JP2012134194A - 半導体素子用実装基板及びその実装基板を用いた半導体発光装置並びに半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

半導体素子用実装基板及びその実装基板を用いた半導体発光装置並びに半導体発光装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 実装基板に設ける接合部材の接合状態を簡便かつ迅速に検査することが可能な半導体素子用実装基板及びその実装基板を用いた半導体発光装置並びに半導体発光装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
半導体素子が載置される支持基板と、支持基板の上に設けられ、半導体素子の第1電極及び第2電極が接続される第1ランド電極及び第2ランド電極と、を備えた半導体実装基板において、第1ランド電極に繋がる少なくとも2つのパッド電極を有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体素子を実装する半導体素子用実装基板及びその実装基板を用いた半導体発光装置並びに半導体発光装置の製造方法に関する。
次世代光源として注目を集めている発光ダイオード(LED)は、既存の光源と比べてエネルギー節減効果が非常に優れていると共に、半永久的に使用することが可能であることから、バックライト用、自動車用、電光板用、交通信号灯用、その他一般照明灯用等の応用市場が産業全般に広がりつつある。
LEDを用いた発光装置として、配線を有する実装基板上に、半導体素子を実装して用いているものが知られている。近年、発光素子とほぼ同等のサイズを有するパッケージ、いわゆるCSP(Chip Scale Package)や、複数の発光素子を高密度で載置する面状発光装置の開発が進められており、実装基板の設計に対する要求は省スペース、狭ピッチ化へと変化している。また、配線の設計は電圧降下による電力損失を避けるため低抵抗化が求められている。
一方、LEDは、駆動時の印加電流の増大に伴って、多くの熱が発生する。LEDが発熱すると、出力、順電圧、WPE(Wall Plug Efficiency)等の特性が低下する。そのため、LEDの出力、信頼性を維持するために、この熱を低減させることが必要となる。
発光装置において、この熱を伝導する役割を持ち、放熱性を支配する構造の一つに、半導体素子と基板を接合する接合領域が挙げられる。この接合部材は、半導体素子を基板に接着、保持する役割や、半導体素子の電極と基板の配線とを接合する場合は電流経路としての役割も果たす。
接合部材の劣化は、放熱性の劣化を誘発する。これにより、LEDの温度が上昇し、性能の劣化を引き起こす。また、接合部材が電流経路としての役割を担う場合は、非発光となる問題も生じる。そのため、接合状態(接合部材の量、形状、厚み、密度、接合面積、比抵抗等)を確認することは重要であり、その結果をもとに信頼性等の合否の判断を行い、発光装置の品質を保障することが必要となってきている。
一般に、上記のような接合状態を検査する手法としては、破壊検査、非破壊検査の2種の手法が考えられる。破壊検査としては、走査電子顕微鏡(SEM)等による断面観察がある。しかし、破壊検査は、抜き取り検査であるため、突発的な異常の検出は困難である。
一方、非破壊検査としては、X線顕微鏡や超音波顕微鏡を用いた検査、傾斜光学像を用いた接合部の観察による検査などがある。しかし、X線顕微鏡や超音波顕微鏡による検査は時間がかかるため、接合部位の全数検査は不可能と言われており、限られた測定を行うため、突発的な異常の検出には適さない。また、光学像による検査は、検査対象が光学観察で可能な部位に限定されるため、隠れた部位の検査は不可能である。そのため、接合部材の検査に適した評価技術や接合領域の設計の検討が求められている。
特許文献1に、接合状態の検査と接合性を補う機能をもつ半田ランドの構造が開示されている。チップ状電子部品を半田接合するためのランドを有するプリント配線基板であり、チップ状電子部品が片側の半田ランドに引き寄せられて垂直状態になる現象、いわゆるマンハッタン現象を避け、安定した半田付け性を確保する為に、半田ランドを凸形部を有する平面形状にして対向させた構造を提唱している。この凸形部の突起部分は、接合状態を確認するためのチェック端子用のチェッカーランドとして併用することができる。しかし、このチェッカーランドは、個々のランド電極や接合状態について確認することが困難であり、発光装置で用いられる多種多様なランド電極形状に対して対応していない。
特開平07―336030
上記課題を克服するため、本発明は、実装基板に設ける接合部材の接合状態を簡便かつ迅速に検査することが可能な半導体素子用実装基板及び半導体発光装置並びに半導体発光装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体素子用実装基板は、半導体素子が載置される支持基板と、支持基板の上に設けられ、半導体素子の第1電極及び第2電極が接続される第1ランド電極及び第2ランド電極と、を備えた半導体実装基板において、第1ランド電極に繋がる少なくとも2つのパッド電極を有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体素子用実装基板は、少なくとも2つのパッド電極の各々と第1ランド電極とを繋ぐ配線を有し、第1ランド電極は前記少なくとも2つの配線によって挟み込まれるように配列されることが好ましい。
また、本発明に係る半導体素子用実装基板は、前記少なくとも2つのパッド電極は、少なくとも一部に粗面化された面、もしくは凹凸が形成された面を有することが好ましい。
本発明に係る半導体発光装置は、上記の半導体素子用実装基板に接合部材を介して半導体素子を実装したことを特徴とする。
本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、上記の半導体素子用実装基板を準備する工程と、前記実装基板の前記第1ランド電極の上に、接合部材を介して半導体素子を実装する工程と、前記2つのパッド電極間の電気抵抗を測定する工程と、を有することを特徴とする。
本発明に係る半導体素子用実装基板は、半導体素子が接続される第1ランド電極及び第2ランド電極に繋がる少なくとも2つのパッド電極を備えることによって、2つのパッド電極を用いてランド電極又は接合部材の状態を電気的に簡便かつ迅速に測定することができる。つまり、ランド電極又は接合部材の抵抗値を測定可能な端子を持つことで、ランド電極又は接合部材の状態を検査することができる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体素子用実装基板の一例を示す概略平面図である。 図2は、半導体素子の一例を示す概略平面図である。 図3は、図2に示す半導体素子のI−I’線における概略断面図である。 図4は基板に図2に示す半導体素子を実装した半導体発光装置を示す概略断面図である。 接合部材の厚みに対する第1ランド電極の抵抗値を示すグラフである。 本発明の実施の形態2に係る実装基板を示す概略平面図である。
以下、本発明に係る半導体素子用実装基板、半導体発光装置を、実施の形態及び実施例を用いて説明する。だたし、本発明は、この実施の形態及び実施例に限定されない。
<実施の形態1>
図1は、本発明に係る半導体素子用実装基板の一例を示す概略平面図である。図2は、図1に示す実装基板に実装する半導体素子を示す概略平面図である。図3は、図2に示す半導体素子のI−I’線における概略断面図である。図4は、実装基板に半導体素子を実装した半導体発光装置の一例を示す概略断面図である。
本実施の形態の半導体素子用の実装基板100は、半導体素子110を載置する支持基板108と、支持基板108の上に設けられる導電パターンと、を備えている。導電パターンは、実装する半導体素子110の電極パターンに対応している。
この実装基板100に載置する半導体素子110は、窒化物半導体を用いた発光ダイオードを例に説明するが、本発明は半導体レーザなどの他の発光素子は勿論、後述する他の半導体素子にも適用できる。半導体素子110は、対向する一対の主面を有する透光性基板113の一方の主面上に、半導体層が形成され、さらに半導体層の表面に電極が形成されたものを用いる。また、半導体素子110は、電極形成面と対向する透光性基板側を主光取り出し面として配置する。具体的には、図3の半導体素子110では、透光性基板113の他方の主面が半導体素子110の上面を形成している。半導体素子110は、透光性基板113の一方の主面側に、n側半導体層(第2半導体層)114、活性層115及びp側半導体層(第1半導体層)116を順に備える半導体層が積層されている。p側半導体層116には、p側電極(第1電極)111が設けられている。また、このp側半導体層116及び活性層115とn型半導体層114の一部が除去されてn側半導体層114が下面側に露出しており、その露出面にn側電極(第2電極)112が設けられている。また、半導体層及び電極の表面には、第1電極111と第2電極112の表面の一部を露出するように保護膜117が形成されている。図2に示す例では、電極形成面側において、第1電極111は、矩形の半導体素子110の中央部分を含み、当該半導体素子110の外縁近傍まで延在するように配置されている。第1電極111の外縁は、対向する一方の2辺が直線状に形成されている。さらに、対向する他方の2辺には、内側に凹状に切欠かれた切欠部111aが形成されている。切欠部111aは、対向する2辺の各々に複数形成してもよい。図1に示す例では、切欠部111aは、対向する2辺の各々に3箇所ずつ、合計6つ形成されている。また、第2電極112は、第1電極111の切欠部111aに沿って離間した位置に形成されている。
実装基板100は、導電パターンの一部として、実装される半導体素子110の第1電極111及び第2電極112の各々に対応する第1ランド電極103及び第2ランド電極104を有している。第1ランド電極103は、矩形の半導体素子110を配置する素子配置領域107の中央部分を含み、さらに素子配置領域107の外縁近傍まで延在するように配置されている。第1ランド電極103は、素子配置領域107の外縁の対向する一方の2辺側が、後述する第1配線105を介して第1パッド電極101に接続されている。さらに、対向する他方の2辺側の外縁には、内側に凹状に切り欠かれた切欠部103aが形成されている。第2ランド電極104は、第1ランド電極103の切欠部103aに沿って離間した位置に形成されている。このような第1ランド電極103及び第2ランド電極104に、半導体素子110の第1電極111及び第2電極112が接合部材118を介して接続される。
実装基板100には、支持基板108上に外部接続端子である第1パッド電極101と第2パッド電極102が形成され、各々、第1配線105及び第2配線106を通じて、第1ランド電極103及び第2ランド電極104と電気的に繋がっている。第2パッド電極102は、第2ランド電極104の数に応じて形成されており、図1に示す例では、対向する2辺に合計6つ作られている。各々の第2パッド電極102及び第2ランド電極104は、第2配線106を介して繋がっている。
上述した第1ランド電極103、第2ランド電極104、第1パッド電極101、第2パッド電極102、第1配線105及び第2配線106は、便宜上、場所に応じて個々に命名したものであって異部材を意味するものではない。これらは導電パターンに含まれるものである。本明細書では、第1ランド電極103と第1パッド電極101と第1配線105とから構成される部位を第1導電パターン、第2ランド電極104と第2パッド電極102と第2配線106とから構成される部位を第2導電パターンと称する。
本実施の形態の実装基板100では、第1パッド電極101は複数形成され、各々の第1パッド電極101は、第1配線105を通じて1つの第1ランド電極103に繋がっている。すなわち、2つの第1パッド電極101からそれぞれ延びる第1配線105は、第1ランド電極103を挟むように接続され、電流経路を形成している。上記のとおり、第1ランド電極103は、素子配置領域107の中央部分を含み、素子配置領域107の大半を占めるように配置されている。このような実装基板において、第1ランド電極103に接続される2つの第1パッド電極101間の電気抵抗を測定することで、ランド電極の状態を評価することができ、膜厚、欠陥等の異常を検出することが可能となる。一方、この第1ランド電極103の上に導電性の接合部材118が設けられた状態において、第1ランド電極103に接続される2つの第1パッド電極101間の電気抵抗を測定することで、第1ランド電極や接合部材の状態を評価することができる。
図5は、半導体素子を実装した後の導電性の接合部材の厚みに対する第1導電パターンの抵抗値を示すグラフである。ランド電極103の材質と形状、及び接合部材118の材質に変更が無い場合、図5に示すように、接合部材の厚みが大きくなるに従い、第1導電パターンの抵抗値は減少し、接合部材の厚みは第1導電パターンの抵抗値に反比例している。特に、接合部材の厚みが12μm以上の場合、第1導電パターンの抵抗値と接合部材の厚みに強い相関がある。このように、事前に導電パターンの抵抗値と接合部材の厚みとの相関を調べ、図5に示すような検量線を定めておく。そしてこの検量線をもとに、接合部材の厚みの変動を検出することができる。つまり、本実施の形態の半導体素子用実装基板は、接合部材の厚みの異常に対して、検出することが可能となっている。
導電パターンの抵抗値は、ランド電極103の面積や欠陥、接合部材の形状の変化、接合部材の比抵抗の変化等によっても抵抗値は変化する。本発明の実装基板を用いることで、上述したランド電極や接合部材の状態を評価することができる。
本実施の形態に係る半導体発光装置は、上述した半導体素子用実装基板の上に、接合部材を介して半導体素子が実装されてなる。半導体発光装置は、例えば、半導体素子として発光素子を用い、実装基板上に、半導体素子を覆う蛍光体若しくは蛍光体を含む樹脂等からなる蛍光体層で覆う構成としてもよい。
パッド電極101に測定用プローブ等を用い、表面の一部を切削、粗面化した形態を実現することにより、発光素子110や蛍光体層(図示せず)から出射される光の取り出し効率を上げることができる。また、熱伝導性が高い材料を用いたパッド電極を形成することで、放熱性を高める効果も有している。
以下、本実施の形態に係る半導体発光装置120の各構成について簡単に説明する。
(実装基板)
実装基板100は、半導体素子110を固定するための部材である。実装基板100は、支持基板108上に少なくとも実装面に導電パターンが施されている。
支持基板108の材料は、半導体素子110と熱膨張係数がほぼ等しく、熱伝導性が高いもの、例えばAlN、Al、CuW、CuMo、BN等が好ましい。このような材料を使用することにより、支持基板と半導体素子との間に発生する熱応力の影響を緩和し、放熱性を上げることができる。また、支持基板108の材料は、静電保護素子の機能を備えさせることもでき、安価でもあるシリコンとすることも好ましい。
(導電パターン)
導電パターンには、第1ランド電極103、第1パッド電極101、第1配線105を有する第1導電パターンと、第2ランド電極104、第2パッド電極102、第2配線106を有する第2導電パターン等が含まれる。導電パターンは、導電性を有しているものであれば特に限定されないが、Au、Pt、Rhや銀白色の金属であるAl、Ag、それら合金等で構成することが好ましい。反射率の高い銀白色の金属を用いることにより、発光素子110や蛍光体層(図示せず)からの光が支持基板108と反対側に反射され、光取り出し効率が向上する。導電パターンの材料とする金属は、金属相互間の接着性の良さや濡れ性等を考慮して選択することが好ましい。さらに、放熱性を考慮して選択することが好ましい。
なお、第1配線105及び第2配線106と第1パッド電極101及び第2パッド電極102は、表面を粗面化したり、凹凸構造を形成したりすることにより光を散乱させる機能を持たせてもよい。つまり、プローブや冶具、エッチング、プレス等の加工プロセスを用いて、パッド電極の表面の一部を切削、加工することにより、パッド電極の表面によって光を散乱させ、発光素子110や蛍光体層(図示せず)からの出射光の取り出し効率を向上させることもできる。また、表面積を大きく形成することにより、放熱効果も向上する。
第1パッド電極101、第1配線105の大きさや形状は、測定のしやすさ、出力、配光、放熱性を考慮して、決定することが好ましい。
(接合部材)
接合部材118は、非導電性、導電性に限定されず、例えば、非導電性ペースト、Au、Ag、Cu、Al等の金属又はこれらのいずれかを含む合金、AuSn、SnAgCu、AuSi、SnAgBi、SnAgBiCu、SnCu、SnBi、SnPb等の半田材料、異方性導電性ペースト、等を用いることができる。特に、半田を用いた接合部材が好ましい。半田材料を用いて接合する場合、第1パッド電極101及び第1配線105は、余分な半田材を逃がす効果がある。つまり、適量の半田で接合することができるとともに、半田量の過多から生じる不良を低減させ、安定した接合状態となる。
(半導体素子の載置)
実装基板への半導体素子の載置は、第1ランド電極103及び第2ランド電極104と半導体素子の第1電極111及び第2電極112が対面するように接続する場合、フリップチップ実装等の方法で実装される。即ち、実装基板の第1ランド電極103、第2ランド電極104に接合部材を介して半導体素子の第1電極111、第2電極112が対向する構造となり、この場合、接合部材としては導電性を有する材料を用いる。実装基板と半導体素子とを接合する工法は、接合部材に応じて適宜選択することができるが、例えば、超音波、熱、荷重、光、フラックス等を用いて接合することができる。一方、第1ランド電極及び第2ランド電極と第1電極及び第2電極が対面接続しない場合は、半導体素子を第1ランド電極もしくは第2ランド電極上に載置し、第1電極もしくは第2電極は、ワイヤボンディング等の手法を用い、第1ランド電極もしくは第2ランド電極と電気的接続を行う。
(電気抵抗の測定)
電気抵抗は、第1パッド電極101に測定端子を当て、測定を行う。抵抗値を把握することより、実装基板に設けるランド電極の状態および接合部材の状態(接合部材の量、形状、厚み、密度、接合面積、比抵抗等)を簡便かつ迅速に検査することが出来る。測定は、実装基板へ半導体素子を載置する前であっても、後であってもよい。
(半導体素子)
半導体素子110としては、発光ダイオード、レーザーダイオード等の発光素子やツェナーダイオード、バリスタ等の保護素子、その他電源等の制御調整機能を有する制御素子を用いることができる。例えば、発光ダイオードの場合、半導体素子110は、透光性基板に半導体材料を積層させてチップ化したものが好ましい。窒化物半導体を積層させるための基板の材料として、例えば、サファイア、スピネルなどの絶縁性基板等が好適に用いられる。
第1電極111及び第2電極112の材料は、導電性を有している材料であれば限定されないが、例えばAu、Pt、Pd、Rh、Ni、W、Mo、Cr、Ti、Ag、Alのいずれかの金属またはこれらの合金やそれらの組み合わせを利用することができる。特に、反射率の高いAg、Alを含むことが好ましい。反射率の高い金属から形成すると、電極によって遮られる光を反射して、基板側から効率よく取り出すことができる。
本実施形態において、半導体素子110は、第2電極112が第1電極111の間にあるように、それぞれの電極が交互に配置されている。これにより、実装基板100に対して安定した実装ができるだけでなく、電極間を流れる電流の均一性を向上することができる。なお、半導体素子は、本形態に限定されず、様々な電極形状や配置のものを用いることができる。つまり、半導体素子の電極の配置として、半導体素子の同一面に形成されたものや、半導体素子の両面に形成されたもの、さらに電極の一部が半導体素子の側面に形成されたものがあるが、それらのすべてを用いることができる。
本件明細書では、1つの第1電極に対して、対応する1つの第1ランド電極が実装基板に設けられる場合について説明した。しかし、(a)複数の第1電極に対して、対応する複数の第1ランド電極が設けられる場合、(b)複数の第1電極に対して、1つの第1ランド電極が設けられる場合、(c)1つの第1電極に対して、複数の第1ランド電極が実装基板に設けられる場合にも本発明は適用できる。なお、(a)及び(c)の場合には、複数の第1ランド電極のうち、少なくとも2つのランド電極の各々にパッド電極が1つずつ設けられる構成としてもよい。また、本明細書では、第1電極がp側半導体層に設けられるp側電極である場合について説明した。しかし、これらの構成において、p側とn側を入れ替えた構成、即ち、本発明における第1電極がn側半導体層に設けられるn側電極である場合にも適用できる。
<実施の形態2>
図6は、本発明の実施の形態2に係る実装基板を示す概略平面図である。
本実施の形態の実装基板200は、半導体素子110を載置する支持基板208と、支持基板の上に設けられる導電パターンと、を備えている。実装基板200は、導電パターンの一部として、実装される半導体素子の第1電極111及び第2電極112の各々に対応する第1ランド電極203及び第2ランド電極204を有している。第1ランド電極203は、矩形の半導体素子を配置する素子配置領域207の中央部分を含み、当該素子配置領域の外縁近傍まで延在するように配置されている。第1ランド電極203は、外縁の対向する一方の2辺が直線状に形成され、第1配線205を介して第1パッド電極201に接続されている。第1配線205は、上記一方の対向する2辺の略中央に接続されている。さらに、対向する他方の2辺には、内側に凹状に切り欠かれた切欠部203aが形成されている。第2ランド電極204は、第1ランド電極203の切欠部203aに沿って離間した位置に形成されている。このような第1ランド電極203及び第2ランド電極204に、半導体素子の第1電極及び第2電極が接合部材を介して接続される。
実装基板200には、支持基板上に第1パッド電極201と第2パッド電極202が形成され、各々、第1配線205及び第2配線206を通じて、第1ランド電極203及び第2ランド電極204に接続されている。第2配線206は、接続する第2ランド電極204の数に応じて枝分かれしている。つまり、第2配線206は、並列配線となっており、1つの第2パッド電極202から支持基板208の対向する2辺に沿って配線として延び、さらに各々の配線が3つの第2ランド電極204に向かって3本に枝分かれしている。
本実施の形態の実装基板200では、第1パッド電極201は複数形成され、各々の第1パッド電極201は、第1配線205を通じて1つの第1ランド電極203に繋がっている。すなわち、2つの第1パッド電極201からそれぞれ延びる第1配線205は、第1ランド電極203を挟むように接続され、電流経路を形成している。
なお、図6に示すように、第1ランド電極203から離間した位置に第1パッド電極201’を設け、第1配線205’を介して第1ランド電極203に接続させてもよい。第1パッド電極201’及び第1配線205’は、外部電源と接続するための外部接続端子として併用することができる。このように第1パッド電極201’及び第1配線205’を配置することにより、測定に優れたパッド電極の配置を実現でき、ランド電極及び接合部材の状態を検査可能な実装基板を得ることができる。
本発明は、車載ライト、照明用光源、LEDディスプレイ、液晶表示装置などのバックライト光源、信号機、照明式スイッチ、各種センサ及び各種インジケータ、動画照明補助光源、その他の一般的な民生品用光源等に利用することができる。
100 半導体素子用実装基板
101、201 第1パッド電極
102、202 第2パッド電極
103、203 第1ランド電極
104、204 第2ランド電極
105、205 第1配線
106、206 第2配線
107 素子載置領域
108、208 支持基板
110 半導体素子(発光素子)
111 第1電極
112 第2電極
113 透光性基板
114 n側半導体層(第2半導体層)
115 活性層
116 p側半導体層(第1半導体層)
117 保護膜
118 接合部材
120 半導体発光装置

Claims (5)

  1. 半導体素子が載置される支持基板と、
    前記支持基板の上に設けられ、前記半導体素子の第1電極及び第2電極が接続される第1ランド電極及び第2ランド電極と、
    を備えた半導体実装基板において、
    前記第1ランド電極に繋がる少なくとも2つのパッド電極
    を有することを特徴とする半導体素子用実装基板。
  2. 前記少なくとも2つのパッド電極の各々と前記第1ランド電極とを繋ぐ配線を有し、前記第1ランド電極は前記少なくとも2つの配線によって挟み込まれるように配列されることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子用実装基板。
  3. 前記少なくとも2つのパッド電極は、少なくとも一部に粗面化された面、もしくは凹凸が形成された面を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子用実装基板。
  4. 請求項1乃至3に記載の半導体素子用実装基板に接合部材を介して半導体素子を実装した半導体発光装置。
  5. 請求項1乃至3に記載の半導体素子用実装基板を準備する工程と、
    前記実装基板の前記第1ランド電極の上に、接合部材を介して半導体素子を実装する工程と、
    前記2つのパッド電極間の電気抵抗を測定する工程と、
    を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
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