(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリブチレンテレフタレートを主成分とする樹脂からなる基体上にダイボンド部材によって半導体発光素子が固定された半導体発光装置であって、前記ダイボンド部材は、二重結合を含まない脂環式エポキシ樹脂からなるエポキシ樹脂組成物であり、該エポキシ樹脂組成物は熱カチオン重合により硬化されていることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
Ａｌ２Ｏ３若しくはＴｉＯ２の微粒子を含有させてなる基体上にダイボンド部材によって主発光ピークが３７０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下である半導体発光素子が固定された半導体発光装置であって、前記ダイボンド部材は、二重結合を含まない脂環式エポキシ樹脂からなるエポキシ樹脂組成物であり、該エポキシ樹脂組成物は熱カチオン重合により硬化されていることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項３】
前記エポキシ樹脂が、下記化学式（１）で示される構造である請求項１または請求項２に記載の半導体発光装置。
【化１】
0003608496.tif 000003
【請求項４】
基体上にダイボンド部材によって固定された半導体発光素子と、該半導体発光素子に設けられた電極と外部から導出された電極を接続する導電性ワイヤーとを有する半導体発光装置の製造方法であって、
ポリブチレンテレフタレートを主成分とする樹脂からなる基体上に二重結合を含まない脂環式エポキシ樹脂からなるダイボンド部材を塗布する工程と、
ダイボンド部材上に半導体発光素子を配置させる工程と、
ダイボンド部材にダイボンド部材の硬化温度より低い温度で熱を加えて硬化させる工程と、
導電性ワイヤーを接続する工程と、を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バックライト、照光式操作スイッチの光源、ディスプレイや各種インジケータ等に使用することができる半導体発光装置に係り、特に長期間の使用に対しても透過率を維持しつつ、高輝度に発光が可能な半導体発光装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子は、小型で効率よく鮮やかな色の発光を呈し、また、半導体であるため寿命が長く消費電力も少ないことから各種光源として利用されている。その用途は、高輝度の青色発光を有する窒化物半導体の出現により益々拡がっている。このような半導体発光素子を用いた半導体発光装置である発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）は、半導体発光素子に電極を設けた半導体発光素子を基体上にダイボンド部材を用いて固定し、ワイヤー等の導電性部材によって外部電極と半導体発光素子に設けられた電極とを電気的に接続させると共に、半導体発光素子を保護するために封止樹脂で被覆されており、砲弾型やチップタイプなど様々な形態で用いることが出来る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなＬＥＤなどは、長時間の使用環境下でダイボンド部材が劣化して発光輝度の低下や色ズレが生じてしまい、半導体発光素子自体は劣化していないにも関わらず、ＬＥＤなどが使用不可になる等の弊害が生じていた。また、弱いダイシェア強度による位置ずれなどでワイヤーが剥がれるという問題もあり、これは長時間の使用による場合の他に、製造時に充分なダイシェア強度が得られていないことが原因の場合もあり、歩留まりを低下させる要因の１つにもなっている。従って、本発明は上記課題を解決し、長時間の使用環境下においても発光効率の低下や色ズレが極めて少なく、ダイシェア強度の強い半導体発光装置及びその半導体発光装置を歩留まり良く製造できる方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は種々の実験の結果、長時間の使用環境下における半導体発光装置の出力低下が、半導体発光素子のごく近傍に配置されたダイボンド部材の着色劣化に起因していること、及びこれらの部材を特定のエポキシ樹脂組成物とすることにより結果的に劣化を防止し、さらにダイボンド部材の硬化条件を特定のものとすることで、ダイボンド部材や樹脂製の基体の変性をも抑制できることで、信頼性の高い半導体発光装置とすることができることを見出し本発明を成すに至った。
【０００５】
すなわち、本発明は、ポリブチレンテレフタレートを主成分とする樹脂からなる基体上にダイボンド部材によって半導体発光素子が固定された半導体発光装置であって、ダイボンド部材は、二重結合を含まない脂環式エポキシ樹脂からなるエポキシ樹脂組成物であり、熱カチオン重合により硬化されていることを特徴とする。これによって、長時間の使用環境下におけるダイボンド部材の劣化を防ぎ、輝度の低下及び色ズレを抑制することができる。
また、本発明は、Ａｌ２Ｏ３若しくはＴｉＯ２の微粒子を含有させてなる基体上にダイボンド部材によって主発光ピークが３７０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下である半導体発光素子が固定された半導体発光装置であって、前記ダイボンド部材は、二重結合を含まない脂環式エポキシ樹脂からなるエポキシ樹脂組成物であり、該エポキシ樹脂組成物は熱カチオン重合により硬化されていることを特徴とする。
【０００６】
また、前記脂環式エポキシ樹脂は、下記化学式（１）で示される構造であることが好ましい。
【０００７】
【化２】
0003608496.tif 000002
【０００８】
また、基体上にダイボンド部材によって固定された半導体発光素子と、半導体発光素子に設けられた電極と外部から導出された電極を接続する導電性ワイヤーとを有する半導体発光装置の製造方法であって、ポリブチレンテレフタレートを主成分とする樹脂からなる基体上に二重結合を含まない脂環式エポキシ樹脂からなるダイボンド剤を塗布する工程と、ダイボンド部材上に半導体発光素子を配置させる工程と、ダイボンド部材にダイボンド部材の硬化温度よりも低い温度で熱を加えて硬化させる工程と、導電性ワイヤーを接続する工程と、と有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明の半導体発光装置は、図１に示すように、底部に半導体発光素子を載置可能な基体３と、基体３に設けられたリード電極４と、半導体発光素子に素子電極が設けられた半導体発光素子１と、半導体発光素子１を基体３に固定させるダイボンド部材５と、半導体発光素子１とリード電極４とを電気的に接続させる導電性ワイヤー２と、これらを保護するための封止部材６からなる。このような半導体発光装置の半導体発光素子に通電させることにより発光させることが出来る。以下、本発明の各構成部材について詳述する。
【００１１】
（ダイボンド部材）
ダイボンド部材は、半導体発光素子と基体の間に形成されるため、半導体発光素子からの光だけでなく、半導体発光素子と基体によって繰り返し反射される光にも曝されるため封止部よりも劣化し易い。特に波長の短い光はエネルギーが高いため青色発光の半導体発光素子を用いた場合のダイボンド部材の劣化は著しい。また、半導体発光素子をダイボンド後に導電性ワイヤーを接合する際に用いられる超音波や、封止部材の硬化時に生じる内部応力等に耐えうるために、優れた接着力（ダイシェア強度）が要求される。本発明においては、これらの条件を満たすダイボンド部材としてエポキシ樹脂組成物を用い、特に二重結合を含まない脂環式エポキシ樹脂を主成分としている。また、重合開始剤である触媒としてカチオン重合可能な触媒を含有させる。
【００１２】
（エポキシ樹脂）
特に本発明のエポキシ樹脂は、高い透光性、高度の耐光性と絶縁性及び接着性が要求されるため、着色原因となる二重結合を含まない脂環式エポキシ樹脂を主成分とすることが望ましく、同時に塩素含有量を５ｐｐｍ以下とすることができる脂環式エポキシ樹脂がより好ましい。このような脂環式エポキシ樹脂は、芳香族エポキシ樹脂を水素化反応して得ることができる。例えば、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル、ビスフェノールＦのジグリシジルエーテル及びビスフェノールＳのジグリシジルエーテル等のビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラックエポキシ樹脂、クレゾールノボラックエポキシ樹脂、ヒドロキシベンズアルデヒドフェノールノボラックエポキシ樹脂等のノボラック型のエポキシ樹脂、テトラヒドロキシフェニルメタンのグリシジルエーテル、テトラヒドロキシベンゾフェノンのグリシジルエーテル、エポキシ化ポリビニルフェノール等の多官能型のエポキシ樹脂等が挙げられる。
【００１３】
このようなエポキシ樹脂は、例えば、次のようにして得ることができる。まず、攪拌機及び温度計を備えたオートクレーブ内に、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系の有機溶剤を用いて、ロジウム又はテルニウムをグラファイトに担持した触媒の存在下で水素化する。反応は、圧力１〜３０ＭＰａ、温度３０〜１５０℃、時間１〜２０時間の範囲内で行う。反応終了後、触媒を濾別し、減圧でエーテル系触媒が実質的に無くなるまで留去して水素化エポキシ樹脂を得ることができる。これに、硬化物の耐熱性を上げるために分子量は１００〜２０００程度の脂肪族環にエポキシ樹脂が結合している環状脂環式エポキシ樹脂を１０〜９０重量部の割合で混合させる。この範囲内で用いることで適度な粘度で揮発性を抑え、しかも成形性が良好な脂環式エポキシ樹脂とすることができる。
【００１４】
上記のようなエポキシ樹脂の中で、エポキシ当量が１５０〜３００ｇ／ｅｑ．の範囲内のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及びビスフェノールＦ型エポキシ樹脂を水素化したものが好ましい。さらには、耐候性に優れており、また色相（ＡＰＨＡ）が１０〜５０と透明度が高いという特性を有する２，２−ビス［４−（２，３−エポキシプロポキシ）シクロヘキシル］プロパンが好ましい。
【００１５】
（触媒）
上記のような脂環式エポキシ樹脂を硬化させるため、触媒として熱硬化性のカチオン重合触媒を用いるのが好ましい。また、光に対して安定なもので、比較的低い温度でエポキシ樹脂の重合を開始させるものが好ましく、プロトン酸やルイス酸が好ましい。更に芳香族スルホニウム塩及び６付加アニオンに水素付加させた化合物等が好ましく、短時間でかつ低温で硬化させることが出来る。また、ポットライフも長くすることができるので大量生産する場合でも歩留まりを下げることがなく有利である。硬化を開始させるための熱エネルギーとしては、ニクロムヒータ線、赤外線ランプ、遠赤外線ランプ、及び炉による加熱など種々のものが用いられる。熱エネルギーは１２０〜１５０℃程度を１０分〜２時間程度与えることが好ましい。
【００１６】
上記のようなエポキシ樹脂及び触媒を有するエポキシ樹脂組成物を用いることで、半導体発光素子などからの発光波長による劣化を防ぐことができる。また、比較的低温度で硬化させても充分なダイシェア強度を有するので他の部位に悪影響を及ぼしにくい。ダイボンド部材の硬化時には半導体発光素子と基体にも同程度の温度の熱が加えられるが、これらに高い温度を加えると、ダイボンド部材の硬化反応に伴いガスが発生し易くなるばかりでなく、基体が樹脂製の場合はその基体も変性してガスが発生する場合がある。この発生したガスにより導電性ワイヤーを接合する部位が汚染されて次工程での導電性ワイヤーの接着性が悪くなり、また、後述するようにＡｇ等をメッキして鏡面とした基体内壁の反射機能が損なわれる出力効率が低下する。基体はダイボンド部材に比べて使用量がかなり多いため、樹脂製の基体を用いる場合はこの影響は大きく、歩留まりを低下させる原因になる。しかし、本発明のダイボンド部材は樹脂の硬化温度（ガスが発生する温度）よりも低い温度で硬化させても充分なダイシェア強度を得ることができるため、ダイボンド部材だけでなく樹脂製の基体の変性によるガスの発生をも抑制できるので、導電性ワイヤーの接合及び鏡面の反射機能を阻害することがない。このようなダイシェア強度の強いものは、半導体発光素子の発光波長によらず、樹脂によってダイボンドさせる形態のものであれば如何なる発光波長のものに対しても有効である。
【００１７】
（導電性ワイヤー）
電気的接続部材である導電性ワイヤーとしては、半導体発光素子の電極とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては０．０１ｃａｌ／ｃｍ２／ｃｍ／℃以上が好ましく、より好ましくは０．５ｃａｌ／ｃｍ２／ｃｍ／℃以上である。また、作業性などを考慮して導電性ワイヤーの直径は、好ましくは、Φ１０μｍ以上、Φ４５μｍ以下である。このような導電性ワイヤーとして具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤーが挙げられる。このような導電性ワイヤーは、各半導体発光素子の電極と、外部から導出された電極などと、をワイヤーボンディング機器によって容易に接続させることができる。
【００１８】
（封止部材）
封止部材とは半導体発光素子及び導電性ワイヤーなどを外部環境から保護するために設けられるものである。このような封止部材は凸レンズ状や凹レンズ形状など所望に応じて種々の形態を利用することができる。用いる材料としてはエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透光性の高い樹脂が好ましく、これらを単独あるいは組み合わせて用いてもよい。また、内部応力を緩和するためなどのために、フィラーを含有させることもできる。
【００１９】
（基体）
基体は、半導体発光素子を配置して固定し外部の衝撃から保護するために用いられるもので、リン青銅などの金属からなるリード電極のような外部から導出された導電性部材を設けることができる。基体の材料としては用途に応じた形状に加工し易く、かつ半導体発光素子などからの光によって劣化しにくいものがよく、安価で比較的低温度で加工可能なポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）や、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）等の樹脂を用いるのが好ましい。特に、使用時の振動や衝撃に強いＰＢＴが好ましい。透光性樹脂などを用いる場合は外部への光の洩れを防ぐために顔料等を含有させて不透明化させることができる。例えば、Ａｌ２Ｏ３やＴｉＯ２等の微粒子を含有させることで、半導体発光素子からの光を外部に漏らさず、かつ反射効率の高い白色系の基体とすることで、光を効率よく出力することができる。また、基体に設けられるリード電極や樹脂などの表面にはＡｇやＡｌ等で金属メッキを施すことができ、これにより更に光を洩れにくく、かつ樹脂よりも反射効率の高い鏡面とすることができるので、半導体発光素子からの光を効率よく目的の方向に出力させることができる。このような基体には、半導体発光素子を１つ配置させても良いし、２つ以上配置することもでき、さらには、発光波長を調節させるために複数の発光波長を有する半導体発光素子を配置させることもできる。
【００２０】
（半導体発光素子）
半導体発光素子としては、ＭＯＣＶＤ法やＨＤＶＰＥ法等により形成された窒化物半導体が好適に用いられる。窒化物半導体は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等を発光層として利用させてある。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【００２１】
窒化物半導体を形成させる基板にはサファイヤ、スピネル、窒化ガリウム系単結晶等の材料を用いることができる。結晶性の良い窒化ガリウム系半導体を量産性よく形成させるためにはサファイヤ基板を用いることが好ましく、サファイヤ基板との格子不整合を是正するためにバッファー層を形成することが望ましい。バッファー層は、低温で形成させた窒化アルミニウムや窒化ガリウムなどで形成させることができる。
【００２２】
窒化物半導体を使用したｐｎ接合を有する上述とは別の半導体発光素子例として、バッファー層上に、ｎ型窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第２のクラッド層、ｐ型窒化ガリウムで形成した第２のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。
【００２３】
なお、窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のｎ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、ｐ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、ｐ型ドーパントであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化ガリウム系化合物半導体は、ｐ型ドーパントをドープしただけではｐ型化しにくいためｐ型ドーパント導入後に、炉等による加熱、低速電子線照射やプラズマ照射等により低抵抗化したｐ型とさせることが好ましい。
【００２４】
サファイアやスピネルなど絶縁性基板を用いた半導体発光素子の場合は、絶縁性基板の一部を除去する、或いは半導体表面側からｐ型及びｎ型用の電極面をとるためにｐ型半導体及びｎ型半導体の露出面をエッチングなどによりそれぞれ形成させる。各半導体層上にスパッタリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状の各電極を形成させる。発光面側に設ける電極は、全被覆せずに発光領域を取り囲むようにパターニングするか、或いは金属薄膜や金属酸化物などの透明電極を用いることができる。このように形成された半導体発光素子をそのまま利用することもできるし、個々に分割した半導体発光素子として使用してもよい。
【００２５】
個々に分割された半導体発光素子として利用する場合は、形成された半導体ウエハー等をダイヤモンド製の刃先を有するブレードが回転するダイシングソーにより直接フルカットするか、又は刃先幅よりも広い幅の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力によって半導体ウエハーを割る。あるいは、先端のダイヤモンド針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウエハーに極めて細いスクライブライン（経線）を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエハーを割り半導体ウエハーからチップ状にカットする。このようにして半導体発光素子である半導体発光素子などを形成させることができる。本発明の半導体発光装置において半導体発光素子のスペクトルは、５５０ｎｍ以下の近紫外域から可視光に主発光ピークを発することで顕著な効果が生じやすく、樹脂劣化、白色系など蛍光物質との補色関係等を考慮する場合は、主発光ピークが３７０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下であることが好ましく、４００ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。半導体発光素子の効率をより向上させるためには、４３０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
半導体発光素子の発光層に発光ピークが４５０ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ半導体を用いた。半導体発光素子は、洗浄させたサファイヤ基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体を成膜させることにより形成させた。ドーパントガスとしてＳｉＨ４とＣｐ２Ｍｇを切り替えることによってｎ型半導体やｐ型半導体を形成させる。半導体発光素子の構造としてはｎ型窒化ガリウム半導体であるコンタクト層と、ｐ型窒化ガリウム半導体であるクラッド層、ｐ型窒化ガリウム半導体であるコンタクト層を形成させた。ｎ型コンタクト層とｐ型クラッド層との間に厚さ約３ｎｍであり、単一量子井戸構造とされるＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎの活性層を形成した。（なお、サファイヤ基板上には低温で窒化ガリウム半導体を形成させバッファ層とさせてある。また、ｐ型半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてある。）
エッチングによりサファイア基板上のｐｎ各コンタクト層表面を露出させた後、スパッタリング法により各台座電極をそれぞれ形成させた。なお、ｐ型窒化物半導体上の全面には金属薄膜を透光性電極として形成させた後に、透光性電極の一部に台座電極を形成させてある。こうして出来上がった半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、外力により分割させ半導体発光素子を形成させた。
【００２７】
ダイボンド部材として２，２−ビス［４−（２，３−エポキシプロポキシ）シクロヘキシル］プロパンを主成分とし、熱カチオン重合開始剤を混合させたエポキシ樹脂組成物を用いた。この透光性エポキシ樹脂組成物を基体にスタンプピン（印加針）により塗着し、半導体発光素子をダイボンドした。なお基体としては、リード電極が設けられたＰＢＴ樹脂製基体を用い、樹脂及びリード電極は銀メッキされている。これを１５０℃で１時間加熱しダイボンド部材を硬化させ半導体発光素子を固定した。次に、半導体発光素子の各電極と、リード電極と金線でワイヤーボンディングし電気的導通を取った。
【００２８】
その後、半導体発光素子及び導電性ワイヤーを外部応力、水分及び塵芥などから保護する目的で透光性シリコーン樹脂で封止して１５０℃で４時間加温して硬化させた。
【００２９】
寿命試験として、温度２５℃２０ｍＡ通電、温度２５℃６０ｍＡ通電の各試験においても長時間にわたって、発光出力が維持できることを確認した。また、色ズレや色むらなく発光することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の半導体発光装置とすることにより、長時間高輝度時の使用下においても発光効率の低下が極めて少なく、透光性、接着性を高いレベルで維持させることができる。また、ダイボンド部材の硬化時の加温によりダイボンド部材や樹脂製の基体からガスが発生するのを抑制できるため、工程が短くなり、生産性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる半導体発光装置を説明する模式図
【符号の説明】
１・・・半導体発光素子
２・・・導電性ワイヤー
３・・・基体
４・・・リード電極
５・・・ダイボンド部材
６・・・封止部材
【図１】
0003608496.tif 000004