(57)【要約】【課題】半導体発光素子からの発熱を基体側に放熱させることができると共に、半導体発光素子の基体との接合信頼性の高い半導体発光装置を提供する。【解決手段】セラミック基体１２上に半導体発光素子１３を囲繞する貫通孔１４を有する反射体１５が接合されてセラミック基体１２の上面と反射体１５の貫通孔１４の壁面とでキャビティ部１６が設けられる発光素子収納用パッケージ１１のキャビティ部１６に半導体発光素子１３を実装する半導体発光装置１０において、キャビティ部１６の底面のセラミック基体１２上面に半導体発光素子１３の下面全面を接合するためのダイマウント部１７が設けられ、ダイマウント部１７が薄膜導体金属膜１８を有すると共に、半導体発光素子１３がダイマウント部１７に融点が３６０℃以下の低融点共晶Ａｕろう１９で接合されている。【選択図】図１
2007012643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基体上に半導体発光素子を囲繞する貫通孔を有する反射体が接合されて前記セラミック基体の上面と前記反射体の前記貫通孔の壁面とでキャビティ部が設けられる発光素子収納用パッケージの前記キャビティ部に前記半導体発光素子を実装する半導体発光装置において、
前記キャビティ部の底面の前記セラミック基体上面に前記半導体発光素子の下面全面を接合するためのダイマウント部が設けられ、該ダイマウント部が薄膜導体金属膜を有すると共に、前記半導体発光素子が前記ダイマウント部に融点が３６０℃以下の低融点共晶Ａｕろうで接合されていることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光装置において、前記ダイマウント部が前記薄膜導体金属膜の上面に、更にめっき被膜を有することを特徴とする半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発行ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＥＤという。）等の半導体発光素子をセラミック基体のダイマウント部に実装する半導体発光装置に関し、より詳細には、ＬＥＤ等の半導体発光素子の接合信頼性を向上できる半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のＬＥＤ等の半導体発光素子のめざましい発展により、これを発光素子収納用パッケージに実装した半導体発光装置には、例えば、一般照明や大画面液晶用バックライト、自動車用ランプ等のような様々な装置として開発がなされ、高い光出力や、省エネルギーの追求を図っている。この半導体発光装置は、これを構成する発光素子収納用パッケージの基体や、反射体に、樹脂や、セラミックを用いて作製されたものが用いられている。しかしながら、一般照明や大画面液晶用バックライト、自動車用ランプ等のような高い光出力を必要とする用途の半導体発光素子は、消費電力が大きくなり、発熱する半導体発光素子の熱を取り除かなければ、半導体発光素子の温度が上昇して発光効率が低下して高い光出力が得られないという問題を有している。このような半導体発光素子を発光素子収納用パッケージの樹脂製の基体に載置した場合には、樹脂の熱伝導率が低いために、半導体発光素子の熱を取り除くことができずに半導体発光素子の温度が上昇して高い光出力が得られないという問題を有している。
【０００３】
そこで、最近では、図３（Ａ）に示すように、半導体発光装置５０を構成する発光素子収納用パッケージ５１の半導体発光素子５２を載置するための基体５３には、熱伝導性、耐熱性の高いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなるセラミック製のものが多く用いられるようになってきている。一方、反射体５４には、半導体発光素子５２を囲繞するためのすり鉢状の貫通孔５５を有し、通常、セラミック製の基体５３と同材料からなるセラミック製反射体、耐熱性樹脂の鋳込み樹脂成形体からなる樹脂製反射体、又はセラミック製の基体５３と熱膨張係数が近似する金属からなる金属製反射体等が用いられている。そして、発光素子収納用パッケージ５１には、基体５３の上面と、反射体５４の貫通孔５５の壁面とで半導体発光素子５２を収納するためのキャビティ部５６が形成されている。このキャビティ部５６の基体５３の上面の半導体発光素子５２が搭載される部分であるダイマウント部５７は、Ａｌ２Ｏ３や、ＡｌＮ等と同時焼成して形成できる、例えば、タングステンや、モリブデン等の高融点金属からなる厚膜導体金属膜５８を形成し、更にこの上面にＮｉめっき被膜及びＡｕめっき被膜からなるめっき被膜５９を施すことで作製されている。
【０００４】
そして、基体５３のダイマウント部５７には、半田６０を介して半導体発光素子５２の下面全面が接合され、基体５３のダイマウント部５７と対向して設けられるボンディングパッド部６１に半導体発光素子５２の上面側の端子がボンディングワイヤ６２を介して接続され、半導体発光素子５２を外部接続端子部６３と電気的に接続状態としている。半導体発光素子５２が搭載された後、反射体５４の上面には、レンズ６４等が接合されることで半導体発光装置５０としている。この半導体発光装置５０は、反射体５４のすり鉢状の貫通孔５５によって、半導体発光素子５２からの発光の反射率が向上でき、半導体発光素子５２の発光効率を向上させることができるようになっている。なお、発光素子収納用パッケージ５１の基体５３には、半導体発光素子５２が接合されるダイマウント部５７以外にも、ボンディングパッド部６１や、外部接続端子部６３が厚膜導体金属膜５８で形成され、更に、外部に露出する厚膜導体金属膜５８上には、めっき被膜５９が形成されている。
【０００５】
上記のボンディングワイヤ接続方式で半導体発光素子５２と外部接続端子部６３と電気的に接続できる形態からなる半導体発光装置５０以外に、図３（Ｂ）に示すように、半導体発光装置５０ａには、発光素子収納用パッケージ５１ａの半導体発光素子５２ａを搭載する基体５３ａの上面に、半導体発光素子５２ａを直接接続させるための接続用端子パッド部６５を設ける形態のものがある。この半導体発光装置５０ａは、それぞれが独立する基体５３ａの接続用端子パッド部６５に、素子の一方側の表面に一方と他方のそれぞれの端子（バンプ）６６を設ける半導体発光素子５２ａのそれぞれの端子６６を独立してフリップチップ方式で直接接合している。そして、反射体５４の上面には、レンズ６４等が接合されることで半導体発光装置５０ａとしている。なお、この基体５３ａには、上記と同様に、半導体発光素子５２ａが接合される接続用端子パッド部６５以外にも、外部接続端子部６３に厚膜導体金属膜５８が形成され、更に、外部に露出する厚膜導体金属膜５８上には、めっき被膜５９が形成されている。
【０００６】
発光装置には、リードフレームの相対向する２つの端子が開口部から露出するようにトランスファーモールドやインジェクションモールドしてパッケージを作製し、リードフレームの一方の端子上に半導体発光素子を導電性ペーストで接合して半導体発光素子の裏面側の電極とリードフレームの一方の端子を電気的に接続すると共に、半導体発光素子の表面側の電極とリードフレームの他方の端子をボンディングワイヤで接続して電気的に接続している。そして、発光装置は、半導体発光素子からの発熱をリードフレームを介して放熱させることで放熱性をよくして大電流の駆動を可能にして高い発光度を得るようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、発光装置には、リードフレームやヒートシンク板等の上にサブマウント基板に設ける２つの電極のそれぞれに、半導体発光素子の裏面側の２つの電極のそれぞれをフリップチップ方式で接合して安定性がよく、信頼性を高くしたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−８７７８０号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述したような従来の半導体発光装置は、次のような問題がある。
（１）半導体発光素子をダイマウント部に半田で接合した場合には、接合強度がろう材に比べて弱く接合信頼性が低いので、例えば、半導体発光装置を車載用等に用いることができない。また、半田は、熱伝導性が低いので、半導体発光素子からの発熱を下面側に効率良く放熱させることができない。
（２）半導体発光素子のダイマウント部への接合に半田を用いる場合には、半田の融点が低いので、半導体発光素子を接合した後の実装温度範囲の自由度が狭くなり半導体発光装置として構成していくためのそれぞれの接合部の接合材の選定が限られることとなり、接合信頼性の向上に限界が発生している。
（３）半導体発光素子をダイマウント部にろう材で接合した場合には、ダイマウント部が厚膜導体金属層で形成されているので、厚膜導体金属層の表面の平坦性が低く接合信頼性が低くなっている。
（４）半導体発光素子をフリップチップ方式で接続した場合には、半導体発光素子が基体に密着しないので、半導体発光素子からの発熱を下面側に効率良く放熱させることができない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、半導体発光素子からの発熱を基体側に放熱させることができると共に、半導体発光素子の基体との接合信頼性の高い半導体発光装置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】
【０００９】
前記目的に沿う本発明に係る半導体発光装置は、セラミック基体上に半導体発光素子を囲繞する貫通孔を有する反射体が接合されてセラミック基体の上面と反射体の貫通孔の壁面とでキャビティ部が設けられる発光素子収納用パッケージのキャビティ部に半導体発光素子が実装される半導体発光装置において、キャビティ部の底面のセラミック基体上面に半導体発光素子の下面全面を接合するためのダイマウント部が設けられ、ダイマウント部が薄膜導体金属膜を有すると共に、半導体発光素子がダイマウント部に融点が３６０℃以下の低融点共晶Ａｕろうで接合されている。
【００１０】
ここで、半導体発光装置は、ダイマウント部が薄膜導体金属膜の上面に、更にめっき被膜を有するのがよい。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１又はこれに従属する請求項２記載の半導体発光装置は、キャビティ部の底面のセラミック基体上面に半導体発光素子の下面全面を接合するためのダイマウント部を有し、ダイマウント部が薄膜導体金属膜からなると共に、半導体発光素子がダイマウント部に融点が３６０℃以下の低融点共晶Ａｕろうで接合されているので、半導体発光素子の下面全面が接して載置される部分がセラミック製で熱伝導性及び耐熱性が高く半導体発光素子からの発熱を効率よく放熱させることができる。また、ダイマウント部が厚膜導体金属膜に比べて膜厚精度が優れている上に膜材の純度が高く、平坦性や、温度安定性に優れる薄膜導体金属膜であるので、接合信頼性や、熱伝導性に優れ、半導体発光素子の機能を損なうことのない３５０℃以下の温度で接合できる低融点共晶Ａｕろうを用いて接合でき、半導体発光素子を強固に接合して接合信頼性を高くすることができると共に、半導体発光素子からの発熱を効率よくセラミック側に伝熱して放熱性を高めることができる。更に、低融点共晶Ａｕろうは、半田に比較して融点が高いので、半導体発光素子の接合後の実装温度範囲の自由度を広げることができ、接合材選定のための自由度を高めることができる。
【００１２】
特に、請求項２記載の半導体発光装置は、ダイマウント部が薄膜導体金属膜の上面に、更にめっき被膜を有するので、薄膜導体金属膜の上面に、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等の熱伝導性に優れるめっき被膜を形成することで、半導体発光素子からの発熱を更に効率よく放熱させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る半導体発光装置の断面図、図２は同半導体発光装置の変形例の断面図である。
【００１４】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る半導体発光装置１０は、発光素子収納用パッケージ１１のセラミック基体１２と、ＬＥＤ等の半導体発光素子１３を囲繞するすり鉢状等からなる貫通孔１４を有する反射体１５とが接合され、セラミック基体１２の上面と反射体１５の貫通孔１４の壁面とでキャビティ部１６を形成し、このキャビティ部１６に半導体発光素子１３を収納している。この半導体発光装置１０のセラミック基体１２には、例えば、アルミナや、低温焼成セラミックや、窒化アルミニウム等の１又は複数枚のセラミックグリーンシートを積層し焼成して形成したセラミック製の平板が用いられている。また、この半導体発光装置１０の反射体１５には、例えば、セラミック基体１２と同材料からなるセラミック製、耐熱樹脂の鋳込み樹脂成形体からなる樹脂製、又はセラミック基体１２と熱膨張係数が近似する金属からなる金属製等が用いられている。そして、発光素子収納用パッケージ１１は、セラミック製の反射体１５の場合には、セラミック基体１２との積層、焼成によって形成されている。また、発光素子収納用パッケージ１１は、樹脂製の反射体１５の場合には、例えば、シリコーン系接着樹脂や、オレフィン系接着樹脂や、ポリイミド系接着樹脂等の接着樹脂で接合されている。更に、発光素子収納用パッケージ１１は、金属製の反射体１５の場合には、セラミック基体１２に形成したタングステン等を用いスクリーン印刷等の厚膜形成技術で形成した厚膜導体金属膜にＡｇＣｕろう等の高融点共晶ろう材で接合されている。なお、発光素子収納用パッケージ１１は、セラミック基体１２の平面視した外形形状及び外形寸法と、反射体１５の平面視した外形形状及び外形寸法が同一、又は異なっていてもよく、限定されるものではない。
【００１５】
この発光素子収納用パッケージ１１のキャビティ部１６のセラミック基体１２の上面には、半導体発光素子１３を載置して半導体発光素子１３の下面全面を接合するためのダイマウント部１７が設けられている。このダイマウント部１７は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等からなる金属膜の上にＣｕ、Ａｕ、Ａｇ等の金属膜を形成した薄膜導体金属膜１８を有している。この薄膜導体金属膜１８は、スパッタリング法や、真空蒸着法等のような物理的成膜法（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、プラズマ法等の化学気相成長法等を適用して形成することができる。そして、発光素子収納用パッケージ１１には、ダイマウント部１７に半導体発光素子１３を、融点が３６０℃以下の低融点共晶Ａｕろう１９で接合している。この低融点共晶Ａｕろう１９には、例えば、ＡｕＧｅ共晶ろう（Ａｕ８８ｗｔ％、Ｇｅ１２ｗｔ％：融点３５６℃）や、ＡｕＳｎ共晶ろう（Ａｕ８０ｗｔ％、Ｓｎ２０ｗｔ％：融点２８０℃）等を適用することができる。
【００１６】
この発光素子収納用パッケージ１１は、ダイマウント部１７以外の導体パターンを、従来と同様に、例えば、タングステンやモリブデン等の高融点金属からなる厚膜導体金属膜２０で形成し、更に外部に露出する厚膜導体金属膜２０上にＮｉめっき被膜及びＡｕめっき被膜からなるめっき被膜２１を施して形成している。ダイマウント部１７を薄膜形成技術を適用して形成した薄膜導体金属膜１８からなる発光素子収納用パッケージ１１は、ダイマウント部１７を厚膜形成技術を適用して形成した厚膜導体金属で形成されたパッケージに比べて、膜厚み精度が優れている上に、膜材の純度が高く、半導体発光素子１３を搭載した後の半導体発光素子１３の温度特性や、電気的安定性等に優れた効果を与えることができる。この発光素子収納用パッケージ１１は、ダイマウント部１７に半導体発光素子１３を、融点が３６０℃以下の低融点共晶Ａｕろう１９で接合しているので、半導体発光素子１３の耐熱温度以下で接合でき、半導体発光素子１３の機能を低下させることなく、しかも、接合強度の高いパッケージとして用いることができる。なお、発光素子収納用パッケージ１１は、ダイマウント部１７に半導体発光素子１３を、融点が３６０℃を超える温度の共晶Ａｕろうで接合する場合には、接合温度が半導体発光素子１３の耐熱温度を超えるので、半導体発光素子１３の発光度を低下させることになる場合がある。また、薄膜導体金属膜１８が例えば、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｐｄ−Ａｕ等からなるような表層がＡｕ面である場合には、半導体発光素子１３を低融点共晶Ａｕろう１９で容易に接合することができる。
【００１７】
セラミック基体１２のダイマウント部１７に半導体発光素子１３が接合された発光素子収納用パッケージ１１は、セラミック基体１２に設けられたワイヤボンドパッド部２２と、セラミック基体１２に設けられた外部接続端子部２３とを電気的に接続するために、半導体発光素子１３とワイヤボンドパッド部２２間をボンディングワイヤ２４で接続している。そして、半導体発光素子１３が実装された発光素子収納用パッケージ１１の反射体１５の上面には、レンズ等からなる蓋体２５が接合されることで半導体発光装置１０が作製されている。
【００１８】
次に、図２を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る半導体発光装置１０の変形例の半導体発光装置１０ａを説明する。
図２に示すように、半導体発光装置１０ａは、上記の半導体発光装置１０の発光素子収納用パッケージ１１と同様に作製され、そして、この半導体発光装置１０ａの発光素子収納用パッケージ１１ａが発光素子収納用パッケージ１１のダイマウント部１７の上面に、更にＮｉめっき被膜及びＡｕめっき被膜や、Ａｕめっき被膜のみ等からなるめっき被膜２１ａを有するダイマウント部１７ａとなっている。この発光素子収納用パッケージ１１ａのキャビティ部１６のダイマウント部１７ａには、上記の半導体発光装置１０の場合と同様に、半導体発光素子１３を、融点が３６０℃以下の低融点共晶Ａｕろう１９で接合している。半導体発光素子１３が接合された発光素子収納用パッケージ１１ａは、発光素子収納用パッケージ１１の場合と同様に、セラミック基体１２に設けられたワイヤボンドパッド部２２と、セラミック基体１２に設けられた外部接続端子部２３とを電気的に接続するために、半導体発光素子１３とワイヤボンドパッド部２２間をボンディングワイヤ２４で接続している。半導体発光素子１３が実装された発光素子収納用パッケージ１１ａの反射体１５の上面には、レンズ等からなる蓋体２５が接合されることで半導体発光装置１０ａが作製されている。ダイマウント部１７ａは、薄膜導体金属膜１８のみではセラミック基体１２上面のうねりを吸収できない場合があるのを薄膜導体金属膜１８の上面にめっき被膜２１ａを形成することで、表面がより平坦性を得ることができるので、ダイマウント部１７ａに半導体発光素子１３を低融点共晶Ａｕろう１９で容易に接合させることができる。
【００１９】
次いで、半導体発光装置１０、１０ａの製造方法を簡単に説明する。半導体発光装置１０、１０ａの発光素子収納用パッケージ１１、１１ａに用いられるセラミック基体１２が、セラミックの一例であるアルミナを用いる場合の作製方法を説明する。この作製には、先ず、アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及び、トルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤が加えられ、十分に混練した後、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーが作製される。次いで、スラリーは、ドクターブレード法等によって、例えば、厚み０．２５ｍｍのロール状のシートに形成され、適当なサイズにカットしてセラミックグリーンシートが作製される。そして、このセラミックグリーンシートには、必要に応じて、打ち抜き金型やパンチングマシーン等を用いてそれぞれの所定位置に上層と下層との間の導通を形成するためのビア用の孔が穿設される。更に、セラミックグリーンシートには、タングステン等からなる金属導体ペーストを用いてスクリーン印刷でビア用の孔に充填したり、半導体発光素子１３と電気的に導通状態とするために表面にワイヤボンドパッド部２２や、外部接続端子部２３等用の導体印刷パターンが形成される。これらの印刷が完了したセラミックグリーンシートは、複数枚が重ね合わされ積層体が形成される。
【００２０】
次に、タングステン等からなる金属導体と、セラミックグリーンシートは、還元性雰囲気の焼成炉で約１６００℃程度の高温で同時焼成して焼成体を形成している。そして、この焼成体には、ダイマウント部１７、１７ａを形成するためのエリアが開口部から露出するようにするマスクを当接して、物理的成膜法や、化学気相成長法等を用いて薄膜導体金属膜１８が形成される。セラミック基体１２の上面に反射体１５が形成され、必要に応じて外部に露出する金属表面にめっき被膜２１、２１ａが形成された発光素子収納用パッケージ１１、１１ａのキャビティ部１６のダイマウント部１７、１７ａには、半導体発光素子１３が融点を３６０℃以下とする低融点共晶Ａｕろう１９、例えば、ＡｕＧｅ共晶ろうや、ＡｕＳｎ共晶ろう等で接合される。半導体発光素子１３は、ワイヤボンドパッド部２２とボンディングワイヤ２４を介して接続した後、蓋体２５が反射体１５の上面に接合されてキャビティ部１６内に収納されることで、半導体発光装置１０、１０ａを作製している。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の発光素子収納用パッケージは、ＬＥＤ等の半導体発光素子を搭載させて照明や、ディスプレイ等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体発光装置の断面図である。
【図２】同半導体発光装置の変形例の断面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の発光素子収納用パッケージの断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０、１０ａ：半導体発光装置、１１、１１ａ：発光素子収納用パッケージ、１２：セラミック基体、１３：半導体発光素子、１４：貫通孔、１５：反射体、１６：キャビティ部、１７、１７ａ：ダイマウント部、１８：薄膜導体金属膜、１９：低融点共晶Ａｕろう、２０：厚膜導体金属膜、２１、２１ａ：めっき被膜、２２：ワイヤボンドパッド部、２３：外部接続端子部、２４：ボンディングワイヤ、２５：蓋体
【図１】
2007012643.tif 000003
【図２】
2007012643.tif 000004
【図３】
2007012643.tif 000005