JP2012084622A

JP2012084622A - 半導体発光素子の製造方法

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Publication number: JP2012084622A
Application number: JP2010228164A
Authority: JP
Inventors: Megumi Horiuchi; 恵堀内
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-04-26

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子の半導体層が発する光のピーク波長付近で変換効率が大きく変動する蛍光体がある。多数のＬＥＤ素子が配列するウェハー上にこの蛍光体を含む蛍光体層を形成し、このウェハーを個片化してＬＥＤ素子を得る工法では、個々のＬＥＤ素子はピーク波長が数ｎｍの範囲で異なった値をとるため発光色がばらつくという課題が生じる。
【解決手段】一方の面に発光層と接続電極を備えたウェハーを準備する工程（ａ）と、そのウェハーのピーク波長分布を得る工程と、ウェハーの他方の面にピーク波長分布にもとづいて厚さを調整しながら蛍光体を形成する工程（ｂ）と、ウェハーを切断してＬＥＤ素子を個片化する工程（ｃ）とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、上面にだけ蛍光体層を備えるフリップチップ用の半導体発光素子の製造方法に関する。

半導体発光装置（以後とくに断らない限りＬＥＤ装置と呼ぶ）の回路基板に実装する半導体発光素子（以後とくに断らない限りＬＥＤ素子と呼ぶ）のなかで、透明基板の一方の面に発光層と接続用電極を備え、他方の面に蛍光体層が形成されたＬＥＤ素子がある（例えば特許文献１の図４）。

特許文献１の図４を図５に示す。図５はチップ２（ＬＥＤ素子）の射出面上に蛍光層３を備える従来例の発光ダイオード１（ＬＥＤ装置）の断面図である。リードフレーム４上にチップ２がフリップチップ実装され、チップ２は透明樹脂からなるケース５で封止されている。

このようなＬＥＤ素子の製造方法は、例えば特許文献１の図１〜図３に示されている。特許文献１の図１には、ウエハー２Ａの一方の面においてＰ層の拡散が行われ、発光部２ａが形成されるとともに正電極２ｂと負電極２ｃが設けられた様子が示されている。図２では、ウエハー２Ａに蛍光物質３ａを含有する蛍光層３を成膜する工程が示されている。蛍光層３は前述の一方の面とは表裏関係となる他方の面、即ち、光の射出面２ｄに設けられている。蛍光層３を設ける手段としては、スプレー塗装、スピンコート、若しくは真空蒸着などでよい。最後に蛍光層３が形成されたウエハー２Ａを切断し個別のチップ２を得る（図３）。

特開平１０−２０９５０５号公報（図１〜図４）

ＬＥＤ素子の半導体層が発する光のピーク波長（以後とくに断らない限り「ピーク波長」はＬＥＤ素子の半導体層が発する光のピーク波長を示す）付近で変換効率が大きく変動する蛍光体がある。多数のＬＥＤ素子が配列するウェハー上では、個々のＬＥＤ素子のピーク波長が数ｎｍの範囲で異なった値をとるため、厚さが均一な蛍光体層をウェハーに形成すると、個々のＬＥＤ素子間で発光色がばらつくという課題が生じる。

そこで本発明は、この課題を解決するため、ＬＥＤ素子に含まれる半導体層が配列したウェハーに蛍光体層を形成する際、蛍光体層に含まれる蛍光体がピーク波長の影響を受けやすい場合であっても、ＬＥＤ素子間の色度ばらつきを抑えること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。

上記課題を解決するため本発明の半導体発光素子の製造方法は、一方の面に発光層と接続電極を備え、他方の面に蛍光体層を有するウェハーを個片化して得られる半導体発光素子の製造方法において、
前記蛍光体層を形成する前のウェハーを準備するウェハー準備工程と、
該ウェハーの特性分布を得る特性測定工程と、
該ウェハーの前記他方の面に前記特性分布にもとづいて厚さを調整しながら蛍光体を形成する蛍光体層形成工程と、
該ウェハーを切断して前記半導体発光素子を個片化する個片化工程と
を備えることを特徴とする。

ウェハーの面内において各ＬＥＤ素子領域のピーク波長は滑らかに分布することが知られている。これは半導体層を形成する際、エピタキシャル成長がウェハー全体に亘って均一とはいえないまでも急激には変化しないからである。本発明ではピーク波長の滑らかな分布に合うように蛍光体層の厚さを調整しているので、ウェハーのどの部分から個片化したかに係わらず個別のＬＥＤ光素子の色度のばらつきを狭い範囲に納めることが可能となる。以上、本発明の半導体発光素子の製造方法は、ＬＥＤ素子に含まれる半導体層が配列したウェハーに蛍光体層を形成する際、蛍光体層に含まれる蛍光体がＬＥＤ素子のピーク波長の影響を受けやすい場合であっても、ＬＥＤ素子間の色度ばらつきを抑えることが可能となる。

本発明の実施形態で製造するＬＥＤ素子を備えたＬＥＤ装置の断面図。本発明の実施形態で用いるウェハーの特性分布図。本発明の実施形態におけるＬＥＤ素子の製造方法の説明図。本発明の実施形態におけるＬＥＤ装置の製造方法の説明図。従来のＬＥＤ装置の断面図。

以下、添付図１〜４を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。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は本実施形態の方法で製造したＬＥＤ素子２１（半導体発光素子）を回路基板２２に実装したＬＥＤ装置１０（半導体発光装置）の断面図である。ＬＥＤ装置１０は、回路基板２２上にＬＥＤ素子２１をフリップチップ実装している。回路基板２２において板材２０上面に形成された電極１７はスルーホール１８を介して板材２０の下面に形成された電極１９と接続している。ＬＥＤ素子２１はサファイア基板１２（透明基板）の下面に半導体層１３、上面に蛍光体層１５が形成されている。半導体層１３は、発光層を備えたダイオードであり、付着している２個のバンプ１４はそれぞれアノードとカソードに相当する。バンプ１４は金属共晶接合により電極１７と接続している。回路基板２２上面及びＬＥＤ素子２１は樹脂層１１で封止されている。

ＬＥＤ素子２１の半導体層１３は青色発光ダイオードであり、蛍光体層１５は珪酸塩系の緑色蛍光体と窒化物系の赤色蛍光体を含んでいる。半導体層１３から出射した青色光により蛍光層１５は緑色光及び赤色光を発光する。この結果、半導体層１３の青色光と蛍光体層１５からの緑色光、赤色光が混色し白色光が得られる。この緑色蛍光体は青色光のピーク波長（正確には発光スペクトル）で発光効率が大きく変化する。このためピーク波長に応じて緑色蛍光体の量（蛍光体層１５の厚さ）が微調されている。

樹脂層１１は散乱材等を含む透明なシリコーン樹脂からなり厚さが数１００μｍである。蛍光体層１５は厚さが１００μｍ〜１５０μｍの範囲で微調されている。サファイア基板１２は厚さが８０〜１２０μｍであるが、さらに薄くすればサファイア基板１２の側面から出射する光が減り、上方へ向かう光が増え波長変換効率や発光効率が良くなる。半導体層１３は厚さが７μｍ程度であり、バンプ１４は電解メッキ法で形成すれば厚さが１０
〜３０μｍ程度になる。板材２０は、厚さが数１００μｍで、熱伝導性を考慮して樹脂、セラミック、金属から選ぶ。電極１７，１９は、例えば２０μｍ程度の銅箔上にニッケル層と金層を積層したものである。板材２０が樹脂の場合、スルーホール１８は熱伝導性をよくするため内部を金属ペーストで埋めておくと良い。

図２は本実施形態で用いる多数のＬＥＤ素子２１（蛍光体層１５は備えていない）が配列したウェハー２３のピーク波長分布を示す特性分布図である。ウェハー２３の外周部にある点線は波長がλ１となるＬＥＤ素子２１をつなぎ合わせたものであり、等高線のようなものである。同様にその内側の点線及び最も内側の点線は、それぞれ波長がλ２，λ３となるＬＥＤ素子２１をつなぎ合わせたものである。一枚のウェハーではピーク波長の広がりが概ね数ｎｍの範囲になるので、例えば波長λ１は４４５ｎｍ、波長λ２は４４６ｎｍ、波長λ３は４４７ｎｍという値になる。また波長λ１と波長λ２の間などでは波長が滑らかに変化する分布となる。

図３はＬＥＤ素子２１を製造する工程の説明図である。（ａ）は蛍光体層１５を形成する前のウェハー２３を準備するウェハー準備工程である。サファイア基板１２を基部とするウェハー２３の下面には複数の半導体層１３が形成され、各ＬＥＤ素子領域の半導体層１３にはバンプ１４が付着している。なおウェハー２３の上面には蛍光体を塗布するためのノズル３１を図示した。またウェハー２３の状態で予め各ＬＥＤ素子２１に含まれる半導体層１３は、リークなど良否判定に係わる検査が実施されており、このなかでのピーク波長などの発光特性も測定される。すなわちこの検査工程（特性測定工程）においてウェハー２３の特性分布を測定する。

（ｂ）はウェハー２３の上面に前述の特性分布にもとづいて塗布量（厚さ）を調整しながら蛍光体を塗布（形成）する蛍光体層形成工程である。蛍光体層１５は図の右から３番目の半導体層１３上がもっとも厚くなっている。これは図２の波長λ３程度のＬＥＤ素子２１が存在する領域に対応する。つまりＬＥＤ素子２１のピーク波長が長くなると緑色蛍光体の発光効率が低下するため、これを補償するため蛍光体層１５を厚くしている。蛍光体層１５の厚さ調整はノズル３１から吐出するインク（蛍光体を含有する）の量で決まり、前述のようにピーク波長が滑らかに分布することに対応して蛍光体層１５の厚みも徐々に変化している。吐出量の制御は、インクジェット印刷法に準じる（例えば特開平１１−４６０１９号公報参照）。蛍光体層１５はＬＥＤ素子２１を回路基板２２に実装するときに加わる温度（約３００℃）に耐えられる必要があるので、オルガノポリシロキサン等の焼結するとガラス質（無機質）になり前述の高温に耐えられるバインダと、粒径が数μｍの蛍光体と、触媒とを溶媒に混ぜたインクを使用する。インクを塗布したら１５０℃で焼結する。

（ｃ）はウェハー２３を切断してＬＥＤ素子２１（以降、ＬＥＤ素子２１は蛍光体層１５を備えるものとなる）を個片化する個片化工程である。ウェハー２３をダイシング用シートに貼りつけダイシング装置で切断し、このダイシング用シートを拡張すると各ＬＥＤ素子２１がピックアップ出来るようになる。各ＬＥＤ素子２１はピーク波長に合わせて蛍光体層１５の厚さが調整されているので色度ばらつきが小さくなっている。

図４はＬＥＤ素子２１を回路基板２２に実装したＬＥＤ装置１０の製造方法の説明図である。（ａ）は回路基板２２が連結した集合基板２２ａにＬＥＤ素子２１をフリップチップ実装する実装工程である。集合基板２２ａは大判の板材２０（図１参照）に多数の回路基板領域を備え、各回路基板領域には電極１７（図１参照）、スルーホール１８（図１参照）、及び電極１９（図１参照）が形成されている。ＬＥＤ素子２１は、一個ずつ集合基板２２ａ上に配置しても良いし、予め集合基板２２ａの電極ピッチにあわせて粘着シート上にＬＥＤ素子２１を配列させ、この粘着シートを集合基板２２ａに重ね、多数のＬＥＤ
素子２１を一括して集合基板２２ａに配置しても良い。ＬＥＤ素子２１の配置が完了したらＬＥＤ素子２１を加圧及び加熱し電極１７に接合する。

（ｂ）は透明樹脂を塗布する透明樹脂塗布工程である。シリコーン樹脂からなる樹脂層１１を塗布したら１５０℃程度で加熱硬化させる。（ｃ）は集合基板２２ａからＬＥＤ装置１０を単個に分離するＬＥＤ装置の個片化工程である。集合基板２２ａをダイシング装置により切断しＬＥＤ装置１０を個片化する。

本実施形態において蛍光体層形成工程では塗布により蛍光体層１５を形成していた。蛍光体層の形成方法としては、いったん平坦で厚めに蛍光体層を形成し、この蛍光体層を研磨若しくは研削により厚さを調整しても良い。

１０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
１１…樹脂層、
１２…サファイア基板（透明基板）、
１３…半導体層、
１４…バンプ、
１５…蛍光体層、
１７，１９…電極、
１８…スルーホール、
２０…板材、
２１…ＬＥＤ素子（半導体発光素子）、
２２…回路基板、
２２ａ…集合基板、
２３…ウェハー、
３１…ノズル。

Claims

一方の面に発光層と接続電極を備え、他方の面に蛍光体層を有するウェハーを個片化して得られる半導体発光素子の製造方法において、
前記蛍光体層を形成する前のウェハーを準備するウェハー準備工程と、
該ウェハーの特性分布を得る特性測定工程と、
該ウェハーの前記他方の面に前記特性分布にもとづいて厚さを調整しながら蛍光体を形成する蛍光体層形成工程と、
該ウェハーを切断して前記半導体発光素子を個片化する個片化工程と
を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。