JP3965777B2 - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップ型の半導体発光装置に係り、特に半導体発光素子をサブマウント素子にチップ接合させて複合素子化しこのサブマウント素子によって機能改善を可能とした半導体発光装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
GaN,GaAlN,InGaN及びInAlGaN等のGaN系化合物半導体を利用した青色発光の半導体発光素子は、結晶基板として一般的には絶縁性のサファイアが利用される。このような絶縁性の基板を用いるものでは、基板とは反対側の面にp側及びn側の電極がそれぞれ形成される。そして、このことを利用して、各電極をマイクロバンプを介してリードフレームの搭載面に搭載して接合するフリップチップ型のものが既に知られている。このフリップチップ型とする場合では、基板側を主光取出し面としたLEDランプやチップLEDの発光装置が得られる。
【0003】
ところが、サファイア等の絶縁性の基板の上に化合物半導体層を積層したものでは、素子材料のたとえば誘電率εなどの物理定数や素子構造に起因して、静電気に対して非常に弱いことが従来から知られている。たとえば、LEDランプと静電気がチャージされたコンデンサとを対向させて両者間に放電を生じさせたとき、順方向でおよそ100Vの静電圧で、逆方向ではおよそ30Vの静電圧で破壊されてしまう。
【0004】
これに対し、静電気等の過電流による発光素子の破壊を防止するためには、Siダイオードを利用した静電気保護素子を備えることが有効である。この静電気保護素子は、本願出願人が先に提案して特願平9−18782号として既に出願した明細書及び図面に記載のものが適用できる。これは、n型のシリコン基板を基材としたSiダイオードを発光素子と逆極性の関係になるように導通をとりながら接続した構成としたものである。
【0005】
このようなSiダイオードとともに発光素子を複合素子化する発光装置の製造は、Siダイオードをウエハーとして形成しておき、このウエハー上に発光素子を搭載していくというものであり、図6に従来の製造工程の概略を順に示す。
【0006】
まず、フリップチップ型の発光素子51のp側及びn側の電極に予めマイクロバンプ51a,51bを形成したものを準備する。一方、表面にp側及びn側の電極のパターンを形成済みのSiダイオードウエハー52を加工装置のステージ上に位置決めして載せておく。
【0007】
次いで、フリップチップ型の発光素子51をそのp側及びn側の電極のマイクロバンプ51a,51bのそれぞれを、Siダイオードウエハー52のn側及びp側の電極に逆極性となる関係として搭載する。この発光素子51の搭載は1個ごとについて行われ、超音波,熱及び荷重の負荷によってマイクロバンプ51a,51bを溶着することによって発光素子51がチップ接合される。Siダイオードウエハー52の全面に対してチップ接合が完了すると、それぞれ1個の発光素子51を上面に含むようにSiダイオードウエハー52をダイサー53によってダイシングし、これによってSiダイオード54の上に発光素子51を搭載した静電気保護対応の複合素子が得られる。
【0008】
このSiダイオード54と発光素子51との複合素子は、リードフレーム55aのマウント部55bに搭載され、Siダイオード54の下面に形成されているn電極をこのマウント部55bに導通させる。そして、Siダイオード54の上面のp側電極を他方のリード55cとワイヤ55dによってボンディングするとともに、エポキシ樹脂55eによって全体を被覆することで、図示の形状のLEDランプ55を得ることができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、マイクロバンプ51a,51bを予め形成した発光素子51をSiダイオードウエハー52に搭載してチップ接合する工程は、発光素子51の1個ずつについて行われるので、この工程に要する時間がかなり長くなる。すなわち、発光素子51の搭載の工程は、この発光素子51をピックアップしてSiダイオードウエハーの電極パターンに合わせて位置決めする工程と、これに続いて超音波,加熱及び荷重の負荷を加えながら接合する工程となるので、1個の発光素子51については3秒程度の時間が必要となる。そして、生産性を向上させるために、1枚のSiダイオードウエハー52にたとえば3万個程度の発光素子51を搭載できるようにしたものが多用されているので、このような多数の発光素子51の搭載完了までには24時間以上を費やすことになる。
【0010】
このように、従来の製造方法では、1個の発光素子51を単位としてSiダイオードウエハー52上に搭載する操作であるため、後工程のダイサー53によるダイシングの時間まで含めると、工程時間が長くなり、生産性への影響は無視できない。
【0011】
また、近来では、発光装置は小型化が設計面での重要な課題であり、1個の発光素子の寸法形状の小型化が進んでいる。したがって、図6のように発光素子51の1個の単体を対象とする製造工程では、発光素子51が小さいためそのハンドリングに困難さが残り、組み立て精度にも影響する。
【0012】
本発明において解決すべき課題は、発光素子をたとえば静電気保護対応のためのサブマウント素子等と複合素子化するに際して工程時間を短縮し発光素子のハンドリングも向上させ得る半導体発光装置の製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置の製造方法は、透明基板の上に半導体薄膜層を積層するとともにこの積層膜の表面側にp側及びn側の電極をそれぞれ形成した半導体発光素子が、2つ以上の電極を持つサブマウント素子としてのSiダイオード上に搭載接合された半導体発光装置の製造方法であって、ウエハーに前記Siダイオードの電極パターンを格子状に形成するとともに、当該Siダイオードの電極パターンを、ある行のパターンと次の行のパターンとが鏡面対称か回転対称の関係となるように形成し、前記ウエハーのSiダイオードの電極パターンの前記関係に対応させて、2行に形成された複数の半導体発光素子を、前記Siダイオードの電極パターンと一致するように、1行目のパターンと2行目のパターンとが互いに鏡面対称か回転対称かのいずれかの関係となるように形成し、前記複数の半導体発光素子が形成されたウエハー片を、前記ウエハーのSiダイオード上の電極パターンに合わせて搭載接合した後、前記ウエハー片の複数の半導体発光素子のそれぞれが単体に分離されるように前記ウエハー片及び前記ウエハーを同時にダイシングすることを特徴とする。
【0014】
このような構成では、半導体発光素子のパターンを複数形成したウエハー片を単位としてサブマウント素子のウエハー上に搭載して接合するので、1個ずつの半導体発光素子をチップ接合するのに比べると、チップ接合時間の工程が大幅に短縮できるとともに、小型チップのハンドリングも容易にすることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
本願の第1の発明は、透明基板の上に半導体薄膜層を積層するとともにこの積層膜の表面側にp側及びn側の電極をそれぞれ形成した半導体発光素子が、2つ以上の電極を持つサブマウント素子上に搭載接合された半導体発光装置の製造方法であって、ウエハーに前記サブマウント素子のパターンを行列状に形成し、前記ウエハーのサブマウント素子のパターンに対応して複数の半導体発光素子を行列状に形成したウエハー片を前記ウエハーの上に電極パターンの行列に合わせて搭載接合した後、前記ウエハー片の複数の半導体発光素子のそれぞれが単体に分離されるように前記ウエハー片及び前記ウエハーを同時にダイシングするものであり、サブマウント素子のパターンを形成したウエハー上に複数のパターンを持つウエハー片を同時にチップ接合するので、工程時間を短縮できるとともに、小型チップのハンドリングを容易にするという作用を有する。
【0016】
本願の第2の発明は、前記ウエハー片に形成する半導体発光素子のパターンは、1または2行に格子配列され、この格子配列を前記ウエハーのサブマウント素子の行列に整合させてダイシングする第1の発明の半導体発光装置の製造方法であり、発光素子よりも大きなサブマウント素子上に接合させる場合、複数の発光素子から成るウエハー片を1行又は2行のブロックに制限することにより、第1の発明の工法が可能になるという作用を有する。
【0017】
本願の第3の発明は、前記ウエハーに形成されるサブマウント素子のパターンは、ある行のパターンと次の行のパターンとが鏡面対称か回転対称の関係にある第1の発明または第2の発明の半導体発光装置の製造方法であり、複数の発光素子から成るウエハー片が2行の場合に、ウエハーに形成されるサブマウント素子のパターンの各行を鏡面対称か回転対称とすることにより、発光素子をそれよりも大きなサブマウント素子上に接合させる上記工法が可能になるという作用を有する。
【0018】
本願の第4の発明は、前記ウエハー片に形成する半導体発光素子のパターンは、2行に形成され、1行目のパターンは2行目のパターンと互いに鏡面対称か回転対称の関係にある第3の発明の半導体発光装置の製造方法であり、この場合も、上記理由により上記工法が可能になるという作用を有する。
【0019】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の製造方法によって得られる静電気保護対応のサブマウント素子とともに複合化した発光素子を備えたLEDランプの例であって、同図の(a)は平面図、同図の(b)は縦断面図である。なお、最終的に得られるLEDの構造は、図6の例で示したものとほぼ同様であるが、ここでは発光素子とSiダイオードの平面形状の大きさの関係を示すために、改めて説明するものとする。
【0020】
図1において、リードフレーム21の一方のリード21aのマウント部21bの上に、静電気保護用のサブマウント素子としてのSiダイオード1と発光素子2とを順に重合させた状態で搭載している。発光素子2は透明基板2aを上方に向けてこれを光取出し面とし、Siダイオード1の上面と向かい合う面にp側電極及びn側電極(後述)を形成したものである。
【0021】
Siダイオード1はたとえばn型シリコン基板を利用したもので、その下面にn電極1aを形成して導電性ペースト等を介してマウント部21bに導通搭載される。そして、Siダイオードの上面にはp側電極及びn側電極(後述)を形成し、発光素子2のp側及びn側の電極を逆極性として搭載接合し、p側電極にはワイヤ22をボンディングして他方のリード21cに導通させている。なお、Siダイオード1のn型シリコン基板には、上面を向く部分の一部にp型不純物を注入してp型半導体領域を拡散形成し、このp型半導体領域に対応して電極を接合することによって、これをp側電極とすることができる。
【0022】
このようにSiダイオード1の上に半導体発光素子2を導通搭載して複合素子化することによって、Siダイオード1による発光素子2の静電気保護が得られ、エポキシ樹脂23によって封止することで、図6の例と同様のLEDランプ24が得られる。
【0023】
図2は本発明の製造方法に用いる発光素子2のウエハー片の詳細であって、同図の(a)は平面図、同図の(b)は同図(a)のA−A線矢視による縦断面図である。
【0024】
図6に示した発光素子51はその1個が単位となってSiダイオードウエハー52の電極パターンの上に搭載してチップ接合するというものであった。これに対し、本発明の製造方法では、図2に示すように1個のウエハー片3に6個の発光素子2のパターンを形成しておき、このウエハー片3をSiダイオードのウエハー上に搭載することで、1回の操作で6個の発光素子2のチップ接合を実行させる。
【0025】
すなわち、ウエハー片3は透明基板3aの上にGaN系の半導体薄膜を積層形成したウエハーを、ダイシング又はスクライブによって図2の(a)に示す平面形状となるように分割加工したものである。そして、図において点線で示すX−X,Y−Y,Z−Zの線分によって6個に区画される部分のそれぞれに発光素子2のパターンが形成されている。この発光素子2のパターンは、従来のGaN系のフリップチップ型のものと同様に、p型層及びn型層のそれぞれにp側電極2b及びn側電極2cを蒸着法によって形成し、これらのp側及びn側の電極2b,2cにマイクロバンプ2d,2eを形成したものである。そして、同図の(a)において、線分X−Xの下側の3列はp側及びn側電極2b,2cの配置パターンは全く同じであり、上側の3列は線分X−Xに対して鏡面対称の関係となるような配置となっている。
【0026】
一方、図3はSiダイオード1のパターンを形成したSiダイオードウエハーの一部であって1枚のウエハー片3に対応する部分の詳細図であり、同図の(a)はその平面図、同図の(b)は同図(a)のB−B線矢視による縦断面図である。
【0027】
Siダイオードウエハー4は、従来例と同様にn型シリコン基板4aを利用したもので、このn型シリコン基板4aの底面にはn電極4bを形成している。また、n型シリコン基板4aの表面は、同図の(a)に示すように、K−K,L−L,M−Mの線分によって6個に区画され、それぞれにp側電極4c及びn側電極4dのパターンを形成している。そして、図2の(a)で示したウエハー片3の場合と同様に、線分K−Kの下側の3列についてはp側及びn側電極4c,4dの配置パターンは全く同じであり、上側の3列は線分K−Kに対して鏡面対称の関係となるような配置となっている。
【0028】
ここで、Siダイオードウエハー4のp側及びn側の電極4c,4dのパターン及びその大きさは、図2の(a)の姿勢のウエハー片3を上下反転したときに、p側電極2bがn側電極4dに含まれると同時にn側電極2cがp側電極4cに含まれるように形成する。すなわち、図3の(a)の斜線の部分にn側電極2c上のバンプ2e及びp側電極2b上のバンプ2dが位置する関係とする。
【0029】
図4はウエハー片3のSiダイオードウエハー4への接合工程であって、同図の(a)は要部の正面図、同図の(b)は要部の平面図である。
【0030】
図において、チップ接合用のヘッド10に透明基板3aを吸着・保持されているウエハー片3は、図3の(a)に示したSiダイオードウエハー4のp側及びn側の電極4c,4dのパターンにn側及びp側の電極2c,2bが対応するように位置決めされる。このような位置決めは、たとえば、図2の(a)に示したX−X,Y−Y,Z−Zの線分がそれぞれ図3の(a)に示したK−K,L−L,M−Mの線分に一致させることと同義である。そして、ヘッド10を下降させて加圧及び超音波振動を加えることによって、マイクロバンプ2d,2eをそれぞれn側電極4dとp側電極4cに接合させる。
【0031】
以上の工程により、1枚のウエハー片3がSiダイオードウエハー4上に接合され、このウエハー片3に含まれた6個の発光素子2のパターンが全てSiダイオード素子1側のp側及びn側の電極4c,4dのパターンに整合させてチップ接合される。したがって、従来のように1個ずつの発光素子をSiダイオードウエハーのパターン上に載せてチップ接合する方法に比べると、6倍の速さで発光素子2のSiダイオードウエハー4上へのチップ接合が可能となる。
【0032】
ウエハー片3をSiダイオードウエハー4の全面にチップ接合した後には、図5に示すようにダイサー11によって、ウエハー片3とSiダイオードウエハー4を同時にダイシングする。このダイシングの工程では、ダイサー11を図2の(a)のX−X,Y−Y,Z−Zの線分を含む3方向、または図3の(a)のK−K,L−L,M−Mの線分を含む3方向に移動させればよい。なお、図5の(b)では、Z−Z(M−M)の線分を含む方向にダイシングしている状態として示されている。
【0033】
以上のダイシング工程によって、図5の(a)の左端部に示すように、ウエハー片3とSiダイオードウエハー4がダイシングされ、図1に示したSiダイオード1と発光素子2とを積層させた複合素子が得られる。
【0034】
なお、図5の(b)から明らかなように、ダイシングされた後の複合素子は、長方形状のSiダイオード1とほぼ正方形状の発光素子2との組み合わせであり、Siダイオード1のp側電極4cの一部に発光素子2が被さるだけである。したがって、p側電極4cの広い部分は図3の(a)に示すようにワイヤ22のボンディング面として利用することができる。
【0035】
以上のようにして得られたSiダイオード1と発光素子2の複合素子は、図1に示したようにn電極1aをマウント部21bに搭載するとともに、リード21cとp側電極4cとの間をワイヤ22でボンディングすることで、リードフレーム21に導通させることができる。そして、Siダイオード1と発光素子2とをp側及びn側の電極を逆極性として接合することによって、静電気等による過電流が負荷されたときの発光素子2の破壊が防止される。
【0036】
上記の実施例では、ウエハー片3を2行3列の計6個の発光素子2のブロックとし、行はお互いに鏡面対称としたが、これに限るものではなく、1行2列,1行3列,…や2行1列,2行2列,2行3列,…であってもよい。また、2行の場合は行間でお互いに対面する発光素子は鏡面対称であっても180度の回転対称であってもよい。
【0037】
【発明の効果】
本発明では、半導体発光素子のウエハーへの搭載をブロック化(ウエハー片)することによって半導体発光素子について複数単位で行えるので、静電気保護用のSiダイオードのウエハー上への搭載のための工程時間を短くでき、生産性を大幅に改善することができる。また、半導体発光素子単体とする場合よりもブロック化することによって、ハンドリングも容易となり精度も良好な製品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の製造方法によって得られる発光素子をリードフレーム上に搭載したLEDランプの平面図
(b)は同図(a)の縦断面図
【図2】(a)は発光素子を透明基板上に搭載したウエハー片の平面図
(b)は同図(a)のA−A線矢視部の縦断面図
【図3】(a)はウエハー片を搭載する部分に対応したSiダイオードウエハーの平面図
(b)は同図(a)のB−B線矢視部の縦断面図
【図4】(a)はSiダイオードウエハー上にウエハー片を接合する工程を説明する為の要部正面図
(b)はSiダイオードウエハーに対するウエハー片の搭載姿勢と位置関係を示す平面図
【図5】(a)はウエハー片を搭載した後のダイシング工程を説明する為の正面図
(b)は同図(a)の要部平面図
【図6】従来の製造方法による工程を順に示す概略図
【符号の説明】
1 Siダイオード
1a n電極
2 発光素子
2a 透明基板
2b p側電極
2c n側電極
2d,2e マイクロバンプ
3 ウエハー片
3a 透明基板
4 Siダイオードウエハー
4a n型シリコン基板
4b n電極
4c p側電極
4d n側電極
10 ヘッド
11 ダイサー
21 リードフレーム
21a リード
21b マウント部
21c リード
22 ワイヤ
23 エポキシ樹脂
24 LEDランプ
Claims (1)
- 透明基板の上に半導体薄膜層を積層するとともにこの積層膜の表面側にp側及びn側の電極をそれぞれ形成した半導体発光素子が、2つ以上の電極を持つサブマウント素子としてのSiダイオード上に搭載接合された半導体発光装置の製造方法であって、
ウエハーに前記Siダイオードの電極パターンを格子状に形成するとともに、当該Siダイオードの電極パターンを、ある行のパターンと次の行のパターンとが鏡面対称か回転対称の関係となるように形成し、
前記ウエハーのSiダイオードの電極パターンの前記関係に対応させて、2行に形成された複数の半導体発光素子を、前記Siダイオードの電極パターンと一致するように、1行目のパターンと2行目のパターンとが互いに鏡面対称か回転対称かのいずれかの関係となるように形成し、
前記複数の半導体発光素子が形成されたウエハー片を、前記ウエハーのSiダイオード上の電極パターンに合わせて搭載接合した後、
前記ウエハー片の複数の半導体発光素子のそれぞれが単体に分離されるように前記ウエハー片及び前記ウエハーを同時にダイシングする半導体発光装置の製造方法。
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JPH11330620A (ja) | 1999-11-30 |
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