(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光装置の回路基板にフリップチップ実装し被覆用樹脂で被覆する半導体発光素子において、
ｐ型半導体層及びｎ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層を被覆する絶縁膜と、
前記絶縁膜の開口部を介して前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層と接続するｐ側突起電極及びｎ側突起電極と、
前記ｐ側突起電極と前記ｎ側突起電極の間に前記絶縁膜に接するようにして設けられた剥離部材とを備え、
前記ｐ側突起電極及び前記ｎ側突起電極は前記絶縁膜から突出し、前記ｐ側突起電極又は前記ｎ側突起電極の少なくとも一方が部分的に前記絶縁膜と平面的に重なり、
前記剥離部材は、前記絶縁膜の周辺部に存在せず、且つ前記ｐ側突起電極及び前記ｎ側突起電極と平面的に重ならない
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記剥離部材は、厚さが０．５μｍから１μｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
一個の前記ｎ側突起電極と複数個の前記ｐ側突起電極を備え、前記ｎ側突起電極を前記ｐ側突起電極が囲み、前記ｎ側突起電極と前記ｐ側突起電極の間に前記剥離部材が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフリップチップ実装用の半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウェハーから切り出された半導体発光素子（以後とくに断らない限りＬＥＤダイと呼ぶ）は、インターポーザ用の回路基板にフリップチップ実装し、この回路基板とともに樹脂などの被覆部材で被覆しパッケージ化することがある。このようにＬＥＤダイをパッケージ化した半導体発光装置（以後とくに断らない限りＬＥＤ装置と呼ぶ）は、他の電子部品と共にマザー基板に半田リフローで半田付けされることが多い。
【０００３】
被覆部材が樹脂からなる場合、このＬＥＤ装置の内部ではＬＥＤダイと回路基板の隙間に被覆用樹脂が入り込み、半田リフロー時及びその直後に隙間に入り込んだ被覆用樹脂が膨張及び収縮し、ＬＥＤダイの底面周辺で剥離を起こすことがある。
【０００４】
剥離箇所を説明するため図６に従来のＬＥＤ装置６０の断面図を示す。ＬＥＤ装置６０は、ＬＥＤダイ６９と回路基板６８と被覆用６１からなる。ＬＥＤダイ６９は、サファイア基板６２と、その下面に形成された半導体層６３と、半導体層６３に接続する突起電極６４，６５とからなる。回路基板６８は上面に内部接続電極６６，６７を備え、内部接続電極６６，６７はそれぞれ突起電極６４，６５と接続している。被覆用樹脂６１は、蛍光体を含有した透光性樹脂であり、回路基板６８の表面とＬＥＤダイ６９を被覆し、一部はＬＥＤダイ６９と回路基板６８の隙間に入り込んでいる。
【０００５】
前述のようにＬＥＤ装置６０はマザー基板に実装するとき半田リフローにかけられる。このときＬＥＤダイ６９と回路基板６８の隙間に入り込んだ被覆用樹脂６１が膨張する。このため図中、Ａで示した突起電極６５と半導体層６３の界面や、Ｃで示した突起電極６４と内部接続電極６６との界面、Ｄで示した内部接続電極６７と回路基板６８の界面などで剥離が起きる。またリフローの直後、ＬＥＤダイ６９と回路基板６８の隙間に入り込んだ被覆用樹脂６１が急激に収縮すると、図中、Ｂで示したサファイア基板６２と半導体層６３の界面や、この界面に隣接する半導体層６３の内部において剥離が起こる。Ａ及びＣで示した部分で起こる突起電極６４，６５に係る剥離は、断線によるＬＥＤ装置６０の不点灯原因となることがある。またＢに示した部分で起こる半導体層６３に係る剥離は、不点灯となったりリーク電流を増大させたりする。
【０００６】
以上のようにＬＥＤダイ６９と回路基板６８の間に入り込んだ被覆用樹脂６１にまつわる剥離に対し、類似した事例がフリップチップ実装した半導体素子のアンダーフィルについて知られている。アンダーフィルは半導体素子の下面と回路基板との間にアンダーフィル樹脂を配したものであり、アンダーフィルの膨張収縮による剥離は現在でも継続的な課題となっている。この対策として、各界面の接着力の強化、加熱プロファイルの最適化、各部材の熱膨張率の調整、熱による応力を緩和する機構の設置等が提案されており、これらの対策を組合せて信頼性を高めている。このなかで半導体素子が熱による応力を緩和する機構を持っていれば、回路基板やアンダーフィル材料及び製造工程を変更しても共通使用する半導体素子自体が剥離対策されているので、他の対策に比べこの応力緩和機構は汎用化した対策といえる。
【０００７】
例えば特許文献１の図１（ａ）には応力緩和層１０２ａ，１０２ｂを備えた半導体チップ１０２（半導体素子）が示されている。特許文献１の図１（ａ）を図７に再掲示する。図７は従来例として示す半導体装置の断面図である。この半導体装置は、半導体チップ１
０２がリードフレーム１０１等の導電パターンを有する配線基板に搭載され、少なくとも半導体チップ１０２の回路形成面の裏面に応力緩和層１０２ａを形成し、この半導体チップ１０２を覆うように絶縁樹脂１０５で封止していることを特徴としている。また半導体チップ１０２は、リードフレーム１０１にバンプ１０７を介してフリップチップ実装されており、応力緩和層１０２ｂを備えた底面がアンダーフィル樹脂１０４で封止されている。特許文献１の段落００１９においては、この応力緩和層１０２ｂが半導体チップ１０２の接続部分での断線を防ぐことができると記載されており、さらに応力緩和層１０２ｂが半導体チップ１０２とアンダーフィル樹脂１０４との熱膨張差によるクラックの発生を防止できるとも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１８８３９２号公報  （図１（ａ）、段落００１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述したように図７に示した応力緩和層１０２ｂは、半導体チップ１０２とアンダーフィル樹脂１０４との熱膨張差によるクラックの発生防止に寄与していると記載されているので、ずり応力を緩和し半導体チップ１０２の底面部の剥離や破壊を防ごうとしているものと推定できる。しかしながら図６に示した剥離は、ＬＥＤダイ６９の底部に存在する被覆用樹脂６１の膨張・収縮によってＬＥＤダイ６９が押し上げられたり引き下げられたりすることで起こる。特に図６のＢで示した部分で起こる剥離は被覆用樹脂６１の収縮により起こり、半導体層６３の破壊につながる。すなわち特許文献１に示された応力緩和機構（図７の応力緩和層１０２ｂ）を図６のＬＥＤ装置６０に適用しても、図６のＢで示される部分の剥離による破壊に対応できない。
【００１０】
そこで本発明は、この課題を解決するため、半導体装置の回路基板にフリップチップ実装する半導体素子において、半導体発光素子の底部の被覆用樹脂がリフロー直後で収縮しても半導体発光装置が破壊しにくい半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため本発明の半導体発光素子は、半導体発光装置の回路基板にフリップチップ実装し被覆用樹脂で被覆する半導体発光素子において、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層を被覆する絶縁膜と、前記絶縁膜の開口部を介して前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層と接続するｐ側突起電極及びｎ側
突起電極と、前記ｐ側突起電極と前記ｎ側突起電極の間に前記絶縁膜に接するようにして設けられた剥離部材とを備え、前記ｐ側突起電極及び前記ｎ側突起電極は前記絶縁膜から突出し、前記ｐ側突起電極又は前記ｎ側突起電極の少なくとも一方が部分的に前記絶縁膜と平面的に重なり、前記剥離部材は、前記絶縁膜の周辺部に存在せず、且つ前記ｐ側突起電極及び前記ｎ側突起電極と平面的に重ならないことを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体発光素子を回路基板にフリップチップ実装し被覆用樹脂で被覆すると、実装部では突起電極及び回路基板の電極により形成される隙間に被覆用樹脂が入り込む。半田リフローの直後においてこの被覆用樹脂が急激に収縮しても、半導体発光素子若しくは被覆用樹脂から剥離部材が剥がれ、被覆用樹脂から半導体発光装置の半導体層に応力が伝達しなくなる。この結果、半導体層が半導体発光装置の透明絶縁基板から剥離したり、半導体層内での剥離・クラックが発生したりすることが防止され、半導体発光装置の全体的な破壊を防止できる。
【００１４】
前記剥離部材は、厚さが０．５μｍから１μｍであっても良い。
【００１５】
一個の前記ｎ側突起電極と複数個の前記ｐ側突起電極を備え、前記ｎ側突起電極を前記ｐ側突起電極が囲み、前記ｎ側突起電極と前記ｐ側突起電極の間に前記剥離部材が配置されていても良い。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように本発明の半導体発光素子は、突起電極の間に剥離層を備えているので、この半導体発光素子を含む半導体発光装置をマザー基板に実装したとき、半導体発光素子と回路基板の間の被覆用樹脂が収縮しても剥離部材の部分的な剥離により半導体発光素子の全体的な破壊を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態におけるＬＥＤダイの構造を示す図。
【図２】図１に示したＬＥＤダイを回路基板に実装した状態の断面図。
【図３】本発明の第２実施形態におけるＬＥＤダイの外形を示す図。
【図４】図３に示したＬＥＤダイを回路基板に実装した状態の断面図。
【図５】図３に示したＬＥＤダイの底面と図４に示した回路基板の          内部接続電極の位置関係を示す図。
【図６】従来のＬＥＤ装置の断面図。
【図７】従来の半導体装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図１〜５を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。さらに特許請求の範囲に記載した発明特定事項との関係をカッコ内に記載している。
（第１実施形態）
【００１９】
図１と図２により本発明の第１実施形態におけるＬＥＤダイ１０（半導体発光素子）を説明する。図１はＬＥＤダイ１０の構造を示す図であり、（ａ）が断面図、（ｂ）が底面図である。なお（ａ）は（ｂ）のＥＥ線に沿って描いたＬＥＤダイ１０の断面図である。（ａ）に示すようにサファイア基板１１の下にはｎ型半導体層１２が形成され、ｎ型半導体層１２の下面の一部にｐ型半導体層１３が形成されている。ｎ型半導体層１２とｐ型半導体層１３は二つの開口部を有する絶縁膜１４で被覆されている。絶縁膜１４の開口部には、ｐ型半導体層１３に接続するｐ側突起電極１６と、ｎ型半導体層１２に接続するｎ側突起電極１７とが設けられている。ｎ側突起電極１７は、平面サイズを大きくするため、その一部分が絶縁膜１４を介して平面的にｐ型半導体層１３と重なっている。またｐ側突起電極１６とｎ側突起電極１７の間であって、絶縁膜１４の下面には剥離部材１５が配置されている。
【００２０】
次に（ｂ）の底面図を説明する。ＬＥＤダイ１０を底面側から眺めると、外周部に絶縁膜１４が見える。絶縁膜１４の内側の領域にはｐ側突起電極１６とｎ側突起電極１７があり、ｐ側突起電極１６とｎ側突起電極１７の間に剥離部材１５がある。なお（ａ）で示したｐ型半導体層１３及びｎ型半導体層１２は絶縁膜１４で被覆されているので、直接的には図示していないがｐ型半導体層１３及びｎ型半導体層１２からなる半導体層の周辺部には剥離部材１５がない。
【００２１】
サファイア基板１１は透明絶縁基板であり厚さが８０〜１２０μｍである。ｎ型半導体層１２はＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層からなり厚さが５μｍ程度である。ｐ型半導体層１３は、反射層や原子拡散防止層などを含む金属多層膜とｐ型ＧａＮ層からなり厚みが１μｍ程度である。図示していないが発光層はｐ型半導体層１３とｎ型半導体層１２の境
界部にあり、平面形状はｐ型半導体層１３とほぼ等しい。絶縁膜１４はＳｉＯ２であり厚さが数１００ｎｍ〜１μｍ程度である。ｐ側及びｎ側の突起電極１６，１７はＡｕ又はＣｕをコアとするバンプであり、電解メッキ法で形成し厚さが１０〜３０μｍ程度である。ｐ側及びｎ側の突起電極１６，１７は印刷法と熱処理により形成した半田バンプであっても良い。剥離部材１５はポリイミド樹脂であり、厚さを０．５〜１μｍ程度とすると剥離しやすくできる。剥離部材１５は、ＬＥＤダイ１０に切断する前のウェハーに対しマスクを使って印刷若しくは噴霧により形成する。また剥離部材１５はシリコーン樹脂を主成分とする離型剤であっても良い。
【００２２】
図２によりＬＥＤ装置２０を説明する。図２はＬＥＤ装置２０の断面図である。ＬＥＤ装置２０においてＬＥＤダイ１０は、回路基板２８にフリップチップ実装され、回路基板２８の上面とともに蛍光樹脂２１（被覆用樹脂）で被覆されている。回路基板２８の上面及び下面にはそれぞれ内部接続電極２２，２５及び外部接続電極２４，２７が形成されている。内部接続電極２２，２５は、ＬＥＤダイ１０のｐ側及びｎ側の突起電極１６，１７と接続し、さらにスルーホール電極２３，２６を介して外部接続電極２４，２７と接続している。
【００２３】
回路基板２８の材料は、反射率、熱伝導性、耐熱性及び耐光性等を考慮し、セラミクス、金属、樹脂から選ぶ。内部接続電極２２，２５及び外部接続電極２４，２７はＮｉ及びＡｕメッキした銅箔である。とくに回路基板２８の材料を樹脂とした場合、熱伝導性を高くするため、内部接続電極２２，２５は厚さを３０〜５０μｍ程度にし、スルーホール電極２３，２６内に金属ペーストを充填すると良い。なおスルーホール電極２３，２６の直径は１００〜２００μｍ程度である。蛍光樹脂２１はシリコーン樹脂に蛍光体を混練したものである。
【００２４】
次に図２により剥離部材１５によるＬＥＤダイ１０の破壊防止メカニズムを説明する。半田リフローなどで加熱され、その後冷却すると、剥離部材１５の下部に存在する蛍光樹脂２１は、先ず膨張しようとし、その後収縮しようとする。ＬＥＤダイ１０や回路基板２８に含まれる界面が蛍光樹脂２１の膨張に耐えられれば、収縮時は剥離部材１５が絶縁膜１４若しくは蛍光樹脂２１から剥離する。この結果、ＬＥＤダイ１０の底面においてｐ型及びｎ型の半導体層１３，１２に係る剥離は起こらない。本実施形態では剥離部材１５をポリイミド樹脂としていたが、いっぱんに予め硬化させておいたシリコーン樹脂と新たに塗布したシリコーン樹脂の界面は接着力が弱いので、剥離部材１５をシリコーン樹脂とすることも可能である。
【００２５】
本実施形態のＬＥＤダイ１０は、ＬＥＤダイ１０の底面において蛍光樹脂２１の収縮が起きても、剥離部材１５でＬＥＤダイ１０底面と蛍光樹脂２１が分離することによりＬＥＤ装置２０の破壊を防止していた。剥離による破壊を防止する別の手段として、図２において剥離部材１５を回路基板２８と蛍光樹脂２１の間に配置しても良い。しかしながらこのとき回路基板２８から別の回路基板に交換する場合、剥離部材の形状や配置位置を再設計せざるを得ない。すなわち本実施形態のようにＬＥＤダイ１０側に剥離部材１５を備えていたほうが、回路基板変更に対して剥離部材１５の再設計が不要な分、汎用性が高い。
【００２６】
フリップチップ実装時のＬＥＤダイ１０底面の剥離を防止する別の手段として、ｐ側及びｎ側の突起電極１６，１７若しくは回路基板２８の内部接続電極２２，２５の厚みを減らし、ＬＥＤダイ１０の底面における蛍光樹脂２１の膨張収縮量を小さくしても良い。本実施形態の手段とこれらの手段を組合せれば高い効果が得られる。しかしながらｐ側及びｎ側の突起電極１６，１７を薄くするとゴミや応力への余裕度が減ってしまう。また前述したように内部接続電極２２，２５の厚みを減らすと熱伝導性が悪化する場合がある。
【００２７】
図１（ｂ）で示したようにＬＥＤダイ１０の底面の周辺部には剥離部材がない。ｐ側及びｎ側の突起電極１６，１７を除く底面全体に剥離部材があっても破壊を防止する機能は保持できる。しかしながらＬＥＤダイ１０の底面周辺部に剥離部材がないと、蛍光樹脂２１と絶縁膜１４の密着性が向上するため、外部から侵入しようとする水分など有害な物資に対する防御性を高くできる。
【００２８】
本実施形態のようにＬＥＤダイ１０の底面に剥離部材１５を設けるという手法は、シリコン基板に多数の素子を形成した半導体素子に対しても有効である。しかしながらＬＥＤダイ１０はサファイア基板１１の下面に半導体層を形成しているので、半導体層が剥離若しくは破壊しやすいため剥離部材１５の効果が大きく現れる。
（第２実施形態）
【００２９】
ＬＥＤダイの平面サイズが大きくなると、電流分布を平準化し発光効率を向上させるためｎ側突起電極の周囲に複数のｐ側突起電極を配置することがある。そこで図３〜５により本発明の第２実施形態として小型のｎ側突起電極３７を４個のｐ側突起電極３６ａ〜３６ｄが取り囲むＬＥＤダイ３０について説明する。
【００３０】
先ず図３によりＬＥＤダイ３０の構造を説明する。図３はＬＥＤダイ３０の構造を示す図であり、（ａ）が断面図、（ｂ）が底面図である。なお（ａ）は（ｂ）のＦＦ線に沿って描いたＬＥＤダイ３０の断面図である。（ａ）に示すようにサファイア基板３１の下にはｎ型半導体層３２が形成され、ｎ型半導体層３２の下面の一部にｐ型半導体層３３が形成されている。なおｐ型半導体層３３は中央部に開口を有する。ｎ型半導体層３２とｐ型半導体層３３は絶縁膜３４で被覆され、絶縁膜３４には三つの開口部が見える。絶縁膜３４の左右の開口部ではｐ側突起電極３６ａ，３６ｂがｐ型半導体層３３と接続し、中央部の開口部ではｎ側突起電極３７がｎ型半導体層３２と接続している。またｐ側突起電極３６ａ，３６ｂとｎ側突起電極３７の間であって、絶縁膜３４の下面には剥離部材３５が配置されている。なおｎ側突起電極３７と絶縁膜３４の間にある隙間に剥離部材が入り込んでいる。
【００３１】
次に（ｂ）の底面図を説明する。ＬＥＤダイ３０を底面側から眺めると、外周部に絶縁膜３４が見える。絶縁膜３４の内側の領域の角部には４個のｐ側突起電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄがあり、底面の中央にはｎ側突起電極３７がある。ｐ側突起電極３６ａ〜３６ｄはｎ側突起電極３７を取り囲み、ｐ側突起電極３６ａ〜３６ｄとｎ側突起電極３７の間に剥離部材３５がある。ＬＥＤダイ３０の各部材は、図１で示したＬＥＤダイ１０に対し材料や厚さが等しく、平面形状が異なる。
【００３２】
次に図４によりＬＥＤ装置４０を説明する。図４はＬＥＤ装置４０の断面図である。ＬＥＤ装置４０においてＬＥＤダイ３０は、回路基板４８にフリップチップ実装され、回路基板４８の上面とともに蛍光樹脂４１（被覆用樹脂）で被覆されている。回路基板４８の上面及び下面にはそれぞれ内部接続電極４２，４５及び外部接続電極４４，４７が形成されている。内部接続電極４２は、ＬＥＤダイ３０のｐ側突起電極３６ａ，３６ｂと接続し、内部接続電極４５はｎ側突起電極３７と接続している。内部接続電極４２は図中で分離しているが紙面前方で接続している。さらに内部接続電極４２と外部接続電極４４はスルーホール電極４３で接続し、内部接続電極４５と外部接続電極４７は図示していないスルーホール電極を介して接続している。なお、回路基板４８及び回路基板４８に形成した電極の材料及び厚さは、図２に示した回路基板２８及び回路基板２８に形成した電極の材料及び厚さと等しく、平面形状や個数が異なる。
【００３３】
次に図５により剥離部材３５によるＬＥＤダイ３０の破壊防止メカニズムを説明する。図５は、図４で示したＬＥＤ装置４０から、外部接続電極４４，４７、スルーホール電極
４３、回路基板４８を除いた状態の底面図であり、ＬＥＤダイ３０とその周辺部を内部接続電極４２，４５越しに眺めたものである。図中、ＬＥＤダイ３０の外形、ｐ側突起電極３６ａ〜３６ｄ、ｎ側突起電極３７、剥離部材３５の外形を点線で示している。図５ではｐ側の内部接続電極４２が広い面積を占め、中央部及びその上方に切り欠き部がある。この切り欠き部にはｎ側の内部接続電極４５がある。図中、切り欠き部から剥離部材３５が見え、その上部に絶縁膜３４と蛍光樹脂４１が見える。なお切り欠き部においてＬＥＤダイ３０（図４参照）と回路基板４８（図４参照）の間に存在する蛍光樹脂４１は図示していない。
【００３４】
半田リフローで加熱されると切り欠き部から見える領域にある蛍光樹脂（図示していない）は内部接続電極４２，４５がないため大きく膨張し、その後冷却するとその蛍光樹脂は大きく収縮する。このとき剥離部材３５で剥離が生じることがあるが、半導体層（ｎ型半導体層３２及びｐ型半導体層３３、図４参照）は破壊しない。ＬＥＤダイ３０の周辺部であって絶縁膜３４が見える領域おいても内部接続電極４２，４５がないため、蛍光樹脂２１（図示せず）は大きめな膨張収縮を行おうとするが、ＬＥＤダイ３０の底面のない領域に近いため応力が分散する。
【符号の説明】
【００３５】
１０，３０…ＬＥＤダイ（半導体発光素子）、
１１，３１…サファイア基板、
１２，３２…ｎ型半導体層、
１３，３３…ｐ型半導体層、
１４，３４…絶縁膜、
１６，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ…ｐ側突起電極、
１７，３７…ｎ側突起電極、
２０，４０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
２１，４１…蛍光樹脂（被覆用樹脂）、
２２，２５，４２，４５…内部接続電極、
２３，２６，４３…スルーホール電極、
２４，２７，４４，４７…外部接続電極、
２８，４８…回路基板。
【図１】
0005809965.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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