JP2013098202A - 半導体発光装置及びそれを備えた電子機器並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マザー基板に直接的にＬＥＤダイを実装しようとするときに絶縁膜のピンホールが課題となる。そこでこのピンホールに係わる不具合が発生しにくい半導体発光装置を提供する。
【解決手段】このＬＥＤ装置１０はフリップチップ実装用のＬＥＤダイ２０を蛍光体キャップ１１で被覆したものである。ＬＥＤダイ２０は、マザー基板４３に直接的にフリップチップ実装するため、絶縁膜１４上に大きなサイズの突起電極１２，１３を備えている。蛍光体キャップ１１は、透光性の樹脂等に蛍光体を混練したものであり、ＬＥＤダイ２０の上面及び底面、並びに底部に形成した折り返し部でＬＥＤダイ２０のｐ型及びｎ型半導体層１７，１６の角部を覆い、ピンホールが発生しやすい部位を保護する。
【選択図】図４

Description

本発明は、蛍光体層で被覆された半導体発光素子を含む半導体発光装置、及びその半導体発光装置をマザー基板に実装した電子機器、並びにその電子機器の製造方法に関する。

ウェハーから切り出した半導体発光素子（以下特に断らない限りＬＥＤダイと呼ぶ）は、回路基板やリードフレームに実装しパッケージ化することが多い（以下ＬＥＤダイをパッケージ化したものをＬＥＤ装置と呼ぶ）。パッケージ化の一例として特許文献１の図１には、無機材質基板２（回路基板）にＬＥＤ１（ＬＥＤダイ）をフリップチップ実装し、ＬＥＤ１の上面と側面を波長変換層３（蛍光体層）で被覆したのち、ガラス蓋５でＬＥＤ１を封止した発光装置１０（ＬＥＤ装置）が示されている。このとき波長変換層３は、段落００２８に記載されているように、シリコーン樹脂により作成された蛍光体キャップであり、この蛍光体キャップをＬＥＤ１に被せたものである。

ＬＥＤダイが小さい場合、特許文献１に示された発光装置１０（ＬＥＤ装置）のように、マザー基板とＬＥＤダイとの電極間ピッチを調整するため、インターポーザとして回路基板やリードフレームが使われる。これに対しＬＥＤダイが大きくなると、ＬＥＤダイの底面にマザー基板の電極間ピッチと一致する接続用電極を形成できるようになる。例えば特許文献２の図５に示されている蛍光型ＬＥＤ２０（ＬＥＤ装置）は、ＬＥＤダイの底部に形成した外部接続用電極７，８が直接的にマザー基板の電極に接続する。このＬＥＤダイは、透明絶縁基板１の下面にｎ型及びｐ型の窒化物半導体層２，３及び絶縁層６を備え、ｐ側電極５及び接続電極１２を介してｐ型窒化物半導体層３と外部接続電極８とが接続し、同様にｎ側電極４及び接続電極１１を介してｎ型窒化物半導体層２と外部接続電極７とが接続している。なおＬＥＤダイを被覆する蛍光樹脂２１は、蛍光粒子を含有する樹脂キャップ（蛍光体キャップ）であり、ＬＥＤダイに被せて固定されている。

マザー基板と直接的に接続できるＬＥＤ装置としては、ふつうＬＥＤダイに含まれる半導体層が絶縁膜で被覆されているので、この絶縁膜上にマザー基板と直接的に接続できる電極を形成すると良い。この絶縁膜は電気的に接続するための領域が開口しているので、この開口部を塞ぐようにしながら電極のピッチを調整する。またＬＥＤダイを被覆している蛍光体キャップは、ＬＥＤダイの周囲に均一な蛍光体層を簡単に形成できる。この蛍光体キャップは、製造を容易するのに加え、蛍光体を節約できたり、方位角による発光色のムラを低減できたりする。以上のように、マザー基板と直接的に接続できる電極と蛍光体キャップとを組合せれば構造が簡単で製造が容易なＬＥＤ装置が得られる。

特開２０１０−１７７３７５号公報 （図１、段落００２８） 特開２０１１−９５７２号公報 （図５）

しかしながらこのようなＬＥＤ装置は、回路基板がないため、回路基板が担っていたインターポーザ以外の機能のいくつかを絶縁膜と接続電極で肩代わりしなければならなくなる。例えばＬＥＤダイの底面から侵入しようとする汚染物質や応力の防止などである。この対策として絶縁膜を強化することも考えられるが、絶縁膜は半導体層の角部など段差がある部分でピンホールが発生しやすい。この結果、例えば金属のマイグレーションにより
ピンホールを介してｐ型半導体層とｎ型半導体層がショートたりする。

そこで本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、蛍光体キャップを被せた半導体発光素子が絶縁膜上にマザー基板と直接的に接続する電極を備えていても、絶縁膜のピンホールに係わる不具合が抑圧され信頼性が向上する半導体発光装置、及びこの半導体発光装置をマザー基板に実装した電子機器、並びにこの半導体発光装置をマザー基板に実装するため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本発明の半導体発光装置は、透明絶縁基板と、該透明絶縁基板の底面に形成された半導体層と、該半導体層を覆い開口部を有する絶縁膜と、該絶縁膜の開口部で前記半導体層と接続する突起電極とを備えた半導体発光素子を含む半導体発光装置において、
蛍光体を含有した蛍光体キャップが前記半導体発光素子の上面と側面を覆い、
さらに前記蛍光体キャップが内側に折り返した折り返し部により前記半導体層の一部を覆うことを特徴とする。

この半導体発光装置はフリップチップ実装用の半導体発光素子を蛍光体キャップで被覆したものである。半導体発光素子は、フリップチップ実装のため、透明絶縁基板と、この透明絶縁基板の底面に形成された半導体層と、この半導体層を覆い開口部を有する絶縁膜と、この絶縁膜の開口部で半導体層と接続する突起電極とを備えている。蛍光体キャップは、透光性の樹脂等に蛍光体を混練したものからなり、半導体発光素子の上面及び底面を被覆し白色化等の波長変換を行う。さらに蛍光体キャップは、底部に形成された折り返し部が半導体発光素子の底面に回りこみ、絶縁膜の上から半導体層の角部を覆う。このようにしてピンホールが発生しやすい半導体層の角部を蛍光体キャップが保護するため、マザー基板に本発明の半導体発光装置を実装してもピンホールに係わる不具合を軽減できる。

上記目的を達成するため本発明の電子機器は、
半導体発光装置とマザー基板を備え、
前記半導体発光装置が、
透明絶縁基板と、前記透明絶縁基板の底面に形成された半導体層と、該半導体層を覆い開口部を有する絶縁膜と、該絶縁膜の開口部で前記半導体層と接続する突起電極とを備えた半導体発光素子、
並びに蛍光体を含有し、該半導体発光素子の上面及び側面を被覆し、さらに底部で折り返すように形成した折り返し部により前記半導体層の一部を被覆する蛍光体キャップからなり、
前記マザー基板に前記半導体発光装置を実装していることを特徴とする。

この電子機器は、半導体発光装置をマザー基板にフリップチップ実装している。この半導体発光装置は、半導体発光素子と、この半導体発光素子を被覆する蛍光体キャップからなる。半導体発光素子は、フリップチップ実装のため、透明絶縁基板と、この透明絶縁基板の底面に形成された半導体層と、この半導体層を覆い開口部を有する絶縁膜と、この絶縁膜の開口部で半導体層と接続する突起電極とを備えている。蛍光体キャップは蛍光体を混練した透光性樹脂等からなり、半導体発光素子の上面及び底面並びに半導体層の一部を覆う。このとき蛍光体キャップがピンホールの発生しやすい半導体層の角部を保護するので、マザー基板にこの半導体発光装置を実装した本発明の電子機器はピンホールに係わる不具合が軽減する。

上記目的を達成するため本発明の製造方法は、
透明絶縁基板、該透明絶縁基板の底面に形成された半導体層、該半導体層を覆い開口部を有する絶縁膜、及び該絶縁膜の開口部で前記半導体層と接続する突起電極を備えた半導体発光素子、並びにマザー基板を準備する素子準備工程と、
前記半導体発光素子を前記マザー基板に実装する実装工程と、
蛍光体を含有し、前記半導体発光素子の半導体層の一部を覆うための折り返し部を備えた蛍光体キャップを準備する蛍光体キャップ準備工程と、
前記マザー基板に実装された前記半導体発光素子に前記蛍光体キャップを被せる被覆工程と
を備えることを特徴とする。

この製造方法では、まずフリップチップ実装用の半導体発光素子とマザー基板を準備する。半導体発光素子は、フリップチップ実装のため、透明絶縁基板と、この透明絶縁基板の底面に形成された半導体層と、この半導体層を覆い開口部を有する絶縁膜と、この絶縁膜の開口部で半導体層と接続する突起電極とを備えている。次に半導体発光素子をマザー基板にフリップチップ実装する。続いて蛍光体を混練した透光性の樹脂等からなる蛍光体キャップを準備する。最後にこの蛍光体キャップで半導体発光素子を被覆する。蛍光体キャップは底部に折り返し部があるため、半導体発光素子の上面及び底面とともに半導体層の一部も覆う。このときピンホールが発生しやすい半導体層の角部を蛍光体キャップが保護するので、この製造方法によりマザー基板に本発明の半導体発光装置を実装した電子機器はピンホールに係わる不具合が軽減する。

前記実装工程の後に前記半導体発光素子の発光特性を測定しても良い。

前記蛍光体キャップ準備工程において、蛍光体の含有量が異なる複数種類の前記蛍光体キャップを準備し、前記半導体発光素子の特性にもとづいて目標とする色度に適合する蛍光体キャップを選択しても良い。

以上のように本発明の半導体発光装置及びその半導体発光装置を備えた電子機器並びにその製造方法は、蛍光体キャップを被せた半導体発光素子が絶縁膜上にマザー基板と直接的に接続する電極を備えていても、絶縁膜のピンホールに係わる不具合が発生しにくくなり信頼性が向上する。

本発明の実施形態におけるＬＥＤ装置の外形図。 図１のＬＥＤ装置の断面図。 図１のＬＥＤ装置に含まれる蛍光体キャップの断面図。 図１のＬＥＤ装置をマザー基板に実装した電子機器の断面図。 図１のＬＥＤ装置を実装した電子機器の製造方法の説明図。

以下、添付図１〜５を参照して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。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。

図１により本発明のＬＥＤ装置１０（半導体発光装置）の外観を説明する。図１はＬＥＤ装置１０の外観を示す外形図であり、（ａ）が上面図、（ｂ）が正面図、（ｃ）が底面図である。ＬＥＤ装置１０を上面から眺めると蛍光体キャップ１１のみが見える（ａ）。ＬＥＤ装置１０を正面から眺めると、蛍光体キャップ１１の下部から突出した突起電極１
２，１３が見える（ｂ）。ＬＥＤ装置１０を下から眺めると、蛍光体キャップ１１の内側の領域に絶縁膜１４が見え、さらにその内側に突起電極１２，１３が見える（ｃ）。なお（ｃ）では参考のためＬＥＤダイ２０（図２参照）の外形を示すためサファイア基板１５（透明絶縁基板、図２参照）の外形を点線で示している。

図２によりＬＥＤ装置１０の内部構造を説明する。図２は図１（ａ）のＡＡ線に沿って描いたＬＥＤ装置１０の断面図である。ＬＥＤ装置１０は、ＬＥＤダイ２０（半導体発光素子）と蛍光体キャップ１１からなる。ＬＥＤダイ２０は、サファイア基板１５（透明絶縁基板）と、サファイア基板１５の底面に形成されたｎ型半導体層１６と、ｎ型半導体層１６の下に形成されたｐ型半導体層１７と、ｐ型及びｎ型半導体層１７，１６を覆い開口部１４ａ、１４ｂを有する絶縁膜１４と、絶縁膜１４の開口部１４ａ、１４ｂにおいてそれぞれｐ型及びｎ型半導体層１７，１６と接続する突起電極１２，１３とを備えている。

透明絶縁基板を有する一般的なＬＥＤダイと同様に、ＬＥＤダイ２０もｐ型半導体層１７から露出しているｎ型半導体層１６の領域は発光しないので小さな平面積しか割り当てられていない。このためｎ型半導体層１６と接続する突起電極１３は絶縁膜１４を介してｐ型半導体層１７と積層することにより平面サイズを大きくしている。蛍光体キャップ１１は、蛍光体を含有したシリコーン樹脂からなり、ＬＥＤダイ２０の上面と側面を覆い、底部で内側に折り返すように形成した折り返し部１１ａ（図３参照）によりｐ型及びｎ型半導体層１７，１６の一部を覆っている。

サファイア基板１５は透明絶縁基板であり厚さが８０〜１２０μｍである。ｎ型半導体層１６はＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層からなり厚さが５μｍ程度である。ｐ型半導体層１７は、反射や原子拡散防止などさまざまな機能に対応する金属多層膜とｐ型ＧａＮ層からなり厚みが１μｍ程度である。図示していないが発光層はｐ型半導体層１７とｎ型半導体層１６の境界部にあり、平面形状はｐ型半導体層１７とほぼ等しい。絶縁膜１４はＳｉＯ２やポリイミドからなり厚さが数１００ｎｍ〜１μｍ程度である。突起電極１２，１３はＡｕ又はＣｕをコアとするバンプであり、電解メッキ法で形成し厚さが１００μｍ程度である。

次に図３により蛍光体キャップ１１を説明する。図３は図１のＡＡ線に沿って描いた蛍光体キャップ１１の断面図である。蛍光体キャップ１１はシリコーン樹脂に蛍光体を混練したものからなる。シリコーン樹脂はミラブルであり柔軟性を有する。ここでミラブルとはゴム状に架橋したシリコーンを硫黄でさらに架橋したものであるが、硬質のシリコーンに比べ架橋が少なくなっている。蛍光体キャップ１１の上面と側面は厚さが１００〜２００μｍである。これに対し底部で内側に折り返すように形成した折り返し部１１ａは、厚さが５０μｍ程度、突き出し量も５０μｍ程度である。

ＬＥＤダイ２０（図２参照）に蛍光体キャップ１１を被せると、折り返し部１１ａがＬＥＤダイ２０の下面に潜り込む。ＬＥＤダイ２０の端部からｐ型半導体層１７の角部までは３０μｍ程度なので，折り返し部１１ａはｐ型半導体層１７の角部を覆うことができる。なお角部とはｎ型半導体層１６とｐ型半導体層１７で形成される段差部のことである。また折り返し部１１ａがＬＥＤダイ２０の下面に潜り込みやすくするため、折り返し部１１ａの角部を面取りしたり、折り返し部１１ａの上面を斜面としたりしても良い。蛍光体キャップ１１とＬＥＤダイ２０は接着剤で固定する。この接着剤はサファイア基板１５（図２参照）と蛍光体キャップ１１の間の屈折率を滑らかに変化させ、発光効率を低下させないという機能も担っている。また折り返し部１１ａはＬＥＤダイ２０のｎ型半導体層１６の周辺部から漏れ出そうとする光を低減又は波長変換する機能も担っている。さらに蛍光体キャップ１１は、ｎ型半導体層１６（図２参照）の暴露している側面も覆うため、マ
ザー基板に実装する際、半田等がｎ型半導体層１６の側面に接触することで発生する不具合も低減している。

次に図４によりＬＥＤ装置１０を備えた電子機器４０を説明する。図４はＬＥＤ装置１０をマザー基板４３に実装した電子機器４０の断面図である。マザー基板４３には電極４２が形成されている。マザー基板４３には抵抗やコンデンサ、他のＬＥＤ装置など図示していない電子部品が同時に実装されていることが多い。電極４２は銅箔上にＮｉとＡｕがメッキされており、半田４１で突起電極１２，１３と接続している。

次に図５により電子機器４０の製造方法を説明する。図５はＬＥＤ装置１０を実装した電子機器４０の製造方法の説明図である。なお図５では、ＬＥＤダイ２０のｐ型及びｎ型半導体層１７，１６やマザー基板４３の電極４２等（図４参照）を図示せず、ＬＥＤダイ２０及びマザー基板４３を簡略化している。

（ａ）は、マザー基板４３とＬＥＤダイ２０を準備する素子準備工程を示している。なおマザー基板４３が小さい場合、マザー基板４３が連結した大判基板に対して工程を進める場合が多い。しかし本実施形態では説明のため単個に分離されたマザー基板４３で各工程の様子を示す。

（ｂ）は、ＬＥＤダイ２０をマザー基板４３に実装する実装工程を示している。マザー基板４３とＬＥＤダイ２０の接続は良く知られたリフローで行う。すなわちマザー基板４３の電極４２（図４参照）に半田ペーストを印刷し、半田ペースト上にＬＥＤダイ２０を配置したら、２６０℃程度の炉にマザー基板４３を入れ、突起電極１２，１３と電極４２を接続する。

（ｃ）は蛍光体キャップ１１を準備する蛍光体キャップ準備工程を示している。蛍光体キャップ１１は射出成型で多数の蛍光体キャップ１１が連結したシートを作成し、このシートを切断して単個の蛍光体キャップ１１を得る。蛍光体キャップ１１の材料であるシリコーン樹脂は、重合度３０００から１００００の線状ポリマーを主成分とし、シリカ系補強性充填剤、潤滑剤、各種添加剤を配合したもので、使用時に加硫剤を添加することにより加熱硬化する。

（ｄ）はマザー基板４３に実装したＬＥＤダイ２０に蛍光体キャップ１１を被せる被覆工程を示している。まずＬＥＤダイ２０に接着剤を塗布する。次に蛍光体キャップ１１をＬＥＤダイ２０に押し当てながら被せる。このとき蛍光体キャップ１１の折り返し部１１ａは、厚みが他の部分より薄く、突起量も小さいので、ＬＥＤダイ２０の下面に滑り込む。最後に加熱し接着剤を硬化させる。なお大判基板の場合は、このあと大判基板を切断して個片化したマザー基板４３を得る。

ＬＥＤ装置１０及びこのＬＥＤ装置１０を備える電子機器４０の色度を正確に管理するにはＬＥＤダイ２０についてピーク波長等の発光特性を知っている必要がある。ウェハー状態でＬＥＤダイ２０の発光特性を測定し、特性の分かったＬＥＤダイ２０をマザー基板４３に実装してもよいし、図５の（ｂ）で示した実装工程の後にＬＥＤダイ２０の発光特性を測定しても良い。これと並行して、図５（ｃ）で示した蛍光体キャップ準備工程において、蛍光体含有量の異なる複数種類の蛍光体キャップ１１を準備しておく。例えばＬＥＤダイ２０が青色で発光する場合、蛍光体キャップ１１に含まれる緑色の蛍光体、赤色の蛍光体の量及び比率を複数通り調整しておく。そしてＬＥＤダイ２０の特性にもとづいて目標とする色度に適合する蛍光体キャップ１１を選択する。

この手法は色度を正確に管理する場合だけでなく、色度の仕様変更に迅速に対応するの
にも役立つ。例えば顧客が色度を指定してきた場合、予め準備しておいた蛍光体キャップ実装前の電子機器４０に、やはり予め準備しておいた蛍光体キャップ１１を組合せて製品を提供することが可能となる。このように短時間で色度仕様の変更に対応できるため在庫管理にも柔軟に対応できる。

回路基板を備えたＬＥＤ装置の実装手順は、ＬＥＤダイを回路基板に実装してから蛍光体で被覆し、こうして作成したＬＥＤ装置をマザー基板に実装するものである。この手順を踏襲するならＬＥＤダイ２０に蛍光体キャップ１１を被せてから半田リフローでマザー基板４３にＬＥＤ装置１０を実装することになるが、本実施形態ではＬＥＤダイ２０をマザー基板４３に実装してから蛍光体キャップ１１を被せることにより前述の効果を得ている。

１０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
１１…蛍光体キャップ、
１１ａ…折り返し部、
１２，１３…突起電極、
１４…絶縁膜、
１４ａ，１４ｂ…開口部、
１５…サファイア基板（透明絶縁基板）、
１６…ｎ型半導体層、
１７…ｐ型半導体層、
２０…ＬＥＤダイ（半導体発光素子）、
４０…電子機器、
４１…半田、
４２…電極、
４３…マザー基板。

Claims (5)

1. 透明絶縁基板と、該透明絶縁基板の底面に形成された半導体層と、該半導体層を覆い開口部を有する絶縁膜と、該絶縁膜の開口部で前記半導体層と接続する突起電極とを備えた半導体発光素子を含む半導体発光装置において、
   蛍光体を含有した蛍光体キャップが前記半導体発光素子の上面と側面を覆い、
   さらに前記蛍光体キャップが内側に折り返した折り返し部により前記半導体層の一部を覆うことを特徴とする半導体発光装置。
2. 半導体発光装置とマザー基板を備え、
   前記半導体発光装置が、
   透明絶縁基板と、前記透明絶縁基板の底面に形成された半導体層と、該半導体層を覆い開口部を有する絶縁膜と、該絶縁膜の開口部で前記半導体層と接続する突起電極とを備えた半導体発光素子、
   並びに蛍光体を含有し、該半導体発光素子の上面及び側面を被覆し、さらに底部で折り返すように形成した折り返し部により前記半導体層の一部を被覆する蛍光体キャップからなり、
   前記マザー基板に前記半導体発光装置を実装していることを特徴とする電子機器。
3. 透明絶縁基板、該透明絶縁基板の底面に形成された半導体層、該半導体層を覆い開口部を有する絶縁膜、及び該絶縁膜の開口部で前記半導体層と接続する突起電極を備えた半導体発光素子、並びにマザー基板を準備する素子準備工程と、
   前記半導体発光素子を前記マザー基板に実装する実装工程と、
   蛍光体を含有し、前記半導体発光素子の半導体層の一部を覆うための折り返し部を備えた蛍光体キャップを準備する蛍光体キャップ準備工程と、
   前記マザー基板に実装された前記半導体発光素子に前記蛍光体キャップを被せる被覆工程と
   を備えることを特徴とする電子機器の製造方法。
4. 前記実装工程の後に前記半導体発光素子の発光特性を測定することを特徴とする請求項３に記載の電子機器の製造方法。
5. 前記蛍光体キャップ準備工程において、蛍光体の含有量が異なる複数種類の前記蛍光体キャップを準備し、前記半導体発光素子の特性にもとづいて目標とする色度に適合する蛍光体キャップを選択することを特徴とする請求項３又は４に記載の電子機器の製造方法。
   

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