JP2009200221A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体発光素子を放熱性の良い基板に実装した半導体発光装置では機械的ストレスが発生しやすく、半導体発光素子を熱膨張率差が小さな基板に実装した半導体発光装置では放熱性が劣っていた。
【解決手段】 半導体発光素子との熱膨張率差が小さな金属で構成する基板に半導体発光素子を実装する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子と半導体発光素子を実装する基板からなる半導体発光装置に関するものである。

高出力の半導体発光装置が開発され、表示デバイスのバックライト用途、照明用途等に使われ始めている。このような高出力の半導体発光装置では、発光に伴って発生する熱をどのように放熱するか種々の工夫がなされている。放熱性を良くするためには半導体発光素子を実装する基板の材質に熱伝導性の良い金属を用いる例が提案されている。一方では発光に伴って発生する熱で半導体発光装置が温められると、半導体発光素子および半導体発光素子を実装した基板のそれぞれが温められて熱膨張する。半導体発光素子および半導体発光素子を実装する基板の熱膨張率差はなるべく小さいほうが望ましい。半導体発光素子を実装する基板の材質に熱膨張率が半導体発光素子と近いガラスやセラミックのような絶縁物を用いる例が提案されている。

図３に半導体発光素子３が実装される絶縁性基板７に貫通穴を開け導電性放熱材料６を埋設する従来例を示す。半導体発光素子３はガラスやセラミックのような絶縁性基板７に実装されている。外部との電気的接続は絶縁性基板７に開けられた貫通穴に充填された導電性放熱材料６によって行う。半導体発光素子３が発光する時に発生した熱は導電性放熱材料６を通して放熱される。半導体発光素子３と絶縁性基板７との熱膨張率の差は小さいので発熱による機械的ストレスの発生は少ない。ただし放熱に寄与する導電性放熱材料６の割合が小さいので半導体発光装置の放熱性は良くない（例えば、特許文献１参照。）。

図４に絶縁材を設けた電気伝導性の金属基板８に半導体発光素子３をフリップチップボンディングで実装する従来例を示す。半導体発光素子３はバンプ１０によって絶縁材９を設けた電気伝導性の金属基板８に電気的機械的に接続している。半導体発光素子３と外部との電気的接続はバンプ１０と金属基板８を通して行う。半導体発光素子３が発光する時に発生した熱は電気と同じ経路で、バンプ１０と金属基板８を通して放熱される。ここで金属基板８の材料としてはアルミニウム、銅などが用いられる。絶縁材９を設けた金属基板８と半導体発光素子３では、熱膨張率が整合されずに差が大きくなるため熱による機械的ストレスが発生し、信頼性上の問題が発生しやすい（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００５−２０９７６３号公報（第３頁−第４頁、図１） 特開２００４−１５２８０８号公報（第３頁−第５頁、図１）

絶縁基材に導電性放熱材料を埋設する従来例では、発熱による機械的ストレスの発生は少ないが放熱性は劣る。絶縁材を設けた金属基板の別の従来例では放熱性は良いが発熱による機械的ストレスの発生は大きい。本発明は、発熱による機械的ストレスの発生が少なく、放熱性の良い半導体発光装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本願発明に係る半導体発光装置は、金属基板に半導体発光素子が実装された半導体発光装置であって、前記金属基板を構成する金属の熱膨張率が前記半導体発光素子の熱膨張率と同等とした。

半導体発光素子の熱膨張率と半導体発光素子を実装する基板の熱膨張率が近似しているため、半導体発光素子が動作する際の熱で半導体発光素子と実装基板が温められても、機械的ストレスの発生を小さくすることができる。また、実装基板は金属が主体となって構成されているので放熱性を良くすることができる。このように機械的ストレスの発生が少なく、かつ放熱性のよい半導体発光装置が得られる。

本発明の半導体発光装置は半導体発光素子と半導体発光素子を実装する金属基板からなり、金属基板を構成する金属の熱膨張率は半導体発光素子の熱膨張率と同等とする。半導体発光素子はＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＮ、Ｓｉなどの発光半導体から構成される。これらの発光半導体の熱膨張率はほぼ４Ｅ−７／Ｋから７Ｅ−６／Ｋの範囲にある。半導体発光素子を実装する金属基板は、熱伝導率が大きく、硬質ガラスやセラミックスと広い温度範囲で熱膨張率が近似しているコバールのような材料で構成される。金属基板に絶縁体を設け、半導体発光素子を実装して使用する。

図１を基に実施例１を説明する。本実施例では半導体発光素子３を実装する基板５は、コバール１の表面を絶縁体２が覆う構成である。半導体発光素子３と外部との電気的接続は導電性金属電極４で行う。導電性金属電極４は銅や銀などの金属で構成され、耐食性や半田付け性を向上させるために錫めっきや半田めっきを行う場合がある。半導体発光素子３を発光するために導電性金属電極４から通電すると、半導体発光素子３が発光するとともに発熱する。半導体発光素子３で発生した熱は熱伝導率の大きなコバール１を通して外部へ放熱される。コバールの常温付近での熱膨張率が金属の中では低く半導体発光素子と近いので、半導体発光素子３とコバール１の板との熱膨張率の差による機械的ストレスが小さく高信頼性の半導体発光装置が得られる。

図２を基に実施例２を説明する。本実施例では半導体発光素子３を実装する基板５は、コバール１の表面を絶縁体２が覆う構成である。半導体発光素子３と外部との電気的接続は導電性金属電極４で行う。導電性金属電極４は銅や銀などの金属で構成され、耐食性や半田付け性を向上させるために錫めっきや半田めっきを行う場合がある。半導体発光素子３を発光するために導電性金属電極４から通電すると、半導体発光素子３が発光するとともに発熱する。半導体発光素子３で発生した熱はコバール１のブロックへ伝えられてブロックの温度を上昇させる。コバール１は金属であるので大きな比熱をもっており、半導体発光素子３で発生した熱を貯め込む作用をする。貯め込まれた熱は徐々に外部へ放熱される。本実施例では、パルス駆動により間欠的に熱が発生する半導体発光装置の場合に特に効果的である。半導体発光素子３と基板５の間の熱膨張率差が小さいため、間欠的に熱が発生する場合でも、熱が機械的ストレスへ変換されず、機械的ストレスが小さく高信頼の半導体発光装置が得られる。

上述の各実施例では熱膨張率が硬質ガラスやセラミックスと広い温度範囲で近似している材料としてコバールの例で説明したが基板材料としてはコバールに限定されることなく、熱膨張率が４Ｅ−６／Ｋから７Ｅ−６／Ｋ程度、望ましくは熱膨張率が４Ｅ−６／Ｋから６Ｅ−６／Ｋの範囲の金属材料であれば同等の効果が得られる。図５に代表的な材料の熱膨張率の一覧を示す。

本発明の半導体発光装置は信頼性の高い発光源としてメンテナンスフリーの照明や表示パネルに用いることができる。

本発明の一実施の形態にかかる半導体発光装置を示す断面図である。 本発明の別の一実施の形態にかかる半導体発光装置を示す断面図である。 従来の半導体発光装置を示す断面図である。 別の従来の半導体発光装置を示す断面図である。 代表的な材料の熱膨張率を一覧にした表である。

符号の説明

１ コバール
２ 絶縁体
３ 半導体発光素子
４ 導電性金属電極
５ 基板
６ 導電性放熱材料
７ 絶縁性基板
８ 金属基板
９ 絶縁材
１０ バンプ

Claims (5)

1. 金属基板に半導体発光素子が実装された半導体発光装置であって、
   前記金属基板を構成する金属の熱膨張率が前記半導体発光素子の熱膨張率と同等であることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記金属基板は前記金属の表面を絶縁体が覆う構成である請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記金属の熱膨張率が４Ｅ−６／Ｋから７Ｅ−６／Ｋの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
4. 前記金属がコバールであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記半導体発光素子がパルス駆動されることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。

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