JP2009182072A

JP2009182072A - 半導体発光装置

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Publication number: JP2009182072A
Application number: JP2008018571A
Authority: JP
Inventors: Shota Shimonishi; 正太下西; Hiroyuki Tajima; 博幸田嶌; Toshio Yamaguchi; 寿夫山口
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2009-08-13

Abstract

【課題】セラミックからなる基板とシリコーン樹脂からなるモールド部材の接合力を向上させた半導体発光装置を提供する。
【解決手段】少なくとも２層以上の積層体として形成されるセラミック基板１０１に直径が異なる２つの孔１０５、１０６を設ける。２つの孔１０５、１０６は、それらの中心で略一致した位置に設けられ、第１の孔１０５が、セラミック基板１０１のＬＥＤチップ１０４がダイボンディングされる層に形成され、第２の孔１０６が、第１の孔１０５が形成される層の下層に形成される。この孔１０５、１０６にシリコーン樹脂１２０が流れ込むことにより、セラミック基板１０１内にシリコーン樹脂１２０の楔形状が形成され、セラミック基板１０１とシリコーン樹脂１２０の接合力が大幅に向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、各種インジケータ、光センサー、ディスプレイ、ホトカプラ、バックライト光源や光プリンタヘッドなどに利用される半導体発光装置に係わり、特に、使用環境によらず安定した光電変換特性を有する半導体発光装置に関するものである。

半導体発光装置の一種である発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた半導体発光装置は、電球などと比べ小型化が可能であり、ｏｎ／ｏｆｆ時の応答速度が速く、しかも振動に強いなどの諸特性を有することから種々の分野に応用されている。半導体発光装置としてチップタイプＬＥＤの模式正面図を図６、また模式側面図を図７に示す。図６及び図７においては、セラミック基板４０１上に外部と導通可能な第１の電極４０２及び第２の電極４０３を有し、ＬＥＤチップ４０４をセラミック基板上に実装し、その上に樹脂モールドしたものである、また、図８は、更に樹脂やセラミックなどの材質で形成されたパッケージ４３０を有するものである。

具体的には、図６において、ＬＥＤチップ４０４は、外部に導通可能な第１の電極４０２と第２の電極４０３を有するセラミック基板４０１の第１の電極４０２上にＡｇペースト４０８などでダイボンディングされ、更に、ＬＥＤチップ４０４上に設けられた電極とセラミック基板の第２の電極４０３と金線４１２によりワイヤボンディングされている。そして、塵埃などからＬＥＤチップ４０４を保護すると共に上部への光取出し効率を向上する目的で、透光性の樹脂材料４２０でモールドされている。なお、モールドする樹脂材料４２０には光散乱材や発光色を他色に変換する蛍光体を混入する場合がある。又、図８においては、セラミック基板４０１とパッケージ４３０が接着された後に、ＬＥＤチップ４０４をセラミック基板４０１の第１の電極４０２上にＡｇペースト４０８などでダイボンディングし、更に、ＬＥＤチップ４０４上に設けられた電極とセラミック基板の第２の電極４０３と金線４１２によりワイヤボンディングされた後に、透光性の樹脂材料４２０でモールドされている。

ところで、ＬＥＤチップをモールドする樹脂材料への要求特性には、（１）高い光透過性を有すること、（２）耐候性に優れていること、（３）セラミック基板やパッケージとの密着性に優れていることなどがあり、現在のところ１種類で全ての特性を満足する樹脂は存在しない。一般的に、エポキシ樹脂が多くの場合に使用されているが、耐熱性及び耐紫外線特性が悪いという問題があり、その代替として、上記（１）から（３）の特性を比較的満足するモールド材料としてシリコーン樹脂が用いられることが検討され、一部商品化されている。しかしながら、シリコーン樹脂は、セラミック基板やパッケージとの接着力が弱い、つまり、シリコーンとセラミックは化学結合するのではなく単に密着しているだけの状態であるため、繰り返し応力が掛かった場合に、シリコーン樹脂とセラミックとの界面での剥離が発生し、モールド樹脂であるシリコーン樹脂及び／又はＬＥＤチップが脱落するという問題があった。

上記問題を解決する手段として特開平１１−７４５６１には、パッケージ部材がシリコーン樹脂であると共に、パッケージ部材がモールド部材を保持する保持手段を設けること、すなわち、シリコーン樹脂の低接着性をパッケージ形状で改善する方法が示されている。
特開平１１−７４５６１号公報

しかし、特許文献１の方法は、パッケージ部材を用いない場合のシリコーン樹脂を用いた半導体発光装置に適用することはできない。また、パッケージ部材を用いた場合であっても、例えば、特許文献１の図３（ｂ）や（ｃ）の場合には、パッケージ内部にモールド部材を保持する保持手段を設けるため、保持手段で光の乱反射を生じ、ＬＥＤチップからの発光を効率的に外部に取出すことができないという問題が依然として内在していた。特許文献１の図３（ｃ）の場合を図９として示す。図９は、図８のパッケージ４３０の替わりに保持手段５３１を有するパッケージ５３０を用いるものであり、図８における透光性樹脂としてシリコーン樹脂を用いたものである。

そこで、本発明は、セラミックからなる基板とシリコーン樹脂からなるモールド部材の接合力を向上させた半導体発光装置を提供することを目的とし、更にはパッケージ部材を用いた場合においてもＬＥＤチップからの発光を効率的に外部に取出すことができる半導体発光装置を提供することを目的としている。

このため、上記課題を解決するために請求項１の本発明は、半導体発光素子と、半導体発光素子と電気的に接続し、外部と導通可能な第１の電極及び第２の電極を有するセラミック基板と、セラミック基板上で半導体発光素子をモールドするシリコーン樹脂とを有する半導体発光装置であって、セラミック基板には、シリコーン樹脂と基板の接合強度を高めるための楔形状が施されていることを特徴とする半導体発光装置である。

請求項１の本発明では、セラミック基板にシリコーン樹脂と基板の接合強度を高めるための楔形状が施されているので、楔形状によって、たとえ繰り返し応力が掛かった場合にもシリコーン樹脂とセラミックとの界面での剥離やモールド樹脂であるシリコーン樹脂及び／又はＬＥＤチップが脱落することがない。

請求項２の本発明は、請求項１に記載の半導体発光装置は、更に開口部を有するパッケージを有することを特徴とする半導体発光装置である。

請求項２の本発明では、開口部を有するパッケージを有する場合であってもセラミック基板にシリコーン樹脂と基板の接合強度を高めるための楔形状が施されているので、請求項１と同様に楔形状によって、たとえ繰り返し応力が掛かった場合にもシリコーン樹脂とセラミックとの界面での剥離やモールド樹脂であるシリコーン樹脂及び／又はＬＥＤチップが脱落することがない。また、パッケージ面に加工する必要がないため、パッケージの開口部による反射を有効に活用することができ、ＬＥＤチップからの発光を効率的に外部に取出すことができる。

請求項３の本発明は、セラミック基板に施された楔形状は、セラミック基板の半導体発光素子を実装する側から下方に向って設けられる第１の孔と第２の孔からなり、第１の孔と第２の孔の位置は、それらの中心点において略一致し、更に、第１の孔より第２の孔の方が大きく、かつ、セラミック基板の半導体発光素子を実装する面に存在する孔が第１の孔であることを特徴と半導体発光装置である。

請求項３の本発明では、セラミック基板に設ける楔形状がセラミック基板の半導体発光素子を実装する側から下方に向って設けられる第１の孔と第２の孔からなり、第１の孔と第２の孔の位置は、それらの中心点において略一致し、更に、第１の孔より第２の孔の方が大きく、かつ、セラミック基板の半導体発光素子を実装する面に存在する孔が第１の孔となっているため、たとえ繰り返し応力が掛かった場合にもシリコーン樹脂とセラミックとの界面での剥離やモールド樹脂であるシリコーン樹脂及び／又はＬＥＤチップが脱落することがない。

請求項４の本発明は、セラミック基板は、少なくとも２層以上のセラミックの積層体で構成され、第１の孔は、積層体の内、半導体発光素子が実装される層に設けられ、第２の孔は、半導体発光素子が実装される層の下に存在する層に設けられることを特徴とする半導体発光装置である。

請求項４の本発明では、セラミック基板が、少なくとも２層以上のセラミックの積層体で構成されているので、各々の積層体に予め所望の形状の孔を開けておき、後にそれらを積層することによりセラミック基板に楔形状を設けることができ、繰り返し応力が掛かった場合にもシリコーン樹脂とセラミックとの界面での剥離やモールド樹脂であるシリコーン樹脂及び／又はＬＥＤチップが脱落することがなく、かつ、生産性に富んだ半導体発光装置を製造することができる。

請求項５の本発明は、セラミック基板に施された楔形状は、セラミック基板の半導体発光素子を実装する側から下方に向って設けられ、かつ下方に向って拡開させるべく側面を傾斜させた形状であることを特徴とする半導体発光装置である。

請求項５の本発明では、セラミック基板に施された楔形状がセラミック基板の半導体発光素子を実装する側から下方に向って設けられ、かつ下方に向って拡開させるべく側面を傾斜させた形状を有しているため、楔形状によって、たとえ繰り返し応力が掛かった場合にもシリコーン樹脂とセラミックとの界面での剥離やモールド樹脂であるシリコーン樹脂及び／又はＬＥＤチップが脱落することがない。

請求項６の本発明は、セラミック基板に施された楔形状は、セラミック基板上における半導体発光素子と電気的に接続する第１及び第２の電極の形成方向を軸とした場合に、この軸に対し、略線対称の位置に形成されることを特徴とする半導体発光装置である。

請求項６の本発明では、セラミック基板に施された楔形状は、セラミック基板上における半導体発光素子と電気的に接続する第１及び第２の電極の形成方向を軸とした場合に、軸と略線対称の位置に形成されているため、セラミック基板上に半導体発光素子をダイボンディングやワイヤボンディンなど実装する場合にも楔形状が邪魔をすることがない。また、楔形状がセラミック基板上の第１及び第２の電極の形成方向を軸とした場合に、軸と略線対称の位置に設けられているので、シリコーン樹脂が硬化する際の半導体発光素子やワイヤーボンディングの金線にかかる応力が均等となり、半導体発光素子製造時の初期不良の発生を防止することができる。

本発明の構成とすることにより、加熱、外力などの繰り返し応力が掛かった場合に、シリコーン樹脂とセラミックとの界面での剥離が発生し、モールド樹脂であるシリコーン樹脂及び／又はＬＥＤチップが脱落することがなく、更には、車載用など振動、ヒートサイクルの厳しい環境下においても使用可能な半導体発光装置を構成することができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施の形態を、図１及び図２に基づき説明する。図１は、半導体発光装置１００としてのチップタイプＬＥＤの模式正面図、図２は、そのＡ−Ａ断面における模式断面図である。

（セラミック基板１０１）セラミック基板１０１は、アルミナを主成分とするセラミックを用い、図２に示すように、３層の積層体で形成されている。３層のセラミックの内のＬＥＤチップ１０４がボンディングされる層に直径が約０．３〜１．５ｍｍのスルーホールからなる第１の孔１０５、その下の層に直径が第１の孔１０５より大きい約０.４〜２．５ｍｍのスルーホールからなる第２の孔１０６が第１の孔１０５と第２の孔１０６の中心が略一致する位置に形成され、３層を積層し、焼成することにより、セラミック基板１０１内に楔形状１０７が形成される。その後、スクリーン印刷やメッキにより、第１の電極１０２と第２の電極１０３を形成する。なお、本実施の形態では、楔形状を第１の電極１０２及び第２の電極１０３の形成方向を軸とした場合に、軸に対し、略線対称の位置にある２ヶ所に設けたが、後にモールドされるシリコーン樹脂１２０内で第１の電極１０２及び第２の電極１０３を除く場所であれば、それ以上設けてもよい。楔形状１０７の数が多いほどセラミック基板１０１とシリコーン樹脂１２０の接合力は増加する。

（ＬＥＤチップ１０４）ＬＥＤチップ１０４は、サファイア基板上にＭＯＶＰＥ法を用いて形成され、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を発光層とする窒化ガリウム系化合物半導体を複数層積層したものを用いた。なお、本発明においては、他にＭＯＶＰＥ法などにより基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウム燐（ＧａＰ）、ガリウム砒素燐（ＧａＡｓＰ）、ガリウムアルミニウムインジウム燐（ＧａＡｌＩｎＰ）、や窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＧａＡｌＮ）などを発光層として形成されたものも適用できる。また、基板が導電体のものを用いた場合は、基板下部に電極を形成することにより、セラミック基板１０１に形成される第１の電極１０２との導通が確保されるため、金線１１０による第１の電極１０２へのワイヤボンディングは不要となる。

（ＬＥＤチップ１０４の実装）ＬＥＤ１０４をセラミック基板１０１の第１の孔１０５が存在する側の第１の電極１０２上の所定の位置にＡｇペースト１０８を介してダイボンディングする。Ａｇペースト１０８が硬化した後に、ＬＥＤチップ１０４上に形成された電極１０９と金線１１０により第１の電極１０２にワイヤボンディングする。そして、ＬＥＤチップ１０４上に形成された電極１１１と金線１１２により、セラミック基板１０１上に形成された第２の電極１０３にワイヤボンディングする。

（シリコーン樹脂１２０によるモールド）ポッティング法やトランスファ成形法を用いてセラミック基板１０１上に、ＬＥＤチップ１０４、金線１１０、１１２、楔形状１０７を覆う部分をシリコーン樹脂１２０によりモールドし、硬化させる。その際には、楔形状１０７にシリコーン樹脂１２０がスムーズに、かつ確実に封入されるように超音波などを併用するとよい。また、楔形状１０７のみにシリコーン樹脂１２０を封入した後に、ＬＥＤチップ１０４、金線１１０、１１２、楔形状１０７を覆う部分を更にモールドしてもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施の形態を、図３及び図４に基づき説明する。図３は、パッケージを有する半導体発光装置２００の模式正面図、図４は、そのＢ−Ｂ断面における模式断面図である。

（セラミック基板２０１）セラミック基板２０１は、アルミナを主成分とするセラミックを用い、図４に示すように、３層の積層体で形成されている。３層のセラミックの内のＬＥＤチップ２０４がボンディングされる層に直径が約０．３〜１．５ｍｍのスルーホールからなる第１の孔２０５、その下の層に直径が第１の孔２０５より大きい約０．４〜２．５ｍｍのスルーホールからなる第２の孔２０６が第１の孔２０５と第２の孔２０６の中心が略一致する位置に形成され、３層を積層し、焼成することにより、セラミック基板２０１内に楔形状２０７が形成される。その後、スクリーン印刷やメッキにより、第１の電極２０２と第２の電極２０３を形成する。なお、本実施の形態では、楔形状を第１の電極２０２及び第２の電極２０３の形成方向を軸とした場合に、軸に対し、略線対称の位置にある２ヶ所に設けたが、後に接合されるパッケージ２３０内で第１の電極２０２及び第２の電極２０３を除く場所であれば、それ以上設けてもよい。楔形状２０７の数が多いほどセラミック基板２０１とシリコーン樹脂２４０の接合力は増加する。

（パッケージ２３０の接着）パッケージ２３０は、アルミナを主成分とするセラミックを用い、セラミック基板２０１の上に開口部を有する焼成前のパッケージ２３０をＬＥＤチップ２０４がダイボンディングされる位置を中心として位置を合わせ、焼成してセラミック基板と接合させる。

（ＬＥＤチップ２０４の実装）ＬＥＤ２０４をセラミック基板２０１の第１の孔２０５が存在する側の第１の電極２０２上にＡｇペースト２０８を介してダイボンディングする。Ａｇペーストが硬化した後に、ＬＥＤチップ２０４上に形成された電極２０９と金線２１０により第１の電極２０２にワイヤボンディングする。そして、ＬＥＤチップ２０４上に形成された電極２１１と金線２１２により、セラミック基板２０１上に形成された第２の電極２０３にワイヤボンディングする。

（シリコーン樹脂２２０によるモールド）ポッティング法を用いてパッケージ２３０の開口部であり、セラミック基板２０１上に、シリコーン樹脂２２０を滴下し、硬化させる。その際には、楔形状２０７にシリコーン樹脂２２０がスムーズに、かつ確実に封入されるように超音波などを併用するとよい。また、楔形状のみにシリコーン樹脂２２０を滴下して硬化させた後に、更に滴下してもよい。

（第３実施形態）
本発明の第３実施の形態を、図５に基づき説明する。本発明の第３実施の形態は、図１において異なる楔形状を有する半導体発光装置３００としてのチップタイプＬＥＤであり、図５は、半導体発光装置３００における楔形状を有する箇所、即ち、図１におけるＡ−Ａに沿った断面に相当する箇所の模式断面図である。

（セラミック基板３０１）セラミック基板３０１は、アルミナを主成分とするセラミックを用い、図５に示すように、２層の積層体で形成されている。２層のセラミックの内、ＬＥＤチップ３０４がボンディングされる層には、ＬＥＤチップ３０４を実装する側から下方に向って設けられ、かつ下方に向って拡開させるべく側面を傾斜させた円錐形状が設けられ、ＬＥＤチップ３０４を実装する側の直径は約０．３〜１．５ｍｍであり、反対側の直径は約０．４〜２．５ｍｍである。２層を積層し、焼成することにより、セラミック基板３０１内に楔形状３０７が形成される。

（ＬＥＤチップ３０４の実装）ＬＥＤ３０４をセラミック基板３０１の楔形状の孔が存在する側の第１の電極３０２上にＡｇペースト３０８を介してダイボンディングする。Ａｇペーストが硬化した後に、ＬＥＤチップ３０４上に形成された電極と第１の電極３０２を金線３１０によりワイヤボンディングする。

（シリコーン樹脂３２０によるモールド）ポッティング法やトランスファ成形法を用いてセラミック基板３０１上に、ＬＥＤチップ３０４、金線３１２、楔形状３０７を覆う部分をシリコーン樹脂３２０によりモールドし、硬化させる。その際には、楔形状３０７にシリコーン樹脂３２０がスムーズに、かつ確実に封入されるように超音波などを併用するとよい。また、楔形状３０７のみにシリコーン樹脂３２０を封入した後に、ＬＥＤチップ３０４、金線３１０、楔形状３０７を覆う部分をモールドしてもよい。

本発明の第１実施の形態である半導体発光装置の模式正面図である。本発明の第１実施の形態である半導体発光装置の図１におけるＡ−Ａに沿った模式断面図である。本発明の第２実施の形態である半導体発光装置の模式正面図である。本発明の第３実施の形態である半導体発光装置の図２におけるＢ−Ｂに沿った模式断面図である。本発明の第３実施の形態である半導体発光装置の楔形状を有する箇所における模式断面図である。従来の半導体発光装置の模式正面図である。従来の半導体発光装置の模式側面図である。従来のパッケージを有する半導体発光装置の模式正面図である。従来の特許文献１に記載されたパッケージを有する半導体発光装置の模式断面図である。

符号の説明

１００、２００、３００半導体発光装置
１０１、２０１、３０１、４０１セラミック基板
１０２、２０２、３０２、４０２第１の電極
１０３、２０３、３０３、４０３第２の電極
１０４、２０４、３０４、４０４ＬＥＤチップ
１０５、２０５第１の孔
１０６、２０６第２の孔
１０７、２０７、３０７楔形状
１０８、２０８、３０８、４０８Ａｇペースト
１０９、１１１、２０９、２１１電極
１１０、１１２、２１０、２１２、３１０、４１０金線
１２０、２２０、３２０、４２０シリコーン樹脂
２３０、４３０、５３０パッケージ
４２１透光性の樹脂材料
５３１保持手段

Claims

半導体発光素子と、
該半導体発光素子と電気的に接続し、外部と導通可能な第１の電極及び第２の電極を有するセラミック基板と、
該セラミック基板上で前記半導体発光素子をモールドするシリコーン樹脂とを有する半導体発光装置であって、
前記セラミック基板には、前記シリコーン樹脂と前記セラミック基板の接合強度を高めるための楔形状が施されていることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１に記載の半導体発光装置は、更に開口部を有するパッケージを有することを特徴とする半導体発光装置。
前記セラミック基板に施された楔形状は、前記セラミック基板の前記半導体発光素子を実装する側から下方に向って設けられる第１の孔と第２の孔からなり、前記第１の孔と前記第２の孔の位置は、それらの中心点において略一致し、更に、前記第１の孔より前記第２の孔の方が大きく、かつ、前記セラミック基板の前記半導体発光素子を実装する面に存在する孔が第１の孔であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光装置。
前記セラミック基板は、少なくとも２層以上のセラミックの積層体で構成され、前記第１の孔は、前記積層体の内、前記半導体発光素子が実装される層に設けられ、前記第２の孔は、前記半導体発光素子が実装される前記層の下に存在する層に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
前記セラミック基板に施された楔形状は、前記セラミック基板の前記半導体発光素子を実装する側から下方に向って設けられ、かつ下方に向って拡開させるべく側面を傾斜させた形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光装置。
前記セラミック基板に施された楔形状は、前記セラミック基板上における前記半導体発光素子と電気的に接続する前記第１及び前記第２の電極の形成方向を軸とした場合に、該軸に対し、略線対称の位置に形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体発光装置。