JP2004235212A - 気密端子とそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子から発生する熱を効率良く放熱し、自己発熱により発振波長の変化、発光効率の低下などの特性劣化を引き起こすことがない小型化、表面実装化も可能な気密端子とそれを用いた半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体素子搭載部と放熱部とを有するヒートシンクと、半導体素子と外部回路を接続する絶縁リードと、前記ヒートシンクと前記絶縁リードとを挿通する貫通孔が形成され第１主面と第２主面とを有するベースと、前記絶縁リードと前記ベースとを封止する封着ガラスと、前記ヒートシンクと前記ベースとを接着する金属系ろう材とからなり、ヒートシンクの放熱部が前記ベースの第２主面から外部に露出するよう形成し、半導体装置の放熱効率を向上する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気密端子とそれを用いた半導体装置に関し、特に放熱性に優れるパッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば発光ダイオード（以下、ＬＥＤと呼ぶ）は、砲弾型や表面実装型など様々な形態にパッケージングされ、テレビやエアコンなどリモート・コントロール用の送信部や、ＬＣＤディスプレイやプロジェクションディスプレイなどの光源に用いられる。また、半導体レーザーは（以下、ＬＤと呼ぶ）はＣＤやＤＶＤなどの光ピックアップや、レーザーメスなどの医療用レーザー装置など広範囲な分野に利用されている（例えば、特許文献１ 参照）。
【０００３】
従来の半導体装置として、図５（ａ）は半導体装置を示した上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＹ−Ｙ′線に沿った断面図であり、円形のベース１０６と、ベース１０６に形成された貫通孔に封着ガラス１０７を介して封止された絶縁リード１０４を備え、半導体レーザーチップ１０８（以下ＬＤ素子と称す）が接着される半導体素子搭載部１０２を備えてベース１０６の上面に接合されるヒートシンク１０１とを有する半導体装置用気密端子において、ベース１０６を鉄あるいは鉄系合金で形成し、ヒートシンク１０１を銅あるいは銅系合金で形成し、かつベース１０６が画く円の面積に対するベース１０６とヒートシンク１０１との接触面積の比率を７．９％以上となるよう銀ろう１０３で接着している。また、半導体素子搭載部１０２にＬＤ素子１０８を搭載し、ＬＤ素子１０８はワイヤ１０９を介して絶縁リード１０４と導通接続している。半導体素子搭載部１０２を保護するようキャップ１１０が接着されていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１８３４４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、ＬＤ素子１０８が取り付けられるヒートシンク１０１ならびに半導体素子搭載部１０２はＬＤ素子１０８の発熱を効果的に冷却するために熱伝導率が３９４Ｗ／ｍ＊Ｋと高い銅製のブロックが用いられている。しかし、ベース１０６は絶縁リード１０４と封着ガラス１０７を介して封着するので、軟鉄系の鉄が専ら用いられている。そのため、熱伝導率が６８Ｗ／ｍ＊Ｋと低いため軟鉄では、ＬＤ素子１０８の発熱を効率良く放熱することが出来ずに、ＬＤ素子１０８に自己発熱が滞留し、発振波長の変化、発光効率の低下などの特性劣化を引き起こすという問題がある。また、近年、青色や紫色などの高輝度、高周波数、高出力の発光素子が用いられてきており、さらなる放熱効率の向上が要求されている。
【０００６】
本発明は上記問題を解決するもので、ＬＤ素子１０８から発生する熱を迅速に吸熱し、かつ効率良く外部に放熱することができ、ＬＤ素子１０８が自己発熱により発振波長の変化、発光効率の低下などの特性劣化を引き起こすことなく小型化、表面実装化も可能な気密端子とそれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
従来の課題を解決するために、本発明による気密端子は、半導体素子搭載部と放熱部とを有するヒートシンクと、半導体素子と外部回路を接続する絶縁リードと、前記ヒートシンクと前記絶縁リードとを挿通する貫通孔が形成され第１主面と第２主面とを有するベースと、前記絶縁リードと前記ベースとを封止する封着ガラスと、前記ヒートシンクと前記ベースとを接着する金属系ろう材とからなり、ヒートシンクの放熱部が前記ベースの第２主面から露出している。
【０００８】
これによれば、ヒートシンクの容量を大きく確保することができ、かつ放熱部の面積が確保でき、吸熱速度、放熱効率に優れるものである。
【０００９】
次に、半導体素子と、前記半導体素子を取り付ける半導体素子搭載部と放熱部とを有するヒートシンクと、前記半導体素子と外部回路を接続する絶縁リードと、前記半導体素子と前記絶縁リードとを導通接続するワイヤと、前記ヒートシンクと前記絶縁リードとを挿通する貫通孔が形成されたベースと、前記絶縁リードと前記ベースとを封止するガラスと、前記ヒートシンクと前記ベースとを接着する金属系ろう材と、前記ベースの第１主面周縁部に装着するキャップとからなり、前記ヒートシンクの放熱部が前記ベースの第２主面から露出したものである。
【００１０】
これによれば、半導体素子の動作時における発熱をヒートシンクで迅速に吸熱し、外部に露出している放熱部で吸熱した熱を効率よく放熱するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態として気密端子を用いた半導体装置について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１（ａ）は本発明に係る気密端子を示した斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ′線に沿った断面図である。１はヒートシンク、２はＬＥＤやＬＤなどの半導体素子を搭載する半導体素子搭載部、３は放熱部、４は金属系ろう材として例えば銀ろう、５は絶縁リード、６はアースリード、７は絶縁リード５とヒートシンク１とを挿通する貫通孔１３ａ、１３ｂが形成されたベース、８は絶縁リード５とベース７とを電気的に絶縁し、気密的に封着する封着ガラスである。
【００１３】
この説明ではベース７が有する水平面の半導体素子搭載部２側を第１主面、放熱部３側を第２主面と称することとする。
【００１４】
詳細な構成を下記に説明する。ヒートシンク１は熱伝導率が高い金属として、例えば、銅製のブロック（熱伝導率３９４Ｗ／ｍ＊Ｋ）からなり、半導体素子搭載部２と放熱部３とともに絶縁リード５を挿通する挿通穴１４が形成されている。鉄製のベース７は封着ガラス８と絶縁リード５との封着性が良好な金属、例えば、軟鉄（熱伝導率６８Ｗ／ｍ＊Ｋ）からなり、ヒートシンク１と絶縁リード５とを挿通する貫通孔１３ａ、１３ｂが形成されており、貫通孔１３ａには封着ガラス８を介して絶縁リード５が封着されている。
【００１５】
ベース７の第１主面から半導体素子搭載部２が、第２主面から放熱部３が露出し、且つ挿通穴１４に絶縁リード５を挿通した状態にヒートシンク１を貫通孔１３ｂに挿通し、銀ろう４を介してベース７に接着されている。このとき、ヒートシンク１は絶縁リード５との絶縁のため、挿通穴１４内で一定の間隔で保持されるよう挿通穴１４の内径を設定するとともに、ベース７の外径寸法よりも、放熱部３の外径寸法を小さく設定している。
【００１６】
これによれば、ヒートシンク１がベース７の第１主面から露出した半導体素子搭載部２から第２主面に露出した放熱部３までを熱伝導率の高い銅の一体構造となる。これにより、半導体素子搭載部２より熱を迅速に吸熱し、放熱部３から吸熱した熱を効果的に気密端子の外部に放熱することができるものである。さらに、ベース７の第２主面と放熱部３との間に一部隙間９を設けることで、放熱効率が一段と向上するものである。さらに、絶縁リード５のベース７の第２主面から露出した一方端は、挿通穴１４から露出している。これにより、リフローで実装が可能な気密端子となる。
【００１７】
また、ベース７から外部に露出しているヒートシンク１の放熱部３がアースリードの役割も果たしている。
【００１８】
（実施例２）
図２（ａ）は本発明に係る気密端子を示した斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ′線に沿った断面図である。１はヒートシンク、２はガリウム砒素などからなる半導体素子を搭載する半導体素子搭載部、３は放熱部、４は金属系ろう材として例えば銀ろう、５は絶縁リード、６はアースリード、７は絶縁リード５とヒートシンク１とを挿通する貫通孔１３ａ、１３ｂが形成されたベース、８は絶縁リード５とベース７とを電気的に絶縁し、気密的に封着する封着ガラスである。
【００１９】
この説明ではベース７が有する水平面の半導体素子搭載部側を第１主面、放熱部３側を第２主面と称することとする。
【００２０】
詳細な構成を下記に説明する。ヒートシンク１は熱伝導率が高い金属として、例えば、銅製のブロック（熱伝導率３９４Ｗ／ｍ＊Ｋ）からなり、半導体素子搭載部２と放熱部３とで形成されている。ベース７は封着ガラス８と絶縁リード５との封着性が良好な金属、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金（以下コバールと称する）（熱伝導率１７Ｗ／ｍ＊Ｋ）からなり、ヒートシンク１と絶縁リード５とを挿通する貫通孔１３ａ、１３ｂが形成されており、貫通孔１３ａには封着ガラス８を介して絶縁リード５が封着され、貫通孔１３ｂには銀ろう４を介して半導体素子搭載部２と放熱部３とが接着されている。
【００２１】
ベース７の第１主面から半導体素子搭載部２が、第２主面から放熱部３が露出し、且つヒートシンク１を貫通孔１３ｂに挿通し、銀ろう４を介してベース７に接着されている。このとき、ヒートシンク１はベースの外径寸法よりも、放熱部３の外径寸法を小さく設定している。
【００２２】
これによれば、ヒートシンク１がベース７の第１主面から露出した半導体素子搭載部２から第２主面に露出した放熱部３までを銀ろう４を介して熱伝導率の高い銅の一体構造となる。
【００２３】
これにより、半導体素子搭載部２より熱を迅速に吸熱し、放熱部３から吸熱した熱を効果的に気密端子の外部に放熱することができるものである。さらに、ベース７の第２主面と放熱部３との間に一部隙間９を設けることで、放熱効率が一段と向上するものである。さらに、絶縁リード５のベース７の第２主面から露出した一方端は、放熱部３より突出している。これにより、リフローで実装が可能な気密端子となる。
【００２４】
また、ベース７から外部に露出しているヒートシンク１の放熱部３がアースリードの役割も果たしている。
【００２５】
一方、半導体素子搭載部２と放熱部３とを個別に成型しているので、加工精度に優れるとともに加工コストを抑えたヒートシンク１となる。
【００２６】
（実施例３）
次に、図３（ａ）は本発明に係る気密端子を用いた半導体装置を示した斜視図、図３（ｂ）は図３（ｂ）のＣ−Ｃ′線に沿った断面図である。１０はＬＥＤやＬＤなどからなる半導体素子、１１は絶縁リード５と半導体素子１０とを導通接続するワイヤ、１２は天窓にレンズが形成されたキャップである。半導体素子１０は半導体素子搭載部２に導電性ペースト（図示せず）を介して接着され、半導体素子１０はワイヤ１１を介して絶縁リード５と導通されている。ベース７の第１主面周縁部に天窓にレンズが形成されたキャップ１２が抵抗溶接されている。
【００２７】
なお、気密端子の構成は先に述べたことと同様のため、詳細な説明は省略する。
【００２８】
半導体素子１０はベース７の第１主面から露出したヒートシンク１の半導体素子搭載部２に導電性ペースト（図示せず）を介して搭載されている。搭載された半導体素子１０は絶縁リード５と金などのワイヤ１１を介して導通接続されている。キャップ１２はベース７の第１主面周縁部に抵抗溶接されている。以上のように本実施形態によれば、ヒートシンク１がベース７の第１主面から露出した半導体素子搭載部２からベース７の第２主面に露出した放熱部３まで一体的に熱伝導率の高い銅で形成されている。これにより、半導体素子搭載部２に取り付けられた半導体素子１０が動作時に発生する熱を素早く吸熱し、放熱部３から吸熱した熱を効果的に気密端子の外部に放熱することができ発光効率の低下を防ぐものである。さらに、絶縁リード５のベース７の第２主面から露出した一方端は、挿通穴１４から露出している。これにより、リフローで実装が可能な気密端子となる。また、ベース７から外部に露出しているヒートシンク１の放熱部３がアースリードの役割も果たしている。ベース７の外径寸法よりも、放熱部３の外径寸法を小さく設定していることから、ベース７とキャップ１２との抵抗溶接を可能にするものである。
【００２９】
（実施例４）
次に、図４（ａ）は本発明に係る気密端子を用いた半導体装置を示した斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ′線に沿った断面図である。１０は半導体素子、１１は絶縁リード５と半導体素子１０とを導通接続するワイヤ、１２は半導体素子１０を外部環境から保護するなどの目的を有するキャップである。半導体素子１０は半導体素子搭載部２に接着剤として例えば金−錫合金（図示せず）を介して接着され、半導体素子１０はワイヤ１１を介して絶縁リード５と導通されている。ベース７の第１主面周縁部にキャップ１２が金−錫合金（図示せず）により溶着されている。
【００３０】
なお、気密端子の構成は先に述べたことと同様のため、詳細な説明は省略する。
【００３１】
半導体素子１０はベース７の第１主面から露出したヒートシンク１の半導体素子搭載部２に接着剤として例えば金−錫合金（図示せず）を介して搭載されている。搭載された半導体素子１０は絶縁リード５と金などのワイヤ１１を介して導通接続されている。キャップ１２はベース７の第１主面周縁部に金−錫合金（図示せず）により溶着されている。以上のように本実施形態によれば、ヒートシンク１がベース７の第１主面から露出した半導体素子搭載部２からベース７の第２主面に露出した放熱部３まで銀ろう４を介して一体的に熱伝導率の高い銅で形成されている。これにより、半導体素子搭載部２に取り付けられた半導体素子１０が動作時に発生する熱を素早く吸熱し、放熱部３から吸熱した熱を効果的に気密端子の外部に放熱することができ発光効率や素子特性の低下を防ぐものである。さらに、絶縁リード５のベース７の第２主面から露出した一方端は、放熱部３より突出している。これにより、リフローで実装が可能な気密端子となる。また、ベース７から外部に露出しているヒートシンク１の放熱部３がアースリードの役割も果たしている。
【００３２】
一方、半導体素子搭載部２と放熱部３とを個別に成型しているので、加工精度に優れるとともに加工コストを抑えたヒートシンク１となる。
【００３３】
ベース７の外径寸法よりも、放熱部３の外径寸法を小さく設定していることから、ベース７とキャップ１２との抵抗溶接も可能となる。
【００３４】
なお、上記実施例ではＬＤ素子について説明したが、ヒートシンク１に凹形状を設けることで、ＬＥＤ素子などの受発光素子においても同様の効果を発揮することはもちろんであるが、その他、動作時に高温となるガリウム砒素系の半導体素子などの搭載にも有効である。
【００３５】
以上、本発明による気密端子とそれを用いた半導体装置の一実施形態について説明したが、本発明の思想に逸脱しない限り適宜変更可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の気密端子によれば、高輝度、高周波数、高出力特性を有し、かつ小型化、薄型化を実現できる気密端子とそれを用いた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による実施例１の
（ａ）は斜視図
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′線に沿った断面図
【図２】本発明の一実施形態による実施例２の
（ａ）は斜視図
（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ′線に沿った断面図
【図３】本発明の一実施形態による実施例３の
（ａ）は斜視図
（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ′線に沿った断面図
【図４】本発明の一実施形態による実施例４の
（ａ）は斜視図
（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ′線に沿った断面図
【図５】従来の半導体装置の
（ａ）は上面図
（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ′線に沿った断面図
【符号の説明】
１ ヒートシンク
２ 半導体素子搭載部
３ 放熱部
４ 銀ろう
５ 絶縁リード
６ アースリード
７ ベース
８ 封着ガラス
９ 隙間
１０ 半導体素子
１１ ワイヤ
１２ キャップ
１３ａ 貫通孔
１３ｂ 貫通孔
１４ 挿通穴
１０１ ヒートシンク
１０２ 半導体素子搭載部
１０３ 銀ろう
１０４ 絶縁リード
１０５ アースリード
１０６ ベース
１０７ 封着ガラス
１０８ ＬＤ素子
１０９ ワイヤ
１１０ キャップ

Claims (12)

1. 半導体素子搭載部と放熱部とを有するヒートシンクと、半導体素子と外部回路を接続する絶縁リードと、前記ヒートシンクと前記絶縁リードとを挿通する貫通孔が形成され第１主面と第２主面とを有するベースと、前記絶縁リードと前記ベースとを封止する封着ガラスと、前記ヒートシンクと前記ベースとを接着する金属系ろう材とからなり、ヒートシンクの放熱部が前記ベースの第２主面から露出されてなる気密端子。
2. 前記半導体素子搭載部と前記放熱部とが一体形成されてなる前記ヒートシンクを備えた請求項１記載の気密端子。
3. 前記ヒートシンクの前記半導体素子搭載部と前記放熱部とが前記貫通孔内で、前記金属系ろう材により接合されてなるヒートシンクを備えた請求項１記載の気密端子。
4. 前記放熱部に前記絶縁リードが挿通される挿通穴が形成されてなるヒートシンクを備えた請求項１、２また３記載の気密端子。
5. 前記ベースの外径寸法よりも、前記ヒートシンク放熱部の外径寸法が小さいヒートシンクを備えた請求項１、２、３また４記載の気密端子。
6. 前記ヒートシンクが銅または銅合金からなる請求項１、２、３、４または５記載の気密端子。
7. 半導体素子と、前記半導体素子を取り付ける半導体素子搭載部と放熱部とを有するヒートシンクと、前記半導体素子と外部回路を接続する絶縁リードと、前記半導体素子と前記絶縁リードとを導通接続するワイヤと、前記ヒートシンクと前記絶縁リードとを挿通する貫通孔が形成されたベースと、前記絶縁リードと前記ベースとを封止するガラスと、前記ヒートシンクと前記ベースとを接着する金属系ろう材と、前記ベースの第１主面周縁部に装着するキャップとからなり、前記ヒートシンクの放熱部が前記ベースの第２主面から露出されてなる半導体装置。
8. 前記半導体素子搭載部と前記放熱部とが一体形成されてなる前記ヒートシンクを備えた請求項７記載の半導体装置。
9. 前記ヒートシンクの前記半導体素子搭載部と前記放熱部とが前記貫通孔内で、前記金属系ろう材により接合されてなるヒートシンクを備えた請求項７記載の半導体装置。
10. 前記ヒートシンクに前記絶縁リードが挿通される挿通穴が形成されてなる請求項７、８または９記載の半導体装置。
11. 前記ベースの外径寸法よりも、前記ヒートシンク放熱部の外径寸法が小さいヒートシンクを備えた請求項７、８、９また１０記載の気密端子。
12. 前記ヒートシンクが銅または銅合金からなる請求項７、８、９、１０または１１記載の半導体装置。

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