(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ−Ｎ接合を含む半導体層を基板上に積層したＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを搭載して電気的に導通させる支持体を備え、ＬＥＤチップは樹脂層によって覆われた半導体発光装置において、
該リードフレームのマウント面に最上部の周縁が、ＬＥＤチップ裏面の外周よりも大きな溝を備え、
該溝には第１の樹脂層が充填、硬化により形成され、
該第１の樹脂層上に、熱伝導性が良好なチップ接着剤層を介してＬＥＤチップが固定され、
該チップ接着剤層は、マウント面に直接接触しており、
該ＬＥＤチップは、熱膨張係数が第１の樹脂層と同じ第２の樹脂層により覆われたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
第１の樹脂層と第２の樹脂層は、同じ樹脂である請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
第１の樹脂層と第２の樹脂層は、エポキシ樹脂またはＢＡ樹脂である請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
上記チップ接着剤層は、エポキシ樹脂をベースレジンとし、ＡｇをフィラーとするＡｇペーストからなる請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
上記チップ接着剤層は、２．５Ｗ／ｍ／Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項６】
上記チップ接着剤層は、体積抵抗率が６００ｎΩｍ以下の導電性を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物化合物半導体を用いた発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物系化合物半導体を用いたＬＥＤチップを発光素子として備えたＬＥＤランプは、緑、青、白などの可視領域のＬＥＤランプ、さらには、紫外光のような短波長の領域のＬＥＤランプまでも商品化されている。また、これらの材料は非常に発光効率が良いため、高輝度のＬＥＤランプも開発されている。
【０００３】
これらのＬＥＤランプは、ＬＥＤチップをＡｇペーストでリードフレームに固定した後にエポキシ樹脂で封じられており、ＬＥＤチップ自体の信頼性に加えて、エポキシ樹脂の耐候性もＬＥＤランプの信頼性に影響を与える。例えば、エポキシ樹脂中に含まれる芳香族の炭素−炭素間の二重結合が熱や波長の短い可視光や紫外光の照射により破壊され、酸化して黄変し、光透過率の低下を招く。特に、上記のような窒化物系化合物半導体を用いたＬＥＤチップの場合、エネルギーの高い光を放出し、また、動作電圧も３〜５Ｖと高いため、発熱も大きいので、ＬＥＤランプの信頼性がモールド樹脂の酸化変質で律速される可能性が高い懸念がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような懸念を具体的な問題点として把握するために、本発明者は従来構造のＬＥＤランプにおいて信頼性試験を行った。試験に用いたＬＥＤランプは、サファイア基板上にＰ−Ｎ接合を有する窒化物系化合物半導体の多層膜、ｐ型電極、ｎ型電極が形成され、電極上の所定の箇所に保護膜が形成された青色ＬＥＤチップ（ピーク発光波長＝４７０ｎｍ）をＡｇペーストにてリードフレームのカップ上に実装し、エポキシ樹脂でモールドした５φサイズのＬＥＤランプである。
【０００５】
信頼性試験の項目は、低温動作、高温高湿動作、低温保存、高温高湿保存で、各１００個ずつ投入した。各試験の条件は、表１に示すとおりである。
【０００６】
【表１】
0003973457.tif 000002
【０００７】
以下、各試験の通電条件および環境条件（温度、湿度）はこれに従う。
【０００８】
動作電圧比、発光輝度比を、室温における２０ｍＡ通電時の動作電圧、発光輝度の試験投入前の測定値に対する比率と定義し、表１に、各試験に対して投入後２０００ｈｒ経過した時点での動作電圧比、発光輝度比を示す。
【０００９】
動作電圧比については、各試験ともほとんど初期からの変化なく、２０００ｈｒで初期値の９５〜９８％であった。発光輝度比については、低温動作試験では良化傾向で、高温高湿動作試験では劣化傾向であった。特に、高温高湿動作試験では、初期の発光輝度と比較して、６０〜７０％と劣化傾向が大きかった。低温保存試験、高温高湿保存試験では、ほとんど変化はなかった。
【００１０】
上記試験結果から、試験の環境条件（温度や湿度）、通電条件により発光輝度の変化の仕方が変わっていることがわかる。特に、高温での通電時に劣化している。また、低温では良化傾向にある。
【００１１】
上記結果に対する原因を調べてみると、ＬＥＤチップ自体の特性劣化やモールド樹脂自体の変質よりもモールド樹脂とＬＥＤチップとの密着性の変化に問題があることが分かった。すなわち、ＬＥＤチップはモールド樹脂であるエポキシ樹脂と、リードフレームに実装するためのＡｇペーストという熱膨張係数の異なる２種類の材料と接している。そのため、ＬＥＤチップの周囲で密着性の異なる部分が存在し、その結果、ＬＥＤチップの周りで応力分布ができてしまい、最終的にはチップの剥離という結果になってしまう。特に、モールド樹脂とＬＥＤチップとの密着性の変化は、モールド樹脂中に内在するＬＥＤチップに対する応力の温度的な変化が関係していることが分かった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、周囲温度や動作条件によらず、経時的な輝度変化の少ない半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００１３】
その構成は以下の通りである。
【００１４】
本発明の半導体発光装置は、Ｐ−Ｎ接合を含む半導体層を基板上に積層したＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを搭載して電気的に導通させる支持体を備え、ＬＥＤチップは樹脂層によって覆われた半導体発光装置を対象とする。
【００１５】
そして、本発明の半導体発光装置は、該リードフレームのマウント面に最上部の周縁が、ＬＥＤチップ裏面の外周よりも大きな溝を備え、
該溝には第１の樹脂層が充填、硬化により形成され、
該第１の樹脂層上に、熱伝導性が良好なチップ接着剤層を介してＬＥＤチップが固定され、
該チップ接着剤層は、マウント面に直接接触しており、
該ＬＥＤチップは、熱膨張係数が第１の樹脂層と同じ第２の樹脂層により覆われたことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、別の観点によれば、Ｐ−Ｎ接合を含む半導体層を基板上に積層したＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを搭載して電気的に導通させる支持体を備え、ＬＥＤチップは樹脂層によって覆われた半導体発光装置において、
ＬＥＤチップは、支持体のマウント面上にエポキシ樹脂を用いた第１の樹脂層を介して固定され、ＬＥＤチップを覆う樹脂層は、熱膨張係数が第１の樹脂層と同じで、エポキシ樹脂を用いた第２の樹脂層であることを特徴とする半導体発光装置を提供できる。
【００１７】
さらに、本発明の半導体発光装置の第１の樹脂層（以下、単に第１の樹脂と称する）と、第２の樹脂層（以下、単に第２の樹脂と称する）とは、同じ樹脂であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の半導体発光装置の上記チップ接着剤層（以下、単にチップ接着剤と称する）は、２．５Ｗ／ｍ／Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の半導体発光装置の上記チップ接着剤は、体積抵抗率が６００ｎΩｍ以下の導電性を有する。このように構成された半導体発光装置では、ＬＥＤチップの周囲は、熱膨張係数が同程度の樹脂が存在するので、ＬＥＤチップに対し樹脂から印加される応力が、ＬＥＤチップの周囲で均等化され、ＬＥＤチップに対する樹脂の密着性の変動を小さくなり、樹脂応力の開放によるＬＥＤチップからの樹脂の剥離も発生しにくくなる。そのため、ＬＥＤチップから外部への光取り出し効率も変化しにくく、発光輝度の変動も抑えられる。
【００２０】
前者の構成では、ＬＥＤチップは、絶縁性基板上に形成されたものであり、ＬＥＤチップをリードフレームのカップ上に固定する際の第１の樹脂の厚さは、５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
後者の構成では、ＬＥＤチップは、導電性基板上、絶縁性基板上どちらに形成されていてもよい。
【００２２】
さらに、後者の構成において絶縁性基板上に形成されたＬＥＤチップの場合、チップ接着剤として２．５Ｗ／ｍ／Ｋ以上の熱伝導率の高い接着剤を使用する。例えば、エポキシ樹脂をベースレジンとして、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、ＢｅＯ、ＡｌＮなど１７０Ｗ／ｍ／Ｋ以上の熱伝導率を有する物質をフィラーとして添加した接着剤などを使用する。
【００２３】
また、後者の構成において導電性基板上に形成されたＬＥＤチップの場合、チップ接着剤は、熱伝導率が２．５Ｗ／ｍ／Ｋ以上、体積抵抗率が６００ｎΩｍ以下の導電性接着剤を使用する。体積抵抗率とは、単位体積（立方体）あたりの抵抗率を示す。例えば、エポキシ樹脂をベースレジンとして、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなど熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ／Ｋ以上、比抵抗が２７ｎΩｍ以下の導電性物質をフィラーとして添加した接着剤などを使用する。
【００２４】
なお、チップ接着剤は、熱的な膨張・収縮がほとんどないため、チップに係る応力に対しては、何ら関与しない。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
サファイア基板上にＰ−Ｎ接合を含む窒化物系化合物半導体多層膜が形成されたＬＥＤチップを発光素子として備えたＬＥＤランプの実施の形態１の発明例について説明する。
【００２６】
図１にＬＥＤランプの断面図を示し、以下に実施形態１のＬＥＤランプの組み立て方法について説明する。ダイボンダーに固定されたリードフレーム１０１のカップ１０２上にディスペンサにて第１の樹脂１０３を所定量塗布し、塗布された第１の樹脂１０３上にＬＥＤチップ１０４を載置する。第１の樹脂１０３を所定の条件で加熱硬化する。
【００２７】
その後、ＬＥＤチップ１０４の主面に形成されたｐ側パッド電極１０５ａ、ｎ側パッド電極１０５ｂとリードフレーム１０１をワイヤー１０６ａ、ワイヤー１０６ｂにより電気的に接続し、第２の樹脂１０７でモールドを行う。上記の第１、第２の樹脂は、共通のものを使用する。ここでは、エポキシ樹脂（エイブルスティック社製２０１７M））を使用したが、本発明の意図に反しないかぎりこれに限定するものではない。
【００２８】
第１の樹脂と第２の樹脂の熱膨張係数が大きく異なる場合、周囲温度の変化や通電時において、樹脂の膨張や収縮に対して、熱膨張係数、接着性強度、硬さの違いにより、内部応力の緩和のバランスが崩れて、ＬＥＤチップ１０４と樹脂との密着性が変わり、それに連動して外部への光取り出し効率が変化して、発光輝度が非常に変動しやすい。また、最悪の場合、第１の樹脂と第２の樹脂との接触する界面での剥離を発端として、ＬＥＤチップ１０４からの樹脂剥離を誘発したり、さらには剥離に伴って発生する樹脂の内部応力を緩和しようとして、樹脂にクラックが導入され、ワイヤーの断線原因となる。
【００２９】
また、樹脂は、一般に熱伝導率がＡｇペーストに比べて１桁程度小さいので、ＡｇペーストでＬＥＤチップ１０４をカップに固定した場合に比べて、本実施例は放熱が悪く、信頼性低下をまねく。そこで、放熱をよくするために、上記第２の樹脂の厚みを、ある程度薄くし、第２の樹脂の熱抵抗を下げることが好ましい。また、一方で薄すぎると、ＬＥＤチップ１０４にかかる樹脂の応力のバランスを保つ効果が弱くなるので、ある程度厚くする必要がある。当社で行った実験では、上記第１の樹脂の厚みは５〜１０μｍが最適であった。
【００３０】
低温動作試験、高温高湿動作試験にそれぞれ１００個投入し、２０００ｈｒまでの発光輝度比の経過特性を測定した。表２に、１００ｈｒ、５００ｈｒ、１０００ｈｒ、２０００ｈｒ経過した時点での発光輝度比を示す。比較例として、ＬＥＤチップをカップ上にＡｇペーストにて固定した他は本実施例と同様の構成とした場合の結果も示す。実施の形態１において、低温動作試験では、１００ｈｒで発光輝度比が１１０〜１１５％と、試験開始時よりも良化するが、その後は安定し、２０００ｈｒまでの測定ではその状態を維持する。
【００３１】
【表２】
0003973457.tif 000003
【００３２】
一方、高温高湿動作試験では、徐々に発光輝度が低下するが、２０００ｈｒ経過時点でも、８０〜８５％の発光輝度比を得た。比較例では、発光輝度の経時変化の傾向は、実施形態１と同じであったが、２０００ｈｒ経過時点の発光輝度比が、低温動作試験では、１２５〜１３０％、高温高湿動作試験では、６０〜７０％まで下がり、実施の形態１のＬＥＤランプの発光輝度の経時劣化の方がゆるやかであった。なお、低温動作時における発光輝度が上昇傾向の変化は、たとえば、フルカラーディスプレイを作製するに場合など、他色の発光と明るさのバランスが崩れる可能性があるため、あまり上昇しすぎるのも、必ずしも良いとは限らない。
【００３３】
（実施の形態２）
サファイア基板上にＰ−Ｎ接合を含む窒化物系化合物半導体多層膜が形成されたＬＥＤチップを発光素子として備えたＬＥＤランプの実施形態２の発明例について説明する。
【００３４】
図２にＬＥＤランプの断面図を示し、以下に実施形態２のＬＥＤランプの組み立て方法について説明する。ダイボンダーに固定したリードフレーム２０１のカップ２０２上にディスペンサにて第１の樹脂２０３を所定量塗布する。カップ２０２の底部の中央には、ＬＥＤチップ２０４の外周より少し大きな溝２０５が形成されており、この溝２０５が埋るように第１の樹脂２０３を塗布する。表面を水平にならし、一旦、第１の樹脂２０３を加熱硬化する。さらに、硬化した第１の樹脂２０３およびカップ２０２の底部上に、フィラーが添加されたチップ接着剤２０６を塗布し、塗布したチップ接着剤２０６上にＬＥＤチップ２０４を載置し、加熱硬化する。
【００３５】
その後、ＬＥＤチップ２０４のｐ側パッド電極２０７ａ、ｎ側パッド電極２０７ｂとリードフレーム２０１をワイヤー２０８ａ、ワイヤー２０８ｂにより電気的に接続し、第２の樹脂２０９でモールドを行う。上記の第１と第２の樹脂は、共通のものを使用する。ここでは、エポキシ樹脂（エイブルスティック社製２０１７M）を使用したが、本発明の意図に反しないかぎり、これに限定されるものではない。
【００３６】
本実施例の構成では、チップ接着剤２０６の下に第１の樹脂２０３を配している。チップ接着剤２０６は、その成分の約７０％がフィラーで占められており、熱的な膨張や収縮は、第１の樹脂２０３に比べて小さい。そのため、チップ接着剤は、ＬＥＤチップ２０４への樹脂応力としては関与せず、第１の樹脂２０３により、ＬＥＤチップ２０４に対する第２の樹脂２０９からの応力を緩和している。
【００３７】
なお、溝の形状は、本実施例では、円筒台状になっているが、載置したＬＥＤチップ２０４に対して樹脂からの応力緩和が均等になるような形状であれば何でも構わない。すなわち、載置したＬＥＤチップ２０４の主面の中心に対して、対称であれば良く、例えば、円錐台状、半球状であっても構わない。
【００３８】
また、溝の深さは、第１の樹脂２０３の厚みに相当し、ＬＥＤチップ２０４に対する樹脂からの応力緩和を左右するが、２０μｍ以上あれば十分であり、特に規定するものでない。ここでは、リードフレーム２０１の加工精度の限界もあり、少し大きめであるが、１００μｍとした。
【００３９】
本実施例ではチップ接着剤２０６としてエポキシ樹脂をベースレジンとし、ＡｇをフィラーとするＡｇペーストを使用した。（たとえば、東芝ケミカル製ケミタイトＣＴ２２０ＨＫや、住友金属鉱山製Ｔ３００７Ｓ）Ａｇペーストは、熱伝導率が大きいので、ＬＥＤチップ２０４の通電時には、ＬＥＤチップ２０４からの発熱はＡｇペーストを介してリードフレーム２０１へ速やかに放熱され、信頼性を向上できる。
【００４０】
なお、Ａｇペースト層の厚さは薄すぎると樹脂からの応力緩和時にＬＥＤチップの外周部付近で切れてしまう可能性があるので、５μｍ以上２０μｍ以下であることが望ましい。厚さの上限は、第１の樹脂２０３からの応力緩和の効果を保持するためである。以下実施例でも同様である。
【００４１】
また、上記チップ接着剤２０６のフィラーは、Ａｇ以外にも、Ａｕ、Ｃｕ、ＢｅＯ、ＡｌＮなど熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ／Ｋ以上のものを使用することが望ましい。
【００４２】
上記の手順で作製されたＬＥＤランプを低温動作、高温高湿動作試験に１００個投入し、発光輝度の経時変化を測定した。表３に１００、５００、１０００、２０００ｈｒ経過時点での発光輝度比を示す。
【００４３】
低温動作試験では、１００ｈｒで発光輝度比が１０２〜１０５％と、少し良化しているが、その後は安定し、２０００ｈｒまでの測定ではその状態を維持。一方、高温高湿動作試験では、ほとんど、発光輝度の変化は見られず、２０００ｈｒ経過時点で、９８〜１０３％の発光輝度比を得た。
【００４４】
【表３】
0003973457.tif 000004
【００４５】
本実施例では、実施の形態１よりも第１の樹脂の厚みを厚くできるので、ＬＥＤチップに対する樹脂の応力緩和がさらに改善できて、信頼性が向上している。
【００４６】
（実施形態３）
ｎ−Ｓｉ基板上にＰ−Ｎ接合を含む窒化物系化合物半導体多層膜が形成されたＬＥＤチップを発光素子として備えたＬＥＤランプの実施の形態３の発明例について説明する。図３にＬＥＤランプの断面図を示し、以下に実施の形態３のＬＥＤランプの組み立て方法について説明する。
【００４７】
ダイボンダーに固定したリードフレーム３０１のカップ３０２上にディスペンサにて第１の樹脂３０３を所定量塗布する。
【００４８】
カップ３０２の底部の中央には、ＬＥＤチップ３０４の外周より少し大きな溝３０５が形成されており、この溝３０５が埋るように第１の樹脂３０３を塗布する。表面を水平にならし、一旦、第１の樹脂３０３を加熱硬化する。
【００４９】
さらに、硬化した第１の樹脂３０３およびカップ３０２の底部上に、フィラーが添加されたチップ接着剤３０６を塗布し、塗布したチップ接着剤３０６上にＬＥＤチップ３０４を載置し、加熱硬化する。
【００５０】
ＬＥＤチップ３０４の主面に形成されたｐ側パッド電極３０７は、ワイヤー３０８に通じて、また、ＬＥＤチップ３０４の基板裏面に形成されたｎ側電極３０９は、チップ接着剤３０６を通じて、リードフレーム３０１と電気的に接続する。
【００５１】
その後、第２の樹脂３１０でモールドを行う。上記の第１と第２の樹脂は、共通のものを使用する。ここでは、発光ダイオードのモールド樹脂用としてＢＡ樹脂（ビスフェノールＡ型樹脂）を使用した。
【００５２】
本実施例ではチップ接着剤３０６としてＡｇペーストを使用した。Ａｇペーストは、実施形態２で述べたような放熱改善による信頼性向上させる役割に加えてＬＥＤチップ３０４とリードフレーム３０１との電気的接続を取る役割を有する。また、Ａｇペーストの代わりにＣｕ、Ａｕなど熱伝導性および導電性の高いフィラーをエポキシ樹脂等に添加したチップ接着剤３０６を使用しても構わない。
【００５３】
また、上記ＬＥＤチップは、ｎ−ＧａＮ基板上や１００〜２００μｍ程度の厚膜の金属膜上にＰＮ接合を含む窒化物系化合物半導体の多層膜が積層されたものでも構わない。
【００５４】
実施の形態１〜３では、第１の樹脂と第２の樹脂は同じ樹脂を用いたが、異なる樹脂を用いても構わない。この場合、２つの樹脂の熱膨張率の差が１％程度のものを用いることが好ましい。このような樹脂を用いることによって、本願の特徴であるＬＥＤチップ周囲での応力を均一化することが可能になる。なお、ここでいう熱膨張係数の差とは、第１の樹脂と第２の樹脂の熱膨張係数をη１、η２とした時、（η１−η２）／η２である。
【００５５】
実施の形態１〜３では、図１〜３に示したように、ＬＥＤチップをリードフレームに載置し、モールド樹脂て覆った形のＬＥＤランプを示したが、図４、図５のような表面突出型の半導体発光装置としても良い。
【００５６】
図４、図５とも絶縁性基板の上に導電膜を形成し、ＬＥＤチップを載置した例である。図４、図５において、４００は基板、４０１は導電性膜、４０２は第１の樹脂、４０３は第２の樹脂である。図４、図５の実施例においても、ＬＥＤチップを載置するための第１の樹脂とモールド樹脂である第２の樹脂４０３に熱膨張率の同程度の樹脂を用いることによって、ＬＥＤチップ周囲での応力が均一化されて、特性の良好な半導体発光装置を得ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
Ｐ−Ｎ接合を含む半導体層を基板上に積層したＬＥＤチップを第２の樹脂にて覆われた半導体発光装置において、ＬＥＤチップをリードフレーム上に第１の樹脂を介して接着固定することで、ＬＥＤチップに対する第１の樹脂からの応力を等方的にし、ＬＥＤチップと第１の樹脂の密着性を均一にすることで、環境条件や動作条件による発光輝度の変動が小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による半導体発光装置の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による半導体発光装置の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による半導体発光装置の断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の半導体発光装置の断面図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の半導体発光装置の断面図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１…リードフレーム
１０２、２０２、３０２…カップ
１０３、２０３、３０３…第１の樹脂
１０４、２０４、３０４…ＬＥＤチップ
２０５、３０５…溝
２０６、３０６…チップ接着剤
１０５ａ、２０７ａ、３０７…ｐ側パッド電極
１０５ｂ、２０７ｂ…ｎ側パッド電極
１０６ａ、１０６ｂ、２０８ａ、２０８ｂ、３０８…ワイヤー
３０９…ｎ側電極
１０７、２０９、３１０…第２の樹脂
【図１】
0003973457.tif 000005
【図２】
0003973457.tif 000006
【図３】
0003973457.tif 000007
【図４】
0003973457.tif 000008
【図５】
0003973457.tif 000009