JP2017041579A - 発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本開示に係る実施形態は、小型の発光装置を製造可能な発光装置の製造方法を提供することを課題とする。
なお、以下の説明において参照する図面は、実施形態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、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、第1実施形態に係る発光装置の構成について、図1A〜図1Cを参照して説明する。
第1実施形態に係る発光装置100は、半導体発光素子1(以下、適宜「発光素子」と呼ぶ)と、遮光性部材2と、封止部材3と、実装基板(サブマウント)4と、を備えて構成されている。
実装基板4の上面には、当該上面側に開口する凹部2aを有する遮光性部材2が設けられている。凹部2a内には、半田などの導電性の接合部材43を用いて、発光素子1がフリップチップ型で実装されている。また、凹部2a内には透光性を有する封止部材3が設けられ、発光素子1の上面及び側面が被覆されている。発光素子1が発した光は、封止部材3を通って、遮光性部材2の凹部2aの開口から外部に取り出されるように構成されている。
発光素子1は、平面視で横長の長方形である略直方体形状を有する。n側電極13及びp側電極15が一方の面側に設けられ、サブマウントである実装基板4の配線電極42n,42pと、導電性の接合部材43を介して接合されるフリップチップ型の実装に適した構成を有するLEDチップである。
発光素子1は、実装基板4の上面を底面とし、遮光性部材2を側壁とするキャビティである凹部2a内に実装されている。また、発光素子1は、凹部2a内に設けられた封止部材3によって、封止されている。
また、発光素子1は、電極形成面側に樹脂などの支持層を設け、更にn側電極13及びp側電極15上に金属バンプやポスト電極などの外部接続用の金属端子を設けた、CSP(Chip Size Package又はChip Scale Package)型の発光素子1であってもよい。その際に、発光素子1の電極形成面側に設ける支持層として、光反射性物質を含有した樹脂部材を設けることが好ましい。これによって、電極形成面側からの漏れ光を、反対の面側に反射させて、発光素子1からの光取り出し効率を向上させることができる。
また、発光素子1は、基板11を有さない構成であってもよい。
遮光性部材2は、実装基板4の上面に設けられ、発光素子1を実装するための、凹部2aを有している。凹部2aは、上面側に開口を有し、発光素子1の外形よりも広く形成されている。このため、発光素子1は、凹部2a内に設けられた封止部材3によって、上面だけでなく側面も被覆されるように構成されている。
遮光性部材2は、光を透過せずに遮光する部材であり、光を反射することで遮光する光反射性材料、又は、光を吸収することで遮光する光吸収性材料を用いることができる。
また、遮光性部材2に光吸収性材料を用いる場合は、遮光性部材2は、発光素子1の側面から出射して遮光性部材2に入射する光を吸収する。このため、発光装置100の上面のみから光を出射させることができる。
導光板を用いた端面入光型バックライト装置に発光装置を用いる場合には、発光装置100の正面輝度が高くなるため、導光板の端面からの入光効率が高くなり、バックライト照明光として利用される光の効率を高めることができる。
また、導光板を用いない直下型バックライト装置に発光装置を用いる場合には、発光装置100の発光面積を小さくできるため、二次レンズを用いた配光制御が容易になる。そのため、バックライト照明光の輝度ムラや色ムラを低減することができる。
また、一般的な照明装置に発光装置を用いる場合には、発光装置100の発光面積を小さくできるため、レンズを用いた配光制御が容易になる。このため、複数の発光装置100を狭ピッチで実装したときに、発光装置100が発する光が、隣接する発光装置100に照射されて、吸収されたり、遮光されたりすることが低減される。すなわち、発光装置100が発する光が、隣接する発光装置100の影響を受け難くなる。その結果、照明装置の光の利用効率が、発光装置100の外形を構成する遮光性部材2の基材の光反射率の影響を受け難いため、当該基材の材料の選択肢を広げることができる。
また、光吸収性材料としては、前記した光反射性材料と同様の樹脂に、光吸収性物質の粒子を含有させて光吸収性を付与された樹脂材料を用いることができる。光吸収性物質としては、黒色顔料を用いることができ、その中でもカーボンブラックやグラファイトなどの炭素系顔料を好適に用いることができる。
遮光性部材2に光反射性材料を用いる場合は、発光素子1からの光を効率的に外部に取り出すことができる。また、遮光性部材2に光吸収性材料を用いる場合は、樹脂の成形性に優れるため、発光装置100の信頼性を高めることができる。
なお、詳細は後記するが、遮光性部材2は、凹部2aが設けられる予定の領域を所定の溶剤で溶解される材料からなる溶解性部材でマスクし、溶解性部材を被覆するように遮光性部材2を形成した後に、所定の溶剤で溶解性部材を溶解して除去することで、凹部2aの形状を精度よく形成することができる。
なお、図1Cにおいて、封止部材3は、発光素子1の下面側にも設けられているが、発光素子1の下面側には設けないようにしてもよい。発光素子1の下面側には全面電極14及びn側電極13が設けられており、発光素子1の下面側からの漏れ光は少なくなっている。従って、封止部材3は、少なくとも、発光素子1から光が出射される面である基板11の上面及び側面並びに半導体積層体12の側面を被覆するように設けられていればよい。
更にまた、透光性を有する樹脂に、複数種類の波長変換物質や光拡散性物質などを混在させた材料を用いて封止部材3を形成してもよい。
封止部材3の形成方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ポッティング法(滴下法)などの塗布法や、射出成形法、トランスファーモールド法、圧縮成形法などの金型を用いた成型法などを用いることができる。
そのため、脆い粒子を含有する樹脂材料を用いて封止部材3を形成する場合は、ポッティング法を用いることが好ましい。ポッティング法によれば、蛍光体の粒子を含有するスラリーを塗布する際に、当該蛍光体の粒子に大きな衝撃や圧力を加えられないため、蛍光体の粒子を損傷する恐れを大きく低減することができる。
実装基板4の上面には、遮光性部材2が設けられ、遮光性部材2の凹部2a内に発光素子1が実装され、更に凹部2a内に発光素子1を封止する封止部材3が設けられている。
低線膨張率材料としては、エポキシ樹脂などの樹脂にガラス繊維やガラス布を内包させた樹脂材料や、セラミックス材料を好適に用いることができる。
実装基板4は、平面視で、発光素子1を囲む遮光性部材2が包含されるような大きさで形成されている。配線電極42nは素子実装部42naにおいてn側電極13と、配線電極42pは素子実装部42paにおいてp側電極15と、それぞれ導電性を有する半田などの接合部材43を用いて接合されている。
なお、配線電極42n,42pは、基体41の上面側から側面を経由して下面側に配線されるものの他に、基体41にスルーホールを設け、スルーホール内に導電性材料を充填することで、上面側のパターンと下面側のパターンとを接続するようにしてもよく、上面側のみに設けるようにしてもよい。
次に、第1実施形態に係る発光装置100の動作について、図1A〜図1Cを参照して説明する。
本実施形態において、発光素子1は青色光を発光し、封止部材3は青色光を吸収して黄色光を発光する蛍光体(波長変換物質)の粒子を含有しているものである。
発光素子1が発光した青色光の一部は、発光素子1の半導体積層体12及び基板11内を伝播して、発光素子1の上面及び側面から封止部材3に入射する。また、発光素子1内を電極形成面側に向かって下方向に伝播する光は、全面電極14やn側電極13などによって上方に反射され、発光素子1の上面又は側面から封止部材3に入射する。
なお、遮光性部材2に光反射性材料を用いる場合は、封止部材3内を横方向に伝播する光は、凹部2aの内側面、すなわち遮光性部材2によって反射され、封止部材3の上面から又は再度発光素子1を経由して外部に取り出される。
また、遮光性部材2に光吸収性材料を用いる場合は、封止部材3内を横方向に伝播する光の一部は封止部材3と遮光性部材2との界面で反射されるが、他の部分は遮光性部材2に吸収される。
そして遮光性部材2の凹部2aの上面側に設けられた開口からは、白色光が外部に取り出される。
次に、第1実施形態に係る発光装置100の製造方法について、図3〜図9Bを参照して説明する。
本実施形態に係る発光装置100の製造方法は、発光素子準備工程S101と、実装基板準備工程S102と、溶解性部材形成工程S103と、遮光性部材形成工程S104と、溶解性部材除去工程S105と、発光素子実装工程S106と、封止部材形成工程S107と、個片化工程S108と、を含んでいる。
次に、n側電極13とn型半導体層12nとが接続される領域、及びp側電極15と全面電極14とが接続される領域に、開口部16n,16pを有するように、ウエハの表面に、SiO2などで絶縁膜16を形成する。
次に、開口部16nから絶縁膜16の上面にかけて延在するようにn側電極13を形成するとともに、開口部16pから絶縁膜16の上面にかけて延在するようにp側電極15を形成する。
次に、ダイシング法、スクライブ法などにより、ウエハ状態の発光素子1を所定の分割領域で割断することにより個片化された発光素子1を作製することができる。
なお、ウエハを割断する前に、基板11の裏面を研磨して薄肉化したり、基板11を除去したり、前記した金属バンプやポスト電極を形成したりしてもよい。
なお、本実施形態では、複数の発光装置100を同時に製造するものとするが、1個ずつ独立して製造するものであってもよい。
また、配線電極42n,42pの基体41の長手方向の両端部に設けられた領域が、発光装置100を二次実装する際に外部の回路基板などと接続するための領域となる。
溶解性部材5は、次工程である遮光性部材形成工程S104において、遮光性部材2を形成する際に、予め凹部2aとなる領域に遮光性の材料が充填されないようにするためのマスク部材である。従って、凹部2aの形状は、溶解性部材5の形状によって定められる。例えば、溶解性部材5の側面に段差を設けておくことで、凹部2aの内側面に段差を設けることができる。また、溶解性部材5の側面を粗面とすることにより、凹部2aの内側面を粗面とすることができる。
例えば、溶解性材料として、ネガ型やポジ型のフォトレジスト材料を用いることができる。その中でも現像や剥離工程において、前記した遮光性の材料、基材のメッキ材料、ソルダーレジストなどにダメージを与えない溶剤を使用できるフォトレジスト材料が好ましい。フォトレジストの剥離には、例えば、硫酸と過酸化水素の混合溶媒、オゾン水、炭酸ソーダや有機アルカリなどの弱アルカリ液、オゾン含有酢酸液などの水系溶媒、アミン系、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)、EC(エチレンカーボネート)などの有機溶媒を用いることができるが、前記した基材へのダメージを考慮すると、有機溶媒や弱アルカリ液で現像・剥離可能なフォトレジスト材料を用いることが好ましい。
溶解性材料に対する所定の溶剤としては、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系の溶剤、水、温水、アルカリ性水溶液などの水系の溶剤を挙げることができる。
また、アルカリ性水溶液に溶解する溶解性材料としては、半導体製造に用いられるノボラック樹脂系やポリヒドロキシスチレン系などのポジ型フォトレジスト材料も用いることができる。
また、前記した材料以外にも、短波長紫外線で露光可能なPMMA(ポリメタクリル酸メチル)などの材料もフォトレジスト材料として使用することができる。
ここで、前記(A)アクリル樹脂が、前記エポキシ樹脂と反応する官能基として水酸基を有し、前記(B)エポキシ樹脂が、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂および脂肪族型エポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも一つであり、前記(B)エポキシ樹脂の含有量が、前記(A)アクリル樹脂100質量部に対して、5〜50質量部であり、前記(C)フェノール樹脂が、テルペンフェノール樹脂、ビスフェノールA型フェノール樹脂、ビスフェノールF型フェノール樹脂及びノボラック型フェノール樹脂からなる群から選択される少なくとも一つであり、前記(C)フェノール樹脂の含有量が、前記(A)アクリル樹脂100質量部に対して、10〜35質量部である。
なお、この溶解性材料については、例えば、特許第4944269号公報に詳しい開示があるため、詳細な説明は省略する。
一方、本実施形態のように、溶解性部材を凹部形成のために使用すると、溶解性部材の残留や、封止部材の硬化不良の懸念を低減することが可能となる。
また、シート状の溶解性部材5の貼付に代えて、溶解性材料を溶融又は溶剤に溶解した状態で実装基板4の上面に塗布することで溶解性部材5を設けるようにしてもよい。
また、フィルム状の溶解性材料を裁断するなどして、予め個々の凹部2aに対応した形状に形成した溶解性部材5を、実装基板4の上面の所定位置に貼付するようにしてもよい。また、溶解性部材5として、フォトレジスト材料を用いる場合は、フォトリソグラフィ法によってパターニングするようにしてもよい。
また、溶解性部材5は、遮光性部材2の厚さに相当する膜厚で形成され、例えば、溶解性部材5の膜厚は、数μmから1mm程度とすることができる。
但し、溶解性部材5の残留による後の工程への悪影響が懸念されたり、工程を短縮するために、実装基板4に予め発光素子1を実装しておいてもよい。また、発光素子の下面側に、発光素子の下面と略同じ大きさ及び形状の電極を有する構造の発光素子を用いると、発光素子1の下面の略全面が実装基板4と接合されるため、発光素子1の下方に溶解性部材が残留する懸念が比較的少なくなり、好ましい。
また、波長変換の効率の観点からは、溶解性部材5の形状は、平面視での長さが発光素子1の120%以上であり、高さが発光素子1の100%以上500%以下とすることが好ましい。
なお、溶解性部材5の平面視での長さの上限は特に制限されないが、発光装置100が大きくなり過ぎないように、例えば、発光素子1の対応する長さの300%以下程度とすることが好ましい。
なお、遮光性部材2を、溶解性部材5の上面が被覆される高さまで形成して、溶解性部材5の上面を露出させるために、遮光性部材2を上面側から研削する工程が行われてもよい。
なお、本実施形態では、実装基板4の左右方向の端部は、遮光性部材2を設けないようにしたが、実装基板4の上面の左右方向の端部まで遮光性部材2を設けるようにしてもよい。この場合は、前記した樹脂成型後の切削は不要である。
充填される樹脂材料が蛍光体などの固形粒子を含有するスラリーである場合は、ポッティング法を用いることで、当該スラリーに含まれる固形粒子に大きな衝撃や圧力を加えることなく、凹部2a内に滴下して充填することができる。従って、前記したKSFのような脆い固形粒子を含有する樹脂材料を用いる場合でも、固形粒子に損傷を与えることなく、封止部材3を形成することができる。また、封止部材3が形成される領域は凹部2aによって区画されているため、ポッティング法を用いても、封止部材3の形状を精度よく形成することができる。
また、凹部2aの形状を精度よく形成することができるため、封止部材3の形状も精度よく形成できる。これによって、封止部材3に波長変換物質の粒子を含有させる場合において、波長変換物質の量が安定するため、製造される発光装置100の発光色の色調のばらつきを低減することができる。
一方、発光装置の演色性を高めるため、複数種類の波長変換物質の粒子を含有させた封止部材を設けることが考えられる。複数種類の波長変換物質を用いると、波長変換物質として、特に発光効率の高いYAG系蛍光体のみを用いる場合に比べて、必要な波長変換物質の総量が増大する。このため、発光素子の上面側のみに波長変換物質を含有する封止部材を設けると、封止部材が厚膜となり、光の透過性が低下して、発光装置の輝度が低下することとなる。
なお、集合基板40に溝41aが設けられていない場合は、集合基板を40を境界線71に沿った切断に加えて、境界線72に沿った切断を行うことで、発光装置100を個片化する。
以上の工程を行うことによって、発光装置100を製造することができる。
次に、第1実施形態の変形例に係る発光装置について、図10A及び図10Bを参照して説明する。
図1Cに示した発光装置100は、遮光性部材2の凹部2aの内側面は、実装基板4の上面に対して垂直な面で構成されているが、凹部2aの内側面を傾斜面で構成されるテーパー形状としてもよい。このとき、凹部2aは、平面視で、横方向の内側面のみ又は縦方向の内側面のみを傾斜を設けるようにしてもよく、横方向の内側面と縦方向の内側面とで傾斜角が異なるようにしてもよい。
また、凹部2Aaの内側面を逆テーパー形状とすることで、発光素子1を実装する際に、発光素子1を凹部2Aa内に容易に挿入することができる。
なお、発光装置100A,100Bは、凹部2Aa,2Baの形状が異なること以外は発光装置100と同様であるから、他の構成及び動作については説明を省略する。
また、凹部2Aa,2Baのように、内側面がテーパーを有する場合は、当該凹部2Aa,2Baの平面視における形状の長さは、凹部2Aa,2Baの開口の上端における形状が、発光装置100の凹部2aについて前記した長さとなるように定めることが好ましい。
なお、前記したように、他の工程は、発光装置100の製造方法と同様であるから説明を省略する。
次に、第2実施形態に係る発光装置の構成について、図11を参照して説明する。
第2実施形態に係る発光装置100Cは、遮光性部材2の凹部2a内に、複数(5個)の発光素子1を実装したものである。第2実施形態に係る発光装置100Cは、凹部2a内に複数の発光素子1を実装しており、実装基板4に代えて、複数の発光素子1の実装に対応した実装基板4Cを備えている。発光装置100Cの他の構成については、発光装置100と同様であるから、詳細な説明は省略する。
発光装置100Cは、5個の発光素子1と、当該5個の発光素子1を、長手方向に一列に直線状に配列して実装できる長さの長尺形状の実装基板4Cとを備えている。実装基板4Cは、外部と接続するための配線電極42n,42pに加えて、中継用の4個の配線電極42aを有している。4個の配線電極42aは、基体41の上面において、配線電極42n,42p間に、互いに離間して長手方向に一列に配置されている。隣接して配置されている一対の配線電極42n,42a,42p毎に、1個の発光素子1が配置されている。従って、5個の発光素子1は、中継用の配線電極42aによって直列に電気接続されている。また、実装基板4Cの上面に設けられる遮光性部材2は、内部に5個の発光素子1を一列に配置することができる大きさの凹部2aを有している。凹部2a内には、発光素子1を被覆する封止部材3が設けられている。
また、本実施形態における凹部2aの大きさ、すなわち製造の際に形成される溶解性部材5の形状は、端部に配置される発光素子1と凹部2aの内側面との隙間が、第1実施形態について説明した凹部2aの内側面と発光素子1との隙間と同程度となるように定めることができる。
また、凹部2aの形状は、第1実施形態に係る変形例のように、傾斜した内側面を有するように構成してもよい。
また、発光装置100Cは、第1実施形態に係る発光装置100の製造方法の実装基板準備工程S102において、複数の発光素子1の実装に対応した形状及び配線電極42n,42p,42aを備える実装基板4Cを準備することと、発光素子実装工程S106において、複数の発光素子1を実装することとが異なるだけで、他の工程は、第1実施形態と同様に行うことができるため、製造方法についての詳細な説明は省略する。
11 基板
12 半導体積層体
12n n型半導体層
12a 活性層
12p p型半導体層
12b 露出部
13 n側電極
14 全面電極
15 p側電極
16 絶縁膜
16n,16p 開口部
2,2A,2B 遮光性部材
2a,2Aa,2Ba 凹部
3 封止部材
4,4C 実装基板
40 集合基板
41 基体
41a 溝
42n,42p 配線電極
42na,42pa 素子実装部
43 接合部材
5 溶解性部材
61 ディスペンサー
71,72 境界線
100,100A,100B,100C 発光装置
Claims (11)
- 実装基板上に、所定の溶剤に溶解する材料を用いて溶解性部材を形成する溶解性部材形成工程と、
樹脂を用いて、前記溶解性部材の側面を被覆する遮光性部材を形成する遮光性部材形成工程と、
前記遮光性部材形成工程の後に、前記所定の溶剤を用いて、前記溶解性部材を除去する溶解性部材除去工程と、
前記溶解性部材除去工程により露出した前記遮光性部材の側面を側壁とする凹部内に、発光素子を実装する発光素子実装工程と、を含む発光装置の製造方法。 - 前記発光素子実装工程の後に、前記凹部内に封止部材を形成する封止部材形成工程を含む請求項1に記載の発光装置の製造方法。
- 前記封止部材は、前記発光素子が発する光を異なる波長の光に変換する波長変換物質の粒子が、透光性を有する樹脂に含有されている、請求項2に記載の発光装置の製造方法。
- 前記封止部材形成工程は、前記波長変換物質の粒子が液状の樹脂に含有されたスラリーを、前記凹部内に滴下して、その後に前記スラリーを硬化させることで前記封止部材を形成する請求項3に記載の発光装置の製造方法。
- 前記所定の溶剤は、水系の溶剤、又はアセトン、メチルエチルケトン若しくはその他のケトン系の有機溶剤である請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記所定の溶剤に溶解する材料は、感光性を有する樹脂であり、
前記溶解性部材形成工程において、前記溶解性部材がフォトリソグラフィ法によって形成される請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の発光装置の製造方法。 - 前記実装基板は、ガラス繊維を内包するエポキシ樹脂からなる基体の表面に、前記発光素子が実装される電極が設けられており、
前記発光素子実装工程において、前記発光素子が前記実装基板にリフロー法によってフリップチップ実装される請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の発光装置の製造方法。 - 前記溶解性部材形成工程において、複数の前記溶解性部材が行列状に設けられ、
前記遮光性部材形成工程において、前記遮光性部材は、前記複数の溶解性部材の側面を連続して被覆する請求項1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。 - 前記溶解性部材の側面が、前記実装基板の上面に垂直な方向について、上方に向かって先細り又は上方に向かって先太りするテーパーを有する請求項1乃至請求項8の何れか一項に記載の発光装置の製造方法。
- 平面視において、前記溶解性部材の長さは、前記発光素子の対応する方向の長さの110%以上300%以下である請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記溶解性部材の高さは、前記発光素子の高さの100%以上500%以下である請求項1乃至請求項10の何れか一項に記載の発光装置の製造方法。
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