JP2012109352A - 半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】LEDを固着するための接着剤の広がりを抑制する構造を有すととともに、小型化及び形状の変更が容易であって且つ高い放熱性を有する半導体発光装置、及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】基板と、多層金属膜からなり、基板上に形成された導体配線と、導体配線上に接着剤を介して実装された少なくとも1つの半導体発光素子と、導体配線の少なくとも1つの層を貫通し、少なくとも1つの半導体発光素子の周囲に設けられた溝と、を有し、溝の底面に露出した金属層は、多層金属膜の最上層の金属層よりも接着剤に対して低いぬれ性を備えること。
【選択図】図1

Description

本発明は、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)等の半導体発光素子を素子実装用の基板に実装した半導体発光装置及びその製造方法に関する。
導体配線が設けられた基板にLEDを実装した半導体発光装置が、照明、バックライト、産業機器等の種々の機器に従来から用いられてきた。近年においては、半導体発光装置の高輝度化の要求が高まり、LEDのサイズを大きくする方法や、複数のLEDを基板上に実装する方法が用いられている。
LEDを基板上に実装するために、基板上に接着剤を塗布し、当該接着剤上にLEDを載置し且つ押圧してLEDを基板上に固着している。しかしながら、接着剤の塗布量及びLEDの押圧力によっては当該接着剤がLEDの実装領域からはみ出てしまい、他のLEDの実装領域やLEDと導体配線とを電気的に接続するボンディングワイヤのボンディング領域にまで広がる問題点があった。
かかる問題を解決する方法として、接着剤の塗布領域をソルダーレジストによって包囲する方法、ボンディングワイヤが接続される導体配線とLEDが実装される導体配線とを不連続にし、LEDの直下の導体配線を他の導体配線から分離する方法があった。また、接着剤が塗布される領域に溝を形成し、当該溝に沿って接着剤が流れるようにする方法もあった。接着剤の塗布領域をソルダーレジストによって包囲する方法は、例えば特許文献1に開示され、接着剤が塗布される領域に溝を形成する方法は、例えば特許文献2に開示されている。
特開2004−207369号公報 特開2003−174201号公報
しかしながら、接着剤の塗布領域をソルダーレジストによって包囲する方法において、当該ソルダーレジストの幅は約200μm〜300μmであるため、半導体発光装置の小型化を図ることが困難であった。更に、当該方法においてはパターンマスクを用いてソルダーレジストをパターニングするため、ソルダーレジストのパターンを容易に変更することが困難であった。
また、ボンディングワイヤが接続される導体配線とLEDが実装される導体配線とを不連続にし、LEDの直下の導体配線を他の導体配線から分離する方法において、LEDの直下の導体配線と他の導体配線間の溝幅は導体配線の厚さ(例えば、50μm)の約2倍の長さ(例えば、100μm)になるため、半導体発光装置の小型化を図ることが困難であった。更に、当該方法においてはパターンマスクを用いたエッチング等で導体配線間の溝を形成するため、導体配線間の溝のパターンを容易に変更することが困難であった。そして、LEDの直下の導体配線が他の導体配線から独立して島状に形成されるため、LEDの熱を半導体発光装置の外部に効率よく放熱することが困難であった。これは、導体配線は高い熱伝導率を有するが、基板自体は高い熱伝導率を有さないためである。基板内にLEDの熱が蓄積されると、半導体発光装置の光度低下及び基板劣化等の問題が生じていた。
また、接着剤が塗布される領域に溝を形成する方法においては、接着剤が溝に沿って広がるものの、溝の数量及び幅に起因して溝以外の部分にも接着剤が広がってしまう。接着剤の広がりを抑制しようとすると、溝の数量の増加又は溝の幅の拡大等を行わなければならず、半導体発光装置の小型化を図ることが困難であった。
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、LEDを固着するための接着剤の広がりを抑制する構造を有すととともに、小型化及び形状の変更が容易であって且つ高い放熱性を有する半導体発光装置、及びその製造方法を提供することである。
上述した課題を解決するために、本発明の半導体発光装置は、基板と、多層金属膜からなり、前記基板上に形成された導体配線と、前記導体配線上に接着剤を介して実装された少なくとも1つの半導体発光素子と、前記導体配線の少なくとも1つの層を貫通し、前記少なくとも1つの半導体発光素子の周囲に設けられた溝と、を有し、前記溝の底面に露出した金属層は、前記多層金属膜の最上層の金属層よりも前記接着剤に対して低いぬれ性を備えることを特徴とする。
また、上述した課題を解決するために、本発明の半導体発光装置の製造方法は、基板上に接着剤を介して少なくとも1つの半導体発光素子を実装して半導体発光装置を形成する半導体発光装置の製造方法であって、前記接着剤に対するぬれ性が異なる金属を基板上に成膜して多層金属膜からなる導体配線を形成する工程と、前記導体配線上の素子実装領域の外側に、レーザ照射によって前記導体配線の少なくとも1つの層を貫通し、前記導体配線の最上層の金属層のぬれ性よりも低いぬれ性を有する金属層を露出させる溝を形成する工程と、前記素子実装領域に前記接着剤を介して前記少なくとも1つの半導体発光素子を実装する工程と、を有し、前記半導体発光素子を実装する工程において、前記接着剤は前記多層金属膜の最上層の金属層上のみに広がることを特徴とする。
本発明の半導体発光装置においては、半導体発光装置の周囲に多層金属膜からなる導体配線の少なくとも1つの層を貫通する溝を有し、当該溝の底面に露出した金属層が多層金属膜の最上層の金属層よりも接着剤に対して低いぬれ性を備えている。このような構造により、本発明の半導体発光装置においては、半導体発光素子を固着するための接着剤の広がりを抑制することができる。更には、LEDの直下の導体配線を他の導体配線から孤立せずに形成することができるため、本発明の半導体発光装置は高い放熱性を有することができる。
また、本発明の半導体発光装置の製造方法においては、接着剤に対するぬれ性が異なる金属から構成される多層金属膜からなる導体配線上の素子実装領域の外側に、レーザ照射によって導体配線の少なくとも1つの層を貫通し、導体配線の最上層の金属層のぬれ性よりも低いぬれ性を有する金属層を露出させる溝を形成する工程を有している。このような工程を有することにより、LEDを固着するための接着剤の広がりを抑制させ、半導体発光装置自体の小型化及び形状の変更を容易化することができ、更には高い放熱性を有する半導体発光装置を製造することができる。
(a)は本実施例に係る半導体発光装置の平面図であり、(b)は図1(a)の線1b−1b)に沿った断面図であり、(c)は図1(a)の線1c−1cに沿った断面図である。 図1(b)の破線で囲まれた領域2の拡大図である。 半導体発光装置を構成する発光ダイオードの実装部分の拡大平面図である。 本実施例に係る半導体発光装置を構成する半導体発光素子の拡大部分断面図である。 本実施例に係る半導体発光装置の製造方法における各製造工程を示す断面図である。 本実施例に係る半導体発光装置の製造方法における各製造工程を示す断面図である。
以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
先ず、図1乃至図3を参照しつつ本実施例に係る半導体発光装置の構造を説明する。図1(a)は本実施例に係る半導体発光装置の平面図であり、図1(b)は図1(a)の線1b−1b(破線で示す)に沿った断面図であり、図1(c)は図1(a)の線1c−1c(破線で示す)に沿った断面図である。図2は図1(b)の破線で囲まれた領域2の拡大図である。図3は半導体発光装置を構成する発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)の実装部分の拡大平面図である。
図1(a)、(b)、(c)に示されているように、半導体発光装置10は、略長方形状の平面形状を有する基板11と、基板11に載置された半導体発光素子であるLED12、13及び保護素子14と、LED12及び保護素子14を覆う透光性樹脂15と、を有している。本実施例においては、基板11はガラスエポキシ基板であり、LED12の平面形状は略長方形であり、保護素子14の平面形状は略正方形である。また、基板11のLED12、13が実装されている面を基板11の表面11a、表面11aとは反対側の面を基板11の裏面11b、他の面を側面11cと称する。なお、基板11はガラスエポキシ基板に限られることはなく、例えば、高温同時焼成セラミック(HTCC:High Temperature Co-fired Ceramics)多層基板、又は低温同時焼成セラミックス(LTCC:Low Temperature Co-fired Ceramics)多層基板であってもよい。
基板11には4つの導体配線16a〜16dが形成されている。以下において、導体配線16a〜16dのいずれかを選択しない場合には、単に導体配線16とも称する。具体的な導体配線16a〜16dの構成として、導体配線16a、16dは基板11の表面11aから側面11cを経て裏面11bに至るまで形成され、導体配線16b、16cは基板11の表面11a上に島状に形成されている。また、導体配線16bは基板11を貫通する貫通配線(図示せず)を介して導体配線16aに接続されている。
導体配線16c上には、非導電性のエポキシペーストの接着剤17を介してLED12、13が固着されている。導体配線16d上には、導電性のAgペーストの接着剤18を介して保護素子14が固着されている。例えば、接着剤17、18は、約20μmの厚さを有しており、10〜30μm範囲内で適宜変更することができる。なお、非導電性の接着剤としては、シリコーンペーストの接着剤を用いてもよく、導電性の接着剤としては、AuSnペースト及び半田ペーストの接着剤を用いてもよい。
LED12のp側電極12a、n側電極12bのそれぞれは、ボンディングワイヤ19を介して導体配線16a、16cに接続されている。また、LED13のp側電極13a、n側電極13bのそれぞれは、ボンディングワイヤ19を介して導体配線16b、16cに接続されている。更に、保護素子14のn側電極14aは、ボンディングワイヤ19を介して導体配線16cに接続されている。なお、保護素子14のp側電極は接着剤18を介して導体配線16dに電気的に接続されている。
図2に示されているように、導体配線16はCu層21、Ni層22及びAu層23が順次積層された(Cu/Ni/Au)金属性の配線である。ここで、Cu層21の層厚は約25μm、Ni層22の層厚は約10μm、Au層23の層厚は約0.4μmである。また、Cu層21の層厚を18μm〜35μmの範囲内、Ni層22の層厚を5μm〜15μmの範囲内、Au層23の層厚を0.1μm〜0.6μmの範囲内で適宜変更することが可能である。また、導体配線16cにはAu層23のみを貫通しNi層22を表出させる溝20が形成されている。
なお、基板11にHTCC多層基板を用いた場合には、導体配線16はW層(層厚が5μm以上)、Ni層(層厚が約5μm)及びAu層(層厚が約0.4μm)が順次積層された構造を有していてもよい。この場合に、Ni層の層厚を2.0μm〜8.0μmの範囲内、Au層の層厚を0.2μm〜0.6μmの範囲内で適宜変更することが可能である。また、基板11にLTCC多層基板を用いた場合には、導体配線16はAgPd層(層厚が約15μm)、Ni層(層厚が約10μm)及びAu層(層厚が約0.5μm)が順次積層された構造を有していてもよい。この場合に、AgPd層の層厚を10μm〜20μmの範囲内、Ni層の層厚を5μm〜15μmの範囲内、Au層の層厚を0.2μm〜1.0μmの範囲内で適宜変更することが可能である。更に、基板11にLTCC多層基板を用いた場合には、AgPd層に代えてAg層(層厚が15μm)を積層した構造を有する導体配線16を形成してもよい。この場合に、Ag層の層厚を10μm〜20μmの範囲内、Ni層の層厚を3μm〜12μmの範囲内で適宜変更することが可能である。
図1(a)及び図3に示されているように、LED12の実装領域とLED13の実装領域と区切るように形成された溝20a、20bと、溝20はLED12を囲むように形成された溝20a、20c、20d、20e、20fと、から構成されている。各溝の幅は、例えば約25μmである。
溝20aは、LED12を固着する接着剤17がLED13のボンディングエリア(実装領域)に侵入すること、及びLED13を固着する接着剤17がLED12のボンディングエリアに侵入することを防止する溝である。溝20bは、LED13を固着する接着剤17がLED13のn側電極13bから伸長したボンディングワイヤ19のボンディングエリア21(ボンディングワイヤ19と導体配線16cとの接続領域)に侵入することを防止するために設けられている。溝20cは、LED12を固着する接着剤17がボンディングエリア21に侵入することを防止するために設けられている。溝20dは、LED12を固着する接着剤17がLED12のn側電極12bから伸長したボンディングワイヤ19のボンディングエリア22(ボンディングワイヤ19と導体配線16cとの接続領域)に侵入することを防止するために設けられている。溝20e、20fは、LED12を固着する接着剤17が導体配線16cの外側へ広がることを防止し、LED12の固着性を高めるために設けられている。
本実施例においては、LED13を固着する接着剤17は溝20a、20bには到達していないものの、LED12を固着する接着ザ17は溝20c、20d、20e、20fに到達している。なお、接着の際にLED12、13に加えられる押圧力によっては、接着剤17が溝20に到達しなかったり、又は溝20に到達したりする。しかしながら、接着の際にLED12、13に加えられる押圧力が強くなっても、接着剤17が溝20を超えて広がることはない。
次に、図4を参照しつつ接着剤17が溝20を超えて広がらない理由を説明する。図4は、LED12のn側電極12b近傍における拡大断面図である。図4に示されているように、導体配線16にはAu層23を貫通する溝20が形成されているため、溝20の底部においてNi層22が露出している。ここで、Ni層22に対する接着剤17の濡れ性は、Au層23に対する接着剤17の濡れ性よりも悪く、接着剤17はAu層23上に広がりやすい。このようなぬれ性の相違により、接着剤17が溝20まで広がると、接着剤17はNi層22を覆うようには広がらない。すなわち、接着剤17は溝20を充填することはなく、溝20の側面部分のAu層23上までしか広がらない。すなわち、接着剤17は、溝20を充填しつつ溝20を越えて広がることはない。
以上のことから、接着剤17の外縁は、導体配線16の最上層の金属層であるAu層23上に位置している。特に、図4においては、接着剤17は、溝20の底面の外縁に位置、すなわち、溝20内に露出したAu層23とNi層22との界面に位置している。なお、図4に示された接着剤17の状態は、接着剤17が最も広がった状態である。また、接着の際にLED12、13に加えられる押圧力が図4に示された接着剤17の状態を形成するような押圧力よりも弱い場合には、接着剤17の外縁は導体配線16のAu層23の表面上、又は溝20の側部に露出したAu層23の側面に位置する。つまり、接着剤17の外縁は、導体配線16の最上層の金属層であるAu層23上に位置している。そして、接着剤17が最も広がったとしても、接着剤17の最も広がった部分の外縁は溝20の底面の外縁に位置、すなわち、溝20内に露出したAu層23とNi層22との界面に位置し、それ以上は広がることがない。
以上のように、接着剤17を塗布する導体配線16において、導体配線の最上層であるAu層23を貫通し、Au層23の下層のNi層22を露出する溝20を接着剤17を囲むように又は接着剤17とボンディング領域21、22と仕切るように形成することで、接着剤17の広がりを溝20で防止することができる。
また、Cu層21に対する接着剤17のぬれ性は、Au層23に対する接着剤17の濡れ性よりも悪い。このため、Ni層22を貫通してCu層21を表出するように溝20を形成してよく、かかる場合においても溝20を充填しつつ溝20を越えて接着剤17が広がることはない。更に、導体配線16の最上層はAu層23に限られることはなく、例えばAg層であってもよい。
上述した実施例においては、非導電性接着剤である接着剤17の場合を説明したが、導電性接着剤である接着剤18のぬれ性も同様であるため、接着剤18が塗布される領域(保護素子14のボンディング領域)を囲むように、溝20を形成してもよい。これにより、接着剤18は溝20を充填しつつ溝20を越えて広がることがなくなり、保護素子14の固着性を高めることができる。
以上のように、本実施例の半導体発光装置10においては、LED12を固着するための接着剤17を囲むように溝20(溝20a、20c〜20f)が設けられ、更には、LED13を固着する接着剤17がボンディング領域21やLED12の実装領域に広がらないように溝20(溝20a、20b)が設けられているため、LED12、13の実装時においても接着剤17の広がり容易に防止することができる。
また、溝20は、Au層23のみを貫通しているため、導体配線16がLED12、13の実装領域ごとに分離されることがない。これにより、LED12、13において発生する熱を導体配線16を介して半導体発光装置10の外部に容易に放熱することができる。
次に、本実施例に係る半導体発光装置10の製造方法について図5及び図6を参照しつつ説明する。図5及び図6は、本実施例に係る半導体発光装置10の製造方法における各製造工程を示す断面図である。なお、図5(a)〜(d)、図6(a)〜(c)の断面図は、図1(a)の線1b−1bに沿った断面図である。
先ず、両面にCu箔の貼られた(図示せず)ガラスエポキシからなる基板11を準備する。Cu箔が貼り付けられた状態の基板11にレジストを塗布する。その後、フォトリソグラフィによって塗布したレジストに所望のパターニングを施す。ここでは、導体配線16a〜16dが設けられる領域にレジストが残るようなパターニングを施す。続いて、パターニングされたレジストをマスクとし、Cu箔にエッチングを施し、その後に当該パターニングされたレジストを除去することにより、Cu箔がパターニングされる。そして、電解メッキによりCu、Ni及びAuを基板11のCu箔上に順次堆積させる。以上により、Cu層21、Ni層22及びAu層23が順次積層された層構造を有する導体配線16a〜16dが基板11上に形成される(図5(b))。
次に、導体配線16cにおいてAu層23のみを貫通し、Ni層22を表出させる溝20を形成する(図5(c))。具体的には、Au層23にグリーンレーザを照射し、約25μmの幅を有する溝20を形成する。グリーンレーザの照射は、後の工程においてLED12を固着するための接着剤17が塗布される位置を囲むように照射し、更にはLED12を固着するための接着剤17の塗布領域とLED13を固着するための接着剤17の塗布領域を区切るように照射する。これにより、図3に示されているような、溝20a〜溝20eよって構成される溝20を形成する。なお、溝20の形成方法はグリーンレーザの照射に限定されることなく、例えば、YAGレーザの照射、又はCOレーザの照射であってもよい。YAGレーザを照射する場合には、形成される溝20の幅は40〜60μmとなり、COレーザを照射する場合には、形成される溝20の幅は約60μmとなる。
次に、導体配線16cの所望の位置に非導電性の接着剤17を塗布し、更には導体配線16dの所望の位置に導電性の接着剤18を塗布する(図5(d))。続いて、接着剤17上にLED12、13を載置し、接着剤18上に保護素子14を載置する。その後に、LED12、13及び保護素子14を押圧することにより、LED12、13及び保護素子14の接着剤17、18を介した基板11上への実装が完了する(図6(a))。
次に、LED12のp側電極12a、n側電極12b、LED13のp側電極13a、n側電極13b、保護素子14のp側電極14aのそれぞれと導体配線16とをボンディングワイヤ19を介して電気的に接続する(図6(b))。具体的には、LED12のp側電極12aと導体配線16aと、LED12のn側電極12bと導体配線16cと、LED13のp側電極13aと導体配線16bと、LED13のn側電極13bと導体配線16cと、保護素子14のp側電極14aと導体配線16dと、をボンディングワイヤ19を介して電気的に接続する。
次に、基板11の表面11a上において、モールド用の透光性樹脂15を塗布成型し、LED12、13、保護素子14及びボンディングワイヤ19を透光性樹脂15によって封止する(図6(d))。かかる工程を経ることによって半導体発光装置10の形成が完了する。
上述したように、本実施例の半導体発光装置10の製造方法においては、接着剤17のはみ出しを防止するための溝20をレーザ加工により形成している。このため、溝20の幅は従来のソルダーレジストの幅やLED実装領域を分離する溝の幅よりも小さくなり、半導体発光装置10の自体の小型化を図ることができる。また、溝20の幅が従来よりも小さくなることにより、LED12、LED13を近接して設けることが可能になり、異なる発光色のLEDを用いる場合には、混色性が向上する。更に、溝20の幅が従来よりも小さくなることにより、LED12、13から導体配線16までの距離が短くなり、ボンディングワイヤ19のループ高さを低くすることができ、半導体発光装置10の薄型化を図ることができる。そして、LEDの高密度実装による光源サイズの縮小化を図ることができ、これにより半導体発光装置10のレンズの設計自由度が向上する。
また、本実施例の半導体発光装置10の製造方法においては、接着剤17のはみ出しを防止するための溝20をレーザ加工により形成しているため、従来のようなレジストを加工するためのマスクが不要となり、溝20の形状を容易に変更することができる。すなわち、半導体発光装置10の設計自由度が向上する。
更に、透光性樹脂15によるモールド直前まで溝20が露出しているため、溝20は接着剤17の塗布及びLED12、13の実装時における識別マークとしても機能する。これにより、接着剤17の塗布及びLED12、13の実装の精度を高めることができる。
なお、上述した実施例においては、半導体発光素子であるLEDを2つ実装したが、1つのLEDを実装する場合であっても、当該LEDを囲むように溝20を形成することで、当該LEDを固着する接着剤の広がりを抑制することができる。これにより、当該LEDの固着性を高めることができる。
10 半導体発光装置
11 基板
12 発光ダイオード(LED)
13 発光ダイオード(LED)
14 保護素子
15 透光性樹脂
16 導体配線
17 接着剤
18 接着剤
19 ボンディングワイヤ
20 溝
21 Cu層
22 Ni層
23 Au層

Claims (7)

  1. 基板と、
    多層金属膜からなり、前記基板上に形成された導体配線と、
    前記導体配線上に接着剤を介して実装された少なくとも1つの半導体発光素子と、
    前記導体配線の少なくとも1つの層を貫通し、前記少なくとも1つの半導体発光素子の周囲に設けられた溝と、を有し、
    前記溝の底面に露出した金属層は、前記多層金属膜の最上層の金属層よりも前記接着剤に対して低いぬれ性を備えることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記接着剤の外縁は、前記多層金属膜の最上層の金属層上に位置し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. 前記接着剤の外縁は、前記溝の底面の外縁に位置していることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光装置。
  4. 前記溝は、前記少なくとも1つの半導体発光素子の実装領域と、前記少なくとも1つの半導体発光素子の電極に接続されたボンディングワイヤと前記導体配線との接続領域と、を区切るように設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1に記載の半導体発光装置。
  5. 前記多層金属膜の最上層の金属層はAu又はAgからなり、前記溝の底面に露出した金属層はNi又はCuからなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1に記載の半導体発光装置。
  6. 基板上に接着剤を介して少なくとも1つの半導体発光素子を実装して半導体発光装置を形成する半導体発光装置の製造方法であって、
    前記接着剤に対するぬれ性が異なる金属を基板上に成膜して多層金属膜からなる導体配線を形成する工程と、
    前記導体配線上の素子実装領域の外側に、レーザ照射によって前記導体配線の少なくとも1つの層を貫通し、前記導体配線の最上層の金属層のぬれ性よりも低いぬれ性を有する金属層を露出させる溝を形成する工程と、
    前記素子実装領域に前記接着剤を介して前記少なくとも1つの半導体発光素子を実装する工程と、を有し、
    前記半導体発光素子を実装する工程において、前記接着剤は前記多層金属膜の最上層の金属層上のみに広がることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
  7. 前記接着剤の外縁は、前記溝の底面の外縁に位置していることを特徴とする請求項6に記載の製造方法。
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