JP2019040956A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】支持基板上に半導体発光素子が載置された半導体発光装置において、放熱効率を向上させる。【解決手段】当該半導体発光装置は、矩形状の平面形状を有する支持基板と、前記支持基板の表面に、相互に離隔して設けられる第１および第２の表面電極と、前記第１の表面電極の上方に配置され、前記第１および第２の表面電極各々と電気的に接続する半導体発光素子と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記支持基板の外縁を構成する４つの辺部各々に接する第１の裏面電極と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記第１の裏面電極を避けて、前記支持基板の外縁に接する第２の裏面電極と、前記支持基板を貫通するビア電極であって、前記第１の表面電極と前記第１の裏面電極と電気的に接続する第１のビア電極、および、前記第２の表面電極と前記第２の裏面電極と電気的に接続する第２のビア電極、を含むビア電極と、を備える。【選択図】 図３−１

Description

本発明は、配線基板に半導体発光素子が搭載された半導体発光装置に関する。

特許文献１には、発光ダイオード（半導体発光素子）を配線基板に搭載した発光装置が開示されている。このような発光装置を、比較的高い光出力の（高輝度の）照明機器、たとえばヘッドランプやバックライト等の車両用灯具などに用いる場合、発光ダイオードには比較的大きい電力が供給される。このとき、発光ダイオードは、発熱により、高温となる。発光ダイオードの温度が高くなると、当該発光ダイオードの発光効率が低減する場合がある。

特開２０１３−１７５５２８号公報

本発明の主な目的は、半導体発光素子を配線基板に搭載した半導体発光装置において、その放熱効率を向上させることにある。

本発明の主な観点によれば、矩形状の平面形状を有する支持基板と、前記支持基板の表面に、相互に離隔して設けられる第１および第２の表面電極と、前記第１の表面電極の上方に配置され、前記第１および第２の表面電極各々と電気的に接続する半導体発光素子と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記支持基板の外縁を構成する４つの辺部各々に接する第１の裏面電極と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記第１の裏面電極を避けて、前記支持基板の外縁に接する第２の裏面電極と、前記支持基板を貫通するビア電極であって、前記第１の表面電極と前記第１の裏面電極と電気的に接続する第１のビア電極、および、前記第２の表面電極と前記第２の裏面電極と電気的に接続する第２のビア電極、を含むビア電極と、を備える半導体発光装置、が提供される。

半導体発光素子が発する熱を効率的に分散することができる。

および、 図１ａ〜図１ｃは、参考例による半導体発光装置を示す断面図，平面図および底面図であり、図１ｄは、当該半導体発光素子をマウント基板上に載置した状態を示す平面図である。 図２ａ〜図２ｃは、第１の実施例による半導体発光装置を製造する方法を例示する断面図である。 および、 図３ａおよび図３ｂは、第１の実施例による半導体発光装置を示す平面図および底面図であり、図３ｃは、当該半導体発光装置をマウント基板上に載置した状態を示す平面図であり、図３ｄは、当該半導体発光装置の変形例を示す底面図である。 図４ａおよび図４ｂは、第２の実施例による半導体発光装置を示す平面図および底面図である。

図１ａ〜図１ｃは、参考例による半導体発光装置（ＬＥＤ装置）１００を示す断面図，平面図（上面図）および底面図（下面図）である。ＬＥＤ装置１００は、主に、電極（導電層）を含む支持基板（配線基板）１１、支持基板１１に搭載される半導体発光素子（ＬＥＤ素子）１７、ＬＥＤ素子１７を囲う周壁体２１、および、周壁体２１の、ＬＥＤ素子２１を囲う空間に充填される封止材２５、を備える。

図１ａに示すように、基板１１の上面（表面）には、素子搭載ランド１３Ａおよびボンディングランド１３Ｂからなる表面導電部１３（銅などの導電部材）が形成されている。また、素子搭載ランド１３Ａおよびボンディングランド１３Ｂ各々は、スルーホール１５Ａ，１５Ｂを通って（ないしスルーホール１５Ａ，１５Ｂを通るビア電極１６Ａ，１６Ｂを介して）、基板１１の下面（裏面）に設けられる導電部に接続している。なお、図中において、各構成部材の相対的なサイズや位置関係などは、実際のものとは異なっている。

素子搭載ランド１３Ａの上方に、半導体発光素子（ＬＥＤ素子）１７が載置されている。ＬＥＤ素子１７は、たとえば、上面にアノード電極（Ｐ側電極）、下面にカソード電極（Ｎ側電極）を有している。ＬＥＤ素子１７は、はんだ等を介した下面電極と素子搭載ランドとの共晶接合により、素子搭載ランド１３Ａ上に固定されている。

ＬＥＤ素子１７の下面電極は、直接、素子搭載ランド１３Ａに接続される。上面電極は、ボンディングワイヤ１９（金、銅、白金、アルミニウムなどの導電部材）を介してボンディングランド１３Ｂに接続される。

ＬＥＤ素子１７は、たとえば、窒化物系半導体材料を含み、青色光（４３０ｎｍ〜４７０ｎｍ程度）を発する青色発光ダイオードである。ＬＥＤ素子１７の高さは、１００μｍ程度である。

図１ｂに示すように、基板１１表面のほぼ中央に、ＬＥＤ素子１７が配置されており、ＬＥＤ素子１７を取り囲むように周壁体２１が配置される。周壁体２１は、基板１１を露出する貫通孔を備え、その貫通孔の内壁は、基板１１の上面とともに、ＬＥＤ素子１７を囲む凹部２３を画定する。

凹部２３内には、封止材２５が充填されており、ＬＥＤ素子１７等が封止材２５により埋設されている。封止材２５は、透光性を有する樹脂部材、たとえば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはシリコーン及びエポキシ樹脂のハイブリッド樹脂を、凹部２３内に注入し、硬化させることにより形成される。封止材２５は、たとえば、ＬＥＤ素子１７およびボンディングワイヤ１９を湿気ないし衝撃等の外的要因から保護する機能を果たす。なお、封止材２５には、たとえば、二酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミナ、酸化亜鉛等の光散乱材が分散されていてもよい。

また、封止材２５には、たとえば、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）に付活剤としてＣｅ（セリウム）を導入したＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体が分散されていてもよい。この蛍光体は、ＬＥＤ素子１７から発せられる、波長約４６０ｎｍの青色光を吸収して、約５６０ｎｍの発光ピーク波長を有する黄色光を発する。ＬＥＤ素子１７から発せられて蛍光体に吸収されなかった青色光と蛍光体から発せられる黄色光とが混ざり合うことによって白色光が得られる。

なお、基板１１の平面形状は、たとえば一辺約３ｍｍの正方形状である。また、ＬＥＤ素子１７の平面形状は、たとえば、一辺約７５０μｍの正方形状である。

図１ｃに示すように、基板１１裏面には、素子搭載ランド１３Ａと導通する素子側電極１４Ａ、および、ボンディングランド１３Ｂと導通するボンディングワイヤ側電極１４Ｂからなる導電部１４が形成されている。素子側電極１４Ａおよびワイヤ側電極１４Ｂは、間隙を空けて、基板１１の裏面を二分するように設けられている。

図１ｄは、ＬＥＤ装置１００をマウント基板９０に載置（マウント）した状態を示す平面図である。ＬＥＤ装置１００は、通常、電極や配線等が設けられたマウント基板９０上に載置されて用いられる。マウント基板９０は、たとえば、電源装置のグランド端子に接続されるＧＮＤ電極９４Ａと、電源装置の正電圧を出力する端子に接続されるＶＣＣ電極９４Ｂと、を含む。

ＬＥＤ装置１００の素子側電極１４Ａ（破線で示す）が、マウント基板９０のＧＮＤ電極９４Ａ上に配置される。それらの電極１４Ａ，９４Ａは、はんだなどを介して、相互に電気的に接続されている。また、ＬＥＤ装置１００のワイヤ側電極１４Ｂ（破線で示す）が、マウント基板９０のＶＣＣ電極９４Ｂ上に配置される。それらの電極１４Ｂ，９４Ｂは、はんだなどを介して、相互に電気的に接続されている。

ＧＮＤ電極９４ＡおよびＶＣＣ電極９４Ｂから、素子側電極１４Ａおよびワイヤ側電極１４Ｂを介して、ＬＥＤ素子１７に電力（０．５Ｗ〜５．０Ｗ程度）が供給されると、ＬＥＤ素子１７から光が放出される。このとき、ＬＥＤ素子１７は発熱し、比較的高い温度に達する。

ＬＥＤ素子１７から発せられた熱は、素子搭載ランド１３Ａを介して、素子側電極１４Ａおよびマウント基板９０のＧＮＤ電極９４Ａに伝導する。ＬＥＤ装置１００の裏面に伝導した熱は、スルーホール１５の位置を中心として、素子側電極１４ＡおよびＧＮＤ電極９４Ａが延在する方向（図１ｄにおいて、上下方向および左方向）に伝導する。

素子側電極１４ＡないしＧＮＤ電極９４Ａは、ワイヤ側電極１４ＢないしＶＣＣ電極９４Ｂと物理的に離隔している。このため、素子１００の裏面に伝導した熱は、ワイヤ側電極１４ＢないしＶＣＣ電極９４Ｂが延在する方向（図１ｄにおいて右方向）には伝導しえない。

参考例によるＬＥＤ装置１００は、伝熱・放熱効率について、改善の余地がある。本発明者は、伝熱・放熱効率がより良好なＬＥＤ装置について検討を行った。

以下、第１の実施例によるＬＥＤ装置について説明する。第１の実施例によるＬＥＤ装置は、参考例によるＬＥＤ装置と概ね同様の構成・構造を有する。ただし、第１の実施例は、参考例と比べると、主に、基板表面および裏面に設けられる導電層の形状・構成が異なっている。

図２ａ〜図２ｃは、第１の実施例によるＬＥＤ装置を製造する様子を示す断面図である。なお、図中では、１つの発光装置の断面を示しているが、実際の製造時は、複数の発光装置が配列されたシート状態で製造され、最後にダイシング等で個々の発光装置に個片化されてもよい。

図２ａに示すように、シリコーン樹脂基板１１の両面に銅箔が貼り合わされた銅貼基板に、当該基板の上面から下面に貫通するスルーホール１５Ａ，１５Ｂをドリルまたはパンチなどで形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて銅箔をエッチング処理し、基板表面の素子搭載ランド１３Ａ，ボンディングランド１３Ｂおよび配線１３Ｃ、ならびに、基板裏面の素子側電極１４Ａおよびワイヤ側電極１４Ｂからなる導電領域のパターン形成を行う。さらに、パターン形成した銅箔上およびスルーホール１５Ａ，１５Ｂ内に銅メッキ等を施し、上下の導電部１３，１４を電気的に接続するビア電極１６Ａ，１６Ｂを形成する。

次に、図２ｂに示すように、基板１１の上面の周縁領域に配置した接着材を介して、基板１１上に周壁体２１を固定する。本実施例では、シート状の接着材が接着された周壁体２１を、基板１１の上面の周縁領域に載置し、熱圧着することにより接着材を硬化させ、周壁体２１と基板１１とを固定した。

具体的には、接着材として半硬化状態のエポキシ樹脂系の接着シートを、貫通孔形成前の周壁体２１に貼り合わせ、周壁体２１及び接着シートの二層に同時に貫通孔を形成する。その後、シート状の接着材が接着された周壁体２１を基板１１の上面の周縁領域に載置し、熱圧着することにより接着材を硬化させて周壁体２１と基板１１とを固定した。

次に、基板１１の上面に形成された素子搭載ランド１３Ａ上に、金錫またははんだペースト等のペースト状の金属接合材を、ポッティング等で塗布する。そして、金属接合材上に、下面に電極（たとえばカソード電極）を有するＬＥＤ素子１７を載置し、基板１１裏面側から、コイルによって電磁波を発する誘導加熱装置によって誘導加熱を行う。

この誘導加熱によって、基板１１上の導電部材である素子搭載ランド、ＬＥＤ素子１７の下面電極およびペースト状の金属接合材が、選択的かつ瞬間的に金錫またははんだ共晶反応等の接合熱処理に必要な温度（約３００℃）に加熱される。ペースト状の金属接合材は、誘導加熱を開始すると瞬時に、素子搭載ランド１３およびＬＥＤ素子１７の下面電極の表面に濡れ広がり、その後、誘導加熱を停止すると冷却されて固化する。このようにして、素子搭載ランド１３Ａの上面とＬＥＤ素子１７下面の電極とが金属接合材によって接合固定され、ＬＥＤ素子１７の下面にある電極と素子搭載ランド１３Ａとが金属接合材を介して電気的に接続される。

最後に、図２ｃに示すように、ＬＥＤ素子１７の上面にある電極（たとえばアノード電極）とボンディングランド１３Ｂとを、ボンディングワイヤ１９により接続する。その後、凹部２３内にＬＥＤ素子１７およびボンディングワイヤ１９を埋設する透光性樹脂部材を充填し、封止部２５を形成する。これにより、ＬＥＤ装置１０１が完成する。

図３ａおよび図３ｂは、第１の実施例によるＬＥＤ装置１０１において、その導電部１３，１４の形状を示す平面図（上面図）および底面図（下面図）である。なお、図３ａにおいて、便宜のため、周壁体２１および封止材２５の図示を省略し、周壁体２１の内壁（凹部２３の輪郭）を破線で示している。

図３ａに示すように、第１の実施例において、基板１１の上面に設けられる導電層１３は、素子搭載ランド１３Ａおよびボンディングランド１３Ｂに加え、さらに、ボンディングランド１３Ｂと連続する配線１３Ｃを含む。配線１３Ｃは、基板１１の外縁に沿う矩形枠状の部分と、その矩形枠状の部分とボンディングランド１３Ｂとを接続する部分から構成される。配線１３Ｃは、矩形状の基板１１の角部近傍に配置されるスルーホール１５Ｂを通って（ないしスルーホール１５Ｂを通るビア電極１６Ｂを介して）、基板１１裏面に設けられるワイヤ側電極１４Ｂに接続する。

図３ｂに示すように、第１の実施例において、ボンディングランド１３Ｂと導通するワイヤ側電極１４Ｂは、基板１１の４つの角部各々に、扇状の形状で設けられている。扇状のワイヤ側電極１４Ｂの半径は、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。

また、素子搭載ランド１３Ａと導通する素子側電極１４Ａは、基板１１の外縁を構成する４つの辺部各々に接する形状で設けられている。各辺部において、素子側電極１４Ａが接している割合は、５０％以上であることが好ましい。つまり、１辺３．０ｍｍの正方形状の基板１１を用いた場合、各辺部において、素子側電極１４Ａが接している長さは１．５ｍｍ以上であることが好ましい。

なお、素子搭載ランド１３Ａに接続するビア電極１６Ａ（スルーホール１５Ａ）の直径は、約７００μｍであり、ボンディングランド１３Ｂに接続するビア電極１６Ｂ（スルーホール１５Ｂ）の直径は、６０μｍ〜１００μｍ程度である。素子搭載ランド１３Ａに接続するビア電極１６Ａは、素子１７から発せられる熱を効率的に、基板１１裏面の素子側電極１４Ａに伝導するために、できるだけ太く形成することが好ましい。また、放熱性の観点から、素子側電極１４Ａはできるだけ広い（大きい）ことが好ましく、ワイヤ側電極１４Ｂはできるだけ狭く（小さく）形成することが好ましい。このため、ワイヤ側電極１４Ｂに接続するビア電極１６Ｂも、できるだけ細く形成することが好ましい。

図３ｃは、ＬＥＤ装置１０１をマウント基板９１に載置（マウント）した状態を示す平面図である。ＬＥＤ装置１０１の素子側電極１４Ａ（破線で示す）が、マウント基板９１のＧＮＤ電極９４Ａ（斜線模様で示す）上に配置され、それらの電極１４Ａ，９４Ａは、相互に電気的に接続されている。また、ＬＥＤ装置１０１の４つ角に配置されるワイヤ側電極１４Ｂ（破線で示す）が、マウント基板９１のＶＣＣ電極９４Ｂ上に配置され、それらの電極１４Ｂ，９４Ｂは、相互に電気的に接続されている。

ＬＥＤ素子１７から発せられた熱は、素子搭載マウント１３Ａおよびビア電極１６Ａを介して、基板１１裏面の素子側電極１４Ａおよびマウント基板９１のＧＮＤ電極９４Ａに伝導する。ＬＥＤ装置１０１の裏側に伝導した熱は、素子側電極１４ＡおよびＧＮＤ電極９４Ａにおいて、スルーホール１５Ａの位置を中心として、ＬＥＤ装置１０１の外縁、つまり、図３ｃにおいて上下左右の縁に向かって伝導する。ＬＥＤ装置１０１の裏側に伝導した熱は、最終的に、マウント基板９１のＧＮＤ電極９４Ａを伝導し、ＬＥＤ装置１０１の外側の領域に放出される。

ＬＥＤ装置１０１の裏側電極、特にＬＥＤ素子が搭載された電極に連続する素子側電極を、素子（ないし素子に接続するビア電極）の位置を中心に四方に延在するように設けることにより、ＬＥＤ素子１７から発せられた熱を、効率的に、発散・分散することができる。具体的には、基板裏面の素子側電極を、基板１１の外縁を構成する４つの辺部各々に接する形状・構成にすることにより、ＬＥＤ装置１０１の伝熱・放熱効率を向上させることができる。

図３ｄは、第１の実施例によるＬＥＤ装置の変形例を示す底面図（下面図）である。ワイヤ側電極１４Ｂの形状は、扇状に限らず、たとえば矩形状であってもかまわない。

また、ワイヤ側電極１４Ｂは、矩形状の基板１１の角部に設けられていなくてもよいし、４箇所に設けられていなくてもかまわない。素子側電極１４Ａの形状が基板１１の外縁を構成する４つの辺部各々に接する形状であれば、ワイヤ側電極１４Ｂの形状は特に限定されない。ただし、ＬＥＤ装置をマウント基板上に載置した際、ワイヤ側電極１４ＢをＶＣＣ電極９４Ｂに接触させるために、ワイヤ側電極１４Ｂは基板１１の外縁のいずれかに接して設けられることが好ましいであろう。

図４ａおよび図４ｂは、第２の実施例によるＬＥＤ装置１０２を示す平面図（上面図）および底面図（下面図）である。第２の実施例によるＬＥＤ装置は、第１の実施例によるＬＥＤ装置と概ね同様の構成・構造を有する。ただし、第２の実施例は、複数のＬＥＤ素子を含む構成となっている。なお、図４ａにおいて、周壁体および封止材の図示を省略している。

図４ａに示すように、基板１１表面のほぼ中央には、４つのＬＥＤ素子１７が２×２の行列状に配置されている。ＬＥＤ素子１７各々において、下面電極が、直接、素子搭載ランド１３Ａと接触しており、上面電極が、ボンディングワイヤ１９を介して、ボンディングランド１３Ｂと接続している。素子搭載ランド１３Ａ各々の直下には、スルーホール１５Ａおよびビア電極１６Ａが設けられており、素子搭載ランド１３Ａは、ビア電極１６Ａを介して、基板１１裏面の電極に接続される。

また、ボンディングランド１３Ｂ各々には、相互に離隔する配線１３Ｃが接続している。各配線１３Ｃは、それぞれ矩形状の基板１１の角部まで延在している。基板１１の角部には、スルーホール１５Ｂおよびビア電極１６Ｂが設けられており、配線１３Ｃは、ビア電極１６Ｂを介して、基板１１裏面の電極に接続される。

図４ｂに示すように、基板１１裏面には、複数の素子搭載ランド１３Ａ（ないしビア電極１６Ａ）に接続する素子側電極１４Ａと、個々の配線１３Ｃ（ないしビア電極１６Ｂ）に接続するワイヤ側電極１４Ｂと、が設けられている。４つのＬＥＤ素子１７の下面電極は、基板１１裏面において同じ電極（つまり素子側電極１４Ａ）に接続されている。４つのＬＥＤ素子１７は、たとえば、電気的に並列に接続され、利用される。

以上、実施例に沿って本願を説明したが、これらは制限的なものではない。例えば材料、数値などは例示であって、これらに限るものではない。その他種々の変形、置換、改良等が可能なことは当業者に自明であろう。

１１…支持基板、１３…導電層（表面電極）、１３Ａ…素子搭載ランド、１３Ｂ…ボンディングランド、１３Ｃ…配線、１４…導電層（裏面電極）、１４Ａ…素子側電極、１４Ｂ…ワイヤ側電極、１５…スルーホール、１６…ビア電極、１７…半導体発光素子（ＬＥＤ素子）、１９…ボンディングワイヤ、２１…周壁体、２３…凹部、２５…封止材、９０，９１…マウント基板，９４…電極、１００〜１０２…半導体発光装置（ＬＥＤ装置）。

Claims (5)

1. 矩形状の平面形状を有する支持基板と、
   前記支持基板の表面に、相互に離隔して設けられる第１および第２の表面電極と、
   前記第１の表面電極の上方に配置され、前記第１および第２の表面電極各々と電気的に接続する半導体発光素子と、
   前記支持基板の裏面に設けられ、前記支持基板の外縁を構成する４つの辺部各々に接する第１の裏面電極と、
   前記支持基板の裏面に設けられ、前記第１の裏面電極を避けて、前記支持基板の外縁に接する第２の裏面電極と、
   前記支持基板を貫通するビア電極であって、前記第１の表面電極と前記第１の裏面電極と電気的に接続する第１のビア電極、および、前記第２の表面電極と前記第２の裏面電極と電気的に接続する第２のビア電極、を含むビア電極と、
   を備える半導体発光装置。
2. 前記支持基板の外縁を構成する４つの辺部各々に対して、前記第１の裏面電極が該外縁に接している割合は５０％以上である請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第１の裏面電極の面積は、前記第２の裏面電極の面積よりも大きい請求項１または２記載の半導体発光装置。
4. 前記第１のビア電極は、前記第２のビア電極よりも太い請求項１〜３いずれか１項記載の半導体発光装置。
5. 前記支持基板の表面に、前記半導体発光素子を取り囲むように配置される周壁部材と、
   前記周壁体の、前記半導体発光素子を取り囲む空間に充填される封止材と、
   をさらに備える請求項１〜４いずれか１項記載の半導体発光装置。

Images