JP4353043B2

JP4353043B2 - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP4353043B2
Application number: JP2004280531A
Authority: JP
Inventors: 一功葛原; 茂成高見; 孝典明田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: JP2006093632A

Description

本発明は、透明な基板で形成された半導体発光素子を、バンプを用いて実装基板に実装する構成の半導体発光装置に関し、とりわけその実装部分の構造に関するものである。

透明なサファイヤ基板の表面側に発光部となるＧａＮ層等を逐次成膜し、金属の電流拡散層を光反射層として、サファイヤ基板の裏面側から光を放射するフェイスダウン構造のＬＥＤチップを、フリップチップ方式で実装基板に実装した半導体発光装置は既に公知であり、そのような半導体発光装置では、ＬＥＤチップまたは実装基板のいずれか一方の側に、スタッドバンプ法などでバンプを形成し、このバンプを他方側へ熱圧着することにより、両者を電気的、物理的に接合させた構成となっている。

また、ＬＥＤチップは発光に伴って発熱するが、ＬＥＤチップの熱膨張係数と、実装基板の熱膨張係数とには差異があるため、両者の接合部には応力が加わる。そのため、そのような半導体発光装置を長期に使用すると、バンプ接合部にクラックが入ってしまい、性能の悪化、ひいては故障を引き起こすという問題があった。
そこで、そのような問題に対応すべく、ＬＥＤチップと実装基板との接合部の隙間にアンダーフィル樹脂を充填し、バンプの接合部に加わる応力をアンダーフィル樹脂によって分担して軽減した半導体発光装置が開発されている。

一方、本発明の先行技術には、下記の特許文献などがある。
これら特許文献のうちで、特許文献４では発光ダイオードの対リフロー性、耐熱サイクル等の信頼性を向上させるために、フェイスダウン構成の発光ダイオード素子のバンプ面を含む１面以上をアンダーフィル樹脂によって覆った発光ダイオードが開示されている。また、特許文献５には、放熱性や信頼性のために、フリップチップボンディングされたＬＥＤ素子とパッケージ底面との間にアンダーフィル樹脂を充填した表面実装型発光ダイオードが開示されている。
特開２００２−９８８６３号特開２００２−５７３７４号特開平６−４５６５８号特開２００３−１５８３０１号特開２００３−１６３３７８号

ところで、フェイスダウン構造のＬＥＤチップでは、光は透明なサファイヤ基板の裏面側から放射されるだけでなく、サファイヤ基板の４方の側面からも放射される。半導体発光装置では高輝度が要望されており、側面から放射される光も半導体発光装置の外部へ放射できることが望ましい。

しかしながら、引用文献４で開示された発光ダイオードでは、発光ダイオード素子の側面もアンダーフィル樹脂で覆われるために、側面から放射される光を外部へ放射することができず、発光ダイオード素子の発光を完全に生かすことができない。

また、引用文献５で開示された表面実装型発光ダイオードでは、発光ダイオード素子の側面がアンダーフィル樹脂で覆われてはいないものの、アンダーフィル樹脂の側面への付着を積極的に防止する手段は講じられていないので、量産された表面実装型発光ダイオードの製品には、アンダーフィル樹脂が側面に付着したものも含まれることになり、照度低下の問題が発生することが考えられる。

本発明は、そのような問題を解決すべく、フリップチップ方式で実装される半導体発光素子とその実装基板との隙間にアンダーフィル樹脂を充填する構成であり、しかもそのアンダーフィル樹脂が半導体発光素子の側面に付着することを防止した構造の半導体発光装置を提案するものである。

すなわち、本発明の請求項１では、透明基板で形成され、裏面側から光を放射する半導体発光素子を、フリップチップ方式で、バンプと熱硬化性樹脂とによって、照射開口部の底面に固着しなる半導体発光装置において、半導体発光素子の表面と、照射開口部の底面の少なくとも一方に、熱硬化樹脂のはみ出しを防止する樹脂止め部を形成して、半導体発光素子の透明基板の周面部に熱硬化性樹脂が付着するのを防止する構造にした半導体発光装置を提案している。ここで熱硬化性樹脂は、光吸収性を有し、半導体発光素子の実装時に、半導体発光素子と、照射開口部の底面、すなわち実装基板の半導体発光素子に対する実装部との隙間に充填された状態で、樹脂止め手段によって半導体発光素子の周囲へのはみ出しが抑止され硬化させられるのである。なお、照射開口部は、内側面に反射面を有した凹所として基板上に形成されている。

上記樹脂止め部は、請求項２では、半導体発光素子の周縁に沿って、半導体発光素子の表面に連続的に突出形成された囲い壁とされており、請求項３では、半導体発光素子の周縁に沿って、半導体発光素子が実装される照射開口部の底面に連続的に突出形成された囲い壁とされている。

また、上記樹脂止め部は、請求項４では、半導体発光素子の周縁に沿って、半導体発光素子の表面に連続的に形成された囲い溝とされ、請求項５では、半導体発光素子の周縁に沿って、半導体発光素子が実装される照射開口部の底面に連続的に形成された囲い溝とされている。

また、請求項６では、透明基板で形成され、裏面側から光を放射する半導体発光素子を、フリップチップ方式で、バンプと熱硬化性樹脂とによって、内側面に反射面を有した凹所として形成された照射開口部の底面に固着してなる半導体発光装置において、熱硬化性樹脂は光吸収性を有し、半導体発光素子が実装される照射開口部の底面の中央に、熱硬化性樹脂の嵩に対応した凹所として、樹脂止め部が形成されている。

請求項１〜６では、半導体発光素子の発光時の発熱に起因するバンプの接合部への応力が、半導体発光素子と実装基板との接合部の隙間に充填されたアンダーフィル樹脂によって分担されて軽減され、半導体発光装置の信頼性が向上する。更に、アンダーフィル樹脂が半導体発光素子の周面部に付着しないので、半導体発光素子の周面部から放射される光も有効に取り出すことができ、半導体発光装置の照度が高くなる。

本発明は、透明なサファイヤ基板の表面に発光層となるＧａＮ層などを逐次成膜して形成され、発光層で発生した光をサファイヤ基板の裏面側から照射するようにしたフェイスダウン構成の半導体発光チップを用いた半導体発光装置に好適に実施される。

図１Ａ、図１Ｂのそれぞれは、本発明の基本構成を説明するための、半導体発光装置Ｍの平面図および縦方向切断図である。図１Ａでは、見易すくするために、半導体発光素子１１を破線の輪郭線として表している。

図中、１１は照射面をサファイヤ基板の裏面１２とした半導体発光素子、２１は、半導体発光素子１１が実装された実装基板、２２は、開口の一方が他方より広い反射面２３となる貫通孔を設けた反射部材を示している。この反射部材２２は、実装基板２１の所定の位置に照射開口部２が形成されるように、貫通孔の開口が広い側を上にして樹脂貼着されている。

半導体発光素子１１のプラス側であるアノード電極Ｔａと、マイナス側であるカソード電極Ｔｋは、実装基板２１のそれぞれに対応した導電パターンＴ１、Ｔ２と、バンプＢを介して接合されている。バンプＢは、Ａｕ、Ｃｕ、半田合金を用いたスタッドバンプ法、メッキ法などで形成でき、半導体発光素子１１と実装基板２１側のいずれか一方側に設ければよい。導電パターンＴ１、Ｔ２は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ又はＲｈを用いたＦＩＢ（収束イオンビーム）法、スパッタリング法、エッチング法などで形成できる。

半導体発光素子１１と照射開口部２の底面との接合部、すなわち実装基板２１の半導体発光素子１１に対する実装部の空間に充填されたアンダーフィル樹脂３１は、硬化して収縮し、半導体発光素子１１を実装基板２１の実装部へ強固に固着する。アンダーフィル樹脂３１としては、例えば、ヤング率が比較的小さく、かつ熱膨張係数が半導体発光素子１１と実装基板２１の中程にある熱硬化性エボキシ樹脂などが利用されるが、熱硬化性エボキシ樹脂だけに限定されない。このアンダーフィル樹脂３１は、半導体発光素子１１の発光に伴う発熱による熱膨張と実装基板２１の熱膨張との差に起因する応力を低減させるので、応力によるバンプ接合部付近のクラックを防止でき、半導体発光装置Ｍの長期信頼性を向上させるものである。

半導体発光素子１１の実装では、実装基板２１の照射開口部２の底面に、未硬化のアンダーフィル樹脂３１を予め付着させ、そこに半導体発光素子１１を、表面１３を下にするフリップチップ方式で被せ、それから半導体発光素子１１を接合方向へ加圧加熱して、バンプＢを接合させると共にアンダーフィル樹脂３１を硬化させる。その実装過程中で半導体発光素子１１が加圧加熱されている間に、アンダーフィル樹脂３１は硬化しつつ、半導体発光素子１１と照射開口部２の底面との隙間に広がっていく。

本発明は、このときのアンダーフィル樹脂３１の広がりに着目し、半導体発光素子１１と照射開口部２の底面との隙間を囲うように樹脂止め部１を形成して、アンダーフィル樹脂３１がその隙間からはみ出さないように均一に広がらせ、かつ透明な半導体発光素子１１の周面部１４に付着するのを防止するようにするものである。

樹脂止め部１は、そのために、半導体発光素子１１の表面１３と、照射開口部２の底面の少なくともいずれか一方に形成すればよく、実装過程中でアンダーフィル樹脂３１はかなりの粘性を有するので、半導体発光素子１１と照射開口部２の底面の接合部との隙間を塞ぐ壁としても、溝としても構成できる。なお、樹脂止め部１を壁として構成した場合には、壁は必ずしも連続している必要はなく、アンダーフィル樹脂３１が通過してはみ出ない程度の間隙を有したものでもよい。また、溝として構成した場合には、その溝には、はみ出てしまう分量のアンダーフィル樹脂３１を貯留させればよい。

従って本発明では、このような樹脂止め部１の作用により、アンダーフィル樹脂３１が半導体発光素子１１の周面部１４に付着しないので、そこから放射される光も吸収阻害されず、反射面２３で上方に反射されて外部へ放射され、有効に利用されるのである。
以下、この樹脂止め部１の実施例を図面に従って説明する。なお、各実施例で共通の構成要素には同一の参照符号を与え、その説明は割愛する。

ここで図２Ａ〜図２Ｄに従って説明される半導体発光装置Ｍは、樹脂止め部１として、半導体発光素子１１の表面１３、すなわち実装面を一巡するようにして突出形成された囲み壁１ａを形成したものである。囲み壁１ａの形成方法は特に限定されないが、例えば、囲み壁１ａの形状に成形された樹脂を貼着したものでもよいし、メッキ法やＦＩＢ法によって堆積形成された金属の突条でもよい。

図２Ａは、上述した半導体発光素子１１の表面１３を上にした平面図である。図に示すように、半導体発光素子１１の表面１３の周縁に沿って、囲み壁１ａが突出形成させている。

図２Ｂは、半導体発光素子１１を実装する前の照射開口部２の平面図である。図に示すように、照射開口部２の底面の導電パターンＴ１、Ｔ２に形成された２つのバンプＢの中間に、未硬化のアンダーフィル樹脂３１が付着されている。

図２Ｃ（Ａ）、（Ｂ）は、半導体発光素子１１の実装過程を説明するために、半導体発光素子１１と照射開口部２とを示す断面図である。図２Ｃ（Ａ）は、半導体発光素子１１を実装する前の状態、図２Ｃ（Ｂ）は、半導体発光素子１１を実装した後の状態を示し、図２Ｃ（Ａ）で示された未硬化のアンダーフィル樹脂３１が、図２Ｃ（Ｂ）では、半導体発光素子１１と照射開口部２の底面との隙間で均一に広がって硬化し、アンダーフィル樹脂３１のはみ出しは、囲み壁１ａで規制されている。

「参考例」
次に、この囲み壁１ａをバンプＢによって形成した構成の半導体発光装置Ｍを、図２Ｄ（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。

すなわち、図２Ｄ（Ａ）では、複数のバンプＢが半導体発光素子１１の表面を一巡するように略等間隔で連設され、その１つはカソード電極ＴｋのバンプＢであり、それ以外の全ては、アノード電極ＴａのバンプＢとなっている。

図２Ｄ（Ｂ）では、アノード電極ＴａのバンプＢが半導体発光素子１１の表面を一巡するように略等間隔に連設され、更にカソード電極ＴｋのバンプＢが中央部にも形成されている。このようにバンプＢを配置するためには、半導体発光素子１１に金属層を更に形成して、その金属層を用いてアノード電極Ｔａ、カソード電極Ｔｂを再配置しておけばよい。

なお、図２Ｄ（Ａ）、（Ｂ）のいずれの場合であっても、これらのバンプＢに対応する形状の導電パターンＴ１、Ｔ２が実装基板２１に形成される（導電パターンＴ１、Ｔ２の形状については、図３Ｃ（Ａ）、（Ｂ）を参照）。

図３Ａ〜図３Ｃに示す半導体発光装置Ｍは、樹脂止め部１として、照射開口部２の底部、即ち実装基板２１上の半導体発光素子１１に対する実装部を一巡するようにして突出形成された囲み壁１ｂを形成したものである。囲み壁１ｂの形成方法は特に限定されないが、例えば、囲み壁１ｂの形状に成形された樹脂を貼着したものでもよいし、メッキ法やＦＩＢ法によって堆積形成された金属の突条でもよい。

図３Ａは、半導体発光素子１１を実装する前の照射開口部２の平面図である。図に示すように、照射開口部２の底部を一巡するように突出形成された囲み壁１ｂの内側の導電パターンＴ１、Ｔ２に形成された２つのバンプＢの中間に、未硬化のアンダーフィル樹脂３１が付着されている。

図３Ｂ（Ａ）、（Ｂ）は、半導体発光素子１１の実装過程を説明する断面図である。図３Ｂ（Ａ）は、半導体発光素子１１を実装する前の状態、図３Ｂ（Ｂ）は、半導体発光素子１１を実装した後の状態を示しており、図３Ｂ（Ａ）で示された未硬化のアンダーフィル樹脂３１が、図３Ｂ（Ｂ）では、半導体発光素子１１と照射開口部２の底面との隙間で均一に広がって硬化し、アンダーフィル樹脂３１のはみ出しは、囲み壁１ｂで規制されている。

図３Ｃ（Ａ）では、複数のバンプＢが照射開口部２の底部を一巡するように、導電パターンＴ１、Ｔ２上で略等間隔に連設され、その１つは半導体発光素子１１のカソード電極Ｔｋに接合されるバンプＢであり、それ以外の全ては、アノード電極Ｔａに接合されるバンプＢとなっている。

図３Ｃ（Ｂ）では、半導体発光素子１１のアノード電極Ｔａに接合されるバンプＢが照射開口部２の底部を一巡するように導電パターンＴ１上に略等間隔で形成され、更に中央部にも１つのカソード電極Ｔｋに接合されるバンプＢが形成されている。このようなバンプＢの配置とするためには、導電パターンＴ１を外側にして、内部の導電パターンＴ２が導電パターンＴ１を跨ぐために、スルーホール等を用いて実装基板２１の裏側を経由するようにしてもよい。

なお、図３Ｃ（Ａ）、（Ｂ）のいずれの場合であっても、これらのバンプＢの配置に対応する形状のアノード電極Ｔａ、カソード電極Ｔｋが半導体発光素子１１の表面に形成される（アノード電極Ｔａ、カソード電極Ｔｋの形状については、図２Ｄ（Ａ）、（Ｂ）を参照）。

図４Ａ〜図４Ｃに示す半導体発光装置Ｍは、樹脂止め部１として、半導体発光素子１１の表面１３、すなわち実装面を一巡するようにして刻設された囲み溝１ｃを形成したものである。囲み溝１ｃは、異方性エッチング法、ＲＩＥ法（反応性イオンエッチング）等で刻設することができるが、はみ出すはずの分量のアンダーフィル樹脂を貯留可能な横断面積が必要である。

図４Ａは、上述した半導体発光素子１１の実装面を上にした平面図である。図に示すように、半導体発光素子１１の表面１３の周縁に沿って、囲み溝１ｃが刻設されている。

図４Ｂは、半導体発光素子１１を実装する前の照射開口部２の平面図である。図に示すように、照射開口部２の底面の導電パターンＴ１、Ｔ２に形成された２つのバンプＢの中間に、未硬化のアンダーフィル樹脂３１が付着されている。

図４Ｃ（Ａ）、（Ｂ）は、その半導体発光素子１１の実装過程を説明する断面図である。図４Ｃ（Ａ）は、半導体発光素子１１を実装する前の状態、図４Ｃ（Ｂ）は、半導体発光素子１１を実装した後の状態を示しており、図４Ｃ（Ａ）で付着されている未硬化のアンダーフィル樹脂３１が、図４Ｃ（Ｂ）では、均一に広がり、はみ出すはずの分量のアンダーフィル樹脂３１は、囲み溝１ｃに貯留され硬化している。

図５Ａ〜図５Ｂに示す半導体発光装置Ｍは、樹脂止め部１として、照射開口部２の底部、即ち実装基板２１上の半導体発光素子１１に対する実装部を一巡するようにして刻設された囲み溝１ｄを形成したものである。囲み溝１ｄは、異方性エッチング法、ＲＩＥ法（反応性イオンエッチング）等で刻設することができるが、はみ出すはずの分量のアンダーフィル樹脂３１を貯留可能な横断面積が必要である。なお導電パターンＴ１、Ｔ２は、囲み溝１ｄを刻設したあとに形成すれば、囲み溝１ｄによって切断されることがない。

図５Ａは、半導体発光素子１１を実装する前の照射開口部２の平面図である。図に示すように、照射開口部２の底面の導電パターンＴ１、Ｔ２に形成された２つのバンプＢの中間に、未硬化のアンダーフィル樹脂３１が付着されている。

図５Ｂ（Ａ）、（Ｂ）は、その半導体発光素子１１の実装過程を説明する断面図である。図５Ｂ（Ａ）は、半導体発光素子１１を実装する前の状態、図５Ｂ（Ｂ）は、半導体発光素子１１を実装した後の状態を示しており、図５Ｂ（Ａ）で付着されている未硬化のアンダーフィル樹脂３１が、図５Ｂ（Ｂ）では、均一に広がり、はみ出すはずの分量のアンダーフィル樹脂３１は、分囲み溝１ｄに貯留され硬化している。

ここで図６Ａ〜図６Ｂに示す半導体発光装置Ｍは、樹脂止め部１として、照射開口部２の底部、即ち実装基板２１上の半導体発光素子１１に対する実装部の中央に、凹所１ｅを形成したものである。凹所１ｅは、異方性エッチング法、ＲＩＥ法（反応性イオンエッチング）等で形成することができるが、広がったアンダーフィル樹脂３１を貯留できる体積が必要である。

図６Ａは、半導体発光素子１１を実装する前の照射開口部２の平面図である。図に示すように、照射開口部２の底部の中央に形成された凹所１ｅに、未硬化のアンダーフィル樹脂３１が付着されている。

図６Ｂ（Ａ）、（Ｂ）は、そのような半導体発光素子１１の実装過程を説明する断面図である。図６Ｂ（Ａ）は、半導体発光素子１１を実装する前の状態、図６Ｂ（Ｂ）は、半導体発光素子１１を実装した後の状態を示しており、図６Ｂ（Ａ）で凹所１ｅから盛り上げて付着されている未硬化のアンダーフィル樹脂３１が、図６Ｂ（Ｂ）では、凹所１ｅに均一に広がって硬化し、半導体発光素子１１の周囲へのはみ出しが防止されている。

本発明の基本構成を説明する半導体発光装置の平面図。本発明の基本構成を説明する半導体発光素子と照射開口部との縦方向断面図。樹脂止め部として囲い壁を形成した半導体発光素子の表面の平面図。図２Ａの半導体発光素子を実装する照射開口部の平面図。（Ａ）、（Ｂ）図２Ａの半導体発光素子と照射開口部とを示す縦方向の断面図。（Ａ）、（Ｂ）囲み壁をバンプによって形成した半導体発光素子の平面図（参考例）。樹脂止め部として囲い壁を形成した照射開口部の平面図。（Ａ）、（Ｂ）半導体発光素子と図３Ａの照射開口部とを示す縦方向の断面図。囲み壁をバンプによって形成した照射開口部の平面図。樹脂止め部として囲い溝を形成した半導体発光素子の表面の平面図。図３Ａの半導体発光素子を実装する照射開口部の平面図。（Ａ）、（Ｂ）図４Ａの半導体発光素子と照射開口部とを示す縦方向の断面図。樹脂止め部として囲い溝を形成した照射開口部２の平面図。（Ａ）、（Ｂ）半導体発光素子と図５Ａの照射開口部とを示す縦方向の断面図。樹脂止め部として凹所を形成した照射開口部２の平面図。（Ａ）、（Ｂ）半導体発光素子と図６Ａの照射開口部とを示す縦方向の断面図。

符号の説明

１樹脂止め部
１ａ、１ｂ囲い壁
１ｃ、１ｄ囲い溝
１ｅ凹所
１１半導体発光素子（透明基板）
１２半導体発光素子の裏面
１３半導体発光素子の側面部
１４半導体発光素子の表面
２照射開口部
３１アンダーフィル樹脂（熱硬化性樹脂）
Ｂバンプ
Ｍ半導体発光装置

Claims

透明基板で形成され、裏面側から光を放射する半導体発光素子を、フリップチップ方式で、バンプと熱硬化性樹脂とによって、内側面に反射面を有した凹所として基板上に形成された照射開口部の底面に固着してなる半導体発光装置において、
上記熱硬化性樹脂は光吸収性を有し、
上記半導体発光素子の表面と、上記照射開口部の底面の少なくとも一方に、上記半導体発光素子と上記照射開口部の底面との隙間を囲う樹脂止め部を形成した半導体発光装置。
請求項１において、
上記樹脂止め部は、上記半導体発光素子の周縁に沿って、上記半導体発光素子の表面に連続的に突出形成された囲い壁である半導体発光装置。
請求項１において、
上記樹脂止め部は、上記半導体発光素子の周縁に沿って、上記半導体発光素子が実装される照射開口部の底面に連続的に突出形成された囲い壁である半導体発光装置。
請求項１において、
上記樹脂止め部は、上記半導体発光素子の周縁に沿って、上記半導体発光素子の表面に連続的に形成された囲い溝である半導体発光装置。
請求項１において、
上記樹脂止め部は、上記半導体発光素子の周縁に沿って、上記半導体発光素子が実装される照射開口部の底面に連続的に形成された囲い溝である半導体発光装置。
透明基板で形成され、裏面側から光を放射する半導体発光素子を、フリップチップ方式で、バンプと熱硬化性樹脂とによって、内側面に反射面を有した凹所として形成された照射開口部の底面に固着してなる半導体発光装置において、
上記熱硬化性樹脂は光吸収性を有し、
上記半導体発光素子が実装される照射開口部の底面の中央に、上記熱硬化性樹脂の嵩に対応した凹所として、樹脂止め部が形成された半導体発光装置。