(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上に絶縁体層を介して配置された導電性パターンと、該導電性パターンとそれぞれ独立して電気的に接続された２以上の半導体素子と、を有する半導体装置であって、
前記半導体素子は少なくとも動作時に発熱量が異なる発熱量が多い第１の半導体素子と該第１の半導体素子よりも発熱量が少ない第２の半導体素子であり、且つ前記第１の半導体素子は導電性パターンを介して第２の半導体素子よりも支持基板と熱伝導がよい熱伝導通路を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の半導体素子が、それぞれ発光素子である請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の半導体素子が窒化物系化合物半導体であると共に、前記第２の半導体素子がガリウム燐、ガリウム砒素燐、ガリウムアルミ砒素、或いは、インジュウムガリウムアルミ燐から選択される１種である請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁体層を介して形成された導電性パターンが、フレキシブル基板を構成する請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、それぞれ発熱量が異なる半導体素子を同一支持基板上に配置させた半導体装置に係わり、特に、発光素子を高密度に搭載して使用する各種光源用支持基板を利用した半導体装置等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、オフィスオートメーション化の進展に伴い、各種の情報端末機器が普及してきている。その中でも発光素子を用いた情報端末機器は、光プリンタなどとして重要な位置を占めている。特に、ＲＧＢ（赤色系、緑色系、青色系）がそれぞれ１０００ｍｃｄ以上にも及ぶ超高輝度に発光可能な半導体発光素子が開発されたことに伴いフルカラー化が可能となった。このようなプリンタは、騒音がなく印字速度が速いのでＯ．Ａ機器に搭載して使用する光プリンタ用のプリンタヘッドなどとして注目を浴びている。光プリンタヘッドに発光素子としてＬＥＤチップを利用したものは、
１．応答速度がナノ秒であり並列化可能なことから高速度駆動が可能である。２．単に電気信号の入出力によって発光制御できるので広範囲な速度で駆動できる。３．駆動のための立ち上げ時間がなく待ち時間がない。４．コンパクトかつシンプルな構造であり装置の小型化と調整やメンテナンスに優れている。５．固体系であり、可動部がないので騒音が生じなく信頼性が高いなどの優れた特性を有しいる。
【０００３】
このような半導体発光素子を利用した光源部を駆動させると駆動に伴い発光素子が発熱する。発光素子自体が昇温すると半導体特性が変動する。また、発光素子の昇温により発光素子の誤作動やその半導体素子自体の破壊に到る場合もある。具体的には、外部からの熱の影響や発光素子自体の駆動に伴う発熱により発光素子が放出する発光波長がずれる。発光素子の発光輝度が低下する、或いは発光素子の輝度が逆に向上するなど変動する。即ち、温度によって半導体の各種特性の変化がある。それぞれの電気的／光学的特性を用いてセンシングするようなスキャナー、光プリンター機器においては問題となる。
【０００４】
そのため、このような熱の問題は図５の如き、放熱性を考慮した金属板などの上に発光素子をそれぞれ配置することによりある程度解決することができる。図５には、ＬＥＤチップ５０４、５０５を配置させる支持体として放熱性の良いアルミニウム支持基板５０３を使用している。各ＬＥＤチップ間は電気的にショートしないようアルミニウム支持基板５０３上に耐熱性エポキシ樹脂により絶縁体層５１４を形成してある。絶縁体層は接着剤としても働く。絶縁体層５１４上には各ＬＥＤチップが各々駆動可能な如く所望形状の銅箔５１２が形成され導電性パターンとしてある。互いに近接して配置されたＬＥＤチップ５０４、５０５は、導電性パターン５１２と金線５０６によりワイヤーボンディングしてある。ＬＥＤチップの駆動により生じた熱は、絶縁体層５１４を介してアルミニウム支持基板５０３に熱伝導する。アルミニウム支持基板５０３が放熱することにより、放熱性を考慮した半導体装置とすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、駆動速度の高速化、発光素子の高輝度化や長時間使用時など、より厳しい環境下においても安定した半導体特性が求められる今日においては上記構成だけでは十分ではなかった。形成される半導体を材料が異なる半導体素子を利用した場合は、駆動特性の変動が顕著に現れる傾向にある。また、光プリンターヘッドなど互いに異なる半導体素子を近接して設置する必要があるものも顕著な変動を引き起こす傾向にある。特に変動幅の大きい半導体と熱源となり得るような、発熱量の大きい半導体を同一基材上、同一層上に近接して搭載した場合、発熱量の大きい半導体からの熱伝導で変動幅の大きい半導体の電気的／光学的特性が著しく影響を受ける。それぞれの電気的／光学的特性を用いてセンシングするようなスキャナー、光プリンター機器においては少しの特性変動が致命的な悪影響を及ぼすこととなる。具体的には、所望の色を検出させることができない。昇温に伴っていろバランスが崩れるという問題を有する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、支持基板上に絶縁体層を介して配置された導電性パターンと、この導電性パターンとそれぞれ独立して電気的に接続された２以上の半導体素子と、を有する。２以上の半導体素子は少なくとも動作時に発熱量が異なる。即ち、２以上の半導体素子は、少なくとも発熱量が多い第１の半導体素子と発熱量が少ない第２の半導体素子である。第１の半導体素子は第２の半導体素子よりも導電性パターンを介して支持基板と熱伝導がよい熱伝導通路を有する。
【０００７】
請求項２記載の半導体装置は、第１及び第２の半導体素子が、それぞれ発光素子である。
【０００８】
請求項３記載の半導体装置は、第１の半導体素子が窒化物系化合物半導体であると共に、前記第２の半導体素子がガリウム燐、ガリウム砒素燐、ガリウムアルミ砒素、或いは、インジュウムガリウムアルミ燐から選択される１種である。
【０００９】
請求項４記載の半導体装置は、絶縁体層を介して形成された導電性パターンとしてフレキシブル基板を利用している。
【００１０】
【作用】
本発明は、温度特性が異なる複数の半導体素子を放熱部として働く支持基板上に配置させている。また、発熱量の多い半導体素子と支持基板との間には熱伝導通路を形成させている。これにより発熱量の多い半導体素子と近接して配置され発熱量のより小さい半導体発光素子への熱伝導を極めて小さくする。また、各半導体素子はそれぞれ放熱部に放熱可能である。発熱量の互いに異なる半導体素子の駆動特性が変動しないように熱的に分離させることができる。即ち、半導体素子を熱的にそれぞれ独立しつつ、同一支持基板上に近接配置させることによって特性の安定した半導体装置とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者は、種々の実験の結果、異なる半導体素子をそれぞれ放熱可能としつつ熱的に分離させることにより、特性の安定した半導体装置とすることができることを見いだし本発明を成すに至った。
【００１２】
即ち、発熱量の多い半導体素子側に熱伝導性の良いパス（良熱伝導通路）を設けることで、発熱量の小さい半導体素子側への熱的影響を極めて小さくすることができる。そのため発熱量の大きい半導体素子からの熱が、発熱量のより小さい近接配置された半導体素子に悪影響を起こすことが極めて少ない。また、発熱量の小さい半導体素子も他からの熱的影響を防止つつ放熱させることができる。以下、本発明の具体的構成について詳述する。
【００１３】
図２に本発明の半導体装置の模式的断面図を示す。図２は、放熱性が優れたアルミニウム合金を支持基板２０３として使用している。支持基板２０３上には、各発光素子がそれぞれ駆動可能な如く銅箔により形成された導電性パターン２１２が設けられている。導電性パターン２１２は、ポリイミド樹脂２１１両面に圧着されエポキシ樹脂２１４で封止されたフレキシブル基板を構成している。フレキシブル基板は、エポキシ樹脂２１５により金属支持基板２０３と接着されている。フレキシブル基板の表面には部分的に開口部が設けられている。この開口部を利用してフレキシブル基板上に配置させたＬＥＤチップ２０４、２０５の電極と導電性パターン２１２である銅箔とを金線２０６やＡｇ含有のエポキシ樹脂などを用いて電気的に接続させてある。半導体素子としては、青色系や緑色系が発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体のＬＥＤチップ２０４と、赤色系が発光可能なインジュウム・アルミニウム・ガリウム燐半導体を用いたＬＥＤチップ２０５と、を近接して設けている。発熱量の多い窒化ガリウム系化合物半導体のＬＥＤチップ２０４は、フレキシブル基板の銅箔上にＡｇが含有された導電性ペーストを用いて固定されている。これが熱伝導通路の一部として働く。なお、窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤチップ２０４は、サファイア上に半導体層が形成されており銅箔とは電気的に絶縁されている。また、ＬＥＤチップ２０４が配置された導電性パターンとなる銅箔はアルミニウム支持基板２０３ともＡｇが含有された導電性ペーストを用いて接触して熱伝導通路２１３が形成してある。他方、発熱量が少ないＬＥＤチップ２０５は、Ａｇが含有されたエポキシ樹脂である導電性ペーストを用いて銅箔と電気的に接続されると共に固定系止されている。
【００１４】
ＬＥＤチップが配置された銅箔同士の違いは、ＬＥＤチップ２０５が配置された銅箔だけフレキシブル基板を構成する耐熱性エポキシ樹脂によって被覆されたままであり金属支持基板２０３側に開口部を持っていないことである。このためＬＥＤチップ２０４には、Ａｇペースト及び銅箔を利用してアルミニウム基板に熱伝導性の良いパス（熱伝導通路）２１３を形成させている。他方、発熱量のより少ないＬＥＤチップ２０５は、絶縁体層として働くエポキシ樹脂及び接着剤を介して金属支持基板に放出される。ＬＥＤチップ２０４からの熱は、被覆された樹脂によってＬＥＤチップ２０５に向かうよりも熱伝導性の良い熱伝導通路２１３を通してアルミニウム支持基板２０３に放熱される。したがって、発熱量の多いＬＥＤチップ２０４から放出された熱は、近接されたＬＥＤチップ２０５に熱伝導するよりもアルミニウム支持基板２０３に熱伝導する。発熱量の多いＬＥＤチップ２０４からの熱によりＬＥＤチップ２０５の半導体特性が変動することが極めて少ない。また、各ＬＥＤチップ２０４、２０５自体も熱をアルミニウム支持基板２０３を介して外部などに効率よく放出可能なことから半導体特性の変動が極めて少ない半導体装置とすることができる。
【００１５】
（熱伝導通路２１３）
熱伝導通路２１３とは、半導体素子からの熱を効率よく放熱部に伝導させる通路である。したがって、本発明に用いられる熱伝導通路２１３としては、各種金属粉末が含有された樹脂、熱伝導の優れたボルトや図３の如きバイアホール中に金属３１３を挿入したものや半田などが挙げられる。熱伝導通路に用いられる熱伝導性が良い部材として、Ａｌ、Ｃｕ、燐青銅が好ましい。また、熱伝導通路を利用して電気回路の一部を構成させることもできる。さらに、形成のしやすさなどから各種金属粉末などが含有された樹脂としてＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ及びこれらの合金が含有された樹脂ペーストが好適に挙げられる。樹脂ペーストの母体としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが好適に用いられる。なお、バイアホールとは、層間接続のための孔をいい内部に金属メッキなどを形成させても良い。
【００１６】
（支持基板２０３）
支持基板２０３としては、半導体素子からの駆動熱を効率よく外部に伝導する或いは放出可能なものである。また、半導体素子の積置状態が固定可能であるものが好ましい。支持基板の具体的材料として、アルミニウム、銅などの金属やそれら合金、ステンレス、セラミックなどが好適に挙げられる。また、複合材料として内壁に毛細管構造を持たせた銅などから構成される金属管の内部を真空とさせると共に水や代替フロンなどの作動液を密閉させた熱伝導素子を利用することもできる。これによって、半導体素子の駆動に伴う熱を効率よく放出させ半導体素子の昇温を防ぐことができる。なお、支持基板、導電性パターンや熱伝導通路を利用することにより電気的回路を構成することも可能である。
【００１７】
（導電性パターン２１２）
導電性パターン２１２は、各半導体素子に電力が供給可能なものである。各半導体に所望に電力を供給させるため所望のパターンが形成される。特に本発明においては導電性パターンが半導体素子の電気的通路のみならず熱的通路としても機能する。したがって、本発明に用いられる導電性パターンに用いられる部材としては、電気伝導度及び熱伝導度が良好な部材が好ましい。このような特性を満たす材料として、銅、りん青銅、アルミニウム、金、銀、白金及びこれらの合金が好適に挙げられる。
【００１８】
（絶縁体層２１４、２１５）
絶縁体層２１４、２１５は、支持基板２０３と各導電性パターン２１２との絶縁性を保つものである。また、半導体素子同士の熱的バリアとしても働く。これにより半導体素子がそれぞれ熱的に分離されることとなる。このような絶縁体層は厚くさせすぎると各半導体素子から支持基板への放熱を阻害し、薄くしすぎると半導体素子同士の熱伝導が行われるだけでなく絶縁耐圧も低下する。また、支持基板２０３と導電性パターン２１２との間のみならず導電性パターン２１２全体を被覆し導電性パターンを保護することもできる。さらに、絶縁体層を複数積層させることもできる。このような導電性パターン２１２を絶縁体層で被覆したものは、フレキシブル基板として利用することができる。発光装置を光プリンターヘッドに利用する場合、ヘッド部が駆動してもフレキシブル基板により自由に導通をとることができるという特徴をも持つ。また、導電性パターンと絶縁体層を積層させたフレキシブル基板などは、支持基板の一方の面のみならず両面上に配置させることができる。
【００１９】
したがって、フレキシブル基板を金属支持基板上に接着させた場合、フレキシブル基板のカバーフィルム及び接着剤が絶縁体層として働くこととなる。絶縁体層の具体的材料として耐熱性エポキシ樹脂、耐熱性エンプラ樹脂、ポリイミド樹脂やこれらの積層物などが好適に用いられる。半導体装置を光プリンターヘッドなどに利用させる場合は、コントラスト向上のため発光素子側の絶縁体層が暗色系に着色されていることが好ましい。
【００２０】
（半導体素子２０４、２０５）
半導体素子２０４、２０５は、所望に応じて種々のものが用いられる。特に、本発明に用いられる半導体素子は、作動（駆動）時の発熱量が異なる種々ものが挙げられる。駆動時の発熱量が異なる半導体素子は、所望の目的に添って形成された異なる構成や異なる材料を用いることによって生じるものが挙げられる。半導体素子として具体的には液相成長法やＭＯＣＶＤ法などを利用することにより基体上にＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの半導体発光層が形成された半導体素子が好適に挙げられる。
【００２１】
異なる半導体素子は、それぞれ２以上配置させることができる。半導体発光素子として光プリンターヘッドに利用した場合、高精細化や高速化のために異なる半導体発光素子を複数配置させる。半導体素子が多くなると発熱量が多くなり本発明の効果が顕著に現れてくる。
【００２２】
半導体発光素子は、その発光波長によりバンドギャップが異なるため通常異なる材料や異なる構成とさせてある。そのため半導体素子により発熱量や種々の特性が異なるものとなる。高輝度に安定して発光する半導体素子として青色系が発光可能な半導体素子は、ＧａＮやＩｎＧａＮなどの窒化物系半導体が好適に挙げられる。緑色系が発光可能な半導体素子は、ＧａＮやＩｎＧａＮなどの窒化物系半導体が好適に用いられる。また、赤色系が発光可能な半導体素子としては、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｌＰなどが好適に用いられる。
【００２３】
窒化物系化合物半導体は、現在のところ超高輝度に発光可能な代わり駆動電圧が高く発熱量がＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｌＰ半導体などに比べて多くなる傾向にある。また、これらの半導体素子は、昇温によって発光輝度が大きく変化する傾向にある。図４に窒化物系化合物半導体としてＩｎＧａＮを発光層として用いたＬＥＤチップとＧａＡｓＰ半導体を発光層として用いたＬＥＤチップの温度変化における相対輝度を表す。図４からＧａＡｓＰを用いたＬＥＤチップは、ＩｎＧａＮを用いたＬＥＤチップと比較して昇温するにつれ大きく輝度が低下することがわかる。なお、ＩｎＧａＮは、Ｉｎの組成を替えて形成させＩｎが多い緑色系が発光可能な半導体素子とＩｎが比較的少ない青色系が発光可能な半導体素子を用いている。以下、本発明の実施例について詳述するがこの実施例のみに限定されるものでないことはいうまでもない。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
発熱量の多い半導体素子として、サファイア基体上に窒化物系化合物半導体を形成させたＬＥＤチップを用いた。具体的には、サファイア基体上に発光層としてＩｎＧａＮをＭＯＣＶＤ法により成膜させたものを用いた。組成を替えることによってＢ（青色系）のＬＥＤチップ及びＧ（緑色系）のＬＥＤチップをそれぞれ構成させてある。また、Ｒ（赤色系）のＬＥＤチップとして、発熱量がより少ない半導体素子としてＧａＡｌＡｓ基体上にＧａＡｌＡｓを成膜させたＬＥＤチップを利用した。
【００２５】
ＬＥＤチップを配置させる支持基板としては、厚さ１ｍｍ、２４ｍｍ×１５ｍｍ角のアルミニウム支持基板を用いた。アルミニウム支持基板上に配置される絶縁体層の一部及び導電性パターンとしてフレキシブル基板を用いた。
【００２６】
フレキシブル基板は、ポリイミド樹脂に銅箔を熱圧着させたのち各ＬＥＤチップを駆動可能なように所望形状にエッチングさせてある。
【００２７】
フレキシブル基板は、各ＬＥＤチップ設置箇所、ＬＥＤチップの電極との電気的接続箇所及び熱伝導通路を構成する銅箔表面を除いてポリイミド樹脂で封止してある。なお、熱伝導通路を構成する銅箔表面とは、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた緑色及び青色が発光可能なＬＥＤチップが積載された導電性パターンと繋がっている支持基板側の銅箔表面である。
【００２８】
アルミニウム支持基板と銅箔面とが熱伝導しやすいようにエポキシ樹脂を用いたＣｕペーストでフレキシブル基板の銅箔とアルミニウム支持基板とを接続させた。接続箇所は、アルミニウム支持基板を一部除去しＣｕペーストを流し込み硬化させて形成させてある。また、それ以外のフレキシブル基板表面とアルミニウム支持体とはエポキシ樹脂により接着させてある。この接続によりＢＧが発光可能なＬＥＤチップの積載された銅箔パターンの一部とアルミニウム支持基板とに熱伝導通路が形成される。銅箔露出面上にＲＧＢ各ＬＥＤチップを５２０μｍピッチに近接してＡｇペーストでそれぞれ接着させた。Ｒが発光可能なＬＥＤチップは、露出している銅箔上に固定させると共に電気的に接続させてある。Ｒが発光可能なＬＥＤチップの他方の電極は導電性ワイヤーである金線を用いて銅箔にワイヤーボンディングさせてある。ＧＢのＬＥＤチップは、サファイア上に半導体層が形成されているため同一表面側にＰＮの各電極を形成させてある。ＧＢが発光可能なＬＥＤチップの各電極と、露出している銅箔面と、をそれぞれ金線によってワイヤーボンディングさせてある。各ＬＥＤチップが搭載された半導体装置は、アルミニウム支持基板上からフレキシブル基板が延材しており、ＬＥＤチップを駆動させる駆動手段と、を電気的に接続させている。これにより所望の光が発光可能な光プリンターヘッドなどとして利用することができる。
【００２９】
半導体装置の各ＬＥＤチップに調節させた電力を供給させることにより色度点（Ｘ，Ｙ）＝（０．３１、０．３１）の白色光が発光可能なように調整させた。室温において１００時間連続点灯させたが色ずれは確認できなかった。また、輝度の低下もほとんどなく各半導体素子が熱的に分離されていると共にそれぞれ放熱していることがわかった。
【００３０】
【効果】
本発明の請求項１に記載の半導体装置とすることにより、長時間、高エネルギーを供与しても安定した動作を行うことが可能な半導体装置とすることができる。
【００３１】
本発明の請求項２に記載の半導体装置とすることにより、輝度などが安定した半導体発光装置とすることができる。
【００３２】
本発明の請求項３に記載の半導体装置とすることにより、特に発熱量が多く温度による特性変化が少ない第１の半導体素子と、発熱量が少なく温度による特性変化が激しい第２の半導体素子と、を近接して配置させた場合においても長時間安定して高輝度に発光可能な発光装置とすることができる。
【００３３】
本発明の請求項４に記載の半導体装置とすることにより、他の回路と電気的に接続可能であると共に移動可能とすることができる。そのため光プリンタヘッドとして好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明を利用した光プリンタヘッドの模式的平面図である。
【図２】図２は、図１のＡＡ断面を示す模式的断面図である。
【図３】図３は、本発明の他の半導体装置を示す模式的断面図である。
【図４】図４は、窒化インジュムガリウム半導体発光素子と、ガリウムアルミニウム燐半導体発光素子の温度依存性を調べたグラフを示す。
【図５】図５は、本発明と比較のために示した半導体装置を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１０１、２０１・・・開口部
１０２・・・上面側に設けられた絶縁体層
１０３、２０３・・・放熱部として働く金属支持基板
１０４、２０４・・・発熱量の多い半導体発光素子
１０５、２０５・・・発熱量の少ない半導体発光素子
１０６、２０６・・・ワイヤー
２１１・・・ポリイミド樹脂
２１２・・・導電性パターン
２１３・・・熱伝導通路となるＣｕペースト
２１４・・・絶縁体層となるフレキシブル基板の表皮
２１５・・・絶縁体層となる接着剤
３１３・・・熱伝導通路となるＣｕメッキ
５０３・・・アルミニウム支持基板
５０４、５０５・・・ＬＥＤチップ
５０６・・・金線
５１１・・・耐熱性エポキシ樹脂
５１２・・・導電性パターン
５１４・・・エポキシ樹脂
【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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