JP2004221186A - 半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体発光素子のフリップチップ実装を確実に行って全体を薄型化でき、かつ発光効率を向上できる半導体発光装置を提供する。
【解決手段】透光性結晶基板１２の表面（天面）１４側を光取出面側とし裏面に半導体膜を積層した発光層１５を有する発光素子５の裏面側に形成された各電極６、７を、リード基板２上に形成された各リード電極３、４に、それぞれバンプ８、９を介して接合し、それらの間隙を封止物質１３で封止して、リード基板２上に発光素子５を実装した半導体発光装置１であって、封止物質１３は、発光素子５を、少なくとも光取出面の主要部（天面等）１４を露出のまま残して封止していることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】透光性結晶基板１２の表面（天面）１４側を光取出面側とし裏面に半導体膜を積層した発光層１５を有する発光素子５の裏面側に形成された各電極６、７を、リード基板２上に形成された各リード電極３、４に、それぞれバンプ８、９を介して接合し、それらの間隙を封止物質１３で封止して、リード基板２上に発光素子５を実装した半導体発光装置１であって、封止物質１３は、発光素子５を、少なくとも光取出面の主要部（天面等）１４を露出のまま残して封止していることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば携帯電話機等のテンキー用バックライト等に用いられる半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、この種の半導体発光装置としては、例えば図６に示すように、主光取出面からの発光方向（図示矢印で示す方向）が半田実装面に対して垂直になっている形式（いわゆるトップビュータイプ）の半導体発光装置が利用されている。また、図６のワイヤボンディング方式による欠点を改善すべく、例えば図７に示すように、フリップチップ方式により実装（以下「フリップチップ実装」）して薄く形成した半導体発光装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１２１７９７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、詳細は上記文献（特に［従来の技術］の欄）に譲るが、例えば図６に示す従来の半導体発光装置８０は、発光素子８３として、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）等の ＩＩＩ族元素とＡｓ（ヒ素）、Ｐ（リン）等のＶ族元素とを化合させたＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰ等の化合物半導体を利用したものであり、半導体膜を成長させるための結晶基板としては、一般的に導電性のＧａＡｓ基板やＧａＰ基板を利用している。
【０００５】
また、樹脂系の絶縁性の基板（以下、リード電極が形成された基板を「リード基板」という）８１に、メッキ法によりリード電極８２ａ、８２ｂが形成され、一方のリード電極８２ａ上に、上述の発光素子８３が搭載されて、導電性ペースト８２ｃによって固定支持され、発光素子８３の下端の電極８３ａをリード電極８２ａに導通させ、上端の電極８３ｂと他方のリード電極８２ｂに、ワイヤ８４をボンディングして導通させることで、電気的に接続される。そして、発光素子８３、ワイヤ８４およびボンディングエリアの全体が、透明なエポキシ樹脂８５を用いたトランスファーモールド法によるモールド成型（以下「トランスファー成型」）により封止されている。
【０００６】
なお、上述の種の半導体発光装置では、リード電極を形成するリード基板としては、上記のリード基板８１のように、樹脂系が用いられ、セラミック製の基板は用いられない。その理由は、リード基板上に実装された発光素子を樹脂封止する際に、前述のトランスファー成型が用いられるからであり、セラミック製基板の場合、金型成型器にセットして（密着させて）樹脂を圧送して流し込みモールド成型するときの弾性が不足して密閉できず、樹脂漏れが発生するためである。
【０００７】
ここで、トップビュータイプの半導体発光装置を、例えば上述のテンキー用バックライト等の用途に用いるためには、広い範囲のテンキー等を照らすため配光を広くし、主光取出面から取りだされる光の量を多くするとともに、実装容積を低減するために厚みを薄くすることが重要になる。この点、上記の半導体発光装置８０では、ワイヤボンディングのためのワイヤ８４の上向きの嵩張りを抑える必要があるが、二点鎖線で示すワイヤ８４ａの配線では、樹脂封止する工程での撓み変形や経時後の機械的または熱的な応力負荷によって、発光素子８３に接触して短絡（ショート）を起こす可能性があり、損傷や発光不良の事態を招くことになるなど、種々の問題点があり、厚みＴをあまり小さくできない。
【０００８】
そこで、次に、ワイヤボンディングの問題点を改善すべく提案された図７の半導体発光装置９０では、前述の ＩＩＩ族元素とＮのＶ族元素とを化合させたＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系（ＧａＮ系）化合物半導体の半導体膜を、絶縁性の透光性結晶基板である例えばサファイア基板９５上に成長させてＧａＮ系の発光素子９３とし、この発光素子９３が、樹脂系の絶縁性のリード基板９１にフリップチップ実装されている。
【０００９】
この半導体発光装置９０では、サファイア基板９５側が天面になり、発光する光の主光取出面となっていて、発光素子９３の全面を透明なエポキシ樹脂９６でトランスファー成型により封止している。すなわち、この場合、電極間の導通にワイヤボンディングを用いないので、ワイヤの立ち上がりの高さが必要でなく、封止樹脂の厚みを薄くでき、これが実用化すれば、厚みＴを３００μｍ以下にすることが可能である。
【００１０】
しかしながら、図示のように、樹脂系のリード基板９１には、メッキ法によりリード電極９２ａ、９２ｂが形成され、一方のリード電極９２ａと発光素子９３の一方の電極、および他方のリード電極９２ｂと発光素子９３の他方の電極、がそれぞれ対向し、マイクロバンプ９４ａ、９４ｂを介して導通接合されると共に固定されている。このため、量産化のためには以下の問題点がある。
【００１１】
すなわち、第１の問題点は、樹脂系のリード基板では、蒸着による薄膜電極の形成ができないので、リード電極のパターンを精度よく形成できず、このため、発光素子搭載部分の両リード電極間に最低１００μｍの間隔が必要であり、また、リード電極の形状がシャープにならないという点である。これにより、リード電極のパターンを認識してフリップチップ実装するときの誤差が大きくなり、所定の実装場所からずれて実装されるため、電極間のショートやオープンが発生する可能性が高くなる。
【００１２】
また、第２の問題点は、この半導体発光装置９０のように、ＧａＮ系の発光素子を実装するときには、マイクロバンプに熱と超音波を加えて溶着接合する必要があり、樹脂系のリード基板は、熱により軟化するため、超音波の振動伝達によるマイクロバンプの接合が不十分になり、バンプ部のオープンによる断線が発生し、信頼性に問題が生じてくる点である。
【００１３】
そこで、本発明は、半導体発光素子のフリップチップ実装を確実に行って全体を薄型化でき、かつ発光効率を向上できる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置は、透光性結晶基板の表面側を光取出面側とし裏面に半導体膜を積層した発光層を有する発光素子の前記裏面側に形成された各電極を、リード基板上に形成された各リード電極に、それぞれバンプを介して接合し、それらの間隙を封止物質で封止して、前記リード基板上に前記発光素子を実装した半導体発光装置であって、前記封止物質は、前記発光素子を、少なくとも前記光取出面の主要部を露出のまま残して封止していることを特徴とする。
【００１５】
この半導体発光装置では、透光性結晶基板上に半導体膜を積層した発光層を有する発光素子を、バンプを介していわゆるフリップチップ実装によりリード基板上に接合する。ここで、発光素子とリード基板との間隙は、封止物質で封止されているので、その接合をしっかりと固定できる。また、発光素子は、透光性結晶基板の発光層側（裏面側：実装面側）の反対側の面（表面：天面）側を光取出面側とする。すなわち、この場合の光取出面は、実装面を除く天面および側面となるが、その主要部（例えば天面等）を露出のまま残して封止しているので、封止のために全体が厚くなることを防止でき、全体を封止するのに比べて薄型化に適する。また、その主要部（露出部）を介して発光層からの光を直接外部に発光するので、発光効率が高い。したがって、この半導体発光装置では、半導体の発光素子のフリップチップ実装を確実に行って全体を薄型化でき、かつ発光効率を向上できる。なお、この場合、例えば透光性のエポキシ樹脂などを封止物質とすれば、透光性なので発光面積を縮小させない。また、この場合でも、特に紫外光等を利用する場合、その紫外光等により比較的劣化しやすい樹脂等の封止物質を介さずに、透光性結晶基板の露出部から直接外部に発光できることによって、その分だけ光の透過率が劣化しにくくなり、全体を封止する構造に比べて、外部への発光効率を向上できる。また、特に天面に露出部を設ければ、トップビュータイプの半導体発光装置となり、天面が露出している分だけ、さらに全体を薄くしやすくなる。
【００１６】
また、上述の半導体発光装置において、前記リード基板は、セラミック素材から成ることが好ましい。
【００１７】
この半導体発光装置では、リード基板がセラミック素材なので、化学的に安定した状態で金属蒸着等が可能であり、薄膜のリード電極を精度よく形成できる。また、樹脂系のリード基板と異なり、バンプの接合時に熱を加えても軟化せず、超音波振動を吸収しないので、効率よく確実に接合でき、全体を薄型化しやすいとともに、発光素子を確実にフリップチップ実装できる。
【００１８】
また、上述の半導体発光装置において、前記セラミック素材は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよびチタン酸バリウムのいずれかを主体とすることが好ましい。
【００１９】
この半導体発光装置では、セラミック素材は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよびチタン酸バリウムのいずれかを主体とするが、いずれも耐熱性が高いので加熱しても軟化せず、化学的にも安定なので細密なパターンを形成しやすく、このため、リード電極のパターン形成を行うリード基板に適している。
【００２０】
また、上述した各半導体発光装置において、前記主要部の一部に、全反射抑止のための乱反射形成部を設けたことが好ましい。
【００２１】
この半導体発光装置では、主要部（すなわち露出部）の一部に、全反射抑止のための乱反射形成部を設けたので、発光層からの光の内部への全反射を抑止でき、外部への発光効率を向上できる。
【００２２】
また、上述した各半導体発光装置において、前記発光素子は、青色光を発する窒化ガリウム系の発光素子であり、前記封止物質は、エポキシ系またはシリコン系の樹脂であることが好ましい。
【００２３】
この半導体発光装置では、発光素子は、青色光を発する窒化ガリウム系の発光素子なので、透光性結晶基板としては、いずれも安定で露出可能な物質であるサファイア基板かＳｉＣ基板かＧａＮ基板を利用でき、また、青色光等の可視光であれば、透光性封止物質として、加工しやすいエポキシ樹脂やシリコン樹脂でも劣化しないので、これらを利用できる。なお、これらの場合も、発光面積を縮小させない透光性のものが好ましい。
【００２４】
また、上述した各半導体発光装置において、前記発光素子は、紫外光を発する窒化ガリウム系の発光素子であり、前記封止物質は、酸化ケイ素を主成分とするガラスであることが好ましい。
【００２５】
この半導体発光装置では、発光素子は、紫外光を発する窒化ガリウム系の発光素子なので、透光性結晶基板としては、いずれも安定で露出可能な物質であるサファイア基板かＳｉＣ基板かＧａＮ基板を利用でき、また、（好ましくは透光性の）封止物質としては、紫外光でも劣化しない酸化ケイ素を主成分とするガラスを利用できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体発光装置について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１および図２に示すように、第１実施形態の半導体発光装置１は、白色のリード基板２の表面に発光素子５を搭載したものであり、リード基板２の２つのリード電極３、４には、発光素子５のｎ側電極６およびｐ側電極７が、それぞれマイクロバンプ８、９を介して導通接続されている。
【００２８】
まず、リード基板２は、例えば白色の場合は酸化アルミニウム、白色ではないが熱伝導率が良い（すなわち放熱性に富む）窒化アルミニウム、白色ではないが発光素子保護用のコンデンサ機能を兼備可能なチタン酸バリウム、等を主体とするセラミック素材から成り、矩形板状に形成され、一対の短辺には、リード電極３、４を裏面につなげるための円弧状の切欠き（スルーホール電極）１０、１１が形成されている。
【００２９】
リード電極３、４は、ＮｉＣｒ（ニッケルクロム：ニクロム等）を下地としたＡｕ（金）からなり、リード基板２の表面に金属蒸着されることにより、５μｍ厚以下（好ましくは３μｍ厚以下）の薄膜に形成できる。両リード電極３、４は、図外の外部配線に導通接続されるリード基板２の裏側から両端の切欠き１０、１１を介して表側に接続され、表側の中央部で対向配置されている。この対向部分は、リード基板２の長手方向に対して斜めに形成され、その間のギャップ幅は、１０〜４０μｍに形成されている。リード電極３、４のパターンは、セラミック製のリード基板２に蒸着により形成するので、ギャップ幅を非常に小さく、かつ精度よく形成でき、これにより、発光素子５を搭載するフリップチップボンダーの認識精度が向上し、搭載位置のズレによるオープンやショートが生じるのを軽減（防止）できる。
【００３０】
一方、発光素子５は、正方形板状のサファイア等から成る透光性結晶基板１２上に複数の窒化ガリウム系の化合物半導体膜を積層して、青色光または緑色光を発光する発光層１５としたものであり、この発光層１５側にｎ側電極６およびｐ側電極７がそれぞれ配置され、それらをリード電極３、４に接続するようにリード基板２側に向けて、フリップチップ実装される。また、発光素子５とリード基板２との相互間（マイクロバンプ８、９を含む）および発光層１５の側部（側面）が透光性のエポキシ樹脂（封止物質）１３で封止され、主光取出面となる透光性結晶基板１２の天面１４（図示上側：発光層１５側の実装面と反対側の面）の大部分や側部の一部を露出部として露出させている。
【００３１】
なお、ここで、天面１４の大部分とは、封止するときの樹脂の一部が天面１４に付着した場合のその付着部分を除く程度の意であり、基本的（原理的）には天面１４の全面を露出させて良い。また、逆に透光性結晶基板１２の側部の全て（全側面）あるいは天面の一部（例えば外縁部分）まで含めて樹脂封止しても良い。これらの場合、発光素子５の発光層１５からの青色光または緑色光のうち、天面１４方向に向かう光は、直接、天面１４を介して外部に取り出され、側方に向かう光は、エポキシ樹脂１３内を通過して、外部に取り出される。
【００３２】
上述のように、本（第１）実施形態の半導体発光装置１では、発光素子５とリード基板２との相互間や発光層１５の側部が、透光性のエポキシ樹脂（透光性封止物質）１３で封止されるので、その実装（接合）をしっかりと固定でき、透光性なので発光面積を縮小させない。一方、透光性結晶基板１２の一部（特に天面１４）を封止せずに露出部として残すので、天面１４等のエポキシ樹脂１３の厚みがなくなり（厚さＴとなって）、封止のために全体が厚くなることを防止できる。
【００３３】
ここで、リード基板２と発光素子５との接続時には、マイクロバンプ８、９に熱および超音波振動を加えて、リード基板２に対して発光素子５側から加圧することにより接合させる。リード基板２となる上述のセラミック素材は、耐熱性に優れ、また、熱による変形が小さいという特性を有しているため、接続時に加えられる熱（１６０〜１９０℃程度）によっても変形せず、また、超音波振動を減衰させないので、振動による摩擦熱を確実に発生させ、接続を確実に行うことができる。
【００３４】
すなわち、例えば樹脂系のリード基板にメッキ法によりリード電極を形成すると、リード電極が厚くなり、発光素子側からの圧力によってリード基板の裏面の中央部が支持台から浮いた状態になって撓み、その撓みによって、マイクロバンプからリード電極に伝達された超音波振動が吸収されてしまうが、セラミック製のリード基板２を用いることによって、金属蒸着によりリード電極３、４を薄く形成できるので、リード基板２の裏面が支持台にほぼ密着し、また内部摩擦が少ないので、振動がマイクロバンプ８、９からリード電極３、４に確実に伝達され、溶着を確実に行うことができる。
【００３５】
したがって、本実施形態の半導体発光装置１では、半導体の発光素子５のフリップチップ実装を確実に行って、全体を（図示の厚さＴとして）薄型化でき、かつ発光効率を向上できる。
【００３６】
なお、図６で前述のように、従来はセラミック製のリード基板２は用いられなかったが、本実施形態では、フリップチップ実装することにより、樹脂封止が必要な部分は発光素子５とリード基板（セラミック基板）２の間の隙間だけでよくなり、トランスファー成型する必要がないため、セラミック基板が使用できるようになった。
【００３７】
そして、この場合、リード基板２のセラミック素材として、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよびチタン酸バリウムのいずれかを主体にすると、耐熱性が高いので加熱しても軟化せず、化学的にも安定なので、細密なパターンを形成しやすく、薄膜のリード電極を精度よく形成でき、マイクロバンプの接合が確実になる。また、窒化アルミニウムは放熱特性をよくすることができるし、チタン酸バリウムはコンデンサを形成でき、窒化ガリウム系の半導体発光素子の静電耐圧を２００Ｖ程度まで保護できる。なお、セラミック素材としては、上記のもの以外に、例えば、窒化珪素やベリリア等も用いることが可能である。また、リード基板のリード電極は、焼成により形成することも可能である。
【００３８】
また、上述の実施形態では、青色光または緑色光を発光する発光層１５（すなわち発光素子５）としたので、透光性結晶基板としては、いずれも安定で露出可能な物質であるサファイアやＳｉＣ（炭化珪素：シリコンカーバイト）やＧａＮ等（以下「サファイア等」）の透光性結晶基板を利用でき、また、青色光等の可視光であれば、透光性封止物質として、加工しやすいエポキシ樹脂やシリコン樹脂でも劣化しないので、これらを利用できる。
【００３９】
なお、上述の実施形態では、同じく窒化ガリウム系の化合物半導体膜を積層して、紫外光を発光する発光層（発光素子）としても良い。この場合、サファイア等の透光性結晶基板は、紫外光等によって劣化するエポキシ樹脂とは異なり劣化しないので、天面等の露出により光の透過率の劣化を防止できる。すなわち、特に紫外光の発光素子等を利用する場合などでは、その紫外光等により比較的劣化しやすい樹脂等の透光性封止物質を介さずに、化学的に安定で劣化しにくい透光性結晶基板の露出部から直接外部に発光できることによって、その分だけ光の透過率が劣化しにくくなり、光取出面となる天面全体を封止する構造に比べて、外部への発光効率を向上できる。また、この場合、透光性封止物質としては、紫外光でも劣化しない酸化ケイ素を主成分とするガラスを利用できる。
【００４０】
次に、図３に示すように、第２実施形態の半導体発光装置２０は、透光性結晶基板１２と同様の透光性結晶基板２２の天面２４の一部（全部を含む）に乱反射形成部２４ａを有する発光素子２５を搭載（実装）したものであり、この天面２４は、上述の半導体発光装置１の発光素子５の天面１４の一部に梨地仕上げまたはつや消し仕上げを施して乱反射形成部としたものである。このため、発光素子２５の発光層から天面２４に向かう光は、その乱反射形成部２４ａで内側への反射を小さくし、外側に効率よく取り出される。すなわち、この半導体発光装置２０では、天面２４の一部（全部を含む）に、乱反射形成部２４ａを設けたので、内部から天面に向かう光の内部への反射を防止して、外部に光を効率良く取り出すことができ、発光効率を向上できる。
【００４１】
次に、図４に示すように、第３実施形態の半導体発光装置３０は、同様の透光性結晶基板３２の天面３４の一部に、上述の乱反射形成部２４ａとは別タイプの乱反射形成部３４ａを有する発光素子３５を実装したものであり、この天面３４は、発光素子５の天面１４の一部に直線状のカット部３４ｂを平行かつ所定間隔おきに複数形成して乱反射形成部３４ａとしたものである。このため、図３で上述の半導体発光装置２０と同様に、天面３４の乱反射形成部３４ａにより、内部から天面３４に向かう光の内部への反射を防止して、外部への発光効率を向上できる。なお、図示の例では、カット部３４ｂの断面形状をＶ字状にしているが、Ｕ字状や円弧状、その他の形状に形成してもよい。
【００４２】
次に、図５に示すように、第４実施形態の半導体発光装置４０は、同様の透光性結晶基板４２の天面４４の一部に、さらに別タイプの乱反射形成部４４ａを有する発光素子４５を実装したものであり、この天面４４は、図４で上述の直線状のカット部３４ｂと同様の直線状のカット部を、縦横双方にすなわち格子状に形成して、図示縦のカット部４４ｂと横のカット部４４ｃを有する乱反射形成部４４ａとしたものであり、これにより、同様に、内部への反射を防止して外部への発光効率を向上できる。なお、この場合も、断面形状はＶ字状の他、Ｕ字状や円弧状その他の形状でも良い。
【００４３】
【発明の効果】
上述のように、本発明の半導体発光装置によれば、半導体発光素子のフリップチップ実装を確実に行って全体を薄型化でき、かつ発光効率を向上できる、などの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体発光装置の、（ａ）は正面図（平面図）、（ｂ）は断面図および（ｃ）は一部拡大図を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体発光装置に適用されるセラミック素材からなるリード基板についての、図１（ａ）（ｂ）と同様の説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体発光装置についての、図１（ａ）（ｂ）と同様の説明図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る半導体発光装置についての、図３と同様の説明図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る半導体発光装置についての、図３と同様の説明図である。
【図６】従来の一例に係る半導体発光装置についての、図３と同様の説明図である。
【図７】従来の別の一例に係る半導体発光装置についての、図３と同様の説明図である。
【符号の説明】
１、２０、３０、４０ …… 半導体発光装置
２ リード基板
３、４ …… リード電極
５、２５、３５、４５ …… 発光素子
５ 発光素子
６ ｎ側電極
７ ｐ側電極
８、９ …… マイクロバンプ
１０、１１ …… 切欠き（スルーホール電極）
１２、２２、３２、４２ …… 透光性結晶基板
１３ エポキシ樹脂（透光性封止物質）
１４、２４、３４、４４ …… 天面
１４ａ、２４ａ、３４ａ、４４ａ …… 乱反射形成部
３４ｂ、４４ｂ、４４ｃ …… カット部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば携帯電話機等のテンキー用バックライト等に用いられる半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、この種の半導体発光装置としては、例えば図６に示すように、主光取出面からの発光方向（図示矢印で示す方向）が半田実装面に対して垂直になっている形式（いわゆるトップビュータイプ）の半導体発光装置が利用されている。また、図６のワイヤボンディング方式による欠点を改善すべく、例えば図７に示すように、フリップチップ方式により実装（以下「フリップチップ実装」）して薄く形成した半導体発光装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１２１７９７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、詳細は上記文献（特に［従来の技術］の欄）に譲るが、例えば図６に示す従来の半導体発光装置８０は、発光素子８３として、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）等の ＩＩＩ族元素とＡｓ（ヒ素）、Ｐ（リン）等のＶ族元素とを化合させたＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰ等の化合物半導体を利用したものであり、半導体膜を成長させるための結晶基板としては、一般的に導電性のＧａＡｓ基板やＧａＰ基板を利用している。
【０００５】
また、樹脂系の絶縁性の基板（以下、リード電極が形成された基板を「リード基板」という）８１に、メッキ法によりリード電極８２ａ、８２ｂが形成され、一方のリード電極８２ａ上に、上述の発光素子８３が搭載されて、導電性ペースト８２ｃによって固定支持され、発光素子８３の下端の電極８３ａをリード電極８２ａに導通させ、上端の電極８３ｂと他方のリード電極８２ｂに、ワイヤ８４をボンディングして導通させることで、電気的に接続される。そして、発光素子８３、ワイヤ８４およびボンディングエリアの全体が、透明なエポキシ樹脂８５を用いたトランスファーモールド法によるモールド成型（以下「トランスファー成型」）により封止されている。
【０００６】
なお、上述の種の半導体発光装置では、リード電極を形成するリード基板としては、上記のリード基板８１のように、樹脂系が用いられ、セラミック製の基板は用いられない。その理由は、リード基板上に実装された発光素子を樹脂封止する際に、前述のトランスファー成型が用いられるからであり、セラミック製基板の場合、金型成型器にセットして（密着させて）樹脂を圧送して流し込みモールド成型するときの弾性が不足して密閉できず、樹脂漏れが発生するためである。
【０００７】
ここで、トップビュータイプの半導体発光装置を、例えば上述のテンキー用バックライト等の用途に用いるためには、広い範囲のテンキー等を照らすため配光を広くし、主光取出面から取りだされる光の量を多くするとともに、実装容積を低減するために厚みを薄くすることが重要になる。この点、上記の半導体発光装置８０では、ワイヤボンディングのためのワイヤ８４の上向きの嵩張りを抑える必要があるが、二点鎖線で示すワイヤ８４ａの配線では、樹脂封止する工程での撓み変形や経時後の機械的または熱的な応力負荷によって、発光素子８３に接触して短絡（ショート）を起こす可能性があり、損傷や発光不良の事態を招くことになるなど、種々の問題点があり、厚みＴをあまり小さくできない。
【０００８】
そこで、次に、ワイヤボンディングの問題点を改善すべく提案された図７の半導体発光装置９０では、前述の ＩＩＩ族元素とＮのＶ族元素とを化合させたＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系（ＧａＮ系）化合物半導体の半導体膜を、絶縁性の透光性結晶基板である例えばサファイア基板９５上に成長させてＧａＮ系の発光素子９３とし、この発光素子９３が、樹脂系の絶縁性のリード基板９１にフリップチップ実装されている。
【０００９】
この半導体発光装置９０では、サファイア基板９５側が天面になり、発光する光の主光取出面となっていて、発光素子９３の全面を透明なエポキシ樹脂９６でトランスファー成型により封止している。すなわち、この場合、電極間の導通にワイヤボンディングを用いないので、ワイヤの立ち上がりの高さが必要でなく、封止樹脂の厚みを薄くでき、これが実用化すれば、厚みＴを３００μｍ以下にすることが可能である。
【００１０】
しかしながら、図示のように、樹脂系のリード基板９１には、メッキ法によりリード電極９２ａ、９２ｂが形成され、一方のリード電極９２ａと発光素子９３の一方の電極、および他方のリード電極９２ｂと発光素子９３の他方の電極、がそれぞれ対向し、マイクロバンプ９４ａ、９４ｂを介して導通接合されると共に固定されている。このため、量産化のためには以下の問題点がある。
【００１１】
すなわち、第１の問題点は、樹脂系のリード基板では、蒸着による薄膜電極の形成ができないので、リード電極のパターンを精度よく形成できず、このため、発光素子搭載部分の両リード電極間に最低１００μｍの間隔が必要であり、また、リード電極の形状がシャープにならないという点である。これにより、リード電極のパターンを認識してフリップチップ実装するときの誤差が大きくなり、所定の実装場所からずれて実装されるため、電極間のショートやオープンが発生する可能性が高くなる。
【００１２】
また、第２の問題点は、この半導体発光装置９０のように、ＧａＮ系の発光素子を実装するときには、マイクロバンプに熱と超音波を加えて溶着接合する必要があり、樹脂系のリード基板は、熱により軟化するため、超音波の振動伝達によるマイクロバンプの接合が不十分になり、バンプ部のオープンによる断線が発生し、信頼性に問題が生じてくる点である。
【００１３】
そこで、本発明は、半導体発光素子のフリップチップ実装を確実に行って全体を薄型化でき、かつ発光効率を向上できる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置は、透光性結晶基板の表面側を光取出面側とし裏面に半導体膜を積層した発光層を有する発光素子の前記裏面側に形成された各電極を、リード基板上に形成された各リード電極に、それぞれバンプを介して接合し、それらの間隙を封止物質で封止して、前記リード基板上に前記発光素子を実装した半導体発光装置であって、前記封止物質は、前記発光素子を、少なくとも前記光取出面の主要部を露出のまま残して封止していることを特徴とする。
【００１５】
この半導体発光装置では、透光性結晶基板上に半導体膜を積層した発光層を有する発光素子を、バンプを介していわゆるフリップチップ実装によりリード基板上に接合する。ここで、発光素子とリード基板との間隙は、封止物質で封止されているので、その接合をしっかりと固定できる。また、発光素子は、透光性結晶基板の発光層側（裏面側：実装面側）の反対側の面（表面：天面）側を光取出面側とする。すなわち、この場合の光取出面は、実装面を除く天面および側面となるが、その主要部（例えば天面等）を露出のまま残して封止しているので、封止のために全体が厚くなることを防止でき、全体を封止するのに比べて薄型化に適する。また、その主要部（露出部）を介して発光層からの光を直接外部に発光するので、発光効率が高い。したがって、この半導体発光装置では、半導体の発光素子のフリップチップ実装を確実に行って全体を薄型化でき、かつ発光効率を向上できる。なお、この場合、例えば透光性のエポキシ樹脂などを封止物質とすれば、透光性なので発光面積を縮小させない。また、この場合でも、特に紫外光等を利用する場合、その紫外光等により比較的劣化しやすい樹脂等の封止物質を介さずに、透光性結晶基板の露出部から直接外部に発光できることによって、その分だけ光の透過率が劣化しにくくなり、全体を封止する構造に比べて、外部への発光効率を向上できる。また、特に天面に露出部を設ければ、トップビュータイプの半導体発光装置となり、天面が露出している分だけ、さらに全体を薄くしやすくなる。
【００１６】
また、上述の半導体発光装置において、前記リード基板は、セラミック素材から成ることが好ましい。
【００１７】
この半導体発光装置では、リード基板がセラミック素材なので、化学的に安定した状態で金属蒸着等が可能であり、薄膜のリード電極を精度よく形成できる。また、樹脂系のリード基板と異なり、バンプの接合時に熱を加えても軟化せず、超音波振動を吸収しないので、効率よく確実に接合でき、全体を薄型化しやすいとともに、発光素子を確実にフリップチップ実装できる。
【００１８】
また、上述の半導体発光装置において、前記セラミック素材は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよびチタン酸バリウムのいずれかを主体とすることが好ましい。
【００１９】
この半導体発光装置では、セラミック素材は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよびチタン酸バリウムのいずれかを主体とするが、いずれも耐熱性が高いので加熱しても軟化せず、化学的にも安定なので細密なパターンを形成しやすく、このため、リード電極のパターン形成を行うリード基板に適している。
【００２０】
また、上述した各半導体発光装置において、前記主要部の一部に、全反射抑止のための乱反射形成部を設けたことが好ましい。
【００２１】
この半導体発光装置では、主要部（すなわち露出部）の一部に、全反射抑止のための乱反射形成部を設けたので、発光層からの光の内部への全反射を抑止でき、外部への発光効率を向上できる。
【００２２】
また、上述した各半導体発光装置において、前記発光素子は、青色光を発する窒化ガリウム系の発光素子であり、前記封止物質は、エポキシ系またはシリコン系の樹脂であることが好ましい。
【００２３】
この半導体発光装置では、発光素子は、青色光を発する窒化ガリウム系の発光素子なので、透光性結晶基板としては、いずれも安定で露出可能な物質であるサファイア基板かＳｉＣ基板かＧａＮ基板を利用でき、また、青色光等の可視光であれば、透光性封止物質として、加工しやすいエポキシ樹脂やシリコン樹脂でも劣化しないので、これらを利用できる。なお、これらの場合も、発光面積を縮小させない透光性のものが好ましい。
【００２４】
また、上述した各半導体発光装置において、前記発光素子は、紫外光を発する窒化ガリウム系の発光素子であり、前記封止物質は、酸化ケイ素を主成分とするガラスであることが好ましい。
【００２５】
この半導体発光装置では、発光素子は、紫外光を発する窒化ガリウム系の発光素子なので、透光性結晶基板としては、いずれも安定で露出可能な物質であるサファイア基板かＳｉＣ基板かＧａＮ基板を利用でき、また、（好ましくは透光性の）封止物質としては、紫外光でも劣化しない酸化ケイ素を主成分とするガラスを利用できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体発光装置について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１および図２に示すように、第１実施形態の半導体発光装置１は、白色のリード基板２の表面に発光素子５を搭載したものであり、リード基板２の２つのリード電極３、４には、発光素子５のｎ側電極６およびｐ側電極７が、それぞれマイクロバンプ８、９を介して導通接続されている。
【００２８】
まず、リード基板２は、例えば白色の場合は酸化アルミニウム、白色ではないが熱伝導率が良い（すなわち放熱性に富む）窒化アルミニウム、白色ではないが発光素子保護用のコンデンサ機能を兼備可能なチタン酸バリウム、等を主体とするセラミック素材から成り、矩形板状に形成され、一対の短辺には、リード電極３、４を裏面につなげるための円弧状の切欠き（スルーホール電極）１０、１１が形成されている。
【００２９】
リード電極３、４は、ＮｉＣｒ（ニッケルクロム：ニクロム等）を下地としたＡｕ（金）からなり、リード基板２の表面に金属蒸着されることにより、５μｍ厚以下（好ましくは３μｍ厚以下）の薄膜に形成できる。両リード電極３、４は、図外の外部配線に導通接続されるリード基板２の裏側から両端の切欠き１０、１１を介して表側に接続され、表側の中央部で対向配置されている。この対向部分は、リード基板２の長手方向に対して斜めに形成され、その間のギャップ幅は、１０〜４０μｍに形成されている。リード電極３、４のパターンは、セラミック製のリード基板２に蒸着により形成するので、ギャップ幅を非常に小さく、かつ精度よく形成でき、これにより、発光素子５を搭載するフリップチップボンダーの認識精度が向上し、搭載位置のズレによるオープンやショートが生じるのを軽減（防止）できる。
【００３０】
一方、発光素子５は、正方形板状のサファイア等から成る透光性結晶基板１２上に複数の窒化ガリウム系の化合物半導体膜を積層して、青色光または緑色光を発光する発光層１５としたものであり、この発光層１５側にｎ側電極６およびｐ側電極７がそれぞれ配置され、それらをリード電極３、４に接続するようにリード基板２側に向けて、フリップチップ実装される。また、発光素子５とリード基板２との相互間（マイクロバンプ８、９を含む）および発光層１５の側部（側面）が透光性のエポキシ樹脂（封止物質）１３で封止され、主光取出面となる透光性結晶基板１２の天面１４（図示上側：発光層１５側の実装面と反対側の面）の大部分や側部の一部を露出部として露出させている。
【００３１】
なお、ここで、天面１４の大部分とは、封止するときの樹脂の一部が天面１４に付着した場合のその付着部分を除く程度の意であり、基本的（原理的）には天面１４の全面を露出させて良い。また、逆に透光性結晶基板１２の側部の全て（全側面）あるいは天面の一部（例えば外縁部分）まで含めて樹脂封止しても良い。これらの場合、発光素子５の発光層１５からの青色光または緑色光のうち、天面１４方向に向かう光は、直接、天面１４を介して外部に取り出され、側方に向かう光は、エポキシ樹脂１３内を通過して、外部に取り出される。
【００３２】
上述のように、本（第１）実施形態の半導体発光装置１では、発光素子５とリード基板２との相互間や発光層１５の側部が、透光性のエポキシ樹脂（透光性封止物質）１３で封止されるので、その実装（接合）をしっかりと固定でき、透光性なので発光面積を縮小させない。一方、透光性結晶基板１２の一部（特に天面１４）を封止せずに露出部として残すので、天面１４等のエポキシ樹脂１３の厚みがなくなり（厚さＴとなって）、封止のために全体が厚くなることを防止できる。
【００３３】
ここで、リード基板２と発光素子５との接続時には、マイクロバンプ８、９に熱および超音波振動を加えて、リード基板２に対して発光素子５側から加圧することにより接合させる。リード基板２となる上述のセラミック素材は、耐熱性に優れ、また、熱による変形が小さいという特性を有しているため、接続時に加えられる熱（１６０〜１９０℃程度）によっても変形せず、また、超音波振動を減衰させないので、振動による摩擦熱を確実に発生させ、接続を確実に行うことができる。
【００３４】
すなわち、例えば樹脂系のリード基板にメッキ法によりリード電極を形成すると、リード電極が厚くなり、発光素子側からの圧力によってリード基板の裏面の中央部が支持台から浮いた状態になって撓み、その撓みによって、マイクロバンプからリード電極に伝達された超音波振動が吸収されてしまうが、セラミック製のリード基板２を用いることによって、金属蒸着によりリード電極３、４を薄く形成できるので、リード基板２の裏面が支持台にほぼ密着し、また内部摩擦が少ないので、振動がマイクロバンプ８、９からリード電極３、４に確実に伝達され、溶着を確実に行うことができる。
【００３５】
したがって、本実施形態の半導体発光装置１では、半導体の発光素子５のフリップチップ実装を確実に行って、全体を（図示の厚さＴとして）薄型化でき、かつ発光効率を向上できる。
【００３６】
なお、図６で前述のように、従来はセラミック製のリード基板２は用いられなかったが、本実施形態では、フリップチップ実装することにより、樹脂封止が必要な部分は発光素子５とリード基板（セラミック基板）２の間の隙間だけでよくなり、トランスファー成型する必要がないため、セラミック基板が使用できるようになった。
【００３７】
そして、この場合、リード基板２のセラミック素材として、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよびチタン酸バリウムのいずれかを主体にすると、耐熱性が高いので加熱しても軟化せず、化学的にも安定なので、細密なパターンを形成しやすく、薄膜のリード電極を精度よく形成でき、マイクロバンプの接合が確実になる。また、窒化アルミニウムは放熱特性をよくすることができるし、チタン酸バリウムはコンデンサを形成でき、窒化ガリウム系の半導体発光素子の静電耐圧を２００Ｖ程度まで保護できる。なお、セラミック素材としては、上記のもの以外に、例えば、窒化珪素やベリリア等も用いることが可能である。また、リード基板のリード電極は、焼成により形成することも可能である。
【００３８】
また、上述の実施形態では、青色光または緑色光を発光する発光層１５（すなわち発光素子５）としたので、透光性結晶基板としては、いずれも安定で露出可能な物質であるサファイアやＳｉＣ（炭化珪素：シリコンカーバイト）やＧａＮ等（以下「サファイア等」）の透光性結晶基板を利用でき、また、青色光等の可視光であれば、透光性封止物質として、加工しやすいエポキシ樹脂やシリコン樹脂でも劣化しないので、これらを利用できる。
【００３９】
なお、上述の実施形態では、同じく窒化ガリウム系の化合物半導体膜を積層して、紫外光を発光する発光層（発光素子）としても良い。この場合、サファイア等の透光性結晶基板は、紫外光等によって劣化するエポキシ樹脂とは異なり劣化しないので、天面等の露出により光の透過率の劣化を防止できる。すなわち、特に紫外光の発光素子等を利用する場合などでは、その紫外光等により比較的劣化しやすい樹脂等の透光性封止物質を介さずに、化学的に安定で劣化しにくい透光性結晶基板の露出部から直接外部に発光できることによって、その分だけ光の透過率が劣化しにくくなり、光取出面となる天面全体を封止する構造に比べて、外部への発光効率を向上できる。また、この場合、透光性封止物質としては、紫外光でも劣化しない酸化ケイ素を主成分とするガラスを利用できる。
【００４０】
次に、図３に示すように、第２実施形態の半導体発光装置２０は、透光性結晶基板１２と同様の透光性結晶基板２２の天面２４の一部（全部を含む）に乱反射形成部２４ａを有する発光素子２５を搭載（実装）したものであり、この天面２４は、上述の半導体発光装置１の発光素子５の天面１４の一部に梨地仕上げまたはつや消し仕上げを施して乱反射形成部としたものである。このため、発光素子２５の発光層から天面２４に向かう光は、その乱反射形成部２４ａで内側への反射を小さくし、外側に効率よく取り出される。すなわち、この半導体発光装置２０では、天面２４の一部（全部を含む）に、乱反射形成部２４ａを設けたので、内部から天面に向かう光の内部への反射を防止して、外部に光を効率良く取り出すことができ、発光効率を向上できる。
【００４１】
次に、図４に示すように、第３実施形態の半導体発光装置３０は、同様の透光性結晶基板３２の天面３４の一部に、上述の乱反射形成部２４ａとは別タイプの乱反射形成部３４ａを有する発光素子３５を実装したものであり、この天面３４は、発光素子５の天面１４の一部に直線状のカット部３４ｂを平行かつ所定間隔おきに複数形成して乱反射形成部３４ａとしたものである。このため、図３で上述の半導体発光装置２０と同様に、天面３４の乱反射形成部３４ａにより、内部から天面３４に向かう光の内部への反射を防止して、外部への発光効率を向上できる。なお、図示の例では、カット部３４ｂの断面形状をＶ字状にしているが、Ｕ字状や円弧状、その他の形状に形成してもよい。
【００４２】
次に、図５に示すように、第４実施形態の半導体発光装置４０は、同様の透光性結晶基板４２の天面４４の一部に、さらに別タイプの乱反射形成部４４ａを有する発光素子４５を実装したものであり、この天面４４は、図４で上述の直線状のカット部３４ｂと同様の直線状のカット部を、縦横双方にすなわち格子状に形成して、図示縦のカット部４４ｂと横のカット部４４ｃを有する乱反射形成部４４ａとしたものであり、これにより、同様に、内部への反射を防止して外部への発光効率を向上できる。なお、この場合も、断面形状はＶ字状の他、Ｕ字状や円弧状その他の形状でも良い。
【００４３】
【発明の効果】
上述のように、本発明の半導体発光装置によれば、半導体発光素子のフリップチップ実装を確実に行って全体を薄型化でき、かつ発光効率を向上できる、などの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体発光装置の、（ａ）は正面図（平面図）、（ｂ）は断面図および（ｃ）は一部拡大図を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体発光装置に適用されるセラミック素材からなるリード基板についての、図１（ａ）（ｂ）と同様の説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体発光装置についての、図１（ａ）（ｂ）と同様の説明図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る半導体発光装置についての、図３と同様の説明図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る半導体発光装置についての、図３と同様の説明図である。
【図６】従来の一例に係る半導体発光装置についての、図３と同様の説明図である。
【図７】従来の別の一例に係る半導体発光装置についての、図３と同様の説明図である。
【符号の説明】
１、２０、３０、４０ …… 半導体発光装置
２ リード基板
３、４ …… リード電極
５、２５、３５、４５ …… 発光素子
５ 発光素子
６ ｎ側電極
７ ｐ側電極
８、９ …… マイクロバンプ
１０、１１ …… 切欠き（スルーホール電極）
１２、２２、３２、４２ …… 透光性結晶基板
１３ エポキシ樹脂（透光性封止物質）
１４、２４、３４、４４ …… 天面
１４ａ、２４ａ、３４ａ、４４ａ …… 乱反射形成部
３４ｂ、４４ｂ、４４ｃ …… カット部
Claims (6)
- 透光性結晶基板の表面側を光取出面側とし裏面に半導体膜を積層した発光層を有する発光素子の前記裏面側に形成された各電極を、リード基板上に形成された各リード電極に、それぞれバンプを介して接合し、それらの間隙を封止物質で封止して、前記リード基板上に前記発光素子を実装した半導体発光装置であって、
前記封止物質は、前記発光素子を、少なくとも前記光取出面の主要部を露出のまま残して封止していることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記リード基板は、セラミック素材から成ることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記セラミック素材は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよびチタン酸バリウムのいずれかを主体とすることを特徴とする、請求項２に記載の半導体発光装置。
- 前記主要部の一部に、全反射抑止のための乱反射形成部を設けたことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光装置。
- 前記発光素子は、青色光を発する窒化ガリウム系の発光素子であり、
前記封止物質は、エポキシ系またはシリコン系の樹脂であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 前記発光素子は、紫外光を発する窒化ガリウム系の発光素子であり、
前記封止物質は、酸化ケイ素を主成分とするガラスであることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の半導体発光装置。
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