JP2006279080A - 発光素子ウエハの固定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 工程数の削減により低コスト化が可能であり、かつ高輝度化および小型化が可能なチップ型発光素子およびその製造方法を提供することである。
【解決手段】 積層型アルミナ基板１０の上面には、金属膜からなる一対の電極パッド１３が形成されている。また、ＬＥＤチップ２０のＬＥＤ発光層２８上には、ｐ電極２５およびｎ電極２６が形成されている。また、ＬＥＤチップ２０上には、ｐ電極２５の一部およびｎ電極２６が露出するように絶縁保護膜２７が形成されている。そして、絶縁保護膜２７から露出したｐ電極２５およびｎ電極２６が積層型アルミナ基板１０の一対の電極パッド１３にＡｕバンプ３０および銀ペースト３１を介してそれぞれ接合され、積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤチップ２０が貼り合わされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、面実装用のチップ型発光素子およびその製造方法に関する。

近年の携帯電話機器に代表される情報化社会において、電子機器には小型化、薄型化および軽量化が要求されている。この要求に応じて、これらの電子機器に搭載されるＬＳＩ（大規模集積回路）を始めとしてチップコンデンサに至るまでの電子部品において軽量化およびコンパクト化が進められ、実装密度の向上が図られている。

ＬＥＤ（発光ダイオード）は、その低消費電力および高寿命といった素子の特徴から、多くの電子機器や各種制御機器に搭載され、昨今はフルカラー可能な表示機器にも実用化が進められている。

図１４は従来の面実装用のチップ型発光素子の一例を示す斜視図である。図１４のチップ型発光素子２００においては、ＬＥＤ作製のためのプロセス終了後のウエハから素子単位でＬＥＤチップ２１０が分離され、そのＬＥＤチップ２１０がセラミックパッケージ２２０の凹部内に配置される。ＬＥＤチップ２１０の一対の電極は、ボンディングワイヤ２３０により引出し電極２４０に接続されている。セラミックパッケージ２２０の凹部内のＬＥＤチップ２１０は、透光性樹脂２４０でモールドされている。このチップ型発光素子２００は、例えば特開平１０−１５１７９４号公報に開示されている。

図１５は従来の面実装用のチップ型発光素子の他の例を示す斜視図である。図１５のチップ型発光素子３００においては、ＬＥＤチップ３１０が平坦なセラミック基板３２０上に配置され、ＬＥＤチップ３１０の一対の電極がボンディングワイヤ（図示せず）により引出し電極３３０に接続されている。セラミック基板３２０上のＬＥＤチップ３１０は透光性樹脂３４０でモールドされている。
特開平１０−１５１７９４号公報

従来の面実装用のチップ型発光素子２００，３００の製造の際には、ウエハから素子単位で個々のＬＥＤチップ２１０，３１０を分離した後、個々のＬＥＤチップ２１０，３１０をセラミックパッケージ２２０または平坦なセラミック基板３２０に組み込む工程が必要となる。そのため、工程数が多くなり、製造時間が長くなる。また、チップボンダ、ワイヤボンダ等の高価な組み立て設備が必要となる。

また、従来のチップ型発光素子２００，３００を製造するためには、少なくともＬＥＤチップ２１０，３１０のサイズよりも大きなサイズのセラミックパッケージ２２０またはセラミック基板３２０が必要となる、そのため、完成したチップ型発光素子２００，３００のサイズが大きくなり、小さなスペースに高密度に実装することが困難になる。

さらに、従来のチップ型発光素子２００，３００においては、ＬＥＤチップ２１０，３１０の光の出射方向に電極が配置されているため、ＬＥＤチップ２１０，３１０の発光層から出射された光がボンディングパッドおよびボンディングワイヤにより遮断されるとともに、発光層の全面を覆う透明電極により減衰される。それにより、高効率の光の出射が妨げられ、高輝度化が困難となる。

本発明の目的は、工程数の削減により低コスト化が可能であり、かつ高輝度化および小型化が可能なチップ型発光素子およびその製造方法を提供することである。

本発明に係るチップ型発光素子は、支持部材と、支持部材上に配置された発光素子チップとを備え、支持部材は、絶縁基板と、絶縁基板の上面に形成された一対の第１の導電膜と、絶縁基板の裏面に形成された一対の第２の導電膜と、一対の第１の導電膜と一対の第２の導電膜とをそれぞれ電気的に接続する少なくとも一対の接続部とを有し、発光素子チップは、透光性基板と、透光性基板上に形成された半導体発光層と、半導体発光層上に形成された一対の電極とを有し、支持部材の一対の第１の導電膜に発光素子チップの一対の電極が接合された状態で支持部材上に発光素子チップが貼り合わされたものである。

本発明に係るチップ型発光素子においては、絶縁基板の上面の一対の第１の導電膜に発光素子チップの一対の電極が接合された状態で支持部材上に発光素子チップが貼り合わされ、かつ一対の第１の導電膜が絶縁基板の裏面の一対の第２の導電膜に接続部で電気的に接続されている。したがって、薄型化、小型化およびコンパクト化が可能となる。

また、発光素子チップの半導体発光層から発生した光は透光性基板を通して外部に出射される。この場合、一対の電極は透光性基板と反対側の半導体発光層上に形成されているので、光が一対の電極で遮断されない。したがって、高輝度化が可能となる。

さらに、製造時には、ウエハ上に複数の発光素子チップを形成するとともに、複数の発光素子チップに対応する支持部材を形成し、支持部材上にウエハを貼り合わせた後に、ウエハを複数の発光素子チップに分離することができる。したがって、工程数および製造時間が低減され、低コスト化が可能となる。

一対の第１の導電膜と一対の第２の導電膜との間に相当する絶縁基板の位置にそれぞれ貫通孔が形成され、接続部は、貫通孔内に埋め込まれた導電性材料であってもよい。

この場合、絶縁基板の上面の一対の第１の導電膜と裏面の一対の第２の導電膜とが貫通孔内の導電性材料を介して電気的に接続される。それにより、支持部材の小型化を妨げることなく、第１の導電膜と第２の導電膜との電気的接続を確保することができる。また、支持部材の熱伝導性および耐熱特性が良好となる。

絶縁基板は、第１の絶縁シートと、第１の絶縁シート上に積層された第２の絶縁シートとを含み、第１の絶縁シートの両端部に切欠きが形成され、切欠きの側面に導電膜が形成されてもよい。

これにより、チップ型発光素子を面実装する際に半田が絶縁基板の裏面の一対の第２の導電膜から切欠きの側面の導電膜に回り込むことができる。それにより、面実装時の信頼性が向上する。

支持部材と発光素子チップとの間隙に樹脂が充填されてもよい。これにより、支持部材と発光素子チップとの接合の機械的強度および耐環境特性が向上する。

支持部材の一対の第１の導電膜と発光素子チップの一対の電極とが導電性バンプを介して接合されてもよい。この場合、フリップチップ方式により良好な電気的接続および高い機械的強度が確保される。

半導体発光層は、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体からなり、透光性基板はサファイアからなってもよい。この場合、高輝度の青色発光が可能なチップ型発光素子が実現する。

本発明に係るチップ型半導体素子の製造方法は、透光性基板上に半導体発光層を形成するとともに半導体発光層上に複数対の電極を形成することにより発光素子ウエハを形成する工程と、絶縁基板の上面に複数対の第１の導電膜を形成するとともに絶縁基板の裏面に複数対の第２の導電膜を形成し、複数対の第１の導電膜と複数対の第２の導電膜とをそれぞれ電気的に接続する接続部を絶縁基板に形成することにより支持部材を形成する工程と、発光素子ウエハの複数対の電極を支持部材の複数対の第１の導電膜にそれぞれ接合した状態で支持部材上に発光素子ウエハを貼り合わせる工程と、発光素子ウエハを支持部材とともに複数の発光素子チップに分割することにより複数のチップ型発光素子を形成する工程とを備えたものである。

本発明に係るチップ型発光素子の製造方法においては、複数の発光素子チップを含む発光素子ウエハを形成するとともに、複数の発光素子チップに対応する支持部材を形成し、支持部材上に発光素子ウエハを貼り合わせた後に、発光素子ウエハを支持部材とともに複数の発光素子チップに分割することにより複数のチップ型発光素子を形成する。これにより、同時に複数のチップ型発光素子を製造することが可能となる。したがって、工程数および製造時間が低減され、低コスト化が図られる。

また、本実施例の製造方法により製造されたチップ型発光素子においては、半導体発光層上の一対の電極が絶縁基板の上面の一対の第１の導電膜に接合された状態で支持部材上に発光素子チップが貼り合わされ、一対の第１の導電膜が絶縁基板の裏面の一対の第２の導電膜に接続部で電気的に接続されている。したがって、薄型化、小型化およびコンパクト化が可能となる。

また、発光素子チップの半導体発光層から発生した光は透光性基板を通して外部に出射される。この場合、一対の電極は透光性基板と反対側の半導体発光層上に形成されているので、光が一対の電極で遮断されない。したがって、高輝度化が可能となる。

支持部材を形成する工程は、複数対の第１の導電膜と複数対の第２の導電膜との間に相当する絶縁基板の位置にそれぞれ貫通孔を形成する工程と、貫通孔内に導電性材料を埋め込むことにより接続部を形成する工程とを含んでもよい。

この場合、絶縁基板の上面の一対の第１の導電膜と裏面の一対の第２の導電膜とが貫通孔内の導電性材料を介して電気的に接続される。それにより、支持部材の小型化を妨げることなく、第１の導電膜と第２の導電膜との電気的接続を確保することができる。また、支持部材の熱伝導性および耐熱特性が良好となる。

また、チップ型発光素子の製造方法が、支持部材と発光素子ウエハとの間隙に樹脂を注入する工程をさらに備えてもよい。これにより、支持部材と発光素子ウエハとの接合の機械的強度および耐環境特性が向上する。

また、チップ型発光素子の製造方法が、支持基板上に発光素子ウエハを貼り合わせる前に、発光素子ウエハの半導体発光層上に異方性導電フィルムを貼着する工程をさらに備えてもよい。これにより、支持部材と発光素子チップとの接合の機械的強度および耐環境特性が向上する。また、製造方法の簡略化を図ることができる。

さらに、チップ型発光素子の製造方法が、支持部材上に発光素子ウエハを貼り合わせた後に、発光素子ウエハの透光性基板を薄層化する工程をさらに備えてもよい。

これにより、発光素子ウエハを支持部材とともに複数の発光素子チップに容易に分割することができる。この場合、支持部材上に発光素子ウエハを貼り合わせた後に発光素子ウエハの透光性基板を薄層化するので、透光性基板の割れまたは反りの問題が生じない。

支持部材上に発光素子ウエハを貼り合わせる工程は、発光素子ウエハの複数対の電極上にそれぞれ導電性バンプを形成する工程と、複数対の電極上に形成された導電性バンプを支持部材の複数対の第１の導電膜にそれぞれ接合する工程とを含んでもよい。この場合、フリップチップ方式により良好な電気的接続および高い機械的強度が確保される。

支持部材上に発光素子ウエハを貼り合わせる工程は、複数対の電極上に形成された導電性バンプの高さを均一化する工程をさらに含んでもよい。これにより、半導体発光層上の複数対の電極に段差がある場合でも、電極の段差が導電性バンプで吸収される。

支持部材を形成する工程は、第１の絶縁シート上に第２の絶縁シートを積層することにより絶縁基板を形成する工程を含んでもよい。これにより積層型絶縁基板が得られる。

絶縁基板を形成する工程は、第１の絶縁シートに所定間隔で複数の孔部を形成する工程と、複数の孔部の側面に導電膜を形成する工程とをさらに含み、複数のチップ型発光素子を形成する工程は、絶縁基板を複数の孔部の箇所で分割する工程を含んでもよい。

これにより、発光素子ウエハを支持部材とともに複数の発光素子チップに分割することにより複数のチップ型発光素子を形成した後に、各チップ型発光素子の絶縁基板を構成する第１の絶縁シートの両端部に切欠きが形成され、切欠きの側面に導電膜が残る。その結果、チップ型発光素子を面実装する際に半田が絶縁基板の裏面の一対の第２導電膜から切欠きの側面の導電膜に回り込むことができる。したがって、面実装の信頼性が向上する。

図１は本発明の第１の実施例における面実装用のチップ型発光素子の模式的断面図である。

図１のチップ型発光素子１００は、積層型アルミナ基板１０上に発光ダイオードチップ（以下、ＬＥＤチップと呼ぶ）２０が接合されてなる。

積層型アルミナ基板１０は、第１層アルミナシート１１および第２層アルミナシート１２の２層構造を有する。後述するように、第２層アルミナシート１２の上面には金属膜からなる一対の電極パッド１３が形成され、第１層アルミナシート１１の裏面には金属膜からなる一対の裏面引出し電極１４が形成されている。第１層アルミナシート１１および第２層アルミナシート１２を貫通するように複数のスルーホール１５が設けられ、各スルーホール１５内にＡｇ（銀）が埋め込まれている。また、第１層アルミナシート１１の一対の端面にはそれぞれ金属膜１６がコーティングされている。

一方、ＬＥＤチップ２０は、透光性のサファイア基板２１上にＬＥＤ発光層２８が形成されてなる。ＬＥＤ発光層２８上にはｐ電極２５およびｎ電極２６が形成されている。

積層型アルミナ基板１０上にサファイア基板２１を上に向けてＬＥＤチップ２０が貼り合わされ、ＬＥＤチップ２０のｐ電極２５およびｎ電極２６が、Ａｕ（金）バンプ３０および銀ペースト３１によりそれぞれ積層型アルミナ基板１０の電極パッド１３に接合されている。積層型アルミナ基板１０とＬＥＤチップ２０との間にはアンダーフィル樹脂３２が充填されている。それにより、積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤチップ２０が固定されている。

チップ型発光素子１００のサイズは、例えば０．６ｍｍ×０．３ｍｍであるが、実装技術の進展に追従してさらなる微小化も可能である。また、チップ型発光素子１００の厚みは、０．３５ｍｍ程度である。

図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は図１のチップ型発光素子１００に用いられる積層型アルミナ基板１０のそれぞれ模式的平面図、模式的断面図および模式的底面図である。

図２に示すように、積層型アルミナ基板１０の第２層アルミナシート１２の上面には、金属膜からなる一対の矩形形状の電極パッド１３が形成されている。電極パッド１３はＬＥＤチップ２０のｐ電極２５およびｎ電極２６との位置合わせの許容性を高めるために広い面積に形成される。また、積層型アルミナ基板１０の第１層アルミナシート１１の裏面には、電極パッド１３に対応する位置に金属膜からなる一対の裏面引出し電極１４が形成されている。

一対の電極パッド１３と一対の裏面引出し電極１４との間に相当する第１層アルミナシート１１および第２層アルミナシート１２の位置に複数のスルーホール１５が形成され、各スルーホール１５内にＡｇが埋め込まれている。これにより、対向する電極パッド１３と裏面引出し電極１４とが電気的に接続されるとともに、Ａｇの良好な熱伝導性により放熱特性が高められている。この結果、積層型アルミナ基板１０は良好な熱伝導性および良好な耐熱特性を有する。

第１層アルミナ基板１１の両端面にはほぼ半円形の切欠き１６ａが形成されており、各切欠き１６ａの側面に金属膜１６がコーティングされている。

第２層アルミナシート１２の厚みは、製造工程に耐え得る強度を保持し、かつ第１層アルミナシート１１と張り合わせた状態で個々のチップに簡単に分割可能となるように、本実施例では０．１５ｍｍに設定する。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は図１のチップ型発光素子１００に用いられるＬＥＤチップ２０のそれぞれ模式的平面図および模式的断面図である。

図３に示すように、透光性の単結晶のサファイア基板２１上に、ＧａＮ（窒化ガリウム）系化合物半導体からなるバッファ層２２、ｎ型半導体層２３およびｐ型半導体層２４が順に形成されている。ｐ型半導体層２４の一部領域が除去され、ｎ型半導体層２３が露出している。バッファ層２２、ｎ型半導体層２３およびｐ型半導体層２４がＬＥＤ発光層２８を構成する。このＬＥＤ発光層２８は、Ｂ（ホウ素）、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）およびＩｎ（インジウム）の少なくとも１つを含む他の窒化物系半導体により形成してもよい。

ｐ型半導体層２４上にはｐ電極２５が形成されている。ｐ電極２５の全面には、可視光に対して反射率の高いＰｄ／Ａｌ等からなる反射膜（図示せず）が蒸着法等により形成されている。それにより、ＬＥＤ発光層２８から出射した光が反射膜でサファイア基板２１の側に反射される。その反射膜上および露出したｎ型半導体層２３上には、ｎ電極２６が露出するようにＳｉＯ2 、ＳｉＮ等からなる絶縁保護膜２７が形成されている。

ｐ型電極２５上の絶縁保護膜２７には、窓２９が設けられ、ｐ電極２５の一部が窓２９内に露出している。それにより、実質的にｐ電極２５とｎ電極２６との間の距離が隔てられ、短絡等による不良が防止される。また、このＬＥＤチップ２０のｐ電極２５およびｎ電極２６と積層型アルミナ基板１０の電極パッド１３との接合に半田ボールを用いた際に、窓２９が半田留めとして作用し、半田ボールの形状の維持および半田ボールのセルフアライメントが可能となる。

図３に示すように、ｐ電極２５とｎ電極２６との間には数μｍ程度の段差が形成されている。この段差は、後述する製造工程により吸収される。

図４および図５は図１のチップ型発光素子１００の製造方法を示す模式的工程断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、ウエハ状の透光性のサファイア基板２１上に、図３に示した構造を有するＧａＮ系化合物半導体からなるＬＥＤ発光層２８を形成し、電流供給のための電極形成プロセスによりｐ電極２５およびｎ電極２６を形成する。それにより、ＬＥＤウエハ２０ａが形成される。

次に、図４（ｂ）に示すように、ＬＥＤウエハ２０ａのｐ電極２５およびｎ電極２６上にそれぞれＡｕバンプ３０を形成する。このＡｕバンプ３０は、例えばワイヤボンダ装置を利用して形成し、ネック部３０ａの長さのばらつきを低減するために、バンプ専用ワイヤを用いる。このバンプ専用ワイヤは、ワイヤ先端へのアーク放電等による溶製化後にボール（球状部）直上の再結晶脆弱部が短くなるように材料が設計されている。

なお、Ａｕバンプ３０の他の形成方法として、通常の金ワイヤを用い、セカンドボンドをボール肩部に行うスタッドバンプボンディング法を用いてもよい。また、レジストによりパターニングを行い、電界メッキ法または無電界メッキ法によりＡｕバンプ３０を形成してもよい。

次に、図４（ｃ）に示すように、Ａｕバンプ３０の直上に一定厚さの銀ペースト３１を転写する。これにより、ＬＥＤウエハ２０ａのｐ電極２５とｎ電極２６との段差が吸収される。この銀ペースト３１は、熱硬化性樹脂に銀粒子を混入させたものであり、硬化させることにより粒子間の接合が行われ、導電性が得られる。この場合、予め平坦面に一定厚さで銀ペーストを塗布し、塗布された銀ペースト上にＡｕバンプ３０が形成されたＬＥＤウエハ２０ａを反転させて押しつけることにより、ＬＥＤウエハ２０ａの全域のＡｕバンプ３０上に銀ペースト３１の均一な転写を行うことができる。

このように、本実施例では、Ａｕバンプ３０上に銀ペースト３１を転写する方法を用いているが、積層型アルミナ基板１０においてＡｕバンプ３０に対向する位置に選択的にスクリーン印刷法またはディスペンサ等を用いて銀ペーストを塗布してもよい。

次いで、図４（ｄ）に示すように、積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤウエハ２０ａをＡｕバンプ３０を下にして張り合わせて固定する。この場合、Ａｕバンプ３０上の銀ペースト３１を積層型アルミナ基板１０の電極パッド１３に位置合わせする。この場合、図２に示した積層型アルミナ基板１０においては、電極パッド１３の面積が広いため、位置合わせの許容性が高くなっている。

この位置合わせの際には、ＬＥＤウエハ２０ａのｐ電極２５およびｎ電極２６を除いてサファイア基板２１およびＬＥＤ発光層２８は透光性を有するので、積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤウエハ２０ａを張り合わせた後も、ＬＥＤウエハ２０ａ側から積層型アルミナ基板１０の電極パッド１３を視認することができる。このため、両面アライナ等の複雑な装置を用いることなく位置合わせを容易に行うことができる。

その後、積層型アルミナ基板１０およびＬＥＤウエハ２０ａに所定の温度を加え、銀ペースト３１を硬化させる。

次いで、図５（ｅ）に示すように、積層型アルミナ基板１０とＬＥＤウエハ２０ａとの接合の機械的強度を高め、かつ熱応力、湿度等に対する耐環境特性を高めるために、積層型アルミナ基板１０とＬＥＤウエハ２０ａとの間にアンダーフィル樹脂３２を注入する。アンダーフィル樹脂３２としては、絶縁性を有し、流動性を保持し、かつアルミナおよびＧａＮ系化合物半導体の線膨張係数を考慮したエポキシ樹脂等の材料を用いる。

次に、図５（ｆ）に示すように、チップ化を容易にするために、サファイア基板２１を５０μｍ以下の厚みに薄く研磨する。本実施例では、ＬＥＤチップ２０ａの厚みを２０μｍにし、所望位置でのチップ化を容易にしている。

さらに、図５（ｇ）に示すように、スクライバ装置を用いてサファイア基板２１の所望位置の切断線に罫書き線を形成するか、またはダイシング装置を用いてダイシング溝３３を形成する。作業性の点からは、鋭利なダイアモンドポイントを切断線に押しつけて罫書き線を形成するスクライバ装置を用いることが好ましい。罫書き線またはダイシング溝３３を形成した後、切断線を支点にしてブレーカ装置により加圧してＬＥＤウエハ２０ａを押し割り、図１に示した個々のチップ型発光素子１００に順次分割する。

積層型アルミナ基板１０には、第１層アルミナシート１１の長辺方向および短辺方向には、同基板作成時にくさび切り込みが形成されており、それらのくさび切り込みの位置で分割する。

なお、チップ化前の積層型アルミナ基板１０の状態では、第１層アルミナシート１１の切断線上にほぼ円形のスルーホール１６ｂが形成されており、このスルーホール１６ｂの内面にも金属膜がコーティングされている。そして、図５（ｇ）の工程で積層型アルミナ基板１０を切断線で分割することにより、図２に示したように、第１層アルミナシート１１の両端面にほぼ半円形の切欠き１６ａが形成され、切欠き１６ａの側面に金属膜１６が残る。これにより、面実装時に、半田が金属膜１６上にも流動し、半田接合の容易性および高信頼性が得られる。

第２層アルミナシート１２は、図５（ｅ）の工程で積層型アルミナ基板１０とＬＥＤウエハ２０ａとの間に注入されるアンダーフィル樹脂３２が第１層アルミナシート１１のスルーホール１６ｂから漏れ出すことを防止する。

なお、サファイア基板２１およびＧａＮ系化合物半導体からなるＬＥＤ発光層２８は、ともにモース硬度９と非常に硬い。また、六方晶系結晶構造を有するＬＥＤウエハ２０ａは一方向にへき開性がないため、ウエハからのチップ化が非常に困難となっている。このため、従来のプロセスでは、一般的に電極形成後にサファイア基板を厚み１００μｍ程度に薄く研磨した後に、ダイシング装置、スクライバ装置等を用いてＬＥＤチップに分離している。

しかしながら、厚み１００μｍ程度のサファイア基板は所望する位置以外の位置で割れることが多く、また分割後の形状が長方形とならずに歪んだ形状になることがある。これを改善するためにはさらに薄いサファイア基板を用いることが必要であるが、研磨またはその後の取り扱い中における割れを回避するとともに、サファイア基板と電極を含むＬＥＤ発光層との間の線膨張係数の違いにより生じるサファイア基板の反りを許容範囲内に維持するためには、サファイア基板の厚みは８０μｍ程度が限界である。

本実施例のチップ型発光素子１００の製造方法においては、図４（ｄ）および図５（ｅ）の工程で積層型アルミナ基板１０にＬＥＤウエハ２０を接合した後に図５（ｆ）の工程でサファイア基板２１の研磨を行い、図５（ｇ）の工程でチップ化を行っているので、ＬＥＤウエハ２０ａのサファイア基板２１における割れおよび反りに対する耐性が高められている。したがって、サファイア基板１およびＬＥＤ発光層２８を含むＬＥＤウエハ２０ａを研磨して厚み５０μｍ以下に薄くしても、サファイア基板１の割れおよび反りが生じない。

本実施例のチップ型発光素子１００においては、ＬＥＤチップ２０と同一サイズの積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤチップ２０が貼り合わされ、積層型アルミナ基板１０の上面の一対の電極パッド１３にＬＥＤチップ２０のｐ電極２５およびｎ電極２６がフリップチップ方式により接合され、かつ一対の電極パッド１３がスルーホール１５内に埋め込まれたＡｇを介して積層型アルミナ基板１０の裏面の一対の裏面引出し電極１４に電気的に接続されている。したがって、薄型化、小型化およびコンパクト化が可能となる。

また、ＬＥＤ発光層２８から発生した光は透光性のサファイア基板２１を通して外部に出射される。この場合、ｐ電極２５およびｎ電極２６はサファイア基板２１と反対側のＬＥＤ発光層２８上に形成されているので、光がｐ電極２５およびｎ電極２６で遮断されない。したがって、高輝度化が可能となる。

さらに、製造時には、ＬＥＤウエハ２０ａ上にＬＥＤ発光層２８および複数のＬＥＤチップ２０に対応する複数組のｐ電極２５およびｎ電極２６を形成するとともに、複数のＬＥＤチップ２０に対応する積層型アルミナ基板１０を形成し、積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤウエハ２０ａを貼り合わせた後に、ＬＥＤウエハ２０ａを積層型アルミナ基板１０とともに複数のＬＥＤチップ２０に分割することができる。それにより、工程数および製造時間が低減され、低コスト化が可能となる。

図６は本発明の第２の実施例における面実装用のチップ型発光素子の模式的断面図である。

図６のチップ型発光素子１００が図１のチップ型発光素子１００と異なるのは次の点である。後述するように、積層型アルミナ基板１０の構造が図１の積層型アルミナ基板１０の構造と異なる。本実施例の積層型アルミナ基板１０においては、ＬＥＤチップ２０のｐ電極２５およびｎ電極２６に対向する第２層アルミナシート１２の上面の位置に金属膜からなる一対の電極パッド１３が形成されている。

この積層型アルミナ基板１０上に図３に示した構造を有するＬＥＤチップ２０が貼り合わされている。ＬＥＤチップ２０のｐ電極２５およびｎ電極２６は、共晶半田バンプにより形成される半田ボール４１を介してそれぞれ積層型アルミナ基板１０の一対の電極パッド１３に接合されている。積層型アルミナ基板１０とＬＥＤチップ２０との間にはアンダーフィル樹脂４２が充填されている。それにより、積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤチップ２０が固定されている。

図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は図６のチップ型発光素子１００に用いられる積層型アルミナ基板１０のそれぞれ模式的平面図、模式的断面図および模式的底面図である。

図７に示すように、積層型アルミナ基板１０の第２層アルミナシート１２の上面には、ＬＥＤチップ２０のｐ電極２５およびｎ電極２６に対応する位置に金属膜からなる一対の円形の電極パッド１３が形成されている。この電極パッド１３のサイズは半田ボール４１のサイズにほぼ等しく設定される。また、積層型アルミナ基板１０の第１層アルミナシート１１の裏面には、図２の積層型アルミナ基板１０と同様に、金属膜からなる一対の裏面引出し電極１４が形成されている。

一対の電極パッド１３と一対の裏面引出し電極１４との間に相当する第１層アルミナシート１１および第２層アルミナシート１２の位置にそれぞれスルーホール１５が形成され、各スルーホール１５内にＡｇが埋め込まれている。これにより、対向する電極パッド１３と裏面引出し電極１４とが電気的に接続されるとともに、Ａｇの良好な熱伝導性により放熱性が高められている。この結果、積層型アルミナ基板１０は良好な熱伝導性および良好な耐熱特性を有する。

図７の積層型アルミナ基板１０においても、第１層アルミナシート１１の両端面にほぼ半円形の切欠き１６ａが形成されており、各切欠き１６ａの側面に金属膜１６がコーティングされている。

上記のように、図７の積層型アルミナ基板１０においては、ＬＥＤチップ２０に形成されたｐ電極２５およびｎ電極２６に対向する位置に半田ボール４１とほぼ同じサイズの電極パッド１３が形成されているので、積層型アルミナ基板１０上へのＬＥＤウエハ２０ａの接合後における半田ボール４１の溶解および再結晶時に、半田ボール４１の高さを一定に保ちつつ半田ボール４１のセルフアラインメント機能が働く。

図８および図９は図６のチップ型発光素子１００の製造方法を示す模式的工程断面図である。

まず、図８（ａ）に示すように、図４（ａ）の工程と同様に、透光性のサファイア基板２１上に、ＬＥＤ発光層２８を形成し、ＬＥＤ発光層２８にｐ電極２５およびｎ電極２６を形成する。それにより、ＬＥＤウエハ２０ａが形成される。

次に、図８（ｂ）に示すように、ＬＥＤウエハ２０ａのｐ電極２５およびｎ電極２６上にそれぞれ共晶半田バンプ４０を形成する。この共晶半田バンプ４０は、第１の実施例と同様に、ワイヤボンダ装置を用いて形成する。

なお、他の形成方法として、レジストによりパターニングを行い、電界メッキ法または無電界メッキ法により半田共晶バンプ４０を形成してもよい。また、半田合金の蒸着法、半田ペーストのスクリーン印刷法等を用いてもよい。

次に、図８（ｃ）に示すように、共晶半田バンプ４０にロジン系非活性フラックスを加え、不活性ガス雰囲気で加熱することにより半田ボール（球状バンプ）４１を形成する。これにより、ＬＥＤウエハ２０ａのｐ電極２５とｎ電極２６との段差が吸収される。この場合、図４（ｃ）の工程における銀ペーストの転写と同様にして、フラックスを平坦面に塗布し、塗布されたフラックス上に共晶半田バンプ４０が形成されたＬＥＤウエハ２０ａを反転させて押しつけることにより、ＬＥＤウエハ２０ａの全域の共晶半田バンプ４０上にフラックスの均一な転写を行うことができる。その後、ＬＥＤウエハ２０ａを所定の温度に設定されたリフロー炉に通すことにより、半田ボール４１が形成される。

なお、ＬＥＤウエハ２０ａに形成されたｐ電極２５およびｎ電極２６の最表層にはＡｕからなる酸化防止層を用い、その酸化防止層の下地層にＮｉ（ニッケル）またはＣｕ（銅）を用いることにより、共晶半田バンプ４０との接合層を形成する。それにより、金属の共晶半田バンプ４０内への合金取り込みによるＬＥＤ発光層２８への影響を回避する。

次に、図８（ｄ）に示すように、積層型アルミナ基板１０に形成された半田ボール４１にＬＥＤウエハ２０ａのｐ電極２５およびｎ電極２６を位置合わせし、積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤウエハ２０ａを貼り合わせる。そして、Ｎ2 等の不活性ガス雰囲気中またはＮ2 ／Ｈ2 混合ガス等のフォーミングガス雰囲気中で所定の温度で加熱して半田ボール４１を溶解させる。それにより、積層型アルミナ基板１０の電極パッド１３とＬＥＤチップ２０ａのｐ電極２５およびｎ電極２６とが合金化により接続される。

この場合、ＬＥＤウエハ２０ａをフラックスの粘着力で積層型アルミナ基板１０上に接着されている状態にし、半田が溶解したときの粘性によるセルフアラインメント効果でＬＥＤウエハ２０ａに多少の位置ずれがあってもその位置ずれが自動的に修正されるように、ＬＥＤウエハ２０ａの自重以外の力を加えずに水平に保持する。

その後、図９（ｅ）に示すように、積層型アルミナ基板１０とＬＥＤウエハ２０ａとの間にアンダーフィル樹脂４２を注入する。次に、図９（ｆ）に示すように、サファイア基板２１を研磨し、ＬＥＤウエハ２０ａの厚みを２０μｍ程度に薄くする。さらに、図９（ｇ）に示すように、スクライバ装置を用いて罫書き線を形成するかまたはダイシング装置を用いてダイシング溝４３を形成した後、ブレーカ装置により加圧してＬＥＤウエハ２０ａを押し割り、図６に示した個々のチップ型発光素子１００に順次分割する。

本実施例のチップ型発光素子１００においても、第１の実施例のチップ型発光素子１００と同様に、ＬＥＤチップ２０と同一サイズの積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤチップ２０が貼り合わされ、積層型アルミナ基板１０の上面の一対の電極パッド１３にＬＥＤチップ２０のｐ電極２５およびｎ電極２６がフリップチップ方式により接合され、かつ一対の電極パッド１３がスルーホール１５内に埋め込まれたＡｇを介して積層型アルミナ基板１０の裏面の一対の裏面引出し電極１４に電気的に接続されている。したがって、薄型化、小型化およびコンパクト化が可能となる。

また、ＬＥＤ発光層２８から発生した光は透光性のサファイア基板２１を通して外部に出射される。この場合、ｐ電極２５およびｎ電極２６はサファイア基板２１と反対側のＬＥＤ発光層２８上に形成されているので、光がｐ電極２５およびｎ電極２６で遮断されない。したがって、高輝度化が可能となる。

さらに、製造時には、ＬＥＤウエハ２０ａ上にＬＥＤ発光層２８および複数のＬＥＤチップ２０に対応する複数組のｐ電極２５およびｎ電極２６を形成するとともに、複数のＬＥＤチップ２０に対応する積層型アルミナ基板１０を形成し、積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤウエハ２０ａを貼り合わせた後に、ＬＥＤウエハ２０ａを積層型アルミナ基板１０とともに複数のＬＥＤチップ２０に分割することができる。それにより、工程数および製造時間が低減され、低コスト化が可能となる。

図１０および図１１は本発明の第３の実施例におけるチップ型発光素子１００の製造方法を示す模式的工程断面図である。

第３の実施例のチップ型発光素子１００の製造方法は、以下の点を除いて第１の実施例のチップ型発光素子１００の製造方法と同様である。図１０（ａ），（ｂ）の工程は、図４（ａ），（ｂ）の工程と同様である。

図１０（ｂ）の工程でｐ電極２５およびｎ電極２６上にＡｕバンプ３０を形成した後、図１０（ｃ）に示すようにＬＥＤウエハ２０ａのＡｕバンプ３０を下に向けてＬＥＤウエハ２０ａを平坦面に平行に対向させ、所定の圧力で押しつける。これにより、Ａｕバンプ３０の高さが容易に均一化される。これにより、ＬＥＤウエハ２０ａのｐ電極２５とｎ電極２６との段差が吸収される。

次に、図１０（ｄ）に示すように、ＬＥＤウエハ２０ａのＡｕバンプ３０側の面に異方性導電フィルム５０を仮圧着する。異方性導電フィルム５０としては、接着剤としての熱硬化性樹脂中に硬質の金属粒子または金属薄層がメッキ形成されたプラスチック粒子を混入させた異方性導電材を用いる。本実施例では、前者の熱硬化性樹脂中に金属粒子を混入した異方性導電材を用いる。

この異方性導電フィルム５０は、セパレータと熱硬化性樹脂との２層構造を有する。平坦面上で異方性導電フィルム５０上にＬＥＤウエハ２０ａを押し当てて加熱圧着することによりＬＥＤウエハ２０ａの全面に熱硬化性樹脂を転写させ、セパレータフィルムから熱硬化性樹脂を遊離させる。

次に、図１１（ｅ）に示すように、ＬＥＤウエハ２０ａのＡｕバンプ３０を積層型アルミナ基板１０の電極パッド１３に位置合わせし、積層型アルミナ基板１０上にＬＥＤウエハ２０ａを貼り合わせて、所定の加熱および加圧を行い、両者を電気的にかつ機械的に接合する。

この場合、異方性導電フィルム５０の熱硬化性樹脂に混入された金属粒子が、ＬＥＤウエハ２０ａのｐ電極２５およびｎ電極２６と積層型アルミナ基板１０の電極パッド１３との双方の表面酸化膜を突き破ってそれぞれｐ電極２５およびｎ電極２６の金属および電極パッド１３の金属中に食い込む。それにより、電気的に安定した接続が行われる。同時に、一時的に低流動化した熱硬化性樹脂が積層型アルミナ基板１０とＬＥＤウエハ２０ａとの間隙を埋めて両者を接着する。

なお、積層型アルミナ基板１０の電極パッド１３およびＬＥＤウエハ２０ａのｐ電極２５およびｎ電極２６以外の領域には所定の圧力が加わらないため、金属粒子は熱硬化性樹脂で覆われ、絶縁性が保たれている。

なお、第３の実施例の製造方法を図６のチップ型発光素子１００の製造に適用してもよい。

本実施例の製造方法においても、第１および第２の実施例と同様に、薄型化、小型化、コンパクト化、高輝度化および低コスト化が図られたチップ型発光素子１００が得られる。

以上のように、上記実施例の製造方法によれば、サファイア基板２１上へのＬＥＤ発光層２８ならびにｐ電極２５およびｎ電極２６のパターニングといったウエハプロセスから半田材料を用いた面実装可能なチップ型発光素子１００の形成までを一貫してウエハ状態で行うことにより、同時に数千個のチップ型発光素子１００を作製することが可能となる。

図１２（ａ），（ｂ）は図１または図６のチップ型発光素子１００を用いたＬＥＤランプの一例を示すそれぞれ模式的平面図および模式的断面図である。

図１２に示すように、チップ型発光素子１００は透光性樹脂からなる透光性基板１１０内に透光性樹脂接着剤で固定されている。透光性基板１１０上には透光性樹脂からなるドーム型レンズ１２０が設けられている。透光性基板１１０およびドーム型レンズ１２０は透光性樹脂成形体により構成される。

図１３は図１または図６のチップ型発光素子１１０を用いたＬＥＤランプの他の例を示す模式的斜視図である。

図１３に示すように、駆動ドライバ内蔵のベース基板１３０上に複数のチップ型発光素子１００が一列に配置され、複数のチップ型発光素子１００上に透光性樹脂からなる半円柱状の集光レンズ１４０が設けられている。

このように、図１または図６のチップ型発光素子１００は、サイズ０．６ｍｍ×０．３ｍｍおよび厚み０．３５ｍｍと非常に小型であるため、大きな実装面積を必要としない。したがって、図１３に示すようにコンパクトな棒状のＬＥＤランプが実現される。

なお、図１３の例では、集光レンズ１４０が設けられているが、図１３のＬＥＤランプを広視野が要求されるバックライト、表示装置等に用いる場合には、集光レンズ１４０を設けなくてよい。

本発明の第１の実施例におけるチップ型発光素子の模式的断面図である。 図１のチップ型発光素子に用いられる積層型アルミナ基板の模式的平面図、模式的断面図および模式的底面図である。 図１のチップ型発光素子に用いられるＬＥＤチップの模式的平面図および模式的断面図である。 図１のチップ型発光素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。 図１のチップ型発光素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。 本発明の第２の実施例におけるチップ型発光素子の模式的断面図である。 図６のチップ型発光素子に用いられる積層型アルミナ基板の模式的平面図、模式的断面図および模式的底面図である。 図６のチップ型発光素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。 図６のチップ型発光素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。 本発明の第３の実施例におけるチップ型発光素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。 本発明の第３の実施例におけるチップ型発光素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。 図１または図６のチップ型発光素子を用いたＬＥＤランプの一例を示す模式的平面図および模式的断面図である。 図１または図６のチップ型発光素子を用いたＬＥＤランプの他の例を示す模式的斜視図である。 従来のチップ型発光素子の一例を示す模式的斜視図である。 従来のチップ型発光素子の他の例を示す模式的斜視図である。

符号の説明

１０ 積層型アルミナ基板
１１ 第１層アルミナシート
１２ 第２層アルミナシート
１３ 電極パッド
１４ 裏面引出し電極
１５ スルーホール
１６ 金属膜
１６ａ 切欠き
１６ｂ スルーホール
２０ ＬＥＤチップ
２０ａ ＬＥＤウエハ
２１ サファイア基板
２５ ｐ電極
２６ ｎ電極
２８ ＬＥＤ発光層
３０ Ａｕバンプ
３１ 銀ペースト
３２，４２ アンダーフィル樹脂
４０ 共晶半田バンプ
４１ 半田ボール
５０ 異方性導電フィルム
１００ チップ型発光素子
１１０ 透光性基板
１２０ ドーム型レンズ
１３０ ベース
１４０ 集光レンズ

Claims (1)

1. 透光性基板上に半導体発光層を形成するとともに前記半導体発光層上にｐ電極およびｎ電極を形成することにより発光素子ウエハを形成する工程と、
   前記ｐ電極および前記ｎ電極上に前記ｐ電極および前記ｎ電極が露出するように絶縁保護膜を形成する工程と、
   絶縁基板の上面に前記絶縁保護膜から露出された前記ｐ電極および前記ｎ電極に各々対応するように導電膜を形成することにより支持部材を形成する工程と、
   前記導電膜を前記ｐ電極および前記ｎ電極に接合した状態で前記支持部材上に前記発光素子ウエハを貼り合わせる工程とを備え、
   前記導電膜と前記ｐ電極および前記ｎ電極とは、半田ボールを介して接合されるとともに、前記導電膜のサイズは、前記半田ボールのサイズにほぼ等しく設定されることを特徴とする発光素子ウエハの固定方法。

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