JP6888650B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
このような発光装置では、基材と発光素子とを備えており、基材は、凹部を備えるチップ状の母材と、この母材の表面に形成され、発光素子と接続される一組の端子とを有する。このような基体として、発光素子の下方から延設された一組の端子が、それぞれ、母材の両端面近傍の表面に周設されたものが提案されている。
しかし、フリップチップ実装をする場合には、発光素子と基体との線膨張係数の差異に起因する発光素子への応力負荷等が問題となっていた。
少なくとも第1主面上に一対の接続端子を有する母材を備える基体と、
前記接続端子と接続された発光素子と、
前記発光素子を封止する封止部材と、を備える発光装置であって、
前記母材は、線膨張係数が、前記発光素子の線膨張係数の±10ppm/℃以内の範囲であるサイドビュー型の発光装置である。
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。
この発光装置は、少なくとも、一対の接続端子と母材を備える基体と、発光素子と、封止部材とを備える。
基体は、母材と、少なくとも母材の第1主面に正負に対応する一対の接続端子を備える。
基体の形状は特に限定されず、後述する母材の形状に相当する形状となる。例えば、少なくとも第1主面が、長手方向と、長手方向に交差する又は直交する短手方向を備えることがより好ましい。
基体の厚みは、後述する母材の厚みによって調整することができる。例えば、最も厚い部位の厚みは、500μm程度以下が好ましく、300μm程度以下がより好ましく、200μm程度以下がさらに好ましい。また、40μm程度以上が好ましい。
母材は、線膨張係数が、後述する発光素子の線膨張係数の±10ppm/℃以内の範囲であれば、どのような材料によって形成されていてもよい。好ましくは、±9ppm/℃以内、±8ppm/℃以内、±7ppm/℃以内、±5ppm/℃以内である。これによって、発光素子を基体に実装する場合に、これまで問題となっていた、発光素子と基体との線膨張係数の差異に起因する、発光素子の基体(接続端子)からの剥がれ又は発光素子への不要な応力負荷を効果的に防止することができる。これにより、フリップチップ実装によって、発光素子の電極を基体の接続端子に直接接続することができ、より小型/薄型の発光装置を提供することが可能となる。
別の観点から、母材の線膨張係数が、発光素子の線膨張係数よりも小さい又は同等の場合、熱サイクルに付されても母材及び/又は基体による発光素子への引張応力等の負荷を抑えることができる。その結果、発光素子の基体からの剥がれ及び発光素子への不要な応力負荷を、より一層効果的に防止することができる。
本発明では、線膨張係数は、TMA法で測定した値を意味する。α1及びα2のいずれかがこの値を満たしていればよいが、両方で満たすことがより好ましい。
母材の線膨張係数は、後述する接続端子の有無にかかわらず、基体の線膨張係数と概ね一致する。従って、基体の線膨張係数を母材の線膨張係数と言い換えることができる。
樹脂は、当該分野で使用されているものであればどのようなものを利用してもよい。特に、線膨張係数を発光素子の線膨張係数の±10ppm/℃とするために、線膨張係数の小さいものを利用することが好ましい。
具体的には、エポキシ樹脂、ビスマレイミドトリアジン(BT)樹脂、ポリイミド樹脂、シアネート樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、アルキッド樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。また、例えば、特開2013−35960号、WO2011/132674A1、WO2012/121224A1、WO2012/165423A1等に記載されている樹脂、ナフタレン系のエポキシ樹脂が含有されたBT樹脂及びそれらの組成物、市販品(例えば、三菱瓦斯化学社製:Hl832NS、HL832NSF typeLCA、日立化成社製:MCL−E−700G、MCL−E−705G等)、特開2010−114427号等に記載されている液晶ポリマー及びそれらの組成物を利用してもよい。なお、これらには、当該分野で公知の添加剤、モノマー、オリゴマー、プレポリマー等が含有されていてもよい。なかでも、BT樹脂又はその組成物が好ましい。
充填材及び無機材料としては、例えば、六方晶窒化ホウ素で被覆されたホウ酸塩粒子、アルミナ、シリカ類(天然シリカ、溶融シリカ等)、金属水和物(水酸化アルミニウム、ベーマイト、水酸化マグネシウム等)、モリブデン化合物(酸化モリブデン等)、ホウ酸亜鉛、錫酸亜鉛、酸化アルミニウム、クレー、カオリン、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、タルク、焼成クレー、焼成カオリン、焼成タルク、マイカ、ガラス短繊維(Eガラス、Dガラスなどのガラス微粉末類、ガラスクロス等)、中空ガラス、リン酸ジルコニウム等の熱収縮フィラー、ゴムパウダー及びコアシェル型のゴムパウダー(スチレン系、ブタジエン系、アクリル系、シリコーン等)等が挙げられる。
特に、熱伝導率の高い充填材又は無機材料を大量に含有させることにより、熱放射率を調整することができる。例えば、ガラスクロスを用いる場合には、ガラスクロス中の無機材料を50wt%以上、70wt%以上、90wt%以上含有させることができる。
母材の色を調整するために、樹脂には顔料を含有させてもよい。顔料としては、黒色のカーボンブラック、白色の酸化チタン等が挙げられる。
サイズの小さい発光装置では、発光素子自体が発光装置に対して相対的に大きくなるため、発光素子からの発熱、蛍光体によるストークス発熱などによって、発光装置が過度に発熱することが懸念される。このような熱は、バックライトの導光板を劣化、変形させるなどの悪影響を招くことがある。そこで、熱放射係数の大きいカーボンブラックなどの黒色の材料を母材(樹脂)に含有させることにより、発光素子及び蛍光体からの熱を、放熱することができる。
特に、上述した線膨張係数を備える場合には、発光装置の製造工程における熱処理(例えば、100℃程以上、200℃以上、250℃以上又は300℃以上)に付された場合においても、発光素子との接続を確保することができる。特に、線膨張係数が4ppm/℃程度以下又は3.5ppm/℃程度以下の場合には、300℃程度の熱処理に付されても、発光素子との接続を強固に維持することができる。
母材の厚みは、用いる材料、載置する発光素子の種類及び構造等にもよるが、例えば、470μm程度以下が好ましく、370μm程度以下、320μm程度以下、270μm、200μm、150μm、100μm程度以下がより好ましい。また、強度等を考慮すると、20μm程度以上が好ましい。
母材の曲げ強度は、基体全体の強度を確保するために、上述した基体の強度と同等、例えば、300MPa程度以上であることが好ましく、400MPa程度以上、600MPa程度以上がより好ましい。
一対の接続端子は、基体の少なくとも第1主面上に形成されていればよい。この場合、接続端子の縁部の少なくとも一部は、基体の第1主面の縁部の一部に一致するように形成することが好ましい。言い換えると、接続端子の端面の一部と基体の実装面の一部とが同一面となるように形成されていることが好ましい。これにより、発光装置を実装基板に実装する際に、実装基板と接続端子の端面とを接触(または限りなく近接)させることができる。その結果、発光装置の実装性を向上させることができる。ここで同一面とは、段差がない又はほとんどないことを意味し、数μmから十数μm程度の凹凸は許容されることを意味する。本願明細書において、同一面については以下同じ意味である。
例えば、接続端子は、(i)第1主面から、第1主面と第2主面との間に存在する面の上に延長して設けられているか、(ii) 母材を貫通するように設けられたビアまたはスルーホール等により第1主面から第2主面上まで延長して設けられているか、(iii)第1主面から、第1主面と第2主面との間に存在する面の上を通って、さらに、第2主面上に延長して(例えば、断面視、U字状に)設けられていることが好ましい。ここで第1主面と第2主面との間に存在する面とは、第1主面と第2主面との間に存在する1つの端面の一部又は全部を指してもよいし、第1主面と第2主面との間に存在する2つ以上の端面の一部又は全部であってもよい。
通常、素子接続部は第1主面上に配置され、外部接続部は、(i)第1主面上か、(ii)第1主面及び端面上か、(iii)第1主面、端面及び第2主面上か、(iv)第1主面及び第2主面上に配置される。
また、素子接続部を、基体の長手方向に沿った端面から離間させることによって、発光素子の実装時に、上記と同様に、フラックスの浸入を抑制することができる。
放熱用の端子又は補強端子が導電性であって、一対の接続端子の間に設けられる場合、放熱用の端子又は補強端子は絶縁性の膜で被覆されていることが好ましい。これにより、接続端子と放熱用の端子又は補強端子との接合部材のブリッジを防止することができる。
接続端子は、後述する発光素子との接続のために、その表面においてバンプが配置されていてもよい。バンプは、接合及び/又は導電を補助する部材として、金又は金合金等の単層又は積層膜によって形成することができる。
発光素子は、基体上に搭載されており、基体の第1主面において、第1主面上の接続端子と接続されている。
1つの発光装置に搭載される発光素子は1つでもよいし、複数でもよい。発光素子の大きさ、形状、発光波長は適宜選択することができる。複数の発光素子が搭載される場合、その配置は不規則でもよく、行列など規則的又は周期的に配置されてもよい。複数の発光素子は、直列、並列、直並列又は並直列のいずれの接続形態でもよい。
また、窒化物半導体積層体の同一面側(例えば、第2半導体層側の面)に、第1半導体層に電気的に接続される第1電極(正又は負)と、第2半導体層に電気的に接続される第2電極(負又は正)との双方を有することが好ましい。第1電極及び第2電極を構成するものとして、オーミック電極、金属膜、外部接続用電極等を含むものとする。
半導体層の成長用の基板としては、半導体層をエピタキシャル成長させることができるものが挙げられる。このような基板の材料としては、サファイア(Al2O3:線膨張係数7.7ppm/℃)、スピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板、上述した窒化物系の半導体基板等が挙げられる。基板の厚みは、例えば、190μm程度以下が好ましく、180μm程度以下、150μm程度以下がより好ましい。
基板は、C面、A面等の所定の結晶面に対して0〜10°程度のオフ角を有するものであってもよい。
基板は、第1半導体層との間に、中間層、バッファ層、下地層等の半導体層又は絶縁層等を有していてもよい。
発光素子が長方形形状である場合、通常、その長尺の方向に電極が配置される。従って、発光素子が基体に対してフリップチップにより実装される場合、その長さがより大きいほど、発光素子と基体及び/又は母材との線膨張係数の差による応力が大きくなり、両者の接続不良が発生しやすくなる。そのために、上述したような基体及び/又は母材の線膨張係数の範囲が、接続不良の低減により一層寄与し、信頼性の高い発光装置を得ることができる。
第1電極及び第2電極は、半導体積層体の同一面側(基板が存在する場合にはその反対側の面)に形成されていることが好ましい。これにより、基体の正負の接続端子と発光素子の第1電極と第2電極を対向させて接合するフリップチップ実装を行うことができる。
反射率が高い材料としては、銀又は銀合金やアルミニウムが挙げられる。銀合金としては、当該分野で公知の材料のいずれを用いてもよい。この材料層の厚みは、特に限定されるものではなく、発光素子から出射される光を効果的に反射することができる厚み、例えば、20nm〜1μm程度が挙げられる。この反射率の高い材料層の第1半導体層又は第2半導体層との接触面積は大きいほど好ましい。
このような被覆層としては、通常、導電材料として用いられている金属及び合金によって形成されるものであればよく、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル等を含有する単層又は積層層が挙げられる。なかでも、AlCuを用いることが好ましい。被覆層の厚みは、効果的に銀のマイグレーションを防止するために、数百nm〜数μm程度が挙げられる。
第1電極及び第2電極は、上述した接続端子との接続のために、上述したように、その表面においてバンプが配置されていてもよい。
DBRは、例えば、任意に酸化膜等からなる下地層の上に、低屈折率層と高屈折率層とを積層させた多層構造であり、所定の波長光を選択的に反射する。具体的には屈折率の異なる膜を1/4波長の厚みで交互に積層することにより、所定の波長を高効率に反射させることができる。材料として、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物または窒化物を含んで形成することができる。
また、別の観点から、発光素子として機能するために最小限必要な層を厚膜化することにより補強層として機能させることができる。さらに、このような層に付加的に設けた層を補強層として機能させることができる。これらを補強層として機能させるために、半導体層の成長用の基板を除く、窒化物半導体積層体、電極、絶縁性の保護膜、電極間を埋める樹脂層等の全体積に対して、金属材料からなる層の全体積が、5〜95%程度となるように調節することが好ましく、10〜70%程度、15〜50%程度とすることがより好ましい。
さらに、別の観点から、発光素子の電極と接続されない導電層、このような導電層を電極から絶縁するための絶縁層、保護するための保護層、これらの導電層、絶縁層、保護層等を補強層として機能させることができる。
これらの補強層は、その最も薄い部位において、総厚みが1μm程度以上であることが好ましく、3μm程度以上、5μm以上、10μm以上であることがより好ましい。
適度な厚みを有する補強層を備えることにより、発光装置の強度を確保しつつ、同時に、素子の大型化/厚膜化を最小限に止めることができる。
この場合、通常、第1電極及び第2電極が、接合部材又は上述したバンプ等によって、上述した基体の接続端子と接合されている。接合部材は、当該分野で公知の材料のいずれをも用いることができ、導電性の接合部材が挙げられる。具体的には、例えば、錫-ビスマス系、錫-銅系、錫-銀系、金-錫系などの半田(具体的には、AgとCuとSnとを主成分とする合金、CuとSnとを主成分とする合金、BiとSnとを主成分とする合金等)、共晶合金(AuとSnとを主成分とする合金、AuとSiとを主成分とする合金、AuとGeとを主成分とする合金等)銀、金、パラジウムなどの導電性ペースト、バンプ、異方性導電材、低融点金属などのろう材等が挙げられる。特に、上述したように、母材及び/又は基体の線膨張係数が発光素子の線膨張係数に近いため、接合のために高温を負荷しても、母材及び/又は基体と発光素子との熱膨張に起因する剥離等を有効に防止することができる。その結果、接合部材等の種類に制約されることがない。従って、例えば、半田を用いることにより、上述した接続端子の形状、突出パターンの位置及び大きさと相まって、高温を負荷する工程(例えば、300℃程度のリフロー工程)等を行うことができ、高精度のセルフアライメント効果を発揮させることができる。これによって、発光素子を適所に実装することが容易となり、量産性を向上させ、より小型の発光装置を製造することができる。
なお、リフロー工程の前にリフロー温度よりも高い温度で基体を熱処理することにより、リフロー工程時の熱による影響を少なくすることができるため好ましい。
成長用基板を除去する場合、異方性導電ペースト又は異方性導電フィルムを用いることが好ましい。接合部材は、発光素子を接続端子に固定した場合に、窒化物半導体積層体の厚みの1/4〜3倍程度の厚みとなるように設定されていることが好ましく、同等〜3倍程度がより好ましい。これによって、より高精度のセルフアライメント効果を発揮させることができ、より小型化/薄型化が可能となる。例えば、接合部材は、2〜50μm程度の厚みが好ましく、5〜30μm程度がより好ましい。
封止部材は、少なくとも発光素子の一部を封止(被覆)又は発光素子を基体に固定する機能を有する部材である。その材料は特に限定されるものではなく、セラミック、樹脂、誘電体、パルプ、ガラス又はこれらの複合材料等が挙げられる。なかでも、任意の形状に容易に成形することができるという観点から、樹脂が好ましい。
そのために、上述した材料、例えば、樹脂に、二酸化チタン、二酸化ケイ素、二酸化ジルコニウム、チタン酸カリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライト、酸化ニオブ、酸化亜鉛、硫酸バリウム、カーボンブラック、各種希土類酸化物(例えば、酸化イットリウム、酸化ガドリニウム)などの光反射材、光散乱材又は着色材等を含有させることが好ましい。
封止部材は、ガラスファイバー、ワラストナイトなどの繊維状フィラー、カーボン等の無機フィラーを含有させてもよい。また、放熱性の高い材料(例えば、窒化アルミニウム等)を含有させてもよい。さらに、封止部材には、後述する蛍光体を含有させてもよい。
これらの添加物は、例えば、封止部材の全重量に対して、10〜95重量%程度、20〜80重量%程度、30〜60重量%程度含有させることが好ましい。
封止部材を放熱性の高い材料で形成することによって、発光装置の小型化を維持したまま、放熱性を向上させることができる。
また、封止部材は、実装された発光素子と基体との間を充填するよう設けられることが好ましい。これにより、発光装置の強度を高めることができる。発光素子と基体との間に配置される封止部材は、発光素子の側面を被覆する材料と異なる材料であってもよい。これによって、発光素子の側面に配置される封止部材と、発光素子と基体との間に配置される部材との間で、それぞれ適切な機能を付与することができる。
例えば、発光素子の側面に配置される封止部材は反射率が高い材料、発光素子と基体との間に配置される部材は両者の密着性を強固とする材料とすることができる。
封止部材の厚み(光取り出し面側から見た場合の発光素子の端面から封止部材の最外形までの幅又は発光素子の側面における封止部材の最小幅ともいう)は、例えば、1〜1000μm程度が挙げられ、50〜500μm程度、100〜200μm程度が好ましい。
封止部材は、発光素子を基体上に搭載した場合、封止部材の上面が、発光素子の上面と同一面を形成する高さとすることが好ましい。
封止部材は、スクリーン印刷、ポッティング、トランスファーモールド、コンプレッションモールド等により形成することができる。成形機を用いる場合は離型フィルムを用いてもよい。
発光素子はその上面に、つまり、発光装置の光取り出し面には、透光性部材が設けられていることが好ましい。
発光素子の側面が遮光性の封止部材で被覆されており、発光素子の上面が封止部材で被覆されていない場合には、透光性部材は、封止部材の上面を被覆していることが好ましい。透光性部材は、その端面が封止部材で被覆されていても、被覆されていなくてもよい。
蛍光体は、当該分野で公知のものを使用することができる。例えば、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)系蛍光体、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット(LAG)、ユウロピウム及び/又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム(CaO−Al2O3−SiO2)系蛍光体、ユウロピウムで賦活されたシリケート((Sr,Ba)2SiO4)系蛍光体、βサイアロン蛍光体、CASN系又はSCASN系蛍光体等の窒化物系蛍光体、KSF系蛍光体(K2SiF6:Mn)、硫化物系蛍光体などが挙げられる。これにより、可視波長の一次光及び二次光の混色光(例えば、白色系)を出射する発光装置、紫外光の一次光に励起されて可視波長の二次光を出射する発光装置とすることができる。発光装置が液晶ディスプレイのバックライト等に用いられる場合、青色光によって励起され、赤色発光する蛍光体(例えば、KSF系蛍光体)と、緑色発光する蛍光体(例えば、βサイアロン蛍光体)を用いることが好ましい。これにより、発光装置を用いたディスプレイの色再現範囲を広げることができる。照明等に用いられる場合、青緑色に発光する素子と赤色蛍光体とを組み合わせて用いることができる。
量子ドット蛍光体は、不安定であるため、PMMA(ポリメタクリル酸メチル)などの樹脂で表面修飾又は安定化してもよい。これらは透明樹脂(例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等)に混合されて成形されたバルク体(例えば、板状体)であってもよいし、ガラス板の間に透明樹脂とともに封止された板状体であってもよい。
蛍光体及び/又は充填材は、例えば、透光性部材の全重量に対して10〜80重量%程度が好ましい。
なかでも、スプレー法によって積層する場合には、透光性部材は、窒化物半導体積層体の全厚みの20倍以下の厚みであることが好ましく、10倍以下がより好ましく、6倍以下、4倍以下、3倍以下がさらに好ましい。このような厚みとすることにより、光の波長変換を十分に行いながら、より小型で薄膜の発光装置を提供することができる。
別の観点から、透光性部材は、発光素子の側面における封止部材の厚みの2倍以下の厚みを有することが好ましく、最小幅の2倍以下とすることがより好ましく、同等以下がさらに好ましい。このような比較的薄い厚みとすることにより、後述するように、封止部材での被覆の有無にかかわらず、発光素子から出射される光を、透光性部材の端面(側面)から出射させることなく、光取り出し面の1方向にのみ、光を取り出すことができる。よって、光取り出し効率を向上させることができる。
本発明の発光装置は、基体上で、接続端子の少なくとも一部を被覆するように、絶縁部材が配置されていることが好ましい。絶縁部材は、封止部材と接していることがより好ましい。さらに、絶縁部材は、接続端子の素子接続部と外部接続部との間に配置されていることが好ましく、素子接続部と外部接続部との間の表面領域を完全に分離するよう配置されていることがより好ましい。これにより、後述するように、発光装置を実装基板に実装する場合に、半田が、接続端子表面に沿って浸入して、発光装置の信頼性を低下させることを回避することができる。
絶縁部材は、一対の接続端子のそれぞれを被覆するよう一対設けられてもよいし、一対の接続端子を連続して被覆してもよい。
具体的には、長手方向における絶縁部材の長さは、封止部材の1/10〜1/5程度が挙げられる。
絶縁部材の幅は、基体及び/又は封止部材の幅と同じであるか、それ以下であることが好ましい。このような幅とすることにより、基体及び/又は封止部材の一端面と同一面を形成でき、さらに、基体及び封止部材の対向する端面の双方と同一面を形成することができる。
特に、接続端子に幅狭となる部位が存在する場合には、その幅狭となる部位を完全に被覆することが好ましい。これによって、後述するように、発光装置を実装基板に実装する場合に、半田が、接続端子表面に沿って浸入して、発光装置の信頼性を低下させることを回避することができる。
絶縁部材の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、10〜300μm程度が挙げられる。
封止部材が金型を用いて成形される場合には、絶縁部材は封止部材の下方から外部接続部側に連続して形成されることが好ましい。これにより、封止部材を成形する金型と接続端子とが接触し、接続端子の損傷を防止することができる。
本発明の発光装置は、別の観点から、例えば、図11A及び11Bに示すように、基体Mの上に搭載された発光素子部(発光素子、封止部材及び透光性部材を含む)Nにおいて、
基体Mの厚み:E
基体Mの短手方向の長さ:A
基体Mと発光素子Nとの総高さ:B
発光素子部N(透光性部材Q)の短手方向の長さ:C(=F)
発光素子部N(透光性部材Q)の長手方向の長さ:D(=J)とした場合、
B≧A (1)
D≧C (2)
A≧C (3)
E≧A (4)を満たすことが好ましい。
また、例えば、発光装置の基体にスルーホールを形成し、そこに比重の重い金属等を埋め込むことにより重心を偏心させることにより、側面実装を容易にしてもよい。さらに、半田フィレットの形状制御によって、半田の表面張力を利用して側面実装を確実にしてもよい。
これらは、任意に1以上を組み合わせることができる。
透光性部材Qの厚み:G
透光性部材Qの短手方向の長さ:F
透光性部材Qの長手方向の長さ:J
発光素子の上面の短手方向の長さ:H
発光素子の長手方向の長さ:I
封止部材の長手方向に延長する端面から発光素子の長手方向に延長する端面の幅:L
封止部材の短手方向に延長する端面から発光素子の短手方向に延長する端面の幅:Kとした場合、
側面発光面積:2×{G×(F+J)}
上面発光面積:F×Jであり、
G≦100μm、好ましくはG≦50μm (5)
F×J≧2×{G×(F+J)} (6)を満たすことが好ましい。
発光素子5の上面に極めて薄い透光性部材10を配置する場合には、発光素子5上面と導光板75との間での光散乱を最小とすることができる。また、透光性部材10を、内部の光散乱が少ない量子ドット蛍光体又は透明の蛍光体板とすることにより、より一層上面の輝度を上げることができる。
このように、発光素子5から導光板75の距離を小さくすることにより、導光板への光の入射効率を向上させることができる。
以下に本発明の発光装置の実施形態を、図面に基づいて具体的に説明する。
本実施形態の発光装置1は、図1〜図3に示すように、第1主面上に一対の接続端子3を有する母材2を備える基体4と、発光素子5と、封止部材7とを含んで構成されている。
基体4は、母材2の表面、つまり、第1主面である上面2a、短手方向に延びる端面2b及び第2主面である下面2cに、母材2側からCu/Ni/Au(合計厚み:20μm、線膨張係数:20ppm/℃程度)が積層されて構成された一対の接続端子3が形成されて構成される。基体4は、長手方向の長さが1.8mm、短手方向の幅が0.3mm、厚さが0.45mmであり、配線基板として機能する。その強度は、引っ張り試験機によって測定される値が300MPa以上である。
一対の接続端子3は、それぞれ、素子接続部である突出パターン3aから長手方向に延びて、母材2の上面2aから端面2bを経て下面2cに連続して形成されている。接続端子3では、素子接続部である突出パターン3aから延長して母材2の下面2cに連続する部位(断面視U字状の部位)が外部接続部3bとなる(図2A参照)。
接続端子3の長手方向に沿った縁部は、基体4の長手方向に沿った縁部に一致しており、接続端子3の長手方向に沿った端面は、基体4の長手方向に沿った端面と同一面を形成している。
発光素子5は、サファイア基板(厚み:150μm程度)上に窒化物半導体の積層体(厚み:8〜12μm程度)が形成され、積層体のサファイア基板と反対側の表面に正負一対の電極を有する。発光素子5の線膨張係数は、7.7ppm/℃であり、通常、サファイア基板の体積が支配的であれば、サファイア基板の線膨張係数に近似する。発光素子5は、その正負一対の電極が、基体4の一対の接続端子3の突出パターン3aに、それぞれ、Au−Sn共晶半田である溶融性の接合部材6(厚み:20μm)によって接続されている。サファイア基板表面には凹凸(高さ:0.5μm、ピッチ:10μm)を有しているため、窒化物半導体積層体の対応する面にも、これに起因する凹凸を有する。
このような接続端子の突出パターン3aを利用することによって、発光素子の実装時において、その形状及び位置と相まって、溶融性の接合部材6の量的なコントロールを行うことにより、意図しない領域への接合部材の侵入を防止することができる。その結果、意図する部位に発光素子を高精度にアライメントさせ、発光素子を適所に固定することができる。
また、このような接合部材6を利用する場合には、300℃程度のリフロー工程に付して半田を溶融させ、冷却によって半田を固化させて、発光素子5の電極と、基体4の接続端子3の突出パターン3aとを接合する。発光素子と基体及び/又は母材との線膨張係数が10ppm/℃以内であるために、このような熱サイクルに付される場合においても、両者の膨張及び/又は収縮による剥がれを効果的に防止することができる。その結果、接合部材の種類に制約されることなく、簡便かつ容易に、高精度のセルフアライメントを実現することができる。
発光素子5は、その側面の表面粗さRaが1.0μm以下である。
封止部材7は、発光素子5に接し、その側面の全周に接触して被覆するように、基体4の第1主面に設けられている。また、封止部材7は、発光素子5の基体4と対向する面側にも設けられている。つまり、封止部材7は、発光素子5と、突出パターン3aを略完全に被覆した溶融性の接合部材6との間に配置され、溶融性の接合部材6の表面を略完全に被覆している。さらに、発光素子5と基体4の間に設けられていてもよい。
これによって、発光素子5から上面に、効率良く光を取り出すことができる。また、封止部材7が、発光素子5の基体4と対向する面側にも設けられていることによって、より強固に発光素子5を基体4に接続させることができる。
封止部材7の上面は、発光素子5の上面と略一致している。
封止部材7の長手方向に沿った縁部は、基体4の長手方向に沿った縁部に一致しており、封止部材7の長手方向に沿った端面は、基体4の長手方向に沿った端面と同一面を形成している。
透光性部材10は、封止部材7の上面を被覆している。透光性部材10の端面は、封止部材7の端面と一致している。
実装は、発光装置1の一対の外部接続部3bが、それぞれ、実装基板51の正極及び負極に対応する配線パターン52上に載置され、半田53により接続される。半田53は、U字状に屈曲した外部接続部3bにおいて、基体4の第1主面のみならず、端面及び第2主面にわたって、小型の接続端子3との接触面積を広げて、接続されている。これによって、発光装置の側面にフィレットを形成することができ、発光装置の放熱性及び実装安定性を向上させることができる。
この複合基体14は、母材12において、上面から裏面に及ぶスリット15を有している。複合接続端子13は、このスリット15の内壁を通って、複合基体14の母材12の上面から下面に連続して設けられている。
図5では、18個の発光装置を得る複合基体14を表しているが、生産効率を考慮して、より多数(数百〜数千個)の発光装置を得る複合基体14とすることができる。
その後、封止部材から露出している複合基体14の上面をマスクして、封止部材17の上面から露出した発光素子5の上面及び封止部材17の上面を、例えば、パルススプレー法によって、透光性部材10で被覆する。その後、複合基体14と封止部材17とを分割予定線Lに沿って一方向に切断する。これによって、スリット15の配置により、スリットの延長方向にも分離され、比較的少ない工数で個片化した発光装置を得ることができる。
切断には、ダイサー、レーザなどを用いることができる。
なお、本実施の形態では透光性部材10を発光素子5の上面から封止部材17の上面にかけてパルススプレー法により形成しているが、発光素子5の上面にのみ透光性部材10を形成してもよい。
また、発光素子5と平面視において略同じ形状の板状の透光性部材10を発光素子5の上面に接着し、発光素子5及び透光性部材10の端面を被覆するよう封止部材17を形成してもよい。
この実施形態では、図2Aに示す発光装置の断面図において、発光装置を構成する発光素子5を、図2Bの平面図及びそのB−B'線断面図に示す発光素子5bに変更する以外は、実施の形態1の発光装置と実質的に同じ構成を有する。
この発光素子5bは、長手方向の長さが0.9mm、短手方向の幅が0.2mm、厚さが0.15mmの略直方体状の青色発光(発光ピーク波長455nm)のLEDチップである。
発光素子5bは、その側面の表面粗さRaが0.5μm以下である。
サファイア基板62の上面には、複数の凸部が形成されている。
発光素子5bは、n側電極及びp側電極にそれぞれ接続された導電層であるn側外部接続用電極及びp側外部接続用電極を備える。
p側電極は、p型半導体層65の上面にp側オーミック電極67bと、p側オーミック電極67bの一部を被覆する絶縁性の多層構造膜68を介してp側オーミック電極67bと電気的に接続されたp側金属膜69bとからなる。
この絶縁性の多層構造膜68は、活性層からの光をサファイア基板62側に反射することができるように、窒化物半導体積層体66の上面のほぼ全域を覆っている。絶縁性の多層構造膜68は、本実施形態に示すように、さらに反射率を上げるために、その内部に金属膜61を有することができる。絶縁性の多層構造膜68は、平面視においてn側オーミック電極67aが形成された位置にそれぞれ貫通孔が形成され、さらにp側オーミック電極67bが形成された領域にも、複数の貫通孔がn側電極(特に、n側オーミック電極67a)の周りを囲むように形成されている。それらの貫通孔を通じて、n側オーミック電極67aとn側金属膜69aとが電気的に接続されており、p側オーミック電極67bとp側金属膜69bとが電気的に接続されている。
n側外部接続用電極71aは、n側金属膜69a上から、p型半導体層65の上に配置するp側金属膜69bの上にわたって配置されている。p側外部接続用電極71bは、p側金属膜69b上から、n型半導体層63の上に配置するn側金属膜69aの上にわたって配置されている。
この実施の形態の発光装置1Bは、図6A、6Bに示すように、母材2の第1主面において、基体4上の封止部材7の両側で、接続端子3の幅狭の部位の一部と外部接続部が封止部材7から露出されている。母材2の第2主面側において、接続端子3が配置されていない部位に補強、放熱等のために、金属層3dが配置されている。この金属層3dの上を含む領域において、2つの絶縁性の膜8が形成されている。これら以外、実質的に実施形態1と同様の構成を有する。絶縁性の膜8は、大きさが異なり、発光装置のアノード及びカソードを容易に区別するマークとして機能させることができる。
この発光装置1Bは、実施の形態1と同様の効果を有する。
この実施の形態の発光装置1Cは、図6C及び6Dに示すように、母材2の第1主面において、基体4上の封止部材7pの形状が傾斜しており、その両側で、接続端子3qが2箇所において幅狭の部位を有している。母材2の側面を接続端子3qが被覆せず、母材2に形成されたスルーホール2mの内部に導電性材料が埋設されて、母材2の裏面側に接続端子3qが配置されている。これら以外、実質的に、実施の形態2の発光装置1Bと同様である。
この発光装置1Cは、実施の形態1及び2と同様の効果を有する。
本実施形態の発光装置20は、図7に示すように、接続端子23を有する基体24と、複数の発光素子5と、封止部材27とを含んで構成されている。
接続端子23は、母材22の長手方向の両側において、上面、端面及び下面に延長して配置されている。また、母材22の上面においては、複数の発光素子5を、例えば、直列接続し得る端子25がさらに配置されている。
基体24の一面上において、接続端子23及び端子25は、素子接続部として突出パターン23aをそれぞれ有しており、この突出パターン23a上において発光素子5が溶融性の接合部材6によってフリップチップ実装されている。
さらに、この発光装置は、線状又はマトリクス状のサイドビュー型の発光装置として利用することができる。従って、この発光装置は、個々のサイドビュー型の発光装置を、それぞれ実装基板に実装することと比較して、実装精度を向上させることができる。また、例えば、バックライト光源として、導光板とのアライメント性を向上させることができる。
この実施の形態の発光装置30は、図8に示すように、実施の形態1の発光装置が、隣接する接続端子33、特に外部接続部33bを共有する形態で結合させたように、複数、列方向又は行列方向に配列されてなる。詳細には、隣接する発光素子5の間において、母材32にスルーホールを設け、このスルーホールを介して、基体34の接続端子33を基体34の下面側に引き出している。
このような構成以外は、実質的に実施の形態1の発光装置と同様の構成を有する。よって、実施の形態1と同様の効果を有する。さらに、実施の形態2と同様の効果を有する。
この実施の形態の発光装置40は図9A〜図9Fに示すように、発光素子の成長用の基板を剥離し、透光性部材として蛍光体板を使用したものである。この発光素子の線膨張係数は、約5.5ppm/℃である。つまり、発光素子の線膨張係数は、発光素子の半導体層、例えば、GaN層の体積が支配的であるため、その線膨張係数に近似する。
発光素子を金属接合で基体に実装した後、サファイア剥離時の衝撃を吸収するための応力緩和、発光素子保持の機能、反射機能を有する封止部材7で封止する。封止部材7はサファイアの剥離を容易にするために、成長基板であるサファイアの側面と接触しないようになるまで各種方法(例えば、エッチング、ブラスト等)により形状を整える。その際に反射機能を利用するため、発光素子が搭載されていない部分の封止部材は残存させてもよい。
サファイア基板側から半導体層に、レーザ光(例えば、KrFエキシマレーザ)を照射し、半導体層と基板との界面で分解反応を生じさせ、基板を半導体層から分離するレーザリフトオフ法(LLO)を利用してサファイア基板を剥離する。その後、洗浄、表面加工する。なお、LLO後の発光素子の表面は、凹部を有していてもよく、例えば、凹部の深さは平均0.5μmである。その後、蛍光体板と発光素子を接合する。蛍光体板は樹脂接着材を利用して接合してもよく、表面を清浄、平滑にした後、直接接合技術を用いて接合してもよい。蛍光体板は平面視において、発光素子より小さくてもよいが、同等以上であり、発光素子と中心が同じであることが好ましい。
このような形態とすることにより、発光素子上面と導光板との距離を近づけ、蛍光体板での内部散乱を最小とすることができる。その結果効率の良い発光装置を得ることができる。
図9A〜図9Fに示すように、母材42の第1主面から端面を経て第2主面に連続して形成された接続端子43が、Cu/Ni/Auによって形成されている(厚み20μm)。第1主面では、接続端子43上の一部に銅からなる突出パターン43aを有し、第2主面においては、銅からなる金属層43d(厚み20μm)を有している。
金属層43dは、発光素子5aの搭載領域に対応する領域であって、第2主面に配置されており、補強、放熱等の役割を果たす。
基体の第2主面は、一対の接続端子43の基体の中央部に近い部分から、母材42及び金属層43d上にわたって、絶縁性の膜8によって被覆されている。
この基体の合計厚みは、最も厚い部位において300μmである。
成長用の基板の除去は、例えば、成長用の基板を有する発光素子5を一対の接続端子に実装し、封止部材7を配置した後に、上述のレーザリフトオフ法を利用して行われる。
この際に、封止部材7によって発光素子の半導体層を被覆し、さらに、接続端子43の突出パターン43a及び溶融性の接合部材6をともに被覆することによって、発光素子を確実に固定することができる。これによって、サファイア基板を剥離時の応力を吸収し、サファイア基板を半導体層から効率的に除去することができる。
発光素子5aの第1主面上には、透光性部材10aとして、蛍光体としてナノクリスタル状のYAGがガラスに均一に分散された透光性のYAGガラス(厚み:40μm)が、透光性のシリコーン樹脂の接着材によって固定されている。透光性部材10aは、封止部材7上にも配置しており、透光性部材10aの端面は封止部材7の端面と略一致している。
封止部材7の長手方向に対向する縁部は、絶縁部材9の上に配置されており、封止部材7の長手方向に沿った縁部は、絶縁部材9の長手方向に沿った縁部と一致している。また、絶縁部材9の長手方向に沿った縁部は、基体の長手方向に沿った縁部に一致しており、絶縁部材9の長手方向に沿った端面は、基体の長手方向に沿った端面と同一面を形成している。
このように絶縁部材を配置することにより、上述したように、発光装置をサイドビュー型で実装基板に実装する場合に、半田が、接続端子表面に沿って侵入して、発光装置の信頼性を低下させることを回避することができる。また、溶融性の接合部材によって発光素子を接続端子に接続する際に、突出パターン及びその近傍からの溶融性の接合部材の外部接続部への漏れを防止することができる。
本実施形態の発光装置40Bは、母材42が、乳白色で3ppm/℃の線膨張係数を有する。図10に示すように、基体は、第2主面上に、接続端子43と、その端部と離間して、2つの大きさの異なる絶縁性の膜8とを有している。透光性部材10aは、蛍光体含有樹脂を用いたスプレー法により形成されている。
このような構成以外は、実質的に実施形態4の発光装置40と同様の構成を有する。よって、実施形態1及び4と同様の効果を有する。
この実施の形態では、例えば、図2Bに示した発光素子5bにおいて、特に、層間絶縁膜60、絶縁性の多層構造膜68、n側金属膜69a、p側金属膜69b、n側外部接続用電極71a及びp側外部接続用電極71bを、2倍に厚膜化して、それらに、発光装置の補強層を兼用させる以外は、実質的に図2Bに示した発光素子と同様の構成を有し、実施の形態1の発光装置と同様の構成を有する。
従って、実施の形態1における発光装置に対して、その強度を向上させることができる。また、実施の形態1における発光装置と同様の効果を有する。このような、裏面の補強層を厚くする構成は成長用の基板を除去する構成の発光素子を用いる場合は特に重要である。
この実施の形態の発光装置50は、図12A〜図12Cに示すように、透光性部材10を積層構造とするものである。透光性部材10は、発光素子5に接して蛍光体77を含有する第1の透光性部材10bと、第1の透光性部材10bの上に蛍光体を含有しない、または蛍光体の含有率が第1の透光性部材よりも少ない第2の透光性部材10cとを備える。これにより、第1の透光性部材10bを外部環境から保護することができる。例えば、透光性部材10を導光板に付き当てて使用する場合に、蛍光体及び第1の透光性部材10bを保護することができる。
補助電極76は、一対の接続端子3の間であって、基体4の第2主面の長手方向の中央部に設けられている。補助電極76は、発光装置の高さよりも低い高さで、つまり母材の実装面と対向する面と離間して設けられている。補助電極76の幅狭部76aは、発光装置50の実装面と隣接する部位に、より詳細には、実装面にその端部が一致するよう設けられている。補助電極76の幅狭部76aは、その上方で幅広部76bと連結している。幅広部76bは上方に向かって幅が狭くなる略半円形である。幅狭部76aと幅広部76bとは、幅狭部76aから幅広部76bにかけて徐々に幅が広がる部位を介して連結されている。
このような構成以外は、実質的に実施形態1の発光装置1と同様の構成を有する。よって、実施形態1と同様の効果を有する。
この実施の形態の発光装置70は、図13に示すように、例えば、図2Aに示した発光装置1において、発光素子5を2つ用いる以外は、実質的に図2Aに示した発光装置と同様の構成を有している。
この構成以外は、実質的に実施形態1の発光装置1と同様の構成を有する。よって、実施形態1と同様の効果を有する。
2、12、22、32、42 母材
2a 上面
2b 端面
2c 下面
3、23、33、43 接続端子
3a、23a、33a、43a 突出パターン
3b、33b 外部接続部
3d、43d 金属層
4、24、34 基体
5、5a、5b 発光素子
6 接合部材
7、17、27 封止部材
7a 長手方向に延長する側面
7b 短手方向に延長する側面
8 絶縁性の膜
9 絶縁部材
10、10a 透光性部材
10b 第1の透光性部材
10c 第2の透光性部材
13 複合接続端子
14 複合基体
15 スリット
25 端子
51 実装基板
52 配線パターン
53 半田
60 層間絶縁膜
60a 開口部
61 金属膜
62 サファイア基板
63 n型半導体層
64 活性層
65 p型半導体層
66 窒化物半導体積層体
67a n側オーミック電極
67b p側オーミック電極
68 絶縁性の多層構造膜
69a n側金属膜
69b p側金属膜
71a n側外部接続用電極
71b p側外部接続用電極
75 導光板
76 補助電極
76a 幅狭部
76b 幅広部
77 蛍光体
Claims (26)
- 長手方向に延長し、第1主面上及び該第1主面と反対側の第2主面上に一対の接続端子を有する母材を備える基体と、
前記接続端子と接続された発光素子と、
前記発光素子を封止する封止部材と、
前記第2主面上で、前記接続端子を被覆する絶縁性の膜とを備える発光装置であって、
前記接続端子は、前記第1主面において、前記発光素子と接続される素子接続部と、該素子接続部よりも幅狭の幅狭部と、前記第2主面において、前記絶縁性の膜から露出された補助電極とを有しており、
前記素子接続部は、前記基体の前記長手方向の端面から離間して配置されており、前記補助電極は、前記発光装置の実装面と対向する、前記母材の前記長手方向に延長する面から離間して配置されており、
前記母材は、線膨張係数が、前記発光素子の線膨張係数の±10ppm/℃以内の範囲であるサイドビュー型の発光装置。 - 前記母材は、樹脂を含有する請求項1に記載の発光装置。
- 前記樹脂のガラス転移温度が250℃以上である請求項2に記載の発光装置。
- 前記基体の厚みは500μm以下であり、かつ前記基体の曲げ強度は300MPa以上である請求項1〜3のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記発光素子は、その上面に、前記発光素子からの光に励起される蛍光体を含有する透光性部材が配置されている請求項1〜4のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記透光性部材は、前記封止部材の上面を被覆している請求項5に記載の発光装置。
- 前記透光性部材は、粒子状の前記蛍光体を含む粒子層が複数積層された層状部材、透明の多結晶の蛍光体板状部材又は透明の単結晶の蛍光体板状部材である請求項5又は6に記載の発光装置。
- 前記蛍光体は、中心粒径が30μm以下である請求項5〜7のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記透光性部材は、量子ドットを含む請求項5〜8のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記発光素子は、少なくとも窒化物半導体積層体を備えており、
前記透光性部材は、前記窒化物半導体積層体の全厚みの10倍以下の厚みを有する請求項5〜9のいずれか1つに記載の発光装置。 - 前記封止部材は、遮光性材料によって形成されている請求項1〜10のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記封止部材は、前記発光素子の側面に接触して被覆する請求項1〜11のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記透光性部材は、前記発光素子の側面における前記封止部材の厚みの2倍以下の厚みを有する請求項5〜12のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記基体及び封止部材は、長手方向に長い形状を有し、
前記長手方向に沿って、前記基体の端面と前記封止部材の端面とが同一面を形成する請求項1〜13のいずれか1つに記載の発光装置。 - 前記封止部材の上面は、前記発光素子の上面と同一面を形成する請求項1〜14のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記封止部材は、前記発光素子と前記基体との間に配置される部材を含み、該部材は前記接続端子の線膨張係数と±20%の線膨張係数を有する樹脂によって構成されている請求項1〜15のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記発光素子は、少なくとも、窒化物半導体積層体と、該窒化物半導体積層体の同一面側に配置された正負電極とを備え、
前記接続端子は、母材の第1主面上において、前記正負電極に対向する位置にかつ前記正負電極と同等の大きさの突出パターンを備える請求項1〜16のいずれか1つに記載の発光装置。 - 前記発光素子は、前記基体にフリップチップ実装されている請求項1〜17のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記発光素子は、前記窒化物半導体積層体の前記正負電極の配置面側に、少なくとも金属層又は絶縁層による補強層が配置されている請求項17又は18に記載の発光装置。
- 前記発光素子は、200μm以下の厚みを有する請求項1〜19のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記発光素子の前記正負電極は、前記接続端子に、導電性の接合部材を介して接続されており、該接合部材は、前記窒化物半導体積層体の厚みと同等〜3倍の厚みを有する請求項17〜20のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記発光素子は、半導体層の成長用の基板が除去されている請求項1〜21のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記母材に含有される樹脂の熱放射率が0.5以上である請求項2〜22のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記発光装置は、光取り出し面に隣接する面を実装面とする請求項1〜23のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記発光素子は、平面視、長辺が短辺の1.5倍以上の長方形形状を有する請求項1〜24のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記接続端子と前記発光素子とは半田によって接続されており、
前記母材は、線膨張係数が、5ppm/℃以下である請求項1〜25のいずれか1つに記載の発光装置。
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