JP4863193B2

JP4863193B2 - 半導体発光装置

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Publication number: JP4863193B2
Application number: JP2005251614A
Authority: JP
Inventors: 晴志渡辺
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: KR101252676B1; CN1925179A; KR20070026011A; JP2007067190A; CN1925179B

Description

本発明は半導体発光装置に関するものであり、詳しくは、基板に設けられた凹部の内部に半導体発光素子を実装し、該半導体発光素子を樹脂封止した半導体発光装置に関する。

半導体発光装置については、例えば図７及び図８に示すような構造のものがある。図７は平面図、図８は図７のＡ−Ａ断面図である。それは、絶縁体５０の表面側の対向する両端部に一対の回路パターン５１ａ、５１ｂが形成され、各回路パターン５１ａ、５１ｂは縁部から側面側を経て裏面側に回り込んだ状態に形成されている。また、絶縁体５０の表面側の略中央部には凹部５２が設けられ、凹部５２の内底面５３全面及び全内周面５４には回路パターンが形成されて絶縁体５０の表面側に形成された一対の回路パターン５１ａ、５１ｂの一方の回路パターン５１ａに接続され、他方の回路パターン５１ｂは絶縁体５０の略中央部に向かって延びている。

そして、凹部５２の内底面５３には導電性接着剤５５を介して半導体発光素子５６が載置され、該半導体発光素子５６の下側電極と凹部５２の内底面５３に形成された回路パターン５１ａとが接続されて電気的導通が図られている。半導体発光素子５６の上側電極はボンディングワイヤ５７を介して基板の略中央部に向かって延びた回路パターン５１ｂに接続され、電気的導通が図られている。

更に、半導体発光素子５６及びボンディングワイヤ５７が透光性樹脂５８によって覆われるように樹脂封止され、半導体発光素子５６を水分、塵埃及びガス等の外部環境から保護し、且つボンディングワイヤ５７を振動及び衝撃等の機械的応力から保護するようにしたものである（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２０２２７１号公報

ところで、上記表面実装型の半導体発光装置は他の表面実装型の回路部品と混在させて使用される場合が多く、電子機器の部品実装基板には半田リフローによる表面実装が一般的に行なわれる。その場合、表面実装型の半導体発光装置は一般的に極めて小型であるために半導体発光装置全体が半田リフローによる加熱温度とほぼ同じ温度まで上昇する。

そのとき、半導体発光素子及びボンディングワイヤを封止した透光性樹脂と凹部の内底面に形成された回路パターンとの熱膨張係数の差等に起因する応力によって両者の接触界面で剥離が生じる。すると、剥離した透光性樹脂によって導電性接着剤及び半導体発光素子を回路パターンの上方に持ち上げる力が働き、導電性接着剤が回路パターンから剥離して光学的特性劣化及び電気的特性不良を生じる可能性がある。

また、部品実装基板に半導体発光装置を実装した後においても、半導体発光装置の点滅の繰り返しによる温度変化によって透光性樹脂が膨張収縮を繰り返し、そのときの樹脂応力も上記同様の作用をおよぼして光学的特性劣化及び電気的特性不良を生じる可能性がある。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、高温の実装環境下及び温度変化の大きい使用環境下における封止樹脂の熱応力の影響を低減し、回路パターンと該回路パターンと半導体発光素子とを電気的に接続する導電性接着剤との界面剥離を抑制することによって光学的特性劣化および電気的特性不良を生じない信頼性の高い半導体発光装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、少なくとも１個の半導体発光素子と、前記半導体発光素子を実装する凹部の内底部を形成する半導体発光素子実装基板と、前記凹部の内周部を構成する第一の貫通孔を有する絶縁基板と、前記凹部の内周部を構成する第二の貫通孔を有し、前記第一の貫通孔と前記第二の貫通孔の夫々の中心を結ぶ線が前記半導体発光素子実装基板に略垂直になるように前記半導体発光素子基板と前記絶縁基板との間に配置して前記両基板を貼り合わせる接着シートと、前記第一の貫通孔及び前記第二の貫通孔によって構成された前記凹部の内周部の一部を覆う金属反射面と、前記凹部の内底部に形成され、前記半導体発光素子を実装する金属パターンと、前記凹部内に実装された前記半導体発光素子を封止する封止樹脂部と、を有する半導体発光装置であって、前記第一の貫通孔及び第二の貫通孔は、第二の貫通孔から第一の貫通孔の開口に向かって夫々の中心を結ぶ線に対して略同一角度で外側に傾斜した面で形成されていると共に連続する面で形成され、少なくとも前記第二の貫通孔の内周面の一部は、封止樹脂部に露出していると共に、前記半導体発光素子を中心として対称に２個づつ設けられていることを特徴とするものである。

本発明の半導体発光装置は、半導体発光装置を構成するベース基板に、少なくとも一方の基板を絶縁基板とする２枚の基板を接着シートを介して貼り合わせたものを採用し、絶縁基板及び接着シートを貫通する凹部を設けて凹部の内底部及び内周部に金属パターンを形成した。そして、凹部の内周面を形成する金属パターンの一部を除去して接着シートの一部、あるいは接着シート及び絶縁基板の夫々の一部を凹部内に露出させ、凹部内に実装された半導体発光素子を封止する封止樹脂と凹部内に露出させた接着シートの一部、あるいは接着シート及び絶縁基板の夫々の一部とが密着して界面を形成するようにした。

その結果、封止樹脂と金属パターンとの接触界面よりも、封止樹脂と露出した接着シートの一部、あるいは接着シート及び絶縁基板の夫々の一部との接触界面の方が密着力が強く、高温の実装環境下及び温度変化の大きい使用環境下において封止樹脂の熱応力の影響を受けたとしても、凹部の内底面に形成された金属パターンと、該金属パターンに半導体発光素子を固定する接着剤あるいは導電性接着剤との界面剥離を抑制することができる。

よって、凹部の内底面に形成された金属パターンと、該金属パターンに半導体発光素子を固定する接着剤あるいは導電性接着剤との界面剥離を抑制することによって光学的特性劣化および電気的特性不良を生じない信頼性の高い半導体発光装置を実現することができる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図６を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明の半導体発光装置に係わる実施形態を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。

２枚の絶縁基板１ａ、１ｂを接着シート２を挟んで貼り合わせることによってベース基板３が形成されている。接着シート２には中央部に略円形状の貫通孔４ａが設けられており、接着シートと接する一方の絶縁基板１ａにも略円形状の貫通孔４ｂが設けられている。接着シート２の貫通孔４ａと絶縁基板１ａの貫通孔４ｂとは夫々の中心が絶縁基板１ａに垂直な略同一直線上に位置している。つまり、ベース基板３の中央部には、接着シート２と接し、貫通孔を有しない絶縁基板１ｂを内底部５とし、接着シート２の貫通孔４ａ及び絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの夫々の内周面６ａ、６ｂを内周部とし、絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの一方を開口７とする凹部８が形成されている。

この場合、接着シート２の貫通孔４ａ及び絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの夫々の内周面６ａ、６ｂは、接着シート２の貫通孔４ａから絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの開口７に向かって貫通孔４ａ及び貫通孔４ｂの中心軸Ｘに対して略同一角度で外側に傾斜した面で構成されていると共に、両内周面６ａ、６ｂは連続する面を形成している。

上記構成のベース基板３には、表面側の対向する両縁部に一対の金属パターン９ａ、９ｂが形成されており、夫々の金属パターン９ａ、９ｂはベース基板３の縁部から側面側を経て裏面側に回り込んだ状態に形成されている。更に、ベース基板３の両縁部に形成された金属パターン９ａ、９ｂは夫々互いに対向するように内側に向かって延びており、そのうちの一方の金属パターン９ａはベース基板３に形成された凹部８の内周部１０を経て内底部５まで延びており、凹部８の内周面１１及び内底面１２を形成している。また、他方の金属パターン９ｂは凹部８の手前まで伸びている。

そして、凹部８の内底面１２を形成する金属パターン９ａ上に導電性接着剤１３を介して半導体発光素子１４が載置され、半導体発光素子１４の下側電極と金属パターン９ａとの電気的導通が図られている。一方、半導体発光素子１４の上側電極はボンディングワイヤ１５を介して金属パターン９ｂに接続され、半導体発光素子１４の上側電極と金属パターン９ｂとの電気的導通が図られている。

更に、半導体発光素子１４及びボンディングワイヤ１５が透光性樹脂１６によって覆われるように封止されている。透光性樹脂１６は半導体発光素子１４を水分、塵埃及びガス等の外部環境から保護し、且つボンディングワイヤ１５を振動及び衝撃等の機械的応力から保護する。また、透光性樹脂１６は半導体発光素子１４の光出射面とで界面を形成しており、半導体発光素子１４の発光光を半導体発光素子１４の光出射面から透光性樹脂１６内に効率良く出射させる機能も有している。

ところで、凹部８の内周部１０には該内周部１０を覆うようにベース基板３の縁部から延びる金属パターン９ａが内周面１１を形成しているが、内周部１１全面ではなく、絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの内周面６ｂ及び接着シート２の貫通孔４ａの内周面６ａの夫々に金属パターン９ａが形成されない部分が設けられている。具体的な方法としては、凹部８内周部１０の全面に金属パター９ａンを形成した後に、エッチングによって部分的に金属パターン９ａを取り除くものである。

この場合、接着シート２の貫通孔４ａの内周面６ａにおいて、金属パターン９ａが取り除かれた部分は、前記内周面６ａの上端部から下端部に至るまでではなく、上端部から下端部に至る途中までである。つまり、内周面６ａの下方は金属パターン９ａが取り除かれないで残っている。

上記のような、内底面及び内周面を有する凹部内に充填された透光性樹脂は、内底面及び内周面の一部を構成する金属パターン、及び、内周面の金属パターンが除去されて露出した接着シート２の貫通孔４ａ及び絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの夫々の内周面６ａ、６ｂと密着して界面を形成することになる。

このとき、透光性樹脂に対する密着力は金属パターンよりも露出した接着シート及び絶縁基板の方が強力である。従って、高温の実装環境下及び実使用状態に於いて透光性樹脂による熱応力が加わったとしても、半導体発光素子が実装された凹部の内周部全面が金属パターンで覆われた場合よりも接着シート及び絶縁基板が露出している場合の方が、剥離を抑制する作用が極めて強く働く。

その結果、透光性樹脂によって導電性接着剤及び半導体発光素子を凹部内底面の金属パターン上方に持ち上げる力が加わることがなく、凹部内底面の金属パターン上に塗布された導電性接着剤の金属パターンからの剥離が抑制され、実装時及び長期間の使用に対して光学的特性劣化及び電気的特性不良を生じない信頼性の高い半導体発光装置を実現することができる。

なお、凹部内周面の金属パターン９ａが取り除かれて接着シート２の貫通孔４ａの内周面６ａ及び絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの内周面６ｂが露出する部分は、少なくとも１箇所に任意の形状で設けられることが望ましいが、更に望ましくは凹部の中央部に位置する半導体発光素子を挟んで対称な位置に略同一形状で２箇所設けられ、その配置要領で２箇所以上設けられることである。それは、透光性樹脂と露出部との密着分布が偏らないようにすることによって、より確実な剥離抑制を図ることができるためである。本実施形態では半導体発光素子を挟んだ４箇所に露出部を設けている。

本実施形態においては、接着シート２の貫通孔４ａ及び絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの夫々の内周面６ａ、６ｂによって形成される凹部内周部は、接着シート２の貫通孔４ａから絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの開口７に向かって貫通孔４ａ及び貫通孔４ｂの中心軸Ｘに対して略同一角度で外側に傾斜した面で構成されていると共に、両内周面６ａ、６ｂは連続する面を形成している。

それにより、半導体発光素子から略横方向に出射された光を凹部内周面の金属パターンで反射させて上方に向け、できるだけ多くの光を外部に放出させるような光学的効果と、露出した接着シート及び絶縁基板と透光性樹脂との密着力により剥離を抑制する機械的効果の両方の効果を発揮する。

従って、除去された後に残る金属パターンの面積、露出部の形状、面積、配置数等は半導体発光装置に求められる上記光学的、機械的特性を考慮して決定される。

ここまでは、凹部内に実装される半導体発光素子が、該半導体発光素子を駆動するための電極が半導体発光素子の上側と下側の両面に配置された構造のものを対象に説明してきたが、半導体発光素子には電極が一方の側のみに配置されたものがある。但し、電極と対向する面側にも接合・固定用の金属膜が形成されていることが一般的である。

この様な構造の半導体発光素子を実装した半導体発光装置は図３及び図４に示すような構成となる。図３は斜視図、図４は図３のＡ−Ａ断面図である。

本構成の半導体発光装置は、ベース基板に形成される金属パターンの構成が異なる以外は、上記図１及び図２の半導体発光装置と同様である。

上記図１及び図２との金属パターン構成の具体的な違いは以下のようなものである。それは、ベース基板３の表面側の対向する両縁部に形成された一対の金属パターン９ａ、９ｂの夫々は内側に向かって延び、凹部８の手前で止まっている。また、凹部８の内周面１１及び内底面１２を形成する金属パターン９ｃは一体化されている。つまり、金属パターンはベース基板３の縁部から内側に延びた夫々の金属パターン９ａ，９ｂ及び凹部８の内周面１１及び内底面１２を一体に形成する金属パターン９ｃの夫々分離・独立した３箇所の金属パターンから成っている。

そして、分離・独立して形成された凹部８内底面１２の金属パターン９ｃ上に接着剤１７を介して半導体発光素子１４が載置され、半導体発光素子１４の上面に配置された２つの電極が、夫々ボンディングワイヤ１５を介して分離・独立して内側に延びた２つの金属パターン９ａ、９ｂに接続されている。

また、絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの内周面６ｂ及び接着シート２の貫通孔４ａの内周面６ａの夫々に金属パターン９ａをエッチングによって取り除いた部分があり、特に接着シート２の貫通孔４ａの内周面６ａにおいて、金属パターン９ａが取り除かれた部分は、前記内周面６ａの上端部から下端部に至るまでである。つまり、内周面６ａの上端部から下端部まで金属パターン９ａが取り除かれている。

また、上記実施形態における凹部８が、該凹部８の内周部１０が接着シート２の貫通孔４ａから絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの開口７に向かって貫通孔４ａ及び貫通孔４ｂの中心軸Ｘに対して略同一角度で外側に傾斜した面で構成されていたが、これに限られるものではなく、例えば、内周面が貫通孔の中心軸Ｘに対して平行な面で構成されてもよい。

この場合も、凹部８内周面１１の金属パターン９ｃが取り除かれて接着シート２の貫通孔４ａの内周面６ａ及び絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの内周面６ｂが露出する部分は、少なくとも１箇所以上任意の形状で設けられることが望ましく、更に望ましくは凹部８の中央部に位置する半導体発光素子１４を挟んで対称な位置に略同一形状で２箇所設けられた配置方法で１箇所位以上設けられることである、ということは言うまでもない。

以上は、凹部８の内周部１０を形成する接着シート２の貫通孔４ａの内周面６ａ及び絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの内周面６ｂの夫々の一部を金属パターンから露出するようにしているが、接着シート２の貫通孔４ａの内周面６ａのみの一部を金属パターンから露出させ、絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの内周面６ｂは全面金属パターンで覆うことも可能である。その場合、透光性樹脂と接着シート２の貫通孔４ａの内周面６ａの露出部との界面で密着力が確保されて剥離を抑制する機械的効果を発揮すると共に、絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの内周面６ｂ全面を覆う金属反射面によって半導体発光素子から略横方向に出射された光を有効に外部に放出させるような光学的効果も同時に齎すものである。

また、図５に示すように、接着シート２を凹部８内に突出させることも可能である。この場合、凹部８内に充填される透光性樹脂１６と接着シート２との接触面積が増大することになって両部材間の密着力が増し、凹部８内底面１２を形成する金属パターン９ｃと、該金属パターン９ｃに半導体発光素子１４を固定する導電性接着剤１３との剥離を抑制する作用が極めて強く働くことになる。この場合も上記同様、絶縁基板１ａの貫通孔４ｂの内周面６ｂを全面金属パターンで覆って反射面とすることも可能である。

なお、半導体発光素子を実装する方の基板（凹部の内底部を構成する基板）を絶縁基板に替えて金属基板にすることもできる。その場合、少なくとも金属パターンが形成される部分には、金属基板と金属パターンとの間に絶縁層を設ける必要がある。基板を金属基板とすることによって半導体発光素子からの熱の放熱が良好になり、半導体発光素子の熱による発光効率低下を抑制して明るさを確保し、且つ熱による封止樹脂の応力を抑制して剥離を阻止することができる。

図６は他の実施形態を示す断面図である。絶縁基板１と分離・独立した金属板１８ａ、１８ｂとを接着シート２を挟んで貼り合わせることによってベース基板３が形成されている。接着シート２及び絶縁基板１には夫々中央部に略円形状の貫通孔４ａ、４ｂが設けられている。接着シート２の貫通孔４ａと絶縁基板１の貫通孔４ｂとは夫々の中心が金属板１８ａに垂直な略同一直線上に位置している。つまり、ベース基板３の中央部には、接着シート２と接し、貫通孔を有しない金属板１８ａを内底部とし、接着シート２の貫通孔４ａ及び絶縁基板１の貫通孔４ｂの夫々の内周面６ａ、６ｂを内周部とし、絶縁基板１の貫通孔４ｂの一方を開口７とする凹部８が形成されている。

上記構成のベース基板３には、表面側の対向する両縁部に一対の金属パターン９ａ、９ｂが形成されており、そのうちの一方の金属パターン９ｂは絶縁基板１及び接着シート２の夫々の縁部から側面側を経て金属板１８ｂに接続され、他方の金属パターン９ａはその一方の端部が絶縁基板１の内周面６ｂの一部まで延びており、他方の端部が絶縁基板１及び接着シート２の夫々の縁部から側面側を経て金属板１８ａに接続されている。

そして、凹部８の内底面１２を形成する金属板１８ａ上に導電性接着剤１３を介して半導体発光素子１４が載置され、半導体発光素子１４の下側電極と金属板１８ａとの電気的導通が図られている。一方、半導体発光素子１４の上側電極はボンディングワイヤ１５を介して金属パターン９ｂに接続され、半導体発光素子１４の上側電極と金属パターン９ｂとの電気的導通が図られている。

更に、半導体発光素子１４及びボンディングワイヤ１５が透光性樹脂１６によって覆われるように樹脂封止されている。

本実施形態においても、凹部８内に露出した絶縁基板１及び接着シート２と透光性樹脂１６とが密着して界面を形成することになり、界面を形成する両部材間の強力な密着力によって高温の実装環境下及び実使用状態に於いて透光性樹脂１６による熱応力が加わったとしても、剥離を抑制する作用が極めて強く働くことになる。

その結果、透光性樹脂１６によって導電性接着剤１３及び半導体発光素子１４を凹部８内底面１２の金属板１８ａ上方に持ち上げる力が加わることがなく、凹部８内底面１２の金属板１８ａに塗布された導電性接着剤１３の金属板１８ａからの剥離が抑制され、実装時及び長期間の使用に対して光学的特性劣化及び電気的特性不良を生じない信頼性の高い半導体発光装置を実現することができる。

また、半導体発光素子１４の下方に金属板１８ａを設けたことにより、半導体発光装置を実装したときの放熱性が向上し、半導体発光素子１４の発光効率の向上及び長寿命化が期待できる。

ところで上記いずれの実施形態においても、接着シートは、樹脂製接着剤をシート状にしたものでもよいし、絶縁体を樹脂製接着剤で被覆したものでもよい。樹脂製接着剤は半導体発光素子の封止樹脂と同種の材質のものが望ましく、例えば、封止樹脂がエポキシ樹脂の場合はエポキシ樹脂系接着剤を使用することが適当である。また、半導体発光素子は、紫外線〜可視光〜赤外線の領域の光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）素子から所望する波長の光を発するＬＥＤ素子を適宜選択して使用する。

更に、封止樹脂は上記したエポキシ樹脂の他、シリコーン樹脂が使用可能である。更に封止樹脂に拡散剤を混入させて外部に放出させる光を拡散光とするもの、波長変換部材である蛍光体を混入させて半導体発光素子から出射される光とは異なる色調の光を放出させるもの、前記拡散剤と蛍光体の両方を混入させて両方の効果を同時に持たせるもの等が可能である。

本発明の半導体発光装置に係わる実施形態を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の半導体発光装置に係わる他の実施形態を示す斜視図である。図３のＡ−Ａ断面図である。本発明の半導体発光装置に係わる他の実施形態を示す部分断面図である。本発明の半導体発光装置に係わる他の実施形態を示す断面図である。従来の半導体発光装置を示す平面図である。図７のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ絶縁基板
２接着シート
３ベース基板
４ａ、４ｂ貫通孔
５内底部
６ａ、６ｂ内周面
７開口
８凹部
９ａ、９ｂ、９ｃ金属パターン
１０内周部
１１内周面
１２内底面
１３導電性接着剤
１４半導体発光素子
１５ボンディングワイヤ
１６透光性樹脂
１７接着剤
１８ａ、１８ｂ金属板

Claims

少なくとも１個の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を実装する凹部の内底部を形成する半導体発光素子実装基板と、
前記凹部の内周部を構成する第一の貫通孔を有する絶縁基板と、
前記凹部の内周部を構成する第二の貫通孔を有し、前記第一の貫通孔と前記第二の貫通孔の夫々の中心を結ぶ線が前記半導体発光素子実装基板に略垂直になるように前記半導体発光素子基板と前記絶縁基板との間に配置して前記両基板を貼り合わせる接着シートと、
前記第一の貫通孔及び前記第二の貫通孔によって構成された前記凹部の内周部の一部を覆う金属反射面と、
前記凹部の内底部に形成され、前記半導体発光素子を実装する金属パターンと、
前記凹部内に実装された前記半導体発光素子を封止する封止樹脂部と、
を有する半導体発光装置であって、
前記第一の貫通孔及び第二の貫通孔は、第二の貫通孔から第一の貫通孔の開口に向かって夫々の中心を結ぶ線に対して略同一角度で外側に傾斜した面で形成されていると共に連続する面で形成され、
少なくとも前記第二の貫通孔の内周面の一部は、封止樹脂部に露出していると共に、前記半導体発光素子を中心として対称に２個づつ設けられていることを特徴とする半導体発光装置。