JPWO2004082034A1 - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図2は、図1で示される半導体素子の一形態例を表す斜視図である。
図3は、図1で示される半導体素子のその他の形態例を表す斜視図である。
図4は、熱の放散を説明するために示す半導体装置の断面図である。
図5は、この発明の実施の形態2に従った半導体装置の例を表す断面図である。
図6は、図5で示される半導体発光素子の一形態例を表す斜視図である。
図7は、この発明の実施の形態3に従った半導体装置の例を表す断面図である。
図8は、図7中のVで示す部分の一形態の断面を拡大して表した図である。
(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1に従った半導体装置の例を表す断面図である。図2は、図1で示される半導体素子の一形態例を表す斜視図である。図1の半導体装置100において、1は主面1aを有する半導体素子、2は、同素子が搭載される枠部2Cと一体化された基板である。2aと2bは、その上面と底面であり、これらの間の距離は、Hである。基板2の上面2aと対面している半導体素子1の主面1aは、この場合は矩形であり、その長辺方向の長さLは、長辺11のそれに、短辺方向の長さは、短辺12のそれにそれぞれ対応する。本発明の他の実施の形態も同様であるが、主面1aが矩形であれば、通常その反対側の面もほほ同じ形状であるが、必ずしもそうでなくてもよい。図3に示されるように、主面が矩形以外の例もある。本発明の半導体素子の主面の長辺方向の長さは、主面に垂直な方向に投影した像の輪郭から計量される。図3Aないし3Eはその例であり、Lと表示された部分が長辺方向の長さである。例えば、それが円形や正方形であれば、それぞれその直径およびそのいずれかの辺の長さ、楕円であれば、その長径である。なお基板の上面と底面との距離は、Hである。本発明の半導体装置においては、比L/Hが0.3以上である。好ましくは0.45ないし1.5であり、より好ましくは0.5ないし1.25である。
本発明の他の実施の形態も同様であるが、図4は熱の放散を模式的に説明するために示す半導体装置の断面図である。半導体発光素子1から熱Qが発生すると、熱はおおよそ矢印50で示すように基板2内で広がりながら基板2の底面2bに伝わる。距離Zを大きくすることで、基板2の底面2bの放熱に寄与する面積を大きくすることができる。すなわち、半導体発光素子1から発生した熱を効率よく放熱することができる。距離Zを大きくするためには、距離Hを大きくすることが必要となる。そのため、本発明では、距離Hを大きくして、底面2bからの放熱量を大きくしている。また、この放熱効果を確実なものとするために距離Yは第1の辺11の長さLの2倍以上であることが好ましい。
本発明の他の実施の形態も同様であるが、基板2は、放熱部材でもあり、その材料は、半導体装置に求められる要求特性に応じたそのパッケージデザインにも左右される。また半導体装置への実装も含め、その製造が容易であり安価であること、軽量であること、実用寿命が長いことなどが望まれる。しかし第一に要求される特性は、前述のように、その熱膨張係数が半導体素子のそれに近いことと、熱伝導率が高いことである。本発明の基板の熱伝導率は、170W/m・K以上、さらには200W/m・K以上であるのが望ましい。
基板の材料は、(1)無機・有機の各種材料とそれらの化合物、(2)これらが化合せずお互いに微視的に混ざり合って複合された物(本発明では、これを複合材、Composite Materialと言う。)および(3)それらが巨視的に組み合せられ合体された物(本発明では、これを複合体、Combined Materialと言う。)とに分けられる。
(1)の無機材料では、C(例えば黒鉛、ダイヤモンド)、Siなどの半金属、Al、Cu、Ag、Auおよび長周期律表の4aないし7a族、8a族の遷移金属の元素を主成分とする金属材料、TiC、ZrNなどの金属と半金属の化合物、SiCやB4Cなどの半金属同士の化合物、Si3N4やBNなどの半金属と非金属の化合物、AlNのような金属と半金属の化合物がある。また有機材料では、生体内や自然界に存在するかまたは合成された化合物があり、DNA、酵素、天然または合成のゴム・繊維・樹脂、有機金属化合物などが挙げられる。
(2)は、(1)の各種材料を微視的に混合分散または配置させたものである。例えばCu−W、Cu−Mo、Al−SiC、Al−AlN、Ag−C、Si−SiCなど各種の複合材がある。(3)は、(1)と(2)の中のいくつかの材料種のバルクでの組み合せである。例えばCuとMo、AlとSiCなどの積層体、中央部がCuで外周部がCu−Moからなる板状のもの、厚み方向にCu量の異なるCu−Mo層が傾斜機能的に積層されたものなど、沢山の形態が挙げられる。これらは、パッケージデザインに合せて適正に設定すればよい。以下代表的な基板の実施形態事例を紹介する。
例えば、上述のCu−WやCu−Mo複合材の場合、Cuの含有量が5ないし40質量%の範囲では、熱膨張係数は、通常5ないし12×10−6/Kとなる。また、Al−SiCを主成分とする複合材を基板2として用いた場合、SiCの含有量が10ないし70質量の範囲、熱膨張係数は8ないし20×10−6/Kの範囲となる。そこで半導体素子1が、GaN、GaAs、InP、Siの場合を想定する。これらの熱膨張係数は、3ないし7×10−6/Kであるから、基板の熱膨張係数もそれに近づけることが望ましい。したがってCu−WやCu−Mo複合材の場合、Cuの含有率を5ないし40質量%の範囲にすることが好ましい。より好ましくは、10ないし35質量%、さらに好ましくは、10ないし20質量%である。これらの複合材は、WやMoの粉末を主成分とした成形体を作るか、またはさらにそれを焼結してそれらの多孔体を作り、その空孔にCuを溶浸する溶浸法(Infiiltrating Method)か、または予めCuとWまたはCuとMoを主成分とした粉末の混合物を成形し、それを焼結する焼結法(Sintering Method)で通常作られる。また例えば、基板にAl−SiC複合材が使われる場合、そのAlの含有率を25ないし35質量%の範囲にすることが好ましい。この材料は、例えばAl溶融液中にSiC粉末を分散させたものを冷却する鋳造法、SiCを主成分とした多孔体の空孔内にAlを溶浸させる含浸法、Al粉末とSiCの粉末を主成分とした混合物を成形した後、これを焼結する焼結法などによって製造することができる。
また図示しないが、半導体素子1への電気接続のために基板2との間に適宜ボンディングワイヤ、フリップチップ、ビアホールなどの接続手段が設けられる。
本発明の他の実施の形態も同様であるが、基板2の素子搭載面2aには、半導体素子の接続や同素子への通電のために金属層13が形成される場合がある。その場合、この金属層を十分な接合強度で形成するためには、面2aの表面粗さは、JIS規定(JIS B 0601)における最大粗さRmaxで0.1ないし20μmの範囲にコントロールされていることが好ましい。0.1μmより小さいと、金属層を形成した場合、アンカー効果が得難い。他方20μmを越えると、その表面に酸素などのガスの吸着量が多くなり、金属層を形成する時の放出ガス量が増加し、成膜に必要な真空度が得難くなる。より好ましくは、0.1μm以上8μmである。8μmを越えると、接合時に空孔が生じ易くなり、接合強度のばらつき易くなるからである。
本発明の半導体装置は、以上述べたように半導体素子の主面と基板の設計寸法を特定の範囲にコントロールすることによって、同素子から発生する熱の放散をより円滑に行なうことができる。これによって、同素子の過度の温度上昇による半導体装置の出力の低下や同素子周辺の部材の劣化を大幅に低減することができ、装置の高出力化と実用寿命の延長が可能となる。
(実施の形態2)
図5は、この発明の実施の形態2に従った半導体装置の断面図である。半導体素子1は、この場合は発光素子である。この装置100には、上述のH/Lの設計コントロールがなされている。素子搭載面2aには金属層13が形成されており、好ましくは前述のような表面形態で形成されている。この実施の形態の場合、金属層には発光素子1から放たれた光を反射させる役割がある。そのため、金属層は、反射率の大きい金属、例えば銀またはアルミニウムまたはそれらを主成分とした金属で通常は構成され、めっきや蒸着により素子搭載面を覆うように形成される。素子搭載面のみならず、それ以外の部分または基板2の全面に金属層が形成されていても構わない。なお基板本体が、例えば金属材料などからなり導電性を有する場合には、電気メッキ法による光沢銀メッキが好ましい。また素子搭載面自体の反射率が高ければ、この金属層を設けなくてもよい。また、図1では、凹部2uに金属層13が設けられているが、凹部2uが存在しないような基板2を用い、その基板2の素子搭載面2aに金属層13を設けてもよい。
基板2の厚み、すなわち、底面2bから素子搭載面2aまでの距離Hは、半導体発光素子1の寸法に従って様々に設定することが可能であるが、例えば距離Hを0.3mm以上10mm以下とすることができる。
金属層13と接触するように半導体発光素子1が設けられている。同素子は、例えばZnSe、GaAs、GaP、GaN、InPなどのII−VI族またはIII−V族の化合物半導体発光素子で構成される。ここで、II族元素は亜鉛(Zn)およびカドミウム(Cd)を含む。III族元素は、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)およびインジウム(In)を含む。V族元素は、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)およびアンチモン(Sb)を含む。VI族元素は、酸素(O)、硫黄(S)、セレン(Se)およびテルル(T)を含む。なおサファイヤ等の基板上にそれらの化合物半導体が形成されていてもよい。
また基板2は、たとえばFe−Ni合金またはFe−Ni−Co合金で構成されてもよい。さらに、素子搭載面2aと金属層13との間に中間層(図示せず)を設けてもよく、中間層としては、例えばNi、Ni−Cr、Ni−P、Ni−B、Ni−Co、CuおよびAuなどが挙げられる。これらはめっきで形成することができる。また、蒸着で形成する場合には、Ti、V、Cr、Ni、NiCr合金、Cu、W、Zr、NbおよびTaなどが挙げられる。また、上述のめっき層および/または蒸着層の積層であってもかまわない。中間層の厚みは0.01ないし5μmが好ましく、より好ましくは0.1ないし1μmである。
この実施の形態においても半導体素子の主面1aの長辺方向の長さLと基板2の上面と底面間の距離Hとの関係は、前形態と変わらない。図6がこの形態の半導体素子の斜視図である。この場合には、同素子に段差部1dがあるが、無くてもよい。半導体発光素子1の辺11が長辺であり、辺12が短辺である。この場合には辺11の長さがLに相当するが、それは、発光素子の段差部1dとほぼ垂直に延び、辺12は、同段差部とほぼ平行に延びる。辺11と12がほぼ同じ長さの場合もある。さらに主面1aが矩形でない場合は、前述の通りである。例えばそれが矩形であっても、そのコーナーが丸くなっている場合には、主面1aの投影された外輪に沿って外挿線を引いて矩形に近似し、その長辺をLとみなす。
この実施形態の場合、半導体発光素子1は、その主表面1aおよび/または主表面1aと反対側から電力が供給され、半導体発光素子内に設けられた発光層(図示せず)から光が放たれる。半導体発光素子は、発光ダイオードであってもよく、また半導体レーザであってもよい。さらに、半導体発光素子から発光される光の波長は特に制限されるものではない。
基板2には、それを貫通する貫通孔2hが設けられている。貫通孔2hはほぼ円筒形状であり、その内側には絶縁ガラス4およびピン3aおよび3bが設けられている。ピン3aおよび3bは半導体発光素子1に電力を供給するためのもので、ステンレス鋼(SUS)またはFe−Co−Ni合金により構成される。また、電気抵抗が小さい部材であれば、他の組成によりピン3aおよび3bを形成してもよい。絶縁ガラス4は、貫通孔2h内にピン3aおよび3bを位置決めするために設けられており、貫通孔2hを充填し、かつピン3aおよび3bと基板2とを絶縁する働きを有する。
ボンディングワイヤ21および22は、ピン3aおよび3bと半導体発光素子1とを電気的に接続する。ピン3aおよび3bから供給される電力はボンディングワイヤ21および22を通じて半導体発光素子1に供給される。なお、ボンディングワイヤ21および22は金、アルミニウムまたはそれらの合金で構成することが可能である。
なお、半導体発光素子1は、高出力化のため、その長辺方向の長さ、すなわちこの場合には長辺の長さHが1mm以上か、または主表面1aの面積が1mm2以上であることが好ましい。
半導体発光素子1から発生する熱を外部に充分に放出して除去しないと、素子自体の温度が上昇して、その発光効率を低下させたり、光の波長がずれ一定の色彩の発光ができなくなる。さらにはその熱によって蛍光体などの周辺部材が劣化する。以上の結果、半導体装置の寿命が短くなり易くなる。特に発光素子のLが1mm以上の場合に、素子の中央部の温度が上昇し易く、寿命が短くなり易くなる。本実施形態の半導体装置では、H/Lを最適化しているため、熱の放散が充分行なわれるため、以上の問題の発生が抑えられる。
また本実施の形態2では、以上の放熱性改善に加え、発光素子の光が金属層によって反射され、装置の発光出力を上げることができる。
(実施の形態3)
図7は、この発明の実施の形態3に従った半導体装置の断面図である。図8は、図7中のVで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。この半導体装置には、上述のH/Lの設計コントロールがなされている。また素子搭載面には金属層が形成されており、好ましくは前述のような表面形態で形成されている。またこの金属層には発光素子1から放たれた光を反射させる役割がある。図7に示されるように、この実施の形態の半導体装置100では、実施の形態2とは異なり、ピンが設けられていない。基板2上には接続部材33が設けられており、絶縁板31と電極32とで形成される端子板34が、接続部材33によって基板2に固定されている。接続部材33は、例えばロウ材や接着剤であり、基板2には、それが凹部2uへ流れるのを防止する手段として溝2tが設けられている。凹部2uに接続部材33が流れると、凹部2uの表面に凹凸ができ、光の反射率が低下するからである。なお同じ目的が達成されれば、別の手段でも構わない。例えば凹凸部分を設けてもよい。絶縁板31は、例えばセラミックにより構成されるが、絶縁板31の代わりに絶縁性を有する膜、例えばシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜を設けてもよい。絶縁板31上には、ボンディングワイヤ21から24と電気的に繋ぐために導電性の電極32が設けられる。この電極は、印刷、蒸着、メッキなどによって形成される。溝2tは、例えば、機械加工やサンドブラストで形成してもよい。または基板2の表面に形成される下地メッキを部分的に除くか、または部分的にメッキされない領域を設けることによって形成してもよい。なおこの溝の幅は、50μm以上1mm以下であることが望ましく、より望ましくは100μm以上500μm以下である。幅が小さ過ぎると接続部材がそれを乗り越え易くなり、大き過ぎるとスペースが無駄になる。以上述べてきたように、この発明の実施の形態3の半導体装置では、凹部2uと別の位置に設けられ基板2と端子板34とを接続する接続部材33をさらに備える。基板2には、接続部材33が凹部2uへ流れるのを防止する手段としての溝2tが設けられている。このように構成された、この発明の実施の形態3の半導体装置は、接続部材が凹部の金属層を覆うことがなく、装置の発光効率の低下を抑えることができる。
これらのサンプル1から10の半導体発光素子1に1Aの電流を流して発光させ、発光後1分経過したときの温度T1を、放射温度計(非接触)を用いて測定した。さらに発光を続け、発光後3分経過したときの温度T3をそれぞれのサンプル1から9について測定した。温度上昇率((T3−T1)/T1)をそれぞれのサンプル1から10について測定した。その結果も表1に示す。表1の温度上昇率において「◎」は、温度上昇率が10%未満であったことを示す。「○」は温度上昇率が20%未満であったことを示す。「X」は温度上昇率が20%以上であったことを示す。表1より、本発明外のサンプル2では温度上昇率が大きいため、放熱性が低くなっていることが分かる。それ以外のサンプルでは、本発明の範囲内であるため温度上昇率を適切に制御できていることがわかる。特に表には示さないが、5から7のサンプルでは、特に温度上昇率が、5%以下であった。
また、上記基板とほぼ同じサイズのAlを30質量%含みSiCを70質量%含む複合材の基板と、上記発光素子とほぼ同じサイズのSi半導体素子を使い、上記とほぼ同じようなH/L域の図1と同じ基本構造の試料を用意した。上記と同じ手順にてほぼ同じH/Lの領域において実動させて、素子表面の温度上昇率を確認したところ、上記と同じ傾向の結果が得られた。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
Claims (3)
- 半導体素子と、該素子が搭載される上面と、その反対側に位置する底面とを有する基板とを備え、該半導体素子の主面の長辺方向の長さLと該基板の上面の半導体素子搭載部から底面までの距離Hとの比H/Lが、0.3以上である半導体装置。
- 半導体素子が発光素子であり、該素子が搭載される基板の部分が凹部を形成するとともに、上面上に金属層が形成されている請求項1に記載の半導体装置。
- 前記半導体発光素子と該素子への電力供給のための端子板との間を繋ぐ接続部材が、凹部と別の位置に配置され、同接続部材の凹部への浸入を防ぐ手段が、同接続部材に隣接する上面上に設けられている請求項2に記載の半導体装置。
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