JP2012164902A - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械加工でＬＥＤ素子外形に沿って蛍光体層を備えさせるのに、ウェハーに蛍光体層を形成するとＬＥＤ素子の取り個数減や蛍光体層のバインダ材料制限が課題となる。
【解決手段】複数の回路基板４１が連結した集合基板４２を準備し、集合基板４２にＬＥＤ素子３６をフリップチップ実装する。この集合基板４２の蛍光体層３２を残す領域にプライマー４５を印刷してから集合基板４２に蛍光体ペーストを塗布し蛍光体層３２を形成する。プライマー４５を印刷した領域の以外の領域の蛍光体層３２を除去し、集合基板４２を個片化することで所望のＬＥＤ装置３０が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子の形状に沿って蛍光体層を備える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素子の形状に沿って蛍光体層を備えさせたＬＥＤ装置がある。なおＬＥＤ素子形状と一致するように蛍光体層を配置することをコンフォーマルコーティングと呼ぶことがある。

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（例えば特許文献１の段落０００６〜０００７）、電着法、スプレイ法等で蛍光体をＬＥＤ素子に付着させ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ればならないが、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、蛍光体層の外形を精度良く配置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２）。

特許文献２の図１の一部を図１０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が配置されている。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１２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。このあと回路基板にダイオード１をフリップチップ実装すると所望のＬＥＤ装置が得られる。

特開２００３−６９０８６号公報 （段落０００６〜０００７） 特許第３９７８５１４号公報 （図１）

特許文献２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を配置しておくと、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素子の形状に沿って蛍光体層が配置されながら、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が制限されず、蛍光体層の機械的加工が容易な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形状に沿って蛍光体層を備える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、
該集合基板の前記蛍光体層を残す領域にプライマーを印刷する印刷工程と、
該集合基板に蛍光体ペーストを塗布し蛍光体層を形成する塗布工程と、
前記プライマーを印刷した領域の端部に沿って前記蛍光体層に溝を形成する溝形成工程と、
前記プライマーを印刷した領域以外の領域の前記蛍光体層を除去する除去工程と、
前記集合基板から前記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。

前記塗布工程のあとに前記蛍光体層を研磨しても良い。

前記除去工程のあとに前記半導体発光素子の周囲に残った蛍光体層の側部を研削しても良い。

前記回路基板上に白色反射層を備えることが好ましい。

前記実装工程においてフリップチップ実装する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、蛍光体層を残す部分にだけ集合基板上面及び半導体発光素子上面と蛍光体の密着性を向上させるプライマーを印刷してから、この集合基板全体に蛍光体層を形成し、蛍光体層の不要な部分を除去することにより半導体発光素子の形状に沿って蛍光体層を備えさせている。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機械的加工が容易である。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配置するので、半導体発光素子が密集して配列するウェハーに対してダイシング以外の素子間隔制限がないため半導体発光素子の取り個数を減じることはない。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素子の形状に沿って備えさせようとする蛍光体層を容易に加工でき、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材料の選択範囲を制限しない。

本発明の第１実施形態の方法で製造する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。 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実施形態の方法で製造するＬＥＤ装置の断面図。 図４のＬＥＤ装置を製造するための工程説明図。 図４のＬＥＤ装置を製造するための工程説明図。 図４のＬＥＤ装置を製造するための工程説明図。 参考例の方法で図１と同等のＬＥＤ装置を製造するための工程説明図。 参考例の方法で図１と同等の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１〜７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３０（半導体発光装置）の断面図である。ＬＥＤ装置３０は、回路基板４１上にＬＥＤ素子３６をフリップチップ実装している。蛍光体層３２はＬＥＤ素子３６の上面及び側面に沿うようにして配置されており、ＬＥＤ素子３６の底部と回路基板４１の間にも存在する。封止材３１は回路基板４１の上面及び蛍光体層３２を封止している。

回路基板４１は、板材３８の上面と下面にそれぞれ電極３７，４０を備え、電極３７と電極４０はスルーホール３９で接続している。電極３７，４０はニッケル及び金層を備えた銅箔であり、厚さが１０〜３０μｍ程度である。スルーホール３９は直径が１００〜３００μｍ程度で内面に金属箔を備え金属ペーストが充填されている。板材３８は、厚さが数１００μｍで、熱伝導等を考慮して樹脂、セラミクス、金属から選ばれる。

ＬＥＤ素子３６はサファイア基板３３の下面に半導体層３４が形成され、半導体層３４に２このバンプ電極３５が付着している。サファイア基板３３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３３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３４は厚さが７μｍ程度であり、発光層を備えた青色発光ダイオードである。２このバンプ電極３５はそれぞれアノードとカソードに相当し、電解メッキ法で形成され厚さが１０〜３０μｍ程度になる。バンプ電極３５は金属共晶接合により電極３７と接続している。

蛍光体層３２は、ＬＥＤ素子３６の周囲で厚さが１００μｍ〜２００μｍになるよう調整される。また珪酸塩系（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３４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３２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３２のように蛍光体をＬＥＤ素子の周囲に配置させると出射方向（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。

図２及び図３は図１のＬＥＤ装置３０を製造するための工程説明図である。（ａ）は回路基板４１（図１参照）が複数個連結した集合基板４２を準備する準備工程である。集合基板４２には回路基板４１が縦横に連結して配列し、例えば集合基板４２が１０ｃｍ角であるとすると集合基板４２には数千個の回路基板４１となる領域が含まれる。なお図２及び図３ではＬＥＤ素子３６が２個含まれる集合基板４２の一部断面を示している（以下同様）。また集合基板４２のそれぞれの回路基板領域には図１で示した電極３７，４０並びにスルーホール３９が形成されている。

（ｂ）は集合基板４２にＬＥＤ素子３６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４２にＬＥＤ素子３６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４２の電極ピッチに合わせて複数のＬＥＤ素子３６を配列してから、粘着シートと集合基板４２とを位置合わせし、一括してＬＥＤ素子３６を配置しても良い。この際、粘着シートにはサファイア基板３３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３６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。蛍光体層３２の厚みバラツキが１０〜２０μｍ程度に抑え込めるときに、ＬＥＤ装置３０の色度（ＣＩＥ１９３１のｘｙ色度図）を±５／１０００に収めようとすると、ピーク波長のバラツキは１ｎｍ程度となる。同時に集合基板４２にＬＥＤ素子３６を配置する位置精度は±１０μｍ程度以内に収めることが好ましい。

（ｃ）はＬＥＤ素子３６に沿うようにして蛍光体層３２を配置する予定の領域にプライマー４５を印刷する印刷工程である。プライマー４５は、ＬＥＤ素子３６上面及びＬＥＤ素子３６を取り囲む集合基板４２の領域に配置される。プライマー４５は、一般に塗装などの下地処理で使われるもので、本実施形態ではシラン及びシロキサンを補助剤とともに溶剤に溶かし込んだものであり、大気湿度によって形成される硬質のシリコーン膜により、後述するようにＬＥＤ素子３６及び集合基板４２表面と蛍光体層３２を強固に接着させる。

（ｄ）はＬＥＤ素子３６を実装した集合基板４２に蛍光体ペーストを塗布し蛍光体層３２を形成する塗布工程である。蛍光体ペーストを集合基板４２に塗布してから、１００℃程度で仮硬化し蛍光体層３２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並びに触媒を含んでいる。仮硬化とは蛍光体ペーストのバインダの架橋を途中で止めた状態であり硬度が小さい。

（ｅ）はプライマー４５を印刷した領域の端部に沿って蛍光体層３２に溝４６を形成する溝形成工程である。溝４６はナイフ等の刃を押し当てるか、刃でカットして形成する。刃は片刃が好ましく、垂直な面をＬＥＤ素子３６側にする。前述のように蛍光体層３２は仮硬化状態なので溝４６を作りやすくなっている。

（ｆ）はプライマー４５を印刷した領域以外の領域の蛍光体層３２を除去する除去工程である。この領域の蛍光体層３２は、プライマー４５が印刷されていないため基板との密着力が弱く、さらに溝４６で境界が確定しているため容易に剥がし取ることができる。この結果、ＬＥＤ素子３６の近傍にだけ蛍光体層３２が残りコンフォーマルな状態になる。

（ｇ）は封止材３１で蛍光体層３２とともに集合基板４２の上面を封止する封止工程である。封止材３１は拡散粒子やフィラー等を含有する透明なシリコーン樹脂であり、この樹脂を金型で集合基板４２上に配置し、１５０℃程度で硬化させる。このとき蛍光体層３２も本硬化する。

（ｈ）は集合基板４２からＬＥＤ装置３０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４２を切断し単個のＬＥＤ装置３０を分離する。
（第２実施形態）

図１で示したＬＥＤ装置３０は上面とともに側面からも光が出射する。側面から出射す
る光は利用しづらいことが多いので、図４においてＬＥＤ素子の形状に沿って蛍光体層を備えながら、上方に多くの光が出射するよう配光制御したＬＥＤ装置の一例を示す。そして図５〜７において第２実施形態として図４で示したＬＥＤ装置５０の製造方法を説明する。

図４は本発明の第２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。ＬＥＤ装置５０は、ＬＥＤ素子３６、回路基板４１が図１のＬＥＤ装置３０と共通であり、ＬＥＤ素子３６と回路基板４１の接続構造も図１のＬＥＤ装置３０と等しい。ＬＥＤ装置５０は回路基板４１の上面に白色反射層５４がある。またＬＥＤ素子３６の形状に沿って配置された蛍光体層５２の底部が広がっている。さらに回路基板４１の周辺部には反射枠５３があり、反射枠５３に取り囲まれた空間に封止材５１が充填されている。

白色反射層５４は酸化チタン等の反射性微粒子とオルガノポリシロキサンなどの無機バインダとを混練したペーストを回路基板４１に印刷してから硬化させたものである。この厚さは３０〜５０μｍ程度であり、このときバインダはガラス質になり、後述するフリップチップ実装時の高温に耐えることができる。蛍光体層５２及び封止材５１の材料及び厚さは図１のＬＥＤ装置３０の蛍光層３２及び封止材３１と等しい。反射枠５３は酸化チタン等の反射性微粒子を含むシリコーン樹脂であり、厚さは５０〜１００μｍ程度である。

白色反射層５４及び反射枠５３は、ＬＥＤ素子３６及び蛍光体層５２から出射した光のうち斜め下方及び側方に向かう光線を白色反射層５４及び反射枠５３で反射しＬＥＤ装置５０の上方に向かって出射させようとするものである。

図５〜７は図４のＬＥＤ装置５０を製造するための工程説明図である。（ａ）は図２（ａ）の準備工程と同じものである。（ａ１）は集合基板４２に白色反射層５４を印刷する工程を示している。集合基板４２の上面に対しＬＥＤ素子３６を実装する領域以外の領域に白色反射部層５４を印刷する。（ｂ）はＬＥＤ素子３６を集合基板４２に実装する実装工程であり、白色反射層５４の有無以外は図２（ｂ）の実装工程と等しい。

（ｃ）はプライマー５５を印刷する印刷工程であり、図２（ｃ）の印刷工程に比べプライマー５５を広く印刷している。すなわちプライマー５５はＬＥＤ素子３６及び電極３７上面に加え白色反射層５４の一部にも存在する。この結果、プライマー５５の印刷精度を緩めることができる。（ｄ）は蛍光体ペーストを集合基板４２に塗布し蛍光体層５２を形成する塗布工程である。蛍光体層５２は図３（ｄ）で形成した蛍光体層３２よりも厚くなっており、塗布量の精度を緩くしている。

（ｄ１）は蛍光体層５２を研磨する工程である。蛍光体層５２が仮硬化したら所定の厚さまで蛍光体層５２を研磨する。この厚さは、所望の発光色を得る目的で予め準備してあるＬＥＤ素子３６のピーク波長及び蛍光体層５２の厚さ並びに発光色の関係に基づいて決める。各ＬＥＤ素子３６のピーク波長が１ｎｍ以内で揃っている場合、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。

（ｅ）はプライマー５５を印刷した領域の端部に沿って蛍光体層５２に溝５６を形成する溝形成工程である。溝５６の形状等は図３（ｅ）と同等である。（ｆ）はプライマー５５を印刷した領域以外の領域の蛍光体層５２を除去する除去工程である。この領域の蛍光体層５２は、プライマー５５が印刷されていないため基板との密着力が弱く、さらに溝５６で境界が確定しているため容易に剥がし取ることができる。

（ｆ１）はＬＥＤ素子３６の周囲に残った蛍光体層５２の側部を研削する工程である。ダイシング装置を使ってＬＥＤ素子３６側部の蛍光体層５２を研削し、厚みを１００μｍ程度まで薄くする。このとき白色反射層５４や電極３７の表面を傷つけないようにするため蛍光体層５２の底部を残している。

（ｇ）は封止材５１で蛍光体層５２とともに集合基板４２の上面を封止する封止工程である。図３（ｇ）と同様に金型で封止材５１を硬化させる。（ｇ１）は反射枠５３を形成する工程である。封止材５１に溝を掘り、反射性部粒子を含有する硬化前のシリコン樹脂をこの溝に充填し硬化させる。（ｈ）はダイシング装置を使って集合基板４２を切断し単個のＬＥＤ装置５０に分離する個片化工程である。
（参考例）

本発明の作用上のひとつの特徴は、密着力の差を利用して蛍光体層を残す領域と蛍光体層を除去する領域を区分したとも言い換えられる。つまり蛍光体層を除去する領域の密着力が弱ければよい。そこでこの領域に密着力を弱める部材を予め配置しておいてもよい。図８及び図９により参考例としてこの手法によりＬＥＤ装置７０を製造する方法を説明する。なお図１がＬＥＤ装置３０のプライマー４５を図示していないため、ＬＥＤ装置７０の断面｛図９（ｈ）参照｝は図１のＬＥＤ装置３０と等しくなる。

図８及び図９は参考例として示す方法でＬＥＤ素子３６の形状に沿って蛍光体層３２を備えるＬＥＤ装置７０を製造するための工程説明図である。なお前述のようにＬＥＤ装置３０とＬＥＤ装置７０の断面図が共通になるので部材の番号も同じものを使っている。

（ａ）及び（ｂ）は図２（ａ）及び（ｂ）の準備工程及び実装工程と同じものである。（ｃ）は離型剤８５を印刷する印刷工程であり、離型剤８５は蛍光体層３２を残さない領域に印刷される。（ｄ）は蛍光体ペーストを印刷し蛍光体層３２を形成する印刷工程であり、プライマー４５と離型剤８５の違いを除くと図２（ｄ）に等しい。（ｅ）は離型剤８５を印刷した領域の端部に沿って蛍光体層３２に溝４６を形成する溝形成工程である。溝４６の作り方等は図３（ｅ）の溝形成工程と等しい。

（ｆ）は離型剤８５を印刷した領域の蛍光体層３２を除去する除去工程である。この領域の蛍光体層３２は、離型剤８５が印刷されているため集合基板４２との密着力が弱く、さらに溝４６で境界が確定しているため容易に剥がし取ることができる。この結果、ＬＥＤ素子３６の近傍にだけ蛍光体層３２が残りコンフォーマルな状態になる。このとき洗浄などで離型剤８５を集合基板４２から除去しておく。

（ｇ）及び（ｈ）はプライマー４５がない点を除き図３（ｇ）及び（ｈ）の封止工程及び個片化工程と等しい。

第１，２実施形態及び参考例では蛍光体層３２及び回路基板４１上面を封止剤３１，５１で封止していた。しかしながらＬＥＤ装置３０，５０，７０を薄くしたい場合、又は蛍光体層３２や回路基板４１上面が化学的に安定な場合は封止しなくても良い。また第２実施形態の図６（ｄ１）で示した蛍光体層５２を研磨する工程は、蛍光体ペーストの塗布量が正確で表面が平坦であれば不要になる（第１実施形態及び参考例の場合）。しかしながら蛍光体層を研磨する工程は、蛍光体層を研磨しながら発光色を調整するのにも利用できる。

３０，５０，７０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
３１，５１…封止材、
３２，５２…蛍光体層、
３３…サファイア基板、
３４…半導体層、
３５…バンプ電極、
３６…ＬＥＤ素子（半導体発光素子）、
３７，４０…電極、
３８…板材、
３９…スルーホール、
４１…回路基板、
４２…集合基板、
４５，５５…プライマー、
４６，５６…溝、
５３…反射枠、
５４…白色反射層、
８５…離型剤。

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形状に沿って蛍光体層を備える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、
   該集合基板の前記蛍光体層を残す領域にプライマーを印刷する印刷工程と、
   該集合基板に蛍光体ペーストを塗布し蛍光体層を形成する塗布工程と、
   前記プライマーを印刷した領域の端部に沿って前記蛍光体層に溝を形成する溝形成工程と、
   前記プライマーを印刷した領域以外の領域の前記蛍光体層を除去する除去工程と、
   前記集合基板から前記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. 前記塗布工程のあとに前記蛍光体層を研磨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. 前記除去工程のあとに前記半導体発光素子の周囲に残った蛍光体層の側部を研削す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. 前記回路基板上に白色反射層を備え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フリップチップ実装する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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