JP2005175292A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 フリップチップの半導体発光素子を樹脂で均一に封止した半導体発光装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 主面に凹部１２が形成された基板１１と、凹部１２の底面の一部に形成され、主面と反対の面に貫通した空気を抜くための貫通孔１５と、凹部１２の底面の他部に形成された第１の配線部１６と、基板１１の主面と反対の面の一部に形成された第２の配線部１７と、第１の配線部１６と第２の配線部１７とを接続するための貫通配線部１８と、第１の配線部１６に貫通孔１５を跨ぐように固着され、電気的に接続された半導体発光素子１３と、半導体発光素子１３を封止する樹脂１４とを具備している。
貫通孔１５側から凹部１２内の空気を排気し、大気圧との差圧により樹脂槽４４に収納した液体樹脂４３を凹部１２および貫通孔１５に圧入して充填する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子を樹脂で封止した半導体発光装置およびその製造方法に関する。
半導体発光装置、なかでも可視光の半導体発光装置は、フルカラーディスプレイ、交通・信号機器、車載用途などに幅広く用いられており、耐環境性と光の取り出し効率を向上させるために、半導体発光素子を樹脂で封止した表面実装型の半導体発光装置が多く使用されている。
従来の半導体発光素子を樹脂で封止する方法としては、凹部を形成した基板の底部に半導体発光素子を固着し、上方から凹部内に液状樹脂を注入（ポッティング）して固化させる方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１に開示された半導体発光装置の樹脂封止方法について、図を用いて説明する。図１１（ａ）〜図１１（ｅ）は、この半導体発光装置を製造する工程を順に示す断面図である。
図１１に示すように、金属板１０１ａの表面に、孔をあけた絶縁部材１０１ｂを貼り合せて凹部を形成した基板１０１を作製する。
次に、基板１０１の表面に配線部１０２を形成し、基板１０１と樹脂の密着性を向上させるためのシランカップリング剤１０３を塗布している。
次に、基板１０１の凹部の底面に半導体発光素子１０４を銀ペースト１０５により固着し、配線部１０２と半導体発光素子１０４の電極をボンディングワイヤ１０６で電気的に接続した後、基板１０１の凹部内に液状樹脂を注入して固化させることで、半導体発光素子１０４を封止している樹脂封止部１０７を形成する。
しかしながら、特許文献１に開示された半導体発光装置の樹脂封止方法では、上方から液状樹脂を滴下しているので、フリップチップの半導体発光素子を実装する場合、次のような問題があった。
即ち、フリップチップの半導体発光素子は基板に形成された金属バンプの上に固着されるので、半導体発光素子と基板の間には数十〜数百μｍの隙間が存在している。
そのため、封止樹脂を上方から滴下する方法では、この間隙の空気が樹脂中に閉じ込められて気泡として残留する場合がある。
気泡が残留すると半導体発光素子にかかる応力が不均一になるので、半導体発光素子が金属バンプから剥離する恐れがある。また、光が封止樹脂と気泡の界面で散乱して光出力が低下する恐れがある。
特開２００３−２４９６９１号公報（３頁、図１）
特許文献１に開示された樹脂封止方法では、基板の凹部の底面に所定の間隙をあけて固着されたフリップチップの半導体発光素子を樹脂で均一に封止するのが難しいという問題がある。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、フリップチップの半導体発光素子を樹脂で均一に封止した半導体発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体発光装置では、主面に凹部が形成された基板と、前記基板の凹部の底面の一部に形成され、主面と反対の面に貫通した貫通孔と、前記基板の凹部の底面の他部に形成された第１の配線部と、前記基板の主面と反対の面の一部に形成された第２の配線部と、前記第１の配線部と前記第２の配線部とを接続するための貫通配線部と、前記第１の配線部に前記貫通孔を跨ぐように固着され、電気的に接続された半導体発光素子と、前記半導体発光素子を封止する樹脂とを具備し、前記基板の凹部および前記貫通孔内に前記樹脂が充填されていることを特徴としている。
また、本発明の一態様の半導体発光装置の製造方法では、主面に凹部が形成され、前記凹部の底面の一部に主面と反対の面に貫通した貫通孔と、前記凹部の底面の他部に形成された第１の配線部と、前記主面と反対の面の一部に形成された第２の配線部と、前記第１の配線部と前記第２の配線部とを接続するための貫通接続部とを有する基板を用意する工程と、半導体発光素子を前記第１の配線部に前記貫通孔を跨ぐように固着して電気的に接続する工程と、前記半導体発光素子を固着した前記基板の凹部および前記貫通孔内に樹脂を充填する工程とを具備し、前記樹脂を充填する工程は、前記基板の凹部側を下向きにして液状樹脂を収納した樹脂槽にシャッターを介して載置した後、前記シャッターを開にして、前記基板の主面と反対の面の貫通孔側から前記基板の凹部内を排気し、前記液状樹脂を大気圧との差圧により前記樹脂槽から前記基板の凹部を通して前記基板の貫通孔内に圧入し、前記シャッターを閉にして、前記樹脂槽から前記基板の凹部へ圧入された前記液状樹脂を前記樹脂槽から切り離すことを特徴としている。
本発明によれば、基板の凹部の底面に空気抜きの貫通孔を設けたので、基板の凹部の底面に所定の間隙をあけて固着されたフリップチップの半導体発光素子を樹脂で均一に封止することができる。従って、信頼性の高い半導体発光装置が得られる。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施例１に係わる半導体発光装置を示す図で、図１（ａ）はその上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図、図１（ｃ）はその底面図である。
図１に示すように、半導体発光装置１０は基板１１と、基板１１の主面に形成された凹部１２の底面に固着されたフリップチップの半導体発光素子１３と、半導体発光素子１３を封止する樹脂封止部１４とで構成されている。
基板１１は、例えばセラミックス製で、凹部１２の底面の中央部に主面と反対の面に貫通した空気抜きの貫通孔１５、例えば直径１５０μｍ程度、が形成されている。
また、凹部１２の底面の外周部には、第１の配線部１６が、例えばメタライズにより形成され、基板１１の主面と反対の面には、第２の配線部１７が、例えばメタライズにより形成されている。
第１の配線部１６と第２の配線部１７は、基板１１に埋め込まれた貫通配線部１８を介して電気的に接続されている。
半導体発光素子１３は、貫通孔１５を跨ぎ、金属バンプ１９、例えば半田ボールあるいは金ボール、を介して所定の間隙ｄ、例えば５０〜５００μｍ程度、をあけて基板１１の凹部１２の底面形成された第１の配線部１６に固着され、且つ電気的に接続されている。
樹脂封止部１４は、例えばエポキシ樹脂により、基板１１の凹部１２内の金属バンプ１９および半導体発光素子１３を除く領域と空気を抜くための貫通孔１５内に隙間なく充填されて半導体発光素子１３を封止している。
これにより、液状の樹脂を基板１１の凹部１２に注入するに際し、凹部１２の底面と半導体発光素子１３との間隙ｄに残留する空気を貫通孔１５から排出されるので、残留気泡がなく、均一に樹脂で封止された半導体発光装置１０を得ることが可能である。
以上説明したように、本実施例の半導体装置１０によれば、基板１１の凹部１２の底面に空気抜きの貫通孔１５を設けたので、基板１１の凹部１２の底面に所定の間隙をあけて固着されたフリップチップの半導体発光素子１３を樹脂で均一に封止することができる。従って、信頼性の高い半導体発光装置が得られる。
ここでは、貫通孔１５内の全部を樹脂で充填する場合について説明したが、凹部１２の底面と半導体発光素子１３との間隙ｄに空気が残留していなければ、貫通孔１５内の全部を樹脂で充填しなくても構わない。
また、金属バンプとして、金属ボールを用いる場合について説明したが、金属ポストを用いても構わない。
図２乃至図７は、本発明の実施例２に係わる半導体発光装置の製造方法を示す図で、半導体発光素子を樹脂で封止する工程を順に示す断面図である。本実施例は実施例１の半導体発光装置１０を製造する場合の例である。
図２は基板を用意し、半導体発光素子を基板に固着した工程を示す図で、図２（ａ）は基板の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し、矢印の方向に眺めた断面図である。
図２に示すように、基板３１は、例えばセラミックス製で、半導体発光装置１個当たりの製造時間を短縮するために同一基板上に基板１１を４個形成している。
各凹部１２の底面の中央部には主面と反対の面に貫通した空気抜きの貫通孔１５と、底面の外周部には第１の配線部１６を、例えばメタライズにより形成している。
基板３１の主面と反対の面には第２の配線部１７を、例えばメタライズにより形成している。
各第１の配線部１６と第２の配線部１７を、基板１１に埋め込まれた各貫通配線部１８を介してそれぞれ接続している。
半導体発光素子１３は、貫通孔１５を跨ぎ、金属バンプ１９、例えば半田ボールあるいは金ボール、を介して所定の間隙ｄ、例えば５０〜５００μｍ程度、をあけて基板１１の凹部１２の底面形成された第１の配線部１６に固着し、且つ電気的に接続している。
次に、図３に示すように、基板３１は凹部１２を下向きにして樹脂注入装置４０にセットされる。
始めに、ここで用いる樹脂注入装置４０について説明する。樹脂注入装置４０とは、貫通孔１５側から凹部１２の内部を排気することにより、大気圧との差圧を利用して液状樹脂を凹部１２側から貫通孔１５側に圧入し、凹部１２と貫通孔１５側に樹脂を隙間なく充填するためのものである。
樹脂注入装置４０は上部が開口した箱型の筐体４１と、筐体４１に冠着される蓋４２と、筐体４１の内部に設置された液状樹脂４３を収納する樹脂槽４４と、樹脂槽４４の上面に冠着され、水平方向にスライドするシャッター４５とで構成されている。
基板３１は、シャッター４５を介して樹脂槽４４上に載置され、抑えバネ４６で水平方向にずれないように固定されている。
シャッター４５には、筐体４１の外部からシャッター４５をスライドさせて開閉するための操作棒４７が取り付けられており、操作棒４７の一端は機密シールされて筐体４１の外部に突出している。
樹脂槽４４は、筐体４１の外部に設置された液状樹脂４３を貯蔵する貯蔵槽４８に連通管４９で接続されている。また、貯蔵槽４８の上部は大気に開放されている。
筐体４１は、その内部を排気するために筐体４１の外部に設置されたバッファタンク５０を介して排気装置５１に接続されている。
次に、図４に示すように、シャッター４５を「開」にして排気装置５１を駆動すると、筐体４１の内部が減圧されるので大気圧との間に差圧が発生する。この差圧により、樹脂槽４４中の液状樹脂４３が押し上げられ、各凹部１２に液状樹脂４３が圧入される。
圧入された液状樹脂４３は、矢印ａのように半導体発光素子１３の下面に当たって左右に分流し、凹部１２から貫通孔１５に向かって上昇していく。
バッファタンク５０は、圧力の急激な変動を抑えて差圧を安定させ、液状樹脂４３を滑らかに圧入するためのものである。
次に、図５に示すように、凹部１２の底部まで上昇した液状樹脂４３は、凹部１２の底部と半導体発光素子１３との隙間ｄを取り囲み、液状樹脂４３が間隙ｄ内に圧入されると間隙ｄに残留している空気は貫通孔１５から排出される。
次に、図６に示すように、シャッター４５を「閉」にして液状樹脂４３を凹部１２から切り離し、排気装置５１を停止して筐体４１の内部を大気圧に戻すことにより、凹部１２と貫通孔１５内に樹脂を圧入する工程を終了する。
これにより、凹部１２および貫通孔１５内を隙間なく樹脂で充填することが可能である。
次に、図７に示すように、樹脂注入装置４０の蓋４２を開放して基板３１を取り出し、オーブン５５内に収納してキュアすることにより、液状樹脂４３を固化させる。
次に、オーブン５５から基板３１を取り出し、カッターを用いて基板３１を個々の基板１１に分割することにより、図１に示した半導体発光装置１０が得られる。
以上説明したように、本実施例の半導体発光装置の製造方法では、大気圧との差圧を利用して液状樹脂４３を凹部１２側から貫通孔１５側に圧入しているので、隙間なく均一に樹脂を充填することができる。従って、信頼性の高い半導体発光装置が得られる。
ここでは、基板３１は同一基板に基板１１を４個形成した場合について説明したが、更に多くの基板１１を形成しても構わない。これにより、半導体装置１０の１個当たりの製造時間が更に短縮できる。
（実施例２の変形例）
図８は実施例２の変形例に係わる半導体発光装置の製造方法を示す図である。本変形例において、上記実施例２と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。
本変形例が実施例２と異なる点は、基板３１を、凹部１２を上向きにして樹脂注入装置４０にセットし、凹部１２側から貫通孔１５の内部を排気して大気圧との差圧によって、液状樹脂４３を貫通孔１５側から凹部１２側に圧入するようにしたことにある。
即ち、図８に示すように、各凹部１２に半導体発光素子１３を固着した基板３１を、凹部１２を上向きにしてシャッター４５を介して樹脂槽４４上にセットした後、筐体４１の内部を排気すると液状樹脂４３が貫通孔１５側から凹部１２側に圧入される。
ここで、凹部１２の内側を充満するのに必要な量以上の液状樹脂４３を圧入すると、液状樹脂４３は表面張力により凹部１２の上面より凸状に盛り上がる。
この凸部５７によるレンズ効果により、半導体発光装置１０の光出力を向上させることが可能である。
以上説明したように、実施例２の変形例では、液状樹脂４３を貫通孔１５側から凹部１２側に圧入しているので、半導体発光素子１３を封止する樹脂の表面を凸状にすることができる。従って、光出力の高い半導体発光装置が得られる。
図９乃至図１２は、本発明の実施例３に係わる半導体発光装置の製造方法を示す図で、半導体発光素子を樹脂で封止する工程を順に示す断面図である。本実施例において上記実施例２と同一の構成部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本実施例が実施例２と異なる点は、基板３１の各凹部１２に上方から液状の樹脂を滴下して、各半導体発光素子１３を樹脂で封止するようにしたことにある。
即ち、図９に示すように、半導体発光素子１３を固着した基板３１の凹部１２側を上向きにして、ディスペンサー６０に対向させた後、ピストン６２を所定量だけ押し下げてディスペンサー６０に収納された液状樹脂６１の液滴６３を形成する。
この液滴６３の直径は、先端が半導体発光素子１３の上面に接するまでの間に凹部１２の側壁６４に接触しない大きさになるように、ディスペンサー６０のノズル径、液状樹脂６１の粘度、ピストン６２の押し下げ量などにより制御している。
次に、図１０（ａ）に示すように、ディスペンサー６０の位置を相対的に下げて液滴６３を半導体発光素子１３の上面に接触させ、その位置より更に下げると、液滴６３は潰れて矢印ａのように半導体発光素子１３の上面から側面を伝わって凹部１２の底面を覆うよう外周に向けて拡がっていく。
次に、図１０（ｂ）に示すように、ディスペンサー６０から液滴６３を切り離すと、凹部１２の底面を覆った液滴６３の一部は矢印ｂのように側壁６４に沿って上方へ向かい、他部は矢印ｃのように凹部１２の底面と半導体発光素子１３の間隙ｄの空気を吐き出しながら貫通孔１５に侵入していく。
これにより、図１０（ｃ）に示すように、凹部１２および貫通孔１５内に気隙間なく均一に液状樹脂６５を充填することが可能である。
次に、図７に示したように、基板３１をオーブン５５内に収納してキュアすることにより、液状樹脂６５を固化させ、半導体発光素子１３を樹脂封止する。
次に、基板３１をオーブン５５から取り出し、カッターを用いて個々の基板１１に分割することにより、図１に示した半導体発光装置１０が得られる。
以上説明したように、本実施例の半導体発光装置の製造方法では、液滴６３の直径を制御して、基板３１の各凹部１２に上方から液状樹脂６１を注入しているので、凹部１２および貫通孔１５内に隙間なく均一に樹脂を充填することができる。従って、信頼性の高い半導体発光装置が得られる。
本発明の実施例１に係わる半導体発光装置を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図、図１（ｃ）はその底面図。 本発明の実施例２に係わる半導体発光装置の製造工程を示す断面図。 本発明の実施例２に係わる半導体発光装置の製造工程を示す断面図。 本発明の実施例２に係わる半導体発光装置の製造工程を示す断面図。 本発明の実施例２に係わる半導体発光装置の製造工程を示す断面図。 本発明の実施例２に係わる半導体発光装置の製造工程を示す断面図。 本発明の実施例２に係わる半導体発光装置の製造工程を示す断面図。 本発明の実施例２の変形例に係わる半導体発光装置の製造工程を示す断面図。 本発明の実施例３に係わる半導体発光装置の製造工程を示す断面図。 本発明の実施例３に係わる半導体発光装置の製造工程を示す断面図。 従来の半導体発光装置の製造工程を示す断面図。
符号の説明
１０ 半導体発光装置
１１、３１ 基板
１２ 凹部
１３ 半導体発光素子
１４ 樹脂封止部
１５ 貫通孔
１６ 第１の配線部
１７ 第２の配線部
１８ 貫通配線部
１９ 金属バンプ
４０ 樹脂注入装置
４１ 筐体
４２ 蓋
４３、６１、６５ 液状樹脂
４４ 樹脂槽
４５ シャッター
４６ 抑えバネ
４７ 操作棒
４８ 貯蔵槽
４９ 連通管
５０ バッファタンク
５１ 排気装置
５５ オーブン
５７ 凸部
６０ ディスペンサ
６２ ピストン
６３ 液滴
６４ 側壁

Claims (5)

  1. 主面に凹部が形成された基板と、
    前記基板の凹部の底面の一部に形成され、主面と反対の面に貫通した貫通孔と、
    前記基板の凹部の底面の他部に形成された第１の配線部と、
    前記基板の主面と反対の面の一部に形成された第２の配線部と、
    前記第１の配線部と前記第２の配線部とを接続するための貫通配線部と、
    前記第１の配線部に前記貫通孔を跨ぐように固着され、電気的に接続された半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子を封止する樹脂と、
    を具備し、
    前記基板の凹部および前記貫通孔内に前記樹脂が充填されていることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 主面に凹部が形成され、前記凹部の底面の一部に主面と反対の面に貫通した貫通孔と、前記凹部の底面の他部に形成された第１の配線部と、前記主面と反対の面の一部に形成された第２の配線部と、前記第１の配線部と前記第２の配線部とを接続するための貫通接続部とを有する基板を用意する工程と、
    半導体発光素子を前記第１の配線部に前記貫通孔を跨ぐように固着して電気的に接続する工程と、
    前記半導体発光素子を固着した前記基板の凹部および前記貫通孔内に樹脂を充填する工程と、
    を具備し、
    前記樹脂を充填する工程は、前記基板の凹部側を下向きにして液状樹脂を収納した樹脂槽にシャッターを介して載置した後、
    前記シャッターを開にして、前記基板の主面と反対の面の貫通孔側から前記基板の凹部内を排気し、前記液状樹脂を大気圧との差圧により前記樹脂槽から前記基板の凹部を通して前記基板の貫通孔内に圧入し、
    前記シャッターを閉にして、前記樹脂槽から前記基板の凹部へ圧入された前記液状樹脂を前記樹脂槽から切り離すことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
  3. 前記樹脂を充填する工程は、前記基板の凹部側を上向きにして液状樹脂を収納した樹脂槽にシャッターを介して載置した後、
    前記シャッターを開にして、前記基板の凹部側から前記基板の貫通孔内を排気し、前記液状樹脂を大気圧との差圧により前記樹脂槽から前記貫通孔を通して前記基板の凹部内に圧入し、
    前記シャッターを閉にして、前記樹脂槽から前記基板の貫通孔へ圧入された前記液状樹脂を前記樹脂槽から切り離すことを特徴とする請求項２記載の半導体発光装置の製造方法。
  4. 前記液状樹脂が前記基板の主面より盛り上がるように、前記基板の凹部内に前記液状樹脂を前記樹脂槽から前記貫通孔を通して圧入することを特徴とする請求項３記載の半導体発光装置の製造方法。
  5. 主面に凹部が形成され、前記凹部の底面の一部に主面と反対の面に貫通した貫通孔と、前記凹部の底面の他部に形成された第１の配線部と、前記主面と反対の面の一部に形成された第２の配線部と、前記第１の配線部と前記第２の配線部とを接続するための貫通接続部とを有する基板を用意する工程と、
    半導体発光素子を前記第１の配線部に前記貫通孔を跨ぐように固着して電気的に接続する工程と、
    前記半導体発光素子を固着した前記基板の凹部および前記貫通孔に樹脂を充填する工程と、を具備し、
    前記樹脂を充填する工程は、前記基板の凹部の上方より、先端が前記半導体発光素子の上面に接するまでの間に前記基板の凹部の側壁に接触しない大きさの液状樹脂を滴下し、
    前記滴下された液状樹脂の一部が前記基板の凹部の底面から上方へ向かって前記基板の凹部を充填し、
    前記滴下された液状樹脂の他部が前記半導体発光素子と前記第１の配線部との間の隙間を通して前記貫通孔を充填するようにしたことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
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