(57)【要約】【課題】外部と熱的に分離された半導体素子を内蔵する半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置１００は、支持基板１１の表面に載置される半導体素子１６と、半導体素子１６が密封されるように支持基板１１の表面を被覆するケース材１２と、外部に延在する外部端子１８と半導体素子１６とを電気的に接続する接続手段としての金属細線１５と、半導体素子１６の側面に当接することにより半導体素子１６を支持基板に機械的に固定する固定部としての枠材１４とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の表面に載置される半導体素子と、
前記半導体素子が密封されるように前記支持基板の表面を被覆するケース材と、
外部に延在する外部端子と前記半導体素子とを電気的に接続する接続手段と、
前記半導体素子の側面に当接することにより、前記半導体素子を支持基板に機械的に固定する固定部とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記固定部は、１つの角部が切除された枠状の枠材であり、前記枠材は前記支持基板に固着され、前記枠材の内側の４辺が前記半導体素子の側面に当接することで、前記半導体素子を前記支持基板に固定することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記枠材の内側の大きさは前記半導体素子と同等以下に形成されることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記枠材は、切除された前記角部に連続する前記２辺に、内側に突出する凸部を有し、前記凸部が前記半導体素子の側面に当接することで、前記半導体素子が前記支持基板に固定されることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記固定部は金属から成り、前記固定部の弾性を用いて前記半導体素子を前記支持基板に固定することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記支持基板および前記前記ケース材により密閉される空間は、大気圧よりも圧力が低いことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体素子は、その表面に受光部または発光部を有し、
前記半導体素子の上方の前記ケース材は、前記半導体素子が発光または受光する光に対して透明な材料から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子の周辺部には段差部が設けられ、前記固定部は、前記段差部に当接することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項９】
前記固定部は、枠状の枠材と当該枠材から内側に延在する当接部とから成り、前記当接部が前記半導体素子の側面部に当接することで、前記半導体素子を前記支持基板に固定することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体素子の周辺部には段差部が設けられ、前記当接部は、前記段差部に当接することを特徴とする請求項９記載の半導体装置。
【請求項１１】
半導体素子を固定する固定部を支持基板に固着する工程と、
前記固定部を前記半導体素子の側面に当接させることにより、前記半導体素子を前記支持基板に固定する工程と、
外部に延在する外部端子と前記半導体素子とを電気的に接続する工程と、
大気圧よりも圧力が低い雰囲気下で前記半導体素子が封止されるように前記支持基板の表面をケース材で被覆する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記支持基板および前記ケース材は金属より成り、溶接により両者は一体化されることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械的に固定された半導体素子を内蔵する半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８を参照して、従来型の半導体装置装置１００に関して説明する。図８は従来型の半導体装置１００の斜視図である。
【０００３】
同図を参照して、従来型の半導体装置１００では、中央部のリード１０４はその端部にアイランド１０２を有する。そして、半田等の接着手段を介して、アイランド１０２上には半導体素子１０１が固着されている。アイランド１０２の両側にはリード１０４があり、金属細線１０５を介して、半導体素子１０１とリード１０４とは電気的に接続されていた。また、上記した各構成要素は、外部端子となる箇所のリード１０４を除いて、封止樹脂１０６により封止されていた（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２９９３５２号公報（図３参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した半導体装置１００では、封止樹脂１０６あるいはリード１０４を介して、半導体素子１０１は外部からの温度的な影響を受けてしまう。従って、外気の温度の変化が、半導体素子１０１の動作に悪影響を及ぼしてしまう問題があった。更に、半田等のロウ材を介して半導体素子１０１を固着すると、固着時の高温により、半導体素子１０１の特性が変化してしまう問題があった。
【０００６】
本発明は上記した問題点を鑑みて成されたものであり、本発明の主な目的は、外部と断熱された半導体素子を内蔵する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、支持基板の表面に載置される半導体素子と、前記半導体素子が密封されるように前記支持基板の表面を被覆するケース材と、外部に延在する外部端子と前記半導体素子とを電気的に接続する接続手段と、前記半導体素子の側面に当接することにより、前記半導体素子を支持基板に機械的に固定する固定部とを有することを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明は、半導体素子を固定する固定部を支持基板に固着する工程と、前記固定部を前記半導体素子の側面に当接させることにより、前記半導体素子を前記支持基板に固定する工程と、外部に延在する外部端子と前記半導体素子とを電気的に接続する工程と、大気圧よりも圧力が低い雰囲気下で前記半導体素子が封止されるように前記支持基板の表面をケース材で被覆する工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明の半導体装置１０の具体的な構造を説明する。図１（Ａ）は半導体装置１０の平面図であり、図１（Ｂ）（Ｃ）はその断面図である。
【００１０】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、本発明の半導体装置１００は、支持基板１１の表面に載置される半導体素子１６と、半導体素子１６が密封されるように支持基板１１の表面を被覆するケース材１２と、外部に延在する外部端子１８と半導体素子１６とを電気的に接続する接続手段としての金属細線１５と、半導体素子１６の側面に当接することにより半導体素子１６を支持基板に機械的に固定する固定部としての枠材１４とを有する。この各構成要素を以下にて詳述する。
【００１１】
支持基板１１は金属から成り、その表面には半導体素子１６が載置さる。そして、半導体素子１６が載置さる領域の周辺部には、外部端子１８と連続するパッド１３が複数個形成されている。ここでは、支持基板１１は、円形の形状であるが、矩形等の他の形状を有していても良い。更に、支持基板１１の材料は金属以外の材料も採用可能であり、ガラス、セラミック、または、樹脂材等を採用することも可能である。
【００１２】
半導体素子１６は、所望の電気回路がその表面に形成され、支持基板１１の中央部付近に配置されている。そして、金属細線１５を介して、半導体素子１６とパッド１３とは電気的に接続されている。また、半導体素子１６は、固定部としての枠材１４Ａにより、支持基板１１に機械的に固着されている。また、外部との断熱性を向上させるために、半導体素子１６の裏面を支持基板１１から離間させても良い。
【００１３】
ケース材１２は金属から成り、半導体素子１６、金属細線１５、パッド１３、および、枠材１４を被覆するように、支持基板１１の表面を被覆している。具体的には、ケース材１２は、曲面を描く略半球状の形状を有し、円盤状の支持基板１１の周辺部と結合している。また、ケース材１２と支持基板１１の両方が金属でなる場合は、両者の接着は溶接により行うことができる。更に、ケース材１２の材料は金属以外の材料も採用可能であり、ガラス、セラミック、または、樹脂材等を採用することも可能である。
【００１４】
ケース材１２および支持基板１１からなる内部空間は、外部の大気圧よりも低い気圧に成っている。具体的には、この内部空間の気圧は１×１０−５ＴＯＲＲ程度の極めて低い気圧にすることができる。このように、内部空間の気圧が大気圧よりも低い場合は、ケース材１２に外部からの大きな圧力が作用するが、図示するようにケース材１２を半球状に形成することにより、ケース材１２に気圧に対する応力を持たせることができる。また、上述のように、内部空間を高真空にすることにより、内部空間に内蔵される半導体素子１６と外部とを熱的に分離することができる。即ち、外部の温度が変化しても、半導体装置１０の内部空間は略一定の温度である。従って、半導体素子１６の動作を安定化することができる。
【００１５】
枠材１４Ａは、半導体素子１６を機械的に支持基板１１に固着させる働きを有する。具体的に、枠材１４Ａは、その弾性を用いて半導体素子１６側面に当接することにより半導体素子１６を支持基板１１に固定している。ここでは、枠材１４Ａは金属から成り、溶接等の結合構造により枠材１４Ａの３角が支持基板１１に固着されている。
【００１６】
半導体素子１６の固着に枠材１４Ａを用いることのメリットを説明する。一般的な半導体素子の固着方法として、エポキシ樹脂等の有機性の接着剤を用いる固着方法と、半田等のロウ材を用いる固着方法とがある。しかしながら、ポキシ樹脂等の有機性の接着剤を用いる固着方法では、高真空下の内部空間では有機性の接着剤が常温で気化してしまい、内部空間の気圧を上げてしまう。このことが、外気と半導体素子１６との温度的絶縁を損なってしまい、半導体素子１６の動作を不安定にさせる。また、半田等のロウ材を用いる固着方法では、リフローの工程により半導体素子１６が加熱されてしまい、半導体素子１６の感度が変化してしまう危険性がある。本発明の枠材１４Ａによる半導体素子１６の固着構造では、気化する危険性を孕む有機性の接着剤を使用せず、更に、加熱せずに固着を行うことができる。従って、半導体素子１６の安定した固着構造および固着方法を提供することができる。
【００１７】
図１（Ｂ）を参照して、枠材１４Ａによる半導体素子１６の固定構造を更に詳述する。半導体素子１６の周辺部には、段差部１６Ａが設けられている。そして枠材１４Ａは、段差部１５Ａの平坦部および側面部に当接している。この様に、半導体素子１６の周辺に設けた段差部１６Ａに、枠材１６Ａが当接することにより、半導体素子１６を縦方向および横方向の両方向に対して固定することができる。
【００１８】
外部端子１８は導電体から成り、支持基板１９を貫通してパッド１３から連続的に外部に延在し、外部との電気的入出力を行う働きを有する。従って、外部端子１８は、パッド１３および金属細線１５を介して、半導体素子１６と電気的に接続されている。また、外部端子１８と支持基板１１との間隙は、内部空間への外気の侵入防止のために、充填材１９により充填されている。更にまた、支持基板１１が金属から成る場合は、充填材１９として絶縁性を有する材料を採用することにより、支持基板１１と外部端子１８との電気的短絡を防止することができる。より好適には、充填材１９として低温ガラスを採用することにより、内部空間の高真空による充填材１９の気化を抑止することができる。また、低温ガラスは溶融点が低いことから、作業性に優れている。
【００１９】
図１（Ｃ）を参照して、他の形態の半導体装置１０の構造を説明する。ここでは、半導体素子１６として、その表面に受光部または発光部を有する半導体素子が採用されている。具体的には、可視光線や赤外線等の受光または発光を行う半導体素子が、ここでの半導体素子１６として採用される。
【００２０】
ケース材１２の、半導体素子１６の上方に対応する箇所は、透明な材料から成る透明部１２Ａと成っている。この透明部１２Ａは、例えばガラスから成り、ケース材１２と連続する曲面を形成するような形状と成っている。この透明部１２Ａは、半導体素子１６が発光または受光する光に対して透明性を有する材料から成る。
【００２１】
図２を参照して、半導体素子１６の固定を行う枠材１４Ａの詳細を説明する。
図２（Ａ）から図２（Ｄ）は、各形態の枠材１４Ａの形状を示す平面図である。
【００２２】
図２（Ａ）を参照して、枠材１４Ａは略額縁状の形状を有し、内側の大きさは半導体素子１６と同等以下になっている。また、枠材１４Ａは、１つの角部が切除されることで、開口部２０が設けられている。開口部２０に隣接する２つの辺の内側には、内側に突出する凸部２１が各々に形成されている。ここでの凸部２１は、内側に円弧を描くように突出している。従って、凸部２１は、半導体素子１６の側面にソフトに当接する。開口部２０に対向する内側の角部には、円形に切除された切り込み部２２が形成されている。このことから、枠材１４Ａの面方向への弾性的な変形を促進している。
【００２３】
図２（Ｂ）を参照して、他の形態の枠材１４Ｂの形状を説明する。枠材１４Ｂの基本的な形状は枠材１４Ａと同様であり、相違点は凸部２１の形状にある。具体的には、ここでの凸部２１は、開口部２０により接近した箇所の辺に設けられている。更に、半導体素子１６の側面に当接する箇所の凸部２１は平坦に形成されており、半導体素子１６の側面との当接する面積を大きくすることができる。
【００２４】
図２（Ｃ）を参照して、他の形態の枠材１４Ｃの形状を説明する。枠材１４Ｃの基本的な形状は枠材１４Ａと同様であり、相違点は凸部２１の形状にある。具体的には、凸部２１が部分的にくり抜かれた形状に成っている。従って、枠材１４Ｃの軽量化を行うことができる。
【００２５】
図２（Ｄ）を参照して、他の形態の枠材１４Ｄの形状を説明する。枠材１４Ｄの基本的な形状は枠材１４Ａと同様であり、相違点は凸部２１の形状にある。ここでは、凸部２１の内側の形状は、その辺の大部分に渡って延在する直線的な形状と成っている。従って、半導体素子１６と当接する箇所の凸部２１の面積が大きくなる。また、ここでは、枠材１４Ｄの３角に切り込み部２２が形成されている。従って、枠材１４Ａの面方向への弾性的な変形を、更に、促進している。
【００２６】
図３を参照して、他の半導体素子１６の固着構造を有する半導体装置１０の構造を説明する。図３（Ａ）は半導体装置１０の平面図であり、図３（Ｂ）（Ｃ）は半導体装置１０の断面図である。
【００２７】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照して、同図に示す半導体装置１０の基本的な構成は、図１に示したものと同様であり、相違点は半導体素子１６の固着構造にある。具体的には、ここでの枠材１４Ｅは、額縁状の閉じた形状を有し、４辺から内側に当接部２３が延在している。当接部２３は、内側に延在して途中から上方に折り曲がっている。そして、上方に折り曲がった当接部２３の端部が、半導体素子１６の側面に当接することによって、半導体素子１６は支持基板１１に固着されている。
【００２８】
図３（Ｃ）を参照して、半導体素子１６の周辺部には段差部１６Ａが形成されている。そして、当接部２３は段差部１６Ａに当接している。従って、半導体素子１６の固着力は更に向上される。
【００２９】
図４を参照して、更なる他の半導体素子１６の固着構造を有する半導体装置１０の構造を説明する。図４（Ａ）は半導体装置１０の平面図であり、図４（Ｂ）（Ｃ）は半導体装置１０の断面図である。
【００３０】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）を参照して、同図に示す半導体装置１０の基本的な構成は、図１に示したものと同様であり、相違点は半導体素子１６の固着構造にある。具体的には、ここでの枠材１４Ｆは、額縁状の閉じた形状を有し、４辺から内側に当接部２３が延在している。ここでの当接部２３は、枠材１４Ｆの上部に固着され、断面的には内側に延在して斜め下方に湾曲している。この当接部２３の端部が半導体素子１６の側面に当接することにより、半導体素子１６が支持基板１１に固着されている。また、枠材１４Ｆの４角は、溶接や半田付け等の接続構造により、支持基板１１に固着されている。
【００３１】
図４（Ｃ）を参照して、半導体素子１６の周辺部には段差部１６Ａが形成されている。そして、当接部２３は段差部１６Ａに当接している。従って、半導体素子１６の固着力は更に向上される。
【００３２】
図５以降を参照して、上述した半導体装置１０の製造方法を説明する。導体装置１０の製造方法は、半導体素子１６を固定する固定部としての枠材１４を支持基板１１に固着する工程と、枠材１４を半導体素子１６の側面に当接させることにより、半導体素子１６を支持基板１１に固定する工程と、外部に延在する外部端子１８と半導体素子１６とを電気的に接続する工程と、大気圧よりも圧力が低い雰囲気下で半導体素子１６が封止されるように１１支持基板の表面をケース材で被覆する工程とを有する。これら各工程を以下にて詳述する。
【００３３】
図５を参照して、半導体素子１６を固定する固定部としての枠材１４を支持基板１１に固着する工程を説明する。図５（Ａ）は本工程の平面図であり、図５（Ｂ）は本工程の断面図である。
【００３４】
図５（Ａ）および図５（Ｂ）を参照して、スポット溶接や半田付け等で成る固着部１７により、枠材１４は支持基板１９に固着される。同図に示す枠材１４は、図２に示したような開口部２０を有するものを採用している。従って、ここでは、枠材１４の開口部２０が設けられた箇所を除いた３角が、上述した固着部１７により固定されている。
【００３５】
また、枠材１４の外側の支持基板１１には、導電材から成るパッド１３が複数個形成されている。そして、各パッド１３は、装置の外部に延在する外部端子１８と電気的に接続されている。
【００３６】
更に、図５（Ｂ）を参照して、枠材１４は、支持基板１１から離間された状態で、支持基板１１に固着されている。このような構造により、図１（Ｂ）に示すような段差部を有する半導体素子１６の固定をより確実に行うことができる。
【００３７】
次に、図６を参照して、枠材１４を半導体素子１６の側面に当接させることにより、半導体素子１６を支持基板１１に固定する。図６（Ａ）は本工程の平面図であり、図６（Ｂ）は本工程の断面図である。
【００３８】
図６（Ａ）を参照して、枠材１４の開口部２０に隣接する２つの辺を外側に押し広げた後に、枠材１４の内側に半導体素子１６を載置する。そして、外側に押し広げられた枠材１４の辺を、元の状態に戻す。このことにより、枠材１４の２辺から、同図に示す矢印の方向に押圧力（テンション）が作用して、半導体素子１６が、枠材１４により固定される。従って、半導体素子１６は、有機接着剤等のダイアッタチ剤を全く使用せず、更に、リフロー工程の様な加熱処理を行われず、そのダイボンディングが行われる。半導体素子１６の固着が終了した後に、金属細線１５を介して、半導体素子１６とパッド１３との電気的接続を行う。
【００３９】
図６（Ｂ）を参照して、半導体素子１６の周辺部に設けた段差部１６Ａに、枠材１４が当接している。このように枠材１４が段差部１４に当接することにより、半導体素子１６は、支持基板１１の面方向に対して、縦方向および横方向の両方向に対して固定される。
【００４０】
次に、図７を参照して、大気圧よりも圧力が低い雰囲気下で半導体素子１６が封止されるように１１支持基板の表面をケース材で被覆する。図７は、本工程の状態を示す断面図である。
【００４１】
本工程は、高真空下でケース材１２と支持基板１１との接続を行い、半導体素子１６等の封止を行う。ここでの高真空とは、例えば、１×１０−５ＴＯＲＲ程度の気圧であり、この空間を介しての熱の伝導を極めて小さくすることができる。また、この工程の作業は、上記した高真空で行う。ケース材１２と支持基板１１との接続は、両者が金属の場合は、溶接で行うことができる。また、両者の接続は、半田等のロウ材を用いた接続で行うこともできる。
【００４２】
上述した工程により、例えば図１に示すような構成の半導体装置１０を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明では、以下に示すような効果を奏することができる。
【００４４】
半導体素子１６は機械的に支持基板１１に固定され、更に、ケース材１２および支持基板１１から形成される高真空下の内部空間にて半導体素子１６は封止される。従って、高真空下で気化してしまう有機性接着剤等を使用せずに、半導体素子１６が支持基板１１に固着されるので、内部空間の高真空を維持させる半導体装置の構成を提供することができる。このことから、半導体素子１６と装置外部との高度な断熱を行うことが出来るので、半導体素子１６の動作の安定化を行うことができる。
【００４５】
また、半導体素子１６の固着は、固定部としての枠材１４を用いて行うことができるので、半田等を用いた場合のリフロー工程のような加熱を行う工程を省いた半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置を説明する平面図（Ａ）、断面図（Ｂ）、断面図（Ｃ）である。
【図２】本発明の半導体装置に用いる固定部としての枠材の平面図（Ａ）−（Ｄ）である。
【図３】本発明の半導体装置を説明する平面図（Ａ）、断面図（Ｂ）、断面図（Ｃ）である。
【図４】本発明の半導体装置を説明する平面図（Ａ）、断面図（Ｂ）、断面図（Ｃ）である。
【図５】本発明の半導体装置の製造方法を説明する平面図（Ａ）、断面図（Ｂ）である。
【図６】本発明の半導体装置の製造方法を説明する平面図（Ａ）、断面図（Ｂ）である。
【図７】本発明の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図８】従来の半導体装置を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１０                  半導体装置
１１                  支持基板
１２                  ケース材
１３                  パッド
１４                  枠材
１５                  金属細線
１６                  半導体素子
１７                  固着部
１８                  外部端子
１９                  充填剤
２０                  開口部
２１                  凸部
２２                  切り込み部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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