JP2015165534A - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、携帯電話等の液晶ディスプレイのバックライトに適した発光装置が、特許文献1に記載されている。特許文献1に記載された発光装置は、発光素子と、発光素子が電気的に接続されたリードフレームと、正面に開口を有し、リードフレームの一部を底面から突出させた樹脂からなるパッケージとから構成され、樹脂パッケージから突出したリードフレーム部で実装基板と接合される。
これにより、発光装置のサイズ(とりわけ実装基板の基板面に垂直な方向から観察したサイズ)を発光素子のチップに近いレベルまで小型化したCSP(Chip Size Package又はChip Scale Package)を実現することができる。
そして、最近ではより一層の小型化を進めるため、又は発光効率をより高めるために、サファイア等の成長基板(透光性基板)を除去、又はその厚さを薄くしたフェイスダウン型の発光装置が用いられている。
このため、例えば、特許文献2に示されるように、発光素子を形成した後に、成長基板を除去した発光装置又は成長基板の厚さを薄くした発光装置では、発光素子を支持するために電極側(実装基板と対向する側)に樹脂層を設けるとともに、この樹脂層を貫く金属ピラーを形成して、この金属ピラーにより発光素子の電極と実装基板に設けた配線(配線層)とを電気的に接続している。
そして、この金属ピラーを含む樹脂層を有することで発光装置は十分な強度を確保することができる。また、CSPは、複数個をウエハ上でまとめて形成するウエハレベルでの製造(WCSP)に適しており、小型化とともに生産性にも優れるものである。
一方、サイドビュー型の発光装置は、例えば、特許文献1に記載の発光装置のように、サイドビュー型実装が可能なように形成されたリードフレームを用いてパッケージ化することで作製することができる。この場合は、前記したように小型化に限界がある。
また、特許文献2に記載の発光装置にように、CSPとして形成する場合は、ウエハレベルで作製したCSPを個片化し、個片化の際の割断面となるCSPの側面に外部接続用の電極を形成する必要がある。そのため、個片化後の工程はウエハレベルとはならず、ウエハレベルによるCSPでサイドビュー型実装を可能とすることは難しかった。
そこで本発明は、サイドビュー型実装が可能で、実装時の電極の実装基板への接合性が良好な発光装置及びその製造方法を提供することを課題とする。
また、本発明の発光装置の製造方法によれば、隣接して配列される発光素子の電極間に金属ワイヤを接続し、境界線を跨るように金属部材を金属ワイヤと接合することで境界線上の内部配線を太く形成し、切断によって形成される樹脂層の側面に、外部と接続するための端子面として内部配線を露出させるようにするため、サイドビュー型の実装が可能な発光装置をウエハレベルで製造することができる。
なお、以下の説明において参照する図面は、本発明を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、斜視図や平面図とその断面図において、各部材のスケールや間隔が一致しない場合もある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略することとする。
[発光装置の構成]
まず、図1〜図3を参照して、本発明の実施形態に係る発光装置の構成について説明する。
本実施形態に係る発光装置100は、図1〜図3に示すように、成長基板が除去されたLED(発光ダイオード)構造を有する半導体発光素子1(以下、適宜に「発光素子」と呼ぶ)と、発光素子1の一方の面側に設けられた支持体3と、発光素子1の他方の面側に設けられた蛍光体層(波長変換層)2とから構成されるCSPである。
このため、発光装置100は、内部配線の露出面30na,30paを有する長手方向の側面を実装面とするサイドビュー型実装が可能なように構成されている。
なお、詳細は後記するが、発光装置100は、ウエハレベルで作製されるWCSP(ウエハプロセスによるCSP)である。
なお、本実施形態及び後記する他の実施形態において、発光装置100などは蛍光体層2を備えているが、CSPを構成する上で蛍光体層2は必須ではなく、設けないようにしてもよい。
また、断面図として示した図は、何れもXY平面に垂直な面(すなわち、XZ平面又はYZ平面に平行な面)による断面を示すものである。
発光素子1は、平面視で略長方形の板状の形状を有しており、一方の面側にn側電極13及びp側電極15を備えたフェイスダウン型のLEDチップである。
ここで、図4を参照して、発光素子1の一例について詳細に説明する。
図4に示した発光素子1は、n型半導体層12nとp型半導体層12pとを積層した半導体積層体12を備えている。半導体積層体12は、n側電極13及びp側電極15間に電流を通電することにより発光するようになっており、n型半導体層12nとp型半導体層12pとの間に発光層12aを備えることが好ましい。
また、発光素子1のパッド電極であるn側電極13及びp側電極15の表面を除き、半導体積層体12及び全面電極14の表面は、絶縁性を有する保護層16で被覆されている。
また、成長基板が除去された半導体積層体12の下面、すなわちn型半導体層12nの下面は粗面化により凹凸形状12cを有することが好ましい。凹凸形状12cを設けることにより、この面からの光取り出しの効率を向上させることができる。このような凹凸形状12cは、n型半導体層12nの下面をウェットエッチングすることにより形成することができる。
反射電極14aは、p型半導体層12pの上面の略全面を覆うように設けられる。また、反射電極14aの上面及び側面の全体を被覆するように、カバー電極14bが設けられている。反射電極14aは、カバー電極14b及びカバー電極14bの上面の一部に設けられたp側電極15を介して供給される電流を、p型半導体層12pの全面に均一に拡散するための導体層である。また、反射電極14aは良好な反射性を有し、発光素子1が発光する光を、光取り出し面である下方向に反射する反射膜としても機能する。ここで、反射性を有するとは、発光素子1が発光する波長の光を良好に反射することをいう。更に、反射電極14aは、蛍光体層2によって変換された後の波長の光に対しても良好な反射性を有することが好ましい。
カバー電極14bとしては、良好な導電性とバリア性とを有する金属材料を用いることができ、例えば、Al、Ti、W、Auなどを用いることができる。また、カバー電極14bは、これらの金属材料を単層で、又は積層したものが利用できる。
また、前記した衝撃吸収層を設ける場合は、n側電極13及びp側電極15と同様の材料を用いることができるが、上面に接続される金属ワイヤ32n,32pとの接合性の良好な材料を用いることが好ましい。例えば、金属ワイヤ32n,32pがAuである場合、衝撃吸収層もAuを用いることが好ましい。
また、半導体積層体12の側面部に設けられる保護層16の外側に反射層を設ける場合は、保護層16は、発光素子1が発光した波長の光に対して、良好な透光性を有することが好ましい。更に、保護層16は、蛍光体層2が波長変換した後の波長の光に対しても良好な透光性を有することが好ましい。
保護層16としては、金属酸化物や金属窒化物を用いることができ、例えば、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物又は窒化物を好適に用いることができる。
次に、図5及び図6を参照して、発光素子の他の例について詳細に説明する。
なお、図4に示した例と同一又は対応する構成については、同じ符号を付して説明は適宜省略する。
なお、図5及び図6に示した例では、n側電極13を半導体積層体12の上面及び側面の広範囲に延在するように設けたが、p側電極15を広範囲に設けるようにしてもよい。また、n側電極13及びp側電極15の両方を、広範囲に相補的に設けるようにしてもよく、例えば、図5(a)において、発光素子1Aの左半分の広範囲な領域にp側電極15を設け、右半分の広範囲な領域にn側電極13を設けるようにすることもできる。
なお、n側電極13及び/又はp側電極15を反射膜として機能させる場合は、これらの電極の少なくとも下層側(保護層16側)に、良好な反射性を有する材料を用いることが好ましい。可視光に対して良好な反射性を有する材料としては、例えば、Ag、Al又はこれらの金属を主成分とする合金を挙げることができる。
蛍光体層(波長変換層)2は、発光素子1が発光する光の一部又は全部を吸収して、発光素子1が発光する波長とは異なる波長の光に変換する波長変換層である。蛍光体層2は、波長変換材料として蛍光体の粒子を含有する樹脂層として形成することができる。また、蛍光体層2は、凹凸形状12c(図4(b)参照)が設けられた発光素子1の光取り出し面であるn型半導体層12nの下面側に設けられている。
このような樹脂材料としては、例えば、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂、フッ素樹脂若しくはこれらの樹脂を少なくとも1種以上含む樹脂、又はハイブリッド樹脂などを好適に用いることができる。
また、別途に蛍光体粒子を含有する樹脂板を作製し、当該樹脂板を半導体積層体12の下面に接着することで形成することもできる。
すなわち、n側については、金属ワイヤ32nの一端がn側電極13と電気的に接続され、金属部材33nが金属ワイヤ32nの他端の周辺に接合されて設けられている。また、金属ワイヤ32nの他端の端面及び金属部材33nの一部が、樹脂層31の長手方向の側面から露出しており、金属ワイヤ32nの露出面32na及び金属部材33nの露出面33naからなる内部配線の露出面30naは、外部と電気的に接続するための負極側の端子面となっている。
また、金属ワイヤ32pの他端の端面及び金属部材33pの一部が、樹脂層31の長手方向の側面から露出しており、金属ワイヤ32pの露出面32pa及び金属部材33pの露出面33paからなる内部配線の露出面30paは、外部と電気的に接続するための正極側の端子面となっている。
樹脂層31の樹脂材料としては、前記した蛍光体層2に用いるのと同様の樹脂材料を用いることができる。また、圧縮成型により樹脂層31を形成する場合は、原料として、例えば、粉状のエポキシ系樹脂であるEMC(エポキシ・モールド・コンパウンド)や粉状のシリコーン系樹脂であるSMC(シリコーン・モールド・コンパウンド)などを好適に用いることができる。
熱伝導部材としては、例えば、粒状のカーボンブラックやAlN(窒化アルミニウム)などを用いることができる。なお、熱伝導部材が導電性を有する材料の場合は、樹脂層31が導電性を有さない範囲の粒子密度で熱伝導部材を含有させるものとする。
なお、本実施形態では、外部と接続するための端子面となる内部配線の露出面30na,30paが、樹脂層31の側面に設けられるため、樹脂層31の厚さの上限については、特に限定されるものではない。
また、金属ワイヤ32nは、発光素子1が発生した熱を放熱するための熱伝達経路としても機能する。
なお、図1〜図3に示した例では、金属ワイヤ32nは、L字状に折れ曲がるように設けられているが、これに限定されるものではなく、例えば、円弧状に配線されてもよく、任意の経路で配線することができる。
金属ワイヤ32pもまた、発光素子1が発生した熱を放熱するための熱伝達経路としても機能する。
なお、熱伝達経路としての金属ワイヤ32n,32pの熱抵抗を低減するためには、極力短い経路で配線されることが好ましい。
なお、発光素子1のn側電極13及びp側電極15に配線可能なサイズであれば、ワイヤ径の上限は特に限定されるものではないが、ワイヤボンディングの際に、ワイヤボンダから半導体積層体12にかかる衝撃で、半導体積層体12にダメージが生じない程度、例えば、3mm程度以下とすることが好ましく、1mm程度以下とすることが更に好ましい。
また、安価に、より太いワイヤを利用するために、Cu、Al又はこれらを主成分とする合金からなるワイヤを好適に用いることができる。
また、ワイヤの形状は特に限定されず、円形の断面形状を有するワイヤの他に、楕円形や長方形などの断面形状を有するリボン状のワイヤを用いるようにしてもよい。
例えば、図10(a)において上側に示した発光素子1については、金属ワイヤ32n,32pは、ボールボンディングにより、それぞれn側電極13及びp側電極15と接合されている。また、図10(a)において下側に示した発光素子1については、金属ワイヤ32n,32pは、ウェッジボンディングにより、それぞれn側電極13及びp側電極15と接合されている。
金属部材33nとしては、金属ワイヤ32nと接合性がよい材料を用いることが好ましく、金属ワイヤ32nと同質の材料を用いることがより好ましい。
また、ワイヤバンプとして形成されるものに限定されず、例えば、前記した種々の形状の金属部材33nを形成し、半田などの導電性の接着材料を用いて金属ワイヤ32nと接合するようにしてもよい。
なお、金属部材33pの形状、材質、形成方法などは、金属部材33nと同様であるから、説明は省略する。
当該金属膜を外部と接続するための端子面とすることにより、金属膜の厚さ分だけ端子の表面積が増加するため、半田などの接合材料を介した実装時の接合面積が増加する。その結果として、発光装置100と実装基板との電極の接合性を高めることができる。
次に、図1〜図4を参照して、発光装置100の動作について説明する。なお、説明の便宜上、発光素子1は青色光を発光し、蛍光体層2は黄色光を発光するものとして説明する。
なお、発光素子1内を上方向に伝播する光は、反射電極14aによって下方向に反射され、発光素子1の下面から出射する。
そして、発光装置100の外部に取り出された黄色光及び青色光が混色することにより、白色光が生成される。
次に、図7を参照して、図1〜図3に示した発光装置100の製造方法について説明する。
図7に示すように、発光装置100の製造方法は、発光素子準備工程(ウエハ準備工程)S101と、レジスト形成工程S102と、ワイヤ接続工程S103と、金属部材接合工程S104と、レジスト除去工程S105と、樹脂層形成工程S106と、成長基板除去工程S107と、蛍光体層形成工程(波長変換層形成工程)S108と、個片化工程(切断工程)S109と、を含み、この順で各工程が行われる。
半導体積層体12が形成されると、半導体積層体12の上面の一部の領域について、p型半導体層12p、発光層12a及びn型半導体層12nの一部をエッチングにより除去してn型半導体層12nが底面に露出した段差部12bを形成する。
更に、境界領域については、成長基板11が露出するように、半導体積層体12をすべて除去するようにしてもよい。これによって、個片化工程S109において、半導体積層体12をダイシングする必要がなくなるため、樹脂からなる層のみのダイシングにより個片化を容易に行うことができる。なお、図8に示した例では、発光素子1の境界領域(図8において、太い破線で示した境界線40の近傍領域)の半導体積層体12は完全に除去されている。
更に、n側電極13及びp側電極15の表面を除くウエハの表面全体に、例えば、スパッタリングにより、SiO2などの絶縁性材料を用いて、保護層16を形成する。
以上により、図8に示すように、ウエハ状態の発光素子1が形成される。
また、金属ワイヤ32n,32pに金属部材33n,33pを接合する際の台としての強度、耐熱性などを考慮して、レジストパターン61として用いる樹脂材料としては当該分野で用いられる材料から適宜に選択することができ、例えば、ポリイミド、アクリル、エポキシなどを好適に用いることができる。また、レジストパターン61の幅は、金属部材33n,33pの幅以上とすることが好ましく、例えば、30〜500μm程度、好ましくは50〜300μm程度とすることができる。これによって、金属部材33n,33pを金属ワイヤ32n,32pに十分に押し付けることができ、更に超音波を印加して、金属ワイヤ32n,32pと金属部材33n,33pとを良好に接合させることができる。
例えば、図9(a)において、横方向(X軸方向)に延伸する3本のレジストパターン61の内で、上下の2本を形成せず、金属部材33n,33pの接合の際に台として用いられる中央の1本のみを形成するようにしてもよい。
また、金属ワイヤ32n,32pは、境界線40上でレジストパターン61の上面と接するように配線することができる。これによって、次工程である金属部材接合工程S104において、金属部材33n,33pを金属ワイヤ32n,32pに接合する際に、金属ワイヤ32n,32pの位置が動かないため、安定した位置精度で両者を接合することができる。
本例では、ワイヤボンダを用いて金属ワイヤをボールボンディングする際に形成されるワイヤバンプを金属部材33n,33pとして用い、レジストパターン61を台として金属ワイヤ32n,32pに金属部材33n,33pを押し付け、超音波を印加することにより接合させるものである。すなわち、金属材料33n,33pは、金属ワイヤ32n,32pに、好ましくは金属ワイヤ32n,32pと同じ材質の金属ワイヤをボールボンディングすることによって形成されるワイヤバンプである。このため、接合後の金属部材33n,33pは、平面視で円形をしている。また、金属部材33n,33pの下部が金属ワイヤ32n,32pと融合するように接合されている。
なお、図11において、金属部材33n,33pの上部に設けられた突起部は、原材料である金属ワイヤの、金属部材33n,33pを接合した後に切断された端部を示している。
なお、レジスト除去工程S105は必須の工程ではなく、この工程を省略して、レジストパターン61を樹脂層31の一部として発光装置100に残すようにしてもよい。
樹脂層31は、金型を用いた成型法や、スプレー法やキャスト法などの塗布法、ポッティング法などにより形成することができる。また、樹脂層31を形成した後で、樹脂層31が所定の厚さとなるように、上面を切削するようにしてもよい。
なお、成長基板除去工程S107を行わずに、成長基板11を有するように発光装置100を製造してもよい。また、その際に、成長基板11を裏面研磨することで薄肉化するようにしてもよい。
なお、剥離した成長基板11は、表面を研磨することで、半導体積層体12を結晶成長させるための成長基板11として再利用することができる。
また、発光素子準備工程S101において、発光素子1の境界領域の半導体積層体12を完全に除去しておいた場合は、半導体積層体12は、樹脂からなる層である蛍光体層2及び樹脂層31により全面が樹脂封止されることになる。
以上の工程により、発光装置100が形成される。
更にまた、スパッタリング法などを用いて、露出面30na,30paだけでなく、樹脂層31の表面にまで延在するように外部接続用電極として金属膜を形成するようにしてもよい。
まず、ウエハの上面側からハーフダイシングして、金属ワイヤ32n,32p及び金属部材33n,33pを樹脂層31の側面に露出させるようにする。次に、例えば、無電解メッキ法によって、露出面30na,30paを被覆するように、金属膜を形成する。そして、ウエハの下面側から、蛍光体層2及び樹脂層31をダイシングすることにより、厚さ方向について完全に切断する。これによって、ウエハレベルで金属膜を形成することができる。
次に、図17を参照して、本発明の実施形態の変形例に係る発光装置について説明する。
ここで、図17は、p側の配線構造を示す断面図であり、発光装置100についての平面図である図2(a)のB−B線に相当する位置の断面図である。なお、n側の配線構造を示す図2(a)のC−C線に相当する位置の断面は、p側電極15、金属ワイヤ32p及び金属部材32pに代えて、それぞれn側電極13、金属ワイヤ32n及び金属部材33nを備えることが異なるが、同様の形状を有するため図示は省略する。
従って、本変形例に係る発光装置100Aは、長手方向の両方の側面に内部配線の露出面30paを有しており、長手方向の側面の何れを実装面としても、サイドビュー型の実装をすることができる。なお、前記したように、n側の配線構造も同様である。
また、他の構成要素については、図1〜図3に示した発光装置100と同様であるから、同じ符号を付して説明は省略する。
まず、発光装置準備工程S101及びレジスト形成工程S102を、それぞれ前記した発光装置100の製造方法の対応する工程と同様に行う。
ここで、図18(a)は、図8(a)のB−B線に相当する位置における断面図である。なお、n側の配線構造を示す図8(a)のC−C線に相当する位置の断面図については、p側の配線構造と同様であるから図示は省略する。後記する金属部材接合工程S104についても同様に、n側の配線構造については図示を省略する。
また、図18(a)及び図18(b)には、Y軸方向に3個の発光素子1が配列されている様子を示しているが、左右の方向にそれぞれ更に多数の発光素子1が配列されているものとする。
これに対して、本変形例におけるワイヤ接続工程S103では、図18(a)に示すように、Y軸方向に隣接する発光素子1のすべてのp側電極15間に金属ワイヤ32pを接続する。従って、1個のp側電極15には、左側に隣接する発光素子1のp側電極15と接続する金属ワイヤ32pと、右側に隣接する発光素子1のp側電極15と接続する金属ワイヤ32pとの2本の金属ワイヤ32pが接続される。
なお、n側電極13についても同様にして、1電極当たり2本の金属ワイヤ32nを接続する。
同様にして、すべての金属ワイヤ32nについても、金属部材33nを接合する。
11 成長基板
12 半導体積層体
12n n型半導体層
12a 発光層
12p p型半導体層
12b 段差部
12c 凹凸形状
13 n側電極(電極)
13a 接合部
14 全面電極
14a 反射電極
14b カバー電極
15 p側電極(電極)
16 保護層
2 蛍光体層(波長変換層)
3 支持体
30na,30pa 露出面
31 樹脂層
32 金属ワイヤ
32n,32p 金属ワイヤ(内部配線)
32na,32pa 露出面
33 金属部材
33n,33p 金属部材
33na,33pa 露出面
40 境界線
41 切断領域
61 レジストパターン(レジスト膜)
100,100A 発光装置
Claims (8)
- 半導体積層体と、前記半導体積層体の一方の面に設けられる電極と、を有する半導体発光素子と、
前記半導体積層体の前記一方の面側に設けられる樹脂層と、を備え、
前記樹脂層内に、一端が前記電極と接続され、他端が前記樹脂層の側面から露出するように設けられた金属ワイヤと、
前記樹脂層内で前記金属ワイヤの他端周辺に接合され、一部が前記金属ワイヤとともに前記樹脂層の側面から露出するように設けられた金属部材と、を備える発光装置。 - 前記金属部材は、前記金属ワイヤと同じ材質からなることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記金属ワイヤ及び前記金属部材は、Au又はAuを主成分とする合金からなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の発光装置。
- 半導体積層体と前記半導体積層体の一方の面に設けられる電極とを有する半導体発光素子を備える発光装置の製造方法であって、
複数の前記半導体発光素子が配列して形成されたウエハを準備するウエハ準備工程と、
前記半導体積層体の一方の面側に、前記ウエハにおいて隣接して配列された半導体発光素子との境界線上を被覆するようにレジスト膜を形成するレジスト形成工程と、
前記隣接して配列された半導体発光素子の電極間を、前記レジスト膜を跨ぐように金属ワイヤで接続するワイヤ接続工程と、
前記レジスト膜上において、前記境界線を跨ぐように、前記金属ワイヤに金属部材を接合する金属部材接合工程と、
前記半導体積層体の一方の面側に前記金属ワイヤ及び前記金属部材が内在するように樹脂層を形成する樹脂層形成工程と、
前記樹脂層に内在する前記金属ワイヤ及び前記金属部材を、前記境界線に沿って切断する切断工程と、をこの順で含むことを特徴とする発光装置の製造方法。 - 前記金属部材接合工程において、前記金属部材は、前記金属ワイヤと同じ材質で形成されることを特徴とする請求項4に記載の発光装置の製造方法。
- 前記金属部材接合工程において、前記金属部材は、前記金属ワイヤにボールボンディングすることで形成されるワイヤバンプであることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の発光装置の製造方法。
- 前記レジスト形成工程において、前記レジスト膜の幅は、前記金属部材の幅よりも広いことを特徴とする請求項6に記載の発光装置の製造方法。
- 前記金属ワイヤ及び前記金属部材は、Au又はAuを主成分とする合金からなることを特徴とする請求項4乃至請求項7の何れか一項に記載の発光装置の製造方法。
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