JPWO2013018783A1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

課題:耐熱性、放熱性及び耐久性に優れた電気絶縁層を有し、しかもコスト性及びプロセス性に優れたプロセスで製造される半導体装置の提供。解決手段:半導体チップが直接または間接に装着される第1の基板と、第1の基板の表面に形成された反射材として機能する白色絶縁層とを備える半導体装置であって、半導体チップがLEDであり、第1の基板は少なくとも表面が金属であり、第1の基板表面にナノ粒子化されたSiO2及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層と金属層の積層構造を形成し、好ましくは、前記焼成後の白色絶縁層に含有されるSiO2及び白色無機顔料の割合が、80重量%以上である半導体装置。

Description

本発明は、反射材として機能し、耐熱性、放熱性及び耐久性に優れた白色無機絶縁層を有する半導体装置及びその製造方法に関し、より詳細には、例えば、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を金属面上に塗布、焼成して形成される白色絶縁層を有するLED発光装置及びその製造方法に関する。
LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)は、消費電力が低く二酸化炭素削減、高耐久性という環境と省エネを兼ね備えた素子として普及している。このようなLEDチップを搭載したパッケージは、配線基板(モジュール基板)上に装着して、大型ディスプレイ、携帯電話やデジタルビデオカメラ、PDAなどの電子機器のバックライト、道路照明や一般照明などに用いられている。LED素子の発光強度を強くすると発熱量が増大し、他方でLED素子が加熱されると発光効率が低下するので、効果的に放熱できる構造を採用する必要がある。
現行のLED発光装置では、LEDパッケージ基板としてセラミック基板、シリコン基板又は金属基板を用いているが、従来のセラミック基板又はシリコン基板を用いた構成には、セラミックやシリコンの熱伝導が銅などの金属よりも悪いためうまく放熱できないこと、高価なこと、加工が困難なことなどの問題がある。
図25は、特許文献1に開示の照明具を示す側面断面図である。図示のメタルコア印刷回路基板は、メタルコアと、その上に絶縁層を介して、銅箔を回路加工した印刷回路により構成されている。絶縁層としては、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォンの内のいずれかからなる100μm程度の厚さの耐熱性熱可塑性樹脂が用いられる。メタルコア印刷回路基板の窪みの底面に発光ダイオードを載置固定して各端子をそれぞれ印刷回路に接続し、窪みには透明アクリル樹脂を充填して構成される。このように、絶縁層として耐熱性熱可塑性樹脂を用いることは知られているが、樹脂からなる絶縁層には、放熱性の点で問題がある。
従来、高反射率のソルダーレジスト膜を形成できる組成物として、有機材料からなる熱硬化性樹脂に無機白色顔料を添加したものが提案されている(例えば、特許文献2)。この無機白色顔料の粒径は、例えば0.3μm以下であるが、このような粒径の顔料を含有する液材の塗布は、インクジェット、ディスペンサーまたはスプレコーターでは行うことはできず、スクリーン印刷によらなければならなかった。また、有機材料の放熱性は一般に0.3w/m・k程度であり、無機材料(例えば、二酸化珪素(SiO)は1.5w/m・k程度、二酸化チタンは8w/m・k程度、酸化亜鉛は50w/m・k程度)と比べ、放熱性が劣っていた。また、有機材料からなる絶縁層を有する配線基板は、耐熱性の問題、紫外線による劣化や長時間の使用による劣化(耐久性)の問題がある。
特許文献3は、基板材質として、表面に二酸化珪素(SiO)からなる絶縁層を接着材として薄膜状のCu配線層を一体的に有するCu基板を用いたLEDパッケージを開示する。図24は、特許文献3に開示のLEDパッケージを示し、(A)はパッケージの中央部における側面断面図、(B)はその平面図である。LEDチップを搭載するCu基板は、LEDチップを搭載する凹状の窪みがプレス加工によって成形される。しかし、SiOは固くプレス加工時に破断し易いため、プレス加工には不向きであるという課題がある。また、光反射性にするために、Cu配線層の表面にAgメッキを施しており、高コストな構成となっている。
ところで、近年、狭小空間においても実装ができるように、封入された冷媒の気化および凝縮によって発熱体を冷却するヒートパイプが提案されている。特許文献4では、気化した冷媒を拡散する蒸気拡散路及び凝縮した冷媒を還流させる毛細管流路を内部に有する平板状の本体部と、本体部の少なくとも2箇所の温度差を測定する温度測定部と、温度差を所定の閾値と比較して比較結果を出力する比較部と、比較結果に基づいて本体部の動作状態をヒートパイプの冷却能力を基準として判定し、判定結果を出力する判定部を備え、蒸気拡散路が気化した冷媒を水平方向に拡散し、毛細管流路が凝縮した冷媒を垂直もしくは垂直・水平方向に還流させるヒートパイプが提案されている。
特開平11-68269号公報 特開2009-4718号公報 特開2006-245032号公報 特開2009-257722号公報
一般的に半導体チップ用絶縁金属板は、半導体チップの下面に位置する電気絶縁層が有機材料を主要な成分とし、熱伝導性が悪いために、良好な放熱特性が得られないという課題がある。また、耐熱性、放熱性または耐久性の点でも制約があるため、無機材料で電気絶縁層を構成することも本発明が解決すべき課題である。
また、半導体チップがLEDである半導体装置(LED発光装置)における反射材の材料コスト(例えば、反射材に用いられる銀メッキは高コスト)を削減することも本発明が解決すべき課題である。また、白色樹脂による反射壁(図1の符号4参照)は、LEDからの光や発熱による樹脂の酸化により変色が生じ易く、反射率が経時低下するという課題がある。高価な材料を用いず、かつ、耐久性に優れた反射材を備えるLED発光装置が求められている。
さらには、製造プロセスを簡易化することで、コストを削減することも本発明が解決すべき課題である。
以上の課題を鑑み、本発明は、耐熱性、放熱性及び耐久性に優れた電気絶縁層を有し、しかもコスト性及びプロセス性に優れたプロセスで製造される半導体装置を提供することを目的とする。
従来、白色無機顔料は、有機材料に配合された液材で用いられていた。この種の液材は、インクジェット法やディスペンサー法では塗布できないため、もっぱらスクリーン印刷により塗布されていた。
発明者は、ナノ粒子化された二酸化珪素(SiO)と白色無機顔料の配合されたインクを用いることにより、白色無機絶縁材料をインクジェット法やディスペンサー法あるいはスプレーコート法のインクとすることができ、任意のパターン形成や凹凸部への塗布を行うことを可能とした。またナノサイズ化されたことにより、塗布対象の基板、例えば銅板などの微小な凹凸へのインクの周りこみが可能となり、密着性が大幅に向上し、白色絶縁層と金属層の積層構造を形成することが可能となった。
すなわち、本発明は、以下の技術手段から構成される。
第1の発明は、半導体チップが直接または間接に装着される第1の基板と、第1の基板の表面に形成された反射材として機能する白色絶縁層とを備える半導体装置であって、半導体チップがLEDチップであり、第1の基板は少なくとも表面が金属であり、第1の基板表面にナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層と金属層の積層構造を形成したことを特徴とする半導体装置に関する。ここにいう第1の基板は、半導体チップを有する半導体パッケージが装着されるモジュール基板である場合と、半導体チップが直接装着されるパッケージ基板である場合とがある。第1の基板は、少なくとも表面が金属により構成されていれば足りるから、例えば、上面に金属薄膜層が形成されている基板、水冷構造を有する基板(特許文献4参照)、或いは、水冷構造を有する放熱部材を積層した基板をモジュール基板として用いる場合も含まれる。また、第1の基板には、有機材絶縁層の上面に配線層を形成したパッケージ基板も含まれる。
第2の発明は、半導体チップが直接または間接に装着される第1の基板と、第1の基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置であって、第1の基板は少なくとも表面が金属であり、第1の基板表面にナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層と金属層の積層構造を形成したことを特徴とする半導体装置に関する。
第3の発明は、第1または2の発明において、前記焼成後の白色絶縁層に含有されるSiO及び白色無機顔料の割合が、80重量%以上であることを特徴とする。
第4の発明は、第3の発明において、前記焼成後の白色絶縁層に含有される白色無機顔料の割合が40重量%以上であり、SiOの割合が25重量%以上であることを特徴とする。なお、前記白色無機顔料が平均粒径50nm以下の二酸化チタンであって、粒径が25nm以下の二酸化チタンを含むことが例示される。
第5の発明は、第1ないし4のいずれかの発明において、前記白色無機顔料が、表面が透明絶縁膜でコートされた、二酸化チタンまたは酸化亜鉛の粒子であることを特徴とする。
第6の発明は、第1ないし5のいずれかの発明において、前記白色絶縁層が酸化亜鉛を白色無機顔料とする第1の層と二酸化チタンを白色無機顔料とする第2の層の積層からなり、第1の層を構成する酸化亜鉛粒子が透明絶縁膜でコートされていることを特徴とする。
第7の発明は、第1ないし6のいずれかの発明において、前記第1の基板が、半導体チップを有する半導体パッケージが装着されるモジュール基板であり、前記白色絶縁層の上に、半導体パッケージの電極と接続される配線のパターンが形成されていることを特徴とする。
第8の発明は、第1ないし6のいずれかの発明において、前記第1の基板が、複数の半導体チップが装着されるモジュール基板であり、半導体チップの電極と接続される配線層が前記第1の基板表面に形成された絶縁層上に形成されていることを特徴とする。
第9の発明は、第6の発明において、前記配線層の下に位置する絶縁層が有機絶縁層であることを特徴とする。
第10の発明は、第7の発明において、前記配線層の表面の少なくとも一部が前記白色絶縁層により覆われていることを特徴とする。
第11の発明は、第8の発明において、前記配線層の下に位置する絶縁層が白色絶縁層であることを特徴とする。
第12の発明は、第8ないし11のいずれかの発明において、半導体チップが配置される位置に、金属面が露出する載置部が形成されていることを特徴とする。
第13の発明は、第12の発明において、前記載置部が、凸状載置部であることを特徴とする。
第14の発明は、第8ないし13のいずれかの発明において、前記複数の半導体チップが、隣り合う半導体チップとワイヤボンディング接続されることを特徴とする。
第15の発明は、第7ないし14のいずれかの発明において、前記第1の基板に、無機材料からなる透明なソルダーレジスト層が形成されていることを特徴とする。
第16の発明は、第1ないし6のいずれかの発明において、前記第1の基板が、一または複数の半導体チップが配置される前記白色絶縁層が形成された凹所を有するパッケージ基板であり、さらに、第1の基板が嵌着される開口を有する第2の基板を備えることを特徴とする。
第17の発明は、第16の発明において、半導体チップの電極と接続される配線層が前記第1の基板のベース材表面に形成された有機材絶縁層上に形成されており、当該配線層の表面の少なくとも一部が前記白色絶縁層により覆われていることを特徴とする。
第18の発明は、第16または17の発明において、前記第1の基板の凹所の半導体チップが配置される位置に、金属面が露出する載置部が形成されていることを特徴とする。
第19の発明は、第16、17または18の発明において、前記第1及び第2の基板の裏面に当接される放熱板を備えることを特徴とする。
第20の発明は、第1ないし6のいずれかの発明において、前記第1の基板が、一または複数の半導体チップが配置されるパッケージ基板であり、当該パッケージ基板が、基板絶縁層と、同層の上層に設けられた上側配線層および/または同層の下層に設けられた下側配線層を有することを特徴とする。ここでは、白色絶縁層が積層される金属層は、上側配線層となる。白色絶縁層は透明樹脂により封止され、或いは蛍光体を含有したレンズ状透明樹脂カバーにより覆われる。
第21の発明は、第20の発明において、前記基板絶縁層が、無機材料からなる高熱伝導フィラーを含浸させたガラスクロスまたはガラス不織布により構成されることを特徴とする。
第22の発明は、第20または21の発明において、前記基板絶縁層および前記上側配線層の側端面が面一であり、前記下側配線層の側端面が前記基板絶縁層の側端面よりも内側に位置することを特徴とする。
第23の発明は、第20、21または22の発明において、前記上側配線層には第一の方向に延出する上側分離部が設けられ、前記下側配線層には第一の方向と異なる第二の方向に延出する部分を含む下側分離部が設けられていることを特徴とする。
第24の発明は、第20ないし23のいずれかの発明において、前記上側配線層と前記下側配線層とがサーマルビアにより連結されていることを特徴とする。
第25の発明は、第20ないし24のいずれかの発明において、前記上側配線層および前記下側配線層の表面に金属薄膜層が施されていることを特徴とする。
第26の発明は、第1ないし25のいずれかの発明において、前記白色絶縁層の厚さが、10〜150μmであることを特徴とする。
第27の発明は、第1ないし26のいずれかの発明において、前記配線が、銀粒子と銅粒子を含有するインクを描画塗布することにより形成されることを特徴とする。
第28の発明は、LEDパッケージが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、前記基板の表面に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、白色絶縁層上に配線を形成し、基板上にLEDチップを装着し、白色絶縁層上に形成された配線に電気的に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
第29の発明は、第28の発明において、前記絶縁層形成工程の前工程として、前記基板の表面に凸状載置部を形成する載置部形成工程を有することを特徴とする。
第30の発明は、LEDチップが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、金属プレートの曲げ加工を行うことにより、一または複数のLEDチップが配置される底部、底部端の両側から立ち上がる壁部及び壁部からほぼ水平方向に延出する縁部を形成して前記基板を構成し、前記基板の表面に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、白色絶縁層上に配線を形成し、前記基板の底部にLEDチップを固着し、白色絶縁層上に形成された配線に電気的に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
第31の発明は、LEDチップが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、金属プレートの表面に、有機材絶縁層の下層と配線層の上層からなる積層構造を形成すると共に、少なくとも当該配線層を分離する分離部を形成し、前記金属プレートの曲げ加工を行うことにより、一または複数のLEDチップが配置される底部、底部端の両側から立ち上がる壁部及び壁部からほぼ水平方向に延出する縁部を形成して前記基板を構成し、LEDチップが電気的に接続される部分を除く前記基板の底部及び壁部の表面に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、前記基板にLEDチップを固着し、前記配線層の配線部分に電気的に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
第32の発明は、第28ないし31の発明において、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を、インクジェット法、ディスペンサー法、スプレーコート法またはスクリーン印刷法により塗布することを特徴とする。
第33の発明は、一または複数のLEDチップまたは複数のLEDパッケージが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、前記基板のベース材表面に、有機材絶縁層を介して金属層を形成し、金属層をエッチング加工することにより配線パターンを形成し、配線パターンをマスクとして有機材絶縁層をエッチング加工し、前記基板の少なくとも配線パターンの形成されていない部分を含む表面に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、前記基板上にLEDチップまたはLEDパッケージを装着し、配線パターンに電気的に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
第34の発明は、一または複数のLEDチップまたはLEDパッケージが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、多数個取り基板を構成する基板絶縁層の上側に上側配線層を形成すると共に下側に下側配線層を形成し、上側配線層および下側配線層に配線パターンを形成すると共に上側配線層および下側配線層を連結するビアを設け、上側配線層の電気接続部を除く表面に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、前記多数個取り基板上に多数個のLEDチップを装着し、それぞれを電気接続部に電気的に接続し、前記多数個取り基板を樹脂で一括封止し、分割して個片化することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
第35の発明は、第34の発明において、前記樹脂の硬度が、ショアD硬度86以上であることを特徴とする。
第36の発明は、一または複数の半導体チップが装着される基板を備える半導体装置の製造方法であって、ガラスクロスまたはガラス不織布に無機材料からなる高熱伝導フィラーを含浸させて基板絶縁層を構成し、基板絶縁層の上側に上側配線層を形成すると共に下側に下側配線層を形成することにより基板を構成し、上側配線層および下側配線層に配線パターンを形成すると共に上側配線層および下側配線層を連結するビアを設け、基板上に半導体チップを装着し、上側配線層に電気的に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
別の観点からの本発明は、次の技術手段から構成される。
[1]LEDチップが装着されるパッケージ基板と、パッケージ基板の表面に形成された反射材として機能する金属薄膜層とを備えるLED発光装置であって、当該パッケージ基板が、基板絶縁層と、同層を挟む上側配線層および下側配線層を有し、上側配線層に第一の方向に延出する上側分離部が設けられ、下側配線層に第一の方向とは異なる第二の方向に延出する部分を含む下側分離部が設けられていることを特徴とするLED発光装置。
[2]前記基板絶縁層および前記上側配線層の側端面が面一であり、前記下側配線層の側端面が前記基板絶縁層の側端面よりも内側に位置することを特徴とする[1]に記載のLED発光装置。
[3]前記上側分離部と前記下側分離部とが直交することを特徴とする[1]または[2]に記載のLED発光装置。
[4]前記上側配線層が無機材コーティング層で覆われていることを特徴とする[1]ないし[3]のいずれかに記載のLED発光装置。
[5]前記無機材コーティング層が、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより形成されることを特徴とする[4]に記載のLED発光装置。
本発明によれば、ほぼ全ての成分が無機材料からなる層を基板上に形成することができるので、耐熱性、放熱性及び耐久性に優れた電気絶縁層を有する半導体装置を提供することが可能となる。
また、電気絶縁層が反射材としての役割を奏するので、半導体チップがLEDの場合でも高価な反射材を用いることが不要となり、また反射層を形成するための別途のプロセスが不要となる。
さらには、基板表面にナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成するので、基板上の所望位置に所望の形状及び厚さの白色絶縁層を構成することが可能である。
本発明を具体化するLED照明モジュールの第1の構成例を示す側面断面図である。 本発明を具体化するLED照明モジュールの第2の構成例を示す側面断面図である。 金型を用いたプレス加工により形成したLEDパッケージ基板の製造を説明する図であり、(a)は加工される前の金属プレートを示す側面断面図、(b)は凹所を有するように所定形状に曲げ加工された金属プレートを示す側面断面図、(c)は表面上に白色絶縁層が形成された金属プレートを示す側面断面図、(d)は白色絶縁層上の必要位置に、配線を描画形成された金属プレートを示す側面断面図である。 本発明を具体化するLED照明モジュールの第2の構成例の組立を説明する図であり、(a)はLEDパッケージ固着を示す側面断面図、(b)は電気接続を示す側面図、(c)は放熱板固着を示す側面断面図である。 本発明を具体化するLED照明モジュールの第3の例の組立を説明する図である。 本発明を具体化するLED照明モジュールの第4の構成例を説明する側面断面図である。 本発明を具体化するモジュール基板を示し、(a)は第2の構成例におけるLEDパッケージ搭載前のモジュール基板の平面図、(b)は第4の構成例におけるLEDパッケージ搭載前のモジュール基板の平面図である。 本発明を具体化するLED照明モジュールの第5の構成例を説明する図であり、(a)はLEDチップの第1の実装方法を示す側面断面図、(b)はLEDチップの第2の実装方法を示す側面断面図、(c)はLEDチップの第3の実装方法を示す側面断面図である。 本発明を具体化するLED照明モジュールの第5の構成例に使用する基板の製造工程を説明する側面断面図である。 本発明を具体化するLED照明モジュールの第6の構成例を示す側面断面図である。 本発明を具体化する第7の構成例に係るLEDパッケージを示す側面断面図である。 第7の構成例に係るLEDパッケージのダイシング方法を説明する斜視図である。 第7の構成例に係るLEDパッケージに載置部を設けた変形例を示し、(a)は側面断面図、(b)は要部透過斜視図、(c)は平面図である。 第7の構成例に係るLEDパッケージをフリップチップ実装した変形例を示し、(a)は側面断面図、(b)は要部透過斜視図、(c)は平面図である。 図14のLEDパッケージにおいて蛍光体をLEDチップ上面に配置した変形例を示し、(a)は側面断面図、(b)は要部透過斜視図、(c)は平面図である。 LEDパッケージの第8の構成例を示し、(a)は側面断面図、(b)は要部透過斜視図、(c)は平面図(銀メッキ層は図示省略)である。 図16のLEDパッケージにおいて分離部を屈曲形状とした変形例である。 本発明を具体化する第9の構成例に係るLEDパッケージを示す側面断面図である。 本発明を具体化する第10の構成例に係るパワー半導体パッケージを示す側面断面図である。 本発明を具体化する第11の構成例に係るLEDパッケージを示す側面断面図である。 本発明を具体化する第11の構成例に係るLEDパッケージを示す上面図である。 本発明を具体化する第12の構成例に係るLEDパッケージを示す側面断面図である。 本発明を具体化する第13の構成例に係るLEDパッケージを示す側面断面図である。 特許文献3に開示のLEDパッケージを示し、(A)はパッケージの中央部における側面断面図、(B)はその平面図である。 特許文献1に開示の照明具を示す側面断面図である。
以下、例示に基づき本発明を説明する。図1は、本発明を具体化するLED照明モジュールの第1の構成例を示す側面断面図である。図1のLED照明モジュール11は、公知のLEDパッケージ1と、配線13および白色絶縁層14が形成されたモジュール基板12とを主要な構成要素とする。
LEDパッケージ1は、パッケージ基板2上にLEDチップ3が固設され、電気的に接続された後、透明樹脂5(例えば、エポキシ系やシリコーン系のもの)で封止することにより構成されており、パッケージ基板2の裏面に設けられた電極が、モジュール基板12上に形成された配線13と半田等で接続されて実装される。LEDチップ3の発光面は、図中の上面側に向けられていて、パッケージ基板2に遮られること無く上面に向けて発光する。
なお、図1では、1個のLEDパッケージ1に1個のLEDチップ3を配置する態様を図示しているが、1個のLEDパッケージ1に複数のLEDチップ3を設けることも当然可能である。
モジュール基板12は、熱伝導性および電気特性に優れる材料であり、例えば、銅板またはアルミ板により構成される。モジュール基板12は、水冷構造(例えば、複数の微小開口を持つ薄銅板を積層し、上下を銅板で密閉した液室内で毛細管現象による環流が生じるヒートパイプ(特許文献4参照))を有するもの、或いは、水冷構造を有する放熱部材を積層したものにより構成してもよい。
モジュール基板12の表面には、反射材としての役割をも奏する白色絶縁層14が設けられている。白色絶縁層14は、可視光の波長域で平均反射率が70%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましい。白色絶縁層14は、白色無機粉末(白色無機顔料)と二酸化珪素(SiO)を主要な成分とし、有機リン酸を含むジエチレングリコールモノブチルエーテルの溶剤でこれらを混ぜたインク(以下、「白色無機インク」という場合がある)を塗布、焼成して形成される。ここで、白色無機インクの塗布は、例えば、インクジェット法、ディスペンサー法、スプレーコート法またはスクリーン印刷法により行われる。白色絶縁層14の厚さは、放熱特性の観点からは、薄いほうが望ましいが、耐電圧と引き裂き強度の観点からは、ある程度の厚さが要求される。白色無機粉末と二酸化珪素の配合割合にもよるが、LED搭載に要求される絶縁膜の耐電圧は一般的には1.5〜5kVであり、白色無機絶縁体は1KV/10μm程度であるところ、15μm以上の厚さとすることが好ましい。他方で、白色絶縁層14により放熱性能が低下するのを防ぐためには、白色絶縁層14を一定の厚さ以下とすることが好ましい。すなわち、白色絶縁層14の厚さは、例えば10〜150μmの範囲で設定され、好ましくは15〜100μm、より好ましくは25〜70μm、さらに好ましくは30〜60μm、さらにさらに好ましくは40〜60μm、最も好ましくは40〜50μmの範囲で設定する。
白色絶縁層14の上には、必要な箇所に配線13が形成されている。配線13は、金属層を蒸着やスパッター等で形成し、その上にレジストを塗布し、パターンを露光、現像してさらにエッチングを行い、レジストを除去して形成することができるが、導電性金属インク(例えば、銀インクや銀と銅を混合したハイブリッドインク)をインクジェット法やディスペンサー法などで必要箇所に描画塗布した後、焼成して金属化させることにより形成することが好ましい。白色絶縁層14の表面が撥水性を持つ場合は、プラズマ処理等で撥水性残渣を除去し表面活性化を行うと共に、必要であれば素材間の密着性を向上させるプライマー処理(例えばエポキシプライマー)をした後、接続配線を形成する。
導電性金属インクは、機能性材料として金属ナノ粒子を含むものを用いることが好ましい。例えば、銀(Ag)の融点は961.9℃であるが、約100nmで融点が落ち始め、10nm以下の大きさでは融点は200〜250℃まで落ちることが知られている。金属ナノ粒子で配線を形成すると、融点が十分に低く、有機膜またはプラスチック基板等の低温焼成が要求される機材にも適用が可能である。
この金属ナノ粒子で配線を行う場合は銀と銅のハイブリッドインクを用いることが好ましい。銀配線へ半田接合すると銀が半田に食われ(溶融半田中へ銀が拡散して)銀配線が断線したり、銀リッチな半田となり接続信頼性に課題がある。このため銀と銅のハイブリッドインクを用いれば、銅リッチ部と半田が接合して界面合金を形成することで半田中への銀拡散を抑制することができる。
モジュール基板12上には、必要に応じて透明な無機材料からなるソルダーレジスト層15を設ける。ソルダーレジスト層15を構成する透明膜は、例えば、二酸化珪素(SiO)により構成することができる。SiO(平均粒子径が50nm以下)を含むゾル(液状のコーティング剤)あるいはポリシラザンを含む溶液をインクジェット法あるいはディスペンサー法で必要箇所に塗布し、焼成することによって形成する。
本発明の白色絶縁層の主要な特徴は、次のとおりである。
第1の特徴は、成膜された白色絶縁層の80重量%以上(好ましくは85重量%以上、より好ましくは90重量%以上、さらに好ましくは95重量%以上)が無機材料で構成されているということである。例えば、90重量%以上が無機材料で構成されているインクを塗布し、焼成すると、有機材料が殆ど存在しない絶縁層を形成することができる。
第2の特徴は、無機材料を構成する二酸化珪素(SiO)が、ナノ粒子化されていることである。ここで、無機材料を構成する白色無機粉末の粒径を1μm以下とすることが好ましく、より好ましくは、無機材料を構成する白色無機粉末もナノ粒子化する。少なくともSiOをナノ粒子化することにより、これまで困難であった80重量%以上が無機材料で構成される液材(白色無機インク)を塗布することが可能となり、また光の波長に比べ粒子径が十分に小さいため反射率も向上される。ここで、ナノ粒子とは、直径が数nm〜数百nmの粒子をいう。SiOは、平均粒径は50nm以下のものを用いることが好ましく、これに粒径が20nm以下のものを含んでいることがより好ましく、粒径が10nm以下のものを含んでいることがさらに好ましい。成膜された白色絶縁層中のSiOの含有率は、25重量%以上とすることが好ましく、より好ましくは30〜40重量%とする。
白色無機顔料は、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、アルミナのいずれか、或いはこれらを組み合わせたものが用いられる。成膜された白色絶縁層中の白色無機顔料の含有率は、要求される反射率等により適宜調整されるが、好ましくは40〜70重量%、より好ましくは、50〜65重量%とする。40重量%以上とすることで十分な反射効果が得られ、70重量%以下ならば均一な膜を形成するために必要なインクの流動性を確保できるからである。
白色無機粉末は、平均粒径は50nm以下のものを用いることが好ましく、これに粒径が25nm以下のものを含んでいることがより好ましい。かかるナノ粒子化された白色無機粉末は、インクジェット法、ディスペンサー法またはスプレーコート法による塗布に好適である。
粒子表面を透明絶縁膜でコートした白色無機粉末を用いてもよい。透明絶縁膜としては、アルミナコートまたはシリカコートが例示されるが、熱伝導性の観点からはアルミナコートを用いることが好まし。透明絶縁膜でコートされた白色無機粒子の平均粒径は、例えば10nm〜5μm(好ましくは1μm以下)であり、コート膜厚は10〜50nmである。透明絶縁膜でコートすることにより、酸化チタンの有する触媒効果によるLEDの透明樹脂の劣化の問題の低減も期待できる。
この際、白色絶縁層の放熱性能を向上させるために、上述した液材(白色無機インク)に無機材料からなる高熱伝導フィラー(例えば炭化ケイ素(SiC)にnmサイズのアルミナ膜をコートしたもの)を混入させても良い。例えば、SiCの熱伝導率は160w/m・k程度であり、二酸化チタン(TiO)の約20倍の熱伝導率を有する。高熱伝導フィラーの割合を増やすのに伴い放熱性は向上するが、他方で反射率は低下する。そのため、白色無機顔料の重量100に対して1〜30、好ましくは5〜20、更に好ましくは5〜15の割合で混入させる。
このような絶縁材料からなる白色無機インクを金属板上に塗布し、例えば、160〜200℃で加熱することで、溶剤中に分散したナノサイズ絶縁粒子が基材表面の凹凸に倣って配列すると共に、溶剤が蒸発して緻密な白色絶縁層(膜)が形成される。すなわち、ナノサイズセラミックスの混合粉末を金属表面に直接接触させたまま大気圧下で加熱し、その場で焼結させ、ナノサイズ効果による拡散状態を利用して接合界面で金属表面接合し、白色絶縁層と金属層の積層構造を形成する。このように、本発明では、白色絶縁層を構成する絶縁材料をインク化することにより、基板上の所望位置に所望の形状及び厚さの白色絶縁層を構成することを可能としている。本発明によれば、例えば、基板表面に凹所を形成した後、LEDチップ3の載置部を除く基板表面部分に、白色絶縁層を塗布形成することも可能である。
本発明のLED照明モジュールは、白色絶縁層14が反射材として機能するので、高価な反射材を別途に設ける必要が無く、材料費を大幅に削減することができる。また、反射材を形成する工程を省略できる点においてもコスト性に優れたプロセスを有するといえる。例えば、パッケージ単位では、反射材に銀メッキを用いる場合と比べると材料費を2分の1程度の削減できると試算され、照明モジュール単位では更に大きな効果が見込まれる。また、白色無機材からなる絶縁層は、例えば、ガラスエポキシと比べて一桁程度熱伝導性に優れるため放熱性能は高く、同様の構成のPLCC(Plastic leaded chip carrier)と比べると2〜5倍の放熱性能を有すると試算される。さらには、白色絶縁層14により基板上の金属面を覆うことにより硫化現象を抑制することができる。
図2は、本発明を具体化するLED照明モジュールの第2の構成例を示す側面断面図である。このLED照明モジュール11は、複数のLEDパッケージ1と、モジュール基板12と、放熱板29を主要な構成要素とする。
LEDパッケージ1は、拡径された凹所22を有するパッケージ基板2の表面に白色絶縁層24を形成し、白色絶縁層24の上に配線23を描画形成し、この配線23とLEDチップ3をワイヤボンディングしたものを樹脂封止して構成される。
モジュール基板12は、熱伝導性および電気特性に優れる材料(例えば、銅板またはアルミ板)により構成され、パッケージ基板2が嵌着される開口17を備える。モジュール基板12の表面には白色絶縁層14が形成されており、その上に配線13のパターンが形成されている。モジュール基板12へのLEDパッケージ1の取り付けは、開口17に嵌着されたLEDパッケージ1の側面とモジュール基板12の間の隙間を接着材(耐熱性接着材)18で埋め、この接着材18の上で、一対の接続電極(モジュール基板に接続するための外部接続電極)26を、モジュール基板12上面の配線13に半田付け等により接続することにより行う。モジュール基板12に装着されたLEDパッケージ1(パッケージ基板2)の裏面は、放熱板29の上面に接触するように配置される。ここで、パッケージ基板2の裏面は、各種板材の変形等により放熱板29と離間しないように、高熱伝導性接着材、半田接続等により放熱板29に固着されることが好ましい。同様に、モジュール基板12の裏面も、高熱伝導性接着材、半田接続等により放熱板29に固着されることが好ましい。放熱板29は、水冷構造を有するもの(例えば、特許文献4に記載のもの)、或いは、水冷構造を有する放熱部材を積層したものにより構成してもよい。また、放熱板29に代えて、モジュール基板12自体を放熱体として利用することも可能である。モジュール基板12を放熱体として利用する場合、モジュール基板12に開口を設ける必要はなく、モジュール基板12上面にLEDパッケージ1が装着される(後述の図6参照)。
図3は、パッケージ基板2を構成する金属プレート21の曲げ加工を説明する図である。(a)は、加工される前の金属プレート(銅とかアルミのような高熱伝導性の板状金属部材)を示す側面図である。次に、(b)に示すように、金属プレート21は、LEDチップ3装着のための凹所22を有するように所定形状に曲げ加工される。すなわち、LEDチップ3を搭載するための凹所22、及び上端部を外方向に折り曲げて、ほぼ水平方向に延出する平らな縁部25を形成するように、金型を用いたプレス加工によって曲げ加工を行う。次に、(c)に示すように、所定形状に曲げ加工された金属プレート21の表面上に、白色絶縁層24が形成される。白色絶縁層24は、凹所22及び縁部25を含む金属プレート21の表面全部に形成される。ここで、白色絶縁層24は、一定以上の割合のSiOを含有するのでプレス加工時に破断し易いため、プレス加工後に形成する必要がある。プレス加工後は凹凸のためスクリーン印刷をすることができないので、インクジェット法、ディスペンサー法またはスプレーコート法により白色絶縁層24を形成する。白色無機顔料は、平均粒径50nm以下の二酸化チタンを用いるのが好ましく、これに粒径が25nm以下の二酸化チタンを含むことがより好ましい。
次に、(d)に示すように、白色絶縁層24上の必要位置に、配線23を描画形成する。配線23は、導電性金属インクをインクジェット法やディスペンサー法などで描画塗布した後、焼成して金属化させることにより形成する。縁部25に、対向する一対の接続電極(外部接続電極)26を形成する。ここで、縁部25の端部には、半田が接続電極26と金属プレート21を電気的にショートさせるのを防ぐために、白色絶縁層24が露出する配線非形成部27を設ける。配線23は、一対の接続電極26を絶縁分離するように、分離部28を有するパターンで描画形成する。
なお、底部端から左右前後の壁部の立ち上げは、任意の形状ないし角度とすることができ、接続電極26が平板状の底部より上方に位置できるように、例えば、斜め上方に直線的に、或いは湾曲させて立ち上がらせてもよい。
このように構成されたパッケージ基板2の凹所22にLEDチップ3を装着し、ダイボンド材を用いて固着する。続いて、左右に分割された一対の接続電極26につながる配線23の各々とLEDチップ3との間をワイヤボンド接続し、電気的に接続配線した後、透明樹脂5を充填する。透明樹脂5には、蛍光体を混合しても良い。一般的に白色LEDの場合は、青色発光LEDチップを用いてLEDチップ上に黄色の蛍光体を配置し、この蛍光体が青色を受けて白く光っている。通常、この蛍光体は透明樹脂に混入されている場合が多い。樹脂封止は、連結状態のパッケージを金型内に配置して行われる。或いは樹脂封止はディスペンサーやスクリーン印刷で行っても良い。封止樹脂の高さは、接続電極26として機能する壁部最上面と同平面まで注入する。この後、個々のパッケージに、或いは複数個連結した状態のパッケージに個片化することによって、LEDパッケージ1が完成する。
なお、図3ではプライマー処理を施さない手順を説明したが、(c)の工程の後、プライマー処理を施してから(d)の工程を行ってもよい。また、配線23及び白色絶縁層24が設けられず、金属プレート21が露出する凹状の載置部16または後述の凸状載置部47を設け、載置部16または凸状載置部47に裏面が絶縁されたLEDチップ3を配置し、熱伝導性接着材により固着するようにしてもよい(後述の図5及び6並びに図20参照)。
図3の変形例として、凹所22の表面に有機材絶縁層の下層と配線層の上層からなる積層構造を形成すると共に、少なくとも当該配線層を分離する分離部28を形成し、反射面として寄与する底面(LEDチップを電気的に接続する部分を除く)および斜面(壁部表面)に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層24を形成してもよい。有機材絶縁層の下層と配線層の上層からなる積層構造は、樹脂層(例えば、ポリイミド膜)と金属泊(例えば、銅箔)からなる積層部材を接着剤により高温加圧圧着することで実現してもよい。
図4は、本発明を具体化するLED照明モジュールの第2の構成例の組立を説明する側面断面図である。
まず、(a)に示すように、モジュール基板12の開口17にLEDパッケージ1が嵌着される。縁部25の裏面とモジュール基板12の表面を高熱伝導性接着材等により固着してもよい。続いて、(b)に示すように、LEDパッケージ1の縁部25とモジュール基板12上の配線13との間を絶縁接着材18で埋め、この絶縁接着材18の上に半田等による電気接続部19を設け、一対の接続電極(外部接続電極)26とモジュール基板上の配線13を電気的に接続する。最後に、(c)に示すように、パッケージ基板2及びモジュール基板12の裏面と放熱板29の表面を当接させて固定する。各基板2,12の裏面と放熱板29の表面が離間すると放熱効果が削減されるので、各基板2,12の裏面と放熱板29の表面を、高熱伝導性接着材、半田接続等により固着することが好ましい。
以上の如く構成される第2の構成例によれば、LEDチップ3から発生した熱は、パッケージ基板2及びモジュール基板12を介して放熱板29より放熱されるので、LEDチップ3の発光強度や集積度の制約を解消することが可能となる。
図5は、本発明を具体化するLED照明モジュールの第3の構成例を示す側面断面図である。このLED照明モジュール11は、LEDパッケージ1と、モジュール基板12と、放熱板29を主要な構成要素とする。
パッケージ基板2は、熱伝導性および電気特性に優れる材料(例えば、銅板またはアルミ板)により構成され、白色絶縁層14が設けられていない凹状の載置部16が形成されている。第3の構成例では、裏面が絶縁されたLEDチップ3が、白色絶縁層14が設けられていない載置部16に設置されることから、LEDチップ3の裏面からの放熱性が良好である。なお、載置部16に代えて、第10の構成例で後述する凸状載置部47を設けてもよい。
またこの構成例ではモジュール基板12は、任意の配線基板を用いることを前提としており、例えば、1層ガラスエポキシ基板により構成する。モジュール基板12は、配線13とパッケージ基板2が嵌着される開口17を備える。モジュール基板12の表面に、反射材兼ソルダーレジスト層としての白色絶縁層24を形成してもよい。モジュール基板12へのLEDパッケージ1の取り付けは、開口17に嵌着されたLEDパッケージ1の側面とモジュール基板12の間の隙間を接着材(耐熱性接着材)18で埋め、この接着材18の上で、一対の接続電極(モジュール基板に接続するための外部接続電極)26を、モジュール基板12上面の配線13に半田付け等により接続することにより行う。モジュール基板12に装着されたLEDパッケージ1(パッケージ基板2)の裏面は、放熱板29の上面に、高熱伝導性接着材20または半田接続により固着される。放熱板29は、水冷構造を有する基板(例えば、特許文献4に記載のもの)、或いは、水冷構造を有する放熱部材を積層した基板により構成してもよい。
以上に説示した第3の構成例の放熱構造は、LEDチップを含む発熱量の多い半導体チップに好適である。例えば、LEDチップをパワー半導体チップに置き変え、半導体装置を構成してもよい。
図6は、本発明を具体化するLED照明モジュールの第4の構成例を説明する側面断面図である。このLED照明モジュール11は、モジュール基板12の上に、上面に電極を有する複数のLEDパッケージ1を装着して構成される。
LEDパッケージ1は、パッケージ基板2上の凹状の載置部16にLEDチップ3が直接配置され、熱伝導性接着材(例えば、窒化アルミなどのセラミックや金属からなる熱伝導性フィラーが充填されたもの)により固着される。パッケージ基板2は、載置部16を除く表面に白色絶縁層24が形成されており、白色絶縁層24上には必要箇所に配線23が設けられている。LEDパッケージ1は、LEDチップ3と配線23が電気的に接続された後、透明樹脂5で封止することにより構成される。透明樹脂5による封止は、LEDチップ3とその近傍の配線23及び白色絶縁層24のみを覆うように行われ、露出するLEDパッケージ両端の配線23が接続電極26を構成する。パッケージ基板2の両端部は、パッケージ基板上の接続電極26とモジュール基板上の配線13をつなぐように絶縁接着材18により覆われる。この絶縁接着材18の上に、パッケージ基板上の接続電極26とモジュール基板上の配線13を接続する電気接続部19が設けられている。電気接続部19は、導電性金属インク(例えば、銀と銅を混合したハイブリッドインク)をインクジェット法やディスペンサー法などで描画塗布した後、焼成して金属化させることにより形成される。第4の例でも必要に応じて、パッケージ基板上にソルダーレジスト層15を形成する。
図7(a)は第2の構成例におけるLEDパッケージ搭載前のモジュール基板の平面図、(b)は第4の構成例におけるLEDパッケージ搭載前のモジュール基板の平面図である。
(a)のモジュール基板12は、LEDパッケージ1を嵌着するための開口17が複数設けられている。これら開口17は、例えば、打ち抜き加工(パンチング)で形成される。配線13は、開口17を形成する前、或いは、開口17を形成した後に描画塗布等により形成される。
(b)のモジュール基板12は、当該基板上にLEDパッケージ1が直接配置されるため、開口17は設けられていない。
(a)(b)のいずれのモジュール基板12も、LEDパッケージ1が装着された後、LEDパッケージ1の接続電極26と配線13を電気的に接続配線することにより、LED照明モジュール11が製造される。
図8は、本発明を具体化するLED照明モジュールの第5の構成例を説明する側面断面図である。
(a)のLED照明モジュール11は、LEDチップ3の表面(下面)に設けられた電極(例えばスタッドバンプ)が、モジュール基板12上に形成された配線13と半田等で接続されてフェイスダウン実装される。所謂フリップチップである。このフリップチップ実装ではフェイスダウンのため、チップ表面が下側になる。なお、フリップチップ実装では、チップはバンプを介して配線に接続されるため基板との間に僅かな隙間ができ、この隙間を埋める手段として樹脂等をアンダーフィルする場合があるが、本願においては図示省略する。モジュール基板12のベース材は、熱伝導性および電気特性に優れる材料であり、例えば、銅板またはアルミ板により構成される。配線13は、公知の有機系の材料(例えば、ポリイミド)からなる有機材絶縁層30の上に形成されている。モジュール基板12のベース材表面の配線13及び有機材絶縁層30が設けられていない部分には、上述した白色絶縁層14が塗布により形成されている。LEDチップ3の下面の配線13に接触していない部分は、白色絶縁層14に当接あるいはアンダーフィラーを介して当接しており、白色絶縁層14を介してモジュール基板12から放熱される。透明樹脂5は、取り外し可能な型枠内、或いは、固設した囲み部材内に透明樹脂を充填し形成する。
(b)のLED照明モジュール11は、LEDチップ3の下面に設けられた突起状電極(バンプ)が、モジュール基板12上に形成された配線13と電気接続部31で接続されてフェイスダウン(フリップチップ)実装される。モジュール基板12及び配線13は、(a)と同じ構成である。(b)の形態では、白色絶縁層14が電気接続部31の開口を除き、モジュール基板12の上面を直接または間接に全面的に覆うように塗布形成されている。電気接続部31の開口の大きさは、例えば、50〜500μm角とする。(b)の形態でも、LEDチップ3の下面の電気接続部31以外の部分は、白色絶縁層14に当接あるいはアンダーフィラーを介して当接している。
(c)のLED照明モジュール11は、LEDチップ3が配線13とワイヤボンド接続される。モジュール基板12、配線13及び、白色絶縁層14は、(a)と同じ構成である。LEDチップ3の裏面(下面)は、モジュール基板12の上面に高熱伝導性接着材等により固設される。
図9は、本発明を具体化するLED照明モジュールの第5の構成例に使用する基板の製造工程を説明する側面断面図である。
まず、基板上に、有機材絶縁層(例えば、ポリイミド層)と銅箔層を形成する(STEP1)。例えば金属板上に熱可塑性ポリイミド膜と銅箔を積層して、高温加圧(例えば350℃で20分)して形成する。
次に、貼り付けた銅箔の加工を行って、パターニング加工を行う(STEP2)。例えば、この加工のために、ホトリソグラフィ技術を用いる。銅箔の上にレジストを塗布し、パターンを露光、現像してさらにエッチングを行い、レジストを除去して、銅箔除去部を形成する。
次に、銅箔をマスクにして有機材絶縁層のエッチングを行う(STEP3)。ポリイミドエッチング用の溶液としては例えばアミン系のものがよく使用される。
最後に、モジュール基板12上の銅箔除去部を埋めるように、白色無機材を塗布する(STEP4)。ここで、白色無機材の塗布は、所望とするLEDモジュールの態様(図8参照)により異なるものとなる。(a)は、配線とほぼ同一面の高さまで白色無機材を塗布する態様を示し、(b)は、電気接続用の開口をのぞき、配線に一部乗り上げて白色無機材を塗布する態様を示す。(b)での塗布は、まずスクリーン印刷が挙げられる。これ以外の方法としては配線も含めて全面塗布をした後、レーザーにより開口を設ける方法、配線と同じ高さまでスクリーン印刷またはディスペンサーによる塗布を行った後、配線の開口を除く部分に印刷(スクリーン印刷或いはフレキソ印刷)またはディスペンサーによる2段塗布を行う方法が例示される。
図10は、本発明を具体化するLED照明モジュールの第6の構成例を示す側面断面図である。第6の構成例のLED照明モジュール11は、白色絶縁層が符号14aからなる下層と、符号14bからなる上層とから構成される点で、第5の構成例(a)と相違する。以下では、第5の構成例(a)との一致点についての説明は省略し、相違点についてのみ説明する。なお、第6の構成例に係る白色絶縁層14a、14bを第5の構成例(b)、(c)に適用できることはいうまでもない。
白色絶縁層14aは白色無機顔料に酸化亜鉛を用いた層であり、白色絶縁層14bは白色無機顔料に二酸化チタンを用いた層である。白色絶縁層の下層14aを構成する酸化亜鉛粒子は、透明絶縁膜(例えば、アルミナ膜)でコートされており、平均粒径は1μm以下である。白色絶縁層の上層14bを構成する二酸化チタン粒子は、ナノ化された粒子、または、透明絶縁膜(例えば、アルミナ膜)でコートされた平均粒径は1μm以下の粒子である。
白色絶縁層をこのような積層構造とした理由は、白色無機顔料を酸化亜鉛とする層だけでは反射率の満足が得られない場面が想定される一方、熱伝導的に優れた酸化亜鉛の特性を生かす点にある。すなわち、酸化亜鉛を白色無機顔料として用いた絶縁層を下層14aとし、反射率のよい二酸化チタンを白色無機顔料として用いた絶縁層を上層14bとすることにより、低熱抵抗で反射率も良い特性を有する白色絶縁層を得ることを可能とした。このとき酸化亜鉛粒子は透明絶縁膜コートが不可欠であるが、二酸化チタン粒子は透明絶縁膜コートを設けてもよいし設けなくてもよい。積層構造に使用する熱伝導に優れた白色無機材料としては酸化亜鉛粒子に代えて酸化マグネシュームあるいは二酸化チタンより高熱伝導の白色無機材料でも良い。
なお、図10では、下層14aと有機材絶縁層30厚さおよび上層14bと配線13の厚さを同じに描いているがこれに限定されず、下層14aと上層14bの厚さは、熱伝導性能、反射性能および絶縁性能の観点から適宜決定される。
図11は、本発明を具体化する第7の構成例に係るLEDパッケージを示す側面断面図である。
ところで、図1に示す構成のLEDパッケージ1は、MAP(Mold Array Package)工法と呼ばれる複数のLEDパッケージを一括して封止する生産方式を用いて製造コストの低減を図ることが可能である。しかし、このLEDパッケージ1においては、パッケージ基板2が分離部28a、28bにより分断されているため、パッケージ基板2が脱落しやすいという問題がある。
近年、電子機器の小型化・軽量化の要請から、CSP(Chip Size Package)が求められているが、図1に示す構成のLEDパッケージ1では、機械的強度をするためにパッケージ基板の面積を一定以上確保する必要があり、CSPを実現することが難しかった。セラミック基板を用いた場合、強度の点は改善されるが、低コスト・高放熱を実現することは難しい。本構成例では、MAP工法で生産することができ、パッケージ基板2の面積を一定以下としても脱落の問題が生じない構造を有する表面実装型のLEDパッケージ1を開示する。
第7の構成例に係るLEDパッケージ1が搭載されるパッケージ基板2は、有機材絶縁層30と、同層を挟んで設けられた配線層32a、32bと、配線層32a、32bを接続するビア33と、切欠部34とを有している。
有機材絶縁層30は、ポリイミド系樹脂、オレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、およびこれらの混合物もしくは変性物から選択される1種以上の樹脂を用いることができる。有機材絶縁層30の厚さは、絶縁性と熱伝導性の調和から決せられ、例えば、これらの樹脂を用いた場合、10〜60μm、好ましくは10〜30μmとする。
なお、有機材絶縁層30は、第9の構成例で後述する基板絶縁層42に置き換えてもよい。
前記ポリイミド系樹脂としては、例えば、イミド環構造を有するポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等を挙げることができる。
前記オレフィン系樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、シクロオレフィン系樹脂、これらの樹脂の共重合体等が挙げられる。
前記ポリエステル系樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、液晶ポリエステル等を挙げることができる。
耐久性の観点からは、耐圧性、耐熱性および吸水性・吸湿性に優れた樹脂を用いることが好ましい。オレフィン系樹脂やポリエステル系樹脂は、ポリイミド系樹脂と比べ吸水性・吸湿性に優れている。
配線層32a、32bは熱伝導性および電気特性に優れる金属材料(例えば、銅)により構成され、有機材絶縁層30にプリプレグ等の接着材層(図示せず)を介してまたは接着層を介さずに積層される。接着材層には高熱伝導フィラーを混入させても良い。配線層32aの厚さは、例えば、10〜35μm、好ましくは10〜20μmとする。配線層32bの厚さは、例えば、25〜50μm、好ましくは30〜40μmとする。
配線層32a、32bは、必ずしも有機材絶縁層30の全面を覆って設けなくともよく、LEDチップ3を電気接続するために必要な領域(ランド部分)にのみ設けるようにしてもよい。配線層32a、32bの表面は、金属メッキ(金メッキ、銀メッキ、ロジュームメッキまたは半田メッキ)を施すことが好ましい。基板焼成時の酸化防止とボンディング性を確保するためである。
上下の配線層32a、32bは、ビア33により電気的に接続されている。ビア33は単純なメッキ接続で良いが、熱を伝導するサーマルビアとしての役割を期待する場合は、内孔は金属材料(例えば、銅)で埋めても良い。放熱の観点からは、LEDチップ3の直下または近傍を含むようにビア33を設けることが好ましい。ビア33は、LEDチップ3より断面積の小さい柱状のものをLEDチップ3の直下に一または複数設けてもよいし、LEDチップ3より断面積の大きい柱状のものを設けてもよい。
切欠部34は、後述する切断用刃物による切断により、配線層32aと配線層32bとがショートするのを防ぐために設けられている。
配線層32aの上面には、一または複数個のLEDチップ3を電気接続するために必要な領域(ランド部分)を除き、上述した白色絶縁層14が塗布形成されている。分離部28aにも白色絶縁層14を充填することで、高反射率および耐脱落強度が実現できる。白色絶縁層14の厚さは、反射率、加工性、絶縁性および熱伝導性の調和から決せられ、例えば、30〜60μm、好ましくは40〜50μmとする。反射率95%以上を確保する観点からは、厚さを40μm以上とすることが好ましい。
LEDチップ3をダイボンド材によりパッケージ基板2の上面に固着し、配線層32aとワイヤボンド接続した後、透明樹脂5が充填される。樹脂封止は複数のチップを一括封止した後に分割する一括封止法により行われる。ダイシングを行うためには、封止樹脂5のショアD硬度が80以上であることが必要であり、ショアD硬度86以上であることがより好ましい。実験の結果、ショアD硬度81では精度良くダイシングを行うことができなかったが、ショアD硬度87,88では良好な結果が得られた。
本構成例に係るLEDパッケージ1の製造工程の一例を以下に説明する。
(1)有機材絶縁層30の上下面に、銅箔からなる配線層32a、32bを形成してなる積層体を作製する。配線層32a、32bを積層する方法に特に制限はなく、圧延による積層、メッキ、蒸着等の方法を用いることができ、また樹脂付き金属箔からなる積層膜を用いることも可能である。
(2)作製した積層体にドリル等の器具でビア33を設ける。続いて、メッキや導電性ペーストのスクリーン印刷等の方法でビア33を放熱性のよい導電性材料(例えば、半田、銅、銀等)で埋める。
(3)配線層32a、32b上にレジストを塗布し、パターンを露光、現像してさらにエッチングを行い、レジストを除去して、配線層32a、32bを完成させる。なお、(2)と(3)の順番は逆にしてもよいし、表裏のパターンと一体でビアをメッキしてもよい。
(4)チップと配線とを接続する領域の電気接続(ワイボンドあるいはフリップチップ)を容易にするための表面処理を行う。例えば表面処理として部分銀メッキや銀ペーストの塗布・焼成、あるいは銀インク塗布・焼成が挙げられる。この工程は(8)の後に行っても良い。
(5)配線層32a上に、白色無機インクをスクリーン印刷等により塗布し、白色絶縁層14を形成する。
(6)これまでの工程で得られた多数個取り基板を低温短時間(例えば、40℃×10分)で焼成する。以上の工程は、フープラインで行うことができる。
(7)多数個取り基板を切断用刃物により切断し、複数個のパッケージ基板2の集合体であるフレーム基板を得る。
(8)フレーム基板を高温長時間(例えば、200℃×60分)で焼成する。ここまでの工程によりチップ搭載前のフレーム基板が完成する。このとき好ましくは基板接続のための電極となる下面銅箔が酸化されるのを防ぐために、還元雰囲気(例えば窒素と水素4%以下)で焼成を行うと良い。すでに金属メッキで電極パターンが覆われている場合はこの限りでない。
(9)フレーム基板にLEDチップ3を搭載し、ワイヤボンディング(またはフリップチップ)により電気接続を行う。
(10)フレーム基板に対し、トランスファーモールド法等により一括樹脂封止を行う。
(11)フレーム基板を分割線35に沿って切断用刃物により分割(ダイシング)することで、LEDパッケージ1を得る。図12にダイシング方法と個片化されたLEDパッケージ1のイメージ図を示す。
図13は、凹状の載置部16に裏面が絶縁されたLEDチップ3を配置し、熱伝導性接着材により固着するようにした変形例である。載置部16およびランド36は、白色絶縁層24が設けられず、配線層32aが露出している。
図14は、LEDチップ3がフリップチップ実装される変形例である。この例では、LEDチップ3が配線層32aの白色絶縁層非形成部分に電気接続部31で接続されてフリップチップ実装される。
図15は、LEDチップ3上に蛍光体を配置した変形例である。この例ではLEDチップ上に蛍光体38が配置されている。透明樹脂5は、蛍光体を混入しない場合と蛍光体を混入する場合とがある。後者の場合、LEDチップ3上の蛍光体38の色(例えば、黄色)と透明樹脂5に混入する蛍光体を異なる色(例えば、青色)とすることで、色のかけあわせにより所望の色(例えば、白色)を得ることができる。
図16は、LEDパッケージの第8の構成例を示し、(a)は側面断面図、(b)は要部透過斜視図、(c)は平面図(銀メッキ層は図示省略)である。
本構成例に係るLEDパッケージ1は、パッケージ基板2が有機材絶縁層30と、同層を挟んで設けられた配線層32a、32bと、配線層32a、32bを接続するビア33と、切欠部34とを有している点で第7の構成例と同様である。しかし、本構成例に係るLEDパッケージ1は、配線層32aの上面に銀メッキ層(金属薄膜層)37が形成されている点で第7の構成例と相違する。
LEDチップ3を電気接続するために必要な領域(ランド部分)以外の銀メッキ層37表面には、必要に応じて上述した透明な無機材料からなるソルダーレジスト層15を設けてもよい。
また、銀メッキ層37に代えて白色絶縁層14を配線層32aの上面に形成するようにしてもよい。
第8の構成例では、上側の配線層32aに第一の方向に延出する分離部28aが設けられ、下側の配線層32bに第一の方向とは異なる第二の方向に延出する分離部28bが設けられている。これは、第一の方向と第二の方向とを異なる方向とするのは、基板の剛性や平坦性を確保すると共に放熱に有効な面積を増やすためである。第一の方向と第二の方向は、図16に示す如く90度でなくてもよい。また、分離部28aおよび/または分離部28bは、直線形状である必要はなく、図17に示すように屈曲形状(L字形状)としてもよい。この場合、分離部28aおよび/または分離部28bの一部(全長の半分未満)が第一の方向と同方向に延出されてもよい。
配線層32aは、放熱性を上げるためにできるだけ大面積を確保すること(例えば、有機材絶縁層30の8〜9割以上が配線層32aにより覆わるようにすること)が好ましく、特にLEDチップ3が搭載される側の領域の面積は可能な限り大きくする。また、配線層32aへ伝導された熱を配線層32bへ伝達するサーマルビアを一定の断面積以上設けることが好ましい。特にLEDチップ3が載置される側の配線層32aの領域(符号321)は、分離部28aによりLEDチップ3と区切られる側の配線層32aの領域(符号322)と比べ、サーマルビアの総断面積が大きくなるようにすることが好ましい。
ビア33の内孔は金属材料(例えば、銅)で埋められている。放熱の観点から、LEDチップ3の直下または近傍を含むようにビア33を設けることが好ましい。ビア33は、断面積の小さい柱状のものを多数設けてもよいし、断面積の大きい柱状のものを小数設けてもよい。
図18は、第9の構成例に係るLEDパッケージを示す側面断面図である。
本構成例のLEDパッケージ1は、蛍光体を含有したレンズ状の樹脂カバー39を備える点に特徴がある。
剛性確保のため、樹脂カバー39の端部開口面積はできるだけパッケージサイズに近くすることが好ましい。樹脂カバー39内の空間には不活性ガス(例えば、窒素、アルゴンなど)を封入しても良い。
配線層32aの上面には、LEDチップ3を電気接続するために必要な領域(ランド部分)を除き、上述した白色絶縁層14が塗布形成されている。白色絶縁層14に代えて上述した透明な無機材料からなるソルダーレジスト層15を設けてもよい。
本構成例のLEDパッケージ1によれば、蛍光体をLEDチップ3から離すことにより発熱の影響を避けることができ、また蛍光体の使用量を減らすことができる。
図19は、第10の構成例に係るパワー半導体パッケージを示す側面断面図である。
パワー半導体素子は、他の半導体素子と比べ発熱量が多いので、金属板などからなる放熱部材により効率よく熱を放散することが必要である。
第10の構成例に係るパワー半導体パッケージ41が搭載されるパッケージ基板40は、基板絶縁層42と、同層を挟んで設けられた配線層32a、32bと、配線層32a、32bを接続するビア33と、切欠部34とを有している。
基板絶縁層42は、ガラスクロスまたはガラス不織布に無機材料からなる熱伝導材として機能する液体材料を含浸させて構成される。この液体材料としては、例えば、上述の白色無機インクを用いることができ、添加する白色無機顔料としては、例えば、二酸化チタン(TiO)、酸化マグネシウム(MgO)が挙げられる(熱伝導性の観点からは、MgOを用いることが好ましい)。あるいは無機材料からなる高熱伝導フィラー(例えば、炭化ケイ素(SiC)にnmサイズのアルミナ膜をコートしたもの、SiO粒子)を添加することにより熱伝導性を高めてもよい。
基板絶縁層42の厚さは、絶縁性と熱伝導性の調和から決せられ、例えば、12〜30μmとする。ガラスクロスまたはガラス不織布は、低誘電特性を有するプリント配線基板用のものを用いることが好ましい。
配線層32a、32bは、第7の構成例と同様であり、熱伝導性および電気特性に優れる金属材料(例えば、銅)により構成され、基板絶縁層42にプリプレグ等の接着材層(図示せず)を介してまたは接着層を介さずに積層される。配線層32aの厚さは、例えば、30〜100μmとする。配線層32bの厚さは、例えば、50〜300μmとする。
上下の配線層32a、32bは、ビア33により電気的に接続されている。ビア33は熱を伝導するサーマルビアとしての役割を期待すべく、内孔は金属材料(例えば、銅)で埋められている。配線層32a、32bおよびビア33は、銅ペースト等の金属ペースト材料を印刷(スクリーン印刷或いはフレキソ印刷)またはディスペンサーにより塗布し、焼成することにより形成される。ビア33は、例えば、一方の配線層を形成した後、ドリルで開口し、もう一方の配線層の形成時に同時に開口部も埋めて配線層と同時に焼成することで形成することができる。
配線層32aの上面には、一または複数個のパワー半導体チップ43を電気接続するために必要な領域(ランド部分)を除き、上述した無機絶縁層44が塗布形成されている。無機絶縁層44は、白色無機インク、SiO(平均粒子径が50nm以下)を含むゾル(液状のコーティング剤)あるいはポリシラザンを含む溶液を、印刷(スクリーン印刷或いはフレキソ印刷)、インクジェット法あるいはディスペンサー法で必要箇所に塗布し、焼成することによって形成する。
なお、無機絶縁層44は、搭載する半導体チップがパワー半導体の場合かつ耐電圧性が不要の場合は無くても良い。
パワー半導体チップ43をダイボンド材によりパッケージ基板40の上面に固着し、配線層32aとワイヤボンド接続した後、封止樹脂45が充填される。パッケージ基板40の上面に、配線層32aが露出する載置部または後述の凸状載置部47を設け、載置部にパワー半導体チップ43を載置してもよい。なお、パワー半導体チップ43は、LED等の他の半導体チップに置き変えてもよい。LEDの場合、無機絶縁層44の厚さは、反射率、加工性、絶縁性および熱伝導性の調和から決せられ、例えば、30〜60μmとする。
本構成例のパワー半導体パッケージ41によれば、材料の全てが無機材からなる半導体基板を提供することが可能となる。また、配線層や無機絶縁層の形成を印刷等により行うことができるので、低コストである。
図20は、第11の構成例に係るLEDパッケージを示す側面断面図であり、図21は、第11の構成例に係るLEDパッケージを示す上面図である。
このLEDパッケージ1は、複数のLEDチップ3が搭載される点で第5の構成例と類似するが、パッケージ基板2の上面に設けられた凸状載置部47を備える点で主に相違する。
パッケージ基板2のベース材は、熱伝導性および電気特性に優れる材料であり、例えば、銅板またはアルミ板により構成される。パッケージ基板2上のLEDチップ3が載置される場所には、凸状載置部47が設けられている。凸状載置部47は、熱伝導性に優れた部材により構成され、例えば、銅ペースト、銀ペースト、半田ペースト等の金属ペースト材料を塗布、焼成することにより形成される。または金属基板をエッチングにより凸状載置部を形成しても良い。なお、銅板積層でヒートパイプを形成する構造を基板とする場合は、その最上面の銅板のみに凸状載置部を形成した後積層すれば良い。凸状載置部47の上面は、LEDチップ3の裏面との接着性を考慮し平面とする。
パッケージ基板2の凸状載置部47の周辺領域(反射領域49)には、白色絶縁層14が凸状載置部47とほぼ同一高さ、あるいは凸状載置部より少し低めとなるように形成されており、反射領域49は実質的に平面となっている。白色絶縁層14は、反射領域49とその外部領域とで厚みを変えてもよく、例えば、反射領域49内と比べ外部領域を厚くすることで耐電圧性を高めてもよい。
反射領域49は、少なくとも表面に光反射性が付与されたダム材48により囲まれており、ダム材48の内側には透明樹脂5が充填される。ダム材48は、製造時において封止樹脂の流動を防ぐもので、樹脂や金属材料などで構成する。なお、本構成例ではダム材48は固設されているが、これとは異なり、ダム材48を取り外し可能に設置してもよい。なお、透明樹脂5には蛍光体を混合しても良い。
LEDチップ3は、反射領域49内でn行×m列(例えば、5行×5列)に配置され、所謂COB(Chip On Board)実装される。各LEDチップ3は、配線13または隣り合うLEDチップ3と金の細線等でワイヤボンド接続される。LEDチップ3の裏面(下面)は、凸状載置部47に高熱伝導性接着材等により固設される。
本構成例のLEDパッケージ1によれば、LEDチップ3からの熱を凸状載置部47を介してパッケージ基板2に効率よく放熱できるので、放熱性に優れたLEDパッケージを提供することが可能となる。
図22は、第12の構成例に係るLEDパッケージを示す側面断面図である。
このLEDパッケージ1は、複数のLEDチップ3がCOB実装される点は第11の構成例と同様であるが、パッケージ基板2の上面に設けられた金属薄膜層50を備える点で相違する。
本構成例では、パッケージ基板2上面に、銀、クローム、ニッケル、アルミ等からなる金属薄膜層50がメッキや蒸着加工、塗装加工により形成されている。金属薄膜層50の分、白色絶縁層14の厚みを肉薄とし放熱効果を高めることができる。
凸状載置部47は、第11の構成例と同様であり、例えば、銅ペースト、銀ペースト、半田ペースト等の金属ペースト材料を塗布、焼成することにより形成される。
本構成例に係るLEDパッケージ1の製造工程の一例を以下に説明する。
(1)基板上に、メッキや蒸着加工、塗装加工により金属薄膜層50を形成する。
(2)金属薄膜層50上に、金属ペースト材料をインクジェット法やディスペンサー法などで必要箇所に描画塗布した後、焼成して金属化させることにより凸状載置部47を形成する。
(3)基板上の凸状載置部47を除く箇所に、白色無機インクを印刷(スクリーン印刷或いはフレキソ印刷)、インクジェット法またはディスペンサー法により塗布し、例えば、200℃×60分で焼成して、複数個のパッケージ基板2の集合体であるフレーム基板を得る。
(4)銅箔エッチングまたはスクリーン印刷などにより配線13を形成する。
(5)フレーム基板にLEDチップ3を搭載し、ワイヤボンディングにより電気接続を行う。
(6)フレーム基板に対し樹脂封止を行い、切断用刃物により個片化することで、LEDパッケージ1を得る。
本構成例のLEDパッケージ1によれば、白色絶縁層14の厚みを肉薄とでき、また、LEDチップ3からの熱を凸状載置部47からパッケージ基板2に効率よく放熱できるので、放熱性に優れたLEDパッケージを提供することが可能となる。また、白色絶縁層14の厚みを肉薄とできるので、白色無機インクの塗布方法の多様化や製造工程の効率化を実現することも可能である。
図23は、第13の構成例に係るLEDパッケージを示す側面断面図である。
このLEDパッケージ1は、パッケージ基板2の上面に設けられた凸状載置部47を有さず、代わりに載置部16が設けられている点で第12の構成例と相違する。
本構成例は、パッケージ基板2上面に、銀、クローム、ニッケル、アルミ等からなる金属薄膜層50をメッキや蒸着加工、塗装加工により形成し、次いで金属薄膜層50が露出する凹状の載置部16を設けることで、反射効果と放熱効果を実現している。
本構成例によれば、載置部16の面積がLEDチップ3の底面積よりも多少大きい場合でも、露出する金属薄膜層50の反射効果を得ることができる。
以上、本開示にて幾つかの実施の形態を単に例示として詳細に説明したが、本発明の新規な教示及び有利な効果から実質的に逸脱せずに、その実施の形態には多くの改変例が可能である。
1 LEDパッケージ
2 パッケージ基板
3 LEDチップ
4 白色樹脂
5 透明樹脂
11 LED照明モジュール(LEDモジュール)
12 モジュール基板(配線基板)
13 配線
14 白色絶縁層
15 ソルダーレジスト層
16 載置部
17 開口
18 絶縁接着材
19 電気接続部
20 高熱伝導性接着材
21 金属プレート
22 凹所
23 配線
24 白色絶縁層
25 縁部
26 接続電極
27 配線非形成部
28 分離部
29 放熱板
30 有機材絶縁層
31 電気接続部
32 配線層
33 ビア
34 切欠部
35 分割線
36 ランド
37 銀メッキ層
38 蛍光体
39 樹脂カバー
40 パッケージ基板
41 パワー半導体パッケージ
42 基板絶縁層
43 パワー半導体チップ
44 無機絶縁層
45 封止樹脂
46 モジュール基板
47 凸状載置部
48 ダム材
49 反射領域
50 金属薄膜層
すなわち、本発明は、以下の技術手段から構成される。
第1の発明は、半導体チップが直接または間接に装着される第1の基板と、第1の基板の表面に形成された反射材として機能する白色絶縁層とを備える半導体装置であって、半導体チップがLEDチップであり、第1の基板は少なくとも表面が金属であり、第1の基板表面に平均粒径が数nm〜数百nmであるSiO 粒子及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層と金属層の積層構造を形成したこと、前記焼成後の白色絶縁層に含有されるSiO 粒子及び白色無機顔料の割合が、80重量%以上であることを特徴とする半導体装置に関する。ここにいう第1の基板は、半導体チップを有する半導体パッケージが装着されるモジュール基板である場合と、半導体チップが直接装着されるパッケージ基板である場合とがある。第1の基板は、少なくとも表面が金属により構成されていれば足りるから、例えば、上面に金属薄膜層が形成されている基板、水冷構造を有する基板(特許文献4参照)、或いは、水冷構造を有する放熱部材を積層した基板をモジュール基板として用いる場合も含まれる。また、第1の基板には、有機材絶縁層の上面に配線層を形成したパッケージ基板も含まれる。
第2の発明は、半導体チップが直接または間接に装着される第1の基板と、第1の基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置であって、第1の基板は少なくとも表面が金属であり、第1の基板表面に平均粒径が数nm〜数百nmであるSiO 粒子及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層と金属層の積層構造を形成したこと、前記焼成後の白色絶縁層に含有されるSiO 粒子及び白色無機顔料の割合が、80重量%以上であることを特徴とする半導体装置に関する。
上記半導体装置において、前記焼成後の白色絶縁層に含有される白色無機顔料の割合が40重量%以上であり、SiOの割合が25重量%以上であることを特徴としてもよい。なお、前記白色無機顔料が平均粒径50nm以下の二酸化チタンであって、粒径が25nm以下の二酸化チタンを含むことが例示される。
上記半導体装置において、前記白色無機顔料が、表面が透明絶縁膜でコートされた、二酸化チタンまたは酸化亜鉛の粒子であることを特徴としてもよい
上記半導体装置において、前記白色絶縁層が酸化亜鉛を白色無機顔料とする第1の層と二酸化チタンを白色無機顔料とする第2の層の積層からなり、第1の層を構成する酸化亜鉛粒子が透明絶縁膜でコートされていることを特徴としてもよい
の発明は、第1または2の発明において、前記第1の基板が、半導体チップを有する半導体パッケージが装着されるモジュール基板であり、前記白色絶縁層の上に、半導体パッケージの電極と接続される配線のパターンが形成されていることを特徴とする。
の発明は、第1または2の発明において、前記第1の基板が、複数の半導体チップが装着されるモジュール基板であり、半導体チップの電極と接続される配線層が前記第1の基板表面に形成された絶縁層上に形成されていることを特徴とする。
の発明は、第の発明において、前記配線層の下に位置する絶縁層が有機絶縁層であることを特徴とする。
の発明は、第の発明において、前記配線層の表面の少なくとも一部が前記白色絶縁層により覆われていることを特徴とする。
の発明は、第の発明において、前記配線層の下に位置する絶縁層が白色絶縁層であることを特徴とする。
の発明は、第ないしのいずれかの発明において、半導体チップが配置される位置に、金属面が露出する載置部が形成されていることを特徴とする。
の発明は、第の発明において、前記載置部が、凸状載置部であることを特徴とする。
10の発明は、第ないしのいずれかの発明において、前記複数の半導体チップが、隣り合う半導体チップとワイヤボンディング接続されることを特徴とする。
11の発明は、第ないし10のいずれかの発明において、前記第1の基板に、無機材料からなる透明なソルダーレジスト層が形成されていることを特徴とする。
12の発明は、第1または2の発明において、前記第1の基板が、一または複数の半導体チップが配置される前記白色絶縁層が形成された凹所を有するパッケージ基板であり、さらに、第1の基板が嵌着される開口を有する第2の基板を備えることを特徴とする。
13の発明は、第12の発明において、半導体チップの電極と接続される配線層が前記第1の基板のベース材表面に形成された有機材絶縁層上に形成されており、当該配線層の表面の少なくとも一部が前記白色絶縁層により覆われていることを特徴とする。
14の発明は、第12または13の発明において、前記第1の基板の凹所の半導体チップが配置される位置に、金属面が露出する載置部が形成されていることを特徴とする。
15の発明は、第1213または14の発明において、前記第1及び第2の基板の裏面に当接される放熱板を備えることを特徴とする。
16の発明は、第1または2の発明において、前記第1の基板が、一または複数の半導体チップが配置されるパッケージ基板であり、当該パッケージ基板が、基板絶縁層と、同層の上層に設けられた上側配線層および/または同層の下層に設けられた下側配線層を有することを特徴とする。ここでは、白色絶縁層が積層される金属層は、上側配線層となる。白色絶縁層は透明樹脂により封止され、或いは蛍光体を含有したレンズ状透明樹脂カバーにより覆われる。
17の発明は、第16の発明において、前記基板絶縁層が、無機材料からなる高熱伝導フィラーを含浸させたガラスクロスまたはガラス不織布により構成されることを特徴とする。
18の発明は、第16または17の発明において、前記基板絶縁層および前記上側配線層の側端面が面一であり、前記下側配線層の側端面が前記基板絶縁層の側端面よりも内側に位置することを特徴とする。
19の発明は、第1617または18の発明において、前記上側配線層には第一の方向に延出する上側分離部が設けられ、前記下側配線層には第一の方向と異なる第二の方向に延出する部分を含む下側分離部が設けられていることを特徴とする。
20の発明は、第16ないし19のいずれかの発明において、前記上側配線層と前記下側配線層とがサーマルビアにより連結されていることを特徴とする。
21の発明は、第16ないし20のいずれかの発明において、前記上側配線層および前記下側配線層の表面に金属薄膜層が施されていることを特徴とする。
22の発明は、第1ないし21のいずれかの発明において、前記白色絶縁層の厚さが、10〜150μmであることを特徴とする。
23の発明は、第1ないし22のいずれかの発明において、前記配線が、銀粒子と銅粒子を含有するインクを描画塗布することにより形成されることを特徴とする。
24の発明は、LEDパッケージが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、前記基板の表面に、平均粒径が数nm〜数百nmであるSiO 粒子及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成する絶縁層形成工程、導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、白色絶縁層上に配線を形成する配線形成工程、基板上にLEDチップを装着し、白色絶縁層上に形成された配線に電気的に接続するチップ装着工程、を有する半導体装置の製造方法であって、前記焼成後の白色絶縁層に含有されるSiO 粒子及び白色無機顔料の割合が、80重量%以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
25の発明は、第24の発明において、前記絶縁層形成工程の前工程として、前記基板の表面に凸状載置部を形成する載置部形成工程を有することを特徴とする。
26の発明は、LEDチップが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、金属プレートの曲げ加工を行うことにより、一または複数のLEDチップが配置される底部、底部端の両側から立ち上がる壁部及び壁部からほぼ水平方向に延出する縁部を形成して前記基板を構成し、前記基板の表面に、平均粒径が数nm〜数百nmであるSiO 粒子及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、白色絶縁層上に配線を形成し、前記基板の底部にLEDチップを固着し、白色絶縁層上に形成された配線に電気的に接続する半導体装置の製造方法であって、前記焼成後の白色絶縁層に含有されるSiO 粒子及び白色無機顔料の割合が、80重量%以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
27の発明は、LEDチップが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、金属プレートの表面に、有機材絶縁層の下層と配線層の上層からなる積層構造を形成すると共に、少なくとも当該配線層を分離する分離部を形成し、前記金属プレートの曲げ加工を行うことにより、一または複数のLEDチップが配置される底部、底部端の両側から立ち上がる壁部及び壁部からほぼ水平方向に延出する縁部を形成して前記基板を構成し、LEDチップが電気的に接続される部分を除く前記基板の底部及び壁部の表面に、平均粒径が数nm〜数百nmであるSiO 粒子及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、前記基板にLEDチップを固着し、前記配線層の配線部分に電気的に接続する半導体装置の製造方法であって、前記焼成後の白色絶縁層に含有されるSiO 粒子及び白色無機顔料の割合が、80重量%以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
28の発明は、第24ないし27の発明において、前記SiO 粒子及び白色無機顔料を含む液材を、インクジェット法、ディスペンサー法、スプレーコート法またはスクリーン印刷法により塗布することを特徴とする。
29の発明は、一または複数のLEDチップまたはLEDパッケージが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、前記基板のベース材表面に、有機材絶縁層を介して金属層を形成し、金属層をエッチング加工することにより配線パターンを形成し、配線パターンをマスクとして有機材絶縁層をエッチング加工し、前記基板の少なくとも配線パターンの形成されていない部分を含む表面に、平均粒径が数nm〜数百nmであるSiO 粒子及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、前記基板上にLEDチップまたはLEDパッケージを装着し、配線パターンに電気的に接続する半導体装置の製造方法であって、前記焼成後の白色絶縁層に含有されるSiO 粒子及び白色無機顔料の割合が、80重量%以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
30の発明は、一または複数のLEDチップまたはLEDパッケージが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、多数個取り基板を構成する基板絶縁層の上側に上側配線層を形成すると共に下側に下側配線層を形成し、上側配線層および下側配線層に配線パターンを形成すると共に上側配線層および下側配線層を連結するビアを設け、上側配線層の電気接続部を除く表面に、平均粒径が数nm〜数百nmであるSiO 粒子及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、前記多数個取り基板上に多数個のLEDチップを装着し、それぞれを電気接続部に電気的に接続し、前記多数個取り基板を樹脂で一括封止し、分割して個片化する半導体装置の製造方法であって、前記焼成後の白色絶縁層に含有されるSiO 粒子及び白色無機顔料の割合が、80重量%以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
31の発明は、第30の発明において、前記樹脂の硬度が、ショアD硬度86以上であることを特徴とする。
別の観点からの本発明は、一または複数の半導体チップが装着される基板を備える半導体装置の製造方法であって、ガラスクロスまたはガラス不織布に無機材料からなる高熱伝導フィラーを含浸させて基板絶縁層を構成し、基板絶縁層の上側に上側配線層を形成すると共に下側に下側配線層を形成することにより基板を構成し、上側配線層および下側配線層に配線パターンを形成すると共に上側配線層および下側配線層を連結するビアを設け、基板上に半導体チップを装着し、上側配線層に電気的に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。

Claims (36)

  1. 半導体チップが直接または間接に装着される第1の基板と、第1の基板の表面に形成された反射材として機能する白色絶縁層とを備える半導体装置であって、
    半導体チップがLEDチップであり、
    第1の基板は少なくとも表面が金属であり、第1の基板表面にナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層と金属層の積層構造を形成したことを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体チップが直接または間接に装着される第1の基板と、第1の基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置であって、
    第1の基板は少なくとも表面が金属であり、第1の基板表面にナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層と金属層の積層構造を形成したことを特徴とする半導体装置。
  3. 前記焼成後の白色絶縁層に含有されるSiO及び白色無機顔料の割合が、80重量%以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記焼成後の白色絶縁層に含有される白色無機顔料の割合が40重量%以上であり、SiOの割合が25重量%以上であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記白色無機顔料が、表面が透明絶縁膜でコートされた、二酸化チタンまたは酸化亜鉛の粒子であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記白色絶縁層が酸化亜鉛を白色無機顔料とする第1の層と二酸化チタンを白色無機顔料とする第2の層の積層からなり、第1の層を構成する酸化亜鉛粒子が透明絶縁膜でコートされていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 前記第1の基板が、半導体チップを有する半導体パッケージが装着されるモジュール基板であり、前記白色絶縁層の上に、半導体パッケージの電極と接続される配線のパターンが形成されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 前記第1の基板が、複数の半導体チップが装着されるモジュール基板であり、半導体チップの電極と接続される配線層が前記第1の基板表面に形成された絶縁層上に形成されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記配線層の下に位置する絶縁層が有機絶縁層であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
  10. 前記配線層の表面の少なくとも一部が前記白色絶縁層により覆われていることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
  11. 前記配線層の下に位置する絶縁層が白色絶縁層であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
  12. 半導体チップが配置される位置に、金属面が露出する載置部が形成されていることを特徴とする請求項8ないし11のいずれかに記載の半導体装置。
  13. 前記載置部が、凸状載置部であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
  14. 前記複数の半導体チップが、隣り合う半導体チップとワイヤボンディング接続されることを特徴とする請求項8ないし13のいずれかに記載の半導体装置。
  15. 前記第1の基板に、無機材料からなる透明なソルダーレジスト層が形成されていることを特徴とする請求項7ないし14のいずれかに記載の半導体装置。
  16. 前記第1の基板が、一または複数の半導体チップが配置される前記白色絶縁層が形成された凹所を有するパッケージ基板であり、さらに、第1の基板が嵌着される開口を有する第2の基板を備えることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の半導体装置。
  17. 半導体チップの電極と接続される配線層が前記第1の基板のベース材表面に形成された有機材絶縁層上に形成されており、当該配線層の表面の少なくとも一部が前記白色絶縁層により覆われていることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。
  18. 前記第1の基板の凹所の半導体チップが配置される位置に、金属面が露出する載置部が形成されていることを特徴とする請求項16または17に記載の半導体装置。
  19. 前記第1及び第2の基板の裏面に当接される放熱板を備えることを特徴とする請求項16、17または18に記載の半導体装置。
  20. 前記第1の基板が、一または複数の半導体チップが配置されるパッケージ基板であり、当該パッケージ基板が、基板絶縁層と、同層の上層に設けられた上側配線層および/または同層の下層に設けられた下側配線層を有することを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の半導体装置。
  21. 前記基板絶縁層が、無機材料からなる高熱伝導フィラーを含浸させたガラスクロスまたはガラス不織布により構成されることを特徴とする請求項20に記載の半導体装置。
  22. 前記基板絶縁層および前記上側配線層の側端面が面一であり、前記下側配線層の側端面が前記基板絶縁層の側端面よりも内側に位置することを特徴とする請求項20または21に記載の半導体装置。
  23. 前記上側配線層には第一の方向に延出する上側分離部が設けられ、前記下側配線層には第一の方向と異なる第二の方向に延出する部分を含む下側分離部が設けられていることを特徴とする請求項20、21または22に記載の半導体装置。
  24. 前記上側配線層と前記下側配線層とがサーマルビアにより連結されていることを特徴とする請求項20ないし23のいずれかに記載の半導体装置。
  25. 前記上側配線層および前記下側配線層の表面に金属薄膜層が施されていることを特徴とする請求項20ないし24のいずれかに記載の半導体装置。
  26. 前記白色絶縁層の厚さが、10〜150μmであることを特徴とする請求項1ないし25のいずれかに記載の半導体装置。
  27. 前記配線が、銀粒子と銅粒子を含有するインクを描画塗布することにより形成されることを特徴とする請求項1ないし26のいずれかに記載の半導体装置。
  28. LEDパッケージが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、
    前記基板の表面に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成する絶縁層形成工程、
    導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、白色絶縁層上に配線を形成する配線形成工程、
    基板上にLEDチップを装着し、白色絶縁層上に形成された配線に電気的に接続するチップ装着工程、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  29. 前記絶縁層形成工程の前工程として、前記基板の表面に凸状載置部を形成する載置部形成工程を有することを特徴とする請求項28に記載の半導体装置の製造方法。
  30. LEDチップが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、
    金属プレートの曲げ加工を行うことにより、一または複数のLEDチップが配置される底部、底部端の両側から立ち上がる壁部及び壁部からほぼ水平方向に延出する縁部を形成して前記基板を構成し、
    前記基板の表面に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、導電性金属インクを塗布し、焼成することにより、白色絶縁層上に配線を形成し、
    前記基板の底部にLEDチップを固着し、白色絶縁層上に形成された配線に電気的に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  31. LEDチップが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、
    金属プレートの表面に、有機材絶縁層の下層と配線層の上層からなる積層構造を形成すると共に、少なくとも当該配線層を分離する分離部を形成し、
    前記金属プレートの曲げ加工を行うことにより、一または複数のLEDチップが配置される底部、底部端の両側から立ち上がる壁部及び壁部からほぼ水平方向に延出する縁部を形成して前記基板を構成し、
    LEDチップが電気的に接続される部分を除く前記基板の底部及び壁部の表面に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、
    前記基板にLEDチップを固着し、前記配線層の配線部分に電気的に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  32. ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を、インクジェット法、ディスペンサー法、スプレーコート法またはスクリーン印刷法により塗布することを特徴とする請求項28ないし31のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  33. 一または複数のLEDチップまたはLEDパッケージが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、
    前記基板のベース材表面に、有機材絶縁層を介して金属層を形成し、金属層をエッチング加工することにより配線パターンを形成し、配線パターンをマスクとして有機材絶縁層をエッチング加工し、
    前記基板の少なくとも配線パターンの形成されていない部分を含む表面に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、
    前記基板上にLEDチップまたはLEDパッケージを装着し、配線パターンに電気的に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  34. 一または複数のLEDチップまたはLEDパッケージが装着される基板と、当該基板の表面に形成された白色絶縁層とを備える半導体装置の製造方法であって、
    多数個取り基板を構成する基板絶縁層の上側に上側配線層を形成すると共に下側に下側配線層を形成し、
    上側配線層および下側配線層に配線パターンを形成すると共に上側配線層および下側配線層を連結するビアを設け、
    上側配線層の電気接続部を除く表面に、ナノ粒子化されたSiO及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層を形成し、
    前記多数個取り基板上に多数個のLEDチップを装着し、それぞれを電気接続部に電気的に接続し、
    前記多数個取り基板を樹脂で一括封止し、分割して個片化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  35. 前記樹脂の硬度が、ショアD硬度86以上であることを特徴とする請求項34に記載の半導体装置の製造方法。
  36. 一または複数の半導体チップが装着される基板を備える半導体装置の製造方法であって、
    ガラスクロスまたはガラス不織布に無機材料からなる高熱伝導フィラーを含浸させて基板絶縁層を構成し、
    基板絶縁層の上側に上側配線層を形成すると共に下側に下側配線層を形成することにより基板を構成し、
    上側配線層および下側配線層に配線パターンを形成すると共に上側配線層および下側配線層を連結するビアを設け、
    基板上に半導体チップを装着し、上側配線層に電気的に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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