JP2012094578A - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子の周囲だけに蛍光体層を備えるＬＥＤ装置の製造方法において、機械加工で蛍光体層の形状を精度良くしながら、ウェハーからの取り個数や蛍光体層のバインダを制限せず加工を容易にする。
【解決手段】複数の回路基板が連結した集合基板２１を準備する工程（ａ）と、集合基板２１にＬＥＤ素子２０をフリップチップ実装する工程（ｂ）と、集合基板２１に蛍光体層１１を形成する工程（ｃ）と、蛍光体層１１を研磨する工程（ｄ）と、ＬＥＤ素子２０の側面から所定の距離まで蛍光体層１１を研削除去する工程と、ＬＥＤ装置１０を個片化する個片化工程とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子の周囲に蛍光体が偏在した半導体発光装置の製造方法に関する。

半導体発光素子（以後とくに断らない限りＬＥＤ素子と呼ぶ）を回路基板にフリップチップ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、方位角にともなって変化する色ムラを低減させるためＬＥＤ素子の周囲に蛍光体が偏在したＬＥＤ装置がある。

このＬＥＤ装置の製造方法としては、回路基板にＬＥＤ素子を実装してから電気泳動法、電着法、スプレイ法等で蛍光体をＬＥＤ素子に付着する方法が知られている。電気泳動法はＬＥＤ素子の光出射面や側面に蛍光体付着用の電極を設けなければならず煩瑣である。またＬＥＤ装置は発光色を一定にするため蛍光体の量を精度良く制御しなけらばならないが、電気泳動法、電着法、スプレイ法は蛍光体が電界や慣性により空間を移動するため蛍光体粒子径のバラツキを狭い範囲に収めなければならない。このような蛍光体粒子径への制限がなく、蛍光体からなる層（以下蛍光体層と呼ぶ）の外形を精度良く形成できる製造方法として機械的加工を採用するものがある（例えば特許文献１）。

特許文献１の図１の一部を図７に示す。（ｇ）は発光ダイオード１（ＬＥＤ素子）の断面を示している。サファイア基板１０の上面と側面には蛍光体層１４が形成されている。サファイア基板１０の下面は電極面１５となっており、発光層１９、ｐ電極７とｎ電極８がある。（ｂ）の工程では切削具２１で複数の発光ダイオードが配列されているウェハー状態のサファイア基板１０に溝１２を形成する。（ｃ）の工程ではウェハー上面に蛍光体ペースト１３を塗布しスキージ２６で平坦化する。（ｄ）の工程では目的の厚みとするため研磨具２２で蛍光体層１４を研磨する。（ｆ）の工程ではダイシングテープ２４上にウェハーを置き切断具２５で溝の中央を切断する。以上の工程で周囲に蛍光体層１４を備えた発光ダイオード１が個片化される。

特許第３９７８５１４号公報 （図１）

特許文献１の方法で作成されたＬＥＤ素子（発光ダイオード１）は、ウェハーに対する機械加工なので蛍光体粒子径の影響を受けず精度の良い外形が保証されている。またＬＥＤ素子が密集して配列した状態のウェハーを加工しているため製造効率も良い。しかしながら蛍光体層１４の厚さは概ね１００μｍ以上必要であるため溝１２の幅は２００μｍ以上必要になる。現状、３００μｍ〜１０００μｍ角程度のＬＥＤ素子に対して、ウェハー上でＬＥＤ素子間を２００μｍ以上離すことは取り個数を考えると採用しづらい。また予めＬＥＤ素子に蛍光体層１４を形成しておくと、回路基板にＬＥＤ素子を実装する工程で必要な高温（３００〜４００℃）に耐えられるバインダ材料を使用せざるを得ず、一般的なシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などが使えなくなり、材料の選択範囲が狭くなってしまう。

そこで本発明は、これらの課題を解決するため、ＬＥＤ素子の周囲に配置された蛍光体
層の形状が精度良く加工されていても、ウェハーからの取り個数や蛍光体層に含まれるバインダの選択範囲を制限せず、加工が容易なＬＥＤ装置の製造方法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の製造方法は、回路基板上にフリップチップ実装した半導体発光素子の周囲に蛍光体が偏在した半導体発光装置の製造方法において、
複数の前記回路基板が連結した集合基板を準備する集合基板準備工程と、
該集合基板に前記半導体発光素子をフリップチップ実装する実装工程と、
該半導体発光素子が実装された前記集合基板に蛍光体層を形成する蛍光体層形成工程と、
前記集合基板に実装された前記半導体発光素子の側面から所定の距離まで前記蛍光体層を研削除去する蛍光体層研削工程と、
該蛍光体層が研削された状態の前記集合基板から半導体発光装置を個片化する個片化工程と
を備えることを特徴とする。

前記蛍光体層形成工程の前に前記半導体発光素子の実装領域から所定の距離だけ離れた領域にマスク材を配置するマスク材配置工程と、
前記蛍光体層形成工程の後に前記マスク材を除去するマスク材除去工程と
を有することが好ましい。

前記回路基板上に白色反射層又は透明層を備えることが好ましい。

前記蛍光体層形成工程において蛍光体層を研磨しても良い。

前記実装工程において前記半導体発光素子のピーク波長のバラツキが１ｎｍ以内であることが好ましい。

本発明の半導体発光装置の製造方法では、集合基板にフリップチップ実装した半導体発光素子を覆うように蛍光体層を形成してから、蛍光体層の不要な部分を切削により除去している。蛍光体層は蛍光体粒子をバインダで凝集したものなので研削は容易であり、機械加工であるため蛍光体層の外形精度が高い。また回路基板に半導体発光素子を実装してから蛍光体層を形成するため、半導体発光素子が密集して配列するウェハーに対しダイシング以外の素子間隔制限がない。さらに蛍光体層には実装時の高温が掛からないためシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などのバインダ材料が使えるようになる。

以上、本発明の半導体発光装置の製造方法は、ＬＥＤ素子の周囲に配置した蛍光体層の形状を精度良く加工でき、ウェハーからの取り個数や蛍光体層に含まれるバインダの選択範囲を制限せず、加工が容易である。

本発明の第１実施形態で製造するＬＥＤ装置の断面図。 図１のＬＥＤ装置を製造するための工程説明図。 本発明の第２実施形態で製造するＬＥＤ装置の断面図。 図３のＬＥＤ装置を製造するための工程説明図。 本発明の第３実施形態で製造するＬＥＤ装置の断面図。 図５のＬＥＤ装置を製造するための工程説明図。 従来のＬＥＤ素子とその製造方法の説明図。

以下、添付図１〜４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。さらに特許請求の範囲に記載した発明特定事項との関係をカッコ内に記載している。
（第１実施形態）

図１は本発明の第１実施形態の方法で製造したＬＥＤ装置１０（半導体発光装置）の断面図である。ＬＥＤ装置１０は、回路基板１９上にＬＥＤ素子２０をフリップチップ実装している。回路基板１９において＋電極１６は板材１８の上下の面に金属パターンを有し、それぞれの金属パターンはスルーホール１６ａで接続している。同様に−電極１７も板材１８の上下の面に金属パターンを有し、それぞれの金属パターンはスルーホール１７ａで接続している。ＬＥＤ素子２０はサファイア基板１２の下面に半導体層１３が形成され、半導体層１３にｐ側バンプ１４ａとｎ側バンプ１４ｂが付着している。半導体層１３は、発光層を備えた青色発光ダイオードであり、ｐ側バンプ１４ａとｎ側バンプ１４ｂがそれぞれアノードとカソードに相当する。ｐ及びｎ側バンプ１４ａ，１４ｂは金属共晶接合によりそれぞれ＋及び−電極１６，１７と接続している。蛍光体層１１はＬＥＤ素子２０の上面と側面を覆うようにして偏在しており、一部が薄く回路基板１９の上面を覆っている。蛍光体層１１には透明樹脂層１５が積層している。

蛍光体層１１は珪酸塩系（又は窒化物系）の緑色蛍光体と窒化物系の赤色蛍光体を含みシリコーン樹脂をバインダとしている。半導体層１３から出射した青色光と、この青色光により励起した蛍光体層１１からの緑色光及び赤色光とが混色し白色光が得られる。蛍光体層１１のように蛍光体をＬＥＤ素子の周囲に偏在させると出射方向（方位角）によって変化する色ムラ（白色光の色度変化）が軽減する。

透明樹脂層１５は散乱材等を含む透明なシリコーン樹脂からなり厚さが数１００μｍである。蛍光体層１１は、ＬＥＤ素子２０の周囲で厚さが１００μｍ〜２００μｍの範囲で微調されており、回路基板１９表面を覆う部分では厚さが数μｍ〜数十μｍとなる。サファイア基板１２は厚さが８０〜１２０μｍであるが、さらに薄くすればサファイア基板１２の側面から出射する光が減り、上方へ向かう光が増える。半導体層１３は厚さが７μｍ程度であり、ｐ及びｎ側バンプ１４ａ，１４ｂは電解メッキ法で形成すれば厚さが１０〜３０μｍ程度になる。板材１８は、厚さが数１００μｍで、熱伝導性を考慮して樹脂、セラミック、金属から選ぶ。＋及び−電極１６，１７は、例えば２０μｍ程度の銅箔上にニッケル層と金層を積層したものである。板材１８が樹脂の場合、スルーホール１６ａ，１７ａは熱伝導性をよくするため内部を金属ペーストで埋めておくと良い。

図２は図１のＬＥＤ装置１０を製造するための工程説明図である。（ａ）は図１に示した回路基板１９が複数個連結した集合基板２１を準備する集合基板準備工程である。集合基板２１には回路基板１９が縦横に連結して配列し、例えば集合基板２１が１０ｃｍ角であるとすると集合基板２１には数千個の回路基板領域が含まれる。また集合基板２１のそれぞれの回路基板領域には図１で示した＋及び−電極１６，１７並びにスルーホール１６ａ，１７ａが形成されている。

（ｂ）は集合基板２１にＬＥＤ素子２０をフリップチップ実装する実装工程である。一個ずつ集合基板２１にＬＥＤ素子２０を配置しても良いが、いったん粘着シート（図示せず）上に集合基板２１の電極ピッチに合わせてＬＥＤ素子２０を配置し、粘着シートと集合基板２１を位置合わせし、一括してＬＥＤ素子２０を配置する。この際、粘着シートに
はサファイア基板１２側を貼り付け、接合時には粘着シートごと加熱・加圧する。ＬＥＤ素子２０は高さや平面形状ばかりでなく発光のピーク波長も揃っていることが好ましい。これは青色光のピーク波長(正確にはスペクトル)によって珪酸塩系（又は窒化物系）の緑色蛍光体の発光効率が敏感に変わるからである。またこの工程では集合基板２１にＬＥＤ素子２０を配置する精度を±１０μｍ程度以内に収めることが好ましい。

（ｃ）はＬＥＤ素子２０を実装した集合基板２１に蛍光体層１１を形成する蛍光体層形成工程である。蛍光体ペーストを集合基板２１に塗布し１５０℃程度で硬化し蛍光体層１１を形成する。蛍光体ペーストは、前述の珪酸塩系（又は窒化物系）の緑色蛍光体、窒化物系の赤色蛍光体及びシリコーン樹脂のバインダと触媒を含んでいる。

（ｄ）は蛍光体層形成工程において蛍光体層１１を研磨する工程である。蛍光体層１１が硬化したら所定の厚さまで蛍光体層１１を研磨する。発光色に対し予め準備してあるＬＥＤ素子２０のピーク波長と蛍光体層１１の厚みの関係に基づいて、サファイア基板１２の上面から蛍光体層１１の上面までの厚みを決める。目安として各ＬＥＤ素子２０のピーク波長が揃っている場合、ｘｙ色度図（ＣＩＥ１９３１）上で±５／１０００の範囲に収めようとすると、厚み精度は１０μｍ程度になる。なお集合基板２１に実装するＬＥＤ素子は発光ピーク波長のバラツキを１ｎｍ以内とする。

（ｅ）は集合基板２１に実装されたＬＥＤ素子２０の側面から所定の距離まで蛍光体層を研削除去する蛍光体層研削工程である。研削は研削装置で行なうが、ダイシング装置によるハーフダイシングでも良い。このとき集合基板２１の表面には数μｍから２０μｍ程度、蛍光体層１１が残る。なお所定の距離とは概ね（ｄ）におけるサファイア基板１２の上面から蛍光体層１１の上面までの距離に等しい。なおサファイア基板１２の厚さが１００μｍ程度あるとＬＥＤ素子２０の発光のうち３０〜４０％程度が横方向に出射するが、実用上はＬＥＤ素子２０の配置誤差があることに加え、横方向の色ムラは上方向よりも制限がゆるいので、蛍光体層１１の横方向の厚み精度は上面側の厚み精度も低くてよく概ね±２０μｍ程度にする。

（ｆ）は透明樹脂層１５で集合基板２１の上面を封止する工程である。拡散粒子やフィラー等を含有するシリコーン樹脂を金型で集合基板２１上に配置し、１５０℃程度で硬化させる。

（ｇ）は蛍光体層１１が研削され、透明樹脂層１５が形成された集合基板２１からＬＥＤ装置１０を個片化する個片化工程である。ダイシング装置を使って集合基板２１を切断し単個のＬＥＤ装置１０を分離する。
（第２実施形態）

第１実施形態では、集合基板２１の全面に蛍光体層１１を形成してから不要部を研削除去していた。この製造方法では廃棄する蛍光体が多くなるので、図３、図４に基づいて蛍光体が節約できる製造方法として第２実施形態を示す。

図３は本発明の第２実施形態の方法で製造したＬＥＤ装置３０（半導体発光装置）の断面図である。図１のＬＥＤ装置１０とは蛍光体層３１と透明樹脂層３５の形状が異なる。ＬＥＤ素子２０の周囲に形成された蛍光体層３１は、図１の蛍光体層１１と同等である。一方、蛍光体層１１が回路基板１９の上面全体を覆っていたのに対し、蛍光体層３１は回路基板１９上面の一部しか覆っていない。これに呼応して透明樹脂層３５は回路基板１９が蛍光体層３１から露出している領域も覆っている。

図４は図３のＬＥＤ装置３０を製造するための工程説明図である。（ａ）及び（ｂ）は
それぞれ図１の集合基板準備工程（ａ）及び実装工程（ｂ）と同じものである。

（ｂ−１）は蛍光体層形成工程の前にＬＥＤ素子２０の実装領域から所定の距離だけ離れた領域にマスク材４１を配置するマスク材配置工程である。硬化前のマスク材４１をＬＥＤ素子２０から所定の距離だけ離れた領域に印刷し、その後８０〜９０℃で乾燥し硬化させる。このときマスク材４１はＬＥＤ素子２０よりも厚くしておく。ここで所定の距離とは、図３におけるＬＥＤ素子２０の側面に配置された蛍光体層３１の厚さに印刷精度を加えたものである。またマスク材４１は樹脂であり、耐熱性が１５０℃以上あり硬化したあと集合基板２１から剥離しやすいものから選ぶ。

（ｃ）、（ｄ）はＬＥＤ素子２０が実装された集合基板２１に蛍光体層３１を形成する蛍光体層形成工程である。マスク材４１を覆うくらいまで蛍光体ペーストを塗布し約１５０℃で焼結し蛍光体層３１を形成する（ｃ）。その後マスク材４１とともに蛍光体層３１を研磨する（ｄ）。

（ｅ−１）は蛍光体層形成工程の後にマスク材４１を除去するマスク材除去工程である。マスク材４１は集合基板２１から剥離して除去する。

（ｅ−２）はＬＥＤ素子２０の側面から所定の距離まで蛍光体層３１を研削除去する蛍光体層研削工程である。図２（ｅ）と同様にＬＥＤ素子２０の側面から所定の距離まで蛍光体層３１の側部を研削する。ここで所定の距離とは図２（ｅ）で説明したのと同じである。またマスク材４１を配置したことにより図２(ｅ)と異なり蛍光体層３１が集合基板２１の一部だけを覆っている。

（ｆ）の透明樹脂層３５で集合基板２１の上面を封止する工程と、（ｇ）の個片化工程は図２の（ｆ），（ｇ）で示した工程（第１実施形態）と同等である。

以上のように本実施形態ではマスク材４１を配置したことにより蛍光体の使用を節約できた。また本実施形態ではマスク材配置工程においてマスク材４１を印刷塗布していたが、マスク材として予めＬＥＤ素子２０の実装領域及びその周辺部を型抜きしておいた樹脂シートを集合基板２１に貼り付けてもよい。
（第３実施形態）

第１及び第２実施形態は、蛍光体層１１，３１を塗布してから研磨しており｛図２（ｄ）及び図４（ｄ）｝、さらに蛍光体層１１，３１の一部が回路基板１９の表面に残っていた。そこで図５、図６に基づいて研磨工程及び回路基板１９上の蛍光体層がないＬＥＤ装置の製造方法として第３実施形態を示す。

図５は本発明の第３実施形態の方法で製造したＬＥＤ装置５０（半導体発光装置）の断面図である。図１及び図２のＬＥＤ装置１０，３０対し蛍光体層５１と透明樹脂層５５の形状が異なることに加え、回路基板１９の上面に白色反射層５６が設けられている。蛍光体層５１はＬＥＤ素子２０の周囲にだけ形成されており、回路基板１９の上面にはない。回路基板１９の上面はＬＥＤ素子２０の接続部を除いて白色反射層５６で覆われている。透明樹脂層５５は白色反射層５６と蛍光体層５１を覆っている。

図６は図５のＬＥＤ装置５０を製造するための工程説明図である。（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ図１の集合基板準備工程（ａ）及び実装工程（ｂ）と同じものである。

（ｂ−２）は白色反射層５６を塗布する工程である。集合基板２１にＬＥＤ素子２０を実装したらペースト状の白色反射部材を塗布し１５０℃で硬化させ白色反射層５６を形成
する。このときＬＥＤ素子２０の下面に白色反射部材が染み込むようにすると良い。白色反射部材はバインダに酸化チタン等の反射性微粒子、溶媒、触媒を混練したものである。バインダはシリコーン樹脂等でも良いが、オルガノポリシロキサンのように焼結するとガラス質となる無機バインダであれば耐光性が向上し、板材１８が樹脂の場合に寿命を延ばすことができる。なお白色反射層５６はＬＥＤ素子２０を実装する前に、実装領域をはずした印刷塗布法で形成しても良い。

（ｂ−３）は蛍光体層を形成する工程の前にＬＥＤ素子２０の実装領域から所定の距離だけ離れた領域にマスク材６１を配置するマスク材配置工程である。図４（ｂ−１）の第２実施形態と同様に硬化前のマスク材６１をＬＥＤ素子２０から所定の距離だけ離れた領域に印刷し、その後８０〜９０℃で乾燥して硬化させる。なお本実施形態ではマスク材６１の厚さはＬＥＤ素子２０の上面より低くしておく。その他は図４（ｂ−１）と同様である。

（ｃ）はＬＥＤ素子２０が実装された集合基板２１に蛍光体層５１を形成する蛍光体層形成工程である。本実施形態では蛍光体層５１を金型で成形する。金型成形がコンプレッション方式の場合、集合基板２１を金型に装填してから蛍光体ペーストを集合基板２１上に配置し、加圧及び加熱して蛍光体層５１を硬化させる。金型成形はトランスファ方式であっても良い。なお金型成形で蛍光体層５１を形成する場合、ＬＥＤ装置５０の色度のばらつきを狭い範囲に収めるためには、ＬＥＤ素子２０の発光ピーク波長に応じて蛍光体の濃度を変えて対応する。

（ｅ−３）は集合基板２１に実装したＬＥＤ素子２０の側面から所定の距離まで蛍光体層５１を研削除去する蛍光体層研削工程である。ＬＥＤ素子２０の側面に所定の厚みを残すようにして蛍光体層５１を切削し除去する。このときマスク材６１の側部とともに、集合基板２１上に蛍光体層５１が残らないように白色反射層５６の表面を切削する（白色反射層５６の研削量は数μｍ程度）。

（ｅ−４）はマスク材６１を除去するマスク材除去工程である。マスク材６１の上面に積層している蛍光体層５１ごと集合基板２１からマスク材６１を剥離して除去する。

（ｆ）の透明樹脂層５５で集合基板２１の上面を封止する工程と、（ｇ）の個片化工程は図２及び図４の（ｆ），（ｇ）で示した工程（第１及び第２実施形態）と同等である。

以上のように本実施形態では蛍光体層５１を金型で成形するので、サファイア基板１２上の蛍光体層５１の厚さを精度よく形成できる。このため第１及び第２実施形態とは異なり研磨工程が不要になる。また集合基板２１に白色反射層５６を形成し、蛍光体層５１の研削除去工程で白色反射層５６の一部を含めて集合基板２１の表面の蛍光体層５１を除去するので、蛍光体層５１は回路基板１９の表面には残らず光学的な特性が向上する。

白色反射層５６の代わりに回路基板１９の上面に薄い透明層を設けても良い。この場合は（ｂ−２）における塗布の代わりに集合基板２１の上面を硬化前の透明層材料に浸してもよく、上面全体へ透明樹脂材料を噴霧してもよい。このときＬＥＤ素子２０の上面及び側面も透明層材料で覆われるが、そのまま蛍光体層形成工程（ｃ）に進む。この構造及び手法は工程を簡単にするという特徴がある。

第３実施形態が備えていた白色反射層５６を回路基板１９上に形成した状態で第１及び第２実施形態の製造方法を適用しても良い。またＬＥＤ装置１０，３０，５０の周辺部に樹脂製の白色反射枠を備えると横方向の色ムラが軽減されるためＬＥＤ素子２０の側面に形成する蛍光体層１１，３１，５１の厚み精度を緩められる。

１０，３０，５０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
１１，３１，５１…蛍光体層、
１２…サファイア基板、
１３…半導体層、
１４ａ…ｐ側バンプ、
１４ｂ…ｎ側バンプ、
１５，３５，５５…透明樹脂層、
１６…＋電極、
１６ａ，１７ａ…スルーホール、
１７…−電極、
１８…板材、
１９…回路基板、
２０…ＬＥＤ素子（半導体発光素子）、
２１…集合基板、
４１，６１…マスク材
５６…白色反射層。

Claims (5)

1. 回路基板上にフリップチップ実装した半導体発光素子の周囲に蛍光体が偏在した半導体発光装置の製造方法において、
   複数の前記回路基板が連結した集合基板を準備する集合基板準備工程と、
   該集合基板に前記半導体発光素子をフリップチップ実装する実装工程と、
   該半導体発光素子が実装された前記集合基板に蛍光体層を形成する蛍光体層形成工程と、
   前記集合基板に実装された前記半導体発光素子の側面から所定の距離まで前記蛍光体層を研削除去する蛍光体層研削工程と、
   該蛍光体層が研削された状態の前記集合基板から半導体発光装置を個片化する個片化工程と
   を備えることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
2. 前記蛍光体層形成工程の前に前記半導体発光素子の実装領域から所定の距離だけ離れた領域にマスク材を配置するマスク材配置工程と、
   前記蛍光体層形成工程の後に前記マスク材を除去するマスク材除去工程と
   を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置の製造方法。
3. 前記回路基板上に白色反射層又は透明層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の製造方法。
4. 前記蛍光体層形成工程において蛍光体層を研磨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の製造方法。
5. 前記実装工程において前記半導体発光素子のピーク波長のバラツキが１ｎｍ以内であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体発光装置の製造方法。
   

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