JP6754769B2 - 半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体モジュールとその製造方法に関する。
近年、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）は消費電力が低く、白熱電球や蛍光灯に置き換わる光学素子として広く普及しつつある。このような半導体素子を実装する半導体パッケージは搭載する筐体セットの小型化要求や電気的、光学的な設計容易性から、半導体素子もしくは半導体パッケージとは別に周辺部品を搭載したモジュール化へ移行しつつある。
そのような中、半導体モジュールは、半導体素子の高出力化に伴い、高い放熱性を備えることが重要になってきており、熱伝導性の高い接合材料や放熱性の高い配線基板や金属基板を用いた半導体モジュールが開発されている（例えば、特許文献１および２参照）。
特開２０１２−１０９５２１号公報 特開２０１３−１０５９２９号公報
しかしながら、上記構成では半導体素子が実装された配線基板あるいはサブマウントを、放熱基板にマウント、接合する際にＸＹの搭載精度確保やＺ高さの制御が困難である。光学素子等に要求される搭載精度（高さ、傾き、あおり等）を満足するには、搭載用ヘッドツールでのサブマウントの保持時間を長く確保する必要があるため、短時間で実装することは難しくなる。
そこで、本発明は上記課題に鑑みて、半導体素子が実装された配線基板あるいはサブマウントを高精度に、かつ、短時間で放熱基板に実装するための半導体モジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子を第１面に搭載し、前記半導体素子と電気的に接続された配線基板と、前記配線基板における前記第１面の反対側の第２面と対向するように、前記配線基板を搭載した放熱基板と、前記放熱基板のダイパッド領域部上に形成され、前記配線基板と前記放熱基板との間に介在して前記配線基板と前記放熱基板とを接合する接合材と、前記放熱基板上における前記ダイパッド領域部の周辺領域に形成され、前記配線基板の前記第２面の周辺領域と接触することで前記配線基板を前記放熱基板に固定する支持材とを備える。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールの製造方法は、放熱基板上に少なくとも３つ以上に独立して支持材を形成する工程と、前記放熱基板上に、前記支持材に接触しないように接合材を形成する工程と、半導体素子を搭載した配線基板を、前記接合材が前記配線基板と前記放熱基板との間に介在し、かつ、前記独立して形成された支持材上に跨るように配置して前記支持材に固定する工程と、前記接合材を加熱溶融して前記配線基板と前記放熱基板を接合する工程とを備え、前記接合材を形成する工程では、平面視において前記独立して形成された支持材によって前記接合材が取り囲まれるように、前記接合材を配置する。
本開示における半導体モジュールおよびその製造方法によれば、半導体素子が実装された配線基板あるいはサブマウントを高精度に、かつ短時間で放熱基板に実装することができる。
図１は、第１の実施形態に係る半導体モジュールの構成を示す概略図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図である。 図２は、第１の実施形態に係る半導体モジュールの第１変形例を示す断面図である。 図３は、第１の実施形態に係る半導体モジュールの第２変形例の２つのバリエーションを示す断面図である。 図４は、第１の実施形態に係る半導体モジュールの第３変形例の２つのバリエーションを示す断面図である。 図５は、第１の実施形態に係る半導体モジュールの第４変形例を示す断面図である。 図６は、第１の実施形態に係る半導体モジュールの第５変形例を示す断面図である。 図７は、第２の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。 図８は、第２の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法の第１変形例を示す断面図である。 図９は、第２の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法の第２変形例を示す断面図である。 図１０は、第２の実施形態に係る半導体モジュールの製造方法の第３変形例を示す断面図である。 図１１は、従来技術に係る半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。 図１２は、従来技術に係る半導体モジュールの第１例を示す断面図である。 図１３は、従来技術に係る半導体モジュールの第２例を示す斜視図である。
（本発明の基礎となった知見）
従来技術の半導体モジュールの第１例を図１２に示す。図１２に示す半導体モジュール２００では、ＬＥＤパッケージ基板２０１にＬＥＤチップ２０２が実装されている。さらに、ＬＥＤパッケージ２０３は配線基板２０４に実装されている。ＬＥＤパッケージ２０３の直下は、半田接続あるいは高熱伝導性の接着材２０５で放熱板２０６に接合されている。
また、従来技術の半導体モジュールの第２例を図１３に示す。図１３に示す半導体モジュール３００では、各ＬＥＤ素子３２３は、実装された配線基板を含めた実装構造体であるサブマウント３２２を介して、放熱基板３２１の正極ランド３２４ａと負極ランド３２４ｂに電気接続され、サブマウント３２２は放熱基板３２１の上面にマウントされている。
しかしながら、上記構成ではＬＥＤ素子３２３が実装された配線基板あるいはサブマウントを放熱基板３２１にマウントまたは接合する際に、ＸＹの搭載精度確保およびＺ高さの制御が困難となる。具体的に以下に説明する。
複数の半導体素子が搭載され、それらを実装する配線基板あるいはサブマウント、さらに、配線基板を搭載する放熱基板を有する半導体モジュールでは、半導体素子の光学位置を基準に光学中心を定める。一方で、半導体モジュールを筐体に実装する際には、放熱基板の基準穴を基準にする。従って、半導体モジュールにおいては光学中心と放熱基板の基準位置に対する実装精度の要求が厳しい。その結果、配線基板あるいはサブマウントの放熱基板との接合には、高精度な位置合わせが要求される。
上記の従来構成において、例えば特許文献２に記載のサブマウント実装方法では、まず放熱基板３２１を加熱した後に、放熱基板３２１上に接合材（ダイボンド材）を搭載し、温度上昇させて溶融する。その後、サブマウント３２２を搭載用ヘッドツールでピックアップして接合材の上に搭載する。このとき、ＸＹ精度やＺ高さを確保するために搭載用ヘッドツールでサブマウント３２２を掴んだままで所定の位置に配置する。続けて、サブマウント３２２を接合材と接合、かつ保持して、冷却させ凝固させる。ここで、搭載用ヘッドツールでサブマウント３２２を保持せずに離すと、搭載精度や高さばらつきの制御ができなくなる。
一般的に用いられるＣｕ等の金属性基板の放熱基板は、熱容量が高く昇温時及び冷却時において目的の温度にするために非常に時間がかかり、実装の工程タクトが長くなる。加えて、搭載用ヘッドツールでのサブマウントの保持時間を長く確保しなければ、光学素子等で要求される搭載精度や高さ、傾き、あおり等の要求精度が満足できない。つまり、工程タクトと精度の両立が困難である。
さらに、高温が要求される金属系の接合材では、接合材自体の溶融に必要な温度が高い。そのため、常温からの昇温及び降温の時間が長くなり、工程タクトが長くなる。これにより、上記の課題が顕著になる。
そこで、以下、半導体素子が実装された配線基板あるいはサブマウントを高精度に、かつ、短時間で放熱基板に実装するための半導体モジュールおよびその製造方法について説明する。
以下、適宜図面を参照しながら、実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、実質的に同一の構成に対して同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。また、以下で説明する実施形態は、いずれも一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面及び以下の説明は当業者が本開示を十分に理解するためのものであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
また、以下の実施形態に示す断面図では、半導体モジュールに配置された、対向する２つの支持材を通る直線における断面図を示している。
（第１の実施形態）
以下、図１を用いて第１の実施形態について説明する。
図１の（ａ）は、本実施形態に係る半導体モジュール１００の構成を模式的に示す概略図（断面図）である。図１の（ｂ）は、本実施形態に係る半導体モジュール１００の構成を模式的に示す概略図（斜視図）である。なお、図１の（ｂ）では、図１の（ａ）に示した半導体素子１、蛍光体６および電極８の図示を省略している。
図１の（ａ）および（ｂ）に示す半導体モジュール１００は、半導体素子１と、半導体素子１をその第１面上に搭載し、半導体素子１と電気的に接続された配線基板２と、配線基板２の第１面の反対側の第２面と対向するように配線基板２を搭載する放熱基板３と、配線基板２と放熱基板３とを接合する接合材４と、放熱基板３上で配線基板２を固定する支持材５とを備えている。接合材４は、半導体素子１の投影面を覆うように位置して、接合材４の周囲に支持材５を有している。
半導体素子１は、例えば光学素子であり、ＬＥＤやレーザー等の発光素子が用いられる。半導体素子１は、配線基板２に搭載され電気的な接続が取られている。半導体素子１を配線基板２に搭載した状態を、サブマウントと総称することがある。
さらに、光学的な特性を確保するために、半導体素子１の表面を蛍光体６が覆っている。半導体素子１からの光は、この蛍光体６を通じて外部へ発光される。
配線基板２には、この半導体素子１が複数搭載されており、また別の制御用素子を搭載して発光の仕方や明るさを制御することもできる。
配線基板２には、半導体素子１からの発熱を放熱させるために高い放熱性が要求される。一方で、配線基板２は、半導体素子１を高精度に実装するためや信頼性を確保するために、線膨張係数が比較的半導体素子１に近いことが必要である。配線基板２には、例えば、窒化アルミが使われる。但し、放熱性および線膨張係数の要求が満たされるのであれば、その他のセラミック材料や樹脂材料で形成された有機基板も使用することができる。
また、配線基板２上には、半導体素子１との接続に用いる電極の他に、後に放熱基板３と電気接続するための電極８も形成されている。
放熱基板３には、一般に銅やアルミといった金属材料が用いられる。その表面は、配線基板２の第２面と接続するためのダイパッド領域部９と、配線基板２上の電極８と電気接続するための電極１０が設けられている。また、完成品の半導体モジュール１００として、光学機器に搭載する際に搭載基準となる基準穴１１が形成されている。一般に、この基準穴１１を光学機器側の基準穴と一致させて、ネジ止めで半導体モジュール１００を機器側に固定する。
放熱基板３と配線基板２の間には、支持材５と接合材４があり、それらによって放熱基板３と配線基板２とを固定または接合している。支持材５としては、樹脂系もしくは金属系の材料が好ましく、例えばエポキシ系の樹脂材料を用いてもよい。なお、支持材５としては、金属系の材料を用いてもよく、例えば金属バンプ等を用いることができる。
支持材５は、配線基板２の放熱基板３への搭載過程において、放熱基板３に対して仮固定して搭載精度を維持する目的を有する。支持材５は、放熱基板３の平面において、接合材４を取り囲むように少なくとも３つ以上独立して形成されている。接合材４には、一般に高放熱性を有するダイスボンド材として、ＳｎＡｇＣｕ系やＡｕＳｎ系のはんだ材料、Ａｇナノペースト等金属充填率の高い材料が用いられる。接合材４は、配線基板２と放熱基板３との熱膨張差を吸収して、配線基板２と放熱基板３との接合の信頼性を維持するため、配線基板２と放熱基板３の間の線膨張係数に設定されることが望ましい。例えば、配線基板２として窒化アルミを用いる場合、窒化アルミの線膨張は４〜５ｐｐｍ／ｋであり、放熱基板３としてＣｕを用いる場合、Ｃｕの線膨張は１６〜１８ｐｐｍ／ｋであるため、接合材４の線膨張は７〜１４ｐｐｍ／ｋのものが望ましい。
また、配線基板２と放熱基板３とを接合した後の接合材４の高さは、同じく信頼性と放熱性とのバランスから、２０〜７０μｍの間に設定されることが望ましい。接合材４の材料供給形態として金属ペレットを用いれば、溶融後も高さの維持がしやすくなる。また、接合材４は、半導体素子１の真下に位置していることにより、放熱基板３への放熱が効率よく促進させる。
なお、放熱基板３と配線基板２との電気的な接続は、接合材４ではなく、別途、アルミ、ＡｕあるいはＣｕ等の金属ワイヤで、配線基板２上の電極８と放熱基板上の電極１０とを直接ボンディングして接合すればよい。
その後、図示はしていないが、放熱基板３上に、コネクター部品やサーミスタ、チップ部品等を搭載して、リフロー等の加熱で一般的なはんだ実装を行い、半導体モジュールを作製する。
本実施形態に係る半導体モジュール１００の構成により、配線基板２と放熱基板３とを接合材４で接合する際に、支持材５で配線基板２と放熱基板３とが仮固定された状態に維持しておくことができる。これにより、接合温度まで昇温させても、配線基板２と放熱基板３との搭載ずれや材料の線膨張率の差によるＺ方向への変位を抑制することができる。さらに、従来技術のように接合時から冷却時まで搭載用ヘッドツールで配線基板２を長時間保持することが不要になるため、工程タクトも短くすることができる。
また、図１の（ｂ）の左図に示すように、４つの支持材５は、互いに独立して接合材４を放熱基板３の平面において取り囲むようにして放熱基板３上に配置されている。支持材５は少なくとも３つ以上あり、それらが互いに独立して接合材４を放熱基板３の平面において取り囲むように放熱基板３上に配置されている。ここで、図１の（ｂ）の右図に示すように、支持材５の上に配線基板２載置する。このとき、配線基板２と放熱基板３とを仮固定された状態に維持しておくことができる。
このような構成とすることにより、配線基板２が支持材５を介して放熱基板３に対して平面上で安定して固定されるため、放熱基板３に対する半導体素子１及び配線基板２の傾き、あおりを抑制することができる。
なお、図１の（ａ）および（ｂ）において、支持材５を樹脂材料で形成した場合には、導電性材料からなる支持材５との絶縁性を確保できるため、配線基板２と放熱基板３の間での支持材５の位置制約が比較的少ない状態で配線基板２と放熱基板３とを固定することができる。
（第１の実施形態の第１変形例）
図２は、本実施形態に係る半導体モジュールの第１変形例の構成を模式的に示す断面図である。
本変形例に係る半導体モジュール１００ａの特徴は、支持材５として接合材４とは融点の異なる別の金属系の材料を用いることである。
このような構成とすることにより、接合材４も支持材５も共に金属材料となるため、支持材５を介しての配線基板２から放熱基板３への放熱が可能となる。したがって、半導体素子１からの放熱性を高めることができる。さらに、接合材４と支持材５を融点の異なる別材料で構成することで、融点の低い材料を選択的に加熱溶融して接合することができる。例えば、支持材５は接合材４よりも融点が高い材料としてもよい。これにより、接合材４を加熱するときに支持材５が再溶融するのを防止することができる。
（第１の実施形態の第２変形例）
図３の（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る半導体モジュールの第２変形例の２つのバリエーションの構成を模式的に示す断面図である。
本変形例に係る半導体モジュール１００ｂおよび１００ｃの特徴は、放熱基板３の配線基板２と対向する面上において、支持材５と接合材４の間に溝１３が形成されていることである。なお、図３の（ａ）に示す半導体モジュール１００ｂにおいては溝１３の中に接合材４の一部が配置されているが、この構成は必須ではない。
このような構成とすることにより、接合材４を溶融して放熱基板３と配線基板２とを接合する際に、接合材４が溶融して外方へ広がる場合でも、はみ出し分が溝１３に収容されてそれ以上の外方への広がりが抑制される。よって、接合材４と支持材５との接触を抑制することができる。
ここで、図３の（ｂ）に示す半導体モジュール１００ｃのように、溝１３に接合材４のはみだし分が配置された後で、冷却による接合材４の収縮量が大きければ、溝１３と接合材４とを分離して形成することもできる。これにより、接合材４と支持材５との分離の良品、不良品の基準として溝１３への接合材４の接触有無を設定することができ、Ｘ線や透過顕微鏡で容易に良否を検査判別することができる。
（第１の実施形態の第３変形例）
図４の（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る半導体モジュールの第３変形例の２つのバリエーションの構成を模式的に示す断面図である。
本変形例に係る半導体モジュール１００ｄおよび１００ｅの特徴は、放熱基板３の厚みを部分的に変化させていることである。
具体的に、図４の（ａ）に示す半導体モジュール１００ｄでは、放熱基板３の厚みを、接合材４の直下の領域において支持材５が配置された領域よりも厚くすることで、相対的に接合材４自体の厚みを薄くしている。
半導体モジュール１００ｄにおいて、複数の半導体素子１が搭載された領域の直下では発熱量が大きい。したがって、接合材４を薄くすることで放熱基板３への放熱性を向上することができる。特に、半導体素子１の電極８の直下に限定して部分的に接合材４を薄くする、あるいは電極の配置に合わせて接合材４の厚みを部分的に薄くするなどの構成にすれば、一層効果的である。
また、半導体モジュール１００ｄにおいて、放熱基板３のダイパッド領域部９の厚みのみを変化させてめっき厚等を調整してもよいし、めっきをダイパッド領域部９に限定して形成させてもよい。いずれも、放熱基板３の厚みを変更することに比べて、設計後の変更や微調整が容易である。
一方、図４の（ｂ）に示す半導体モジュール１００ｅでは、図４の（ａ）に示す半導体モジュール１００ｄとは逆に、放熱基板３の厚みを接合材４の直下の領域において支持材５が配置された領域よりも薄くしている。これにより、相対的に接合材４自体の厚みを厚くしている。
このような構成とすることで、配線基板２と放熱基板３の線膨張差を厚膜の接合材４が吸収し、配線基板２と放熱基板３の線膨張差による応力が緩和される。したがって、配線基板２と放熱基板３の基板間接続の信頼性が向上する。
（第１の実施形態の第４変形例）
図５は、本実施形態に係る半導体モジュールの第４変形例の構成を模式的に示す断面図である。
本変形例に係る半導体モジュール１００ｆの特徴は、半導体素子１を搭載した配線基板２上の電極８と放熱基板３上の電極１０とをリボンボンド等を含むＣｕ、Ａｕ、Ａｌ等の金属ワイヤで電気的に接続し、接合材４を半導体素子１、配線基板２のいずれとも電気的に導通させないことである。
このような構成とすることにより、半導体モジュール１００ｆは、接合材４が半導体素子１及び配線基板２と絶縁されていても、半導体素子１及び配線基板２と放熱基板３との電気的接続が、それぞれの電極８と電極１０との間で行われる。これにより、支持材５や接合材４の接合状態に関係なく半導体モジュールとして機能すべき電気特性を維持することができる。
ここで、支持材５の中心位置を配線基板２の電極８の直下に配置することが望ましい。このようにすれば、放熱基板３に配線基板２を搭載した後、金属ワイヤ１２で配線基板２上の電極８と放熱基板３上の電極１０との電気的接続を取る際に、配線基板２の電極８の真下に支持材５が位置する。これにより、半導体モジュール１００ｆにおいて配線基板２のたわみは発生せず、接合が安定する。
（第１の実施形態の第５変形例）
図６は、本実施形態に係る半導体モジュールの第５変形例の構成を模式的に示す断面図である。
本変形例に係る半導体モジュール１００ｇの特徴は、放熱基板３から見て、支持材５の上端が配線基板２の第１面よりも高い位置に存在することである。具体的には、例えば図６に示すように、支持材５は配線基板２の側面、下面およびコーナー部の一部を覆っている、あるいは配線基板２の上面上まで這い上がっている構成である。
このような構成にすることで、半導体モジュール１００ｇにおいて、支持材５が配線基板２の側面を覆いさらに上面上に這い上がるようにして配線基板２を固定するため、特に、放熱基板３と配線基板２を接合する際に互いのズレや移動を最小限にすることができる。また、外部からの力により放熱基板３上で配線基板２が移動するリスクを減らすこともできる。さらに、支持材５の上面を蛍光体６を含む半導体素子１の上面の高さと同等にすれば、外部からの半導体素子１への光の入射を遮断できる効果も発揮できる。
なお、第１の実施形態およびその変形例において、複数の支持材５に関して放熱基板３と複数の支持材５の各々との接続部分からの支持材５の高さは同等である。これによって、放熱基板３と支持材５に固定されて放熱基板３上に搭載される配線基板２は、実質的に放熱基板３と平行するように安定して配置されることになる。
（第２の実施形態）
以下、図７を用いて、第２の実施形態について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態を示す図１の（ａ）で説明した半導体モジュール１００の製造方法について説明する。
まず、図７の（ａ）に示すように、放熱基板３上の周辺部分の所定領域上に支持材５を搭載する。ここで、支持材５としては、一例として樹脂系材料を用い、液体状の樹脂系材料をディスペンス２０により放熱基板３に塗布すればよい。
次に、図７の（ｂ）に示すように、放熱基板３を図示しないステージ上で加熱する。その後、ダイパッド領域部９に接合材４として金属ペレットを搭載し、融点以下で加熱して仮接合する。例えば、ＡｕＳｎペレットの場合は、融点以下の２５０℃程度で仮接合を行う。また、金属ペレットの厚みは約５０μｍ程度である。その状態で、接合材４である金属ペレットは放熱基板３上で、ほぼ初期状態の高さを維持できている。このとき、支持材５が配線基板２には接触しないようにしておく方が望ましい。
次に、図７の（ｃ）に示すように、ステージ上で、図示しない搭載用ヘッドツールを用いて、半導体素子１が搭載された配線基板２を、接合材４及び支持材５を装着した放熱基板３の上方に配置する。その後、半導体素子１が搭載された配線基板２を、接合材４及び支持材５を装着した放熱基板３に接触するように押し付けて接合させる。ここでは、接合材４である金属ペレットの高さに倣うように支持材５を変形させればよい。したがって、配線基板２と放熱基板３との接合前は、接合材４の高さよりも支持材５の高さが高い方が望ましい。
次に、図７の（ｄ）に示すように、加熱過程ではまず支持材５と配線基板２が接着し、支持材５の位置に合わせて仮固定される。ここで、加熱温度は接合材４である金属ペレットの仮接合温度よりも低く、例えばＡｕＳｎペレットの場合の２５０℃より低い２３０℃以下とする。その状態で搭載用ヘッドツールは配線基板２から離す。
その後、接合材４のペレットを融点以上に加熱して溶融させ、冷却して配線基板２と放熱基板３を接合する。例えばＡｕＳｎペレットの場合、加熱温度は３００℃以上である。このようにして、図１の（ａ）に示す半導体モジュール１００を完成する。
本実施形態では、支持材５を用いているために、加熱過程ではまず支持材５と配線基板２が接着し、支持材５の位置に合わせて配線基板２が仮固定される。この結果、配線基板２と接合材４との接合はリフロー等の一般的な加熱工程を用いることができ、別途リフロー専用設備を使って多くの数量を一括で接合させることも可能となる。よって、工程処理能力を向上させることができる。
（第２の実施形態の第１変形例）
以下、図８を用いて、第２の実施形態の第１変形例について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態の第１変形例を示す図２で説明した半導体モジュール１００ａの製造方法について説明する。
まず、図８の（ａ）に示すように、支持材５となる金属系のバンプを超音波接合もしくは加熱溶融接合で、図示しない放熱基板３上の電極１０に接合する。超音波接合では、接合自体が温度よりも超音波での金属間凝着で促進されるため、低温接合が可能であり、例えばＡｕとＡｕとの接合では、２００℃以下で固定する。
次に、図８の（ｂ）に示すように、支持材５に接触しないように支持材５と異なる金属ペレットからなる接合材４を、放熱基板３のダイパッド領域部９に搭載して加熱する。ここで、接合材４と放熱基板３との接合温度は接合材４の融点以下の温度とし、完全溶融しない状態で仮付けする。また、接合材４の材料は金属ペレットに限るものではなく、ペースト材でも構わない。なお、ペレット材のほうが加熱冷却後の収縮量が小さく、本製造方法には適している。
また、ペースト材を用いる場合には、搭載後にペースト材の上面にフラックスを塗布させておく。さらに、ペースト内に目標の接合高さに合わせた金属ボールを含有させておけば、後述するように接合材４に荷重をかけてゆく過程で、金属ボールの高さが放熱基板３に対する配線基板２の高さを正確に決めるため、その制御が容易になる。
次に、図８の（ｃ）に示すように、半導体素子１を搭載した配線基板２を支持材５に接触させ、支持材５を押しつぶしながら配線基板２が接合材４に接触するように荷重で押し込む。ここで、加熱を行う場合には接合材４の融点以下の温度にして、接合材４が溶けないようにしておく。
次に、図８の（ｄ）に示すように、接合材４をその融点以上に加熱した後、接合材４を冷却して半導体モジュールを完成する。
本変形例に係る半導体モジュール１００ａでも支持材５を用いているため、加熱過程ではまず支持材５と配線基板２が接着し、支持材５の位置に合わせて配線基板２が仮固定される。この結果、配線基板２と接合材４との接合はリフロー等の一般的な加熱工程を用いることができ、別途リフロー専用設備を使って多くの数量を一括で接合させることも可能となる。よって、工程処理能力を向上させることができる。
（第２の実施形態の第２変形例）
以下、図９を用いて、第２の実施形態の第２変形例について説明する。
本実施形態では、第１の実施形態の第２変形例を示す図３で説明した半導体モジュール１００ｂの製造方法である。
本実施形態に係る半導体モジュール１００ｂの製造方法は、図８に示した第１変形例に示した製造方法と類似しているため、第１変形例との相違点についてのみ説明する。
図９の（ａ）および（ｂ）に示す製造方法は図８の（ａ）および（ｂ）と同一であるが、図９の（ａ）に示すように、放熱基板３において、支持材５が形成された領域と支持材５が形成された以降の工程において接合材４が配置される領域との間に、あらかじめ溝１３を形成しておく。
次に、図９の（ｂ）に示すように、支持材５に接触しないように支持材５と異なる金属ペレットからなる接合材４を、放熱基板３のダイパッド領域部９（図示省略）に搭載して加熱する。ここで、接合材４と放熱基板３との接合温度は接合材４の融点以下の温度とし、完全溶融しない状態で仮付けする。また、接合材４の材料は金属ペレットに限るものではなく、ペースト材でも構わない。なお、ペレット材のほうが加熱冷却後の収縮量が小さく、本製造方法には適している。
また、ペースト材を用いる場合には、搭載後にペースト材の上面にフラックスを塗布させておく。さらに、ペースト内に目標の接合高さに合わせた金属ボールを含有させておけば、後述するように接合材４に荷重をかけてゆく過程で、金属ボールの高さが放熱基板３に対する配線基板２の高さを正確に決めるため、その制御が容易になる。
次に、図９の（ｃ）に示すように、半導体素子１を搭載した配線基板２を支持材５に接触させ、支持材５を押しつぶしながら配線基板２が接合材４に接触するように荷重で押し込む。ここで、加熱を行う場合に接合材４の融点以上の温度にする。この場合、接合材４が溶けたとしても、その溶融過程で溝１３に接合材４が収容され、溝１３の外方まで広がらないため、接合材４が支持材５に接触することを抑制できる。
本変形例においても、支持材５を用いているために、加熱過程ではまず支持材５と配線基板２が接着し、支持材５の位置に合わせて配線基板２が仮固定される。この結果、配線基板２と接合材４との接合はリフロー等の一般的な加熱工程を用いることができ、別途リフロー専用設備を使って多くの数量を一括で接合させることも可能となる。よって、工程処理能力を向上させることができる。
（第２の実施形態の第３変形例）
以下、図１０を用いて、第２の実施形態の第３変形例について説明する。
本実施形態に係る半導体モジュール１００ｈは、第１の実施形態の第５変形例を示す図６で説明した半導体モジュール１００ｇに類似した構造の半導体モジュール１００ｈの製造方法である。
図６で説明した半導体モジュール１００ｇとの完成品における相違点は、本実施形態に係る半導体モジュール１００ｈの完成品では、支持材５は配線基板２の側面の一部を覆っているが配線基板２の上面上までは這い上がっていない構成としていることである。
まず、図１０の（ａ）に示すように、放熱基板３を図示しないステージ上で加熱する。
次に、図１０の（ｂ）に示すように、放熱基板３上のダイパッド領域部９に接合材４として金属ペレットを搭載し、融点以下で加熱して仮接合する。金属ペレットがＡｕＳｎペレットの場合は、温度は融点以下の２５０℃程度で仮接合が可能である。また、厚みは約５０μｍ程度とすればよい。その状態で、接合材４の金属ペレットは、放熱基板３上でほぼ初期状態の高さを維持できている。
次に、図１０の（ｃ）に示すように、支持材５を放熱基板３の周辺部分に搭載する。図１０の（ｃ）では、支持材５として樹脂系材料を用い、液体状の樹脂系材料をディスペンス２０により放熱基板３に塗布している。このとき、支持材５は、接合材４の側面上および上面上の周辺部分のみを覆うように形成する。このようにすることで、以降の工程において、支持材５が配線基板２と接合材４との間に侵入して濡れ広がることを防止できる。
次に、図１０の（ｄ）に示すように、ステージ上で、図示しない搭載用ヘッドツールを用いて半導体素子１が搭載された配線基板２を、接合材４及び支持材５を装着した放熱基板３の上方に配置する。
次に、図１０の（ｅ）に示すように、半導体素子１が搭載された配線基板２を、接合材４及び支持材５を装着した放熱基板３に接触するように押し付けて接合させる。このとき、加熱過程では、まず支持材５における接合材４の上面上の周辺部分に形成された領域と配線基板２が接着し、支持材５の位置に合わせて仮固定される。ここで、加熱温度は接合材４である金属ペレットの仮接合温度よりも低く、例えばＡｕＳｎペレットの場合の２５０℃より低い２３０℃以下とする。その状態で搭載用ヘッドツールは配線基板２から離す。
その後、接合材４である金属ペレットを融点以上に加熱して溶融させ、冷却して配線基板２と放熱基板３を接合する。例えばＡｕＳｎペレットの場合、加熱温度は３００℃以上である。このとき、支持材５の配線基板２の側面近傍に存在する部分が配線基板２の側面上に回りこみ、配線基板２の側面上で固まる。この結果、配線基板２は周辺部分に回りこんだ支持材５によって完全に固定される。このようにして、半導体モジュール１００ｈを完成する。
本変形例でも支持材５を用いているために、加熱過程ではまず支持材５と配線基板２が接着し、支持材５の位置に合わせて配線基板２が仮固定される。この結果、配線基板２と接合材４との接合はリフロー等の一般的な加熱工程を用いることができ、別途リフロー専用設備を使って多くの数量を一括で接合させることも可能となる。よって、工程処理能力を向上させることができる。
なお、第２の実施形態およびその変形例において、放熱基板上への接合材の形成と支持材の形成の形成順が逆になっているが、接合材と支持材との配置関係が維持されるのであれば、形成順は前後しても問題は無い。
ここで、第１の実施形態および第２の実施形態に共通する特徴について従来技術と対比しながら説明する。
図１１に、従来技術に係る半導体モジュール１５０の製造方法を示す。
従来技術では、まず、図１１の（ａ）に示すように、放熱基板１５３上に接合材１５４を配置、搭載した後、図１１の（ｂ）に示すように、接合材１５４を溶融した後、半導体素子１５１が搭載された配線基板１５２を、図示しない搭載用ヘッドツールを用いて接合材１５４を装着した放熱基板１５３の上方に配置し、その後、半導体素子１５１が搭載された配線基板１５２を、接合材１５４を装着した放熱基板１５３に接触するように押し付けて接合させる。その後、図１１の（ｃ）に示すように、接合材１５４を冷却して半導体モジュール１５０を完成する。
このような従来技術では、半導体素子１５１が搭載された配線基板１５２を、接合材１５４を装着した放熱基板１５３の上方に配置し、その後、半導体素子１５１が搭載された配線基板１５２を、接合材１５４を装着した放熱基板１５３に接触するように押し付けて接合させた後、接合材１５４の冷却が完了するまで、半導体素子１５１が搭載された配線基板１５２を、搭載用ヘッドツールを用いて保持し続ける必要がある。
他方、本実施形態では、支持材５を用いているために、加熱過程ではまず支持材５と配線基板２が接着し、支持材５の位置に合わせて配線基板２が仮固定される。この仮固定によって、配線基板２とそれに搭載された半導体素子１の放熱基板３に対する高さばらつきや傾き、あおり等の搭載精度を高精度に制御することが可能となる。
また、仮固定後は、搭載用ヘッドツールで配線基板２を保持し続ける必要が無い。この結果、配線基板２と接合材４との接合はリフロー等の一般的な加熱工程を用いることができ、別途リフロー専用設備を使って多くの数量を一括で接合させることも可能となる。よって、工程処理能力を向上させることができる。
（効果等）
以上、本発明の一態様に係る半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子を第１面に搭載し、前記半導体素子と電気的に接続された配線基板と、前記配線基板における前記第１面の反対側の第２面と対向するように、前記配線基板を搭載した放熱基板と、前記放熱基板のダイパッド領域部上に形成され、前記配線基板と前記放熱基板との間に介在して前記配線基板と前記放熱基板とを接合する接合材と、前記放熱基板上における前記ダイパッド領域部の周辺領域に形成され、前記配線基板の前記第２面の周辺領域と接触することで前記配線基板を前記放熱基板に固定する支持材とを備える。
このような構成とすることにより、配線基板と放熱基板とを接合材で接合する際に、支持材で配線基板と放熱基板とが仮固定された状態に維持しておくことができる。これにより、接合温度まで昇温させても、配線基板と放熱基板との搭載ずれや材料の線膨張率の差によるＺ方向への変位を抑制することができる。さらに、接合時から冷却時まで搭載用ヘッドツールで配線基板を長時間保持することが不要になるため、工程タクトも短くすることができる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールにおいて、前記支持材は、少なくとも３つ以上に独立して形成され、前記独立して形成された支持材の各々は、前記支持材と前記放熱基板との接続部分からの高さが同等であり、前記接合材は、平面視において前記独立して形成された支持材によって取り囲まれるように配置されていてもよい。
このような構成とすることにより、配線基板が支持材を介して放熱基板に対して平面上で安定して固定されるため、放熱基板に対する半導体素子及び配線基板の傾き、あおりを抑制することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールにおいて、前記接合材は、前記半導体素子および前記配線基板のいずれとも電気的に接続していなくてもよい。
このような構成とすることにより、接合材４が半導体素子１及び配線基板２と絶縁されていても、半導体素子１及び配線基板２と放熱基板３との電気的接続が、それぞれの電極８と電極１０との間で行われる。これにより、支持材５や接合材４の接合状態に関係なく半導体モジュールとして機能すべき電気特性を維持することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールにおいて、前記放熱基板における前記配線基板の前記第２面と対向する面には、平面視において前記支持材と前記接合材との間に溝が形成されており、前記溝内には前記接合材の一部が配置されていてもよい。
このような構成とすることにより、接合材を溶融して放熱基板と配線基板とを接合する際に、接合材が溶融して外方へ広がる場合でも、はみ出し分が溝に収容され、それ以上の外方への広がりが抑制される。よって、接合材と支持材との接触を抑制することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールにおいて、前記接合材は、金属を含む材料からなり、前記支持材は、前記接合材とは異なる金属を含む材料からなり、前記支持材は、前記接合材よりも融点が高くてもよい。
このような構成とすることにより、接合材も支持材も共に金属材料となるため、支持材を介して配線基板から放熱基板へ放熱することができる。また、接合材を加熱するときに支持材が再溶融するのを防止することができる。
また、本発明の半導体モジュールにおいて、前記支持材は、樹脂材料からなるとしてもよい。
このような構成とすることにより、放熱基板と配線基板との間の絶縁を図ることができる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールにおいて、前記支持材は、少なくとも前記配線基板の側面上の一部を覆っていてもよい。
このような構成とすることにより、支持材を形成した後の製造工程において、支持材が配線基板と接合材との間に侵入して濡れ広がることを防止できる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールにおいて、前記支持材の最上端は、前記放熱基板から見て前記配線基板の前記第１面よりも高い位置にあるとしてもよい。
このような構成とすることにより、支持材が配線基板の側面を覆いさらに上面上に這い上がるようにして配線基板を固定するため、特に、放熱基板と配線基板を接合する際に互いのズレや移動を最小限にすることができる。また、外部からの力により放熱基板上で配線基板が移動するリスクを減らすこともできる。さらに、支持材の上面を蛍光体を含む半導体素子の上面の高さと同等にすれば、外部からの半導体素子への光の入射を遮断できる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールにおいて、前記接合材の線膨張係数は、前記配線基板の線膨張係数と前記放熱基板の線膨張係数との間の大きさであるとしてもよい。
このような構成とすることにより、接合材によって配線基板と放熱基板との熱膨張差を吸収して、配線基板と放熱基板との接合の信頼性を維持することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールの製造方法は、放熱基板上に少なくとも３つ以上に独立して支持材を形成する工程と、前記放熱基板上に、前記支持材に接触しないように接合材を形成する工程と、半導体素子を搭載した配線基板を、前記接合材が前記配線基板と前記放熱基板との間に介在し、かつ、前記独立して形成された支持材上に跨るように配置して前記支持材に固定する工程と、前記接合材を加熱溶融して前記配線基板と前記放熱基板を接合する工程とを備え、前記接合材を形成する工程では、平面視において前記独立して形成された支持材によって前記接合材が取り囲まれるように、前記接合材を形成する。
このような構成とすることにより、支持材を用いているために、加熱過程ではまず支持材と配線基板が接着し、支持材の位置に合わせて配線基板が仮固定される。この仮固定によって、配線基板とそれに搭載された半導体素子の放熱基板に対する高さばらつきや傾き、あおり等の搭載精度を高精度に制御することが可能となる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールの製造方法において、前記接合材は、金属を含む材料からなり、前記接合材を形成する工程では、前記金属を含む材料を加熱溶融することで形成するとしてもよい。
このような構成とすることにより、接合材を介して配線基板から放熱基板へ放熱することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールの製造方法において、前記支持材は樹脂材料からなるとしてもよい。
このような構成とすることにより、放熱基板と配線基板との間の絶縁を図ることができる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールの製造方法において、前記配線基板を前記支持材に固定する工程では、前記樹脂材料が前記配線基板の少なくとも側面上の一部を覆うように形成するとしてもよい。
このような構成とすることにより、支持材を形成した後の製造工程において、支持材が配線基板と接合材との間に侵入して濡れ広がることを防止できる。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールの製造方法において、前記支持材は前記接合材とは異なる金属を含む材料からなり、前記支持材は前記接合材よりも融点が高くてもよい。
以上、一つまたは複数の態様にかかる半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法について、実施形態および変形例に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態および変形例に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施形態に施したものや、異なる実施形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
本発明は、ＬＥＤを用いたヘッドランプや光学精度の高い照明器具において有用である。
１、１５１ 半導体素子
２、１５２ 配線基板
３、１５３ 放熱基板
４、１５４ 接合材
５ 支持材
６、１５６ 蛍光体
８ 配線基板の電極
９ ダイパッド領域部
１０ 放熱基板の電極
１１ 基準穴
１２ 金属ワイヤ
１３ 溝
２０ ディスペンス
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ、１５０、２００、３００ 半導体モジュール
２０１ ＬＥＤパッケージ基板
２０２ ＬＥＤチップ
２０３ ＬＥＤパッケージ
２０４ 配線基板
２０５ 接着材
２０６ 放熱板
３２１ 放熱基板
３２２ サブマウント
３２３ 各ＬＥＤ素子
３２４ａ 正極ランド
３２４ｂ 負極ランド

Claims (17)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子を第１面に搭載し、前記半導体素子と電気的に接続された配線基板と、
    前記配線基板における前記第１面の反対側の第２面と対向するように、前記配線基板を搭載した放熱基板と、
    前記放熱基板のダイパッド領域部上に形成され、前記配線基板と前記放熱基板との間に介在して前記配線基板と前記放熱基板とを接合する接合材と、
    前記放熱基板上における前記ダイパッド領域部の周辺領域に形成され、前記配線基板の前記第２面の周辺領域と接触することで前記配線基板を前記放熱基板に固定する支持材とを備え、
    前記接合材と前記支持材とは離間して形成されており、
    前記接合材は、金属を含む材料からなり、
    前記支持材は、前記接合材とは異なる金属を含む材料からなり、
    前記支持材は、前記接合材よりも融点が高い
    半導体モジュール。
  2. 半導体素子と、
    前記半導体素子を第１面に搭載し、前記半導体素子と電気的に接続された配線基板と、
    前記配線基板における前記第１面の反対側の第２面と対向するように、前記配線基板を搭載した放熱基板と、
    前記放熱基板のダイパッド領域部上に形成され、前記配線基板と前記放熱基板との間に介在して前記配線基板と前記放熱基板とを接合する接合材と、
    前記放熱基板上における前記ダイパッド領域部の周辺領域に形成され、前記配線基板の前記第２面の周辺領域と接触することで前記配線基板を前記放熱基板に固定する支持材とを備え、
    前記接合材と前記支持材とは離間して形成されており、
    前記支持材は、樹脂材料からなる
    半導体モジュール。
  3. 半導体素子と、
    前記半導体素子を第１面に搭載し、前記半導体素子と電気的に接続された配線基板と、
    前記配線基板における前記第１面の反対側の第２面と対向するように、前記配線基板を搭載した放熱基板と、
    前記放熱基板のダイパッド領域部上に形成され、前記配線基板と前記放熱基板との間に介在して前記配線基板と前記放熱基板とを接合する接合材と、
    前記放熱基板上における前記ダイパッド領域部の周辺領域に形成され、前記配線基板の前記第２面の周辺領域と接触することで前記配線基板を前記放熱基板に固定する支持材とを備え、
    前記接合材と前記支持材とは離間して形成されており、
    前記接合材の線膨張係数は、前記配線基板の線膨張係数と前記放熱基板の線膨張係数との間の大きさである
    半導体モジュール。
  4. 前記接合材の線膨張係数は、前記配線基板の線膨張係数と前記放熱基板の線膨張係数との間の大きさである
    請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
  5. 前記支持材は、少なくとも３つ以上に独立して形成され、
    前記独立して形成された支持材の各々は、前記支持材と前記放熱基板との接続部分からの高さが同等であり、
    前記接合材は、平面視において前記独立して形成された支持材によって取り囲まれるように配置されている
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記接合材は、前記半導体素子および前記配線基板のいずれとも電気的に接続していない
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記放熱基板における前記配線基板の前記第２面と対向する面には、平面視において前記支持材と前記接合材との間に溝が形成されており、
    前記溝内には前記接合材の一部が配置されている
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  8. 半導体素子と、
    前記半導体素子を第１面に搭載し、前記半導体素子と電気的に接続された配線基板と、
    前記配線基板における前記第１面の反対側の第２面と対向するように、前記配線基板を搭載した放熱基板と、
    前記放熱基板のダイパッド領域部上に形成され、前記配線基板と前記放熱基板との間に介在して前記配線基板と前記放熱基板とを接合する接合材と、
    前記放熱基板上における前記ダイパッド領域部の周辺領域に形成され、前記配線基板の前記第２面の周辺領域と接触することで前記配線基板を前記放熱基板に固定する支持材とを備え、
    前記支持材は、樹脂材料からなり、
    前記支持材は、少なくとも前記配線基板の側面上の一部を覆っている
    半導体モジュール。
  9. 前記支持材は、少なくとも３つ以上に独立して形成され、
    前記独立して形成された支持材の各々は、前記支持材と前記放熱基板との接続部分からの高さが同等であり、
    前記接合材は、平面視において前記独立して形成された支持材によって取り囲まれるように配置されている
    請求項８に記載の半導体モジュール。
  10. 前記接合材は、前記半導体素子および前記配線基板のいずれとも電気的に接続していない
    請求項８又は９に記載の半導体モジュール。
  11. 前記放熱基板における前記配線基板の前記第２面と対向する面には、平面視において前記支持材と前記接合材との間に溝が形成されており、
    前記溝内には前記接合材の一部が配置されている
    請求項８〜１０のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  12. 前記支持材の最上端は、前記放熱基板から見て前記配線基板の前記第１面よりも高い位置にある
    請求項８〜１１のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  13. 前記接合材の線膨張係数は、前記配線基板の線膨張係数と前記放熱基板の線膨張係数との間の大きさである
    請求項８〜１２のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  14. 放熱基板上に少なくとも３つ以上に独立して支持材を形成する工程と、
    前記放熱基板上に、前記支持材に接触しないように接合材を形成する工程と、
    半導体素子を搭載した配線基板を、前記接合材が前記配線基板と前記放熱基板との間に介在し、かつ、前記独立して形成された支持材上に跨るように配置して前記支持材に固定する工程と、
    前記接合材を加熱溶融して前記配線基板と前記放熱基板を接合する工程とを備え、
    前記接合材を形成する工程では、平面視において前記独立して形成された支持材によって前記接合材が取り囲まれるように、前記接合材を配置し、
    前記支持材は、樹脂材料からなる
    半導体モジュールの製造方法。
  15. 前記接合材は、金属を含む材料からなり、
    前記接合材を形成する工程では、前記金属を含む材料を加熱溶融することで形成する
    請求項１４に記載の半導体モジュールの製造方法。
  16. 前記配線基板を前記支持材に固定する工程では、前記樹脂材料が前記配線基板の少なくとも側面上の一部を覆うように形成する
    請求項１４又は１５に記載の半導体モジュールの製造方法。
  17. 放熱基板上に少なくとも３つ以上に独立して支持材を形成する工程と、
    前記放熱基板上に、前記支持材に接触しないように接合材を形成する工程と、
    半導体素子を搭載した配線基板を、前記接合材が前記配線基板と前記放熱基板との間に介在し、かつ、前記独立して形成された支持材上に跨るように配置して前記支持材に固定する工程と、
    前記接合材を加熱溶融して前記配線基板と前記放熱基板を接合する工程とを備え、
    前記接合材を形成する工程では、平面視において前記独立して形成された支持材によって前記接合材が取り囲まれるように、前記接合材を配置し、
    前記接合材は、金属を含む材料からなり、
    前記接合材を形成する工程では、前記金属を含む材料を加熱溶融することで形成し、
    前記支持材は、前記接合材とは異なる金属を含む材料からなり、
    前記支持材は、前記接合材よりも融点が高い
    半導体モジュールの製造方法。
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