JP2007109908A - 発光素子搭載用の支持体 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体素子を高い精度で実装することができる支持体とする。
【解決手段】 本発明は、セラミックスを材料とする基材に導体配線を備え、発光素子が配置される搭載部を有する発光素子搭載用の支持体において、上記搭載部は、上記発光素子が搭載される側に凸であり、且つ、高低差が５．０μｍから２５μｍである曲面を有することを特徴とする発光素子搭載用の支持体である。さらに、搭載部の高低差のより好ましい範囲は、１３μｍから１７μｍである。これにより、支持体は、発光素子を高い精度で実装することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明器具、ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト光源などに利用できる発光装置について、発光素子を搭載するための支持体に関する。

照明器具、液晶ディスプレイのバックライトなどの発光装置として、半導体発光素子を利用したものがある。例えば、特開２００４−２０７６７２号公報に開示される従来の発光装置において、支持体は、凹部を有し、その凹部の底面に設けられた載置部に発光素子が配置されている。このような支持体は、セラミックスを材料とする基材に、タングステン、ニッケル、銀のような金属を材料として、発光素子に電力を供給するための導体配線や、発光素子の光を発光観測方向に反射させるための反射部材を備えている。

このような支持体の形成方法についてより具体的に説明する。まず、セラミックスの材料を含む未焼成のシート状成型体を所望の形状とした後、積層させ、加圧する。ここで、シート状成型体に導体配線や反射部材の下地層のパターンを形成させておく。次に、そのシート状成型体を焼成することによって基材とする。さらに、基材に形成された下地層のパターンに、鍍金などの方法により他の金属材料を配置して、導体配線や反射部材とする。

このように、セラミックスを材料とする半導体素子搭載用の支持体は、一般的に、積層、加圧、焼成および鍍金の工程を経て形成される。

特開２００４−２０７６７２号公報。

しかしながら、上述したような種々の工程を経て形成された支持体は、基材の材料の特性、各工程中での外力や熱などの影響により、基板の反り、支持体の表面における隆起などの変形を有することがある。特に、外形の大きさが２００μｍから１ｍｍ四方程度の半導体素子を搭載する支持体は、高い実装精度が要求され、僅かな反りであっても、半導体装置の特性に影響を及ぼすこととなる。

例えば、半導体素子を配置する搭載部が反りを有するとき、反りの量が所定の大きさ以上であると、半導体素子が所定の位置に精度よく実装できない。このように、反りの大きい搭載部に実装された発光素子は、発光装置ごとの配光性にばらつきを生じさせ、発光装置の光学特性を低下させてしまう。

また、半導体素子が配置される側に凸の曲面からなる反りを有する搭載部について、その反りが最も大きい頂部に半導体素子が配置されると、半導体素子から支持体への放熱性が低下してしまうことがある。これは、反りの量が所定の大きさ以上であると、その頂部の周囲において、半導体素子の裏面と、その搭載部の表面との間隔が大きくなり、熱の移動が円滑に行われなくなるためであると考えられる。

その一方、搭載部における反りが小さいときや、半導体素子が配置される側に凹の曲面からなる反りのときは、発光素子からの光取り出し効率が低下してしまうことが考えられる。

そこで、本発明は、半導体素子の実装性を向上させつつ、半導体素子の特性を向上させることができる半導体素子搭載用の支持体を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために本発明に係る発光素子搭載用の支持体は、セラミックスを材料とする基材に導体配線を備え、上記発光素子が配置される搭載部を有する発光素子搭載用の支持体において、上記搭載部は、上記発光素子が搭載される側に凸であり、且つ、高低差が５．０μｍから２５μｍである曲面を有することを特徴とする。上記高低差は、１３μｍから１７μｍとすることが好ましい。

本発明の支持体により、発光素子は高い精度で実装されるため、光学特性のばらつきを低減させることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための支持体を例示するものであって、本発明は支持体を以下に限定するものではない。

また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

図１に示されるように、本形態の半導体装置は、支持体に半導体素子が配置されたものである。本形態の支持体は、半導体素子と接続する導体配線を備え、半導体素子が配置される搭載部を有する。このような半導体素子搭載用の支持体において、半導体素子を高い精度で実装でき、光学特性のばらつきを生じさせない支持体とするため、本発明者らは種々の検討を行った。その結果、上記搭載部は、半導体素子が搭載される側に凸であり、且つ、高低差が５．０μｍから２５μｍである曲面とすることにより課題を解決するに至った。

すなわち、本形態の半導体素子の搭載部は、その半導体素子の側に凸状に湾曲した曲面を形成しており、搭載部において測定した高低差の最小値が５．０μｍであり、最大値が２５μｍである。高低差が上記最小値より小さくなると、発光素子を搭載したときの光取り出し効率が低下すると考えられる。また、高低差が上記最大値より大きくなると、半導体素子ごとの実装精度のばらつきが大きくなるからである。このような曲面を有する支持体は、セラミックスの最適材料の選択、セラミックスグリーンシートの層厚、セラミックスの焼成条件、支持体に配置される導体配線や反射部材を形成する金属材料の選択や、それらの配置パターンなどを考慮することにより得られると考えられる。

本形態における高低差の測定は、搭載部の所定の領域を非接触型レーザにて測定したものである。図１は、本形態における発光装置の上面図であり、図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ方向の断面図である。図４は、本形態の搭載部を拡大した断面図である。図１に示されるように、本形態の支持体は、支持体の主面に垂直な方向から視認して、半導体素子の外形よりも大きい搭載部を有する。また、図２および図４に示されるように、搭載部は、概観すると半導体素子の方向に凸の曲面を形成している。この搭載部における高低差の測定範囲は、半導体素子の側に最も突出した点を頂点として、この頂点の接平面ａに平行な平面ｂ（図４中に点線で示される。）と、搭載部の最表面との交線からなる外形で囲まれた面内である。そして、高低差Δｈは、上記面内を走査して得た測定値の最大値および最小値の差とする。

半導体素子の搭載部は、支持体に備えられた導体配線の最表面や、半導体装置の光学特性を向上させるために支持体に設けられた金属材料からなる反射部材の最表面、あるいは導体配線や反射部材から露出されたセラミックスの表面とすることができる。

半導体素子は、エポキシ樹脂や共晶材を接着材として支持体に固定される。本形態にかかる支持体は、耐熱性の高いセラミックスを基材の材料とし、共晶材を接着材とすることにより、放熱性の高い半導体装置とすることができる。特に、本形態における支持体は、このような共晶材を接着材とする半導体装置において、半導体素子を高い精度で実装することができる。また、本形態の支持体により、半導体素子と支持体との接着強度を高い状態で維持することができる。

本形態の支持体は、半導体素子の搭載部に対して反対側に位置する裏面を、半導体装置の実装面とする。この裏面は、半導体素子の搭載部における曲面とほぼ同じ曲率で、搭載部の方向へ凸状に湾曲している。半導体装置は、その半導体装置に電気的に接続する外部の配線基板に実装されるが、本形態にかかる支持体の上記裏面を、配線基板に対する実装面とすることにより、安定に実装することができ、さらに、半導体装置から配線基板への放熱性を向上させることができる。

さらに、高低差は、１３μｍから１７μｍとすることがより好ましい。これにより、支持体に対する発光素子の高実装性と、発光素子出射光の高光取り出し効率を両立させることができる。すなわち、光取り出し効率を向上させようとして高低差を大きくすると、発光素子の実装精度が低下し、実装精度を向上させようとして高低差を小さくすると光取り出し効率が低下してしまう。そこで、上記高低差の範囲とすることにより、半導体素子を高い精度で実装できるだけでなく、発光素子を搭載したときの光取り出し効率を向上させることができる。以下、本形態の各構成について詳述する。

（支持体）
本形態の支持体は、基材に導体配線が施されたものであり、半導体素子を搭載することができる大きさ及び形状の搭載部を有する。本形態における基材とは、半導体素子に電気的に接続する導体配線や、半導体素子の光学特性を向上させるための反射部材が配置され、支持体を形成させるためのものである。基材は、例えば、アルミ、鉄入り銅を主な材料とするリードフレームや、ガラスエポキシ樹脂、セラミックスを材料とするものを挙げることができる。あるいは、支持体は、上記リードフレームを樹脂にインサート成型させたパッケージとすることができる。支持体は、半導体素子を収納する大きさ及び形状を有する凹部を設けたものや、板状に形成されたものとすることができる。

特に、セラミックスを材料とすることにより、耐熱性の高い支持体とすることができる。セラミックスは、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素から選択された少なくとも一種を含む材料とすることが好ましい。特に、原料粉末の９０〜９６重量％がアルミナであり、焼結助剤として粘度、タルク、マグネシア、カルシア及びシリカ等が４〜１０重量％添加され１５００から１７００℃の温度範囲で焼結させたセラミックスや原料粉末の４０〜６０重量％がアルミナで焼結助剤として６０〜４０重量％の硼珪酸ガラス、コージュライト、フォルステライト、ムライトなどが添加され８００〜１２００℃の温度範囲で焼結させたセラミックス基板などが挙げられる。

セラミックスの粉体と、バインダー樹脂を混合して得られる材料をシート状に成型して得られるセラミックスグリーンシートを積層させて焼成することにより、板状の支持体とすることができる。あるいは、セラミックスグリーンシートに種々の大きさのスルーホールを形成して積層することにより、凹部を有する支持体とすることができる。

支持体に配される導体配線の下地層は、未焼成のセラミックスグリーンシートの段階で、タングステン、モリブデンのような高融点金属の微粒子を含む導体ペーストを所定のパターンに塗布することにより得る。さらに、セラミックスグリーンシートを焼成した後、下地層に、ニッケル、金あるいは銀から選択された少なくとも一種の金属を鍍金して導体配線や反射部材とすることができる。なお、発光素子からの光に対して高い反射率を有する銀を最表面に配置することが好ましい。

なお、セラミックスを材料とする支持体は、上述のように、導体配線を有する支持体として一体的に形成する他、予め焼成されたセラミックスの基材に、スパッタリングや鍍金などの方法により導体配線や反射部材が形成されたものとすることもできる。

（半導体素子）
本形態における半導体素子は、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子を挙げることができる。さらに、本形態における支持体は、発光素子だけでなく、受光素子、およびそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子（例えば、ツェナーダイオードやコンデンサー）、あるいはそれらを組み合わせたものを搭載することもできる。

発光素子の一例として、ＬＥＤチップについて説明する。ＬＥＤチップを構成する半導体発光素子としては、ＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を使用したものを挙げることができるが、蛍光物質を有する発光装置とする場合には、その蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。例えば、ＬＥＤチップは、可視光領域の光だけでなく、紫外線や赤外線を出力する発光素子とすることができる。

半導体素子は、その電極がバンプと呼ばれる導電性材料を介して、支持体やサブマウントと呼ばれる補助部材の導体配線にフリップチップ実装されて電気的および機械的に接続することもできる。サブマウントに実装された半導体素子は、複合的な素子として、半導体素子単体と同様に本形態の支持体の搭載部に配置することができる。

半導体素子と支持体との固定は、金ペーストや銀ペーストのような導電性接着材や、Ａｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、ＳｎおよびＺｎから選択された少なくとも一種を含む共晶材（例えば、Ａｕ−Ｓｎ）、あるいは、ＡｕおよびＡｇから選択された少なくとも一種を含む鑞材や、エポキシ樹脂などの透光性樹脂を接着材とすることにより行うことができる。特に、共晶材や鑞材のような金属材料を接着材とすることにより、半導体素子からの放熱性を向上させることができる。このような金属材料を接着材として、半導体素子は、支持体の導体配線に配置されていることが好ましい。これにより、半導体素子からの放熱性を向上させることができる。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

図１は、本実施例における発光装置の上面図であり、図２は、本実施例の発光装置のＩＩ−ＩＩ断面図である。図４は、本実施例における発光素子の搭載部を拡大して示す断面図である。なお、図２および図４において、発光素子の側に凸の曲面による搭載部の高低差を明確にするため、高低差がない仮想的な搭載部を点線で示す。

本実施例の支持体１０１は、アルミナセラミックスを材料とする基材に、タングステン、ニッケル、銀を材料とする導体配線が施されたものである。支持体１０１は、凹部を有し、その凹部の底面にＬＥＤチップ１０９が配置された搭載部１０８を有する。本実施例においては、凹部の底面に配置された導体配線の一部を半導体素子の搭載部１０８とさせてある。さらに、ＬＥＤチップ１０９は、蛍光物質を含有するシリコーン樹脂により形成された被覆部材２０１により被覆されている。

以下、本実施例の導体配線の配置パターンについて説明する。本実施例における導体配線は、ＬＥＤチップ１０９を配置する搭載部１０８を有し凹部の底面の中央に位置する第一の領域と、その第一の領域から三時の方向に延在しており、ツェナーダイオード１１１が配置される第二の領域と、を有する第一の部位１０２を有する。なお、第一の部位１０２は、導体配線の面積が第一の領域から第二の領域の方向に向かって漸次小さくなる括れ部を有する。半導体素子の接着材は、導体配線に沿って流動する傾向があるため、このような括れ部を有することにより、所定の領域以外への接着材の流動を抑制することができる。また、本実施例における導体配線は、第一の領域の六時、九時および十二時の方位に対称となるように、それぞれ三日月形状に形成させた第二の部位１０３、第三の部位１０４、第四の部位１０５を有する。これらの第一の部位から第四の部位は、それぞれ分離させて凹部の底面に配置されており、それらの間には基材の材料であるセラミックスが露出されている。導体配線の各部位は、支持体の厚み方向に延伸して設けられた貫通部や、支持体の内部に付設された配線によって、支持体の四隅の切り欠き部に設けられた電極へ電気的に接続されている。ＬＥＤチップ１０９およびツェナーダイオード１１１の電極は、導電性ワイヤ１０７により上記各部位と接続されている。

本実施例の支持体１０１は、未焼成セラミックスグリーンシートを種々の形状とし、積層、加圧および焼成することにより形成させる。本実施例におけるセラミックス焼成後の層厚は、凹部の底面の側から側壁まで、それぞれ０．２０ｍｍ、０．４５ｍｍ、０．１５ｍｍである。

図４に示されるように、本実施例における搭載部１０８の高低差Δｈは、非接触型レーザ（Ｎｉｋｏｎ社製ＮＥＸＩＶ（製品名））を使用して、スポット径７μｍにて任意の倍率で測定したものであり、約５μｍである。なお、本実施例のＬＥＤチップの大きさは、６００μｍ四方の正方形である。さらに、搭載部内にて高低差を測定する領域は、図１においてＬＥＤチップの周囲に斜線で示すように、ＬＥＤチップ１０９の外形よりも大きい８００μｍ四方の領域とする。

本実施例のような支持体することにより、従来よりも発光素子の実装精度を向上させることができる。

本実施例の支持体は、実施例１と同様にして、焼成条件やセラミックスの層厚を調整することにより、高低差を１５μｍとする。本実施例により、発光素子の実装精度および光取り出し効率が向上された支持体とすることができる。

本実施例の支持体は、実施例１と同様にして、焼成条件やセラミックスの層厚を調整することにより、高低差を２５μｍとする。本実施例により、上記実施例と比較して発光素子の実装精度が多少低下するものの、発光素子からの出射光の光取り出し効率が向上された支持体とすることができる。

図１は、本実施例における発光装置の上面図である。図３は、本実施例における発光装置の断面図を示す。本実施例における発光装置２００は、上述した各実施例に示す発光装置の支持体１０１に、発光観測面方向に凸のレンズ形状を有する透光性部材を形成させたものである。透光性部材は、シリコーン樹脂を材料とし、凹部の開口部の側に、圧縮形成により形成される。この透光性部材は、上記レンズ形状を有する透光部３０１と、凹部の側壁上面に固定される鍔部３０２とを有する。鍔部３０２は、凹部の側壁の上面を所定の厚みで被覆するように配置されており、その一部は、凹部の開口部の外側にて支持体の四隅にそれぞれ設けられた穴１１０の内部に延在されている。このように鍔部の一部を穴１１０内に延在させることにより、透光性部材は、支持体に強固に固定される。そのため、透光性部材が支持体から脱落することがなくなり、本実施例の発光装置は、信頼性の高い発光装置とすることができる。

また、支持体の四隅に設けられた切り欠き部１０６の壁面に形成される電極は、凹部の開口部の側から見て、凹部の開口部を形成させる側壁に塞がれるように形成されている。なお、本実施例の上面図である図１において、開口部の側から見て切り欠き部１０６は視認されないため、点線にてその外形（四分の一円弧）を示している。これにより、透光性部材を圧縮成型するとき、透光性部材の材料は、電極が設けられた切り欠き部１０６の方へ流出することが抑制される。したがって、電極が透光性部材により被覆されることがなくなり、発光装置の半田付け不良を低減させることができる。

本発明は、照明器具、ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト光源などに利用される発光装置の支持体として利用することができる。

図１は、本発明の一実施例における発光装置の上面図である。 図２は、本発明の一実施例における発光装置のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図３は、本発明の一実施例における発光装置の断面図である。 図４は、本発明の一実施例における発光素子の搭載部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１００、２００・・・発光装置
１０１・・・支持体
１０２・・・導体配線の第一の部位
１０３・・・導体配線の第二の部位
１０４・・・導体配線の第三の部位
１０５・・・導体配線の第四の部位
１０６・・・切り欠き部
１０７・・・導電性ワイヤ
１０８・・・搭載部
１０９・・・発光素子
１１０・・・穴
１１１・・・保護素子
２０１・・・被覆部材
３０１・・・透光性部材の透光部
３０２・・・透光性部材の鍔部

Claims (2)

1. セラミックスを材料とする基材に導体配線を備え、発光素子が配置される搭載部を有する発光素子搭載用の支持体において、
   前記搭載部は、前記発光素子が搭載される側に凸であり、且つ、高低差が５．０μｍから２５μｍである曲面を有することを特徴とする発光素子搭載用の支持体。
2. 前記高低差が１３μｍから１７μｍである請求項１に記載の発光素子搭載用の支持体。
   
   

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