JP2013526078A5

JP2013526078A5 -

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Publication number: JP2013526078A5
Application number: JP2013509039A
Authority: JP
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2031-02-28

Description

別の例として、米国特許公報第２００８／０１７３８８４号（本発明と同じ譲受人に譲渡されている）では、ワイヤボンドフリーのウエハが蛍光体含有シリコーンで被覆され、次いで、組立て後に硬化される。この被覆ウエハは、続いて蛍光体被膜を均一の厚さになるように摩滅させることにより、さらに加工することができる。最後に、ウエハはダイシングされ、個片化したチップはダイ取付のために配置される。

さらに、ベースのＬＥＤ材料（ＳｉＣ、ＧａＮ、および各種コンタクト金属など）は、＜２０ｐｐｍ／℃の範囲のように、比較的低い熱膨張率（ＣＴＥ）を有し得る。あるいは、チップに白色光を発せしめるために備えられる材料（シリコーン被膜など）の中には、＞１００ｐｐｍ／℃の範囲のように、高いＣＴＥを有するものもある。低ＣＴＥ材料と高ＣＴＥ材料とは、通常互いに取り付けられて、完成したデバイスを形成するが、それゆえにＣＴＥの不整合が生まれる。ＣＴＥの不整合は、白色発光のフリップチップデバイスの、機械的に損傷を受けやすい性質を悪化させる可能性がある。それにより、温度サイクル中にデバイスの故障が生じる可能性がある。
［発明の概要］
本発明は、高効率で機械的に堅固な、白色発光のフリップチップ照明デバイスなどの半導体デバイスを製造するための装置および方法を提供する。このデバイスの製造は、チップレベルよりむしろウエハレベルで加工工程を行うことによって、高い歩留まりおよび低コストを可能にする。本発明に係る一実施形態は、ＬＥＤチップの製造方法を含む。この方法はキャッピングウエハの事前形成を含み、キャッピングウエハは変換材料を含む。複数のＬＥＤを備えるワイヤボンドフリーのＬＥＤウエハが製造される。キャッピングウエハが、続いて、接着剤を用いてＬＥＤウエハに接合される。最後に、最終製造工程の全てが完了すると、ＬＥＤチップは個片化される。

本発明は、ある一定の実施形態を参照して本明細書に説明されるが、本発明は、様々な形態での実施が可能であり、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきでないことを理解されたい。具体的には、本発明は、概して蛍光体含有シリコーン被膜を備えるダウンコンバータキャッピングウエハ／層でＬＥＤウエハをキャッピングすることに関して、以下に説明されるが、キャッピングウエハは、ダウンコンバート、保護、光の抽出、または散乱のための他の材料で、被覆されてよいことを理解されたい。変換材料被膜の代わりに、キャッピング材料が、その内に混合された変換材料を含むことも可能である。本発明に係る方法は、他の半導体デバイスを異なる材料でキャッピングするために用いることも可能である。さらに、単一または複数の被膜および／または層を、キャッピングウエハ上に形成することが可能である。被膜は、１つまたは複数の蛍光体、散乱粒子、および／または他の材料を含むことが可能であり、蛍光体を含まないことも可能である。被膜は、ダウンコンバートをもたらす有機染料などの材料も含んでいてよい。複数の被膜および／または層において、その一つ一つが、他の層および／または被膜と比べて、異なる蛍光体、異なる散乱粒子、透明性、屈折率などの、異なる光学的性質、および／または、異なる物理的性質を有することが可能である。

いくつかの実施形態では、サブマウントは、約８ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有するアルミナを含むことが可能であり、一方、他の実施形態では、サブマウントは、約５ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むことが可能である。これらは両者とも、横方向に５．６ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有するＧａＮなどの、ある一定の半導体材料に対して、許容できるＣＴＥ適合を有する。これらのサブマウントのそれぞれについて、キャッピングウエハは、サブマウントのＣＴＥに実質的に適合するＣＴＥを有する透明層２８を備えていなくてはならない。一実施形態では、ＣＴＥの差異は２０％未満でなければならず、他の実施形態では、ＣＴＥの差異は３０％未満でなければならない。さらに他の実施形態では、ＣＴＥの差異は４０％未満でなければならない。一実施形態では、キャッピングウエハ２６は、ガラスの透明層２８とシリコーン被膜３０とを備えることが可能である。７．４ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有し得る、コーニング社製の０２１１ホウケイ酸ガラスなどの市販のガラスを含む、透明層２８の一実施形態で、様々なタイプを使用することが可能である。他の実施形態では、層２８は、部分的にその結晶方位次第で７〜７．７ｐｐｍ／℃となるＣＴＥを有するサファイアなど、他の材料を含むことが可能である。様々なＣＴＥを有する、多くの他の材料もまた使用可能であることを理解されたい。

いくつかの実施形態では、被膜３０は蛍光体含有シリコーンを含むことが好ましく、その蛍光体は、白色発光光源のためのダウンコンバータとしての役割を果たす。白色以外の色が望まれてもよいこと、または、ＬＥＤチップは、ＬＥＤチップから発せられた光を変換する、それ自体の変換材料を有し得ることを理解されたい。これらの実施形態では、ダウンコンバータは必ずしもキャッピングウエハになくてもよく、キャッピングウエハは、堅固な機械的支持体としての役割を主に果たす。しかし、予め形成されたキャッピングウエハ２６の白色発光光源のための要素として、ダウンコンバータを組み入れることによって、製造工程全体を簡略化することが可能である。

被膜３０におけるシリコーンは、キャッピングウエハ２６とＬＥＤチップ１０との間の接着剤としての役割を果たすことが可能である。しかし、被膜３０のない、他の実施形態も提供可能であることを理解されたい。これらの実施形態では、透明層２８は、接合を成し遂げるために、熱または圧力などの様々な工程を用いて、ＬＥＤチップ１０に直接接合することが可能である。これらの実施形態では、変換材料または蛍光体の有無に関わらず、透明層を備えることが可能であり、上記の直接接合された実施形態では、変換材料は、透明層２８の他の表面に含まれることが可能である。

キャッピングウエハ２６の一実施形態は、シリコーン／蛍光体被膜を有するガラスで好適に形成されてもよい一方、本発明によれば他の材料が適しており、両者に用いることが可能であることを理解されたい。上述された材料以外に、キャッピングウエハ２６は、単結晶蛍光体シート、焼結蛍光体、または、蛍光体粒子を充填したガラスシートを備えてもよい。さらに、キャッピングウエハの透明部は、機械的に堅固であり得て、高温での通常のダイ取付け工程に耐えることのできる、いかなる他の適当な材料も代替として備えていてよく、他の可能な材料には、ＳｉＣ、ＧａＮ、またはＺｎＯが含まれる。

被膜３０は、シリコーン以外に様々な材料を含むことも可能であり、そのような材料は、硬化後に堅固となり、可視波長スペクトルで実質的に透明であることが好ましい。適当な代替材料は、シリコーン、エポキシ、スピンオンガラス、ＢＣＢ、ポリイミド、およびポリマーであり、好適な材料は、ハイパワーＬＥＤにおけるその高い透明性と信頼性ゆえに、シリコーンである。適当なシリコーンは、ダウ（登録商標）ケミカル社から、シリコーン製品番号ＯＥ６６６５として市販されている。他の実施形態では、被覆材料は、チップ（半導体材料）および成長基板などの部品と屈折率が適合するように工学的に作り出すことが可能であり、それにより、内部全反射（ＴＩＲ）を減少させること、および光抽出を向上させることが可能となる。

様々な蛍光体が、本発明に係る被膜３０において使用可能である。本発明に係る一実施形態では、ＬＥＤは、青色波長スペクトルの光を発することが可能であり、蛍光体は、青色光の一部を吸収して黄色を再発光する。そしてＬＥＤは、青色光と黄色光の組合せである白色光を発することが可能である。一実施形態では、蛍光体は市販のＹＡＧ：Ｃｅを含むが、（Ｇｄ，Ｙ）₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ系をベースとした蛍光体からなる変換粒子を用いて、広範囲にわたる黄色スペクトルの全範囲発光が可能である。以下に挙げるのは、ＬＥＤチップにおける変換粒子として用いられる、さらなる適当な蛍光体の一部であるが、他のものを使用することも可能である。それぞれが、青色および／または紫外発光スペクトルで励起を示し、望ましいピーク発光をもたらし、効率のよい光変換を有し、そして許容可能なストークスシフトを有する。
黄色／緑色
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺
Ｂａ₂（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｓｉ₂Ｏ₇：Ｅｕ²⁺
Ｇｄ_0.46Ｓｒ_0.31Ａｌ_1.23Ｏ_xＦ_1.38：Ｅｕ²⁺ _0.06
（Ｂａ_1-x-yＳｒ_xＣａ_y）ＳｉＯ₄：Ｅｕ
Ｂａ₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺

赤色
Ｌｕ₂Ｏ₃：Ｅｕ³⁺
（Ｓｒ_2-xＬａ_x）（Ｃｅ_1-xＥｕ_x）Ｏ₄
Ｓｒ₂Ｃｅ_1-xＥｕ_xＯ₄
Ｓｒ_2-xＥｕ_xＣｅＯ₄
ＳｒＴｉＯ₃：Ｐｒ³⁺，Ｇａ³⁺
ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺
Ｓｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺
以下に限られるものではないが、ナノメートルサイズの粒子から２０〜３０ミクロンの大きさの粒子、またはそれ以上のものを含む、異なる大きさの蛍光体粒子を用いることが可能である。粒径の小さいものは、一般に、大きい粒子より良好に散乱して色を混合し、より均一な光を提供する。大きい粒子は、一般に、小さい粒子と比較して、光の変換はより効率的であるが、均一性に劣る光を発する。一実施形態では、粒径は２〜５ミクロンの範囲にある。他の実施形態では、被膜３０は、様々な種類の蛍光体を含むことが可能であり、または、単色もしくは多色光源のための複数の蛍光体被膜を備えることが可能である。被膜３０は、様々な濃度の蛍光体材料を有することも可能であり、一般的な濃度は３０〜７０重量％の範囲である。一実施形態では、蛍光体濃度は約６５重量％であり、結合剤全体に好適に均一に分散する。さらに他の実施形態では、被膜は、様々な濃度の様々な蛍光体からなる複数の層を備えることが可能であり、または、透明なシリコーンからなる下塗りを被覆した後に、蛍光体含有層を被覆することが可能である。被膜は、これに限られるものではないが、散乱粒子を含む、光を散乱または混合する要素を含むことも可能である。さらに、被膜３０および／または透明層の表面は、光抽出を高めるために、粗面化または成形することが可能である。

図３は、接着剤層３８を用いてＬＥＤチップ１０に接合された、キャッピングウエハ２６を示す。望まれる屈折率を有する、薄く透明な接着剤層３８が用いられることが好ましく、一つの可能な適当な材料はシリコーンである。しかし、硬化後に好適に堅固となり、可視波長スペクトルで実質的に透明である、他の適当な材料が使用されてもよいことを理解されたい。適当な材料には、以下に限られるものではないが、シリコーン、エポキシ、ガラス、無機ガラス、スピンオンガラス、誘電体、ＢＣＢ、ポリイミド、ポリマー、およびそれらの混成物を含む、被膜３０に使用されるものの多くが含まれる。好適な材料は、ハイパワーＬＥＤにおけるその高い透明性と信頼性ゆえに、シリコーンである。適当なフェニル系およびメチル系のシリコーンは、ダウ（登録商標）ケミカル社から市販されている。他の実施形態では、結合剤材料は、チップ（半導体材料）および成長基板などの部品と屈折率が適合するように工学的に作り出すことが可能であり、それにより、内部全反射（ＴＩＲ）を減少させること、および光抽出を向上させることが可能となる。

Claims

発光ダイオード（ＬＥＤ）チップウエハであって、
サブマウントウエハと、
前記サブマウントウエハ上にフリップチップ実装された、複数のＬＥＤと、
接着剤を用いて前記ＬＥＤチップウエハに接合されたキャッピングウエハであって、変換材料を含み、さらに前記ＬＥＤの堅固な機械的支持体としての役割を果たす堅固な機械的支持材料を含むキャッピングウエハと、
を備え、
前記ＬＥＤから発せられた光の少なくとも一部は、前記キャッピングウエハを通過し、前記キャッピングウエハでは、前記光の少なくとも一部が、前記変換材料によって変換され、
前記ＬＥＤは、個片化可能であり、
前記堅固な機械的支持材料の熱膨張率（ＣＴＥ）は、前記ＬＥＤチップウエハの前記ＬＥＤを構成する材料のＣＴＥと実質的に同じである
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項１に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記変換材料は、前記ＬＥＤチップウエハに隣接している
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項２に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記キャッピングウエハは、２〜２５ｐｐｍ／℃の範囲の熱膨張率を備える
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項１に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記堅固な機械的支持材料の熱膨張率（ＣＴＥ）は、前記サブマウントウエハを構成する材料のＣＴＥと実質的に同じである
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項１に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記堅固な機械的支持材料の熱膨張率（ＣＴＥ）には、前記ＬＥＤチップウエハの前記ＬＥＤを構成する材料および前記サブマウントウエハを構成する材料の少なくとも一方のＣＴＥと比較して、４０％未満の差異がある
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項１に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記堅固な機械的支持材料の熱膨張率（ＣＴＥ）には、前記ＬＥＤチップウエハの前記ＬＥＤを構成する材料および前記サブマウントウエハを構成する材料の少なくとも一方のＣＴＥと比較して、３０％未満の差異がある
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項１に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記キャッピングウエハと前記ＬＥＤチップウエハとが接合される前または後のいずれかに、ウエハレベルで、各ＬＥＤにおいて、前記変換材料の厚さが個別に調整されることが可能である
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項１に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記キャッピングウエハは、前記ＬＥＤの上方で均一な厚さを備える
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項１に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記ＬＥＤは、ＬＥＤアレイにおいて相互接続される
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項１に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記ＬＥＤおよび前記キャッピングウエハから白色光を発光可能である
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項１に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記堅固な機械的支持材料は、ガラス、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＮ、またはＺｎＯのうちの１つまたは複数を含む
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
請求項１に記載のＬＥＤチップウエハであって、
前記変換材料は、蛍光体粒子を分散したシリコーン層、単結晶蛍光体シート、焼結蛍光体、または、蛍光体粒子を充填したガラスシートのうちの１つまたは複数を備える
ことを特徴とするＬＥＤチップウエハ。
発光ダイオード（ＬＥＤ）チップであって、
ワイヤボンドフリーのＬＥＤと、
接着剤を用いて前記ＬＥＤに接合されたキャッピングウエハであって、前記ＬＥＤチップの機械的支持体としての役割を果たすキャッピングウエハと、
前記キャッピングウエハに一体化された変換材料であって、前記ＬＥＤから発せられた光の少なくとも一部を変換する変換材料と、
を備え、
前記キャッピングウエハは、前記ＬＥＤの熱膨張率（ＣＴＥ）と実質的に同じ熱膨張率（ＣＴＥ）を備える
ことを特徴とするＬＥＤチップ。
請求項１３に記載のＬＥＤチップであって、
前記キャッピングウエハは、前記ＬＥＤの上面を連続的に覆い、実質的に均一な厚さを備える
ことを特徴とするＬＥＤチップ。
請求項１３に記載のＬＥＤチップであって、
サブマウントをさらに備え、前記ＬＥＤは、前記サブマウント上にフリップチップ実装されている
ことを特徴とするＬＥＤチップ。
請求項１３に記載のＬＥＤチップであって、
前記キャッピングウエハは、
透明部と、
前記変換材料を含む層と、
を備え、
前記透明部は、ガラス、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＮ、またはＺｎＯのうちの１つまたは複数を含み、前記変換材料は、蛍光体粒子を分散したシリコーン層、単結晶蛍光体シート、焼結蛍光体、または、蛍光体粒子を充填したガラスシートのうちの１つまたは複数を備える
ことを特徴とするＬＥＤチップ。
発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの製造方法であって、
変換材料を含むキャッピングウエハを予め形成する工程と、
複数のＬＥＤを備える、ワイヤボンドフリーのＬＥＤウエハを製造する工程と、
接着剤を用いて、前記キャッピングウエハを前記ＬＥＤウエハに接合する工程と、
全ての最終製造工程の終了後に、前記ＬＥＤチップを個片化する工程と、
を備え、
前記キャッピングウエハは、前記複数のＬＥＤの熱膨張率（ＣＴＥ）と実質的に同じ熱膨張率（ＣＴＥ）を備える
ことを特徴とする方法。
請求項１７に記載の方法であって、
前記個片化の前に、前記ＬＥＤウエハをサブマウントウエハの表面にフリップチップ実装する工程をさらに備える
ことを特徴とする方法。
請求項１７に記載の方法であって、
前記ＬＥＤチップをサブマウントに実装する工程をさらに備え、
前記キャッピングウエハは、透明層と、前記変換材料を含む被膜と、を備え、
前記透明層は、前記サブマウントの熱膨張率（ＣＴＥ）に実質的に適合するＣＴＥを備える
ことを特徴とする方法。
請求項１７に記載の方法であって、
前記ＬＥＤチップの１つを、第２サブマウントまたはプリント回路基板（ＰＣＢ）に実装する工程をさらに備える
ことを特徴とする方法。