JP2005109434A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明にかかる半導体装置は、同一面側に正負一対の電極を有する半導体素子と、該電極が導電部材105を介して対向される導体配線108、109を有する支持基板103と、を有する半導体装置において、導体配線108、109は、支持基板103の主面に垂直な方向から見て、電極の何れか一方の電極に接合する導電部材105を有する第一の領域と、該第一の領域の少なくとも一部を包囲し他方の電極に接合する導電部材105を有する第二の領域とを有することを特徴とする。また、第一の領域内で導電部材105が載置されている領域は、第二の領域内で導電部材105が載置されている領域より広い。
【選択図】図1
Description
本発明における半導体素子は、発光素子、受光素子、およびそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子、あるいはそれらを組み合わせたものとすることができる。ここでは特に、発光素子として、LEDチップについて説明する。LEDチップを構成する半導体発光素子としては、ZnSeやGaNなど種々の半導体を使用したものを挙げることができるが、蛍光物質を使用する場合には、その蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が好適に挙げられる。半導体の構造としては、MIS接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
本形態における支持基板とは、少なくとも発光素子の電極に対向する面に導体配線が施され、フリップチップ実装された発光素子を固定・支持するための部材である。さらに、支持基板をリード電極に導通させるときには、発光素子に対向する面からリード電極に対向する面にかけて導電部材により導体配線が施される。本形態における導体配線は、支持基板に対して、正負一対の配線パターンが絶縁分離されて互いに一方を包囲するように形成される。特に、本形態における導体配線は、支持基板の主面に垂直な方向(即ち、発光装置の発光観測面方向)から見て、発光素子の電極の何れか一方の電極に接合する導電部材を有する第一の領域と、該第一の領域の少なくとも一部を包囲し発光素子の他方の電極に接合する導電部材を有する第二の領域とを有することを特徴とする。例えば、本形態における導体配線は、発光装置の発光観測面方向から見て、発光素子の正電極に接合するバンプを有する正の極性領域と、該正の極性領域の少なくとも一部を包囲し発光素子の負電極に接合するバンプを有する負の極性領域とを有し、正の極性領域内でバンプが載置されている領域は、負の極性領域内で導電部材が載置されている領域より広い。さらに、正の極性領域内におけるバンプの数は、負の極性領域内におけるバンプの数より多い。
本発明において、LEDチップの正負両電極と支持基板の導体配線との接合に使用される導電部材は、正負両電極および導体配線と同一材料を少なくとも一種有するバンプと呼ばれる金属材料である。例えば、超音波ボンディングにおいて一般的に使用されるAuバンプ、Sn−Pb、Auを含む合金、鉛フリー半田等からなるバンプである。ここで、Auのように発光素子からの光を一部吸収するようなバンプを選択したときには、バンプの表面に銀白色のメッキが形成されていることが好ましい。あるいは、バンプ近傍の樹脂層中における拡散剤の濃度を増加させることが好ましい。なお、これらの構成は、発光素子の電極として反射率の高い銀箔色の金属を含む構成としたときには、特に必須でない。また、バンプは、本発明におけるLEDチップの電極に含まれる金属元素であって、樹脂層の貫通孔底部から露出された導体配線にも含まれる金属元素を少なくとも一種含むことが好ましい。このようにすることにより、発光素子の電極、導電部材および導体配線の接合強度が向上するため好ましい。特に、本願発明における導電部材は、支持基板の導体配線に適量設けられることにより、正電極および負電極の何れか一方に接続する導電部材が、支持基板に平行な方向において、他方の電極に接続する導電部材より大きいことが好ましい。例えば、発光素子における活性層上部、即ち、p型半導体層の電極に接合される複数の導電部材は、他の電極に設けられる複数の導電部材と比較して、支持基板の主面に平行な方向から見たとき、一個あたりの大きさが大きくすることが好ましい。このように構成することにより、発光素子からの放熱性を向上させることができる。また、バンプの数を調整すると、LEDチップの正負両電極と支持基板との接合強度が高まり、信頼性の高い発光装置とすることができる。
(第一の形態における樹脂層)
本形態における樹脂層は、硬化状態において弾力性を有する部材、例えばシリコーン樹脂により形成される。硬化状態において弾力性を有する部材としては、バンプの数も考慮しながら、半導体素子の電極と導体配線とをバンプを介して接合した際、それらの接合力の方が、収縮した部材の弾性力よりも十分大きく、接合強度の低下を招かない弾力性を有する部材が選択される。
同一の支持基板に対して複数の発光素子がフリップチップ実装されるとき、発光素子と、その発光素子に隣接する別の発光素子との間に間隙が生じる。仮に、それらの発光素子を波長変換部材にて被覆しようとすると、波長変換部材は、隙間にも入り込み、隙間に存在する蛍光体の量が他の発光素子の周辺と比較して相対的に多くなる。したがって、発光装置は、全方位に渡って色度が均一な発光を観測することができなくなる。
本発明において、封止部材は、半導体素子および樹脂層を封止し、半導体素子と樹脂層との隙間を埋め、さらに半導体素子などを外部環境からの外力、塵芥や水分などから保護するために設けることができる。封止部材は、形状を種々変化させることによって発光素子から放出される光の指向特性を種々選択することができる。即ち、封止部材の形状を凸レンズ形状、凹レンズ形状とすることによってレンズ効果をもたすことができる。そのため、所望に応じて、ドーム型、発光観測面側から見て楕円状、立方体、三角柱など種々の形状を選択することができる。
本形態において、発光素子は、正負一対の電極が設けられた電極形成面側が支持基板の導体配線と対向するように載置され、連続した異方性導電層を介してフリップチップ実装されてもよい。即ち、上述した樹脂層に変えて、該樹脂層と同じ位置に異方性導電層が形成される半導体装置としても構わない。
本発明では、半導体素子として発光素子を使用した場合、発光素子の半導体素子構造中、発光素子を被覆する封止部材、発光素子がフリップチップ実装されたサブマウントを他の支持体に固着させるダイボンド材、発光素子と支持基板の周囲に設けられる上述した樹脂層、サブマウントおよびパッケージのような支持基体など、各構成部材中および/または各構成部材の周辺に無機蛍光体や有機蛍光体のような種々の蛍光物質を配置または含有させることができる。特に、封止部材と組み合わされる蛍光物質は、封止部材の発光観測面側表面を被覆するようにシート状に設けられる他、封止部材の発光観測面側表面および発光素子から離間させた位置に、蛍光体を含む層、シート、キャップあるいはフィルターとして封止部材の内部に設けることもできる。また、フリップチップ実装された発光素子を被覆するように形成される波長変換部材は、蛍光体を含む結着材を材料として、メタルマスクやスクリーン版によるスクリーン印刷や孔版印刷により形成されることが好ましい。このように形成することにより、発光素子の周囲に均一な膜厚を有する波長変換部材を形成することが容易にできる。
本実施の形態に用いられるアルミニウム・ガーネット系蛍光体とは、Alを含み、かつY、Lu、Sc、La、Gd、Tb、Eu及びSmから選択された少なくとも一つの元素と、Ga及びInから選択された一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された蛍光体であり、LEDチップから発光された可視光や紫外線で励起されて発光する蛍光体である。
ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体とは、一般式(Lu1−a−bRaMb)3(Al1−cGac)5O12(但し、RはCeを必須とする少なくとも1種以上の希土類元素である。MはSc、Y、La、Gdから選択される少なくとも1種の元素であり、0.0001≦a≦0.5、0≦b≦0.5、0.0001≦a+b<1、0≦c≦0.8である。)で表される蛍光体である。例えば、組成式が(Lu0.99Ce0.01)3Al5O12、(Lu0.90Ce0.10)3Al5O12、(Lu0.99Ce0.01)3(Al0.5Ga0.5)5O12で表される蛍光体である。
本発明で使用される蛍光体は、Nを含み、かつBe、Mg、Ca、Sr、Ba、及びZnから選択された少なくとも一つの元素と、C、Si、Ge、Sn、Ti、Zr、及びHfから選択された少なくとも一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された窒化物系蛍光体も利用することができる。また、本実施の形態に用いられる窒化物系蛍光体としては、LEDチップから発光された可視光、紫外線、及びYAG系蛍光体からの発光を吸収することによって励起され発光する蛍光体をいう。例えば、Sr2Si5N8:Eu,Pr、Ba2Si5N8:Eu,Pr、Mg2Si5N8:Eu,Pr、Zn2Si5N8:Eu,Pr、SrSi7N10:Eu,Pr、BaSi7N10:Eu,Ce、MgSi7N10:Eu,Ce、ZnSi7N10:Eu,Ce、Sr2Ge5N8:Eu,Ce、Ba2Ge5N8:Eu,Pr、Mg2Ge5N8:Eu,Pr、Zn2Ge5N8:Eu,Pr、SrGe7N10:Eu,Ce、BaGe7N10:Eu,Pr、MgGe7N10:Eu,Pr、ZnGe7N10:Eu,Ce、Sr1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Pr、Ba1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Ce、Mg1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Pr、Zn1.8Ca0.2Si5N8:Eu,Ce、Sr0.8Ca0.2Si7N10:Eu,La、Ba0.8Ca0.2Si7N10:Eu,La、Mg0.8Ca0.2Si7N10:Eu,Nd、Zn0.8Ca0.2Si7N10:Eu,Nd、Sr0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Tb、Ba0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Tb、Mg0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Pr、Zn0.8Ca0.2Ge7N10:Eu,Pr、Sr0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Pr、Ba0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Pr、Mg0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Y、Zn0.8Ca0.2Si6GeN10:Eu,Y、Sr2Si5N8:Pr、Ba2Si5N8:Pr、Sr2Si5N8:Tb、BaGe7N10:Ceなどが挙げられるがこれに限定されない。窒化物蛍光体に含有される希土類元素は、Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Luのうち少なくとも1種以上が含有されていることが好ましいが、Sc、Sm、Tm、Ybが含有されていてもよい。これらの希土類元素は、単体の他、酸化物、イミド、アミド等の状態で原料中に混合する。希土類元素は、主に安定な3価の電子配置を有するが、Yb、Sm等は2価、Ce、Pr、Tb等は4価の電子配置を有する。酸化物の希土類元素を用いた場合、酸素の関与が蛍光体の発光特性に影響を及ぼす。つまり酸素を含有することにより発光輝度の低下を生じる場合もある。その反面、残光を短くするなどの利点もある。但し、Mnを用いると粒径を大きくすることができ、発光輝度の向上を図ることができる。
例えば、共付活剤としてPrを使用する。酸化プラセオジム(Pr6O11)は、通常の希土類酸化物Z2O3と異なり、非化学量論的酸化物で、プラセオジムのシュウ酸塩、水酸化物、炭酸塩などを空気中で焼く800℃に加熱するとPr6O11の組成をもつ黒色の粉体として得られる。Pr6O11はプラセオジム化合物合成の出発物質となり、高純度のものも市販されている。
同様に、Siの窒化物、Euの化合物Eu2O3を粉砕する。Euの化合物として、酸化ユウロピウムを使用するが、金属ユウロピウム、窒化ユウロピウムなども使用可能である。このほか、原料のZは、イミド化合物、アミド化合物を用いることもできる。粉砕後のアルカリ土類金属の窒化物、窒化ケイ素及び酸化ユウロピウムの平均粒径は、約0.1μmから15μmであることが好ましい。
本実施の形態における発光装置は、発光素子が発光した光の一部を吸収し、その吸収した光の波長と異なる波長を有する光を発光する蛍光体として、ユウロピウムで付活されたアルカリ土類金属珪酸塩を有することもできる。アルカリ土類金属珪酸塩は、青色領域の光を励起光とし、暖色系の混色光を発光する発光装置とすることができる。該アルカリ土類金属珪酸塩は、以下のような一般式で表されるアルカリ土類金属オルト珪酸塩が好ましい。
(2−x−y)SrO・x(Ba,Ca)O・(1−a−b−c−d)SiO2・aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+(式中、0<x<1.6、0.005<y<0.5、0<a、b、c、d<0.5である。)
(2−x−y)BaO・x(Sr,Ca)O・(1−a−b−c−d)SiO2・aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+(式中、0.01<x<1.6、0.005<y<0.5、0<a、b、c、d<0.5である。)
ここで、好ましくは、a、b、cおよびdの値のうち、少なくとも一つが0.01より大きい。
次に、本実施の形態におけるアルカリ土類金属珪酸塩からなる蛍光体の製造工程を説明する。
本実施の形態において、蛍光体として紫外から可視領域の光により励起されて発光する蛍光体も用いることができ、具体例として、以下の蛍光体が挙げられる。
(1)Eu、MnまたはEuとMnで付活されたアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体;例えば、M5(PO4)3(Cl、Br):Eu(但し、MはSr、Ca、Ba、Mgから選択される少なくとも一種)、Ca10(PO4)6ClBr:Mn,Euなどの蛍光体。
(2)Eu、MnまたはEuとMnで付活されたアルカリ土類アルミン酸塩蛍光体;例えば、BaMg2Al16O27:Eu、BaMg2Al16O27:Eu,Mn、Sr4Al14O25:Eu、SrAl2O4:Eu、CaAl2O4:Eu、BaMgAl10O17:Eu、BaMgAl10O17:Eu,Mnなどの蛍光体。
(3)Euで付活された希土類酸硫化物蛍光体;例えば、La2O2S:Eu、Y2O2S:Eu、Gd2O2S:Euなどの蛍光体。
(4)(Zn、Cd)S:Cu、Zn2GeO4:Mn、3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:Mn、Mg6As2O11:Mn、(Mg、Ca、Sr、Ba)Ga2S4:Eu、Ca10(PO4)6FCl:Sb,Mn、や(5)Euで付活された有機錯体蛍光体。
エッチングによりサファイア基板上の窒化物半導体に同一面側で、p型コンタクト層およびn型コンタクト層の各表面を露出させる。次に、p型コンタクト層上にRh、Irを材料とするスパッタリングを順に行い、拡散電極110がストライプ状に露出されたp型コンタクト層のほぼ全面に設けられる。このような電極とすることにより、拡散電極110を流れる電流がp型コンタクト層の広範囲に広がるようにし、およびLEDチップの発光効率を向上させることができる。また、発光素子からの光が全面の電極にて反射されサファイア基板の方向から出射されるため、フリップチップ実装された発光素子からの光取り出し効率を向上させることができる。
窒化アルミニウムを材料とするウエハの所定の位置に、導体配線となるAu層をメッキにより形成する。本実施例における導体配線は、図2に示されるように、LEDチップの正電極が対向する正の導体配線、およびLEDチップの負電極が対向する負の導体配線が絶縁分離され、互いに一部を包囲するように形成されている。例えば、図2に示される支持基板は、上述したLEDチップが2つ隣接されてフリップチップ実装される支持基板である。支持基板に配される正(+)極側の導体配線は、外部電極(図示せず)の正極側に接続される領域から、上記複数のLEDチップのうち一方のLEDチップ(A)のp側台座電極に対向する位置を経由して他方のLEDチップ(B)のp側台座電極に対向する位置まで延伸している。同様に、支持基板に配される負(−)極側の導体配線は、LEDチップ(A)およびLEDチップ(B)の一方のn側台座電極に対向する領域から、外部電極(図示せず)の負極側に接続される領域、およびLEDチップ(B)の他方のn側台座電極に対向する領域を経由して、LEDチップ(A)の他方のn側台座電極に対向する領域まで延伸している。したがって、支持基板に形成される導体配線は、LEDチップの電極形成面と対向する領域において、LEDチップの実装方向から見ると、正負の導体配線が互いに挟まれる状態で形成されており、2つのLEDチップは図4の回路図に示されるように並列接続とされることとなる。また、導体配線のうちLEDチップの正電極と対向する領域の面積は、LEDチップの負電極と対向する領域より大きく、載置されるバンプの数も多くされる。
導体配線を有する支持基板の一方の主面に対して、シリコーン樹脂を材料としてスクリーン印刷を行う。バンプ形成箇所には貫通孔が設けられ導体配線の表面が露出されるようにスクリーン印刷を行い、樹脂層を形成する。シリコーン樹脂が硬化した後、スクリーン版を取り外すとシリコーン樹脂を材料とした樹脂層がバンプ形成個所を除いた導体配線に対して成型される。ここで、バンプ形成箇所を設けるための貫通孔の内壁はテーパー形状である。このような形状とすることによりバンプを設置しやすくすることができる。また、樹脂層は僅かに変形するだけでLEDチップの表面に密着し、樹脂層はバンプを包囲し、LEDチップと支持基板との間にかけて存在することとなる。
複数の貫通孔の底面に露出された導体配線に対して、Auを材料とするバンプをバンプボンダーによりボンディングする。ここで、p型台座電極に対向する領域には、その表面積に対応するように、n型台座電極に対向する領域より多くのバンプが形成される。また、p型台座電極を接合するバンプを内側に配列させ、そのバンプを両端から囲むように、n型台座電極を接合するバンプを、LEDチップの両隅に対応する位置に配列させる。本実施例では、p型台座電極を接合するバンプを24個、n型台座電極を接合するバンプを12個とし、1×2mmの大きさの発光素子に対して、最大径が約105μm、最大高さが約40μmのAuバンプをボンディングする。
LEDチップの正負両電極面が、バンプの直上にてそれぞれ対向するようにLEDチップを樹脂層の上面に載せる。次に、LEDチップの正負両電極面をバンプと接触させ、LEDチップの基板の側から加圧しながら超音波を当てることにより、バンプを介してLEDチップの正負両電極と導体配線とを対向させて接合する。このとき、シリコーン樹脂は、柔らかく弾力性に富むため、圧力によって収縮し、また、LEDチップの電極面の隙間にもよく入り込む。また、貫通孔内のバンプ数は、ダイボンドにより押し縮められたシリコーン樹脂の弾性力よりもLEDチップの電極と、導体配線との接合力のほうが十分大きくなるように、ダイボンド前に予め調節しておく。このようにすると、LEDチップが、シリコーン樹脂の弾性力によって支持基板とは逆の方向へ押し戻されることが無く、LEDチップの電極と導体配線との接合の強度は一定に保たれ、LEDチップの電極と導体配線との導通が断たれることはないため、信頼性の高い発光装置とすることができる。
最後に、所望の数のLEDチップが含まれるように、支持基板をカットし、パッケージに搭載して導電性ワイヤを介して外部電極と接続させ、発光装置とする。なお、カット後の支持基板の形状は、矩形の他、如何なる形状でも構わない。
101・・・半導体発光素子
102・・・導体配線
103、202・・・支持基板
104、104a、104b・・・樹脂層
105・・・バンプ
106・・・p側台座電極
107・・・n側台座電極
108、204a・・・正極の導体配線
109、204b・・・負極の導体配線
110・・・拡散電極
111・・・隅部
112・・・延伸部
113・・・括れ部
114・・・第三の導体配線
115・・・波長変換部材
203・・・楕円状電極
205・・・ダイオード素子
Claims (10)
- 同一面側に正負一対の電極を有する半導体素子と、該半導体素子の各電極が対向され導電部材を介して接合される導体配線を有する支持基板と、を有する半導体装置において、
前記導体配線は、前記支持基板の主面に垂直な方向から見て、前記半導体素子の電極の何れか一方の電極に接合する導電部材を有する第一の領域と、該第一の領域の少なくとも一部を包囲し前記半導体素子の他方の電極に接合する導電部材を有する第二の領域とを有することを特徴とする半導体装置。 - 前記第1の領域内にて前記導電部材が載置される領域は、前記第2の領域内にて前記導電部材が載置される領域よりも広い請求項1に記載の半導体装置。
- 前記半導体素子は、p型半導体側の正電極およびn型半導体側の負電極を有し、該負電極が該正電極の間にあるようにそれぞれの電極が交互に配されている請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記n型半導体は、前記導電部材が載置され互いに対向する隅部と、該隅部から半導体素子の内側方向に向かって細くなる括れ部と、該括れ部から延びる延伸部とを有するように露出される請求項1乃至3に記載の半導体装置。
- 前記支持基板と前記半導体素子との間に、前記導電部材を包囲するように載置される樹脂層を有する請求項1乃至4に記載の半導体装置。
- 前記半導体素子と、該半導体素子に隣接する別の半導体素子との間隙は、樹脂層により封止されており、それらの半導体素子は、該半導体素子からの光の少なくとも一部を吸収し異なる波長を有する光を発する波長変換部材により被覆されている請求項1乃至5に記載の半導体装置。
- 少なくとも前記半導体素子は、封止部材で被覆されており、前記樹脂層は、前記封止部材より熱伝導率が高い請求項1乃至6に記載の半導体装置。
- 前記樹脂層は、フィラーを含有する請求項1乃至7に記載の半導体装置。
- 同一面側に正負一対の電極を有する半導体素子と、該電極が導電部材を介して対向される導体配線を有する支持基板と、少なくとも前記支持基板と前記半導体素子との間に載置され前記導電部材を包囲する樹脂層と、を有する半導体装置の製造方法において、
硬化状態において弾力性を有し、前記導体配線の一部が露出される貫通孔を備える樹脂層を孔版印刷にて前記支持基板に形成する第一の工程と、
前記貫通孔内にて、少なくとも二つの導電部材を前記導体配線に形成する第二の工程と、
前記半導体素子の電極を前記導電部材と対向させ、前記支持基板方向に押圧を加えることにより前記半導体素子の電極と前記導電部材とを接合させる第三の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 同一面側に正負一対の電極を有する半導体素子と、該電極が導電部材を介して対向される導体配線を有する支持基板と、少なくとも前記支持基板と前記半導体素子との間に載置され前記導電部材を包囲する樹脂層と、を有する半導体装置の製造方法において、
硬化状態において弾力性を有し、前記導体配線の一部が露出される貫通孔を備える樹脂層を孔版印刷にて前記支持基板に形成する第一の工程と、
前記半導体素子の電極に対し、少なくとも二つの導電部材を形成する第二の工程と、
前記導電部材と前記導体配線を対向させ、前記支持基板方向に押圧を加えることにより前記導電部材と前記導体配線とを接合させる第三の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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