JP4788109B2 - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光装置及びその製造方法に関するものであり、詳しくは、表面実装可能な発光ダイオード装置等の半導体発光装置及びその製造方法に関するものである。
樹脂基板上に凹部を設け、その凹部に半導体発光素子を搭載したものを樹脂で封止して形成する面実装半導体にかかる従来の技術としては、図７に示すように、樹脂基板２１上に凹部２１ａを設け、その凹部２１ａに半導体発光素子２２を搭載し透光性樹脂２４で封止して形成した面実装半導体装置であって、半導体発光素子２２の周りにこの半導体発光素子２２を熱応力から保護するための応力緩衝材２３を有するものが知られている。このものにあっては、回路基板実装時の熱応力への耐熱性を高めることができるので、半導体リフロー工程での熱応力による半導体素子の不良を防ぎ、信頼性の高い面実装半導体装置を得ることができる（特許文献１）。
しかし、かかる面実装半導体装置においては、透光性樹脂２４が冷却される際に透光性樹脂２４の収縮により半導体発光素子２２のエッジ部に応力が発生し、半導体発光素子２２が損傷したり、透光性樹脂２４自体にクラックが発生し、光取り出し効率（半導体発光素子のチップ内で生じた光子の数に対する外部に出てくる光子の数の割合）が低下するという問題点があった。
特開平１１−１１２０３６号公報
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体発光素子に生じる応力の低減や封止材料の割れを防止するとともに、半導体発光素子からの光取り出し効率を向上させることができる半導体発光装置およびその製造方法を提供することを目的としている。
上記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る半導体発光装置は、表面に第一の凹部と第一の凹部の底面に第二の凹部が設けられるとともに所定の電気回路パターンが形成された基板と、第二の凹部の底面に実装した半導体発光素子と、第一の凹部及び第二の凹部に充填して半導体発光素子を封止する封止材とを備えた半導体発光装置であって、前記第二の凹部は、前記半導体発光素子の高さに相等する深さに形成されたものであると共に、前記封止材は、前記半導体発光素子の側周面と前記第二の凹部の側周面とで形成された空間に充填されることで前記半導体発光素子の高さに相等する厚みに形成された第一の封止材料と、半導体発光素子及び第一の封止材料の上面側に形成された第二の封止材料とからなり、前記第一の封止材料の厚みが前記半導体発光素子の高さに形成されることにより、半導体発光素子の上面と略同一の高さに、前記第一の封止材料と前記第二の封止材料との界面が形成され、かつ、第一の凹部の底面が位置するものであり、前記第一の封止材料と前記第二の封止材料との前記界面には、耐水性のシリカ膜が形成されてなることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る半導体発光装置は、前記第一の凹部の底面部に、第二の封止材料が収縮する際に発生する応力を緩和させるための収縮応力緩衝用溝部もしくは収縮応力緩衝用突起部の少なくともいずれかを設けたことを特徴とする。
本発明の請求項３に係る半導体発光装置は、第二の封止材料の屈折率が、第一の封止材料の屈折率より大きいものであることを特徴とする。
本発明の請求項４に係る半導体発光装置は、前記第一の封止材料は、中波長紫外線から可視光線までの波長域光を反射する高反射性物質からなる充填剤を含有するものであることを特徴とする。
本発明の請求項５に係る半導体発光装置は、前記第一の封止材料は、前記第二の封止材料が有する官能基と親和性を有する基を備えたシランカップリング剤を含有するものであることを特徴とする。
本発明の請求項６に係る半導体発光装置は、前記第二の封止材料は、前記第一の封止材料が有する官能基と親和性を有する基を備えたシランカップリング剤を含有するものであることを特徴とする。
本発明の請求項７に係る半導体発光装置は、前記第二の封止材料の表面には、耐水性のシリカ膜が形成されてなることを特徴とする。
本発明の請求項１に係る半導体発光装置によると、封止材は、第一の封止材料が凹部の底面に実装された半導体発光素子の高さに相等する厚みに形成されるとともに、第二の封止材料が半導体発光素子及び第一の封止材料の上面側に形成されるので、半導体発光素子の側周面には第一の封止材料が存在し、第二の封止材料が収縮する際に発生する応力が三次元的に半導体発光素子のエッジ部に生じることがなく、エッジ部への応力集中を防止することができる。また、第二の封止材料の底部では、大部分が第一の封止材料と接合するため、第二の封止材料が収縮する際に発生する応力の大部分は第一の封止材料に発生し、第一の封止材料と第二の封止材料の界面で緩和される。そのため、半導体発光素子のエッジ部に発生する応力が緩和され、エッジ部への応力の集中を防止することができる。
また、本発明の請求項１に係る半導体発光装置によると、樹脂基板の表面に第一の凹部と第一の凹部の底面に設けられた第二の凹部を有し、封止材は、第一の封止材料が第二の凹部の底面に実装された半導体発光素子の高さに相等する厚みに形成されるとともに、第二の封止材料が半導体発光素子及び第一の封止材料の上面側に形成されるので、半導体発光素子の側周面には第一の封止材料が存在し、第二の封止材料が収縮する際に発生する応力が三次元的に半導体発光素子のエッジ部に生じることがなく、エッジ部への応力集中を防止することができる。また、半導体発光素子のエッジ部分に第一の封止材料と第二の封止材料の界面が生じ、第二の封止材料が収縮する際に半導体発光素子のエッジ部に発生する応力の負荷は、大部分が第一の凹部の底面と第一の封止材料と第二の封止材料の界面に生じるため、半導体発光素子のエッジ部への応力の集中を防止することができ、半導体発光素子の損傷や封止材内のクラックの発生を低減することができる。
本発明の請求項２に係る半導体発光装置によると、上述した請求項１の効果に加えて、第一の凹部の底面部に、第二の封止材料が収縮する際に発生する応力を緩和させるための収縮応力緩衝用溝部もしくは収縮応力緩衝用突起部の少なくともいずれかを設けているため、第一の凹部に充填した第二の封止材料が硬化収縮もしくは熱収縮する際に発生する応力が収縮応力緩衝用溝部や収縮応力緩衝用突起部にも発生し、半導体発光素子に生じる側面方向からの収縮応力が低減される。そのため、半導体発光素子のエッジ部への応力集中が緩和され、半導体発光素子の損傷をより低減することができる。
本発明の請求項３に係る半導体発光装置によると、上述した請求項１もしくは請求項２の効果に加えて、前記第二の封止材料の屈折率が、第一の封止材料の屈折率より大きいので、半導体発光素子の側面からの光を第二の封止材料に放射しやすくすることができ、光取り出し効率が向上する。
本発明の請求項４に係る半導体発光装置によると、上述した請求項１乃至３のいずれかの効果に加えて、前記第一の封止材料は、中波長紫外線から可視光線までの波長域光を反射する高反射性物質からなる充填剤を含有するものであるので、半導体発光素子の側面から放射される広範囲な波長域の光に対して、第二の封止材料と第一の封止材料５との界面で反射させ、また、前記充填剤により散乱させて取出し効率を向上させることができる。さらに充填剤が含有されることにより、第一の封止材料の線膨張率が減少し、ヒートサイクルが加わったときの半導体発光素子への応力が減少する。
本発明の請求項５に係る半導体発光装置によると、上述した請求項１乃至４のいずれかの効果に加えて、前記第一の封止材料は、前記第二の封止材料が有する官能基と親和性を有する基を備えたシランカップリング剤を含有するものであるので、第二の封止材料との接合強度が向上する。
本発明の請求項６に係る半導体発光装置によると、上述した請求項１乃至５のいずれかの効果に加えて、前記第二の封止材料は、前記第一の封止材料が有する官能基と親和性を有する基を備えたシランカップリング剤を含有するものであるので、第一の封止材料との接合強度が向上する。
本発明の請求項７に係る半導体発光装置によると、上述した請求項１乃至６のいずれかの効果に加えて、前記第二の封止材料の表面には、耐水性のシリカ膜が形成されてなるので、第二の封止樹脂内に水分が浸透することが防止でき、そのため、半導体発光素子を湿気から保護することができる。
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、本実施形態における半導体発光装置の製造方法の概略を示す断面図である。図１において、１はセラミックス基板、２はセラミックス基板１の表面に設けた凹部、５は第一の封止材料、６は第二の封止材料、７は第一の封止材料５と第二の封止材料６の界面、８はセラミックス基板１の表面に形成された電気回路パターン、９は半導体発光素子、９ａは半導体発光素子のエッジ部、１０は第二の封止材料６上に形成されたレンズ部、１５はシリカ膜である。
本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、本実施形態における半導体発光装置の製造方法の概略を示す断面図である。図１において、１はセラミックス基板、２はセラミックス基板１の表面に設けた凹部、５は第一の封止材料、６は第二の封止材料、７は第一の封止材料５と第二の封止材料６の界面、８はセラミックス基板１の表面に形成された電気回路パターン、９は半導体発光素子、９ａは半導体発光素子のエッジ部、１０は第二の封止材料６上に形成されたレンズ部、１５はシリカ膜である。
同図（ａ）に示すように、アルミナからなるセラミックス基板１の表面に凹部２を形成した後、凹部２を含めたセラミックス基板１の表面に所定の電気回路パターン８を形成する。凹部２は、底部に近づくに従って水平面の断面形状が狭小になるよう側周面が傾斜している。このような傾斜した側周面を設けることで、後述する側周面でのレーザによる電気回路パターン８の形成が容易になるとともに、側周面に反射鏡を設けることにより半導体発光素子９からの光取り出し効率を向上することができる。また、側周部と底部が交差するコーナー部をなめらかにＲ面取りすれば、後述する第二の封止材料６を封止する場合に、収縮時の応力がコーナー部に集中することがなくなり、コーナー部近傍でのクラックの発生を低減させることができる。
なお、本実施形態においては、セラミックス基板１の材料としてアルミナを用いるがこれに限定されるものではなく、窒化アルミニウム、ジルコニア、炭化ケイ素等を成形焼成したものやこれらのセラミックス基板に無機粒子、無機繊維を含有するものも用途に応じて好適に用いることができる。さらに、本発明にかかる基板はセラミックス基板に限定されるものではなく、ポリフェニレンサルファイド、ポリフタルアミド、ＬＣＰのような熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂等の樹脂基板やこれらの樹脂基板にガラス、シリカ、アルミナ等の繊維や粒子を含有したものも好適に用いることができる。
また、電気回路パターン８の形成は、ＣＶＤ法、スパッタリング等のＰＶＤ法、めっき等の公知の薄膜形成法を用いて、セラミックス基板１上に銅被膜のような導電性材料からなる導電性被膜を形成した後、この導電性被膜の回路部と非回路部の境界領域をレーザにより除去して、所定の電気回路をパターニングする。その後、セラミックス基板１を硫酸銅めっき浴に浸漬させた状態で、導電性被膜の回路部に通電して銅膜にめっき層を付着させて厚膜化して、電気回路パターン８を形成する。このようなレーザパターニングにより電気回路パターン８を形成すると、凹部２の底面のみならず側周面にも容易に電気回路パターンを形成することができ、本発明における半導体発光素子９を凹部２の底面に実装するような三次元的な電気回路パターン８の形成が必要な場合には特に好適に用いることができる。
次に、同図（ｂ）に示すように、凹部２の底面に形成された電気回路パターン８の所定の位置にＧａＡｌＮからなる半導体発光素子９をフリップチップ実装することにより、半導体発光素子９を電気回路パターン８と電気的に接続させた後、エポキシ樹脂からなる第一の封止材料５を、凹部２に実装された半導体発光素子９の高さと同一になるまで凹部２にポッティングにより充填する。その後、セラミックス基板１を雰囲気温度４２３Ｋ（１５０℃）の炉に入れて１０分間加熱して、第一の封止材料５を硬化させる。また、この硬化処理後さらに数時間、炉中もしくは大気中に放置して硬化を促進してもよい。なお、半導体発光素子９の実装をフリップチップにより行なうことで、ワイヤボンディングによる実装に比べて半導体発光素子９からの光取り出し効率が向上するとともに、封止材料を封止したときのワイヤの切断を防止することができる。
本実施形態においては、半導体発光素子９としてＧａＡｌＮを用いたが、これに限定されるものではなく、発光波長が紫外光から赤外光までの半導体発光素子を選択することができ、例えばＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ，ＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体発光素子が好適に用いられる。
半導体発光素子９は、各種材料を積層して形成されているため、積層方向に対して垂直の力が加わった場合に損傷しやすい。そのため、第一の封止材料５は、封止時の応力を緩和することのできるゴム状のものを用いるのが好ましく、本実施形態において用いたエポキシ樹脂に限定されるものではなく、アクリレート系樹脂、メタクリレート系樹脂、ビニル系樹脂、シリコーン樹脂等も好適に用いることができる。このうち、シロキサン結合を主体とする材料は耐熱性や耐光性に優れるので、半導体発光素子９の発熱による第一の封止樹脂５の劣化や半導体発光素子９からの光による黄変を防止することができる。このシロキサン結合を主体とする材料としては、硬化前の粘度が低く封止時の作業性に優れ、気泡の残留が少ないうえに、低温で硬化するために他の構成部品への影響が少ないシリコーン樹脂が好適に用いられる。このシリコーン樹脂は収縮率の小さい付加重合型が好ましい。
また、第一の封止材料５は、中波長紫外線から可視光線までの波長域光を反射する高反射性物質からなる充填剤を含有するものであってもよい。この場合は、半導体発光素子９の側面から放射される広範囲な波長域の光に対して、第二の封止材料６と第一の封止材料５との界面で反射させ、また、充填剤により散乱させて取出し効率を向上させることができる。この第一の封止材料５として拡散反射性が良好な硫酸バリウムを用いれば、半導体発光素子９から放射される光が満遍なく反射・拡散し、発色に良好な影響を与える。
さらに、第一の封止材料５の線膨張率が大きいと、半導体発光素子９の凹部２の底面からの高さに相等する厚みに形成することは困難となる場合が生じ得るが、充填剤が含有されることにより、第一の封止材料５の線膨張率が減少する。その結果、第一の封止材料５を、半導体発光素子９の凹部２の底面からの高さに相等する厚みに形成することが容易となる。
上述した半導体発光素子９から放射される光の反射・拡散の効果と第一の封止材料５の線膨張率の減少の効果とを有効に奏するためには、充填剤の含有率を１〜４０重量％、好ましくは１０〜３５重量％とすることが好ましい。
次に、同図（ｃ）に示すように、エポキシ樹脂からなる第二の封止材料６をセラミックス基板１の表面と同一の高さになるまで凹部２に充填後、炉中で熱処理を行なって硬化させる。このような第二の封止材料６を形成することで、半導体発光素子９の側周面には第一の封止材料５が存在し、第二の封止材料６が収縮する際に発生する応力が三次元的に半導体発光素子９のエッジ部９ａに生じることがなく、エッジ部９ａへの応力集中を防止することができる。また、半導体発光素子９のエッジ部９ａと同一の高さに第一の封止材料５と第二の封止材料６の界面７が生じ、第二の封止材料６が収縮する際に半導体発光素子９のエッジ部９ａに発生する応力の負荷は、その大部分が界面７に生じて緩和され、エッジ部９ａへの応力の集中が防止され、半導体発光素子９の損傷や第二の封止材料６内でのクラックの発生を低減することができる。
半導体発光素子９の発光波長が短い場合は光エネルギーが高くなり、第二の封止材料６が劣化して黄変しやすくなり光透過性が悪化する原因となるが、第二の封止材料６として低融点ガラスを用いることで、このような劣化が低減して半導体発光装置の寿命を長くすることができる。また、低融点ガラスは、封止時のチップの損傷や第一の封止材料５の劣化及び基板への電気回路の密着性低下を防止するため、封止温度が６７３Ｋ（４００℃）以下のものが好ましい。また、低融点ガラス等の粘度の大きな材料を封止材として用いる場合は、封止の際半導体発光素子９の側面に空気層が残りやすく、一般に空気の屈折率が低いため半導体発光素子９の光取り出し効率が低減するが、本実施形態にかかる半導体発光装置及びその製造方法によれば、第二の封止材料６が封止する際に、凹部の底部が略平滑となっているため、空気層の残留を効果的に防止することができる。また、後述の実施形態３で述べるような予め第二の封止材料からなるプリフォームを充填する製造方法においては、底面が略平坦な形状のプリフォームとなるので、プリフォームの形状が簡易化されてその作製が容易となる。
本実施形態においては、第二の封止材料６としてエポキシ樹脂や低融点ガラスを用いたが、これに限定されるものではなく、アクリレート系樹脂、メタクリレート系樹脂、ビニル系樹脂、シリコーン樹脂や低融点ガラス等も好適に用いることができる。なお、第二の封止材料６は第一の封止材料と同一であってもよく、また異なっていてもよい。また、第一の封止材料５の屈折率を第二の封止材料６の屈折率よりも大きなものにすれば、半導体発光素子９の側面からの光を第二の封止材料６に放射しやすくすることができるので、光取り出し効率が向上する。
第一の封止材料５や第二の封止材料６として上記材料の他に、ジクロオレフィンポリマー、全フッ素ポリマー、ポリメタクリル酸メチルのような透明熱可塑性樹脂を用いることも可能である。さらに、これらの封止材料に、ＹＡＧ：Ｃｅ、Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ（Ｂａ，Ｍｇ）、Ａｌ10Ｏ17：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）10（ＰＯ4）6Ｃ12：Ｅｕのような半導体発光素子９からの光の波長を変換する蛍光体を含有させてもよい。
また、上述した第一の封止材料５は、第二の封止材料６が有する官能基と親和性を有する基を備えたシランカップリング剤を含有するものであってもよい。この場合は、第二の封止材料６との接合強度が向上し、特に第二の封止材料６が無機物を主骨格に含んだ樹脂である場合のように、第一の封止材料５と第二の封止材料６との接合強度が期待できない場合に有効である。具体的には、メタロキサン結合を主骨格とする材料は、耐熱性や耐光性に優れるため、これを第一の封止材料５に含有させることにより、半導体発光素子９の発熱による第一の封止材料５の特性劣化や、半導体発光素子９からの光により黄変して光取出し効率が低減することを防止できる。また、短波長域の材料吸収が低いため、光取り出し効率に優れる。
メタロキサン化合物は、Ｍ（ＯＲ）n（ｎ＝０〜３）やＭ−Ｏ−Ｍ結合を有する金属酸化物であり、金属ＭにはＳｉのほかＴｉ、Ｚｒなどの前周期遷移金属が好適に用いられる。より具体的には、水分存在下で金属アルコキシ化合物に上記シランカップリング剤を予め混合し、ＣａＯ、ＢａＯなどの塩基によって反応を開始させる。また、シラノールなどの金属水酸化物Ｍ（ＯＨ）なども略上述と同様の反応で進行するが、反応開始時の水分は不要である。そして、いずれの場合も、予めシランカップリング剤を混合して反応を行ない、略ゲル化した状態で封止を行なうことに特徴を有する。
このシランカップリング剤の官能基は、第二の封止材料６によって異なり、例えば、第二の封止材料６がエポキシ、エポキシ変性、ジアリルフタレート、ポリイミド、ウレタンなどの透明樹脂の場合、エポキシ末端を有するシランカップリング剤には、γグリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γグリシドキシプロピルトリエトキシシラン、β（３、４エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシランが用いられ、アミノ末端を有するシランカップリング剤には、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γアミノプロピルトリメトキシシランが用いられる。
また、同図（ｄ）に示すように、第二の封止材料６の上面側に、上記第二の封止材料６として例示したものやガラス材料からなるレンズ部１０を形成することも可能である。この場合、半導体発光素子９からの光取り出し効率をさらに向上することができる。
さらに、図２に示すように、第二の封止材料６の表面には、耐水性のシリカ膜１５が形成されていることが好ましい。耐水性のシリカ膜１５は、ペルヒドロポリシラザンのようなポリシラザン化合物からなるガラス膜であり、第二の封止材料６が硬化した後に、ペルヒドロポリシラザン溶液を第二の封止材料６の上面に所定量塗布し、大気中に放置して硬化させることで形成される。このポリシラザン化合物は、酸素や水分と反応することで常温や比較的低い温度で硬化して緻密なシリカ膜１５を生成する。このシリカ膜１５を形成することにより、第二の封止樹脂６内に外部からの水分が浸透することが防止でき、そのため、半導体発光素子９を湿気から保護することができる。
この耐水性のシリカ膜１５は、図３に示すように、第一の封止材料５と前記第二の封止材料６との界面に形成されるものであってもよい。この場合には、第二の封止材料６内に水分が浸透した場合であっても、半導体発光素子９を湿気から保護することができる。
本実施形態で述べた第一の封止材料５や第二の封止材料６及び半導体発光素子９の材質は以下の実施形態においても好適に用いられる。また、本実施形態で述べた耐水性のシリカ膜の形成も、以下の実施形態において好適に用いられて本実施形態で述べた同様の硬化を奏するものである。
なお、本発明で用いる「相等する高さ」、「相等する厚み」及び「同一の高さ」、「同一の厚み」とは、高さ、厚みが完全に一致する状態に限定するものではなく、本発明の作用効果を得られる範囲であれば多少の高さや厚みに差異がある状態をも含むものとし、以下の実施形態においても同様である。
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態における半導体発光装置の製造方法の概略を示す断面図である。図４において、１はセラミックス基板、３はセラミックス基板１の表面に設けた第一の凹部、４は第一の凹部３の底面に設けた第二の凹部、５は第一の封止材料、６は第二の封止材料、７は第一の封止材料５と第二の封止材料６の界面、８はセラミックス基板１の表面に形成された電気回路パターン、９は半導体発光素子、９ａは半導体発光素子９のエッジ部、１０は第二の封止材料６上に形成されたレンズ部である。なお、本実施形態に用いるセラミックス基板１、半導体発光素子９、第一の封止材料５及び第二の封止材料６の各々の材質等の詳細並びに電気回路パターン８の形成に関しては実施形態１と共通であるため、共通部分については説明を省略する。
本発明の第２の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態における半導体発光装置の製造方法の概略を示す断面図である。図４において、１はセラミックス基板、３はセラミックス基板１の表面に設けた第一の凹部、４は第一の凹部３の底面に設けた第二の凹部、５は第一の封止材料、６は第二の封止材料、７は第一の封止材料５と第二の封止材料６の界面、８はセラミックス基板１の表面に形成された電気回路パターン、９は半導体発光素子、９ａは半導体発光素子９のエッジ部、１０は第二の封止材料６上に形成されたレンズ部である。なお、本実施形態に用いるセラミックス基板１、半導体発光素子９、第一の封止材料５及び第二の封止材料６の各々の材質等の詳細並びに電気回路パターン８の形成に関しては実施形態１と共通であるため、共通部分については説明を省略する。
まず、同図（ａ）に示すように、アルミナからなるセラミックス基板１の表面に第一の凹部３及び第二の凹部４を形成した後、第一の凹部３及び第二の凹部４を含めたセラミックス基板１の表面に所定の電気回路パターン８を形成する。第一の凹部３は、底部に近づくに従って水平面の断面形状が狭小になるよう側周面が傾斜している。また、第二の凹部４は第一の凹部３の底部略中央部に設けられ、後工程で実装する半導体発光素子９の高さに相等する深さに形成され、底部に近づくに従って水平面の断面形状が狭小になるよう側周面が傾斜している。第一の凹部３及び第二の凹部４の側周面を傾斜させることで、後述する側周面でのレーザによる電気回路パターン８の形成が容易になるとともに、側周面に反射鏡を設けることにより半導体発光素子９からの光取り出し効率を向上することができる。また、側周部と底部が交差するコーナー部をなめらかにＲ面取りすれば、後述する第二の封止材料６を封止する場合に、収縮時の応力がコーナー部に集中することがなくなり、コーナー部近傍でのクラックの発生を低減させることができる。
次に、同図（ｂ）に示すように、第二の凹部４の底面に形成された電気回路パターン８の所定の位置にＧａＡｌＮからなる半導体発光素子９をフリップチップ実装することにより、半導体発光素子９を電気回路パターン８と電気的に接続させた後、第一の凹部３の底部と同一の高さになるまで、すなわち、第二の凹部４に実装された半導体発光素子９の高さと同一になるまで、エポキシ樹脂からなる第一の封止材料５を第二の凹部４にポッティングにより充填する。その後、セラミックス基板１を雰囲気温度４２３Ｋ（１５０℃）の炉に入れて１０分間加熱して、第一の封止材料５を硬化させる。また、この硬化処理後さらに数時間、炉中もしくは大気中に放置して硬化を促進してもよい。
次に、同図（ｃ）に示すように、低融点ガラスからなる第二の封止材料６を、セラミックス基板１の表面と略同一の高さになるまで第一の凹部３に充填後、炉中で熱処理を行なって硬化させる。このような第二の封止材料６を形成することで、半導体発光素子９の側周面には第一の封止材料５が存在し、第二の封止材料６が収縮する際に発生する応力が三次元的に半導体発光素子９のエッジ部９ａに生じることがなく、エッジ部９ａへの応力集中を防止することができる。また、第二の封止材料６が硬化する際に収縮力が発生する第二の封止材料６の底面部は、その大部分が第一の凹部３の底部及び第一の封止材料５に接合しているため、第二の封止材料６が収縮する際に発生する収縮力は、第一の凹部３の底部と第一の封止材料５に生じる。そのため、この収縮力の大部分は第一の封止材料５と第二の封止材料の界面７に生じて緩和されるか、セラミックスからなる強固な第一の凹部３に生じるので、エッジ部９ａへの応力の集中が防止され、半導体発光素子９の損傷や第二の封止材料６内でのクラックの発生を低減することができる。
また、封止材として低融点ガラス等の粘度の大きな材料を用いる場合は、封止の際半導体発光素子９の側面に空気層が残りやすく、一般に空気の屈折率が低いため半導体発光素子９の光取り出し効率が低減するが、本実施形態にかかる半導体発光装置及びその製造方法によれば、第二の封止材料６が封止する際に、凹部の底部が略平滑となっているため、空気層の残留を効果的に防止することができる。また、後述の実施形態３で述べるような予め第二の封止材料からなるプリフォームを充填する製造方法においては、底面が略平坦な形状のプリフォームとなるので、プリフォームの形状が簡易化されて半導体発光装置の作製が容易となる。
また、同図（ｄ）に示すように、第二の封止材料６の上面側に、上記第二の封止材料６として例示したものやガラス材料からなるレンズ部１０を形成することも可能である。この場合、半導体発光素子９からの光取り出し効率をさらに向上することができる。
（実施形態３）
本発明の第３の実施形態を図５に基づいて説明する。図５は、本実施形態における半導体発光装置の製造方法の概略を示す断面図である。本実施形態は、第二の封止材料６を凹部に充填する際に、予めプリフォームを作製した上で行なうことに特徴を有し、その他については実施形態１及び実施形態２と同一であるので説明を省略する。
本発明の第３の実施形態を図５に基づいて説明する。図５は、本実施形態における半導体発光装置の製造方法の概略を示す断面図である。本実施形態は、第二の封止材料６を凹部に充填する際に、予めプリフォームを作製した上で行なうことに特徴を有し、その他については実施形態１及び実施形態２と同一であるので説明を省略する。
図５（ａ）は、実施形態１において第二の封止材料６を充填する際に固体状のプリフォームを作成して行なう半導体発光装置の製造方法の概略を示す断面図である。硬化触媒を配合した付加重合型シリコーン樹脂からなる第一の封止材料５を、凹部２に実装された半導体発光素子９の高さと同一になるまで凹部２に充填したものを、３７３Ｋ（１００℃）まで加熱して硬化させた後に（図１（ｂ）参照）、図５（ａ）に示すように、ガラス転移温度が５５３Ｋ（２８０℃）の低融点ガラスからなるプリフォーム状の第二の封止材料６を第一の凹部５の残りの空間に充填する。このプリフォーム状の第二の封止材料６は、第一の凹部５の残りの空間に嵌合し、かつ嵌合後の形状がセラミックス基板１の表面と同一になるように予め作製されたものである。
プリフォーム状の第二の封止材料６が充填されたセラミックス基板１を５９８Ｋ（３２５℃）まで加熱して、プリフォーム状の第二の封止材料６を溶融させた後、５９８Ｋ（３２５℃）以上に加熱した図示しない金型にてセラミック基板の表面を加圧して基板の表面を均一平面となるよう整えて第二の封止材料６の封止を行なう。このように、第二の封止材料６をプリフォーム状にして充填することで、第二の封止材料６の封止作業に要する時間の短縮や第二の封止材料６を充填する際に充填量の過不足が発生することを防止することができる。
また、実施形態２の場合であっても、図５（ｂ）に示すように、本実施形態を好適に用いることができる。
（実施形態４）
本発明の第４の実施形態を図６に基づいて説明する。図６は、本実施形態における半導体発光装置の製造方法の概略を示す断面図である。図６において、３はセラミックス基板の表面に設けた第一の凹部、３ａは第一の凹部３の底部に設けた収縮応力緩衝用溝部、６は第二の封止材料、９ａは半導体発光素子のエッジ部である。なお、本実施形態に用いるセラミックス基板１、半導体発光素子９、第一の封止材料５及び第二の封止材料６の各々の材質等の詳細並びに電気回路パターン８の形成に関しては実施形態１と共通であるため、説明を省略する。
本発明の第４の実施形態を図６に基づいて説明する。図６は、本実施形態における半導体発光装置の製造方法の概略を示す断面図である。図６において、３はセラミックス基板の表面に設けた第一の凹部、３ａは第一の凹部３の底部に設けた収縮応力緩衝用溝部、６は第二の封止材料、９ａは半導体発光素子のエッジ部である。なお、本実施形態に用いるセラミックス基板１、半導体発光素子９、第一の封止材料５及び第二の封止材料６の各々の材質等の詳細並びに電気回路パターン８の形成に関しては実施形態１と共通であるため、説明を省略する。
本実施形態は、第一の凹部３の底面部に、第二の封止材料６が収縮する際に発生する応力を緩和させるための応力緩衝用溝部を設けたことに特徴を有し、その他については実施形態２と共通するので、共通部分については説明を省略する。
図６（ａ）（ｂ）に示すように、第一の凹部３の底面部には、第二の凹部４を囲むように、開口部が略円形であって、深さが０．１〜１．０ｍｍ程度の収縮応力緩衝用溝部４ａが等間隔に４つ形成されている。この収縮応力緩衝用溝部４ａを設けることで、第一の凹部３に充填した第二の封止材料６が硬化収縮もしくは熱収縮する際に発生する応力が収縮応力緩衝用溝部４ａにも発生するため、半導体発光素子９に生じる側面方向からの収縮応力が低減される。そのため、エッジ部９ａへの応力の集中が防止され、半導体発光素子９の損傷をより低減することができる。
収縮応力緩衝用溝部４ａの開口部の形状は略円形に限定されるものではなく、配置数も４つに限定されるものではないが、半導体発光素子９への応力緩和硬化を均等にするために、半導体発光素子９と等距離に等間隔で設けることが好ましい。また、収縮応力緩衝用溝部４ａは、図６（ｃ）に示すような、半導体発光素子９を囲む全周にわたって設けてもよい。さらに、図６に示すような収縮応力緩衝用溝部４ａに代えて、もしくは収縮応力緩衝用溝部４ａとともに高さが０．１〜１．０ｍｍ程度の収縮応力緩衝用の突起部を設けても同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態において、収縮応力緩衝用溝部４ａの深さとして０．１〜１．０ｍｍを例示したのは、０．１ｍｍより小さい場合は、応力緩和効果が小さく、１．０ｍｍより大きい場合は、第二の封止材料６や第二の凹部４で反射した半導体発光素子４からの光が収縮応力緩衝用溝部４ａの内部に取りこまれて光取り出し効率が低下するからである。
１ セラミックス基板
２ 凹部
３ 第一の凹部
４ 第二の凹部
５ 第一の封止材料
６ 第二の封止材料
７ 第一の封止材料５と第二の封止材料６の界面
８ 電気回路パターン
９ 半導体発光素子
２ 凹部
３ 第一の凹部
４ 第二の凹部
５ 第一の封止材料
６ 第二の封止材料
７ 第一の封止材料５と第二の封止材料６の界面
８ 電気回路パターン
９ 半導体発光素子
Claims (7)
- 表面に第一の凹部と第一の凹部の底面に第二の凹部が設けられるとともに所定の電気回路パターンが形成された基板と、第二の凹部の底面に実装した半導体発光素子と、第一の凹部及び第二の凹部に充填して半導体発光素子を封止する封止材とを備えた半導体発光装置であって、
前記第二の凹部は、前記半導体発光素子の高さに相等する深さに形成されたものであると共に、前記封止材は、前記半導体発光素子の側周面と前記第二の凹部の側周面とで形成された空間に充填されることで前記半導体発光素子の高さに相等する厚みに形成された第一の封止材料と、半導体発光素子及び第一の封止材料の上面側に形成された第二の封止材料とからなり、前記第一の封止材料の厚みが前記半導体発光素子の高さに形成されることにより、半導体発光素子の上面と略同一の高さに、前記第一の封止材料と前記第二の封止材料との界面が形成され、かつ、第一の凹部の底面が位置するものであり、前記第一の封止材料と前記第二の封止材料との前記界面には、耐水性のシリカ膜が形成されてなることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記第一の凹部の底面部に、第二の封止材料が収縮する際に発生する応力を緩和させるための収縮応力緩衝用溝部もしくは収縮応力緩衝用突起部の少なくともいずれかを設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記第二の封止材料の屈折率は、第一の封止材料の屈折率より大きいものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
- 前記第一の封止材料は、中波長紫外線から可視光線までの波長域光を反射する高反射性物質からなる充填剤を含有するものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体発光装置。
- 前記第一の封止材料は、前記第二の封止材料が有する官能基と親和性を有する基を備えたシランカップリング剤を含有するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体発光装置。
- 前記第二の封止材料は、前記第一の封止材料が有する官能基と親和性を有する基を備えたシランカップリング剤を含有するものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体発光装置。
- 前記第二の封止材料の表面には、耐水性のシリカ膜が形成されてなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光装置。
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