JP2011228380A - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】板材が樹脂からなる回路基板上に複数のLED素子を実装しても良好な放熱性を確保する。
【解決手段】角部にn側バンプ23を備えるLED素子13を、n側バンプ23が回路基板12の中心線を向くように配置し、p側バンプ24と接続する+電極15をLED素子13の実装領域をはみ出すように広くとる。このときn側及びp側バンプ23,24は金メッキバンプであり、各LED素子13は並列接続する。+電極15の幅が広がるため、発光層から発した熱が低い熱抵抗で+電極15を伝わる。
【選択図】図7

Description

本発明は、回路基板上に複数個の半導体発光素子をフリップチップ実装した半導体発光装置に関する。
実装効率や放熱特性を向上させるため、しばしば回路基板に半導体発光素子(以後とくに断らない限りLED素子と呼ぶ)をフリップチップ実装することがある。また半導体発光装置(以後とくに断らない限りLED装置と呼ぶ)の明るさを増すため回路基板に複数のLED素子を実装することがある。
例えば特許文献1の図13には2個の発光ダイオード素子10(LED素子)がp側電極を向かい合わせるようにしてフリップチップ実装されている様子が示されている。同様に図11には3個の発光ダイオード素子10が1列に並んでフリップチップ実装されている様子が示されている。ちなみに特許文献1は、回路基板上に設けられた複数の配線がそれぞれ2以上の折れ曲がり部を有し、それぞれの配線に1又は複数の発光ダイオード素子が直接実装されていることを特徴とし、回路基板の配線の熱膨張による熱歪や熱応力の軽減を目指している。
特開2007−27521号公報 (図11、図13)
最近ではLED装置の高輝度化に向け、LED素子に以前よりも多くの電流を流すようになってきた。このためLED素子の発熱も増えたため、LED装置の放熱が大きな課題となっている。特許文献1は回路基板の配線の熱膨張による熱歪や熱応力の軽減が目的となっており、放熱に関しては言及していない。そこで本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、回路基板に実装した複数のLED素子に大きな電流を流したときでも放熱が良好な半導体発光装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明の半導体発光装置は、複数の半導体発光素子を回路基板上にフリップチップ実装した半導体発光装置において、
前記半導体発光素子は、
該半導体発光素子の角部又は辺部に配置される第1素子電極と、
発光層と平面的に重なる第2素子電極とを有し、
前記回路基板は、
前記第1素子電極に接続する第1基板電極と、
前記第2素子電極に接続する第2基板電極とを有し、
前記半導体発光素子の前記第1素子電極が前記回路基板の中心線方向を向き、
前記第2基板電極が前記回路基板の辺に向かって前記半導体発光素子の実装領域からはみ出し、
前記半導体発光素子が並列接続していることを特徴とする。
前記回路基板の板材が樹脂であっても良い。
前記回路基板の3辺に沿って前記第2基板電極と接続する複数のスルーホールを備えることが好ましい。
前記第1及び第2素子電極は電解金メッキ法により形成された金バンプであり、前記第1素子電極と前記第1基板電極、並びに前記第2素子電極と前記第2基板電極を金錫共晶で接合することが好ましい。
本発明の半導体発光装置は、発光層から発した熱が発光層と平面的に重なる第2素子電極、及び第2素子電極に接続する第2基板電極を経由して、半導体発光装置を実装するマザー基板に伝達することによって放熱する。このとき第2素子電極は平面形状を任意に設定できる電解金メッキ法で形成した金バンプなので、第2基板電極との接続面積を大きくとれる。第2素子電極が回路基板の辺側を向いているため、第2基板電極は第2素子電極との接続領域の周辺部を回路基板の辺近傍に至るまで幅広くとれる。さらに半導体発光素子が並列接続するため第2基板電極は隘路を持たない。以上のようにして発光層からマザー基板まで熱抵抗を低くできる。この結果、本発明は放熱が良好な半導体発光装置を提供できる。
本発明の第1実施形態におけるLED装置の斜視図。 図1のLED装置の斜視図。 図2のLED素子をバンプ面から見た平面図。 図2のLED素子の断面図。 図1のLED装置の断面図。 図5のCで囲んだ領域の拡大図。 図2のLED装置の平面図。 図2のLED装置の回路図。 本発明の第2実施形態におけるLED素子をバンプ面からみた平面図。 本発明の第2実施形態におけるLED装置の平面図。 本発明の第3実施形態におけるLED装置の平面図。 本発明の第4実施形態におけるLED装置の平面図。
以下、添付図1〜12を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。
(第1実施形態)
添付図1〜8を参照して本発明の第1実施形態を詳細に説明する。図1は本実施形態のLED装置の外観を説明するための斜視図である。LED装置10は回路基板12の上に蛍光体を含有した樹脂層11が積層している。
図2により図1のLED装置10に実装されたLED素子13の実装状況を概説する。図2は図1のLED装置10から樹脂層11を取り除いた状態のLED装置20の斜視図である。回路基板12の板材16上には−電極14(第1基板電極)と+電極15(第2基板電極)が形成されている。さらにその上には4個のLED素子13がフリップチップ実装されている。このLED素子13のn側バンプ(第1素子電極、図示せず)とp側バンプ(第2素子電極、図示せず)はそれぞれ−電極14と+電極15に接続している。
図3によりLED素子13の電極面を説明する。図3はLED素子13を電極面側から
眺めた平面図である。下層にあるn型半導体層21は、上層にあるp型半導体層22から一部分が露出している。LED素子13の角部にあるn側バンプ23はn型半導体層21に接続し、p側バンプ24はp型半導体層22に接続している。発光層(図示せず)はn型半導体層21とp型半導体層22の境界部(積層部)にあり、平面的には概ねp型半導体層22に等しい。ここでp側バンプ24は比較的大きな領域を共通にして発光層と平面的に重なっている。なおn側バンプ23及びp側バンプ24は金バンプである。
図4によりLED素子13の断面を説明する。図4は図3のBB線に沿ったLED素子13の断面図である。なおn側バンプ23とp側バンプ24が同時に図示できるように図3ではBB線を曲げている。図4に示すようにサファイア基板25の下面にはn型半導体層21が形成されている。n型半導体層21の下面にはp型半導体層22とn側バンプ23がある。p型半導体層22の下面にp側バンプ24が付着している。n及びp側バンプ23,24は厚さが10〜15μmである。
図5によりLED装置10の構造を説明する。図5は、図2のA−A線に沿うようにして描いたLED装置10の断面図である。なおLED素子13のn及びp側バンプ23,24と回路基板12のスルーホール14a,15aを同時に図示するため図2ではA−A線を屈曲させた。
回路基板12とLED素子13は蛍光体を含有した樹脂層11によって覆われている。板材16の上面には−電極14及び+電極15、並びに下面にはマザー基板(図示せず)の電極と接続するための出力電極14b及び出力電極15bが形成されている。−電極14と出力電極14b、並びに+電極15と出力電極15bはそれぞれスルーホール14a,15aで接続している。板材16は厚さが300μmのBTレジン(三菱瓦斯化学の商標名であり、ビスマレイミドトリアジン樹脂等からなる熱硬化性樹脂)からなる。−及び+電極14,15と出力電極14b,15bはニッケルと金を積層した銅箔である。スルーホール14a,15aは直径が200μmで銅ペーストが充填されている。なお図中、−電極14は2箇所に分離して描かれているが電気的には導通している(+電極15も同様)。またn側及びp側バンプ23,24と−及び+電極14,15とは金錫共晶で接合している。出力電極15bは放熱のため、出力電極14bより面積を大きくしている。
図6により回路基板12からn型半導体層21に至る積層構造を詳細に説明する。図6は図5のCで囲んだ領域の拡大図である。回路基板12の板材16上には、+電極15、金錫共晶層24c、金バンプ部24b、UBM(アンダーバンプメタル)層24a、金属層22b、p型GaN層22a、発光層21a、n型半導体層21が積層している。p側バンプ24は、金錫共晶層24c、金バンプ部24b、UBM層24aの積層物であり、p型半導体層22は金属層22bとp型GaN層22aの積層物である。
+電極15は、厚さが10〜20μmの銅箔と、厚さが2μm程度のNi層と厚さが0.3μm程度のAu層が積層した構造になっている。金錫共晶層24cは厚さが2〜3μmでp側バンプ24と+電極15を接合する。融点を300℃〜420℃に設定できる金錫共晶接合は、比較的低温で接合できるにもかかわらず250℃前後のリフロー温度では接合を維持できるので、LED装置10をマザー基板に実装するときに有利な接合法となる。金バンプ部24bは厚さが10〜20μmである。UBM層24aは、金バンプ部24bを電解メッキ法で形成する際の共通電極の一部が金バンプ部24bを電気的に孤立させるときに残ったものであり、厚さが0.3μmで、TiWとAuの2層構造になっている。
金属層22bは、電流分布の改善やオーミックコンタクト、反射機能、原子拡散防止など様々な目的を達成するためITO層、Ag層、金層など複数の金属薄膜が積層したもの
である。金属層22bとp型GaN層22aからなるp型半導体層22は厚さが約1μmである。GaN障壁層とInGaN井戸層からなる発光層21aは厚さが60nmであり、n型GaNからなるn型半導体層21は厚さが約4μmである。
図7は図2で示したLED装置20を上から眺めたときの平面図である。図中、LED素子13を簡略化して描き、−及び+電極14,15を明示するため本来不透明なLED素子13を透視できるものとし、さらにn側及びp側バンプ23,24がLED素子13の裏面側にあることを示すため輪郭を点線で示している。
LED装置20の上面では図の上から下に向かいLED素子13が2列で並んでいる。各LED素子列にはLED素子13が2個含まれる。全てのLED13のn側バンプ23は回路基板12(図中に番号は明記していない)の中心線(図示せず)方向を向いている。ここで中心線とは回路基板12の略中心を通り対向する辺と直交するものである。本実施形態の場合、図の上から下に延びる中心線が該当する。この中心線にn側バンプ23が向いているため全てのLED素子13のp側バンプ24はLED装置20の辺側に配置される。このとき+電極15はLED装置20の辺に向かってLED素子13の実装領域からはみ出し、p側バンプ24と接続する領域の周辺部を広くしている。スルーホール14aは上辺に配置され、スルーホール15aは左右の辺と下辺に配置されている。n側バンプ23と接続する−電極14には隘路があるのに対し+電極15には隘路がない。
図8はLED素子20の回路図である。4個のLED素子13が並列接続している。アノードが+電極15、カソード側が−電極14に相当する。
図7に戻り放熱経路を説明する。LED素子13の発光層で生じた熱は、p側バンプ24を経由して+電極15に伝わる。p側バンプ24は面積が大きいためこの間の熱抵抗は小さい。さらに+電極15からスルーホール15aに熱が伝わる。+電極15はp側バンプ24と接続する領域の周りが広く、且つスルーホール15aまで隘路がないので、p側バンプ24の接続部からスルーホール15aまでの熱抵抗は小さい。スルーホール15aは前述のように銅ペースト充填してあるばかりでなく、3辺に亘り多数存在するので+電極15と出力電極15b(図示せず)との間の熱抵抗も小さくなる。さらに前述のように出力電極15bの面積を大きくしているのでマザー基板(図示せず)への熱伝導性もよい。以上のように発光層からマザー基板まで低い熱抵抗で接続されている。なお、n側バンプ23領域の発熱は小さいので−電極14に隘路があっても良い。
回路基板の板材はセラミックや金属、シリコンなどでもかまわない。熱伝導性の高いこれらの材料からなる回路基板は、さらに熱伝導性の良い本実施形態の+電極によりいったん熱を平面的に広げてから板材を通じてマザー基板へ垂直に熱を伝えられるので放熱効率が上がる。しかしながら本実施形態のように回路基板12の板材16に樹脂を採用すると効果が大きく現れる。言い換えるとLED装置の配線に熱伝導の主要部を担わせることで、熱伝導性は悪いが製造が容易で安価な樹脂基板が採用できたことになる。
本実施形態ではLED装置20の3辺に沿って+電極15と接続する複数のスルーホール15aを備えていた。このスルーホール配置に限らず、スルーホール15aが図7の下辺だけ、ないし1個だけであっても、+電極15が幅の広い熱伝導経路確保しているので、LED装置としては発光層とマザー基板との間の熱抵抗を小さくする効果が得られる。とはいってもスルーホール15aの数が多いほど熱抵抗が下がるので、とくに板材16が樹脂の場合にはできるかぎり多くのスルーホール15aを設けたほうが好ましい。
本実施形態ではp側バンプ24を長方形とし電解金メッキ法で形成していた。電解メッキ法ではp側バンプ24の平面形状を比較的任意に設定できるので、p側バンプ24がp
型半導体層22をほぼ覆うような形状にして熱抵抗を下げることができる。このときn側及びp側バンプ23,24と−及び+電極14,15を金錫共晶で接合すると前述のように比較的低温で接合しても耐リフロー性を高くできる。接合はハンダなど他の金属でも可能であるが、ハンダの場合、リフロー時の時間を短くしておかなければならない。
(第2実施形態)
添付図9,10を参照して本発明の第2実施形態を詳細に説明する。本実施形態は第1実施形態とLED素子の電極配置が異なるので、まず図9によりLED素子13dの電極面を説明する。図9はLED素子13dを電極面側から眺めた平面図である。下層にあるn型半導体層21dは、上層にあるp型半導体層22から一部分が露出している。第1実施形態と違って、本実施形態では周辺部以外のn型半導体層21dの露出部が図の右側の辺部にある。LED素子13dの辺部にあるn側バンプ23dはn型半導体層21dに接続し、p側バンプ24dはp型半導体層22dに接続している。発光層(図示せず)はn型半導体層21dとp型半導体層22dの境界部(積層部)にあり、平面的には概ねp型半導体層22dに等しい。ここでp側バンプ24dは比較的大きな領域を共通にして発光層と平面的に重なっている。なおn側バンプ23d及びp側バンプ24dは金バンプである。
LED素子13d及びLED装置の積層構造は第1実施形態のLED素子13及びLED装置10と基本的に同等なので、図10により本実施形態のLED素子13dの配置及びLED装置20dの電極を説明する。図10はLED装置20dを上から眺めたときの平面図である。図中、LED素子13dの描き方は図7のLED素子13と同等である。
LED装置20dの上面には3個のLED素子13dが配置され、図の上側にある2個のLED素子13dのn側バンプ23dは図の上から下に延びる中心線(図示せず)方向を向いている。さらに図の下側中央にあるLED素子13dのn側バンプは図の左から右に延びる中心線(図示せず)方向を向いている。この結果、全てのLED素子13のp側バンプ24dはLED装置20dの辺側に配置される。このとき+電極15dは、LED装置20dの辺に向かってLED素子13dの実装領域からはみ出し、接続領域の周辺部が広くなっている。スルーホール14a(第1実施形態と同等)は上辺に配置され、スルーホール15a(第1実施形態と同等)は左右の辺と下辺に配置されている。−電極14dには隘路があるが+電極15dには隘路はない。
本実施形態は3個のLED素子13dが並列接続したものである。熱伝導も1実施形態と同様であり、例えば+電極15dはp側バンプ24dと接続する領域の周りが広く、且つスルーホール15aまで隘路がないので、発光層からスルーホール15aまでの間の熱抵抗は小さい。
本実施形態ではLED装置20dに3個のLED素子13dを搭載していたが、搭載数を5,7,9、‥‥とする場合は、図の上下方向にLED素子13dを2列で並べ各LED素子列に含まれるLED素子13dを2,3,5‥‥とし、残りの一個だけは上下方向に延びる中心線上に配置すれば良い
(第3実施形態)
添付図11を参照して本発明の第3実施形態を詳細に説明する。本実施形態は第1実施形態と同じLED素子13を使い、積層構造も第1実施形態のLED装置10と基本的に同等である。そこで図11により本実施形態のLED素子13の配置及びLED装置20eの電極を説明する。図11はLED装置20eを上から眺めたときの平面図である。図中、LED素子13の描き方は図7と同等である。
LED装置20eの上面には2個のLED素子13が配置されている。各LED13素子のn側バンプ23は図の上から下に延びる中心線(図示せず)方向を向いている。この結果、各LED素子13のp側バンプ24はLED装置20eの辺側に配置される。このとき+電極15eはLED装置20eの辺に向かってLED素子13の実装領域からはみ出し、接続領域の周辺部を広くしている。スルーホール14a(第1実施形態と同等)は上辺に配置され、スルーホール15a(第1実施形態と同等)は左右の辺と下辺に配置されている。−電極14eには隘路があるが+電極15eには隘路はない。
本実施形態は2個のLED素子13が並列接続したものである。熱伝導に関しても第1実施形態と同様である。本実施形態ではLED素子13の搭載数は2個であり、第1実施形態では4個であった。搭載数を6,8,10、‥‥とする場合は、図の上下方向にLED素子13を2列で並べ各LED素子列に含まれるLED素子13を3,4,5‥‥とすれば良い。
(第4実施形態)
添付図12を参照して本発明の第4実施形態を詳細に説明する。本実施形態は第1実施形態と同じLED素子13を使っている。図12により本実施形態のLED素子13の配置及びLED装置20fの電極を説明する。図12はLED装置20fを上から眺めたときの平面図である。図中、LED素子13を描き方は図7と同等である。
LED装置20fの上面には4個のLED素子13が配置されている。全てのLED素子13のn側バンプ23は図の上から下へ延びる中心線(図示せず)方向を向き、且つLED装置20fの中心を向いている。この結果、各LED素子13のp側バンプ24はLED装置20fの辺側に配置される。本実施形態では+電極15fがLED装置20fの辺に向かってLED素子13の実装領域からはみ出ているばかりでなく、さらに板材16の外郭からもはみ出している点が第1〜3実施形態と大きく異なる。すなわち+電極15fは、板材16の側面を経由して裏面にある出力極(図示せず)と接続する。−電極14fも同様であり、スルーホールを形成しないかわりに板材16の側面に電極形成している。なお−電極14fには隘路があるが+電極15fには隘路はない。また4個のLED素子13は並列接続している。熱伝導に関しても、第1〜3実施形態のスルーホール15aが側面電極に代わっただけなので、発光層からマザー基板までの熱抵抗は小さい。
第1〜4実施形態では第1素子電極及び第2素子電極をn側バンプ23,23d及びp側バンプ24,24dとし、第1基板電極及び第2素子電極を−電極14,14d,14e,14f及び+電極15,15d,15e,15fとしてきた。しかしながらサファイア基板上にp型半導体層を形成し、さらにn型半導体層形成してLED素子を構成する場合には、第1素子電極及び第2素子電極がp側バンプ及びn側バンプ、第1基板電極及び第2基板電極が+電極及び−電極となる。
10,20,20d,20e,20f…LED装置(半導体発光素子)、
11…樹脂層、
12…回路基板、
13,13d…LED素子(半導体発光素子)、
14,14d,14e,14f…−電極(第1基板電極)、
14a,15a…スルーホール電極、
14b,15b…出力電極、
15,15d,15e,15f…+電極(第2基板電極)、
16…板材、
21,21d…n型半導体層、
21a…発光層、
22…p型半導体層、
22a…p型GaN層、
22b…金属層、
23,23d…n側バンプ(第1素子電極)、
24、24d…p側バンプ(第2素子電極)、
24a…UBM層、
24b…金バンプ部、
24c…共晶層、
25…サファイア基板、

Claims (4)

  1. 複数の半導体発光素子を回路基板上にフリップチップ実装した半導体発光装置において、
    前記半導体発光素子は、
    該半導体発光素子の角部又は辺部に配置される第1素子電極と、
    発光層と平面的に重なる第2素子電極とを有し、
    前記回路基板は、
    前記第1素子電極に接続する第1基板電極と、
    前記第2素子電極に接続する第2基板電極とを有し、
    前記半導体発光素子の前記第1素子電極が前記回路基板の中心線方向を向き、
    前記第2基板電極が前記回路基板の辺に向かって前記半導体発光素子の実装領域からはみ出し、
    前記半導体発光素子が並列接続していることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記回路基板の板材が樹脂で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。
  3. 前記回路基板の3辺の沿って前記第2基板電極と接続する複数のスルーホールを備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光装置。
  4. 前記第1及び第2素子電極は電解金メッキ法により形成された金バンプであり、前記第1素子電極と前記第1基板電極、並びに前記第2素子電極と前記第2基板電極を金錫共晶で接合することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
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