JP2006351611A - 発光素子搭載用基板及びそれを用いた光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、発光素子の近傍に設けた反射体での反射或いは発光素子の搭載面での反射を高反射化して、輝度の高い光半導体装置とするための発光素子搭載用基板及びその光半導体装置を提供することである。
【解決手段】
本発明に係る発光素子搭載用基板は、基板上に半導体発光素子が搭載される位置を取り囲んで該半導体発光素子の光を前記基板の上方側に向けて反射させる反射体を備えた発光素子搭載用基板において、前記反射体は、少なくとも反射面に、ニッケル層と、該ニッケル層の上に設けた金層若しくはアルミニウム層とを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオードチップなどの発光素子を基板の表面に搭載するための発光素子搭載用基板及びそれを用いた光半導体装置に関する。光半導体装置は、特に、表示用又は照明用の光源として利用するものである。

従来の発光素子搭載用基板を図１に示す。図１の発光素子搭載用基板は、基板上に形成された第１の電極１３と、その第１の電極１３と離間されて形成された第２の電極１４と、前記第１の電極１３に一方の電極が導電接続され、前記第２の電極１４に他方の電極が導電接続された発光素子１５ａと、その発光素子１５ａの光を反射させる反射体５とを有する発光素子搭載用基板において、前記反射体５は、前記発光素子１５ａが搭載される位置の周囲にエッチングで形成した反射面５ａを有しつつ基板側に積層形成された金属板としたものである（特許文献１を参照。）。

この発光素子搭載用基板は、発光素子１５ａの光を反射体５の反射面５ａで反射させて、基板の上方側にその光を照射させるというものである。

前記発光素子搭載用基板の反射体５は、銅、銀、ニッケル、錫、銅合金等の金属により形成されている（特許文献１の明細書段落番号００５４を参照。）。また、第１の電極１３からの反射効率を高めるために、第１の電極１３の表面にはニッケルを蒸着しても良いとしている。ニッケルは、第１の電極１３の材質である銅の酸化による劣化防止と酸化による光反射効率の低下を防止するとしている（特許文献１の明細書段落番号００７０を参照。）。

特開２００４−２８２００４号公報

近年、半導体発光素子の中心発光波長は、短波長側である４００〜５００ｎｍにシフトするように開発が進められている。しかし、４００〜５００ｎｍの青色波長において、例えばニッケルが有する光反射率はせいぜい６０％である。このため、特許文献１の発光素子搭載用基板において、ニッケルからなる反射体５を設けて発光素子から発光した光を基板の上方側に反射させる際に、或いは、第１の電極１３にニッケルを蒸着して発光素子から発光した光を基板の上方側に反射させる際に、必ずしも効率良く光反射がなされているとはいえなかった。

そこで、本発明の目的は、このような反射体での反射或いは発光素子の搭載面での反射を高反射化して、輝度の高い光半導体装置とするための発光素子搭載用基板及びその光半導体装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、４００〜５００ｎｍの青色波長において、極めて反射率が高い反射層を反射体の反射面及び／又は光半導体発光素子の搭載面に設けた発光素子搭載用基板であり、その基板に半導体発光素子を搭載した光半導体装置である。

具体的には、本発明に係る発光素子搭載用基板は、基板上に半導体発光素子が搭載される位置を取り囲んで該半導体発光素子の光を前記基板の上方側に向けて反射させる反射体を備え、前記反射体は、少なくとも反射面に、ニッケル層と、該ニッケル層の上に設けた金層若しくはアルミニウム層とを有することを特徴とする。ニッケル層と、該ニッケル層の上に設けた金層若しくはアルミニウム層によって、反射体の反射面において光が高効率で反射される。

また、本発明に係る発光素子搭載用基板は、基板上に半導体発光素子が搭載される位置を取り囲んで該半導体発光素子の光を前記基板の上方側に向けて反射させる反射体を備え、前記半導体発光素子の搭載面にニッケル層を設け、該ニッケル層の上に金層若しくはアルミニウム層を設けたことを特徴とする。ニッケル層と、該ニッケル層の上に設けた金層若しくはアルミニウム層によって、半導体発光素子の搭載面において光が高効率で反射される。

本発明に係る発光素子搭載用基板では、前記反射体は、表面から裏面に向かって縮径した開口孔を有する金属板からなり、前記開口孔に前記半導体発光素子が収容される位置関係で、前記金属板の裏面と前記基板の表面が固着されている場合が包含される。

本発明に係る発光素子搭載用基板では、前記反射体は、前記半導体発光素子が搭載される位置にエッチングで設けた、深さ方向に向かって縮径した開口孔の内壁面を反射面としている場合が包含される。

本発明に係る発光素子搭載用基板では、前記開口孔の最大内径よりも前記開口孔の深さが大きいことが好ましい。発光した光の多くを開口孔の内壁面で反射させることとなり、基板上方側に強度の強い光を照射することができる。

本発明に係る光半導体装置は、本発明に係る発光素子搭載用基板に、前記半導体発光素子として、中心発光波長が４００〜５００ｎｍの範囲にある半導体発光素子を搭載したことを特徴とする。中心発光波長が４００〜５００ｎｍの範囲の光が本発明に係る発光素子搭載用基板を用いることで、高反射率で、基板上方側に反射される。

本発明に係る光半導体装置では、前記開口孔は、前記半導体発光素子が前記開口孔から突出することがない深さを有することが好ましい。発光した光の多くを開口孔の内壁面で反射させることとなり、基板上方側に強度の強い光を照射することができる。

本発明により、反射体での反射或いは発光素子の搭載面での反射の効率を高めることができるので、輝度の高い光半導体装置とすることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。本発明は、発光素子搭載用基板とそれに半導体発光素子を搭載した光半導体装置であるため、発光素子搭載用基板を含めて光半導体装置を詳細に説明することとする。

本実施形態に係る光半導体装置で使用する発光素子搭載用基板は、基板上に半導体発光素子が搭載される位置を取り囲んで該半導体発光素子の光を前記基板の上方側に向けて反射させる反射体を備え、前記反射体は、少なくとも反射面に、ニッケル層と、該ニッケル層の上に設けた金層若しくはアルミニウム層とを有することを特徴とする。また、前記半導体発光素子の搭載面にニッケル層を設け、該ニッケル層の上に金層若しくはアルミニウム層を設けたことを特徴とする。ここで、ニッケル層と、該ニッケル層の上に設けた金層若しくはアルミニウム層は、反射体の反射面にのみに設けても良く、半導体発光素子の搭載面にのみに設けても良く、或いは、反射体の反射面と半導体発光素子の搭載面の両方に設けても良い。以下の実施形態では反射体の反射面と半導体発光素子の搭載面の両方に設けた場合を例として説明することとする。

（第１実施形態）
本発明の光半導体装置の構成を図２及び図３で説明する。図２は、第１実施形態に係る光半導体装置の一形態の構成を示す斜視概略図である。図３は、図２の斜視概略図において、Ａ−Ａ’線での縦断面図である。

図２又は図３に示した光半導体装置１００は、発光素子搭載用基板２１の上面に半導体発光素子２２を搭載したものである。発光素子搭載用基板２１は、基板２３上に半導体発光素子２２が搭載される位置Ｘを取り囲んで半導体発光素子２２が発光した光を基板２３の上方側（図３の上方）に向けて反射させる反射体２４を備えている。

基板２３は、セラミックスやガラスエポキシ等の絶縁物によって形成されている。また、金属板の表面に、酸化層或いはセラミックスコーティング層を設けた基板を用いても良い。ここで、金属板としては、アルミニウム、銅、ステンレスなどを使用することができる。図２又は図３では、基板２３の表面にリードフレーム２５ａ,２５ｂ,２５ｃ,２５ｄが形成されている。ここでリードフレーム２５ａとリードフレーム２５ｄはスルーホール２６ａによって導電接続されている。またリードフレーム２５ｂとリードフレーム２５ｃはスルーホール２６ｂによって導電接続されている。

半導体発光素子２２は、ボンディングワイヤ２７ａ及び２７ｂで供給される電流により所定の波長で発光する。本実施形態に係る光半導体装置においては、中心発光波長が４００〜５００ｎｍの範囲にある半導体発光素子を搭載することが望まれる。半導体発光素子２２としては、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物からなる窒化物系半導体発光素子が例示できる。半導体発光素子２２が例えばサファイア基板上に形成された半導体層を備える場合は、半導体発光素子２２を基板２３に直接搭載してもよいし、リードフレーム２５ａ又はリードフレーム２５ｂ上に搭載してもよい。半導体発光素子２２が半導体基板上に形成された半導体層を備える場合は、ボンディングワイヤ２７ａ，２７ｂを低減するため、半導体発光素子２２をリードフレーム２５ａ又はリードフレーム２５ｂ上に搭載することが好ましい。

反射体２４は、図２又は図３に示した光半導体装置１００では、表面から裏面に向かって縮径した開口孔２８を有する金属板から形成されている。金属板の材質は、銅、銀、ニッケル、錫、銅合金等の各種金属が使用できるが、銅、又は銅合金が好ましい。

反射体２４において縮径した開口孔２８を設ける理由は、半導体発光素子２２で発光した光を開口孔２８の内壁面で基板上部方向に反射させるためである。縮径の形状は、直線状のものでも、波線状のものでも、階段状のものでもよい。反射体２４の開口孔２８の内壁面の一部が、半導体発光素子２２の発光した光を基板上部方向に反射する面となっていれば良い。開口孔２８の横断面の形状は、開口孔２８の内壁面が反射面２９となればいかなる形状のものでも良く、図２では四角形としている。多角形や円形、楕円形でもよい。また、開口孔２８は、金属板をパンチングして、打ち抜き加工することにより得られる。また、エッチングによって開口孔２８に相当する部分を溶解させて形成しても良い。

ここで半導体発光素子２２が開口孔２８に収容されることが必要である。開口孔２８のほぼ中央に半導体発光素子２２が配置されるように、半導体発光素子２２が搭載される位置Ｘと開口孔２８の軸を重ねることが好ましい。上記の開口孔２８と半導体発光素子２２が上記の位置関係を保持した上で、反射体２４である金属板の裏面と基板２３の表面が固着されている。固着方法は、接着剤、導電ペーストまたは半田による接着が好ましい。

反射体２４は、少なくとも反射面２９に、ニッケル層３０と、ニッケル層３０の上に設けた金層３１とを有する。反射体２４がニッケル板からなる場合は、反射体２４の反射面２９自体がニッケル面となっているため、その上に金層３１を設けることとしても良い。図２又は図３の光半導体装置１００では、例えば反射体２４は銅板によって形成しているので、反射面２９に、ニッケル層３０とその上に金層３１を設けている。４００〜５００ｎｍの青色波長において、例えばニッケルが有する光反射率はせいぜい６０％で、銅においては光反射率がさらに低い。そこで、反射面２９にニッケル層３０とその上に金層３１を設けることで、光反射率を９０％以上確保することとした。金層３１は、４００〜５００ｎｍの青色波長において、光反射率が９０％以上である。本実施形態では、金層３１に代えてアルミニウム層としても良く、同様に高光反射をさせることができる。

ニッケル層３０は、厚みを１〜５μｍ、好ましくは２〜３μｍとする。めっき法、蒸着法、スパッタリング法などの各種成膜法によって成膜される。

金層３１は、厚みを０．０５〜３μｍ、好ましくは０．１〜１．０μｍとする。めっき法、蒸着法、スパッタリング法などの各種成膜法によって成膜される。金層３１を上記厚さとすることで光反射率９０％以上が得られる。金層３１に代えてアルミニウム層とする場合、厚みを０．０５〜３μｍ、好ましくは０．１〜１．０μｍとする。めっき法、蒸着法、スパッタリング法などの各種成膜法によって成膜される。金層３１に代えてアルミニウム層を上記厚さとすることで、光反射率９０％以上が得られる。

ニッケル層と金層は、さらに半導体発光素子２２の搭載面にわたって設けられている。この搭載面においても、同様の成膜方法によりニッケル層３０は、厚みを１〜５μｍ、好ましくは２〜３μｍとする。金層３１は、厚みを０．０５〜３μｍ、好ましくは０．１〜１．０μｍとする。半導体発光素子２２の搭載面に向けて発光される光もあるため、搭載面にて４００〜５００ｎｍの青色波長の光を高効率で光反射させることで、光半導体装置１００の輝度を高めることができる。半導体発光素子２２の搭載面においても、金層３１に代えてニッケル層３０の上にアルミニウム層を設けても良く、同様に高光反射をさせることができる。

金属板の厚み、すなわち、開口孔２８の深さ（反射体２４の高さと等しい）は、例えば１００μｍ〜３ｍｍであり、好ましくは、２００〜１０００μｍである。この厚みによって反射面２９の幅を調整することができる。また、半導体発光素子２２の発光した光が反射面２９で反射され、基板上方に照射させるために、開口孔２８は、半導体発光素子２２が開口孔２８から突出することがない深さを有することとすることが好ましい。また、同様の理由により、開口孔２８の最大内径、すなわち反射体２４の表面における開口孔２８の内径よりも開口孔２８の深さが大きいことが好ましい。このようにすることで、半導体発光素子２２の発光した光のほぼ全てが、反射面２９で反射され若しくは反射を繰り返しながら、開口孔２８の開口から基板上方に向けて照射させることとなる。したがって、基板上方への輝度を大きくすることができる。

基板２３の上面には、透光性の材料で開口孔２８を埋め、半導体発光素子２２を覆うように封止部３２が形成されている。半導体発光素子２２から光を効率的に出射させるため、封止部３２の材料の屈折率は半導体発光素子２２の半導体層に近いことが好ましい。比較的屈折率が高く、加工の容易な材料として、例えば、ガラス、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等が例示できる。

封止部３２は単一の材料や単一の構成でなくともよい。複数の材料で構成したり、複数の構造物を組み合わせたりしてもよい。

また、封止部３２には蛍光材料が添加されていてもよい。蛍光材料は、半導体発光素子２２で発光する光の波長よりも小さいエネルギーギャップを有することにより、半導体発光素子２２で発光する光に反応して、長い波長の光に変換することができる。例えば、青色で発光する半導体発光素子からの光を、青色の補色に変換して両者を加法混色させることによって白色光としてもよいし、加法混色により種々のスペクトルの出射光とすることでもよい。

基板２３には、スルーホール２６ａが設けられ、スルーホール２６ａの内壁を覆う金属の配線で基板上面のリードフレーム２５ａと基板下面のリードフレーム２５ｄとを接続する。また、スルーホール２６ｂが設けられ、スルーホール２６ｂの内壁を覆う金属の配線で基板上面のリードフレーム２５ｂと基板下面のリードフレーム２５ｃとを接続する。このようなリードフレームで光半導体装置１００の外に取り出すことによって、回路基板やフレキシブル配線基板上にフリップチップ接続をすることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態に係る光半導体装置１００の反射体２４が、表面から裏面に向かって縮径した開口孔２８を有する金属板からなり、金属板が基板２３に固着されるのに対して、第２実施形態に係る光半導体装置では、反射体が、半導体発光素子の搭載される位置にエッチングで設けた、深さ方向に向かって縮径した開口孔の内壁面を反射面としている点で異なる。半導体発光素子、リードフレーム、スルーホール及び基板については全く同様であり、さらにニッケル層を設け、該ニッケル層の上に金層若しくはアルミニウム層を設ける点についても同様である。以下、上記相違部分について説明する。

第２実施形態に係る光半導体装置では、基板２３の上にまず金属層をめっき法、蒸着法又はスパッタリング法の成膜方法を用いて形成する。そして該金属層をエッチングすることで、深さ方向に向かって縮径した開口孔を形成し、開口孔の内壁面を反射面とする。金属層としては、銅、銀、ニッケル、錫、銅合金等が使用できるが、銅、又は銅合金が好ましい。第２実施形態に係る光半導体装置の構造は図２又は図３で示した構造と同様となる。ただし、第１実施形態に係る光半導体装置１００では、金属板を、例えば接着剤、導電ペーストまたは半田を使って基板に固着させるが、第２実施形態に係る光半導体装置では、基板の上面にめっき法などの成膜法により金属層を形成させるため、反射体が基板に積層一体化されることとなる。

次に第１実施形態に係る光半導体装置１００の製造方法を説明する。図４（１）〜図４（４）は第１実施形態に係る光半導体装置１００の製造方法を説明する図である。図４（１）〜図４（４）において、図２又は図３と同じ符号は同じ意味を表す。

まず、複数の半導体発光素子２２を搭載することのできる基板２３に貫通するスルーホール２６を形成し、スルーホール２６の内壁を金属でメッキ等をすることによって、基板２３の上面と下面を結ぶ配線を形成する（図４（１））。基板２３の上面と下面には所定のパターンでリードフレーム２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄを形成する（図４（１））。スルーホール２６の内壁の配線形成とリードフレーム２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄの形成はどちらが先でもよい。

次に、基板２３の上面であって、少なくとも半導体発光素子２２を搭載することとなる位置の周囲に、ニッケル層３０をめっき法、蒸着法、スパッタリング法などの成膜法により形成する。つぎに少なくともニッケル層３０の表面に、金層３１若しくはアルミニウム層をめっき法、蒸着法、スパッタリング法などの成膜法により形成する（図４（１））。

次に、基板２３の上面に半導体発光素子２２をそれぞれ搭載する。それぞれの半導体発光素子２２の電極とリードフレーム２５ａとをボンディングワイヤ２７ａによって導電接続し、それぞれの半導体発光素子２２の電極とリードフレーム２５ｂとをボンディングワイヤ２７ｂによって導電接続する。

次に、所定の形状の反射体２４を基板２３に搭載する（図４（２））。反射体２４は、金属板をパンチングによって打ち抜いて、開口孔２８を形成し、開口孔２８の内壁面を反射面とする。パンチャーの凸金型の形状を、先端面に近づくにつれて、縮径させることで、表面から裏面に向かって縮径した開口孔２８を有する金属板が得られる。また、開口孔２８を設ける箇所以外をマスキングしてエッチングによって開口孔２８を形成させても良い。マスキングの開口部近傍では、開口孔２８の側面方向への侵食が進むため、パンチングと同様に、縮径した開口孔２８を有する金属板が得られる。金属板の基板２３への搭載方法は、例えば接着剤、導電ペーストまたは半田を用いた接合手段により固着させる。つぎに、開口孔２８の少なくとも内壁面に、ニッケル層３０をめっき法、蒸着法、スパッタリング法などの成膜法により形成する。金属板がニッケル板である場合にはこの工程は省略しても良い。つぎに少なくともニッケル層３０の表面に、金層３１若しくはアルミニウム層をめっき法、蒸着法、スパッタリング法などの成膜法により形成する。なお、開口孔２８の内壁面へのニッケル層３０と金層３１若しくはアルミニウム層の形成は、金属板を基板２３に搭載する前に行なっても良い。

反射体２４の開口孔２８の内部に封止部３２となる材料である、例えばＰＭＭＡを充填して硬化させる（図４（３））。熱硬化でも紫外線硬化でもよい。

スルーホール２６を通る切断線で、各光半導体装置１００を切り出す（図４（４））。切り出しはレーザによる熱切断でも、ダイシングによる機械切断でもよい。スルーホール２６は孔方向で分断され、半割りになった内壁の配線が基板２３の両面のリードフレームを接続することなる。反射体は基板２３の切り出しの際に併せて切断してもよいし、図４（２）でそれぞれ分離された反射体２４（金属板）を基板２３に搭載してもよい。

このような製造方法により、光の出射効率を高めつつ、かつ、安定な出射効率を得ることのできる光半導体装置を量産することができる。

次に第２実施形態に係る光半導体装置の製造方法を説明する。第２実施形態に係る光半導体装置は、例えば特許文献１に記載の発光素子搭載用基板の製造方法を適用することで製造することができる。具体的には特許文献１の明細書段落番号００４４〜００６５の記載を適用する。この際、金属層をエッチングし、開口孔を形成した後、次の工程を設ける。すなわち、開口孔の少なくとも内壁面に、ニッケル層をめっき法、蒸着法、スパッタリング法などの成膜法により形成する。金属層をニッケルで形成した場合にはニッケル層の形成は省略しても良い。つぎに少なくともニッケル層の表面に、金層若しくはアルミニウム層をめっき法、蒸着法、スパッタリング法などの成膜法により形成する。この工程を加えることで、第２実施形態に係る光半導体装置を製造することができる。

本発明の光半導体装置は、照明、通信、センサー、表示デバイスなどに搭載される光源として利用することができる。

従来の光半導体装置の構成例を説明する図である。 本発明の実施形態であり光半導体装置の斜視概略図である。 図２の斜視概略図において、Ａ−Ａ’線の縦断面概略図である。 第１実施形態に係る光半導体装置の製造方法を説明する図である。

符号の説明

１００ 光半導体装置
１３ 第１の電極
１４ 第２の電極
１５ａ 発光素子
２１ 発光素子搭載用基板
２２ 半導体発光素子
２３ 基板
５，２４ 反射体
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ リードフレーム
２６，２６ａ，２６ｂ スルーホール
２７ａ，２７ｂ ボンディングワイヤ
２８ 開口孔
５ａ，２９ 反射面
３０ ニッケル層
３１ 金層
３２ 封止部

Claims (7)

1. 基板上に半導体発光素子が搭載される位置を取り囲んで該半導体発光素子の光を前記基板の上方側に向けて反射させる反射体を備えた発光素子搭載用基板において、
   前記反射体は、少なくとも反射面に、ニッケル層と、該ニッケル層の上に設けた金層若しくはアルミニウム層とを有することを特徴とする発光素子搭載用基板。
2. 基板上に半導体発光素子が搭載される位置を取り囲んで該半導体発光素子の光を前記基板の上方側に向けて反射させる反射体を備えた発光素子搭載用基板において、
   前記半導体発光素子の搭載面にニッケル層を設け、該ニッケル層の上に金層若しくはアルミニウム層を設けたことを特徴とする発光素子搭載用基板。
3. 前記反射体は、表面から裏面に向かって縮径した開口孔を有する金属板からなり、前記開口孔に前記半導体発光素子が収容される位置関係で、前記金属板の裏面と前記基板の表面が固着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子搭載用基板。
4. 前記反射体は、前記半導体発光素子が搭載される位置にエッチングで設けた、深さ方向に向かって縮径した開口孔の内壁面を反射面としていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子搭載用基板。
5. 前記開口孔の最大内径よりも前記開口孔の深さが大きいことを特徴とする請求項３又は４に記載の発光素子搭載用基板。
6. 請求項１、２、３、４又は５に記載の発光素子搭載用基板に、前記半導体発光素子として、中心発光波長が４００〜５００ｎｍの範囲にある半導体発光素子を搭載したことを特徴とする光半導体装置。
7. 前記開口孔は、前記半導体発光素子が前記開口孔から突出することがない深さを有することを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置。
   
   

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