JPWO2013005646A1 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

複数種類の蛍光体シートを準備する必要がない半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。ＬＥＤダイ（２０）を含む半導体発光素子（１０）の製造方法では、蛍光体を含有した蛍光体シート（１１）にＬＥＤダイを配置し、半導体発光素子の発光色が所望の値になるように蛍光体シートに前記ＬＥＤダイを押し込むための押し込み量を調整する、ステップを含むことを特徴とする。

Description

本発明は、発光ダイオードであるダイの上面に蛍光体層を備えた半導体発光素子の製造方法に関し、さらに詳しくは発光色が調整された半導体発光素子の製造方法に係わる。

発光ダイオードであるダイ（以下とくに断らない限りＬＥＤダイと呼ぶ）と蛍光体を備える半導体発光素子（以下とくに断らない限りＬＥＤ素子と呼ぶ）は、ＬＥＤダイが青色又は近紫外を発光し、蛍光体層による波長変換作用を利用して白色発光することが多い。この白色発光は蛍光体の量や発光のピーク波長など様々な要因により色度が変動する。

発光色がＬＥＤ素子毎に変化することは好ましくないので、ＬＥＤ素子の色度調整を行うことがある。例えば特許文献１の図５には色度調整のフローチャート、図４には色度調整工程を含むラミネート加工が図示されている。特許文献１の図４では、まず基板２４上に青色発光ダイオード１２（ＬＥＤダイ）を実装し、その上に蛍光体を含有する合成フィルム５１（蛍光体シート）を置き、発光色をテストする。発光色が所定の色度範囲に入らないときには、合成フィルム５１を取り替えて再度テストする。発光色が所定範囲に入ったら最後の合成フィルム５１で青色発光ダイオード１２をラミネート加工する。

特開２００７−１２３９１５号公報 （図４、図５）

特許文献１に示された製造方法は、予め特性の異なった蛍光体シートを複数通り準備しておかなければならないという課題がある。また青色発光ダイオード１２が発する光のピーク波長に敏感な蛍光体を使う場合、一枚の基板２４に実装する青色発光ダイオード１２のピーク波長特性を揃えておかなければならないという課題もあった。

本発明は、上記のような課題を解決することを可能とする半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数種類の蛍光体シートを準備する必要がない半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、ピーク波長を揃えなくても色度調整が可能な半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数通りの蛍光体シートを準備する必要とせず、且つピーク波長を揃えなくても色度調整が可能な半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

半導体発光素子の製造方法は、蛍光体を含有した蛍光体シートにＬＥＤダイを配置し、半導体発光素子の発光色が所望の値になるように、蛍光体シートにＬＥＤダイを押し込むための押し込み量を調整するステップを有することを特徴とする。

半導体発光素子の製造方法では、発光波長分布の揃った複数のＬＥＤダイを準備するステップを更に有し、蛍光体シートに発光波長分布の揃った複数のＬＥＤダイを整列して配置し、ヘッドを用いて発光波長分布の揃った複数のＬＥＤダイを同時に加圧することによって蛍光体シートに押し込む、ことが好ましい。

半導体発光素子の製造方法では、複数のＬＥＤダイの内の一部のＬＥＤダイを点灯させ、点灯させた一部のＬＥＤダイの発光色を計測しながら加圧し、点灯させた一部のＬＥＤダイの発光色が所望の値となるような押し込み量を決定し、決定された押し込み量となるように、複数のＬＥＤダイの内の点灯させた一部のＬＥＤダイ以外の他のＬＥＤダイを同時に加圧して蛍光体シートに押し込む、ことが好ましい。

半導体発光素子の製造方法では、ヘッドは、加圧及び加熱可能である、ことが好ましい。

半導体発光素子の製造方法では、透明ステージに前記蛍光体シートを貼り付け、ＬＥＤダイを点灯させながら蛍光体シートに押し込み、透明ステージを介して発光色を計測し、発光色が所望の値になるよう押し込み量を調整する、ことが好ましい。

半導体発光素子の製造方法では、蛍光体シートに前記ＬＥＤダイを押し込む前に、蛍光体シートとＬＥＤダイとの間に接着材を塗布するステップを更に有することが好ましい。

半導体発光素子の製造方法では、押し込み量を調整した後、ＬＥＤダイの周囲を反射性樹脂でモールドするステップを更に有することが好ましい。

半導体発光素子の製造方法では、モールドを行うステップの後に、蛍光体シートとともに反射性樹脂を切断して各半導体発光素子に個片化し、個片化された半導体発光素子をサーフェースマウンタ用のキャリアテープに装填するステップを更に有することが好ましい。

本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、透明ステージ上に置かれた蛍光体シートにＬＥＤダイを押し込み、押し込み量の大小で色度が変化するのを利用して発光色を調整するので、複数とおりの蛍光体シート準備する必要がなくなる。

本発明の半導体発光素子の製造方法において、個々のＬＥＤ素子について色度を計測しながら適切な押し込み量を調整し色度調整を行う場合には、個々のＬＥＤ素子に対し色度調整するために準備すべき蛍光体シートは一通りで良く、さらに発光ピーク波長等を揃える必要もない。即ち、本発明の半導体発光素子の製造方法は、複数通りの蛍光体シートを準備する必要がなく、ピーク波長を揃えなくても色度調整が可能となる。

ＬＥＤ素子の上面図である。 ＬＥＤ素子の正面図である。 ＬＥＤ素子の底面図である。 図１に示すＬＥＤ素子のＡＡ´断面図である。 図１に示すＬＥＤ素子の製造工程の説明図（１）である。 図１に示すＬＥＤ素子の製造工程の説明図（２）である。 図１に示すＬＥＤ素子の製造工程の説明図（３）である。 図１に示すＬＥＤ素子の製造工程の説明図（４）である。 図１に示すＬＥＤ素子の製造工程の説明図（５）である。 図１に示すＬＥＤ素子の製造工程の説明図（６）である。 図１に示すＬＥＤ素子の製造工程の説明図（７）である。 図１に示すＬＥＤ素子の製造工程の説明図（８）である。 他の製造工程の説明図である。

以下図面を参照して、半導体発光素子の製造方法について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。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。

図１は、ＬＥＤ素子１０の外観を示す図である。図１（ａ）がＬＥＤ素子１０の上面図であり、図１（ｂ）がＬＥＤ素子１０の正面図であり、図１（ｃ）がＬＥＤ素子１０の底面図である。

ＬＥＤ素子１０を上面から観察すると、長方形の蛍光体シート１１だけが見える（図１（ａ）参照）。また、ＬＥＤ素子１０を正面から観察すると、蛍光体シート１１の下に白色反射層１２、白色反射層１２の下に素子電極１３及び１４が見える（図１（ｂ）参照）。さらに、ＬＥＤ素子１０を下から観察すると、白色反射層１２に囲まれた半導体層１５、半導体層１５の内側に素子電極１３及び１４が見える（図１（ｃ）参照）。

図２は、図１（ａ）のＡＡ´断面図である。

図２に示す様に、ＬＥＤ素子１０は、ＬＥＤダイ２０、ＬＥＤダイ２０の図中の上部に配置された蛍光体シート１１、ＬＥＤダイ２０の側部に配置された白色反射層１２、ＬＥＤダイ２０の図中の上部及び側部を覆う接着材１８等から構成される。蛍光体シート１１は、ＬＥＤダイ２０の直上部に対応する部分が凹んでいる。

ＬＥＤダイ２０は、サファイア基板１６、半導体層１５、保護膜１７、素子電極１３及び１４から構成されている。ＬＥＤダイ２０は、サファイアを透明絶縁基板としたウェハから切り出されたものであり、ウェハ状態で素子電極１３及び１４が形成されている。

サファイア基板１６は、厚さが７０〜１５０μｍ程度でＬＥＤダイ２０の平面的な外形を定めている。サファイア基板１６の下面に形成された半導体層１５は、ｐ型半導体層１５ｃ上に、発光層１５ｂ及びｎ型半導体層１５ａが積層した積層体である。

ｎ型半導体層１５ａは、格子定数を調整するバッファ層とｎ型ＧａＮ層とから構成され、その厚さは５μｍ程度である。発光層１５ｂの厚さは１００ｎｍ程度であり、青色光を出射する。ｐ型半導体層１５ｃは、複数の金属からなる金属層とｐ型ＧａＮ層の積層体であり、厚さが１μｍ程度である。ｐ型半導体層１５ｃの金属層は反射層を含み、発光層１５ｂから図中で下向きに出射する光線を上側に反射する。

保護膜１７は半導体層１５を覆い、ｐ型半導体層１５ｃの占める領域及びｎ型半導体層１５ａの露出した領域に開口部を備えている。それぞれの開口部において、ｐ型半導体層１５ｃと素子電極１３、並びにｎ型半導体層１５ａと素子電極１４が接続する。素子電極１３及び１４は、銅メッキで形成されたメッキバンプであり、それぞれの厚さは１０〜３０μｍで、表面に錫層を備えている。

素子電極１３及び１４は、ＬＥＤ素子１０のアノードとカソードであり、マザー基板と接続するための接続電極となっている。マザー基板とは、抵抗やコンデンサなど他の電子部品とともにＬＥＤ素子１０を実装するための基板である。素子電極１４は、ｎ型半導体層１５ａの露出部が小さいため、図２に示す様に、一部が保護膜１７を介してｐ型半導体層１５ｃと積層している。

蛍光体シート１１は、シリコーン樹脂に蛍光体を混練しシート状に加工したもので、厚さは１００μｍ程度である。蛍光体シート１１の蛍光体は、ＬＥＤダイ２０から出射してくる青色光の一部を波長変換する。蛍光体シート１１で波長変換した光と青色光の残りが混色して、ＬＥＤ素子１０の発光色が白色化する。

白色反射部層１２は、シリコーン樹脂に酸化チタン等の反射性微粒子を混練し熱硬化させたものである。接着材１８は、熱硬化型のシリコーン接着材であり、その厚さが概ね数１０μｍである。

白色反射層１２に含まれる反射性微粒子及びｐ型半導体層１５ｃに含まれる金属反射層は、発光層１５ｂから出射し、ＬＥＤダイ２０の図中の側方及び下方に向かおうとする光線を反射して、ＬＥＤ素子１０の図中の上方に向かわせる機能を有している。

図１及び図２に示すＬＥＤ素子１０では、ＬＥＤダイ２０の底面を１．０ｍｍ×０．５ｍｍ、白色反射層１２の幅Ｔを０．２ｍｍ、ＬＥＤ素子１０の大きさ（Ｘ×Ｙ）を１．４ｍｍ×０．９ｍｍとして、サーフェースマウンタ（表面実装機）で扱いやすい大きさとした。なお、上記は一例であって、これに限定されるものではない。

図３及び図４は、ＬＥＤ素子１０の製造工程を説明するための図である。

最初に、透明ステージ３１に蛍光体を含有した蛍光体シート１１を貼り付ける（図３（ａ）参照）。透明ステージ３１として、ガラスを用いることが好ましい。蛍光体シート１１は、薄く軟性であるため両面を離型材（図示せず、セパレータともいう）で保護された状態取り扱われる。本工程では、蛍光体シート１１を離型材ごと透明ステージ３１に貼付け、上面の離型材だけを剥がすようにしており、後に蛍光体シート１１を透明ステージ３１から剥離しやすくしている。

次に、ＬＥＤダイ２０を搭載する部分に接着剤１８を塗布する（図３（ｂ）参照）。接着剤１８の塗布は、スクリーン印刷により行う。蛍光体シート１１に接着性を持たせた場合には、接着材１８を省くことができる。蛍光体シート１１は大判であり、多数のＬＥＤダイ２０を搭載することができるが、図３及び図４では、便宜上、搭載するＬＥＤダイ２０を２個としている。

次に、蛍光体シート１１にＬＥＤダイ２０を搭載する（図３（ｃ）参照）。蛍光体シート１１にサファイア基板面が接触するようにＬＥＤダイ２０を配列する。ピッカー（又はソーター）でＬＥＤダイ２０を一個ずつ蛍光体シート１１上に配置する。一旦、他の粘着シート（図示せず）に複数のＬＥＤダイ２０を配列させておき、複数のＬＥＤダイ２０を一括して蛍光体シート１１に貼り付け（転写し）ても良い。

次に、ＬＥＤ素子１０ａの発光色を所望の発光色とするために押し込み量を調整する（図３（ｄ）参照）。ＬＥＤ素子１０ａは、ＬＥＤ素子１０を製作する途中段階であることを示すためサフィックスａを付けた。

押し込み量の調整は、まず、電源３３から測定シリンダー３２を介してＬＥＤダイ２０に電流を印加しＬＥＤダイ２０を点灯させる。次に。測定シリンダー３２によりＬＥＤダイ２０を点灯させながら蛍光体シート１１に押し込む（図中の矢印Ｂの方向）。このとき、受光器３４により透明ステージ３１越しにＬＥＤ素子１０ａの発光色を計測し、発光色が所望の値になるように、測定シリンダー３２による押し込み量を調整する。

所望の発光色としては、例えば、昼光色が６５００Ｋ（ケルビン）、昼白色が５０００Ｋ、白色が４０００〜４５００Ｋ、温白色が３５００Ｋ、電球色が３０００Ｋ以下に設定される。また、押し込み量は、０〜２０μｍ程度である。なお、調整する押し込み量は、色度座標（Ｘ，Ｙ）上で、目標とする色度座標と測定した発光色の色度座標との差に応じて予め定めておくことが好ましい。例えば、５０００Ｋの色度座標は、（０．３４５，０．３５２）と表現することができる。このとき押し込み量の調整により色度座標を１０／１０００程度シフトさせる。

ＬＥＤダイ２０は、通電により発熱し百数十℃になる。蛍光体シート１１は、発熱したＬＥＤダイ２０により軟化する。測定シリンダー３２の加圧力を大きくすると、ＬＥＤダイ２０が蛍光体シート１１に入り込む量が大きくなる。ＬＥＤダイ２０が蛍光体シート１１に多く入り込むと、実質的に蛍光体シート厚が薄くなって色度が青方向に変化する。例えば、受光器３４により測定した発光色が所望の発光色よりも黄色寄りの場合、測定シリンダー３２の圧力を増やし青方向に移動させる。所望の発光色になったら、ＬＥＤダイ２０の発熱で接着材１８とともに蛍光体シート１１を硬化させる。

蛍光体シート１１は、架橋が不完全なシリコーンからなり、８０℃程度に加熱すると軟化し、１００℃程度で架橋が進み始め、１５０℃で硬化する。そこで、まずＬＥＤダイ２０の点灯による発熱で蛍光体シート１１を軟化させながら発光色を調整する。その後、点灯を継続して、同時に、蛍光体シート１１及び接着材１８を硬化させる。蛍光体シート１１及び接着材１８の硬化は、仮硬化でよい。仮硬化とは、架橋を途中段階で止めたものである。架橋を完成させる本硬化は、後の工程で実施する。なお、蛍光体シート１１及び接着材１８を硬化させる場合に、ＬＥＤダイ２０へ印加する電流を増加させても良い。

図４（ａ）は、ＬＥＤダイ２０を押し込んだ状態を示している。蛍光体シート１１には、押し込みにより凹部が形成される。接着材１８はＬＥＤダイ２０のサファイア基板面と蛍光体シート１１の対向部からはみ出し、ＬＥＤダイ２０の側部にフィレットを形成する。

次に、ＬＥＤダイ２０の周囲を白色反射層１２でモールドする（図４（ｂ）参照）。押し込みにより発光色を調整した後、ＬＥＤダイ２０の周囲をディスペンサにより反射性樹脂でモールドし、加熱して硬化させて白色反射層１２を形成する。このとき、同時に蛍光体層１１及び接着材１８を本硬化させる。なお、別の工程において本硬化を行っても良い。また、素子電極１３及び１４が埋まるまで反射性樹脂を塗布し、研磨により素子電極１３及び１４の上面を露出させるようにして白色反射層１２を形成しても良い。その場合、ＬＥＤダイ２０の電極面も白色反射層１２で覆われるので、電極面からの洩れ光が無くなり好ましい。

次に、ＬＥＤダイ２０及び蛍光体シート１１を含むウェハにダイシングシート３５を貼り付ける（図４（ｃ）参照）。このステップでは、透明ステージ３１からこのウェハを剥がし、素子電極１３及び１４側にダイシングシート３５を貼り付ける。なおウェハは表裏反転した状態で図示している。

次に、ウェハをＬＥＤ素子１０に個片化する（図４（ｄ）参照）。ダイサーによりＬＥＤ素子１０ａの間を切断し、ＬＥＤ素子１０に個片化し、ＬＥＤ素子１０の製造を完了する。前述したようにＬＥＤ素子１０はサーフェースマウンタで扱いやすい大きさであるため、ＬＥＤ素子１０を個片化したらサーフェースマウンタ用のキャリアテープに装填することができる。またＬＥＤ１０をインターポーザ（中間基板）にフリップチップ実装しても良い。

図５は、他の製造工程の説明図である。

図５に示す他の製造工程は、ＬＥＤ素子１０を製造する図３（ｄ）に示した製造工程の代わりに用いることが可能である。図３（ｄ）に示した製造工程では、個々のＬＥＤダイ２０ごとに押し込み量を決めていた。しかしながら、この方法では製造時間がかかるため大量にＬＥＤ素子を製造しようとする場合に問題となる可能性がある。これに対して、図５に示す他の製造工程を利用すれば、更に、短時間で大量にＬＥＤ素子を製造することが可能となる。

図５に示す他の製造工程においても、図３（ｄ）に示した製造工程と同様に、透明ステージ３１に貼り付けられた蛍光体を含有した蛍光体シート１１にＬＥＤダイ２０を押し込み、この押し込み量により発光色が所望の値になるよう調整する。しかしながら、図５に示す他の製造工程では、図３（ｄ）に示す製造工程と、以下の二つの点で相違する。

第１の相違点は、まずピーク波長など発光波長分布特性の揃った複数のＬＥＤダイ２０を準備することである。次に、図３（ａ）〜図３（ｃ）で示したしたものと同様に、透明ステージ３１に蛍光体を含有した蛍光体シート１１を貼り付け、ＬＥＤダイ２０を搭載する部分に接着剤１８を塗布し、蛍光体シート１１にＬＥＤダイ２０を搭載する。上記のようにして蛍光体シート１１に複数のＬＥＤダイ２０を整列させる。

第２の相違点は、図５に示すような加圧と加熱が可能なヘッド５１で、複数のＬＥＤダイ２０を同時に加圧し蛍光体シートに押し込むことである。ＬＥＤダイ２０を蛍光体シート１１に押し込んだら、次に、図４（ａ）〜図４（ｄ）で示した製造工程と同じ製造工程を経てＬＥＤ素子１０を得る。

蛍光体シート１１の厚さ及び蛍光体濃度が一定の場合、ＬＥＤダイ２０の波長分布特性とＬＥＤダイ２０の押し込み量の関係を予め求めておき、この結果にもとづいて図５に示す他の製造工程でＬＥＤダイ２０を蛍光体シート１１に押し込んでも良い。また、蛍光体シート１１の厚さ及び／又は蛍光体濃度がばらつく場合、蛍光体シートに複数のダイを配列させたら、まずは、一部のＬＥＤダイ２０をサンプルとして、図３（ｄ）で示した方法により発光色度を調整しながら押し込み量を計測する。次に、測定した押し込み量を用い、ヘッド５１を利用して、全体のＬＥＤダイ２０を蛍光体シート３１に押し込んでも良い。このようにすると蛍光体シート１１の蛍光体濃度等が変化しても所望の発光色が得られる。

図５に示した複数のＬＥＤダイ２０を同時に加圧するヘッド５１は、加圧と同時に加熱できるものであった。しかしながら、ヘッド５１は加圧のみを行い、蛍光体シート１１側から別の部材を用いて加熱しても良い。その場合、蛍光体シート１１を搭載するテージは、透明ステージ３１の代わりに熱伝導性の高い材料で構成することが好ましい。

Claims (8)

1. ＬＥＤダイを含む半導体発光素子の製造方法において、
   蛍光体を含有した蛍光体シートに前記ＬＥＤダイを配置し、
   半導体発光素子の発光色が所望の値になるように、前記蛍光体シートに前記ＬＥＤダイを押し込むための押し込み量を調整する、
   ステップを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
2. 発光波長分布の揃った複数のＬＥＤダイを準備するステップを更に有し、
   前記蛍光体シートに前記発光波長分布の揃った複数のＬＥＤダイを整列して配置し、
   ヘッドを用いて、前記発光波長分布の揃った複数のＬＥＤダイを同時に加圧することによって、前記蛍光体シートに押し込む、
   請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記複数のＬＥＤダイの内の一部のＬＥＤダイを点灯させ、
   前記点灯させた一部のＬＥＤダイの発光色を計測しながら加圧し、
   前記点灯させた一部のＬＥＤダイの発光色が所望の値となるような押し込み量を決定し、
   前記決定された押し込み量となるように、複数のＬＥＤダイの内の前記点灯させた一部のＬＥＤダイ以外の他のＬＥＤダイを同時に加圧して、前記蛍光体シートに押し込む、
   請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記ヘッドは、加圧及び加熱可能である、請求項２又は３に記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 透明ステージに前記蛍光体シートを貼り付け、
   前記ＬＥＤダイを点灯させながら前記蛍光体シートに押し込み、
   前記透明ステージを介して発光色を計測し、
   前記発光色が所望の値になるよう押し込み量を調整する、
   請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記蛍光体シートに前記ＬＥＤダイを押し込む前に、前記蛍光体シートと前記ＬＥＤダイとの間に接着材を塗布するステップを更に有する、請求項１〜５の何れか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
7. 前記押し込み量を調整した後、前記ＬＥＤダイの周囲を反射性樹脂でモールドするステップを更に有する、請求項１〜６の何れか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記モールドを行うステップの後に、前記蛍光体シートとともに前記反射性樹脂を切断して各半導体発光素子に個片化し、
   個片化された半導体発光素子をサーフェースマウンタ用のキャリアテープに装填する、
   ステップを更に有する、請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。

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