JP4001169B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置に関し、特に、半導体レーザまたは発光ダイオードなどの半導体発光素子を備えた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置にはその高性能化が求められており、それに搭載される半導体素子の発熱量は、急速に大きくなっている。半導体レーザまたは発光ダイオードなどの半導体発光表示装置も同様である。したがって半導体素子が搭載される部材には、その熱膨張係数が同素子のそれに近いことと、より高い熱伝導率が求められている。半導体装置の改良された放熱構造の一例が、特公平４−３６４７３号公報に開示されている。その基板は、銅、タングステンおよびモリブデンを主成分とする複合材であり、その熱膨張係数が、搭載される半導体発光素子のそれに近い５．０ないし８．５×１０^-6／Ｋであるとともに、その熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い。以下本発明では、銅はＣｕ、タングステンはＷなどと元素を化学記号でも表す。また特開２００２−２３２０１７号公報に開示された発明は、半導体装置の発光効率の改善を目的としたものであるが、その基板は、導体部が設けられた平板状の高熱伝導性セラミックスからなる。しかしながら、この種の発光装置も含め半導体装置では応用分野によっては、半導体素子の高出力化の要求によってその大型化が進み、発熱量も急速に大きくなってきている。特に半導体発光素子を備えた半導体装置では、近年発光量が急激に増大しており、それによる素子の大型化と発熱量の増大が顕著である。このため半導体装置の発熱部周辺の放熱効率を上げる新たな手段が望まれている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明者等は、上述の課題を解決するため、半導体素子の周辺の構造を研究してきた。本発明は、長辺方向の長さＬが１ｍｍ以上でＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰおよびＳｉのいずれかの発光素子と、同素子が搭載される上面と、その反対側に位置する底面とを有する基板とを備え、同素子の主面の長辺方向の長さＬと同基板の上面の発光素子搭載部から底面までの距離Ｈとの比Ｈ／Ｌが、０．３以上であり、基板および発光素子の熱膨張係数が３〜７×１０^-6／Ｋである半導体装置を提供する。これによって発光素子から発生する熱の放散が十分に行われ、半導体装置の寿命を延ばすことができる。また本発明の半導体装置には、上記に加え、素子が搭載される放熱基板の部分が凹部を形成するとともに、上面上に金属層が形成されているものも含まれる。これによって上記の放熱性改善に加え、発光素子の光が同金属層によって反射され、装置の発光効率を上げることができる。さらに本発明の半導体装置には、以上に加え、同発光素子と電力供給のための端子板との間を繋ぐ接続部材が、凹部と別の位置に配置され、同接続部材の凹部への浸入を防ぐ手段が、同接続部材に隣接する上面上に設けられているものも含まれる。これによって接続部材が凹部の金属層を覆うことがなく、装置の発光効率の低下を抑えることができる。
【０００４】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施の形態において同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。
【０００５】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った半導体装置の例を表す断面図である。図２は、図１で示される半導体素子の一形態例を表す斜視図である。図１の半導体装置１００において、１は主面１ａを有する半導体素子、２は、同素子が搭載される枠部２Ｃと一体化された基板である。２ａと２ｂは、その上面と底面であり、これらの間の距離は、Ｈである。基板２の上面２ａと対面している半導体素子１の主面１ａは、この場合は矩形であり、その長辺方向の長さＬは、長辺１１のそれに、短辺方向の長さは、短辺１２のそれにそれぞれ対応する。本発明の他の実施の形態も同様であるが、主面１ａが矩形であれば、通常その反対側の面もほほ同じ形状であるが、必ずしもそうでなくてもよい。図３に示されるように、主面が矩形以外の例もある。本発明の半導体素子の主面の長辺方向の長さは、主面に垂直な方向に投影した像の輪郭から計量される。図３Ａないし３Ｅはその例であり、Ｌと表示された部分が長辺方向の長さである。例えば、それが円形や正方形であれば、それぞれその直径およびそのいずれかの辺の長さ、楕円であれば、その長径である。なお基板の上面と底面との距離は、Ｈである。本発明の半導体装置においては、比Ｌ／Ｈが０．３以上である。好ましくは０．４５ないし１．５であり、より好ましくは０．５ないし１．２５である。
【０００６】
本発明の他の実施の形態も同様であるが、図４は熱の放散を模式的に説明するために示す半導体装置の断面図である。半導体発光素子１から熱Ｑが発生すると、熱はおおよそ矢印５０で示すように基板２内で広がりながら基板２の底面２ｂに伝わる。距離Ｚを大きくすることで、基板２の底面２ｂの放熱に寄与する面積を大きくすることができる。すなわち、半導体発光素子１から発生した熱を効率よく放熱することができる。距離Ｚを大きくするためには、距離Ｈを大きくすることが必要となる。そのため、本発明では、距離Ｈを大きくして、底面２ｂからの放熱量を大きくしている。また、この放熱効果を確実なものとするために距離Ｙは第１の辺１１の長さＬの２倍以上であることが好ましい。
【０００７】
本発明の他の実施の形態も同様であるが、基板２は、放熱部材でもあり、その材料は、半導体装置に求められる要求特性に応じたそのパッケージデザインにも左右される。また半導体装置への実装も含め、その製造が容易であり安価であること、軽量であること、実用寿命が長いことなどが望まれる。しかし第一に要求される特性は、前述のように、その熱膨張係数が半導体素子のそれに近いことと、熱伝導率が高いことである。本発明の基板の熱伝導率は、１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが望ましい。
【０００８】
基板の材料は、（１）無機・有機の各種材料とそれらの化合物、（２）これらが化合せずお互いに微視的に混ざり合って複合された物（本発明では、これを複合材、Composite Materialと言う。）および（３）それらが巨視的に組み合せられ合体された物（本発明では、これを複合体、Combined Materialと言う。）とに分けられる。
【０００９】
（１）の無機材料では、Ｃ（例えば黒鉛、ダイヤモンド）、Ｓｉなどの半金属、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕおよび長周期律表の４ａないし７ａ族、８ａ族の遷移金属の元素を主成分とする金属材料、ＴｉＣ、ＺｒＮなどの金属と半金属の化合物、ＳｉＣやＢ₄Ｃなどの半金属同士の化合物、Ｓｉ₃Ｎ₄やＢＮなどの半金属と非金属の化合物、ＡｌＮのような金属と半金属の化合物がある。また有機材料では、生体内や自然界に存在するかまたは合成された化合物があり、ＤＮＡ、酵素、天然または合成のゴム・繊維・樹脂、有機金属化合物などが挙げられる。
【００１０】
（２）は、（１）の各種材料を微視的に混合分散または配置させたものである。例えばＣｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ａｌ−ＳｉＣ、Ａｌ−ＡｌＮ、Ａｇ−Ｃ、Ｓｉ−ＳｉＣなど各種の複合材がある。（３）は、（１）と（２）の中のいくつかの材料種のバルクでの組み合せである。例えばＣｕとＭｏ、ＡｌとＳｉＣなどの積層体、中央部がＣｕで外周部がＣｕ−Ｍｏからなる板状のもの、厚み方向にＣｕ量の異なるＣｕ−Ｍｏ層が傾斜機能的に積層されたものなど、沢山の形態が挙げられる。これらは、パッケージデザインに合せて適正に設定すればよい。以下代表的な基板の実施形態事例を紹介する。
【００１１】
例えば、上述のＣｕ−ＷやＣｕ−Ｍｏ複合材の場合、Ｃｕの含有量が５ないし４０質量％の範囲では、熱膨張係数は、通常５ないし１２×１０^-6／Ｋとなる。また、Ａｌ−ＳｉＣを主成分とする複合材を基板２として用いた場合、ＳｉＣの含有量が１０ないし７０質量の範囲、熱膨張係数は８ないし２０×１０^-6／Ｋの範囲となる。そこで半導体素子１が、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉの場合を想定する。これらの熱膨張係数は、３ないし７×１０^-6／Ｋであるから、基板の熱膨張係数もそれに近づけることが望ましい。したがってＣｕ−ＷやＣｕ−Ｍｏ複合材の場合、Ｃｕの含有率を５ないし４０質量％の範囲にすることが好ましい。より好ましくは、１０ないし３５質量％、さらに好ましくは、１０ないし２０質量％である。これらの複合材は、ＷやＭｏの粉末を主成分とした成形体を作るか、またはさらにそれを焼結してそれらの多孔体を作り、その空孔にＣｕを溶浸する溶浸法（Infiiltrating Method）か、または予めＣｕとＷまたはＣｕとＭｏを主成分とした粉末の混合物を成形し、それを焼結する焼結法（Sintering Method）で通常作られる。また例えば、基板にＡｌ−ＳｉＣ複合材が使われる場合、そのＡｌの含有率を２５ないし３５質量％の範囲にすることが好ましい。この材料は、例えばＡｌ溶融液中にＳｉＣ粉末を分散させたものを冷却する鋳造法、ＳｉＣを主成分とした多孔体の空孔内にＡｌを溶浸させる含浸法、Ａｌ粉末とＳｉＣの粉末を主成分とした混合物を成形した後、これを焼結する焼結法などによって製造することができる。
【００１２】
また図示しないが、半導体素子１への電気接続のために基板２との間に適宜ボンディングワイヤ、フリップチップ、ビアホールなどの接続手段が設けられる。
【００１３】
本発明の他の実施の形態も同様であるが、基板２の素子搭載面２ａには、半導体素子の接続や同素子への通電のために金属層１３が形成される場合がある。その場合、この金属層を十分な接合強度で形成するためには、面２ａの表面粗さは、ＪＩＳ規定（ＪＩＳ Ｂ ０６０１）における最大粗さＲｍａｘで０．１ないし２０μｍの範囲にコントロールされていることが好ましい。０．１μｍより小さいと、金属層を形成した場合、アンカー効果が得難い。他方２０μｍを越えると、その表面に酸素などのガスの吸着量が多くなり、金属層を形成する時の放出ガス量が増加し、成膜に必要な真空度が得難くなる。より好ましくは、０．１μｍ以上８μｍである。８μｍを越えると、接合時に空孔が生じ易くなり、接合強度のばらつき易くなるからである。
【００１４】
本発明の半導体装置は、以上述べたように半導体素子の主面と基板の設計寸法を特定の範囲にコントロールすることによって、同素子から発生する熱の放散をより円滑に行なうことができる。これによって、同素子の過度の温度上昇による半導体装置の出力の低下や同素子周辺の部材の劣化を大幅に低減することができ、装置の高出力化と実用寿命の延長が可能となる。
【００１５】
（実施の形態２）
図５は、この発明の実施の形態２に従った半導体装置の断面図である。半導体素子１は、この場合は発光素子である。この装置１００には、上述のＨ／Ｌの設計コントロールがなされている。素子搭載面２ａには金属層１３が形成されており、好ましくは前述のような表面形態で形成されている。この実施の形態の場合、金属層には発光素子１から放たれた光を反射させる役割がある。そのため、金属層は、反射率の大きい金属、例えば銀またはアルミニウムまたはそれらを主成分とした金属で通常は構成され、めっきや蒸着により素子搭載面を覆うように形成される。素子搭載面のみならず、それ以外の部分または基板２の全面に金属層が形成されていても構わない。なお基板本体が、例えば金属材料などからなり導電性を有する場合には、電気メッキ法による光沢銀メッキが好ましい。また素子搭載面自体の反射率が高ければ、この金属層を設けなくてもよい。また、図１では、凹部２ｕに金属層１３が設けられているが、凹部２ｕが存在しないような基板２を用い、その基板２の素子搭載面２ａに金属層１３を設けてもよい。
【００１６】
基板２の厚み、すなわち、底面２ｂから素子搭載面２ａまでの距離Ｈは、半導体発光素子１の寸法に従って様々に設定することが可能であるが、例えば距離Ｈを０．３ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることができる。
【００１７】
金属層１３と接触するように半導体発光素子１が設けられている。同素子は、例えばＺｎＳｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＰなどのＩＩ−ＶＩ族またはＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体発光素子で構成される。ここで、ＩＩ族元素は亜鉛（Ｚｎ）およびカドミウム（Ｃｄ）を含む。ＩＩＩ族元素は、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）を含む。Ｖ族元素は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）およびアンチモン（Ｓｂ）を含む。ＶＩ族元素は、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）およびテルル（Ｔ）を含む。なおサファイヤ等の基板上にそれらの化合物半導体が形成されていてもよい。
【００１８】
また基板２は、たとえばＦｅ−Ｎｉ合金またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金で構成されてもよい。さらに、素子搭載面２ａと金属層１３との間に中間層（図示せず）を設けてもよく、中間層としては、例えばＮｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ、Ｎｉ−Ｃｏ、ＣｕおよびＡｕなどが挙げられる。これらはめっきで形成することができる。また、蒸着で形成する場合には、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ合金、Ｃｕ、Ｗ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａなどが挙げられる。また、上述のめっき層および／または蒸着層の積層であってもかまわない。中間層の厚みは０．０１ないし５μｍが好ましく、より好ましくは０．１ないし１μｍである。
【００１９】
この実施の形態においても半導体素子の主面１ａの長辺方向の長さＬと基板２の上面と底面間の距離Ｈとの関係は、前形態と変わらない。図６がこの形態の半導体素子の斜視図である。この場合には、同素子に段差部１ｄがあるが、無くてもよい。半導体発光素子１の辺１１が長辺であり、辺１２が短辺である。この場合には辺１１の長さがＬに相当するが、それは、発光素子の段差部１ｄとほぼ垂直に延び、辺１２は、同段差部とほぼ平行に延びる。辺１１と１２がほぼ同じ長さの場合もある。さらに主面１ａが矩形でない場合は、前述の通りである。例えばそれが矩形であっても、そのコーナーが丸くなっている場合には、主面１ａの投影された外輪に沿って外挿線を引いて矩形に近似し、その長辺をＬとみなす。
【００２０】
この実施形態の場合、半導体発光素子１は、その主表面１ａおよび／または主表面１ａと反対側から電力が供給され、半導体発光素子内に設けられた発光層（図示せず）から光が放たれる。半導体発光素子は、発光ダイオードであってもよく、また半導体レーザであってもよい。さらに、半導体発光素子から発光される光の波長は特に制限されるものではない。
【００２１】
基板２には、それを貫通する貫通孔２ｈが設けられている。貫通孔２ｈはほぼ円筒形状であり、その内側には絶縁ガラス４およびピン３ａおよび３ｂが設けられている。ピン３ａおよび３ｂは半導体発光素子１に電力を供給するためのもので、ステンレス鋼（ＳＵＳ）またはＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金により構成される。また、電気抵抗が小さい部材であれば、他の組成によりピン３ａおよび３ｂを形成してもよい。絶縁ガラス４は、貫通孔２ｈ内にピン３ａおよび３ｂを位置決めするために設けられており、貫通孔２ｈを充填し、かつピン３ａおよび３ｂと基板２とを絶縁する働きを有する。
【００２２】
ボンディングワイヤ２１および２２は、ピン３ａおよび３ｂと半導体発光素子１とを電気的に接続する。ピン３ａおよび３ｂから供給される電力はボンディングワイヤ２１および２２を通じて半導体発光素子１に供給される。なお、ボンディングワイヤ２１および２２は金、アルミニウムまたはそれらの合金で構成することが可能である。
【００２３】
なお、半導体発光素子１は、高出力化のため、その長辺方向の長さ、すなわちこの場合には長辺の長さＨが１ｍｍ以上か、または主表面１ａの面積が１ｍｍ²以上であることが好ましい。
【００２４】
半導体発光素子１から発生する熱を外部に充分に放出して除去しないと、素子自体の温度が上昇して、その発光効率を低下させたり、光の波長がずれ一定の色彩の発光ができなくなる。さらにはその熱によって蛍光体などの周辺部材が劣化する。以上の結果、半導体装置の寿命が短くなり易くなる。特に発光素子のＬが１ｍｍ以上の場合に、素子の中央部の温度が上昇し易く、寿命が短くなり易くなる。本実施形態の半導体装置では、Ｈ／Ｌを最適化しているため、熱の放散が充分行なわれるため、以上の問題の発生が抑えられる。
【００２５】
また本実施の形態２では、以上の放熱性改善に加え、発光素子の光が金属層によって反射され、装置の発光出力を上げることができる。
【００２６】
（実施の形態３）
図７は、この発明の実施の形態３に従った半導体装置の断面図である。図８は、図７中のＶで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。この半導体装置には、上述のＨ／Ｌの設計コントロールがなされている。また素子搭載面には金属層が形成されており、好ましくは前述のような表面形態で形成されている。またこの金属層には発光素子１から放たれた光を反射させる役割がある。図７に示されるように、この実施の形態の半導体装置１００では、実施の形態２とは異なり、ピンが設けられていない。基板２上には接続部材３３が設けられており、絶縁板３１と電極３２とで形成される端子板３４が、接続部材３３によって基板２に固定されている。接続部材３３は、例えばロウ材や接着剤であり、基板２には、それが凹部２ｕへ流れるのを防止する手段として溝２ｔが設けられている。凹部２ｕに接続部材３３が流れると、凹部２ｕの表面に凹凸ができ、光の反射率が低下するからである。なお同じ目的が達成されれば、別の手段でも構わない。例えば凹凸部分を設けてもよい。絶縁板３１は、例えばセラミックにより構成されるが、絶縁板３１の代わりに絶縁性を有する膜、例えばシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜を設けてもよい。絶縁板３１上には、ボンディングワイヤ２１から２４と電気的に繋ぐために導電性の電極３２が設けられる。この電極は、印刷、蒸着、メッキなどによって形成される。溝２ｔは、例えば、機械加工やサンドブラストで形成してもよい。または基板２の表面に形成される下地メッキを部分的に除くか、または部分的にメッキされない領域を設けることによって形成してもよい。なおこの溝の幅は、５０μｍ以上１ｍｍ以下であることが望ましく、より望ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下である。幅が小さ過ぎると接続部材がそれを乗り越え易くなり、大き過ぎるとスペースが無駄になる。以上述べてきたように、この発明の実施の形態３の半導体装置では、凹部２ｕと別の位置に設けられ基板２と端子板３４とを接続する接続部材３３をさらに備える。基板２には、接続部材３３が凹部２ｕへ流れるのを防止する手段としての溝２ｔが設けられている。このように構成された、この発明の実施の形態３の半導体装置は、接続部材が凹部の金属層を覆うことがなく、装置の発光効率の低下を抑えることができる。
【実施例】
【００２７】
実施例では、図１、図７および図８で示す半導体装置１００を用いて、半導体発光素子１を発光させた場合の半導体発光素子１の温度を測定した。
【実施例１】
【００２８】
まず、銅を１５質量％含みタングステンを８５質量％含む複合材で構成される基板と、ＧａＮ系の化合物半導体発光ダイオードからなる半導体発光素子１とを有する図７の構造の半導体装置１００を用意した。この半導体装置１００の底面２ｂを銅のフレーム上に搭載した。上述のような材質からなり、基板２の寸法Ｙ、素子寸法Ｌ（長辺長さＬ）、基板厚みＨ（素子搭載面２ａから底面２ｂまでの距離Ｈ）がさまざまに設定された、表１で示すサンプルを用意した。
【００２９】
これらのサンプル１から１０の半導体発光素子１に１Ａの電流を流して発光させ、発光後１分経過したときの温度Ｔ１を、放射温度計（非接触）を用いて測定した。さらに発光を続け、発光後３分経過したときの温度Ｔ３をそれぞれのサンプル１から９について測定した。温度上昇率（（Ｔ３−Ｔ１）／Ｔ１）をそれぞれのサンプル１から１０について測定した。その結果も表１に示す。表１の温度上昇率において「◎」は、温度上昇率が１０％未満であったことを示す。「○」は温度上昇率が２０％未満であったことを示す。「Ｘ」は温度上昇率が２０％以上であったことを示す。表１より、本発明外のサンプル２では温度上昇率が大きいため、放熱性が低くなっていることが分かる。それ以外のサンプルでは、本発明の範囲内であるため温度上昇率を適切に制御できていることがわかる。特に表には示さないが、５から７のサンプルでは、特に温度上昇率が、５％以下であった。
【００３０】
【表１】

【００３１】
また、上記基板とほぼ同じサイズのＡｌを３０質量％含みＳｉＣを７０質量％含む複合材の基板と、上記発光素子とほぼ同じサイズのＳｉ半導体素子を使い、上記とほぼ同じようなＨ／Ｌ域の図１と同じ基本構造の試料を用意した。上記と同じ手順にてほぼ同じＨ／Ｌの領域において実動させて、素子表面の温度上昇率を確認したところ、上記と同じ傾向の結果が得られた。
【００３２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
この発明に従えば、半導体素子から発生する熱を十分に除去することができる半導体装置を提供することができる。また発光素子を備えた半導体装置では、発光効率に優れたものを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】 この発明の実施の形態１に従った半導体装置の例を表す断面図である。
【図２】 図１で示される半導体素子の一形態例を表す斜視図である。
【図３】 図１で示される半導体素子のその他の形態例を表す斜視図である。
【図４】 熱の放散を説明するために示す半導体装置の断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態２に従った半導体装置の例を表す断面図である。
【図６】 図５で示される半導体発光素子の一形態例を表す斜視図である。
【図７】 この発明の実施の形態３に従った半導体装置の例を表す断面図である。
【図８】 図７中のＶで示す部分の一形態の断面を拡大して表した図である。

Claims (3)

1. 長辺方向の長さＬが１ｍｍ以上でＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰおよびＳｉのいずれかの発光素子と、該素子が搭載される上面と、その反対側に位置する底面とを有する熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の基板とを備え、該発光素子の主面の長辺方向の長さＬと該基板の上面の発光素子搭載部から底面までの距離Ｈとの比Ｈ／Ｌが、０．３以上であり、前記基板および前記発光素子の熱膨張係数が３〜７×１０^-6／Ｋである、半導体装置。
2. 該素子が搭載される基板の部分が凹部を形成するとともに、上面上に金属層が形成されている請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記発光素子と該素子への電力供給のための端子板との間を繋ぐ接続部材が、凹部と別の位置に配置され、同接続部材の凹部への浸入を防ぐ手段が、同接続部材に隣接する上面上に設けられている請求項２に記載の半導体装置。

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