JP2007281146A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の発光素子に適用できる放熱性と共に信頼性が高い半導体発光装置を提供する。
【解決手段】サブマウント４を介して、発光素子２がろう材５，７によって固定される放熱部材３の表面の、発光素子２の平面領域の中心部を除く領域に、溝６が設けられ、この溝６の周りの放熱部材の変形により、応力を吸収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に白色光を使用する発光素子を用いた照明装置あるいはプロジェクタの光源等に使用される、半導体発光装置に関するものである。

発光素子の中でも、特に、消費電力の大きい５Ｗ以上の投入電力を必要とする一辺のサイズが１ｍｍ以上のラージサイズの発光素子を備えた高出力タイプの半導体発光装置では、放熱対策を必要とする。このような放熱対策として、従来より、図６に示されるように、発光素子１００がサブマウント１０１を介して放熱部材１０２にろう材１０３により固定された構造が、一般に用いられている。

通常、１ｍｍ角程度大きさの発光素子であれば、サブマウント無しに金属の上に金錫合金（ＡｕＳｎ）などのろう材で直接ダイボンドを行なっても、熱膨張率の差による応力の発生をろう材がある程度吸収して緩和するため、発光素子が劣化することは少ない。

サブマウント基板の熱膨張率を発光素子とメタルコア基板の熱膨張率の中間に設定することによって、応力を緩和させる技術が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示の技術においては、メタルコア基板は放熱のために金属とし、絶縁のために二つに分割されている。

また、面積の大きい基板に沢山の発光素子（ＬＥＤ）を配置する場合には、弾性率の低い軟質接着剤を介することによって、応力を吸収する発明も存在している（たとえば特許文献２参照）。発光素子だけでなく、配線のためのワイヤについてもワイヤの材質の金（Au）とパッケージ用の封止樹脂との熱膨張率を近づけることによって、ワイヤ剥がれやワイヤ切れを無くすという考え方もある（たとえば特許文献３参照）。さらに、発光素子と電極、電極とバックアップ材（ろう材と電極の収縮を拘束する部材で、半導体素子に対して熱膨張係数が近いもの）とのそれぞれの熱膨張係数の最適化を図ることが、特許文献４に記載されている。
特開２００３−３０３９９９号公報 特開２０００−１８３４０３号公報 特開２００４−１７２６３６号公報 特許第３７１２５３２号公報

高出力のラージサイズの発光素子については、放熱という目的では発光素子を金属の放熱部材にろう材を使用して直接ダイボンドして固定するのが良好である。しかしながら、発光素子の一辺のサイズが１ｍｍを超えるような場合には、素子自身の熱膨張率と放熱部材としての金属の熱膨張率との違いによって発生する応力が無視できなくなって、特に応力がろう材部分で緩和できなくなってくると、ダイボンド部分の剥がれや、発光素子自体に応力が掛かり、劣化が早まったり、破損が生じてくるという問題を引き起こす。また、発光素子への応力の緩和をするために、ほぼ同じ熱膨張率であるセラミック（ＡｌＮ）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）をサブマウントとして用いる場合もある。しかし、発光素子の一辺のサイズが１ｍｍを越え３ｍｍないし５ｍｍにも達してくると、サブマウントもそれにつれて大いものが必要となる。したがって、大きなサブマウントと放熱部材である金属との間の応力も非常に大きくなり、やはり、サブマウントと金属の放熱部材との間でダイボンド部分の剥がれや破損が生じてくる。

放熱部材も金属ではなく、サブマウントで使用しているＡｌＮやＳｉＣにするか、サブマウント自体を大きくしてパッケージの一部とすることも考えられるが、これらの材料は非常に高価で、かつ加工が困難な材料であるため発光装置が高価なものになるという問題を生じる。

以上のように、大きな発光素子をダイボンドする場合に、サブマウントを使用しても、サブマウントとサブマウントがダイボンドされている放熱部材との間で、発熱に伴う熱膨張を原因とする部材間の応力による剥がれや破損が生じてしまうという問題が存在する。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、５Ｗ以上の投入電力を必要とする一辺のサイズが１ｍｍ以上のラージサイズの発光素子に適用できる放熱性が良く、かつ信頼性が高い半導体発光装置を提供することを目的とする。

このような課題を解決するため、本発明の半導体発光装置は、発光素子がサブマウンを介して放熱部材にろう材を使用して固定された半導体発光装置であり、サブマウントが固定される放熱部材の面に溝を有している。

また、溝は、少なくともサブマウントの下面に対向する放熱部材の面に設けられていることが望ましい。さらに発行素子の中心直下には溝を形成しないほうがよく、サブマウントをシリコンカーバイトもしくは窒化アルミ二ウムにより構成すると良い。さらに、溝の深さを発光素子の厚みと同じ寸法とすることや、サブマウントの厚みと同じ寸法とすると良い。サブマウントの熱膨張係数を、４×１０^-6/ｋから６×１０^-6/ｋとなるように構成し、また放熱部材に銅あるいは銅合金により構成し、さらにまたサブマウント及び放熱部材の前記発光素子を設けた側の面を光の反射率９０％以上とする部材で覆う構成も好ましい構成と考えられる。

本発明によれば、サブマウントが固定される放熱部材の面に溝を有しているので、この溝のために放熱部材が変形し易くなり、熱膨張が原因で生じる応力が吸収されたり、緩和されることによって、放熱部材からサブマウントが剥がれたり、破損したりすることを防ぐことができる。

この結果、熱伝導性の良いサブマウントと金属の放熱部材とをダイボンドで固定できるので、非常に放熱性の良い半導体発光装置を構成することが可能となる。また、サブマウントには、絶縁材料が使用可能で、表面をメタライズすることによって回路パターンを作製し、複雑なワイヤボンド無しに簡単な配線が行なえる利点もある。また、回路パターンによっては、複数の発光素子をサブマウントの上にアッセンブリすることもできる。放熱部材を金属により構成すると加工性が良いので、パッケージの一部として形成し、パッケージ外への放熱がし易くなり、量産にも向いているのでコストも低減化できる。

以下、図面に基づいて、本発明に実施の形態について説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る半導体発光装置を示す斜視図である。図２および図３には、本発明の同実施形態に係る放熱部材、サブマウント、発光素子とろう材部分の斜視図と断面図を示している。

本実施形態の半導体発光装置においては、樹脂パッケージ部１内に発光素子２が放熱部材３に、サブマウント４を介してろう材５を使用して固定されている。また、サブマウント４が固定される放熱部材３の面３ａには溝６が形成されている。すなわち、放熱部材３のダイボンド側の面３ａに溝６が形成され、その上に半田や銀ペーストなどのろう材５を使用してサブマウント４がダイボンドされる構成となっている。さらに、サブマウント４の上には、金錫合金（ＡｕＳｎ）や半田などのろう材７を使用して発光素子２がダイボンドされている。

サブマウント４の表面は金属の蒸着などによってメタライズされており、ろう材５，７と馴染んで接着しやすくすると共に、配線パターンやワイヤボンドのための電極、フリップチップの場合の電極などが形成されており、このような配線が簡略化できるようになっている。また、配線のパターンによっては、複数の発光素子を一つのサブマウント４に搭載することも可能である。サブマウント４の材質には、熱伝導率が高くて熱膨張率が発光素子２のそれに近い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）などが用いられる。

放熱部材３は金属（例えば、銅Cuや銅合金）でできているために、熱膨張係数が約17×10^−６/ｋとサブマウント４に使用するＳｉＣの４．７×１０^−６／ｋ、ＡｌＮの５．０×１０^−６／ｋに比べて非常に大きい。そのため、サブマウント４と放熱部材３との間で熱膨張の差による応力が生じる。発光素子２の材質が窒化ガリウム（ＧａＮ）の場合には、熱膨張係数が５．６×１０^−６／ｋであるので、発光素子２とサブマウント４間での応力の発生は小さい。この放熱部材３とサブマウント４の間の応力を低減するために、放熱部材３の表面に溝６を形成している。熱膨張による応力がこの溝６の周辺部分が変形することによって緩和される。ただし、溝６を形成することによって、サブマウント４と放熱部材３とが接触する面積が減少する。この減少分だけ、両者間での熱伝達が悪くなる。特に発光素子２の中心部２ａは温度が高くなるので、この直下３ｂには溝６を形成しないようにすることによって、大幅な熱伝達特性の悪化を防ぐことができる。
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。溝６の形成については、放熱部材の直下や、発光素子の中心直下に形成することさえ避ければ、かなり自由度が大きく配置構成することができる。そこで、本発明の実施形態２においては、図４に示すように、放熱部材３ｘの表面に、発光素子２の中心直下３ｂを含む長方形状を形成するように、溝６を直線状に形成している。

発光素子２が占める平面領域内では、溝６で囲まれた領域は、約１ｍｍ^２以下程度に分割されていることが望ましい。ろう材５，７が発光素子２やサブマウント４に這い上がって側面に付着していると、界面剥離やクラックが生じやすいため、ろう材５，７の量は適切な量にしなければならない。しかしながら、本実施形態のようにダイボンド面に溝６が形成されていると、余分なろう材５，７は溝６に溜まるので、ろう材５，７の這い上がりを防ぐこともできる。

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３について，以下に説明する。実施形態３においては、図５に示すように、溝６を放熱部材３ｙの平面領域および発光素子２の中心直下３ｂに形成することなく、円形状に形成している。この実施形態の場合も、ろう材５，７が発光素子２やサブマウント４に這い上がって側面に付着しないように、ダイボンド面に溝６が形成されているので、余分なろう材５、７は溝６に溜まり、這い上がりを防ぐこともできる。

以上のように、いずれの実施形態においても、基本的に、サブマウント４領域の下にある放熱部材３，３ｘ，３ｙは、溝６によって分割されていることにより、各部材間の熱膨張差による応力が緩和される。ただし、最も大きな応力が生じてサブマウント４が破損するのは、サブマウント４の外縁部分である場合が多い。そのため、その部分の応力を緩和するために、サブマウント４の外縁部分４ａを溝６の上にせり出させて、浮いた状態（自由端）にするのが良い場合もある。しかしながら、そのような構成にすると、実際の製品のアッセンブリが困難な場合もある。要は、溝６の配置を適切に設計し、溝６によって応力が緩和されるように構成されていれば良い。

また、一般に、サブマウント４の材料としてＳｉＣやセラミックを、放熱部材の材料として銅や銅合金などの金属を用いることが考えられる。しかしながら、これらの材料の光の反射率は、可視光や、それよりも波長の短い青紫光に対して十分とは言えない。そこで、サブマウント４や放熱部材３の表面に、銀（Ａｇ）やニッケル、パラジウムなどの反射率の高い材料をめっきや蒸着によって付けて、これらの光に対する反射率を９０％以上にすることが好ましい。これによって、発光素子２から出た光が、サブマウント４や放熱部材３で反射されて発光素子２上面の光軸方向に出て行くため、光軸方向の光量が増える効果が得られる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

以上のように本発明による半導体発光装置は、放熱性と信頼性を兼ね備えた構造とすることができ、製造加工性も良いことから、量産に優れる。そのため、主に高出力の発光素子を用いる照明装置に使用し、あるいはプロジェクタの光源として利用可能である。

本発明の実施形態１に係る半導体発光装置を示す斜視図である。 本発明の同実施形態に係る半導体発光装置に備わった放熱部材、サブマウント、発光素子のダイボンドされた形状を示す斜視図である。 本発明の同実施形態に係る半導体発光装置に備わった放熱部材、サブマウント、発光素子のダイボンドされた形状を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る半導体発光装置に備わった放熱部材の平面図である。 本発明の実施形態３に係る半導体発光装置に備わった放熱部材の平面図である。 従来技術の半導体発光装置における放熱部材、サブマウント、発光素子のダイボンドされた形状を示す断面図である。

符号の説明

１ 樹脂パッケージ部、２ 発光素子、２ａ 中心部、３，３ｘ,３ｙ 放熱部材、３ａ サブマウント４が固定される放熱部材３の面、３ｂ 中心直下、４ サブマウント、５，７ ろう材、６ 溝。

Claims (10)

1. 発光素子がサブマウンを介して放熱部材にろう材により固定された半導体発光装置であって、前記サブマウントが固定される前記放熱部材の面に溝を有する、半導体発光装置。
2. 前記溝が、少なくとも、サブマウントの下面に対向する前記放熱部材の面に設けられている、請求項１記載の半導体発光装置。
3. 前記発光素子の中心直下には溝が形成されていない、請求項１または２記載の半導体発光装置。
4. 前記サブマウントをシリコンカーバイトにより構成した、請求項１記載の半導体発光装置。
5. 前記サブマウントを窒化アルミ二ウムにより構成した、請求項１記載の半導体発光装置。
6. 前記溝の深さを前記発光素子の厚みと同じ寸法とした、請求項１記載の半導体発光装置。
7. 前記溝の深さを前記サブマウントの厚みと同じ寸法とした、請求項１記載の半導体発光装置。
8. 前記サブマウントの熱膨張係数が、４×１０^-6/ｋから６×１０^-6/ｋである、請求項１記載の半導体発光装置。
9. 前記放熱部材が、銅あるいは銅合金により構成されている、請求項１記載の半導体発光装置。
10. 前記サブマウントおよび前記放熱部材の前記発光素子を設けた側の面が、光の反射率９０％以上とする材料で覆われている、請求項１の記載の半導体発光装置。

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