JP2020178017A

JP2020178017A - 実装方法

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Publication number: JP2020178017A
Application number: JP2019078786A
Authority: JP
Inventors: 康寛三木; Yasuhiro Miki
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: JP7189441B2

Abstract

【課題】荷重を増大させずに発光素子を安定して配線基板に接合することのできる実装技術を提供する。【解決手段】基板を有する発光素子を配線基板に実装する実装方法は、前記発光素子の主面の外周領域ＲＢ、及び前記外周領域よりも内側の内側領域ＲＡに第１接続部を複数形成する工程と、前記内側領域に形成された複数の前記第１接続部のそれぞれの上に、前記第１接続部よりも上面積が小さい第２接続部を複数形成する工程と、前記外周領域に形成された複数の前記第１接続部それぞれの上に、前記第２接続部よりも上面積が小さい第３接続部を複数形成する工程と、前記発光素子を、前記第２接続部及び前記第３接続部を介して前記配線基板に接合する工程と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、発光素子の実装方法に関する。

発光素子は、光通信、表示機器、照明等の分野で広く用いられている。発光素子は電流注入のために配線基板に実装され、必要に応じてパッケージ化される。一般的に発光素子は、バンプと呼ばれる突起電極を用いて、配線基板にフリップチップ実装される。

発光素子の実装において、発光素子に設けるバンプの高さを素子の基板反り量よりも十分に大きくすること、およびバンプの接合面にサブミクロンサイズの凹凸を形成することが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１４−９３３３９号公報

上記の特許文献１には、バンプの高さを基板の反り量よりも十分に大きくすることで基板の反りを吸収し、バンプの高さばらつきを吸収するために、接合面にナノインプリントまたはプラズマエッチングで数百ｎｍの凹凸を形成することが開示されている。

特許文献１の方法では、バンプ形成工程とは別に、ナノインプリントまたはプラズマエッチングの工程が必要である。

ところで、ＬＥＤ、レーザダイオード等の発光素子を作製する場合、基板上に、基板と異なる熱膨張係数の化合物半導体層が形成されると、得られるチップに反りが生じる。発光素子をプリント回路基板等の配線基板に実装するとき、発光素子の外周部が反りにより浮き上がり、発光素子と配線基板との接合が不十分になる。一般的に、接合を強めるためには、接合時の荷重を大きくすることが考えられるが、荷重を大きくすると発光素子へのダメージが発生する。

本発明は、荷重を増大させずに、発光素子を安定して配線基板に接合することのできる実装方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様において、基板を有する発光素子を配線基板に実装する実装方法は、前記発光素子の主面の外周領域、及び前記外周領域よりも内側の内側領域に第１接続部を複数形成する工程と、前記内側領域に形成された複数の前記第１接続部のそれぞれの上に、前記第１接続部よりも上面積が小さい第２接続部を複数形成する工程と、前記外周領域に形成された複数の前記第１接続部それぞれの上に、前記第２接続部よりも上面積が小さい第３接続部を複数形成する工程と、前記発光素子を、前記第２接続部及び前記第３接続部を介して前記配線基板に接合する工程と、を有する。

上記の実装方法により、荷重を増大させずに、発光素子を安定して配線基板に実装することができる。

本発明の一実施形態の発光素子を実装する際の基板の反りを説明する模式図である。発光素子の一例である発光素子の接合面の平面模式図である。図２のIII−III線の断面における断面模式図である。本発明の一実施形態のバンプ構造の模式図である。本発明の一実施形態のバンプ構造の模式図である。本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。本発明の変形例のバンプ構造の模式図である。本発明の変形例のバンプ構造の模式図である。本発明の変形例の発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。変形例の発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。変形例の発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。変形例の発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。配線基板に発光素子を実装した状態を示す模式図である。配線基板に発光素子を実装した発光装置の模式図である。

図１は、実施形態の発光素子２０を実装する際の基板の反りを説明する図である。発光素子２０は、基板２０１と、基板２０１の上に形成された半導体層２０２を有する。基板２０１は、半導体層２０２をエピタキシャル成長することができるものであればどのような基板であってもよいが、機械的強度があり、熱的、化学的に安定した光透過性の安価な基板が望ましい。このような成長基板として、たとえば、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）等が用いられる。基板２０１の上面視における大きさは、たとえば、一辺が５００μｍ以上２０００μｍ以下である。また、基板２０１の上面視形状は、たとえば、矩形状である。基板２０１にサファイア基板を用いる場合には、たとえば、基板２０１の厚みを１００μｍ以上３００μｍ以下とすることができる。

基板２０１の上に窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体層２０２を形成すると、基板２０１と半導体層２０２の熱膨張係数の差によって、チップ化された発光素子２０に反りが生じる。たとえば、サファイア基板の場合、ｃ軸方向の熱膨張係数は８．５×１０^-6／Ｋ、ａ軸方向の熱膨張係数は７．５×１０^-6／Ｋである。これに対し、ＧａＮのｃ軸方向の熱膨張係数は７．７５×１０^-6／Ｋ、ａ軸方向の熱膨張係数は５．５９×１０^-6／Ｋであり、サファイア基板との熱膨張率差が大きい。基板２０１上に形成される半導体層２０２の厚みは、たとえば、５μｍ以上１５μｍ以下である。

サファイア基板の熱膨張係数はＧａＮの熱膨張係数よりも大きいため、半導体層２０２よりも基板２０１の方が大きく変形して、図１のように基板２０１側に湾曲する。

より具体的には、反応炉で基板２０１上にＧａＮの半導体層２０２を成長する段階ではウエハはフラットである。ウエハを反応炉から取り出して冷却すると、ウエハには、基板２０１の中央部が半導体層２０２に対して凸となる反りが生じる。これは、半導体層２０２よりも基板２０１の収縮が大きいことにより生じる。このようなウエハの反りにより、ウエハを個別のチップに切り出した後の各チップに反りが残る。

発光素子２０の半導体層２０２を配線基板１１の実装面に対向させて、配線パターン１４上の電極に接合する場合、発光素子２０の電極と、配線基板１１側の電極を接合するために、荷重をかける。発光素子２０の外周部が浮き上がっていると、外周部での接合が不十分になる場合がある。外周部での荷重を大きくすると、接合力が得られるが、外周部でのダメージが大きくなる。

実施形態では、荷重を増大させずに、発光素子２０の基板２０１の反りに起因する接合不良を低減し、発光素子２０と配線基板１１の間の接合の信頼性を向上する。また、接合部での放熱効果を高める。

図２は、発光素子２０の一例である発光素子２０Ａの接合面の平面図である。接合面は、発光素子２０と配線基板１１を接合する際に、配線基板１１と対向する面にある。

発光素子２０Ａは、外周領域ＲＢと、外周領域ＲＢよりも内側の内側領域ＲＡを有する。ここで、外周領域ＲＢとは、基板２０１の外縁から基板２０１の一辺の長さに対して１５％の距離までの領域である。図１を参照して説明したように、外周領域ＲＢでは基板の反りにより接合される部分が内側領域ＲＡよりも浮き上がる傾向にある。つまり、外周領域ＲＢにおける接合面は内側領域ＲＡよりも配線基板１１と離れやすい傾向にあり、実装時に接合が困難になるおそれがある。実施形態では接合部となるバンプ構造を工夫することで、荷重を増大させずに接合の信頼性を向上する。

図３に示すように、発光素子２０Ａは、基板２０１に形成され、第１導電型の半導体層（以下、「第１半導体層２３」と称する）と、発光層２４と、第２導電型の半導体層（以下、「第２半導体層２５）と称する）とを備える半導体層２０２を有する。発光素子２０Ａの接合面側には、第１半導体層２３と電気的に接続される第１電極２６と、第２半導体層２５と電気的に接続される第２電極２７とが設けられている。この例では、第１半導体層２３はｎ型の半導体層、第２半導体層２５はｐ型の半導体層である。

第１電極２６と第２電極２７のそれぞれで、内側領域ＲＡには第１バンプ２１が形成され、外周領域ＲＢには第２バンプ２２が形成されている。第１バンプ２１及び第２バンプ２２は、配線基板１１に接合されて電気的な接続を取るために発光素子２０Ａの接合面から突出している。第１バンプ２１及び第２バンプ２２の形状は、たとえば、柱状、ボール型などにすることができる。第１バンプ２１と第２バンプ２２は、発光素子２０Ａに供給される電流が一部の領域に集中しないように、発光素子２０Ａの接合面側に、規則的またはランダムに配置されている。

後述するように、内側領域ＲＡの第１バンプ２１と、外周領域ＲＢの第２バンプ２２は、その接合端の構造が異なる。内側領域ＲＡの第１バンプ２１の接続端面には、第１の径で形成される複数の突起が形成されている。外周領域ＲＢの第２バンプ２２の接続端面には、第１の径よりも大きい第２の径で形成される複数の突起が形成されている。

図３は、図２のIII−III線の断面図である。III−III線における断面は、外周領域ＲＢの第２電極２７上の第２バンプ２２と、外周領域ＲＢの後記する第１半導体層２３の露出部２３ａと、内側領域ＲＡの第１電極２６上の第１バンプ２１と、を含む断面である。

発光素子２０Ａは、基板２０１と、基板２０１上に設けられた半導体層２０２を有している。基板２０１の表面に、図３に示すように、光散乱用の微細な凹凸が形成されていてもよい。微細な凹凸は、光取り出し効率を向上し、基板２０１と格子定数の異なる半導体層２０２を成長するときに生じる転位を抑制する効果がある。基板２０１の表面に、格子不整合を緩和するバッファ層を形成してもよい。基板２０１がサファイア基板、半導体層２０２が窒化ガリウム系半導体の場合、バッファ層として、ＧａＮ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等を用いることができる。

図３に示すように、半導体層２０２は、第１半導体層２３と、発光層２４と、第２導電型の半導体層２５とがこの順に積層されている。第１半導体層２３には、第２半導体層２５側から、発光層２４及び第２半導体層２５が除去され、第１半導体層２３の一部が発光層２４及び第２半導体層２５から露出した露出部２３ａが形成されている。図２に示すように、半導体層２０２には複数の露出部２３ａが形成されている。第１半導体層２３は、たとえばＧａＮを含む半導体層で形成され、不純物としてＳｉがドープされている半導体層を含む。発光層２４は、たとえば、ＩｎＧａＮの井戸層をＧａＮの障壁層で挟んだ単一量子井戸（ＳＱＷ）、または多層量子井戸（ＭＱＷ）である。第２半導体層２５は、たとえばＧａＮを含む半導体層で形成され、不純物としてＭｇがドープされている半導体層を含む。第１半導体層２３は、第１電極２６とのコンタクト層を有し、発光層２４に電子を供給する。第２半導体層２５は、第２電極２７とのコンタクト層を有し、発光層２４にホールを供給する。注入された電子とホールは結合して、半導体層２０２は、井戸層のバンドギャップエネルギーに応じた波長の光を発する。

図３に示すように、半導体層２０２の第２半導体層２５上に所定のパターンの金属膜２０５が形成されている。金属膜２０５は反射膜として機能し、発光層２４で生成される光に対して高い反射性を有する材料で形成される。金属膜２０５は、一例として、ＡｇやＡｌ、またはこれらの金属を主成分とする合金などで形成されている。金属膜２０５は、発光層２４で生成された光を基板２０１側に反射する。

第２半導体層２５上に設けられた金属膜２０５を覆って、絶縁膜２０６が形成されている。絶縁膜２０６には、金属膜２０５の上に、金属膜２０５が露出する開口部２０６ａが形成されている。絶縁膜２０６の材料に限定はなく、金属酸化物、金属窒化物、酸窒化物など、電気的に絶縁性の任意の材料を用いることができる。一例として、絶縁膜２０６はＳｉＮで形成される。

図３に示すように、保護膜２０７は、絶縁膜２０６、第２半導体層２５、発光層２４、及び第１半導体層２３を覆って設けられている。保護膜２０７には、第１半導体層２３の露出部２３ａの上に設けられたｎ側開口部２０７ｎと、絶縁膜２０６の開口部２０６ａの上に設けられたｐ側開口部２０７ｐが形成されている。保護膜２０７に用いられる材料に限定はなく、たとえば、ＳｉＯ₂膜やＳｉＮ膜、またはアルミニウムを含む酸化膜、窒化膜、酸窒化膜等を用いることができる。

第１電極２６は、ｎ側開口部２０７ｎにて第１半導体層２３と電気的に接続されている。第１電極２６の一部は、絶縁膜２０６及び保護膜２０７を介して、第２半導体層２５の上に設けられている。

第２電極２７は、金属膜２０５上に設けられ、開口部２０６ａ及びｐ側開口部２０７ｐを通じて金属膜２０５と電気的に接続されている。第２電極２７は、金属膜２０５を介して第２半導体層２５と電気的に接続される。第２電極２７の一部は、絶縁膜２０６上に設けられていてもよい。

第１電極２６及び第２電極２７は、任意の金属材料で形成されており、その材料に限定はない。第１電極２６及び第２電極２７には、たとえば、ＡｌやＡｇ、またはこれらの金属を主成分とする合金などを用いることができる。

内側領域ＲＡにおいて、第１電極２６上には第１バンプ２１が設けられ、第１バンプ２１の上面には複数の突起が設けられている。外周領域ＲＢにおいて、第２電極２７上には第２バンプ２２Ａが設けられ、第２バンプ２２Ａの上面には、第１バンプ２１の突起よりも狭いピッチで突起が設けられている。ここで「上面」とは、発光素子２０Ａの積層方向に見たときの上面であり、実装時に配線基板１１と対向する面であっても、積層方向で見たときは「上面」になる。

図２のIII−III断面に替えて、第１電極２６上で外周領域ＲＢの第２バンプ２２と内側領域ＲＡの第１バンプ２１を通る断面、あるいは第２電極２７上で外周領域ＲＢの第２バンプ２２と内側領域ＲＡの第１バンプ２１を通る断面においても、バンプ接合端の構成は、図３の第２バンプ２２Ａと第１バンプ２１のようになる。

図４Ａと図４Ｂは、実施形態のバンプ構造を示す模式図である。図４Ａは内側領域ＲＡに形成される第１バンプ２１である。また、図４Ｂは外周領域ＲＢに形成される第２バンプ２２Ａである。なお、図４Ａと図４Ｂはフリップチップ実装時の状態で描かれているので、図３の第１バンプ２１及び第２バンプ２２Ａとは、上下が逆になっている。

第１バンプ２１は、第１接続部２１１と、第１接続部２１１上に設けられた第２接続部２１２とを有する。第２バンプ２２Ａは、第１接続部２１１と、第１接続部２１１上に設けられた第３接続部２１３とを有する。第１接続部２１１は、第１電極２６上及び第２電極２７上に設けられる。第１接続部２１１と、第２接続部２１２及び第３接続部２１３の材料は、同じであっても異なっていてもよい。

第１バンプ２１の第１接続部２１１の端面２１１ｓの面積と、第２バンプ２２Ａの第１接続部２１１の端面２１１ｓの面積は、ほぼ同じか、差が小さい。端面２１１ｓは、バンプ形成プロセスでは「上面」に当たる。端面２１１ｓの平面形状は問わないが、たとえば、円形状や矩形状とすることができる。端面２１１ｓの平面形状が円形状である場合、端面２１１ｓの径は、たとえば４０μｍ〜６０μｍとすることができる。

第１バンプ２１において、第１接続部２１１の端面２１１ｓに、複数の第２接続部２１２がピッチＰ１で形成されている。第２バンプ２２Ａにおいて、第１接続部２１１の端面２１１ｓに、複数の第３接続部２１３がピッチＰ２で形成されている。ここで、ピッチとは、隣り合う２つの第２接続部２１２の間の距離を意味する。またピッチとは、隣り合う２つの第３接続部２１３の間の距離を意味する。

第２接続部２１２のピッチＰ１は、第３接続部２１３のピッチＰ２よりも大きい（Ｐ１＞Ｐ２）。第２接続部２１２の上面積は、第３接続部２１３の上面積よりも大きい。第２接続部２１２及び第３接続部２１３の上面積は、第２接続部２１２及び第３接続部２１３の端面２１１ｓと接する面とは反対側の面の面積を意味する。

ピッチＰ１とピッチＰ２は、基板の反り量、接合時の荷重等に応じて、ピッチＰ１＞ピッチＰ２を満たすように適切に設定される。たとえば、基板の反り量が大きい場合には、ピッチＰ２をピッチＰ１よりも小さくする。また接合時の荷重が小さい場合には、ピッチＰ２をピッチＰ１よりも小さくする。このようなピッチの関係とすることで、第３接続部２１３が形成される面積が増加し、第３接続部２１３が形成される外周領域ＲＢにおける放熱性を確保することができる。一例として、基板２０１にサファイア基板を用い、半導体層２０２にＧａＮを用いる場合、基板の外周領域ＲＢの平均反り量は０．５μｍ〜０．６μｍになる。この場合、ピッチＰ１はたとえば、５μｍ〜３０μｍとすることができる。ピッチＰ２は１μｍ〜１０μｍとすることができる。

第１バンプ２１の第２接続部２１２の高さと、第２バンプ２２Ａの第３接続部２１３の高さは、図４の例では、ともにＬ１である。高さＬ１は、一例として、第１接続部２１１の高さの１／１０〜１／２程度である。

発光素子２０の外周領域ＲＢが浮き上がる場合、接合時に外周領域ＲＢにかかる荷重の低下に合わせて、外周領域ＲＢの第２バンプ２２Ａの径を小さくすることも考えられる。しかし、単にバンプ径を小さくすると、バンプを介した放熱作用が損なわれるおそれがある。実施形態では、バンプのうち発光素子２０側に配置された第１接続部２１１を部分的に小さくしないことで、バンプと発光素子２０とが接合される面積を確保しバンプを介した放熱作用の低下を抑制できる。

本実施形態では、バンプの基部側で、第１接続部２１１の端面２１１ｓの面積を素子全体にわたって同程度にすることで、均一的な放熱効果を確保することができる。

一方、バンプのうち配線基板１１側に位置する第２接続部２１２および第３接続部２１３においては、第３接続部２１３の上面積を、第２接続部２１２の上面積よりも小さくする。これにより、第３接続部２１３は、第２接続部２１２よりも小さい荷重で潰れやすくなる。したがって、基板２０１の反りによって外周領域ＲＢに印加される荷重が小さくなっても、第２バンプ２２Ａを確実に配線基板１１に接合することができる。逆に言うと、基板の反りが大きい外周領域ＲＢで荷重を大きくしなくても、第２バンプ２２Ａを配線基板１１に接合し、かつ放熱効果を維持することができる。

１つ当たりの第１接続部２１１上に形成される第２接続部２１２の数は、１つ当たりの第１接続部２１１上に形成される前記第３接続部２１３の数よりも少なくなる。これにより、第３接続部２１３が形成される面積が増加し、第３接続部２１３が形成される外周領域ＲＢにおける放熱性を確保することができる。

外周領域ＲＢでの接合が不十分な場合、接合後の評価試験で発光素子２０Ａを配線基板１１から剥離すると、内側領域ＲＡでは、第１バンプ２１と配線基板１１上の電極との界面破壊により、配線基板１１の剥離面にバンプ材料が残る。しかし、外周領域ＲＢでは、第２バンプ２２Ａが接合されていないか、第２バンプ２２Ａによる接合が弱いので、配線基板１１の剥離面にバンプ材料が残らない。

これに対し、実施形態の構成では、第１バンプ２１及び第２バンプ２２Ａは、発光素子２０Ａの全体にわたって接合されるので、評価試験の剥離後に、内側領域ＲＡと外周領域ＲＢの両方で配線基板１１上にバンプ材料が残る。

バンプ１個当たりの第２接続部２１２の先端面のトータルの面積と、第３接続部２１３の先端面のトータルの面積は、同じであってもよい。接合時に、第２接続部２１２と第３接続部２１３が配線基板１１上の電極に熱圧着されて、電極と一体的になる限り、第２接続部２１２と第３接続部２１３の数、サイズ、ピッチ等は適切に設計可能である。

図５Ａ〜図５Ｅは、実施形態の発光素子２０Ａの作製工程図である。これらの作製工程図は、図２のIII−III断面におけるそれぞれの作製工程での状態を示し、発光素子が作製できるまでの工程を説明するための図である。

図５Ａで、基板２０１上に第１電極２６と第２電極２７を含む素子構造が作り込まれた状態で、所定の開口パターンを有するレジスト４０を形成する。素子構造は、たとえば、基板２０１上に、第１半導体層２３、発光層２４、及び第２半導体層２５をこの順で成長させて、半導体層２０２を形成する。第１半導体層２３の成膜に先立って、基板２０１の表面にたとえば反応性のイオンエッチングで凹凸を形成してもよい。

半導体層２０２の第２半導体層２５表面に所定のパターンの金属膜２０５を形成し、第２半導体層２５の表面及び金属膜２０５を覆う絶縁膜２０６を形成する。その後、絶縁膜２０６、第２半導体層２５、および発光層２４の一部を除去し、所定の箇所に露出部２３ａを形成する。次に、絶縁膜２０６、第２半導体層２５、発光層２４、および第１半導体層２３の表面を保護膜２０７で覆う。そして、保護膜２０７の一部を除去し、ｎ側開口部２０７ｎおよびｐ側開口部２０７ｐを形成し、保護膜２０７上に第１電極２６と第２電極２７をそれぞれ形成することで、図５Ａの素子構造が得られる。

レジスト４０は、ｎ側開口４１とｐ側開口４２を含む開口パターンを有する。開口パターンは、露光と現像による通常のフォトリソグラフィで形成される。III−III断面に沿ったこの例では、ｎ側開口４１は内側領域ＲＡに形成され、ｐ側開口４２は外周領域ＲＢに形成される。ｎ側開口４１とｐ側開口４２の径は、たとえば４０μｍ〜６０μｍである。

図５Ｂで、内側領域ＲＡのｎ側開口４１と、外周領域ＲＢのｐ側開口４２の中に第１接続部２１１をめっき成長する（第１のめっき処理）。第１接続部２１１は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｓｎ、これらの内の２以上の合金など、バンプ接合に適した材料で形成される。この例では、放熱性や耐食性に優れ、抵抗値の経時変化が小さいＡｕの電解めっきにより第１接続部２１１を形成する。第１接続部２１１の厚さは、１５μｍ〜２５μｍである。

図５Ｃで、レジスト４０の上に、第２の開口パターンを有する第１マスク４４を形成する。第１マスク４４は、内側領域ＲＡに開口４４２を有し、外周領域ＲＢに開口４４３を有する。第２の開口パターンに含まれる内側領域ＲＡの開口４４２と、外周領域ＲＢの開口４４３は、その開口形状が異なる。開口４４２のピッチまたは径は、開口４４３のピッチまたは径よりも大きい。開口４４２と開口４４３の内部で、第１接続部２１１の上面が露出している。

図５Ｄで、内側領域ＲＡの開口４４２と外周領域ＲＢの開口４４３の中に、それぞれ導電膜４７ａと導電膜４７ｂを同時にめっき形成する（第２のめっき処理）。導電膜４７ａ及び４７ｂは、第１接続部２１１と同じ材料でもよい。この例では、導電膜４７ａ及び４７ｂを第１接続部２１１と同じＡｕを用いて形成する。第１マスク４４に形成された開口４４２のピッチまたは径は、開口４４３のピッチまたは径よりも大きいので、開口４４２内に形成される導電膜４７ａのピッチまたは径は、開口４４３内に形成される導電膜４７ｂのピッチまたは径よりも大きくなる。

図５Ｅで、レジスト４０と第１マスク４４を剥離することで、内側領域ＲＡの第１バンプ２１、及び外周領域ＲＢの第２バンプ２２Ａが得られる。第１バンプ２１は、発光素子２０側の第１接続部２１１と、第１接続部２１１の上面に形成される第２接続部２１２を有する。第２接続部２１２は、図５Ｄに示す導電膜４７ａで形成されている。第２バンプ２２Ａは、発光素子２０側の第１接続部２１１と、第１接続部２１１の上面に形成される第３接続部２１３を有する。第３接続部２１３は、図５Ｄに示す導電膜４７ｂで形成されている。

第１バンプ２１と第２バンプ２２Ａで、第１接続部２１１の上面積はほぼ等しい。第３接続部２１３の上面積を、第２接続部２１２の上面積よりも小さくする。これにより、第３接続部２１３は、第２接続部２１２よりも小さい荷重で潰れやすくなる。外周領域ＲＢに、径の小さい第３接続部２１３を形成することで、発光素子を配線基板１１上へ熱圧着する時に、荷重が小さくなっても安定して接合することができる。第３接続部２１３の上面積を、第２接続部２１２の上面積よりも小さくしつつ、第３接続部２１３のピッチを、第２接続部２１２のピッチよりも小さくすることもできる。これにより、第３接続部２１３が形成される面積を増加させ、第３接続部２１３が形成される外周領域ＲＢにおける放熱性を確保することができる。また、第３接続部２１３の上面積を、第２接続部２１２の上面積よりも小さくしつつ、１つ当たりの第１接続部２１１上に形成される第２接続部２１２の数を、１つ当たりの第１接続部２１１上に形成される第３接続部２１３よりも少なくすることができる。これにより、第２接続部２１２が形成される面積を増加させ、内側領域ＲＡにおける放熱性を確保しつつ、第３接続部２１３が形成される外周領域ＲＢにおける接合性を確保することができる。

＜変形例＞
図６Ａと図６Ｂは、バンプ構造の変形例を示す。変形例では、外周領域ＲＢのバンプの高さを内側領域ＲＡのバンプよりも高くする。

図６Ａは、内側領域ＲＡに形成される第１バンプ２１の模式図である。図６Ｂは、外周領域ＲＢに形成される第２バンプ２２Ｂの模式図である。

第１バンプ２１は、発光素子２０側の第１接続部２１１と、配線基板１１側の第２接続部２１２とを有する。第２バンプ２２Ｂは、発光素子２０側の第１接続部２１１と、配線基板１１側の第３接続部２２３を有する。第１接続部２１１と、第２接続部２１２及び第３接続部２２３の材料は、同じであっても異なっていてもよい。

第１バンプ２１の第１接続部２１１の端面２１１ｓの面積と、第２バンプ２２Ｂの第１接続部２１１の端面２１１ｓの面積は、ほぼ同じか、その面積差が小さい。端面２１１ｓは、素子作製のプロセスでは上面になる。一例として、第１接続部２１１の径は４０μｍ〜６０μｍである。バンプの基部側で、第１接続部２１１の端面２１１ｓの面積を素子全体にわたって同程度にすることで、均一的な放熱効果が確保される。

第１バンプ２１において、第１接続部２１１の端面２１１ｓに、複数の第２接続部２１２がピッチＰ１で形成されている。

第２バンプ２２Ｂにおいて、第１接続部２１１の端面２１１ｓに、複数の第３接続部２２３がピッチＰ２で形成されている。上述のように、「ピッチ」は隣り合う２つの第２接続部２１２の間の距離、または隣り合う２つの第３接続部２２３の間の距離を意味する。

第２接続部２１２のピッチＰ１は、第３接続部２２３のピッチＰ２よりも大きい（Ｐ１＞Ｐ２）。あるいは、第２接続部２１２の上面積は、第３接続部２２３の上面積よりも大きい。第２接続部２１２の上面積及び第３接続部２２３の上面積は、第２接続部２１２及び第３接続部が端面２１１ｓと接する面と反対側の面の面積を意味する。ピッチＰ１とＰ２は、上述したように基板の反り量、接合時の荷重等に応じて、Ｐ１＞Ｐ２を満たすように適切に設定される。

第１バンプ２１の第２接続部２１２の高さＬ１よりも、第２バンプ２２Ｂの第３接続部２２３の高さＬ２が高い（Ｌ２＞Ｌ１）。第３接続部２２３の高さＬ２と第２接続部２１２の高さＬ１の差は、基板の反りを吸収できる量であることが望ましい。たとえば、第３接続部２２３の高さＬ２と第２接続部２１２の高さＬ１の差を、基板の外周領域ＲＢにおける平均反り量程度とすることが好ましい。

第３接続部２２３の上面積を、第２接続部２１２の上面積よりも小さくする、あるいは第３接続部２２３のピッチＰ２を、第２接続部２１２のピッチＰ１よりも小さくすることで、発光素子２０の反りにより外周領域ＲＢで荷重が小さくなっても第２バンプ２２Ｂを配線基板１１に接合することができる。

さらに、第３接続部２２３の高さＬ２を、第２接続部２１２の高さＬ１よりも大きくすることで、発光素子２０の反りが大きくなっても、第２バンプ２２Ｂは確実に配線基板１１に接合される。

図７Ａ〜図７Ｃは、変形例の発光素子２０Ｂの作製工程図である。図７Ａは、図５Ｅと同じ状態であり、第１マスク４４が除去された後の状態を示す。

内側領域ＲＡでは、第１電極２６の上に形成された第１接続部２１１の上面に、複数の導電膜４７ａが形成されている。外周領域ＲＢでは、第２電極２７の上に形成された第１接続部２１１の上面に、複数の導電膜４７ｂが形成されている。外周領域ＲＢに形成された複数の導電膜４７ｂのピッチは、内側領域ＲＡに形成された複数の導電膜４７ａのピッチよりも小さい。

図７Ｂで、全面に第２マスク４６を形成する。第２マスク４６は、外周領域ＲＢに複数の開口４４４を有する。各開口４４４内で、狭ピッチの導電膜４７ｂの上面が露出する。第２マスク４６の開口４４４は、第２のめっき処理で用いた第１マスク４４の外周領域ＲＢの開口４４３とほぼ同じパターンである。

図７Ｃで、開口４４４中に、導電膜４９をめっき形成する（第３のめっき処理）。導電膜４９は、第２のめっき処理で形成した導電膜４７ｂと同じ材料でもよいし、異なる材料でもよい。この例では、導電膜４９を導電膜４７ｂと同じＡｕを用いて形成する。

図７Ｃで、第２マスク４６を剥離し、図７Ｄに示す第１バンプ２１および第２バンプ２２Ｂを形成する。内側領域ＲＡでは、第１接続部２１１の上面に第２接続部２１２を有する第１バンプ２１が形成される。外周領域ＲＢでは、第１接続部２１１の上面に第３接続部２２３を有する第２バンプ２２Ｂが形成される。第３接続部２２３は、導電膜４４ｂの厚さと導電膜４９の厚さとを合計した高さを有する。

このような変形例により、外周領域ＲＢのバンプ２２Ｂの高さを、内側領域ＲＡの第１バンプ２１の高さよりも高くして、外周領域ＲＢでの接合の信頼性を高める。

＜発光素子の実装＞
図８は、配線基板１１上への発光素子２０の実装を示す図である。発光素子２０は、内側領域ＲＡの第１バンプ２１と、外周領域ＲＢの第２バンプ２２を用いて、配線基板１１にフリップチップ実装される。第２バンプ２２は、実施形態の第２バンプ２２Ａでもよいし、変形例の第２バンプ２２Ｂでもよい。第１バンプ２１は、図４Ａ、図４Ｂ，図６Ａ、及び図６Ｂを参照して説明したように、発光素子２０側の第１接続部２１１と、配線基板１１側の複数の第２接続部２１２を有する。第２バンプ２２は、発光素子２０側の第１接続部２１１と、配線基板１１側の複数の第３接続部２１３を有する。

第１バンプ２１及び第２バンプ２２は、配線基板１１の配線パターン１４上に形成されている電極パッドと位置合わせされ、超音波融着等により配線基板１１に接合される。接合時に、第２接続部２１２と第３接続部２１３が、配線パターン１４上の電極パッドに押圧される。第２接続部２１２と第３接続部２１３は、ともに第１接続部２１１と比較してピッチまたは径が小さく、接合時に印加される荷重は比較的小さくてもよい。

各第１バンプ２１で、超音波振動による加圧と溶融で、複数の第２接続部２１２が一体となって、配線パターン１４上の電極パッドに接合される。各第２バンプ２２で、超音波振動による加圧と溶融で、複数の第３接続部２１３が一体となって、配線パターン１４上の電極パッドに接合される。

第３接続部２１３のピッチまたは接合面の面積は、第２接続部２１２のピッチまたは接合面の面積よりも小さく、接合時に第３接続部２１３は第２接続部２１２よりも潰れやすい。このため、発光素子２０の反りによって外周領域ＲＢで荷重が低下しても、第３接続部２１３と配線基板１１との間の接合は確保される。

一方、第１接続部２１１は、第２接続部２１２及び第３接続部２１３を超音波接合するための荷重ではほとんど変形せず、機械的強度と放熱効果が維持される。そのため、第２接続部２１２と第３接続部２１３が加圧溶融されても、第１バンプ２１及び第２バンプ２２で、十分な高さが維持される。

図９は、発光素子２０を実装した発光装置１０の模式図である。発光装置１０は、配線基板１１と、配線基板１１上に実装される発光素子２０と、発光素子２０と配線基板１１の間に充填される光拡散部材１６を有する。光拡散部材１６は、発光素子２０の側面と、配線基板１１の実装面の一部または全部を覆っている。

光拡散部材１６は、たとえば、光反射性または遮光性等を有する樹脂で形成される。樹脂として、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、アクリル樹脂、これらの１種以上を含むハイブリッド樹脂等を用いることができる。光反射性を付与する物質として、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、チタン酸カリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライト等が光拡散部材１６に添加されていてもよい。

発光素子２０の実装面と反対側に、透光部材１５が設けられる。透光部材１５は、発光素子２０から出射する光に対して透光性を有する材料で形成されている。透光部材１５は、発光素子２０から出射する光の一部を吸収し、発光素子２０からの光の波長とは異なる波長の光を発する蛍光体を含有してもよい。

発光素子２０は、接続部２８によって配線パターン１４上の電極に接続されている。接続部２８は、上述したように、内側領域ＲＡの第１バンプ２１と、外周領域ＲＢの第２バンプ２２を用いた接合により形成されている。

一般に、接続部２８は発光素子２０への電流注入のため発熱しやすいが、実施形態の発光素子２０では、接合面の全体にわたって表面積の大きい第１接続部２１１が用いられており、放熱効果が高い。また、第１接続部２１１は荷重による変形が少なく、接合前の形状をある程度保持しているため、接続部２８は十分な高さを有する。発光素子２０と配線基板１１との間に十分な空間が確保されるので、光拡散部材１６は接続部２８の間に入り込みやすい。これにより、発光素子２０と配線基板１１との間に光拡散部材１６を効率よく配置し、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。

発光装置１０では、発光素子２０と配線基板１１との接合の信頼性が向上し、良好な発光特性が得られる。

本発明は、上述した特定の実施例及び変形例に限定されず、種々の応用、変形が可能である。実施形態の実装方法は、基板と半導体層の熱膨張係数の相違によって反りが生じるすべての発光素子の実装に適用可能である。半導体層はＧａＮに限定されず、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を用いることができる。

発光素子２０を、個々の配線基板１１ごとに実装する替わりに、複数の実装領域を有する大面積の配線基板に、複数の発光素子２０を接合してもよい。この場合は、接合後に所定のスクライブ領域に沿って分割することで、複数の発光装置１０を切り出すことができる。

実施形態の発光装置１０は、照明用光源、各種インジケータ用光源、車載光源、ディスプレイ光源、バックライト用光源、センサ光源、信号機等、種々の光源として使用可能である。

１０発光装置
１１配線基板
１４配線パターン
１６光拡散部材
２０、２０Ａ、２０Ｂ発光素子
２１第１バンプ
２１１第１接続部
２１１ｓ端面
２１２第２接続部
２２、２２Ａ，２２Ｂ第２バンプ
２１３，２２３第３接続部
４４第１マスク
４６第２マスク
ＲＡ内側領域
ＲＢ外周領域
Ｐ１、Ｐ２ピッチ

Claims

基板を有する発光素子を配線基板に実装する実装方法であって、
前記発光素子の主面の外周領域、及び前記外周領域よりも内側の内側領域に第１接続部を複数形成する工程と、
前記内側領域に形成された複数の前記第１接続部のそれぞれの上に、前記第１接続部よりも上面積が小さい第２接続部を複数形成する工程と、
前記外周領域に形成された複数の前記第１接続部それぞれの上に、前記第２接続部よりも上面積が小さい第３接続部を複数形成する工程と、
前記発光素子を、前記第２接続部及び前記第３接続部を介して前記配線基板に接合する工程と、
を有する実装方法。
前記第３接続部のピッチを、前記第２接続部のピッチよりも小さくすることを特徴とする請求項１に記載の実装方法。
前記第１接続部１つ当たりに形成される前記第２接続部の数は、前記第１接続部１つ当たりに形成される前記第３接続部の数よりも少ないことを特徴とする請求項１または２に記載の実装方法。
前記第１接続部を第１のめっき処理により形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の実装方法。
前記第１のめっき処理の後に、前記第１接続部の上面に設けられた第１マスクを用いて、前記第２接続部と前記第３接続部を形成する第２のめっき処理を行う工程を有し、
前記第１マスクは、前記第１接続部の上面を露出する複数の開口部を有することを特徴とする請求項４に記載の実装方法。
前記第２のめっき処理の後に、前記第３接続部の上面に設けられた第２マスクを用いて、前記第３接続部の高さを前記第２接続部よりも高くする第３のめっき処理を行う工程を有し、
前記第２マスクは、前記第３接続部の上面を露出する複数の開口部を有することを特徴とする請求項５に記載の実装方法。
前記発光素子を前記配線基板に接合する工程の後に、前記発光素子と前記配線基板の間に光拡散部材を充填することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の実装方法。