり、図１の（Ｂ）において、ワイヤボンディング用金属パターン１４及び第１のダミー金属パターン１５はＬＥＤ素子２の右側かつＺＤ素子３の下側に配置される。また、ワイヤボンディング用金属パターン１４は、ＬＥＤ素子搭載用金属パターン１１より小さい。
第１のダミー金属パターン１５はワイヤボンディング用金属パターン１４に近接して設けられる。この場合、第１のダミー金属パターン１５はＬＥＤ素子搭載用金属パターン１１に接続される。また、ワイヤボンディング用金属パターン１４が接続用金属パターン１３及び第１のダミー金属パターン１５によって挟まれるように、第１のダミー金属パターン１５を配置する。また、好ましくは、第１のダミー金属パターン１５は接続用金属パターン１３に平行に配置される。尚、ＺＤ素子搭載用金属パターン１２、ワイヤボンディング用金属パターン１４及び第１のダミー金属パターン１５は樹脂基板１のエッジまで延在させてもよい。
他方、樹脂基板１の裏面側には、極性が異なる大きい実装端子用金属パターン１６及び小さい実装端子用金属パターン１７が形成される。この場合、実装端子用金属パターン１６はＬＥＤ素子搭載用金属パターン１１に対向し、また、実装端子用金属パターン１７はＺＤ素子搭載用金属パターン１２及びワイヤボンディング用金属パターン１４に対向している。ＬＥＤ素子搭載用金属パターン１１と実装端子用金属パターン１６とは大きい断面積の金属構造体１８によって電気的に接続される。また、ワイヤボンディング用金属パターン１４と実装端子用金属パターン１７とは小さい断面積の金属ビア１９によって電気的に接続されている。金属ビア１９は、ワイヤボンディング用金属パターン１４において、ワイヤ４１、４２、４３の接続領域を避けて配置される。尚、金属構造体１８及び金属ビア１９は同一層によって形成できる。
矩形状のＬＥＤ素子２はその一電極を下にしてＬＥＤ素子搭載用金属パターン１１上に搭載され、また、矩形状のＺＤ素子３はＬＥＤ素子２より小さく、その一電極を下にしてＺＤ素子搭載用金属パターン１２上に搭載される。この場合、ＬＥＤ素子２及びＺＤ素子３は、ＬＥＤ素子２の一辺とＺＤ素子３の一辺とが略直線上に位置すると共に樹脂基板１の一辺と平行となるように、樹脂基板１上に配置される。
ＬＥＤ素子２の上面の他電極はワイヤ４１、４２によってワイヤボンディング用金属パターン１４に電気的に接続され、また、ＺＤ素子３の上面の他電極もワイヤ４３によってワイヤボンディング用金属パターン１４に接続される。これにより、ＬＥＤ素子２とＺＤ素子３とは逆並列される。ワイヤ４１、４２、４３は第１ボンディングをワイヤボンディング用金属パターン１４に対して行い、第２ボンディングをＬＥＤ素子２及びＺＤ素子３に対して行う。第１ボンディングは、ボールボンド、第２ボンディングはステッチボンドで行う。ボールボンド工程では、装置のキャピラリの先端から繰り出したワイヤの先端に金ボールを形成し、超音波を伴ってワイヤボンディング用金属パターン１４上に熱圧着し、ボール接続部を形成した。次に、キャピラリを基板１の主面に対し垂直に引き上げた後、ワイヤを延ばしながらＬＥＤ素子２上まで水平に移動し、ＬＥＤ素子２上に超音波を伴って熱圧着後、ワイヤを引き上げて切断し、ステッチ接続部を形成する。従って、ワイヤ４１、４２、４３は、たとえば図２の（Ｂ）に示すごとく、ワイヤボンディング用金属パターン１４に対してほぼ垂直に立上り、ＬＥＤ素子２及びＺＤ素子３に対してほぼ水平となる。このようにして、ワイヤ４１、４２、４３の高さを低くすることにより半導体装置の薄型化を図っている。尚、ワイヤたとえば４２のワイヤボンディング用金属パターン１４との接続部分近傍（付け根部分）は、ボール部４２ａ、及びボール部４２ａ直上の他の領域より結晶粒度が大きいために力学的物性が弱い再結晶化部４２ｂよりなる。つまり、ワイヤボンディング工程が、先端が溶融してボール状になったワイヤをワイヤボンディング用金属パターン１４に固着した第１のボンディング後に、ワイヤを延ばし、もう一方の端部をＬＥＤ素子２又はＺＤ素子３上に押し付ける第２ボンディングを行い超音波を印加して固着することによって行われる。従って、溶融固着させたワイヤのワイヤボンディング用金属パターン１４との接続部分近傍は、溶融させていない部分と異なり、金属の再結晶化が発生し、力学的物性の弱い再結晶化部となる。
ＬＥＤ素子２とＺＤ素子３とは極性の異なる実装端子用金属パターン１６、１７間に電気的に逆並列接続される。
図１、図２の半導体装置においては、樹脂基板１の表面側金属パターン１１、１２、１３、１４、１５と裏面側金属パターン１６、１７とをできる限り対峙させて樹脂基板１のみで外部応力に対応する領域を少なくし、樹脂基板１が変形して封止部（図示せず、例えば、図７における蛍光体層５または白色樹脂層６）にクラックが発生するのを防止できるようにする。但し、全体のサイズを小さくするために、表面側金属パターン１１、１４の正負の境界部と裏面側金属パターン１６、１７の正負の境界部とは重複している。
図２の（Ａ）に示すごとく、Ａ−Ａ線断面におけるＬＥＤ素子２とＺＤ素子３との間の樹脂基板１の部分は、金属構造体１８に連続した接続用金属パターン１３によって補強されて熱応力による膨張収縮が抑制されている。同様に、図２の（Ｄ）に示すごとく、ＬＥＤ素子２のダミー金属パターン１５側の樹脂基板１の部分も、金属構造体１８に連続した第１のダミー金属パターン１５によって補強されて熱応力による膨張収縮が抑制されている。
他方、図２の（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、Ｂ−Ｂ線断面及びＣ−Ｃ線断面におけるＬＥＤ素子２とワイヤボンディング用金属パターン１４との間の樹脂基板１の部分は、金属パターンが存在しないので、熱応力による膨張収縮がＡ−Ａ線断面と比較して大きい。しかし、このＬＥＤ素子２とワイヤボンディング用金属パターン１４との間の樹脂基板１の部分の熱応力による膨張収縮は、ワイヤボンディング用金属パターン１４の両側に存在する熱応力による膨張収縮がしにくいＺＤ素子３側の樹脂基板１の部分及び第１のダミー金属パターン１５側の樹脂基板１の部分によって抑制され、従って、図２の（Ｂ）、（Ｃ）の矢印Ｚ１に示す湾曲は小さくなる。この結果、ワイヤ４１、４２、４３が受ける負荷は小さくなり、ワイヤ４１、４２、４３の断線を防止できると考えられる。
図３は比較例としての半導体装置を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂基板の表面側金属パターン図、（Ｃ）は（Ａ）の樹脂基板の裏面側金属パターン図であり、図４は図３の半導体装置の断面図であり、（Ａ）は図３の（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）は図３の（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。
図３、図４においては、図１、図２の第１のダミー金属パターン１５が設けられていない。
上述の比較例としての図３、図４の半導体装置の実装端子用金属パターン１６、１７をプリント配線基板（図示せず）に半田付けして使用状態にすると、樹脂基板１の熱応力による膨張収縮によってワイヤ４１、４２、４３が捩れて断線する可能性がある。つまり、図４の（Ａ）に示すごとく、ＬＥＤ素子２とＺＤ素子３との間の樹脂基板１の部分は接続用金属パターン１３によって補強されて熱応力による膨張収縮が抑制されている。他方、図４の（Ｂ）に示すごとく、ＬＥＤ素子２とワイヤボンディング用金属パターン１４との間の樹脂基板１の部分は金属パターンを有していないので、熱応力による膨張収縮が比較的大きい。従って、ＬＥＤ素子２が結合された大きい実装端子用金属パターン１６がプリント配線基板に半田付けによって固定されていると、ワイヤボンディング用金属パターン１４側の樹脂基板１の部分は、熱応力による膨張収縮が小さいＺＤ素子３側の樹脂基板１の部分によって多少抑制されるものの、図４の（Ｂ）の矢印Ｚ０に示すごとく、大きく湾曲する。この結果、ワイヤ４１、４２、４３の負荷が大きくなり、特に、ワイヤボンディング用金属パターン１４上のワイヤ４１、４２、４３の１次ボンディング側の付け根の再結晶化部において細線化や断線する可能性がある。
本願発明者は、図３、図４の半導体装置をアルミニウム等よりなるプリント配線基板上に半田付けしてマイナス４０℃〜１２５℃の熱衝撃サイクル試験を行った。この結果、図３、図４の半導体装置では、所定サイクルにてワイヤの断線が生じた。つまり、図３、図４の半導体装置では、熱衝撃サイクルによる樹脂基板の湾曲により再結晶化部の細線化が起こったものと考えられる。これに対し、図１、図２の半導体装置においては、熱衝撃サイクルによる樹脂基板１の湾曲が抑制されるため、図３、図４の半導体装置に断線の生じたサイクル数においてはワイヤ断線は生じない。
図５は本発明に係る半導体装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）の樹脂基板の表面側金属パターン図、（Ｃ）は（Ａ）の樹脂基板の裏面側金属パターン図であり、図６は図５の半導体装置の断面図であり、（Ａ）は図５の（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）は図５の（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は図５の（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（Ｄ）は図５の（Ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
図５、図６においては、図１、図２の半導体装置の樹脂基板１の表面側にさらに第２のダミー金属パターン２０を設ける。この場合、第２のダミー金属パターン２０は、ＺＤ素子搭載用金属パターン１２及び第１のダミー金属パターン１５に接続される。また、ワイヤボンディング用金属パターン１４が、金属構造体１８に搭載されたＬＥＤ素子搭載用金属パターン１１、接続用金属パターン１３、ＺＤ素子搭載用金属パターン１２、第２のダミー金属パターン２０及び第１のダミー金属パターン１５によって囲まれるように、第２のダミー金属パターン２０を配置する。尚、第２のダミー金属パターン２０は樹脂基板１のエッジまで延在させてもよい。従って、樹脂基板１のワイヤボンディング用金属パターン１４の周囲部分は熱応力による膨張収縮がしにくく、この結果、ＬＥＤ素子２とワイヤボンディング用金属パターン１４との間の樹脂基板１の部分の熱応力による膨張収縮は抑制される。従って、図６の（Ｂ）、（Ｃ）の矢印Ｚ２に示すごとく、湾曲はさらに小さくなる。この結果、ワイヤ４１、４２、４３が受ける負荷はさらに小さくなり、ワイヤ４１、４２、４３の断線をさらに防止できる。
図１、図２、図５、図６の半導体装置においては、図２の（Ｃ）に対応する図７に示すごとく、ＬＥＤ素子２たとえば青色ＬＥＤ素子上にたとえば青色光の一部を黄色光に変換するＹＡＧ粒子を含む蛍光体層５を塗布し、さらに、ＬＥＤ素子２及び蛍光体層５の回りにＬＥＤ素子２及び蛍光体層５からの光を反射させる白色樹脂層６を形成することができる。
図１、図２、図５、図６において、樹脂基板１はたとえば厚さ0.1mmのＢＴレジン（登録商標）によって構成される。また、金属パターン１１〜１７、２０はＣｕ/Ｎｉ/Ｐｄ/Ａｕ又はＮｉ/Ａｕの積層によって構成される。さらに、金属構造体１８及び金属ビア１９はＣｕめっき層によって構成される。さらにまた、金属構造体１８の断面積は、樹脂基板１の膨張収縮によるワイヤ４１、４２、４３の負荷を抑制するために、ＬＥＤ素子２の底面積の少なくとも１５％以上、好ましくは５０％以上であり、上述の実施の形態では、５０％〜８５％程度である。尚、金属構造体１８は複数の矩形又は円形構造体で構成してもよい。
また、上述の実施の形態は、ＬＥＤ素子２及びＺＤ素子３の組合せの半導体装置を示しているが、本発明は、ＺＤ素子３の代わりに他のＬＥＤ素子を用いた複数のＬＥＤ素子の組合せの半導体装置にも適用できる。さらに、ＬＥＤ素子は他の半導体発光素子たとえばレーザダイオード（ＬＤ）又は他の半導体受光素子たとえばフォトダイオード（ＰＤ）素子でもよい。すなわち、本発明は、複数の半導体素子の組合せを用いた半導体装置に適用できる。
さらに、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。
１：樹脂基板
１１：ＬＥＤ素子搭載用金属パターン
１２：ＺＤ素子搭載用金属パターン
１３：接続用金属パターン
１４：ワイヤボンディング用金属パターン
１５：第１のダミー金属パターン
１６、１７：実装端子用金属パターン
１８：金属構造体
１９：金属ビア
２０：第２のダミー金属パターン
２：発光ダイオード（ＬＥＤ）素子
３：ツエナダイオード（ＺＤ）素子
４１、４２、４３：ワイヤ
５：蛍光体層
６：白色樹脂層

Claims (5)

  1. 樹脂基板と、
    第１、第２の半導体素子と、
    前記樹脂基板の表面側に設けられた、前記第１の半導体素子を搭載する第１の素子搭載用金属パターン、前記第２の半導体素子を搭載する第２の素子搭載用金属パターン、第１の素子搭載用金属パターンと前記第２の素子搭載用金属パターンとを接続する接続用金属パターン、前記第１、第２の半導体素子にワイヤによって接続されたワイヤボンディング用金属パターン、及び前記第１の素子搭載用金属パターンに接続され、前記ワイヤボンディング用金属パターンに近接した第１のダミー金属パターンと、
    前記樹脂基板の裏面側に設けられた、前記第１の素子搭載用金属パターンに対向した第１の実装端子用金属パターン並びに前記第２の素子搭載用金属パターン及び前記ワイヤボンディング用金属パターンに対向した第２の実装端子用金属パターンと、
    前記樹脂基板を貫通し、前記第１の素子搭載用金属パターンと前記第１の実装端子用金属パターンとを電気的に接続する金属構造体と
    を具備し、
    前記ワイヤボンディング用金属パターンは、前記接続用金属パターンと前記第１のダミー金属パターンとによって挟まれている半導体装置。
  2. 前記第１のダミー金属パターンは前記接続用金属パターンに平行である請求項１に記載の半導体装置。
  3. さらに、前記樹脂基板の表面側に設けられた、前記第２の素子用金属パターンと前記第１のダミー金属パターンとを接続する第２のダミー金属パターンを具備し、
    前記ワイヤボンディング用金属パターンは、前記第１の素子搭載用金属パターン、前記第１のダミー金属パターン、前記第２のダミー金属パターン、前記第２の素子搭載用金属パターン及び前記接続用金属パターンによって囲まれた請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記第１の半導体素子は半導体発光素子又は半導体受光素子であり、
    前記第２の半導体素子は逆電圧保護素子である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記ワイヤボンディング用金属パターンと前記ワイヤとの接続部には、ボール部が形成されている請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
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