JP3794987B2

JP3794987B2 - Semiconductor light emitting device

Info

Publication number: JP3794987B2
Application number: JP2002155349A
Authority: JP
Inventors: 賢司酒井; 剛司山本
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: JP2003347650A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光装置に関し、より詳細には半導体発光素子（以下、「発光素子」と記すことがる）が電極上に半田で固着された半導体発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザなどの発光素子に電流を流すと発熱し、その発熱により発光素子の発光性能が低下することがある。そこで発光素子の温度上昇を抑えて発光性能を維持するために一般に、ＡｌＮやＳｉなどの熱伝導性の高い放熱部材（基材）に発光素子を固着している。
【０００３】
図２に、従来の半導体発光装置の概説図を示す。従来の半導体発光装置では、放熱部材（基材）１の表面に形成された電極１３上に接着層としての半田層１１が蒸着されている。そして半田層１１を加熱により溶解した後、発光素子２が押し当てるように取り付けられ、半田を冷却固化させて発光素子２を電極１３上に固着させている。このような構造の半導体発光装置では、溶融した半田層１１に発光素子２を押し当てた時に、発光素子２の下面からはみ出た溶融半田が発光素子２の下面外周で盛り上がり、Ｐ−Ｎ接合分岐点に接触しショート不良やリーク不良を起こすことがあった。特に、放熱性を高めるためにＰ−Ｎ接合分岐点が基材に近くなるように発光素子を基材に固着する、いわゆるジャンクションダウンマウントを行っている装置では、Ｐ−Ｎ接合分岐点は基材からレーザダイオード素子で１〜３μｍ、青色発光ダイオード素子で２〜４μｍと至近距離にあるので前記不良が起こりやすい。また、近年の発光素子の大型化に伴い、接着強度を高くするために半田層を厚くした場合にも前記不良は起こりやすくなる。
【０００４】
このような不具合を防止するため、例えば発光素子の側面を絶縁層で被覆する、あるいは半田の蒸着量や溶融温度、発光素子の押し当て強度などを最適制御することが考えられる。しかし、前者の方法では被覆工程が新たに必要となり製造工程が複雑化する。また後者の方法では最適な固着条件とするのに多くの時間と労力を要するとともに、固着面積不足による固着強度低下および放熱性低下も懸念される。
【０００５】
また特開平６−３２６２１０号公報及び特開平６−３５０２０２号公報では、半田層としてのＡｕＳｎ層をＡｕ層上に形成し、ＡｕＳｎとＡｕとの濡れ性のよいことを利用して、溶融したＡｕＳｎ層に発光素子を押し付けたときに、発光素子下面からはみ出たＡｕＳｎが発光素子の下面外周で盛り上がらないようにする技術が提案されている。この提案技術によれば発光素子の下面外周での盛り上がりは抑えられるものの、ＡｕＳｎとＡｕとは濡れ性がよいためＡｕＳｎ層を溶融させるために加熱したときにＡｕ層の一部ＡｕがＡｕＳｎ層に侵入することがる。ＡｕＳｎ層にＡｕが侵入するとＡｕＳｎの組成比が変化するため、ＡｕＳｎの融点が変動し充分な固着強度が得られないおそれがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半田によって基材に固着された発光素子の下面外周に、不具合を生じさせるような半田の盛り上がりがなく、しかも加熱によっても半田層の組成が変化せず発光素子が基材にしっかりと固着した半導体発光装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基材の表面に形成された電極に半導体発光素子を固着した半導体発光装置において、前記電極と前記半導体発光素子との間に、前記半導体発光素子側から順に、半田層、半田との濡れ性の悪い、Ｐｔからなる第１の金属層を形成するとともに、半導体発光素子を固着していない状態の基材の平面視において、半田との濡れ性の良い、Ａｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｂｉからなる群より選択される少なくとも１つの金属からなる第２の金属層を前記第１の金属層の周縁に露出するように、且つ第１の金属層と第２の金属層の上面が同一平面内となるように形成し、前記半田層を加熱溶融して前記電極上に前記半導体発光素子を固着したことを特徴とする半導体発光装置が提供される。
【０００８】
ここで、装置構造を簡略化し生産性を上げる観点などから、前記電極の最上層を第２の金属層として用いることが推奨される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、半田と他金属との濡れ性を利用して発光素子の下面外周の半田の盛り上がりを抑えると同時に、半田の加熱溶融時の組成変化を防止できないか鋭意検討を重ねた。その結果、半田との濡れ性の悪い第１の金属層の上に半田層を形成することにより、第１の金属層が壁となって半田が溶融してもその組成に変化が生じることがないこと、また溶融した半田は第１の金属層に弾かれて第１の金属層の中央部、すなわち発光素子の下面の中央部に集まろうとするので、発光素子の下面外周付近での溶融半田の盛り上がりが抑えられることを見出し本発明をなすに至った。
【００１０】
図１に、本発明に係る半導体発光装置の一例を示す構成図を示す。放熱部材（基材）１の上面に、電極を兼ねる、半田との濡れ性の良い第２の金属層１４が蒸着により形成されている。そして、第２の金属層１４上に形成された凹部に、半田との濡れ性の悪い第１の金属層１２が、その上面が第２の金属層１４の上面と同一平面内となるように蒸着されている。これを平面視で見ると、第１の金属層１２の周縁に第２の金属層１４が露出している状態となっている。第１の金属層１２の上にさらに半田層１１が形成されている。同図（ｂ）に示すように、このような構成の装置を加熱し、半田層１１を溶融させてその上に発光素子２を載置し押圧すると、発光素子２の下面外周から溶融半田がはみ出そうとする。一方、溶融半田は第１の金属層１２に弾かれる結果、第１の金属層の中央部すなわち発光素子２の下面中央部に集まろうとする。この結果、半田層１１の半田量を好適範囲とすることにより、溶融半田に対する、発光素子２の押圧による発光素子２の下面外周への押しだし力よりも、第１の金属層１２によって弾かれる力の方が強くなり、発光素子２の下面外周での溶融半田の盛り上がりが抑えられる。もちろん半田層１１の半田量は、溶融半田の盛り上がり抑制の他、発光素子２の確実な固着という観点からも決定されるべきものであり、その量（層厚など）は第１の金属層１２の種類や発光素子の底面積などから適宜決定される。さらに、この図の装置では、たとえ発光素子２の下面外周部分に溶融半田が多量に押し出されたとしても、半田との濡れ性のよい第２の金属層１４が、その上面が第１の金属層１２の上面と同一平面内となるように第１の金属層１２の周縁に形成されているので、はみ出た溶融半田は第１の金属層１２の側面を流下することなく第２の金属層１４の表面上を滑らかに流動する。このため、発光素子２の下面外周で半田が盛り上がりを形成することは完全に防止される。また第２の金属層１４と半田層１１とは第１の金属層１２により隔離されているので、第２の金属層１４の成分が半田層１１に加熱時に侵入することはない。
【００１１】
ここで本発明で使用できる半田としては特に限定はなく、従来公知のものが使用でき、ＡｕＳｎ，ＡｇＳｎ，ＰｂＳｎ，ＺｎＡｌ，ＳｎＺｎ，ＺｎＳｎ，ＺｎＣｄ，ＳｎＰｂＢｉＩｎ，ＳｎＢｉからなる群より選択されるものが好ましい。中でもＡｕＳｎが好ましい。また半田層は従来公知の方法により形成でき、例えば蒸着やスパッタリング、スクリーン印刷などにより形成する。半田層の好適な層厚としては１〜５μｍの範囲である。また、第１の金属層としては半田の種類を問わずＰｔを用いる。
【００１２】
本発明で使用する基材としては特に限定はなく、発光素子がレーザダイオード素子である場合には放熱部材やサブマウントが、また発光素子が発光ダイオード素子である場合にはチップ基板がそれぞれ本発明における基材に該当する。
【００１３】
本発明で使用する第２の金属層としては、Ａｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｂｉからなる群より選択される少なくとも１つの金属からなるものを用いる。
【００１４】
もちろん、第１の金属層および第２の金属層の種類は、使用する半田の種類から適宜決定される。表１に好適な組み合わせ例を示す。前記の通り、第１の金属層としては半田の種類を問わずＰｔを用いる。またこれらの組み合わせの中でも、基材上に形成する電極を第２の金属層として使用でき、また汎用性のあることから、半田層：ＡｕＳｎ、第１の金属層：Ｐｔ、第２の金属層：Ａｕの組み合わせが特に好ましい。これらの金属層は蒸着やスパッタリングなど従来公知の薄膜形成方法により形成される。また第１の金属層の層厚は、電極や第２の金属層の成分が半田層へ侵入するのを防止する役割も果たすので、Ｐｔを用いる場合には少なくとも０．１〜０．５μｍ程度の層厚が必要である。第２の金属層の層厚についても特に限定はなく通常数μｍ程度で足りる。
【００１５】
【表１】

【００１６】
【発明の効果】
本発明の半導体発光装置では、基材の表面に形成された電極と半導体発光素子との間に、半導体発光素子側から順に、半田層、半田との濡れ性の悪い第１の金属層を形成するとともに、半導体発光素子を固着していない状態の基材の平面視において、半田との濡れ性の良い第２の金属層を第１の金属層の周縁に露出するように、且つ第１の金属層と第２の金属層の上面が同一平面内となるように形成したので、溶融した半田は第１の金属層から第２の金属層へと円滑に流動する。これにより、半田層の層厚などを厳密に調整することなく、発光素子を基材に押圧したときの溶融半田の盛り上がりを確実に抑えられる。
【００１７】
さらに電極の最上層を第２の金属層として用いると、積層構造を簡略化でき生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光装置の一例を示す断面図である。
【図２】従来の半導体発光装置の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１放熱部材（基材）
２発光素子
３サブマウント（基材）
４発光素子
１１半田層
１２第１の金属層
１３電極
１４第２の金属層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device in which a semiconductor light emitting element (hereinafter, referred to as “light emitting element”) is fixed on an electrode by solder.
[0002]
[Prior art]
When a current is passed through a light emitting element such as a semiconductor laser, heat is generated, and the light emission performance of the light emitting element may deteriorate due to the generated heat. Therefore, in order to suppress the temperature rise of the light emitting element and maintain the light emitting performance, the light emitting element is generally fixed to a heat radiating member (base material) having high thermal conductivity such as AlN and Si.
[0003]
FIG. 2 shows a schematic diagram of a conventional semiconductor light emitting device. In a conventional semiconductor light emitting device, a solder layer 11 as an adhesive layer is deposited on an electrode 13 formed on the surface of a heat dissipation member (base material) 1. After the solder layer 11 is melted by heating, the light emitting element 2 is attached so as to be pressed against it, and the solder is cooled and solidified to fix the light emitting element 2 on the electrode 13. In the semiconductor light emitting device having such a structure, when the light emitting element 2 is pressed against the melted solder layer 11, the molten solder protruding from the lower surface of the light emitting element 2 rises on the outer periphery of the lower surface of the light emitting element 2, and the PN junction branching occurs. There was a case where a short-circuit failure or leak failure occurred due to contact with a point. In particular, in a device performing a so-called junction down mount in which a light emitting element is fixed to a base material so that the PN junction branch point is close to the base material in order to improve heat dissipation, the PN junction branch point is a base point. The above-mentioned defects are likely to occur because the distance from the material is 1 to 3 μm for the laser diode element and 2 to 4 μm for the blue light emitting diode element. In addition, with the recent increase in size of light-emitting elements, the above-described defects are likely to occur even when the solder layer is thickened to increase the adhesive strength.
[0004]
In order to prevent such problems, for example, it is conceivable to cover the side surface of the light emitting element with an insulating layer, or to optimally control the solder deposition amount, melting temperature, light emitting element pressing strength, and the like. However, the former method requires a new coating process, which complicates the manufacturing process. Further, in the latter method, it takes a lot of time and labor to obtain the optimum fixing condition, and there is a concern that the fixing strength and heat dissipation may be reduced due to insufficient fixing area.
[0005]
In JP-A-6-326210 and JP-A-6-350202, an AuSn layer as a solder layer is formed on an Au layer, and the melted AuSn is utilized by utilizing the good wettability between AuSn and Au. There has been proposed a technique for preventing AuSn protruding from the lower surface of the light emitting element from rising on the outer periphery of the lower surface of the light emitting element when the light emitting element is pressed against the layer. According to this proposed technique, although the swell at the outer periphery of the lower surface of the light emitting element can be suppressed, AuSn and Au have good wettability, so when heated to melt the AuSn layer, a part of the Au layer becomes AuSn layer. Can invade. When Au intrudes into the AuSn layer, the composition ratio of AuSn changes, so that the melting point of AuSn fluctuates and there is a possibility that sufficient fixing strength cannot be obtained.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such a conventional problem. The object of the present invention is to swell the solder so as to cause defects on the outer periphery of the lower surface of the light emitting element fixed to the base material by solder. Furthermore, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device in which the composition of the solder layer is not changed by heating and the light emitting element is firmly fixed to the substrate.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, in the semiconductor light emitting device in which the semiconductor light emitting element is fixed to the electrode formed on the surface of the base material, the solder layer, in order from the semiconductor light emitting element side, between the electrode and the semiconductor light emitting element, A first metal layer made of Pt that has poor wettability with solder is formed, and Au, Sn, which has good wettability with solder in a plan view of the substrate in a state where the semiconductor light emitting element is not fixed. A second metal layer made of at least one metal selected from the group consisting of Ag, Pb, Zn, Al, Cd, In, Bi is exposed to the periphery of the first metal layer , and Provided is a semiconductor light emitting device characterized in that the upper surface of the metal layer and the second metal layer are formed in the same plane, the solder layer is heated and melted, and the semiconductor light emitting element is fixed onto the electrode. Is done.
[0008]
Here, it is recommended to use the uppermost layer of the electrode as the second metal layer from the viewpoint of simplifying the device structure and increasing productivity.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The inventors of the present invention made extensive studies on whether or not the composition change at the time of heating and melting of the solder can be prevented while suppressing the swelling of the solder on the outer periphery of the lower surface of the light emitting element by utilizing the wettability between the solder and another metal. As a result, when the solder layer is formed on the first metal layer having poor wettability with the solder, even if the first metal layer becomes a wall and the solder melts, the composition may change. In addition, the molten solder is bounced by the first metal layer and tries to gather at the center of the first metal layer, that is, the center of the lower surface of the light emitting element. It has been found that solder bulge can be suppressed, and has led to the present invention.
[0010]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a semiconductor light emitting device according to the present invention. A second metal layer 14 that also serves as an electrode and has good wettability with solder is formed on the upper surface of the heat dissipation member (base material) 1 by vapor deposition. Then, the first metal layer 12 having poor wettability with solder is placed in the recess formed on the second metal layer 14 so that the upper surface thereof is in the same plane as the upper surface of the second metal layer 14. Vapor deposited. When viewed in a plan view, the second metal layer 14 is exposed at the periphery of the first metal layer 12. A solder layer 11 is further formed on the first metal layer 12. As shown in FIG. 2B, when the apparatus having such a configuration is heated to melt the solder layer 11 and the light emitting element 2 is placed and pressed thereon, the molten solder is applied from the outer periphery of the lower surface of the light emitting element 2. Try to stick out. On the other hand, as a result of the molten solder being repelled by the first metal layer 12, the molten solder tends to gather at the center of the first metal layer, that is, at the center of the lower surface of the light emitting element 2. As a result, by setting the solder amount of the solder layer 11 within a suitable range, the force that is pushed by the first metal layer 12 rather than the pushing force to the outer periphery of the lower surface of the light emitting element 2 due to the pressing of the light emitting element 2 against the molten solder Thus, the rise of molten solder on the outer periphery of the lower surface of the light emitting element 2 is suppressed. Of course, the solder amount of the solder layer 11 should be determined from the viewpoint of suppressing the rise of the molten solder and also securing the light emitting element 2, and the amount (layer thickness, etc.) is determined by the first metal layer 12. It is determined as appropriate from the type of the light emitting device and the bottom area of the light emitting element. Further, in the apparatus of this figure, even if a large amount of molten solder is extruded to the outer peripheral portion of the lower surface of the light emitting element 2, the second metal layer 14 having good wettability with the solder is formed on the upper surface of the first metal. Since it is formed at the periphery of the first metal layer 12 so as to be in the same plane as the upper surface of the layer 12 , the overflowing molten solder does not flow down the side surface of the first metal layer 12, and the second metal layer 14 smoothly flows on the surface. For this reason, it is possible to completely prevent the solder from forming a bulge on the outer periphery of the lower surface of the light emitting element 2. Further, since the second metal layer 14 and the solder layer 11 are separated by the first metal layer 12, the components of the second metal layer 14 do not enter the solder layer 11 during heating.
[0011]
Here, the solder that can be used in the present invention is not particularly limited, and a conventionally known solder can be used. A solder selected from the group consisting of AuSn, AgSn, PbSn, ZnAl, SnZn, ZnSn, ZnCd, SnPbBiIn, and SnBi is preferable. . Of these, AuSn is preferable. The solder layer can be formed by a conventionally known method, for example, vapor deposition, sputtering, or screen printing. A suitable layer thickness of the solder layer is in the range of 1 to 5 μm. Further, Pt is used as the first metal layer regardless of the type of solder.
[0012]
The base material used in the present invention is not particularly limited. When the light emitting element is a laser diode element, the heat dissipation member and the submount are used. When the light emitting element is a light emitting diode element, the chip substrate is used. It corresponds to the base material in.
[0013]
As the second metal layer used in the present invention, a layer made of at least one metal selected from the group consisting of Au, Sn, Ag, Pb, Zn, Al, Cd, In, and Bi is used.
[0014]
Of course, the types of the first metal layer and the second metal layer are appropriately determined from the type of solder used. Table 1 shows suitable combination examples. As described above, Pt is used for the first metal layer regardless of the type of solder. Among these combinations, the electrode formed on the substrate can be used as the second metal layer, and since it is versatile, the solder layer: AuSn, the first metal layer: Pt, and the second metal layer : Au combination is particularly preferred. These metal layers are formed by a conventionally known thin film forming method such as vapor deposition or sputtering. The thickness of the first metal layer also serves to prevent the components of the electrode and the second metal layer from entering the solder layer. Therefore, when Pt is used, it is at least about 0.1 to 0.5 μm. Is required. The layer thickness of the second metal layer is not particularly limited, and is usually about several μm.
[0015]
[Table 1]

[0016]
【The invention's effect】
In the semiconductor light emitting device of the present invention, a solder layer and a first metal layer having poor wettability with solder are formed in this order from the semiconductor light emitting element side between the electrode formed on the surface of the substrate and the semiconductor light emitting element. In addition, in a plan view of the base material in a state where the semiconductor light emitting element is not fixed, the first metal layer is exposed to the periphery of the first metal layer so that the second metal layer having good wettability with the solder is exposed. Since the upper surfaces of the metal layer and the second metal layer are formed in the same plane, the molten solder smoothly flows from the first metal layer to the second metal layer . Thus, the rise of the molten solder can be reliably suppressed when the light emitting element is pressed against the base material without strictly adjusting the layer thickness of the solder layer.
[0017]
Further, when the uppermost layer of the electrode is used as the second metal layer, the laminated structure can be simplified and the productivity can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor light emitting device of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a conventional semiconductor light emitting device.
[Explanation of symbols]
1 Heat dissipation member (base material)
2 Light emitting element 3 Submount (base material)
4 Light-Emitting Element 11 Solder Layer 12 First Metal Layer 13 Electrode 14 Second Metal Layer

Claims

In the semiconductor light emitting device in which the semiconductor light emitting element is fixed to the electrode formed on the surface of the substrate,
Between the electrode and the semiconductor light emitting element, a solder layer and a first metal layer made of Pt having poor wettability with solder are formed in this order from the semiconductor light emitting element side, and the semiconductor light emitting element is fixed. In a plan view of the base material in a state where it has not been removed, the first substrate made of at least one metal selected from the group consisting of Au, Sn, Ag, Pb, Zn, Al, Cd, In, and Bi, which has good wettability with solder. And forming the first metal layer and the second metal layer so that the upper surfaces of the first metal layer and the second metal layer are in the same plane, and the solder layer is heated and melted. A semiconductor light emitting device, wherein the semiconductor light emitting element is fixed on the electrode.

The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein an uppermost layer of the electrode is used as the second metal layer.