JP2006093523A - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体発光素子を備える発光装置において、半導体発光素子を容易に位置決めして配列する。
【解決手段】発光装置１は、複数のキャビティ２０が形成されたキャビティ基板２、複数のキャビティ２０に挿入された複数のＬＥＤチップ３、および、キャビティ基板２上に形成された配線パターン４を備える。複数のキャビティ２０はそれぞれ、底面に垂直な内側面を有し、キャビティ２０に挿入されたＬＥＤチップ３の姿勢は、キャビティ２０の内側面により所定の範囲内で拘束される。発光装置１が製造される際には、押圧ツールの押圧面により、複数のＬＥＤチップ３が一括して押圧され、キャビティ２０の底面に形成された電極に導電性接着剤を介して接続される。発光装置１では、複数のＬＥＤチップ３を容易に位置決めして配列することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体発光素子を備える発光装置およびその製造方法に関する。

近年、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と呼ぶ。）に代表される半導体発光素子のベアチップを配線基板上に多数実装することにより、照明や表示装置等を製造する技術が利用されつつある。例えば、特許文献１では、回路基板上に内側面が傾斜面である多数の凹部（キャビティ）を形成し、電極が底面側にのみ設けられたＬＥＤチップを各凹部内に実装することにより、高精細な画像表示装置を実現する技術が開示されている。また、特許文献２では、Ｓｉダイオード上に特許文献１と同様の形状の多数の凹部を設け、赤・緑・青の半導体発光素子をそれぞれ凹部内に実装することにより、フルカラー半導体発光装置を薄型化する技術が開示されている。
特開平１１−１６１１９７号公報 特開平１１−３５４８３６号公報

ところで、半導体発光素子を配線基板上に実装する際には、高精度な位置決めが必要とされる。特に、１つの配線基板上に多数の発光素子を実装して発光装置を製造する場合には、１つの発光素子の実装に不具合があると発光装置そのものが不良品となり歩留まりが低下してしまう。発光素子の高精度な位置決めの必要性は、特許文献１および特許文献２に開示される装置においても同様であり、各発光素子が凹部の底面からずれないように高精度に位置決めされて実装される必要がある。

また、このような発光装置では、各発光素子を１つずつ順次実装するため、生産性の向上に限界があるだけでなく、実装された多数の発光素子の表面の高さが揃わず、発光装置からの光が不均一になってしまう恐れもある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、複数の半導体発光素子を備える発光装置において、複数の半導体発光素子を容易に位置決めして配列することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、発光装置であって、それぞれが底面に垂直な内側面を有する複数のキャビティが形成されたキャビティ基板と、前記複数のキャビティにそれぞれ挿入されて姿勢が所定の範囲内で拘束された上で前記キャビティ基板の電極に接続された複数の半導体発光素子とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発光装置であって、前記複数のキャビティの底面に前記電極が形成される。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発光装置であって、前記キャビティ基板が、前記電極および配線が形成された第１基板と、前記複数のキャビティに対応する複数の開口が形成され、前記第１基板上に貼り合わされた第２基板とを備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の発光装置であって、前記複数の半導体発光素子の上面が前記複数のキャビティから突出する。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の発光装置であって、前記複数の半導体発光素子の上面に塗布された蛍光材料をさらに備え、前記複数の半導体発光素子の上面が前記複数のキャビティ内に位置する。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の発光装置であって、前記複数のキャビティのそれぞれの内側面と挿入された半導体発光素子の外側面との間の距離の最大値が、前記半導体発光素子の幅の最大値の１／１０以下である。

請求項７に記載の発明は、発光装置の製造方法であって、キャビティ基板に形成された複数のキャビティに複数の半導体発光素子をそれぞれ挿入する工程と、前記複数の半導体発光素子をツールにて一括して前記複数のキャビティの底面に向かって押圧し、前記複数の半導体発光素子の電極を前記複数のキャビティの底面に形成された電極に接合する工程とを備える。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発光装置の製造方法であって、前記複数のキャビティのそれぞれが底面に垂直な内側面を有し、前記複数のキャビティのそれぞれに半導体発光素子が挿入されることにより、前記半導体発光素子の姿勢が所定の範囲内で拘束される。

請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載の発光装置の製造方法であって、前記複数の半導体発光素子の高さが前記複数のキャビティの深さよりも高く、前記ツールの先端が前記複数の半導体発光素子を一括して押圧する１つの平面を有する。

請求項１０に記載の発明は、請求項７または８に記載の発光装置の製造方法であって、前記キャビティ基板の前記電極に接合後の前記複数の半導体発光素子の上面が前記複数のキャビティ内に位置し、前記発光装置の製造方法が、前記キャビティ基板の上面にて蛍光材料をスキージにより押して移動することにより、前記複数の半導体発光素子の前記上面に前記蛍光材料を塗布する工程をさらに備える。

本発明では、複数の半導体発光素子を容易に位置決めして配列することができる。請求項２の発明では、半導体発光素子を容易に実装することができる。

請求項３の発明では、キャビティの底面に電極を有するキャビティ基板を容易に得ることができる。請求項４および９の発明では、平らなツールにより複数の半導体発光素子を一括して容易に接合することができる。請求項５および１０の発明では、蛍光材料を半導体発光素子に容易に塗布することができる。

請求項７の発明では、半導体発光素子を容易に配列して実装することができる。請求項８の発明では、半導体発光素子の位置決めを容易に行うことができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置１を示す平面図である。発光装置１は、複数（本実施の形態では６４個）のキャビティ２０が形成されたキャビティ基板２、複数のキャビティ２０にそれぞれ挿入された複数の半導体発光素子である発光ダイオードのベアチップ（以下、「ＬＥＤチップ」という。）３、および、キャビティ基板２上に形成された配線パターン４を備える。

図２は、発光装置１の（＋Ｘ）側の一部を、キャビティ２０を横切るＹ方向に垂直な面で切断した部分断面図である。図２に示すように、複数のキャビティ２０のそれぞれの底面２０１には、配線パターン４に接続される電極４１が形成されており、各ＬＥＤチップ３は、導電性接着剤４２（例えば、銀（Ag）ペーストや異方導電性樹脂ペースト（ＡＣＰ(Anisotropic Conductive Paste)））を介して電極４１に接続される。なお、図示の都合上、図２では、Ｘ方向に比べてＺ方向の大きさを実際より大きく描いている（図５、図７、図８においても同様）。

キャビティ基板２は、上面（すなわち、（＋Ｚ）側の主面）に配線パターン４および電極４１が形成された第１基板２１、および、複数のキャビティ２０に対応する複数の開口が形成され、第１基板２１上に第１基板２１の上面側から貼り合わされた第２基板２２を備える。第１基板２１および第２基板２２はセラミックにより形成され、複数のキャビティ２０はそれぞれ、底面２０１に垂直な内側面２０２を有する。各キャビティ２０に実装されるＬＥＤチップ３のＺ方向の高さ（本実施の形態では約１００μｍ）はキャビティ２０の深さ（本実施の形態では約９０μｍ）よりも高く、ＬＥＤチップ３の上面は、キャビティ２０から（＋Ｚ）側に突出している。

図３は、１つのキャビティ２０およびＬＥＤチップ３に注目し、拡大して示す平面図である。図３に示すように、（＋Ｚ）側から見たキャビティ２０は、１辺の長さが約１．１ｍｍの略正方形であり、ＬＥＤチップ３は、１辺の長さ（図３中にＷ１の符号を付して示す。）が約１ｍｍの略正方形である。ＬＥＤチップ３がキャビティ２０の中央に実装されている場合、キャビティ２０の内側面２０２と、キャビティ２０に挿入されたＬＥＤチップ３の外側面との間の距離Ｄ１は、約５０μｍとなる。

図３に示すように、キャビティ２０の内側面２０２により、ＬＥＤチップ３の実装位置の変位は、（＋Ｘ）方向および（−Ｘ）方向、並びに、（＋Ｙ）方向および（−Ｙ）方向において、それぞれ距離Ｄ１の範囲内に制限される。また、ＬＥＤチップ３のＸＹ平面内における回動も、内側面２０２により制限される。このように、発光装置１では、ＬＥＤチップ３の姿勢は、キャビティ２０の内側面２０２により、上記所定の範囲内で拘束されている。なお、ＬＥＤチップ３の姿勢を適切に拘束するという観点からは、キャビティ２０の内側面２０２とＬＥＤチップ３の外側面との間の距離の最大値（図３中に示す距離Ｄ２であり、互いに近接するキャビティ２０の角とＬＥＤチップ３の角との間の距離）は、ＬＥＤチップ３の幅の最大値Ｗ２（対角線の長さ）の１／１０以下とされることが好ましい。

図４は、発光装置１の製造工程を示す図である。発光装置１が製造される際には、まず、フォトリソグラフィ法等により配線パターン４および電極４１が形成された第１基板２１上に、複数の開口を有する第２基板２２が、開口と電極４１とを位置合わせしつつ貼り合わされてキャビティ基板２が形成される（ステップＳ１１）。続いて、キャビティ基板２の複数のキャビティ２０に複数のＬＥＤチップ３が順次挿入され、キャビティ２０の内側面２０２により所定の範囲内で姿勢が拘束される（ステップＳ１２）。このとき、ＬＥＤチップ３の上面はキャビティ２０から突出している。

ＬＥＤチップ３がキャビティ２０に挿入されると、ＬＥＤチップ３を押圧する押圧ツール９１（図２中に二点鎖線にて示す。）が下降し、押圧ツール９１の先端に設けられた１つの平面（以下、「押圧面」という。）９１１が複数のＬＥＤチップ３の上面に当接する。押圧ツール９１はさらに下降し、押圧面９１１により複数のＬＥＤチップ３が一括してキャビティ２０の底面２０１に向かって押圧される。押圧面９１１は予め加熱されており、電極４１上に付与されている導電性接着剤４２がＬＥＤチップ３を介して加熱されて硬化する。これにより、ＬＥＤチップ３の電極が導電性接着剤４２を介して電極４１に電気的に接合され、複数のＬＥＤチップ３がキャビティ基板２に同時に実装されて発光装置１の製造が終了する（ステップＳ１３）。

発光装置１が照明等として使用される際には、複数のＬＥＤチップ３に対応する複数のレンズが一体成形されたレンズアレイ（図示省略）が発光装置１の上面側に取り付けられる。

以上に説明したように、発光装置１では、複数のＬＥＤチップ３をキャビティ基板２に形成された複数のキャビティ２０に挿入することにより、複数のＬＥＤチップ３を容易に配列することができる。また、キャビティ２０の底面２０１に垂直な内側面２０２によりＬＥＤチップ３の姿勢が拘束されるため、ＬＥＤチップ３の位置決めを容易に行うことができる。

発光装置１では、キャビティ２０の底面２０１に電極４１が形成されているため、キャビティ２０に挿入したＬＥＤチップ３を容易にキャビティ基板２に実装することができる。また、ＬＥＤチップの上面に電極が設けられていないため、ＬＥＤチップ３から（＋Ｚ）方向に出射される光が電極により遮られることなく、高輝度な発光装置１を実現することができる。

発光装置１では、セラミック基板である第１基板２１に、開口を有するセラミック製の第２基板２２を積層することにより、キャビティ２０を有するキャビティ基板２を容易に形成することができる。また、電極４１および配線パターン４が形成された第１基板２１に第２基板２２を貼り合わせることにより、キャビティ２０の底面２０１に電極４１を有するキャビティ基板２を容易に得ることができる。

発光装置１では、押圧ツール９１の平らな押圧面９１１により複数のＬＥＤチップ３をまとめて押圧することにより、複数のＬＥＤチップ３を一括して容易にキャビティ基板２に実装することができる。その結果、発光装置１の生産性を向上することができる。また、実装された複数のＬＥＤチップ３の上面の高さを高精度にて揃えることができ、発光装置１から出射される光の均一性を向上することができる。

図５は、第２の実施の形態に係る発光装置１ａの部分断面図である。発光装置１ａでは、複数のＬＥＤチップ３の上面がキャビティ２０内（すなわち、第２基板２２の上面よりも低く、第１基板２１に近い位置）に位置し、各ＬＥＤチップ３の上面には蛍光材料５が塗布される。その他の構成は図２に示す発光装置１と同様であり、以下の説明において同符号を付す。発光装置１ａでは、青色発光ダイオードであるＬＥＤチップ３から出射される青色光が、蛍光材料５を通過することにより白色光に変換される。

図６は、発光装置１ａの製造工程を示す図である。発光装置１ａが製造される際には、まず、第１基板２１上に第２基板２２が貼り合わされてキャビティ基板２が形成され（ステップＳ２１）、キャビティ基板２の各キャビティ２０にＬＥＤチップ３が挿入されて姿勢が拘束される（ステップＳ２２）。

図７および図８は、製造途上における発光装置１ａの部分断面図である。図７に示すように、ＬＥＤチップ３がキャビティ２０に挿入されると、図７中に二点鎖線にて示す押圧ツール９２が下降する。押圧ツール９２の先端には、各キャビティ２０に対応する位置に突出部が設けられ、複数の突出部の先端にはそれぞれ、平らな押圧面９２１が設けられる。発光装置１ａでは、押圧ツール９２の複数の押圧面９２１により複数のＬＥＤチップ３が一括してキャビティ２０の底面２０１に向かって押圧され、ＬＥＤチップ３の電極が導電性接着剤４２を介して電極４１に電気的に接合されてＬＥＤチップ３の実装が完了する（ステップＳ２３）。発光装置１ａでは、ＬＥＤチップ３の高さがキャビティ２０の深さよりも低いため、キャビティ基板２に接合後のＬＥＤチップ３の上面がキャビティ２０内に位置する。

ＬＥＤチップ３の実装が完了すると、図８に示すように、キャビティ基板２上に直接盛られた蛍光材料５を、キャビティ基板２の上面に当接するスキージ９３により（＋Ｘ）方向に押して移動することにより、複数のキャビティ２０に蛍光材料５が充填され、各キャビティ２０に実装されたＬＥＤチップ３の上面（および側面の一部）に蛍光材料５が塗布されて発光装置１ａの製造が終了する（ステップＳ２４）。発光装置１ａが照明等として使用される際には、第１の実施の形態と同様に、発光装置１ａの上面側にレンズアレイが取り付けられる。

以上に説明したように、発光装置１ａでは、ＬＥＤチップ３の上面がキャビティ２０内に位置するため、キャビティ基板２の上面においてマスクを使用することなくスキージ９３を滑らかに移動し、キャビティ２０内のＬＥＤチップ３上に蛍光材料５を充填することにより、ＬＥＤチップ３の上面に蛍光材料５を容易に塗布することができる。

発光装置１ａでは、第１の実施の形態と同様に、底面２０１に垂直な内側面２０２を有するキャビティ２０にＬＥＤチップ３を挿入することにより、複数のＬＥＤチップ３の位置決めおよび配列を容易に行うことができる。また、キャビティ２０の底面２０１に電極４１が形成されているため、押圧ツール９２により複数のＬＥＤチップ３をまとめて押圧することにより、複数のＬＥＤチップ３を一括してキャビティ基板２に容易に実装することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

例えば、第１の実施の形態に係る発光装置１においても、ＬＥＤチップ３の上面に蛍光材料５が塗布されてよい。この場合、キャビティ２０から突出するＬＥＤチップ３にスキージ９３がぶつからないように、各ＬＥＤチップ３に対応する開口が設けられたマスクがキャビティ基板２上に配置され、スキージ９３により蛍光材料５がマスクの開口に充填されることにより、ＬＥＤチップ３の上面（および側面の一部）に蛍光材料５が塗布される。また、青色発光ダイオード以外の様々な種類の発光ダイオードの上に、様々な種類の蛍光材料５が塗布されてよく、蛍光材料５の塗布は、ノズルにより各キャビティ２０に蛍光材料５を滴下する等、他の様々な方法により行われてよい。

ＬＥＤチップ３のキャビティ基板２への実装は、ＬＥＤチップ３の電極上に設けられた金バンプ、および、キャビティ２０の底面２０１に形成された電極４１をプラズマ洗浄して互いに接触させた後、複数のＬＥＤチップ３を一括して押圧し、電極同士を金属接合することにより行われてもよい。また、ＬＥＤチップ３の電極上にはんだが設けられ、はんだ接合により実装されてもよい。はんだ接合を行う場合には、複数のＬＥＤチップ３を押圧ツールからのパルスヒートにより加熱しつつ一括して押圧することにより、ＬＥＤチップ３の上面の高さを高精度にて揃えることができる。

キャビティ基板２の電極４１が第２基板２２の上面に形成されている場合には、複数のＬＥＤチップ３を接着剤により一括してキャビティ２０の底面２０１に接合した後、ＬＥＤチップ３の上面に形成された電極と電極４１とをワイヤボンディングにより接続してもよい。

キャビティ基板２は、３つ以上の基板を貼り合わせた３層以上の積層構造とされてもよい。キャビティ２０では、必ずしも内側面２０２の全体が底面２０１に垂直である必要はなく、内側面２０２の一部が底面２０１に垂直であって、これによりＬＥＤチップ３の姿勢が所定の範囲内で拘束されるのであれば、例えば、内側面２０２の上部が傾斜面とされてもよい。

上記実施の形態に係る発光装置では、ＬＥＤチップ３に代えて、半導体レーザが半導体発光素子として利用されてよい。

本発明は、発光ダイオード等の半導体発光素子を複数備える発光装置において利用可能である。

第１の実施の形態に係る発光装置の構成を示す平面図 発光装置の部分断面図 キャビティおよびＬＥＤチップの拡大平面図 発光装置の製造工程を示す図 第２の実施の形態に係る発光装置の部分断面図 発光装置の製造工程を示す図 製造途上における発光装置の部分断面図 製造途上における発光装置の部分断面図

符号の説明

１，１ａ 発光装置
２ キャビティ基板
３ ＬＥＤチップ
４ 配線パターン
５ 蛍光材料
２０ キャビティ
２１ 第１基板
２２ 第２基板
４１ 電極
９１，９２ 押圧ツール
９３ スキージ
２０１ 底面
２０２ 内側面
９１１，９２１ 押圧面
Ｓ１１〜Ｓ１３，Ｓ２１〜Ｓ２４ ステップ

Claims (10)

1. 発光装置であって、
   それぞれが底面に垂直な内側面を有する複数のキャビティが形成されたキャビティ基板と、
   前記複数のキャビティにそれぞれ挿入されて姿勢が所定の範囲内で拘束された上で前記キャビティ基板の電極に接続された複数の半導体発光素子と、
   を備えることを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、
   前記複数のキャビティの底面に前記電極が形成されることを特徴とする発光装置。
3. 請求項２に記載の発光装置であって、
   前記キャビティ基板が、
   前記電極および配線が形成された第１基板と、
   前記複数のキャビティに対応する複数の開口が形成され、前記第１基板上に貼り合わされた第２基板と、
   を備えることを特徴とする発光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記複数の半導体発光素子の上面が前記複数のキャビティから突出することを特徴とする発光装置。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記複数の半導体発光素子の上面に塗布された蛍光材料をさらに備え、
   前記複数の半導体発光素子の上面が前記複数のキャビティ内に位置することを特徴とする発光装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記複数のキャビティのそれぞれの内側面と挿入された半導体発光素子の外側面との間の距離の最大値が、前記半導体発光素子の幅の最大値の１／１０以下であることを特徴とする発光装置。
7. 発光装置の製造方法であって、
   キャビティ基板に形成された複数のキャビティに複数の半導体発光素子をそれぞれ挿入する工程と、
   前記複数の半導体発光素子をツールにて一括して前記複数のキャビティの底面に向かって押圧し、前記複数の半導体発光素子の電極を前記複数のキャビティの底面に形成された電極に接合する工程と、
   を備えることを特徴とする発光装置の製造方法。
8. 請求項７に記載の発光装置の製造方法であって、
   前記複数のキャビティのそれぞれが底面に垂直な内側面を有し、前記複数のキャビティのそれぞれに半導体発光素子が挿入されることにより、前記半導体発光素子の姿勢が所定の範囲内で拘束されることを特徴とする発光装置の製造方法。
9. 請求項７または８に記載の発光装置の製造方法であって、
   前記複数の半導体発光素子の高さが前記複数のキャビティの深さよりも高く、前記ツールの先端が前記複数の半導体発光素子を一括して押圧する１つの平面を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
10. 請求項７または８に記載の発光装置の製造方法であって、前記キャビティ基板の前記電極に接合後の前記複数の半導体発光素子の上面が前記複数のキャビティ内に位置し、
    前記発光装置の製造方法が、前記キャビティ基板の上面にて蛍光材料をスキージにより押して移動することにより、前記複数の半導体発光素子の前記上面に前記蛍光材料を塗布する工程をさらに備えることを特徴とする発光装置の製造方法。

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