JP2007288097A - フリップチップ型半導体発光素子用の実装基板、フリップチップ型半導体発光素子の実装構造及び発光ダイオードランプ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】透光性基板と、前記透光性基板上に積層された半導体層と、前記半導体層の前記透光性基板側とは反対側に形成された負電極パッド及び正電極パッドとが備えられ、前記の各電極パッドの平面視形状が相互に同一の形状とされたフリップチップ型半導体発光素子が実装される実装基板10であって、実装の際に前記の各電極パッドが接続される一対の電極パターン10c、10cと、電極パターン10cに接続された配線パターン10dとを具備してなり、一対の電極パターン10cの平面視形状が相互に同一の形状とされていることを特徴とするフリップチップ型半導体発光素子用の実装基板10を採用する。
【選択図】図2
Description
基板102上に形成された半導体層103は、窒化アルミニウムからなるバッファ層103aと、n−GaN層103bと、n−GaNからなる下部クラッド層103cと、多重量子井戸構造の井戸層となる活性層(発光層)103dと、p−AlGaNからなる上部クラッド層103eと、p−GaNからなるコンタクト層103fとが順次積層されて構成されている。この半導体層103の一部には、n−GaN層103bが露出するまで下部クラッド層103c、活性層(発光層)103d、上部クラッド層103e及びコンタクト層103fが削り取られることにより、負電極取付け用の凹部103gが形成されている。
このように、実装基板110の電極パターン111,112及び発光素子101の各電極104、105の面積の違いによって、発光素子101が実装基板110の設計上の目標位置から外れて接合されてしまい、場合によっては面積の小さな負電極105と、負電極用の電極パターン112との接合が不可能になるおそれがあった。
(1) 透光性基板と、前記透光性基板上に積層された半導体層と、前記半導体層の前記透光性基板側とは反対側に形成された負電極パッド及び正電極パッドとが備えられ、前記の各電極パッドの平面視形状が相互に同一の形状とされたフリップチップ型半導体発光素子が実装される実装基板であって、実装の際に前記の各電極パッドが接続される一対の電極パターンと、前記電極パターンに接続された配線パターンとを具備してなり、前記一対の電極パターンの平面視形状が相互に同一の形状とされていることを特徴とするフリップチップ型半導体発光素子用の実装基板。
(2) 一の前記電極パターン対して複数の配線パターンが接続され、前記電極パターンと前記配線パターンとの接続部に前記配線パターンの端面を露出させる段差部が設けられていることを特徴とする前項1に記載のフリップチップ型半導体発光素子用の実装基板。
(3) 前記複数の配線パターンが略線状に形成されると共に、前記一対の電極パターンから引き出される各配線パターンの引出し方向が相互に異なる方向とされていることを特徴とする前項2に記載のフリップチップ型半導体発光素子用の実装基板。
(4) 前記配線パターンが略線状に形成されると共に、前記配線パターンの線幅が500μm以下であることを特徴とする前項1ないし前項3のいずれかに記載のフリップチップ型半導体発光素子用の実装基板。
(5) 前項1ないし前項4のいずれかに記載のフリップチップ型半導体発光素子が実装される実装基板と、透光性基板と、前記透光性基板上に積層された半導体層と、前記半導体層の前記透光性基板側とは反対側に形成された負電極パッド及び正電極パッドとが備えられ、前記の各電極パッドの平面視形状が相互に同一の形状とされたフリップチップ型半導体発光素子とを具備してなり、前記正電極パッド及び前記負電極パッドが前記実装基板の各電極パターンに接続されていることを特徴とするフリップチップ型半導体発光素子の実装構造。
(6) 前項5に記載の実装構造を備えたことを特徴とする発光ダイオードランプ。
本実施形態のフリップチップ型半導体発光素子用の実装基板(以下、実装基板という)は、例えば、図1(A)乃至図1(C)に示すフリップチップ型半導体発光素子(以下、発光素子という)が実装される基板である。そこでまず最初に、発光素子の構成について説明する。
図1(A)乃至図1(C)に示す発光素子1は、平面視で略矩形状を示す窒化ガリウム系半導体発光素子と呼ばれるものであり、平面視略矩形状の透光性基板2と、透光性基板2に積層された平面視略矩形状の半導体層3と、半導体層3の透光性基板2側と反対側に形成された正電極4及び負電極5と、短絡防止用の絶縁膜6と、正電極4に接続される正電極パッド7と、負電極5に接続される負電極パッド8とから概略構成されている。
この正電極4は、Pt膜(厚み2nm)とAgNdCu膜(厚み60nm)とRh膜(厚み30nm)とが順次積層されてなる第1電極層4aと、Pt膜(厚み2nm)とRh膜(厚み120nm)とが順次積層されてなる第2電極層4bと、Cr膜(厚み40nm)とTi膜(厚み100nm)とAu膜(厚み200nm)が順次積層されてなる第3電極層4cとから構成されている。そして、第1電極層4aと半導体層3(コンタクト層3f)との間でオーミック接合が形成されている。
この負電極5は、Cr膜(厚み40nm)とTi膜(厚み100nm)とAu膜(厚み200nm)が順次積層されてなる電極層5aから構成されている。そして電極層5aと半導体層103(n−GaN層103b)との間でオーミック接合が形成されている。
絶縁膜6は、例えばSiO2膜により構成されており、その厚みは50nm乃至300nm程度とされている。
正電極パッド7は、正電極4に形成された厚み20nm程度のバリア層としての第1金属膜7aと、第1金属膜7a上に形成された厚み1μm程度の半田層7bと、半田層7b上に形成された厚み20nm程度の半田酸化防止層としての第2金属膜7cとにより構成されている。第1金属膜7aは例えばNiから構成され、半田層7bは400℃以下の溶融温度を示す単体金属または半田合金から構成され、より具体的には例えばAuSn合金から構成されている。第2金属膜7cは例えばAuから構成されている。
負電極パッド8は、負電極5上に形成された厚み20nm程度のバリア層としての第1金属膜8aと、第1金属膜8a及び絶縁膜6上に形成された厚み3μm程度の半田層8bと、半田層8b上に形成された厚み20nm程度の半田酸化防止層としての第2金属膜8cとにより構成されている。第1金属膜8aは例えばNiから構成され、半田層8bは400℃以下の溶融温度を示す単体金属または半田合金から構成され、より具体的には例えばAuSn合金から構成されている。第2金属膜8cは例えばAuから構成されている。
また、これら正電極パッド7及び負電極パッド8には、フラックスペースト中に半田粒子が含まれてなる半田ペーストが塗布されていてもよい。この半田粒子は、400℃以下の溶融温度を示す単体金属または半田合金から構成されることが好ましく、より具体的には例えばAuSn合金から構成されることが好ましい。
また、負電極パッド8と正電極4との間に短絡防止用の絶縁膜6を配置することによって、負電極パッド8と正電極4との短絡を防止できるとともに、負電極パッド8を正電極4の形成領域上にまで広げることができ、負電極パッド8及び正電極パッド7の形状の自由度を高めることができる。
更に、半導体層3の一部に切欠部3gを設けることによって、負電極5及び負電極パッド8を透光性基板2側と反対側に配置させ、同時に正電極パッド7をも透光性基板2側と反対側に配置させることができ、これにより発光素子1を実装基板等に実装する際に正電極パッド7及び負電極パッド8を実装基板側に向けて実装することが可能となり、フリップチップ構造を採ることが可能になる。
図2(A)には、本例の実装基板の平面模式図を示し、図2(B)には図2(A)のc−c’線に対応する断面模式図を示す。
図2(A)及び図2(B)に示すように、実装基板10は、アルミニウム等からなる金属基板10aと、金属基板10a上に積層された樹脂層からなる絶縁層10bと、絶縁層10b上に形成されたCu箔からなる一対の電極パターン10c、10cと、各電極パターン10cに接続された略線状の配線パターン10dから構成されている。
また、本例では、配線パターン10dの幅w1の値にかかわらず、幅w1と電極パターン10cの短辺部10c2の長さl1の比(w1/l1)を1/3以下にすることで、上述と同様に、溶融した半田が配線パターン10dに沿って流れにくくなり、これにより発光素子1のY方向またはY’方向に位置がずれるおそれがない。
(a) まず実装基板10の電極パターン10c、10cにそれぞれ、半田粒子が含有されてなる半田フラックスペーストをディスペンサ法または印刷法などにより薄く塗布する。次に、各パッド7、8が電極パターン10c、10c上に重なるように発光素子1を実装基板10に配置して仮止めする。次に、発光素子1と実装基板10を加熱炉に装入してリフローし、半田ペースト中の半田粒子及び各パッド7、8を構成する半田層7b、8bをそれぞれ溶融させてから凝固させることにより、各パッド7、8を実装基板10の電極パターン10c、10cにそれぞれ接合させる。
この方法によれば、実装基板10と発光素子1との接合を確実に行うことができる。
(b) まず実装基板10の電極パターン10c、10cにそれぞれ、半田膜を蒸着法やメッキで形成し、次いで半田膜上にフラックスペーストをディスペンサ法または印刷法により薄く塗布する。次に、各パッド7、8が電極パターン10c、10c上に重なるように発光素子1を実装基板10に配置して仮止めする。次に、発光素子1と実装基板10を加熱炉に装入してリフローし、半田膜及び各パッド7、8を構成する半田層7b、8bをそれぞれ溶融させてから凝固させることにより、各パッド7、8を実装基板10の電極パターン10c、10cにそれぞれ接合させる。
この方法によれば、上記(a)と同様に実装基板10と発光素子1との接合を確実に行うことができる。
一方、実装基板10の電極パターン10c、10cをそれぞれ、CuまたはNi/Auメッキなどで形成し、この電極パターン10c、10cを覆うようにフラックスペーストをディスペンサ法または印刷法により塗布する。次に、発光素子1の各パッドが電極パターン10c、10c上に重なるように発光素子1を実装基板10に配置して仮止めする。次に、発光素子1と実装基板10を加熱炉に装入してリフローし、発光素子1側の低融点金属膜を溶融させてから凝固させることにより、各パッド7、8を実装基板10の電極パターン10c、10cにそれぞれ接合させる。
この方法によれば、電極パターン側に塗布したフラックスペーストの上に発光素子が浮いた形となり、上記の場合と同様にセルフアライメント作用が発現され、発光素子1を実装基板10の設計上の目標位置に合わせて接合させることができる。
この方法によれば、電極パターン側に形成した半田膜が溶融し、この溶融状態の半田の上に発光素子が浮いた形となり、上記の場合と同様にセルフアライメント作用が発現され、発光素子1を実装基板10の設計上の目標位置に合わせて接合させることができる。
この発光ダイオードランプ11は、上記の実装基板10と、実装基板10に実装された上記の発光素子1と、実装基板10上に配置された金属製の反射部材14とから概略構成されている。
反射部材14と実装基板10の他の配線パターン13との間には別の絶縁膜10eが形成されている。
この反射部材14には、貫通孔14aが設けられており、この貫通孔14aの内部には、実装基板10上の電極パターン10cとこの電極パターン10cに接続された発光素子10とが配置されている。また、貫通孔14aの側壁面はテーパー面14bとされている。このテーパー面14bによって例えば、発光素子1を実装した際に発光素子1からの光を効率よく反射できるようになっている。また、貫通孔14aには蛍光体入りの透明樹脂16が充填されている。透明樹脂16は発光素子1を完全に埋めるように充填されている。蛍光体入りの透明樹脂16を貫通孔14aに充填することで、光の加色作用を奏することができる。例えば青色の光を発する発光素子に対して黄色の蛍光体を含む透明樹脂16を貫通孔14aに充填することで、白色光を発する発光ダイオードランプを構成できる。
次に、本発明の第2の実施形態である発光素子用の基板について図面を参照して説明する。
図5(A)には、本例の実装基板の平面模式図を示し、図5(B)には図5(A)のe−e’線に対応する断面模式図を示し、図5(c)には図5(A)のf−f’線に対応する断面模式図を示す。
図5(A)〜図5(C)に示す実装基板20は、アルミニウム等からなる金属基板20aと、金属基板20a上に積層された樹脂層からなる絶縁層20bと、絶縁層20b上に形成されたCu箔からなる一対の電極パターン20c、20cと、各電極パターン20cに接続された略線状の配線パターン20dから概略構成されている。
尚、凹部21は上述の構成のものに限られず、例えば金属基板10aの表面上に凹部を設け、この凹部を含む金属基板10aの全面に厚みが均一な絶縁層を形成することによって、この絶縁層に金属基板10aの凹部に対応する凹部を設けても良い。あるいは銅箔の一部をハーフエッチングすることで凹部を設けても良い。
一方、電極パターン20cには配線パターン20dが接続されており、この配線パターン20dは、電極パターン20cの各短辺部20c2に接続されている。このため、電極パターン20cと配線パターン20dとの接続部20eが、凹部21の輪郭線L1にほぼ重なることになる。
電極パターン20cと配線パターン20dは相互に連続して形成されていることから、図5(B)に示すように、電極パターン20cと配線パターン20dとの接続部20eには段差部20fが設けられ、この段差部20fによって配線パターン20dの端面20d1が露出されることになる。
次に本発明の第3の実施形態を図面を参照して説明する。図7(A)には本実施形態の発光素子の底面図を示し、図7(B)には図7(A)のg−g’線に対応する断面模式図を示し、図7(C)には図7(A)のh−h’線に対応する断面模式図を示し、図7(D)には図7(A)のi−i’線に対応する断面模式図を示す。
この正電極34は、Pt膜(厚み2nm)とAgNdCu膜(厚み60nm)とRh膜(厚み30nm)とが順次積層されてなる第1電極層34aと、Pt膜(厚み2nm)とRh膜(厚み120nm)とが順次積層されてなる第2電極層34bと、Cr膜(厚み40nm)とTi膜(厚み100nm)とAu膜(厚み200nm)が順次積層されてなる第3電極層34cとから構成されている。そして、第1電極層34aとp型半導体層33Cとの間でオーミック接合が形成されている。
この負電極35は、Cr膜(厚み40nm)とTi膜(厚み100nm)とAu膜(厚み200nm)が順次積層されてなる電極層35aから構成されている。そして電極層35aとn型半導体層33A(n−GaN層)との間でオーミック接合が形成されている。
この絶縁膜36には、各正電極34の一部をそれぞれ露出させるための略矩形状の複数の貫通孔36a(開口部)が設けられるとともに、各負電極35の一部を露出させるための略半楕円形の切欠部36b(開口部)が設けられている。正電極34を露出させるための貫通孔36aは、正電極34の長手方向の一端側に設けられている。また、負電極35を露出させるための切欠部36bは、貫通孔36aの形成位置と反対側にあって、負電極35の長手方向の他端側に設けられている。
この絶縁膜36は、例えばSiO2膜により構成されており、その厚みは50nm乃至300nm程度とされている。
また、正電極パッド37と正電極34とは、絶縁膜36の貫通孔36aを介して相互に接続されており、一方、正電極パッド37と負電極35とは絶縁膜36によって絶縁されている。
正電極パッド37は、バリア層として厚み20nm程度のNi層37aと、最大厚が10μm程度の半田層37bと、厚み20nm程度の半田酸化防止層としてのAu層37cとが順次積層されて構成されている。半田層37bは400℃以下の溶融温度を示す単体金属または半田合金から構成され、より具体的には例えばAuSn合金から構成されている。
負電極パッド38は、バリア層として厚み20nm程度のNi層38aと、最大厚が10μm程度の半田層38bと、厚み20nm程度の半田酸化防止層としてのAu層38cとが順次積層されて構成されている。半田層38bは400℃以下の溶融温度を示す単体金属または半田合金から構成され、より具体的には例えばAuSn合金から構成されている。
また、これら正電極パッド37及び負電極パッド38には、フラックスペーストにSnやAuSnなどの半田粒子が含まれてなる半田ペーストが塗布されていてもよい。
また、正電極34に実装用の正電極パッド37を接続させ、負電極35には実装用の負電極パッド38を接続させ、負電極パッド38と正電極34との間に短絡防止用の絶縁膜36を配置し、正電極パッド37と負電極35との間にも絶縁膜36を配置することで、正電極パッド37及び負電極パッド38の形状の自由度が高まり、負電極パッド38の平面視形状と正電極パッド37の平面視形状とを一致させることができる。これにより、発光素子31を実装する際にセルフアライメント作用を発現させることが可能になる。
次に、本発明に係る実装基板への実装が可能な発光素子の他の例について、図面を参照して説明する。
図8(A)には発光素子の他の例の底面図を示し、図8(B)には図8(A)のj−j’線に対応する断面模式図を示す。なお、図8に示す発光素子の構成要素のうち、図1に示す発光素子1の構成要素と同一の構成要素には、図1における符号と同一の符号を付してその説明を省略、若しくは簡単に説明する。
すなわち図8に示すように、本実施形態の発光素子41は、透光性基板2と半導体層3と正電極4及び負電極5と、短絡防止用の絶縁膜46と、正電極パッド7及び負電極パッド8を具備して構成されている。
絶縁膜46は、半導体層3の透光性基板2側と反対側に形成されている。また図8(A)に示すように絶縁膜46は、正電極4の一部と切欠部3gの切欠面3hとを覆うように形成されている。絶縁膜46は、例えばSiO2膜により構成されており、その厚みは50nm乃至300nm程度とされている。
更に、負電極5の形成領域から、正電極4の絶縁膜46によって覆われた部分(正電極の一部)には負電極パッド8が形成されている。負電極パッド8と正電極4とが重なる部分には絶縁膜46が配置されており、この絶縁膜46によって負電極パッド8と正電極4とが絶縁されている。
また、正電極パッド7及び負電極パッド8には、SnやAuSnなどの半田粒子を含む半田ペーストが塗布されていてもよい。
次に本発明の第5の実施形態について図面を参照して説明する。図9(A)には本実施形態の発光ダイオードランプの平面模式図を示し、図9(B)には図9(A)の断面模式図を示し、図9(C)には発光ダイオードランプの実装基板の平面模式図を示し、図9(D)には発光ダイオードランプの要部の断面模式図を示す。
図9(A)及び図9(B)に示すように、本実施形態の発光ダイオードランプ141は、複数の発光素子142と、これら発光素子142が実装された実装基板143と、カバープレート144とから概略構成されている。
発光素子142は、透光性基板と、透光性基板に積層された半導体層と、半導体層の透光性基板側と反対側に形成された正電極及び負電極と、短絡防止用の絶縁膜と、相互に同一の形状である正電極パッド及び負電極パッドとを備えたフリップチップ構造のものがよい。より具体的には、例えば、上述の発光素子1、31、41を用いることができる。
そして、発光素子142は、この段差部143g、143gの間にはまり込んでいる。
発光素子142は、正電極パッド及び負電極パッドを実装基板143側に向けて横一列に12個が実装されており、これにより所謂フリップチップ構造が構成されている。より詳細には、各発光素子の正電極パッド及び負電極パッドが電極パターン143dにそれぞれ接合され、6個づつの直列配列となっている。実装基板143上の発光素子142同士の間隔は0.1mm程度に設定されている。
また、電極パターン143dと配線パターン143e1〜143e4との間に段差部143gが形成され、発光素子142がこの段差部143g、143gの間にはまり込むので、上記の実施形態と同様にセルフアライメント機能が発現され、発光素子142を設計通りに実装させることができる。
次に本発明の第6の実施形態について図面を参照して説明する。図11(A)には本実施形態の発光ダイオードランプの平面模式図を示し、図11(B)には図11(A)の断面模式図を示し、図11(C)には発光ダイオードランプの実装基板の平面模式図を示し、図11(D)には発光ダイオードランプの要部の断面模式図を示す。
図11(A)及び図11(B)に示すように、本実施形態の発光ダイオードランプ151は、複数の発光素子152と、これら発光素子152が実装された実装基板153と、カバープレート154とから概略構成されている。
発光素子152は、透光性基板と、透光性基板に積層された半導体層と、半導体層の透光性基板側と反対側に形成された正電極及び負電極と、短絡防止用の絶縁膜と、相互に同一の形状である正電極パッド及び負電極パッドとを備えたフリップチップ構造のものがよい。より具体的には、例えば、上記の発光素子1、21、41を用いることができる。
そして、発光素子152は、この段差部143gによって位置決めされている。
また、貫通孔54cからそれぞれ露出する配線パターン153d(パターニングされた銅箔153c)と金属基板154aの端面とに、積層膜156、157が備えられており、銅箔153c及びアルミニウム板(金属基板154a)が被覆された状態になっているので、特に青色光を発光する発光素子152を用いた場合に、青色光を積層膜156、157によって効率よく反射させることができ、発光ダイオードランプ151の出力を高めることができる。
例えば発光素子は窒化ガリウム系半導体発光素子に限られるものではなく、他の種類の発光素子に適用しても良い。また、実施形態において説明した発光素子等を構成する構成部材の材質や寸法等はあくまで一例であり、本発明の範囲内において適宜変更することができる。更に、正電極と負電極の形状及び位置関係は、本実施形態の範囲に限定されるものではなく、適宜変更して良い。更にまた、静電極パッド及び負電極パッドの平面視形状は長方形状に限らず、正方形状でも良く、三角形状でも良く、角が曲面にされた矩形状でも良い。
Claims (6)
- 透光性基板と、前記透光性基板上に積層された半導体層と、前記半導体層の前記透光性基板側とは反対側に形成された負電極パッド及び正電極パッドとが備えられ、前記の各電極パッドの平面視形状が相互に同一の形状とされたフリップチップ型半導体発光素子が実装される実装基板であって、
実装の際に前記の各電極パッドが接続される一対の電極パターンと、前記電極パターンに接続された配線パターンとを具備してなり、前記一対の電極パターンの平面視形状が相互に同一の形状とされていることを特徴とするフリップチップ型半導体発光素子用の実装基板。 - 一の前記電極パターン対して複数の配線パターンが接続され、前記電極パターンと前記配線パターンとの接続部に前記配線パターンの端面を露出させる段差部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のフリップチップ型半導体発光素子用の実装基板。
- 前記複数の配線パターンが略線状に形成されると共に、前記一対の電極パターンから引き出される各配線パターンの引出し方向が相互に異なる方向とされていることを特徴とする請求項2に記載のフリップチップ型半導体発光素子用の実装基板。
- 前記配線パターンが略線状に形成されると共に、前記配線パターンの線幅が500μm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のフリップチップ型半導体発光素子用の実装基板。
- 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のフリップチップ型半導体発光素子が実装される実装基板と、
透光性基板と、前記透光性基板上に積層された半導体層と、前記半導体層の前記透光性基板側とは反対側に形成された負電極パッド及び正電極パッドとが備えられ、前記の各電極パッドの平面視形状が相互に同一の形状とされたフリップチップ型半導体発光素子とを具備してなり、
前記正電極パッド及び前記負電極パッドが前記実装基板の各電極パターンに接続されていることを特徴とするフリップチップ型半導体発光素子の実装構造。 - 請求項5に記載の実装構造を備えたことを特徴とする発光ダイオードランプ。
Priority Applications (6)
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