JPH10321909A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH10321909A
JPH10321909A JP12885897A JP12885897A JPH10321909A JP H10321909 A JPH10321909 A JP H10321909A JP 12885897 A JP12885897 A JP 12885897A JP 12885897 A JP12885897 A JP 12885897A JP H10321909 A JPH10321909 A JP H10321909A
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heat
semiconductor element
conductive pattern
semiconductor device
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】それぞれ発熱量が異なる半導体素子を同一支持
基板上に配置させた半導体装置に係わり、特に、駆動安
定性に優れた半導体装置等に関する。 【解決手段】支持基板103上に絶縁層102を介して
配置された導電性パターンと、該導電性パターンとそれ
ぞれ独立して電気的に接続された複数の半導体素子と、
を有する半導体装置であって、複数の半導体素子は少な
くとも動作時に発熱量が異なる発熱量が多い第1の半導
体素子104と発熱量が少ない第2の半導体素子105
であり、且つ第1の半導体素子104は導電性パターン
を介して第2の半導体素子105よりも支持基板と熱伝
導がよい熱伝導通路を有する半導体装置である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、それぞれ発熱量が
異なる半導体素子を同一支持基板上に配置させた半導体
装置に係わり、特に、発光素子を高密度に搭載して使用
する各種光源用支持基板を利用した半導体装置等に関す
る。
【0002】
【従来の技術】今日、オフィスオートメーション化の進
展に伴い、各種の情報端末機器が普及してきている。そ
の中でも発光素子を用いた情報端末機器は、光プリンタ
などとして重要な位置を占めている。特に、RGB(赤
色系、緑色系、青色系)がそれぞれ1000mcd以上
にも及ぶ超高輝度に発光可能な半導体発光素子が開発さ
れたことに伴いフルカラー化が可能となった。このよう
なプリンタは、騒音がなく印字速度が速いのでO.A機
器に搭載して使用する光プリンタ用のプリンタヘッドな
どとして注目を浴びている。光プリンタヘッドに発光素
子としてLEDチップを利用したものは、 1.応答速度がナノ秒であり並列化可能なことから高速
度駆動が可能である。2.単に電気信号の入出力によっ
て発光制御できるので広範囲な速度で駆動できる。3.
駆動のための立ち上げ時間がなく待ち時間がない。4.
コンパクトかつシンプルな構造であり装置の小型化と調
整やメンテナンスに優れている。5.固体系であり、可
動部がないので騒音が生じなく信頼性が高いなどの優れ
た特性を有しいる。
【0003】このような半導体発光素子を利用した光源
部を駆動させると駆動に伴い発光素子が発熱する。発光
素子自体が昇温すると半導体特性が変動する。また、発
光素子の昇温により発光素子の誤作動やその半導体素子
自体の破壊に到る場合もある。具体的には、外部からの
熱の影響や発光素子自体の駆動に伴う発熱により発光素
子が放出する発光波長がずれる。発光素子の発光輝度が
低下する、或いは発光素子の輝度が逆に向上するなど変
動する。即ち、温度によって半導体の各種特性の変化が
ある。それぞれの電気的/光学的特性を用いてセンシン
グするようなスキャナー、光プリンター機器においては
問題となる。
【0004】そのため、このような熱の問題は図5の如
き、放熱性を考慮した金属板などの上に発光素子をそれ
ぞれ配置することによりある程度解決することができ
る。図5には、LEDチップ504、505を配置させ
る支持体として放熱性の良いアルミニウム支持基板50
3を使用している。各LEDチップ間は電気的にショー
トしないようアルミニウム支持基板503上に耐熱性エ
ポキシ樹脂により絶縁体層514を形成してある。絶縁
体層は接着剤としても働く。絶縁体層514上には各L
EDチップが各々駆動可能な如く所望形状の銅箔512
が形成され導電性パターンとしてある。互いに近接して
配置されたLEDチップ504、505は、導電性パタ
ーン512と金線506によりワイヤーボンディングし
てある。LEDチップの駆動により生じた熱は、絶縁体
層514を介してアルミニウム支持基板503に熱伝導
する。アルミニウム支持基板503が放熱することによ
り、放熱性を考慮した半導体装置とすることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、駆動速
度の高速化、発光素子の高輝度化や長時間使用時など、
より厳しい環境下においても安定した半導体特性が求め
られる今日においては上記構成だけでは十分ではなかっ
た。形成される半導体を材料が異なる半導体素子を利用
した場合は、駆動特性の変動が顕著に現れる傾向にあ
る。また、光プリンターヘッドなど互いに異なる半導体
素子を近接して設置する必要があるものも顕著な変動を
引き起こす傾向にある。特に変動幅の大きい半導体と熱
源となり得るような、発熱量の大きい半導体を同一基材
上、同一層上に近接して搭載した場合、発熱量の大きい
半導体からの熱伝導で変動幅の大きい半導体の電気的/
光学的特性が著しく影響を受ける。それぞれの電気的/
光学的特性を用いてセンシングするようなスキャナー、
光プリンター機器においては少しの特性変動が致命的な
悪影響を及ぼすこととなる。具体的には、所望の色を検
出させることができない。昇温に伴っていろバランスが
崩れるという問題を有する。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
支持基板上に絶縁体層を介して配置された導電性パター
ンと、この導電性パターンとそれぞれ独立して電気的に
接続された2以上の半導体素子と、を有する。2以上の
半導体素子は少なくとも動作時に発熱量が異なる。即
ち、2以上の半導体素子は、少なくとも発熱量が多い第
1の半導体素子と発熱量が少ない第2の半導体素子であ
る。第1の半導体素子は第2の半導体素子よりも導電性
パターンを介して支持基板と熱伝導がよい熱伝導通路を
有する。
【0007】請求項2記載の半導体装置は、第1及び第
2の半導体素子が、それぞれ発光素子である。
【0008】請求項3記載の半導体装置は、第1の半導
体素子が窒化物系化合物半導体であると共に、前記第2
の半導体素子がガリウム燐、ガリウム砒素燐、ガリウム
アルミ砒素、或いは、インジュウムガリウムアルミ燐か
ら選択される1種である。
【0009】請求項4記載の半導体装置は、絶縁体層を
介して形成された導電性パターンとしてフレキシブル基
板を利用している。
【0010】
【作用】本発明は、温度特性が異なる複数の半導体素子
を放熱部として働く支持基板上に配置させている。ま
た、発熱量の多い半導体素子と支持基板との間には熱伝
導通路を形成させている。これにより発熱量の多い半導
体素子と近接して配置され発熱量のより小さい半導体発
光素子への熱伝導を極めて小さくする。また、各半導体
素子はそれぞれ放熱部に放熱可能である。発熱量の互い
に異なる半導体素子の駆動特性が変動しないように熱的
に分離させることができる。即ち、半導体素子を熱的に
それぞれ独立しつつ、同一支持基板上に近接配置させる
ことによって特性の安定した半導体装置とすることがで
きる。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明者は、種々の実験の結果、
異なる半導体素子をそれぞれ放熱可能としつつ熱的に分
離させることにより、特性の安定した半導体装置とする
ことができることを見いだし本発明を成すに至った。
【0012】即ち、発熱量の多い半導体素子側に熱伝導
性の良いパス(良熱伝導通路)を設けることで、発熱量
の小さい半導体素子側への熱的影響を極めて小さくする
ことができる。そのため発熱量の大きい半導体素子から
の熱が、発熱量のより小さい近接配置された半導体素子
に悪影響を起こすことが極めて少ない。また、発熱量の
小さい半導体素子も他からの熱的影響を防止つつ放熱さ
せることができる。以下、本発明の具体的構成について
詳述する。
【0013】図2に本発明の半導体装置の模式的断面図
を示す。図2は、放熱性が優れたアルミニウム合金を支
持基板203として使用している。支持基板203上に
は、各発光素子がそれぞれ駆動可能な如く銅箔により形
成された導電性パターン212が設けられている。導電
性パターン212は、ポリイミド樹脂211両面に圧着
されエポキシ樹脂214で封止されたフレキシブル基板
を構成している。フレキシブル基板は、エポキシ樹脂2
15により金属支持基板203と接着されている。フレ
キシブル基板の表面には部分的に開口部が設けられてい
る。この開口部を利用してフレキシブル基板上に配置さ
せたLEDチップ204、205の電極と導電性パター
ン212である銅箔とを金線206やAg含有のエポキ
シ樹脂などを用いて電気的に接続させてある。半導体素
子としては、青色系や緑色系が発光可能な窒化ガリウム
系化合物半導体のLEDチップ204と、赤色系が発光
可能なインジュウム・アルミニウム・ガリウム燐半導体
を用いたLEDチップ205と、を近接して設けてい
る。発熱量の多い窒化ガリウム系化合物半導体のLED
チップ204は、フレキシブル基板の銅箔上にAgが含
有された導電性ペーストを用いて固定されている。これ
が熱伝導通路の一部として働く。なお、窒化ガリウム系
化合物半導体を用いたLEDチップ204は、サファイ
ア上に半導体層が形成されており銅箔とは電気的に絶縁
されている。また、LEDチップ204が配置された導
電性パターンとなる銅箔はアルミニウム支持基板203
ともAgが含有された導電性ペーストを用いて接触して
熱伝導通路213が形成してある。他方、発熱量が少な
いLEDチップ205は、Agが含有されたエポキシ樹
脂である導電性ペーストを用いて銅箔と電気的に接続さ
れると共に固定系止されている。
【0014】LEDチップが配置された銅箔同士の違い
は、LEDチップ205が配置された銅箔だけフレキシ
ブル基板を構成する耐熱性エポキシ樹脂によって被覆さ
れたままであり金属支持基板203側に開口部を持って
いないことである。このためLEDチップ204には、
Agペースト及び銅箔を利用してアルミニウム基板に熱
伝導性の良いパス(熱伝導通路)213を形成させてい
る。他方、発熱量のより少ないLEDチップ205は、
絶縁体層として働くエポキシ樹脂及び接着剤を介して金
属支持基板に放出される。LEDチップ204からの熱
は、被覆された樹脂によってLEDチップ205に向か
うよりも熱伝導性の良い熱伝導通路213を通してアル
ミニウム支持基板203に放熱される。したがって、発
熱量の多いLEDチップ204から放出された熱は、近
接されたLEDチップ205に熱伝導するよりもアルミ
ニウム支持基板203に熱伝導する。発熱量の多いLE
Dチップ204からの熱によりLEDチップ205の半
導体特性が変動することが極めて少ない。また、各LE
Dチップ204、205自体も熱をアルミニウム支持基
板203を介して外部などに効率よく放出可能なことか
ら半導体特性の変動が極めて少ない半導体装置とするこ
とができる。
【0015】(熱伝導通路213)熱伝導通路213と
は、半導体素子からの熱を効率よく放熱部に伝導させる
通路である。したがって、本発明に用いられる熱伝導通
路213としては、各種金属粉末が含有された樹脂、熱
伝導の優れたボルトや図3の如きバイアホール中に金属
313を挿入したものや半田などが挙げられる。熱伝導
通路に用いられる熱伝導性が良い部材として、Al、C
u、燐青銅が好ましい。また、熱伝導通路を利用して電
気回路の一部を構成させることもできる。さらに、形成
のしやすさなどから各種金属粉末などが含有された樹脂
としてAg、Au、Cu及びこれらの合金が含有された
樹脂ペーストが好適に挙げられる。樹脂ペーストの母体
としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹
脂などが好適に用いられる。なお、バイアホールとは、
層間接続のための孔をいい内部に金属メッキなどを形成
させても良い。
【0016】(支持基板203)支持基板203として
は、半導体素子からの駆動熱を効率よく外部に伝導する
或いは放出可能なものである。また、半導体素子の積置
状態が固定可能であるものが好ましい。支持基板の具体
的材料として、アルミニウム、銅などの金属やそれら合
金、ステンレス、セラミックなどが好適に挙げられる。
また、複合材料として内壁に毛細管構造を持たせた銅な
どから構成される金属管の内部を真空とさせると共に水
や代替フロンなどの作動液を密閉させた熱伝導素子を利
用することもできる。これによって、半導体素子の駆動
に伴う熱を効率よく放出させ半導体素子の昇温を防ぐこ
とができる。なお、支持基板、導電性パターンや熱伝導
通路を利用することにより電気的回路を構成することも
可能である。
【0017】(導電性パターン212)導電性パターン
212は、各半導体素子に電力が供給可能なものであ
る。各半導体に所望に電力を供給させるため所望のパタ
ーンが形成される。特に本発明においては導電性パター
ンが半導体素子の電気的通路のみならず熱的通路として
も機能する。したがって、本発明に用いられる導電性パ
ターンに用いられる部材としては、電気伝導度及び熱伝
導度が良好な部材が好ましい。このような特性を満たす
材料として、銅、りん青銅、アルミニウム、金、銀、白
金及びこれらの合金が好適に挙げられる。
【0018】(絶縁体層214、215)絶縁体層21
4、215は、支持基板203と各導電性パターン21
2との絶縁性を保つものである。また、半導体素子同士
の熱的バリアとしても働く。これにより半導体素子がそ
れぞれ熱的に分離されることとなる。このような絶縁体
層は厚くさせすぎると各半導体素子から支持基板への放
熱を阻害し、薄くしすぎると半導体素子同士の熱伝導が
行われるだけでなく絶縁耐圧も低下する。また、支持基
板203と導電性パターン212との間のみならず導電
性パターン212全体を被覆し導電性パターンを保護す
ることもできる。さらに、絶縁体層を複数積層させるこ
ともできる。このような導電性パターン212を絶縁体
層で被覆したものは、フレキシブル基板として利用する
ことができる。発光装置を光プリンターヘッドに利用す
る場合、ヘッド部が駆動してもフレキシブル基板により
自由に導通をとることができるという特徴をも持つ。ま
た、導電性パターンと絶縁体層を積層させたフレキシブ
ル基板などは、支持基板の一方の面のみならず両面上に
配置させることができる。
【0019】したがって、フレキシブル基板を金属支持
基板上に接着させた場合、フレキシブル基板のカバーフ
ィルム及び接着剤が絶縁体層として働くこととなる。絶
縁体層の具体的材料として耐熱性エポキシ樹脂、耐熱性
エンプラ樹脂、ポリイミド樹脂やこれらの積層物などが
好適に用いられる。半導体装置を光プリンターヘッドな
どに利用させる場合は、コントラスト向上のため発光素
子側の絶縁体層が暗色系に着色されていることが好まし
い。
【0020】(半導体素子204、205)半導体素子
204、205は、所望に応じて種々のものが用いられ
る。特に、本発明に用いられる半導体素子は、作動(駆
動)時の発熱量が異なる種々ものが挙げられる。駆動時
の発熱量が異なる半導体素子は、所望の目的に添って形
成された異なる構成や異なる材料を用いることによって
生じるものが挙げられる。半導体素子として具体的には
液相成長法やMOCVD法などを利用することにより基
体上にZnS、ZnSe、GaP、GaAs、InN、
AlN、GaN、InGaP、InGaN、InGaA
lNなどの半導体発光層が形成された半導体素子が好適
に挙げられる。
【0021】異なる半導体素子は、それぞれ2以上配置
させることができる。半導体発光素子として光プリンタ
ーヘッドに利用した場合、高精細化や高速化のために異
なる半導体発光素子を複数配置させる。半導体素子が多
くなると発熱量が多くなり本発明の効果が顕著に現れて
くる。
【0022】半導体発光素子は、その発光波長によりバ
ンドギャップが異なるため通常異なる材料や異なる構成
とさせてある。そのため半導体素子により発熱量や種々
の特性が異なるものとなる。高輝度に安定して発光する
半導体素子として青色系が発光可能な半導体素子は、G
aNやInGaNなどの窒化物系半導体が好適に挙げら
れる。緑色系が発光可能な半導体素子は、GaNやIn
GaNなどの窒化物系半導体が好適に用いられる。ま
た、赤色系が発光可能な半導体素子としては、GaP、
GaAsP、GaAlAsやInGaAlPなどが好適
に用いられる。
【0023】窒化物系化合物半導体は、現在のところ超
高輝度に発光可能な代わり駆動電圧が高く発熱量がGa
P、GaAsP、GaAlAsやInGaAlP半導体
などに比べて多くなる傾向にある。また、これらの半導
体素子は、昇温によって発光輝度が大きく変化する傾向
にある。図4に窒化物系化合物半導体としてInGaN
を発光層として用いたLEDチップとGaAsP半導体
を発光層として用いたLEDチップの温度変化における
相対輝度を表す。図4からGaAsPを用いたLEDチ
ップは、InGaNを用いたLEDチップと比較して昇
温するにつれ大きく輝度が低下することがわかる。な
お、InGaNは、Inの組成を替えて形成させInが
多い緑色系が発光可能な半導体素子とInが比較的少な
い青色系が発光可能な半導体素子を用いている。以下、
本発明の実施例について詳述するがこの実施例のみに限
定されるものでないことはいうまでもない。
【0024】
【実施例】
(実施例1)発熱量の多い半導体素子として、サファイ
ア基体上に窒化物系化合物半導体を形成させたLEDチ
ップを用いた。具体的には、サファイア基体上に発光層
としてInGaNをMOCVD法により成膜させたもの
を用いた。組成を替えることによってB(青色系)のL
EDチップ及びG(緑色系)のLEDチップをそれぞれ
構成させてある。また、R(赤色系)のLEDチップと
して、発熱量がより少ない半導体素子としてGaAlA
s基体上にGaAlAsを成膜させたLEDチップを利
用した。
【0025】LEDチップを配置させる支持基板として
は、厚さ1mm、24mm×15mm角のアルミニウム
支持基板を用いた。アルミニウム支持基板上に配置され
る絶縁体層の一部及び導電性パターンとしてフレキシブ
ル基板を用いた。
【0026】フレキシブル基板は、ポリイミド樹脂に銅
箔を熱圧着させたのち各LEDチップを駆動可能なよう
に所望形状にエッチングさせてある。
【0027】フレキシブル基板は、各LEDチップ設置
箇所、LEDチップの電極との電気的接続箇所及び熱伝
導通路を構成する銅箔表面を除いてポリイミド樹脂で封
止してある。なお、熱伝導通路を構成する銅箔表面と
は、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた緑色及び青色
が発光可能なLEDチップが積載された導電性パターン
と繋がっている支持基板側の銅箔表面である。
【0028】アルミニウム支持基板と銅箔面とが熱伝導
しやすいようにエポキシ樹脂を用いたCuペーストでフ
レキシブル基板の銅箔とアルミニウム支持基板とを接続
させた。接続箇所は、アルミニウム支持基板を一部除去
しCuペーストを流し込み硬化させて形成させてある。
また、それ以外のフレキシブル基板表面とアルミニウム
支持体とはエポキシ樹脂により接着させてある。この接
続によりBGが発光可能なLEDチップの積載された銅
箔パターンの一部とアルミニウム支持基板とに熱伝導通
路が形成される。銅箔露出面上にRGB各LEDチップ
を520μmピッチに近接してAgペーストでそれぞれ
接着させた。Rが発光可能なLEDチップは、露出して
いる銅箔上に固定させると共に電気的に接続させてあ
る。Rが発光可能なLEDチップの他方の電極は導電性
ワイヤーである金線を用いて銅箔にワイヤーボンディン
グさせてある。GBのLEDチップは、サファイア上に
半導体層が形成されているため同一表面側にPNの各電
極を形成させてある。GBが発光可能なLEDチップの
各電極と、露出している銅箔面と、をそれぞれ金線によ
ってワイヤーボンディングさせてある。各LEDチップ
が搭載された半導体装置は、アルミニウム支持基板上か
らフレキシブル基板が延材しており、LEDチップを駆
動させる駆動手段と、を電気的に接続させている。これ
により所望の光が発光可能な光プリンターヘッドなどと
して利用することができる。
【0029】半導体装置の各LEDチップに調節させた
電力を供給させることにより色度点(X,Y)=(0.
31、0.31)の白色光が発光可能なように調整させ
た。室温において100時間連続点灯させたが色ずれは
確認できなかった。また、輝度の低下もほとんどなく各
半導体素子が熱的に分離されていると共にそれぞれ放熱
していることがわかった。
【0030】
【効果】本発明の請求項1に記載の半導体装置とするこ
とにより、長時間、高エネルギーを供与しても安定した
動作を行うことが可能な半導体装置とすることができ
る。
【0031】本発明の請求項2に記載の半導体装置とす
ることにより、輝度などが安定した半導体発光装置とす
ることができる。
【0032】本発明の請求項3に記載の半導体装置とす
ることにより、特に発熱量が多く温度による特性変化が
少ない第1の半導体素子と、発熱量が少なく温度による
特性変化が激しい第2の半導体素子と、を近接して配置
させた場合においても長時間安定して高輝度に発光可能
な発光装置とすることができる。
【0033】本発明の請求項4に記載の半導体装置とす
ることにより、他の回路と電気的に接続可能であると共
に移動可能とすることができる。そのため光プリンタヘ
ッドとして好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明を利用した光プリンタヘッドの
模式的平面図である。
【図2】図2は、図1のAA断面を示す模式的断面図で
ある。
【図3】図3は、本発明の他の半導体装置を示す模式的
断面図である。
【図4】図4は、窒化インジュムガリウム半導体発光素
子と、ガリウムアルミニウム燐半導体発光素子の温度依
存性を調べたグラフを示す。
【図5】図5は、本発明と比較のために示した半導体装
置を示す模式的断面図である。
【符号の説明】 101、201・・・開口部 102・・・上面側に設けられた絶縁体層 103、203・・・放熱部として働く金属支持基板 104、204・・・発熱量の多い半導体発光素子 105、205・・・発熱量の少ない半導体発光素子 106、206・・・ワイヤー 211・・・ポリイミド樹脂 212・・・導電性パターン 213・・・熱伝導通路となるCuペースト 214・・・絶縁体層となるフレキシブル基板の表皮 215・・・絶縁体層となる接着剤 313・・・熱伝導通路となるCuメッキ 503・・・アルミニウム支持基板 504、505・・・LEDチップ 506・・・金線 511・・・耐熱性エポキシ樹脂 512・・・導電性パターン 514・・・エポキシ樹脂

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】支持基板上に絶縁体層を介して配置された
    導電性パターンと、該導電性パターンとそれぞれ独立し
    て電気的に接続された2以上の半導体素子と、を有する
    半導体装置であって、 前記半導体素子は少なくとも動作時に発熱量が異なる発
    熱量が多い第1の半導体素子と該第1の半導体素子より
    も発熱量が少ない第2の半導体素子であり、且つ前記第
    1の半導体素子は導電性パターンを介して第2の半導体
    素子よりも支持基板と熱伝導がよい熱伝導通路を有する
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】前記第1及び第2の半導体素子が、それぞ
    れ発光素子である請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】前記第1の半導体素子が窒化物系化合物半
    導体であると共に、前記第2の半導体素子がガリウム
    燐、ガリウム砒素燐、ガリウムアルミ砒素、或いは、イ
    ンジュウムガリウムアルミ燐から選択される1種である
    請求項1記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】前記絶縁体層を介して形成された導電性パ
    ターンが、フレキシブル基板を構成する請求項1記載の
    半導体装置。
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