TWI591103B - Semiconductor device and optical coupling device - Google Patents

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TWI591103B
TWI591103B TW105106019A TW105106019A TWI591103B TW I591103 B TWI591103 B TW I591103B TW 105106019 A TW105106019 A TW 105106019A TW 105106019 A TW105106019 A TW 105106019A TW I591103 B TWI591103 B TW I591103B
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Description

半導體裝置及光耦合裝置 [相關申請案]
本申請享有以日本專利申請2015-175055號(申請日：2015年9月4日)為基礎申請之優先權。本申請係藉由參照該基礎申請而包括基礎申請之全部內容。
本發明之實施形態係關於一種半導體裝置及光耦合裝置。
已知有於受光晶片上設置有發光晶片之光耦合裝置。該種光耦合裝置係為了保護發光晶片而利用第1樹脂部覆蓋發光晶片之表面。又，第1樹脂部之表面係由第2樹脂部所覆蓋。
然而，第1樹脂部與第2樹脂部因通常熱膨脹係數不同，而存在若第1樹脂部與第2樹脂部之密接性較高，則受到來自第2樹脂部之應力，導致發光晶片剝離之虞。
本發明之實施形態係提供一種使設置於第1半導體元件上之第2半導體元件避免剝離之半導體裝置及光耦合裝置。
根據本實施形態，提供一種半導體裝置，其具備：第1半導體元件、設置於上述第1半導體元件上之第2半導體元件、將上述第2半導體元件之表面覆蓋之凝膠狀之矽酮、及將上述矽酮之表面與上述第1半導體元件之表面覆蓋之樹脂部。
1‧‧‧光耦合裝置
2‧‧‧基板
2a‧‧‧表面
2b‧‧‧第1區域
2c‧‧‧第2區域
2d‧‧‧背面
3‧‧‧第1焊墊
4‧‧‧第2焊墊
5‧‧‧第3焊墊
6‧‧‧受光晶片
7‧‧‧發光晶片
8‧‧‧第1 MOSFET
9‧‧‧第2 MOSFET
10‧‧‧矽酮
11‧‧‧樹脂部
12‧‧‧第1端子
13‧‧‧第2端子
14‧‧‧第3端子
15‧‧‧第4端子
16‧‧‧接合線
17‧‧‧接點
18‧‧‧圖案
19‧‧‧透明接著構件
21‧‧‧第1空隙部
22‧‧‧第2空隙部
y1、y2‧‧‧箭頭
圖1A係本實施形態之光耦合裝置之立體圖。
圖1B係圖1A之A-A之剖視圖。
圖2係以箭頭表示利用矽酮覆蓋樹脂部之表面之情形時之應力方向之主要部分放大剖視圖。
圖3A係表示受光晶片之外形形狀為長方形之情形時之矽酮之配置之模式圖。
圖3B係表示受光晶片之外形形狀為正方形之情形時之矽酮之配置之模式圖。
圖4係發光晶片與受光晶片之周邊之模式性剖視圖。
圖5係模式性表示橡膠狀之矽酮與樹脂部之界面附近之放大剖視圖。
以下，參照圖式，說明本發明之實施形態。
(第1實施形態)
圖1A係本實施形態之光耦合裝置1之立體圖，圖1B係圖1A之A-A線之剖視圖。本實施形態之光耦合裝置1具有：分別分離地配置於基板2上之第1焊墊3、第2焊墊4及第3焊墊5、設置於第1焊墊3上之受光晶片6、設置於受光晶片6上之發光晶片7、設置於第2焊墊4上之第1 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導體場效應電晶體)8、設置於第3焊墊5上之第2 MOSFET9、將發光晶片7之表面覆蓋之凝膠狀之矽酮10、及將矽酮10之表面覆蓋之樹脂部11。第1 MOSFET8與第2 MOSFET9係IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣閘雙極型電晶體)等功率半導體元件。
於光耦合裝置1中，發光晶片7將輸入信號轉換為光信號，於電絕緣之狀態下受光晶片接收該光信號且轉換為電信號，基於該電信 號，第1 MOSFET8與第2 MOFET9將負載(未圖示)驅動。
圖1A及圖1B之光耦合裝置1內置有第1 MOSFET8與第2 MOSFET9，但亦可利用與光耦合裝置1不同之半導體元件實現第1 MOSFET8與第2 MOFET9。
基板2係於第1方向x上，在表面2a之一端側具有第1區域2b，在另一端側具有第2區域2c。又，於背面2d設置有圖案18。於第1區域2b，配置有第1端子12及第2端子13，於第2區域2c，配置有第3端子14及第4端子15。第1端子12係利用接合線16連接於發光晶片7之陽極，第2端子13係利用不同之接合線16連接於發光晶片7之陰極。第3端子14係電源端子，第4端子15係接地端子。第3端子14與第4端子15係分別經由各個接點17而與圖案18電性連接。該等圖案18係經由另外之接點17而與第2焊墊4及第3焊墊5電性連接。此外，設置有將受光晶片6與第1及第2 MOSFET8、9分別連接之接合線16、及將第1及第2 MOSFET8、9彼此連接之接合線16。
發光晶片7既可為LED(Light Emitting Diode，發光二極體)等發光元件單體之半導體裝置，亦可為將安裝有發光元件之基板與安裝有發光元件之周邊電路之基板收納於一個封裝體之半導體元件。受光晶片6係內置有光電二極體等受光元件之半導體元件。
發光晶片7之發光面係與配置於受光晶片6之上表面側之受光面對向地配置。發光晶片7與受光晶片6係例如藉由使膏狀之透明矽酮硬化之透明接著構件19而接著。此處，所謂透明係指相對於發光晶片7所發出之光之發光波長具有透過性。可藉由將發光晶片7積層於受光晶片6上，以較短之距離將發光晶片7之發光面與受光晶片6之受光面對向配置，而利用受光晶片6無損失地接收來自發光晶片7之光，從而可提昇表現受光效率之光之耦合特性。
凝膠狀之矽酮10係如圖1B所示，將發光晶片7之表面、與連接於 發光晶片7之上表面之接合線16之一部分覆蓋。凝膠狀之矽酮10係如下所述，具有硬度低於橡膠狀之矽酮、即軟質之類之性質。
因此，凝膠狀之矽酮10可相對於溫度或濕度等環境條件之變化，靈活地使形狀產生變化。因此，凝膠狀之矽酮10作為應力緩和構件發揮功能。再者，凝膠狀之矽酮10係透明或不透明皆可。
樹脂部11係如圖1B所示，將凝膠狀之矽酮10之表面與受光晶片6之表面覆蓋，亦將第1 MOSFET8與第2 MOSFET9之表面覆蓋。樹脂部11係例如由使微小之碳或TiO2等混合存在之環氧樹脂所形成。樹脂部11具備遮光性，以不使來自光耦合裝置1之外部之光進入矽酮10。即，樹脂部11係由對於自發光晶片7發出之光不具有透過性之材料所形成。
先前，利用橡膠狀之矽酮將發光晶片7之表面覆蓋。為提昇橡膠狀之矽酮與樹脂部11之密接性，較理想為將橡膠狀之矽酮之表面進行電漿洗淨。電漿洗淨係對洗淨對象物之表面照射高能量之電子及離子，將洗淨對象物之最表面之化學耦合之一部分切斷，從而可使該表面之密接性提昇。
然而，若將橡膠狀之矽酮之表面進行電漿洗淨之後，附著樹脂部11，則存在矽酮與樹脂部11之密接性變得過高，導致發光晶片7剝離之虞。圖2係以箭頭y1、y2表示於受光晶片6上積層發光晶片7，利用橡膠狀之矽酮10覆蓋發光晶片7之表面，將矽酮10之表面進行電漿洗淨之後，利用樹脂部11覆蓋矽酮10之表面之情形時之應力之方向之圖。
於利用包含環氧樹脂之樹脂部11覆蓋橡膠狀之矽酮10之情形時，橡膠狀之矽酮10係熱膨脹係數大於環氧樹脂，故因將樹脂部11成形時之高溫，矽酮10比樹脂部11更膨脹，其結果，矽酮10被壓抵於樹脂部11，從而矽酮10與樹脂部11牢固地接合，密接性提昇。此後，若溫度 下降，則矽酮10將於圖2之箭頭y1之方向上收縮。然而，若矽酮10與樹脂部11之密接性較高，則矽酮10與樹脂部11之界面不進行移動，因此，沿箭頭y2之方向牽拉發光晶片7之應力進行作用，作為結果，存在將發光晶片7接著於受光晶片6之透明接著構件19剝落，導致發光晶片7剝離之虞。若發光晶片7剝離，則發光面與受光面之位置關係偏離，故自發光晶片7發出之光中未被受光晶片6接收之洩漏光之比例變多，從而表現受光效率之光之耦合特性劣化。
若如此地為使用橡膠狀之矽酮10，使矽酮10與樹脂部11之密接性提昇而進行電漿洗淨，則容易引起發光晶片7之剝離。
另一方面，若使用橡膠狀之矽酮10，不進行電漿洗淨地使樹脂部11附著於矽酮10之表面，則因橡膠狀之矽酮10之收縮率大於由環氧樹脂形成之樹脂部11，而導致矽酮10與樹脂部11之間產生剝離。若矽酮10自樹脂部11剝離，則發光晶片7之上表面之接合線16變得容易斷線。
根據如此之背景，本實施形態係採用凝膠狀之矽酮，而不採用橡膠狀之矽酮。凝膠狀之矽酮係硬度值小於環氧樹脂或橡膠狀之矽酮，且容易塑性變形之材料。凝膠狀之矽酮之硬度值可利用例如硬度計進行計測。本實施形態中所使用之凝膠狀之矽酮係依據JIS K 6253或JIS K 7215(A類)，利用硬度計計測所得之硬度值為10~24範圍內者。本發明者將硬度值進行各種改變並進行實驗之後，獲知若硬度值未達10，則存在凝膠狀之矽酮之形狀變得容易變形，從而無法穩定地維持矽酮之外形形狀之虞。可知硬度為16以上，可形成更穩定之形狀。又，可知若硬度值超過24，則存在變得過硬，從而與樹脂部11之密接性變差，出現間隙之虞。
再者，為進行參考，而利用硬度計，對包含環氧樹脂之樹脂部11之硬度值進行測定後，硬度值為75。若凝膠狀之矽酮中硬度為10~24 之範圍內，則矽酮10與樹脂部11之密接性較佳，於PCT等之加速壽命試驗之前後未產生剝離等，又，於矽酮10之表面未產生剝離。如此般，樹脂部11之硬度值較理想為矽酮10之硬度值之3倍以上、即30以上。
根據本發明者之實驗，可知若利用硬度值為10~24、較理想為16~24之凝膠狀之矽酮將發光晶片7覆蓋，則即便進行壓力鍋試驗(PCT，Pressure Cooker Test)等高溫高濕度下之加速壽命試驗，亦不會產生發光晶片7之剝離。
於凝膠狀之矽酮10中，矽酮10與樹脂部11之接觸界面容易相應於應力而靈活地移動，即便一部分受到應力作用，亦可將該應力釋放至周圍，從而矽酮10作為應力緩和構件發揮功能。又，於使用凝膠狀之矽酮10之情形時，因與樹脂部11之密接性變得優於使用橡膠狀之矽酮10之情形，故不必將凝膠狀之矽酮10之表面進行電漿洗淨。藉此，可將製造步驟簡化。
再者，亦可對凝膠狀之矽酮10進行電漿洗淨。假設即便進行電漿洗淨，亦無損矽酮10與樹脂部11之界面相應於應力靈活地移動之性質，於矽酮10作為應力緩和構件發揮功能之方面並無改變。
又，電漿洗淨亦可於形成凝膠狀之矽酮10之前進行。即，於形成凝膠狀之矽酮10之前，藉由將發光晶片7與受光晶片6之表面進行電漿洗淨，而表面之濕潤性提昇，從而凝膠狀之矽酮10變得容易附著於表面。
因凝膠狀之矽酮10之厚度越厚，則越容易緩和應力，故而，較理想為使矽酮10儘可能地變厚。例如，如圖1所示，於受光晶片6之外形形狀為長方形，且積層於該受光晶片6之上之發光晶片7之外形形狀為正方形之情形時，如圖3A之模式圖所示，較理想為，於受光晶片6之上表面之大致中央部配置發光晶片7，且於受光晶片6之上表面之大 致全域配置矽酮10。於該情形時，於受光晶片6之長邊側之第2方向y上，更厚地形成矽酮10，從而可更加防止發光晶片7於該方向上之剝離。
再者，並非限定於受光晶片6之外形形狀必須為長方形，例如亦可能存在正方形之情形。於該情形時，如圖3B之模式圖所示，較理想為，於受光晶片6之上表面之大致中央部配置發光晶片7，且於4方向上均等地配置矽酮10。
如此一來，第1實施形態係於受光晶片6上積層發光晶片7，且利用凝膠狀之矽酮10將發光晶片7之表面覆蓋，利用包含環氧樹脂之樹脂部11將矽酮10之表面覆蓋，因而，矽酮10與樹脂部11之接觸界面相應於應力而靈活地移動，從而矽酮10作為應力緩和構件發揮功能，因此，即便溫度或濕度等環境條件出現變化，亦可防止發光晶片7之剝離。
(第2實施形態)
第2實施形態係利用橡膠狀之矽酮10，防止發光晶片7之剝離。
第2實施形態之光耦合裝置1係與圖1相同地構成。圖4係發光晶片7與受光晶片6之周邊之模式性剖視圖。如圖4所示，積層於受光晶片6上之發光晶片7之表面與連接於發光晶片7及受光晶片6之接合線16之一部分係由橡膠狀之矽酮10所覆蓋。矽酮10係由包含環氧樹脂等之樹脂部11所覆蓋。圖5係模式性表示橡膠狀之矽酮10與樹脂部11之界面附近之放大剖視圖。
本實施形態之橡膠狀之矽酮10係於發光晶片7之上表面側與側面側，厚度不同。更具體而言，矽酮10係使發光晶片7之上表面側之厚度薄於側面側之厚度。橡膠狀之矽酮10係於設為高溫而提昇柔軟性之狀態下，附著於發光晶片7之表面，因此，可使較多之矽酮與附著於發光晶片7之上表面側相比相對容易地附著於發光晶片7之側面側。
第2實施形態係利用矽酮10將發光晶片7之表面覆蓋之後，不將矽酮10之表面進行電漿洗淨地形成樹脂部11。樹脂部11係例如利用環氧樹脂形成。因此，若於橡膠狀之矽酮10之表面不進行電漿洗淨地將樹脂部11成形，則矽酮10因成形時之高溫而相較樹脂部11更膨脹，從而將矽酮10與樹脂部11相接地設置。因此，矽酮10與樹脂部11之密接性變得較佳。若樹脂部11之成形結束後，矽酮10及樹脂部11之溫度下降，則矽酮10相較樹脂部11更大地收縮。矽酮10係與形成於發光晶片7之上表面側相比，更厚地形成於側面側，故與上表面側相比，側面側進行收縮之尺寸變大。其原因在於，與上表面側相比，側面側之矽酮10之厚度更大，故整體之收縮量變大。
因而，發光晶片7之側面側係如圖5所示，於矽酮10與樹脂部11之間形成更大之第1空隙部21。該第1空隙部21變得大於發光晶片7之上表面側中之矽酮10與樹脂部11之間之第2空隙部22。藉由於矽酮10與樹脂部11之間形成第2空隙部22，而緩和矽酮10牽拉發光晶片7之應力，從而防止發光晶片7剝離。
於發光晶片7之上表面側，因矽酮10之厚度較薄，故矽酮10之收縮量較小，從而矽酮10與樹脂部11之間亦不會形成較大之間隙。因而，可防止配置於發光晶片7之上表面側之接合線16之斷線。
再者，於利用樹脂部11將矽酮10之表面覆蓋之前，可僅將矽酮10之一部分，具體而言可僅將發光晶片7之上表面側進行電漿洗淨，從而提昇發光晶片7之上表面側中之矽酮10與樹脂部11之密接性。藉此，即便矽酮10進行收縮，於矽酮10與樹脂部11之間亦難以產生第2空隙部22。若矽酮10與樹脂部11相接地設置，則矽酮10將企圖收縮之應力作用於牽拉發光晶片7之方向，但發光晶片7之上表面側因矽酮10之厚度較薄，故矽酮10之應力較小。因而，不會容易引起發光晶片7之剝離。又，於矽酮10之上表面側，將矽酮10與樹脂部11相接地設置 對於接合線16之防止斷線而言較為合適。
如此般，於第2實施形態中，因使矽酮10之厚度於發光晶片7之側面側厚於發光晶片7之上表面側，故矽酮10與樹脂部11之間之空隙之尺寸變成側面側大於上表面側。因而，可將自發光晶片7之側面側牽拉發光晶片7之應力緩和，從而可防止發光晶片7之剝離。於第2實施形態中，可一邊使用發光晶片7之剝離成為問題之橡膠狀之矽酮10，一邊防止發光晶片7之剝離，因此，無需變更矽酮之材料，便可防止發光晶片7之剝離。
上述第1及第2實施形態係針對將發光元件7接著於受光晶片6上之情形時防止剝離之結構進行了說明，但受光晶片6與發光元件7並非必要之構成。本發明可適用於將第2半導體元件接著於任意之第1半導體元件上之各種半導體裝置，且對於第1半導體元件與第2半導體元件之具體種類並無特別要求。
對本發明之若干個實施形態進行了說明，但該等實施形態係作為示例而提示者，且並非意在限定發明之範圍。該等新穎之實施形態可利用其它各種形態而實施，且可於不脫離發明之主旨之範圍內，進行各種省略、置換、變更。該等實施形態或其變化包含於發明之範圍或主旨中，並且包含於專利申請之範圍中記載之發明及其均等之範圍中。
2‧‧‧基板
2d‧‧‧背面
3‧‧‧第1焊墊
5‧‧‧第3焊墊
6‧‧‧受光晶片
7‧‧‧發光晶片
8‧‧‧第1 MOSFET
10‧‧‧矽酮
11‧‧‧樹脂部
12‧‧‧第1端子
15‧‧‧第4端子
16‧‧‧接合線
17‧‧‧接點
18‧‧‧圖案
19‧‧‧透明接著構件

Claims (7)

  1. 一種半導體裝置，其特徵在於具備：第1半導體元件、設置於上述第1半導體元件上之第2半導體元件、將上述第2半導體元件之表面覆蓋之凝膠狀之矽酮、及將上述矽酮之表面與上述第1半導體元件之表面覆蓋之樹脂部。
  2. 如請求項1之半導體裝置，其中上述矽酮依據JIS K 6253及JIS K 7215之至少一者之硬度的值為10至24。
  3. 如請求項1之半導體裝置，其中上述樹脂部之依據JIS K 6253及JIS K 7215之至少一者之硬度的值為30以上。
  4. 一種半導體裝置，其特徵在於：具備配置於基板上之第1半導體元件、具有上表面及側面且接著於上述第1半導體元件上之第2半導體元件、將上述第2半導體元件之表面覆蓋之橡膠狀之矽酮、及將上述矽酮之表面與上述第1半導體元件之表面覆蓋之樹脂部，上述第2半導體元件之上表面側之上述矽酮之厚度薄於上述第2半導體元件之側面側之上述矽酮之厚度。
  5. 如請求項4之半導體裝置，其具備：第1空隙部，其係設置於上述第2半導體元件之上表面中之上述矽酮與上述樹脂部之間；及第2空隙部，其係設置於上述第2半導體元件之側面中之上述矽酮與上述樹脂部之間，且空隙之尺寸大於上述第1空隙部。
  6. 如請求項1至5中任一項之半導體裝置，其中上述第1半導體元件 包含受光部，上述第2半導體元件包含發光部，且上述發光部係與上述受光部對向地配置。
  7. 一種光耦合裝置，其特徵在於具備：受光晶片、設置於上述受光晶片上之發光晶片、將上述發光晶片之表面覆蓋之凝膠狀之矽酮、及將上述矽酮之表面與上述受光晶片之表面覆蓋之樹脂部。
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