JP2011222626A - 半導体発光装置および発光素子パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】サブマウント基板と配線基板との熱膨張率の差による接合部のクラックを防止可能な、薄型の発光装置を提供する。
【解決手段】半導体発光素子1を搭載する第１基板2の少なくも一辺に沿って端子部材4を配置する。端子部材4は、一部が第１基板2の上面の電極24に接し、他の一部が第２基板3の上面の電極31に接し、第１基板2と第２基板3とを電気的に接続している。端子部材4と第２基板3は、基材が同じである。端子部材4が第１基板2に接する部分には、導電性樹脂層6が配置され、端子部材4が第２基板3に接する部分には半田層7が配置されている。第２基板3と端子部材4は基材が同じため、半田層7には熱膨張による応力が加わらない。第１基板2と枠体4と間の熱膨張よる応力は、導電性樹脂層6が吸収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子をサブマウント基板上に搭載し、サブマウント基板を実装基板に搭載した構造の発光装置に関する。

ＬＥＤチップ等の発光素子を、表面に電極パターンが形成されたセラミック基板に搭載し、セラミック基板を配線基板の上面に実装した構造の発光装置が知られている。セラミック基板と配線基板とは、半田付けにより接合される。

特許文献１には、セラミック基板と配線基板との熱膨張率の差に起因して、半田付けによる接合部にクラックが生じるのを防止するため、セラミック基板の裏面側に、セラミック基板の主平面に対して垂直な断面の形状がコの字型の接続用電極を固定している。この接続用電極は、配線基板と半田付けにより接合される。断面がコの字型の接続用電極は、その形状から弾性変形しやすく、セラミック基板と配線基板との熱膨張の差により生じる応力を弾性変形により緩和し、接合部にクラックが生じるのを防止することができる。

特開２００６−３０３３９６号公報

特許文献１では、基板面に垂直な断面の形状がコの字型の接続用電極の弾性変形を利用して応力を緩和するため、セラミック基板と配線基板との間に、コの字型の接続用電極を挟む必要がある。このため、発光装置の厚みが大きくなるという問題がある。コの字型の接続用電極は、水平な２枚の板部材の間を１枚の垂直な板部材で連結し、垂直な板部材が撓むことで応力を緩和する作用をする。金属製の弾性部材からなるコの字型の接続用電極を用いた場合も、セラミック基板と配線基板との熱膨張係数差により、弾性限度を超える応力がかかると元の形状の戻らないという問題が生じる恐れがある。この場合、半田接合部にクラックが生じる。

また、コの字型の電極に変形を生じさせて、熱膨張による小さな応力を緩和するには、コの字型の電極を構成する板材の剛性やヤング率を、緩和したい応力の大きさに合わせて綿密に設計する必要がある。

本発明の目的は、サブマウント基板と配線基板との熱膨張率の差による接合部のクラックを防止可能な、薄型の発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、以下のような発光装置が提供される。すなわち、半導体発光素子と、該半導体発光素子を搭載する第１基板と、第１基板を搭載する第２基板と、第１基板の少なくとも一辺に沿って配置された端子部材とを有する発光装置であって、端子部材は、一部が第１基板の上面の電極に接し、他の一部が前記第２基板の上面の電極に接し、両者を電気的に接続している。端子部材と第２基板は、基材が同じ材料である。端子部材が第１基板に接する部分には、導電性樹脂層が配置され、端子部材が第２基板に接する部分には半田層が配置されている。これにより、第２基板と端子部材は、基材が同じであるため、熱膨張係数が等しく、半田層には熱膨張係数の差に起因する応力が加わらない。一方、第１基板と端子部材の間には、熱膨張係数の差に起因する応力が生じるが、導電性樹脂層がこれを吸収することができる。

端子部材は、例えば第１基板の周囲を取り囲む枠体とする。また例えば、端子部材は、第１基板の上面に配置された一対の電極を第２の基板の上面に配置された一対の電極にそれぞれ接続する構成とする。

端子部材は、内壁が半導体発光素子からの光を反射するリフレクタを兼用することが可能である。

端子部材は、基材が金属であり、その表面に酸化被膜を備え、当該酸化被膜の上には、第１基板の上面の電極に接する第１基板接触領域と、第２基板の上面の電極に接する第２基板接触領域と、それらを接続する領域に導体層が配置されている構成にすることが可能である。

導電性樹脂層は、ヤング率が200MPa以下であることが好ましく、特に100MPa以下であることが好ましい。

また、本発明の別の態様によれば、実装基板に搭載される発光素子パッケージが提供される。すなわち、半導体発光素子と、半導体発光素子を搭載する基板と、該基板の少なくとも一辺に沿って配置された端子部材とを有する発光素子パッケージであって、端子部材は、基板の上面の電極に導電性樹脂層を介して接合される。端子部材は、基板を実装基板に搭載する際に実装基板に半田層を介して接触させるための実装基板側パッドを備えている。端子部材は、実装基板と基材が同じ材料で構成される。

本発明によれば、サブマウント基板と実装基板との熱膨張率の差による接合部のクラックを防止できる薄型の発光装置を提供できる。

実施形態の半導体発光装置の（ａ）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ’断面図。 実施形態の半導体発光装置のサブマウント基板2の（ａ）上面図、（ｂ）断面図。 実施形態の半導体発光装置の外部端子4の（ａ）上面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ’断面図、（ｃ）下面図。 実施形態の半導体発光装置の製造工程における発光素子パッケージの（ａ）上面図、（ｂ）断面図。 実施形態の外部端子がリフレクタを兼用しない態様の半導体発光装置の断面図。 実施形態の外部端子の角部に丸みを持たせる態様の半導体発光装置の外部端子の上面図。

以下、本発明の一実施の形態の発光装置について説明する。

図１（ａ）、（ｂ）に本実施形態の発光装置の上面図とそのＡ−Ａ’断面図を示す。半導体発光素子1は、サブマウント基板2上にダイボンディングされている。サブマウント基板2は、実装基板3上に搭載されている。サブマウント基板2の周囲には、サブマウント基板2を取り囲む枠状の外部端子4が配置され、サブマウント基板2の上面の端部に配置された一対の配線接続パッド24と、実装基板3上の配線31とを電気的に接続している。外部端子4の内壁面は、半導体発光素子1からの光を反射するリフレクタを兼用している。

実装基板3として、表面に絶縁層を備えた金属基板を用い、その上に配線層31を配置している。また、外部端子4として、表面に絶縁層を備えた金属部材により構成し、下面の一部に接続用配線層41を配置している。本実施形態では、実装基板を構成する金属基板と、外部端子4を構成する金属部材を同じ金属により構成し、両者の熱膨張係数が一致するようにしている。具体的には、例えば表面にアルマイト被膜を備えたAlにより実装基板3および外部端子4を構成することができる。

サブマウント基板2の構造について詳細に説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、半導体発光素子1を搭載したサブマウント基板2の上面図および断面図である。サブマウント基板2は、セラミック層21,22を積層した構造である。上側のセラミック層21の上面には、一対の電極パッド23と、一対の外部接続パッド24が配置されている。上側のセラミック層21の上面には、樹脂接着剤や半田により半導体発光素子1がダイボンディングされている。一対の電極パッド23は、半導体発光素子1の近傍に位置し、半導体発光素子1の上面の電極パッド11とボンディングワイヤ5によりそれぞれ接続されている。外部接続パッド24は、上側セラミック層21の対向する２辺に沿ってそれぞれ配置されている。

２層のセラミック層21,22の間には、一対の電極パッド23を一対の外部接続パッド24に接続するための層間配線層25が配置されている。上側セラミック層21には、層間配線層25と電極パッド23、および、層間配線層25と外部接続パッド24を接続するビア26が配置されている。このように、層間配線層25を配置することにより、サブマウント基板2の上面に配置される導体層の面積を低減することができ、サブマウント基板2の上面の反射率を向上させることができる。

次に、外部端子4の構造について説明する。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に、外部端子4の上面図、Ｂ−Ｂ’断面図、下面図をそれぞれ示す。外部端子4は、サブマウント基板2の周囲を覆う、外形が四角形の筒状であり、その内壁面4aは、リフレクタを兼用する。外部端子4の内周側の底面は、サブマウント基板2の高さに合わせて切り欠かれており、サブマウント基板の外部接続パッド24の上面と接合されるサブマウント側パッド部43となる。また、外部端子4の外周側の底面は、実装基板3上の配線31と接合される実装基板側パッド部42となる。

接続用配線層41は、外部端子のサブマウント側パッド部43と、実装基板側パッド部42と、その間の壁面に配置されている。これにより、電気的に導通したサブマウント側パッド部43と実装基板側パッド部42とを接続用配線層41により形成することができる。また、外部端子4には、一対の極性の接続配線層41が電気的に独立に形成されている。各接続配線層41は、外形が四角形の外部端子4の向かい合う２辺に沿って、外部端子4の中心に対し対称に配置されている。それぞれの極性の接続配線層41は、枠状の外部端子4上に形成されることにより一体に支持されている。

サブマウント基板2は、実装基板3上に熱伝導性の高い接合層8により接合されている。接合層8は、電気的接続には寄与しないため、絶縁性であっても構わない。接合層8として熱伝導性の高い材料を用いることにより、半導体発光素子1が発生する熱を、実装基板3に伝導することができ、実装基板3を介して外部ヒートシンク等に効率よく排熱することができる。接合層8は、例えば、樹脂系の熱伝導シート、熱伝導性接着剤、もしくは、半田により形成する。

また、外部端子4と実装基板3およびサブマウント基板2との、接続部について説明する。外部端子4の実装基板側パッド部42は、実装基板3の配線層と、半田層7により接合され、半田層7により電気的にも接続されている。一方、外部端子4のサブマウント側パッド部43は、サブマウント基板2の外部接続パッド24と、弾性を有する導電性樹脂層6により接合され、導電性樹脂層6により電気的にも接続されている。導電性樹脂層6は、ヤング率が、数〜数百Mpa、具体的には1〜200MPaであることが望ましく、特に100MPa以下であることが好ましい。例えば、導電性粒子を含有したシリコーン樹脂であって、導電性粒子を含有した状態でのヤング率が200MPa以下のものを導電性樹脂層6として好適に用いることができる。導電性粒子としては、例えばAgフィラーを用いることができる。

このように、外部端子4の実装基板側パッド部42とサブマウント側パッド部43とで、接合材料を使い分けているのは、次のような理由による。

外部端子4と実装基板3とは、上述したように同じ基材により構成され、熱膨張係数が一致しているため、温度が上昇しても膨張量は同じであり、接合部には応力はほとんど加わらない。このため、半田層7によって接合してもクラック等は生じない。よって、半田層7により、低電気抵抗、高熱伝導率の接合を実現できる。

一方、サブマウント基板2は、基材がセラミックであり、基材が金属の外部端子4とは熱膨張係数が異なる。このため、温度上昇に伴い、サブマウント側パッド部43は、サブマウント基板2上の外部接続パッド24に対し相対的に変位し、接合部である導電性樹脂層6には、熱膨張による応力が加わる。そこで、本実施形態では、弾性のある導電性樹脂層6より接合することにより、熱膨張による応力を、導電性樹脂層6の変形により吸収させる。導電性樹脂層6のヤング率は、温度上昇幅および熱膨張率差に基づき生じる応力を計算し、これを吸収できる大きさに設計する。これにより、クラック等を生じることなく、接合状態を維持することができる。

半導体発光素子を発光させる際の各部の動作について説明する。実装基板3の配線31に、半導体発光素子の駆動電流を供給すると、電流は配線31から半田層7を通って、外部端子4の接続用配線層41の実装基板側パッド部42に流れる。電流は接続配線層41を流れ、外部端子4のサブマウント側パッド43から導電性樹脂層6を介して、サブマウント基板2上の外部接続パッド24に供給される。外部接続パッド24に供給された駆動電流は、ビア26および層間配線層25を通って電極パッド23に流れ、電極パッド23からボンディングワイヤ5を通って半導体発光素子1の電極パッド11に供給される。

これにより、半導体発光素子1は、所定の波長の光を発する。半導体発光素子1から上方に発せられた光は、外部端子4の開口から上方に直接出射される。半導体発光素子1から側方に出射された光は、外部端子4の内壁面（リフレクタ）4aおよびサブマウント基板2の上面により反射されて、外部端子4の開口から上方に出射される。このとき、外部端子4の内壁面（リフレクタ）4aは、上述したようにアルマイト処理が施されているため、反射率が高い。また、サブマウント基板2も2層構造にしたことにより上面の導体層の面積が小さく、反射率が高い。これにより、リフレクタ4aおよびサブマウント基板2の上面で高効率で光を反射することができるため、光の取り出し効率を向上させることができる。

半導体発光素子1は、発光に伴い発熱する。その熱は、サブマウント基板2に伝導し、サブマウント基板2から実装基板3へは、高熱伝導率の接合層8により効率よく伝導する。実装基板3に伝導し、実装基板3に接続された排熱機構に排熱される。また、熱は、外部端子4にも伝導する。温度上昇に伴い各部は熱膨張するが、上述したように本実施形態では、実装基板3と外部端子4は、基材が同じ金属材料であるため、熱膨張率が一致しており、その接合部である半田層7には応力は加わらないため、半田層7にクラック等が生じるのを防止できる。一方、外部端子4とサブマウント基板2は、材質が異なるため、熱膨張により接合部である導電性樹脂層7に応力が加わるが、導電性樹脂層7の弾性によりこれを吸収できる。よって、クラック等により電気的に不導通になるのを防止できる。また、サブマウント基板2と実装基板3との接合層8には、熱膨張係数の差による応力が加わるが、接合層8は電気的接合には寄与していないため、クラックが生じても電気的には影響がない。

つぎに、本実施形態の発光装置の製造工程を説明する。

まず、図２（ａ），（ｂ）のように、サブマウント基板2上に半導体発光素子1を樹脂接着剤等によりダイボンディングし、ワイヤボンディングを行う。次に、サブマウント基板2の上面の外部接続パッド24に所定の導電性樹脂を塗布した後、図３（ａ）〜（ｃ）に示した形状の外部端子4を位置合わせしてかぶせ、導電性樹脂を硬化させる工程を行う。これにより、外部端子4のサブマウント側パッド部43と外部接続パッド24との間に導電性樹脂層6が形成され、両者が接合される。これらの工程により、図４（ａ），（ｂ）に上面図および断面図を示した構成の発光素子パッケージを製造することができる。最後に、この発光素子パッケージの外部端子4を実装基板3に搭載し、半田付け等を行い、実装基板側パッド部42と配線31とを半田層7により接合する。

このように、本実施形態の発光装置は、サブマウント基板2と実装基板3に異なる材料を用いながら、電気的接合部にクラックが生じるのを防止することができ、信頼性の高い発光装置を提供することができる。

また、熱応力を吸収するための、従来のように特別の機構を設ける必要がないため、薄型の発光装置を実現できる。

さらに、外部端子4は、リフレクタを兼用することができるため、部品点数を減らすことができ、製造コストの低下と信頼性向上をはかることができる。

本実施形態の発光装置は、枠状の外部端子4において、両極性の接続配線層が一体化して形成されているため、サブマウント側パッド部43と外部接続パッド24との位置合わせ、および、実装基板側パッド部42と実装基板3の配線31との位置合わせを両極性に関して一括して行うことができる。このため、各極性に対して独立した外部端子を用いてそれぞれ位置合わせをする場合と比較して、ばらつき要因が少なくなるため、位置ずれ量の小さい、製品外形の小さい半導体発光素子を提供することができる。

なお、本実施形態では、サブマウント基板2の４辺を取り囲む枠状の外部端子4を用いているが、外部端子4の形状は４辺を取り囲む枠状に限定されるものではない。外部端子の形状は、両極性の接続配線層が一体化して搭載された形状であることが好ましい。例えば、サブマウント基板2の隣接する２辺または３辺に沿うL字型またはコの字型の形状の外部端子4とすることが可能である。あるいは、サブマウント基板2の対向する２辺に沿う形状の部材を、別の部材で連結した構成にすることも可能である。

なお、上述の実施形態では、外部端子4がリフレクタを兼用する構成としたが、必ずしも兼用させる必要はない。例えば、図５に断面図を示した発光装置のように、外部端子4の内側に、別体のリフレクタ9を配置することも可能である。

また、図１（ａ），（ｂ）に示した発光装置では、外部端子4の開口形状および外形をいずれも四角形としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図６に示したように、所望の配光特性を得るため、リフレクタを兼用する外部端子4の内壁面の角部を丸くすること等が可能である。また、外部端子4の外形の角部を図６のように曲面の凹形状にすることも可能である。また、外部端子4の外形についても、用途に応じて適宜な形状とすることが可能である。

本実施形態の発光装置は、セラミックのサブマウント基板を使用する発光装置全般に適用可能である。

1…発光素子、2…サブマウント基板、3…実装基板、4…外部端子、4a…内壁面（リフレクタ）5…ボンディングワイヤ、6…弾性のある導電性樹脂、7…半田層、9…リフレクタ、11…電極パッド、21、22…セラミック層、23…電極パッド、24…外部接続パッド、25…層間配線層、26…ビア、31…配線、41…接続用配線層、42…実装基板側パッド部、43…サブマウント側パッド部

Claims (7)

1. 半導体発光素子と、該半導体発光素子を搭載する第１基板と、前記第１基板を搭載する第２基板と、前記第１基板の少なくとも一辺に沿って配置された端子部材とを有し、
   前記端子部材は、一部が前記第１基板の上面の電極に接し、他の一部が前記第２基板の上面の電極に接し、前記第１基板と前記第２基板とを電気的に接続し、
   前記端子部材と前記第２基板は、基材が同じ材料であり、
   前記端子部材が前記第１基板に接する部分には、導電性樹脂層が配置され、前記端子部材が前記第２基板に接する部分には半田層が配置されていることを特徴とする半導体発光装置。
2. 請求項１に記載の半導体発光装置において、前記端子部材は、前記第１基板の周囲を取り囲む枠体であることを特徴とする半導体発光装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体発光装置において、前記端子部材は、前記第１基板の上面に配置された一対の電極を前記第２の基板の上面に配置された一対の電極にそれぞれ接続することを特徴とする半導体発光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記端子部材は、内壁が前記半導体発光素子からの光を反射するリフレクタを兼用することを特徴とする半導体発光装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記端子部材は、基材が金属であり、その表面に酸化被膜を備え、当該酸化被膜の上には、前記第１基板の上面の電極に接する第１基板接触領域と、前記第２基板の上面の電極に接する第２基板接触領域と、第１基板接触領域と第２基板接触領域とを接続する領域に導体層が配置されていることを特徴とする半導体発光装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体発光装置において、前記導電性樹脂層は、ヤング率が200MPa以下であることを特徴とする半導体発光装置。
7. 実装基板に搭載される発光素子パッケージであって、
   半導体発光素子と、該半導体発光素子を搭載する基板と、該基板の少なくとも一辺に沿って配置された端子部材とを有し、
   前記端子部材は、前記基板の上面の電極に導電性樹脂層を介して接合され、
   前記端子部材は、前記基板を前記実装基板に搭載する際に前記実装基板に半田層を介して接触させるための実装基板側パッドを備え、
   前記端子部材は、前記実装基板と基材が同じ材料で構成されることを特徴とする発光素子パッケージ。

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