JP6780293B2 - 発光装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発光装置の製造方法に関する。
バンプを用いて半導体発光素子(以下、「発光素子」とも称する)をフリップチップ実装した構造の発光装置が知られている(例えば、特許文献1、2)。このような発光装置は、パッケージ上に載置されたバンプ上に発光素子を載置し、超音波を印加しながら発光素子を押圧することで接合して得られる。バンプの数や配置は、発光素子の大きさや形状、パッケージの配線パターン等に応じて選択される。
特開2006−74007号公報 特開2014−36080号公報 特開2008−140868号公報
放熱性を向上させるためには、バンプの数は多い方が好ましい。しかしながら、バンプの数が多いと、発光素子に過負荷がかかるおそれがある。
本実施形態は、以下の構成を含む。
下面に電極を備えた発光素子を準備する工程と、上面に配線を備えた基板を準備する工程と、基板の上面であって、発光素子が載置される素子載置領域に、複数の第1バンプと、第1バンプよりも厚みが薄い第2バンプと、を形成する工程と、第1バンプ上に発光素子を載置し、その後、第2バンプと発光素子とが接するように第1バンプを変形させる工程と、を備え、第1バンプは、素子載置領域の中央部に配置される少なくとも1つの中央第1バンプと、素子載置領域の中心からの距離が略等しい位置に配置される少なくとも3つの外周第1バンプと、を備えることを特徴とする発光装置の製造方法。
以上により、発光素子をパッケージ上に実装する際の発光素子にかかる負荷を低減した製造方法とすることができる。
図1Aは、実施形態に係る発光装置の製造方法で得られる発光装置の内部の一部が透けた状態を示す概略斜視図である。 図1Bは、図1Aの発光装置の概略上面図である。 図1Cは、図1Bの発光装置の一部が透けた状態を示す概略上面図である。 図1Dは、図1CのA−A線における概略断面図である。 図2は、発光装置の製造方法で用いられる発光素子の概略下面図である。 図3は、発光装置の製造方法で用いられる基板の概略上面図である。 図4は、素子載置領域を説明する概略図である。 図5Aは、発光装置の製造方法を説明する概略上面図である。 図5Bは、図5AのB−B線における概略断面図である。 図6Bは、素子載置領域を説明する概略上面図である。 図6Bは、素子載置領域を説明する概略上面図である。 図7Aは、素子載置領域におけるバンプの位置を説明する概略上面図である。 図7Bは、素子載置領域におけるバンプの位置を説明する概略上面図である。 図7Cは、素子載置領域におけるバンプの位置を説明する概略上面図である。 図7Dは、素子載置領域におけるバンプの位置を説明する概略上面図である。 図8は、発光装置の製造方法を説明する概略断面図である。 図9は、発光装置の製造方法を説明する概略断面図である。
本発明を実施するための形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置の製造方法を例示するものであって、本発明は、発光装置の製造方法を以下に限定するものではない。
また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明を実施形態にのみ限定する趣旨ではない。尚、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
図1A〜図1Dは、実施形態に係る発光装置の製造方法で得られる発光装置100の一例を示す。発光装置100は、基板20と、発光素子10と、基板20と発光素子10とを接合するバンプ30と、を主として備える。
発光素子10は、半導体層を含む積層構造体11と、電極12として第1電極121と第2電極122と、を備える。第1電極121と第2電極122とは、いずれも積層構造体11の下面(基板20と対向する側の面)に設けられている。第1電極121は積層構造体11の下面の中央部に配置され、第2電極122は積層構造体11の下面の外周部に配置されている。
発光素子10の第1電極121及び第2電極122は、それぞれバンプ30を介して基板20の配線22と接続されている。バンプ30は、第1バンプ31と第2バンプ32と、を備えている。第1バンプ31は、発光素子10と基板20とを接合させる前の段階において、第2バンプ32よりも厚みが厚い。発光素子10と基板20とが接合された状態では、第1バンプ31と第2バンプ32とは同じ厚みである。
第1バンプ31は、素子載置領域Rの中央部に配置される中央第1バンプ311と、素子載置領域Rの外周部に設けられる外周第1バンプ312と、を備える。中央第1バンプ311は、素子載置領域Rの中央部に少なくとも1つ配置される。外周第1バンプ312は、外周部に少なくとも3つ配置される。さらに、外周第1バンプ312は、素子載置領域Rの中心からの距離が略等しい位置に、それぞれ配置されている。尚、素子載置領域Rの「中央部」及び「外周部」については後述する。
このような発光装置100の製造方法について、以下説明する。
(発光素子を準備する工程)
まず、発光素子を準備する。図2は、下面に電極12を備えた発光素子10の一例を示す概略下面図である。発光素子10は、図1Dに示すように、半導体層を含む積層構造体11を備えている。積層構造体11の下面には、一対の電極12を備えている。電極12として、第1電極121と第2電極122とが備えられている。ここでは、下面視が正方形の積層構造体11と、その中央に備えられる長方形の第1電極121と、第1電極121を取り囲む第2電極122と、を備えた発光素子10を例示している。
(上面に配線を備えた基板を準備する工程)
上面に配線を備えた基板を準備する。図3は、上面に配線22を備えた基板20の概略上面図である。基板20は、図1Dに示すように、絶縁性の基材21と、基材21の上面及び下面に設けられる一対の配線22を備えている。配線22として、第1配線221と第2配線222とが備えられている。ここでは、上面視が正方形の基板20を例示している。基板20は、発光素子10の電極12の形状に合わせて、長方形の第1配線221を基板20の上面の略中央に配置している。さらに、その第1配線221の3辺を囲むように配置された第2配線222と、を備える。
第1配線221及び第2配線222は、図1Dに示すように、基板の上面に形成されている上面配線と、基板の下面に形成されている下面配線と、上面配線と下面配線とを電気的に接続するビア23と、をそれぞれ備えている。
基板20は、素子載置領域Rを備える。素子載置領域Rは、発光素子10の直下の領域を指しており、第1配線221と、第2配線222と、の両方を含む領域を指す。ここでは、正方形の発光素子10を用いる場合の素子載置領域Rを例示しているため、図3の破線で示す四角形の領域が素子載置領域Rであり、仮想の領域を示している。素子載置領域Rは、基板20の中央に配置されている。
ここで、素子載置領域Rの「中央部」及び「外周部」について説明する。中央部は中央第1バンプが配置される領域であり、外周部は外周第1バンプが配置される領域である。中央部は、素子載置領域の中心を含む領域であり、外周部は中央部を取り囲むように配置される領域である。本明細書では、中央部は、素子載置領域の縦辺の6割を占める部分、かつ、素子載置領域の横辺の6割を占める部分を指すものと定義する。
図4は、上述のように定義した素子載置領域Rを示す図である。素子載置領域Rは、5行×5列に仮想的に区画された25個の領域を備え、このうち、外周に配置されるR2〜R17の16の領域が外周部であり、この外周部に囲まれた9区画分の領域が中央部R1である。
(バンプを形成する工程)
次に、図5A、図5Bに示すように、基板20の上面の素子載置領域Rに、複数の第1バンプ31Aと、第1バンプ31Aよりも厚みが薄い第2バンプ32Aと、を形成する。第1バンプ及び第2バンプは、例えば、ボールバンプ、メッキバンプなどとすることができる。
ボールバンプの場合は、例えば、半球状、又は半楕円状のバンプとなる。つまり、図5Bに示すように、断面視において中央が高い半円形又は半楕円形のバンプとなる。また、上面視においては、図5Aに示すように、円形、もしくは楕円形のバンプとなる。メッキバンプの場合は、円柱状、角柱状、円錐台状、角錐台状のバンプとなる。つまり、断面視において上面が略平らな四角形又は台形のバンプとなる。また、上面視においては、円形、楕円形、又は、四角形などの多角形、とすることができる。
ボールバンプの場合、第1バンプと第2バンプを形成する順番は、特に問わない。例えば、1つの素子載置領域R内において、すべての第1バンプを形成した後に、第2バンプを形成することができる。または、すべての第2バンプを形成した後に、第1バンプを形成することができる。あるいは、第1バンプと第2バンプとにかかわらず、配列された順に形成することができる。ボールバンプの場合、ボールを形成するための条件、例えば、スパーク時間又は電圧などを制御することによりボールの大きさを調整することができる。そのため、第1バンプと第2バンプとを交互に、もしくは、ランダムに形成する場合であっても、特に問題なく形成することができる。
メッキバンプの場合、第1バンプを形成すべき部分に開口を有するマスクを用いて第1バンプとなるメッキバンプを形成した後、第1バンプを覆うと共に第2バンプを形成すべき部分に開口を有するマスクを用いて第2バンプとなるメッキバンプを形成することができる。その逆の順序で形成することもできる。あるいは、第1バンプ及び第2バンプを形成すべき部分に開口を有するマスクを用いて、第1バンプの一部と第2バンプを形成した後、第2バンプを覆うと共に、途中まで形成された第1バンプの上にさらにメッキをして第2バンプよりも厚みの厚い第1バンプを形成することができる。
第1バンプ31Aは、素子載置領域Rの中央部R1に配置される少なくとも1つの中央第1バンプ311Aと、素子載置領域Rの中心からの距離が略等しい位置の外周部に配置される少なくとも3つの外周第1バンプ312Aと、を備える。
中央第1バンプ311Aは、素子載置領域Rの中央部R1に設けられる。図5Aでは、中央第1バンプ311Aは、発光素子の中心Cと略一致する位置に配置されている例を示している。また、素子載置領域Rの中央部R1には第1配線221が配置されているため、中央第1バンプ311Aは、第1配線221上に配置される。
外周第1バンプ312Aは、素子載置領域Rの外周部R2〜R17のいずれかに配置される。ここでは、図4に示す4つの角部、すなわち、R2、R6、R10、R14の4カ所に、それぞれ1つの外周第1バンプ312Aが配置されている。外周第1バンプ312Aは、それぞれ、素子載置領域Rの中心Cからの距離が略等しい位置に配置されている。ここでは、中央第1バンプ311Aが素子載置領域Rの中心Cに位置しているため、4つの外周第1バンプ312Aと中央第1バンプ311Aとの距離も略等しい位置に配置されている。また、外周部R2、R6、R10、R14は、第2配線222が配置されているため、4つの外部第1バンプ312Aは、全て第2配線222上に配置される。
外部第1バンプ312Aは、素子載置領域Rの中心Cからの距離が略等しい位置に配置される。ただし、以下のような条件を満たす必要がある。図6A、図6Bは、素子載置領域Rの中心Cを通る任意の直線によって仮想的に区画された2つの領域Q1、Q2の例を示している。外部第1バンプは、この2つの領域の両方に、それぞれ少なくとも1つ配置されることが必要である。図6Aでは、中心Cを通り素子載置領域Rの1辺に平行な直線によって仮想的に区画された2つの領域を示している。図6Bは、中心Cを通る直線が素子載置領域Rのいずれの辺とも平行ではない。このように、2つの領域に区画する直線がいかなる角度であったとしても、その区画された2つの領域の両方に、少なくとも1つの外周第1バンプは配置されることが必要である。
図7A〜図7Dは、素子載置領域Rに、1つの中央第1バンプ311Aと3つの外周第1バンプ312Aを配置した例を示している。なお、図7A〜図7Dでは、図4で示した、中央部と外周部とを点線によって25個に区画した図と、図6Aで示した、中心Cを通り直交する2つの直線で4つに区画した図(Q2を薄墨で示す)とを重ねて図示している。
図7Aでは、中央部R1に配置される中央第1バンプ311Aが、素子載置領域Rの中心Cと重なる位置に配置されている。そのため、Q1、Q2の2つの領域に跨って中央第1バンプ311が配置されている。また、外周第1バンプ312Aは、R5に1つ、R11に1つ、R15に1つ、配置されている。1つの外周第1バンプ312AがQ1に、2つの外周第1バンプ312AがQ2に配置されている。3つの外周第1バンプ312Aは、素子載置領域Rの中心Cから、それぞれ距離L1離れた位置に配置されている。図7Aでは、中央第1バンプ311Aと3つの外周第1バンプ312Aとの距離もそれぞれ等しい。これにより、中央第1バンプ311A及び外周第1バンプ312Aにかかる負荷を均一に分散することすることができる。
図7Bは、3つの外周第1バンプ312Aの位置は、図7Aと同じである。従って、素子載置領域Rの中心Cと外周第1バンプ312Aとの距離は、それぞれ等しい点は図7Aと同じである。図7Bでは、中央第1バンプ311Aが、中央部R1内であって、かつ、素子載置領域Rの中心Cとは異なる位置に配置されている点が図7Aと異なる。また、図7Bでは、中央第1バンプ311Aは、Q1のみに配置されている点も図7Aと異なる。そのため、中央第1バンプ311Aと、3つの外周第1バンプ312Aとの距離は、L2、L2よりも長いL3、L3よりも長いL4と、それぞれ異なっている。
図7Cは、中央第1バンプ311Aは、図7Cと同様に素子載置領域Rの中心Cに配置されている。3つの外周第1バンプ312Aは、R3に1つ、R11に1つ、R17に1つ配置されている。それぞれ、素子載置領域Rの中心Cからの距離L5は等しい。図7Cでは、3つの外周第1バンプ312Aのうちの2つがQ1に配置され、残りの1つがQ2に配置されている点が図7Aと異なる。
図7Dは、3つの外周第1バンプ312Aの位置は、図7Cと同じである。中央第1バンプ311Aが、中央部R1であって、かつ、Q2に配置されている点が図7Cと異なる。図7A〜図7Cでは、3つの外部第1バンプ312Aに囲まれた仮想三角形領域内に中央第1バンプ311Aが配置されているのに対し、図7Dでは、中央第1バンプ311Aはその仮想三角形領域の外側に配置されている。
以上のように、外周第1バンプは、条件を満たす範囲において任意の位置に配置することができる。好ましい配置としては、例えば、少なくとも3つの外周第1バンプが、それぞれ等間隔で配置されることが挙げられる。例えば、図7Aでは3つの外周第1バンプ312Aは正三角形の3つの頂点に相当する位置に配置されている。このように、外周第1バンプ312A同士の距離を等しくすることで、発光素子を接合時にかかる負荷を均等に分散させ易くすることができる。
第1バンプは、上述のように中央第1バンプと外周第1バンプのほかに設けられていてもよい。例えば、図5Aに示すように、1つの中央第1バンプ311Aと、4つの外周第1バンプ312Aの他に、4つの補助第1バンプ313Aを備えている。この補助第1バンプ313Aは、中央第1バンプと外周第1バンプとのバランスを考慮して配置させることができる。
また、第1バンプは、第1配線及び第2配線のいずれにもそれぞれ少なくとも1つ配置させることが好ましい。また、発光素子の電極のパターンによっては、例えば、第1配線に、中央第1バンプ又は外周第1バンプを設けることが困難な場合などは、第1配線に補助第1バンプを配置させることができる。
素子載置領域Rには、以上のように配置される第1バンプに加え、第1バンプよりも厚みが薄い第2バンプが配置される。
図5Aに示すように、第2バンプ32Aは、素子載置領域R内に配線(第1配線221、第2配線222)に配置される。第2バンプ32Aは、第1バンプ31Aが配置されていない領域に、第1バンプ31Aと離間するように配置される。第2バンプ32Aの数や位置は、配線22のパターン等によって適宜変更することができる。
図5Bに示すように、第1バンプ31Aの厚みH1よりも、第2バンプ32Aの厚みH2は薄い。例えば、第2バンプ32Aの厚みH2は、第1バンプ31Aの厚みH1の、20%〜80%程度とすることができる。
また、図5A等に示すように、第1バンプ31Aの径(最大径)W1は、第2バンプ32Aの径(最大径)W2よりも大きい。つまり、図5Aで示す第1バンプ31Aは、第2バンプ32Aに比して、厚みが厚く、径が大きい。換言すると、第1バンプ31Aは、第2バンプ32Aよりも体積が大きくすることが好ましい。
また、第1バンプ31Aの径を第2バンプ32Aの径より小さくすることで、第1バンプ31Aと、第2バンプ32Aとは、同じ体積としてもよい。あるいは、第1バンプ31Aの径と、第2バンプ32Aの径とは、同じ径であってもよい。
(第1バンプ上に発光素子を載置する工程)
次に、第1バンプ上に発光素子を載置する。図8に示すように、発光素子10の電極12を下側にし、この電極12を第1バンプ31A(中央第1バンプ311A、外周第1バンプ312A、補助第1バンプ313A)と接するように、例えば、コレットなどを用いて発光素子10を載置する。第1バンプ31Aと第2バンプ32Aとは厚み(高さ)が異なるため、この時点では、発光素子10と第2バンプ32Aとは接していない。
(第2バンプと発光素子とを接するように第1バンプを変形させる工程)
次に、図9に示すように、第2バンプと発光素子とが接するように第1バンプを変形させる。詳細には、発光素子10に超音波を印加すると共に、加圧して第1バンプ31Aを潰すように変形し、変形前の第1バンプ31Aよりも厚みの薄い第1バンプ31とする。これにより、図9に示すように、第1バンプ31Aと第2バンプ32Aの両方が、発光素子10と接するようになる。
以上のように、素子載置領域内に配置されている複数のバンプのうち、一部のバンプである第1バンプのみを変形させることで、接合時にかかる負荷を低減することができる。さらに、素子載置領域の中央部と、外周部とにバランスよく第1バンプを配置させることで、さらに負荷を分散させることができる。
第2バンプ32Aは、変形させなくてもよいが、変形させて発光素子10と接合させることが好ましい。例えば、第2バンプ32Aと発光素子10とが接した後、更に、超音波を印可し、加圧することで、第2バンプ32Aの一部も変形させることができる。これにより、発光素子10は、変形された第1バンプ31と、変形された第2バンプ32との両方と接合されることで、密着性よく接合することができる。
第1バンプよりも厚みの薄い第2バンプを変形させる際にも、発光素子には負荷がかかる。しかしながら、第1バンプに比べると変形量は小さいため、第1バンプを変形させる際にかかる負荷よりも小さい。つまり、全てのバンプを変形させる場合、全て同じ厚みのバンプを用いる場合にかかる負荷よりも、その一部が厚みの薄いバンプとすることで、全体として発光素子にかかる負荷を低減することができる。これにより、放熱性に優れた発光装置を得ることができる。
(他の工程)
上述の工程の他、以下のような工程を備えていてもよい。
1)発光素子を覆う封止部材を形成する工程
2)発光素子の表面に蛍光体を含む波長変換部材を形成し、その後、それらを覆う封止部材を形成する工程
3)保護素子を形成する工程
4)基板を切断する工程
尚、これらの工程の1又は2以上を用いることができ、その順序等についても適宜選択することができる。
発光素子を保護する観点からは、1)の工程を備えることが好ましい。白色光の発光装置とする場合などは、2)の工程を備えることが好ましい。信頼性のよい発光装置とするには3)の工程を備えることが好ましい。また、発光装置を製造する際には、複数個分の大きさの基板を用いて最終段階で切断することが製造することが多いことから、4)の工程を備えることは必要であることが多い。
以下、各部材について詳説する。
(発光素子)
発光素子としては、発光ダイオードを用いるのが好ましい。発光ダイオードの積層構造体は半導体層を備えており、例えば、InN、AlN、GaN、InGaN、AlGaN、InGaAlN等の窒化物半導体、III−V族化合物半導体、あるいはII−VI族化合物半導体などが挙げられる。これらの積層構造体は、発光層を含んでいる。また、積層構造体は、透光性基板を備えていてもよい。透光性の基板としては、サファイアが挙げられる。積層構造体は、上面視が三角形、四角形、五角形、六角形等の多角形、もしくは、これらの一部が欠けた形状等とすることができる。第1電極及び第2電極の材料は、特に限定されるものではなく、公知の材料を用いることができる。
(バンプ)
バンプは、発光素子の電極と、基板の配線とを電気的に接続するための導電部材である。バンプは、バンプの材料としては、Au、Al等を挙げることができ、好ましくはAuである。
(基板)
基板は、発光素子や保護素子などの電子部品を配置するためのものであり、絶縁性の基材と、導電性の配線と、を備える。基板の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、厚みが300μm〜500μm程度の矩形平板状の基板など、上面が平坦な形状を有していることが好ましい。基材としては、ガラスエポキシ樹脂や熱可塑性樹脂などのほか、アルミナや窒化アルミニウムなどのセラミックスがあげられる。
配線は、発光素子等の電子部品に外部電源からの電圧を印加するために用いられるものであり、基板の上面及び下面に設けられる。詳細には、配線は、第1バンプを介して発光素子の第1電極と接続される第1配線と、第2バンプを介して発光素子の第2電極と接続される第2配線と、とを備える。第1配線及び第2配線は、基板の上面に配置される上面配線と、基板の下面に配置される下面配線と、を備える。上面配線と下面配線とは、ビアを介して電気的に接続されている。配線としては、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属又は鉄−ニッケル合金、燐青銅等の合金等によって形成することができる。
本発明の実施形態に係る発光装置は、各種表示装置、照明器具、ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト光源、さらには、ファクシミリ、コピー機、スキャナ等における画像読取装置、プロジェクタ装置など、広範囲の用途に利用することができる。
100…発光装置
10…発光素子
11…積層構造体
111…第1半導体層
112…第2半導体層
12…電極
121…第1電極
122…第2電極
20…基板
21…基材
22…配線
221…第1配線
222…第2配線
23…ビア
30、30A…バンプ
31、31A…第1バンプ
311、311A…中央第1バンプ
312、312A…外周第1バンプ
313、313A…補助第1バンプ
32、32A…第2バンプ
40…封止部材
R…素子載置領域
R1…素子載置領域の中央部
R2〜R17…素子載置領域の外周部
Q1、Q2…素子載置領域を1/2分割した領域
C…素子載置領域の中心

Claims (6)

  1. 下面に電極を備えた発光素子を準備する工程と、
    上面に配線を備えた基板を準備する工程と、
    前記基板の上面であって、発光素子が載置される素子載置領域に、複数の第1バンプと、前記第1バンプよりも厚みが薄い第2バンプと、を形成する工程と、
    前記第1バンプ上に発光素子を載置し、その後、前記第2バンプと前記発光素子とが接するように前記発光素子に超音波を印加するとともに加圧することで前記第1バンプを変形させる工程と、
    を備え、
    前記形成する工程において、前記第1バンプは、前記素子載置領域の中央部に配置される少なくとも1つの中央第1バンプと、前記素子載置領域の中心からの距離が略等しい位置に配置される少なくとも3つの外周第1バンプと、を形成することを特徴とする発光装置の製造方法。
  2. 前記外周第1バンプは、前記中央第1バンプからの距離が略等しい位置に配置される請
    求項1の発光装置の製造方法。
  3. 前記第2バンプを変形させる、請求項1又は請求項2記載の発光装置の製造方法。
  4. 前記外周第1バンプは、それぞれ等間隔で配置されている請求項1〜請求項3のいずれ
    か1項に記載の発光装置の製造方法。
  5. 前記基板は、上面に一対の第1配線と第2配線とを備え、
    前記素子載置領域は、前記第1配線と前記第2配線とを含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法。
  6. 前記第1バンプは、前記第1配線と前記第2配線のそれぞれに、少なくとも1つ配置されている請求項5に記載の発光装置の製造方法。
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