JP2014192371A - 発光装置、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子から基板へ、かつ基板の表面から裏面へ効果的に熱を逃がすことができる、放熱性に優れた発光装置、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様に係る発光装置１０の製造方法は、非導電性材料からなる基板１１に複数の貫通孔３１を形成する工程と、複数の貫通孔３１を埋め、かつ、基板１１の第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂを覆う導電部材１２を形成する工程と、少なくとも第１の主面１１ａを露出させないように、導電部材１２の第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂを覆う部分に平坦化処理を施す工程と、導電部材１２を基板１１の面内方向に分離する工程と、導電部材１２の分離された異なる部分１２ａ、１２ｂにｎ側電極２３ａとｐ側電極２３ｂがそれぞれ電気的に接続されるように、ｎ側電極２３ａとｐ側電極２３ｂを有する発光素子２０を第１の主面１１ａ側の基板１１上に搭載する工程と、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光装置、及びその製造方法に関する。

従来の発光装置として、ＡｌＮ基板上に発光セルを搭載したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。ＡｌＮは熱伝導率が高いため、ＡｌＮ基板を用いることにより、発光装置の放熱特性を向上させることができる。

従来の他の発光装置として、貫通配線を設けたＳｉ基板上に発光素子を搭載したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。この発光素子は貫通電極に電気的に接続され、貫通電極を介してＳｉ基板の背面の電極に接続される。

特開２０１２−１２９５４６号公報 特開２００６−１３５２７６号公報

ＡｌＮは高い熱伝導率を有するが、熱伝導率を向上させるためには結晶粒径を大きくする必要がある。ＡｌＮの結晶粒径が大きくなるほど、ＡｌＮ基板の研磨工程やダイシング工程において基板表面からＡｌＮの結晶粒子が脱落し易くなり、表面の平滑度が低下する。基板表面の平滑度が低いと、基板上に発光素子等の部材を形成する際に問題が生じる場合がある。

例えば、基板表面上に形成される電極膜の平滑度も低くなるため、そこに発光素子をはんだ接続する場合に、はんだ中のボイド発生率が高くなる。このため、ＡｌＮ基板上に発光素子をはんだ接続する場合、ＡｌＮ基板の熱伝導率は高いものの、はんだ中のボイドにより発光素子からＡｌＮ基板へ熱が伝わりにくくなるため、装置の放熱特性が低くなるおそれがある。

本発明の目的の一つは、発光素子から基板へ、かつ基板の表面から裏面へ効果的に熱を逃がすことができる、放熱性に優れた発光装置、及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［５］の発光装置の製造方法を提供する。

［１］非導電性材料からなる基板に複数の貫通孔を形成する工程と、前記複数の貫通孔を埋め、かつ、前記基板の第１の主面及び第２の主面を覆う導電部材を形成する工程と、少なくとも前記第１の主面を露出させないように、前記導電部材の前記第１の主面及び前記第２の主面を覆う部分に平坦化処理を施す工程と、前記導電部材を前記基板の面内方向に分離する工程と、前記導電部材の分離された異なる部分にｎ側電極とｐ側電極がそれぞれ電気的に接続されるように、前記ｎ側電極と前記ｐ側電極を有する発光素子を前記第１の主面側の前記基板上に搭載する工程と、を含む発光装置の製造方法。

［２］前記発光素子は、前記基板上にはんだ接続される、前記［１］に記載の発光装置の製造方法。

［３］前記導電部材の前記複数の貫通孔内の部分の前記基板中の体積占有率が１３％以上である、前記［１］又は［２］に記載の発光装置の製造方法。

［４］前記基板はＳｉ基板である、前記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。

［５］複数の前記発光素子を前記基板上に搭載する、前記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。

また、本発明の他の態様は、上記目的を達成するために、下記［６］の発光装置を提供する。

［６］前記［１］〜［５］のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法により製造された、発光装置。

本発明によれば、発光素子から基板へ、かつ基板の表面から裏面へ効果的に熱を逃がすことができる、放熱性に優れた発光装置、及びその製造方法を提供することができる。

図１は、第１の実施の形態に係る発光装置の垂直断面図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施の形態に係る導電部材の製造工程を示す拡大された垂直断面図である。 図３（ｅ）〜（ｇ）は、第１の実施の形態に係る導電部材の製造工程を示す拡大された垂直断面図である。 図４（ａ）は、第１の実施の形態に係る発光装置の放熱経路を模式的に表す。図４（ｂ）は、比較例に係る発光装置の放熱経路を模式的に表す。 図５（ａ）は、第１の実施の形態に係る発光装置の拡大図である。図５（ｂ）は、比較例に係る発光装置の拡大図である。 図６は、導電部材の孔内部の基板中の体積占有率と基板の過渡熱抵抗との関係を表すグラフである。 図７（ａ）は、第１の実施の形態に係る発光装置の動作時の温度分布を表すグラフである。図７（ｂ）は、比較例に係る発光装置の動作時の温度分布を表すグラフである。 図８は、第１の実施の形態に係る発光装置及び比較例に係る発光装置の温度分布の測定位置を示すための発光装置の模式的な上面図である。 図９は、第２の実施の形態に係る発光装置の垂直断面図である。

〔第１の実施の形態〕
（発光装置の構成）
図１は、第１の実施の形態に係る発光装置１０の垂直断面図である。発光装置１０は、複数の貫通孔を有する基板１１と、基板１１の複数の貫通孔内及び表面上に形成された導電部材１２ａ、１２ｂと、基板１１の一方の面側（図１の上側）の導電部材１２ａ、１２ｂ上にそれぞれ形成される電極膜１３ａ、１３ｂと、電極膜１３ａ、１３ｂに電気的に接続されるように基板１１上に搭載される発光素子２０と、を有する。

基板１１は、Ｓｉ、ＡｌＮ等の非導電性材料からなる。基板１１中の複数の貫通孔は、例えば、円柱状、又は多角柱状の孔である。

導電部材１２ａ、１２ｂは、Ｃｕ等の導電性材料からなる。導電部材１２ａ、１２ｂは、基板１１の複数の貫通孔を埋める孔内部１２ｖと、基板１１の表面及び裏面を覆う表面部１２ｓを含む。表面部１２ｓの表面はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等の平坦化処理により平坦化されている。なお、表面部１２ｓは、少なくとも基板１１の発光素子２０側の主面上に形成されていればよい。

電極膜１３ａ、１３ｂは、Ａｕ、Ａｇ等の導電性材料からなる。電極膜１３ａ、１３ｂは、それぞれ導電部材１２ａ、１２ｂに電気的に接続される。電極膜１３ａ、１３ｂは薄膜であり、導電部材１２ａ、１２ｂの表面部１２ｓよりも薄い。なお、発光装置１０は電極膜１３ａ、１３ｂを有さず、導電部材１２ａ、１２ｂを電極として用いてもよい。

発光素子２０は、例えば、図１に示されるようなフリップチップ型のＬＥＤチップである。発光素子２０は、素子基板２１と、発光層及びそれを挟むクラッド層を含む結晶層２２と、結晶層２２に接続されるｎ側電極２３ａとｐ側電極２３ｂを有する。

発光素子２０のｎ側電極２３ａとｐ側電極２３ｂは、はんだバンプ等のはんだ層１４を介して電極膜１３ａ、１３ｂにそれぞれ接続される。発光装置１０が電極膜１３ａ、１３ｂを有さない場合は、ｎ側電極２３ａとｐ側電極２３ｂは、導電部材１２ａ、１２ｂの表面部１２ｓに接続される。

（発光装置の製造）
以下に、本実施の形態に係る発光装置１０の製造工程の一例を説明する。

図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ｅ）〜（ｇ）は、第１の実施の形態に係る導電部材１２ａ、１２ｂの製造工程を示す拡大された垂直断面図である。

まず、図２（ａ）に示されるように、熱酸化処理等により、Ｓｉ基板である基板１１の両側の主面上にシリコン酸化膜３０を形成する。ここで、基板１１の両側の主面のうち、発光素子２０を搭載する側の面を第１の主面１１ａとし、その反対側の主面を第２の主面１１ｂとする。

次に、図２（ｂ）に示されるように、フォトリソグラフィにより形成されるマスクを用いたドライエッチングにより、基板１１及びシリコン酸化膜３０に複数の貫通孔３１を形成する。この工程で行われるドライエッチングは、例えば、深堀ＲＩＥ（Deep-Reactive Ion Etching）である。

次に、図２（ｃ）に示されるように、熱酸化処理等により、貫通孔３１の内面及びシリコン酸化膜３０の表面にシリコン酸化膜３２を形成する。シリコン酸化膜３２の厚さは、例えば１μｍ程度であり、シリコン酸化膜３２により導電部材１２ａ、１２ｂの孔内部１２ｖと基板１１との絶縁が確保される。

次に、図２（ｄ）に示されるように、スパッタリングにより、シリコン酸化膜３２上にＴｉＮ、ＳｉＮ等からなるバリア層３３を形成する。

次に、図３（ｅ）に示されるように、スパッタリングにより、バリア層３３上に無電解銅等からなる電極用シード層３４を形成する。

次に、図３（ｆ）に示されるように、電解めっきにより、電極用シード層３４上にＣｕをめっきし、導電部材１２を形成する。導電部材１２は、複数の貫通孔３１を埋め、かつ、基板１１の第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂを覆うように形成される。

次に、図３（ｇ）に示されるように、少なくとも基板１１の第１の主面１１ａを露出させないように、すなわち、少なくとも第１の主面１１ａ上に表面部１２ｓを形成するように、導電部材１２の基板１１の第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂを覆う部分にＣＭＰ等の平坦化処理を施す。

その後、フォトリソグラフィにより形成されるマスクを用いたドライエッチングにより、導電部材１２の基板１１の第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂを覆う部分にエッチングを施し、導電部材１２を基板１１の面内方向に分離し、導電部材１２ａと導電部材１２ｂを形成する。

そして、導電部材１２ａ、１２ｂにｎ側電極２３ａとｐ側電極２３ｂがそれぞれ電気的に接続されるように、発光素子２０を基板１１上に搭載する。

なお、上述のシリコン酸化膜３０、シリコン酸化膜３２、バリア層３３、及び電極用シード層３４の図１における図示は省略している。

（発光装置の放熱特性）
以下に、本実施の形態の発光装置の放熱特性について、比較例を用いて説明する。

図４（ａ）は、第１の実施の形態に係る発光装置１０の放熱経路を模式的に表す。図４（ｂ）は、比較例に係る発光装置１００の放熱経路を模式的に表す。図４（ａ）、（ｂ）において、導電部材中を通る矢印は発光素子２０で発生した熱の主な放熱経路を表す。

図４（ｂ）に示される比較例に係る発光装置１００は、導電部材１０１が表面部１２ｓに対応する部分を含まず、孔内部１２ｖに対応する貫通孔内の部分のみで構成される点において、第１の実施の形態に係る発光装置１０と異なる。

発光装置１００では、複数の導電部材１０１が分離して基板１１中に形成されており、基板１１を隔てて隣接する導電部材１０１間の熱の移動が少ない。このため、発光素子２０直下の導電部材１０１のみが、発光素子２０で発生した熱の主な放熱経路として機能する。なお、膜厚の薄い電極膜１３ａ、１３ｂは、放熱経路としてはほとんど機能しない。

一方、発光装置１０においては、導電部材１２ａ、１２ｂの表面部１２ｓが放熱経路として機能するため、発光素子２０で発生した熱が表面部１２ｓを通って広範囲の孔内部１２ｖへ伝わり、放熱される。すなわち、発光装置１０は、導電部材１２ａ、１２ｂが表面部１２ｓを有するため、導電部材１２ａ、１２ｂの広範囲の領域が放熱経路として機能する。このため、第１の実施の形態に係る発光装置１０は、比較例に係る発光装置１００よりも放熱特性に優れる。なお、導電部材１２ａ、１２ｂの表面部１２ｓが少なくとも基板１１の第１の主面１１ａ側に存在すれば、優れた放熱特性が得られる。

図５（ａ）は、第１の実施の形態に係る発光装置１０の拡大図である。図５（ｂ）は、比較例に係る発光装置２００の拡大図である。図５（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示される発光装置１０、２００は、ＡｌＮ基板等の表面に比較的大きな凹凸を有する基板を基板１１として有する。

図５（ｂ）に示される比較例に係る発光装置２００は、導電部材１２ａ、１２ｂを有さない点において、第１の実施の形態に係る発光装置１０と異なる。

発光装置２００では、基板１１の凹凸を有する表面上に電極膜１３ａ、１３ｂを直接形成するため、電極膜１３ａ、１３ｂにも凹凸が形成される。そして、凹凸を有する電極膜１３ａ、１３ｂ上に形成されるはんだ層１４中にはボイドが発生し易い。はんだ層１４はボイドを含むと熱伝導性が低下するため、発光素子２０で発生した熱が基板１１側へ逃げ難くなる。このため、基板１１の熱伝導率が高い場合であっても、はんだ層１４中のボイドにより、発光装置２００の放熱特性が低下する。

一方、発光装置１０においては、導電部材１２ａ、１２ｂの平坦化された表面部１２ｓ上に電極膜１３ａ、１３ｂが形成されるため、基板１１の表面に凹凸が存在する場合であっても、電極膜１３ａ、１３ｂは平坦に形成される。このため、はんだ層１４中におけるボイドの発生を抑え、発光素子２０で発生した熱を効率よく基板１１側へ逃がすことができる。このように、発光素子２０が表面に凹凸を有する基板１１上にはんだ接続される場合には、放熱特性を向上させるために導電部材１２ａ、１２ｂの存在がより重要になる。なお、導電部材１２ａ、１２ｂの表面部１２ｓは、少なくとも基板１１の第１の主面１１ａ側に存在すれば、はんだ層１４中におけるボイドの発生を抑えることができる。

図６は、導電部材１２ａ、１２ｂの孔内部１２ｖの基板１１中の体積占有率（以下、「体積占有率」と表す）と基板１１の過渡熱抵抗との関係を表すグラフである。ここで、基板１１に単発パルスを加えた時に発生する熱を印加した電力で割った物が熱抵抗値であり、この熱抵抗値をパルス時間単位で表したものが過渡熱抵抗である。

図６には、体積占有率が０％、７．０７％、１４．４％、１９．６％であるときの過渡熱抵抗率の測定値がそれぞれマーク“◇”でプロットされている。また、マーク“◆”は、各体積占有率における“◇”の平均値を表し、点線は、体積占有率７．０７％、１４．４％、１９．６％における“◆”の座標から導かれた近似直線である。

この過渡熱抵抗率を測定した発光装置１０の基板１１はＳｉ基板であり、導電部材１２ａ、１２ｂはＣｕからなる。なお、体積占有率１９．６％は、製造工程上のほぼ上限値であり、これ以上の体積占有率で孔内部１２ｖを形成することは困難である。

また、図６の右端には、比較例に係る発光装置の過渡熱抵抗率の測定値がマーク“○”でプロットされている。また、マーク“●”は、“○”の平均値を表す。この比較例に係る発光装置は、ＡｌＮ基板を有し、導電部材１２ａ、１２ｂを有さず、図５（ｂ）に示される発光装置２００と同じ構造を有する。

なお、この過渡熱抵抗率を測定した発光装置１０の基板１１の面積と、比較例に係る発光装置のＡｌＮ基板の面積は同じである。

図６は、発光装置１０の体積占有率が増加するほど過渡熱抵抗率が低下し、体積占有率がおよそ１３％以上であるときに、過渡熱抵抗率の平均値が比較例に係る発光素子の過渡熱抵抗率の平均値以下になることを示している。すなわち、孔内部１２ｖの基板１１中の体積占有率を１３％以上にすることにより、導電部材１２ａ、１２ｂを備えた基板１１の過渡熱抵抗率が、熱伝導率の高いＡｌＮ基板の過渡熱抵抗率以下になることを示している。

図７（ａ）は、第１の実施の形態に係る発光装置１０の動作時の温度分布を表すグラフである。図７（ｂ）は、比較例に係る発光装置の動作時の温度分布を表すグラフである。

図８は、第１の実施の形態に係る発光装置１０及び比較例に係る発光装置の温度分布の測定位置を示すための発光装置の模式的な上面図である。図７（ａ）、（ｂ）の測定値は、図８中の矢印で表される直線上の温度分布を測定して得られたものである。なお、図８においては、導電部材１２ａ、１２ｂの図示が省略されている。

ここで、温度分布を測定した発光装置１０の基板１１は、一辺の長さが３．５ｍｍの正方形のＳｉ基板である。また、導電部材１２ａ、１２ｂは、Ｃｕからなり、孔内部１２ｖの基板１１中の体積占有率が１９．６％である。

比較例に係る発光装置は、図５（ｂ）に示される発光装置２００と同じ構造を有し、基板１１として一辺の長さが３．５ｍｍの正方形のＡｌＮ基板を有する。なお、導電部材１２ａ、１２ｂは有さない。

発光装置１０、比較例に係る発光装置は、いずれも一辺の長さが１ｍｍの正方形の同じＬＥＤチップを発光素子２０として有する。また、発光装置１０、比較例に係る発光装置は、いずれも表面に電極を有するＡｌ基板３５上に設置され、Ａｌ基板３５の電極を介して発光素子２０へ電源が供給される。

図７（ａ）、（ｂ）、図８のＡ、Ｂは、温度分布の測定領域である直線上の発光素子１０の両端の位置を表し、Ｃ、Ｄは、基板１１の両端の位置を表す。

図７（ａ）、（ｂ）は、発光装置１０の温度が、比較例に係る発光装置の温度よりも、全体的に低いことを示している。このことは、発光装置１０が、熱伝導率の高いＡｌＮ基板を有する発光装置と同等、又はより優れた放熱特性を有することを示している。

また、図７（ａ）、（ｂ）に示される温度Ｔは、点Ｃ、Ｄにおける温度と点Ａ、Ｂにおける温度の中間の温度である。複数の発光素子２０を並べて設置する場合に、隣接する発光素子２０の温度分布曲線の温度Ｔより高い部分が重なり合うと、重ね合わされた温度が発光素子２０のジャンクション温度を超える。このため、点Ａの位置と温度がＴである位置との距離（点Ｂの位置と温度がＴである位置との距離）を、隣接する発光素子２０の間隔の最小値に設定することが求められる。

このことから、発光装置１０において複数の発光素子２０を搭載する場合の間隔の最小値は０．３ｍｍと設定され、比較例に係る発光装置において複数の発光素子２０を搭載する場合の間隔の最小値は０．１ｍｍと設定される。そして、ここから、発光装置１０における発光素子２０の間隔の、発光素子２０の幅に対する比の最小値を０．３と設定し、比較例に係る発光装置における発光素子２０の間隔の、発光素子２０の幅に対する比の最小値を０．１と設定することができる。

上記のように、発光装置１０において複数の発光素子２０を搭載する場合の間隔の最小値は、熱伝導率の高いＡｌＮ基板を有する発光装置のものとの差が小さい。この結果は、発光装置１０に複数の発光素子２０を十分高密度に配置できることを示している。

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、基板１１上に複数の発光素子２０を搭載する形態である。第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。

図９は、第２の実施の形態に係る発光装置３００の垂直断面図である。発光装置３００は、複数の貫通孔を有する基板１１と、基板１１の複数の貫通孔内及び表面上に形成された導電部材１２ｃ、１２ｄ、１２ｅと、基板１１の一方の面側（図１の上側）の導電部材１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ上にそれぞれ形成される電極膜１３ｃ、１３ｄ、１３ｅと、電極膜１３ｃ、１３ｄに電気的に接続されるように基板１１上に搭載される発光素子２０ａと、電極膜１３ｄ、１３ｅに電気的に接続されるように基板１１上に搭載される発光素子２０ｂと、を有する。

発光素子２０ａと発光素子２０ｂの間隔Ｄは、例えば、導電部材１２ｃ、１２ｄ、１２ｅの孔内部１２ｖの基板１１中の体積占有率が１９．６％である場合には、間隔Ｄの発光素子２０ａ、２０ｂの幅に対する比の最小値が０．３となるように設定される。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、表面部１２ｓ及び孔内部１２ｖを有する導電部材を設けることにより、発光装置の放熱特性を大きく向上させることができる。また、発光装置が優れた放熱特性を有するため、複数の発光素子を十分高密度に配置することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１０、３００ 発光装置
１１ 基板
１１ａ 第１の主面
１１ｂ 第２の主面
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ 導電部材
１２ｓ 表面部
１２ｖ 孔内部
１４ はんだ層
２０、２０ａ、２０ｂ 発光素子
２３ａ ｎ側電極
２３ｂ ｐ側電極
３１ 貫通孔

Claims (6)

1. 非導電性材料からなる基板に複数の貫通孔を形成する工程と、
   前記複数の貫通孔を埋め、かつ、前記基板の第１の主面及び第２の主面を覆う導電部材を形成する工程と、
   少なくとも前記第１の主面を露出させないように、前記導電部材の前記第１の主面及び前記第２の主面を覆う部分に平坦化処理を施す工程と、
   前記導電部材を前記基板の面内方向に分離する工程と、
   前記導電部材の分離された異なる部分にｎ側電極とｐ側電極がそれぞれ電気的に接続されるように、前記ｎ側電極と前記ｐ側電極を有する発光素子を前記第１の主面側の前記基板上に搭載する工程と、
   を含む発光装置の製造方法。
2. 前記発光素子は、前記基板上にはんだ接続される、
   請求項１に記載の発光装置の製造方法。
3. 前記導電部材の前記複数の貫通孔内の部分の前記基板中の体積占有率が１３％以上である、
   請求項１又は２に記載の発光装置の製造方法。
4. 前記基板はＳｉ基板である、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
5. 複数の前記発光素子を前記基板上に搭載する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法により製造された、発光装置。

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