JP2007189031A - 半導体素子搭載用部材とそれを用いた半導体装置および発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子を、封止部材によって、より確実に封止して、長期間に亘る信頼性を向上することができる、新規な半導体素子搭載用部材と、前記半導体素子搭載用部材を用いた半導体装置および発光ダイオードを提供する。
【解決手段】半導体素子搭載用部材は、絶縁部材5の素子搭載面6に形成する電極層7の周縁領域A1を、内部領域A2との境界部20から端縁16へ向けて、厚みが漸減し、前記端縁16で0になる断面形状に形成した。半導体装置1は、前記素子搭載面6上に半導体素子を搭載すると共に、封止部材を、接合層を介して、電極層7上に重なるように接合した。発光ダイオードは、半導体素子として半導体発光素子を用いた。
【選択図】図4
【解決手段】半導体素子搭載用部材は、絶縁部材5の素子搭載面6に形成する電極層7の周縁領域A1を、内部領域A2との境界部20から端縁16へ向けて、厚みが漸減し、前記端縁16で0になる断面形状に形成した。半導体装置1は、前記素子搭載面6上に半導体素子を搭載すると共に、封止部材を、接合層を介して、電極層7上に重なるように接合した。発光ダイオードは、半導体素子として半導体発光素子を用いた。
【選択図】図4
Description
本発明は、絶縁部材の素子搭載面に半導体素子を搭載することで、発光ダイオード等の半導体装置を構成するための半導体素子搭載用部材と、前記半導体素子搭載用部材を用いた半導体装置、および発光ダイオードに関するものである。
半導体発光素子等の、半導体素子のチップは、通常、前記半導体素子を、半導体素子搭載用部材に搭載した半導体装置の状態で、基板上に実装して使用されることが多い。また、半導体素子搭載用部材としては、半導体素子が搭載される素子搭載面を有し、好ましくは放熱部材を兼ねる絶縁部材と、前記素子搭載面に形成され、半導体素子と基板上の回路等とを繋ぐための、所定の平面形状を有する電極層とを備えるものが、一般的に用いられる。さらに、半導体装置としては、半導体素子の、長期間に亘る信頼性を向上するため、絶縁部材の素子搭載面に、前記半導体素子の、前記素子搭載面側以外の全周囲を囲むように、封止部材を固定して、前記封止部材と絶縁部材とで、半導体素子を気密に封止したものが、好適に使用される。
図1は、前記半導体装置1の一例を示す断面図である。また、図2は、図1の半導体装置1において、枠体2と共に封止部材3を構成する蓋体4を固定する前の状態を示す平面図である。図1および図2を参照して、この例の半導体装置1は、板状の絶縁部材5と、前記絶縁部材5の、図において板の上側の面である素子搭載面6に形成された2つの電極層7とを有する半導体素子搭載用部材8を備えている。
前記半導体素子搭載用部材8のうち、絶縁部材5は、素子搭載面6の平面形状が矩形状で、かつ、一定の厚みを有する板状に形成されている。絶縁部材5は、例えば、絶縁性のセラミック等によって形成される。また、2つの電極層7は、それぞれの基端が、前記素子搭載面6の矩形の、互いに平行な2辺に達すると共に、先端側が、矩形の中心方向に向けて延設された、平面形状が長尺の矩形状に形成されている。また、前記両電極層7の先端は、矩形の中心において、それぞれ、互いに接触しないように、離間させて形成されており、それによって、両電極層7が、互いに、電気的に絶縁されている。電極層7は、例えば、金属膜等によって形成される。
素子搭載面6の、矩形の中心の、互いに離間させた両電極層7の先端間の領域には、接合層9を介して、半導体素子10が固定されている。また、半導体素子10は、その上面に、2つの電極層11を備えており、それぞれの電極層11と、電極層7の先端側の領域とが、ワイヤーボンド12によって、電気的に接続されている。そして、前記固定と、電気的な接続とによって、半導体素子10が、半導体素子搭載用部材8の素子搭載面6に搭載されている。
半導体素子搭載用部材8の、絶縁部材5の素子搭載面6には、半導体素子10の、前記素子搭載面6の面方向の周囲を囲んで、枠体2が、接合層13を介して固定されていると共に、前記枠体2上に、蓋体4が、接合層14を介して固定されて、枠体2が閉じられることで、先に説明した封止部材3が構成されて、半導体素子10が、前記封止部材3と、絶縁部材5とによって、気密に封止されている。
枠体2は、素子搭載面6の面方向の中心に、半導体素子10を収容し、かつ、2つの電極層7の先端側の領域を露出させて、ワイヤーボンド12による電気的接続のための空間を確保するための、平面形状が矩形状の通孔15を備えている。また、枠体2は、全体の平面形状が、絶縁部材5の素子搭載面6よりもわずかに小さい矩形状に形成されており、それによって、前記枠体2の外側に、2つの電極層7の、基端側の領域が露出されている。そのため、枠体2の外側に露出された、前記2つの電極層7の、基端側の領域を、外部端子として機能させることで、封止部材3によって気密に封止された半導体素子10を、電極層7と、ワイヤーボンド12とを介して、外部と、電気的に接続することができる。
図13は、図2のA−A線断面図である。図1、図2および図13を参照して、電極層7は、通常、フォトリソグラフィーの技術等を利用して、前記所定の平面形状に形成される(特許文献1)。フォトリソグラフィーの技術を利用して形成される電極層7の、平面形状の端縁16は、絶縁部材5の素子搭載面6に対して、ほぼ直角に切り立った形状に形成される。これは、フォトリソグラフィーの技術を利用して形成されるマスクのエッジが、前記素子搭載面6に対して、ほぼ直角に切り立った形状に形成されるためである。
特開2005−159045号公報(段落[0097]〜[0098]、図3(a)(b)、図4)
封止部材3を構成する枠体2は、その、絶縁部材5の素子搭載面6と対向する下面17に、液状ないし固形状の接着剤(熱硬化性、熱可塑性)や、低融点ガラス等からなる接合層13を形成したものを、前記素子搭載面6上に重ね合わせて加圧する(固形の接着剤や低融点ガラスの場合は、加熱する等して軟化ないし溶融させながら加圧する)ことで、素子搭載面6と、前記素子搭載面6に形成された電極層7の凹凸形状に沿うように流動させた後、熱可塑性の接着剤や低融点ガラスの場合は冷却して固化させ、また、熱硬化性の接着剤の場合は、さらに加熱して硬化反応させることで、接合層13を介して、素子搭載面6に固定される。
ところが、先に説明した、従来の、平面形状の端縁16が、素子搭載面6に対して、ほぼ直角に切り立った形状に形成された電極層7では、前記接着時に、前記端縁16の部分に、接合層13を形成する接着剤や低融点ガラスを、十分に回り込ませるのが難しく、特に、端縁16と、素子搭載面6との間の、90°に凹入した角部に、気泡18が発生しやすい。そして、発生した気泡18が、リークパスの原因となって、封止部材3による、半導体素子10の気密封止が破られやすくなって、前記半導体素子10の、長期間に亘る信頼性が低下するという問題がある。
本発明の目的は、半導体素子を、封止部材によって、より確実に封止して、長期間に亘る信頼性を向上することができる、新規な半導体素子搭載用部材と、前記半導体素子搭載用部材を用いた半導体装置、および発光ダイオードを提供することにある。
請求項1記載の発明は、半導体素子が搭載される素子搭載面を有する絶縁部材と、前記素子搭載面に形成された、所定の平面形状を有する電極層とを備え、前記電極層のうち、前記平面形状の端縁から、前記端縁より0.15mm以上、面方向の内方までの間の、略一定幅の周縁領域が、前記周縁領域より面方向の内方の、厚みが略一定に形成された内部領域との境界部において、前記内部領域と等しい厚みを有すると共に、前記境界部から端縁に向けて、厚みが徐々に減じられて、端縁で0になる断面形状に形成されていることを特徴とする半導体素子搭載用部材である。
請求項1記載の発明の半導体素子搭載用部材においては、絶縁部材の素子搭載面に形成される電極層のうち、前記平面形状の端縁から略一定幅の周縁領域が、前記周縁領域より面方向の内方の、厚みが略一定に形成された内部領域との境界部から端縁に向けて、厚みが徐々に減じられて、端縁で0になる断面形状に形成されており、前記周縁領域の上面と、絶縁部材の素子搭載面とが、90°を超える、緩やかな角度で接続される。
そのため、請求項1記載の発明の半導体素子搭載用部材によれば、前記素子搭載面上に、枠体を固定する際に、接合層を形成する接着剤や低融点ガラスを、前記周縁領域の上面と、素子搭載面との接続部に、リークパスの原因となる気泡を生じさせることなしに、十分に回り込ませることができ、半導体素子を、封止部材によって、より確実に封止して、長期間に亘る信頼性を向上することが可能となる。
なお、周縁領域の幅が0.15mm以上に限定されるのは、この範囲未満では、前記周縁領域の上面の、特に、素子搭載面との接続部における、傾斜の角度が90°に近づき、接合層を形成する接着剤や低融点ガラスが、前記接続部に回り込みにくくなることから、リークパスの原因となる気泡が発生しやすくなって、半導体素子の信頼性が低下するためである。
電極層のうち、前記電極層の主体部を構成する内部領域の厚みは、請求項2に記載したように、0.1〜10μmであるのが好ましい。内部領域の厚みが前記範囲未満では、電極層の全体での導電性が低下して、封止部材によって気密に封止された半導体素子を、電極層を介して、外部と、良好に接続できないおそれがある。また、内部領域の厚みが、前記範囲を超える場合には、たとえ、電極層の周縁領域を、先に説明した、厚みが漸減する断面形状に形成したとしても、絶縁部材の素子搭載面と、電極層との間に、接合層で埋めきれない、大きな段差を生じて、リークパスの原因となる気泡が発生しやすくなるため、半導体素子の信頼性が低下するおそれがある。
電極層の周縁領域は、その厚みが、請求項3に記載したように、前記周縁領域の、端縁から境界部までの、面方向の距離L1の、前記端縁から0.3倍以上の位置で、内部領域の厚みの1/2とされているのが好ましい。すなわち、前記端縁から、電極層の周縁領域の厚みが、内部領域の厚みの1/2となる位置までの距離L2と、前記距離L1との比L2/L1≧0.3であるのが好ましい。比L2/L1が、前記範囲より小さい場合には、前記周縁領域の上面の、半導体素子搭載面との接続部における、傾斜の角度が90°に近づき、接合層を形成する接着剤や低融点ガラスが、前記接続部に回り込みにくくなって、リークパスの原因となる気泡が発生しやすくなるため、半導体素子の信頼性が低下するおそれがある。
請求項4記載の発明の半導体装置によれば、前記本発明の半導体素子搭載用部材の素子搭載面に、半導体素子を搭載すると共に、前記素子搭載面に、半導体素子を囲み、かつ、電極層上に重なるように、接合層を介して、封止部材を固定して、半導体素子を気密に封止しているため、前記半導体素子の、長期間に亘る信頼性を向上することができる。
封止部材としては、請求項5に記載した、素子搭載面に、接合層を介して固定された、半導体素子の、素子搭載面の面方向の周囲を囲む枠体と、前記枠体上に固定されて、枠体を閉じる蓋体とを備えるものや、請求項6に記載した、素子搭載面に、接合層を介して固定された、半導体素子の、素子搭載面側以外の全周囲を囲む立体形状を有する保護キャップが好ましい。
請求項7記載の発明の発光ダイオードによれば、前記本発明の半導体装置の、封止部材で封止された領域内の少なくとも一部に、半導体素子としての半導体発光素子からの光によって発光する蛍光体を充てんすると共に、封止部材の少なくとも一部を、前記蛍光体からの光を透過しうる光透過性の材料によって形成しているため、例えば、蛍光体の発光波長を調整することで、白色等の任意の光を、長期間に亘って、高輝度で発光させることができる。
本発明によれば、半導体素子を封止するための封止部材を、半導体素子搭載用部材の、絶縁部材の素子搭載面に固定するための接合層に、リークパスの原因となる気泡が発生するのを防止して、半導体素子を、前記封止部材によって、より確実に封止することができるため、前記半導体素子の、長期間に亘る信頼性を、これまでよりも向上することができる、新規な半導体素子搭載用部材と、前記半導体素子搭載用部材を用いた半導体装置、および発光ダイオードを提供することが可能となる。
本発明の半導体素子搭載用部材、および半導体装置は、素子搭載面に形成される電極層の、周縁領域が、先に説明した断面形状に形成されること以外は、従来と同様に構成される。例えば、本発明の構成は、先に説明した、図1、図2の半導体装置1に適用することもできる。すなわち、図1および図2を参照して、この例の半導体装置1は、板状の絶縁部材5と、前記絶縁部材5の、図において板の上側の面である素子搭載面6に形成された2つの電極層7とを有する半導体素子搭載用部材8を備えている。
前記半導体素子搭載用部材8のうち、絶縁部材5は、素子搭載面6の平面形状が矩形状で、かつ、一定の厚みを有する板状に形成されている。絶縁部材5は、樹脂やセラミック、絶縁性のSi等の、従来公知の、種々の、絶縁性の材料によって形成することができるが、特に、高出力の半導体素子10を搭載するための絶縁部材5としては、例えば、熱伝導率が10W/mK以上で、かつ、線熱膨張係数が10×10-6/℃以下である材料によって形成した絶縁部材が、好適に使用される。
熱伝導率が前記範囲内である絶縁部材5は、放熱部材として機能して、半導体素子10からの発熱を、効率よく、速やかに、外部に放出できるため、前記半導体素子10が高温になって破損するのを防止することができる。そのため、半導体素子10の、長期間に亘る信頼性を、さらに向上することができる。
また、絶縁部材5の線熱膨張係数が、前記範囲内であれば、絶縁部材5の素子搭載面6に、半導体素子10を搭載する際や、枠体2を、接合層13を介して接着する際の熱履歴、あるいは、半導体素子10が動作する際の熱履歴等による、絶縁部材5の膨張、収縮量を小さくすることができる。そのため、前記膨張、収縮時に、半導体素子10に加わる応力を小さくして、前記半導体素子10が破損したり、半導体素子10の、接合層9による固定が外れたりするのを防止して、半導体素子10の、長期間に亘る信頼性を、さらに向上することができる。
前記条件を満足する、絶縁部材5を形成する材料としては、例えば、AlN、Al2O3、SiC、Si3N4、BeO、BN等の、絶縁性のセラミックや、絶縁性のSiが挙げられ、コストの点では、Al2O3が好ましい。しかし、絶縁部材5の放熱性を、さらに向上することや、膨張、収縮量を、さらに小さくすることを考慮すると、絶縁部材5は、熱伝導率が80W/mK以上、特に150〜300W/mKで、かつ、線熱膨張係数が4×10-6〜7×10-6/℃であるAlNやSiCによって形成するのが好ましい。
セラミック製の絶縁部材5は、例えば、そのもとになるセラミックグリーンシートを焼成して形成した、複数の絶縁部材5を包含する大きさを有する集合基板の、各絶縁部材5となる領域に、電極層7を形成したのち、集合基板を、各領域ごとに切り出す等して形成することができる。
絶縁部材5と共に半導体素子搭載用部材8を構成する2つの電極層7は、それぞれの基端が、絶縁部材5の、素子搭載面6の矩形の、互いに平行な2辺に達すると共に、先端側が、矩形の中心方向に向けて延設された、平面形状が長尺の矩形状に形成されている。また、前記両電極層7の先端は、矩形の中心において、それぞれ、互いに接触しないように、離間させて形成されており、それによって、両電極層7が、互いに、電気的に絶縁されている。
素子搭載面6の、矩形の中心の、互いに離間させた両電極層7の先端間の領域には、接合層9を介して、半導体素子10が固定されている。また、半導体素子10は、その上面に、2つの電極層11を備えており、それぞれの電極層11と、電極層7の先端側の領域とが、ワイヤーボンド12によって、電気的に接続されている。そして、前記固定と、電気的な接続とによって、半導体素子10が、半導体素子搭載用部材8の素子搭載面6に搭載されている。
半導体素子搭載用部材8の、絶縁部材5の素子搭載面6には、半導体素子10の、前記素子搭載面6の面方向の周囲を囲んで、枠体2が、接合層13を介して固定されていると共に、前記枠体2上に、蓋体4が、接合層14を介して固定されて、枠体2が閉じられることで、先に説明した封止部材3が構成されて、半導体素子10が、前記封止部材3と、絶縁部材5とによって、気密に封止されている。
枠体2は、素子搭載面6の面方向の中心に、半導体素子10を収容し、かつ、2つの電極層7の先端側の領域を露出させて、ワイヤーボンド12による電気的接続のための空間を確保するための、平面形状が矩形状の通孔15を備えている。また、枠体2は、全体の平面形状が、絶縁部材5の素子搭載面6よりもわずかに小さい矩形状に形成されており、それによって、前記枠体2の外側に、2つの電極層7の、基端側の領域が露出されている。そのため、枠体2の外側に露出された、前記2つの電極層7の、基端側の領域を、外部端子として機能させることで、封止部材3によって気密に封止された半導体素子10を、電極層7と、ワイヤーボンド12とを介して、外部と、電気的に接続することができる。
図3は、図2のA−A線断面図である。図4は、図3の、素子搭載面6上に、接合層13を介して、枠体2を固定する前の状態を示す断面図である。図1〜図4を参照して、電極層7は、平面形状の端縁16から、前記端縁16より0.15mm以上、面方向の内方までの間の、略一定幅の周縁領域A1が、前記周縁領域A1より面方向の内方の、厚みが略一定に形成された内部領域A2との境界部20において、前記内部領域A2と等しい厚みを有すると共に、前記境界部20から端縁16に向けて、厚みが徐々に減じられて、端縁で0になる断面形状に形成されている。
そのため、前記周縁領域A1の上面21と、絶縁部材5の素子搭載面6とが、90°を超える、緩やかな角度で接続されており、前記素子搭載面6上に、枠体2を固定する際に、接合層13を形成する接着剤や低融点ガラスを、前記周縁領域A1の上面21と、素子搭載面6との接続部に、リークパスの原因となる気泡を生じさせることなしに、十分に回り込ませることができ、半導体素子10を、前記枠体2を含む封止部材3によって、より確実に封止して、長期間に亘る信頼性を向上することが可能となる。
周縁領域A1の幅が0.15mm以上に限定されるのは、この範囲未満では、前記周縁領域A1の上面21の、特に、素子搭載面6との接続部における、傾斜の角度が90°に近づき、接合層13を形成する接着剤や低融点ガラスが、前記接続部に回り込みにくくなることから、リークパスの原因となる気泡が発生しやすくなって、半導体素子10の信頼性が低下するためである。
なお、前記周縁領域A1の幅は、前記効果を、さらに良好に発揮させることを考慮すると、前記範囲内でも0.20mm以上、特に0.25mm以上であるのが好ましい。但し、周縁領域A1の幅が大きすぎる場合には、相対的に、内部領域A2の幅が小さくなって、電極層7の全体での導電性が低下して、封止部材によって気密に封止された半導体素子を、電極層を介して、外部と、良好に接続できないおそれがある。また、内部領域A2の幅を確保しようとすると、電極層7の全体の幅を大きくしなければならず、スペースの無駄になるおそれがある。そのため、周縁領域A1の幅は、前記の範囲内でも1.0mm以下であるのが好ましい。
また、電極層7の主体部を構成する内部領域A2の厚みは、0.1〜10μmであるのが好ましい。内部領域A2の厚みが前記範囲未満では、電極層7の全体での導電性が低下して、封止部材3によって気密に封止された半導体素子10を、電極層7を介して、外部と、良好に接続できないおそれがある。また、内部領域A2の厚みが、前記範囲を超える場合には、たとえ、周縁領域A1を、先に説明した断面形状に形成したとしても、絶縁部材5の素子搭載面6と、電極層7との間に、接合層13で埋めきれない、大きな段差を生じて、リークパスの原因となる気泡が発生しやすくなるため、半導体素子10の信頼性が低下するおそれがある。なお、内部領域A2の厚みは、前記範囲内でも0.3〜5μm、特に0.5〜3μmであるのが好ましい。
図5は、周縁領域A1が、前記断面形状に形成された電極層7を形成する方法の一例を示す断面図である。図5を参照して、この例の形成方法では、まず、電極層7の平面形状に対応する開口22を有する第1の板材23と、同じく電極層7の平面形状に対応し、なおかつ、その開口幅が、前記開口22よりも狭く設定された開口24を有する第2の板材25とを積層したメタルマスク26を用意する。次に、前記メタルマスク26を、第1の板材23が、絶縁部材5の素子搭載面6側となるように、前記素子搭載面6上に設置する。そして、スパッタリング法、真空蒸着法等の物理蒸着法によって、素子搭載面6上の、メタルマスク26の開口22、24を通して露出された領域に、電極層7のもとになる金属材料を堆積させる。
そうすると、メタルマスク26の、前記開口22、24を通して露出されているものの、図において上側に配設された第2の板材25の、開口24を形成する縁部によって陰になった領域では、金属材料が、ある程度は回り込むものの、その回り込み量が、前記陰になった領域の奥ほど少なくなることから、図中に二点差線で示すように、周縁領域A1の厚みが、端縁16側へ向けて漸減して、前記端縁16で0になる断面形状を有する電極層7が形成される。
図6は、前記形成方法に使用するメタルマスク26のうち、第1および第2の板材23、25の厚みt1、t2と、前記両板材23、25に形成された開口22、24の、開口幅の差に起因する、寸法差w1との関係を説明する図である。また、図7は、前記形成方法によって形成される電極層7の、周縁領域A1の断面形状を規定する各部の寸法を説明する図である。
周縁領域A1の断面形状は、電極層7の端縁16から、前記周縁領域A1の厚みT2が、内部領域A2の厚みT1の1/2、つまりT2=1/2×T1となる位置までの距離L2が、前記周縁領域A1の、端縁16から境界部20までの、面方向の距離L1の何倍になるか、すなわち、距離L1、L2の比L2/L1が、いくらになるかによって規定することができ、先に説明したように、L2/L1≧0.3であるのが好ましい。
前記形成方法によって、比L2/L1を調整するためには、先に説明した、周縁領域A1の厚みが漸減されるメカニズムから明らかなように、メタルマスク26のうち、上側に配設された第2の板材25の、開口24を形成する縁部によって形成される陰を調整すればよい。より詳しくは、両板材23、25の厚みt1、t2の比t1/t2を大きくするほど、また、寸法差w1を小さくするほど、前記陰が小さくなるため、比L2/L1が小さくなって、周縁領域A1の上面21の、素子搭載面6との接続部における、傾斜の角度が90°に近づく傾向がある。
また、各部の寸法が同じメタルマスク26を使用した場合、電極層7自体の厚み、すなわち、内部領域A2の厚みT1を変化させても、周縁領域A1の、端縁16から境界部20までの、面方向の距離L1は、ほぼ一定に維持されるため、前記厚みT1を違えることで、比L2/L1を調整することができる。すなわち、厚みT1を大きくしても、距離L1は、ほぼ一定であることから、比L2/L1が小さくなって、周縁領域A1の上面21の、素子搭載面6との接続部における、傾斜の角度が90°に近づく傾向がある。
前記比L2/L1の上限は、L2/L1≦0.5であるのが好ましい。比L2/L1が0.5を超える周縁領域A1は、その上面21が、絶縁部材5の方向に凹入した断面形状となるが、そのような断面形状を有する周縁領域A1を備えた電極層7を、前記方法によって形成するのは困難である。
周縁領域A1が、前記断面形状に形成された電極層7は、例えば、前記電極層7のもとになる、導電性のペーストを、スクリーン印刷法等によって印刷して形成する際に、印刷パターンの幅を徐々に小さくしながら、複数層の導電ペーストの層を、順に、重ねて印刷する等、他の、任意の形成方法によって形成することもできる。
電極層7は、単層構造に形成してもよいし、2層以上の積層構造に形成してもよい。例えば、前記メタルマスク26を用いた形成方法において、素子搭載面6上に、種類の異なる2種以上の金属材料を、順に堆積させると、2層以上の積層構造を有し、かつ、全体としてみたときに、周縁領域A1が、前記断面形状に形成された電極層7を形成することができる。また、積層構造の電極層7を構成する各層のうち、主体となる層(下記例では表面層)のみを、前記所定の断面形状に形成し、その上および/または下に積層される薄層は、通常通り、一定の厚みに形成してもよい。
単層の電極層7としては、例えば、Ag、Al、Au等の、導電性に優れた金属材料からなる層が挙げられる。また、電極層7を、2層以上の積層構造に形成する場合は、例えば、素子搭載面6に近い方から順に、
(1) Ti、Cr、NiCr、Ta、およびこれら金属の化合物等からなり、絶縁部材5との密着性に優れた密着層、
(2) Pt、Pd、Cu、Ni、Mo、NiCr等からなり、次に述べる表面層を形成する金属の拡散を防止する機能を有する拡散防止層、ならびに
(3) Ag、Al、Au等からなり、導電性に優れた表面層
等を挙げることができる。このうち、密着層の厚みは0.01〜1.0μm程度、拡散防止層の厚みは0.01〜1.5μm程度とするのが好ましい。
(1) Ti、Cr、NiCr、Ta、およびこれら金属の化合物等からなり、絶縁部材5との密着性に優れた密着層、
(2) Pt、Pd、Cu、Ni、Mo、NiCr等からなり、次に述べる表面層を形成する金属の拡散を防止する機能を有する拡散防止層、ならびに
(3) Ag、Al、Au等からなり、導電性に優れた表面層
等を挙げることができる。このうち、密着層の厚みは0.01〜1.0μm程度、拡散防止層の厚みは0.01〜1.5μm程度とするのが好ましい。
電極層7のうち、枠体2内で露出した領域の表面、および、枠体2外で露出した領域の表面には、ワイヤーボンド12や半田等を介して接続する際の信頼性を向上するために、Au等からなるボンディングパッドや半田接合層を設けてもよい。ただし、例えば、前記積層構造の電極層7のうち表面層を、Auで形成する場合は、前記ボンディングパッドや半田接合層を省略することができる。
枠体2、および蓋体4は、絶縁部材5と積層した状態での、前記絶縁部材5との、線熱膨張係数の差を小さくして、反り等の変形を防止すること等を考慮すると、線熱膨張係数が10×10-6/℃以下、特に4×10-6〜7×10-6/℃で、かつ、絶縁部材5の線熱膨張係数との差が3×10-6/℃以下、特に1×10-6/℃以下である材料によって形成するのが好ましい。さらに言えば、絶縁部材5と同じ材料で、枠体2や蓋体4を形成して、線熱膨張係数の差を全く無くしてしまうのが好ましい。また、枠体2や蓋体4は、半導体素子10が半導体発光素子である場合、前記半導体発光素子からの光を外部に取り出すために、ガラス等で形成してもよい。
枠体2は、従来同様に、絶縁部材5の素子搭載面6と対向する下面17に、液状ないし固形状の接着剤(熱硬化性、熱可塑性)や、低融点ガラス等からなる接合層13を形成したものを、素子搭載面6上に重ね合わせて加圧する(固形の接着剤や低融点ガラスの場合は、加熱する等して軟化ないし溶融させながら加圧する)ことで、素子搭載面6と、前記素子搭載面6に形成された電極層7の凹凸形状に沿うように流動させた後、熱可塑性の接着剤や低融点ガラスの場合は冷却して固化させ、また、熱硬化性の接着剤の場合は、さらに加熱して硬化反応させることで、接合層13を介して、素子搭載面6に固定される。
その際、電極層7の周縁領域A1は、端縁16に向けて、厚みが漸減する断面形状を有していることから、先に説明したように、接合層13を形成する接着剤や低融点ガラスを、前記周縁領域A1の上面21と、素子搭載面6との接続部に、リークパスの原因となる気泡を生じさせることなしに、十分に回り込ませることができ、半導体素子10を、前記枠体2を含む封止部材3によって、より確実に封止して、長期間に亘る信頼性を向上することができる。
枠体2上に蓋体4を固定するための接合層14や、絶縁部材5の素子搭載面6に半導体素子10を固定するための接合層9は、前記接合層13と同様に、液状ないし固形状の接着剤(熱硬化性、熱可塑性)や、低融点ガラス等によって形成することができる。また、接合層9は、半田の層でもよい。
前記各部からなる図の例の半導体装置1によれば、半導体素子搭載用部材8の、絶縁部材5の素子搭載面6に、封止部材3を構成する枠体2を固定するための接合層13に、リークパスの原因となる気泡が発生するのを防止して、半導体素子10を、前記封止部材3によって、より確実に封止することができるため、前記半導体素子10の、長期間に亘る信頼性を、これまでよりも向上することが可能となる。
図8は、本発明の半導体装置1の、実施の形態の他の例を示す断面図である。図の例の半導体装置1は、絶縁部材5が、枠体2と略同じ平面形状に形成され、前記絶縁部材5の、素子搭載面6と反対面27に、前記反対面27の面方向に互いに離間させることで、電気的に絶縁して形成した2つの外部端子28を設けると共に、前記素子搭載面6に形成した2つの電極層7と、前記2つの外部端子28とを、それぞれ、金属層29を介して電気的に接続したものである。それ以外の構成は、先の、図1の例と同様であるので、同一部材に同一符号を付して、説明を省略する。
外部端子28、金属層29は、共に、電極層7と同様の金属材料等によって、同様に形成することができる。ただし、その端縁を、電極層7の周縁領域A1のような断面形状に形成する必要はない。外部端子28の表面には、前記外部端子28を、例えば、基板上に、半田を介して電気的、機械的に接合することで、半導体装置1を実装する際の信頼性を向上するために、Au等からなる半田接合層を設けてもよい。また、外部端子28の全体を、Auで形成してもよい。外部端子28は、複数の絶縁部材5のもとになる集合基板から、個々の絶縁部材5を切り出した後、その反対面27に形成してもよいし、切り出す前の集合基板の、個々の絶縁部材5に対応する領域に形成した後に、切り出して絶縁部材5を形成してもよい。
金属層29は、例えば、複数の絶縁部材5のもとになる集合基板から、個々の絶縁部材5を切り出した後、その側面に、電極層7および外部端子28と電気的に接続した状態で形成してもよい。また、前記集合基板の、個々の絶縁部材5の側面や角部に相当する位置に貫通孔を設けて、前記貫通孔内に、金属層29を、電極層7および外部端子28と電気的に接続した状態で形成した後に、切り出して絶縁部材5を形成してもよい。
図8の半導体装置1は、先に説明したように、絶縁部材5の反対面27に設けた外部端子28を介して、基板上に、直接に、実装することができるという利点を有している。しかも、前記半導体装置1は、電極層7の周縁領域A1が、端縁16側へ向けて厚みが漸減する断面形状に形成されていることから、先に説明したメカニズムにより、半導体素子10を、封止部材3によって、より確実に封止して、長期間に亘る信頼性を向上することができるという利点も有している。
図9は、本発明の半導体装置の構成を応用した、本発明の発光ダイオード30の、実施の形態の一例を示す断面図である。図の例の発光ダイオード30は、半導体素子として、半導体発光素子31を用いた点、前記半導体発光素子31を、バンプ32を用いて、素子搭載面6に搭載した点、および、封止部材3で封止された領域内において、前記半導体発光素子31の周囲を囲むように、半導体発光素子31からの光によって発光する蛍光体33を充てんした点が、先の、図8の例と相違している。
また、図の例では、封止部材3のうち、蓋体4を、ガラス等の、蛍光体33からの光を透過しうる光透過性の材料によって形成した点、および、枠体2の通孔15の内面34を、絶縁部材5側から蓋体4側へ向けて外方へ広がった形状に形成すると共に、前記内面34に、蛍光体33からの光を、蓋体4の方向に反射する反射膜35を形成した点も、先の、図8の例と相違している。それ以外の構成は、先の、図8の例と同様であるので、同一部材に同一符号を付して、説明を省略する。
半導体発光素子31は、図示していないが、絶縁部材5と対向する面に、2つの電極層が形成されている。また、2つの電極層7は、その先端が、それぞれ、前記半導体発光素子31の、2つの電極層と対向する位置まで延設されている。そして、それぞれの、対向する電極層間が、Au等からなるバンプ32によって、電気的に接続されると共に、半導体発光素子31が、前記バンプ32によって、素子搭載面6上に固定されて、前記固定と、電気的な接続とによって、半導体発光素子31が、半導体素子搭載用部材8の素子搭載面6に搭載されている。
半導体発光素子31の周囲を囲む蛍光体33としては、例えば、波長600nm以下、特に、450nm以下の短波長の光を放射する半導体発光素子31と組み合わせて、白色等の、任意の色に発光させることができる、従来公知の、種々の蛍光体を、単独で、あるいは、結着材中に分散させた状態で、使用することができる。また、反射膜35としては、例えば、Al、Ag等の、前記蛍光体33からの光を、高い反射率で反射することができる、種々の金属材料からなる薄膜が挙げられる。
図9の発光ダイオード30は、図8の半導体装置1と同様に、絶縁部材5の反対面27に、外部端子28を有していることから、前記外部端子28を介して、基板上に、直接に、実装することができるという利点を有している。しかも、前記発光ダイオード30は、電極層7の周縁領域A1が、端縁16側へ向けて厚みが漸減する断面形状に形成されていることから、先に説明したメカニズムにより、半導体発光素子31を、封止部材3によって、より確実に封止して、長期間に亘る信頼性を向上することができ、白色等の任意の光を、長期間に亘って、高輝度で発光させることができるという利点も有している。
図10は、本発明の発光ダイオード30の、実施の形態の他の例を示す断面図である。図の例の発光ダイオード30は、絶縁部材5と電極層7の構造を、図1の例のものに戻した点、および、半導体発光素子31を、前記絶縁部材5の素子搭載面6上に、サブマウント36を介して搭載した点が、先の、図9の例と相違している。それ以外の構成は、先の、図1、図9の例と同様であるので、同一部材に同一符号を付して、説明を省略する。
サブマウント36は、絶縁材料からなり、図示していないが、図において上面側に、半導体発光素子31を、バンプ32を介して電気的に接続すると共に、前記半導体発光素子31を固定するための、2つの電極層を備えている。サブマウント36は、その上面に、前記バンプ32を介して、半導体発光素子31を搭載すると共に、半導体発光素子31の周囲を囲むように、蛍光体33の層を形成した状態で取り扱うことができる。また、前記2つの電極層に通電して、半導体発光素子31をテスト発光させたりすることもできる。
サブマウント36は、接合層37を介して、絶縁部材5の素子搭載面6上に固定されている。また、サブマウント36の2つの電極層と、絶縁部材5の2つの電極層7とが、ワイヤーボンド12によって、電気的に接続されて、前記サブマウント36上に搭載された半導体発光素子31が、半導体素子搭載用部材8の素子搭載面6に搭載されている。前記搭載状態では、半導体発光素子31が、サブマウント36の厚みの分だけ、素子搭載面6から、図において上方へ突出した位置に配設され、前記半導体発光素子31の発光層の位置も高くなることから、前記発光層から射出される光を、より無駄なく、蓋体4を通して、外部へ取り出すことができる。
サブマウント36は、種々の絶縁材料によって形成することができるが、半導体発光素子31からの発熱を、絶縁部材5を通して、速やかに、外部に放熱することや、膨張、収縮量を小さくして、搭載された半導体発光素子31に加わる応力を、できるだけ小さくすること等を考慮すると、絶縁部材5と同様に、絶縁性のセラミックや、絶縁性のSi等、特に、熱伝導率が80W/mK以上、特に150〜300W/mKで、かつ、線熱膨張係数が4×10-6〜7×10-6/℃であるAlNやSiCによって形成するのが好ましい。また、接合層37は、他の接合層9、13、14と同様の材料によって形成すればよい。
図10の発光ダイオード30は、やはり、電極層7の周縁領域A1が、端縁16側へ向けて厚みが漸減する断面形状に形成されていることから、先に説明したメカニズムにより、半導体発光素子31を、封止部材3によって、より確実に封止して、長期間に亘る信頼性を向上することができ、白色等の任意の光を、長期間に亘って、高輝度で発光させることができるという利点を有している。
図11は、本発明の発光ダイオード30の、実施の形態の、さらに他の例を示す断面図である。図の例の発光ダイオード30は、半導体素子として、半導体発光素子31を用いた点、封止部材として、半導体発光素子31の、素子搭載面6側以外の全周囲を囲む、ドーム状の立体形状を有する保護キャップ38を用いた点、および、前記保護キャップ38内の空間の全体に、蛍光体33を充てんした点が、先の、図1の例と相違している。それ以外の構成は、先の、図1の例と同様であるので、同一部材に同一符号を付して、説明を省略する。
保護キャップ38は、前記立体形状を有する本体39と、前記本体39の、素子搭載面6側の裾部の外周から外方へ延設された鍔部40とを、例えば、透明樹脂やガラス等によって一体に形成することで構成されている。図11の発光ダイオード30は、やはり、電極層7の周縁領域A1が、端縁16側へ向けて厚みが漸減する断面形状に形成されていることから、先に説明したメカニズムにより、半導体発光素子31を、保護キャップ38によって、より確実に封止して、長期間に亘る信頼性を向上することができ、白色等の任意の光を、長期間に亘って、高輝度で発光させることができるという利点を有している。
なお、本発明の構成は、以上で説明した各図の例には限定されず、本発明の用紙を変更しない範囲で、種々の設計変更を施すことができる。例えば、本発明の構成は、発光素子だけでなく、例えば、CCD撮像素子、CMOS撮像素子等の撮像素子を搭載した撮像装置などにも適用することができる。その場合にも、撮像素子をより確実に封止して、長期間に亘る信頼性を向上することが可能である。
〈実施例1〜10〉
絶縁部材5としては、AlNからなり、図1に示すように、素子搭載面6の平面形状が矩形状で、かつ、長辺の長さが12mm、短辺の長さが9mm、厚みが1mmの板材を用意した。前記絶縁部材5の素子搭載面6上に、図に見るように、その平面形状が矩形状で、かつ、絶縁部材5の短辺方向の幅が1.2mm、長辺方向の長さが5mmの2つの電極層7を形成することとし、そのために、図5に示すメタルマスク26を用意した。前記メタルマスク26としては、図6に示す各部の寸法が、表1に示す値である6種類を用意した。
絶縁部材5としては、AlNからなり、図1に示すように、素子搭載面6の平面形状が矩形状で、かつ、長辺の長さが12mm、短辺の長さが9mm、厚みが1mmの板材を用意した。前記絶縁部材5の素子搭載面6上に、図に見るように、その平面形状が矩形状で、かつ、絶縁部材5の短辺方向の幅が1.2mm、長辺方向の長さが5mmの2つの電極層7を形成することとし、そのために、図5に示すメタルマスク26を用意した。前記メタルマスク26としては、図6に示す各部の寸法が、表1に示す値である6種類を用意した。
そして、前記メタルマスク26を、絶縁部材5の素子搭載面6上に設置した状態で、スパッタリング法によって、素子搭載面6上の、メタルマスク26の開口22、24を通して露出された領域に、厚み0.1μmのTi層と、厚み0.05μmのPt層と、前記Ti層およびPt層の厚みを加えた際に、表1に示す厚みT1となる厚みのAu層とを、この順に積層して、電極層7を形成して、半導体素子搭載用部材8を作製した。
作製した半導体素子搭載用部材8の、電極層7の断面形状を、触針段差計を用いて計測したところ、図12に示すように、前記電極層7は、内部領域A2の厚みが略一定であると共に、前記内部領域A2の両側の周縁領域A1が、前記内部領域A2との境界部20から端縁16に向けて、厚みが徐々に減じられて、端縁で0になる断面形状に形成されていることが確認された。なお、図では、高さ方向寸法を、面方向寸法に比べて拡大して示している。
また、前記計測結果から、前記電極層7のうち、内部領域A2の厚みT1を求めると共に、周縁領域A1における、距離L1、L2と、その比L2/L1を求めた。なお、厚みT1は、内部領域A2上の任意の10点から求めた平均値とした。測定結果のうち、厚みT1と、距離L1と、比L2/L1とを、表1に示す。
AlNからなり、図1に示すように、平面形状が矩形状で、かつ、長辺の長さが9mm、短辺の長さが8mm、厚みが1mm、矩形状の通孔15の、長辺の長さが5mm、短辺の長さが4mmである枠体2を用意し、前記枠体2を、先に作製した半導体素子搭載用部材8の、絶縁部材5の素子搭載面6上に、接合層13として、熱硬化性エポキシ樹脂を用いて接合したものを、各実施例ごとに100個ずつ用意した。そして、前記100個のサンプルについて、MIL-STD-883E METHOD 1014.9に規定された方法に則って、絶縁部材5と枠体2との間のHeリークレートを測定し、測定結果が5×10-9atmCC/sec以下であったものを合格として、100個のサンプル中の、合格した個数を記録した。
また、Heリークレート測定用と別に用意した100個のサンプルの素子搭載面6に、半導体発光素子をダイボンドし、ワイヤーボンド12によって、電極層7と電気的に接続した後、透明な蓋体4で枠体を閉じて発光ダイオードを製造し、それを、温度85℃、湿度85%の高温、高湿環境下で1000時間、静置した後に、正常に発光するか否かを確認して、正常に発光しなかった不良品の個数を記録した。比較例1として、電極層を、フォトリソグラフィーの技術を利用して形成したマスクを用いて形成したものについても、前記と同様の試験を行った。結果を、表1に示す。
表より、従来の、フォトリソグラフィーの技術を利用して形成した電極層を有する比較例1では、リーク合格個数が87個と少ない上、発光ダイオードの不良の個数が10個と多いことから、電極層の端縁と、素子搭載面との間の、90°に凹入した角部に、リークパスの原因となる気泡が発生しやすいことが判った。
これに対し、電極層の周縁領域を、端縁側へ向けて漸減する断面形状に形成した実施例1〜10では、リーク合格個数が98個以上と多い上、発光ダイオードの不良の個数が2個以下と少ないことから、前記周縁領域の上面と、素子搭載面との接続部に、リークパスの原因となる気泡が発生するのを、確実に防止できることが確認された。
1 半導体装置
2 枠体
3 封止部材
4 蓋体
5 絶縁部材
6 素子搭載面
7 電極層
8 半導体素子搭載用部材
10 半導体素子
13 接合層
16 端縁
20 境界部
30 発光ダイオード
31 半導体発光素子
33 蛍光体
36 サブマウント
38 保護キャップ
A1 周縁領域
A2 内部領域
2 枠体
3 封止部材
4 蓋体
5 絶縁部材
6 素子搭載面
7 電極層
8 半導体素子搭載用部材
10 半導体素子
13 接合層
16 端縁
20 境界部
30 発光ダイオード
31 半導体発光素子
33 蛍光体
36 サブマウント
38 保護キャップ
A1 周縁領域
A2 内部領域
Claims (8)
- 半導体素子が搭載される素子搭載面を有する絶縁部材と、前記素子搭載面に形成された、所定の平面形状を有する電極層とを備え、前記電極層のうち、前記平面形状の端縁から、前記端縁より0.15mm以上、面方向の内方までの間の、略一定幅の周縁領域が、前記周縁領域より面方向の内方の、厚みが略一定に形成された内部領域との境界部において、前記内部領域と等しい厚みを有すると共に、前記境界部から端縁に向けて、厚みが徐々に減じられて、端縁で0になる断面形状に形成されていることを特徴とする半導体素子搭載用部材。
- 電極層のうち、内部領域の厚みが0.1〜10μmである請求項1記載の半導体素子搭載用部材。
- 電極層の周縁領域の厚みが、前記周縁領域の、端縁から境界部までの、面方向の距離の、前記端縁から0.3倍以上の位置で、内部領域での厚みの1/2とされている請求項1記載の半導体素子搭載用部材。
- 請求項1〜3記載の半導体素子搭載用部材と、前記半導体素子搭載用部材の、絶縁部材の素子搭載面に搭載された半導体素子と、前記素子搭載面に、半導体素子を囲み、かつ、電極層上に重なるように、接合層を介して固定された、半導体素子を気密に封止するための封止部材とを備えることを特徴とする半導体装置。
- 封止部材が、素子搭載面に、接合層を介して固定された、半導体素子の、素子搭載面の、面方向の周囲を囲む枠体と、前記枠体上に固定されて、枠体を閉じる蓋体とを備えている請求項4記載の半導体装置。
- 封止部材が、素子搭載面に、接合層を介して固定された、半導体素子の、素子搭載面側以外の全周囲を囲む立体形状を有する保護キャップである請求項4記載の半導体装置。
- 半導体素子が半導体発光素子であり、請求項4記載の半導体装置の、封止部材で封止された領域内の少なくとも一部に、前記半導体発光素子からの光によって発光する蛍光体が充てんされていると共に、封止部材の少なくとも一部が、前記蛍光体からの光を透過しうる光透過性の材料によって形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
- 半導体発光素子が、サブマウントを介して、素子搭載面に搭載されている請求項7記載の発光ダイオード。
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