JP5388877B2 - 半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法 Download PDF

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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、詳しくは発光効率の高い半導体発光装置の構成及びその製造方法に関する。
近年、LED素子(以下LEDと略記する)は半導体素子であるため、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く、鮮やかな発光色を有することから、カラー表示装置のバックライトや照明等に広く利用されるようになってきた。
特に近年、LEDを小型に基板に搭載し樹脂等でLEDを封止した半導体発光装置(以下LED発光装置と略記する)としてはその発光効率を高めることと、量産化によるコストダウンが要求されている。そこで、LED発光装置の発光効率を高める方法として回路基板におけるLED実装部の周辺に反射部材を設けたり、または回路基板としてアルミナ等の反射率の高い材質を採用して、LEDの発光を無駄なく利用して発光効率を高めることが提案されている。(例えば特許文献1,特許文献2、特許文献3)。
以下従来の反射部材付のLED発光装置に付いて説明する。
図15は特許文献1における従来の反射部材付LED発光装置の断面図である。図15においてLED発光装置100は、配線電極102aを有する樹脂基板102上にLED103をワイヤー104によって実装し、このLED103を透明樹脂105でモールドしている。そして樹脂基板102の上面におけるLED103を実装した周辺には樹脂製の白色反射膜106が設けられている。
上記LED発光装置100の動作は、LED103から放射された光の内の樹脂基板102の方向に向かう光が白色反射膜106により上方に反射されるものである。従って樹脂基板102で吸収されていた光の損失分がなくなり、LED103から放射された光はほぼ全てが上方に向かって放射されるので、LED発光装置としての発光効率が高くなり、光量の増加が行われる。
図16は特許文献2における従来の反射部材付LED発光装置の断面図であり、趣旨を逸脱しない範囲で簡素化している。図16においてLED発光装置200は、電極202aを有する樹脂基板202上にLED203を実装し、このLED203を透明樹脂205でモールドしている。そして電極202aの上面におけるLED203の実装領域及びワイヤー204のボンディング領域を除くほぼ全面に絶縁層207が形成され、この絶縁層207の上面に金属蒸着によって金属反射層208が形成されている。
上記LED発光装置200において、LED203から放射された光の内の樹脂基板202の方向に向かう光は金属反射層208により上方に反射される。従って樹脂基板202で吸収されていた光の損失分がなくなり、LED203から放射された光はほぼ全てが上方に向かって放射されるので、LED発光装置としての発光効率が高くなり、光量の増加が行われる。
図17は特許文献3における従来のアルミナ等の反射率の高い材質の回路基板を採用したLED発光装置の断面図であり、趣旨を逸脱しない範囲で簡素化している。図17においてLED発光装置300は、回路基板302として熱伝導率及び反射率の高いアルミナ基板を採用しており、この回路基板302の上面側に設けた配線電極302aと裏面側に設けた出力電極302bとをスルーホール電極302cによって接続した構成であり、前記回路基板302上の配線電極302aにLED303がバンプ電極303aによりFC(フリップチップ)実装されており、このLED303を透明樹脂305でモールドしている。
次にLED発光装置300の発光動作を説明する。LED303からの出射光の主要部は太い矢印で示す主出射光Pとして上方に出射される。しかしLED300からの出射光はこの主出射光P以外にもいろいろな成分を含んでおり、直接斜め上方に出射されるP1光、側面から出射されて配線電極302aにて反射されて出射していくP3、回路基板302のアルミナ基板面で反射されて出射していくP6、アルミナ基板内に入射するがアルミナ基板の高い反射率によって屈折を繰り返して上方に出射していくP5等があるが、全体としては回路基板302を構成するアルミナ基板の反射率が高いため、LED300の出射光のほとんどが有効光としてLED発光装置300の上方に出射されていく。
特開2003−23183号公報 特開2005−26276号公報 特開2007−103978号公報
上記特許文献1の提案は、反射層として白色のシルク印刷インキ、白色のアクリル塗装等の樹脂材料を用いることが記載されており、この樹脂材料による反射層は絶縁性であるため、電極を有する樹脂基板上に直接形成することが出来るという利点を有する。しかし樹脂材料による反射層は金属製の反射層に比べて反射率が劣るうえ、特に短波長側で反射率が低下するため、発光色によって十分な反射特性が得られない欠点があり、さらにLEDの発光によって劣化するという問題がある。
また特許文献2の提案は、反射層として金属反射層を用いているため、十分な反射特性が得られるという利点を有する。しかし金属製であるため電極を有する樹脂基板上に直接形成することが出来ず、樹脂基板の電極上に絶縁層を形成し、その絶縁層の上に金属反射層を設ける必要がある。このため製造工程が複雑になり、量産性が悪くコストアップになるという問題がある。
また特許文献3の提案は、アルミナ等の反射率の高い材質の回路基板を採用しているため、反射率が良いことによる出射効率の点と、熱伝導率は良いことによる熱効率が優れている。しかし、近年LED発光装置の小型薄型化の要望から、アルミナ等の反射率の高い材質の回路基板材料を薄型していく必要が生じている。
この要望に沿って回路基板302を薄型化した構成を図18に示す。図18は図17の示すLED発光装置300の回路基板302を数分の1に薄型化した構成であるが、この結果アルミナ基板が半透明状態となって、反射率が低下してしまった。そのため、図17の構成では回路基板302のアルミナ基板面で反射されて出射していくP6、アルミナ基板内に入射するがアルミナ基板の高い反射率によって屈折を繰り返して上方に出射していくP5等が、全てアルミナ基板を通過してしまい、その1部は出力電極302bによる反射よって上方に戻っていくが、ほとんどの出射光P5はアルミナ基板の裏面側から漏洩してしまう結果となり、高い出射効率が得られないという問題が発生した。
本発明の目的は上記問題点を解決しようとするものであり反射率の高いアルミナ等の基板材料からなる基板を採用しながら、薄型化と同時に高い出射効率が得られる半導体発光装置及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため本願発明においては、回路基板上に発光素子を実装した半導体発光装置において、前記回路基板は半透明性基板の上面側に設けた配線電極と裏面側に設けた出力電極とを備え、前記回路基板上の配線電極に前記半導体発光素子を実装するとともに、前記回路基板の裏面側の略全面に反射層を設け、前記反射層は金属製の不連続蒸着膜で構成された、金属性光沢を有する絶縁性反射層であることを特徴とする。
上記構成によれば、アルミナ基板等の反射率の高い材料の基板を、半透明性になるくらいに薄型化しても、十分に高い出射効率が得られ、また放熱特性の優れた半導体発光装置を提供することが可能となった。
不連続蒸着膜を錫のような反射率の高い金属で形成することによって、反射層形成面に複数の分離した出力電極等の導電層があっても、不連続蒸着膜が横方向に絶縁していることからこれらの導電層同士が短絡することはないので、導電層とは無関係に反射層を形成することができる。
本発明における半導体発光装置の製造方法は、大判の集合回路基板に多数の回路基板を形成する工程と、前記集合回路基板に形成された多数の回路基板の裏面上に金属製の不連続蒸着膜を形成する工程と、前記各回路基板に半導体発光素子を実装する工程と、各半導体発光素子を樹脂コートする工程と、前記半導体発光素子が実装された回路基板を切断分離する工程とを有することを特徴とする。
上記の如く、回路基板の裏面上に金属製の不連続蒸着膜を形成する工程では、大判の集合回路基板における、出力電極の形成面に一括して反射層を形成することができる。
また、本発明における半導体発光装置の製造方法は、大判の集合回路基板に多数の回路基板を形成する工程と、前記各回路基板の裏面側に形成された出力電極部分にレジスト膜を形成する工程と、前記集合回路基板の裏面全体に誘電体多層膜を形成する工程と、前記レジスト膜によるリフトオフにて前記出力電極部分を露出させる工程と、前記各回路基板に半導体発光素子を実装する工程と、各半導体発光素子を樹脂コートする工程と、前記半導体発光素子が実装された回路基板を切断分離する工程とを有することを特徴とする。
上記の如く本発明によれば、アルミナ基板等の反射率の高い材料からなる基板を、半透明性になるくらいに薄型化しても、十分に高い出射効率が得られ、また放熱特性の優れた半導体発光装置を提供することが可能となる。
本発明の第1実施形態におけるLED発光装置の断面図である。 図1に示すLED発光装置の回路基板における裏面側の平面図である。 図1に示すLED発光装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の第1実施形態における複数のLEDを実装した集合回路基板の平面図である。 図4に示すLEDを実装した後に樹脂コートを形成した集合回路基板の平面図である。 本発明の第1実施形態における集合回路基板の裏面側の平面図である。 図6に示す集合回路基板の裏面側に不連続蒸着膜を形成した状態を示す平面図である。 回路基板に不連続蒸着膜を形成している状態を示す真空装置の斜視図である。 不連続蒸着膜が形成された回路基板の部分拡大断面図である。 本発明の第2実施形態におけるLED発光装置の断面図である。 図10に示すLED発光装置の回路基板における裏面側の平面図である。 本発明の第2実施形態における集合回路基板の裏面側の平面図である。 図12に示す集合回路基板に誘電体多層膜を形成した裏面側の平面図である。 図13に示す集合回路基板からレジスト膜を除去した裏面側の平面図である 従来技術におけるLED発光装置の断面図である。 従来技術におけるLED発光装置の断面図である。 従来技術におけるLED発光装置の断面図である。 従来技術におけるLED発光装置の断面図である。
(第1実施形態)
以下図面により、本発明の実施形態を説明する。図1から図3は本発明の第1実施形態におけるLED発光装置を示すものであり、図1はLED発光装置の断面図、図2は図1に示すLED発光装置の裏面側の平面図、図3は図1に示すLED発光装置の製造工程を示す断面図である。
図1においてLED発光装置10を構成する回路基板2には、上面側の配線電極2a、裏面側の出力電極2b、上面の配線電極2aと裏面側の出力電極2bとを接続するスルーホール電極2cが設けられており、さらに回路基板2の裏面側には出力電極2bの形成領域を含む全面に絶縁反射層として、金属製の不連膜蒸着膜6が形成されている。なお後述する如くこの金属製の不連続蒸着膜6は面の縦方向には導電性を示すが、面の横方向には導電性を示さず、絶縁層として形成されており、しかも光学的には金属光沢を有する金属性反射層として機能する。
回路基板2の上面側にはLED3がバンプ電極3aにより配線電極2aにフリップチップ実装されている。上記フリップチップ実装の条件としては、LED3のバンプ電極3aをAuバンプとし、バンプ電極3aと配線電極2aとの接続はAu―Snの共晶接合によって行うことができる。さらに回路基板2の上面側を透明樹脂または蛍光粒子8の混入樹脂による樹脂コート5を設けることにより、LED発光装置10が完成する。
図2は図1に示すLED発光装置10の裏面側の平面図であり、回路基板2の裏面側は全面が不連続蒸着膜6により、金属光沢を有する絶縁反射層が形成されている。なお、点線で出力電極2bの位置を示している。またLED発光装置10を出力電極2bにより外部回路基板等に実装する場合には、前述の如く不連続蒸着膜6は回路基板2の裏面において横方向には絶縁性を示し、縦方向には導電性を有しているため出力電極2bを不連続蒸着膜6を介して外部回路基板等に直接実装することができる。
次にLED発光装置10の動作を説明する。上記構成を有するLED発光装置10の出射光動作は、基本的に図17,図18に示すLED発光装置300の出射光動作とおなじであり、同一出射光には同一記号を付し、重複する説明を省略する。
すなわち、主出射光P、直接斜め上方に出射されるP1光、側面から出射されて配線電極2aにて反射されて出射していくP3、回路基板302のアルミナ基板面で反射されて出射していくP6(図示せず)等は同じ出射光となる。
しかし、LED発光装置10とLED発光装置300の異なる部分は、LED発光装置300では図18に示すごとく薄型化されたアルミナ基板内に入射して回路基板2の裏面側から漏洩して損失となっていた損失光P5が、LED発光装置10では回路基板2の裏面側の全面に形成された、金属光沢を有する絶縁反射層である不連続蒸着膜6によって反射され、全て出射光P4として有効に出射されていく。また、LED発光装置10では樹脂コート5に蛍光粒子8を混入しているため、蛍光粒子8に衝突して波長変換された出射光P8も出射される。
上記の如く、LED10からの出射光の内の、半透明化された回路基板2を通過して漏洩していた漏洩光が、回路基板の裏面側に形成された不連続蒸着膜6により上方に反射されるものとなる。従って回路基板2を漏洩していた損失分がなく、LED3からの出射光はほぼ全てが上方に向かって出射されるので、LED発光装置としての発光効率が高くなり、光量の増加が行われる。
次にLED発光装置10の製造方法に付いて説明する。
図3はLED発光装置10の製造工程を示す断面図であり、(A)は回路基板2の断面図であり、半透明化状態まで薄型化されたアルミナ基板である回路基板2の上面には配線電極2a、裏面には出力電極2b、上面と裏面の間には配線電極2aと出力電極2bとを接続するスルーホール電極2cが設けられている。(B)は不連続蒸着膜6を形成した回路基板2の断面図であり、回路基板2の裏面側には接続電極2bの上面を含む全面に絶縁反射層としての不連続蒸着膜6が形成されている。(C)はLED3を実装した回路基板2の断面図であり、LED3はバンプ電極3aにより配線電極2aにフリップチップ実装されている。なお、LED3のバンプ電極3aは配線電極2aにAu―Snの共晶接合によってフリップチップ実装されている。(D)はLED発光装置10の完成状態の断面図であり、樹脂コート5を設けることで図1に示すLED発光装置10が完成する。
次にLED発光装置10の集合基板方式による製造方法を説明する。
図4から図7はLED発光装置10の集合基板方式による製造工程を示しており、図4は複数のLED3を実装した集合回路基板2Lの平面図、図5は図4に示すLED3を実装した後に樹脂コート5を形成した集合回路基板2Lの平面図、図6は集合回路基板2Lの裏面側の平面図、図7は不連続蒸着膜6を形成した集合回路基板2Lの裏面側の平面図である。
図4は大判の回路基板材である集合回路基板2Lに複数の回路基板2を形成しており、切断線Sで示す点線で囲われた範囲が各回路基板2に対応している。そして各回路基板2には、上面側に示す配線電極2aに対して、図面には現れていないが、図1に示すように裏面側には出力電極2b、上面の配線電極2aと裏面側の出力電極2bとを接続するスルーホール電極2cが設けられている。
そして各回路基板2の上面側に示す配線電極2aに対し複数のLED3がフリップチップ実装されている。
図5は図4に示す集合回路基板2Lの全面に蛍光粒子が混入された樹脂コート5を形成した状態を示しており、梨地模様で示す樹脂コート5の下側に配線電極2aとLED3を点線で示している。
図6、図7は集合回路基板2Lの裏面側の平面図であり、図6は各回路基板2に出力電極2bが設けられた状態を示し、図7は集合回路基板2Lの裏面側全面に斜線で示す如く不連続蒸着膜6が形成されている。
図4から図7の処理を行った集合回路基板2Lを切断線Sで切断分離することによって、図1に示すLED発光装置10を量産することができる。
次に不連続蒸着膜6の形成方法に付いて説明する。
図8は回路基板2に不連続蒸着膜6を形成している状態を示す真空装置50の斜視図であり模式的に示している(真空装置内の要素を実線で表示)。図8において真空装置50の内部に図6に示す複数の回路基板2を有する集合回路基板2Lを、裏面側に向けて複数枚セットする。また加熱装置に蒸着材料の金属をセットした蒸着源60もセットし、この状態から排気孔70より排気を行って真空装置50内部を所定の真空度まで引く。この状態において蒸着源60を加熱することにより蒸着材料の金属を蒸気化し、集合回路基板2Lの裏面側に不連続蒸着膜6を形成する。
図9は不連続蒸着膜6が形成された回路基板2の部分拡大断面図であり、回路基板2の出力電極2bを含む全面に不連続蒸着膜6が形成された状態を示している。金属による不連続蒸着膜6の形成は、金属の蒸着膜の形成と基本的に同じ方法で作成されている。すなわち金属の蒸着膜の形成方法は、成膜の初期段階にいては蒸着物質(金属)6aが蒸着面(回路基板2及び出力電極2b)に対して島状に付着し、横方向には導電性を示さない構成となっている。この状態からさらに蒸着を続けるとやがて蒸着物質6aどうしが接触して横方向には導電性を示す完成成膜状態となる。
本願発明でいう不連続蒸着膜6とは、金属の蒸着膜の形成方法において、成膜の初期段階における蒸着物質6aが蒸着面に対して島状に付着した状態のことをいい、図9に示す如く蒸着物質6aが近接して存在し、かつ横方向には導電性を示さない状態,すなわち蒸着物質6a間に僅かな間隙Hを有する状態まで蒸着を促進して終了することにより、金属性光沢を有する絶縁性反射層を形成することができる。なお、アルミニュウム等は蒸着の初期段階から横方向に導通しやすいので不連続蒸着膜になり易い金属材料を選択する必要があり、本実施形態においては蒸着物質6aの金属として錫を用いることにより、十分な金属性光沢を有する絶縁性反射層を形成することができた。
(第2実施形態)
次に本願発明における第2実施形態のLED発光装置について説明する。
図10は本願発明の第2実施形態におけるLED発光装置の断面図、図11は図10に示すLED発光装置の裏面側を示す平面図である。図10に示すLED発光装置20の基本的構成は図1に示す第1実施形態のLED発光装置10と同じであり、同一部材には同一番号を付し、重複する説明を省略する。
LED発光装置20がLED発光装置10と異なるところは、回路基板の裏面側に設けた反射層の構成であり、LED発光装置10では回路基板の裏面側に形成された反射層が出力電極2bを含む全面に形成された金属性の不連続蒸着膜6であったのに対し、LED発光装置20では回路基板の裏面側に形成された反射層が出力電極2b以外の部分の全面に形成された誘電体多層膜7となっていることである。この理由は誘電体多層膜7は金属性光沢を有する反射層ではあるが絶縁性被膜であるため、LED発光装置10の不連続蒸着膜6のように全面に形成すると、出力電極2bの接続が行われなくなるからである。従って図11に示す如く回路基板2の裏面側は出力電極2b以外の全面に誘電体多層膜7が形成されている。
次にLED発光装置20の集合基板方式による製造方法を説明する。
LED発光装置20の集合基板方式による製造方法は、第1実施形態におけるLED発光装置10の集合基板方式による製造方法と基本的に同じであり、異なる部分として回路基板の裏面側に対する反射層の形成方法のみである。従って回路基板2の上面側の工程は、図4、図5に示すLED発光装置10と同じなので、省略し、回路基板2の裏面側の絶縁反射層の形成方法だけを図12〜図14で説明する。
図12〜図13はいずれも集合回路基板2Lの裏面側を示す平面図であり、図12は第1実施形態におけるLED発光装置10の図6に示す構成と同様であるが、異なる部分は各出力電極2bの部分がレジスト膜9によって被覆されていることである。図13は図12に示す集合回路基板2Lの全面に誘電体多層膜7を形成した状態を示す。図14は図13に示す集合回路基板2Lからレジスト膜9を剥離した状態を示し、回路基板2における出力電極2bの部分の誘電体多層膜7が除去されることによって、図11で説明した回路基板2の裏面側の反射面が形成される。
また、切断線Sに従って各LED発光装置20を切断分離する工程は、第1実施形態と同じである。
本発明における回路基板裏面への反射層の形成は、各実施形態に示した金属性の不連続蒸着膜や、誘電体多層膜以外にも、反射性のセラミックインクを第2実施形態の誘電体多層膜と同様に出力電極以外の部分に塗布する等、いろいろな反射層を用いることができる。
また、図示は省略したが金属性の不連続蒸着膜6や、誘電体多層膜7を回路基板2の裏面に反射層として直接形成し、その反射層上に出力電極2bを形成し、スルーホール電極2cにより配線電極2aと接続しても良い。この場合、出力電極2bとしては反射率の低い材料(例えば金)を使用しても、回路基板の裏面の反射率は高い状態で維持できる。反射層に誘電体多層膜を用いるときは、回路基板の裏面に誘電体多層膜を形成してからスルーホール電極2cを形成する。反射層に不連続蒸着膜を使用するときは、不連続蒸着膜の形成工程とスルーホール電極2cの形成工程はどちらを先にしても良い。
配線電極2aと出力電極2bを接続するのに、スルーホール電極2cの代わりに回路基板2の外縁に沿って接続用の電極を形成しても良い。基板材料はアルミナのような無機物ばかりでなく、基板が厚いうちは白色で反射特性の良好なBTレジン(三菱ガス化学の商標名であり、ビスマレイミドトリアジン樹脂等からなる熱硬化性樹脂)などの樹脂であっても良い。
上記の如く本願発明における金属性光沢を有する絶縁反射層の形成は、不連続蒸着膜6や、誘電体多層膜7のいずれにおいても、集合回路基板2Lの状態で裏面側の全面に形成することによって量産性が良くなり、コストダウンが可能となる。特に不連続蒸着膜6の場合には、出力電極2bの部分にレジスト膜9を形成する必要が無いので、加工工程の削減によるコストダウン効果が大きい。またLEDの電極面を回路基板に向け、LEDのバンプ電極と回路基板の配線電極とを接続させるフリップチップ実装方式には特に有利だが、これに限定されず、LEDのバンプ電極と回路基板の配線電極とをワイヤーにより接続させるワイヤーボンディング方式にも本発明を適用できることは当然である。
2、302 回路基板
2a、102a、202a、302a 配線電極
2b、102b、202b、302b 出力電極
2c、102c、202c、302c スルーホール電極
2L 集合回路基板
3、103,203、303 LED
3a、303a バンプ電極
5 樹脂コート
6 不連続蒸着膜
6a 蒸着物質
10、20,100、200、300 LED発光装置
7 誘電体多層膜
8 蛍光粒子
9 レジスト膜
50 真空装置
60 蒸着源
70 排気孔
102、202、 樹脂基板
104、204 ワイヤー
105、205、305 透明樹脂
106 白色反射膜
207 絶縁層
208 金属反射層

Claims (4)

  1. 回路基板上に発光素子を実装した半導体発光装置において、前記回路基板は半透明性基板の上面側に設けた配線電極と裏面側に設けた出力電極とを備え、前記回路基板上の配線電極に前記半導体発光素子を実装するとともに、前記回路基板の裏面側の略全面に反射層を設け、前記反射層は金属製の不連続蒸着膜で構成された、金属性光沢を有する絶縁性反射層であることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記不連続蒸着膜を形成する金属が錫である請求項1記載の半導体発光装置。
  3. 大判の集合回路基板に多数の回路基板を形成する工程と、前記集合回路基板に形成された多数の回路基板の裏面上に金属製の不連続蒸着膜を形成する工程と、前記回路基板に半導体発光素子を実装する工程と、前記半導体発光素子を樹脂コートする工程と、前記半導体発光素子が実装された回路基板を切断分離する工程とを有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
  4. 大判の集合回路基板に多数の回路基板を形成する工程と、前記集合回路基板の裏面側に形成された出力電極部分にレジスト膜を形成する工程と、前記集合回路基板の裏面全体に誘電体多層膜を形成する工程と、前記レジスト膜によるリフトオフにて前記出力電極部分を露出させる工程と、前記回路基板に半導体発光素子を実装する工程と、前記半導体発光素子を樹脂コートする工程と、前記半導体発光素子が実装された回路基板を切断分離する工程とを有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
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