JP5710915B2

JP5710915B2 - 半導体発光装置

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Publication number: JP5710915B2
Application number: JP2010201786A
Authority: JP
Inventors: 田村　量; 量田村
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: JP2012059921A

Description

回路基板上に反射部材と半導体発光素子を備えた半導体発光装置及びその製造方法に関する。

半導体発光素子（以後とくに断らない限りＬＥＤ素子と呼ぶ）を回路基板に実装しパッケージ化した半導体発光装置（以後とくに断らない限りＬＥＤ装置と呼ぶ）のなかで、発光効率を改善するため回路基板表面に白色の反射部材を備えたＬＥＤ装置が知られている。

例えば特許文献１の図１には白色レジスト層６（反射部材）を備えた光源装置１０（ＬＥＤ装置）が示されている。光源装置１０は基板１(回路基板)上に一対の電極２，３が形成され、これらの電極２，３と接続された発光ダイオードのチップ４（ＬＥＤ素子）はドーム状の透明樹脂７に封止されている。発光ダイオードのチップ４は一方の電極２上に配置され、この電極２と電気的に接続している。また、チップ４と他方の電極３とはワイヤ５によって電気的に接続している。この基板１上に形成された白色レジスト層６は、発光ダイオードのチップ４や、ワイヤ５と接続された電極３の端子付近が開口部となっており、開口部以外の部分では電極２，３を覆っている。開口部は矩形状となっており、開口部の壁面６Ａはチップ４や電極３の端子に近い箇所にある。

レジスト層６の反射率を向上させるためにはレジスト層６を厚くする必要がある。このようにすると、例えばレジスト層下部まで露光光が届きにくくなりレジスト層が硬化しにくくなるような様々な問題が生じる。そこで特許文献１の図３には２層のレジスト層６１，６２を備えた光源装置１２が示されている。段落００５４には光源装置１２において、２層のレジスト層６１，６２の積層により厚い白色レジスト層６が得られると共に、各レジスト層６１，６２を早く硬化させることができた、と記載されている。

特開２００７−２４３２２６号公報（図１、図３、段落００５４）

ＬＥＤ素子の発光により樹脂が劣化するため、反射部材として白色レジストの代わりに耐光性が高く硬化するとガラス質になる白色セラミックインクが使われるようになってきた。この白色セラミックインクは様々な課題があり、例えば充分な反射率を確保するためには白色レジストと同様に厚くしなければならないが、このときボイド（気泡）やクラックが生じる。これらを回避するため特許文献１を参考にして白色セラミックインクを２層化しても、白色セラミックインクが硬質であるため回路基板から剥がれやすいという課題が残る。

そこで本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、回路基板上に反射部材と半導体発光素子を備えた半導体発光装置及びその製造方法において、反射部材が充分な反射率と耐光性を備えながら回路基板と良好に密着する半導体発光装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光装置は、回路基板上に反射部材と半導体発光素子を備えた半導体発光装置において、
前記回路基板の上面に電極を有し、少なくとも前記電極の一部を覆い、感光性樹脂に反射性微粒子を混練し硬化させて形成した白色レジスト層と、
前記白色レジスト層上に塗布され、オルガノポリシロキサンに反射性微粒子を混練し、前記オルガノポリシロキサンをガラス化して形成した白色セラミックインク層とを備え、
前記白色セラミックインク層が樹脂層で覆われている
ことを特徴とする。

前記電極がポストを備え、
前記ポストに前記半導体発光素子がフリップチップ実装され、
前記ポストの上面と前記白色セラミックインク層の上面の高さが略一致し、
前記ポストに前記白色レジスト層及び前記白色セラミックインク層が接触しているとすると良い。

本発明の半導体発光装置は、回路基板上に白色レジスト層を形成し、さらに白色レジスト層上に白色セラミックインク層が積層している。この構造により反射部材は充分な厚さで高い反射率を維持する。また白色レジスト層を白色セラミックインク層が覆っているので、白色セラミックインク層が半導体発光素子の発光による白色レジスト層の劣化を防止している。白色レジスト層は白色セラミックインク層より軟質であるため、熱膨張や回路基板の変形にともなって生じる反射部材内の応力を緩和する。同様に白色レジスト層と白色セラミックインク層の界面付近に発生する応力も白色レジスト層が緩和する。以上の結果、本発明の半導体発光装置は、反射部材が充分な反射率と耐光性を備えながら回路基板と良好に密着することができる。

本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ装置の断面図。図１に示すＬＥＤ装置の製造方法の説明図。本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ装置の断面図。図３に示すＬＥＤ装置の製造方法の説明図。図３に示すＬＥＤ装置の製造方法の説明図。

以下、添付図１〜５を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。
（第１実施形態）

図１と図２により本発明の第１本実施形態について説明する。図１は本実施形態のＬＥＤ装置１０（半導体発光装置）の構造を説明するための断面図である。回路基板２２は、電極１７，１９、スルーホール１８、及び板材２０からなる。回路基板２２の上面に形成された電極１７は、回路基板２２の下面に形成された電極１９とスルーホール１８で接続している。電極１７上にはＬＥＤ素子２１（半導体発光素子）がフリップチップ実装されている。ＬＥＤ素子２１はサファイア基板１２の下面に半導体層１３を備え、半導体層１３にはアノードとカソードに対応するバンプ１４が付着している。ＬＥＤ素子２１を含む回路基板２２の上部は樹脂層１１で封止されている。

白色レジスト層１６は、ＬＥＤ素子２１の実装領域が開口するようにして電極１７の一部を含む回路基板２２の上面全体を覆っている。白色レジスト層１６上には白色セラミックインク層１５が積層している。白色セラミックインク層１５の開口部は白色レジスト層１６の開口部よりやや広い。

回路基板２２の板材２０はＢＴレジン（三菱瓦斯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）等の樹脂であるが、セラミック、金属であっても良い。電極１７，１９は銅箔上にニッケルと金を積層した金属パターンである。スルーホール１８の内部には金属ペーストが充填されている。ＬＥＤ素子２１のサファイア基板１２は厚さが８０〜１５０μｍ、半導体層１３は発光層を含み厚さが約７μｍ、バンプ１４は金バンプからなり厚さが２０〜３０μｍである。樹脂層１１はシリコーン樹脂にＹＡＧ等の蛍光体を混錬した蛍光樹脂である。

白色レジスト層１６は二酸化チタン等の反射性微粒子を混錬した感光性樹脂を硬化させたものであり、厚さは１５μｍ程度である。白色セラミックインク層１５は、オルガノポリシロキサン等のバインダ中に触媒や溶媒とともに二酸化チタン等の反射性粒子を混練した混合物を焼結したものであり、厚さは２０μｍ程度である。焼結後の白色セラミックインク層１５はガラス質（無機質）となる。

図２によりＬＥＤ装置１０の製造方法を説明する。図２はＬＥＤ装置１０の製造方法の説明図である。（ａ）は、回路基板２２（番号は図示せず）が連結した集合基板２５を準備する工程である。なお集合基板２５には数百から数千個の回路基板領域が配列しているが、図２では簡単のため３個にしている。また図中、板材２０上には多数形成された電極１７のみ示し、スルーホール１８及び電極１９は省略した。

（ｂ）は白色レジスト層１６を形成する工程である。コーター又はスクリーン印刷により集合基板２５の上面に白色レジスト層１６を形成する。白色レジスト層１６は８０℃（約３０分間）で仮硬化する。

（ｃ）は白色レジスト層１６に開口部２６を形成する工程である。フォトマスクを使って開口させる領域（開口部２６）以外を露光し、現像して開口部２６を形成する。その後、１５０℃（約１時間）で白色レジスト層１６を硬化させる。

（ｄ）は白色レジスト層１６に白色セラミックインク層１５を積層する工程である。スクリーン印刷法により白色セラミックインクを白色レジスト層１６上に塗布する。印刷の位置精度の関係で白色レジスト層１６の開口部２６より白色セラミックインク層１５の開口部の方が大きくなっている。

（ｅ）はＬＥＤ素子２１を実装する工程である。集合基板２５の電極１７のピッチで粘着シート（図示せず）上に配列させた多数のＬＥＤ素子２１を、同時に加圧加熱して集合基板２５の電極１７に接合する。ＬＥＤ素子２１のバンプ１４（番号は図示せず）の下面には予め金錫共晶層を形成しておく。金錫共晶接合は融点が約３００℃に設定できるため回路基板２２をマザー基板（図示せず）に半田リフロー（約２６０℃）するとき接合部が固体のままであるという特徴がある。

（ｆ）はＬＥＤ素子２１を封止する工程である。集合基板２５を金型に装填してから、ＹＡＧ等の蛍光体を混練したシリコーン樹脂を金型に充填し、シリコーン樹脂を約１５０℃で加熱硬化させ樹脂層１１を形成する。

（ｇ）は集合基板２５からＬＥＤ装置１０を個片化する工程である。ダイサー（図示せず）で樹脂層１１を備えた集合基板２５を切断し、個片化したＬＥＤ装置１０を得る。

本実施形態のＬＥＤ装置１０は樹脂層１１の側面からも光が出射するが、ＬＥＤ装置１０の外周に反射枠を設け配光を調整しても良い。また本実施形態の製造方法では白色レジスト層１６を形成するのに手番の長いフォトリソグラフィ法を適用しているが、集合基板２５には多数の回路基板領域が含まれているのでＬＥＤ装置１０当りの工程負荷増は小さい。
（第２実施形態）

図３〜図５により本発明の第２本実施形態について説明する。第１実施形態と同等の部材は同じ番号で示し説明を省略する。図３は本実施形態のＬＥＤ装置３０（半導体発光装置）の構造を説明するための断面図である。電極１７上には導電性のポスト３１が形成されている。このポスト３１は銅からなり上面にニッケルと金がメッキされている。ポスト３１を除く回路基板２２の上面全体を白色レジスト層３６が覆っている。さらに白色レジスト層３６上には白色セラミックインク層３５が積層している。白色セラミックインク層３５の上面とポスト３１の上面は略等しい。ポスト３１上にはＬＥＤ素子２１がフリップ実装されており、ＬＥＤ素子２１を含む回路基板２２の上部は樹脂層１１で覆われている。

図４と図５によりＬＥＤ装置３０の製造方法を説明する。図４と図５はＬＥＤ装置３０の製造方法の説明図である。（ａ）は回路基板２２が連結した集合基板２５を準備する工程、（ｂ）は白色レジスト層３６を形成する工程であり、それぞれ実施形態１の図２（ａ），（ｂ）と等しい。

（ｃ）は白色レジスト層３６に開口部４１を形成する工程である。白色レジスト層３６はポスト３１を形成する領域に開口部４１がある。この工程も第１実施形態の図２（ｃ）と同様に露光・現像で開口部４１を形成し、１５０℃で白色レジスト層３６を硬化させる。

（ｄ）は第２レジスト層４２を形成する工程である。第２レジスト層４２は感光性ドライフィルムであり、白色レジスト層３６の上面に貼りつける。

（ｅ）は白色レジスト層３６の開口部４１と重なる位置に第２レジスト層４２の開口部４３を形成する工程である。感光性ドライフィルム（第２レジスト層４２）も白色レジスト層３６と同様に露光・現像でパターニングする。

（ｆ）は開口部４３に導電性のポストを形成する工程である。電解メッキ法によりポスト３１を成長させる。なお電解メッキに対応できるよう、周知の設計技法により集合基板２５の状態では全ての電極１７（又は電極１９）は電気的に接続させておく。

（ｇ）は第２レジストを除去する工程である。剥離液を用いて感光性ドライフィルム（第２レジスト層４２）だけを除去する。この結果、白色レジスト層３６からポスト３１の先端が突き出る。

（ｈ）は白色レジスト層３６に白色セラミックインク層３５を積層する工程である。スクリーン印刷機やコーターを使って白色レジスト層３６の上面全体に亘り白色セラミックインク（硬化前）を塗布する。このあと約１５０℃で白色セラミックインク層３５を硬化させる。このとき白色セラミックインク層３５が白色ポスト３１の上面を僅かに覆うようにする。

（ｉ）は白色セラミックインク層３５を研磨する工程である。ポスト３１の上面が露出するまで白色セラミックインク層３５を研磨する。その後、ポスト３１の上面にニッケル層と金層を電解メッキ法で形成する。

（ｊ）はＬＥＤ素子２１を実装する工程である。電極１７に代わりにポスト３１上に実装すること以外は実施形態１の図２（ｅ）と同様である。（ｋ）はＬＥＤ素子２１を封止する工程、（ｌ）は集合基板２５からＬＥＤ装置３０を個片化する工程であり、それぞれ実施形態１の図２（ｆ），（ｇ）と同様である。

本実施形態では電極１７がポスト３１を備え、このポスト３１にＬＥＤ素子２１がフリップチップ実装されていた。このようすると反射部材を厚くできることに加え、ポスト３１を除く回路基板２２の表面を隙間なく反射部材が占められるため高い反射率を維持できる。

本実施形態ではポスト３１に白色レジスト層３６及び白色セラミックインク層３５が接触していた。工程を節約するため白色レジスト層３６又は白色セラミックインク層３５を印刷法で形成し手も良い。このとき白色レジスト層３６又は白色セラミックインク層３５がポスト３１に接触しない状態となる。ポスト３１と白色レジスト層３６又は白色セラミックインク層３５との間に隙間があると反射率の低下を招くばかりでなく、板材２０が樹脂であると板材２０の光劣化を招く。高い反射率と信頼性が必要な場合には、ポスト３１に白色レジスト層３６及び白色セラミックインク層３５が接触していることが必要になる。

本実施形態ではポスト３１の上面と白色セラミックインク層３５の上面の高さが略一致していた。これは白色セラミックインク層３５を形成後、研磨によりポスト３１の上面を
露出させた結果である。これに対し周知の方法で白色セラミックインクの塗布量を正確にし制御することで図5（ｉ）の研磨工程を省くことは可能である。しかしながら本実施形態は、塗布量の高精度な制御の代わりに研磨を採用し製造工程を容易にした。

第１および第２実施形態では回路基板２２にＬＥＤ素子２１をフリップチップ実装していた。しかしながらＬＥＤ素子２１の実装形態はフリップチップ実装に限定されず、ＬＥＤ素子２１のサファイア基板１２を回路基板２２にダイボンディングし、半導体層１３を上方に向けた実装（フェイスアップ実装）であっても良い。

１０，３０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
１１…樹脂層、
１２…サファイア基板、
１３…半導体層、
１４…バンプ、
１５，３５…白色セラミックインク層、
１６，３６…白色レジスト層、
１７、１９…電極、
１８…スルーホール、
２０…板材、
２１…ＬＥＤ素子（半導体発光素子）、
２２…回路基板、
２５…集合基板、
２６，４１，４３…開口部、
３１…ポスト、
４２…第２レジスト層。

Claims

回路基板上に反射部材と半導体発光素子を備えた半導体発光装置において、
前記回路基板の上面に電極を有し、少なくとも前記電極の一部を覆い、感光性樹脂に反射性微粒子を混練し硬化させて形成した白色レジスト層と、
前記白色レジスト層上に塗布され、オルガノポリシロキサンに反射性微粒子を混練し、前記オルガノポリシロキサンをガラス化して形成した白色セラミックインク層とを備え、
前記白色セラミックインク層が樹脂層で覆われている
ことを特徴とする半導体発光装置。
前記電極がポストを備え、
前記ポストに前記半導体発光素子がフリップチップ実装され、
前記ポストの上面と前記白色セラミックインク層の上面の高さが略一致し、
前記ポストに前記白色レジスト層及び前記白色セラミックインク層が接触していることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。