JP4904623B2

JP4904623B2 - 光半導体素子

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Publication number: JP4904623B2
Application number: JP2001019953A
Authority: JP
Inventors: 広昭為本
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: JP2002222998A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本件発明は、光半導体チップを樹脂により基材上に封止してなる光半導体素子の信頼性及び放熱性の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５（ａ）及び（ｂ）に、従来の一般的な光半導体素子の一例として特開平２０００−４９３８４号公報に記載された光半導体素子を示す。図５に示す光半導体素子は、基材５の上に載置された光半導体チップ７を封止樹脂９で覆った表面実装型光半導体素子である。基材５は、正負一対の導電パターン３及び４を各々上面から下面に連続して形成した絶縁基板１からなり、基材５の上に、ＬＥＤチップや半導体レーザチップなどの光半導体チップ７が、一方の導電パターン３を介して接続されている。また、光半導体チップ７は、金属ワイヤ７によって他方の導電パターン４にも接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示すような従来の光半導体素子では、封止樹脂９は基材５の上面にのみ接着されていた。しかし、光半導体素子の小型化が進むと、封止樹脂９と基材５の接着面積が減少するため、封止部の冷熱サイクルに対する信頼性の低下が問題とる。特に、いわゆる２５１２５サイズ以下の小型素子において、信頼性の低下が顕著である。即ち、冷熱サイクル中、封止樹脂９と基材５の界面には互いの熱膨張係数の不一致による応力が加わり、さらに、界面に侵入した水分の熱膨張による力が加わるため、冷熱サイクルによって封止樹脂と基材５の界面が破壊される、いわゆるポップコーン現象が発生する。
【０００４】
また、光半導体素子が小型化すると、光半導体チップ７の放熱効率の低下も問題となる。光半導体チップ７は、基材５に形成された導電パターン３及び４を介して、光半導体素子が実装される親基板に対して放熱する。しかし、基材５は、一般に、両面に銅箔を張ったガラスエポキシ板（＝絶縁基板）に周期的に矩形又は長円形の穴を形成し、ガラスエポキシ板の全体に銅メッキを施した後に、上下両面を所定の形状にエッチングし、矩形又は長円形の穴の直線部に沿って素子単位に分割することにより形成される。したがって、ガラスエポキシ板の側壁部分において導電パターン３は銅メッキ分の厚さしかなく、熱抵抗が比較的高い。しかも、導電パターン３は絶縁基板１であるガラスエポキシ板のいずれかの側面に形成されているため、半導体素子の小型化に伴い基材５の寸法が減少すると、熱抵抗の高い導電パターン側壁部分の幅も減少してしまう。このため、光半導体チップ７が小型化すると、それに応じて放熱効率も低下する問題があった。
【０００５】
銅メッキ厚を厚くすれば熱抵抗を低減させることができるが、細かいパターンのエッチング加工が困難となり、特に正負の導電性パターンが対向する位置のギャップの制御が困難となる。
【０００６】
そこで、本件発明は、光半導体素子の小型化による信頼性と放熱効率の低下を抑制することのできる新たな素子構造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】
上記目的を達成するために、本件発明に係る光半導体素子は、絶縁基板の表面に正負一対の導電パターンをその各々が絶縁基板の上面から側面を経て下面に連続的するように形成して成る基材と、前記正負一対の導電パターンを介して前記基材の上面に電気接続された半導体チップと、前記半導体チップを覆う封止樹脂とを備えた光半導体素子において、前記封止樹脂が、前記基材上面と前記基材側面の少なくとも一部とに接着していることを特徴とする。即ち、本件発明によれば、基材の側面を封止樹脂の接着領域として利用することにより封止樹脂の接着面積を増加させ、小型であっても冷熱サイクルに対する信頼性の高い光半導体素子を得ることができる。尚、本件発明において、基材の「側面」とは基材の上面と下面とを接続する全ての面をいい、例えば、基材が貫通孔を有する場合は貫通孔内の側面も含む。
【０００８】
また、前記基材の外周にある側面の少なくとも１つが、前記基材の上面より見て非直線状に形成され、その非直線状に形成された側面に前記導電パターンが形成され、かつ、前記封止樹脂が接着していることが好ましい。例えば、絶縁基板の側面を上面より見て円弧状、Ｖ字状、又は波状に形成することができる。これにより、基材の絶対的な幅は一定としながら、放熱経路となる導電パターンの幅を実効的に広げることができ、さらに、封止樹脂の接着面積を拡大することができる。したがって、光半導体素子の小型化による信頼性及び放熱効率の低下を同時に抑制することができる。
【０００９】
また、基材側面を非直線状にする代わりに、基材に貫通孔を形成し、その貫通孔内の側面を介して上面と下面の導電パターンを連続させ、さらに、貫通孔の側面において基材と封止樹脂を接着させることもできる。これにより、封止樹脂の接着面積を拡大することができ、また、貫通孔の寸法を適切に設定すれば、基材側面に形成した場合よりも導電パターンの実効的な幅を広げることができる。したがって、この実施形態によっても光半導体素子の小型化による信頼性及び放熱効率の低下を同時に抑制することができる。
【００１０】
尚、本件発明において、光半導体素子とは、発光或いは受光機能を有する半導体素子を言い、ＬＥＤ，半導体レーザ、フォトダイオードなどを指す。光半導体素子は、適当な基板上に半導体層を積層した半導体チップと、その半導体チップを固定し、実装基板との間の電気接続を行うための基材とからなる。また、封止樹脂とは、透光性を有し、光半導体チップを外力、湿度及び腐蝕環境より保護するものを指す。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。尚、ここでは、光半導体素子がＬＥＤ素子である場合を例に説明する。以下に説明する図において、図５と同一の符号を付した部材は同一又は対応する部材を示す。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光半導体素子を示す概略断面図である。ＧａＮ系ＬＥＤチップ（＝光半導体チップ）７を基材５の上に載置して封止樹脂９で覆った表面実装型光半導体素子を示す。ＬＥＤチップ７は、サファイア等の透光性部材２０の上に窒化ガリウムを主成分としたｎ型半導体層２１ａ及びｐ型半導体層２１ｂが積層された構造を有し、各々の半導体層に形成されたｎパッド電極２３及びｐパッド電極２２を介して基材５の導電パターンと接続されている。パッド電極２２及び２３以外の領域の半導体層を覆うように、酸化ケイ素、ポリイミド又はその複合積層膜よりなる絶縁保護膜２４が形成されている。各パッド電極２２及び２３と導電パターン３及び４との間は、接合部材３によって接合されている。接合部材には、例えば、はんだ、金バンプを導電パターンとパッド電極の間に超音波接合したもの、銀、金、パラジウムなどの導電性ペースト、異方性導電性ペーストなどを用いることができる。
【００１２】
基材５は、正負一対の導電パターン３及び４を各々上面１ａから側面１ｂ及び１ｂ’を経て下面１ｃに連続して形成した絶縁基板１からなり、基材５の上に、ＬＥＤチップ７が、導電パターン３及び４を介して接続されている。絶縁性基板には、例えば、ガラスエポキシ積層基板、液晶ポリマ基板、ポリイミド樹脂基板、セラミックス基板等を用いることができる。また、導電パターンには、例えば、銅、リン青銅、鉄、ニッケル等の電気良導体を用いることができる。さらに、導電パターン３及び４の表面に銀、金、パラジウムなどの貴金属めっきを行うと、接合部材３との接合性向上及び導体保護のために好ましい。負側の導電パターン３は、絶縁基板の上面１ａから左側面１ｂを経て下面１ｃへと連続し、正側の導電パターン４は絶縁基板１の上面１ａから右側面１ｂ’を経て下面１ｃへと連続している。導電パターン３及び４の絶縁基板上面側の間隔（ギャップ）は、ＬＥＤチップ７の電極２２及び２３のピッチに合わせて０．０５から０．３ｍｍ程度に形成されている。
【００１３】
封止樹脂９は、ＬＥＤチップ７を封止するように塗布されており、エポキシ、シリコーン、変性アクリル樹脂等の透光性を有する絶縁樹脂を用いることができる。封止樹脂９は、従来と同様に基材５の上面５ａを覆うだけでなく、さらに、基材５の側面のうち導電パターン３及び４が形成された面５ｂ、５ｂ’を覆うように形成されている。
【００１４】
図２は、図１に示す光半導体素子を上面より見た概略平面図である。基材５の側面のうち導電パターン３及び４が形成された面５ｂ、５ｂ’は、図に示すように、基材上面より見て円弧状に、即ち、円柱側壁を一部切り取ったような凹形状に形成されている。導電パターン３及び４は一般に薄膜であるため、基材５の形状は絶縁性基板１の形状によってほぼ決まる。基材５の側面を、このように基材上面から見て非直線上に、即ち、基材上下方向に平行なストライプ状の凹部を有する形状とすることにより、基材５の絶対的を幅は一定にしながら、基材５側面に形成された導電パターン３及び４の実効的な幅を広げ、それにより導電パターンからの放熱効率を高めることができる。
【００１５】
また、封止樹脂９は、基材５の上面５ａだけでなく、非直線状に湾曲するように加工した基材側面５ｂ及び５ｂ’をも覆うように塗布されている。このため、封止樹脂９の剥離に対する抵抗力は、封止樹脂９と基材の上面５ａとの接着だけでなく、封止樹脂９と基材の側面５ｂ及び５ｂ’との接着によっても得られることになる。しかも、基材の側面５ｂ及び５ｂ’は湾曲しているため接着面積が広く、また、単純な平面に比べて剥離が進行しにくいため、封止樹脂９と基材５の剥離を効果的に抑制することができる。封止樹脂９の基材側面を覆う部分９ａは、湾曲して形成された基材５の側面５ｂ及び５ｂ’の凹部を埋めて平坦化するように形成すると、従来と同様に矩形のチップ形状とすることができる。
【００１６】
図１及び図２において基材５の側面が基材上面から見て単一の円弧状である場合について説明したが、基材５の好ましい側面形状はこれに限られない。例えば、側面の全面を円弧状にする代わりに、平らなの側面の一部に円弧状断面をもつ凹部を形成しても良い。また、基材５の側面を基材上面から見てＶ字状に形成しても良く、複数の円弧又はＶ字が集合にしたような波状に形成しても良い。また、図１及び図２に示す実施形態では、後述する加工法の制約から、基材の上面から下面まで同一の断面形状を有する形状について説明したが、基材の上面から下面にかけて基材５の断面形状を変化させても良い。例えば、基材５の側面のうち導電パターン３及び４が形成された面５ｂ及び５ｂ’を、基材上面及び正面の双方から見て円弧状となるように、即ち、すり鉢状に形成しても良い。
【００１７】
本実施の形態におけるＬＥＤ素子の大きさは、特に限定されないが、例えば平面寸法が約１×５ｍｍから約２．５×１．２５ｍｍ程度の大きさのものを用いることが好ましい。ＬＥＤ素子がこの程度の大きさの場合に、封止樹脂接着強度の向上及び放熱抵抗の低減という効果が顕著となるからである。
【００１８】
以下、本実施の形態に係るＬＥＤ素子の製造方法について説明する。尚、ここでは、絶縁基板１にガラスエポキシ基板を用い、導電パターン３及び４が銅から成る場合を例に説明する。まず、両面に銅箔を貼った大面積のガラスエポキシ積層板を準備し、基材の境界にあたる位置に基材幅に合わせたピッチで周期的な貫通孔を開ける。この貫通孔の内壁が、基材完成時に基材側面となる。貫通孔の形状は、所望の側壁形状に合わせて適宜形成する。例えば、基材上面より見て円状の側面を形成する場合には円形又は楕円形、上面より見てＶ字状の側面を形成する場合には菱形、上面より見て波状の側面を形成する場合には複数の円形又は菱形が連続した形の貫通孔を形成すれば良い。
【００１９】
次に、貫通孔を形成した両面銅箔貼りガラスエポキシ積層板の全面に、銅メッキを施す。この銅メッキによって貫通孔の内面にも銅が付着し、ガラスエポキシ積層板の上面及び下面に貼りつけられた銅箔を互いに連結することができる。銅メッキ後、表裏の銅箔を所定の形状にエッチングして、各基材の正負導電パターン３及び４に対応したパターンを形成する。
【００２０】
次に、導電パターンが形成されたガラスエポキシ積層板に銀、金、パラジウム等の貴金属めっきを施し、導電パターンの表面を貴金属で覆う。こうして、複数の基材５が配列した部材が完成する（以下、基材集合部材と称す）。
【００２１】
次に、基材集合部材に配列している基材５の各々に、ＬＥＤチップ７を接合する。ＬＥＤチップ７の接合には、上記の通り金バンプ、はんだ、導電性ペースト、異方導電性ペーストなどの適当な接合材３を用いることができる。
【００２２】
次に、基材集合部材の裏面のみをマスキングし、封止樹脂を全面に塗布する。これにより、各基材に分離したときに基材側面５ｂ及び５ｂ’にあたる部分である貫通穴の内面にも封止樹脂が浸透する。次に、封止樹脂を硬化させると、基材５の上面５ａと側面５ｂ及び５ｂ’とに封止樹脂を形成することができる。そして、基材集合部材を貫通孔の中心を通過する線に沿ってＬＥＤ素子の大きさに割断するとＬＥＤ素子が完成する。
【００２３】
実施の形態２．
実施の形態１では、導電性パターンを従来と同様に基材の側面に形成していた。本実施の形態においては、基材にスルーホールを設け、その内面に導電性パターンを形成する。その他の構成及び材料は、実施の形態１と同様である。
【００２４】
図３及び図４は、本発明の実施の形態２に係る光半導体素子の概略を示す断面図及び平面図である。ＧａＮ系ＬＥＤチップ７が、ｎパッド電極２３及びｐパッド電極２２を介して基材５の導電パターン３及び４と接続されている。基材５は、正負一対の導電パターン３及び４を各々上面１ａから貫通孔１０及び１０’を経て下面１ｃに連続して形成した絶縁基板１からなる。負側の導電パターン３は、絶縁基板の上面１ａから左側貫通孔１０の内面を経て下面１ｃへと連続し、正側の導電パターン４は絶縁基板１の上面１ａから右側貫通孔１０’の内面を経て下面１ｃへと連続している。貫通孔１０及び１０’は、その円周が絶縁基板の側面よりも長くなるように、かつ、導電パターン３及び４によって埋められることのない十分な直径に形成することが好ましい。封止樹脂９は、ＬＥＤチップ７を封止するように塗布されており、従来と同様に基材５の上面５ａを覆う部分だけでなく、さらに、基材５に設けられた貫通孔１０及び１０’の内部の充填された部分９ｃにも形成されている。
【００２５】
このように、絶縁基板１の内側に設けた貫通孔１０及び１０’を介して上下の導電パターンを連結することにより、光半導体チップの外形寸法を従来と変えることなく、導電パターンの上下連結部分の幅を実質的に広げ、その部分の熱抵抗を低減することができる。この効果は、導電パターン３及び４の間のギャップが狭く、導電パターンの厚さを厚くできないフリップチップ型素子及び２５１２５サイズ以下の素子において顕著である。また、封止樹脂９が貫通孔１０及び１０’の内面にも接着していることにより、封止樹脂９と基材５の間の接着面積を拡大して剥離に対する抵抗力を高めることができる。
【００２６】
本実施の形態においては、貫通孔１０及び１０’が円形である場合を示したが、矩形など他の形状であっても構わない。また、貫通孔１０及び１０’は、正及び負の導電パターンの形成領域の各々に２箇所以上設けても良い。
【００２７】
次に、実施の形態２に係る光半導体素子の製造方法について説明する。実施の形態１と同様に、絶縁基板１にガラスエポキシ基板を用い、導電パターン３及び４が銅から成る場合を例に説明する。まず、両面に銅箔を貼った大面積のガラスエポキシ積層板を複数の基材の区画に分け、各基材の正電極及び負電極上に相当する位置に貫通孔１０及び１０’を開ける。次に、貫通孔１０及び１０’を形成した両面銅箔貼りガラスエポキシ積層板の全面に、銅メッキを施す。この銅メッキによって貫通孔の内面にも銅が付着し、ガラスエポキシ積層板の上面及び下面に貼りつけられた銅箔を互いに連結することができる。銅メッキ後、表裏の銅箔を所定の形状にエッチングして、各基材の正負導電パターン３及び４に対応したパターンを形成する。導電パターンの表面に貴金属メッキを施し、複数の基材５が配列した基材集合部材が完成する。
【００２８】
次に、基材集合部材に配列している基材５の各々に、ＬＥＤチップ７を接合した後、基材集合部材の裏面のみをマスキングし、封止樹脂を全面に塗布する。これにより、貫通穴１０及び１０’の内面にも封止樹脂が浸透する。次に、封止樹脂を硬化させると、基材５の上面５ａと貫通孔１０及び１０’の内面とに封止樹脂を形成することができる。そして、基材集合部材を予め定めた基材の区画に沿って沿って割断するとＬＥＤ素子が完成する。
【００２９】
尚、本実施の形態においては、半導体チップの半導体層面を基材導体に対向して固定するフリップチップ方式で実装した光半導体素子について説明したが、半導体チップの基板面を基材導体に対向して固定し金線などによるワイヤーボンディングで導電パターンと電気接続させる方式で実装した光半導体素子においても、上記実施の形態と同様にして本件発明を適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、封止樹脂と基材の接着面積を増加させて接着強度を向上させ、冷熱サイクルに対する耐性に優れた高信頼性の光半導体素子を提供することができる。また、基材の上下面を連結する導電パターンの実効的な幅を拡大して、素子の放熱効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る光半導体素子を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す光半導体素子を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２に係る光半導体素子を示す断面図である。
【図４】図４は、図３に示す光半導体素子を示す平面図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、従来の光半導体素子を示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１絶縁基板、３及び４導電パターン、５基材、５ｂ及び５ｂ’基材側面、１０及び１０’貫通孔、７光半導体チップ、９封止樹脂。

Claims

絶縁基板の表面に正負一対の導電パターンをその各々が絶縁基板の上面から側面を経て下面に連続的するように形成して成る基材と、前記正負一対の導電パターンを介して前記基材の上面に電気接続された半導体チップと、前記半導体チップを覆う封止樹脂とを備え、前記導電パターンから当該光半導体素子が実装される基板に放熱する光半導体素子であって、
前記半導体チップが、前記基材にフリップチップ接続され、
前記基材の内側に貫通孔が形成されており、前記正負一対の導電パターンの各々が前記基材の上面から前記貫通孔内の側面を経て下面に連続する共に、前記封止樹脂が前記基材上面と前記貫通孔内の側面に接着しており、上面視において、前記貫通孔の周長は、前記絶縁基板の側面のうち少なくとも一辺よりも長いことを特徴とする光半導体素子。
前記貫通孔が、正又は負の前記導電パターンに２箇所以上設けられたことを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。