(57)【要約】【課題】ＬＥＤチップを基板へフリップチップ実装しているフェイスダウン構造の半導体発光装置において、ＬＥＤチップのウエハレベルでの輝度レベルによるチップ検査／選別やハンドリングを容易に行えるようにする。【解決手段】ＬＥＤチップを、基板へフリップチップ実装しているフェイスダウン構造の半導体発光装置において、ＬＥＤチップと熱圧着させるためのバンプを基板側の電極に形成しており、上記バンプの基板側の接合面積を、ＬＥＤチップ側の接合面積よりも広くしている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極を有し、光を裏面側から放射するＬＥＤチップを、基板へフリップチップ実装しているフェイスダウン構造の半導体発光装置において、
上記ＬＥＤチップと熱圧着させるためのバンプを上記基板側の電極に形成し、上記バンプの基板側の接合面積を、ＬＥＤチップ側の接合面積よりも広くしている半導体発光装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記バンプは、金属細線の先端を溶融させて形成したボールを上記基板側の電極へ熱圧着し上記金属細線から切離して形成している半導体発光装置。
【請求項３】
請求項１、２いずれかにおいて、
上記バンプは、金、銅、錫、またはインジューム、あるいはそれらを含んだ合金で形成されている半導体発光装置。
【請求項４】
表面に電極を有し光を裏面側から放射するＬＥＤチップを、基板へフリップチップ実装する半導体発光装置の製造方法であって、
上記基板側の電極に上記バンプを形成する工程と、
上記ＬＥＤチップの電極と上記基板側の電極に形成されているバンプとを位置合わせし、そこへ超音波を照射しつつ熱圧着して、上記ＬＥＤチップを上記基板へフリップチップ実装する工程とを含んでいる製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度ＬＥＤチップを有する半導体発光装置とその製造法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の高輝度ＬＥＤチップを用いた半導体発光装置の基本構造を説明する断面図である。図の半導体発光装置Ａ’は、アノード電極Ｔａ、カソード電極Ｔｋを表面に露出し、同面を光放射面１０２として光を放射するフェイスアップ構造のＬＥＤチップ１０１を、複数の電極Ｔ１、Ｔ２を有するセラミック基板２０１に樹脂等３０１によってダイボンドし、アノード電極Ｔａと電極Ｔ１、及びカソード電極Ｔｋと電極Ｔ２を、ワイヤＷによってそれぞれワイヤボンドしたフェイスアップ構造になっている。セラミック基板２０１には、光通過孔３００の内面に光を反射するミラー２０３を配して構成したリフレクター２０２を設けている。この半導体発光装置Ａ’は、更に透明な樹脂を充填して光学処理され、ＬＥＤチップ１０１上方にレンズと蛍光体シートを搭載したのち、連続した一体として製造された多数の同半導体発光装置Ａ’を各々分離して、個々の製品にされる。
このようなフェイスアップ構造の半導体発光装置Ａ’では、次に述べるように、ＬＥＤチップ１０１内部の発光層で生じる光を効率よく利用できないという問題があった。すなわち、発光層では全方位へ光が放射しているが、そこからＬＥＤチップ１０１の発光面１０２に向かった光だけしか利用できない上に、更にその一部がアノード電極Ｔａ、カソード電極Ｔｋによって遮断されてしまうという問題である。この問題に対処すべく上記とは構成の異なる半導体発光装置も利用されるようになった。
【０００３】
図５は、そのような目的で、より効率的に光を放射できるように改良された半導体発光装置の基本構造を説明する断面図である。図の半導体発光装置Ａ”は、バンプＢを形成したアノード電極Ｔａ、カソード電極Ｔｋを表面に有し、その裏面を光放射面１０２’として光を放射するＬＥＤチップ１０１’を、電極Ｔ１、Ｔ２を有するセラミック基板２０１へ、波線の矢印のように熱圧着してフリップチップ実装したフェイスダウン構造をしている。そして、ＬＥＤチップ１０１’とセラミック基板２０１との間隙には、図には示していないが、アンダーフィルが充填される。セラミック基板２０１には、光通過孔３００の内面に光を反射するミラー２０３配して構成したリフレクター２０２を設けている。この半導体発光装置Ａ”も、上述したフェイスダウン構造のＬＥＤチップ１０１を用いた半導体発光装置Ａ’と同様に、透明な樹脂を充填して光学処理され、ＬＥＤチップ１０１’上方にレンズと蛍光体シートを搭載したのち、連続した一体として製造された多数の同半導体発光装置Ａ”を各々分離して、個々の製品とされる。
【０００４】
図６は、図５で示したフェイスダウン構造の半導体発光装置Ａ”に用いられているＬＥＤチップ１０１’の基本構造を説明する断面図である。図のＬＥＤチップ１０１’は、アルミニウム酸化物である透明なサファイヤ基板１３に、バッファ層１４、Ｎ型半導体層１５、発光層１６、Ｐ型半導体層１７を成長する。バッファ層１４は、サファイヤ基板１３とＮ型半導体層１５との格子定数の不正を緩衝するものである。そして、Ｎ型半導体層１５上にはカソード電極Ｔｋを形成し、Ｐ型半導体層１７には、電流拡散層１８を成膜し、更にアノード電極Ｔａを形成する。電流拡散膜１８は、図４に示したフェイスアップ構造の半導体発光装置Ａ’のＬＥＤチップ１０１では透明な金属膜であったが、このフェイスダウン構造の半導体発光装置Ａ”のＬＥＤチップ１０１’では、光に対して高い反射率を有する金属で成膜されている。そして、アノード電極Ｔａとカソード電極ＴｋにはバンプＢが形成される。
【０００５】
この基本構造によれば、ＬＥＤチップ１０１’の発光層１６で生じる光Ｅは、透明なサファイヤ基板１３側から放出されると共に、電流拡散膜１８によって反射された反射光Ｒもサファイヤ基板１３側から放出されるので、このような構造のＬＥＤチップ１０１’では、光を効率よく取り出すことができる。
また、ＬＥＤチップをバンプにより基板へフリップチップ実装している例として、特許文献は、一対の外部電極を備えた表面実装用の実装基板と、光透過性の基板を備え、フリップチップ型として外部電極に導通させて実装基板に固定した発光素子を有する半導体発光装置を開示している。
しかし、上記特許文献では、特にバンプの形状ついては開示されていない。
【特許文献１】特開２００１−２９８２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＬＥＤチップを基板へフリップチップ実装している、上述したようなフェイスダウン構造の上記半導体発光装置Ａ”では、ワイヤボンドのワイヤの役割を果たすバンプを、従来の半導体集積回路におけるバンプ形成と同様の方法で、ＬＥＤチップ側の電極に形成している。しかし、ＬＥＤチップの製造工程において、ウエハ状態のＬＥＤチップの電極にバンプを形成すると、ＬＥＤチップの製造、試験工程における、輝度レベルによるチップ検査／選別時に、試験装置のプローブ針をＬＥＤチップの平坦な電極ではなく、立体的なバンプに接触させることになり、支障をきたすと共に、ハンドリングも悪くなるという問題があった。
本発明は、この問題を解消する半導体発光装置を提案するとともに、更にその製造方法を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第１の発明である請求項１では、表面に電極を有し光を裏面側から放射するＬＥＤチップを、基板へフリップチップ実装しているフェイスダウン構造の半導体発光装置において、上記ＬＥＤチップと熱圧着させるためのバンプを上記基板側の電極に形成し、上記バンプの基板側の接合面積を、ＬＥＤチップ側の接合面積よりも広くしている半導体発光装置を提案している。
請求項２では更に、請求項１において、上記バンプは、金属細線の先端を溶融させて形成したボールを上記基板の電極へ熱圧着し上記金属細線から切離して形成している半導体発光装置を提案している。
請求項３では更に、請求項１〜２いずれかにおいて、上記バンプは、金、銅、錫、またはインジューム、あるいはそれらを含んだ合金で形成されている半導体発光装置を提案している。
また、第２の発明である請求項４では、表面に電極を有し光を裏面側から放射するＬＥＤチップを、基板へフリップチップ実装する半導体発光装置の製造方法であって、上記基板側の電極に上記バンプを形成する工程と、上記ＬＥＤチップの電極と上記基板側の電極に形成されているバンプとを位置合わせし、そこへ超音波を照射しつつ熱圧着して、上記ＬＥＤチップを上記基板へフリップチップ実装する工程を含んでいる製造方法を提案している。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１の半導体発光装置によれば、基板側の電極にバンプを形成したので、ＬＥＤチップにバンプを形成する必要がなくなり、ＬＥＤチップの製造、試験工程におけるウエハ状態の検査／選別時には、試験装置のプローブ針をＬＥＤチップの平坦な電極に接触させることができる。従って、ウエハ状態での輝度レベルによるチップ検査／選別に、バンプを原因とする支障が発生したり、ハンドリングも悪くなったりするという問題が解消される。更に、バンプの基板側の接合面積は、ＬＥＤチップ側の接合面積よりも広くなっているので、バンプの熱圧着時には、その面積の狭いＬＥＤチップ側の接合部付近が容易に変形して基板の厚さやバンプ高さのばらつきを吸収する結果、歩留まりの高い接合が可能となる。
請求項２の半導体発光装置によれば、従来のバンプ形成と同様に、金属細線を用いたスタッドバンプ形成法によって、基板側の電極にバンプを形成することができる。
請求項３の半導体発光装置によれば、従来のバンプ形成と同様に、金、銅、錫、またはインジューム、あるいはそれらを含んだ合金で、基板側の電極にバンプを形成することができる。
請求項４の製造工程によれば、ＬＥＤチップの電極と上記基板側の電極に形成されているバンプとを熱圧着する工程で、熱圧着の加熱温度を大幅に下げることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、発明を実施するための最良の形態を実施例として、図について説明する
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の実施例である半導体発光装置の基本構造を説明する断面図である。図の半導体発光装置Ａは、アノード電極Ｔａ、カソード電極Ｔｋを表面に有し、光を放射する光放射面１２をその裏面に形成したＬＥＤチップ１１を、セラミック基板２１側の電極Ｔ１、Ｔ２に予め形成しておいたバンプＢへ、波線の矢印のように熱圧着してフリップチップ実装した、フェイスダウン構造になっている。なお、ＬＥＤチップ１１とセラミック基板２１との間隙には、図には示していないが、アンダーフィルが充填される。
図１Ａは、この実施例のフェイスダウン構造の半導体発光装置Ａに用いられているＬＥＤチップ１１の基本構造を説明するものである。ＬＥＤチップ１１は、従来のダウンフェース構造の半導体発光装置Ａ”に用いられていたＬＥＤチップ１０１’（図６参照）と同様のものであり、そのアノード電極Ｔａ、カソード電極Ｔｋにバンプは形成されておらず、この点が異なっている。よって、共通の要素には同一の符号を付けて、説明を略する。
【００１１】
セラミック基板２１は、基材に耐熱性の高いセラミックを用いており、ＬＥＤチップ１１が発熱量の多い高輝度のＧａＮ青色ダイオードなどである場合には、好適な基板である。このときには、放熱性を改善する目的で、更にセラミック基板２１の裏面にアルミ放熱板を接合させるようにしてもよい。ＬＥＤチップ１１の発熱が問題にならない場合には、セラミック基板２１に変えて、ガラスまたはシリコン基板、金属リードフレーム、樹脂製の積層品、あるいは成型品としてもよく、コスト面で有利になる。
また、セラミック基板２１には、光通過孔３００の内面に光を反射するミラー２０３を配して構成したリフレクター２２を設けている。このリフレクター２２は、セラミック基板２１と一体として形成してもよいし、あるいは別体のリフレクター２２を樹脂等で装着させてもよい。セラミック基板２１とリフレクター２２は、半導体発光装置Ａのパッケージ体を構成するものである。
【００１２】
ついで、この半導体発光装置Ａの製造法を説明する。
図２は、図１におけるＬＥＤチップ１１とセラミック基板２１との接合部分を拡大した断面図である。本発明では、ＬＥＤチップ１１をセラミック基板２１へフリップチップ実装する前に、基板２１側の電極Ｔ１上の、ＬＥＤチップ１１のアノード電極Ｔａと対応する位置等に、接合用のバンプＢを形成する。具体的には、極細の金属細線（直径５〜５０μｍ）の先端をアーク放電などによって溶融させて形成したボールをセラミック基板２１の電極Ｔ１へ熱圧着し金属細線から切離して、バンプＢを形成する。この方法は、スタッドバンプ法として知られているものである。
図３は、そのスタッドバンプ法で用いられる金属細線Ｌとその先端のボールＢＢ、及びバンプＢの形状を例示するものである。図のように、バンプＢは略凸状であり、バンプＢの基板２１側の接合面積は、ＬＥＤチップ１１側の接合面積よりも広くなっている。なお、他のバンプ形成法も可能であり、例えば、セラミック基板２１の表面のバンプＢを形成しない部分をレジストで覆ってマスクし、金属を堆積させたあと、レジスト除去してバンプＢを形成してもよく、また、溶融金属の微細な液滴を不活性雰囲気でバンプ形成部分に吹き付け、その金属をバンプ形状に堆積させてもよい。
これらの形成方法でバンプＢを形成する金属は、金または銅または錫またはインジューム、およびそれらを含む金合金が望ましい。
【００１３】
バンプＢの数はＬＥＤチップ１１のアノード電極Ｔａ、カソード電極Ｔｋに対して各々最低各１個形成すればよいが、これに限られず複数個のバンプＢを形成してもよい。バンプＢの数を増やすとＬＥＤチップ１１の接合安定性が増加すると共に、その発熱をバンプＢを通じてセラミック基板２１に放熱しやすくなるので、半導体発光装置Ａの熱抵抗低減に効果がある（直径９０μｍ、高さ８０μｍのバンプを２から３に、すなわちアノード電極Ｔａ側にバンプを１追加することで、熱抵抗が２２℃／ｗから１６℃／ｗに低減することが、確認されている）。
次に、上記のようにセラミック基板２１側の電極Ｔ１、Ｔ２に形成されたバンプＢと、ＬＥＤチップ１１のアノード電極Ｔａ、カソード電極Ｔｋとをそれぞれ位置合わせして、熱圧着させる。このとき、３５０℃以上の加熱と１バンプあたり数十グラムの加圧が必要であるが、このときに、そこへ超音波を印加させつつ熱圧着すれば、その加熱温度を下げることが可能である。すなわち、超音波（２０〜２００ＫＨｚ）を照射しつつ熱圧着するならば、加熱温度を１００℃前後まで大幅に下げることができる。
【００１４】
このようにして、ＬＥＤチップ１１をセラミック基板２１へフリップチップ実装した半導体発光装置Ａは、更に透明な樹脂を充填して光学処理され、ＬＥＤチップ１１上方にレンズと蛍光体シートを搭載したのち、連続した一体として製造された多数の同半導体発光装置Ａを各々分離して、個々の製品とされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例である半導体発光装置の基本構造を説明する断面図である。
【図１−Ａ】ＬＥＤチップの基本構造を説明する図面である。
【図２】基板とＬＥＤチップの接合部分の拡大された断面図である。
【図３】バンプに係る金属細線と先端のボール、及びバンプの形状を例示する斜視図である。
【図４】従来の半導体発光装置の基本構造を説明する断面図である。
【図５】従来の半導体発光装置を他の基本構造について説明する断面図である。
【図６】従来のＬＥＤチップの基本構造を説明する図面である。
【符号の説明】
【００１６】
１１  ＬＥＤチップ
１２  光放射面
２１  基板
Ｂ    バンプ
ＢＢ  スタッドバンプ用ボール
Ｌ    金属細線
Ｔ１、Ｔ２  基板側の電極
Ｔａ、Ｔｋ  ＬＥＤチップの電極
【図１】
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【図１−Ａ】
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【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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