JP5167977B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本件発明は、半導体素子を搭載した半導体装置に関し、より詳細には、半導体素子で発生した熱を効率的に放出し得る半導体装置に関する。

近年の電子機器の小型化および薄膜化に伴って、回路基板へ表面実装が可能な発光装置の需要が急速に増加している。

この種の発光装置は、例えば、ＬＥＤチップの下部に電極が配置され、この電極が発光装置の側面又は裏面に回りこむように加工されており、回路基板上に発光装置を載置することで、発光装置と回路基板の導体配線とが接続されるように構成されている。また、チップの表面は、封止樹脂であるエポキシ樹脂等によって封止されている。

このような発光装置は、ＬＥＤチップ自体の発熱によって、チップの劣化が著しく加速されるため、放熱特性を向上させることにより、ＬＥＤチップの温度上昇が抑制され、ＬＥＤチップの寿命を長期化することが知られている。

また、青色発光ダイオードや、青色発光ダイオードの青色光を白色光に変換して出力する白色発光ダイオードでは、赤色発光ダイオードに比べて放射光のエネルギーが高く、そのためＬＥＤチップを封止する封止樹脂が、ＬＥＤチップの放射光によって劣化し、褐色に呈色する。このような封止樹脂の呈色反応は光化学反応であるが、封止樹脂の温度が高くなると、その反応速度が速くなることも知られている。

このような半導体素子の発熱に起因する不具合を防止するために、例えば、特許文献１には、ＬＥＤチップを搭載する基板に放熱部材を内包させ、ＬＥＤチップで発生する熱を発散させる発光装置が提案されている。

しかし、この発光装置は、放熱部材が基板に内包、つまり、放熱部材が基板を構成する絶縁体によって覆っていることから、放熱経路に絶縁体が配置されることとなり、十分な放熱性が得られないとともに、側面及び裏面の一部において放熱部材が露出していることから、短絡が生じたり、電極の加工における制約が生じたりするという課題がある。

これに対して、例えば、特許文献２には、アルミニウム等からなる基板上に直接、ＬＥＤチップを熱結合して配置することにより、ＬＥＤチップの温度上昇を抑制する光源装置が提案されている。確かに、アルミニウム基板のような熱伝導性を有する部材に直接ＬＥＤを配置することにより、十分な放熱性が確保される。

この光源装置を表面実装部品（ＳＭＤ：Surface Mount Device）とする場合には、裏面に外部接続用の端子を形成することが必要となるが、熱伝導性を有する部材を基板として用いると、基板裏面において外部接続端子面積が小さくなり、それに伴って、回路基板との半田による密着性が減少するなど、種々の構造上の制約が増加するという課題があった。

特許文献３および４に記載された発明は、基板を構成する絶縁性部材に熱伝導性部材が完全に埋め込まれており、上述した特許文献１に開示された先行技術と比較して、高い放熱性を維持しつつ、装置の小型化および薄膜化、回路基板への実装等において、高い自由度を備えることができる。

特開２００１−１１１１１６号公報 特開２００２−９４１２２号公報 特開２００１−１２７２２４号公報 特開２００１−１８９５３４号公報

しかしながら、セラミックスや樹脂のような絶縁性部材に金属材料を含む熱伝導性部材を埋め込む構成とすると、異なる材料間での密着性の低下が懸念される。具体的には、タングステンと銅を含む材料を熱伝導性部材とし、アルミナを絶縁性部材の材料としたとき、熱伝導性部材と絶縁性部材との界面で剥離が発生することも考えられる。そのため、熱伝導性部材を挟んだ絶縁性部材の上層と下層との間での接続が保てなくなる虞がある。その一方、絶縁性部材の上層と下層との間での接続を確保しようとして、熱伝導性部材の量を低減させると、放熱性が低下してしまう。

そこで、本発明は、熱伝導性部材を挟んだ絶縁性部材の上層と下層との間での接続が保ちつつ、熱伝導性部材の量を絶縁性部材に対して比較的低減させることなく、放熱性を向上させることを目的とする。

本発明の半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子を収容する凹部を有するパッケージと、を備え、上記パッケージを構成する絶縁性部材の内部に熱伝導性部材が埋設された半導体装置であって、上記凹部の側壁は、上記凹部を形成する最も外側の側壁と前記凹部の底面に設けられた半導体素子の搭載部との間に段差部を有しており、上記熱伝導性部材は、上記搭載部の下から上記段差部の下まで延長されていることを特徴とする。

上記導体配線と熱伝導性部材との間に、上記パッケージを構成する絶縁性部材が０．１ｍｍ以下の厚みで配置されてなることが好ましい。

上記パッケージは、その背面に、外部接続端子を有しており、その外部接続端子と熱伝導部材との間にパッケージを構成する絶縁性部材が０．１ｍｍ以下の厚みで配置されてなることが好ましい。

上記パッケージの絶縁性部材は、セラミックスを材料として含むことが好ましい。また、上記熱伝導性部材は、ＣｕＷを材料として含むことが好ましい。

本発明のように、パッケージ内部であって、導体配線の下方に熱伝導性部材が埋設された半導体装置によれば、半導体素子からの発熱を効率的に逃がすことができるとともに、導体配線と熱伝導性部材とのオーバーラップが可能になるために、半導体装置の小型化、薄膜化を実現しながら、電極加工等の構造上の制約を最小限にとどめて、発光素子の設計において自由度を確保することができる。

このように熱伝導性部材が絶縁性部材に埋め込まれたパッケージにおいて、本発明は、熱伝導性部材を挟んだ絶縁性部材の上層と下層との間での接続が保ちつつ、熱伝導性部材の量を絶縁性部材に対して比較的低減させることなく、放熱性を向上させることができる。すなわち、本発明は、パッケージの凹部を形成する絶縁性部材の側壁のうち、熱伝導性部材の側面より外側にある段差部の一部および凹部を形成する最も外側の側壁により、熱伝導性部材の上側と下側にある絶縁性部材の接続を確保するとともに、熱伝導性部材を水平方向（すなわち、熱伝導性部材の厚み方向に対して垂直な方向）に最大限大きくすることができるので、パッケージの放熱性をも確保することができる。

半導体素子は、金属材料を含む支持基板の上に積層された半導体層を有する発光素子であり、その発光素子は、支持基板を熱伝導性部材の側に向けてパッケージに配置されていることが好ましい。これにより、発光素子からの放熱性が向上され、高出力な発光装置とすることができる。

パッケージに設けられた凹部の内壁は、半導体素子の搭載部の外側に段差部を有しており、その段差部の上面に配置された導体配線を正負一対の電極として分離する絶縁部が、発光素子の外形における対角線の延長方向に設けられていることが好ましい。さらに、上記絶縁部は、発光素子の外形の角を中心とする扇形であることが好ましい。これにより、パッケージを構成する絶縁性部材による光の損失を少なくして、光取り出し効率の高い発光装置とすることができる。

パッケージに配置された発光素子から、凹部内の段差部の上面における導体配線に延長された複数の導電性ワイヤの延長方向が、それぞれ略直角であることが好ましい。これにより、ワイヤ切れの発生率が低減されるため、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体装置を例示するものであって、本発明は、半導体装置を以下に限定するものではない。

また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものではない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定の記載がない限り、本発明の請求の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる例示にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。さらに、本発明の半導体装置を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

図１は、本形態における半導体装置のパッケージを示す平面図である。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線における鉛直方向の断面図である。図３は、本形態における半導体装置のパッケージを示す背面図である。図４は、図１に示されるパッケージに半導体素子を載置した半導体装置の平面図である。

図２に示されるように、半導体装置のパッケージにおける凹部の側壁は、凹部の底面に配置される半導体素子の搭載部との間に段差部を有し、パッケージは、そのパッケージを構成する絶縁性部材の内部に埋設された熱伝導性部材を備えており、その熱伝導性部材は、半導体素子の搭載部の下から段差部の下まで、熱伝導性部材の厚み方向に対して略垂直な方向に延長されている。

図４に示されるように、本発明の半導体装置は、主として、半導体素子１４と、導体配線１１、１１ａａ、１１ａｂ、１１ｂが形成されたパッケージ１０とから構成される。

半導体素子は、通常、半導体発光素子であり、特に、いわゆる発光ダイオードと呼ばれる半導体発光素子であることが好ましい。例えば、基板上に、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化物半導体、ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体、ＩＩ-ＶＩ族化合物半導体等、種々の半導体によって、活性層を含む積層構造が形成されたものが挙げられる。なかでも、窒化物半導体からなる青色系の光を発する活性層を有するものが好ましい。得られる発光素子の発光波長は、半導体の材料、混晶比、活性層のＩｎＧａＮのＩｎ含有量、活性層にドープする不純物の種類を変化させるなどによって、紫外領域から赤色まで変化させることができる。

半導体素子は、活性層に対して同じ側に正負電極の双方を有するものや、活性層に対して異なる側に正負電極をそれぞれ有するもののいずれであってもよい。

図８は、本形態の半導体装置を構成する半導体素子の一例として、活性層に対して異なる側に正負一対の電極を有する発光素子の断面図を示す。発光素子１４は、金属を材料とする支持基板１９と、その支持基板１９の一方の主面上に形成された接合層２０と、その接合層２０の上に形成されたｐ型半導体層２１と、そのｐ型半導体層２１の上に形成された活性層２２と、その活性層２２の上に形成されたｎ型半導体層２３と、ｎ型半導体層２３に形成されたｎ側電極２４とを有する積層体からなる。ここで、接合層２０は、ｐ型半導体層２１と支持基板１９とを接着するための共晶材（例えば、半田やＡｕＳｎ共晶材）からなる層である。また、支持基板１９の金属材料として、例えば、Ｓｉ、ＣｕＷを用いることができる。さらに、支持基板１９の他方の主面上に共晶材２５（例えば、Ａｕ、Ｓｎ等を材料とする共晶材）を配置し、パッケージに固定するときの導電性接着材とすることができる。なお、支持基板１９または共晶材２５の側をｐ側電極とする。

このように、金属材料を支持基板として形成した発光素子は、活性層に対して異なる側に正負電極を設けることができ、また、その支持基板の一方の面を実装面として利用することができる。すなわち、このような発光素子は、支持基板の一方の面をパッケージへの実装面として、本発明の熱伝導性部材を被覆する絶縁層又はその絶縁層の上に配置した導体配線の上に配置される。これにより、発光素子の実装面を形成する支持基板を放熱経路とすることができる。そのため、サファイア基板を支持基板とする発光素子と比較して発光素子からの放熱性を向上させることができるため、発光出力が高い半導体装置を得ることができる。

半導体素子は、後に詳述するパッケージにおける導体配線、好ましくは正又は負電極のいずれか、あるいは別途設けられた載置領域の上に載置される。通常、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン等の樹脂、Ａｕ−Ｓｎ共晶などの半田、低融点金属等のろう材、銀、金、パラジウムなどの導電性ペースト等を用いて、半導体素子をパッケージの所定領域にダイボンディングすることができる。

また、半導体素子に形成された電極は、パッケージにおける導体配線と接続される。半導体素子が同一面側に正及び負電極を有する場合には、半導体素子の正電極とパッケージの正電極、半導体素子の負電極とパッケージの負電極とをワイヤボンディングすることが好ましい。また、半導体素子の正負電極が半導体素子の上面側と裏面側に設けられている場合には、通常、裏面側の電極は、半導体素子をパッケージの一方の電極に載置して、ダイボンディングすることにより、パッケージの一方の電極と接続される。

半導体装置には、半導体素子は、１つのみならず、複数個搭載されていてもよい。この場合には、同じ発光色の光を発する半導体素子を複数個組み合わせてもよいし、ＲＧＢに対応するように、発光色の異なる半導体素子を複数個組み合わせてもよい。半導体素子が複数個搭載される場合、半導体素子は、並列及び直列等のいずれの接続関係となるようにパッケージの電極と電気的に接続してもよい。

また、本発明の半導体装置には、保護素子が搭載されていてもよい。保護素子は、１つでもよいし、複数個でもよい。また、半導体素子からの光を保護素子が遮光しないように、パッケージの内部に形成されていてもよいし、保護素子を収納する凹部を特別に設けたパッケージとしてもよい。ここで、保護素子は、特に限定されるものではなく、半導体装置に搭載される公知のもののいずれでもよい。例えば、過熱、過電圧、過電流、保護回路、静電保護素子等が挙げられる。具体的には、ツェナーダイオード、トランジスタのダイオード等が利用できる。

パッケージ１０は、この種の半導体装置を製造するために一般に用いられる形態であれば特に限定されないが、少なくとも、セラミックスからなる絶縁層１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆと、半導体素子１４に接続される導体配線１１、１１ａａ、１１ａｂ、１１ｂと、パッケージ１０の内部であって、導体配線１１、１１ａａの下方に絶縁層１０ｅ、１０ｇを介して埋設された熱伝導性部材１２とを含んで構成されている。

パッケージ１０は、通常、上述した絶縁層１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇを、種々のパターンとした絶縁材料を多層積層されて構成されている。このようなパッケージを用いることにより、反りが少なく、平坦度を確保することができ、耐半田クラック性を実現することができる。

セラミックスとしては、例えば、アルミナ、ムライト、フォルステライト、ガラスセラミックス、普通磁器、窒化物系（ＡｌＮ）、炭化物系（ＳｉＣ）等が挙げられる。なかでも、アルミナからなる又はアルミナを主成分とするセラミックスが好ましい。

また、パッケージには、セラミックス以外の絶縁性材料からなる絶縁層をその一部に有していてもよい。このような材料としては、例えば、ＢＴレジン、ガラスエポキシ、エポキシ系樹脂等が挙げられる。

パッケージは、その表面が略平坦であってもよいが、半導体素子を搭載するための凹部が形成されていることが好ましい。これにより、半導体素子の表面に形成された電極と、後述する導体配線との距離を最小限とすることができ、ワイヤ等による両者の接続を確実に行うことが可能となる。凹部の大きさは特に限定されるものではなく、搭載する半導体素子の大きさ、数などによって適宜調整することができる。

パッケージに形成される導体配線１１、１１ａａ、１１ａｂ、１１ｂは、パッケージの上面、つまり、半導体素子の載置面においては、半導体素子の正負の各電極と接続される正負の各電極として機能する部位１１ａａ、１１ａｂ、１１ｂと、パッケージの上面から裏面側にわたって貫通又は連続して形成される配線として機能する部位（図示せず）と、パッケージの裏面又は側面において、つまり、回路基板に実装される場合の外部接続端子として機能する部位１１とを備えて構成されている。これらの導体配線は、通常、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ等を主成分とする金属又は合金層の単層又は複数層等によって形成される。また、これらの導体配線は、パッケージ表面においては、蒸着又はスパッタ法とフォトリソグラフィー工程とにより、あるいは印刷法等により、あるいは電解めっき等により形成することができ、パッケージを貫通し、いわゆる導体配線（電極材料等）とされる場合には、セラミックスのグリーンシートとして、印刷法、積層等によって形成することができる。これにより、基板をダイシングする際に電極部分を切断することがない形状を容易に形成することができる。そのため、バリ等を発生させることなく、加工を容易かつ精度よく行うことができる。

図２および図３に示されたように、パッケージ１０は、その内部に、熱伝導性部材１２を埋設して備える。ここでの埋設とは、熱導電性部材１２の全体が、ほぼ完全にパッケージ１０を構成する絶縁層に被覆される状態を指す。これにより、パッケージの上面又は裏面を、平面視して、導体配線１１、１１ａａ、１１ａｂ、１１ｂと熱伝導性部材１２とがオーバーラップするように配置することができ、半導体装置のより小型化を実現することができるとともに、導体配線、回路基板等における配線又は電極等との短絡を確実に防止することができる。

また、熱伝導性部材の上に配置される導体配線の配置パターンを熱伝導性部材の平面的な広がりの形状に併せるべく、導体配線の配置パターンに、半導体素子の搭載部やワイヤボンディング部以外に、熱伝導性部材を平面的に見た形状の周縁部に被る延長部を余分に設けることが好ましい。すなわち、導体配線の配置パターンは、半導体素子の搭載部やワイヤボンディング部に接続して、それらの部位から熱伝導性部材の周縁部まで延長する延長部を有している。これにより、導体配線に配置させた半導体素子から熱伝導性部材への放熱性を更に向上させることができる。

熱伝導性部材としては、例えば、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度以上、好ましくは２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度以上の熱伝導率を有しているものが挙げられる。例えば、窒化アルミニウムのようなセラミックス、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属又は鉄−ニッケル合金、燐青銅、鉄入り銅、ＣｕＷあるいはこれらの表面に銀、アルミニウム、銅、金等の金属メッキ膜が施されたもの等によって形成することができるが、なかでも、ＣｕＷが好ましい。これにより、パッケージのグリーンシートの形成または積層、焼成等によって、パッケージと同時に形成することができる。

熱伝導性部材１２は、例えば、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の厚みであることが適している。

パッケージの上面、つまり、半導体素子の載置面では、熱伝導性部材１２は、パッケージ１０を構成する上述した絶縁層１０ｅを介して、導体配線１１ａａの下方に配置されている。この場合の絶縁層１０ｅの厚みは、０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下、好ましくは０．０９ｍｍ以下、より好ましくは０．０８ｍｍ以下である。このように薄膜とすることにより、半導体素子を直に熱伝導性部材へ載置するのと同程度に、熱伝導性部材による放熱性を十分確保することが可能となるとともに、絶縁性を確実にしながら、半導体素子の電極と接続するための電極となる導体配線とオーバーラップさせることにより半導体装置の小型化を実現することができる。

図３に示されるように、パッケージ１０の裏面、つまり、回路基板への実装面では、熱伝導性部材１２は、パッケージ１０を構成する上述した絶縁層１０ｇを介して、導体配線１１の下方に配置されている。この場合の絶縁層１０ｇの厚みは０．１ｍｍ以下、好ましくは０．０９ｍｍ以下、より好ましくは０．０８ｍｍ以下である。このように薄膜とすることにより、熱伝導性部材１２によるパッケージ１０の裏面からの放熱性を十分確保することが可能となる。さらに、絶縁性を確実にしながら、外部端子となる導体配線とオーバーラップさせることができ、半導体装置の小型化を実現しながら、外部端子の表面積を稼いで、回路基板との接触面積を増加させて、半田クラック等による影響を最小限にとどめ、密着性を向上させることが可能となる。

なお、パッケージには、導体配線以外に、半導体素子を載置するために、導体配線と同様の材料が形成された領域を別途有していてもよい。

また、本発明の半導体装置では、パッケージに配置された半導体素子の上部が、通常、封止樹脂によって被覆されている。図５は、図４に示されるパッケージ１０の正面に封止樹脂を形成した半導体装置の斜視図である。図５に示されたように、封止樹脂は、発光素子からの光を、正面方向に集光させるための凸レンズ形状など、光学特性を考慮した種々の形状とすることができる。このような封止樹脂の材料としては、透光性を有するものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、アクリレート樹脂、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ等）、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリノルボルネン樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、変性エポキシ樹脂等の１種又は２種以上等の樹脂、液晶ポリマー等、当該分野で通常用いられる材料から選択することができる。なかでも、エポキシ、シリコーン、変成シリコーン、ウレタン樹脂、オキセタン樹脂等が適している。

ここで、透光性を有するとは、半導体素子からの光を、封止樹脂を通して観察できる程度に光を透過させるものであればよい。このような樹脂には、例えば、蛍光体又は顔料、フィラー又は拡散材等の追加の成分が含有されていてもよい。これら追加の成分は、特に限定されず、例えば、ＷＯ２００６／０３８５０２号、特開２００６−２２９０５５号に記載の蛍光体又は顔料、フィラー又は拡散材等が挙げられる。なお、封止部材は、半導体素子、正電極及び負電極、ワイヤ全体を被覆するような形状に形成することが好ましい。

以下に、本発明の半導体装置の実施例を図面に基づいて、具体的に説明する。

図１は、本実施例における半導体装置のパッケージを示す平面図である。図２は、図１に示す平面図におけるＩＩ−ＩＩ線における鉛直方向の断面図である。図３は、本実施例における半導体装置のパッケージを示す背面図である。図８は、本実施例における発光素子の断面図である。

本実施例の半導体装置は、図１の平面図、図２の断面図および図３の背面図に示したように、外形が略直方体形状のアルミナ系セラミックスからなる絶縁性のパッケージ１０の上面に、凹部１３が形成されている。

図２に示されるように、本実施例のパッケージにおける凹部の側壁は、凹部の底面に配置された半導体素子の搭載部との間に、一部が凹部内に突出された絶縁層１０ｃおよび絶縁層１０ｄとにより形成された段差部を有している。パッケージは、そのパッケージを構成する絶縁性部材の内部に埋設された熱伝導性部材１２を備えており、その熱伝導性部材１２は、半導体素子の下から段差部の下まで延長されている。すなわち、熱伝導性部材１２の側面が、パッケージの凹部内における段差部の内壁面と、パッケージの側壁最上面を形成する絶縁層１０ｂの内壁面と間に配置されるようにする。このように、絶縁性部材の厚さを、パッケージの凹部を形成する最も外側の側壁から、熱伝導性部材１２の中心（半導体素子の搭載部）の方に向かって、側壁の傾斜面および段差部により段階的に薄くしていく。さらに、熱伝導性部材１２の側面の外側に配置された絶縁層１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇにより、熱伝導性部材１２を挟む絶縁性部材の上層と下層との接続性を良好にする。それとともに、熱伝導性部材１２を水平方向に最大限大きくしているので、熱伝導性部材１２によるパッケージの放熱性を向上させることができる。

パッケージ１０の凹部１３の底面には、図２及び図３に示したように、発光素子１４載置用の導体配線１１ａａと、正負電極として機能する導体配線１１ａｂ、１１ｂとが所定の間隔をあけて露出している。

パッケージ１０は、セラミックスからなる絶縁層１０ａ乃至１０ｇと、導体配線１１ａａ、１１ａｂ、１１ｂを構成する層との積層構造として、一体的にセラミックスグリーンシートから焼成により形成されている。なお、図２においては、導体配線１１ａａ、１１ａｂの配置をわかりやすくするために、その膜厚を誇張して図示している。また、図２において（以下、図７においても同じ。）、絶縁層１０ａ乃至１０ｇの境界線は、本実施例のパッケージが、種々の形状からなる複数のセラミックスグリーンシートの積層体であること、及びその積層構造を分かりやすくするために実線で示している。しかし、実際のパッケージにおいて、絶縁層１０ａ乃至１０ｇの境界線が図示されたように明瞭であるとは限らない。

通常、図１における導体配線１１ａａの内側に破線で示した領域に、図４に示すように、発光素子１４が搭載される。この発光素子１４は、上面にｎ電極、下面にｐ電極を有しており、ｎ電極として機能する導体配線１１ｂは、ワイヤ１６によって発光素子１４の上面のｎ電極と電気的に接続されている。また、発光素子１４を載置する導体配線１１ａａ、１１ａｂとはパッケージ１０内部で接続されており、同じ電位を有する。導体配線１１ａａ、１１ａｂ、１１ｂは、パッケージ１０内部及び側面の一部に配置された導体配線１１を介して、パッケージ１０裏面に露出する２つの正負電極として機能する導体配線１１（図３参照。）にそれぞれ連結されている。また、導体配線１１ａｂ上に、保護素子１５が載置され、もう一方の導体配線１１ｂとワイヤ１６によって電気的に接続されている。

図１、図３、図４および図６において、パッケージ１０の凹部１３の内側に熱伝導性部材１２の存在する範囲を破線で示す。すなわち、凹部１３の内側であって、発光素子載置用の導体配線１１ａａと、正負電極として機能する導体配線１１ａｂ、１１ｂの一部との下方には、パッケージ１０を構成する絶縁層１０ｅ（厚み約０．０５ｍｍ）を介して、ＣｕＷからなる熱伝導性部材１２（厚み約０．１７５ｍｍ）が埋設されている。また、この熱伝導性部材１２は、パッケージ１０の裏面においても、パッケージ１０を構成する絶縁層１０ｇ（厚み約０．０５ｍｍ）に完全に被覆されている。この熱伝導性部材１２は、図４に示されるようにパッケージ１０の凹部の開口部方向から見て、その開口部と略同心円の形状にて、凹部の開口部の面積よりも小さく、配置される発光素子１４の外形よりも大きい面積で形成されている。このように熱伝導性部材の大きさを調整することにより、パッケージを構成する絶縁性部材と熱伝導性部材の物性の相違によるパッケージの変形やパッケージごとの形状のバラツキなどを抑制しつつ、発光素子からの放熱性を最大限に向上させることができる。

このパッケージ１０の凹部１３内には、露出した導体配線１１ａａ、１１ａｂ、１１ｂ、発光素子１４、保護素子１５及びワイヤ１６を完全に被覆するように、封止部材（図５参照）が形成されている。封止部材は、例えば、エポキシ樹脂にＹＡＧ蛍光体を所定の割合で混合したものが使用されており、上部に突出するレンズ形状で形成されている。

また、別の半導体装置として、絶縁層１０ｅ及び１０ｇを［表１］のように変更したものを作製した。これらの構成の半導体装置について熱抵抗値を測定した。その結果を下記［表１］に示す。

本実施例の半導体装置によれば、パッケージ内部であって、導体配線の下方に熱伝導性部材が埋設されることにより、直接半導体素子を熱伝導性部材に載置するのと同程度に、熱伝導性部材による放熱性を十分確保することが可能となり、発光素子からの発熱を効率的に逃がすことができる。

また、絶縁性を確実にして、導体配線、回路基板等における配線又は電極等との短絡を確実に防止しながら、導体配線と熱伝導性部材とのオーバーラップが可能になるために、半導体装置の小型化、薄膜化を実現することができるとともに、電極加工等の構造上の制約を最小限にとどめて、発光素子の設計において自由度を確保することができる。

本実施例におけるパッケージ１０は、発光素子１４を配置する凹部１３内に段差部を設けている。具体的には、図２（図７においても同じ。）に示されるように、段差部は、パッケージ１０を構成する絶縁層のうち絶縁層１０ｃおよび絶縁層１０ｄより凹部１３内に形成されている。この段差部により、パッケージ１０は、その上面方向から、円状の開口部を有する第一の凹部の内側に、さらに、発光素子１４が収納される第二の凹部を有する。この第二の凹部の開口部は、第一の凹部より開口面積が小さく、発光素子１４の外形と略相似な四角形の形状を有する。上記段差部は、第一の凹部の開口部と、パッケージの凹部の最下面との間に設けられた部位である。第一の凹部は、その段差部の上面と、該上面からパッケージの上面方向に延びる内壁面とにより形成されている。一方、第二の凹部は、段差部の上面に接続し該上面からパッケージの背面方向に延びる内壁面とパッケージの凹部の最下面とにより形成されている。さらに、パッケージ１０は、段差部の上面に、導体配線１１ａｂ、１１ｂを有しており、この導体配線１１ａｂ、１１ｂは、Ａｇを含む反射率の高い金属を最表面の材料としている。

ここで、本実施例における発光素子１４は、図８に示されるように、活性層２２を含む半導体層がシリコン（Ｓｉ）の支持基板１９の上に積層されてなるものである。この発光素子１４は、第二の凹部に収納されており、その支持基板１９の下面（すなわち、半導体層が積層された面とは反対側の面）が、第二の凹部の底面に配置された導体配線１１ａａに、ＡｕＳｎペーストなどの導電性接着剤にて接続されている。

また、発光素子１４の支持基板１９の厚さは、発光素子１４を第二の凹部の底面に配置したとき、発光素子１４の上面が第二の凹部の開口部から突出し、さらに発光素子１４の活性層２２の少なくとも一部を、第二の凹部の開口部から覗かせる厚さとされている。また、上記段差の上面に配設されている導体配線１１ａｂ、１１ｂは、発光素子１４の活性層２２からの光が、その導体配線の表面に入射可能な厚さにて配置されている。

ここで、発光素子１４の活性層が導体配線の表面から遠くなり過ぎても、活性層からの光が導体配線の表面に到達するまでに減衰してしまう。したがって、図８に示されるような発光素子１４をパッケージの第二の凹部に搭載したとき、発光素子１４の活性層が導体配線の表面にできるだけ接近するようにすることが好ましい。具体的には、反射面となる導体配線の表面がｐ型半導体層２１の上限から接合層２０の下限までの間に位置するように、第二の凹部の深さを設けることが好ましい。さらに、接合層２０は半導体層よりも層が厚いので、発光素子を実装するときにおける調整のし易さなどを考慮して、導体配線の表面を延長させた平面が接合層２０を横切る高さとすることが好ましい。

これにより、発光素子１４の活性層から放出された光は、上記段差の上面に配設されている導体配線１１ａｂ、１１ｂの表面を反射面として凹部の開口方向に反射される。そのため、パッケージの凹部内での光損失が少なくなり、発光素子からの光を効率よく発光装置の外へ出射させることができる。

矩形の発光素子１４をその上面側から見て、発光素子１４の外形を成す各辺の交点を含む部位（角部）のところでは、他の部位と比較して光の放出が少ないと考えられる。そのため、発光素子１４の外形における対角線の延長方向には、導体配線を設けず、セラミックスからなる絶縁性部材の一部を段差の上面に露出させてもよい。言い換えれば、絶縁性部材の露出による光の吸収を少なくし、光の取り出しを向上させる点から、極性の異なる導体配線１１ａｂおよび導体配線１１ｂの絶縁分離が、上記段差部の上面であって、かつ、発光素子の外形における対角線の延長方向にてなされていることが好ましい。

本実施例のパッケージにおける導体配線１１ａｂは、発光装置を上面方向から見て、発光素子１４の外形を成す辺のうち隣り合う二辺に向かい合うＬ字型パターン形状に連続して設けられている。また、導体配線１１ｂは、凹部の中心を対称軸として、導体配線１１ａｂと略点対称となるＬ字型パターン形状にて、発光素子１４の外形を成す辺のうち隣り合う二辺に向かい合って連続して設けられている。そして、導体配線１１ａｂおよび導体配線１１ｂは、発光素子１４の外形における対角線の延長方向であって、上記二つのＬ字型形状の間（段差の上面の二箇所）において絶縁分離されている。すなわち、本実施例における導体配線１１ａｂおよび導体配線１１ｂの絶縁部は、発光素子の角部、または第二の凹部における開口形状の角を中心として、概観形状が略四分の一円の扇形に絶縁性部材を露出させて設けたものである。これにより、発光素子の側面方向には、導体配線１１ａｂ、１１ｂが配置されることとなる。したがって、露出された絶縁性部材により、発光素子からの光が吸収されることが少なくなり、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。

図４は、図１に示されるパッケージ１０に発光素子１４および保護素子１５を載置した発光装置の平面図である。図５は、図４に示されるパッケージ１０に封止樹脂１７を形成した発光装置の斜視図である。

本実施例における発光素子１４は、その上面と下面にそれぞれ極性が異なる電極を有している。図４に示されるように、発光素子１４の上面電極は、第二の凹部を形成している側壁の上面に配設された導体配線１１ｂに、複数本のワイヤ１６を介して接続されている。これらのワイヤ１６は、発光素子１４の上面電極における異なる部位にワイヤボンディングされており、そのワイヤボンディングされた部位から、Ｌ字型パターン形状の導体配線１１ｂの異なる部位に延長されてワイヤボンディングされている。本実施例では、複数のワイヤの延長方向が略直角となるようにワイヤボンディングされている。このようにワイヤボンディングの方向を異ならせることにより、例えば、封止樹脂がワイヤに与える影響を各方位に分散させることができる。すなわち、ある方向に張られたワイヤが封止樹脂による応力を受けても、別の方向に張られたワイヤが同じ大きさの応力を受けるとは限らない。そのため、ワイヤの断線による電気接続不良の生じる確率を少なくして、信頼性の高い発光装置とすることができる。

図６は、本実施例における半導体装置を示す平面図である。図７は、本実施例における半導体装置について、図６に示すＶＩＩ−ＶＩＩ線における鉛直方向の断面図である。

本実施例の発光装置は、図６及び図７に示すように、発光素子１４の外形の各辺に対応する位置に、それぞれ露出部１８が形成されている以外、実質的に実施例１の発光装置と同様である。

なお、この露出部１８は、実施例１の発光装置における導体配線１１ａａの一部を、発光素子１４の外形を成す各辺の中央部に向かい合う部位で部分的に除去して、絶縁層１０ｅを露出させることにより形成されている。

このように露出部１８を設けることにより、発光素子１４を導体配線１１ａに接合する際の接合部材の流動を抑制することができる。

本発明の半導体装置は、半導体素子を搭載する、種々の装置、具体的には、ファクシミリ、コピー機、ハンドスキャナ等における画像読取装置に利用される照明装置のみならず、照明用光源、ＬＥＤディスプレイ、携帯電話機等のバックライト光源、信号機、照明式スイッチ、車載用ストップランプ、各種センサおよび各種インジケータ等の種々の照明装置に利用することができる半導体装置を製造する際に、より高精度に、簡便かつ容易に利用することができる。

図１は、本発明の一実施例における半導体装置のパッケージを示す平面図である。 図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線における鉛直方向の断面図である。 図３は、本発明の一実施例における半導体装置のパッケージを示す背面図である。 図４は、図１に示されるパッケージに半導体素子を載置した半導体装置の平面図である。 図５は、図４に示されるパッケージに封止樹脂を形成した半導体装置の斜視図である。 図６は、本発明の別の実施形態における半導体装置を示す平面図である。 図７は、図６に示すＶＩＩ−ＶＩＩ線における鉛直方向の断面図である。 図８は、本発明の一実施例における半導体素子の断面図である。

符号の説明

１０・・・パッケージ、
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ・・・絶縁層、
１１、１１ａａ、１１ａｂ、１１ｂ・・・導体配線、
１２・・・熱伝導性部材、
１３・・・凹部、
１４・・・発光素子、
１５・・・保護素子、
１６・・・ワイヤ、
１７・・・封止樹脂、
１８・・・露出部、
１９・・・支持基板、
２０・・・接合層、
２１・・・ｐ型半導体層、
２２・・・活性層、
２３・・・ｎ型半導体層、
２４・・・ｎ側電極、
２５・・・共晶材。

Claims (5)

1. 半導体発光素子と、その半導体発光素子を収容する凹部を有するパッケージと、を備え、前記パッケージを構成する絶縁性部材の内部に熱伝導性部材が埋設された半導体発光装置であって、
   前記熱伝導性部材の上層および下層は前記パッケージを構成する絶縁性部材で覆われ、
   前記熱伝導性部材の側面の外側に前記パッケージを構成する絶縁性部材が配置され、
   前記凹部の側壁は、前記凹部を形成する最も外側の側壁と前記凹部の底面に設けられた半導体発光素子の搭載部との間に段差部を有しており、
   前記熱伝導性部材は、前記搭載部の下から前記段差部の下まで延長され、
   前記パッケージは前記凹部の底面に半導体発光素子を載置するための導体配線を有し、かつ、背面に前記導体配線と連続して形成される外部接続端子を有しており、
   前記熱伝導性部材は前記導体配線の少なくとも一部の下方にオーバーラップして配置され、
   前記外部接続端子は前記熱伝導性部材の少なくとも一部の下方にオーバーラップして配置されてなることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記導体配線と前記熱伝導性部材との間に、前記パッケージを構成する絶縁性部材が０．１ｍｍ以下の厚みで配置されてなる請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記外部接続端子と前記熱伝導性部材との間にパッケージを構成する絶縁性部材が０．１ｍｍ以下の厚みで配置されてなる請求項１または２に記載の半導体発光装置。
4. 前記パッケージの絶縁性部材は、セラミックスを材料として含む請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
5. 前記熱伝導性部材は、ＣｕＷを材料として含む請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体発光装置。

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