JP2007005465A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板に形成された凹部の表面に半導体発光素子を実装してその凹部を封止することにより形成される半導体発光装置において、前記凹部を高い耐熱・耐光性を有するゾルーゲル法により得られる金属化合物で封止する場合に従来問題であった硬化時の密着性不足を解消し、機械的特性が改良された長寿命の半導体発光装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 基板に形成された凹部の表面に半導体発光素子が実装され、前記半導体発光素子と前記凹部の表面全体を被覆するように弾性層が形成され、前記凹部は前記弾性層を介して金属酸化物からなる封止層により封止されており、前記金属酸化物はゾル−ゲル法を用いて金属水酸化物前駆体を縮合させることにより得られるものであり、且つ、前記弾性層を形成する材料が前記金属酸化物よりも貯蔵弾性率が低い材料であることを特徴とする半導体発光装置を用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。さらに詳しくは、半導体発光装置を構成する半導体発光素子と半導体素子を封止する封止材との密着性に優れた機械的特性が改良された長寿命の半導体発光装置に関する。

近年、発光ダイオード、レーザーダイオード、半導体レーザー等の半導体発光素子が発光光源として利用されている。特に発光ダイオードは長寿命な小型光源としてサイン光源用途やディスプレイ光源用途として幅広く利用されている。

また、白色ＬＥＤユニットを組み込んだ照明用器具としての開発も進められており、今後ますます広く普及していくことが予想されている。

白色ＬＥＤユニットに用いられる白色ＬＥＤの光源には青・近紫外域ＬＥＤが用いられ、照明用器具としての要求を満足させるために高出力・高輝度化を達成するための開発が進められている。

高出力・高輝度化された半導体発光素子からは高い熱エネルギー及び光エネルギーが発せられるために、このような半導体発光素子を基板上に実装して封止する場合には封止材が急速に劣化するため、照明用器具は比較的低寿命になるという問題があった。

前記問題を解決するために、耐熱・耐候性に優れた封止材、例えばゾル−ゲル法で合成されるシロキサン化合物のような金属酸化物や低融点ガラス等を用いた封止材が検討されている。

例えば、以下の特許文献１では耐熱・耐光性に優れた材料として、ゾル−ゲル法により得られる金属酸化物であるメタロキサンを用いて半導体発光素子をコーティングすることにより得られる半導体装置が開示されている。

ゾル−ゲル法で得られる金属酸化物であるメタロキサンはモノマーの側鎖の影響により硬化時における線膨張率が大変高く、また基板の線膨張率と大きく異なるために、硬化時の基板との密着性がわるく、また硬くて脆い材料であるためにその強度も充分でなく硬化時或いは使用時にクラック等が生じる恐れがあった。
特許第３４１２１５２号公報

本発明は基板に形成された凹部の表面に半導体発光素子を実装してその凹部を封止することにより形成される半導体発光装置において、前記凹部を高い耐熱・耐光性を有するゾルーゲル法により得られる金属化合物で封止する場合に従来問題であった硬化時の密着性不足を解消し、機械的特性が改良された長寿命の半導体発光装置を提供することを課題とする。

本発明は、基板に形成された凹部の表面に半導体発光素子が実装された半導体発光装置において、前記半導体発光素子と前記凹部の表面全体とを被覆するように弾性層が形成され、更に前記凹部は前記弾性層を介して金属酸化物からなる封止層により封止されており、前記金属酸化物はゾル−ゲル法を用いて金属水酸化物前駆体を縮合することにより得られるものであり、且つ、前記弾性層を形成する材料が前記金属酸化物よりも貯蔵弾性率が低い材料であることを特徴とする半導体発光装置を用いる。

本発明の半導体発光装置は、基板に設けられた凹部に半導体発光素子を実装し、基板と封止層との間に弾性率の低い弾性層を設けることにより、封止層としてゾル−ゲル法により得られる金属酸化物を形成する際の硬化収縮による密着性の低下を抑制することができ、結果として高い耐熱・耐光性及び機械的強度を有し、長寿命の半導体発光装置が得られる（請求項１）。

また、前記金属酸化物がシロキサン結合を含有する半導体発光装置である場合には耐熱・耐光性に優れた封止層を適度の厚みで容易に形成することができる（請求項２）。

さらに、前記凹部の底面を下方とした場合に、前記弾性層が前記半導体発光素子の上面全体を覆うように形成されている半導体発光装置である場合には弾性層を介して半導体素子を高い密着力で封止することができる（請求項３）。

また、前記凹部の底面を下方とした場合に、前記弾性層の上面が前記半導体発光素子の上面と略同一の高さになるように形成されている半導体発光装置である場合には半導体発光装置に外的応力が掛かった場合に半導体発光素子の輪郭（エッジ）に集中する応力を分散させることができ、弾性層にクラック等が発生するおそれを軽減することができる（請求項４）。

さらに、前記凹部の底面を下方とした場合に、前記弾性層の厚みが前記半導体発光素子の厚みよりも薄くなるように形成されている半導体発光装置である場合には半導体発光装置に外的応力が掛かった場合に半導体発光素子かかる応力を分散させることができ、弾性層にクラック等が発生するおそれを軽減することができる（請求項５）。

また、前記弾性層がゾル−ゲル法により得られる金属酸化物から形成されるものであり、前記弾性層を形成するための金属水酸化物前駆体の一金属原子当りの反応基が前記封止層を形成するための金属水酸化物前駆体の一金属原子当りの反応基よりも少ない半導体発光装置である場合には弾性層と封止層が同種の材料であるために高い親和性を保つためにより密着強度が高くなり、また、その架橋密度の差により弾性層の貯蔵弾性率の方が低くなるために外的応力が掛かった場合に半導体発光素子に掛かる応力を緩和することができ、さらに、弾性層も金属酸化物で形成されるために耐熱・耐光性が高いものが得られる（請求項６）。

そして、前記弾性層がシランカップリング剤を含有するシリコーン系樹脂である半導体発光装置である場合には弾性層が優れた柔軟性を有し、且つ半導体素子や基板表面及び封止層と高い密着性を維持することができる。（請求項７）

以下に本発明の実施の形態である半導体発光装置の断面模式図を図１〜図３に示す。

図１に示すように本実施の形態による半導体発光装置は、基板１上に凹部２が形成されており、凹部２の表面に半導体発光素子３が実装されている。

そして、半導体発光素子３及び凹部２の表面全体は弾性層４により被覆されており、更に凹部２は弾性層４を介して封止層５により封止されている。また、基板上には電子回路６が形成されている。

封止層５はゾル−ゲル法により金属水酸化物前駆体を縮合することにより得られる金属酸化物により形成され、弾性層４は封止層５を形成する金属酸化物よりも貯蔵弾性率（以下、単に弾性率ともいう）の低い材質からなる。

なお、本発明における貯蔵弾性率は室温（２５℃）において動的粘弾性（ＤＭＡ）測定装置により測定された弾性率である。

そして、封止層５と基板１との間に弾性層４を設けることにより、硬化時の収縮等が大きい金属酸化物で凹部を封止する場合に硬化収縮による密着性の低下を抑制することができる。

基板１はセラミックス材料、又は、熱可塑性樹脂・熱硬化性樹脂等の樹脂材料を各種成形法により所望の形状に成形して得られるものであり、その形状は特に限定されない。

セラミックス材料としては、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、炭化ケイ素等が挙げられ、これらは公知の圧縮成形や射出成形（ＣＩＭ）等により成形され、焼結して成形される。

セラミックス材料は熱伝導性に優れているために半導体発光素子の発熱による熱を基板全体に拡散し、効率的に放熱できる点から好ましく用いられる。

また、樹脂材料としては、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフタルイミド（ＰＰＡ）或いは液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の熱可塑性樹脂やエポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を使用することができる。なお、前記樹脂材料はガラスやシリカ、アルミナ等の充填材を配合することにより熱伝導性や耐熱性を向上させることができる。

基板１に形成される凹部２は凹部２を形成するキャビィティーを有する金型で成形加工することにより形成してもよく、また凹部を有しない基板を作成後、機械加工により形成してもよい。

凹部２が形成された基板１上にはその表面に所定の電気回路パターンが形成される。

電気回路パターンの形成方法は特に限定されず公知の方法が用いられるが、具体的には、例えば以下のような方法が挙げられる。

まず、基板１の表面を銅（Ｃｕ）等の導電性材料を用いた導電性皮膜で被覆する。

導電性皮膜の形成は必要に応じてプラズマ処理等により表面改質した後に、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理蒸着法（ＰＶＤ法）を用いることにより金属薄膜を形成する公知の方法が用いられる。

そして、導電性皮膜で被覆された基板１の表面における電気回路を形成しようとする部分の輪郭部にレーザー（例えばＹＡＧレーザー）等の電磁波を照射して電気回路を形成しようとする部分の回路部と非回路部の境界領域の部分を除去する。そして前記輪郭部により形成される回路部に残された導電性皮膜に通電しながら硫酸銅めっき浴に浸漬して電気銅めっきを行ない、回路部の導電性皮膜にめっき層を付着させて厚膜化し、導電性皮膜とめっき層とからなる回路を形成することができる。

なお、前記方法で回路形成を行なうと凹部２の底面だけでなく側面にも回路を形成することができ、半導体発光素子３の電極部と容易に導通させることができる。また、図１に示すように凹部２の側面が垂直ではなく、テーパーが形成されている場合には、側面にも上方からレーザーを照射することができるために回路形成がさらに容易であり、また、側面に光反射性薄膜を形成できるために半導体発光素子からの光取り出し効率を向上させることが可能になる。

次に、凹部２の表面に半導体発光素子３を実装する方法を説明する。

本発明における半導体発光素子としては、公知の半導体発光素子が限定無く使用でき、具体的には、例えば基材上にＧａＡｌＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させたものが用いられる。また、その発光波長としては紫外光から赤外光を発する半導体発光素子の中から適宜選択することができる。

半導体発光素子３の実装は、凹部２の半導体発光素子を実装する部分に半導体発光素子３を載置し、ワイヤボンディング実装やフリップチップ実装等により実装することができる。

なお、本発明においてはフリップチップ実装が特に好ましい。フリップチップ実装は
ワイヤボンディング実装のように電気的接続にワイヤを用いないため、封止する際の封止材料による圧力でワイヤが切断したり、接続部との連結が外れたりするおそれがないために好ましい。

そして、半導体発光素子３が実装された凹部２はその表面全体が弾性層４で被覆され、弾性層４を介して金属酸化物からなる封止層５により封止される。

弾性層４は封止層５を形成する材料よりも弾性率が低い材料で形成されており、封止層５を形成する際に生じるゾル−ゲル法における金属水酸化物前駆体の硬化時に発生する硬化収縮による応力や半導体発光装置に掛かる外的応力を緩和し、封止層５の高い封止特性を維持する層である。

弾性層４を形成する材料としては後述する封止層５を形成する材料よりも弾性率の低い材料であれば特に限定無く用いられる。

弾性層４を形成する材料の具体例としては、封止層５を形成する金属酸化物よりも弾性率が低いゾル−ゲル法により得られる金属酸化物や熱・光硬化性、或いは熱可塑性の透明又は半透明性の樹脂材料が用いられる。

本発明におけるゾル−ゲル法とは下記一般式（Ｉ）
Ｍ（ＯＲ）_ｎＲ’_４−ｎ ・・・（Ｉ）
（ｎ＝１〜４の整数でＲ、Ｒ’は炭素数１〜４のアルキル基であり、ＭはＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ等の前周期遷移金属）
で示される金属アルコキシドに水分の存在下で塩酸等の酸、ＣａＯ、ＢａＯ等の塩基等の加水分解触媒を加えてゾル状の金属水酸化物前駆体を得た後、例えば６０〜２５０℃程度で２〜１０時間程度加熱することにより縮合硬化させて金属酸化物を得る公知の方法である。

なお、前記金属水酸化物前駆体とは、金属アルコキシドを加水分解して得られる金属水酸化物や、予め製造されたシラノール等の金属水酸化物等を用いてもよい。

前記金属アルコキシドの具体例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラ−ｔｅｒｔ−ブトキシシラン等のシラン含有アルコキシド、チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトラプロポキシド、チタンテトラブトキシド、チタンテトライソプロポキド等のチタン含有アルコキシド、ジルコニアテトラプロポキシド、ジルコニアテトライソプロポキシド、ジルコニアテトラブトキシド等のジルコニア含有アルコキシド等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、また２種以上を組合わせて用いてもよい。

なお、前記金属アルコキシドの中では特にシラン含有アルコキシドを含有することが好ましい。

前記シラン含有アルコキシドの含有割合としては形成される金属酸化物中にシラン含有アルコキシドに由来するシロキサン結合を有する成分の含有割合が２０〜８０質量％、さらには３０〜７０質量％であることが適度な厚みを有する封止層を容易に形成することができる点から好ましい。

一方、本発明における弾性層４を形成する材料は封止層５を形成する材料よりも弾性率が低いものを選ぶ必要がある。

具体的には、弾性層４を形成する材料としてゾル−ゲル法により得られる金属酸化物を用いる場合には、以下のように弾性率が調整される。

ゾル−ゲル法により得られる金属酸化物においては金属アルコキシドに含まれる架橋性基の数が多いほど架橋密度が高くなり、結果として弾性率が高くなる。従って、弾性層４を形成する材料としてゾル−ゲル法により得られる金属酸化物を用いる場合には、原料の金属アルコキシドとしては金属原子１原子当りの反応性基が封止層５を形成する金属アルコキシドよりも少ないものを選択する。このように前記反応性基が少ないものを選択することにより弾性層４を形成する金属酸化物の架橋密度が低くなり、その結果、弾性層４は封止層５よりも柔軟になり封止層５と基板１に発生する応力を緩和することができる。

弾性層４としてゾル−ゲル法により得られる金属酸化物を用いた場合には、封止層５との密着性がより高く、また、半導体発光素子から発せられる光・熱に対して高い耐光・耐熱性を有する点からも好ましい。

前記ゾル−ゲル法により得られる金属酸化物からなる弾性層４を形成する方法としては、前記のように金属アルコキシドから液状の金属酸化物前駆体を得た後、縮合反応させて反応率（すなわち、水酸基の減少率）が３０〜６０％程度又はポッティング可能な適度な粘度、具体的には５万〜５０万ｃｐｓ程度になるように半硬化させた金属酸化物前駆体を半導体発光素子３が実装された凹部２の表面全体に公知の高粘度用ディスペンサー等を用いてポッティングを用いて滴下・塗布し、適度な厚みに調製した後、８０〜２５０℃程度で加熱硬化させて形成する方法等が用いられる。

一方、弾性層４は熱・光硬化性のエポキシ（変性）樹脂、ビニル系樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン系樹脂等の、熱可塑性の（メタ）アクリレート系樹脂、ポリカーボネート系樹脂等を用いて形成してもよい。

弾性層４を熱・光硬化性の樹脂材料で形成する場合には、半導体発光素子３が実装された凹部２の表面全体に熱・光硬化性樹脂の硬化前の液状材料を適度な厚みに塗布した後、加熱又は光照射して硬化させることにより弾性層４を形成することができる。

なお、前記弾性層４として樹脂成分、好ましくはシリコーン系樹脂を用いる場合には、樹脂中にシランカップリング剤を配合することにより、さらに封止層５との密着性を高めることができる。

そのようなシランカップリング剤の具体例としては、例えばγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、β―（３，４エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシランや、γ―アミノプロピルトリエトキシシラン等アミノ基末端を有するシランカップリング剤等が挙げられる。

前記樹脂成分にシランカップリング剤を配合する場合の配合割合としては、樹脂成分１００質量部に対して０．２〜２質量部程度であることが好ましい。

また、弾性層４を熱可塑性樹脂で形成する場合には、予め基材に形成された凹部２に熱可塑性樹脂溶融物をポッティングする等により載置した後、加熱した型でプレスすることにより熱可塑性樹脂を所望の厚みに調整し、そのまま冷却した後、型から取り出すことにより弾性層４を形成することができる。

なお、弾性層４の厚みは、凹部２の深さ・表面積・形状や半導体発光素子３の厚み、表面積、封止層５の厚み等により適宜調整されるため特定することはできないが、通常９０〜１０００μｍ程度、更には９０〜４００μｍ程度であることが耐光性、耐熱性及び低波長域の光の透過性に優れている点から好ましい。

なお、弾性層４は図１のように半導体発光素子３と凹部２の表面全体とを被覆するように形成されるが、層の厚みや形状は一様でなくてもよい。

すなわち、図１のように弾性層の厚みが半導体発光素子３の厚みよりも充分に厚くてもよく、また、図２のように凹部２の底面を下面としたときに半導体発光素子３の上面と弾性層４の上面とが略同一の高さ（すなわち、半導体発光素子３が露出しない程度）になるように形成してもよい。この場合には半導体発光素子３の輪郭（エッジ）により弾性層４の表面に形成される凹凸を無くして、封止層５を形成する際に発生する応力や半導体発光装置に掛かる外的応力を前記輪郭により形成される凹凸部に集中しないようにすることができる点から好ましい。

また、図３のように凹部２の底面を下方とした場合に、弾性層４の厚みが半導体発光素子３の厚みよりも薄くなるように形成されていてもよい。この場合には、半導体発光装置に外的応力が掛かった場合に半導体発光素子かかる応力を分散させることができ、弾性層にクラック等が発生するおそれを軽減することができる。

封止層５はゾル−ゲル法を用いて金属水酸化物前駆体を縮合することにより形成される金属酸化物からなる層であり、このような金属酸化物を封止材として用いることにより耐熱・耐光性に優れた半導体発光装置を得ることができる。

前記金属酸化物は前述の弾性層４の形成に用いられるゾル−ゲル法を用いて得られる金属酸化物を製造するのと同様の方法で得られる。

なお、封止層５の形成に用いられるゾル−ゲル法を用いて得られる金属酸化物もシラン含有アルコキシドを含有することが好ましい。

封止層５は、金属アルコキシドを加水分解して得られる液状の金属水酸化物前駆体を縮合反応させてポッティング可能な適度な粘度に半硬化させた後、弾性層４が形成された凹部にポッティングし、加熱硬化させる方法等により弾性層４の場合と同様に形成される。

封止層５は、図１〜図３に示すように凹部を凹部周囲の基板表面と略同一の平面になるように形成したり、また、図４のようにレンズ状に形成してもよい。このようにレンズ状に形成した場合には、そのレンズ効果により半導体発光素子から発せられる光の光取出効率を高めることができる。

本発明における封止層５を形成する金属酸化物の弾性率は、通常１５００〜３０００ＭＰａ程度である。

また、本発明においては、弾性層４を形成する材料の弾性率は封止層５を形成する金属酸化物の弾性率よりも低いことを特徴とする。

具体的には、弾性層４を形成する材料の弾性率は封止層５を形成する金属酸化物の弾性率に比べて１／１００〜１／３倍、更には１／１００〜１／１０倍程度である場合には半導体発光装置に掛かる外的応力を適度に緩和して発光素子を保護する点から好ましい。

前記のような、弾性層４及び封止層５に用いられる材料の好ましい組合せとしては、以下のようなものが挙げられる。

すなわち、弾性層４の材料としてシリコーン系樹脂、ゴム変性等の変性エポキシ樹脂、比較的低架橋の金属酸化物と封止層５の材料として金属酸化物、特にシロキサン結合を含有する金属酸化物等との組合せが好ましく用いられる。

これらのうち前記シリコーン系樹脂とシロキサン結合を含有する金属酸化物との組合せは、特に、耐光性、耐熱性、光透過性のバランスに優れている点から好ましい。

なお、本発明における弾性層４及び封止層５には半導体発光素子３からの光の波長を変換する目的で蛍光体等を分散させてもよい。

さらに、本発明の半導体発光装置には、さらに、半導体発光装置の光取出側の何れかの位置に蛍光体等を分散させた波長変換板を設けたり、レンズ構造を設けてもよい。

このようにして、得られる本発明の半導体発光装置は、例えば、各種表示灯や屋内外の照明等をはじめとする各種用途に用いられる。

本発明の半導体発光装置の一実施形態である。 本発明の半導体発光装置の一実施形態である。 本発明の半導体発光装置の一実施形態である。 本発明の半導体発光装置の一実施形態である。

符号の説明

１ 基板
２ 凹部
３ 半導体発光素子
４ 弾性層
５ 封止層
６ 電気回路
７ レンズ

Claims (7)

1. 基板に形成された凹部の表面に半導体発光素子が実装された半導体発光装置において、前記半導体発光素子と前記凹部の表面全体とを被覆するように弾性層が形成され、更に前記凹部は前記弾性層を介して金属酸化物からなる封止層により封止されており、前記金属酸化物はゾル−ゲル法を用いて金属水酸化物前駆体を縮合することにより得られるものであり、且つ、前記弾性層を形成する材料が前記金属酸化物よりも貯蔵弾性率が低い材料であることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記金属酸化物がシロキサン結合を含有する請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記凹部の底面を下方とした場合に、前記弾性層が前記半導体発光素子の上面全体を覆うように形成されている請求項１又は請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 前記凹部の底面を下方とした場合に、前記弾性層の上面が前記半導体発光素子の上面と略同一の高さになるように形成されている請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体発光装置。
5. 前記凹部の底面を下方とした場合に、前記弾性層の厚みが前記半導体発光素子の厚みよりも薄くなるように形成されている請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体発光装置。
6. 前記弾性層が金属水酸化物前駆体を縮合することにより得られる金属酸化物からなり、前記弾性層を形成するための前記金属水酸化物前駆体の一金属原子当りの反応基が前記封止層を形成するための金属水酸化物前駆体の一金属原子当りの反応基よりも少ない請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体発光装置。
7. 前記弾性層がシランカップリング剤を含有するシリコーン系樹脂である請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体発光装置。

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