WO2004082034A1

WO2004082034A1 - 半導体装置

Info

Publication number: WO2004082034A1
Application number: PCT/JP2004/002982
Authority: WO
Inventors: Sadamu Ishidu; Kenjiro Higaki; Takashi Ishii; Yasushi Tsuzuki
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd.
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2004-09-23
Also published as: US7335925B2; US20060118808A1; CN100420048C; US7420223B2; EP1605523A4; US20080105894A1; US20080067540A1; KR101007164B1; JP4001169B2; CN1748327A; EP1605523A1; KR20050106399A; US7504671B2; JPWO2004082034A1

Abstract

　半導体素子から発生する熱を十分に除去することができる半導体装置を提供する。半導体装置１００は、底面２ｂと、その底面２ｂと反対側に位置する素子載置面２ａとを有する基板２と、素子載置面２ａに載置される主面１ａを有する半導体素子１とを備える。主面１の長辺方向の長さをＬと、底面２ｂから素子載置面２ａまでの距離Ｈとの比率Ｈ／Ｌは０．３以上である。半導体素子が発光素子の場合、素子載置面２ａは凹部２ｕをなし、そこに同素子１が配設され設けられ、凹部２ｕの表面には、金属層１３が設けられている。また主面１ａに外部と接続する電極３２を設ける場合には、それを接続する部分の凹部側の主面１ａ上には、同電極３２の接続部材３４の流出を防ぐための溝が設けられている。

Description

明細書

半導体装置技術分野

この発明は、半導体装置に関し、特に、半尊体レーザまたは発光ダイオードなどの半導体発光素子を備えた半尊体装置に関するものである。

背景技術

半導体装置にはその高性能化が求められており、それに搭載される半尊体素子の発熱量は、急速に大きくなつている。半導体レーザまたは発光ダイオードなどの半導体発光表示装置も同様である。したがって半導体素子が搭載される部材には、その熱膨張係数が同素子のそれに近いことと、より高い熱伝導率が求められている。半導体装置の改良された放熱構造の一例が、特公平 4一 3 6 4 7 3号公報に開示されている。その基板は、銅、タングステンおよびモリブデンを主成分とする複合材であり、その熱膨張係数が、搭載される半尊体発光素子のそれに近い 5 . 0ないし 8 . 5 x 1 0 ·⁶/Κであるとともに、その熱伝導率が 2 0 O W/m · K以上と高い。以下本発明では、銅は C u、タングステンは Wなどと元素を化学記号でも表す。また特開 2 0 0 2 - 2 3 2 0 1 7号公報に開示された発明は、半導体装置の発光効率の改善を目的としたものであるが、その基板は、導体部が設けられた平板状の高熱伝導性セラミックスからなる。しかしながら、この種の発光装置も含め半尊体装置では応用分野によっては、半導体素子の高出力化の要求によってその大型化が進み、発熱量も急速に大きくなつてきている。特に半導体発光素子を備えた半導体装置では、近年発光量が急激に増大しており、それによる素子の大型化と発熱量の増大が顕著である。このため半尊体装置の発熱部周辺の放熱効率を上げる新たな手段が望まれている。発明の開示 - 本発明者等は、上述の課題を解決するため、半導体素子の周辺の構造を研究してきた。本発明は、半導体素子と、同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、同素子の主面の長辺方向の長さ Lと同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 HZLが、 0 . 3以上である半導体装置を提供する。これによつて半尊体素子から発生する熱の放散が十分に行われ、半尊体装置の寿命を延ばすことができる。また本発明の半導体装置には、上記に加え、半導体素子が発光素子であり、それが搭載される放熱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ものも含まれる。これによつて上記の放熱性改善に加え、発光素子の光が同金属層によって反射され、装置の発光効率を上げることができる。さらに本発明の半導体装置には、以上に加え、同発光素子と電力供給のための端子板との間を紫ぐ接続部材が、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ものも含まれる。これによつて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。図面の簡単な説明

図 1は、この発明の実施の形態 1に従った半尊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 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尊体装置の断面図である。

f 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。発明を実施するための最良の形態

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施の形態において同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

(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 1 0 0において、 1は主面 1 aを有する半導体素子、 2は、同素子が搭載される枠部 2 Cと一体化された基板である。 2 aと 2 b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 2 aと対面している半導体素子 1の主面 1 aは、この場合は矩形であり、その長辺方向の長さ Lは、長辺 1 1 のそれに、短辺方向の長さは、短辺 1 2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 1 a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 3 Aないし 3 E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。本発明の半尊体' 装置においては、比 L ZHが 0 . 3以上である。好ましくは 0 . 4 5ないし 1 . 5であり、より好ましくは 0 . 5ないし 1 . 2 5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 5 0で示すように基板 2内で広がりながら基板 2の底面 2 bに伝わる。距離 Zを大きくすることで、基板 2の底面 2 b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 2 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 1 1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、半尊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ィンにも左右される。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、 17 OW/m'K以上、さらには 20 OW/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）、 S iなどの半金属、 A l、 Cu、 Ag、 Auおよび長周期律表の 4 aないし 7 a族、 8 a族の遷移金属の元素を主成分とする金属材料、 T I C, Z rNなどの金属と半金属の化合物、 S i Cや B₄Cなどの半金属同士の化合物、 S i ₃N₄や BNなどの半金属と非金属の化合物、 A 1 N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、 A l— S i C、 A 1 _A 1 N、 Ag— C、 S i— S i C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、 A lと S i C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 C u— Wや C u— Mo複合材の場合、 Cuの含有量が 5ないし 4 0質量％の範囲では、熱膨張係数は、通常 5ないし 12x1 O-V/Kとなる。また、 A 1— S i Cを主成分とする複合材を基板 2として用いた場合、 S i C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 2 Oxl 0-⁶/Kの範囲となる。そこで半導体素子 1が、 GaN、 G a A s、 I nP、 S iの場合を想定する。これらの熱膨張係数は、 3ないし 7x10-⁶/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 C u—Wや C u— Μ 0複合材の場合、 C uの含有率を 5ないし 4 0質量％の範囲にすることが好ましい。より好ましくは、 1 0なぃし3 5質量％、さらに好ましくは、 1 0ないし 2 0質量％である。これらの複合材は、 Wや M o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 C uを溶浸する溶浸法 (In fiiltrating Method) か、または予め C uと Wまたは C uと M o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 A 1 - S i C複合材が使われる場合、その A 1の含有率を 2 5ないし 3 5質量％の範囲にすることが好ましい。この材料は、例えば A 1溶融液中に S i C粉末を分散させたものを冷却する錄造法、 S i Cを主成分とした多孔体の空孔内に A 1を溶浸させる含浸法、 A 1粉末と S i C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イングワイヤ、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 2 a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 1 3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 2 aの表面粗さは、 J I S規定（J I S B 0 6 0 1 ) における最大粗さ Rm a xで 0 . 1ないし 2 0 mの範囲にコントロールされていることが好ましい。 0 . 1 m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 2 0 m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 . 以上 8 imである。 8 m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。これによつて、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 2 a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、めつ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、電気メツキ法による光沢銀メツキが好ましい。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 2 uに金属層 13が設けられているが、凹部 2 u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 2 aに金属層 13を設けてもよい。

基板 2の厚み、すなわち、底面 2 bから素子搭載面 2 aまでの距離 Hは、半導体発光素子 1の寸法に従つ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. 3 mm以上 10 mm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、伊えば ZnS e、 GaAs、 GaP、 GaN、 I n Pなどの I I—V I族または I I I一 V族の化合物半導体発光素子で構成される。ここで、 I I族元素は亜鉛 (Zn) およびカドミウム（Cd) を含む。 I I I族元素は、ホウ素（B)、アルミニゥム（A l)、ガリウム（Ga) およびインジウム（I n) 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。 V I族元素は、酸素（〇）、硫黄（S)、セレン（S e) およびテルル（T) を含む。なおサフアイャ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 F e— N i合金または Fe—N i一 Co合金で構成されてもよい。さらに、素子搭載面 2 aと金属層 13との間に中層（図示せず）を設けてもよく、中間層としては、例えば N i、 N i— C r、 N i一 P、 N i一 B、 N i— Co、 Cuおよび Auなどが挙げられる。これらはめつ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、 T i、 V、 C r、 .N i、 N i C r合金、 C u、 W、 Z r、 N bおよび T aなどが挙げられる。また、上述のめつき層および/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 . 0 1ないし 5 mが好ましくより好ましくは 0 . 1ないし 1 mである。

この実施の形態においても半導体素子の主面 1 a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 1 dがあるが、無くてもよい。半導体発光素子 1の辺 1 1が長辺であり、辺 1 2が短辺である。この場合には辺 1 1の長さが Lに相当するが、それは、発光素子の段差部 1 dとほぼ垂直に延び、辺 1 2は、同段差部とほぼ平行に延びる。辺 1 1と 1 2がほぼ同じ長さの場合もある。さらに主面 1 a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、そのコーナ一が丸くなっている場合には、主面 l aの投影された外輪に沿って外揷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 1 aおよび/または主表面 1 a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、また半導体レ一ザであってもよい。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 2 hが設けられている。貫通孔 2 h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 3 aおよび 3 bが設けられている。ピン 3 aおよび 3 b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（S U S ) または F e— C o—N i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 3 aおよび 3 bを形成してもよい。絶縁ガラス 4は、貫通孔 2 h内にピン 3 aおよび 3 bを位置決めするために設けられており、貫通孔 2 hを充填し、かつピン 3 aおよび 3 b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 2 1および 2 2は、ピン 3 aおよび 3 bと半尊体発光素子 1とを電気的に接続する。ピン 3 aおよび 3 bから供給される電力はボンディングワイヤ 2 1および 2 2を通じて半導体発光素子 1に供給される。なお、ポンデイングワイヤ 2 1および 2 2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 1 mm以上かまたは主表面 1 aの面積が l mm² 以上であることが好ましい。

半尊体発光素子 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。特に発光素子のが l mm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、 HZL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つて反射され、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 HZL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 1 0 0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 3 3が設けられており、絶縁板 3 1 と電極 3 2とで形成される端子板 3 4が、接続部材 3 3によって基板 2に固定されている。接続部材 3 3は、例えばロウ材ゃ接着剤であり、基板 2には、それが凹部 2 uへ流れるのを防止する手段として溝 2 tが設けられている。凹部 2 uに接続部材 3 3が流れると、凹部 2 u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 3 1は、例えばセラミックにより構成されるが、絶縁板 3 1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 3 1上には、ボンディングワイヤ 2 1から 2 4と電気的に繋ぐために導電性の電極 3 2が設けられる。この電極は、印刷、蒸着、メツキなどによって形成される。溝 2 tは、例えば、機械加工ゃ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ツキを部分的に除く力または部分的にメツ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、 5 0 m以上 l mm以下であることが望ましく、より望ましくは 1 0 0 m以上 5 0 0 m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 2 uと別の位置に設けられ基板 2 と端子板 3 4とを接続する接続部材 3 3をさらに備える。基板 2には、接続部材 3 3が凹部 2 uへ流れるのを防止する手段としての溝 2 t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。実施例

実施例では、図 1、図 7および図 8で示す半導体装置 1 0 0を用いて、半導体発光素子 1を発光させた場合の半導体発光素子 1の温度を測定した。

(実施例 1 )

'まず、銅を 1 5質量％含みタングステンを 8 5質量％含む複合材で構成される基板と、 G a N系の化合物半導体発光ダイオードからなる半尊体発光素子 1とを有する図 7の構造の半導体装置 1 0 0を用意した。この半導体装置 1 0 0の底面 2 bを銅のフレーム上に搭載した。上述のような材質からなり、基板 2の寸法 Y、素子寸法 L (長辺長さ L)、基板厚み H (素子搭載面 2 aから底面 2 bまでの距離 H) がさまざまに設定された、表 1で示すサンプルを用意した。

これらのサンプル 1から 1 0の半導体発光素子 1に 1 A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 T 1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分經過したときの温度 T 3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 ( (T 3 - T 1 ) /T 1 ) をそれぞれのサンプル 1から 1 0について測定した。その結果も表 1に示す。表 1の温度上 ―

10 昇率において「◎」は、温度上昇率が 1 0 %未満であったことを示す。「〇」は温度上昇率が 2 0 %未満であつたことを示す。「X」は温度上昇率が 2 0 %以上であつたことを示す。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、放熱性が低くなつ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。表 1

また、上記基板とほぼ同じサイズの A 1を 3 0質量％含み S i Cを 7 0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 S i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。産業上の利用可能性

この発明に従えば、半導体素子から発生する熱を十分に除去することができる半導体装置を提供することができる。また発光素子を備えた半導体装置では、発光効率に優れたものを提供することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 半尊体素子と、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、該半尊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。

2 . 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。

3 . 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。