JP5857355B2 - 半導体発光素子搭載用基板、及びそれを用いた半導体発光装置 - Google Patents
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Description
本発明の別の目的は、硫化せずに、高い反射率を確保することができる半導体発光装置を提供することにある。
本発明の別の目的は実施の形態及び実施例の説明から明らかになろう。
本発明半導体発光素子搭載用基板及び半導体発光装置の実施形態は、半導体発光素子を搭載する銅又は銅合金又は鉄系合金からなる基材と、基材の半導体発光素子を搭載する面の少なくとも一部に設けられたアルミニウム反射層から半導体発光素子搭載用基板を構成したものである。
図1は本発明の第1の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図で、2は基材、4は基材2の一方面の半導体発光素子を搭載する個所を含む領域に形成されたアルミニウム反射層で、これらにより半導体発光素子搭載用基板が構成されている。
アルミニウム反射層4について、硫化特性及び反射率を以下のとおり確認した。まず、表1に示すとおり、厚さを変えたアルミニウム反射層を上述の方法で作製し、波長が460nmでの初期反射率を測定した。この波長において硫酸バリウムの反射率を100%とし、反射率が90%以上を特に良好(○で示すこと)とし、90%未満を不良(×で示すこと)とした。アルミニウムが非常に薄い場合、即ち、厚さが0.01μm以下の場合は下地の金属の反射率(ここでは、銅)に影響を受け反射率が低くなった。次に、硫化特性について、各厚さのアルミニウム反射層4を形成したサンプルについて3ppmのH2S(硫化水素)を雰囲気温度40℃で、湿度80%で、96時間噴霧した(JIS H8502 めっきの耐食性試験方法に準拠した試験を行った)。耐硫化特性は初期反射率と96時間硫化後の反射率の比とした。アルミニウム反射層を設けた場合、初期反射率に対して90%未満まで低下するものはなかった。総合すると、半導体発光素子搭載用基板として、求められる特性として、初期反射率、硫化特性(すなわち、硫化されうる環境下での使用後の反射率)ともに良好であることが確認されたのは、アルミニウム反射層の厚さが0.02μm以上のものであった。
図2は本発明の第2の実施の形態を示す半導体発光装置の概略断面図で、図1に示す半導体発光素子搭載用基板を使用した半導体発光装置を示している。図において、2は基材、4は基材2の一方面に形成されたアルミニウム反射層で、これらによって半導体発光素子搭載用基板を構成する。半導体発光装置においてはこれを2組(2Aと4A、2Bと4B)略同一面に近接配置して使用される。6はアルミニウム反射層4A上に搭載された半導体発光素子、7は半導体発光素子6とアルミニウム反射層4Bとを電気的に接続するボンティングワイヤー、8は半導体発光素子6を除いて基材2A、2Bの近接している側を包囲し、半導体発光素子の周囲に基材から離れるに従って半導体発光素子から離れる傾斜面と底面に位置するアルミニウム反射層4A、4Bで形成される凹部を有する樹脂製の外囲器部分、9は外囲器部分8の凹部に充填され半導体発光素子を封止する光透過性樹脂部で、外囲器の一部を構成している。9に蛍光体材料を混ぜることができる。例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG:Yttrium Aluminum Garnet)などを混ぜることで、LEDチップを460nmのGaN系LEDを用い、擬似白色LED装置を用いることができる。
図3は本発明の第3の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図で、基材2の両面にニッケル層17、パラジウム層18、金フラッシュめっき層10を順次湿式めっき法にて形成し、基材2の一方面の金フラッシュめっき層10上の一部にアルミニウム反射層4を形成した点を特徴としている。基材2上にニッケル層17、パラジウム層18、金フラッシュめっき層10を順次形成する理由の一つは、基材2と半導体発光装置を実装するプリント配線基板とのはんだ濡れ性の確保、即ちはんだ接続性の向上を図るためである。その場合、ニッケル層17の厚さは0.4〜1.5μm、パラジウム層18の厚さは0.01〜0.2μm、金フラッシュめっき層10の厚さは0.1μm以下とすることができる。これら厚さは本発明者が効果を確認したものであるが、実装する素子によって若干の変更が可能である。アルミニウム反射層4の厚さは光反射特性の観点から0.02μm以上が好ましく、5μm程度でも可能であるが、乾式めっき法を用いた場合、平坦性の観点から2μm以下が好ましい(以下、同じ)。ここで、金フラッシュめっき層は、下地層の全面を覆うものだけではなく、下地層に対して斑状に形成されていることがある。このため、金フラッシュめっきの反射特性は、金層とその他の下地層の混合体となる。
図4は本発明の第4の実施の形態を示す半導体発光装置の概略断面図で、図3に示す半導体発光素子搭載用基板と図2の外囲器部分8及び光透過性樹脂部9を組み合わせた半導体発光装置の実施例である。図2及び図3と同じ部分は同じ符号で示している。
図5は本発明の第5の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図である。この実施の形態は図3に示す半導体発光素子搭載用基板の変形例という位置付けで、図5(a)は基材2の一方面にのみニッケル層17、パラジウム層18及び金フラッシュめっき層10を形成し、金フラッシュめっき層10上の一部にアルミニウム反射層4を形成した例を、図5(b)は基材2の一方面に形成された金フラッシュめっき層10上の一部にアルミニウム反射層4を形成し、一部分を紙面で上方に略90度折り曲げた例を、図5(c)は基材2の全面にニッケル層17、パラジウム層18及び金フラッシュめっき層10を形成し、形成された金フラッシュめっき層10の全面にアルミニウム反射層4を形成し、一部分を紙面で上方に180度折り曲げた例を、図5(d)は基材2の一方面に直接アルミニウム反射層4を形成し、基材2の他方面にニッケル層17、パラジウム層18及び金フラッシュめっき層10を形成した例を夫々示している。
図6は本発明の第6の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図である。この実施の形態は基材2の両面又は一方面にパラジウム(Pd)、金(Au)、錫(Sn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)−錫(Sn)合金、銅(Cu)−ニッケル(Ni)合金から選ばれた単層の金属層11を形成し、金属層11または基材2上にアルミニウム反射層4を形成した構成になっている。金属層11は、Ag以外の金属からなる第1金属層の一例である。
図7は本発明の第7の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図である。この実施の形態の特徴はアルミニウム反射層4の上に金めっき層12を1箇所、若しくは複数箇所を形成した点にある。図7(a)はアルミニウム反射層4の上一部分に金めっき層12を形成した例を、図7(b)は部分形成したアルミニウム反射層4の外側の金フラッシュめっき層10上に金めっき層12を形成した例を、図7(c)はアルミニウム反射層4上の全面に金めっき層12を形成した例を、図7(d)アルミニウム反射層4及びアルミニウム反射層4を形成した金フラッシュめっき層10上の全面に金めっき層12を形成した例を夫々示し、図7(e)にこの半導体発光素子搭載用基板を用いた半導体発光装置の実施の形態の一例を示す概略断面図を示している。これら実施例では基材2の全面にニッケル層17、パラジウム層18及び金フラッシュめっき層10を順次形成しているが、これに限定されることなく、上述した各実施例で述べたように、単層の金属層11を形成するもの、基材2に直接アルミニウム反射層4を形成する場合にも適用できる。
図8は本発明の第8の実施の形態として半導体発光装置の代表的な使用状態を示す概略図である。本実施の形態に係る半導体発光装置は、第1乃至第7の実施の形態に係る半導体発光素子搭載用基板1を用いて例えばプリント配線基板に実装して使用される。プリント配線基板13に実装するために、半導体発光素子搭載用基板1の外囲器部分8から外部に伸びる部分(アウターリード)を折り曲げて、外囲器部分8の下面と略同一面となる部分1a又は下面より下方に位置する部分1b、1cを形成している。この部分をプリント配線基板13の配線にはんだ14により接着する。図8(a)はアウターリードを90度折り曲げて下方に向け、それを反対方向に90度折り曲げて水平方向に向け、これによってアウターリードの伸びる方向はそのままで水平位置を外囲器部分8の下面と略同一面とした部分1aを形成した例を、図8(b)はアウターリードを外囲器部分8に沿って2回90度折り曲げることのより外囲器部分8の下面に沿って部分1bを形成した例を、図8(c)はアウターリードを図8(b)とは反対方向に外囲器部分8に沿って2回90度折り曲げることのより外囲器部分8の上面に沿って部分1cを形成した例を夫々示しているアウターリードの折り曲げ方はこれに限定されるものでなく、半導体発光装置が使用される用途毎に相応しい形状が採用される。
本実施の形態において、基材の上に第1の実施の形態と同様にアルミニウム反射層を設ける点では他の実施の形態と変わらない。ただし、アルミニウム反射層の炭素濃度は、1×1020個/cm3以下である。
図9は本発明の第10の実施の形態を示す半導体発光装置の概略断面図である。この実施の形態の特徴は半導体発光素子6がアルミニウム反射層4の上にマウントされ、半導体発光素子6とワイヤーボンディング若しくはインナーリードボンディングするための給電用端子の基材2B、2Cにはアルミニウム反射層4がないことである。
本発明に係る典型的な実施の形態である半導体発光素子搭載用基板、及び半導体発光装置の一つの主要な基本構成は、基材の半導体発光素子を搭載する面の少なくとも一部に銀層若しくは銀合金層を設けること、その銀層若しくは銀合金層の上にアルミニウム反射層を設けることにある。
図10を参照すると、同図において、全体を示す符号1は、第11の実施の形態である半導体発光素子搭載用基板を概略的に示している。この基板1は、基材2と、その基材2の両面に形成された銀層若しくは銀合金層3と、その銀層若しくは銀合金層3を介して基材2の一方面の半導体発光素子を搭載する個所を含む領域に形成されたアルミニウム反射層4とにより主に構成されている。
このアルミニウム反射層4についての比較と評価を行った。実施例21〜25、及び比較例21〜24におけるアルミニウム反射層4の厚さに対する初期反射率、及び耐硫化特性を下記の表3にまとめて示す。
この第11の実施の形態によれば、基材2の表面に銀層若しくは銀合金層3を介してアルミニウム反射層4を形成しているので、硫化せずに長期間に亘り高く、かつ、安定した反射特性を有する半導体発光素子搭載用基板、及びそれを使用した半導体発光装置が実現できる。これは、アルミニウムの反射率が紫外線領域では銀の3倍以上と高く、紫色、赤色、赤外線に対しては銀に近い反射率を有しており、金属の中では色のバランスが良く、銀に次ぐ高反射率を有しており、かつ、銀に比較して硫化が起こりにくい特性を有するからである。
図11を参照すると、図11には、第12の実施の形態である半導体発光装置が概略的に示されている。同図において、全体を示す符号5は、図10に示す半導体発光素子搭載用の基板1を使用した半導体発光装置を示している。図示例による半導体発光装置5は、図10に示す基板1を二組一対の金属リードフレームとして用いている。この一対の基板1は、基材2、銀層若しくは銀合金層3、及びアルミニウム反射層4により主に構成されており、略同一面上に近接して配置されている。
(1)アルミニウム反射層4の形成時の成膜装置により、外囲器部分8の領域以外を遮蔽する機能を設ける方法。
(2)基材2の全面にアルミニウム反射層4を成膜した後、外囲器部分8の領域をテーピング、若しくはフォトリソプロセス等によりマスキングし、その後、アルミニウムをエッチング除去する方法。
かかる構成の半導体発光装置5によれば、外囲器部分8の凹部8aの底面に位置するアルミニウム反射層4,4の存在によって、半導体発光素子6から放出された光がアルミニウム反射層4,4の反射作用で凹部8aの開口側に反射され、半導体発光素子6からの光量を増やす効果を奏する。このアルミニウム反射層4は、上述のように、良好な耐硫化特性を持つことから、高反射率を長時間に亘り維持することができる。
図12には、第13の実施の形態である半導体発光素子搭載用基板が概略的に示されている。同図において、上記第11の実施の形態と異なるところは、銀層若しくは銀合金層3上に金フラッシュめっき層10を介してアルミニウム反射層4を形成した基板1にある。図示例にあっては、基板1は、基材2の両側全面に銀層若しくは銀合金層3,3、及び金フラッシュめっき層10,10を順次湿式めっき法により形成し、基材2の一方側の金フラッシュめっき層10上の一部にアルミニウム反射層4を形成している。
この第13の実施の形態によれば、アルミニウムを反射層として用いることで良好な耐硫化特性を確保することができる。更に、0.006μm以上の厚みを有するアルミニウム反射層4を用いることで、良好な耐久性が得られ、高い反射率を維持できるという効果に加えて、以下の効果を奏する。
図13を参照すると、図13には、図12に示す基板1を使用した第14の実施の形態である半導体発光装置5が概略的に示されている。この半導体発光装置5にあっても、図11に示す第12の実施の形態における外囲器部分8、及び光透過性樹脂部9を有している。
かかる構成の半導体発光装置5によれば、外囲器部分8に形成される凹部8aの底面に位置する一対のアルミニウム反射層4,4の存在によって、図11に示した半導体発光装置5と同様に、半導体発光素子6から放出された光が一対のアルミニウム反射層4,4によって凹部8aの開口側に反射され、半導体発光装置5からの光量を増やす効果を奏する。また、アルミニウム反射層4は良好な耐硫化特性を持つことから、高反射率を長時間に亘り維持することができる。更に、基材2とアルミニウム反射層4との間に銀層若しくは銀合金層3、及び金フラッシュめっき層10からなる中間層が介在しているため、実装時のPbフリーはんだ材との濡れ性の向上が図れる。
図14には、第15の実施の形態である半導体発光素子搭載用基板が概略的に示されている。この第15の実施の形態は、図12に示す第13の実施の形態である基板1の変形例であり、上記第13の実施の形態に係る基板1と基本的な構成において変わるところはない。
この第15の実施の形態にあっても、上記第13の実施の形態と同様の効果が得られる。それに加えて、図示例による基板1を形成した後、その端部(基板接続リード、アウターリードとも呼ぶ)を所定形状に加工して使用することができる。その一例としては、例えば基板1の外囲器部分8から露出する部分(アウターリード)の下面をプリント配線基板の上面に接触するように曲げ加工して基板1と接続する際に用いることができる。即ち、基板1の中央部分はアルミニウム反射層4として用い、基板1の端部の下面はアウターリードとして金フラッシュめっき層10側の面がプリント配線基板に接続される。
図15を参照すると、図15には第16の実施の形態である半導体発光素子搭載用基板が概略的に示されている。同図において、上記各実施の形態と大きく異なるところは、基材2の両面又は一方面に、パラジウム(Pd)、金(Au)、錫(Sn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)−錫(Sn)合金、銅(Cu)−ニッケル(Ni)合金から選ばれた金属層11を形成し、この金属層11、又は基材2上に銀層若しくは銀合金層3を形成し、その銀層若しくは銀合金層3上にアルミニウム反射層4を形成した構成にある。
この第16の実施の形態にあっても、上記第11の実施の形態と同様の効果が得られる。この金属層11の構成成分であるパラジウムは、銅より酸化防止効果があり、はんだに用いられる錫と馴染む利点を有する。一方の錫は、若干酸化しやすいものの、はんだ付けしやすく廉価であるという利点がある。金属層11の構成成分であるニッケルは、銅の拡散を抑える効果や、硬さを増す利点があり、金属層11の構成成分である銅−錫合金は、銅より酸化しにくく、錫と銅と比較して錫と馴染みやすい利点がある。金属層11の構成成分である銅−ニッケル合金は、ニッケルより錫と馴染みやすい利点がある。これらの点を踏まえ、使用条件・製造条件によって、金属層11として最適な材料を選択することができる。
図16には、第17の実施の形態である半導体発光素子搭載用基板が概略的に示されている。この第17の実施の形態にあっても、上記第13及び第14の実施の形態に係る基材2、銀層若しくは銀合金層3、アルミニウム反射層4、及び金フラッシュめっき層10と基本的な構成において変わるところはない。図示例においては、この基板1の基本構成は、アルミニウム反射層4、又は金フラッシュめっき層10上に金めっき層12を1箇所、若しくは複数箇所に形成したことにある。
この第17の実施の形態にあっても、上記第11の実施の形態と同様の効果が得られる。
図17を参照すると、図17には、上記第7の実施の形態である半導体発光素子搭載用基板1のうち、図16(a)に示す基板1を用いた半導体発光装置の一例が概略的に示されている。図17に示す半導体発光装置5にあっても、一対の基板1,1は、略同一面上に近接して配置されている。金めっき層12には、半導体発光素子6と電気的に接続するボンティングワイヤー7が接合して配置されている。残余の構成は、上記各実施の形態と変わるところはない。
この第18の実施の形態にあっても、上記第11の実施の形態と同様の効果が得られる。上記第17及び第18の実施の形態における金めっき層12は、アルミニウム反射層4上に搭載する半導体発光素子6の電気的接続に利用することができる。図16(c)及び図16(d)に示す基板構成では、金めっき層12が厚くなるほど、短波長側(青色)側の反射率が低下するが、金ワイヤーの接続性が良くなる。用途に応じ、反射率を加味して金めっき層12の構造を決めるとよい。なお、ここでは、各めっき層(3、10、12)は湿式めっき法で形成したが、他の方式で形成してもよい。
図18を参照すると、図18には第19の実施の形態である半導体発光装置の代表的な使用状態が示されている。この半導体発光装置5は、上記第11乃至第18の実施の形態に係る半導体発光素子搭載用基板1を用いた半導体発光装置であり、例えばプリント配線基板13に実装して使用される。プリント配線基板13に実装するために、基板1は、外囲器部分8の側面から外部へ向けて直線状に伸びる部分(アウターリード)20をプリント配線基板13側に折曲形成した第1の折曲部21と、プリント配線基板13に対して水平に折曲形成した第2の折曲部22とを有している。この第2の折曲部22は、外囲器部分8の下面と略同一面となる部分、外囲器部分8の下面より下方、又は外囲器部分8の上面よりも上方に位置する部分を形成している。この第2の折曲部22は、はんだ14によりプリント配線基板13の配線15に接着されている。アウターリード20は、半導体発光素子搭載用基板1の一部である。
この第19の実施の形態にあっても、上記第11の実施の形態と同様の効果が得られることに加えて、このアウターリード20の折曲形態としては、図示例に限定されるものでなく、半導体発光装置5が使用される用途毎に相応しい各種の形状を採用することができる。
この第20の実施の形態においては、基材2上に銀層若しくは銀合金層3を介してアルミニウム反射層4を設けた点では、図10に示す第11の実施の形態と変わるところはない。この第20の実施の形態に係る基板1の構成は、アルミニウム反射層4の炭素濃度を1×1020個/cm3以下に設定した点で、上記第1の実施の形態とは異なっている。
以上の実施例では、1stと2ndボンディング強度の強度を分離して測定するために、シェア試験を実施してきたが、シェア試験でワイヤー接続強度を評価するのは、非常に時間と手間が掛かるため、一般的にはワイヤー接続強度を評価するには、プル試験を用いることが多い。プル試験とは、1stと2nd間のワイヤーにフックを架け、上に引っ張り上げて破断する荷重と、破断位置、形状を評価することで、接続された金線の強度以上は測定できない。我々は、今回、Dege社のボンドテスターシリーズ4000を用い、以下のプル試験を実施した。
この第20の実施の形態によれば、アルミニウム反射層4の炭素濃度を1×1020個/cm3以下に設定することで、上記第11の実施の形態の効果に加えて、ボンディング性に優れた半導体発光素子搭載用基板、及びそれを使用した半導体発光装置が得られる。
図19を参照すると、図19には、第21の実施の形態である半導体発光素子搭載用基板、及び半導体発光装置が概略的に示されている。同図において、この第21の実施の形態における基本の構成は、半導体発光素子6が独立した基材2Aにマウントされ、通電に利用される基材2B、2C上にマウントされていないことにあり、上記各実施の形態とは大きく異なっている。図示例では、半導体発光素子6とワイヤーボンディング若しくは銅などの金属箔を細線状にプレス等で加工したものを用いる所謂インナーリードと呼ばれる配線材によりボンディング配線するための給電用端子の基材2B、2C上にアルミニウム反射層4を設けていない。
本発明半導体発光素子搭載用基板及び半導体発光装置の実施形態は、半導体発光素子を搭載する銅又は銅合金又は鉄系合金からなる基材と、基材の半導体発光素子を搭載する面側の少なくとも一部に設けられたアルミニウム反射層とその下にチタンを含有する金属層を有した半導体発光素子搭載用基板を構成したものである。
図20(A)は本発明の第22(1)の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図で、2は基材、11は第1金属層の一例である金属層、4は基材2の一方面の半導体発光素子を搭載する個所を含む領域に形成されたアルミニウム反射層、19はアルミニウム反射層の接合層となるチタン層で、これらにより半導体発光素子搭載用基板が構成されている。チタン層19は、チタンを含有する金属層の一例である。基材2は金属または金属と有機材又は無機材との複合材で構成される。基材2にははんだ実装のために、ニッケル、もしくはニッケル合金の単層、もしくは、パラジウム、金などを更に被覆した複合層の構成は一般的で、本実施例では11金属層(めっき層)である。金属の材料として、これに制限されることはないが、最も汎用性の高い基材は銅または銅合金からなる金属リードフレームである。基材2として銅板を使用する場合、その厚さに制限はないが、コストを加味して厚さが選定される。また、量産化を考慮すると銅板のフープ材が好ましいが、短尺のシート材、個別材も使用できる。基材2として複合材を使用する場合、樹脂材上に銅板が張り合わされた銅張板やその積層板が使用できる。樹脂としては硬質の板状のもの、薄い可撓性を有するものが使用できる。代表的なものとして、それぞれガラスエポキシ基板(ガラス布基材樹脂板)やポリイミド樹脂系等が挙げられる。アルミニウム反射層4、チタン層19の製造方法は、減圧圧力調整機能を有する蒸着装置で、バッチ処理若しくは連続処理等により行われる。アルミニウム反射層4の厚さは反射率の観点から0.02μm以上が好ましく、平坦性の観点から2μm以下が好ましい。
図20(B)に本発明の第22(2)の実施の形態である半導体発光素子搭載用基板の概略断面図を示す。基材2として銅板を使用する場合、例えば長さ100m、幅50mm、厚さ0.2mmとし、アルミニウム反射層4の厚さを例えば0.05μm、チタン層19の厚さを0.1μmとした。製造に際し、まず、基材2として上述の寸法の銅板にニッケル−パラジウムめっき層材(ニッケル0.7μm、パラジウム0.1μm)を用意した。次に、抵抗加熱式のバレル式の電子ビーム方式真空蒸着装置を用いてチタン層19、アルミニウム反射層4を成膜した。具体的には、基材2を50mm×150mmの短尺材となるよう切断し、切断した基材16枚を半径300mmの傘状の治具上に放射状に並べ、これをバレルに3基セット配置し、アルミニウム、チタンの蒸発源としては、電子ビーム銃(出力6kW)を使用し、真空度を2×10−4Paまで排気してアルミニウム反射層4を厚さ0.05μm成膜した。真空蒸着装置は、本実施の形態では、自作機を用いたが、ロードロック方式の蒸着機等、市販の蒸着装置を使用しても問題ない。また、フープ材に蒸着できる連続式蒸着装置でもかまわない。真空蒸着装置は、膜質、生産性等を総合的に考慮し、適宜選択すればよい。更に、アルミニウム反射層4、チタン層19の形成方式は、電子ビーム蒸着方式でなくてもよい。即ち、抵抗加熱蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、クラッド法等を用いることができる。
アルミニウム反射層4について、硫化特性及び反射率を以下のとおり確認した。まず、表5の実施例33〜実施例37に示すとおり、上述したニッケル0.7μm、パラジウム0.1μmの上に、チタン層を0.05μmとなるようにメッキで形成し、厚さを変えたアルミニウム反射層を、上述の方法で作製し、波長が460nmでの初期反射率を測定した。この波長において硫酸バリウムの反射率を100%とし、反射率が90%以上98%以下を特に良好(○で示すこと)とし、90%未満を不良(×で示すこと)とした。アルミニウムが非常に薄い場合、即ち、厚さが0.01μm以下の場合は下地の金属の反射率(ここでは、パラジウム)に影響を受け反射率が低くなった。次に、硫化特性について、上記のサンプルについて3ppmのH2S(硫化水素)を雰囲気温度40℃で、湿度80%で、96時間噴霧した(JIS H8502 めっきの耐食性試験方法に準拠した試験を行った)。耐硫化特性は初期反射率と96時間硫化後の反射率の比とした。アルミニウム反射層を設けた場合、初期反射率に対して90%未満、(反射率として81%未満)まで低下するものはなかった。総合すると、半導体発光素子搭載用基板として、求められる特性として、初期反射率、硫化特性(すなわち、硫化されうる環境下での使用後の反射率)ともに良好であることが確認されたのは、アルミニウム反射層の厚さが0.02μm以上のものであった。
LED素子形成後の電流導入端子のはんだ付け実装時の歩留まり、はんだ条件を広げるためで、さらに金をフラッシュめっき(厚さ換算で0.05μm相当以下)を挿入しても良い。
図21は本発明の第23の実施の形態を示す半導体発光装置の概略断面図で、図20に示す半導体発光素子搭載用基板を使用した半導体発光装置を示している。図において、2は基材、23は基材のめっき層、4は基材2の一方面に形成されたアルミニウム反射層、19はチタン層で、これらによって半導体発光素子搭載用基板を構成する。半導体発光装置においてはこれを2組(2A、2B)略同一面に近接配置して使用される。6はアルミニウム反射層4A上に搭載された半導体発光素子、7は半導体発光素子6とアルミニウム反射層4Bとを電気的に接続するボンティングワイヤーである。8は半導体発光素子6を除いて基材2A、2Bの近接している側を包囲し、半導体発光素子の周囲に基材から離れるに従って半導体発光素子から離れる傾斜面8bと底面に位置するアルミニウム反射層4A、8で形成される凹部を有する樹脂製の外囲器部分、9は外囲器部分8の凹部に充填され半導体発光素子を封止する光透過性樹脂部で、外囲器の一部を構成している。9に蛍光体材料を混ぜることができる。例えば、YAGなどを混ぜることで、LEDチップを460nmのGaN系LEDを用い、擬似白色LED装置を用いることができる。
図22は本発明の第24の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図で、基材2の両面にニッケル層17、パラジウム層18、金フラッシュめっき層10を順次湿式めっき法にて形成し、基材2の一方面の金フラッシュめっき層10上の一部にチタン層19、アルミニウム反射層4を形成した点を特徴としている。基材2上にニッケル層17、パラジウム層18、金フラッシュめっき層10を順次形成する理由の一つは、基材2と半導体発光装置を実装するプリント配線基板とのはんだ濡れ性の確保、即ちはんだ接続性の向上を図るためである。その場合、ニッケル層17の厚さは0.4〜1.5μm、パラジウム層18の厚さは0.01〜0.2μm、金フラッシュめっき層10の厚さは0.1μm以下とすることができる。これら厚さは本発明者が効果を確認したものであるが、実装する素子によって若干の変更がある。アルミニウム反射層4の厚さは光反射特性の観点から0.02μm以上が好ましく、平坦性の観点から2μm以下が好ましい。
図23は本発明の第25の実施の形態を示す半導体発光装置の概略断面図で、図22に示す半導体発光素子搭載用基板と図21の外囲器部分8及び光透過性樹脂部9を組み合わせた半導体発光装置の実施例である。図21及び図22と同じ部分は同じ符号で示している。
図24は本発明の第26の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図である。この実施の形態は図22に示す半導体発光素子搭載用基板の変形例という位置付けで、図24(a)は基材2の一方面にのみニッケル層17、パラジウム層18及び金フラッシュめっき層10を形成し、金フラッシュめっき層10上の一部にチタン層19、アルミニウム反射層4を形成した例を、図24(b)は基材2の一方面に形成された金フラッシュめっき層10上の一部にチタン層19、アルミニウム反射層4を形成し、一部分を紙面で上方に略90度折り曲げた例を、図24(c)は基材2の全面にニッケル層17、パラジウム層18及び金フラッシュめっき層10を形成し、形成された金フラッシュめっき層10の全面にアルミニウム反射層4、チタン層19を形成し、一部分を紙面で上方に180度折り曲げた例を、図24(d)は基材2の一方面に直接アルミニウム反射層4、チタン層19を形成し、基材2の他方面にニッケル層17、パラジウム層18及び金フラッシュめっき層10を形成した例を夫々示している。
図25は本発明の第27の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図である。この実施の形態は基材2の両面又は一方面にパラジウム(Pd)、金(Au)、錫(Sn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)−錫(Sn)合金、銅(Cu)−ニッケル(Ni)合金から選ばれた単層の金属層11を形成し、金属層11または基材2上にチタン層19、アルミニウム反射層4を形成した構成になっている。(a)は基材2の両面に金属層11を形成し、一方面の金属層11上の一部にチタン層19、アルミニウム反射層4を形成した例を、(b)は基材2の一方面に金属層11を形成し、金属層11上の一部にチタン層19、アルミニウム反射層4を形成した例を、(c)は基材2の一方面に金属層11を形成し、基材2の他方面にチタン層19、アルミニウム反射層4を形成した例を夫々示している。
図26は本発明の第28の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図である。この実施の形態の特徴はチタン層19、アルミニウム反射層4の上に金めっき層12を1箇所、若しくは複数箇所を形成した点にある。図26(a)はチタン層19、アルミニウム反射層4の上一部分に金めっき層12を形成した例を、図26(b)は部分形成したチタン層19、アルミニウム反射層4の外側の金フラッシュめっき層10上に金めっき層12を形成した例を、図26(c)はチタン層19、アルミニウム反射層4上の全面に金めっき層12を形成した例を、図26(d)はチタン層19、アルミニウム反射層4を形成した金フラッシュめっき層10上の全面に金めっき層12を形成した例を夫々示し、図26(e)にこの半導体発光素子搭載用基板を用いた半導体発光装置の実施の形態の一例を示す概略断面図を示している。これら実施例では基材2の全面にニッケル層17、パラジウム層18及び金フラッシュめっき層10を順次形成しているが、これに限定されることなく、上述した各実施例で述べたように、単層の金属層11を形成するもの、基材2に直接チタン層19、アルミニウム反射層4を形成する場合にも適用できる。
図27は本発明の第29の実施の形態として半導体発光装置の代表的な使用状態を示す概略図である。本実施の形態に係る半導体発光装置は、第22乃至第28の実施に形態に係る半導体発光素子搭載用基板1を用いて例えばプリント配線基板に実装して使用される。プリント配線基板13に実装するために、半導体発光素子搭載用基板1の外囲器部分8から外部に伸びる部分(アウターリード)を折り曲げて、外囲器部分8の下面と略同一面となる部分1a又は下面より下方に位置する部分1b、1cを形成している。この部分をプリント配線基板13の配線にはんだ14により接着する。図27(a)はアウターリードを90度折り曲げて下方に向け、それを反対方向に90度折り曲げて水平方向に向け、これによってアウターリードの伸びる方向はそのままで水平位置を外囲器部分8の下面と略同一面とした部分1aを形成した例を、図27(b)はアウターリードを外囲器部分8に沿って2回90度折り曲げることのより外囲器部分8の下面に沿って部分1bを形成した例を、図27(c)はアウターリードを図27(b)とは反対方向に外囲器部分8に沿って2回90度折り曲げることにより外囲器部分8の上面に沿って部分1cを形成した例を夫々示している。アウターリードの折り曲げ方はこれに限定されるものでなく、半導体発光装置が使用される用途毎に相応しい形状が採用される。
本実施の形態において、基材の上に第22の実施の形態と同様にアルミニウム反射層を設ける点では他の実施の形態と変わらない。ただし、アルミニウム反射層の炭素濃度は、1×1020個/cm3以下である。この半導体発光素子搭載用基板とのボンダビリティーを評価するために、金からなるボンティングワイヤーとワイヤーボンディングを行った。ここで、ワイヤーボンディングとは、リードフレーム側の電極パッドと、そのリードフレームに搭載された素子上の電極とを、電気的に接続するために、金などのワイヤーで接続することをいう。
図28は本発明の第31の実施の形態を示す半導体発光装置の概略断面図である。この実施の形態の特徴は、半導体発光素子6がアルミニウム反射層4の上にマウントされ、半導体発光素子6とワイヤーボンディング若しくはインナーリードボンディング配線するための給電用端子の基材2B、2Cにはアルミニウム反射層4がないことである。
本発明半導体発光素子搭載用基板及び半導体発光装置の実施形態は、半導体発光素子を搭載する銅又は銅合金又は鉄系合金からなる基材と、基材の半導体発光素子を搭載する面側の少なくとも一部に設けられたアルミニウム反射層と、その下に銀層若しくは銀合金層を有した半導体発光素子搭載用基板を構成したものである。
図29は、本発明の第32の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図で、2は基材、4は基材2の一方面の半導体発光素子を搭載する個所を含む領域に形成されたアルミニウム反射層、19はアルミニウム反射層4の接合層となるチタン層で、これらにより半導体発光素子搭載用基板が構成されている。
アルミニウム反射層4について、硫化特性及び反射率を以下のとおり確認した。まず、表9に示すとおり、銅基材上に銀めっきを施した材料に、アルミニウム反射層4を上述の方法で作製し、今回、ヤマト科学製オーブンDT−31型を用い、大気中で170℃3時間続けて150℃4時間熱処理を行った。熱処理後、波長が460nmでの初期反射率を測定した。この波長において硫酸バリウムの反射率を100%とし、反射率が90%以上を特に良好(○で示すこと)とし、90%未満を不良(×で示すこと)とした。
図30は、本発明の第33の実施の形態を示す半導体発光装置の概略断面図で、図29に示す半導体発光素子搭載用基板を使用した半導体発光装置を示している。図において、2は基材、3は基材2の銀層若しは銀合金層、4は基材2の一方の面に形成されたアルミニウム反射層、19はチタン層で、これらによって半導体発光素子搭載用基板1を構成する。
図31は、本発明の第34の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図である。この実施の形態は図29に示す半導体発光素子搭載用基板の変形例という位置付けで、図31(a)は基材2の一方の面にのみ銀層若しは銀合金層3を形成し、銀層若しは銀合金層3上の一部にチタン層19、アルミニウム反射層4を形成した例を、図31(b)は基材2の一方の面に形成された銀層若しは銀合金層3上の一部にチタン層19、アルミニウム反射層4を形成し、一部分を紙面で上方に略90度折り曲げた例を、図31(c)は基材2の銀層若しは銀合金層3の全面にチタン層19、アルミニウム反射層4を形成し、一部分を紙面で上方に180度折り曲げた例を、図31(d)は基材2の一方の面に直接チタン層19、アルミニウム反射層4を形成し、基材2の他方面に一例としてニッケル層17、パラジウム層18及び金フラッシュめっき層10を形成した例を夫々示している。
図32は、本発明の第35の実施の形態を示す半導体発光素子搭載用基板の概略断面図である。この実施の形態の特徴は、銀層若しくは銀合金層3、チタン層19、アルミニウム反射層4の上に金めっき層12を1箇所、若しくは複数箇所を形成した点にある。図32(a)は銀層若しくは銀合金層3、チタン層19、アルミニウム反射層4の上一部分に金めっき層12を形成した例を、図32(b)は部分形成したチタン層19、アルミニウム反射層4の外側の銀層若しくは銀合金層3上に金めっき層12を形成した例を、図32(c)はチタン層19、アルミニウム反射層4上の全面に金めっき層12を形成した例を、図32(d)はチタン層19、アルミニウム反射層4を形成した銀層若しは銀合金層3上の全面に金めっき層12を形成した例を夫々示す。
本発明の第36の実施の形態として半導体発光装置について説明する。本実施の形態の代表的な使用状態は、図27と同様である。本発明半導体発光装置は例えばプリント基板に実装して使用される。プリント基板13に実装するために、第32〜35の実施の形態に代表される半導体発光素子搭載用基板1の外囲器部分8から外部に伸びる部分(アウターリード)を折り曲げて、外囲器部分8の下面と略同一面となる部分1a又は下面より下方に位置する部分2b、2cを形成している。この部分をプリント基板13の配線にはんだ14により接着する。図27(a)はアウターリードを90度折り曲げて下方に向け、それを反対方向に90度折り曲げて水平方向に向け、これによってアウターリードの伸びる方向はそのままで水平位置を外囲器部分8の下面と略同一面とした部分1aを形成した例を、図27(b)はアウターリードを外囲器部分8に沿って2回90度折り曲げることのより外囲器部分8の下面に沿って部分1bを形成した例を、図27(c)はアウターリードを図27(b)とは反対方向に外囲器部分8に沿って2回90度折り曲げることにより外囲器部分8の上面に沿って部分1cを形成した例を夫々示している。アウターリードの折り曲げ方はこれに限定されるものでなく、半導体発光装置が使用される用途毎に相応しい形状が採用される。
本実施の形態において、第32の実施の形態と同様に、基材2の上に銀若しくは銀合金層、チタン層、アルミニウム反射層を設けた構成である。ただし、アルミニウム反射層4の炭素濃度は、1×1020個/cm3以下である。
図33は、本発明の第38の実施の形態を示す半導体発光装置の概略断面図である。この実施の形態の特徴は、半導体発光素子6がアルミニウム反射層4の上にマウントされ、半導体発光素子6とワイヤーボンディング若しくはインナーリードボンディング配線するための給電端子部の基材2B、2Cにはアルミニウム反射層4がないことである。
Claims (10)
- 金属部分からなる基材と、
前記基材の半導体発光素子が搭載される面側に設けられた厚さ0.01μm以上5μm以下の銀層若しくは銀合金層と、
前記銀層若しくは銀合金層上に設けられた厚さ0.006μm以上2μm以下のアルミニウム反射層と、
を備えた半導体発光素子搭載用基板。 - 前記基材と前記銀層若しくは銀合金層との間にAg以外の金属からなる第1金属層が設けられ、
前記第1金属層は、パラジウム、金、錫、ニッケル、銅−錫合金、銅−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金から選択された一種類からなり、
前記アルミニウム反射層は、前記銀層若しくは銀合金層を介して前記第1金属層の少なくとも一部に設けられた請求項1に記載の半導体発光素子搭載用基板。 - 前記銀層若しくは銀合金層と前記アルミニウム反射層との間に金フラッシュめっき層が設けられた請求項1又は2に記載の半導体発光素子搭載用基板。
- 前記銀層若しくは銀合金層と前記アルミニウム反射層との間にチタンを含有する金属層が設けられ、
前記アルミニウム反射層は、0.02μm以上2μm以下の厚さを有する請求項1に記載の半導体発光素子搭載用基板。 - 最表面に金めっき層を設けたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子搭載用基板。
- 前記アルミニウム反射層は、不純物炭素濃度が1×1014個/cm3以上1×1020個/cm3以下である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体発光素子搭載用基板。
- 前記アルミニウム反射層の反射率が90%以上98%以下である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体発光素子搭載用基板。
- 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体発光素子搭載用基板と、
前記半導体発光素子搭載用基板上に搭載された半導体発光素子と、
前記半導体発光素子搭載用基板の一部を包囲し、前記半導体発光素子の周囲に前記半導体発光素子搭載用基板から離れるに従って前記半導体発光素子から離れる傾斜面、又は垂直面で形成される凹部を有する外囲器部分と、
前記外囲器部分の前記凹部に充填され前記半導体発光素子を封止する光透過性樹脂部とを備えた半導体発光装置。 - 前記半導体発光素子は、前記基材上に形成された前記アルミニウム反射層上に搭載され、
前記アルミニウム反射層が形成された前記基材とは電気的に絶縁され、給電用端子として前記アルミニウム反射層が形成されていない前記基材にワイヤーボンディング又はインナーリードボンディングされる請求項8に記載の半導体発光装置。 - 前記給電用端子としてワイヤーボンディング又はインナーリードボンディングされる前記基材の表面の主たる構成材料が、金、銀、パラジウム、金合金、銀合金、若しくはパラジウム合金から選択された一種又はその組み合わせである請求項8に記載の半導体発光装置。
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