JP2010010287A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子を封止する封止樹脂の加熱硬化時に発生する気泡をボンディングワイヤから離れる方向に向けることにより、気泡がボンディングワイヤに接触することに起因する電気的な不具合の発生を防止することが可能な半導体発光装置を提供することにある。
【解決手段】本発明を、絶縁性接着層４を介して貼り合わされた、第一の貫通孔６を有する上部基板３と第二の貫通孔７を有する下部基板２、及び金属箔５からなる支持板で構成された凹部１０内に半導体発光素子１６と封止樹脂１８とを有する半導体発光装置１とし、下部基板２上に、半導体発光素子１６とボンディングワイヤ１７を介して電気的に接続された電極パターン１３と前記電極パターン１３よりも薄い反射パターン１４とを形成し、絶縁性接着層４の凹部１０内に露出した端部の少なくとも一部を第一の貫通孔６の内周面よりも後退した位置に配置する構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体発光装置に関するものであり、詳しくは、積層基板で構成された凹部内に半導体発光素子と封止樹脂を備えた半導体発光装置に関する。

従来、半導体発光素子を実装した半導体発光装置は、該半導体発光装置の高輝度化（照射光量の増大化）のために発光源となる半導体発光素子の高出力化が求められ、そのために半導体発光素子の光変換効率の高効率化及び半導体発光素子の駆動電力の大電力化が図られてきた。

但し、半導体発光素子を大電力で駆動すると発光時の自己発熱で半導体発光素子自体の温度が上昇し、光変換効率の低下及び発光寿命の短縮等の性能劣化を招くことになる。そこで、発光時の自己発熱による半導体発光素子自体の温度上昇を抑制するために、半導体発光素子を高熱伝導率の基板に実装する、或いは半導体発光素子が実装された基板を更にヒートシンク等の金属放熱部材に搭載する、等の放熱手段が施されている。

ところで、半導体発光素子を駆動（発光）させるためには、配線パターン及び回路部品（例えば、抵抗、ダイオード、コネクタ等）からなる駆動制御回路が必要であるが、放熱手段が施された上記半導体発光装置にはこのような駆動回路は備えられておらず、広範な用途に対応するものとはなっていない。

そこで、良好な放熱性能を有し、且つ駆動制御回路の搭載が可能な半導体発光装置の提案がなされている。それは、図５に示すように、半導体発光装置５０を下側から順次位置する、放熱用支持フィルム５１、底部基板５２、絶縁性中間層５３、及び上部基板５４の多層構造としている。

絶縁性中間層５３は、絶縁層５５と該絶縁層５５の両面に設けられた絶縁性接着層５６からなり、一方の絶縁性接着層５６を挟んだ上側に上部基板５４が位置し、他方の絶縁性接着層５６を挟んだ下側に底部基板５２が位置しており、底部基板５２の下側に銅箔等からなる放熱用支持フィルム５１が位置している。

底部基板５２には導体層５７が設けられており、該導体層５７には更にＡｇメッキ層７１が設けられて反射部７２（導体層５７とＡｇメッキ層７１の２層構造）とされ、後述する半導体発光素子６２からの出射光を照射方向に向けて光の利用効率を高めるようにしている。

底部基板５２、絶縁性中間層５３及び上部基板５４には夫々第１貫通孔５８、第２貫通孔５９及び第３貫通孔６０が設けられており、第２貫通孔５９と第３貫通孔６０は略同一の大きさであり、第１貫通孔５８は第２貫通孔５９及び第３貫通孔６０よりも小さく形成されている。

放熱用支持フィルム５１上には接合層６１を介して半導体発光素子６２が載置され、底部基板５２の第１貫通孔５８内に位置する半導体発光素子６２の電極（図示せず）と底部基板５２の電極部（導体層５７とＡｇメッキ層７１の２層構造）７３がボンディングワイヤ６３を介して電気的に接続されている。

第１貫通孔５８、第２貫通孔５９及び第３貫通孔６０の内部には、透光性樹脂６４に蛍光体６５及び透光性粒子６６を混入した封止樹脂６７が充填され、半導体発光素子６２及びボンディングワイヤ６３が樹脂封止されている。

これにより、半導体発光素子６２の発光時の自己発熱が放熱用支持フィルム５１によって放散されることにより、且つ石英ガラス粒子等の比熱容量が大きい透光性粒子６６を含有する封止樹脂６７で樹脂封止されることにより半導体発光素子６２の温度上昇が抑制されると共に、上部基板５４に駆動制御回路を配設することが可能になったことにより半導体発光素子６２を密に配置できるようになっている。また、半導体発光素子６２を透光性樹脂６４に蛍光体６５を混入した封止樹脂６７で樹脂封止することにより、半導体発光素子６２の光源光とは異なる色調の光を出射することが可能な半導体発光装置５０が実現している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−１５０２２８号公報

ところで、上記構成の半導体発光装置のように、複数の基板を積層して構成される半導体発光装置においては、絶縁性接着層を介した貼り合わせにより構成されることが多く、この絶縁性接着層がはみ出すことにより、ワイヤボンディング領域を含む電極部７３やワイヤボンディング領域の上方を汚染する、紫外光により絶縁性接着層が劣化するという問題を生じていた。

ここで、発明者らは、絶縁性接着層のはみ出しを防止するため、少なくとも基板の貫通孔で形成される凹部に露出する絶縁性接着層の端部を貫通孔の内周面よりも外側に窪んだ形状に形成することを考えた。

ところが、絶縁性接着層５６の窪み部分には、封止樹脂６７を充填する際に封止樹脂６７が流れ込みにくく、空気層が形成されることがある。この空気層は、熱硬化時に低粘度化した封止樹脂６７によって押し出され、封止樹脂６７内で気泡となる。このとき、封止樹脂６７の熱硬化が徐々に進行しているため気泡７０が封止樹脂６７外に放出される前に封止樹脂６７が硬化し、気泡７０は封止樹脂６７内に溜まる。

この気泡７０は、ボンディングワイヤ６３の方向に向かって進行すると該ボンディングワイヤ６３に接触し、ボンディングワイヤ６３を切断する等の不具合の要因となる。特に、底部基板５２上に、電極部７３以外に配線目的以外で電極部７３と分離した反射部７２等の金属層を設けた場合には、電極部７３と反射部７２との間隙において、空気層が形成されやすく、気泡がボンディングワイヤ方向へ進行することによる不具合が発生しやすいものとなっていた。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、半導体発光素子を封止する封止樹脂の加熱硬化時に発生する気泡をボンディングワイヤから離れる方向に向けることにより、気泡がボンディングワイヤに接触することに起因する電気的な不具合の発生を防止することが可能な半導体発光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、
第一の絶縁基板と、
前記第一の絶縁基板上に絶縁性接着層を介して貼り合わされた、貫通孔を有する第二の絶縁基板と、
少なくとも前記貫通孔を含む凹部内に配置された半導体発光素子と、
前記凹部内に充填された封止樹脂とを有する半導体発光装置であって、
前記第一の絶縁基板上に形成され、前記半導体発光素子とボンディングワイヤを介して電気的に接続された第一の導体パターンと、
前記第一の絶縁基板上に形成され、前記第一の導体パターンと分離して形成された第二の導体パターンとを有し、
前記絶縁性接着層の前記凹部内に露出した端部の少なくとも一部は、前記貫通孔の内周面よりも後退した位置に配置され、
前記第一の導体パターンと前記第二の導体パターンは、前記第一の絶縁基板上においてそれぞれ前記絶縁性接着層が形成される領域から前記凹部内に露出する領域にまで延在し、前記第一の導体パターンの厚みは前記第二の導体パターンの厚みより厚いことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記第一の絶縁基板は、前記貫通孔より大きい第二の貫通孔と、前記第一の絶縁基板の前記第二の絶縁基板の貼り合わされた面と反対側に前記第二の貫通孔を塞ぐように配設された支持板とを有し、前記支持板上に前記半導体発光素子が載置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は２のいずれか１項において、前記第一の導体パターンと前記第二の導体パターンの間隙と前記絶縁性接着層の端部が少なくとも一箇所以上で交差することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記第一の導体パターンの厚みは、前記第二の導体パターンの厚みより前記絶縁性接着層の厚みの２分の１以上厚いことを特徴とするものである。

本発明の半導体発光装置は、絶縁性接着層を介して貼り合わされた、第一の絶縁基板と、貫通孔を有する第二の絶縁基板の少なくとも前記貫通孔を含む凹部内に、半導体発光素子と封止樹脂とを有する半導体発光装置であって、第一の絶縁基板上に、半導体発光素子とボンディングワイヤを介して電気的に接続された第一の導体パターンと前記第一の導体パターンと分離した第二の導体パターンとを形成し、絶縁性接着層の前記凹部内に露出した端部の少なくとも一部を貫通孔の内周面よりも後退した位置に配置する構成とした。

このとき、第一の導体パターンの厚みが第二の導体パターンよりも厚く形成されており、封止樹脂の充填、加熱硬化時に第一の導体パターンと第二の導体パターンとの間隙で発生した気泡が第一の導体パターンの端面が障壁となって第二の導体パターンの方向に向けられる。

その結果、第一の導体パターンと第二の導体パターンとの間隙で発生した気泡はボンディングワイヤから離れる方向に向かい、気泡がボンディングワイヤに接触することに起因する電気的な不具合の発生を防止することが可能となった。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図４を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

本発明の半導体発光装置は、半導体発光装置の発光源となる半導体発光素子を樹脂封止する際に、封止樹脂の加熱硬化時に該封止樹脂内に発生する気泡をその近傍に位置するボンディングワイヤから離れる方向に向ける構造とし、よって、気泡がボンディングワイヤに接触することに起因する電気的及び光学的な不具合の発生を防止して信頼性の高い半導体発光装置を実現するものである。

図１〜図３は半導体発光装置の構造を示すものであり、図１は上面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。

半導体発光装置１は、夫々絶縁材料からなる下部基板２と上部基板３が絶縁性接着層４を介して貼り合わされ、下部基板２の上部基板３と反対側（下面側）に例えば銅等からなる金属箔５による支持板が配設されている。絶縁性接着層４は例えばプリプレグが用いられ、厚みを約０．１ｍｍとしている。

上部基板３及び下部基板２には夫々、第一の貫通孔６、第二の貫通孔７が設けられ、上部基板３の第一の貫通孔６は下部基板２の第二の貫通孔７よりも大きく形成されている。絶縁性接着層４の端部８は上部基板３の第一の貫通孔６の内周面９よりも外側に窪んだ凹形状に形成されており、具体的には第一の貫通孔６の内周面９より約０．１ｍｍ後退した位置に位置している。本実施形態においては、上部基板と下部基板には、ガラスエポキシ基板、絶縁性接着層には、ガラス繊維に未硬化のエポキシ樹脂を含浸したプリプレグを用いた。また、約０．１ｍｍの絶縁性接着層の貫通孔側の端部は、上部基板の内周面より０．１ｍｍ後退して配置した。

下部基板２の、下部基板２の第二の貫通孔７、上部基板３の第一の貫通孔６及び金属箔５で構成された凹部１０内に露出した領域１１には夫々間隙１２を介して分離・独立して形成された電極パターン１３と反射パターン１４が形成されている。

電極パターン１３は下部基板２の上面の凹部１０内の露出領域１１から端部１５まで延長され、反射パターン１４は、下部基板２の凹部１０内露出領域１１の電極パターン１３以外の残りの領域に形成されている。電極パターン１３と反射パターン１４は、約０．１〜０．２ｍｍの間隔で分離して下部基板上に形成されている。

電極パターン１３は、下部基板２上に形成されたＣｕパターン上に順次Ｃｕメッキ、Ｎｉメッキ及びＡｇメッキが施された４層構造となっており、約３５μｍのＣｕパターン、約５０μｍのＣｕメッキ、約５μｍのＮｉメッキ、約２μｍの銀メッキで形成されている。
反射パターン１４は、Ｃｕパターン上に順次Ｎｉメッキ及びＡｇメッキが施された３層構造となっており、約２０μｍの銅パターン、約５μｍのＮｉメッキ、約２μｍの銀メッキで形成されている。夫々のパターン１３、１４の厚みは互いに異なっており、電極パターン１３が反射パターン１４よりも厚く形成されている。本実施形態においては、電極パターン厚みが反射パターン厚みより約６５μｍ厚く形成された。
いずれのパターン１３、１４も、同じメッキ工程で形成し、反射パターン部分については、Ｃｕメッキ工程後にＣｕパターンとＣｕメッキ層のエッチングを施すことにより約２０μｍのＣｕパターン層を形成した。このように、電極パターン１３と反射パターン１４の厚みの差は４層構造のうちＣｕメッキの厚みを制御することにより設定される。
また、気泡の大きさは、上部基板と下部基板との間隔に影響するため、電極パターン厚みは、反射パターン厚みより、上部基板と下部基板との間隔の２分の１以上厚く形成することが好ましい。すなわち、絶縁性接着層の厚みの２分の１以上厚く形成することが好ましい。本実施形態においても、上部基板と下部基板との間隔が約０．１ｍｍであるのに対し、直径約０．１ｍｍの気泡の発生が確認されたが、約６５μｍの厚みの差が形成されていることにより、ボンディングワイヤとの接触は起こらなかった。

第二の貫通孔７の底部に位置する金属箔５上には半導体発光素子１６が、はんだ或いは銀ペースト等の導電部材（図示せず）を介してダイボンディングされ、半導体発光素子１６の電極に一方の端部が接続されたボンディングワイヤ１７の他方の端部が下部基板２の上面の凹部１０内露出領域１１に形成された電極パターン１３にワイヤボンディングされて半導体発光素子１６の電極と電極パターン１３がボンディングワイヤ１７を介して電気的に接続されている。

半導体発光素子１６が位置する凹部１０内には透光性樹脂からなる封止樹脂１８が充填され、半導体発光素子１６及びボンディングワイヤ１７を樹脂封止している。この場合、封止樹脂１８は半導体発光素子１６を水分、塵埃及びガス等の外部環境から保護し、且つボンディングワイヤ１７を振動及び衝撃等の機械的応力から保護する。また、封止樹脂１８は半導体発光素子１６の光出射面とで界面を形成しており、半導体発光素子１６の発光光を半導体発光素子１６の光出射面から封止樹脂１８内に効率良く出射させる機能も有している。本実施形態では封止樹脂１８としてシリコーン樹脂を用いた。

なお、封止樹脂は透光性樹脂に限られるものではなく、透光性樹脂に蛍光体を分散してなる封止樹脂で半導体発光素子及びボンディングワイヤを樹脂封止することも可能である。その場合、半導体発光装置は、発光源となる半導体発光素子の光源光とは異なる波長の光を出射する発光装置となる。

ところで、このような構造の半導体発光装置１において、半導体発光素子１６及びボンディンングワイヤ１７を封止する封止樹脂１８は、下部基板２の第一の貫通孔６、上部基板３の第二の貫通孔７及び金属箔５で構成された凹部１０内に充填され、その後加熱硬化される。

そこで、封止樹脂が充填される凹部に溝や窪み等の小さな凹部があると、封止樹脂の充填時にその部分に封止樹脂が流れ込まず、空気の溜まりができる。この空気の溜まりは封止樹脂の熱硬化時に低粘度化した封止樹脂によって押し出され、封止樹脂内で気泡となる。このとき、封止樹脂の熱硬化が徐々に進行しているため気泡が封止樹脂外に放出されるまえに封止樹脂が硬化し、気泡は封止樹脂内に留まる。

上記半導体発光装置においては、特に図３に示すように、封止樹脂１８の充填時に絶縁性接着層４の窪み部１９と、底部基板２上に位置する電極パターン１３と反射パターン１４との間隙１２とが重なる部分に空気の溜まりが生じ易く、熱硬化後にはその近傍に気泡２０として残りやすい。

気泡２０は、該気泡が２０発生する位置の、電極パターン１３の厚みと反射パターン１４の厚みが同じ場合はその向く方向が一定ではなく不確定である。そのため、ボンディングワイヤ１７に接触してボンディングワイヤ１７を切断する等の不具合の要因となる恐れがある。それに対し、本発明の半導体発光装置は、ボンディングワイヤの１７の端部が接続された電極パターン１３の厚みを反射パターン１４の厚みよりも厚くしており、電極パターン１３と反射パターン１４との間隙１２部分で発生した気泡２０は電極パターンの端面２１が障壁となって反射パターン１４の方向に向けられる。

その結果、絶縁性接着層４の窪み部１９と、電極パターン１３と反射パターン１４との間隙１２とが重なる部分で発生した気泡２０はボンディングワイヤ１７から離れる方向に向かい、気泡２０がボンディングワイヤ１７に接触することに起因する電気的な不具合の発生を防止することが可能となる。

なお、上記半導体発光装置においては、半導体発光素子が下部基板２の下面側に位置する金属箔５上に配置されているが必ずしもこの構造に限定されるものではなく、金属箔５の替わりに図４のように下部基板２に掘り込み部（凹部）２２を設け、掘り込み部２２の底面２３に半導体発光素子１６を実装してボンディングワイヤ１７を架空配線し、上部基板３の第二の貫通孔７と下部基板２の掘り込み部２２で形成された凹部２４に封止樹脂１８を充填する構造とすることも可能である。

なお、上記実施形態において、絶縁性接着層４には、ガラス繊維に未硬化のエポキシ樹脂を含浸したプリプレグを用いて説明したが、エポキシ樹脂等からなる接着シート、あるいは、ガラスエポキシ基板の両面に接着シートが配置された多層構造のものを用いるなど、用途や仕様に応じて変更したものを用いることができる。また、多層構造のものを絶縁性接着層として使用する際には、上部基板内周面より後退させる層を、はみ出しの懸念される層のみの一部としてもよいが、絶縁性接着層全部としてもよい。
なお、上記実施形態において、電極パターンと分離して反射パターンが形成された構成で説明したが、反射を目的とする反射パターンに限らず、用途や改良に応じて他の目的で形成された導体パターンを用いることができる。
以上、実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせが可能であり、例えば、半導体発光素子を複数としたり、異なる製法により金属箔からなる支持板を有さない構成とすることができる。

本発明に係る実施形態の上面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 本発明に係る実施形態の応用例を示す説明図である。 従来例の説明図である。

符号の説明

１ 半導体発光装置
２ 下部基板
３ 上部基板
４ 絶縁性接着層
５ 金属箔
６ 第一の貫通孔
７ 第二の貫通孔
８ 端部
９ 内周面
１０ 凹部
１１ 露出領域
１２ 間隙
１３ 電極パターン
１４ 反射パターン
１５ 端部
１６ 半導体発光素子
１７ ボンディングワイヤ
１８ 封止樹脂
１９ 窪み部
２０ 気泡
２１ 端面
２２ 掘り込み部
２３ 底面
２４ 凹部

Claims (4)

1. 第一の絶縁基板と、
   前記第一の絶縁基板上に絶縁性接着層を介して貼り合わされた、貫通孔を有する第二の絶縁基板と、
   少なくとも前記貫通孔を含む凹部内に配置された半導体発光素子と、
   前記凹部内に充填された封止樹脂とを有する半導体発光装置であって、
   前記第一の絶縁基板上に形成され、前記半導体発光素子とボンディングワイヤを介して電気的に接続された第一の導体パターンと、
   前記第一の絶縁基板上に形成され、前記第一の導体パターンと分離して形成された第二の導体パターンとを有し、
   前記絶縁性接着層の前記凹部内に露出した端部の少なくとも一部は、前記貫通孔の内周面よりも後退した位置に配置され、
   前記第一の導体パターンと前記第二の導体パターンは、前記第一の絶縁基板上においてそれぞれ前記絶縁性接着層が形成される領域から前記凹部内に露出する領域にまで延在し、前記第一の導体パターンの厚みは前記第二の導体パターンの厚みより厚いことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記第一の絶縁基板は、前記貫通孔より大きい第二の貫通孔と、前記第一の絶縁基板の前記第二の絶縁基板の貼り合わされた面と反対側に前記第二の貫通孔を塞ぐように配設された支持板とを有し、前記支持板上に前記半導体発光素子が載置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記第一の導体パターンと前記第二の導体パターンの間隙と前記絶縁性接着層の端部が少なくとも一箇所以上で交差することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
4. 前記第一の導体パターンの厚みは、前記第二の導体パターンの厚みより前記絶縁性接着層の厚みの２分の１以上厚いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。

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