JP2012043846A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マザー基板に実装したとき発光方向がマザー基板と略平行となる側面発光型のＬＥＤ装置において、ＬＥＤ素子を回路基板にフリップチップ実装しただけでは放熱効率は改善しないので、回路基板の熱抵抗を下げることを目的とする。
【解決手段】回路基板１３はマザー基板３２と接続する接続面の中心線（Ａ−Ａ線）近傍に凹部１４を有する。この凹部１４に形成された電極３４の端部がＬＥＤ素子１２の発光層と積層する電極４５に近接し接続している。この凹部１４は、回路基板１３が配列した集合基板３２にあけたスルーホール５２が回路基板１３の個片化時に切断されたものである。この結果、ＬＥＤ素子１２の発熱源である発光層からマザー基板３２までの間の熱抵抗が小さくなり放熱効率が改善する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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し、詳しくはその半導体発光装置をマザー基板に実装したとき発光方向がマザー基板と略平行となる側面発光型の半導体発光装置に関する。

半導体発光素子（以後とくに断らない限りＬＥＤ素子と呼ぶ）を回路基板に実装しパッケージ化した半導体発光装置（以後とくに断らない限りＬＥＤ装置と呼ぶ）のなかで、マザー基板に実装したとき発光方向がマザー基板と略平行となる側面発光型のＬＥＤ装置が知られている。例えば、特許文献１の図1には側面発光型ＬＥＤランプ（ＬＥＤ装置）が示されている。

特許文献１の図1を図８に示す。図８において、（ａ）はＬＥＤ装置の正面図、（ｂ）は裏面図である。ＬＥＤ搭載基板２１（回路基板）には反射枠２３が取り付けられている。反射枠２３の前面にはハンダ付けパターン３１ａ，３１ｂが縦方向に設けられており、このハンダ付けパターン３１ａ，３１ｂと端子パターン２４ａ、２４ｂでＬＥＤ装置２２を実装基板（マザー基板）側に固定する。反射枠２３の内部空間にはＬＥＤ素子２２を覆うように透明又は半透明の光透過性樹脂が充填されている。ＬＥＤ素子２２はＬＥＤ搭載基板２１にダイボンディングされ、ワイアー２２ａにより給電される。端子パターン２４ａ，２４ｂは実装基板の電源電極ラインに接続される。

最近ではＬＥＤ素子の性能が向上したため、ＬＥＤ素子に大きな電流を印加して強く発光させることが可能となった。このためＬＥＤ素子の発熱が課題となってきたので、放熱効率が良いことで知られるフリップチップ実装が有望視されている。例えば特許文献２の図２，３にはＬＥＤ素子をフリップチップ実装した側面発光型のＬＥＤ装置が示されている。

特許文献２の図２，３を図９に示す。図９（ａ）は立体構造を示す概念図で、（ｂ）はその断面図である。発光ダイオードパッケージ構造１０（ＬＥＤ装置）において、金属導線架１２には内導線部１２２と外導線部１２４とがある。金属導線架１２の中央部には開口１４が形成されている。導線架１２の外導線部１２４は、外部への導電ピンとしてプラスチックハウジング１６の両側で湾曲している。開口１４は、金属導線架１２によって第１の収納空間１８と第２の収納空間２０とに隔離されている。基板２２（回路基板）上には発光ダイオードチップ２４（ＬＥＤ素子）がフリップチップ実装され、発光ダイオードチップ２４と基板２２は共晶材２６により電気的に接続される。基板２２は、導電接着剤２８により内導線部１２２上に実装されている。発光ダイオードチップ２４の発光は開口１４を介してプラスチックハウジング１６から出射する。

特開２００３−２３４５０７号公報 （図１） 特開２００５−３１７８２０号公報 （図２，図３）

放熱効率は、主にＬＥＤ素子の発熱部から回路基板を経てマザー基板に至るまでの熱伝導路で決まる。特許文献２の図２，３で示されるＬＥＤ装置（発光ダイオードパッケージ
構造１０）は、ＬＥＤ素子（発光ダイオードチップ２４）からマザー基板までの間に回路基板（基板２２）と金属導線架１２がある。しかしながら、たとえ金属導線架１２の熱伝導率が高く且つフリップチップ実装を採用しているといっても、意図的に基板２２に熱抵抗を下げる工夫を施さない限り放熱効率は向上しない。なお特許文献２は、ＬＥＤ装置の小型化を目的としており、放熱に係わる課題について何も言及していない。

そこで本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、半導体発光装置をマザー基板に実装したとき発光方向がマザー基板と略平行となる側面発光型の半導体発光装置において、回路基板の熱抵抗を下げ放熱効率を改善することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、回路基板上に半導体発光素子をフリップチップ実装した側面発光型の半導体発光装置において、
前記回路基板は前記半導体発光素子を実装する前記回路基板の実装面と直交しマザー基板と接続する接続面を備え、
該接続面は前記実装面と直交する中心線近傍に凹部を有し、
該凹部には電極が形成され、
該電極の前記実装面側の端部が前記半導体発光素子の発光層と積層する電極に近接し接続することを特徴とする。

前記回路基板が集合基板から個片化されたものであり、前記凹部が前記集合基板に対して形成したスルーホールを前記個片化時に切断したものであっても良い。

前記半導体発光素子が封止材により封止され、該封止材と前記凹部との間に隔離層を備えることが好ましい。

前記隔離層が銅箔であっても良い。

前記隔離層が樹脂シートであっても良い。

本発明の半導体発光装置において、マザー基板と接続する回路基板の接続面に存在する接続用の電極は、接続面に設けられた凹部に形成され、接続面の中心線近傍にある。回路基板の実装面では半導体発光素子の発光層と積層する電極が、この接続用電極の実装面側の端部に近接し接続している。この結果、半導体発光素子の発熱源である発光層から接続用電極までの熱抵抗を小さくできる。さらに半導体発光装置をマザー基板に実装するときには接続用電極が形成された凹部に半田等の金属が充填されるので、接続用電極とマザー基板の間の熱抵抗は小さい。以上のように、本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子の発熱源からマザー基板までの間の熱抵抗が小さくなり放熱効率が改善する。

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１のＬＥＤ装置をマザー基板に実装した状態の断面図。 図１のＬＥＤ装置における実装面側の平面図。 図１のＬＥＤ装置の回路基板が配列した集合基板の平面図。 図１のＬＥＤ装置の製造工程の説明図。 本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ装置の実装面側の平面図。 従来の側面発光型ＬＥＤ装置の斜視図。 従来の側面発光型ＬＥＤ装置の説明図。

以下、添付図１〜７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１〜６により第１実施形態について説明する。図１及び図２は本実施形態のＬＥＤ装置（半導体発光装置）の外観を説明するために描いた斜視図である。ＬＥＤ装置１０の回路基板１３にはＬＥＤ素子１２（半導体発光素子）がフリップチップ実装されている。ＬＥＤ素子１２及びＬＥＤ素子１２の実装面は蛍光体を含有した樹脂層１１（封止材）で覆われている。なお樹脂層１１は不透明であるが、説明のため透視できるよう描いている。

ＬＥＤ装置１０において、ＬＥＤ素子１２を実装する回路基板１３の実装面と、マザー基板と接続するための回路基板１３の接続面とは直交している。接続面には実装面と直交する中心線（Ａ−Ａ線）近傍に凹部１４があり、凹部１４には電極３４（図３で示す）が形成されている。この電極３４の実装面側の端部がＬＥＤ素子１２の発光層と積層するＰ電極４５（図４で示す）に近接しているため、発熱源である発光層からの熱が短い経路で凹部１４の電極３４に直接的に伝わってくる。

図３はＬＥＤ装置１０をマザー基板３２に実装した状態の断面図であり、（ａ）が全体を示し、（ｂ）が要部の拡大図である。（ａ）は図２のＢ−Ｂ線が含まれる断面を示している。マザー基板３２上に配置されたＬＥＤ装置１０の凹部１４（数字は図示せず）にはハンダ３１が充填され、ハンダ３１によりＬＥＤ装置１０とマザー基板３２が接続している。ＬＥＤ装置１０の発光は矢印３３の示す方向（マザー基板と平行な方向）に出射する。

（ｂ）は（ａ）においてＣで囲んだ領域の拡大図である。樹脂層１１は、蛍光体を含有する蛍光体樹脂３７と白色の樹脂からなる反射枠３８とからなっている。樹脂層１１と回路基板１３との間にはセラミックインク層３６と電極３５が存在する。回路基板１３の凹部１４（数字は図示せず）の表面には電極３４が形成され、電極３４は電極３５と接続している。電極３５は、樹脂層１１の下端まで延出し樹脂層１１やセラミックインク層３６と凹部１４とを隔てる隔離層としても機能している。マザー基板３２の上面にも電極３３が形成され、電極３３はハンダ３１により回路基板１３の電極３４と接続する。ＬＥＤ素子１２（図示せず）が発する熱は、電極３５に伝わり、電極３４及びハンダ３１を経由して電極３３に達する。

図４により回路基板１３の実装面を説明する。図４はＬＥＤ装置１０を実装面側から眺めた平面図であり、（ａ）は樹脂層１１、（ｂ）は樹脂層１１を剥がした状態、（ｃ）は回路基板１３上に形成した電極、を示している。
（ａ）：樹脂層１１は蛍光体樹脂３７と反射枠３８からなっており、反射枠３８が蛍光体樹脂３７を取り囲んでいる。
（ｂ）：樹脂層１１を剥がすと、ＬＥＤ素子１２とセラミックインク層３６が現れる。
（ｃ）：ＬＥＤ素子１２及びセラミックインク層３６を取り去ると、回路基板１３及びその表面に形成された電極３５，４６，４７が現れる。

セラミックインク層３６はオルガノポリシロキサン等のバインダ中に二酸化チタン等の反射性粒子を混練し焼結したものである。セラミックインク層３６の開口部３６ａにはＬＥＤ素子１２が回路基板１３にフリップチップ実装されている。ここでＬＥＤ素子１２の
下面に形成されたＰ電極４５は図の右上隅以外の三隅を占め、Ｎ電極４４は右上隅を占めている。特殊な平面形状をしたＰ及びＮ電極４５，４４は、ホトリソグラフィ法を併用した電解メッキ法で形成した。

ＬＥＤ素子１２の発光層がＬＥＤ素子１２のｐ型半導体層と積層しているのに呼応し、Ｐ電極４５は発光層と積層する。また実装面においてはＰ電極４５が凹部１４側に配置されるようＬＥＤ素子１２の向きが設定されており、Ｐ電極４５と凹部１４の電極３４（図示せず）は電極３５により太く短い経路で接続している。この結果、発光層が発する熱は小さな熱抵抗でＰ電極４５及び電極３５を経て電極３４に伝わる。なお電極３５は凹部１４を覆う隔離層となっており、同様にＮ電極４４と接続する電極４６、フローティングの電極４７もそれぞれ凹部１５，１６を覆う隔離層となっている。

図５により回路基板１３を製造するための集合基板５０を説明する。図５はＬＥＤ装置１０の回路基板１３（図中では１３ａ，１３ｂと表示）が配列した集合基板の平面図である。集合基板５０には切断線５１によって区切られた領域に複数の回路基板１３ａ，１３ｂ等が配列している。回路基板１３ａには電極３５ａ，４６ａ，４７ａが形成されており、同様に回路基板１３ｂにも電極３５ｂ，４６ｂ，４７ｂが形成されている。回路基板１３ａと回路基板１３ｂは回転対称である。集合基板５０の切断線５１上にはスルーホール５２が形成されている。スルーホール５２のうち電極３５ａ，３５ｂと重なるスルーホール５２ａは切断線５１で２分割される位置にあり、集合基板５０を切断して回路基板１３を個片化すると凹部１４になる。同様にスルーホール５２のうち電極４６ａ，４７ｂと重なるスルーホール５２ｂは切断線５１で４分割される位置にあり、集合基板５０を切断して回路基板１３を個片化すると凹部１５，１６になる。

図６によりＬＥＤ装置１０の製造工程を説明する。図６はＬＥＤ装置１０の製造工程の説明図である。（ａ）は加工前の集合基板５０を準備する工程である。（ｂ）は集合基板５０にスルーホール５２をあける工程である。（ｃ）は集合基板に銅箔６１を貼る工程である。（ｄ）はスルーホール５２と集合基板５０の裏面に金属層６２を形成する工程である。なお金属層６２はスルーホール５２の内面全体に亘って形成されるが、本図では断面のみ図示している。（ｅ）は電極３４，３５，４６，４７を形成する工程である。電極３５，４６，４７の表面はＮｉ及びＡｕをメッキする。電極３４側もハンダ付けし易いようにＳｎやハンダ等をメッキしておく。

（ｆ）はセラミックインク層３６を形成する工程である。セラミックインク層３６は、先ず硬化前のセラミックインクをスクリーン印刷法で集合基板上に塗布し、これを約１５０℃程度で硬化させたものである。（ｇ）はＬＥＤ素子１２を実装する工程である。ＬＥＤ素子１２のＰ及びＮ電極４５，４４（図示せず）と回路基板の電極３５，４６とを対向させ、加圧しながら加熱し接合する。接合は、マザー基板へのリフロー接合温度よりも融点が高い金錫共晶接合を採用した。（ｈ）は樹脂層を形成する工程である。この工程では、先ず図４で示した蛍光体樹脂３７を形成する。次に蛍光体樹脂３７に溝を掘る。最後にこの溝に白色の樹脂を流し込み硬化させて反射枠３８（図４参照）を形成する。（ｉ）はＬＥＤ素子１０を個片化する工程を示している。個片化に際しスルーホール５２を切断したので、ＬＥＤ素子１０の回路基板１３には電極３４等を備えた凹部１４，１５，１６が形成される。

本実施形態では回路基板１３と樹脂層１１の間にセラミックインク層３６を備えていた。このセラミックインク層１３は、回路基板１３の反射率を改善することと、回路基板１３が樹脂である場合にＬＥＤ素子１２の発光による樹脂の劣化を防止すること、とを目的としていた。回路基板１３がアルミナのように実装面の反射率が高く劣化防止が不要なときはセラミックインク層３６を省くことができる。
（第２実施形態）

図７により第２実施形態を説明する。図７は本実施形態におけるＬＥＤ装置１０ａの実装面側の平面図であり、（ａ）は樹脂層１１、（ｂ）は樹脂層１１を剥がした状態、（ｃ）は回路基板１３上に形成し電極、を示している。なおＬＥＤ装置１０の外観は第１実施形態と等しいので共通の部材等は第１実施形態と同じ番号を用いている。

（ａ）：第１実施形態の図４（ａ）と同じ構成である。樹脂層１１は蛍光体樹脂３７と反射枠３８からなっており、反射枠３８が蛍光体樹脂３７を取り囲んでいる。
（ｂ）：樹脂層１１を剥がすと、ＬＥＤ素子１２と樹脂シート３６ｃが現れる。ＬＥＤ素子１２は樹脂シート３６ｃの開口部３６に配置されている。
（ｃ）：ＬＥＤ素子１２及び樹脂シート３６ｃを取り去ると、回路基板１３及びその表面に形成された電極３５ｃ，４６ｃ，４７ｃが現れる。さらに本実施形態では凹部１４，１５，１６も見える。
なおＬＥＤ素子１２からマザー基板に至る熱抵抗は第１実施形態と同等である。

第１実施形態では実装面側の電極３５，４６，４７が、スルーホール５２へのセラミックインク層３６及び樹脂層１１（蛍光体樹脂３７と反射枠３８）の侵入を阻止していた。これに対し本実施形態は、スルーホール５２へこれらの部材が侵入することを防ぐためスルーホール５２の入口を樹脂シート３６ｃで塞いでいる。つまり本実施形態では、第１実施形態の図６（ｅ）に相当する工程（集合基板５０に電極を形成する工程）のあとスルーホール５２が開口しているため、ＬＥＤ素子１２の実装部に開口部（３６ｄ）を備え且つスルーホール５２に対応する領域が開口していない大判の樹脂シート３６ｃを隔離層として集合基板５０に貼りつける。この後、ＬＥＤ素子１２の実装、樹脂層１１の形成、ＬＥＤ装置１０の個片化と進む。樹脂シート３６ｃとして厚さが０．１ｍｍ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）が使える。ＢＴレジンは反射特性が良好であるのでセラミックインクを塗布する必要はない。なお樹脂シート３６ｃの反射率や耐光性が問題になる場合には、セラミックインク層を備えていた方が良い。

１０，１０ａ…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
１１…樹脂層（封止材）、
１２…ＬＥＤ素子（半導体発光素子）、
１３，１３ａ，１３ｂ…回路基板、
１４，１５，１６…凹部、
３１…ハンダ、
３２…マザー基板、
３３，３４，３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，４６，４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，
４７，４７ａ，４７ｂ，４７ｃ…電極、
３６…セラミックインク層、
３６ａ，３６ｄ…開口部、
３６ｃ…樹脂シート、
３７…蛍光体樹脂、
３８…反射枠、
４４…Ｎ電極、
４５…Ｐ電極、
５０…集合基板、
５１…切断線、
５２，５２ａ，５２ｂ…スルーホール、
６１…銅箔、
６２…金属層。

Claims (5)

1. 回路基板上に半導体発光素子をフリップチップ実装した側面発光型の半導体発光装置において、
   前記回路基板は前記半導体発光素子を実装する前記回路基板の実装面と直交しマザー基板と接続する接続面を備え、
   該接続面は前記実装面と直交する中心線近傍に凹部を有し、
   該凹部には電極が形成され、
   該電極の前記実装面側の端部が前記半導体発光素子の発光層と積層する電極に近接し接続することを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記回路基板が集合基板から個片化されたものであり、前記凹部が前記集合基板に対して形成したスルーホールを前記個片化時に切断したことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記半導体発光素子が封止材により封止され、該封止材と前記凹部との間に隔離層を備えることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
4. 前記隔離層が銅箔であ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。
5. 前記隔離層が樹脂シートであ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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