JP4713250B2 - 半導体素子および半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、レーザダイオードをはじめとする半導体素子およびその製造方法に関するものである。

特許３１８６６８４号公報には、モールド樹脂によってフレーム上に囲まれた凹部に、半導体チップを搭載する技術が記載されている。
また、特開平４−２８０４８７号公報には、フレームを曲げて凹部を形成する技術が記載されている。
また、意匠登録１２３６０５９においては、フレームの厚さを半導体チップ搭載部のみ厚くすることで、裏面にフレームの一部を露出させようとしている。

特許３１８６６８４号公報 特開平４−２８０４８７7号公報 意匠登録１２３６０５号公報

特許３１８６６８４号公報に記載された技術については、モールド樹脂の熱伝導が乏しいため、高出力化されたレーザダイオードの大きな発熱を効率よく周囲に逃がすことが困難であった。
また、特開平４−２８０４８７号については、このような半導体素子を取り付ける場合、フレーム表面（サブマウント界面側）を基準面として取り付ける場合が多いが、この手法ではこの面からの放熱が利用できない。
また、意匠登録１２３６０５号については、通常のリードフレームは圧延によって薄く加工されるため、モールド樹脂が入り込むほどの大きな段差を設けることは困難であり、できたとしてもコストのかかる工程を経る必要があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、レーザダイオードチップの保護と放熱性を向上させた半導体素子を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体素子は、発光半導体チップを、フレームに搭載することによって形成される半導体素子において、前記フレームの端部の前記発光半導体チップの発光点に近い部分を折り曲げ、前記フレームの折り曲げられた部分と前記発光半導体チップは、モールド樹脂から露出し、前記フレームの折り曲げられた部分は、前記半導体素子の周囲の空気にさらされていることを特徴とするものである。

また、本発明に係る半導体素子は、発光半導体チップを、フレームに搭載することによって形成される半導体素子において、複数のワイヤボンドの少なくとも一部に入り込む形で、突起部をモールド部分に形成することを特徴とするものである。

また、本発明に係る半導体素子は、発光半導体チップを、フレームに搭載することによって形成される半導体素子において、前記フレームのリード部分が半導体チップ搭載部に対して段差を有し、モールド樹脂がフレーム裏面よりも突出しないことを特徴とするものである。

また、本発明に係る半導体素子の製造方法は、発光半導体チップを、フレームに搭載する工程と、モールド形成するための金型のモールド樹脂の注入孔からモールド樹脂の注入を行う工程とを有し、前記金型の前記注入孔がフレームのリード部分以外に配置されており、前記フレームの前記リード部分が半導体チップ搭載部に対して段差を有し、前記モールド樹脂が前記フレームの裏面よりも突出しないことを特徴とするものである。

本発明は、以上説明したように、半導体チップの発光点に近いフレームの端部を折り曲げることにより、レーザダイオードチップの保護と放熱性の向上が可能となる。
また、複数のワイヤボンドの少なくとも一部に入り込む形で、仕切り部分をモールド部分に形成することにより、衝撃や接触によるワイヤボンド変形時の電気的な短絡を防止することが可能となる。
また、フレームのリード部分がレーザダイオードチップ搭載部に対して段差を有し、モールド樹脂がフレームのレーザダイオードチップ搭載部裏面よりも突出しないことにより、機器搭載時に機器筐体やヒートスプレッダに対する密着度が増し、フレーム裏面からの放熱が容易になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１による半導体素子を説明するための模式図で、図１（ａ）は俯瞰図、（ｂ）は上面図、（ｃ）、(ｄ)は前面図である。

図１において、１０１はリードフレーム、１０３はモールド樹脂、１０５はリード、１０７はサブマウント、１０９はレーザダイオードチップ、１１１は折り曲げ部、１１３はワイヤボンドである。
０．２５ｍｍ厚のＣｕ製リードフレーム１０１には中央リードと、電気的に独立した左右のリードが形成されている。中央リードに繋がった部分に、サブマウント１０７（ＡｌＮ製、０．６ｍｍ×１．５ｍｍ×０．２５ｍｍ）に搭載されたレーザダイオードチップ１０９（ＧａＡｓ製、０．２ｍｍ×１．５ｍｍ×０．１ｍｍ）が搭載され、その周囲はモールド樹脂１０３が形成されており、独立したリード１０５が固定されている。レーザダイオード１０９とサブマウント１０７間はＡｕＳｎはんだ（融点２８０℃）であらかじめ接合され、リードフレーム１０１に対しては導電性接着剤（Ａｇフィラーを拡散させたアクリル樹脂）が用いられる。また、電気的接続にはワイヤボンド１１３（Ａｕ太さ３０μｍ）が用いられる。フレーム１０１の前端部分には、幅Ｗが０．５ｍｍ、長さＬが０．７ｍｍで間隔Ｓが０．７ｍｍの２つの突起が金型成形によりダイオードチップ側に折り曲げられ、折り曲げ部１１１が形成されている。その高さＨ１はフレーム表面から０．６ｍｍの高さとなっており、モールド樹脂１０３の高さと同じで、サブマウント１０７とレーザダイオードチップ１０９を合わせた高さ０．３５ｍｍやＡｕワイヤボンドループの最大高さ０．５ｍｍよりも大きくなっている。

この実施の形態では、折り曲げ部１１１はダイオードチップ１０９の長辺、すなわち発光するレーザ光に平行な辺に対して折り目が垂直となるような方向に折り曲げることにより形成されているが、周囲を流れる風に対して放熱効果が得られるのであれば、折り曲げる方向はどの方向でも同様の効果が得られる。

図２は、本発明の実施の形態１の他の例を説明するための模式図である。図２のように、リードフレーム１０１の左右端を、組み立て時に使用しない面の方向に折り曲げることにより、面剛性を増して平面度を確保することが可能となる。

また、図２のように、折り曲げ部１１１の上端を左右でつなげることによって、レーザダイオードチップ１０９の保護能力をさらに高めることが可能となる。

また、本実施の形態１の前端部の折り曲げ部１１１のみハーフエッチやプレス加工によって薄くすることで、折り曲げを容易にすることが可能となる。

以上説明した本実施の形態１では、半導体チップの発光点に近いフレームの端部を折り曲げることにより、レーザダイオードチップの保護と放熱性の向上が可能となる。

また、折り曲げたフレームの一部である折り曲げ部１１１の高さが、少なくとも搭載した半導体チップの上面の位置よりも高くなるように形成されていることにより、ひっくり返した場合の接触を防止することが可能となる。
また、本発明の半導体素子をＣＤ−ＲやＤＶＤ−Ｒなどのピックアップ装置に使用するような場合には、折り曲げ部１１１の折り目方向が半導体チップの長辺に対して垂直であることにより、一般的にレーザダイオードチップの長辺に対して平行に流れるメディアの回転風を受けて効率的な空冷が可能となる。

実施の形態２．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２による半導体素子を説明するための模式図である。

図３において、１０１はリードフレーム、１０３はモールド樹脂、１０５はリード、１０７はサブマウント、１０９はレーザダイオードチップ、１１１は折り曲げ部、１１３はワイヤボンドである。

実施の形態１に対して、モールド樹脂１０３がレーザダイオードチップ１０９の長辺に平行な部分には存在せず、リード１０５周辺部分のみに配置されており、サブマウント１０７とフレーム１０１間がＡｕＳｎはんだ（融点２８０℃）によって接合される。

以上説明した本実施の形態２では、モールド樹脂がチップの長辺に平行な部分には配置されていないことにより、サブマウントとフレーム間の接合にモールド樹脂の耐熱温度よりも高い接合プロセスが可能となるので、熱伝導に優れたＡｕＳｎはんだ等が使用可能となる。

実施の形態３．
図４は、この発明を実施するための実施の形態３による半導体素子を説明するための模式図で、図４（ａ）は俯瞰図、（ｂ）は上面図である。

図４において、１０１はリードフレーム、２はモールド樹脂、３はリード、４はサブマウント、５はレーザダイオードチップ、６は折り曲げ部、７はワイヤボンドである。
実施の形態２に対して、折り曲げ部１１１が延長されてレーザダイオードチップ１０９の存在部分にまで伸びている。本実施の形態３においても本実施の形態１と同様、折り曲げ部１１１のリードフレーム上面からの高さＨ２は０．６ｍｍとなっている。

この実施の形態においては、折り曲げ部１１１は単純な直方体の形状であるが、フィン形状を持たせるなどしてさらに放熱性を向上させることも可能である。

また、折り曲げ部１１１をさらに延長し、モールド樹脂１０３にかかるようにすることにより、衝撃による変形を抑制することが可能となる。

以上説明した本実施の形態３では、折り曲げたフレームの一部が、半導体チップの存在する部位にまで伸びていることにより、レーザダイオードチップの保護をより確実にすることが可能となる。

実施の形態４．
図５（ａ），（ｂ）は、この発明を実施するための実施の形態４による半導体素子を説明するための模式図である。

図５（ａ），（ｂ）において、１０１はリードフレーム、１０３はモールド樹脂、１０５はリード、１０７はサブマウント、１０９はレーザダイオードチップ、１１３はワイヤボンド、５１１は折り曲げ部である。

実施の形態１に対して、モールド樹脂１０３を注入する金型の壁面に、フレーム１０１の前端部を押し付けるようにしてモールド樹脂１０３注入を行うことにより、折り曲げ部５１１がモールド樹脂１０３に食い込み、かつ折り曲げ部５１１が前端面に露出するように形成する。

この実施例においては、折り曲げ部５１１はレーザダイオードチップ１０９の長辺に対して折り目が平行となるように折り曲げられているが、垂直に折り曲げても同様に一部を露出させることは可能である。

また、図５（ｂ）のように、折り曲げ部５１１のみをハーフエッチングやプレス加工により薄くすることで、折り曲げ加工を容易にすることが可能となる。

以上説明した本実施の形態４では、折り曲げたフレームの一部が、モールド樹脂中に食い込んでおり、かつ前端面ではフレームが露出していることにより、モールド樹脂のフレームに対する密着度を増し、かつフレームの一部が露出することで放熱性を確保することができる。

実施の形態５．
図６は、この発明を実施するための実施の形態５による半導体素子を説明するための模式図である。

図６において、１０１はリードフレーム、１０３はモールド樹脂、１０５はリード、１０７はサブマウント、１０９はレーザダイオードチップ、１１１は折り曲げ部、１１３はワイヤボンド、６０１はモールドの突起である。

実施の形態１に対して、ワイヤボンド１１３のフレーム側の接合部を結ぶ直線上に差し掛かるように、モールド樹脂１０３の突起６０１を形成している。

以上説明した本実施の形態５では、複数のワイヤボンド１１３の少なくとも一部に入り込む形で、突起部分をモールド部分に形成することにより、衝撃や接触によるワイヤボンド変形時の電気的な短絡を防止することが可能となる。さらにワイヤボンド１１３のフレーム側の接合部を結ぶ直線上に差し掛かる位置までモールド樹脂１０３の突起６０１を形成することにより、さらに短絡防止の効果をあげることが出来る。

実施の形態６．
図７は、この発明を実施するための実施の形態６による半導体素子を説明するための模式図で、図７（ａ）はフレームを示す図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は前面図、（ｄ）は下面図である。

図７において、１０１はリードフレーム、１０３はモールド樹脂、１０７はサブマウント、１０９はレーザダイオードチップ、１１３はワイヤボンド、７０５はフレームの開口部である、７０７はリード裏面露出部、７０３（ａ）はセンターリード、７０３（ｂ）はシグナルリード、７０１はレーザダイオードチップ搭載部である。

実施の形態１に対して、センターリード７０３（ａ）と、レーザダイオードチップ搭載部７０１をつなぐ部分が折り曲げられ、０．３ｍｍの段差Ｈ３が設けられている。また、モールド樹脂注入金型に対して、フレーム１０１のレーザダイオード搭載部裏面を押し付け、フレーム１０１の開口部７０５からモールド樹脂１０３を注入することにより、レーザダイオードチップ搭載部裏面を露出させた形でモールド樹脂形成を行う。フレーム１０１の開口部７０５は最大直径０．６ｍｍの円形である。モールド樹脂注入金型のモールド注入孔は、フレーム１０１のリード部分以外の位置に配置される。本実施の形態では、モールド樹脂注入金型のモールド注入孔はフレーム１０１の開口部７０５と連通している。

フレーム１０１の開口部７０５は、プレス打ち抜きによって上面から下面に打ち抜くことにより、開口部７０５の開口面積を下面の方が上面よりも大きくなるように形成することで、モールド樹脂１０３とフレーム１０１との密着強度を高めることが可能である。

この実施の形態においては、開口部７０５を打ち抜きで形成しているが、エッチングによる形成においてもマスクパターンやエッチングレートの最適化により、下面付近の面積を最大にすることも可能である。

また、センターリード７０３（ａ）の折り曲げ部のみハーフエッチングやプレス加工により薄くすることで、折り曲げ加工性が向上する。

また、図７（ｄ）のようにリード裏面露出部７０７を形成することで、ワイヤボンド時に突起等を用いてフレームを直接支持することにより、熱伝導や超音波伝達を安定にし、条件尤度の広いワイヤボンド性を確保することが可能となる。

また、レーザダイオードチップ搭載部７０１と繋がるリードが中央ではなく、左右のリードであっても同様の効果が得られる。

また、レーザダイオード搭載部裏面のみで放熱が十分な場合には、フレームの左右に広がった部分は削除しても問題はない。

以上説明した本実施の形態６では、フレームのリード部分がレーザダイオードチップ搭載部に対して段差を有するので、モールド樹脂が段差をもつリードの下側へ入り込み、リードを支える。モールド樹脂はリード下側のリードとフレームとの隙間内に収まっており、フレームの裏面へは回り込まないようになっている。このようにモールド樹脂がフレームのレーザダイオードチップ搭載部裏面よりも突出しないことにより、機器搭載時に機器筐体やヒートスプレッダに対する密着度が増し、フレーム裏面からの放熱が容易になる。
また、金型のモールド樹脂の注入孔を、フレームのリード部分に相当する位置を避けて、その部分以外に配置することにより、注入孔付近にできやすい樹脂の不均質でばらつきの大きいボイド（空隙）を原因とする熱伝導の個体差や超音波伝達変化によるワイヤボンド不良を抑制することが可能となる。
また、フレームに形成した開口部を介してモールドの注入を行うことにより、樹脂のフレームに対する密着度を増し、パッケージの外形を縮小することが可能となる。

実施の形態１の半導体素子を示す模擬図である。 実施の形態１の他の例の半導体素子を示す模擬図である。 実施の形態２の半導体素子を示す模擬図である。 実施の形態３の半導体素子を示す模擬図である。 実施の形態４の半導体素子を示す模擬図である。 実施の形態５の半導体素子を示す模擬図である。 実施の形態６の半導体素子を示す模擬図である。

符号の説明

１０１ リードフレーム
１０３ モールド樹脂
１０５ リード
１０９ レーザダイオードチップ
１１１ 折り曲げ部
１１３ ワイヤボンド
１１５ 発光点
５１１ 折り曲げ部
６０１ 突起部
７０１ レーザダイオードチップ搭載部
７０３ リード
７０５ 開口部
７０７ リード裏面露出部

Claims (6)

1. 発光半導体チップを、フレームに搭載することによって形成される半導体素子において、
   前記フレームの端部の、前記発光半導体チップの発光点に近い部分を折り曲げ、
   前記フレームの折り曲げられた部分と前記発光半導体チップは、モールド樹脂から露出し、
   前記フレームの折り曲げられた部分は、前記半導体素子の周囲の空気にさらされていることを特徴とする半導体素子。
2. 請求項１に記載の半導体素子であって、
   前記フレームの折り曲げられた部分の少なくとも一部が、半導体チップの上面よりも高くなるように形成されていることを特徴とする半導体素子。
3. 請求項１に記載の半導体素子であって、
   前記フレームの折り曲げる方向が前記発光半導体チップの長辺に平行であることを特徴とする半導体素子。
4. 請求項１に記載の半導体素子であって、
   モールド樹脂が前記発光半導体チップの長辺に平行な部分には配置されていないことを特徴とする半導体素子。
5. 請求項１に記載の半導体素子であって、
   前記フレームの折り曲げられた部分の少なくとも一部が、前記発光半導体チップの搭載された部位にまで伸びていることを特徴とする半導体素子。
6. 請求項１に記載の半導体素子であって、
   前記フレームの折り曲げられた部分の少なくとも一部が、モールド樹脂中に食い込んでおり、かつ前記フレームの前端面は前記モールド樹脂から露出していることを特徴とする半導体素子。

Images