JP6515515B2

JP6515515B2 - 発光装置の製造法

Info

Publication number: JP6515515B2
Application number: JP2014251332A
Authority: JP
Inventors: 三賀　大輔; 大輔三賀
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2019-05-22
Anticipated expiration: 2034-12-11
Also published as: JP2016115729A

Description

本発明は、発光装置の製造法に関する。

一般に発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）やレーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）等の発光素子は、バックライト等に用いる各種光源、照明、信号機、大型ディスプレイ等に幅広く利用されている。

このような発光素子は、近年の装置の小型化、薄型化の潮流に従って、より一層の小型化が求められているところである。所謂チップサイズパッケージ（Chip Size Package：ＣＳＰ）の発光装置を実現するには、実装のし易さ等を考慮し、外部接続用電極となるバンプをワイヤーボンディング装置により形成する方法が一般に採用されている。

しかしながら従来、バンプの接合強度をさらに高める余地があった。

特開２０１３−２５１４１７号公報

そこで、本発明の目的の一は、バンプの接合強度をより高めた発光装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の一の側面に係る発光装置によれば、複数の発光素子を、前記発光素子の発光を異なる波長の光に変換する板状の波長変換板に、直接接合する接合工程と、前記波長変換板に直接接合された複数の前記発光素子のそれぞれにおいて、前記波長変換板との接合面の反対側の面に、バンプを加圧により設ける電極形成工程と、前記波長変換板を切断することにより、発光素子ごとに個片化する第一個片化工程とを含み、前記電極形成工程において、超音波をバンプに印加することができる。

上記構成により、波長変換板に、接着剤等を用いることなく直接接合によって発光素子を固定できる。また、接着剤等を使用しないで発光素子を波長変換板と一体化したことで、発光素子にパッド電極を設ける際のエネルギーが発光素子に対して効率よく伝達される結果、パッド電極と発光素子との密着性が高められ、パッド電極の剥離を低減して信頼性を向上できる。

本発明の実施形態１に係る発光装置を示す模式平面図である。図１の発光装置のＩＩ−ＩＩ線における模式断面図である。本発明の実施形態１に係る発光装置の製造工程を示すフローチャートである。本発明の実施形態１に係る発光装置の製造方法における直接接合工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態１に係る発光装置の製造方法におけるバンプの形成工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態１に係る発光装置の製造方法における粘着シート上での位置決め工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態１に係る発光装置の製造方法における光反射性樹脂の形成工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態１に係る発光装置の製造方法における外部接続用電極の形成工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態１に係る発光装置の製造方法における個片化工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態２に係る発光装置を示す模式平面図である。図１０の発光装置のＸＩ−ＸＩ線における模式断面図である。波長変換板のチッピング部から光の漏れが生じる様子を示す模式断面図である。波長変換板のエッジ近傍から光の漏れが生じる様子を示す模式断面図である。本発明の実施形態２に係る発光装置の製造方法における外部接続用電極の形成工程を示す模式断面図である。変形例に係る発光装置を示す模式平面図である。図１５の発光装置のＸＶＩ−ＸＶＩ線における模式断面図である。図１５の発光装置をサブマウントに実装した様子を示す模式断面図である。本発明の実施形態３に係る発光装置を示す模式平面図である。図１８の発光装置のＸＩＸ−ＸＩＸ線における模式断面図である。を示す模式断面図である。本発明の実施形態３に係る発光装置の製造方法におけるパッド電極の形成工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態３に係る発光装置の製造方法におけるリフレクタ部の形成工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態３に係る発光装置の製造方法における支持体上での位置決め工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態３に係る発光装置の製造方法における光反射性樹脂の形成工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態４に係る発光装置を示す模式断面図である。本発明の実施形態４に係る発光装置の製造方法におけるレンズの圧縮成形工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態５に係る発光装置の製造方法におけるレンズの形成工程を示す模式断面図である。本発明の実施形態５に係る発光装置の製造方法における発光素子の接合形成工程を示す模式断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（実施形態１）

図１に、本発明の実施形態１に係る発光装置１００の平面図を、図２に、この発光装置１００の断面図を、それぞれ示す。これらの図に示す発光装置１００は、発光素子１０を含む。発光素子１０は、第一導電型を示す第一半導体層１と、第一導電型とは異なる第二導電型を示す第二半導体層２と、第一半導体層１と第二半導体層２との間に配置された活性層３と、第一半導体層１と接続された第一パッド電極２０Ａと、第二半導体層２と接続され、第一パッド電極２０Ａと同一面側に設けられている第二パッド電極２０Ｂとを含む。第一半導体層１は例えばｎ型半導体層、第二半導体層２は例えばｐ型半導体層とでき、これらの半導体層は窒化物半導体層が好適に利用できる。

発光素子１０は、第一パッド電極２０Ａと第二パッド電極２０Ｂとが形成されている電極形成面と、電極形成面とは反対側に位置する発光面と、を有している。発光装置１００において、電極形成面側の面には第一パッド電極２０Ａと第二パッド電極２０Ｂとが露出して設けられており、外部接続用電極２２がそれぞれ設けられている。第一パッド電極２０Ａおよび第二パッド電極２０Ｂは、それぞれ第一半導体層１と第二半導体層２と電気的接続されている。パッド電極２０は、例えば、ＡｕまたはＡｕを主成分とする合金とすることができる。外部接続用電極２２は、発光装置１００の外部の部材と電気的に接続するための部材であり、例えば配線電極パターン、メタライズ端子等とすることができる。この発光装置１００は、いわゆるチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）と呼ばれる小型の装置、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）として好適に利用できる。
（波長変換板３０）

また発光素子１０の発光面には、波長変換板３０が直接接合により接合されている。波長変換板３０は、発光素子１０の発光を異なる波長の光に変換する板状の部材である。この波長変換板３０は、蛍光体等の波長変換材を含有させている。蛍光体には、例えばＹＡＧ蛍光体が使用できる。
（光反射性樹脂４０）

さらに波長変換板３０の側面と、発光素子１０との接合面側における発光素子１０との接合領域以外の露出面と、発光素子１０の側面及び電極形成面の一部と、は光反射性樹脂４０で被覆されている。このような光反射性樹脂４０は、例えば、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂等の光散乱部材が含有された樹脂が好適に利用できる。
（発光装置１００の製造工程）

この発光装置１００の製造工程を、図３のフローチャート及び図４〜図９に基づいて説明する。
（波長選別工程）

まず、ステップＳ１において、半導体ウェハから切り出した発光素子１０を、発光ピーク波長に応じて選別する。このような選別を予め行っておくことで、波長の揃った発光素子が設けられた発光装置を得ることが容易に行える。さらに発光ピーク波長に応じて選別した状態で波長変換板と固定できるため、発光素子の波長に応じた波長変換板の組み合わせを選択できることから、発光装置の出力光を揃えた状態での製造が可能となる。なお、この工程は必須ではなく、製造工程を簡略化するために選別を行わなくてもよい。
（直接接合工程）

次にステップＳ２において、図４に示すように、選別された複数の発光素子１０を、予め用意した波長変換板３０に、直接接合する。直接接合は、例えば表面活性化結合、水酸基結合、原子拡散結合が利用できる。表面活性化結合は、接合面を真空中で処理することで化学結合しやすい表面状態として接合面同士を結合する方法である。水酸基結合は、例えば原子層堆積法などにより接合面に水酸基を形成し、それぞれの接合面の水酸基同士を結合させる方法である。原子拡散結合は、それぞれの接合面に１原子層相当の膜厚の金属膜を形成し、真空中や不活性ガス雰囲気でそれぞれの接合面を接触させることで金属原子同士を結合させる方法である。このような直接接合により、常温に近い環境下で発光素子１０と波長変換板３０とを一体化することができる。
（電極形成工程）

さらにステップＳ３において、図５に示すように、波長変換板３０に接合された複数の発光素子１０のそれぞれに対し、波長変換板３０との接合面の反対側の面にパッド電極２０を、加圧により設ける。ここで、発光素子１０と波長変換板３０とは既に直接接合によって強固に一体化されているので、パッド電極２０形成のために加圧されても、この加圧のエネルギーが接合部分で吸収、分散される事態を回避して、パッド電極２０の接合強度を高めることができる。すなわち、従来のような接着剤を使用した接合と比べ、パッド電極２０の接合のためのエネルギーをパッド電極２０と発光素子１０との界面に伝達させ易くして密着力を高め、パッド電極２０の剥離を低減して信頼性を改善できる。パッド電極２０には、バンプやめっき層が好適に利用できる。

ここでパッド電極２０は、加熱しながら形成してもよい。特に波長変換板３０に発光素子１０を直接接合しているため、従来のように接着剤として使用した樹脂が加熱により変形することがなく、密着性よく電極を形成することができる。

あるいはパッド電極２０は、超音波を印加しながら形成してもよい。同様に直接接合で発光素子１０と波長変換板３０とが一体的に接合されているため、超音波のエネルギーを効率よく印加してパッド電極２０を接合できる。なお、超音波の印加と上述した加熱とを同時に行いながら電極を形成してもよく、さらに効率よく密着性に優れた電極を形成することができる。
（第一個片化工程）

次いでステップＳ４において、図５において破線で示すように、波長変換板３０を切断することにより、発光素子１０ごとに個片化する。
（光反射性樹脂形成工程）

さらにステップＳ５において、図６に示すように、個片化した複数の波長変換板３０を有する発光素子１０を、波長変換板３０が支持体側となるように支持体ＳＰ上に、離間させて位置決めした状態に並べる。支持体ＳＰには、例えば粘着シート等が利用できる。

次いで、図７の断面図に示すように、個片化された波長変換板３０を有する発光素子１０同士の間に、光反射性樹脂４０を充填して形成する。光反射性樹脂４０は、好ましくは圧縮成形する。圧縮成形とは、熱硬化性樹脂等を加圧しながら加熱することで硬化させる方法である。圧縮成形により光反射性樹脂４０を形成した後、パッド電極２０が形成された電極形成面側から光反射性樹脂４０を研磨して、光反射性樹脂４０の電極形成面側の面からパッド電極２０を露出させる。また必要に応じて再配線を行い、パッド電極２０の端子を形成してもよい。
（外部接続用電極形成工程）

さらにステップＳ６において、図８に示すように、光反射性樹脂４０の電極形成面側の面から露出されたパッド電極２０と接合するように、外部接続用電極２２を形成する。外部接続用電極２２の形成には、フォトリソグラフィやスパッタリング、エッチングなどの手法が適宜利用できる。
（支持体除去工程）

さらにステップＳ７において、図８の状態から支持体ＳＰを除去する。支持体ＳＰの除去後は、波長変換板３０の接合面の反対側の面と光反射性樹脂４０の支持体ＳＰが設けられていた面とが同一面となる。
（第二個片化工程）

さらにステップＳ８において、図８において破線で示すように、光反射性樹脂４０を切断することにより、図９（図８と上下を入れ替えている）に示すように、発光素子１０毎に個片化する。

このような構成により、波長変換板３０に、接着剤等を用いることなく直接接合によって発光素子１０を固定できる。また、接着剤等を使用しないで発光素子１０と波長変換板３０とを一体化したことで、発光素子１０にパッド電極２０を設ける際のエネルギーが発光素子１０に対して効率よく伝達される結果、パッド電極２０と発光素子１０との密着性が高められ、パッド電極２０の発光素子１０からの剥離を低減して信頼性を向上できる。加えて、予め発光素子１０を半導体ウェハから切り出して、発光ピーク波長に応じて選別した状態で波長変換板３０と固定できるため、発光素子１０の波長に応じた波長変換板３０の組み合わせを選択できる。その結果、発光装置の出力光を揃えた状態での製造が可能となり、半導体ウェハの段階で波長変換板３０と固定する従来の製造方法に比べ、歩留まりを大幅に改善できる。
（実施形態２）

また発光装置は、波長変換板３０と光反射性樹脂４０との界面を被覆し、遮光性を有する枠状の遮光膜５０をさらに備えることもできる。このような発光装置２００を実施形態２として、図１０及び図１１に示す。この構成により、波長変換板３０と光反射性樹脂４０との界面からの光漏れを遮光膜５０でもって遮断し、見切りのよい発光装置２００を得ることができる。

従来の発光装置では、例えば図１２に示すように、波長変換板１１３０のチッピング部から、半導体素子１１００の光の漏れが生じることがあった。あるいは図１３に示すように、波長変換板１１３０のエッジ近傍から、光反射性樹脂１１４０を透過して光の漏れが生じることがあった。このように、発光装置の光出射面側で、波長変換板の周囲で光が漏れることにより見切りが悪くなるという問題があった。

これに対して、本発明の実施形態２に係る発光装置２００では、遮光膜５０を付加することで、このような漏れ光を抑制して見切りを改善することができる。具体的には、図１０及び図１１に示すように、波長変換板３０と光反射性樹脂４０との界面を被覆するように遮光膜５０を配置する。遮光膜５０は、平面視において枠状で、遮光性を有する素材で構成される。例えば、黒色の顔料を含んだ樹脂等が好適に利用できる。
（遮光膜形成工程）

このような遮光膜５０を形成するには、例えば上述した発光装置の製造工程において、第二個片化工程Ｓ８の前に支持体ＳＰを除去し、支持体ＳＰが除かれた側の面において、波長変換材３０の周縁と光反射性樹脂４０とを跨いで被覆する遮光膜５０を形成する。具体的には、図１４の断面図に示すように、製造工程の途中で複数の発光素子１０が精度よく並べられた状態を利用し、外部接続用電極２２を形成するのと同様の要領で、波長変換板３０と光反射性樹脂４０との界面に遮光膜５０をパターン形成する。このとき、支持体ＳＰが除かれた側の面において、波長変換板３０と光反射性樹脂４０とが略同一平面上に位置していることが好ましい。このようにすれば、波長変換板３０と光反射性樹脂４０との界面に遮光膜５０を形成しやすくなる。その後、必要に応じて個片化を行い、図１０及び図１１に示すような遮光膜５０を形成した発光装置２００が得られる。
（変形例）

なお、以上の例では発光素子を１個備える発光装置を構成する例を説明した。ただ、本発明はこの構成に限らず、一の発光装置に２以上の発光素子を含めることもできる。例えば図１５及び図１６に示すように、一枚の拡張した波長変換板３０に、複数個の発光素子１０を直接接合した発光装置３００を得ることもできる。このように一の発光装置に使用する発光素子１０の個数を調整することで、発光装置に必要な光量や出力を実現できる。また上述した図１５及び図１６の例では、横方向に発光素子１０を一列（図１６の例では５個）に並べた発光装置３００を示しているが、本発明はこの構成に限られず、平面視において発光素子１０を縦横に並べたマトリックス状の発光装置とすることもできる。

また、図１５及び図１６に示すように遮光膜５０を設けた状態の発光装置３００を、必要に応じてサブマウント上に二次実装した発光装置とすることもできる。一例として、実施形態２に係る発光装置をサブマウント６０に実装した発光装置４００の断面図を、図１７に示す。
（実施形態３）

さらに発光装置は、発光素子１０の側面から波長変換板３０にかけて延長されたリフレクタ部７０を備えることもできる。発光素子１０の側面から出射される光を、発光素子１０の光取り出し面側に反射させるリフレクタ部を設けることで、光取り出し面の正面輝度を高めることができる。このような例を実施形態３に係る発光装置５００として、図１８及び図１９に示す。リフレクタ部７０は、発光素子１０の側面から傾斜して張り出したフィレット状に形成される。このリフレクタ部７０は、透光性の樹脂等で形成される。リフレクタ部７０に使用する樹脂としては、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等が好適に利用できる。
（リフレクタ形成工程）

このようなリフレクタ部７０を形成するには、例えば上述した発光装置１００の製造工程において、図５に示す電極形成工程の後に複数の発光素子１０のそれぞれについて、発光素子１０の側面と波長変換材３０の接合面側の面とを連続して被覆するようにリフレクタ部７０を形成する。具体的には、図２０に示すように、波長変換板３０上に直接接合された各発光素子１０に対し、パッド電極２０を形成する。この状態で、図２１に示すように、直接接合された発光素子１０の周囲に、リフレクタ部７０を形成する。例えば、リフレクタ部７０を構成する透光性の樹脂を液状の状態で発光素子１０の周囲に塗布して、這い上がり効果によってリフレクタ部７０の傾斜面を形成する。あるいは、透光性の樹脂を発光素子１０の周囲に充填し、硬化させた状態で、ダイシングブレードなどで切削加工してもよい。あるいはまた、樹脂成型によって所望の形状のリフレクタ部を形成することもできる。

さらに図２２に示すように、発光素子１０毎に、あるいは所望の発光素子１０の個数毎に、波長変換板３０を切断して個片化し、粘着シート等の支持体ＳＰ上に配置する。またダイシングでリフレクタ部７０を形成する場合は、別途支持体ＳＰ上に配置せずとも、ダイシングシート上に固定した状態でもって代用することもできる。

そして図２３に示すように、光反射性樹脂４０を圧縮成形する。これにより、リフレクタ部７０の周囲が光反射性樹脂４０で充填される結果、光反射性樹脂４０で囲まれたリフレクタ部７０が形成される。最後に、上記図７、図８、図９等に基づいて説明したとおり、外部接続用電極形成工程Ｓ６、支持体除去工程Ｓ７、第二個片化工程Ｓ８を経て、図１８及び図１９に示すリフレクタ部７０を備える発光装置５００が得られる。これにより、リフレクタ部７０によって発光素子１０の側面から漏れる光を波長変換板３０に案内して、光の取り出し効率を改善できる。
（実施形態４）

さらに発光装置は、光反射性樹脂４０の上面に形成されたレンズ部を備えることもできる。このような発光素子１０を実施形態４に係る発光装置６００として、図２４に示す。レンズ部８０は、例えば、透光性の樹脂やガラス等を成形することで形成できる。このようなレンズ部８０を設けることで、発光素子１０からの光を効率よく取り出すことができる発光装置を安価に製造できる。本実施形態４に係る発光装置６００では製造工程において、光反射性樹脂３０の支持基板ＳＰが除去された面側に直接モールドガラスレンズなどを接着することができるので、低コストで、効率よくレンズ部８０を形成することが可能となる。
（レンズ形成工程）

このようなレンズ部８０を形成するには、例えば上述した発光装置１００の製造工程と同様の手順によって、図８に示すような光反射性樹脂４０を発光素子１０と波長変換板３０の周囲に充填され複数の発光素子１０が連なっており、光反射性樹脂４０から露出したパッド電極２０に外部接続用電極２２が形成された状態まで作成する。次に図２５に示すように、支持体ＳＰを除去して、除去した面側にレンズ部８０を圧縮成形する。具体的には、レンズ部８０を構成する透光性の樹脂を未硬化の状態で塗布し、さらにレンズ部８０の外形に応じた凹部を形成した成形型ＭＤを被せて押圧し成形する。このとき、支持体ＳＰが除かれた側の面において、波長変換板３０と光反射性樹脂４０とが略同一平面上に位置していることが好ましい。このようにすれば、波長変換板３０と光反射性樹脂４０との界面にレンズ部８０を形成しやすくなる。そして、レンズ部８０を構成する樹脂を硬化した後に個片化して、図２４に示す発光装置６００を得る。
（実施形態５）

またレンズ部８０の形成方法は、上述の方法に限られず、他の方法も適宜利用できる。例えば実施形態５に係る発光装置では、図２６に示すように、予め複数のレンズ部８０’を配列した成形型ＭＤ’を用意し、このキャビティに未硬化の透光性樹脂やガラス等のレンズ部８０’を構成する部材を充填する。複数のレンズ部８０’は連結状態で硬化される。硬化後、発光素子１０と接合する面を研磨する。

そして図２７に示すように、各レンズ部８０’に対して、予め個片化した発光素子１０を接合させる。この接合には、接着剤等を使用する他、発光素子１０の上面に形成された波長変換板３０とレンズ部８０’とを直接接合させてもよい。そして、上述した手順に従い、光反射性樹脂４０を形成して光反射性樹脂４０からパッド電極２０を露出させた後、外部接続用電極２２を形成し、第二個片化を経て発光装置を得る。

このようにして得られた発光装置は、発光素子１０の一面からのみ光を取り出すため、配向に優れ色むらの少ない高い光質の発光が得られる。また発光素子１０からの発熱を発光素子１０に直接接合された部材から放熱することができるので放熱性を高める効果も得られる。

以上のように本発明の実施形態によれば、波長変換板に固定された状態でパッド電極を設けることができるため、作業性や効率に優れることに加え、打ち込む際のエネルギーを効率よく発光素子に与えることができ、強固な接続が維持される。また発光素子を波長変換板と一体化できるので、この点においても機械的強度と信頼性の向上に寄与できる。

本発明の実施形態に係る半導体発光装置の製造法によれば、窒化物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の半導体素子の製造工程においてパッド電極を形成する際の信頼性を高めることができ、このような半導体素子の製造方法として好適に利用できる。

１００、２００、３００、４００、５００、６００…発光装置
１…第一半導体層
２…第二半導体層
３…活性層
２０…パッド電極；２０Ａ…第一パッド電極；２０Ｂ…第二パッド電極
２２…外部接続用電極
１０…発光素子
３０…波長変換板
４０…光反射性樹脂
５０…遮光膜
６０…サブマウント
７０…リフレクタ部
８０、８０’…レンズ部
１１００…半導体素子
１１３０…波長変換板
１１４０…光反射性樹脂
ＳＰ…支持体
ＭＤ、ＭＤ’…成形型

Claims

複数の発光素子を、前記発光素子の発光を異なる波長の光に変換する板状の波長変換板に、直接接合する接合工程と、
前記波長変換板に直接接合された複数の前記発光素子のそれぞれにおいて、前記波長変換板との接合面の反対側の面に、バンプを加圧により設ける電極形成工程と、
前記波長変換板を切断することにより、発光素子ごとに個片化する第一個片化工程と、
を含み、
前記電極形成工程において、超音波をバンプに印加する発光装置の製造方法。
請求項１に記載の発光装置の製造方法であって、さらに、
前記個片化した複数の前記波長変換板を有する発光素子を、前記波長変換板が支持体側となるように支持体上に離間して並べる配置工程と、
前記波長変換板を有する発光素子同士の間に光反射性樹脂を充填して形成する樹脂形成工程と、
前記光反射性樹脂を切断することにより、発光素子ごとに個片化する第二個片化工程と、
を含む発光装置の製造方法。
請求項１又は２に記載の発光装置の製造方法であって、
前記直接接合が、表面活性化結合、水酸基結合、原子拡散結合のいずれかである発光装置の製造方法。
請求項１〜３のいずれか一に記載の発光装置の製造方法であって、さらに、
前記電極形成工程において、加熱する発光装置の製造方法。