JP2013120824A - Light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光デバイスに関する。 The present invention relates to a light emitting device.
絶縁性接着剤を用いて、実装基板に発光素子が実装された発光デバイスが知られている(例えば、特許文献1参照のこと)。 A light-emitting device in which a light-emitting element is mounted on a mounting substrate using an insulating adhesive is known (for example, see Patent Document 1).
図9に示す、従来の発光デバイス101は、実装面に凹凸部105(凹部105a、凸部105b)を有する実装基板(リードフレーム)111aに、発光素子102を実装して構成される。
A conventional light emitting device 101 shown in FIG. 9 is configured by mounting the
発光素子102は、平板状のサファイア基板103の一方の面に半導体層104を有した構成となっており、実装基板111aの凸部105bが、基板103の他方の面と接触した状態で、絶縁性接着剤113によって実装基板111aに固定される。このとき絶縁性接着剤113は、凹部105a内部だけでなく、基板103の外周部にまで回り込んで、発光素子102を実装基板111aに固定する。
The light-emitting
また、半導体層104と実装基板111a、111bとは、2本のボンディングワイヤー121で電気的に接続されており、実装基板111a、111b、ボンディングワイヤー121を介して半導体層104に電流を供給したときに、その半導体層104を発光させて、図中矢印方向に向けて、光を出射する。
In addition, the
しかしながら、発光素子102の外形サイズが、例えば200μm×200μm程度の小型の素子を用いて、従来構成を実現しようとしたときに、下記の問題が発生する。その問題について、図10を用いて説明する。
However, the following problems occur when an attempt is made to realize a conventional configuration using a small element having an outer size of the
この従来の発光デバイス101は、図10(a)に示すように、発光素子102を実装する実装基板111aの表面エリア(実装位置A)のみに、例えばピッチ40μmの凹凸部105を形成し、ポッティングにより絶縁性接着剤113を、その実装位置Aを覆って基板表面に塗布した後、チップマウンター装置を用いて目的の実装位置Aに発光素子102をフェイスアップ実装する。
In this conventional light emitting device 101, as shown in FIG. 10 (a), a concave and
ところが、一般的なチップマウンター装置を用いたときに実装される位置は、図10(b)に示すように、目的の位置(実装位置A)から、図面のずれ量B(数10μm程度)だけ左側にずれて実装されてしまう場合がある。この様に、目的の位置からずれて発光素子102が実装されると、サファイア基板103と接触しない凸部(図中右端の凸部105b)が存在することになる。つまり、本図面に示す場合、正常に実装されたときに比べ、凸部105bと実装基板111aとの接触面積が約3/4程度となり、発光素子102で発生した熱の、実装基板111aへの熱伝導性を低下させる。この熱伝導性の低下により、発光素子102のジャンクション温度を増加させ、発光素子102の放熱特性の低下を引き起こすという問題を有していた。
However, as shown in FIG. 10B, the mounting position when using a general chip mounter device is only a deviation amount B (several tens of μm) from the target position (mounting position A). In some cases, it will be shifted to the left. As described above, when the
そこで本発明の目的は上記課題を解決し、例え、発光素子の目的の実装位置からずれて実装されたとしても、目的の放熱性を常に発揮することができる発光デバイスを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a light-emitting device that can always exhibit the desired heat dissipation even when the light-emitting element is mounted out of the target mounting position.
本発明の発光デバイスは、基本的には下記構成を採用する。 The light emitting device of the present invention basically adopts the following configuration.
本発明の発光デバイスは、基板の一方の面に半導体層を有する発光素子と、この基板の他方の面を、絶縁性接着剤を介して表面に固定する実装基板とを備え、基板の他方の面に凹凸部を有し、凹凸部における複数の凹部に絶縁性接着剤が充填され、複数の凸部が実装基板に接触した状態で、発光素子が実装基板に実装されたことを特徴とするものである。 A light-emitting device of the present invention includes a light-emitting element having a semiconductor layer on one surface of a substrate, and a mounting substrate that fixes the other surface of the substrate to the surface via an insulating adhesive. The light-emitting element is mounted on the mounting substrate in a state where the surface has an uneven portion, a plurality of concave portions in the uneven portion are filled with an insulating adhesive, and the plurality of convex portions are in contact with the mounting substrate. Is.
また、本発明の発光デバイスにおける、上記複数の凹部が、基板の他方の面の中心から外周に向けて放射状に配列した溝、所定の間隔で配列された複数本の線状溝、または複数個の突起を残して形成された溝とするのが望ましい。 Further, in the light emitting device of the present invention, the plurality of recesses are grooves arranged radially from the center of the other surface of the substrate toward the outer periphery, a plurality of linear grooves arranged at a predetermined interval, or a plurality of grooves. Desirably, the grooves are formed with the protrusions left behind.
また、本発明の発光デバイスにおける、複数の線状溝または複数個の突起を、不等間隔で配列しても良い。 In the light emitting device of the present invention, a plurality of linear grooves or a plurality of protrusions may be arranged at unequal intervals.
また、本発明の発光デバイスにおける、凹部の深さを、基板中央部で浅く、基板外周部で深く形成しても良い。 In the light emitting device of the present invention, the depth of the recess may be shallow at the center of the substrate and deep at the outer periphery of the substrate.
上述した本発明の発光デバイスの構成とすることで、実装基板に発光素子をチップマウンター装置で実装する際に、実装位置が目的の位置から大きくずれてしまったとしても、当初目的の放熱性能を常に発揮することができる発光デバイスを提供することができる。 By adopting the configuration of the light emitting device of the present invention described above, even when the mounting position is greatly deviated from the target position when mounting the light emitting element on the mounting substrate with the chip mounter, the initial target heat dissipation performance is achieved. A light-emitting device that can always be exhibited can be provided.
[実施形態1の構成例の説明]
本発明の実施形態1における構成例について、図1を用いて説明する。
[Description of Configuration Example of Embodiment 1]
A configuration example according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1(a)に示すように、発光デバイス1は、平板状の実装基板11の表面の実装位置に、絶縁性接着剤13を塗布した後、発光素子2をフェイスアップ実装して構成される。
As shown in FIG. 1A, the
上記発光素子2は、サファイアやGaNからなる基板3の一方の面に、例えばGaN系半導体材料の、n型半導体層、発光層、p型半導体層を順次積層した半導体層4を配した、青色発光ダイオードまたは近紫外発光ダイオードである。
The light-emitting
また、この発光素子2は、図1(a)(b)に示すように、基板3の他方の面に、所定の間隔(本図では、等間隔)で複数本の、凹部5a(溝)と凸部5bからなる凹凸部5を有している。この凹凸部5における複数本の凹部5aには、発光素子2を実装基板11に固着するための絶縁性接着剤13が充填されて、複数個の凸部5bが実装基板11の表面に直に接触した状態で、発光素子2の基板3と実装基板11とが接着固定される。なおこのとき、絶縁性接着剤13は、凹部5a内部への充填だけでなく、素子外周部に回り込んで接触面積を増やしている。この様に、凹凸部5の凹部5aと凸部5bは、本図では等間隔で繰り返し形成され、基板両側の縁部で凹部5aとなるようにしている。この凹部5aに充填された絶縁性接着剤13と、凹凸部5の作用と配列形態については、後述する。
In addition, as shown in FIGS. 1A and 1B, the light-emitting
ここで用いられる絶縁性接着剤13には、シリコーン系熱硬化型樹脂である、フォトデバイス用ダイボンド材(信越化学工業製:商品名KER−3000−M2)を用いる。なおここでは、発光素子2の実装基板11への実装時に、高い流動性の絶縁性接着剤13として、例えば接着剤の粘度を10[Pa・s]に低下させたものを用いている。
As the
実装基板11は、銅、アルミニウムなどの金属板の表面に、部分的にアルマイトやシリコン酸化物などの絶縁層を形成し、その上層に配線パターン12を配した基板や、窒化アルミニウムやアルミナからなるセラミックスや、ガラスエポキシ基板などの絶縁基板に、銅からなる配線パターン12を形成した基板を用いることができる。さらに、この実装基板11の表面の発光素子2と電気的接続を取る配線パターン12表面を除く全域には、図示しない白色の有機または無機絶縁物などが設けても良い。
The mounting substrate 11 is made of a substrate in which an insulating layer such as alumite or silicon oxide is partially formed on the surface of a metal plate such as copper or aluminum, and a wiring pattern 12 is disposed thereon, or aluminum nitride or alumina. A substrate in which a wiring pattern 12 made of copper is formed on an insulating substrate such as ceramics or a glass epoxy substrate can be used. Furthermore, a white organic or inorganic insulator (not shown) may be provided in the entire area except the surface of the wiring pattern 12 that is electrically connected to the
また、発光素子2の半導体層4の表面の、図示しないp電極とn電極と、実装基板11表面に形成された配線パターン12とは、金または銀からなるボンディングワイヤー21で電気的に接続され、さらにその全体が、蛍光体22を含む、熱硬化性シリコーン樹脂からなる封止樹脂23で被覆される。ここで使用される蛍光体22は、例えばイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)蛍光体であり、青色発光ダイオードから出射される青色光(一次光)と励起光(二次光)の混色でもって、発光デバイス1から白色光が出射する。
[実施形態1の作用の説明]
次に、基板3の他方の面に形成された凹凸部5の作用について、図2を用いて説明する。
Further, a p electrode and an n electrode (not shown) on the surface of the
[Description of Operation of Embodiment 1]
Next, the operation of the
図2に示すように、発光素子2は、配線パターン12、ボンディングワイヤー21を介して半導体層4に電流を供給することで、半導体層4が発光して主に矢印の方向に光を出射する。
As shown in FIG. 2, the
このとき半導体層4で発生する熱は、主に基板3の他方の面に形成された凸部5bを経由して、その凸部5bと直に接する実装基板11に熱伝導し、外部に放熱される。ここで、基板3に「サファイア」、実装基板11に「銅板」、絶縁性接着剤に上記「(商品名)KER−3000−M2」を用いた場合、サファイアの熱伝導率が25[W/m・K]、
実装基板の銅の熱伝導率が398[W/m・K]、絶縁性接着剤の熱伝導率が0.26[W/m・K]である。つまり、接着剤に比べ、サファイアは約1000倍も熱伝導率が高いので、本実施形態の構成によれば、半導体層4で発生した熱の殆どは、絶縁性接着剤13のルートLよりも、サファイアからなる凸部5bのルートHを介して、実装基板11に伝わり、外部に放熱される。
At this time, the heat generated in the
The heat conductivity of copper of the mounting substrate is 398 [W / m · K], and the heat conductivity of the insulating adhesive is 0.26 [W / m · K]. That is, since sapphire has a thermal conductivity about 1000 times higher than that of the adhesive, according to the configuration of the present embodiment, most of the heat generated in the
この様に、高い放熱性能を有する本実施形態1の発光デバイス1は、発光素子2の温度が過度に高くなるのを防止して、発光素子2への投入電力を大きくして、高出力化を図ることができる。また、本手段を用いて、発光素子2と実装基板11間の熱抵抗を下げることにより、発光素子2のジャンクション温度を下げることができる。その結果として、封止樹脂23の熱劣化を極力抑え、発光デバイス1の寿命を延ばすという効果を得る。
As described above, the
ここで、従来構成で発生していた問題が、本実施形態1の発光デバイス1では解消している理由について、図3を用いて説明する。なお、図3(a)は、目的の実装位置Aに正常に発光素子2が実装された状態を示し、図3(b)は、目的の実装位置Aからずれ量Bだけずれて発光素子2が実装された状態を示している。また、下記説明では、発光素子2は、外形サイズを200μm×200μm程度の小型の素子で、凹凸ピッチを40μm(凹部幅20μm、凸部幅20μm)とした場合を示している。
Here, the reason why the problem occurring in the conventional configuration is solved in the
図3(a)に示すように、実装位置Aに絶縁性接着剤13を塗布した実装基板11に、基板3の他方の面に凹凸部5を有する発光素子2を、チップマウンター装置を用いて、実装位置Aを狙ってフェイスアップ実装する。このとき、凹凸部5は、基板3両縁部が凹部5aとなるように、凹部5aと凸部5bとを交互に配列しているので、凹部5a内部に絶縁性接着剤13が充填されて、基板3の外周部にまでその絶縁性接着剤13が回り込み、確実に発光素子2と実装基板11を固定することができる。
As shown in FIG. 3A, the light-emitting
ここで、図3(b)に示すように、発光素子2が、目的の実装位置Aから左方向にずれ量B(数10μm)だけずれてしまったとしても、絶縁性接着剤13と基板3との接触面積は若干低下するものの、4つの凸部5bは全て実装基板11と直に接するので、上述した図3(a)のときと熱伝導性は変わらないことが判る。
Here, as shown in FIG. 3B, even if the
この様に、従来の構成では、チップマウンター装置の実装位置ずれに起因して、個々の発光デバイスによって放熱性能にばらつきが出てしまったのに対して、本実施形態1の発光デバイス1によれば、その従来構成で起きていた問題を解消し、常に安定した放熱性能を有する発光デバイス1を提供することができる。
[実施形態1の製造方法の説明]
次に、本実施形態1の発光デバイス1の製造方法について図4A〜図4Cを用いて説明する。
As described above, in the conventional configuration, the heat radiation performance varies depending on the individual light emitting devices due to the mounting position shift of the chip mounter device. Thus, it is possible to solve the problem that has occurred in the conventional configuration and to provide the
[Description of Manufacturing Method of Embodiment 1]
Next, the manufacturing method of the light-emitting
まず、図4A(1)に示す大判のサファイア製の基板3aに、図4A(2)に示すように、基板裏面側に凹凸部5を形成する。ここでの基板加工は、レーザー加工、ブラスト処理、エッチング等の周知の方法を用いて、目的の凹凸ピッチ(40μmピッチ)を形成し、基板3bを得る。
First, as shown in FIG. 4A (2), the
次に、図4A(3)に示すように、MOCVD法により、バッファー層、n型半導体層、発光層、p型半導体層からなる半導体層4を、順に基板3bの表面に成膜する。続けて、図示していないが、p層の一部を削ってn層表面を露出させた後、p電極、n電極、および各電極を露出させた保護膜を形成する。そして、位置6で素子単位で個片化し、図4A(4)に示す単個の発光素子2を得る。
Next, as shown in FIG. 4A (3), a
次に、図4B(5)に示すように、予め用意しておいた、配線パターン12を有する実装基板11の中央部に、ポッティング装置のノズル31から、シリコーン系熱硬化型樹脂(商品名)KER−3000−M2(粘度10[Pa・s])である絶縁性接着剤13を塗布する。
Next, as shown in FIG. 4B (5), a silicone-based thermosetting resin (trade name) is prepared from a nozzle 31 of a potting device at a central portion of the mounting substrate 11 having the wiring pattern 12 prepared in advance. The insulating
次に、図4B(6)(7)に示すように、チップマウンター装置を用いて、発光素子2を実装基板11の目的の実装位置に合わせて、フェイスアップ実装する。このとき、発光素子2の位置がずれないように、素子上部から押圧したまま100℃で1時間、更に150℃まで温度を上昇させた後、2時間掛けて絶縁性接着剤13を硬化させる。そして、発光素子2の実装基板11への固定が完了してから、素子への押圧を解除する。この素子への押圧により、凹部5a内部への絶縁性接着剤13の充填、基板3の側面にまで絶縁性接着剤13を回り込ませ、樹脂と基板との接触面積を極力増やした状態で、確実に固着させる。
Next, as shown in FIGS. 4B (6) and 7 (7), the light-emitting
次に、図4C(8)に示すように、ボンディング装置を用いて半導体層4の電極と、配線パターン12とをボンディングワイヤー21で電気的に接続し、最後に、図4C(9)に示すように、実装基板11の全体表面を、蛍光体22を含む、熱硬化性シリコーン樹脂からなる封止樹脂23で被覆することで、本実施形態1の発光デバイス1が完成する。
[変形例1の構成と作用の説明]
次に、実施形態1における、発光素子2の変形例1の構成および作用について、図5を用いて説明する。なお、図5(a)は発光素子2の正面図を、図(b)図が左側面図を、図(c)が下面図を示している。
Next, as shown in FIG. 4C (8), the electrode of the
[Description of Configuration and Action of Modification 1]
Next, the configuration and operation of
図5に示すように、本変形例1の発光素子2は、基板3の他方の面に形成した複数本の凹部5aの溝深さを、基板中央で浅く、外側に向けて徐々に深くなるようにしている。他の形態は、上述した構成と同じである。
As shown in FIG. 5, in the
このように、中央よりも外側の溝深さを深い凹部形状とすることで、先に示した図4B(6)(7)工程(発光素子実装工程)における、絶縁性接着剤13の素子外側への押し出しを確実に行い、凸部5bと実装基板11間の低い熱抵抗を因り確実に確保する。
[変形例2、変形例3の構成と作用の説明]
次に、変形例2および変形例3における発光素子2の構成と作用について、図6を用いて説明する。図6(a)は、変形例2の構成を、図6(b)で変形例3の構成を示している。
As described above, by forming the groove depth outside the center into a deep concave shape, the element outer side of the insulating
[Description of Configuration and Action of
Next, the configuration and operation of the light-emitting
図1(b)では、凹部5aと凸部5bの配列を等間隔とした例を示したが、本変形例2(図6(a))では、中央部の凹部5a−1の間隔を広く、その外側に位置する凹部5a−2、更に外側の凹部5a−3と徐々に幅が狭くなるようにしている。また、変形例3(図6(b))では、中央部の凹部5a−1の深さが最も浅く、凹部5a−2、更には凹部5a−3の凹部深さを、徐々に深くなるようにしている。
Although FIG. 1B shows an example in which the arrangement of the
この変形例2、変形例3の構成によれば、上述した放熱性能の本発明の特徴に加え、図4B(5)工程(実装基板11への絶縁性接着剤13のポッティング工程)で、実装基板11の中央部に多くの絶縁性接着剤13がポッティングされても、図4B(6)工程で、発光素子2が実装基板11に押圧されたときに、より効率よく素子外周に押し出しができる。
According to the configurations of
[実施形態2の構成例の説明]
次に、実施形態2の発光素子2の構成例と作用について、図7を用いて説明する。
[Description of Configuration Example of Embodiment 2]
Next, a configuration example and operation of the light-emitting
図7に示すように、実施形態2の発光素子2は、基板3の他方の面の凹凸部5の断面形状を楔型としている。他は、先の実施形態で示した構成例と同じである。
As shown in FIG. 7, in the light-emitting
本実施形態2の構成とすることで、実施形態1で示した構成例に比べ、発光素子2と実装基板11との接触面積が低下するが、図4B(6)(7)工程(発光素子実装工程)における、絶縁性接着剤13の素子外側への押し出しが、より容易となる。つまり、先の実施形態の構成例では、絶縁性接着剤13に低い粘度の材料を使う必要があったが、本変形例の場合は、比較的高めの粘度の材料であっても、確実に素子と実装基板11とのコンタクトを取ることができるという利点を有する。さらに、上記変形例1、変形例2のように凹部5aの溝深さや幅の工夫を適用することで、より絶縁性接着剤13の更に押し出しが容易となる。
By adopting the configuration of the second embodiment, the contact area between the light-emitting
[実施形態3の構成例1〜構成例4の構成の説明]
次に、実施形態3の発光素子2の構成例1〜4について、図8を用いて説明する。
[Description of Configuration of Configuration Example 1 to Configuration Example 4 of Embodiment 3]
Next, structural examples 1 to 4 of the light-emitting
図8(a)に示す構成例1では、等間隔で並べた複数個の凸部5b(突起)を有し、その突起を残すその他の領域を凹部5aとしている。この複数個の突起は、必ずしも等間隔で配列する必要はなく、必要に応じて配列形態を変えることもできる。
In the configuration example 1 shown in FIG. 8A, a plurality of
また、図8(b)では、複数本の溝からなる凹部5aが、基板3の中央から外周に向けて放射状に配置し、図8(c)では、その放射状の溝からなる凹部5aの幅が、中央から外周に向けて、徐々に広くなるようにしている。さらに、図8(d)では、図8(b)の溝パターンを、複数配置した構成としている。
Further, in FIG. 8B, the
上記構成とすることで、先に示したと同様に、図4B(6)(7)工程(発光素子実装工程)における、凹部5a内部への絶縁性接着剤13に充填させるとともに、素子周りへ回り込ませて確実に実装基板11と発光素子2とを固着させるだけでなく、凸部5bと実装基板11とが直に接触して、発光素子2で発生する熱を効率よく、実装基板11に伝えることができる。なお、実施形態1の変形例1〜3の構成を更に組み合わせ、図4B(6)(7)工程における、絶縁性樹脂13の素子外周への押し出しをより容易とする構成とすることもできる。
With the above configuration, as described above, the insulating
1 発光デバイス
2 発光素子
3 基板
4 半導体層
5 凹凸部
5a、5a−1〜5a−3 凹部
5b 凸部
6 位置
11 実装基板
12 配線パターン
13 絶縁性接着剤
21 ボンディングワイヤー
22 蛍光体
23 封止樹脂
31 ノズル
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記基板の他方の面を、絶縁性接着剤を介して表面に固定する実装基板と、を備え、
前記基板の他方の面は、凹凸部を有し、
前記凹凸部における複数の凹部に前記絶縁性接着剤が充填され、複数の凸部が前記実装基板に接触した状態で、前記発光素子が前記実装基板に実装される
ことを特徴とする発光デバイス。 A light-emitting element having a semiconductor layer on one surface of the substrate;
A mounting substrate for fixing the other surface of the substrate to the surface via an insulating adhesive; and
The other surface of the substrate has an uneven portion,
The light emitting device is mounted on the mounting substrate in a state where the insulating adhesive is filled in a plurality of concave portions in the concave and convex portions, and the plurality of convex portions are in contact with the mounting substrate.
ことを特徴とする請求項1に記載の発光デバイス。 The light emitting device according to claim 1, wherein the plurality of recesses are grooves arranged radially from the center of the other surface of the substrate toward the outer periphery.
ことを特徴とする請求項1に記載の発光デバイス。 2. The light emitting device according to claim 1, wherein the plurality of recesses are a plurality of linear grooves arranged at a predetermined interval or a groove formed by leaving a plurality of protrusions.
ことを特徴とする請求項3に記載の発光デバイス。 The light emitting device according to claim 3, wherein the plurality of linear grooves or the plurality of protrusions are arranged at unequal intervals.
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか一項に記載の発光デバイス。 5. The light emitting device according to claim 2, wherein a depth of the concave portion is shallow at a central portion of the substrate and deep at an outer peripheral portion of the substrate.
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