JP2002241586A - 波長変換ペースト材料、複合発光素子、半導体発光装置及びそれらの製造方法 - Google Patents
波長変換ペースト材料、複合発光素子、半導体発光装置及びそれらの製造方法Info
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/181—Encapsulation
Abstract
面からの光を白色に波長変換する波長変換材料、複合発
光素子、半導体発光装置及びそれらの製造方法の提供。 【解決手段】 サブマウント素子2の上に導通搭載した
フリップチップ型の発光素子1とを備え、サブマウント
素子を受け皿として、発光素子の周りをこの発光素子1
の光の波長変換のための波長変換材料を含有した波長変
換ペ−スト材料で覆い、発光素子1の透明基板1aの上
面の光取り出し面と波長変換材料層16の外郭面との一
方または両方をサブマウント素子の裏面電極形成面と平
行として、主光取り出し面の上の波長変換層を一様と
し、発光素子の主光取り出し面からの光を一様に波長変
換して色度むらのない発光を可能とする。
Description
形成された半導体膜で構成される発光ダイオード、発光
レーザーダイオードなどの発光素子と該発光素子の発光
波長を他の波長に変換する蛍光物質又は発光波長を一部
吸収するフィルター物質を含有した波長変換ペースト材
料と半導体発光装置及びその製造方法に関するものであ
る。
Dと略す」)は、近来になって、GaN、GaAlN,
InGaN及びInAlGaN等のGaN系化合物半導
体を利用することによって発光輝度の高い製品が得られ
るようになった。そして、この青のLEDと旧来からの
赤、緑発光のLEDとの組み合わせにより、これらのL
EDの3個を1ドットとする高画質のフルカラー画像の
形成が可能となった。
の三原色の赤、緑、青が必要であるから、これらの発光
色のLEDより一層の開発と改良が主である。その一方
で、たとえば赤、緑、青の合成によってしか得られない
白色発光を単一のLEDで達成しようとする試みも既に
為されている。このような試みの一つとして、たとえば
特開平7−99345号公報に開示されたものがある。
示すように、発光素子60を搭載するリードフレーム8
0a,80bのマウント部80cを含めて樹脂パッケー
ジ85によって封止するいわゆるLEDランプのタイプ
としたものである。そして、発光素子60の発光波長を
変えて異なった発光色とするために、発光素子60の周
りのマウント部80cに蛍光物質84を含んだ蛍光物質
層83で封止した構成を持つ。すなわち、旧来のLED
ランプでは発光素子60を搭載するリードフレーム80
a,80bの先端部を含めて被覆するとともに、レンズ
機能も兼ねるエポキシ樹脂の樹脂パッケージ85で封止
していたものに代えて、発光素子60の周りに波長変換
用の蛍光物質層83を形成し、その周りをエポキシ樹脂
の樹脂パッケージ85で封止したものである。なお、図
9において、61は透明のサファイア基板、68はn電
極、69は透明電極、81は接着剤、82a,82bは
ワイヤーである。
む樹脂の蛍光物質層83で発光素子60を封止すること
で、発光素子60からの青色発光の波長が蛍光物質84
によって変えられ、高輝度のGaN系化合物半導体を利
用した青色の発光素子60を白色発光のデバイスとして
使えるようにする。すなわち、GaN系化合物半導体を
利用した青色発光の発光素子60の場合では、それ自身
の青色発光の成分と、蛍光物質層83に含まれた蛍光物
質84によって波長変換された黄緑色の成分との混色に
よって白色発光が得られる。
は、発光素子60を搭載するマウント部80cの内面を
光反射面として利用するので、図示の例のようにマウン
ト部80cをすり鉢状とすることが有効である。ところ
が、マウント部80cがすり鉢状であると、図10に示
すように、発光素子60の発光方向と側面方向の樹脂の
厚さA,Bが異なる場合が多い。これらの厚さの相違は
マウント部80cの形状や発光素子60の大きさ及び蛍
光物質層83の充填厚さ等によって様々に変わる。この
ため、これらの条件を最適化できれば、発光素子60の
周りの全方向で蛍光物質層83の層厚を均一にすること
はできる。しかしながら、蛍光物質層83の樹脂はディ
スペンサーによってマウント部80cに注入されるの
で、その厚さを高精度で制御することは非常に難しく、
発光素子60の周りの蛍光物質層83の樹脂の厚さを均
一化することは現状では不可能である。発光素子60の
周りの樹脂の厚さが異なると、厚さが大きいほど発光素
子60からの青色発光が黄緑色に変換される割合も高く
なる。このため、発光素子60の発光方向では良好な白
色が得られても、側面方向では黄緑色の成分が白色を上
回る場合がある。したがって、マウント部80cの底面
及び内周面を反射面とする発光なので、中央部では白色
が占め、周辺部では黄色味を帯びた発光となってしま
う。
物質層83の発光素子60に対する全方向の厚さを均一
にできないことに起因して、純粋な白色光が得られな
い。すなわち、青色発光を蛍光物質84によって黄緑色
に変換して本来の青色発光との混色により白色を得るの
で、発光素子60に対する樹脂の層厚を最適化しないか
ぎり、純粋な白色光は得られない。
に注入した時、硬化後の樹脂に含まれる蛍光物質84の
量の分布が一様でないと、白色発光の中に黄色の発光が
混在することにもなる。すなわち、発光素子60からの
光路はその発光方向に三次元的に広がっているので、蛍
光物質84の充填量にばらつきがあれば、波長変換度も
相違してくるので、黄色の発光を含むものとなり、純粋
な白色光は得られない。
求されることは言うまでもない。高輝度を実現するため
には、蛍光物質84そのものの輝度の高輝度化と、高輝
度化された蛍光物質84を効率よく利用するための蛍光
物質層の設計が重要となってくる。
導体膜で構成される発光ダイオード、発光レーザーダイ
オードなどの発光素子と該発光素子の発光波長を他の波
長に変換する蛍光物質又は発光波長を一部吸収するフィ
ルター物質を含有した波長変換ペースト材料、複合発光
素子、半導体発光装置及びそれらの製造方法を提供する
ことによって、たとえば青色発光素子からの青色発光の
分布と波長変換された黄緑色の分布とを均一化して純粋
な白色の発光が得られるようにすることを解決課題とす
る。
ため、以下の手段を講じている。上記課題は、請求項1
から13に記載の波長変換ペースト材料にて解決され
る。また、この波長変換ペースト材料の有利な構成及び
製造方法は、請求項14から23に記載されている。す
なわち、請求項1から13に記載の極めて分散性が高
く、波長変換層を形成するのに最適な波長変換ペースト
材料にて、請求項14から16に記載の複合発光素子及
び請求項17に記載の半導体発光装置において、発光素
子の実装面を除く全周囲を被覆し、前記波長変換ペース
ト材料で構成される層は前記発光素子の前記実装面を除
く主光取り出し面及び四方の側面の各面に対してそれぞ
れ平行な外郭面を合成した外形としてなることを特徴と
する。このような構成では、波長変換ペースト材料中に
波長変換材料が均一に分散されることから、主光取り出
し面及び側面から放出される光のそれぞれについて波長
変換度を均一化できるので、黄色味を帯びない純粋な白
色発光が得られる。また、こうした複合発光素子及び半
導体発光装置は、請求項18から23に記載の製造方法
によって理想的な構成が得られる。
子が発光した光によって励起され発光する波長変換材料
を含有するペースト材料であって、この材料が 1)50≦波長変換材料≦85重量% 2)4≦樹脂≦25重量% 3)1≦硬化剤≦25重量% 4)0≦チクソ性付与剤≦3重量% 5)0≦表面改質剤≦1重量% で構成される波長変換ペースト材料である。
換材料層を形成するのに最適な波長変換ペースト材料が
得られる。
平均粒径が10μm以上50μm以下であることを特徴
とする請求項1記載の波長変換ペースト材料である。無
機蛍光物質の輝度は、蛍光物質焼成に使用する材料やそ
の焼成条件により影響されるが、一般的に高輝度の蛍光
物質ほど粒径が大きくなる。一方、発光素子を覆ってい
る波長変換材料層に大きい粒径の蛍光物質を使用するこ
とにより、発光素子からの青色光、及び発光素子の光に
より励起された蛍光物質の蛍光が外部へ取り出しやすく
なり、高輝度の白色光を得ることができる。
項1の波長変換ペースト材料において、樹脂がエポキシ
樹脂であり、さらに水素添加ビスフェノールA型脂環式
エポキシ樹脂であることを特徴とする波長変換ペースト
材料である。
料で構成された半導体発光装置の耐熱性、耐候性、耐湿
性を著しく向上させる。
に記載の波長変換ペースト材料において、樹脂がフォト
リソグラフィー樹脂であり、さらにフォトリソグラフィ
ー樹脂がアクリレート樹脂であることを特徴とする波長
変換ペースト材料である。
おいて、波長変換ペースト材料のフォトリソグラフィー
によるパターニングが可能となり、波長変換材料層の厚
みを均一化することができる。
の波長変換ペースト材料において、硬化剤が酸無水物硬
化剤であり、さらに酸無水物硬化剤がメチルヘキサヒド
ロ無水フタル酸であることを特徴とする波長変換ペース
ト材料である。
料で構成された半導体発光装置の耐熱性、耐候性、耐湿
性を著しく向上させる。
項1の波長変換ペースト材料において、硬化剤がカチオ
ン重合開始剤またはラジカル重合開始剤であり、さらに
カチオン重合開始剤が芳香族スルホニウム塩であること
を特徴とする波長変換ペースト材料である。
トライフが著しく伸びる。
クソ性付与剤が高純度無水シリカであることを特徴とす
る波長変換ペースト材料である。
マウント素子への塗布が著しく容易で、安定したものと
なる。
面改質剤がシランカップリング剤であることを特徴とす
る波長変換ペースト材料である。
の分散状態が著しく向上し、本波長変換材料を使用した
半導体発光装置は極めて純粋な白色光を発光する。
板上にn型半導体及びp型半導体層を積層し、前記光透
過性基板を上面に向けてこれを主光取り出し面とすると
ともに、下面にはn型半導体層及びp型半導体層に接続
するn電極及びp電極が形成された発光素子と、前記発
光素子の下に重なる状態で配置され、前記発光素子と対
峙する面上に前記n電極とp電極とにそれぞれ電気的に
接続される第一の電極及び第二の電極を有し、それと反
対の面に裏面電極を有するサブマウント素子と、前記発
光素子の発光波長を他の波長に変換する請求項1から請
求項13に記載の波長変換ペースト材料を備えるととも
に、前記波長変換ペースト材料が、前記サブマウント素
子を受け皿として、前記サブマウント素子の上に配置さ
れた前記発光素子を覆うように塗布されていることを特
徴とする複合発光素子である。
ブマウント素子が、波長変換材料やフィルター物質を含
む波長変換ペースト材料の受け皿となるために、反射カ
ップや筐体の器の有無に関係無く、発光素子を覆うよう
に波長変換ペースト材料を塗布できるという作用を有す
る。
記載の複合発光素子において、前記発光素子の主光取り
出し面とこの面上に塗布された波長変換ペースト材料の
外郭面のいずれか一方または両方が受け皿となるサブマ
ウント素子の裏面電極形成面とほぼ平行であることを特
徴とする複合発光素子である。
に対して波長変換材料による波長変換度を均一化できる
ので、発光素子自体の発光色と波長変換された発光色と
の混色の発光が一様に得られる。
記載の複合発光素子において、前記発光素子の主光取り
出し面上の前記波長変換ペースト材料の厚みがほぼ一定
で、その厚みが30μm以下の範囲内であることを特徴
とする複合発光素子である。高輝度で粒径の大きい蛍光
物質を高濃度で配合した波長変換材料を薄膜で形成する
ことにより、発光素子からの青色光、及び発光素子の光
により励起された蛍光物質の蛍光が外部へ取り出しやす
くなり、高輝度の白色光を得ることができる。
ら16に記載の複合発光素子を用いた半導体発光装置で
あって、リードフレームまたはプリント配線基板のマウ
ント部に前記複合発光素子のサブマウント素子の裏面電
極を下にして導電性ペーストを介して搭載し、前記複合
発光素子のボンディングパッド領域と外部リードとをワ
イヤーを介して接続し、前記複合発光素子を含む前記リ
ードフレームの先端部またはプリント配線基板の上面を
光透過性の樹脂で封止したことを特徴とする半導体発光
装置である。
に関わりなく、色度のバラツキの少ない様々なタイプの
白色発光の発光装置が実現できる。
記載の複合発光素子の製造方法において、前記発光素子
のn電極及びp電極または前記サブマウント素子の第一
の電極及び第二の電極上にマイクロバンプを形成する工
程と、前記発光素子と前記サブマウント素子の対峙する
電極間を前記マイクロバンプを介して電気的に接続する
工程と、前記サブマウント素子を受け皿として、前記波
長変換ペースト材料が前記発光素子を覆うように塗布す
る工程とを有する複合発光素子の製造方法である。
ップチップ接合工法に高さ制御機能を備えることが可能
であり、また波長変換ペースト材料の塗布工法に印刷法
を用いることも可能であるため、基準面であるサブマウ
ント素子の裏面電極形成面に前記発光素子の主光取り出
し面とこの面上に塗布された波長変換ペースト材料の外
郭面のいずれか一方または両方をほぼ平行にすることが
可能となる。
記載の複合発光素子の製造方法において、前記サブマウ
ント素子を受け皿として、前記波長変換ペースト材料を
前記発光素子を覆うように塗布する工程を、波長変換材
料の印刷により形成することを特徴とする複合発光素子
の製造方法である。
い発光装置の高精度で効率的な製造方法が実現できる。
記載の複合発光素子の製造方法において、前記印刷され
た波長変換ペースト材料に紫外線を照射して、波長変換
ペースト材料を硬化したことを特徴とする複合発光素子
の製造方法である。印刷された波長変換材料を紫外線硬
化することによって、熱硬化時等に発生する波長変換材
料中の樹脂成分などのにじみを防ぐことができ、ワイヤ
ーボンドパッド部を確実に形成することができる。
記載の複合発光素子の製造方法において、前記サブマウ
ント素子を受け皿として、前記波長変換ペースト材料を
前記発光素子を覆うように塗布する工程を、波長変換材
料を転写することにより形成することを特徴とする複合
発光素子の製造方法である。
い発光装置の高精度で効率的な製造方法が実現できる。
記載の半導体発光装置の製造方法であって、前記発光素
子のp電極及びn電極またはサブマウント素子の第一の
電極及び第二の電極上に前記マイクロバンプとしてスタ
ッドバンプを形成する工程と、ウエハー状態の前記サブ
マウント素子を下に置き、前記発光素子を電極形成面を
下にして、前記サブマウント素子の対峙する第一の電極
及び第二の電極上に位置合わせし、前記マイクロバンプ
を接触させて溶着し、前記サブマウント素子上に前記発
光素子を固定するとともに、対峙する電極間を前記マイ
クロバンプを介して電気的に接続する工程と、前記サブ
マウント素子を受け皿として、前記波長変換ペースト材
料を前記発光素子を覆うように塗布し硬化する工程と、
前記波長変換ペースト材料で被覆された前記発光素子と
前記サブマウント素子の一体化素子が形成された、前記
ウエハーをチップ単位に分割する工程と、チップ化され
た前記一体化素子をリードフレームまたはプリント配線
基板などのマウント部に前記サブマウント素子の裏面電
極を下にして搭載し、導電性ペーストを介して電気的接
続をとりながら固定する工程と、前記サブマウント素子
のボンディングパッド領域と前記リードフレームまたは
プリント配線基板などのリード部間をワイヤーで搭載す
る工程とを備えた半導体発光装置の製造方法である。
素子をウエハーの形状で取り扱えるので、波長変換ペー
スト材料の塗布工程において、ウエハー単位にパターニ
ング可能な印刷法で行うことができ、狙いの色度でバラ
ツキの少ない発光装置の高精度で高効率な製造方法が実
現できる。
記載の半導体発光装置の製造方法において、前記発光素
子のp電極及びn電極またはサブマウント素子の第一の
電極及び第二の電極上に前記マイクロバンプとしてスタ
ッドバンプを形成する工程と、ウエハー状態の前記サブ
マウント素子を下に置き、前記発光素子を電極形成面を
下にして、前記サブマウント素子の対峙する第一の電極
及び第二の電極上に位置合わせし、前記マイクロバンプ
を接触させて溶着し、前記サブマウント素子上に前記発
光素子を固定するとともに、対峙する電極間を前記マイ
クロバンプを介して電気的に接続する工程と、前記サブ
マウント素子を受け皿として、前記波長変換ペースト材
料を前記発光素子を覆うように塗布し硬化する工程と、
前記波長変換ペースト材料で被覆された前記発光素子と
前記サブマウント素子の一体化素子が形成された、前記
ウエハーに紫外線を照射し、波長変換ペースト材料をパ
ターニングする工程と、前記波長変換ペースト材料で被
覆された前記発光素子と前記サブマウント素子の一体化
素子が形成された前記ウエハーをチップ単位に分割する
工程と、チップ化された前記一体化素子をリードフレー
ムまたはプリント配線基板などのマウント部に前記サブ
マウント素子の裏面電極を下にして搭載し、導電性ペー
ストを介して電気的接続をとりながら固定する工程と、
前記サブマウント素子のボンディングパッド領域と前記
リードフレームまたはプリント配線基板などのリード部
間をワイヤーで搭載する工程とを備えた半導体発光装置
の製造方法である。
素子をウエハーの状態で取扱えるので、波長変換ペース
ト材料を印刷により塗布した後、フォトリソグラフィー
により、ウエハー単位にパターニング可能となり、狙い
の色度でバラツキの少ない発光装置の高精度で高効率な
製造方法が実現できる。
に説明する。
施の形態による複合発光素子の断面図及び平面図であ
る。本実施形態の特徴は、基準面であるSiダイオード
素子の裏面電極形成面に対し、青色発光のGaNLED
素子1の主光取り出し面(光透過性基板の天面)とこの
面上に塗布された青色の光をその補色の光に変換する波
長変換材料を含有した波長変換ペースト材料の外郭面
(天面)の両方がこの外郭面のエッジ部を除いてほぼ平
行になっている点である。また、過電圧に弱い青色Ga
NLED素子1が、静電気保護機能を持つSiダイオー
ド素子2上にマイクロバンプを介して搭載接合されてい
る点と、GaNLED素子1の発光波長を他の波長に変
換する波長変換材料を含有した波長変換材料層16が、
Siダイオード素子2を受け皿として、GaNLED素
子1を覆うように塗布されている。
素子2上にGaNLED素子1を重なる状態で搭載し、
GaNLED素子1は、透光性のサファイア基板1aを
上面に向けてこれを主光取り出し面とするとともに、下
面にはn型半導体領域2aに接続するp電極5及びp型
半導体領域2bに接続するn電極6が形成されている。
また、Siダイオード素子2は、GaNLED素子1と
対向する上面側にp型半導体領域2bに接続する第1の
対向電極であるp電極7及びn型半導体領域2aに接続
するn電極8を有し、下面にはn型半導体領域2aに接
続する裏面電極9が形成されている。Siダイオード素
子2のp電極7及びn電極8は、GaNLED素子1の
n電極6及びp電極5に対向する配置で形成され、Ga
NLED素子1のp電極5とSiダイオード素子2のn
電極8とはAuのマイクロバンプ12を介して、GaN
LED素子1のn電極6とSiダイオード素子2のp電
極7とはAuのマイクロバンプ11を介してそれぞれ電
気的に接続されているとともに、電極とマイクロバンプ
との溶着によって固定されている。さらにp電極7上の
一部にはボンディングパッド部10が形成されており、
裏面電極9とボンディングパッド部10とで外部部材に
接続されている構造となっている。また、GaNLED
素子1の青色光をその補色の黄緑色に変換する波長変換
材料を含有した波長変換材料層16が、Siダイオード
素子2を受け皿として、GaNLED素子1を覆うよう
に塗布されている。なお17は絶縁膜である。
好ましい実施の形態においては以下のものがある。
12.6重量% 2)波長変換材料 YAG:Ce 73重量% 3)硬化剤 メチルヘキサヒドロフタル酸無水物 1
2.6重量% 4)チクソ性付与剤 高純度無水シリカ 1.7重量% 5)表面改質剤 シランカップリング剤 0.1重量% 上記材料を所定量配合し、自転公転型の混練機にて予備
混練を実施し、さらに3本ロールを用いて混練を行い、
波長変換ペースト材料とする。これにより、極めて分散
性が高く、波長変換材料層を形成するのに最適な波長変
換ペースト材料が得られる。図2は、波長変換ペースト
材料を印刷法を利用して塗布するものである。Siダイ
オード素子2にGaNLED素子1を実装した後、予め
作製しておいたメタルマスク13をSiダイオード素子
2の上に載せ、波長変換ペースト材料14を印刷法によ
って塗布する。波長変換ペースト材料14を塗布した後
には、メタルマスク13を取り外し、熱硬化することに
よって波長変換材料層16がGaNLED素子1を覆う
ように塗布され、ダイシングによって複合発光素子の単
体が得られる。
12.6重量% 2)波長変換材料 YAG:Ce 73重量% 3)硬化剤 メチルヘキサヒドロフタル酸無水物 1
2.6重量% 4)チクソ性付与剤 高純度無水シリカ 1.7重量% 5)表面改質剤 シランカップリング剤 0.1重量% 上記材料を所定量配合し、自転公転型の混練機にて予備
混練を実施し、さらに3本ロールを用いて混練を行い、
波長変換ペースト材料とする。これにより、極めて分散
性が高く、波長変換材料層を形成するのに最適な波長変
換ペースト材料が得られる。
第1の実施形態と同様である。
12.6重量% 2)波長変換材料 YAG:Ce 73重量% 3)硬化剤 トリアルキドヘキサヒドロフタル酸無水物
12.6重量% 4)チクソ性付与剤 高純度無水シリカ 1.7重量% 5)表面改質剤 シランカップリング剤 0.1重量% 上記材料を所定量配合し、自転公転型の混練機にて予備
混練を実施し、さらに3本ロールを用いて混練を行い、
波長変換ペースト材料とする。これにより、極めて分散
性が高く、波長変換材料層を形成するのに最適な波長変
換ペースト材料が得られる。
第1の実施形態と同様である。
25.0重量% 2)波長変換材料 YAG:Ce 73重量% 3)硬化剤 芳香族スルホニウム塩 0.2重量% 4)チクソ性付与剤 高純度無水シリカ 1.7重量% 5)表面改質剤 シランカップリング剤 0.1重量% 上記材料を所定量配合し、自転公転型の混練機にて予備
混練を実施し、さらに3本ロールを用いて混練を行い、
波長変換ペースト材料とする。これにより、極めて分散
性が高く、波長変換材料層を形成するのに最適な波長変
換ペースト材料が得られる。さらに波長変換材料の分散
性が高まり、上記波長変換ペースト材料を使用した半導
体発光装置はより純粋な白色を発光する。また、波長変
換ペースト材料のポットライフが著しく伸びる。波長変
換ペースト材料の塗布方法の例は、第1の実施形態と同
様である。
ト材料を転写法を利用して塗布するものである。転写版
15の表面に波長変換ペースト材料14を予め塗布した
ものを準備し、GaNLED素子1を実装したSiダイ
オード素子2を上下に反転した姿勢に保持する。次い
で、GaNLED素子1が波長変換ペースト材料14の
中に浸漬されるようにSiダイオード素子2を転写版1
5の上に被せ、その後Siダイオード素子2を引き上げ
ると同図の(c)のようにGaNLED素子1が波長変
換ペースト材料14に覆われたものが得られる。そし
て、ダイシングの後複合発光素子の単体が得られる。
混練を実施し、さらに3本ロールを用いて混練を行い、
波長変換ペースト材料とする。これにより、極めて分散
性が高く、波長変換材料層を形成するのに最適な波長変
換ペースト材料が得られる。
たものである。波長変換ペースト材料14をGaNLE
D素子1を実装したSiダイオード素子2の表面に一様
の厚さで塗布する。波長変換ペースト材料14を塗布
後、同図(b)のようにパターン形成用のマスク18を
被せて上から紫外線を照射し、GaNLED素子1を被
覆する部分の波長変換ペースト材料14を硬化させる。
この後、現像工程に移して波長変換ペースト材料14の
不要な部分を除去し、ダイシングによって、複合発光素
子の単体を得ることができる。
DランプやチップLEDに用いるリードフレームや筐体
の配線基板の形状には関係なく、つまり、反射カップや
筐体の器の有無に関係なく、波長変換ペースト材料14
をGaNLED素子1を覆うように塗布した複合発光素
子が実現できる。
14をGaNLED素子1が発する青色光を補色光に変
換する蛍光物質を選ぶことにより、青色のままで波長変
換材料層16を透過した光と、蛍光物質で青色の補色に
変換された光とが混ざり合って白色光が得られる。
る光はサファイア基板1a側から上方に取り出される。
そのため、GaNLED素子1のp電極5には、従来の
GaNLED素子に形成されたような電流拡散用の透明
電極は必要でなく、電流拡散用の部材としては、厚膜の
p電極5のみあればよい。
形態による複合発光素子の縦断面図である。本実施形態
の特徴は、第1から第5の実施形態の複合発光素子にお
いて、白色発光の色度とそのバラツキを更に精度良く制
御するために、GaNLED素子の主光取り出し面とこ
の面上に塗布された波長変換材料の外郭面の一方または
両方を、受け皿となるサブマウント素子の裏面電極形成
面とほぼ平行にした点である。
面を、また(b)は波長変換材料層16とGaNLED
素子1のサファイア基板1aの天面の両方をSiダイオ
ード素子2の裏面電極9とほぼ平行にした場合である。
Siダイオード素子2上に搭載されているGaNLED
素子1のサファイア基板1aの天面上に青色の光を受け
て青色の補色の光を発する波長変換材料を含有した波長
変換材料層16が被覆されている。白色の光は、青色の
ままで波長変換材料層16を透過した光と、波長変換材
料で青色の補色に変換された光とが混ざり合って得られ
るために、その色度は、波長変換材料層16に含まれて
いる波長変換材料の含有率と波長変換材料層16の厚み
Dが重要な要素になる。本発明者らは、ドミナント波長
が465nmから470nmのGaNLED素子1を用
いて波長変換材料層16中の波長変換材料の含有率と厚
みDが色度座標(x,y)と輝度にどのように関係する
かを調べ、表1に示す結果を得た。
16の厚みDが30μm以下であって、波長変換材料の
含有率が50〜85重量%のとき、白色(x=0.30
〜0.35、y=0.30〜0.35)の値に近似した
値の発光色が得られ、且つ高輝度(100以上)が得ら
れることがわかる。波長変換材料の前記含有率の波長変
換ペースト材料、例えば含有率60重量%のものを用い
て色度座標(x,y)=(0.33,0.33)の発光
色を得るには、波長変換材料層16の厚みDは30μm
に設定する必要がある。GaNLED素子1のサファイ
ア基板1aの天面上に精度良く均一に30μmの波長変
換ペースト材料の波長変換材料層16を形成するには、
ウエハー状のサブマウント素子であるSiダイオード素
子2の裏面電極9の形成面を基準面にして、ウエハー状
のSiダイオード素子2上にサファイア基板1aの天面
が基準面と平行になるようにGaNLED素子1を搭載
接合し、その上に波長変換材料層16を30μmの厚み
でそれと平行になるように印刷の方法で塗布する工法が
最もコントロールしやすい。この場合、波長変換材料層
16の外郭面のエッジ部に角が立つためにこれをなくす
ためと、厚みDとをより精度良くするため、波長変換材
料層16を厚めに塗布しておき、基準面に平行に研磨す
ることにより制御する。このような方法であれば任意の
色度にコントロールすることも可能であるし、ウエハー
面内でのバラツキも極めて小さくなる。また、図5
(a)に示すように基準面と平行にGaNLED素子1
を搭載接合することが困難な場合もGaNLED素子1
のサファイア基板1aの天面の中心から、波長変換材料
層16の天面までの厚みDを設定値30μmにすれば良
いし、また、図5(b)のようにGaNLED素子1を
ウエハーに搭載後、基準面に平行になるように研磨工程
を入れれば良い。その結果として、図5(a)又は
(b)のように白色の色度およびそのバラツキがコント
ロールされた半導体発光装置は、GaNLED素子1の
サファイア基板1aの天面とこの面上に塗布された波長
変換材料層16の外郭面の一方または両方がSiダイオ
ード素子2の裏面電極9の形成面とほぼ平行になってい
る。
がSiC基板を用いたものの場合は、静電気に強いの
で、Siダイオード素子2を補助素子に置き換えても良
い。
係を表2に示す。
その粒径が大きいほど高い。無機蛍光物質の輝度は、蛍
光物質焼成に使用する材料やその焼成条件により影響さ
れるが、一般的に高輝度の蛍光物質ほど粒径が大きくな
る。一方、発光素子を覆っている波長変換材料層に大き
い粒径の蛍光物質を使用することにより、蛍光体の粒子
と粒子の間に光の経路が確保され、発光素子からの青色
光、及び発光素子の光により励起された蛍光物質の蛍光
が外部へ取り出しやすくなり、高輝度の白色光を得るこ
とができる。但し、蛍光体の粒径が100μmを超える
と蛍光体の塗布状態が悪化することから、平均粒径は1
0μm以上50μm以下であることが望ましい。
明の一実施の形態による半導体発光装置の断面図であ
る。本実施形態は、前記複合発光素子を用いた白色LE
Dランプ及び白色チップLEDである。
プ50cを持つリードフレーム50a先端のダイパッド
上に、前記白色発光の複合発光素子Wが、Siダイオー
ド素子2の下面の裏面電極9をダイパッドに接触させな
がら、Agペースト51によりダイスボンディングさ
れ、更に、Siダイオード素子2のp電極のボンディン
グパッド部10とリードフレーム50bとが、Auワイ
ヤー52により接続されている。リードフレーム50a
のダイパッド側面には光を上方に反射させるための反射
カップ50cが取り付けられている。リードフレーム5
0a,50bの先端部分全体が光透過性のエポキシ樹脂
53でモールドされて、LEDランプが構成されてい
る。
基板55にリード55a,55bが形成され、一方のリ
ード55aの上に前記白色発光の複合発光素子Wが、S
iダイオード素子2下面の裏面電極9を下にして搭載さ
れ、Agペースト56により導通固定され、更にSiダ
イオード素子2のp電極のボンディングパッド部10と
他方のリード55bとが、Auワイヤー57により接続
されている。そして、複合発光素子W及びAuワイヤー
57を含んだボンディングエリア全体を透明なエポキシ
樹脂58でモールドされて、チップLEDが構成されて
いる。
ド55a,55bから透明なエポキシ樹脂58の上端ま
での厚さTを薄くすることが、薄型化による実装容積の
低減の点から重要な要素であるが、白色発光の場合、筐
体の器を形成するタイプのチップLEDに比べ、複合発
光素子Wを用いる形態のほうが、薄型化が可能であり優
位性を持つ。なお、本実施の形態でSiダイオード素子
2を補助素子に置き換えても良い。
施の形態による半導体発光装置の製造方法であり、この
実施形態の製造方法の特徴は、マイクロンバンプをウエ
ハー状のSiダイオード素子2の上面のp電極7及びn
電極8上にスタッドバンプで形成すること、及びチップ
化されたGaNLED素子1をウエハー状のSiダイオ
ード素子2上にチップ接合を行い、Siウエハー3の状
態で波長変換材料を含有した波長変換材料層16をGa
NLED素子1を覆うように塗布する点である。
を製造する。このGaNLED素子1は、前記したよう
にサファイア基板1aの上面の上に、GaN系化合物半
導体を積層した量子井戸構造で、サファイア基板1aと
反対の面上にAlよりなるn電極6とAgとTiとAu
よりなるp電極5が形成されている(図1参照)。Ga
NLED素子1は、ウエハーの状態でシートに張り付
け、チップ単位にブレイク後、ピックアップしやすいよ
うにシートをエキスパンドしている。図8はこの状態か
ら記述されている。
ダイオード素子2を行列状に形成し、その上面のp電極
7及びn電極8上にスタッドバンプ形成法でマイクロバ
ンプ11,12を形成する。次にボンダー20でGaN
LED素子1を電極形成面を下にしてピックアップし、
前記Siダイオード素子2の対向する電極に位置合わせ
をし、マイクロバンプ11,12を接触させながら熱、
超音波、荷重を組み合わせて加え、前記マイクロバンプ
11,12を溶着させることにより、電気的接続をとり
ながら固定させる。このチップ接合のタクトは、GaN
LED素子1の認識、搬送、位置合わせ、接合を約3秒
以下で行うことができる。また、この時の位置合わせ精
度は、15μm以下である。このチップ接合で、GaN
LED素子1とSiダイオード素子2との間に15μm
の隙間ができ、ショート不良はほとんど発生しない。
イオード素子2の一体化素子が形成された前記Siウエ
ハー3上に、波長変換材料を含有した波長変換材料層1
6をGaNLED素子1を覆うように塗布する。この場
合、Siダイオード素子2のボンディングパッド部を波
長変換ペースト材料で汚さないように印刷などのパター
ニング可能な方法で行う。
化素子が形成されたSiウエハー3をシートに張り付
け、ダイサー21によりチップ単位に分割し、複合発光
素子Wのチップが形成される。
50aのマウント部上に前記Siダイオード素子2の裏
面電極9(図1参照)を下にして、Agペースト51を
介し、電気的接続を取りながら固定し、前記Siダイオ
ード素子2のボンディングパッド部10と他方のリード
フレーム50b間をAuワイヤー52で接続した後、複
合発光素子Wを含むリードフレーム50a,50bの先
端部を光透過性のエポキシ樹脂53でモールドし、白色
LEDランプができる。なお、前記実施の形態でリード
フレームの代わりに、絶縁性配線基板と置き換えれば、
白色チップLEDの製造方法となる。また、Siダイオ
ード素子を補助素子と置き換えても良いし、スタッドバ
ンプをメッキバンプに置き換えても良い。
波長変換層を形成するのに最適な波長変換ペースト材料
にて、発光素子の実装面を除く全周囲を被覆し、前記波
長変換ペースト材料で構成される層は前記発光素子の前
記実装面を除く主光取り出し面及び四方の側面の各面に
対してそれぞれ平行な外郭面を合成した外形とすること
が可能となる。このような構成では、波長変換ペースト
材料中に波長変換材料が均一に分散されることから、主
光取り出し面及び側面から放出される光のそれぞれにつ
いて波長変換度を均一化できるので、黄色味を帯びない
純粋な白色発光が得られる。
ント部材が、波長変換材料を含む波長変換ペースト材料
の受け皿となるために、光反射カップや筐体の器の有無
に関係なく、発光素子を覆うように波長変換ペースト材
料を塗布できる構造となる。
基板上に形成されたp型半導体領域及びn型半導体領域
を有する発光素子に対して、そのp型半導体領域とn型
半導体領域との間に高電圧が印加されたときに両半導体
領域をバイパスして電流を流すためのダイオード素子な
どの静電気保護素子を並列接続させておく構造としたの
で、絶縁基板上に形成されながらも静電気などによる破
壊を防止する機能を持った信頼性の高い半導体発光装置
を提供することができる。
気的接続状態や、発光素子からの光の取り出し手段を工
夫することで、発光装置の小型化や光の取り出し効率の
向上を、また、放熱についても改善された構造となる。
制御するために、GaNLED素子の主光取り出し面と
この面上に塗布された波長変換ペースト材料の外郭面
を、受け皿となるサブマウント素子の裏面電極形成面を
基準面にして研磨し、ほぼ平行とすることにより、希望
する色度の白色発光の半導体発光装置及び白色発光装置
を歩留まり良く製造することができる。
び平面図
方法を示すフローチャート
ト
ト
の製造方法を示すフローチャート
Claims (23)
- 【請求項1】 発光素子が発光した光によって励起され
発光する波長変換材料を含有するペースト材料であっ
て、この材料が 1)50≦波長変換材料≦85重量% 2)4≦樹脂≦25重量% 3)1≦硬化剤≦25重量% 4)0≦チクソ性付与剤≦3重量% 5)0≦表面改質剤≦1重量% で構成される波長変換ペースト材料。 - 【請求項2】 波長変換材料の平均粒径が10μm以上
50μm以下であることを特徴とする請求項1記載の波
長変換ペースト材料。 - 【請求項3】 樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴と
する請求項1記載の波長変換ペースト材料。 - 【請求項4】 エポキシ樹脂の材料が脂環式エポキシ樹
脂であることを特徴とする請求項3記載の波長変換ペー
スト材料。 - 【請求項5】 エポキシ樹脂の材料が水素添加ビスフェ
ノールA型脂環式エポキシ樹脂であることを特徴とする
請求項3記載の波長変換ペースト材料。 - 【請求項6】 樹脂がフォトリソグラフィー樹脂である
ことを特徴とする請求項1記載の波長変換ペースト材
料。 - 【請求項7】 フォトリソグラフィー樹脂がアクリレー
ト樹脂であることを特徴とする請求項6記載の波長変換
ペースト材料。 - 【請求項8】 硬化剤が酸無水物硬化剤であることを特
徴とする請求項1記載の波長変換ペースト材料。 - 【請求項9】 酸無水物硬化剤がメチルヘキサヒドロ無
水フタル酸であることを特徴とする請求項8記載の波長
変換ペースト材料。 - 【請求項10】 硬化剤がカチオン重合開始剤またはラ
ジカル重合開始剤であることを特徴とする請求項1記載
の波長変換ペースト材料。 - 【請求項11】 カチオン重合開始剤が芳香族スルホニ
ウム塩であることを特徴とする請求項10記載の波長変
換ペースト材料。 - 【請求項12】 チクソ性付与剤が高純度無水シリカで
あることを特徴とする請求項1記載の波長変換ペースト
材料。 - 【請求項13】 表面改質剤がシランカップリング剤で
あることを特徴とする請求項1記載の波長変換ペースト
材料。 - 【請求項14】 光透過性の基板上にn型半導体及びp
型半導体層を積層し、前記光透過性基板を上面に向けて
これを主光取り出し面とするとともに、下面にはn型半
導体層及びp型半導体層に接続するn電極及びp電極が
形成された発光素子と、前記発光素子の下に重なる状態
で配置され、前記発光素子と対峙する面上に前記n電極
とp電極とにそれぞれ電気的に接続される第一の電極及
び第二の電極を有し、それと反対の面に裏面電極を有す
るサブマウント素子と、前記発光素子の発光波長を他の
波長に変換する請求項1から請求項13のいずれかに記
載の波長変換ペースト材料を備えるとともに、前記波長
変換ペースト材料が、前記サブマウント素子を受け皿と
して、前記サブマウント素子の上に配置された前記発光
素子を覆うように塗布されていることを特徴とする複合
発光素子。 - 【請求項15】 前記発光素子の主光取り出し面とこの
面上に塗布された波長変換ペースト材料の外郭面のいず
れか一方または両方が受け皿となるサブマウント素子の
裏面電極形成面とほぼ平行であることを特徴とする請求
項14に記載の複合発光素子。 - 【請求項16】 前記発光素子の主光取り出し面上の前
記波長変換ペースト材料の厚みがほぼ一定で、その厚み
が30μm以下の範囲内であることを特徴とする請求項
15に記載の複合発光素子。 - 【請求項17】 請求項14から16に記載の複合発光
素子を用いた半導体発光装置であって、リードフレーム
またはプリント配線基板のマウント部に前記複合発光素
子のサブマウント素子の裏面電極を下にして導電性ペー
ストを介して搭載し、前記複合発光素子のボンディング
パッド領域と外部リードとをワイヤーを介して接続し、
前記複合発光素子を含む前記リードフレームの先端部ま
たはプリント配線基板の上面を光透過性の樹脂で封止し
たことを特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項18】 請求項14に記載の複合発光素子の製
造方法であって、前記発光素子のn電極及びp電極また
は前記サブマウント素子の第一の電極及び第二の電極上
にマイクロバンプを形成する工程と、前記発光素子と前
記サブマウント素子の対峙する電極間を前記マイクロバ
ンプを介して電気的に接続する工程と、前記サブマウン
ト素子を受け皿として、前記波長変換ペースト材料が前
記発光素子を覆うように塗布する工程とを有する複合発
光素子の製造方法。 - 【請求項19】 請求項18に記載の複合発光素子の製
造方法において、前記サブマウント素子を受け皿とし
て、前記波長変換ペースト材料を前記発光素子を覆うよ
うに塗布する工程を、波長変換材料の印刷により形成す
ることを特徴とする複合発光素子の製造方法。 - 【請求項20】 請求項19に記載の複合発光素子の製
造方法において、前記印刷された波長変換ペースト材料
に紫外線を照射して、波長変換ペースト材料を硬化した
ことを特徴とする複合発光素子の製造方法。 - 【請求項21】 請求項18に記載の複合発光素子の製
造方法において、前記サブマウント素子を受け皿とし
て、前記波長変換ペースト材料を前記発光素子を覆うよ
うに塗布する工程を、波長変換材料を転写することによ
り形成することを特徴とする複合発光素子の製造方法。 - 【請求項22】 請求項17に記載の半導体発光装置の
製造方法であって、前記発光素子のp電極及びn電極ま
たはサブマウント素子の第一の電極及び第二の電極上に
前記マイクロバンプとしてスタッドバンプを形成する工
程と、ウエハー状態の前記サブマウント素子を下に置
き、前記発光素子を電極形成面を下にして、前記サブマ
ウント素子の対峙する第一の電極及び第二の電極上に位
置合わせし、前記マイクロバンプを接触させて溶着し、
前記サブマウント素子上に前記発光素子を固定するとと
もに、対峙する電極間を前記マイクロバンプを介して電
気的に接続する工程と、前記サブマウント素子を受け皿
として、前記波長変換ペースト材料を前記発光素子を覆
うように塗布し硬化する工程と、前記波長変換ペースト
材料で被覆された前記発光素子と前記サブマウント素子
の一体化素子が形成された前記ウエハーをチップ単位に
分割する工程と、チップ化された前記一体化素子をリー
ドフレームまたはプリント配線基板などのマウント部に
前記サブマウント素子の裏面電極を下にして搭載し、導
電性ペーストを介して電気的接続をとりながら固定する
工程と、前記サブマウント素子のボンディングパッド領
域と前記リードフレームまたはプリント配線基板などの
リード部間をワイヤーで搭載する工程とを備えた半導体
発光装置の製造方法。 - 【請求項23】 請求項22に記載の半導体発光装置の
製造方法において、前記発光素子のp電極及びn電極ま
たはサブマウント素子の第一の電極及び第二の電極上に
前記マイクロバンプとしてスタッドバンプを形成する工
程と、ウエハー状態の前記サブマウント素子を下に置
き、前記発光素子を電極形成面を下にして、前記サブマ
ウント素子の対峙する第一の電極及び第二の電極上に位
置合わせし、前記マイクロバンプを接触させて溶着し、
前記サブマウント素子上に前記発光素子を固定するとと
もに、対峙する電極間を前記マイクロバンプを介して電
気的に接続する工程と、前記サブマウント素子を受け皿
として、前記波長変換ペースト材料を前記発光素子を覆
うように塗布し硬化する工程と、前記波長変換ペースト
材料で被覆された前記発光素子と前記サブマウント素子
の一体化素子が形成された、前記ウエハーに紫外線を照
射し、波長変換ペースト材料をパターニングしてワイヤ
ーボンディングパッド領域の波長変換ペースト材料を除
去する工程と、前記波長変換ペースト材料で被覆された
前記発光素子と前記サブマウント素子の一体化素子が形
成された前記ウエハーをチップ単位に分割する工程と、
チップ化された前記一体化素子をリードフレームまたは
プリント配線基板などのマウント部に前記サブマウント
素子の裏面電極を下にして搭載し、導電性ペーストを介
して電気的接続をとりながら固定する工程と、前記サブ
マウント素子のボンディングパッド領域と前記リードフ
レームまたはプリント配線基板などのリード部間をワイ
ヤーで搭載する工程とを備えた半導体発光装置の製造方
法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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