特許 7306831 半導体パッケージ用ステム、半導体パッケージ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-03

(45)【発行日】2023-07-11

(54)【発明の名称】半導体パッケージ用ステム、半導体パッケージ

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20230704BHJP

   H01S 5/022 20210101ALI20230704BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 C

H01S5/022

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019005116

(22)【出願日】2019-01-16

(65)【公開番号】P2020113695

(43)【公開日】2020-07-27

【審査請求日】2021-11-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000190688

【氏名又は名称】新光電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】片山 渉

(72)【発明者】

【氏名】三ツ井 涼太

【審査官】庄司 一隆

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－０２１２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３０２９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－０３４９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２５８２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３４９３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０６９３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１１６９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１２３４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２４２０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００９３１２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／１１６１３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０８３９１３２６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２０１６－１２７０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１９０７６７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１０－０１２０３０１（ＫＲ，Ａ）

【文献】実開昭４８－０７０５５４（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０１Ｓ ５／０２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面から第２面に貫通する貫通孔が形成されたアイレットと、
前記アイレットの前記第２面に、前記貫通孔の一端側を塞ぐように接合された金属ベースと、
一端側が前記貫通孔に挿入されて前記貫通孔内で前記金属ベースと接合され、他端側が前記アイレットの前記第１面から突出する金属ブロックと、
前記アイレット及び前記金属ベースを貫通するリードと、を有し、
前記金属ブロックの前記アイレットの前記第１面から突出する部分は、半導体素子を搭載する素子搭載面を含み、
前記金属ベースの熱伝導率は、前記アイレットの熱伝導率と同等以上であり、
前記金属ブロックの前記一端側の面は、前記アイレットの第２面と面一であり、
平面視で、前記金属ベースは、前記リードよりも前記アイレットの中心側及び外周側に配置されている半導体パッケージ用ステム。

【請求項2】

平面視で、前記金属ベースの外形は、前記アイレットの外形よりも小さい請求項１に記載の半導体パッケージ用ステム。

【請求項3】

前記アイレットと前記金属ベースと前記金属ブロックとは、融点が３５０℃以上の金属接合材により接合されている請求項１に記載の半導体パッケージ用ステム。

【請求項4】

前記金属接合材は銀ろうである請求項３に記載の半導体パッケージ用ステム。

【請求項5】

前記アイレットと前記金属ベースとは、同一材料により形成されている請求項１乃至４の何れか一項に記載の半導体パッケージ用ステム。

【請求項6】

平面視で、前記金属ブロックの前記素子搭載面の両端部は、前記素子搭載面の中央部より突出している請求項１乃至５の何れか一項に記載の半導体パッケージ用ステム。

【請求項7】

請求項１乃至６の何れか一項に記載の半導体パッケージ用ステムと、
前記素子搭載面に搭載された半導体素子と、を有する半導体パッケージ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体パッケージ用ステム、及び半導体パッケージに関する。

【背景技術】

【0002】

発光素子を搭載する半導体パッケージ用ステムにおいて、例えば、円板状のアイレットに貫通孔を形成し、貫通孔内にアイレットよりも薄い第１ヒートシンクを挿入した構造が知られている。

【0003】

この半導体パッケージ用ステムでは、第１ヒートシンクの上面はアイレットの上面と面一であり、第１ヒートシンクの下面はアイレットの下面よりも窪んでいる。第１ヒートシンクの上面には、アイレットの上面から突出する半導体素子搭載部が設けられている。

【0004】

この半導体パッケージ用ステムを光源モジュールとして用いる際には、放熱性能を向上するために、アイレットの下面に、熱伝導性接着材を介してアイレットよりも大径の第２ヒートシンクを接合する。熱伝導性接着材の一部はアイレットの貫通孔内に入り込み、接着性を向上させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２００９／１１６１３３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、半導体パッケージ用ステムを光源モジュールとして用いる際にアイレットよりも大径の第２ヒートシンクを接合すると、光源モジュールが大型化するため、半導体パッケージ用ステム自体の放熱性能を向上させることが好ましい。

【0007】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、放熱性能を向上した半導体パッケージ用ステムを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本半導体パッケージ用ステムは、第１面から第２面に貫通する貫通孔が形成されたアイレットと、前記アイレットの前記第２面に、前記貫通孔の一端側を塞ぐように接合された金属ベースと、一端側が前記貫通孔に挿入されて前記貫通孔内で前記金属ベースと接合され、他端側が前記アイレットの前記第１面から突出する金属ブロックと、前記アイレット及び前記金属ベースを貫通するリードと、を有し、前記金属ブロックの前記アイレットの前記第１面から突出する部分は、半導体素子を搭載する素子搭載面を含み、前記金属ベースの熱伝導率は、前記アイレットの熱伝導率と同等以上であり、前記金属ブロックの前記一端側の面は、前記アイレットの第２面と面一であり、平面視で、前記金属ベースは、前記リードよりも前記アイレットの中心側及び外周側に配置されていることを要件とする。

【発明の効果】

【0009】

開示の技術によれば、放熱性能を向上した半導体パッケージ用ステムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態に係る半導体パッケージ用ステムを例示する図である。

【図2】アイレットと金属ベースと金属ブロックとを接合する工程を例示する図である。

【図3】第２実施形態に係る半導体パッケージを例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0012】

〈第１実施形態〉
図１は、第１実施形態に係る半導体パッケージ用ステムを例示する図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線に沿う断面図である。

【0013】

図１を参照すると、第１実施形態に係る半導体パッケージ用ステム１は、アイレット１０と、金属ベース２０と、金属ブロック３０と、第１リード４１と、第２リード４２と、封止部５０とを有する。

【0014】

アイレット１０は、円板状の部材である。アイレット１０には、上面１０ａから下面１０ｂに貫通する略半円形の貫通孔１０ｘが形成されている。

【0015】

なお、本願において、円板状とは、平面形状が略円形で所定の厚さを有するものを指す。直径に対する厚さの大小は問わない。又、部分的に凹部や凸部、貫通孔等が形成されているものも含むものとする。又、本願において、平面視とは対象物をアイレット１０の上面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物をアイレット１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。

【0016】

アイレット１０の外縁部には、平面視において、外周側から中心側に窪んだ形状の切り欠き部１１、１２、及び１３が形成されている。切り欠き部１１、１２、及び１３は、例えば、平面形状が略三角状や略四角状の窪みである。切り欠き部１１と切り欠き部１２とは、例えば、対向して配置できる。

【0017】

切り欠き部１１及び１２は、例えば、半導体パッケージ用ステム１が半導体素子を搭載する際の素子搭載面の位置出し等に用いることができる。切り欠き部１３は、例えば、半導体パッケージ用ステム１の回転方向の位置出し等に用いることができる。但し、切り欠き部１１、１２、及び１３は、必要に応じて設ければよい。

【0018】

アイレット１０の直径は、特に制限がなく、目的に応じて適宜決定できるが、例えば、φ５．６ｍｍやφ９．０ｍｍ等である。アイレット１０の厚さは、特に制限がなく、目的に応じて適宜決定できるが、例えば、０．５～３ｍｍ程度である。

【0019】

アイレット１０は、例えば、鉄やステンレス等の金属材料から形成できる。アイレット１０を、複数の金属層（銅層や鉄層等）が積層された金属材料（例えば、所謂クラッド材）から形成してもよい。アイレット１０の表面にめっきを施してもよい。

【0020】

金属ベース２０は、平面形状がアイレット１０よりも若干小型に形成された、平面形状が略円形の部材である。つまり、平面視で、金属ベース２０の外形はアイレット１０の外形よりも小さく、金属ベース２０にはアイレット１０の外形よりもはみ出す部分がない。金属ベース２０には、第１リード４１及び第２リード４２が通る部分を除き、貫通孔は形成されていない。金属ベース２０は、アイレット１０の下面１０ｂに、貫通孔１０ｘの一端側を塞ぐように接合されている。

【0021】

金属ベース２０の厚さは、アイレット１０の厚さよりも薄く、例えば、０．１～０．４ｍｍ程度である。金属ベース２０の熱伝導率は、アイレット１０の熱伝導率と同等以上である。例えば、アイレット１０の材料が鉄である場合、金属ベース２０の材料として、アイレット１０よりも熱伝導率の良い銅を用いることができる。この場合、半導体パッケージ用ステム１の放熱性能を向上できる。

【0022】

アイレット１０の材料が鉄である場合、金属ベース２０の材料として、鉄を用いてもよい。このようにアイレット１０と金属ベース２０とが同一材料により形成されている場合、アイレット１０と金属ベース２０の熱膨張係数が同一となる。そのため、アイレット１０と金属ベース２０の熱による変形を抑制でき、半導体パッケージ用ステム１に半導体素子を搭載した半導体パッケージ（図３参照）を作製したときに、半導体パッケージの気密性を向上できる。

【0023】

金属ブロック３０は、平面形状がアイレット１０の貫通孔１０ｘよりも若干小型に形成された、平面形状が略半円形の柱状部材である。金属ブロック３０の一端側は、アイレット１０の貫通孔１０ｘに挿入されて貫通孔１０ｘ内で金属ベース２０と接合されている。又、金属ブロック３０の他端側は、アイレット１０の上面１０ａから突出している。金属ブロック３０の下面３０ｂは、アイレット１０の下面１０ｂと略面一である。

【0024】

金属ブロック３０の上面３０ａとアイレット１０の上面１０ａとの距離（金属ブロック３０のアイレット１０の上面１０ａからの突出量）は、例えば、２～３ｍｍ程度である。金属ブロック３０には、アイレット１０よりも熱伝導率の高い材料を用いることができる。アイレット１０の材料が鉄であれば、例えば、金属ブロック３０の材料は銅である。

【0025】

金属ブロック３０は、半導体パッケージ用ステム１が半導体素子を搭載した半導体パッケージとして使用されるときに半導体素子を搭載し固定する部分であり、半導体素子から発する熱を放散する放熱板としての機能も有する。金属ブロック３０のアイレット１０の上面１０ａから突出する部分は、半導体素子（例えば、レーザ等の発光素子）を搭載する素子搭載面３０ｒを含んでいる。素子搭載面３０ｒは、アイレット１０の上面１０ａに対して略垂直になるように設けられている。

【0026】

平面視で、金属ブロック３０の素子搭載面３０ｒの両端部には、素子搭載面３０ｒの中央部より第１リード４１及び第２リード４２の方向に突出する突出部３０ｐを有していることが好ましい。金属ブロック３０が突出部３０ｐを有することで、金属ブロック３０の体積が増えるため、金属ブロック３０の放熱性能を向上できる。

【0027】

図２は、アイレットと金属ベースと金属ブロックとを接合する工程を例示する図である。但し、図２（ｃ）及び図２（ｄ）は、図１（ｂ）のＢ部に対応する拡大図である。

【0028】

まず、図２（ａ）に示すように、平面視で金属ベース２０と略同形状の金属接合材６０を準備し、金属ベース２０の上面２０ａ上に金属接合材６０を配置する。金属接合材６０の厚さＴ_１は、例えば、３０～７０μｍ程度である。金属ベース２０には、第１リード４１及び第２リード４２を挿入するための貫通孔が設けられている。

【0029】

なお、半導体パッケージ用ステム１に半導体素子を搭載した半導体パッケージの製造工程は、３００℃程度に加熱する工程を含む場合がある。そのため、アイレット１０と金属ベース２０と金属ブロック３０とを接合する金属接合材６０としては、融点が３５０℃以上の材料を選定することが好ましい。金属接合材６０としては、例えば、融点が８００℃程度である銀ろうを用いることができる。なお、図１では、金属接合材６０の図示は省略されている。

【0030】

次に、図２（ｂ）に示すように、第１リード４１、第２リード４２、及び封止部５０が設けられたアイレット１０を準備し、金属接合材６０上に配置する。すなわち、金属接合材６０を挟んで、金属ベース２０上にアイレット１０を配置する。アイレット１０の下面１０ｂは、金属接合材６０と接する。

【0031】

次に、図２（ｃ）に示すように、アイレット１０の貫通孔１０ｘに、金属ブロック３０を挿入する。金属ブロック３０の下面３０ｂは、金属接合材６０と接する。金属接合材６０の厚さＴ_１は略一定であるため、金属ブロック３０の下面３０ｂはアイレット１０の下面１０ｂと略面一となる。又、金属ブロック３０の側面３０ｃとアイレット１０の貫通孔１０ｘの内壁面１０ｃとの間には、隙間（クリアランス）Ｓが生じる。隙間Ｓは、例えば、３０～７０μｍ程度である。

【0032】

次に、図２（ｄ）に示すように、金属接合材６０を融点より高い温度まで加熱して溶融させ、その後凝固させる。この際、アイレット１０及び金属ブロック３０を金属ベース２０側に押圧してもよい。

【0033】

金属ベース２０とアイレット１０に挟まれた部分、及び金属ベース２０と金属ブロック３０に挟まれた部分の金属接合材６０は、溶融により薄くなる。金属ベース２０とアイレット１０に挟まれた部分、及び金属ベース２０と金属ブロック３０に挟まれた部分の金属接合材６０の凝固後の厚さＴ_２は、１０μｍ以下（例えば、数μｍ程度）となる。金属接合材６０は略均一に薄くなるため（厚さＴ_２が略一定となるため）、金属ブロック３０の下面３０ｂはアイレット１０の下面１０ｂと略面一となる。

【0034】

又、溶融した金属接合材６０の一部は、毛細管現象により隙間Ｓに入り込み、隙間Ｓを充填した状態で凝固する。これにより、アイレット１０と金属ベース２０と金属ブロック３０とが接合される。

【0035】

このように、金属ブロック３０の下面３０ｂは、金属接合材６０により金属ベース２０の上面２０ａに接合されている。又、金属ブロック３０の側面３０ｃは、金属接合材６０によりアイレット１０の貫通孔１０ｘの内壁面１０ｃに接合されている。又、アイレット１０の下面１０ｂは、金属接合材６０により金属ベース２０の上面２０ａに接合されている。

【0036】

図１の説明に戻り、第１リード４１及び第２リード４２は、アイレット１０及び金属ベース２０を厚さ方向に貫通する貫通孔に、長手方向を厚さ方向に向けて挿入されている。アイレット１０の貫通孔内において、第１リード４１及び第２リード４２の周囲は封止部５０に封止されている。第１リード４１及び第２リード４２の一部は、アイレットの上面１０ａ及び金属ベース２０の下面２０ｂから突出している。第１リード４１及び第２リード４２において、金属ベース２０の下面２０ｂからの突出量は、例えば、６～７ｍｍ程度である。

【0037】

第１リード４１及び第２リード４２は、例えば、５０％鉄－ニッケル合金やコバール等の金属から形成されており、封止部５０は、例えば、ガラス材等の絶縁材料から形成されている。第１リード４１及び第２リード４２は、例えば、半導体パッケージ用ステム１に搭載される半導体素子と電気的に接続される。なお、搭載する半導体素子の仕様に合わせて、リードの数を増やしてもよい。

【0038】

このように、半導体パッケージ用ステム１では、アイレット１０の下面１０ｂに貫通孔１０ｘの一端側を塞ぐように、アイレット１０の熱伝導率と同等以上の熱伝導率の金属ベース２０が接合されている。そして、金属ブロック３０の一端側（下面３０ｂ側）が貫通孔１０ｘに挿入されて貫通孔１０ｘ内で金属ベース２０と接合され、他端側（上面３０ａ側）がアイレット１０の上面１０ａから突出している。又、金属ブロック３０の下面３０ｂは、アイレット１０の下面１０ｂと略面一である。

【0039】

このような構造により、金属ブロック３０の素子搭載面３０ｒに半導体素子を搭載した際に放熱部となる金属ベース２０に、金属ブロック３０の下面３０ｂを近づけることができる。又、金属ブロック３０を貫通孔１０ｘ内に挿入することにより、金属ブロック３０の体積を増やすことができる。その結果、半導体パッケージ用ステム１の放熱性能を向上できる。

【0040】

なお、金属ベース２０とアイレット１０に挟まれた部分、及び金属ベース２０と金属ブロック３０に挟まれた部分の金属接合材６０の厚さＴ_２は１０μｍ以下であり、極めて薄い。従って、金属接合材６０の存在が半導体パッケージ用ステム１の放熱性能を阻害することはない。

【0041】

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、第１実施形態に係る半導体パッケージ用ステムに半導体素子の一例である発光素子を搭載した半導体パッケージの例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

【0042】

図３は、第２実施形態に係る半導体パッケージを例示する図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ－Ａ線に沿う断面図である。

【0043】

図３を参照すると、半導体パッケージ２は、半導体パッケージ用ステム１（図１参照）と、発光素子１１０と、キャップ１２０と、接着剤１３０と、透明部材１４０とを有する。

【0044】

発光素子１１０は、例えば、波長が４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、又は７８０ｎｍの半導体レーザチップである。発光素子１１０は、一方の端面が上側（透明部材１４０側）を向き、他方の端面が下側（アイレット１０の上面１０ａ側）を向くように、金属ブロック３０の素子搭載面３０ｒに固着されている。半導体パッケージ２において、例えば、平面視において、発光素子１１０の発光点位置がアイレット１０の上面１０ａの中心と略一致するように、発光素子１１０が搭載される。発光素子１１０の電極（図示せず）は、例えば、ボンディングワイヤ等により第１リード４１及び第２リード４２と接続されている。

【0045】

キャップ１２０は、例えば、鉄や銅等の金属から形成され、平面視において略中央部に開口部１２０ｘ（窓）が設けられている。透明部材１４０は、例えば、ガラス等から形成され、開口部１２０ｘを塞ぐように、低融点ガラス等からなる接着剤１３０によりキャップ１２０のアイレット１０側の面（内側の面）に接着されている。透明部材１４０が接着剤１３０により接着されたキャップ１２０は、例えば溶接等により、アイレット１０の上面１０ａの外縁部近傍に接合されており、発光素子１１０を気密封止している。

【0046】

発光素子１１０の一方の端面側から出射された光（例えば、レーザ光）は、開口部１２０ｘ内の透明部材１４０を透過して半導体パッケージ２の外部に出射される。なお、発光素子１１０の他方の端面側から出射された光をフォトダイオード等により受光して、発光素子１１０の出射光量をモニタするようにしてもよい。フォトダイオードで受光する光量が一定になるように、半導体パッケージ２の外部に配置された回路で制御することにより、環境温度等によらず、半導体パッケージ２の出射光量を一定にできる。

【0047】

このように、半導体パッケージ用ステム１の素子搭載面３０ｒに発光素子１１０を搭載して半導体パッケージ２を実現できる。半導体パッケージ用ステム１は、従来の半導体パッケージ用ステムと比べて放熱性能に優れているため、半導体パッケージ２において、発光素子１１０の発した熱を効率よく外部に放出できる。

【0048】

なお、第２実施形態では半導体パッケージ用ステム１に発光素子１１０を搭載する例を示したが、これには限定されず、半導体パッケージ用ステム１に発光素子以外の発熱性の半導体素子を搭載してもよい。又、半導体パッケージ用ステム１に半導体素子を搭載した半導体パッケージは、各種センサやインフレータ等に用いても構わない。

【0049】

以上、好ましい実施形態について詳説したが、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

【符号の説明】

【0050】

１ 半導体パッケージ用ステム
２ 半導体パッケージ
１０ アイレット
１０ａ、２０ａ、３０ａ 上面
１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ 下面
１０ｃ 内壁面
１０ｘ 貫通孔
１１、１２、１３ 切り欠き部
２０ 金属ベース
３０ 金属ブロック
３０ｃ 側面
３０ｐ 突出部
３０ｒ 素子搭載面
４１ 第１リード
４２ 第２リード
５０ 封止部
６０ 金属接合材
１１０ 発光素子
１２０ キャップ
１２０ｘ 開口部
１３０ 接着剤
１４０ 透明部材

【図1】

【図2】

【図3】