JP2012079776A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体を備え、ＬＥＤ素子の側面を白色（反射）部材で埋める構造をもっても、蛍光体の無駄が無く、発光効率が良好で製造が容易なＬＥＤ装置を提供する。
【解決手段】回路基板２２上にＬＥＤ素子２１をフリップチップ実装する。ＬＥＤ素子２１は回路基板２２との実装面とは反対側の面に蛍光体層１５を備え、白色部材１１がＬＥＤ素子２１及び蛍光体層１５の側面を取り囲んでいる。このとき蛍光体層１５の上面と白色部材１１の上面とが略一致している。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板上に半導体発光素子をフリップチップ実装した半導体発光装置及びその製造方法に関する。

半導体発光素子（以後とくに断らない限りＬＥＤ素子と呼ぶ）を回路基板に実装した半導体発光装置（以後とくに断らない限りＬＥＤ装置と呼ぶ）のなかで、ＬＥＤ素子の側面に反射部材を設けたＬＥＤ装置が知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１の図１を図４に示す。図４は、反射剤入りの第１封止樹脂６がＬＥＤチップ４（ＬＥＤ素子）の周囲を埋めるようにしたＬＥＤ装置の断面図である。ＬＥＤチップ４は、セラミック材により作られたリフレクトケース１の中央に配置され、リフレクトケース１は四角錘状の開口２を備えている。ＬＥＤチップ４はリードフレーム３ａにダイボンディングされ、ＬＥＤチップ４の上面電極はリードフレーム３ｂとボンディングワイヤ５により接続している。第１封止樹脂６とＬＥＤチップ４は、透明樹脂又は透明樹脂に拡散材を混合させた透明樹脂からなる第２の封止材７で覆われている。

このＬＥＤチップ４は、エピタキシャル発光層から青色光が発光し、ＺｎＳｅ基板から黄色光が発光する。この黄色光と青色光のうち側方に向う光は第１封止樹脂６の反射材で反射しＬＥＤチップ４内へ戻される。下方に向う光はＬＥＤチップ４の底面に形成された反射層（図示せず）で反射される。このようにして最終的に青色光及び黄色光の全てがＬＥＤチップ４の上面から出射する。この結果、二色混合が効果的に行われ高輝度の白色光が得られる。

特開２００２−４３６２５号公報 （図１）

図４のＬＥＤ装置は、近年の主流となっている青色(又は近紫外)発光ダイオードと蛍光体を組み合わせたものではない。このＬＥＤ装置に対し、ＬＥＤチップ４を青色ＬＥＤ素子に置き換え、第２の封止樹脂７に黄色く発光する蛍光体を混合させれば、ＬＥＤ素子の側面に反射部材を設けた構造で白色発光するＬＥＤ装置が得られる。しかしながらＬＥＤ素子の側面に反射部材を設けた構造ではＬＥＤ素子から出射する光線がＬＥＤ素子上方に偏在するため、ＬＥＤ素子上方以外の領域の蛍光体は機能せず無駄になってしまうという課題がある。

そこで本発明は、蛍光体及びＬＥＤ素子の側面を埋める白色（反射）部材を備えていても、蛍光体の無駄が小さいばかりでなく、発光効率が良好で製造が容易なＬＥＤ装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の半導体発光装置は、回路基板上に半導体発光素子を実装した半導体発光装置において、
前記半導体発光素子が前記回路基板上にフリップチップ実装され、実装面とは反対側の面に蛍光体層を備え、
白色部材が該半導体発光素子及び該蛍光体層の側面を取り囲み、
該蛍光体層の上面と該白色部材の上面とが略一致していることを特徴とする。

前記白色部材のバインダが焼結するとガラス質となる無機バインダであっても良い。

前記白色部材のバインダがシリコーン樹脂であっても良い。

前記半導体発光素子と前記回路基板の間隙に前記白色部材が充填されているのが好ましい。

上記課題を解決するため本発明の半導体発光装置の製造方法は、回路基板上に半導体発光素子を実装した半導体発光装置の製造方法において、
前記半導体発光素子が連結して配列するウェハーを準備するウェハー準備工程と、
前記半導体発光素子の実装面とは反対側となる前記ウェハーの面に蛍光体層を形成する蛍光体層形成工程と、
前記ウェハーを切断して前記半導体発光素子を個片化するＬＥＤ素子個片化工程と、
前記回路基板が連結した集合基板に前記半導体発光素子をフリップチップ実装する実装工程と、
前記集合基板の全面に反射性微粒子を含有する白色部材を塗布する塗布工程と、
該白色部材を研磨する研磨工程と、
前記半導体発光装置を単個に分離する個片化工程と
を備えることを特徴とする。

前記蛍光体層形成工程の後に前記蛍光体層を研磨する蛍光体層研磨工程を備えても良い。

前記個片化工程の前に透明樹脂を塗布する透明樹脂塗布工程を備えても良い。

前記白色部材のバインダが焼結するとガラス質となる無機バインダであっても良い。

前記白色部材のバインダがシリコーン樹脂であっても良い。

本発明の半導体発光層装置は、上面に蛍光体層を備えた半導体発光素子を回路基板上にフリップチップ実装し、反射性微粒子を含有した白色部材で蛍光体層及び半導体発光素子の側面を埋め、蛍光体層と白色部材の上面同士を略一致させている。ふつうフリップチップ実装用の半導体発光素子は上側（出射側）が透明基板、下側（実装側）が半導体層となる（透明基板のない場合もある）。この透明基板の直上だけに蛍光体層を形成しているので、すべての蛍光体は波長変換に関与し無駄がなくなり少量で済む。またフリップチップ実装であるためボンディングワイヤによる影がなくなり発光効率が向上する。白色部材を簡易な塗布法で配置しても研磨によって白色部材の上面と蛍光体層の上面とを簡単に一致させることができる。以上のように本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子の側面を白色部材で埋め、蛍光体層を備えていても、蛍光体の無駄が小さいばかりでなく、発光効率が良好で製造が容易になる。

本発明の半導体発装置の製造方法は、ウェハー段階で蛍光体層を形成しておき、回路基板が連結した集合基板に半導体発光素子をフリップチップ実装してから、集合基板において反射性微粒子を含有する白色部材の塗布と研磨により半導体発光素子の上面を露出させている。以上のように本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子が高密度で配列するウェハー段階で蛍光体層を形成するため製造効率が良く蛍光体の無駄が少ない。さらに蛍光
体層及び半導体発光素子の側面を白色部材で埋める際に集合基板に対し塗布及び研磨を行うため製造が容易であり、前述のようにボンディングワイヤがないので発光効率を損なうこともない。

本発明の実施形態におけるＬＥＤ装置の断面図。 図１の部分拡大図。 図１に示したＬＥＤ装置の製造方法の説明図。 従来のＬＥＤ装置の断面図。

以下、添付図１〜３を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。

図１は本実施形態のＬＥＤ装置１０（半導体発光装置）の断面図である。ＬＥＤ装置１０は、回路基板２２上にＬＥＤ素子２１（半導体発光素子）をフリップチップ実装している。回路基板２２において板材２０上面に形成された電極１７はスルーホール１８を介して板材２０の下面に形成された電極１９と接続している。ＬＥＤ素子２１はサファイア基板１２の下面に半導体層１３が形成され、半導体層１３に２個のバンプ１４が付着している。半導体層１３は発光層を備えたダイオードであり、それぞれのバンプ１４はアノードとカソードに相当する。バンプ１４は金属共晶接合により電極１７と接続している。

サファイア基板１２の上面には蛍光体層１５が存在し、ＬＥＤ素子２１及び蛍光体層１５の側面を白色シリコーン樹脂１１（白色部材）が取り囲んでいる。蛍光体層１５の上面と白色シリコーン樹脂１１の上面とは一致しており、それぞれの上面に透明樹脂層１６が積層している。またＬＥＤ素子２１と回路基板２２の間隙にも白色シリコーン樹脂１１が充填されている。

ＬＥＤ素子２１は青色発光ダイオードである。蛍光体層１５はＹＡＧ蛍光体を含みＬＥＤ素子２１から出射した青色光で黄色発光する。すなわちＬＥＤ素子２１の発光色（青）と蛍光体の発光色（黄）が混色し白色光が得られる。白色部材１１は酸化チタン（反射性微粒子）をシリコーン樹脂（バインダ）に混練し加熱硬化させたものである。透明樹脂１６はシリコーン樹脂からなる。

板材２０は、厚さが数百μｍで、熱伝導性を考慮して樹脂、セラミック、金属から選ぶ。電極１７，１９は、例えば２０μｍ程度の銅箔上にニッケル層と金層を積層したものである。板材２０が樹脂の場合、スルーホール１８は熱伝導性をよくするため内部を金属ペーストで埋めておくと良い。サファイア基板１２は厚さが８０〜１２０μｍ、半導体層１３は厚さが７μｍ程度であり、バンプ１４は電解メッキ法で形成すれば厚さが１０〜３０μｍ程度になる。ＬＥＤ素子２１から下方向に出射した光を効率良く上方に向けるには、ＬＥＤ素子２１と回路基板２２の間に充填された白色シリコーン樹脂１１の厚さが３０μｍ以上あることが好ましい。蛍光体層１５は厚さが１００μｍ程度、透明樹脂層１６は厚さが数十μｍである。

図２によりＬＥＤ装置１０から出射する光の様子を説明する。図２は図１のＡで囲んだ領域の拡大図に、半導体層１３から出射した青色の光線Ｌ１，Ｌ２を書き加えたものである。半導体層１３から出射する青色光のうち光線Ｌ１は、サファイア基板１２、蛍光体層１５及び透明樹脂層１６を通りＬＥＤ装置１０から出射する。光線Ｌ２はサファイア基板１２の側面を抜け白色シリコーン樹脂１１に侵入し、ここで反射性微粒子により反射し再
びサファイア基板１２に戻り、蛍光体層１５と透明樹脂層１６を通りＬＥＤ装置１０から出射する。下に向った光線（図示せず）は、下方の白色シリコーン樹脂１１、バンプ１４、又はフリップチップ実装用ＬＥＤ素子２１の反射層（図示せず、フリップチップ実装用ＬＥＤ素子は反射層を備えることが多い）で反射し上に向う。以上のようにＬＥＤ素子２１の半導体層１３から出射した光線Ｌ１，Ｌ２等は、吸収などの損失を除きサファイア基板１２の上面を通ってＬＥＤ装置１０から出射する。蛍光体層１５では青色光の一部が蛍光体により波長変換され、この波長変換された光と青色光の加色混合により白色化する。なお蛍光体層１５の発光は等方的であるが下に向った光線は前述の青色光（光線Ｌ１，Ｌ２等）と同様にして上に向う。

図３により本実施形態のＬＥＤ装置１０の製造方法を説明する。図３はＬＥＤ装置１０の製造方法の説明図である。（ａ）はＬＥＤ素子２１が連結して配列しサファイア基板１２からなるウェハー３１を準備するウェハー準備工程である。ウェハー３１の下面には半導体層１３（図示せず）が形成され、各ＬＥＤ素子領域にはバンプ１４が付着している。

（ｂ）はＬＥＤ素子２１の実装面とは反対側の面、すなわちウェハー３１の上面に蛍光体層１５を形成する蛍光体層形成工程である。蛍光体層１５は印刷法で塗布すれば良い。また蛍光体層１５は、後述するＬＥＤ素子２１の実装工程で加わる高温（３００℃程度）に耐えられるよう無機系のバインダ（例えばオルガノポリシロキサン）を使う。このバインダは触媒により１５０℃程度で硬化する。

（ｃ）は前述の蛍光体層形成工程の後に蛍光体層１５を研磨する蛍光体層研磨工程である。所望の色度の白色を得るためには、蛍光体層１５の厚さを調整する必要がある。なお厚さ調整用の研磨は、ウェハーのバックグラインド等で普及している研削であっても良い。

（ｄ）はウェハー３１を切断してＬＥＤ素子２１を個片化するＬＥＤ素子個片化工程である。ダイシングシート（図示せず）にウェハー３１を貼り付け、ダイシング装置でウェハー３１を切断し、ダイシングシートを拡張すると各ＬＥＤ素子２１が分離しピックアップ可能になる。

（ｅ）は回路基板２２が連結した集合基板２３にＬＥＤ素子２１をフリップチップ実装する実装工程である。集合基板２３は大判の板材２０に多数の回路基板領域を備え、各回路基板領域には電極１７、スルーホール１８（図示せず）、及び電極１９（図示せず）が形成されている。ＬＥＤ素子２１は、一個ずつ集合基板２３上に配置しても良いし、予め集合基板２３の電極ピッチにあわせて粘着シート上にＬＥＤ素子２１を配列させ、この粘着シートを集合基板２３に重ね、多数のＬＥＤ素子２１を一括して集合基板２３に配置しても良い。ＬＥＤ２１の配置が完了したらＬＥＤ素子２１を加圧及び加熱し電極１７に接合する。

（ｆ）は集合基板２３の全面に反射性微粒子を含有する白色シリコーン樹脂１１を塗布する塗布工程である。白色シリコーン樹脂１１はＬＥＤ素子２１を覆って良いので、スキージを使って集合基板２３に白色シリコーン樹脂１１を配置しても良い。最後に白色シリコーン樹脂１１を１５０℃程度で加熱硬化させる。

（ｇ）は白色シリコーン樹脂１１を研磨する研磨工程である。白色シリコーン樹脂１１が蛍光体層１５の上面に一致するまで研磨する。このとき蛍光体層１５の上面を多少（数μｍ程度）研磨しても大きな色度変化はない。

（ｈ）は透明樹脂を塗布し透明樹脂層１６を形成する透明樹脂塗布工程である。透明樹
脂層１６は蛍光体層１５の機械的保護やガスバリヤとして機能する。透明樹脂はシリコーンで良く、塗布後硬化させる。

（ｉ）は集合基板２３からＬＥＤ装置１０を単個に分離する個片化工程である。透明樹脂層１６まで形成した集合基板２３をダイシング装置により切断しＬＥＤ装置１０を個片化する。

本実施形態では、蛍光体層形成工程の後に蛍光体層研磨工程を備えていた。白色の色度に対し微調しなくても良い場合は、蛍光体層研磨工程を省略できる。また、蛍光体として珪酸塩系の緑色蛍光体と窒化物系の赤色蛍光体を組み合わせた場合、ＬＥＤ層１５の厚さを決めるのにＬＥＤ素子２１のピーク波長の影響にも配慮する必要がある。

本実施形態では、白色シリコーン樹脂１１の塗布工程（ｆ）の後に白色シリコーン樹脂１１の研磨工程（ｇ）を備えていた。研磨工程（ｇ）は、高精度のディスペンサで塗布量を制御し、白色シリコーン樹脂１１の上面とＬＥＤ素子２１の上面を略一致させれば省くことができる。同様に本実施形態では蛍光体層形成工程（ｂ）後の蛍光体層研磨工程（ｃ）も精度の高いディスペンサを使えば省略できる。しかしながら本実施形態のようにＬＥＤ素子２１が密集したウェハー３１の研磨加工、及び多数のＬＥＤ装置１０が配列した集合基板２３の研磨加工は、一括処理になっているため製造上大きな負荷とはならない。また透明樹脂層１６及び透明樹脂塗布工程（ｈ）も、蛍光体層１５の強度が充分で蛍光体の耐環境性（特に水分）が高い場合は省略できる。

本実施形態では白色部材としてバインダをシリコーン樹脂としていた。白色部材としてはオルガノポリシロキサンのように焼結するとガラス質となる無機バインダと反射性微粒子とを混練し固化した白色セラミックインクでも良い。この白色セラミックインクは触媒により１５０℃程度で硬化する。また白色セラミックインクはバインダが無機質であるため光劣化が少ないという特徴もある。

本実施形態では図３の研磨工程（ｇ）において白色シリコーン樹脂１１を研磨する際、蛍光体層１５の上面を多少（数μｍ程度）研磨しても良いものとしていた。しかしながら蛍光体層１５の研磨が好ましくない場合、蛍光体層研磨工程（ｃ）のあとに薄い透明樹脂層を形成しておくと良い。この場合、研磨工程（ｇ）において白色シリコーン樹脂１１を研磨する際、この透明樹脂層の上面が多少（数μｍ程度）研磨され、蛍光体層１５は研磨されない。この手法は、前述のように蛍光体層１５がＬＥＤ素子２１の発光スペクトル（発光ピーク波長等）の影響で発光効率が変化するとき、蛍光体層１５の厚みをＬＥＤ素子２１ごとに予め調整しておき、ＬＥＤ素子２１を色度補正する場合に有効である。

本実施形態ではＬＥＤ素子２１は青色光を発光していたが、ＬＥＤ素子２１は近紫外光を発光しても良い。この場合、蛍光体層１５には青色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体を混錬しておく。このとき可視光は演色性が向上するばかりでなく、発光部位がＬＥＤ素子２１の上面だけになるので方位角による色ムラが低減する。

本実施形態では白色部材１１は単一層であったが、白色部材を２層以上にしても良い。例えば下層を白色シリコーン樹脂とし上層を白色セラミックインクとする。この構造では軟質の白色シリコーン樹脂が応力に対するバッファ層となり、回路基板の熱膨張で硬質の白色セラミックインクが割れるという不具合を回避できる。また白色シリコーン樹脂（硬化前）の粘度を下げておきＬＥＤ素子下面に入り込み易くしておいても良い（同時に周囲の気圧を上げても良い）。またサファイア基板（透明基板）を極力薄く（例えば１０〜２０μｍ）にした場合にも本発明の製造方法は製造を容易にするのに有効である。

１０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
１１…白色シリコーン樹脂（白色部材）、
１２…サファイア基板、
１３…半導体層、
１４…バンプ、
１５…蛍光体層、
１６…透明樹脂層、
１７，１９…電極、
１８…スルーホール、
２０…板材、
２１…ＬＥＤ素子（半導体発光素子）、
２２…回路基板、
２３…集合基板、
Ｌ１，Ｌ２…光線。

Claims (9)

1. 回路基板上に半導体発光素子を実装した半導体発光装置において、
   前記半導体発光素子が前記回路基板上にフリップチップ実装され、実装面とは反対側の面に蛍光体層を備え、
   白色部材が該半導体発光素子及び該蛍光体層の側面を取り囲み、
   該蛍光体層の上面と該白色部材の上面とが略一致している
   ことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記白色部材のバインダが焼結するとガラス質となる無機バインダであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記白色部材のバインダがシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
4. 前記半導体発光素子と前記回路基板の間隙に前記白色部材が充填されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
5. 回路基板上に半導体発光素子を実装した半導体発光装置の製造方法において、
   前記半導体発光素子が連結して配列するウェハーを準備するウェハー準備工程と、
   前記半導体発光素子の実装面とは反対側となる前記ウェハーの面に蛍光体層を形成する蛍光体層形成工程と、
   前記ウェハーを切断して前記半導体発光素子を個片化するＬＥＤ素子個片化工程と、
   前記回路基板が連結した集合基板に前記半導体発光素子をフリップチップ実装する実装工程と、
   前記集合基板の全面に反射性微粒子を含有する白色部材を塗布する塗布工程と、
   該白色部材を研磨する研磨工程と、
   前記半導体発光装置を単個に分離する個片化工程と
   を備えることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
6. 前記蛍光体層形成工程の後に前記蛍光体層を研磨する蛍光体層研磨工程を備えることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置の製造方法。
7. 前記個片化工程の前に透明樹脂を塗布する透明樹脂塗布工程を備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体発光装置の製造方法。
8. 前記白色部材のバインダが焼結するとガラス質となる無機バインダであることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の半導体発光装置の製造方法。
9. 前記白色部材のバインダがシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の半導体発光装置の製造方法。
   

Images