JP2004266124A

JP2004266124A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP2004266124A
Application number: JP2003055546A
Authority: JP
Inventors: Tomio Inoue; 登美男井上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】半導体発光素子のフリップチップ実装を確実に行って全体を薄型化する半導体発光装置を提供する。
【解決手段】基板２上に形成された２つの電極３，４に、発光素子５のｎ側電極およびｐ側電極をそれぞれマイクロバンプ８，９を介して接合することにより、基板２上に発光素子５を搭載した半導体発光装置において、基板２は、セラミック素材からなることを特徴とする半導体発光装置としたものであり、基板２にセラミック素材を用いたので、基板２が化学的に安定して表面にリード電極を精度よく形成でき、また、マイクロバンプ８，９の接合時に熱を加えても軟化して変形せず、また、超音波振動を吸収せずマイクロバンプ８，９を効率よく接合することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、青色光や紫外光発光ダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物を利用した半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されるようになり、青色発光ダイオードの分野での展開が進んでいる。
【０００３】
この窒化ガリウム系化合物半導体の製造では、半導体膜を成長させるための結晶基板として、一般的に絶縁性のサファイア基板が利用されている。このサファイア基板のような絶縁性の結晶基板を用いる場合、結晶基板側に電極を形成することができないので、電極は、結晶基板とは反対側の面に形成される。
【０００４】
図４（Ａ）は窒化ガリウム系化合物半導体をフリップチップ実装した従来例に係る半導体発光装置の正面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図である。
【０００５】
図４（Ａ）、（Ｂ）において、樹脂系の絶縁性リード基板５１には、メッキ法によりリード電極５２ａ，５２ｂが形成され、一方のリード電極５２ａと発光素子５３のｎ電極、および他方のリード電極５２ｂと発光素子５３のｐ電極がそれぞれ対向し、マイクロバンプ５４ａ、５４ｂを介して導通接合されると共に固定されている。発光素子５３はフリップチップ実装されるので、サファイア基板５５側が天面になり、発光する光の主光取り出し面となっている。そして、発光素子５３の全面を透明なエポキシ樹脂５６でトランスファー成型により封止している（例えば、特許文献１）。
【０００６】
ここで用いた半導体発光装置の図４は、トップビュータイプの半導体発光装置で、トップビュータイプとは、発光装置の主光取り出し面からの発光方向（図４（Ａ）中に矢印で示す方向）が半田実装面に対して垂直になっている形式のものをいい、このタイプの半導体発光装置は、例えば、携帯電話機等のテンキー用バックライト等に用いられる。このような用途に用いられるためには、厚みを薄くすることによって、実装容積を低減すると共に広い範囲のテンキーを照らすため配光を広くすることが重要である。
【０００７】
このような発光素子５３を用いる半導体発光装置の場合は、発光素子の電極とリード電極間の導通にワイヤボンディングを用いないので、ワイヤの立ち上がりの高さが必要でなく、封止樹脂の厚みを薄くすることができるというメリットがある。しかし、発光素子５３の電極と樹脂系の絶縁性リード基板５１のリード電極とをマイクロバンプにより導通固定するので、温度サイクル環境における発光素子５３とリード基板５１の熱膨張率の差に起因する断線モードについて注意しなければならない。
【０００８】
また、図５（Ａ）はサイドビュータイプの従来構造の半導体発光装置の正面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平断面図である。サイドビュータイプとは、発光装置の主光取り出し面からの発光方向が半田実装面に対して平行になっている形式のものをいい、このタイプの半導体発光装置は、例えば、携帯電話機等のフルカラー液晶パネルのバックライト用導光板の側面に配置されて用いられる。このような用途に用いられるためには、半田実装面からの高さｔ（図５（Ａ）に記載）を低くすることによって、実装容積を低減すると共に、導光板に多くの光量を入れるために軸上光度を高くすることが重要である。
【０００９】
図５（Ａ）、（Ｂ）において、金属製のリードフレーム６１は、銅ベースの板状基板を型で打ち抜き、表面にＡｇメッキを施してリード電極６２ａ，６２ｂを形成し、その回りを樹脂で成型したパッケージ６４を形成したもので、一方のリード電極６２ａ上に発光素子６３の電極形成面と反対のサファイア面側を接着面にして透光性の接着剤６５などで搭載固定し、発光素子６３のｎ電極とリード電極６２ａをワイヤー６６ａで、また他方のリード電極６２ｂと発光素子６３のｐ電極をワイヤー６６ｂでそれぞれ導通接合されている。発光素子６３は電極形成面を主光取り出し面とするように実装されるので、透明電極６２ｃを通して発光する光を取り出している。そして、発光素子６３の全面を透明なエポキシ樹脂６８で封止している。
【００１０】
パッケージ６４は、発光素子６３の側面から出る光を主光取り出し面側に反射させて、軸上光度を高くする役割をも兼ね備えさせる必要があるため、反射率のよい白色の樹脂で内面は末広がりのテーパーを持つ形状に成型されている。
【００１１】
この構造の場合、リード電極上へのフリップチップ実装は困難であるため（理由は後述する）発光素子５３をフリップチップ実装するためには、図６（Ａ）、（Ｂ）で示すようにサブマウント素子６９上に発光素子５３をフリップチップ実装した複合発光素子を用いることになる。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−１２１７９７号公報（段落番号００２９〜００３０、第１図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すように、ＧａＮ系発光素子をフリップチップ実装したトップビュータイプの半導体発光装置の場合、発光装置の厚みＴを３００μｍ以下にすることは可能であるが、量産化のためには以下の問題点がある。
【００１４】
まず第１の問題点は、樹脂系の基板では、蒸着による薄膜電極の形成ができないので、リード電極のパターンを精度よく形成できないため、発光素子搭載部分の両リード電極間に最低１００μｍの間隔が必要であり、また、リード電極の形状がシャープにならないという点である。このため、リード電極のパターンを認識してフリップチップ実装するときの誤差が大きくなり、所定の実装場所からずれて実装されるため、電極間のショートやオープンが発生してしまう。
【００１５】
第２の問題点は、ＧａＮ系発光素子を実装するときに、マイクロバンプに熱と超音波を加えて溶着接合する必要があるが、樹脂系の基板では、熱により基板が軟化するため、超音波の振動伝達によるマイクロバンプの接合が不十分になり、バンプ部のオープンによる断線が発生し、信頼性に問題が生じてくる。
【００１６】
第３の問題点は、ＧａＮ系発光素子のｐ，ｎ電極と樹脂系リード基板のリード電極とをマイクロバンプにより導通固定しているので、ＧａＮ系発光素子の大部分を占めるサファイア基板と樹脂系リード基板の熱膨張率が大きく異なると、温度サイクル環境での繰り返しストレスにより、マイクロバンプ部にクラックが入り、オープンによる断線が発生する。
【００１７】
この場合、サファイアの熱膨張係数は、７．２×１０^−６／℃に対して、樹脂系リード基板として通常用いられているＢＴレジンガラス布基板の熱膨張係数は、１０．０×１０^−６／℃と約４０％程度大きくなっている。
【００１８】
このように、薄型化に有効なフリップチップ実装構造については、実装上、樹脂系リード基板に起因するいくつかの問題があり、十分な信頼性が確保できないため半導体発光装置としていまだ実用化されていない。
【００１９】
図５に示すサイドビュータイプの半導体発光装置の場合も、リード電極６２ａと６２ｂ間の隙間が１００μｍ以下には出来ないこと、及びリード電極の下には成型樹脂がきているので、樹脂基板を用いる上記のトップビュータイプの場合と同じ理由で、マイクロバンプによるフリップチップ実装が困難である。
【００２０】
また、図６の（Ａ）、（Ｂ）で示すサブマウント素子６９上に発光素子５３をフリップチップ実装した複合発光素子を用いる場合では、サブマウント素子６９を発光素子５３より大きくする必要があるため、サイドビュータイプの半導体発光装置で重要な半田実装面からの高さｔを７５０μｍ以下にすることが困難であるという問題点がある。
【００２１】
そこで本発明は、半導体発光素子のフリップチップ実装を確実に行って、信頼性を確保した上で、全体を薄型化（つまり半田実装面からの高さを低く）することのできる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置においては、絶縁性リード基板に、耐熱性を有して薄膜電極の形成が可能なセラミック素材を用いた半導体発光装置としたものである。
【００２３】
この発明によれば、半導体発光素子のフリップチップ実装を確実に行って信頼性を確保した上で、全体を薄型化することのできる半導体発光装置が得られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、基板上に形成された２つのリード電極に、発光素子のｐ側電極およびｎ側電極をそれぞれマイクロバンプを介して接合することにより前記基板上に前記発光素子を搭載した半導体発光装置において、
前記基板は、セラミック素材からなることを特徴とする半導体発光装置としたものであり、基板にセラミック素材を用いたので、基板が科学的に安定して表面に薄膜電極のリード電極を精度よく形成でき、また、マイクロバンプの接合時に熱を加えても軟化して変形せず、また、超音波振動を吸収せずマイクロバンプが効率よく接合されるという作用を有する。
【００２５】
また、トップビュータイプの場合、透光性結晶基板を天面にして実装し、ワイヤーの立ち上がりがないので半導体発光装置の厚みＴを薄くできるという作用を有し、サイドビュータイプの場合は、セラミック基板がサブマウント素子とパッケージの一部も兼ねるので、半田実装面からの高さｔを５００μｍ以下に薄くできるという作用を有する。
【００２６】
請求項２に記載の発明は、前記リード電極を、前記基板の表面に蒸着したことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置としたものであり、めっき法で形成したリード電極の厚みに比べて、蒸着によるリード電極の厚みは薄くなるので、基板の段差が小さくなり、超音波による振動が確実に伝達されるという作用を有する。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、前記発光素子は、透光性結晶基板を備えた窒化ガリウム系の発光素子であって、前記透光性結晶基板を主光取り出し面とし、前記発光素子が透光性の樹脂で封止されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置としたものであり、発光効率が向上するという作用を有する。
【００２８】
請求項４に記載の発明は、前記基板には、前記発光素子から側方に出た光を主光取り出し方向に反射させる反射壁をスルーホールの内周面に形成した反射部材が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の半導体発光装置としたものであり、発光素子から側方に取り出された光を主光取り出し方向に反射させて主光取り出し方向に出る光の強度を強くするという作用を有する。
【００２９】
請求項５に記載の発明は、前記基板を構成するセラミック素材は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよびチタン酸バリウムのいずれかを主体とすることを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の半導体発光装置としたものであり、耐熱性が高いので加熱しても軟化せず、化学的にも安定なので、細密なパターンを形成しやすいという作用を有する。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００３１】
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図である。
【００３２】
半導体発光装置１は、セラミック素材からなる白色の基板２の表面に発光素子５を搭載した装置である。
【００３３】
基板２の２つのリード電極３，４には、発光素子５のｎ側電極６およびｐ側電極７が、それぞれマイクロバンプ８，９を介して導通接続されている。
【００３４】
接続時には、マイクロバンプ８，９に熱および超音波振動を加えて、加圧することにより接合させる。
【００３５】
基板２を構成するセラミック素材は、例えば、酸化アルミニウムを主体とすることができる。
【００３６】
この素材は、耐熱性に優れ、また、熱による変形が小さいという特性を有している。このため、マイクロバンプ８，９の接続時に加えられる熱（１６０〜１９０℃程度）によっても変形せず、また、超音波振動を減衰させないので、振動による摩擦熱を確実に発生させ、接続を確実に行うことができる。
【００３７】
なお、セラミック製の基板２は、今まで図４に示すような半導体発光装置には用いられていなかった。その理由は、基板上に実装された発光素子を樹脂封止する際にトランスファー成型が用いられているが、セラミック製基板の場合、金型を密着させて樹脂を流す場合に弾性が不足しているため密閉できず、樹脂漏れが発生するためである。
【００３８】
今回、窒化ガリウム系発光素子をフリップチップ実装することにより、ワイヤーがなくなったために、発光素子５の天面側からのポッティング又はスクリーン印刷による樹脂封止が可能となり、トランスファー成型する必要がないため、セラミック基板が使用できるようになったのである。
【００３９】
基板２は、矩形板状に形成され、対向する短辺にはスルーホール電極１０，１１を形成し裏面にリード電極３，４をつなげている。
【００４０】
リード電極３，４は、ＮｉＣｒ，Ａｕ（最表面はＡｕ）からなり、基板２の表面に金属蒸着されている。両リード電極３，４は、図示しない外部配線に導通接続される基板２の裏側の両端部からスルーホール電極１０，１１を介して表側に接続され、表側の中央部で対向配置されている。この対向部分は、発光素子のｎ側電極６およびｐ側電極７とほぼ同じ形状に形成され、その間のギャップ幅は、１０〜４０μｍに形成されている。リード電極３，４のパターンを、セラミック製の基板２に蒸着により形成するので、ギャップ幅を非常に小さく、かつ精度よく形成することができる。
【００４１】
かかる構成によって、発光素子５を搭載するフリップチップボンダーの認識精度が向上し、また、搭載位置が少しずれた場合でもオープンやショートになることがなくなる。
【００４２】
また、リード電極３，４の厚みは、金属蒸着を用いると、２〜５μｍに形成でき、超音波振動を加えるときには、基板２に発光素子５側から確実に圧力が加わるが、樹脂基板にめっき法によりリード電極を形成した場合には、リード電極の厚みが厚くなり、樹脂基板の裏面の中央部が支持台から浮いた状態になって樹脂基板が撓む。そしてマイクロバンプからリード電極に伝達された振動が、樹脂基板の撓みによって吸収されてしまう。リード電極３，４の厚みを薄くすることによって、基板２の裏面が支持台に密着し、また内部摩擦が少ないセラミック製の基板２を用いることによって振動がマイクロバンプ８，９からリード電極３，４に確実に伝達されるので、溶着を確実に行うことができる。
【００４３】
発光素子５は、透光性結晶基板１２に複数の窒化ガリウム系の化合物半導体膜を積層した正方形板状のもので、ｎ側電極６およびｐ側電極７は、窒化ガリウム系の化合物半導体層側にそれぞれ配置されている。そして、ｎ側電極６およびｐ側電極７を基板２側に向けて基板２のリード電極３，４にフリップチップ実装されている。
【００４４】
発光素子５は、窒化ガリウム系の化合物半導体層の天面や側部およびマイクロバンプ８，９を含む発光素子５と基板２との間を、エポキシ樹脂１３で封止している。
【００４５】
発光素子５の窒化ガリウム系の化合物半導体層に含まれる発光層から主光取り出し面方向や側方に向かう青色または緑色光は、エポキシ樹脂１３内を通過し、外側に取り出される。
【００４６】
また、封止樹脂の中に青色光からその補色光に変換する蛍光体を混合することによって、白色光にすることも出来る。
【００４７】
（第２の実施の形態）
図２（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平断面図である。第１の実施の形態に係る半導体発光装置はトップビュータイプのものであるのに対し、第２の実施の形態に係る半導体発光装置２０はサイドビュータイプの発光装置である。
【００４８】
半導体発光装置２０のセラミック製基板２１は、前述した半導体発光装置１の基板２とは、スルーホール電極の位置が異なっている。隣接する２つの角部に新たな円弧状の切欠き２４，２５（スルーホール電極）を形成し、金属蒸着によるリード電極２２，２３を表面に形成している。
【００４９】
リード電極２２，２３には、半導体発光素子１５が搭載され、スルーホールを有する反射部材２７が、半導体発光素子１５に外挿され基板２１に固定されている。反射部材２７のスルーホールの形状は、主光取り出し方向に広がる錐形状の断面形状で、半導体発光素子１５から出される横方向の光を主光取り出し方向に効率よく反射させ、軸上光度を高くするという目的のために、白色の樹脂成型品で作られているか、または、その内周面２８上に反射率の良いＡｇのメッキが形成されている。また、スルーホールの内部には、透明なエポキシ樹脂２９が充填されている。
【００５０】
基板２１の側面の切欠き２４，２５が形成されている部分は，リード電極２２，２３につながっているので、基板２１の切欠き（スルーホール電極）２４，２５側の側面２６を取付面として、半導体発光装置２０をサイドビュータイプとして用いることができる。
【００５１】
また、セラミック基板上に、半導体発光素子をフリップチップ実装した後に、蛍光体を含有した樹脂ペーストを半導体発光素子の回りにスクリーン印刷法などで塗布（図示せず）して、白色発光の半導体発光装置にすることも出来る。
【００５２】
（第３の実施の形態）
図３（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光装置の正断面図、（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図である。これは、第１の実施の形態に係る半導体発光装置１のトップビュータイプのものに、第２の実施の形態に係る半導体発光装置２０の反射部材２７を追加して形成した半導体発光装置３０である。
【００５３】
この半導体発光装置３０は、薄型で広配光を目的にした第１の実施の形態に係る半導体発光装置１とは異なり、半導体発光素子５から出される横方向の光を主光取り出し方向に効率よく反射させ、軸上光度を高くするという目的のためになされ、照明用の白色ＬＥＤに応用される。
【００５４】
また、この場合もセラミック基板上に、半導体発光素子をフリップチップ実装した後に、蛍光体を含有した樹脂ペーストを半導体発光素子の回りにスクリーン印刷法などで塗布（図示せず）して、白色発光の半導体発光装置にすることも出来る。
【００５５】
なお、セラミック素材としては、上記のもの以外に、例えば、窒化珪素やチタン酸バリウム等も用いることが可能である。
【００５６】
また、基板のリード電極は、焼成により形成することも可能である。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、基板にセラミック素材を用いたので、基板が化学的に安定して表面にリード電極を精度よく形成でき、また、マイクロバンプの接合時に熱を加えても軟化して変形せず、また、超音波振動を吸収せずマイクロバンプを効率よく接合することによって、半導体発光素子のフリップチップ実装を確実に行って全体を薄型化することができる。
【００５８】
リード電極を基板の表面に蒸着すると、基板の段差が小さくなり、超音波による振動を確実に伝達するので、マイクロバンプの接合をより確実に行うことができる。
【００５９】
基板にスルーホールを形成した反射部材を設けると、発光素子から側方に取り出された光を主光取り出し方向に反射させ、発光効率を上げることができる。
【００６０】
セラミック素材からなる基板を、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよびチタン酸バリウムのいずれかを主体にすると、耐熱性が高いので加熱しても軟化せず、化学的にも安定なので、細密なパターンを形成しやすく、マイクロバンプの接合が確実になる。また、窒化アルミニウムは放熱特性をよくすることができるし、チタン酸バリウムはコンデンサを形成でき、窒化ガリウム系の半導体発光素子の静電耐圧を２００Ｖ程度まで保護できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【図２】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置の正面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平断面図
【図３】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光装置の正断面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【図４】（Ａ）は従来例に係るトップビュータイプの半導体発光装置の正面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平面図
【図５】（Ａ）は従来例に係るサイドビュータイプの半導体発光装置の正面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平断面図
【図６】（Ａ）は複合発光素子を用いた従来例に係るサイドビュータイプの半導体発光装置の正面図
（Ｂ）は同半導体発光装置の平断面図
【符号の説明】
１半導体発光装置
２基板
３，４リード電極
５発光素子
６ｎ側電極
７ｐ側電極
８，９マイクロバンプ
１０，１１スルーホール電極
１２透光性結晶基板
１３エポキシ樹脂
２０半導体発光装置
２１基板
２２，２３リード電極
２４，２５切欠き（スルーホール電極）
２６側面
２７反射部材
２８内周面
２９エポキシ樹脂

Claims

基板上に形成された２つのリード電極に、発光素子のｐ側電極およびｎ側電極をそれぞれマイクロバンプを介して接合することにより前記基板上に前記発光素子を搭載した半導体発光装置において、
前記基板は、セラミック素材からなることを特徴とする半導体発光装置。
前記リード電極を、前記基板の表面に蒸着したことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記発光素子は、透光性結晶基板を備えた窒化ガリウム系の発光素子であって、前記透光性結晶基板を主光取り出し面とし、前記発光素子が透光性の樹脂で封止されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記基板には、前記発光素子から側方に出た光を主光取り出し方向に反射させる反射壁をスルーホールの内周面に形成した反射部材が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の半導体発光装置。
前記基板を構成するセラミック素材は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよびチタン酸バリウムのいずれかを主体とすることを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の半導体発光装置。