JP3140595U - 発光半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で、封止サイズが小さく、相対的な混色効率が優れた高効率の発光半導体素子を提供すること。
【解決手段】
封止基板と、前記封止基板上に実装されるとともに、電気的に接続されている複数のフリップチップと、前記封止基板を載置するための突起部を有している熱伝導性基板と、
前記突起部を中に嵌着するための開口部を有し、しかも前記封止基板を電気的に接続するための複数のコンタクトを有している絶縁性板材と、を備えたことを特徴とする発光半導体素子。
【選択図】図１Ａ

Description

本考案は発光半導体素子に関し、特に赤、緑、青（ＲＧＢ）の三色チップの混色発光を有する発光半導体素子に関する。

発光半導体素子は消費電力が低く、発熱量が低く、動作寿命が長く、耐衝撃性に優れ、小型で、反応速度が速く、水銀を含まず、しかも安定した波長の色光を発することができるなどといった優れた光電特性を備えており、光電科学技術の進歩に伴って、発光半導体素子は、発光効率の向上、寿命および輝度などの方面において著しく進歩してきており、すでに次世代の光源におけるもっとも好ましい選択肢の一つとなっている。

白色発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）素子を例にとれば、従来の封止設計においてはワイヤボンディング（Ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）でチップを直列に接続している。しかしながら、製造工程における制約により、チップとチップとの間にはワイヤボンディング用の距離を持たせなければならず、混色が不均一になる現象や、光ずれまたは色ずれの問題が生じていた。更に、チップの直列接続の設計は、通常、逆方向バイアス電圧が大きすぎるという問題があり、そして例えば、発光ダイオード素子モジュールの外縁にツェナーダイオード（Ｚｅｎｅｒ ｄｉｏｄｅ）などの静電気帯電（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）の防護素子といった逆方向電圧の防護設計を、発光ダイオード素子の封止構造における側辺に別途付加しなければならないため、封止構造の大型化を招き、チップアレイにて構成できる構造体の数量に限りがあった。

したがって、構造が簡単で、封止サイズが小さく、相対的な混色効率が優れた高効率の発光半導体素子を提供する必要がある。

上記課題を解決するための本考案は、封止基板（Ｓｕｂｍｏｕｎｔ）と、複数のフリップチップと、熱伝導性基板と、絶縁性板材とを備えている発光半導体素子である。このうち前記複数のフリップチップは、封止基板上に実装されるとともに電気的に接続されている。熱伝導性基板は、封止基板を載置するための突起部を備えている。絶縁性板材は、突起部を中に嵌着するための開口部を有し、しかも封止基板に電気的に接続する複数のコンタクトを有している。

上記した実施例によれば、本考案の技術的特徴は、従来技術においてワイヤボンディング工程を用いたマルチチップ発光半導体封止体の代わりに、フリップチップ接合技術で発光半導体チップを封止した点である。これにより、チップ配列の間隔を効果的に短縮して、発光半導体チップの間における混色効果を高めている。更に高熱伝導性基板と回路とを分離した設計により、封止基板の単位面積当たりにおけるチップのアレイ数量（容量）を更に向上させることができる。より高い効率の混色要求を達成するために、封止基板上に静電気防護素子を配設したとしても、封止構造が著しく大型化することはなく、製品の信頼性を大幅に向上させることができる。

本考案の上記およびその他目的、特徴、長所および実施例をより明確に理解できるよう、好ましい実施例として、発光ダイオード素子の製造方法を提示して、説明を行う。ただし、注意すべきは、下記にて開示する技術的特徴は、例えば高効率の発光ダイオードチップまたはレーザダイオードチップといったその他の発光半導体素子にも適用することができるということである。

図１Ａおよび図１Ｂを参照する。図１Ａは、本考案に係る好ましい実施例として示す発光ダイオード素子１００の構造分解図である。図１Ｂは、図１Ａに示す発光ダイオード素子１００の構造断面図である。発光ダイオード素子１００は、封止基板１０１と、複数のフリップチップ接合の発光ダイオードチップ１０２と、熱伝導性基板１０３と、絶縁性板材１０４とを備えている。

これら発光ダイオードチップ１０２は、フリップチップ接合工程により封止基板１０１上に実装されるとともに電気的に接続されている。そしてこれら発光ダイオードチップ１０２は、対称配列の方式で封止基板１０１上に実装されるとともに電気的に接続されるのが好ましい。本実施例において、発光ダイオードチップ１０２はマス目状のマトリクス配列の方式で封止基板１０１上に実装されるとともに電気的に接続されている。このうち、中央位置に配置されているのは、青色発光ダイオードチップＢであり、青色発光ダイオードチップＢに隣接する周囲の位置には、緑色発光ダイオードチップＧが配設されている。残りの位置は赤色発光ダイオードチップＲで埋められている。

本考案における一部の実施例においては、発光ダイオード素子１００は、複数本のリード線１０８が内蔵されているシリコン基板であり、このリード線１０８の各々の一端にはボンディングパッド１０９が接続されており、他端は封止基板１０１の縁まで延伸して、外部素子に電気的に接続されるコンタクトまたははんだ接合点を形成している。発光ダイオードチップ１０２の各々は、複数のバンプ１１５により、封止基板１０１のボンディングパッド１０９上に固着されるとともに電気的に接続されている。

熱伝導性基板１０３は、電気めっき処理が施されているアルミニウム基板であるのが好ましい。熱伝導性基板１０３は、封止基板１０１を載置するための突起部１０５を備えている。本実施例において封止基板１０１は、共晶の融合（Ｅｕｔｅｃｔｉｃ）工程により、発光ダイオードチップ１０２が固着されていない側で熱伝導性基板１０３に溶着されている。

絶縁性板材１０４は、少なくとも一本の内部接続線１１０が内蔵されているセラミック基板であるのが好ましい。このセラミック基板は、封止基板１０１を載置する突起部１０５を、その中に嵌着するための開口部１０６を有している。前記絶縁性板材１０４における内部接続線１１０の各々の一端は、開口部１０６の縁に隣接しているとともに、そこで外に露出してコンタクト１０７を形成し、封止基板１０１のリード線１０８に電気的に接続されている。内部接続線１１０の他端は絶縁性板材１０４の縁にまで露出するように延伸し、外部の電子素子１１２に電気的に接続するためのボンディングパッド１１１を形成している。例えば本考案の一部の実施例においては、外部の電子素子１１２は、発光ダイオードチップ１０２を駆動するに必要な電力を提供するためのパワーサプライである。

また、本実施例における発光ダイオード素子１００は、封止基板１０１を囲んで選択的に使用される混色カップ１１３を備えることができる。図１Ａにおける発光ダイオード素子１００の構造平面図である図１Ｃを参照する。図１Ｃにおいて、混色カップ１１３の内側の側壁は、マルチ反射面の光学的設計を組み合わせて、発光ダイオードチップ１０２が出射した各色の色光を充分に混合させて、より優れた光学的効果を生み出すように、複数の反射鏡１１４を備えている。

発光ダイオードチップ１０２は、フリップチップ接合技術により封止基板１０１の上に実装されているので、各々の発光ダイオードチップ１０２の間隔を大幅に短縮でき、各々の発光ダイオードチップ１０２の混色効果を高めることができるばかりでなく、封止基板１０１の単位面積当たりにおけるチップアレイの数量を増加させることができる。加えて、混色カップ１１３の相乗効果により、発光ダイオード素子１００の発光効率を著しく向上させることができる。

本考案に係る他の実施例に示す発光ダイオード素子２００の構造断面図である図２を参照する。図２の発光ダイオード素子２００の構造は、図１の発光ダイオード素子１００（同じ構成要素には同じ符号で図示してある）に近似しており、両者の相違点は、発光ダイオード素子２００では、表面実装工程により、封止基板上に実装される少なくとも一つの発光ダイオードチップ２１５を更に備えているところである。本実施例において、発光ダイオードチップ２１５は、対称配列されている発光ダイオードチップ１０２の外周に隣接している。発光ダイオードチップ２１５が対称配列されているチップアレイの縁に設けられているので、複数本のボンディングワイヤ２１６により絶縁性板材１０４上のコンタクト１０７が直接電気的に接続することができ、このような配線方式では多くの配線が空間を占めてしまうことはないので、光混合効果とチップアレイの製造工程の設計における柔軟性、そして、コストの考慮を兼ねることができる。

上記した実施例によれば、本考案の技術的特徴は、従来技術においてワイヤボンディング工程を用いたマルチチップ発光半導体封止体の代わりに、フリップチップ接合技術で発光半導体チップを封止していることである。これにより、チップ配列の間隔を効果的に短縮して、発光半導体チップの間における混色効果を高めることができるばかりでなく、封止基板の単位面積当たりにおけるチップアレイの容量を増加させることができる。加えて、高熱伝導性基板と絶縁性板材を用いた熱電分離設計により、発光ダイオード素子の放熱効果を大幅に高めるだけでなく、封止基板の小型化の要求を満たすことができる。よって、より高い効率の混色要求を達成するために、封止基板上に静電気防護素子を配設したとしても、封止構造が著しく大型化することはなく、製品の信頼性を大幅に向上させることができる。更には、混色カップのマルチ反射面の光学的設計を組み合わせて、発光ダイオードチップが出射した各色の色光を一回で充分に混合させて、より優れた光学的効果を生み出している。

上記のように、本考案の好ましい実施例を具体的に開示したが、これは本考案を限定するためのものではない。当業者であれば、本考案の技術的思想および範囲を逸脱することなく、各種の変更および付加を行うことができ、本考案の保護範囲は、実用新案登録請求の範囲により定められるべきである。

本考案に係る好ましい実施例として示す発光ダイオード素子の構造分解図である。 図１Ａに示す発光ダイオード素子に係る構造断面図である。 図１Ａにおける発光ダイオード素子の構造平面図である。 本考案に係る他の実施例に示す発光ダイオード素子の構造断面図である。

符号の説明

１００ … … 発光ダイオード素子
１０１ … … 封止基板
１０２ … … 発光ダイオードチップ
１０３ … … 熱伝導性基板
１０４ … … 絶縁性板材
１０５ … … 突起部
１０６ … … 開口部
１０７ … … コンタクト
１０８ … … リード線
１０９ … … ボンディングパッド
１１０ … … 内部接続線
１１１ … … ボンディングパッド
１１２ … … 外部の電子素子
１１３ … … 混色カップ
１１４ … … 反射鏡
１１５ … … バンプ
２００ … … 発光ダイオード素子
２１５ … … 発光ダイオードチップ
２１６ … … ボンディングワイヤ
Ｂ … … 青色発光ダイオードチップ
Ｇ … … 緑色発光ダイオードチップ
Ｒ … … 赤色発光ダイオードチップ

Claims (10)

1. 封止基板と、
   前記封止基板上に実装されるとともに、電気的に接続されている複数のフリップチップと、
   前記封止基板を載置するための突起部を有している熱伝導性基板と、
   前記突起部を中に嵌着するための開口部を有し、しかも前記封止基板を電気的に接続するための複数のコンタクトを有している絶縁性板材と、
   を備えたことを特徴とする発光半導体素子。
2. 前記フリップチップが、発光ダイオードチップ、高効率の発光ダイオードチップ、レーザダイオードチップおよび前記任意の組み合わせからなる群から選ばれるものであることを特徴とする請求項１に記載の発光半導体素子。
3. 前記熱伝導性基板が、電気めっき処理が施されているアルミニウム基板、または共晶の融合（Ｅｕｔｅｃｔｉｃ）工程により前記アルミニウム基板に結合されている、ことを特徴とする請求項１に記載の発光半導体素子。
4. 前記封止基板がシリコン基板である、ことを特徴とする請求項１に記載の発光半導体素子。
5. 前記封止基板が、
   複数のバンプにより、前記複数のフリップチップを前記封止基板上に固着するとともに電気的に接続する複数のボンディングパッドと、
   各々の一端が前記複数のボンディングパッドのいずれかに接続され、他端が前記複数のコンタクトのいずれかに接続されている複数本のリード線と、
   を備えた、ことを特徴とする請求項１に記載の発光半導体素子。
6. 前記複数のフリップチップが、対称配列の方式で、前記封止基板の上に実装されるとともに電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の発光半導体素子。
7. 前記封止基板上に実装されるとともに、前記複数のフリップチップの外周に隣接しており、複数本のボンディングワイヤにより前記コンタクトにそれぞれ電気的に接続されている少なくとも一つの表面実装チップを更に備えた、ことを特徴とする請求項５に記載の発光半導体素子。
8. 前記複数のコンタクトが、前記絶縁性板材中における複数本の内部接続線により、外部の電子素子にそれぞれ電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項７に記載の発光半導体素子。
9. 前記外部の電子素子が、発光半導体素子を駆動するに必要な電力を提供するためのパワーサプライである、ことを特徴とする請求項８に記載の発光半導体素子。
10. 内側内壁が複数の反射鏡を有し、前記封止基板を囲んでいる混色カップを更に備えた、ことを特徴とする請求項１に記載の発光半導体素子。

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