CN101651136B - 半导体发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了半导体发光装置。本发明的课题是，在仅上表面设有电极的多个半导体发光元件串联连接而成的半导体发光装置中，可通过提高焊线相对于半导体发光元件的电极的接合强度来提升对于外部应力的可靠性，且通过抑制半导体发光元件的电极面积的扩大来确保良好的光发出效率。作为解决手段，在绝缘基板上设置由导体图案构成的反射图案(11)、供电图案(9)和中继图案(10)，利用以中继图案(10)作为中继点而连接的2根焊线，来电连接三个半导体发光元件中相互邻接的两个半导体发光元件的极性互不相同的电极，并且半导体发光元件的电极与焊线之间的接合都是经由球焊部来进行的。

Description

半导体发光装置
技术领域
本发明涉及半导体发光装置，具体而言，涉及将串联连接的多个半导体发光元件作为光源的半导体发光装置。
背景技术
在一个封装内配置上表面设有一对电极的多个半导体发光元件、并构成基于这些半导体发光元件的串联连接电路的情况下，如引用文献1那样具有如下方法：使相邻的半导体发光元件50的极性不同的电极彼此间依次经由焊线（bonding wire）51进行连接，使未用于半导体发光元件50之间连接的剩下的一对极性不同的电极分别经由焊线54与设置在封装52上的引线53进行连接（参照图12）。
【专利文献1】日本特开2007-103940号公报
在专利文献1所述的经由焊线直接连接半导体发光元件的电极的方法中，设置在封装上的引线框的引线仅仅是用于从外部供电的2根引线，引线所占据的部分较少，因此封装可实现小型化。
但是，在半导体发光元件的某个电极上形成有焊线的通过第一焊接形成的球焊（ball bond）部，在另一个电极上形成有通过第二焊接形成的缝焊（stitch bond）部。其中，缝焊部与球焊部相比，焊线相对于电极的接合力极弱、且对外部应力的可靠性低。
此外，缝焊用电极与球焊用电极相比需要更大的面积，因此，缝焊用电极相对于半导体发光元件的光射出面的面积比增大，所以光发出效率低下。
发明内容
因此，本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于：在一个封装内配置仅在上表面设有电极的多个半导体发光元件、并构成基于这些半导体发光元件的串联连接电路的半导体发光装置中，通过提高焊线相对于半导体发光元件的电极的接合强度，来提高对于外部应力的可靠性、并且通过抑制电极面积的扩大来确保良好的光发出效率。
为了解决上述问题，本发明的第一方式是如下的半导体发光装置，其具备：第一绝缘基板，其具有第一贯通孔；金属底板，其以闭塞所述第一贯通孔的方式设置在所述第一绝缘基板的下表面；以及多个半导体发光元件，其设置在所述第一贯通孔内的所述金属底板上，所述多个半导体发光元件串联连接，该半导体发光装置的特征在于，所述多个半导体发光元件的上表面具有成对的两个电极，该半导体发光装置具有：一对供电图案，其形成在所述第一绝缘基板上，并经由焊线与所述半导体发光元件的电极电连接，接受来自外部的供电；以及中继图案，其在所述第一绝缘基板上与所述供电图案分离地形成，并经由焊线与所述多个半导体发光元件中的两个半导体发光元件的极性互不相同的电极电连接，所述半导体发光元件的电极与焊线之间经由球焊部接合。
此外，本发明的第二方式的特征在于，在第一方式中，所述供电图案经由所述第一绝缘基板的侧面而延伸到底面，所述中继图案延伸到所述第一绝缘基板的端部。
此外，本发明的第三方式的特征在于，在第一或第二方式的任一个中，使所述焊线与所述供电图案连接的缝焊部形成在比所述球焊部高的位置上。
此外，本发明的第四方式的特征在于，在第一或第二方面的任一个中，该半导体发光装置还具有第二绝缘基板，该第二绝缘基板经由绝缘性粘结层而粘合在所述第一绝缘基板的上表面、并具有比所述第一贯通孔的孔径大的第二贯通孔。
本发明是在一个封装内配置上表面设有成对电极的多个半导体发光元件、并构成基于这些半导体发光元件的串联连接电路的半导体发光装置，半导体发光元件的电极与焊线之间经由通过第一焊接形成的球焊部而接合。
因此，可以提高焊线相对于半导体发光元件的电极的接合强度而提高对于外部应力的可靠性、并且通过抑制电极面积的扩大来确保良好的光发出效率。
附图说明
图1是本发明的半导体发光装置的内部接线图。
图2是本发明的半导体发光装置的俯视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是图2的部分放大图。
图5是图3的部分放大图。
图6是本发明的半导体发光装置的制造工序图的一部分。
图7同样是本发明的半导体发光装置的制造工序图的一部分。
图8同样是本发明的半导体发光装置的制造工序图的一部分。
图9同样是本发明的半导体发光装置的制造工序图的一部分。
图10同样是本发明的半导体发光装置的制造工序图的一部分。
图11同样是本发明的半导体发光装置的制造工序图的一部分。
图12是现有例的说明图。
标号说明
1、半导体发光装置；2、第1贯通孔；3、下部基板；4、第2贯通孔；5、上部基板；6、绝缘性粘结层；7、金属底板、8、凹部；9、供电图案；9a、9b供电图案；10、中继图案；10a、10b中继图案；11、反射图案；12、焊线；12a、12b、12c、12d、12e、12f焊线；13、球焊部；14、缝焊部；15、光射出面；16、密封树脂；20、贯通槽；21、绝缘基板；22、导体图案；23、多片式下部基板；24、端部；25、多片式上部基板；26、多片式粘合基板；27a、27b切割线
具体实施方式
以下，参照图1至图11来详细说明本发明的优选实施方式（针对相同部分标注相同的符号）。另外，以下所述的实施方式是本发明优选的具体例，因此附加了在技术中优选的各种限定，但是在以下的说明中只要没有特别限定本发明内容的记载，就不限于这些实施方式。
本发明是将多个半导体发光元件作为发光源的半导体发光装置，图1是其内部接线图，图2是俯视图，图3是图2的A-A剖视图，图4是图2的部分放大图。
如图1所示，半导体发光装置将作为发光源的3个半导体发光元件L1、L2、L3串联设置。半导体发光元件L1、L2、L3均在上表面设置有成对的两个电极。但是，半导体发光元件并不限于三个，可根据半导体发光装置所要求的亮度、功耗、大小等条件来决定，只要是设置有多个半导体发光元件且将这些半导体发光元件在内部串联连接的半导体发光装置，即可获得本发明的出色效果。
在图2和图3中，半导体发光装置1通过绝缘性粘结层6来粘合具有第1贯通孔2的下部基板3和具有第2贯通孔4的上部基板5，在下部基板3的上部基板5的相反侧（下表面侧）设置有例如由铜箔等金属箔构成的金属底板7。
上部基板5和下部基板3均是由绝缘性材料构成的，上部基板5的第2贯通孔4形成为大于下部基板3的第1贯通孔2，通过第1贯通孔2和第2贯通孔4形成以金属底板7为底面的凹部8。
在下部基板3的上部基板5侧（上表面侧）和侧面侧形成有导体图案，在凹部8内露出分别独立的一对供电图案9、相对于供电图案9独立的中继图案10、以及相对于供电图案9和中继图案10独立的反射图案11的一部分。其中，各供电图案9从凹部8内经过下部基板3的上表面、经过侧面侧而延伸设置到底面侧。在下部基板3的侧面和底面设置的供电图案作为供电端子发挥作用。各中继图案10从凹部8内经过下部基板3的上表面而延伸设置到未延伸设置有上述供电图案9的侧面侧的端部，反射图案11位于在凹部8内露出的下部基板上表面的除了供电图案9和中继图案10以外的区域，与中继图案10同样，从凹部8内延伸设置到未延伸设置有上述供电图案9的相互对置的侧面侧端部。并且，虽未图示，在上部基板5的第2贯通孔4和下部基板3的第1贯通孔2的内周面上形成有与供电图案9绝缘设置的反射面。
在凹部8的金属底板7上设置有三个半导体发光元件L1、L2、L3，这些半导体发光元件分别在光射出面侧（上部侧）设置有极性不同的两个电极，各半导体发光元件L1、L2、L3的各个电极与在凹部8内露出的供电图案9和中继图案10之间经由焊线12而电连接。
具体而言，如图4所示，通过球焊法，经由焊线12a来接合半导体发光元件L2的阳极a和供电图案9a，并分别经由焊线12b、12c将半导体发光元件L2的阴极c和半导体发光元件L1的阳极a接合到中继图案10a，分别经由焊线12d、12e将半导体发光元件L1的阴极c和半导体发光元件L3的阳极a接合到中继图案10b，并经由焊线12f将半导体发光元件L3的阴极c接合到供电图案9b。
由此，实施了半导体发光元件L1、L2、L3的串联连接的内部接线。在该情况下，在对各焊线12进行引线接合时，焊线12a在半导体发光元件L2的阳极a上进行第一焊接（bonding），在供电图案9a上进行第二焊接。根据球焊法，采用超声波等将利用焊炬熔化末端而形成了Au球的焊线压接在半导体发光元件的电极上，并引导至供电图案或中继图案而进行压接。此时，在半导体发光元件上的电极上形成球焊部，在供电图案或中继图案上形成缝焊部。结果，在半导体发光元件L2的阳极a上经由球焊部13接合焊线12a的一个端部，在供电图案9a上经由缝焊部14接合焊线12a的另一个端部。
以下同样，焊线12b的一个端部经由基于第一焊接的球焊部13与半导体发光元件L2的阴极c接合，另一个端部经由基于第二焊接的缝焊部14与中继图案10a接合。焊线12c的一个端部经由基于第一焊接的球焊部13与半导体发光元件L1的阳极a接合，另一个端部经由第二焊接的缝焊部14与中继图案10a接合。焊线12d的一个端部经由基于第一焊接的球焊部13与半导体发光元件L1的阴极c接合，另一个端部经由基于第二焊接的缝焊部14与中继图案10b接合。焊线12e的一个端部经由基于第一焊接的球焊部13与半导体发光元件L3的阳极a接合，另一个端部经由基于第二焊接的缝焊部14与中继图案10b接合。焊线12f的一个端部经由基于第一焊接的球焊部13与半导体发光元件L3的阴极c接合，另一个端部经由基于第二焊接的缝焊部14与供电图案9b接合。
像这样，半导体发光元件L1、L2、L3的各电极与焊线12之间都是经由球焊部13接合的，各供电图案9、各中继图案10与焊线12之间都是经由缝焊部14接合的。
因此，对半导体发光元件的各电极和焊线进行接合的球焊部与经由缝焊部进行接合的情况相比，接合强度极高，能够确保较高的接合可靠性。
另外，相对于焊线经由缝焊部与基板上的导体图案接合的强度，焊线经由缝焊部与半导体发光元件的电极接合的强度较弱。因此，可以如本发明这样，在半导体发光元件的电极侧形成球焊部，并在基板上的导体图案侧形成缝焊部，由此能够可靠地通过焊线来电连接半导体发光元件的电极与基板上的导体图案。
如此，中继图案仅作为中继点发挥作用，而不进行与外部的电连接，上述中继点用于电连接两个半导体发光元件的极性互不相同的电极。即，形成为仅具有中继点功能的图案。而且，可以通过设置中继图案而在半导体发光元件的所有电极侧形成球焊部，从而能够提高将半导体发光元件串联连接起来的内部接线的电气可靠性。
另外，中继图案只要能具有上述功能即可，还可以通过在下部基板上安装形成有导体图案的基底（sub-mount）来形成。
此外，可以在半导体发光元件的所有电极侧都形成球焊部，由此与形成缝焊部的情况相比，能够减小电极相对于半导体发光元件的光射出面的面积比。因此，可确保半导体发光元件的光射出面的面积较大，从而能够实现光发出效率的提高。
在凹部内以覆盖半导体发光元件和焊线的方式填充密封树脂，保护半导体发光元件不受水分、尘埃以及空气等外部环境的侵害，并保护焊线不受震动和冲击等机械应力的影响。此外，密封树脂在与半导体发光元件的光射出面之间形成界面，具有使半导体发光元件的发出光从半导体发光元件的光射出面高效地射出到密封树脂内的功能。
此外，如图5所示，下部基板3的厚度d2（包括供电图案9的厚度）形成为比半导体发光元件L的厚度d1厚（d2>d1）。由此，与半导体发光元件L的电极接合的焊线的球焊部的正上部分α可以架设成相对于半导体发光元件L的光射出面15大致垂直立起的状态。该部分是在第一焊接前形成球时由于放电的热使结晶粒子变粗的再结晶区域，是拉伸强度和断裂强度较弱的部分。此外，在再结晶区域和普通结晶区域的边界上也形成了断裂强度较弱的结晶粒界面。
具体而言，将下部基板3的厚度d2设为180μm，将半导体发光元件L的厚度d1设为100μm。通过将中继图案设在下部基板3上，并使下部基板3的厚度d2比半导体发光元件L的厚度d1厚，可以使缝焊部处于比球焊部高的位置。而且，由于缝焊部处于比球焊部高的位置，因此能够容易地维持焊线的对再结晶区域α施加的负荷较小的环形形状，从而可提供焊线的断裂强度高、可靠性高的半导体发光装置。
尤其，考虑再结晶区域α形成于从球焊部距离大约50～150μm的范围内、为了半导体发光装置的薄型化而希望焊线的环形高度较低、并且需要避免下部基板的边缘接触的情况，缝焊部优选地形成在比球焊部高出约40～120μm的位置。
但是，填充在凹部内的密封树脂16由于半导体发光元件L发光时的发热或周围温度等所引起的温度变化而反复膨胀/收缩。密封树脂的膨胀/收缩程度在密封树脂16的厚度较厚的方向上、即与半导体发光元件L的光射出面15平行的方向上最大。
因此，如本发明这样，通过将焊线12的拉伸强度和断裂强度较弱的区域架设成相对于半导体发光元件L的光射出面15大致垂直立起的状态，能够通过焊线12自身的弯曲来缓和由于密封树脂16的膨胀/收缩而从垂直方向对焊线12施加的最大应力，能够保护焊线12不发生变细和断裂等不良情况。
接下来，参照图6～图11来说明本发明的半导体发光装置的制造方法。首先，在图6所示的绝缘基板准备工序中，准备按照预定的间隔具有预定大小的第1贯通孔2和贯通槽20的绝缘基板。在该情况下，在绝缘基板上可以通过冲压加工等来设置第1贯通孔2和贯通槽20，也可以在基于树脂的基板成形时同时形成第1贯通孔2和贯通槽20。
接下来，在图7所示的多片式下部基板制作工序中，在绝缘基板21的一个面和贯通槽20的内表面上形成导体图案22来作为多片式下部基板23。该导体图案22围着各第1贯通孔2而形成作为反射图案11、中继图案10和一对供电图案9的部分，这些反射图案11、中继图案10和一对供电图案9均与贯通槽20内表面的导体图案22一起在多片式下部基板23的端部24连接成一体。由此，通过电镀在导体图案22的整个面上依次形成Cu镀层和Ni镀层。此外，还对反射图案11、中继图案10、供电图案9中的形成在下部基板上表面的部分以及形成在未图示的第1贯通孔2和第2贯通孔4的内周面上的反射面实施镀银。在贯通槽20的内表面形成的各导体图案22分别与供电图案9连接，因此贯通槽20的一部分形成连通槽（through slit）。
即，可以在多片式下部基板上以电连接的状态形成各中继图案，并经过之后的切割工序形成为电气上独立的图案。因此，中继图案在下部电极上延伸设置到作为切割工序所形成的切断面的侧面侧的端部。而且，形成有供电图案的侧面由下部基板上设置的连通槽的内周面来构成，因此，中继图案延伸设置到未形成有供电图案的侧面侧的端部。
接着，在图8所示的多片式上部基板的粘合工序中，在多片式下部基板23的形成有导体图案的面上经由绝缘性粘结层（未图示）粘合多片式上部基板25，该多片式上部基板25在与多片式下部基板23的第1贯通孔2对应的位置上具有比上述第1贯通孔2的孔径大的第2贯通孔4。与此同时，在多片式下部基板23的形成有导体图案的面的相反侧设置例如由铜箔等金属箔构成的金属底板7。
对于绝缘粘结层，应用了在玻璃纤维中浸渍了未硬化的热硬化性树脂的预浸材料（pre-preg）、环氧树脂等构成的粘结片、或者在玻璃环氧基板的两面设置有粘结片的多层构造物等，可以根据用途和规格来进行变更。
接下来，在图9所示的半导体发光元件安装工序中，在由多片式上部基板25和多片式下部基板23的各第2贯通孔4和第1贯通孔2所形成的凹部8的底面的金属底板7上安装3个半导体元件L1、L2、L3，经由焊线12a将半导体发光元件L2的阳极a与供电图案9a接合，分别经由焊线12b、焊线12c将半导体发光元件L2的阴极c和半导体发光元件L1的阳极a与中继图案10a接合，分别经由焊线12d、焊线12e将半导体发光元件L1的阴极c和半导体发光元件L3的阳极a与中继图案10b接合，经由焊线12f将半导体发光元件L3的阴极c与供电图案9b接合（参照图4）。
此时，半导体发光元件L1、L2、L3的各电极与焊线12之间均经由球焊部13接合，各供电图案9a、9b和中继图案10a、10b与焊线12之间均经由缝焊部14接合。
接下来，在图10所示的密封树脂填充工序中，在各凹部8内填充密封树脂16，对半导体发光元件L1、L2、L3和焊线12进行树脂密封。
接着，在图11所示的切割工序中，以预定的间隔对安装有半导体发光元件L1、L2、L3的多片式粘合基板26进行切割，切割成单个的半导体发光装置1，这样半导体发光装置的制造过程结束。
在切割工序中，根据沿着下部基板的连通槽（中央）的切割线27a和垂直的切割线27b来进行单片化，因此半导体发光装置1的上部基板的四个侧面都由切断面构成，半导体发光装置1的下部基板的四个侧面由相对的两个切断面和被该切断面夹着的连通槽内周面构成。
从该制造工艺可知，在切割工序之前，在构成多片式上部基板的绝缘基板的一个面以及槽的内表面上形成的导体图案全部在基板端部连接成一体，因此可以在导体图案的整个面上实施电解电镀。
之后，通过基于切割工序的单片化来对一体连接的导体图案进行切断、分离，使反射图案、一对中继图案和一对供电图案成为分别独立的状态，各独立的图案分别用于实现半导体发光元件的串联内部接线。
这样，可通过在多片式下部基板上使所有的导体图案都形成为一体连接的状态，来提高单片化后各半导体发光装置的可靠性。
以上，如详细说明的那样，本发明的半导体发光装置具有将作为发光源的多个半导体发光元件串联连接的内部接线，并均经由通过焊线的第一焊接而形成的球焊部来进行构成接线的焊线与半导体发光元件的电极之间的连接。为此，设置不与外部电连接的中继图案，利用将中继图案作为中继点而连接的2根焊线，来电连接三个半导体发光元件中相互邻接的两个半导体发光元件的极性互不相同的电极。
其结果，半导体发光元件的各电极与焊线之间的接合强度与经由缝焊部接合的情况相比极高，从而能够确保较高的接合可靠性。
此外，可以在半导体发光元件所有的电极侧形成球焊部，从而与利用缝焊部进行接合的情况相比，能够使电极相对于半导体发光元件的光射出面的面积比减小。因此，可以确保半导体发光元件的光射出面的面积较大，从而能够提高光发出效率。
此外，将构成半导体发光装置的下部基板的厚度形成为比半导体发光元件的厚度厚，将与半导体发光元件的电极接合的焊线的球焊部的正上部分架设成相对于半导体发光元件的光射出面大致垂直地立起。由此，通过焊线自身的弯曲来缓和由于密封树脂的膨胀/收缩而从垂直方向对焊线的以下部分施加的应力，该部分是指在第一焊接前形成焊球时由于放电的热而导致结晶粒子粗大、从而拉伸强度和断裂强度变弱的部分。结果，能够保护焊线不发生变细或断裂等不良的情况。
并且，将半导体发光元件直接安装在由金属箔构成的金属底板上。结果，可以使半导体发光元件点亮时产生的热传导到热阻较低的金属底板内而向外部发散，这样能够抑制半导体发光元件的温度上升。结果，能够确保半导体发光元件的良好发光效率并延长使用寿命。

Claims (4)

1.一种半导体发光装置，该半导体发光装置具有：
第一绝缘基板，其具有第一贯通孔；
金属底板，其以闭塞所述第一贯通孔的方式设置在所述第一绝缘基板的下表面；以及
多个半导体发光元件，其设置在所述第一贯通孔内的所述金属底板上，
所述多个半导体发光元件串联连接，
该半导体发光装置的特征在于，
所述多个半导体发光元件的上表面具有成对的两个电极，
该半导体发光装置具有：
一对供电图案，其形成在所述第一绝缘基板上，并经由焊线与所述半导体发光元件的电极电连接，接受来自外部的供电；以及
中继图案，其在所述第一绝缘基板上与所述供电图案分离地形成，并经由焊线与所述多个半导体发光元件中的两个半导体发光元件的极性互不相同的电极电连接，
所述半导体发光元件的电极与焊线之间经由球焊部接合。
2.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其特征在于，
所述供电图案经由所述第一绝缘基板的侧面而延伸到底面，所述中继图案延伸到所述第一绝缘基板的端部。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光装置，其特征在于，
使所述焊线与所述供电图案连接的缝焊部形成在比所述球焊部高的位置上。
4.根据权利要求1或2所述的半导体发光装置，其特征在于，该半导体发光装置还具有第二绝缘基板，该第二绝缘基板经由绝缘性粘结层而粘合在所述第一绝缘基板的上表面、并具有比所述第一贯通孔的孔径大的第二贯通孔。
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