JP2010021261A - 光半導体素子の製造方法、光半導体素子及び光半導体装置の製造方法 - Google Patents

光半導体素子の製造方法、光半導体素子及び光半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】出射光の光軸傾き、出射光の光量分布の不均一化及び放熱性の低下を抑止することができる光半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】光半導体素子の製造方法において、主面Ｍ１１に区画Ｋ毎に一対の電極３ａ、３ｂを有する発光基材１１に対し、異なる区画Ｋにおいて隣接する電極３ａ、３ｂ毎に電極３ａ、３ｂを露出させる穴部を有する樹脂層を主面Ｍ１１を覆うように設ける工程と、主面Ｍ１１上の樹脂層における複数の穴部に導電性材料を充填し、区画Ｋ毎の一対の電極３ａ、３ｂ上の全てにポスト電極を設ける工程と、ポスト電極が区画Ｋ毎の一対の電極３ａ、３ｂ上の全てに設けられた発光基材１１を区画Ｋ毎に切断し、複数の光半導体素子を形成する工程とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、光半導体素子の製造方法、光半導体素子及びその光半導体素子を備える光半導体装置の製造方法に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光半導体素子は、小型で、投入電極に対して得られる輝度が高く、長寿命であり、また、水銀などの有害物質が使用されていないという特徴から、白熱灯や蛍光灯などの代替光源として、一般照明、部分照明及び自動車の各種照明などへの適用が進められている。
この光半導体素子は、通常、光半導体素子を動作させるためのフレーム又は配線基板上に搭載されて用いられる。光半導体素子を実装する際には、樹脂系の接着剤やはんだを用いてフレーム又は配線基板に光半導体素子を固定し、その光半導体素子の上面の電極をワイヤボンディング方式によりフレーム又は配線基板に結線する（例えば、特許文献１参照）。一方、フリップチップ方式により配線基板上に光半導体素子を固定することもある。
特開２００６−１５６５３８号公報
しかしながら、光半導体素子を実装する際に用いる樹脂やはんだの供給量制御は困難であり、樹脂やはんだが必要量以上に供給されることがあるため、光半導体素子のチップ傾きが生じやすく、出射光の光軸傾きが発生してしまう。通常の光学設計は出射光の光軸傾きがないものとして行われている。また、ワイヤボンディング方式では、ワイヤが半導体素子からの出射光を遮るため、出射光の光量分布が不均一になってしまう。一方、フリップチップ方式では、ワイヤボンディング工程がないものの、光半導体素子の放熱経路が電極バンプのみとなるため、放熱性が低下してしまう。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、出射光の光軸傾き、出射光の光量分布の不均一化及び放熱性の低下を抑止することができる光半導体素子の製造方法、光半導体素子及び光半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、光半導体素子の製造方法において、主面に区画毎に一対の電極を有する発光基材に対し、異なる区画において隣接する電極毎に電極を露出させる穴部を有する樹脂層を主面を覆うように設ける工程と、樹脂層における複数の穴部に導電性材料を充填し、区画毎の一対の電極上の全てにポスト電極を設ける工程と、ポスト電極が区画毎の一対の電極上の全てに設けられた発光基材を区画毎に切断し、複数の光半導体素子を形成する工程とを有することである。
本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、光半導体素子において、主面、主面に連続する第１側面及び主面に連続する第２側面を有し、光を放射する発光部材と、主面上にそれぞれ設けられた第１電極及び第２電極と、第１電極上に設けられ第１側面まで伸びる第１ポスト電極と、第２電極上に設けられ第２側面まで伸びる第２ポスト電極と、第１ポスト電極における発光部材と反対側の面及び第１側面側の面と第２ポスト電極における発光部材と反対側の面及び第２側面側の面とを露出させて主面上に設けられた樹脂部材とを備えることである。
本発明の実施の形態に係る第３の特徴は、主面、主面に連続する第１側面及び主面に連続する第２側面を有し、光を放射する発光部材と、主面上にそれぞれ設けられた第１電極及び第２電極と、第１電極上に設けられ第１側面まで伸びる第１ポスト電極と、第２電極上に設けられ第２側面まで伸びる第２ポスト電極と、第１ポスト電極における発光部材と反対側の面及び第１側面側の面と第２ポスト電極における発光部材と反対側の面及び第２側面側の面とを露出させて主面上に設けられた樹脂部材と、を備える光半導体素子を装置基材上に設けて光半導体装置を製造する光半導体装置の製造方法において、第１ポスト電極における第１側面側の面及び第２ポスト電極における第２側面側の面と装置基材とを接合材により接合することである。
本発明によれば、出射光の光軸傾き、出射光の光量分布の不均一化及び放熱性の低下を抑止することができる。
本発明の実施の一形態について図面を参照して説明する。
（光半導体素子）
図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態に係る光半導体素子１は、第１主面Ｍ１ａ及び第１主面Ｍ１ａに対向する第２主面Ｍ１ｂを有して光を放射する発光部材２と、第２主面Ｍ１ｂ上に設けられた第１電極３ａ及び第２電極３ｂと、第１電極３ａ上に設けられた第１ポスト電極４ａと、第２電極３ｂ上に設けられた第２ポスト電極４ｂと、第１ポスト電極４ａの一部及び第２ポスト電極４ｂの一部を露出させて第２主面Ｍ１ｂ上に設けられた樹脂部材５とを備えている。
発光部材２は、基材となる素子基体、その素子基体上に設けられ光を放射する発光層（光半導体層）及びその発光層上に設けられた電極層などを備えている。この発光部材２は、例えば直方体形状に形成されている。発光部材２の厚さは、例えば１００μｍ程度である。
第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、発光部材２の発光層に電圧を印加するための一対の電極である。これらの第１電極３ａ及び第２電極３ｂは発光部材２の第２主面Ｍ１ｂ上であって同一直線上で離間するように形成されている。
第１ポスト電極４ａ及び第２ポスト電極４ｂは、第１電極３ａ及び第２電極３ｂに電流を流す一対の電流線路として機能する。第１ポスト電極４ａは、第１電極３ａ上に積層され、発光部材２の第１側面Ｍ１ｃまで伸びている。第２ポスト電極４ｂは、第２電極３ｂ上に積層され、発光部材２の第２側面Ｍ１ｄまで伸びている。これにより、第１ポスト電極４ａにおける第１側面Ｍ１ｃ側の面Ｍ２ａと第２ポスト電極４ｂにおける第２側面Ｍ１ｄ側の面Ｍ３ａとは露出している。第１ポスト電極４ａ及び第２ポスト電極４ｂの厚さは、発光部材２の厚さとほぼ同じであり、例えば１００μｍ程度であるが、これに限るものではなく、数μｍでも数十μｍでもよい。
樹脂部材５は、例えば直方体形状に形成された絶縁性のプリプレグ部材である。この樹脂部材５は、第１ポスト電極４ａ及び第２ポスト電極４ｂの一部、すなわち、第１ポスト電極４ａにおける発光部材２の第１側面Ｍ１ｃ側の面Ｍ２ａ及び発光部材２と反対側の面Ｍ２ｂと、第２ポスト電極４ｂにおける発光部材２の第２側面Ｍ１ｄ側の面Ｍ３ａ及び発光部材２と反対側の面Ｍ３ｂとを露出させて、発光部材２の第２主面Ｍ１ｂ上に設けられている。なお、樹脂部材５の材料としては、熱伝導率が高い材料を用いることが好ましく、例えばＡｌ２Ｏ３などのフィラーを含有する樹脂材料を用いることが可能である。樹脂部材５の厚さは、発光部材２の厚さとほぼ同じであり、例えば１００μｍ程度であるが、これに限るものではなく、数μｍでも数十μｍでもよい。
このような光半導体素子１は、はんだや樹脂などの接合材を用いてフレームや配線基板などの他部材に密着させて接合される（詳しくは、後述する）。この光半導体素子１は、第１ポスト電極４ａ及び第２ポスト電極４ｂに電圧が供給されると、第１電極３ａ及び第２電極３ｂに電圧が印加され、発光部材２により光を放射する。ここで、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは第１ポスト電極４ａ、第２ポスト電極４ｂ及び樹脂部材５により完全に覆われているが、第１ポスト電極４ａ及び第２ポスト電極４ｂを介して電流が供給される。なお、発光部材２で発生した熱は、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、第１ポスト電極４ａ及び第２ポスト電極４ｂを伝わって放散され（放熱）、さらに、フレームや配線基板などの他部材に密着した状態の樹脂部材５を伝わって放散される。
（光半導体素子の製造方法）
次に、前述の光半導体素子１の製造方法について説明する。
本発明の実施の形態に係る光半導体素子１の製造工程は、図３及び図４に示すようなサファイアウェハなどの発光基材１１を用いて複数の光半導体素子１を製造する工程である。この製造工程は、図５に示すように、発光基材１１の主面Ｍ１１上に全面樹脂層（全面プリプレグ層）１２を積層する積層工程と、図６に示すように、発光基材１１上の全面樹脂層１２を部分的に除去して複数の穴部Ｈを有する樹脂層（プリプレグ層）１３を形成する除去工程と、図７に示すように、樹脂層１３の各穴部Ｈに導電性材料１４を充填する充填工程と、最後に、充填済の発光基材１１を切断して小片化する切断工程とを有している。
発光基材１１の主面Ｍ１１には、図３及び図４に示すように、求める光半導体素子１の大きさ（設計値）に応じた区画Ｋ毎に、第１電極３ａ及び第２電極３ｂ（一対の電極）が設けられている。発光基材１１は各発光部材２の集合体であり、発光基材１１の主面Ｍ１１は各発光部材２の第２主面Ｍ１ｂの集合体である。発光基材１１の厚さは、例えば１００μｍ程度である。
積層工程では、図５に示すように、樹脂シート（プリプレグシート）が発光基材１１の主面Ｍ１１上に貼り付けられ、全面樹脂層１２が発光基材１１の主面Ｍ１１上に積層され、その後、仮硬化が行われる。これにより、発光基材１１の主面Ｍ１１、各第１電極３ａ及び各第２電極３ｂ（区画Ｋ毎の一対の電極３ａ、３ｂ）は全面樹脂層１２により完全に覆われる。全面樹脂層１２の厚さは、例えば１００μｍ程度である。なお、樹脂シートの材料としては、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることが可能であり、熱伝導性向上のため、例えばＡｌ２Ｏ３などのフィラーを含有する樹脂材料を用いることが好ましい。また、樹脂供給方法としては、樹脂シートを用いた貼るプロセス以外にも、絶縁樹脂を塗布する塗布プロセス（例えば、スピンコート）を用いることが可能である。
除去工程では、図６に示すように、炭酸ガスレーザなどにより発光基材１１の主面Ｍ１１上の全面樹脂層１２が部分的に除去され、その全面樹脂層１２に異なる区画Ｋにおいて隣接する電極３ａ、３ｂ毎に電極３ａ、３ｂを露出させる穴部Ｈが形成される。これにより、各穴部Ｈを有する樹脂層１３が形成される。ここで、図６では、隣接する第１電極３ａ及び第２電極３ｂに対して、１つの穴部Ｈが形成されている。このとき、各第１電極３ａ及び各第２電極３ｂにおける発光基材１１と反対側の面は各穴部Ｈにより露出しており、さらに、隣接する第１電極３ａ及び第２電極３ｂにおける互いの対向面も各穴部Ｈにより露出している。
なお、本実施の形態においては、発光基材１１の主面Ｍ１１上に全面樹脂層１２を積層し、その全面樹脂層１２を部分的に除去することにより、発光基材１１の主面Ｍ１１上に、各穴部Ｈを有する樹脂層１３を設けているが、これに限るものではなく、例えば、金型などを用いてあらかじめ各穴部Ｈを有する樹脂シートを形成し、発光基材１１の主面Ｍ１１上に設けるようにしてもよい。この場合には、発光基材１１に対して樹脂シートの位置合わせを行う必要があるが、前述の部分除去を行う場合に比べ、工程数を削減することができる。
充填工程では、図７に示すように、Ｃｕペーストなどの導電性材料１４が発光基材１１上の樹脂層１３の各穴部Ｈに印刷供給されて充填され、その後、本硬化が行われる。この導電性材料１４は、次工程である切断工程後に各第１ポスト電極４ａ及び各第２ポスト電極４ｂとなる。なお、本実施の形態においては、各穴部Ｈに導電性材料１４を印刷により供給しているが、これに限るものではなく、例えば、メッキ処理により供給するようにしてもよい。
切断工程では、図７に示すように、導電性材料１４が各穴部Ｈに充填された発光基材１１が区画Ｋ毎の切断位置（スクライブ位置）Ｓから切断される。すなわち、ダイシングブレードが切断位置Ｓにあてられ、導電性材料１４充填済みの発光基材１１がダイシングされて小片化される。これにより、図１及び図２に示すような光半導体素子１が複数個一度で製造される。なお、本実施の形態においては、区画Ｋを長方形状にしているが、これに限るものではなく、その形状は限定されない。
（光半導体装置の製造方法）
次に、前述の光半導体素子１を備える光半導体装置２１の製造方法について説明する。
本発明の実施の形態に係る光半導体装置２１の製造工程は、図８及び図９に示すように、フレームや配線基板などの装置基材２２に前述の光半導体素子１を接合して光半導体装置２１を製造する工程である。この製造工程は、図８に示すように、装置基材２２の各電極パッド２２ａ、２２ｂ上にそれぞれ未硬化の接合材２３を供給する供給工程と、接合材２３が供給された装置基材２２上に前述の光半導体素子１を載置する載置工程と、図９に示すように、光半導体素子１の載置後、接合材２３を溶融させてから固化させ、光半導体素子１と装置基材２２とを接合する接合工程とを有している。
供給工程では、図８に示すように、接合材２３が各電極パッド２２ａ、２２ｂの一部に供給される。このとき、接合材２３は、各電極パッド２２ａ、２２ｂにおいて光半導体素子１が載置される載置領域の一部を含む領域に供給される。これにより、光半導体素子１が装置基材２２上に載置された場合には、未硬化の接合材２３と光半導体素子１とが接触するので、未硬化の接合材２３の粘着性により載置後の光半導体素子１の移動を防止することができる。ここで、接合材２３としては、例えばはんだ（はんだペースト）や樹脂系の接着剤などを用いる。
なお、本実施の形態においては、各電極パッド２２ａ、２２ｂにおける光半導体素子１の載置領域の一部を含む領域に接合材２３を供給しているが、これに限るものではなく、例えば、その載置領域を含まない領域のみに接合材２３を供給するようにしてもよい。この場合には、接合材２３は接合工程において溶融して電極パッド２２ａ、２２ｂに沿って移動し、載置状態の光半導体素子１に接触することになる。
載置工程では、図８に示すように、光半導体素子１が接合材２３供給後の装置基材２２に対して位置合わせされ、その装置基材２２上に載置される。なお、光半導体素子１は各電極パッド２２ａ、２２ｂの間に位置付けられる。
接合工程では、図９に示すように、光半導体素子１が載置された装置基材２２がリフロー炉（リフロー装置）に入れられ、接合材２３が加熱溶融される。このとき、光半導体素子１は装置基材２２に密着するように押圧される。その後、接合材２３が冷却され、光半導体素子１と装置基材２２とが接合されて光半導体装置２１が完成する。詳しくは、第１ポスト電極４ａにおける第１側面Ｍ１ｃ側の面Ｍ２ａと装置基材２２の電極パッド２２ａとが接合材２３により接合され、第２ポスト電極４ｂにおける第２側面Ｍ１ｄ側の面Ｍ３ａと装置基材２２の電極パッド２２ｂとが接合材２３により接合される。これにより、光半導体素子１は装置基材２２に固定される。
このように光半導体素子１は、はんだや樹脂などの接合材２３を用いてフレームや配線基板などの装置基材２２に固定される。したがって、光半導体素子１は、ワイヤボンディング工程を行うことなく装置基材２２に接合され、さらに、その装置基材２２に密着した密着状態で接合される。これにより、ワイヤボンディング方式を用いる必要がなくなり、ワイヤボンディング工程に起因するチップ傾きが発生しないので、出射光の光軸傾きを抑止することができる。加えて、ワイヤを用いることがなくなるので、ワイヤに起因する出射光の光量分布の不均一化を抑止することができる。さらに、チップの放熱経路が電極バンプのみとなるフリップチップ方式に比べ、光半導体素子１の底面全体が装置基材２２に密着し、放熱面積が増加するので、放熱性の低下を抑止することができる。
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、区画Ｋ毎に一対の電極３ａ、３ｂを有する発光基材１１に対し、異なる区画Ｋにおいて隣接する電極３ａ、３ｂ毎に電極３ａ、３ｂを露出させる穴部Ｈを有する樹脂層１３を主面Ｍ１１を覆うように設け、その樹脂層１３の各穴部Ｈに導電性材料１４を充填し、区画Ｋ毎の一対の電極３ａ、３ｂ上の全てにポスト電極４ａ、４ｂを設け、ポスト電極４ａ、４ｂが区画Ｋ毎の一対の電極３ａ、３ｂ上の全てに設けられた発光基材１１を区画Ｋ毎に切断し、複数の光半導体素子１を形成することによって、一度に複数の光半導体素子１が製造される。
この光半導体素子１をフレームや配線基板などの装置基材２２に設ける場合には、はんだや樹脂などの接合材２３を用いて、第１ポスト電極４ａにおける第１側面Ｍ１ｃ側の面Ｍ２ａ及び第２ポスト電極４ｂにおける第２側面Ｍ１ｄ側の面Ｍ３ａと装置基材２２とを接合する。これにより、光半導体素子１は装置基材２２に密着した状態で装置基材２２に固定される。
したがって、光半導体素子１はワイヤボンディング工程を行うことなくフレームや配線基板などの装置基材２２に接合され、さらに、その装置基材２２に密着した密着状態で接合される。これにより、ワイヤボンディング方式を用いる必要がなくなり、さらに、チップの放熱経路が電極バンプのみとなるフリップチップ方式に比べ、光半導体素子１の底面全体が装置基材２２に密着して放熱面積が増加するので、出射光の光軸傾き、出射光の光量分布の不均一化及び放熱性の低下を抑止することができる。
また、発光基材１１の主面Ｍ１１上に樹脂層１３を設ける場合には、発光基材１１の主面Ｍ１１上に、主面Ｍ１１及び区画Ｋ毎の一対の電極３ａ、電極３ｂを覆う全面樹脂層１２を積層し、主面Ｍ１１上の全面樹脂層１２を部分除去して主面Ｍ１１上の全面樹脂層１２に複数の穴部Ｈを形成し、発光基材１１に対して樹脂層１３を設けることから、金型などを用いることなく、簡略な工程で各穴部Ｈを有する樹脂層１３を設けることができる。
なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、前述の実施の形態においては、各種の材料を挙げているが、それらの材料は例示であり、限定されるものではない。また、各種の数値を挙げているが、これらの数値は例示であり、限定されるものではない。
本発明の実施の一形態に係る光半導体素子の概略構成を示す外観斜視図である。 図１のＡ１−Ａ１線断面図である。 図１及び図２に示す光半導体素子の製造に用いる発光基材を示す斜視図である。 図３に示す発光基材の主面を拡大して示す斜視図である。 図１及び図２に示す光半導体素子の製造工程を示す第１工程断面図である。 第２工程断面図である。 第３工程断面図である。 光半導体装置の製造工程を示す第１工程断面図である。 第２工程断面図である。
符号の説明
１…光半導体素子、２…発光部材、３ａ…第１電極、３ｂ…第２電極、４ａ…第１ポスト電極、４ｂ…第２ポスト電極、５…樹脂部材、１１…発光基材、１２…全面樹脂層、１３…樹脂層、１４…導電性材料、Ｈ…穴部、Ｋ…区画、Ｍ１ｂ…主面（第２主面）、Ｍ１ｃ…第１側面、Ｍ１ｄ…第２側面、Ｍ１１…主面、Ｍ２ａ…面、Ｍ２ｂ…面、Ｍ３ａ…面、Ｍ３ｂ…面、２１…光半導体装置、２２…装置部材、２３…接合材

Claims (4)

  1. 主面に区画毎に一対の電極を有する発光基材に対し、異なる前記区画において隣接する前記電極毎に前記電極を露出させる穴部を有する樹脂層を前記主面を覆うように設ける工程と、
    前記樹脂層における複数の前記穴部に導電性材料を充填し、前記区画毎の一対の電極上の全てにポスト電極を設ける工程と、
    前記ポスト電極が前記区画毎の一対の電極上の全てに設けられた前記発光基材を前記区画毎に切断し、複数の光半導体素子を形成する工程と、
    を有することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
  2. 前記樹脂層を設ける工程では、前記発光基材の前記主面上に、前記主面及び前記区画毎の一対の電極を覆う全面樹脂層を積層し、前記主面上の前記全面樹脂層を部分除去して前記主面上の前記全面樹脂層に複数の前記穴部を形成し、前記発光基材に対して前記樹脂層を設けることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子の製造方法。
  3. 主面、前記主面に連続する第１側面及び前記主面に連続する第２側面を有し、光を放射する発光部材と、
    前記主面上にそれぞれ設けられた第１電極及び第２電極と、
    前記第１電極上に設けられ、前記第１側面まで伸びる第１ポスト電極と、
    前記第２電極上に設けられ、前記第２側面まで伸びる第２ポスト電極と、
    前記第１ポスト電極における前記発光部材と反対側の面及び前記第１側面側の面と前記第２ポスト電極における前記発光部材と反対側の面及び前記第２側面側の面とを露出させて前記主面上に設けられた樹脂部材と、
    を備えることを特徴とする光半導体素子。
  4. 主面、前記主面に連続する第１側面及び前記主面に連続する第２側面を有し、光を放射する発光部材と、前記主面上にそれぞれ設けられた第１電極及び第２電極と、前記第１電極上に設けられ前記第１側面まで伸びる第１ポスト電極と、前記第２電極上に設けられ前記第２側面まで伸びる第２ポスト電極と、前記第１ポスト電極における前記発光部材と反対側の面及び前記第１側面側の面と前記第２ポスト電極における前記発光部材と反対側の面及び前記第２側面側の面とを露出させて前記主面上に設けられた樹脂部材と、を備える光半導体素子を装置基材上に設けて光半導体装置を製造する光半導体装置の製造方法において、
    前記第１ポスト電極における前記第１側面側の面及び前記第２ポスト電極における前記第２側面側の面と前記装置基材とを接合材により接合することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
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