JP4643918B2

JP4643918B2 - 光半導体パッケージ

Info

Publication number: JP4643918B2
Application number: JP2004067612A
Authority: JP
Inventors: 寛人磯田; 和臣筒井
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: JP2005259888A

Description

本発明は、半導体チップをフリップチップ方式によって接続するための光半導体パッケージに係り、特にＬＥＤ等の光半導体チップを実装した場合に、光漏れによる光量の損失を低減させるための構造を備えた光半導体パッケージに関するものである。

近年、電子機器の小型化及び高機能化により、プリント配線板上への電子部品の実装密度の向上が要求されてきている。特に、半導体チップの実装形態にあっては、表面実装部品から、基板に直接半導体チップを実装するベアチップ実装に変わってきており、その中でも最も実装密度の向上が図られるフリップチップ実装（ＦＣ実装）が注目されてきている。このＦＣ実装は、バンプと呼ばれる突起を介してチップ電極と基板電極を対向させてフェースダウンして一括接続させる方法で、実装後にアンダーフィル（封止剤）を半導体チップと基板間に流し込んで形成する（特許文献１参照）。

図１４は、光半導体チップ（ＬＥＤ３）をＦＣ実装するための、従来の光半導体パッケージ２の断面構造を示したものである。このＦＣ実装方式で使用されるベース基板４には、ポリイミド、ガラスエポキシ、ＢＴレジン等の樹脂材が使用され、その表面にはＬＥＤ３のチップ電極部５（アノード電極及びカソード電極）に対応した一対の基板電極部６がパターン形成される。そして、ＬＥＤ３は、前記一対の基板電極部６を絶縁するためのスペースであるベース基板４の露出表面（隙間８）を跨ぐようにしてバンプ７を介して接続される。
特開２００２−２６１１１９号公報

しかしながら、上記構造の光半導体パッケージ２にあっては、前記ＬＥＤ３が実装される直下の隙間８がポリイミド等の露出した樹脂面となるため、ＬＥＤ３の下方から発せられる光が前記隙間８に吸収されてしまうといった問題がある。このようなベース基板４内に吸収される光があるため、ＬＥＤ３から全方向に出射される光量のうちの約１０〜２０％程度が損失され、全体の発光輝度の低下を引き起こす。

そこで、本発明の目的は、ＬＥＤから発せられる光をベース基板内に吸収されるのを防止することで発光損失を抑え、全体の輝度の向上を図ることのできる光半導体パッケージを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の光半導体パッケージは、回路基板と、この回路基板上にフリップチップ実装される光半導体チップとを備えた光半導体パッケージにおいて、前記回路基板は、ベース基板と、このベース基板の表面に段差を持たせて設けられ、実装される前記光半導体チップの下方において少なくとも光半導体チップの平面形状と同じ大きさの平面形状を有する光反射部材と、この光反射部材の上を覆う透明な絶縁層と、この絶縁層を覆うようにベース基板上に設けられ、前記光半導体チップの下方で光反射部材が透明な絶縁層を通して露出するように配置された一対の基板電極部とを備え、前記光半導体チップが、前記露出した光反射部材の上方で透明な絶縁層を跨いだ状態で前記一対の基板電極部に実装され、前記光半導体チップから下方に出射された光が前記一対の基板電極部の間で露出する光反射部材によって反射され、一対の基板電極部の間から上方に放射されることを特徴とする。

この発明によれば、ＬＥＤ等の光半導体チップを回路基板上に実装した場合に、前記光半導体チップの裏面側から発せられる光が基板電極間に露出する絶縁層を通って、その下の光反射部材で上方に反射される。このため、前記光半導体チップの下面から漏れる光を有効に回路基板の上方に向けて放射させることができ、光損失のない高輝度発光型の光デバイスの形成が可能となる。

前記ベース基板は、アルミナ製あるいはガラスエポキシ製の基板材料を使用して形成することができる。前記アルミナ製の材料を用いて形成した場合は、その表面に銀またはアルミニウムからなる金属膜を蒸着して光反射部材を形成し、この光反射部材の上にガラスからなる透明な絶縁層を形成した後、この絶縁層の上に基板電極部をパターン形成することによって実現することができる。また、前記ベース基板がガラスエポキシ製の基板材料を用いて形成した場合は、その表面に銀またはアルミニウムからなる金属膜を蒸着または印刷によって光反射部材を形成し、この光反射部材の上にエポキシあるいはシリコーン等の透光性を有する樹脂を充填して絶縁層を形成した後、この絶縁層の上に基板電極部をパターン形成することによって実現することができる。

前記光反射部材に銀やアルミニウムといった光反射率の高い材料を使用しているため、前記光半導体チップから発せられた光を有効に全反射させることができる。

前記光反射部材は、光半導体チップの裏面（実装面）と略同じ形状及び大きさに形成すると共に、前記光半導体チップの真下若しくは周辺に設けることで、前記光半導体チップの裏面側から発せられる光を有効に回路基板の上面に向けて反射させることができる。

また、前記光反射部材の表面に傾斜を設けるか、多数の凹凸模様を形成することによって、入射してきた光を広く上面に向けて放射または散乱させて輝度を高めることができる。

上記構成の光半導体パッケージにＬＥＤ等の光半導体チップを実装し、その上を透明な樹脂で封止することによって、高輝度の光デバイスを形成することができる。また、前記光半導体チップの周囲に反射カップを備えた構成にすることで指向性のある発光デバイスを形成することができる。さらに、光半導体チップが実装される基板電極部を光反射部材によって段差を持たせ、周囲の回路基板面より高く設定することで、前記反射カップを配設した場合における下部側からの反射損失を小さく抑えることができる。

また、前記光半導体チップを窒化ガリウムで形成することによって、青色発光させることができる。また、前記光半導体チップを封止する樹脂材に蛍光剤及び光拡散剤の少なくとも一方を含有させることで、輝度が高く且つ発光ムラのない青色発光デバイスの実現が可能である。

本発明に係る光半導体パッケージによれば、ＬＥＤ等の光半導体チップを直接ベース基板にフリップチップ接続した場合に、ベース基板内へ漏れる光量が抑えられ、逆にベース基板の表面に向けて反射される光量が増える。このため、外部量子効率の高い高輝度発光型の光デバイスの形成に適した光半導体パッケージとなる。

以下、添付図面に基づいて本発明に係る光半導体パッケージの実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る光半導体パッケージの斜視図、図２は前記光半導体パッケージのＡ−Ａ断面図である。

本発明の光半導体パッケージ１１は、図１及び図２に示すように、カソード電極とアノード電極を有する発光素子（ＬＥＤ１３）が実装される回路基板１２をベースにして構成されている。図１乃至図３に示した第一実施形態の回路基板１２は、ベース基板１４と、このベース基板１４の上に形成される光反射部材２０と、この光反射部材２０の上を覆う透明な絶縁層１８と、この絶縁層１８の上にパターン形成される基板電極部１６とで形成されている。前記ベース基板１４にはアルミナ部材が用いられ、厚みが約０．５ｍｍの薄板状に形成されている。前記光反射部材２０は、実装されるＬＥＤ１３と略同じ大きさに形成されたアルミニウムあるいは金による金属膜であり、前記ＬＥＤ１３が実装される真下に形成される。前記光反射部材２０は、ベース基板１４の表面に銀を蒸着して形成されるか、ベース基板１４の表面にペースト状の金を所定の形状及び大きさにスクリーン印刷後に所定時間焼成し、さらに金メッキを施して形成される。この光反射部材２０の上を覆う絶縁層１８は、透光性を有するガラス部材をペースト状に焼成して形成される。

前記基板電極部は、ベース基板１４の表面を二分するカソード電極１６ａとアノード電極１６ｂとで構成され、これらカソード電極１６ａとアノード電極１６ｂとが向かい合う中央部には、ＬＥＤ１３がバンプ１７を介して接続される突起部２１ａ，２１ｂが形成されている。したがって、光反射部材２０は、前記ＬＥＤ１３のチップ電極部１５が載置される突起部２１ａ，２１ｂの輪郭に沿ってその表面が現れる。なお、ベース基板１４の裏面に設けられ、前記カソード電極１６ａ及びアノード電極１６ｂと導通する電極は、図示しないマザーボード等の装置基板に実装する接続電極部２２ａ，２２ｂである。

前記カソード電極１６ａ及びアノード電極１６ｂ、接続電極部２２ａ，２２ｂは、ベース基板１４及び絶縁層１８の上に銀ペーストを印刷した後、焼成して形成される。

前記光反射部材２０は、図３に示したような四角形状に限定されず、実装するＬＥＤ１３に備わるチップ電極部の位置やＬＥＤ１３の形状やサイズに応じて形成されるが、前記ＬＥＤ１３の裏面に接するカソード電極１６ａ及びアノード電極１６ｂ間の隙間１９をカバーするように形成することによって、実装したＬＥＤ１３の下面から発せられる光を効率よく上方に反射させることができる。

本実施形態の回路基板１２に実装されるＬＥＤ１３は、下面に一対のチップ電極部１５（カソード電極，アノード電極）を有し、それぞれにハンダあるいは金（Ａｕ）によるバンプ１７が形成されている。そして、このバンプ１７を前記カソード電極１６ａ及びアノード電極１６ｂ上に載置した後、前記バンプがハンダの場合はリフロー処理で、Ａｕの場合は超音波接合によって導通接続が図られる。

図４乃至図６は、第２実施形態の回路基板３２を示したものである。この回路基板３２は、ガラスエポキシ材で形成されたベース基板３４と、このベース基板３４の上面に設けられる光反射部材２０と、この光反射部材２０上に充填形成される透明絶縁層３８と、この透明絶縁層３８の上にパターン形成される基板電極部とで構成されている。前記光反射部材２０は、実装されるＬＥＤ１３と略同じ大きさで、前記ベース基板上に銀またはアルミニウムの金属膜を蒸着するか、銅箔膜の上に銀メッキを施して形成される。前記透明絶縁層３８は、エポキシ樹脂あるいはシリコーン等の透光性を有する樹脂材が使用される。基板電極部は、ＬＥＤ１３のカソード及びアノードからなるチップ電極部がバンプを介して載置される突起部３１ａ，３１ｂを有するカソード電極３６ａ，アノード電極３６ｂで構成され、前記透明絶縁層３８の上面からベース基板３４の側面及び裏面側に回り込んで形成される。

図７及び図８は、基板電極部間の隙間を最大限に利用して反射効率を高めた第３実施形態の回路基板の構造を示したものである。この実施形態の回路基板４２は、図７に示されるように、ガラスエポキシ製のベース基板４４の上に、銀またはアルミニウムからなる光反射部材５０を蒸着して形成し、その上を透明絶縁層４８で覆った後、カソード電極４６ａ，アノード電極４６ｂを形成したものである。前記光反射部材５０は、ＬＥＤ１３が実装される真下を中心として、前記カソード電極４６ａ，アノード電極４６ｂ間の隙間を埋めるように長方形に形成される。また、この光反射部材５０は、図８に示されるように、ＬＥＤ１３が載置される真下を頂点とした第１の傾斜面５０ａと両端部で再び***する第２の傾斜面５０ｂを有する山型状の反射面を備えた構造になっている。このような反射面を備えることで、ＬＥＤ１３の真下から漏れる光が第１の傾斜面５０ａに沿って光反射部材５０の両端部方向に反射しながら伝播し、第２の傾斜面５０ｂによって上方に向けて反射させることができる。このため、前記カソード電極４６ａ，アノード電極４６ｂ間の絶縁のために必要な隙間４９全体を有効に反射面として利用することが可能となる。

図９及び図１０は、光の散乱効果を利用して輝度を高めた第４実施形態の回路基板の構造を示したものである。この回路基板５２は、図９に示されるように、ガラスエポキシ製のベース基板５４の上に、銀またはアルミニウムからなる光反射部材６０を蒸着して形成し、その上を透明絶縁層５８で覆った後、カソード電極５６ａ，アノード電極５６ｂを形成したものである。前記光反射部材６０は、ＬＥＤ１３が実装される真下を中心として、前記カソード電極５６ａ，アノード電極５６ｂ間の隙間を埋めるように長方形に形成される。また、この光反射部材６０は、図１０に示されるように、上面が凹凸状の粗面になっている。このような粗面に加工することで、ＬＥＤ１３の下から漏れた光を散乱させながら上方に向けて反射することができ、全体的な輝度アップが図られる。

図１１は、上記第１実施形態の回路基板１２にＬＥＤ１３をフリップチップ実装し、その上に透光性を有する樹脂封止体６３を形成した一般的な発光ダイオード６１を示したものである。また、図１２に示す発光ダイオード７１は、上記回路基板１２上にＬＥＤ１３と、このＬＥＤ１３の周囲を取り囲むように配設され、前記ＬＥＤ１３から出射した光の指向性をコントロールする反射カップ７２と、この反射カップ７２の裏面側に配置されて、反射カップ７２を支持するための枠体７３とを備えたものである。前記ＬＥＤ１３の周囲を取り囲むように配設される反射カップ７２は、カップ形状に保持されたフィルム体７４と、このフィルム体７４の表面に成膜された金属膜とを備えて構成されている。前記ＬＥＤ１３を被覆するための樹脂封止体７５は、反射カップ７２内において、ＬＥＤ１３の上部だけを被覆している。この樹脂封止体７５は凸レンズ形状に形成されている。そのため、ＬＥＤ１３から出射した光は、反射カップ７２による指向と同一方向で集光されるので、より狭指向性の強い反射光が得られることになる。このような構成の発光ダイオード７１にあっては、ＬＥＤ１３から出射した光は、反射カップ７２によって上方への指向性が付与されるが、反射カップ７２の表面での光の散乱を抑えることができるので、予め設定した指向性のコントロールが容易となる。また、前記ＬＥＤ１３の実装部を光反射部材２０によって段差を持たせて形成することで、前記反射カップ７２を配設した場合において、反射カップ７２の下面からの反射損失を抑えることができる。このため、反射効率をより高めることができる。さらに、前記樹脂封止体６３，７５に蛍光剤や光拡散剤を含有させることによって、ムラのない高輝度の発光を得ることができる。

上記構成からなる発光ダイオード６１，７１にあっては、実装したＬＥＤ１３の上面及び側面から出射される光はそのまま樹脂封止体６３，７５内を直進して外部に放射され、ＬＥＤ１３の下面から出射される光はカソード電極１６ａ，アノード電極１６ｂに反射されるか、ＬＥＤ１３の真下にある絶縁層１８の露出面から見える光反射部材２０の表面に当たってＬＥＤ１３の裏面に向けて反射させることができる。その結果、従来のように、ＬＥＤ１３から出射した光のうち、ベース基板１４面で吸収される光の損失を抑えることができるので、全体的な発光輝度の向上効果が図られる。

上記発光ダイオード６１，７１を青色発光させる場合は、実装するＬＥＤ１３に窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体素子を採用することで可能となる。また、前記ＬＥＤ１３を封止する樹脂材に蛍光剤や光拡散剤を混入することで、ムラのない高輝度の青色発光を得ることが可能となる。

次に、従来の光反射部材を有しない回路基板と本発明の光反射部材を設けた回路基板を用いて構成された青色発光ダイオードの光学特性を比較した実験結果を表１及び図１３に示す。表１に示されるように、光反射部材を配設した場合は、正面光度で約７％、全光束では約９％の改善効果が確認できた。また、図１３に示されるように、従来のアルミナ単体で形成された回路基板では、ＬＥＤから出射される波長が大きくなるにしたがって光透過率も高くなるが、光反射部材付のアルミナ板では、波長の変化に関わらず０〜１％の低い値で一定である。一方、正反射率に関しては、従来のアルミナ単体が０〜５％と低い値であるのに反し、光反射部材付のアルミナ板では、平均して約３０％アップすることが確認できた。

本発明の第１実施形態における光半導体パッケージの斜視図である。上記第１実施形態の光半導体パッケージをＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。上記第１実施形態の光半導体パッケージの平面図である。本発明の第２実施形態における光半導体パッケージの斜視図である。上記第２実施形態の光半導体パッケージをＢ−Ｂ線で切断したときの断面図である。上記第２実施形態の光半導体パッケージの平面図である。本発明の第３実施形態における光半導体パッケージの斜視図である。上記第３実施形態の光半導体パッケージをＣ−Ｃ線で切断したときの断面図である。本発明の第４実施形態における光半導体パッケージの斜視図である。上記第４実施形態の光半導体パッケージをＤ−Ｄ線で切断したときの断面図である。上記第１実施形態の光半導体パッケージを用いて形成された発光ダイオードの一実施形態を示す断面図である。上記第１実施形態の光半導体パッケージを用いて形成された反射カップ付発光ダイオードの一実施形態を示す断面図である。従来と本案の光半導体パッケージによる光透過率及び光反射率を示すグラフである。従来の光半導体パッケージの断面図である。

符号の説明

１２回路基板（光半導体パッケージ）
１３ＬＥＤ（光半導体チップ）
１４ベース基板
１５チップ電極部
１６ａカソード電極
１６ｂアノード電極
１７バンプ
１８絶縁層
２０光反射部材

Claims

回路基板と、この回路基板上にフリップチップ実装される光半導体チップとを備えた光半導体パッケージにおいて、
前記回路基板は、ベース基板と、このベース基板の表面に段差を持たせて設けられ、実装される前記光半導体チップの下方において少なくとも光半導体チップの平面形状と同じ大きさの平面形状を有する光反射部材と、この光反射部材の上を覆う透明な絶縁層と、この絶縁層を覆うようにベース基板上に設けられ、前記光半導体チップの下方で光反射部材が透明な絶縁層を通して露出するように配置された一対の基板電極部とを備え、
前記光半導体チップが、前記露出した光反射部材の上方で透明な絶縁層を跨いだ状態で前記一対の基板電極部に実装され、前記光半導体チップから下方に出射された光が前記一対の基板電極部の間で露出する光反射部材によって反射され、一対の基板電極部の間から上方に放射されることを特徴とする光半導体パッケージ。
前記回路基板は、アルミナ製のベース基板と、このベース基板の上に銀又はアルミニウムからなる金属膜が蒸着若しくは印刷される光反射部材と、この光反射部材の上にガラスからなる透明な絶縁層と、この透明な絶縁層の上にパターン形成される基板電極部とを備えた請求項１記載の光半導体パッケージ。
前記回路基板は、ガラスエポキシ製のベース基板と、このベース基板の上に銀又はアルミニウムからなる金属膜が蒸着または印刷される光反射部材と、この光反射部材を封止するエポキシ樹脂またはシリコーンからなる透明な絶縁層と、この透明な絶縁層の上にパターン形成される基板電極部とを備えた請求項１記載の光半導体パッケージ。
前記光反射部材は、ベース基板の略中央部で光半導体チップの平面形状と略同じ大きさの平面形状を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
前記光反射部材の表面を中心部から外周部に向けて傾斜形成させた請求項１乃至４のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
前記光反射部材の表面に凹凸を設けた請求項１乃至５のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
前記回路基板上に光半導体チップをフリップチップ実装し、その上を透明な樹脂材で封止することによって発光デバイスが形成される請求項１乃至３のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
前記回路基板上に光半導体チップを取り囲む反射カップを備えた発光デバイスが形成される請求項１乃至３のいずれかに記載の光半導体パッケージ。