JP6905171B2

JP6905171B2 - 半導体装置用パッケージおよびそれを用いた半導体装置。

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Publication number: JP6905171B2
Application number: JP2016195096A
Authority: JP
Inventors: 聡片岡
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: JP2018060835A

Description

本開示は、半導体装置用パッケージおよびそれを用いた半導体装置に関する。

セラミック基板を配線基板上にはんだ付けする際に、セラミック基板と配線基板の熱膨張係数差によって、はんだ接続部に熱履歴による熱ストレスが作用し、はんだクラックが生じることが知られている。
特許文献１に開示される発光素子用セラミックパッケージでは、一対の電極用ソルダーパッドよりも外周側に、基板のコーナー部を避けて補助ソルダーパッドを設けることで、接続信頼性に優れるとともに、パッケージを安定的に配線基板に支持することを可能としている。

特開２００７−２１４５１４号公報

しかしながら、コーナー部からソルダーパッドが離れると、セルフアライメント力が低下することから実装精度が低下するおそれがあり、より実装性の高い半導体装置が求められている。

本発明に係る実施形態は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、接続信頼性及び実装性に優れた半導体装置用パッケージおよびそれを用いた半導体装置を提供する。

本発明の一実施の形態の半導体装置用パッケージは、主面及び裏面を有し、平面視形状が矩形の基板と、前記基板の裏面側に設けられ、前記基板の外側周縁の四隅に分かれて形成された補助ソルダーパッドと、前記補助ソルダーパッドよりも内側に形成された少なくとも一対の電極用ソルダーパッドと、を有する。

本発明の一実施の形態の半導体装置用パッケージによれば、接続信頼性及び実装性に優れた半導体装置用パッケージおよびそれを用いた半導体装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る発光装置の概略断面図である。図１に示す発光装置の概略平面図である。図１に示す発光装置の概略下面図である。本発明の第２実施形態に係る発光装置の概略下面図である。本発明の第３実施形態に係る発光装置の概略下面図である。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係る半導体装置用パッケージを用いた発光装置１００の概略断面図である。発光装置１００は、主面１０ａ及び裏面１０ｂを有し、平面視形状が矩形の基板１０を有する。基板１０の裏面１０ｂ側には、平面視において基板１０の外側周縁の四隅に分かれて形成された補助ソルダーパッド２０が設けられている。さらに、裏面１０ｂ側には、補助ソルダーパッド２０よりも内側に形成された、少なくとも一対の電極用ソルダーパッド３０が設けられている。補助ソルダーパッド２０よりも内側とは、４つの補助ソルダーパッド２０に囲まれた領域内であることを意味する。本実施形態では、裏面１０ｂの略中央部に、一対の電極用ソルダーパッド３０が配置されている。

電極用ソルダーパッドは、半導体装置用パッケージを実装する実装基板との線膨張係数差の影響を小さくするため、基板１０の外側周縁を避けて配置する。電極用ソルダーパッドの面積が大きくなると、基板１０と実装基板との線膨張係数差による応力を受けやすく、はんだ部分にクラックが生じて電圧上昇などの不具合が発生し、不灯に至る可能性がある。一方、基板の外側周縁付近にはんだパッド（ソルダーパッド）が存在しないと、セルフアライメント効果が効きにくく、実装性が低下する。

本実施形態ではセルフアライメント効果を得るために、電極用ソルダーパッドとは別に、基板の裏面１０ｂ側の外側周縁の四隅に分かれて形成された補助ソルダーパッド２０を有している。基板の外側周縁付近にはんだパッドが存在するので、セルフアライメント効果が大きくなり、実装性が向上する。また、溶融はんだを載置する領域が大きくなり、ソルダーパッドとはんだとの接触面積が増加するため、各ソルダーパッド上でのはんだ量の差が生じにくくなり、実装時の傾きを抑制することができる。

また、電極用ソルダーパッドは基板１０の平面積に比べて小さめに形成されているため、クラックが生じにくい。なお、補助ソルダーパッド２０は電極用ソルダーパッド３０とは電気的に非接続とされているため、補助ソルダーパッドと接続されるはんだにクラックが生じても、不灯には至ることはない。

セルフアライメント力は、ソルダーパッドとはんだの接触長さ（外周）に比例する。そのため、補助ソルダーパッドは基板１０の外側周縁に沿ってなるべく大きく形成されることが好ましいが、補助ソルダーパッドが基板の一辺に沿って長く形成されていると、はんだの濡れ性の差で、同一のソルダーパッド内で配置されるはんだの量に偏りが生じて実装性が低下するおそれがある。そのため、補助ソルダーパッドが四隅に分かれて形成されていると同一のソルダーパッド内でのはんだの偏りを低減させることができる。

本実施形態では、補助ソルダーパッド２０は、図３に示すように基板１０の外側周縁の隅部の形状に沿ったＬ字形状とされている。言い換えると補助ソルダーパッド２０は、図３に示すように基板１０の隣接する２辺に沿ってＸ方向及びＹ方向に延びる部分を有している。補助ソルダーパッドをＬ字形状とすることによってＸＹ方向への実装位置ずれを抑制することができる。

電極用ソルダーパッド３０と、補助ソルダーパッド２０の大きさは、同等であってもよいし、いずれか一方が大きくてもよい。また、補助ソルダーパッド２０のそれぞれは、大きさや形状が異なっていても良い。実装する実装基板の応力が生じやすい場所に合わせて補助ソルダーパッド２０を配置してもよい。

電極用ソルダーパッド３０の一辺と、補助ソルダーパッド２０の一辺が、図３に示すように直線上に配置されていると、位置合わせのラインを長くとることができるため、セルフアライメント効果がより高まり、実装性が向上する。

第１実施形態の半導体装置用パッケージの一例について、図１を参照しながら説明する。この例では、半導体装置用パッケージに半導体素子として発光素子１が搭載されており、発光装置１００とされている。なお、搭載される半導体素子は、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子に限られず、トランジスタやＩＣ、ＬＳＩ、ツェナーダイオード、コンデンサー、受光素子なども用いることができる。

本実施形態の発光装置は、図１及び図２に示すように、上面を発光面とし、発光面の反対側の下面に電極が設けられた発光素子１と、発光素子１の側面を被覆し、発光素子１の上面を露出して配置された光反射部材２と、光反射部材２の上であって、発光素子１の上面の外周を取り囲むように形成された枠体４とを含む。さらに、発光装置１００は、枠体４内に配置された、すなわち枠体４で囲まれた領域に充填された透光性部材３を有し、光反射部材２、枠体４、及び透光性部材３を被覆する封止部材５を有する。

実施形態１の発光装置１００において、発光素子１は、例えば透光性の絶縁基板上に半導体層が積層され、半導体層側の一面に少なくとも一対の正負の電極が形成されたものである。光反射部材２は、少なくとも発光素子１の側面を覆うように設けられる。

本実施形態では、図２に示すように、発光素子１は、基板１０の主面１０ａ上にバンプ等の接合材料によってフリップチップ実装されており、その側面が光反射部材２に接触して被覆されている。基板１０の主面１０ａには配線が設けられており、配線と発光素子１の電極とが接合部材を介して接合される。発光素子１は平面形状が略正方形であり、図１に示すように、３×３の行列状（格子状）に９つ配置されている。

隣接する発光素子間の間隔は、特に限定されるものではないが、例えば発光素子の一辺の長さよりも狭いことが好ましい。特に、１μｍ〜３００μｍ、さらに好ましくは５０μｍ〜１００μｍとすることにより、蛍光体や拡散材を用いて発光素子間の非発光領域に光を拡散させることができる。このため、隣接する発光素子間には光反射部材２が配置されていることが好ましい。

光反射部材２は、発光素子１の上面を除く側面全てを被覆することが好ましい。発光素子間での光吸収を抑制するためである。また、光反射部材２は、その上面が平坦であることが好ましい。発光素子の上面と略面一であってもよいし、発光素子の上面よりも高い位置にその上面が配置されていてもよい。ここでの面一とは、樹脂の自重によってその表面に意図しない若干の凹部が形成されることが許容され、つまり、数１０μｍ程度の高低差が許容されることを意図する。さらに光反射部材２は、基板１０上に載置された、発光素子１以外の部品（例えば保護素子１６など）を埋設していてもよい。基板１０の裏面１０ｂには、図２に示すように少なくとも一対の電極用ソルダーパッド３０が設けられる。この一対の端子電極の形状を、例えば切り欠き等を用いて若干異ならせることで、極性を表示するためのアノードマークやカソードマークとしてもよい。

光反射部材２の上面には、枠体４が形成される。枠体４は、発光素子１の上面の外周を取り囲む。複数の発光素子１が用いられる場合には、図１に示すように複数の発光素子の最外周を取り囲むように配置される。発光素子の上面のすべてが、枠内に露出するように形成されることが好ましく、例えば最も外周に位置する発光素子１の上面の若干外側に枠体４が配置され、枠内の最外側に光反射部材２の上面が露出されていることが好ましい。発光素子の外縁と枠体の内壁との距離は、例えば３００μｍ以下、０〜１００μｍ程度が好ましい。これにより発光領域を限定することで高輝度化を実現することができる。枠体４は、光反射性を有する物質を混合した樹脂材料により形成することができる。

透光性部材３は、枠体４内、すなわち枠体４によって取り囲まれて形成される凹部内に配置される。本実施形態では、凹部は、発光素子１の上面及び光反射部材２の上面により形成される底面と、枠体４によって形成される内側面を有しており、この凹部内に透光性部材３が配置される。

透光性部材３は、樹脂材料に蛍光体等の波長変換物質が含有されたものを好適に用いることができる。このような樹脂材料を枠体４内に滴下（ポッティング）することで透光性部材３を形成することができる。蛍光体を用いる場合、波長変換時に生じる蛍光体からの発熱を効率よく放熱するために、蛍光体は発光素子１の上面と接していることが好ましく、よって蛍光体は凹部の底面に、すなわち発光素子側に沈降配置されていることが好ましい。

封止部材５は、発光素子からの光、すなわち透光性部材３を通って出射される光を効率よく外部に取り出すために設けられる透光性部材である。封止部材５は、光反射部材２、枠体４、及び透光性部材３を被覆している。また、封止部材５は、レンズ部６とレンズ部６の下方に、レンズの外周側に延出されてなる鍔部７とを有する。

図１に示すように、枠体４の一部は、鍔部７で被覆されている。光取り出し効率を向上させるためには、レンズ部６は発光素子から出射された光が、レンズ部の界面で全反射しない程度に大きく設定することが好ましい。しかし、発光装置を小型化しようとすると、レンズを大きくするには限界がある。そこで、枠体４の一部が鍔部７で被覆されるようにする。言い換えると、平面視において、枠体４はレンズ部６と鍔部７とに跨って配置されている。さらに好ましくは、枠体４の外縁の一部が鍔部７に被覆されているのに対し、枠体４の内側面、すなわち透光性部材３の外縁は、そのすべてがレンズ部６の下に配置される。これにより、光取り出し効率をなるべく低下させずに小型化を実現することができる。
また、基板１０の外縁と封止部材５の外縁が上面視にて一致するように、基板１０と封止部材５の端面が面一とされていることが好ましい。

以上、図１及び図２を参照して説明したが、本実施形態の基板１０は平板状に限られず、半導体素子を搭載する部分が凹状に形成された基板であってもよい。また、光反射部材２や枠体４や封止部材５は任意で設ければよく、本実施形態の必須の構成ではない。

＜第２実施形態＞
図４は第２実施形態に係る半導体パッケージである発光装置２００の底面図である。本実施形態では、電極用ソルダーパッド３０及び補助ソルダーパッド２０のそれぞれは、平面視が略長方形であり、電極用ソルダーパッド３０と補助ソルダーパッド２０は長手方向を同じくするように配置されている。その他の構成は第１実施形態と同様とすることができる。本実施形態においても、基板の外側周縁付近にはんだパッドが存在するので、セルフアライメント効果が大きくなり、実装性が向上する。

＜第３実施形態＞
図５は第３実施形態に係る半導体パッケージである発光装置３００の底面図である。本実施形態では、電極用ソルダーパッド３０及び補助ソルダーパッド２０のそれぞれは、平面視が略長方形であり、電極用ソルダーパッド３０と補助ソルダーパッド２０は長手方向が略９０°異なる角度になるように配置されている。つまり、電極用ソルダーパッド３０がＹ方向に長いのに対し、補助ソルダーパッド２０はＸ方向に長くなるように形成されている。その他の構成は第１実施形態と同様とすることができる。本実施形態においても、基板の外側周縁付近にはんだパッドが存在するので、セルフアライメント効果が大きくなり、実装性が向上する。

以下に、実施の形態の半導体装置用パッケージ及び発光装置の各構成部材に適した材料等について説明する。
（基板１０）
半導体素子が載置される基板１０の材料は、セラミックスに限定されることなく、後述する各種材料を用いることができる。本開示の半導体装置用パッケージは、基板１０と半導体装置用パッケージを実装する実装基板との線膨張係数差がある場合に本願特有の課題が生じると考えられるため、基板１０との線膨張係数差が３．０×１０^−６／Ｋ以上、さらに好ましくは１５×１０^−６／Ｋ以上である場合に特に有効である。

基板は、ガラスエポキシ、樹脂、セラミックス（ＨＴＣＣ、ＬＴＣＣ）などの絶縁性材料、絶縁性材料と金属部材との複合材料等によって形成することができる。基板は、耐熱性及び耐候性の高いセラミックス又は熱硬化性樹脂を利用したものが好ましい。セラミックス材料としては、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライトなどが挙げられる。特に、放熱性の高い窒化アルミニウムが好ましい。これらのセラミックス材料に、例えば、ＢＴレジン、ガラスエポキシ、エポキシ系樹脂等の絶縁性材料を組み合わせて形成された基板でもよい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、トリアジン誘導体エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂などを利用することができる。なかでも、トリアジン誘導体エポキシ樹脂を用いることがより好ましい。基板の形状は、半導体素子を搭載する表面が平坦な板状体であることが好ましい。

(電極用ソルダーパッド３０)
基板は、その裏面に半導体素子と接続される電極用ソルダーパッドを有する。電極用ソルダーパッドは、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属又は鉄−ニッケル合金、燐青銅等の合金等によって形成することができる。電極用ソルダーパッドの厚みは、例えば、数μｍから数百μｍが挙げられる。

（補助ソルダーパッド２０）
補助ソルダーパッドは電極用ソルダーパッドと同様の材料、厚みとすることができる。これにより、補助ソルダーパッドでは給電機能を持たせずに実装性を向上させ、電極用ソルダーパッドで給電を取るという機能分離をすることができる。これにより、補助ソルダーパッドと接続されるはんだにクラックが生じたとしても、接続信頼性が損なわれることはない。

（発光素子１）
半導体素子の一例として用いられる発光素子１としては、例えば発光ダイオードチップ等の半導体発光素子を用いることができる。半導体発光素子は、透光性基板と、その上に形成された半導体積層体とを含むことができる。透光性基板には、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）のような透光性の絶縁性材料や、半導体積層体からの発光を透過する半導体材料（例えば、窒化物系半導体材料）を用いることができる。

半導体積層体は、例えば、ｎ型半導体層、発光層（活性層）およびｐ型半導体層等の複数の半導体層を含む。半導体層には、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体等の半導体材料から形成することができる。具体的には、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の窒化物系の半導体材料を用いることができる。

発光素子の電極としては、電気良導体を用いることができ、例えばＣｕ等の金属が好適である。

（光反射部材２）
光反射部材は、絶縁体であり、ある程度の強度を有する光反射性樹脂により構成することができる。光反射性樹脂とは、発光素子からの光に対する反射率が高く、例えば、反射率が７０％以上の樹脂を意味する。

光反射性樹脂としては、例えば透光性樹脂に、光反射性物質を分散させたものが使用できる。光反射性物質としては、例えば、酸化チタン、二酸化ケイ素、二酸化ジルコニウム、チタン酸カリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライトなどが好適である。光反射性物質は、粒状、繊維状、薄板片状などが利用できるが、特に、繊維状のものは光反射部材の熱膨張率を低くして、例えば、発光素子との間の熱膨張率差を小さくできるので、好ましい。光反射性樹脂に含まれる樹脂材料としては、特に、シリコーン樹脂、シリコーン変性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性の透光性樹脂であるのが好ましい。

（枠体４）
枠体４は、その内壁面で発光素子１から側方へ出射した光を上方へ反射させて発光装置の発光効率を向上させるための反射板として機能させることができる。

さらに、枠体は、光反射部材２上へ液状やペースト状で成形してそのまま凝固させて形成できる材料を適用することが好ましい。枠体を透光性部材の充填時の堰として十分な高さに形成するために、ペースト状すなわち高粘度（例えば、２５℃のときの粘度が３８０〜４５０Ｐａ・ｓ）の液状の材料が好ましい。このような材料として熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が挙げられ、具体的には、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＢＴレジン、ＰＰＡ、シリコーン樹脂等が挙げられる。また、枠体は、反射率を高くするために白色であることが好ましい。さらに枠体は、反射率をいっそう高くするために、前記樹脂材料に、発光素子が発光した光を吸収し難く、かつ母材である当該樹脂に対して屈折率差の大きい光反射材料（例えばＴｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＭｇＯ，ＺｎＯ等）の粉末を、予め分散させて形成してもよい。

（透光性部材３）
透光性部材は、発光ダイオード等を搭載した一般的な発光装置の封止に用いられる透光性樹脂材料を適用することができ、具体的には、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂等が挙げられる。また、透光性樹脂は、先に形成された枠体が堰になるので、比較的低粘度の液状の樹脂材料（例えば、２５℃のときの粘度が０．０１〜５．０Ｐａ・ｓ）で形成することができるため、小さな領域であっても充填を容易とすることができる。

さらに、このような低粘度の樹脂材料に波長変換物質（ある程度の比重を有する、例えば蛍光体）を混合した場合、硬化するまでに波長変換物質が沈殿し易いので、基板１０上に載置された発光素子１の表面（上面）近傍に偏って波長変換物質が分布して、発光素子１が発光した光が好適に波長変換される。また、これらの樹脂材料に、目的や用途に応じて前記波長変換物質の他に、着色剤、光拡散剤、フィラー等を含有させてもよい。以下、透光性部材に含有可能な波長変換物質について説明する。

（波長変換物質）
波長変換物質としては、少なくとも発光素子から出射された光によって励起されて、異なる波長の発光をするものであればよい。例えば、蛍光体やナノクリスタル、量子ドット（Ｑ−Ｄｏｔｓ）と称される発光物質などを用いることができる。

（封止部材５）
封止部材を構成する透光性部材としては、シリコーン樹脂、シリコーン変性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、メチルペンテン樹脂、ポリノルボルネン樹脂などの熱可塑性樹脂を用いることができる。特に、耐光性、耐熱性に優れるシリコーン樹脂が好適である。

以上、本発明に係るいくつかの実施形態について例示したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り任意のものとすることができることは言うまでもない。

１発光素子（半導体素子）
２光反射部材
３透光性部材
４枠体
５封止部材
６レンズ部
７鍔部
１０基板
１０ａ主面
１０ｂ裏面
２０補助ソルダーパッド
３０電極用ソルダーパッド
１００、２００、３００発光装置（半導体装置）

Claims

主面及び裏面を有し、平面視形状が矩形の基板と、
前記基板の裏面側に設けられ、前記基板の外側周縁の四隅に分かれて形成された補助ソルダーパッドと、
前記補助ソルダーパッドよりも内側に形成された少なくとも一対の電極用ソルダーパッドと、
を有し、
前記電極用ソルダーパッドの一辺と、前記補助ソルダーパッドの一辺が、直線上に配置されている半導体装置用パッケージ。
前記補助ソルダーパッドは、前記基板の外側周縁の隅部の形状に沿ったＬ字形状である、請求項１に記載の半導体装置用パッケージ。
前記電極用ソルダーパッド及び前記補助ソルダーパッドのそれぞれは、平面視が略長方形であり、前記電極用ソルダーパッドと前記補助ソルダーパッドは長手方向を同じくするように配置されている、請求項１に記載の半導体装置用パッケージ。
前記電極用ソルダーパッド及び前記補助ソルダーパッドのそれぞれは、平面視が略長方形であり、前記電極用ソルダーパッドと前記補助ソルダーパッドは長手方向が略９０°異なる角度になるように配置されている、請求項１に記載の半導体装置用パッケージ。
前記基板はセラミックスである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置用パッケージ。
前記補助ソルダーパッドは、前記電極用ソルダーパッドと電気的に接続されていない、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置用パッケージ。
前記基板の主面に搭載された半導体素子を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置用パッケージを用いた半導体装置。