JP2008021738A - 発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 半導体発光素子を用いた発光素子に関し、従来の金ワイヤを用いたボンディング方式に代わり、半導体素子の積層方向と略垂直方向の面の幅が広い金属薄板と半導体発光素子上の電極とを接合することにより、ボンディング部の厚さの低減や実装用基板を不要とすることができ、大幅な厚さ軽減が可能となり、薄型化された発光素子を提供する。
【解決手段】 Ｎｉを主成分とする厚さ約６０μｍ、幅１５０μｍで、０．１μｍのＡｌ被膜を形成し、応力緩和のための波型形状を有する金属薄板と半導体発光素子上の電極をＹＡＧレーザで接合することにより、０．２μｍ程度の薄型発光素子を実現した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子の実装に係り、薄型発光素子を実現するための半導体発光素子の電極部との接合方法及びそれを用いた新規な発光素子に関する。特に、本発明は、正電極及び負電極を同一面側に有する半導体発光素子に有用である。
ＬＥＤチップ（「ＬＥＤダイ」若しくは「ＬＥＤダイス」ともいう）に電気的接続を行う方法としては、一般的に、次の方法が知られている。（１）（ａ）予め金属製のリードフレームや樹脂基板またはセラミック基板上の配線用電極上にＬＥＤチップを銀ペースト等の導電性部材で接着・固定する（ダイボンディング）、（ｂ）次に、直径１５〜５０μｍという極細い金線（金ワイヤ）の先端を放電若しくは加熱により球形状にした後、ＬＥＤチップに設けられた電極部を加熱し、更に超音波振動を金球に加えることで金線とＬＥＤの電極部とを結合させ（ボールボンディング）、更に対向する前記のリードフレームや樹脂基板またはセラミック基板上の配線用電極と接続する（ウェッジボンディング）（例えば、特許文献１を参照）。なお、（ｂ）、（ｃ）を「ワイヤーボンディング」と称している。（２）樹脂基板やセラミック基板上に配線パターンを作製し、ＬＥＤチップの電極部と一致する前記配線パターン上の位置に金球を接着（「スタッドバンプ」という）し、金球とＬＥＤチップの電極部が合うようにＬＥＤチップを載せた後に、金球部を加熱及び超音波振動を加えることにより基板上の配線パターンと金球、金球とＬＥＤチップの電極を接続する（フリップチップボンディング）。例えば、一般的な半導体装置フリップチップ実装構造として、特許文献２を参照のこと。（２）は、特に同一面側に正及び負電極を有するＬＥＤチップに使用される場合が多い。
なお、上記（１）のワイヤーボンディング方式においては、（ｂ）のボールボンディングに代わり、ＬＥＤチップの電極と金線の接続も対向する前記のリードフレームや樹脂基板またはセラミック基板上の配線用電極と接続する場合と同様のウェッジボンディングを用いる方法も提案されている（例えば、特許文献３を参照）。
更には、上記のワイヤーボンディングとフリップチップボンディングを組合わせた実装方法（例えば、特許文献４）や、全く別の方法としてＬＥＤチップを挟む形での実装方法（例えば、特許文献５）及びリボンボンディングにより基板上に導体を接合する方法（例えば、特許文献６）が知られている。
特開平６−３３８６３２号公報 特開２００１−１４８４０４号公報 特開平８−３２１１２号公報 特開２００４−７９６１９号公報 特開２００５−３３３０１４号公報 特開平１-２３２７９３号公報
ワイヤーボンディングによる実装の模式図を図７に示す。図７において、１２はＬＥＤチップ、１３及び１４は電極、５０から５２は配線用部材、５３は実装用基板、５４、５５は金ワイヤ、５６はボールボンディング部、５７はウェッジボンディング部、６０はキャピラリーである。図７において、金ワイヤはループ形状を有している。これは、各部材の熱膨張係数差によって生じる応力緩和及び柔らかい金ワイヤの垂れによるショートを防止するために必要であり、不可欠な形状である。一般的に、図７における電極１３とループ形状の金ワイヤ５４の頂点との距離は３００μｍ程度を必要とする。また、図７のような実装用基板５３上への接続の場合、実装用基板（約２００μｍ）＋ＬＥＤチップ＋金ワイヤのループ高さの合計は６００μｍ以上となる。なお、ウェッジボンディングによれば、ボールボンディングほどは必要としないが、金ワイヤの垂れを考慮すると、１００μｍ程度は必要（実装用基板とＬＥＤチップを含む高さの合計は４００μｍ以上となる）である。
一方、フリップチップボンディングでは、スタッドバンプの厚みの観点からは、１０〜３０μｍであるが、各部材の熱膨張係数差によって生じる応力緩和の点でワイヤーボンディングに劣り、特に、１００ｍＡ以上の電流を印加するＬＥＤチップの場合には、スタッドバンプの破断や電極の破断が発生する可能性が高くなるという問題を有している。また、フリップチップボンディングにおいては、実装用基板に剛性を必要とするが、セラミック基板を用いた場合、実装用基板＋スタッドバンプ＋ＬＥＤチップの合計は３３０μｍ強となる。
近年、携帯電話やパソコン、テレビなどの液晶パネルのバックライトにＬＥＤが用いられるようになってきた。ＬＥＤは省エネルギ、長寿命、高演色についてメリットを有しているが、薄型化や小型化については更なる改善が求められている。薄型化の観点から長尺タイプのＬＥＤチップやそれに合わせた薄型のリフレクタなどが開発され、既に５００μｍ弱まで薄型化されている。薄型化、小型化の流れは、今後更に加速される事が予想され、極薄で且つ、接続信頼性の高い方法の開発が迫られている。
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の手段によれば、ｎ型層と発光層とｐ型層を有する半導体発光素子上に形成された電極部が、該半導体発光素子の積層方向と略垂直な面の幅が広い金属薄板で接続されていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項１に記載の発明においては、半導体素子の積層方向と略垂直な面の幅が広い金属薄板を用いることにより、従来の金ワイヤーのループ部の高さを軽減することができ、また、幅の広さにもよるが、金属薄板の強度を利用することにより、実装基板を用いることなく半導体発光素子の実装を可能とすることができる。
上記の課題を解決するために、請求項２に記載の手段によれば、前記金属薄板の前記半導体発光素子の積層方向の厚さは、前記半導体発光素子上に形成された電極部の厚さ以上２００μｍ以下であることを特徴とする。
このような構成を有する請求項２に記載の発明においては、金属薄板の厚さを前記半導体発光素子上に形成された電極部の厚さ以上２００μｍ以下とすることにより、金属薄板と半導体発光素子との接合が可能となり、かつ、接合部の高さを軽減することができる。ここで、前記半導体発光素子上に形成された電極部の厚さは、約１μｍ程度をいう。この程度の金属薄板は、製造が可能であり、それを用いて本発明による実装が可能である。なお、金属薄板の剛性を考慮した場合、金属薄板の厚さは、１０μｍ以上が良く、４０μｍ以上が更に良い。
上記の課題を解決するために、請求項３に記載の手段によれば、前記金属薄板には、半導体発光素子の積層方向と略垂直方向に、半導体発光素子やそれを取巻く部材の熱膨張係数差に起因する応力を緩和若しくは吸収する構造が設けられていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項３に記載の発明においては、半導体発光素子やそれを取巻く部材の熱膨張係数差に起因する応力を緩和若しくは吸収する構造を設けることにより、発光素子の信頼性が増大し、更にその構造を半導体発光素子（ＬＥＤチップ）の積層方向と略垂直方向に設けることにより接合部の高さ軽減を維持することができる。
上記の課題を解決するために、請求項４に記載の手段によれば、前記応力を緩和若しくは吸収する構造は、少なくとも１つ以上の湾曲部からなることを特徴とする。
このような構成を有する請求項４に記載の発明においては、加工が容易で、上記機能を有する金属薄板を提供することができる。なお、ここでいう湾曲とは、波型、鉤型等のジグザク形状をいう。
上記課題を解決するために、請求項５に記載の手段によれば、前記金属薄板の主成分はニッケル（Ｎｉ）銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）であることを特徴とする。
このような構成を有する請求項５に記載の発明においては、金属薄板の主成分をＮｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇとすることで、電気抵抗及び強度の両面で優れた薄板を作製することができ、本発明に使用することができる。特に、Ｎｉは剛性面で優れており、その板厚は、１００μｍ以下でも問題はない。
上記課題を解決するために、請求項６に記載の手段によれば、前記金属薄板には、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）の被膜が形成されていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項６に記載の発明においては、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｐｔは可視域での光の反射率が高く、半導体発光素子からの発光が金属薄板で吸収されることを防止することができる。特にＡｌ、Ａｇ、Ｒｈは３８０ｎｍから５５０ｎｍの紫色から緑色領域の半導体発光素子の場合に有用である。
上記課題を解決するために、請求項７に記載の手段によれば、前記接続用の金属薄板は、半導体発光素子上に形成された電極部とレーザ局部加熱により接続されていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項７に記載の発明においては、レーザ局部加熱により、金属薄板と半導体発光素子が接続されるため、半導体積層部の熱劣化を防止することができる。
上記課題を解決するために、請求項８に記載の手段によれば、前記接続用の金属薄板は、半導体発光素子上に形成された電極部と超音波振動と加熱、加圧により接続されていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項８に記載の発明においては、超音波振動の加熱、加圧により、短時間で、加熱、冷却サイクルが完了でき、接続時間を短縮することができる。
上記課題を解決するために、請求項９に記載の手段によれば、前記接続等の金属薄板は、半導体発光素子上に形成された電極部と電気抵抗加熱により接続されていることを特徴とする。
このような構成を有する請求項９に記載の発明においては、電気抵抗加熱の熱量が大きいことにより、比較的大きな面積の接続が可能になる。
上記課題を解決するために、請求項１０に記載の手段によれば、前記半導体発光素子は、同一面側に正電極及び負電極であることを特徴とする。
このような構成を有する請求項１０に記載の発明においては、同一面側に正電極及び負電極を有する半導体発光素子を用いることにより、実装用基板のない場合の薄型接合を可能とすることができる。
請求項１乃至請求項１０の発明により、従来の半導体発光素子の電極とワイヤーボンディングによる半導体積層方向（高さ方向）の問題を大幅に軽減した薄型の発光素子が実現する。したがって、その利用価値は非常に高い。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に用いた半導体発光素子１０の断面図であり、具体的には窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤチップである。このＬＥＤチップ１０は、サファイアからなる基板１の上に、ＡｌＮからなるバッファ層２と、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮからなるクラッド層兼コンタクト層３と、ＧａＮ及びＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる活性層４と、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮからなるクラッド層兼コンタクト層５が順に積層された構造を有しており、半導体積層後に、一部を層３までエッチングにより除去し、層３上には負電極６が、層５上には正電極７が設けられている。また、負電極６及び正電極７の一部を除き、ＳｉＯ２の絶縁膜８を形成した。
第１の実施の形態は、上記のＬＥＤチップ１０に金属薄板２０を接合させたものであり、従来必要としていた実装用基板のない、新規な接合方法である。図２は上面図、図３は側面図である。なお、金属薄板２０の主成分はＮｉであり、６０μｍの板厚、１５０μｍの板幅のものを用いた。板幅は、大きい方がＬＥＤチップからの発光を反射する観点からは望ましいが、波型形状を設け、応力緩和機能を持たせるためには、２００μｍ以下が望ましい。なお、正電極側と負電極側の板幅を異なるようにし、板幅の小さい方にのみ波型形状を設けてもよい。その場合、板幅の大きい方（即ち、波型形状のない方）の板幅に制限はない。Ｎｉからなる金属薄板には、Ａｌを約０．１μｍの厚さで蒸着法により予め形成した。金属薄板２０とのＬＥＤチップ１０との接合は、ＹＡＧレーザによる局部加熱方式を用いた。図２においては、金属薄板２０の片方に応力緩和のための波型形状２１を設けたが、正、負両側に設けてもよいことはいうまでもない。更に、ＬＥＤチップの電極材料との関係もあるが、蒸着を施した金属薄板の電極接合部若しくはレーザ照射部のＡｌの部分を予め除去若しくは蒸着を施さなくしておいても良い。
超音波振動と加熱、加圧を用いる方法の場合は、従来のボンディング装置に付属の中心に穴の開いている形式のキャピラリーに代えて、金属薄板を挟み込む形式のキャピラリーを作製し、それを用いて接続を行った。また、電気加熱の場合は、発熱部を押し付ける工法を用いて実施した。この場合には、加熱後に冷却が必要であり、冷却は空冷により実施した。なお、電気加熱においては、２種類のパラレルギャップ法が、文献で紹介されているが、原理的には何れの方法も適用可能である。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、特に大電流を印加する大型ＬＥＤチップに用いる接合であり、特に放熱を考慮したものである。図４は、その金属薄板と大型ＬＥＤチップ１１の接合の平面図である。なお、本図は、透視図とし、半導体発光素子１１と金属薄板２２、２３、２４との関係が分かり易くしてある。金属薄板の主成分及びＡｌメッキ、ＹＡＧレーザを用いた接合方法は上記と同様である。ＹＡＧレーザ照射部は、スポット的に４〜１０点で行った。図３において、正電極側の金属薄板２２をほぼＬＥＤチップと同じ面積とし、負電極側の金属薄板２３、２４を別個に接続したところが特徴である。応力緩和のための波型形状は負電極側の金属薄板２３、２４に設けた。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、上記第１の実施の形態を用いた発光素子である。図５は、発光素子の外観図であり、ＬＥＤチップ１０を金属薄板２０と接合した後、透明樹脂３０でモールドしたものである。樹脂としては、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂が良い。ガラス材を用いたモールドを行うことも可能であり、また、樹脂やガラスの中に着色材、蛍光部材、光散乱材を全体若しくは部分的に加えることも可能である。なお、本形態に上記第２の実施の形態の大型ＬＥＤチップの場合を適用できることはいうまでもない。
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は、上記第１の実施の形態を用いた発光素子である。図６は、発光素子の断面図であり、樹脂製の白色リフレクタ４０内にＬＥＤチップ１０を金属薄板２０と接合した後にセットし、光出射部に、透明な樹脂３０と蛍光部材３１を混合したものを充填し、硬化させた白色ＬＥＤである。リフレクタ４０は、金属製でもよいし、樹脂上にＡｌやＡｇの高反射率材をメッキ法等で形成したものを用いてもよい。実装基板が不要となり、実装部も薄型化された結果、０．２ｍｍ程度の薄型発光素子を実現した。
本発明に用いた半導体発光素子１０の断面図である。 第1の実施の形態におけるＬＥＤチップ１０に金属薄板２０を接合させた時の平面図である。 第1の実施の形態におけるＬＥＤチップ１０に金属薄板２０を接合させた時の側面図である。 第２の実施の形態における金属薄板と大型ＬＥＤチップ１１を接合させた時の平面図である。 第３の実施の形態における発光素子の外観図である。 第４の実施の形態における発光素子の断面図である。 従来法におけるワイヤーボンディングによる実装の模式図である。
符号の説明
１ サファイアからなる基板
２ ＡｌＮからなるバッファ層
３ Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮからなるクラッド層兼コンタクト層
４ ＧａＮ及びＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる活性層
５ Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮからなるクラッド層兼コンタクト層
６ 負電極
７ 正電極
８ 絶縁膜
１０ ＬＥＤチップ
１１ 大型ＬＥＤチップ
１２ ＬＥＤチップ
１３ 電極
１４ 電極
２０ 金属薄板
２１ 応力緩和のための波型形状部
２２ 正電極側の金属薄板
２３ 負電極側の金属薄板
２４ 負電極側の金属薄板
３０ 透明樹脂
３１ 蛍光部材
４０ リフレクタ
５０ 配線用部材
５１ 配線用部材
５２ 配線用部材
５３ 実装用基板
５４ 金ワイヤ
５５ 金ワイヤ
５６ ボールボンディング部
５７ ウェッジボンディング部
６０ キャピラリー

Claims (10)

  1. ｎ型層と発光層とｐ型層を積層してなる半導体発光素子上に形成された電極部が、該半導体発光素子の積層方向と略垂直な面の幅が広い金属薄板で接続されていることを特徴とする発光素子。
  2. 前記金属薄板の前記半導体発光素子の積層方向の厚さは、前記半導体発光素子上に形成された電極部の厚さ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記金属薄板には、半導体発光素子の積層方向と略垂直方向に、半導体発光素子やそれを取巻く部材の熱膨張係数差に起因する応力を緩和若しくは吸収する構造が設けられていることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の発光素子。
  4. 前記応力を緩和若しくは吸収する構造は、少なくとも１つ以上の湾曲部からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の発光素子。
  5. 前記金属薄板の主成分はニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の発光素子。
  6. 前記金属薄板には、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）の被膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の発光素子。
  7. 前記接続用の金属薄板は、半導体発光素子上に形成された前記電極部とレーザ局部加熱により接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の発光素子。
  8. 前記接続用の金属薄板は、半導体発光素子上に形成された前記電極部と超音波振動と加熱、加圧により接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の発光素子。
  9. 前記接続等の金属薄板は、半導体発光素子上に形成された前記電極部と電気抵抗加熱により接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の発光素子。
  10. 前記半導体発光素子は、同一面側に正電極及び負電極を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項９に記載の発光素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010105639A (ja) * 2008-10-31 2010-05-13 Nsk Ltd 電動パワーステアリング装置
WO2018082629A1 (zh) * 2016-11-03 2018-05-11 佛山市国星光电股份有限公司 Led器件、led灯及加工led器件焊线的方法

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