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JP2008010564A - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

光半導体装置及びその製造方法 Download PDF

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康成 浮田
Takashi Kobarigawa
尚 小梁川
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和樹 舘山
Izuru Komatsu
出 小松
Susumu Obata
進 小幡
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Abstract

【課題】発光素子を導電性ペーストを介して接続部に接続した場合、その接続箇所における熱抵抗を小さくし、及び、導電性ペーストを用いた発光素子と接続部との接合信頼性を向上させることである光半導体装置を提供する。
【解決手段】光半導体装置において、外囲器２と、外囲器２内に設けられる接続部４と、接続部４に接続される発光素子６と、接続部４と発光素子６との間に介装される導電性ペースト７と、を備え、接続部４における発光素子６に対向する面内に含まれる位置に、発光素子６の面積より小さい面積の凹部１１が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関し、特に、ＬＥＤ等の発光素子を接続部に導電性ペーストを介して接続した光半導体装置及びその製造方法に関する。
下記特許文献１に記載されているように、ＬＥＤ等の発光素子と接続部とを導電性ペーストを用いて接続する光半導体装置の発明が知られている。
この光半導体装置の構造を図６及び図７に基づいて説明する。
光半導体装置１００は、樹脂製の外囲器１０１を有し、外囲器１０１の中央部に収容凹部１０２が形成されている。収容凹部１０２内には、発光素子であるＬＥＤ１０３が収容されている。なお、収容凹部１０２の底部には、リードフレームのリード端子１０４、１０５が接続部として配置されている。ＬＥＤ１０３は、一方のリード端子１０４に導電性ペースト１０６を介して接続され、他方のリード端子１０５に導電性ワイヤ１０７により接続されている。
収容凹部１０２内には透明樹脂１０８が充填され、この透明樹脂１０８によりリード端子１０４、１０５と、ＬＥＤ１０３と、導電性ペースト１０６と、導電性ワイヤ１０７とが封止されている。外囲器１０１の開口側端部には、凸型レンズ１０９が取付けられている。
導電性ペースト１０６は、例えば、大きさが３〜１０μｍ程度の球形もしくはフレーク形状（鱗片状）の８０重量％の銀粒子１０６ａと、１５重量％のエポキシ樹脂と、５重量％の溶剤及び他の有機物とにより構成されている。導電性ペースト１０６は、ディスペンス法もしくは転写法で、リード端子１０４の表面に供給される。
特開２００５−２３５８４７号公報
しかしながら、上述した光半導体装置においては、以下の点について配慮がなされていない。
図７に示すように、導電性ペースト１０６中に含まれる銀粒子１０６ａの粒径は大小様々であり、導電性ペースト１０６の層厚が大きい銀粒子１０６ａのサイズにより合わせて薄くなるという傾向にある。導電性ペースト１０６の層厚が薄くなると、ＬＥＤ１０３とリード端子１０４との間における銀粒子１０６ａを介した接点箇所が少なくなり、熱抵抗が増大する。熱抵抗が増大することによりＬＥＤ１０３の温度が上昇し、この温度上昇によりＬＥＤ１０３の発光効率が低下し、ＬＥＤ１０３の輝度が低下する。
また、導電性ペースト１０６の層厚が薄い場合には、導電性ペースト１０６の応力緩和性が低下し、ＬＥＤ１０３と導電性ペースト１０６、又は、導電性ペースト１０６とリード端子１０４とが剥離しやすくなる。
導電性ペースト１０６の層厚を厚くするには、ＬＥＤ１０３を導電性ペースト１０６上に載置する場合に、ＬＥＤ１０３とリード端子１０４との間の間隔が大きくなる位置でＬＥＤ１０３を保持することにより可能となる。しかし、この方法によると導電性ペースト１０６の層厚が厚くなり過ぎる場合があり、導電性ペースト１０６の層厚が厚くなり過ぎた場合には、それに伴って熱抵抗が大きくなるという問題が発生する。
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は、発光素子を導電性ペーストを介して接続部に接続した場合、その接続箇所における熱抵抗を小さくし、及び、導電性ペーストを用いた発光素子と接続部との接合信頼性を向上させることである。
本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、光半導体装置において、外囲器と、前記外囲器内に設けられる接続部と、前記接続部に接続される発光素子と、前記接続部と前記発光素子との間に介装される導電性ペーストと、を備え、前記接続部における前記発光素子に対向する面内に含まれる位置に、前記発光素子の面積より小さい面積の凹部が形成されている。
本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、光半導体装置の製造方法において、接続部に凹部を設ける工程と、前記接続部を外囲器に取付ける工程と、前記凹部とこの凹部の周囲に導電性ペーストを供給する工程と、発光素子を前記導電性ペーストの上に載せる工程と、前記導電性ペーストを硬化する工程と、前記通電部と前記導電性ペーストと前記発光素子とを透光性樹脂により封止する工程と、を備え、前記凹部は、前記接続部における前記発光素子に対向する面内に含まれる位置に、前記発光素子の面積より小さい面積の凹部が形成されている。
本発明によれば、導電性ペーストを介して接続される光発光素子と接続部との間の熱抵抗を小さくすることができ、しかも、導電性ペーストを用いた光発光素子と接続部との接合信頼性を向上させることができる。
以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。
本発明の一実施の形態に係る光半導体装置１は、図１に示すように、非透光性の樹脂により成型された外囲器２を有し、外囲器２の中央部に収容凹部３が形成されている。収容凹部３の底部には、接続部及び通電部として機能するリードフレームのリード端子４と、通電部として機能するリードフレームのリード端子５と、これらのリード端子４、５に接続された発光素子であるＬＥＤ６とが収容されている。
ＬＥＤ６は、一方のリード端子４に導電性ペースト７を介して接続され、他方のリード端子５に導電性ワイヤ８を介して接続されている。
外囲器２の収容凹部３には透光性樹脂９が充填され、この透光性樹脂９によりリード端子４、５と、ＬＥＤ６と、導電性ペースト７と、導電性ワイヤ８とが封止されている。透光性樹脂９としては、例えば、シリコーン樹脂を用いることができる。外囲器２の開口側端部には、凸型レンズ１０が取付けられている。
リード端子４におけるＬＥＤ６に対向する面には、凹部１１が形成されている。この凹部１１は、ＬＥＤ６の底面の面積により小さい面積に形成されている。また、凹部１１におけるＬＥＤ６に対向する方向の深さ寸法“ｔ”は、３〜１５μｍに設定されている（図３参照）。凹部１１の形状としては、図３に示すような角型でもよく、又は、図４に示すような丸型でもよい。
導電性ペースト７は、平均粒径が３〜１０μｍである球形もしくはフレーク形状（鱗片状）の８０重量％の金属粒子７ａと、１５重量％のエポキシ樹脂と、５重量％の溶剤及び他の有機物とにより構成されている。なお、導電性ペースト７の成分比としては、金属粒子７ａを６０〜９９重量％とし、樹脂を４０重量％以下とし、溶剤を１０重量％以下とし、その他の有機物を含む構成としてもよい。また、金属粒子７ａの平均粒径は、１〜１５μｍとしてもよい。金属粒子７ａとしては、銀粒子が用いられている。なお、金属粒子７ａとしては銀粒子以外の粒子を用いてもよく、例えば、金、銅、白金、パラジウムの中の１種類、若しくは金、銀、銅、白金、パラジウムの２種類以上の合金の粒子を用いることができる。
導電性ペースト７の樹脂成分としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂を用いることができる。
リード端子４に形成された凹部１１とこの凹部１１の周囲に導電性ペースト７を供給し、導電性ペースト７の上にＬＥＤ６を載置した場合には、図２に示すように、凹部１１内には金属粒子７ａが厚み方向に複数層積層される。これにより、金属粒子７ａ同士の接点の数が多くなり、熱の伝導用パスが多くなって熱抵抗が小さくなる。
光半導体装置１の製造は、以下に説明する工程を経て行われる。まず、フレームのリード端子４にプレス加工により凹部１１を形成する（Ｓ１）。凹部１１の深さ寸法“ｔ”は、使用する導電性ペースト７中に含まれる金属粒子７ａの粒径に応じて設定する。
ついで、樹脂をモールドすることによりフレームのリード端子４、５を組み込んだ外囲器２を成型する（Ｓ２）。リード端子４、５は、外囲器２の収容凹部３の底部に露出した状態とされている。また、凹部１１は上向きとされている。
リード端子４、５を組み込んだ外囲器２が成型された後、凹部１１と凹部１１の周囲に導電性ペースト７を供給する（Ｓ３）。導電性ペースト７の供給は、ディスペンス法もしくは転写法により行うことができる。
リード端子４上に供給された導電性ペースト７上にＬＥＤ６を載置し（Ｓ４）、導電性ペースト７を加熱硬化させる（Ｓ５）。加熱硬化は、導電性ペースト７上にＬＥＤ６が載置された外囲器２全体をオーブン内に入れ、２００℃程度の大気圧雰囲気中で行う。この加熱硬化により、ＬＥＤ６が導電性ペースト７を介してリード端子４に接合される。
ついで、ＬＥＤ６とリード端子５とを導電性ワイヤ８により接続するワイヤボンディングを行う（Ｓ６）。このワイヤボンディングは、φ２０μｍ程度の金線を用い、リード端子５を２００〜２５０℃に加熱しながら行う。
ついで、外囲器２の収容凹部３内に透光性樹脂９を充填し（Ｓ７）、リード端子４、５とＬＥＤ６と導電性ペースト７と導電性ワイヤ８とを封止する。充填終了後、収容凹部３内に充填した透光性樹脂９を硬化させる（Ｓ８）。
外囲器２の開口側端部に凸型レンズ１０を取付けることにより（Ｓ９）、光半導体装置１が製造される。
なお、この実施の形態で説明した光半導体装置１の製造工程では、外囲器２に組付ける前のリード端子４に凹部１１を形成した場合を例に挙げて説明したが、外囲器２に組付けた後のリード端子４に対してプレース加工により凹部１１を形成してもよい。
このような構成において、この光半導体装置１は、図２に示すように、リード端子４に凹部１１が形成され、この凹部１１と凹部１１の周囲に導電性ペースト７が供給され、導電性ペースト７の上にＬＥＤ６が載置されている。これにより、ＬＥＤ６とリード端子４との間の凹部１１が存在する領域では、導電性ペースト７中の金属粒子７ａが積層状態となり、金属粒子７ａ同士の接点の数が多くなり、熱の伝導用パスが多くなる。このため、ＬＥＤ６とリード端子４との間の熱抵抗が小さくなり、ＬＥＤ６からリード端子４を介して放熱される放熱性が向上し、光半導体装置１の輝度比が高くなる。
また、凹部１１の領域において導電性ペースト７の厚さ寸法が大きくなるため、応力緩和性が高くなり、ＬＥＤ６と導電性ペースト７との間、又は、導電性ペースト７とリード端子４との間の剥離が発生しにくくなり、導電性ペースト７を用いたＬＥＤ６とリード端子４との接合信頼性を向上させることができる。
表１は、図４に示す従来構造の光半導体装置１００と本発明の実施の形態に係る光半導体装置１との、構造と機能とを比較した測定結果を示す比較表である。この測定では、製造した光半導体装置１、１００に一定電力を加え、ＬＥＤ６、１０３を発光させ、電力印加前後の電圧変化を測定し、ＬＥＤ６、１０３とリード端子４、１０４との間の熱抵抗を算出した。輝度比は、純電流３００ｍＡ時の値である。
Figure 2008010564
また、従来の光半導体装置１００の導電性ペースト１０６の厚さ寸法を３μｍとし、光半導体装置１における凹部１１が形成された領域の導電性ペースト７の厚さ寸法を１０μｍとして測定を行った。
表１の比較結果から、光半導体装置１は光半導体装置１００に比べて、熱抵抗比が１０．４％低くなったことが判明した。
また、光半導体装置１は光半導体装置１００に比べて、７．４％高い輝度が得られることが判明した。これは、光半導体装置１では、導電性ペースト７による接合部の熱抵抗が小さくなったため、ＬＥＤ６からの熱をリード端子４から効率良く放熱することができ、高い発光効率を維持できるためである。
信頼性試験としては、吸湿処理（８５℃、８５％湿度、３時間）と、２６０℃リフローを通す試験とを、５回繰り返し、その後にＬＥＤ６、１０３を点灯させ、点灯不良の有無を調べた。表１に示すように、従来の光半導体装置１００では、２／２０の割合で導電性ペースト７の剥離が原因となる点灯不良が発生したのに対し、本実施の形態の光半導体装置１では点灯不良は発生しなかった。
表１の比較結果から、適度な導電性ペースト７の厚さ寸法を確保することにより、熱抵抗を低減して輝度を向上させることができ、また、導電性ペースト７の剥離発生を防止することができることを確認できた。
なお、本実施の形態では、接続部としてリード端子４を設け、このリード端子４に凹部１１を形成し、リード端子４を放熱用と通電用とに兼用する場合を例に挙げて説明したが、放熱専用の接続部を設け、この接続部に凹部１１を形成してＬＥＤ６を導電性ペースト７を介して接続してもよい。
本発明の一実施の形態の光半導体装置の全体構造を示す縦断正面図である。 リード端子とＬＥＤとの接続箇所を拡大して示す縦断正面図である。 凹部の形状を示す平面図と断面図とである。 凹部の形状の変形例を示す平面図と断面図とである。 光半導体装置の製造工程を説明する工程図である。 従来例の光半導体装置の全体構造を示す縦断正面図である。 図６に示す光半導体装置におけるリード端子とＬＥＤとの接続箇所を拡大して示す縦断正面図である。
符号の説明
２…外囲器、４…接続部、６…発光素子、７…導電性ペースト、１１…凹部

Claims (5)

  1. 外囲器と、
    前記外囲器内に設けられる接続部と、
    前記接続部に接続される発光素子と、
    前記接続部と前記発光素子との間に介装される導電性ペーストと、
    を備え、
    前記接続部における前記発光素子に対向する面内に含まれる位置に、前記発光素子の面積より小さい面積の凹部が形成されていることを特徴とする光半導体装置。
  2. 前記凹部の前記発光素子に対向する方向の深さ寸法が、３〜１５μｍであることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
  3. 前記導電性ペーストは、平均粒径が１〜１５μｍである６０〜９９重量％の金属粒子と、４０重量％以下の樹脂と、１０重量％以下の溶剤とを含んでいることを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体装置。
  4. 前記半導体ペースト中の前記金属粒子は、金、銀、銅、白金、パラジウムの中の１種類、若しくは２種類以上の合金の粒子であることを特徴とする請求項３記載の光半導体装置。
  5. 接続部に凹部を設ける工程と、
    前記接続部を外囲器に取付ける工程と、
    前記凹部とこの凹部の周囲に導電性ペーストを供給する工程と、
    発光素子を前記導電性ペーストの上に載せる工程と、
    前記導電性ペーストを硬化する工程と、
    前記通電部と前記導電性ペーストと前記発光素子とを透光性樹脂により封止する工程と、
    を備え、
    前記凹部は、前記接続部における前記発光素子に対向する面内に含まれる位置に、前記発光素子の面積より小さい面積の凹部が形成されていることを特徴とする光半導体装置の製造方法。


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