JP6623508B2 - 光源及びその製造方法、実装方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光源及びその製造方法、実装方法に関する。
実装基板に支持基板が載置された半導体装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
特許文献１には、バンプ導体が接合されたセラミックス多層配線基板が開示されている。バンプ導体は半田ボールが用いられている。
特許文献２には、半導体チップと、前記半導体チップを支持する第１のチップ支持基板と、前記第１のチップ支持基板が形成された第２のチップ支持基板と、が実装基板上に載置されることが開示されている。第２のチップ支持基板はバンプ電極が形成され、第２のチップ支持基板は、バンプ電極を介して、実装基板に接続される。バンプ電極は、半田ボールが用いられている。
特開２００１−２１０７４６号公報 特開２００４−２５９７９８号公報
しかし、半田ボールを用いたバンプでは、セラミックス多層配線基板と実装基板との接合が不十分であった。
そこで、セラミックス基板と実装基板との接合強度の高い光源及びその製造方法を提供する。
本実施形態に係る光源は、実装基板と、前記実装基板上に金、銅、金合金若しくは銅合金である複数の金属バンプを用いて接合される、発光素子が実装されたセラミックス基板と、を有する。
本実施形態に係る光源の製造方法は、実装基板に、複数の金属バンプを形成する工程と、前記実装基板上に発光素子が実装されたセラミックス基板を載置し、前記金属バンプを介して前記実装基板と前記セラミックス基板とを接合する工程と、を有する。
本実施形態に係る実装方法は、実装基板に複数の金属バンプを形成し、前記実装基板上にセラミックス基板を載置し、前記金属バンプを介して前記実装基板と前記セラミックス基板とを接合する。
上記の構成にすることにより、セラミックス基板と実装基板との接合強度の高い光源及びその製造方法を提供する。
第１の実施形態に係る光源を示す概略斜視図である。 第１の実施形態に係る光源を示す概略断面図である。 第１の実施形態に係る光源の製造工程を示す概略断面図である。 第１の実施形態に係る光源の製造工程を示す概略断面図である。 第１の実施形態に係る光源の製造工程を示す概略断面図である。 第１の実施形態に係る光源の製造工程を示す概略断面図である。 第２の実施形態に係る光源の製造工程を示す概略断面図である。 第３、第４の実施形態に係る光源の製造工程を示す概略断面図である。 実施例１に係る光源を示す概略平面図である。 実施例１に係る光源を示す概略断面図である。 実施例１に係る光源を示す概略側面図である。 実施例１に係る光源を示す概略側面図である。 実施例１に係る光源を示す概略背面図である。
以下、第１の実施形態に係る光源及びその製造方法を説明する。ただし、本発明は、この実施の形態及び実施例に限定されない。
説明上、実装基板に発光素子が載置されている側を上面側若しくは平面側と呼ぶ。
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態に係る光源について図面を用いて説明する。図１は、第１の実施形態に係る光源を示す概略斜視図である。図２は、第１の実施形態に係る光源を示す概略断面図である。
光源は、実装基板１０と、金属バンプ２０と、セラミックス基板３０と、発光素子４０と、封止部材５０とを有する。
実装基板１０は略直方体であり、底面と側面を持つカップ状を成している。カップは平面視において角部に丸みを帯びた四角形を成す。実装基板１０は銅材と熱可塑性樹脂とで構成されている。熱可塑性樹脂はポリフタルアミド、液晶ポリマー、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、不飽和ポリエステル等も使用することができる。また、実装基板１０は銅材とセラミックスとで構成することもできる。ただし、実装基板１０は平板状であってもよい。実装基板１０は、銅若しくは銅合金のみで形成されていても良い。また実装基板１０はガラスエポキシ基板やエポキシ基板、金属基板を用いることができる。実装基板１０は所定の箇所のみ金属を配置して、それ以外に絶縁物を配置することで外部電極と電気的接続を採ることができる。
セラミックス基板３０には発光素子４０が実装されている。発光素子４０の実装はフェイスアップでもフェイスダウンでも良い。発光素子４０は窒化物半導体が好ましいが、それ以外の半導体を使用することもできる。
セラミックス基板３０はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミナ質焼結体、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、ガラスセラミックス質焼結体、窒化アルミ（ＡｌＮ）等の電気絶縁性材料からなる。セラミックス基板３０は単層配線若しくは多層配線が施されている。単層配線、多層配線は、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機樹脂バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを、スクリーン印刷等の方法で所定のパターンに印刷塗布しておき、グリーンシートを焼成することによって、単層配線、多層配線が施されたセラミックス基板３０を形成することができる。
発光素子４０が実装されたセラミックス基板３０は、実装基板１０上に金、銅、金合金若しくは銅合金である複数の金属バンプ２０を用いて接合される。金が好ましいが、金を主成分とする金合金を用いることもできる。金を主成分とする場合は、金が７５重量％以上であり、８０重量％が好ましく、９０重量％以上が最も好ましい。反射率や延性、展性の観点から金が好ましい。ただし銅、銅合金も使用することができる。金属バンプ２０は複数個使用する。金属バンプ２０はセラミックス基板３０の実装面の全面に形成することもできるが、クラックが発生し易い位置に集中的に金属バンプ２０を形成することもできる。例えば、セラミックス基板３０の中央付近に金属バンプ２０を密に集中させ、セラミックス基板３０の外周付近は金属バンプ２０を間引くこともできる。また、セラミックス基板３０が一方向に長い場合は、長さ方向に対し垂直な方向にクラックが発生し易いため、長さ方向の中央付近に長さ方向に複数列の金属バンプ２０を形成することもできる。
発光素子４０、セラミックス基板３０は、封止部材５０で被覆されている。封止部材５０は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができる他、ガラスも用いることができる。
平面視において、複数の金属バンプ２０間には、樹脂６０が充填されている。セラミックス基板３０と実装基板１０との接合強度を高めるためである。樹脂６０には銀、銅、アルミニウムなどの熱伝導率の高い粒子を含有することもできる。これによりセラミックス基板３０にたまった熱を実装基板１０側に効率良く伝達することもできる。
セラミックス基板３０と銅材を用いた実装基板１０とを接合する場合、両者間の熱膨張係数差が大きいため、半田を用いた実装方法では半田実装時の熱履歴によりセラミックス基板に大きな熱応力がかかり、クラックが発生していた。半田実装においてはリフロー工程が必須となり、このリフロー工程においてセラミックス基板３０と実装基板１０との熱膨張係数差に起因するクラックが発生するものと考えられる。セラミックス基板３０のクラックを防止するため、応力低減策としてエポキシ樹脂を用いた接合が考えられるが、半田による接合と比較して接合性、放熱性が大幅に低下するため、エポキシ樹脂を使用することに問題を有していた。そこで、第１の実施形態における光源のように、発光素子４０が実装されたセラミックス基板３０と実装基板１０との接合を金、銅、金合金若しくは銅合金である複数の金属バンプ２０を用いることで、セラミックス基板３０と実装基板１０との接合強度を高め、かつ放熱性に優れた光源を提供することができる。また、金属バンプ２０を用いるため、断面視においてセラミックス基板３０と実装基板１０との間に空間が形成される。この空間等がセラミックス基板３０と実装基板１０との熱応力を緩和させ、セラミックス基板３０のクラックの発生を低減させている。この空間に樹脂６０を充填することで接合強度を更に一層高め、かつ、放熱効果も向上させることができる。
第１の実施形態に係る光源の製造方法について図面を用いて説明する。図３〜図６第１の実施形態に係る光源の製造工程を示す概略断面図である。
実装基板１０に、複数の金属バンプ２０を形成する。
カップ状を成す実装基板１０に複数の金属バンプ２０を形成する。例えば、金属バンプ２０は直径約６０μｍ〜１２０μｍ、高さ２０μｍ〜５０μｍの大きさのものを使用することができる。金属バンプ２０を縦方向、横方向に配列する。金属バンプ２０は金を使用するが、銅、金合金、銅合金も使用することができる。金の純度は９５％以上のものが良く、９９％以上のものが好ましい。
実装基板１０上に発光素子４０が実装されたセラミックス基板３０を載置し、金属バンプ２０を介して実装基板１０とセラミックス基板３０とを接合する。
セラミックス基板３０は平面視において略四角形のものを使用し、セラミックス基板３０上には発光素子４０を３行３列に配列している。この発光素子４０の個数は適宜変更できる。発光素子４０はフェイスダウン実装してセラミックス基板３０に実装している。
実装基板１０とセラミックス基板３０との接合は温度１００℃〜２００℃、１．０ｋｇ／ｍｍ２〜５．０ｋｇ／ｍｍ２で加圧することができる。
次に実装基板１０とセラミックス３０との隙間に樹脂６０を流し込む。樹脂６０はエポキシ樹脂を用い、エポキシ樹脂中には銀フィラーが混合されている。
実装基板１０、セラミックス基板３０の濡れ性などを考慮し、エポキシ樹脂の粘度を適宜調整するが、例えば、吐出圧が１５０ｋＰａ〜４００ｋＰａのものを使用することが好ましい。銀フィラーは０．１μｍ〜１０μｍ程度の粒径のものを使用することができる。
次に封止部材５０を用いてセラミックス基板３０上の発光素子４０を被覆する。封止部材５０はポッティングで行う。ポッティングの他にスプレー、圧縮成形、押出成形、射出成形、トランスファー成形などの塗布方法を用いることもできる。封止部材５０はエポキシ樹脂、シリコーン樹脂などを用いることができる。封止部材５０を硬化する。
これにより、簡易に第１の実施形態に係る光源を製造することができる。
ここでは樹脂６０を用いているが、樹脂６０を使用することなく、セラミックス基板３０の接合工程後、封止部材５０で発光素子４０を被覆してもよい。
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態に係る光源の製造方法に代えて、第２の実施形態に係る光源の製造方法においても第１の実施形態に係る光源を製造することができる。図７は、第２の実施形態に係る光源の製造工程を示す概略断面図である。
まず、実装基板１０に、複数の金属バンプ２０を形成する。
次に、実装基板１０上にセラミックス基板３０を載置し、金属バンプ２０を介して実装基板１０とセラミックス基板３０とを接合する。
次に、セラミックス基板３０上に発光素子４０を実装する。
次に実装基板１０とセラミックス３０との隙間に樹脂６０を流し込む。
次に封止部材５０を用いてセラミックス基板３０上の発光素子４０を被覆する。
実装基板１０とセラミックス基板３０との接合後に、セラミックス基板３０上に発光素子４０を実装するため、実装基板１０とセラミックス基板３０との接合時の温度が発光素子４０にかからないため、発光素子４０への熱のダメージを低減することができる。
＜第３の実施形態＞
第１の実施形態に係る光源の製造方法に代えて、第３の実施形態に係る光源の製造方法においても第１の実施形態に係る光源を製造することができる。図８は、第３の実施形態に係る光源の製造工程を示す概略断面図である。
セラミックス基板３０に、金、銅、金合金若しくは銅合金である複数の金属バンプ２０を形成する。セラミックス基板３０の背面側に金属バンプ２０を形成する。
実装基板１０上にセラミックス基板３０を載置し、金属バンプ２０を介して実装基板１０とセラミックス基板３０とを接合する。
セラミックス基板３０上に発光素子４０を実装する。
セラミックス基板３０側に金属バンプ２０を形成するためセラミックス基板３０と実装基板１０との位置合わせの制御を不要にすることができる。また、カップ状の実装基板１０を使用する場合、カップ内への金属バンプ２０の形成が困難な場合も生じる。それに代えて、平板状のセラミックス基板３０を用いることで金属バンプ２０の形成を簡易に行うことができる。
実装基板１０とセラミックス基板３０との接合後に、セラミックス基板３０上に発光素子４０を実装するため、実装基板１０とセラミックス基板３０との接合時の温度が発光素子４０にかからないため、発光素子４０への熱のダメージを低減することができる。
＜第４の実施形態＞
第１の実施形態に係る光源の製造方法に代えて、第４の実施形態に係る光源の製造方法においても第１の実施形態に係る光源を製造することができる。図８は、第４の実施形態に係る光源の製造工程を示す概略断面図である。
発光素子４０が実装されたセラミックス基板３０に、金、銅、金合金若しくは銅合金である複数の金属バンプ２０を形成する。
実装基板１０上にセラミックス基板３０を載置し、金属バンプ２０を介して実装基板１０とセラミックス基板３０とを接合する。
セラミックス基板３０側に金属バンプ２０を形成するためセラミックス基板３０と実装基板１０との位置合わせの制御を不要にすることができる。また、カップ状の実装基板１０を使用する場合、カップ内への金属バンプ２０の形成が困難な場合も生じる。それに代えて、平板状のセラミックス基板３０を用いることで金属バンプ２０の形成を簡易に行うことができる。
なお、第２〜第４の実施形態に係る光源の製造方法において、実装基板１０とセラミックス基板３０とを接合する工程において、金属バンプ２０で接合した後に、金属バンプ２０間に樹脂６０を充填することもできる。
また、第２〜第４の実施形態に係る光源の製造方法において、封止部材５０を用いてセラミックス基板３０上の発光素子４０を被覆する。
＜実装方法＞
実装基板１０とセラミックス基板３０との実装方法について説明する。
実装基板１０に複数の金属バンプ２０を形成する。
実装基板１０上にセラミックス基板３０を載置し、金属バンプ２０を介して実装基板１０とセラミックス基板３０とを接合する。
また、別の実施形態として、セラミックス基板３０に金若しくは金合金である複数の金属バンプ２０を形成する。実装基板１０上にセラミックス基板３０を載置し、金属バンプ２０を介して実装基板１０とセラミックス基板３０とを接合する。
実装基板１０とセラミックス基板３０との接合時における熱履歴を低減し、セラミックス基板３０のクラックを防止することができる。
＜その他の構成部材＞
発光素子の上に透光性基板を配置することもできる。透光性基板には蛍光体や反射部材、光拡散部材等を含有していてもよい。発光素子と透光性基板とは接着剤を用いて接合することができる。また、実装基板のカップ内に発光素子を載置し、その発光素子上に透光性基板を配置し、その外周を樹脂で固定することもできる。樹脂はカップ内に充填することができる。樹脂は光反射材、拡散剤、熱伝導部材、顔料、光吸収剤等を含有することができるが、光反射材を含有することが好ましい。これにより、発光素子からの光が光反射材を含む樹脂に照射され、反射され、外部に放出されるからである。この樹脂はエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ユリア樹脂等の熱硬化性樹脂が好ましいが、ポリフタルアミド、液晶ポリマー、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、不飽和ポリエステル等の熱可塑性樹脂も使用することができる。
封止部材には、蛍光体、拡散剤、熱伝導部材、顔料、光吸収剤等を含有していても良い。セラミックス基板上には保護素子を載置することもできる。発光素子とセラミックス基板との接合は金属バンプを用いてフェイスダウン実装することもできるし、樹脂を用いてフェイスアップ実装することもできる。
＜実施例１＞
実施例１に係る光源について図面を用いて説明する。図９は、実施例１に係る光源を示す概略平面図である。図１０は、実施例１に係る光源を示す概略断面図である。図１１は、実施例１に係る光源を示す概略側面図である。図１２は、実施例１に係る光源を示す概略側面図である。図１３は、実施例１に係る光源を示す概略背面図である。第１の実施形態に係る光源とほぼ同じ構成を採るところは説明を一部省略することもある。
光源は、実装基板１０と、金属バンプ２０、セラミックス基板３０、発光素子４０、封止部材５０、樹脂６０を有している。
実装基板１０は平板の銅材と熱可塑性樹脂を用いている。この熱可塑性樹脂は、ポリフタルアミドを使用する。実装基板１０は略直方体の形状を成し、縦２．５ｍｍ、横５．１ｍｍ、高さ０．７５ｍｍの大きさを有する。平面視において略長方形のカップを有し、縦１．２ｍｍ、横４．６ｍｍ、深さ約０．３５ｍｍの大きさを有する。実装基板１０の背面はアノード電極とカソード電極が略正方形を成し、一辺約２．１ｍｍの大きさを有する。
セラミックス基板３０は、平板状で略直方体の形状を成し、縦１．０ｍｍ、横約４．４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの大きさを有する。セラミックス基板３０は主成分にアルミナを用い、所定の内部配線、外部配線を施している。
セラミックス基板３０上には、発光素子４０が載置される。発光素子４０は正方形の形状を成し、一辺約８００μｍの大きさを有する。発光素子４０を４個、セラミックス基板３０の長さ方向に実装している。
実装基板１０上に複数の金属バンプ２０を用いて接合される。金属バンプ２０は金を用いる。金属バンプ２０は直径６０μｍ〜１２０μｍ、高さ約４０μｍのものを使用する。金の純度は９９．９％のものを使用する。
発光素子４０が実装されたセラミックス基板３０と実装基板１０とを金属バンプ２０を用いて接合する。
実装基板１０とセラミックス基板３０との隙間には樹脂６０を配置する。樹脂６０は銀粒子が含有されたフェニルシリコーン樹脂を使用する。
封止部材５０は蛍光体を含有する。封止部材５０はジメチルシリコーン樹脂を使用し、蛍光体はＹＡＧ蛍光体を使用する。
これにより実装基板１０とセラミックス基板３０との接合強度の高い光源を提供することができる。
実施例１に係る光源は以下の製造方法により製造することができる。
実装基板１０に、複数の金属バンプ２０を形成する。金属バンプ２０は金を使用し、縦に３個、横に１２個配列する。
次に、実装基板１０上に発光素子４０が実装されたセラミックス基板３０を載置し、金属バンプ２０を介して実装基板１０とセラミックス基板３０とを接合する。金属バンプ２０を介して実装基板１０とセラミックス基板３０との接合は、温度１００℃〜２００℃の熱及び２．２ｋｇ／ｍｍ２圧力をかけて接合する。
次に、実装基板１０とセラミックス基板３０との隙間に樹脂６０を注入する。
実装基板１０とセラミックス基板３０との隙間に樹脂６０が入り込むように、吐出圧が１６０ｋＰａ〜３５０ｋＰａで注入する。
次に、発光素子４０の上方から封止部材５０を注入する。封止部材５０は発光素子４０の上方からポッティングする。
これにより、簡易に光源を製造することができる。
本実施形態に係る光源は、照明用光源、車載用光源、携帯電話用光源等に利用することができる。
１０ 実装基板
２０ 金属バンプ
３０ セラミックス基板
４０ 発光素子
５０ 封止部材
６０ 樹脂

Claims (8)

  1. 実装基板と、前記実装基板上に金、銅、金合金若しくは銅合金である複数の金属バンプを用いて接合される、複数の発光素子が実装されたセラミックス基板と、を有し、
    前記金属バンプは、高さが２０μｍ乃至５０μｍであり、
    前記セラミックス基板の中央付近に前記金属バンプを密に集中させ、前記セラミックス基板の外周付近は前記金属バンプを間引いており、
    前記金属バンプを介して接合された、前記実装基板と前記セラミックス基板と隙間に樹脂が配置されている光源。
  2. 平面視において、前記複数の金属バンプ間には、樹脂が充填されている請求項１に記載の光源。
  3. 前記実装基板は、銅若しくは銅合金である請求項１又は２のいずれかに記載の光源。
  4. 実装基板に、高さが２０μｍ乃至５０μｍである複数の金属バンプを形成する工程と、
    前記実装基板上に複数の発光素子が実装されたセラミックス基板を載置し、前記金属バンプを介して前記実装基板と前記セラミックス基板とを接合する工程と、
    前記金属バンプを介して接合された、前記実装基板と前記セラミックス基板との隙間に樹脂を流し込み、前記金属バンプ間に樹脂を充填させる工程と、
    を有し、
    前記金属バンプを形成する工程は、前記セラミックス基板の中央付近に前記金属バンプを密に集中させ、前記セラミックス基板の外周付近は前記金属バンプを間引くように前記金属バンプを形成する光源の製造方法。
  5. 実装基板に、高さが２０μｍ乃至５０μｍである複数の金属バンプを形成する工程と、
    前記実装基板上にセラミックス基板を載置し、前記金属バンプを介して前記実装基板と前記セラミックス基板とを接合する工程と、
    前記金属バンプを介して接合された、前記実装基板と前記セラミックス基板との隙間に樹脂を流し込み、前記金属バンプ間に樹脂を充填させる工程と、
    前記セラミックス基板上に複数の発光素子を実装する工程と、
    を有し、
    前記金属バンプを形成する工程は、前記セラミックス基板の中央付近に前記金属バンプを密に集中させ、前記セラミックス基板の外周付近は前記金属バンプを間引くように前記金属バンプを形成する光源の製造方法。
  6. セラミックス基板に、高さが２０μｍ乃至５０μｍである金、銅、金合金若しくは銅合金である複数の金属バンプを形成する工程と、
    実装基板上に前記セラミックス基板を載置し、前記金属バンプを介して前記実装基板と前記セラミックス基板とを接合する工程と、
    前記金属バンプを介して接合された、前記実装基板と前記セラミックス基板との隙間に樹脂を流し込み、前記金属バンプ間に樹脂を充填させる工程と、
    前記セラミックス基板上に複数の発光素子を実装する工程と、
    を有し、
    前記金属バンプを形成する工程は、前記セラミックス基板の中央付近に前記金属バンプを密に集中させ、前記セラミックス基板の外周付近は前記金属バンプを間引くように前記金属バンプを形成する光源の製造方法。
  7. 複数の発光素子が実装されたセラミックス基板に、高さが２０μｍ乃至５０μｍである金、銅、金合金若しくは銅合金である複数の金属バンプを形成する工程と、
    実装基板上に前記セラミックス基板を載置し、前記金属バンプを介して前記実装基板と前記セラミックス基板とを接合する工程と、
    前記金属バンプを介して接合された、前記実装基板と前記セラミックス基板との隙間に樹脂を流し込み、前記金属バンプ間に樹脂を充填させる工程と、
    を有し、
    前記金属バンプを形成する工程は、前記セラミックス基板の中央付近に前記金属バンプを密に集中させ、前記セラミックス基板の外周付近は前記金属バンプを間引くように前記金属バンプを形成する光源の製造方法。
  8. 前記金属バンプは、直径６０μｍ乃至１２０μｍである請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源。
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