JP4492219B2 - Support substrate, method of forming semiconductor device using the support substrate, and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード等の発光装置、例えば、投入される電力が比較的大きく、高出力の発光素子が収納された発光装置として、家庭用照明や車載用照明に用いることができる低熱抵抗で放熱性に優れる発光装置に関する。特に本発明は、半導体素子を搭載するための支持基板の形成方法およびその支持基板を用いた半導体装置に関する。 The present invention is a light-emitting device such as a light-emitting diode, for example, a light-emitting device in which a large amount of electric power is input and a high-power light-emitting element is housed, and has low thermal resistance that can be used for home lighting and in-vehicle lighting. The present invention relates to a light emitting device with excellent heat dissipation. In particular, the present invention relates to a method for forming a support substrate for mounting a semiconductor element and a semiconductor device using the support substrate.
発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子は、発光装置の光源として利用することができる。さらに、近年、半導体発光素子と該半導体発光素子からの光を吸収して発光する蛍光物質とを組み合わせ、白色系の混色光を発光する発光装置が実用化され、電化製品のインジケータ及び液晶のバックライトなどの表示用に使用されてきている。そして、高い発光効率及び高輝度化により室内照明や車載用照明等に広く利用されることが期待されている。 A semiconductor light emitting element such as a light emitting diode or a laser diode can be used as a light source of a light emitting device. Furthermore, in recent years, a light-emitting device that emits white mixed color light by combining a semiconductor light-emitting element and a fluorescent material that absorbs light from the semiconductor light-emitting element to emit light has been put into practical use. It has been used for displaying lights. And it is anticipated that it will be widely used for indoor lighting, in-vehicle lighting, etc. due to its high luminous efficiency and high brightness.
これらの発光装置における半導体発光素子は、発光に伴って発熱し、発光装置全体の温度も上昇させることとなる。そこで、耐熱性の高いセラミックスを半導体素子の支持部材の材料とすることにより、発光素子の熱は、速やかに効率よく放熱することができる。このようなセラミックスを材料とする半導体素子の支持体は、例えば、複数の未焼成のセラミックシートを積層させ、半導体素子を収納する凹部を形成した後、焼成することにより形成されている。このような凹部に発光素子を収納する発光装置において、発光素子からの光の一部は凹部の側壁方向に出射するため、凹部の内壁面をテーパー形状にしたり、発光素子からの光を反射する機能を有する金属にて内壁面を被覆したりすることが必要となる(例えば、特許文献1参照。)。 The semiconductor light-emitting elements in these light-emitting devices generate heat with light emission, and raise the temperature of the entire light-emitting device. Therefore, by using ceramics with high heat resistance as a material for the support member of the semiconductor element, the heat of the light emitting element can be quickly and efficiently radiated. A support for a semiconductor element made of such a ceramic material is formed, for example, by laminating a plurality of unfired ceramic sheets, forming a recess for housing the semiconductor element, and then firing. In such a light-emitting device that houses a light-emitting element in a recess, part of the light from the light-emitting element is emitted in the direction of the side wall of the recess, so that the inner wall surface of the recess is tapered or reflects light from the light-emitting element. It is necessary to coat the inner wall surface with a metal having a function (for example, see Patent Document 1).
一方、焼成された平板状セラミック基板に導体配線を施し、半導体素子を搭載する支持基板とするものがある。例えば、特許文献2に開示される支持基板における導体配線は、セラミック基板に塗布された導電性材料に対して感光性材料からなるマスクパターンを施し、マスクされていない導電性材料をサンドブラスト加工により取り除いた後、マスクパターンを除去することにより施されている。
On the other hand, there is one in which conductor wiring is applied to a fired flat ceramic substrate to form a support substrate on which a semiconductor element is mounted. For example, the conductor wiring in the support substrate disclosed in
しかしながら、上述の平板状セラミック基板に導体配線が施された支持基板は、その支持部材の形成工程が複雑である。すなわち、導電性部材をサンドブラスト加工するためのマスクとなる感光性材料を必要とし、その感光性材料のパターニングおよびサンドブラスト加工後のマスク除去工程が必要となる。そこで、形成工程のさらなる簡略化が望まれる。 However, the support substrate in which the conductor wiring is applied to the above-described flat ceramic substrate has a complicated process of forming the support member. That is, a photosensitive material that becomes a mask for sandblasting the conductive member is required, and a patterning process for the photosensitive material and a mask removal process after sandblasting are required. Therefore, further simplification of the formation process is desired.
また、平板状セラミック基板に導体配線が施された支持基板に対し、半導体素子を実装するサブマウントのような補助部材を設けるためには、別工程にて形成された補助部材を上記支持部材に接着する工程が必要となり、半導体装置の製造工程における作業性を低下させる。さらに、接着された補助部材は、その接着剤の部分において熱伝導率が異なることにより、半導体素子から支持部材の方向への円滑な放熱ができない。 In addition, in order to provide an auxiliary member such as a submount for mounting a semiconductor element on a support substrate in which conductor wiring is applied to a flat ceramic substrate, an auxiliary member formed in a separate process is used as the support member. A process of bonding is required, and workability in the manufacturing process of the semiconductor device is reduced. Furthermore, the bonded auxiliary member cannot smoothly radiate heat from the semiconductor element in the direction of the support member because the thermal conductivity is different in the adhesive portion.
そこで、本発明は、セラミックスを材料として作業性よく支持部材を形成し、さらに放熱性のよい半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a semiconductor device in which a support member is formed with good workability using ceramics as a material, and further has good heat dissipation.
同一面側に正負一対の電極を有する半導体素子を搭載する支持基板の形成方法において、上記目的を達成するため、本願発明にかかる支持基板の形成方法は、セラミックス基板の表面の上記半導体素子の正負一対の電極とそれぞれ対向する領域に、導電性部材により第一のパターンを形成する第一の工程と、上記第一のパターンが形成された面に、上記第一のパターンをマスクとしてサンドブラスト処理を施すことにより、粗面化されたセラミックス素地の凹部を形成する第二の工程と、上記凹部に、上記第一のパターンと電気的に接続するように、導電性部材により第二のパターンを形成する第三の工程とを有することを特徴とする。このように構成すると、セラミックスを材料として量産性よく支持部材を形成することができる。
In the method for forming a supporting substrate for mounting a semiconductor element having a pair of positive and negative electrodes on the same side, in order to achieve the above object, a method of forming the support substrate according to the present invention, positive and negative of the semiconductor element of the surface of the ceramic substrate A first step of forming a first pattern with a conductive member in a region facing each of the pair of electrodes, and a sandblasting process on the surface on which the first pattern is formed using the first pattern as a mask by applying, forming a second step of forming a recess in the roughened ceramic green body, to the recess, so as to connect the first pattern and electrically, the second pattern by a conductive member And a third step. If comprised in this way, a support member can be formed with ceramics as a material with sufficient mass productivity.
また、上記サンドブラスト処理により表出したセラミック素地面において、その側壁面の傾きが45から80度とされることが好ましい。また、平均粒径7〜30μmの研磨剤にてサンドブラスト処理されることが好ましい。これにより、セラミックス基板に応力を掛けずに加工することができ、信頼性の高い支持基板とすることができる。 Moreover, it is preferable that the inclination of the side wall surface is 45 to 80 degrees in the ceramic ground surface exposed by the sandblasting process. Moreover, it is preferable to perform sandblasting with an abrasive having an average particle size of 7 to 30 μm. Thereby, it can process without applying a stress to a ceramic substrate, and it can be set as a highly reliable support substrate.
また、同一面側に正負一対の電極を有する半導体素子と、該半導体素子を搭載する支持基板とを有する半導体装置の形成方法において、上記目的を達成するため、本願発明にかかる半導体装置の形成方法は、セラミックス基板の表面の上記半導体素子の正負一対の電極とそれぞれ対向する第一の領域に、導電性部材により第一のパターンを形成する第一の工程と、上記第一のパターンが形成された面に、上記第一のパターンをマスクとしてサンドブラスト処理を施すことにより、粗面化されたセラミックス素地の凹部を形成する第二の工程と、上記凹部に、上記第一のパターンと電気的に接続するように導電性部材により第二のパターンを形成する第三の工程と、上記半導体素子と上記第一のパターンとを電気的に接続する第四の工程とを有する。このように半導体装置を形成すると、量産性よく放熱性の高い半導体装置を形成することができる。
Further, in a method for forming a semiconductor device having a semiconductor element having a pair of positive and negative electrodes on the same surface side and a support substrate on which the semiconductor element is mounted, the method for forming a semiconductor device according to the present invention is provided to achieve the above object. The first step of forming a first pattern with a conductive member on the first region of the surface of the ceramic substrate facing the pair of positive and negative electrodes of the semiconductor element, and the first pattern is formed. the surface, by a sandblasting process is performed said first pattern as a mask, a second step of forming a recess in the roughened ceramic green body, the said recess, said first pattern and electrically Yes a third step of forming a second pattern by a conductive member to connect, and a fourth step of electrically connecting the first pattern on SL and the semiconductor element That. When a semiconductor device is formed in this way, a semiconductor device with high mass productivity and high heat dissipation can be formed.
また、上記支持基板の凹凸形状に、光学部材の端部を嵌合させて固定する第五の工程をさらに有する。これにより、光学部材の支持基板に対する実装精度を高めることができる。 Moreover, it has further the 5th process of fitting and fixing the edge part of an optical member to the uneven | corrugated shape of the said support substrate. Thereby, the mounting precision with respect to the support substrate of an optical member can be improved.
また、上記半導体素子は、同一面側に正負一対の電極を有し、該電極が導電性材料を介して、上記サンドブラスト処理により形成された凸部上面に実装され、上記第一のパターニングと接続されることが好ましい。これにより、サブマウントのような別体の補助部材を接着させて載置することなく、放熱性および光学特性に優れた半導体装置を形成することができる。 In addition, the semiconductor element has a pair of positive and negative electrodes on the same surface side, and the electrodes are mounted on the upper surface of the convex portion formed by the sandblasting process via a conductive material, and connected to the first patterning. It is preferred that Thereby, a semiconductor device excellent in heat dissipation and optical characteristics can be formed without adhering and mounting a separate auxiliary member such as a submount.
また、上記半導体素子は、上記支持基板と上記光学部材とにより気密封止される。また、上記光学部材が絶縁性接着剤により固定されることが好ましい。これにより、良好な気密封止を行うことができる。 The semiconductor element is hermetically sealed by the support substrate and the optical member. The optical member is preferably fixed with an insulating adhesive. Thereby, favorable airtight sealing can be performed.
また、上記サンドブラスト加工により、凹部の側壁面の傾きが45から80度とされることが好ましい。また、平均粒径7〜30μmの研磨剤にてサンドブラスト処理されることが好ましい。これにより、セラミックス基板に応力を掛けずに加工することができ、信頼性の高い支持基板とすることができる。 Moreover, it is preferable that the inclination of the side wall surface of a recessed part shall be 45 to 80 degree | times by the said sandblasting process. Moreover, it is preferable to perform sandblasting with an abrasive having an average particle size of 7 to 30 μm. Thereby, it can process without applying a stress to a ceramic substrate, and it can be set as a highly reliable support substrate.
また、本発明にかかる半導体装置は、同一面側に正負一対の電極を有する半導体素子と、該半導体素子と電気的に接続する導体配線を有し該半導体素子を搭載する支持基板とを有する半導体装置であって、上記支持基板は、セラミックス基板であって、上記導体配線は、上記半導体素子の電極と導電性部材を介して電気的に接続する第一の領域を有する第一の導体配線領域と、上記第一の領域と電気的に接続する第二の導体配線領域とを有し、前記第二の導体配線領域は、前記第一の導体配線領域をマスクとして前記支持基板にサンドブラスト処理を施すことにより形成される、粗面化されたセラミックス素地の凹部に形成されていることを特徴とする。さらに、第二の導体配線領域の表面粗さは、第一の導体配線領域の表面粗さより小さい。
In addition, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element having a pair of positive and negative electrodes on the same surface side , and a support substrate having a conductor wiring electrically connected to the semiconductor element and mounting the semiconductor element. an apparatus, the supporting substrate is a ceramic substrate, the conductor wire, the first conductor wiring region having a first region are electrically connected via the electrode and the conductive member of the semiconductor element If, have a and the first region and electrically second conductor wiring region for connecting the said second conductor wiring region is sandblasted on the supporting substrate to the first conductor wiring region as a mask It is formed in the recessed part of the roughened ceramic base formed by giving . Furthermore, the surface roughness of the second conductor wiring region is smaller than the surface roughness of the first conductor wiring region.
これにより、半球面ガラスのような光学部材は、サンドブラスト処理により粗面化された支持基板表面に強固に接合することができる。また、第二の導体配線領域を形成する際に、金属材料の密着性が向上するため、スパッタ等による第二の導体配線領域のパターニングが容易となる。また、半導体素子と導電性部材を介して電気的に接続する第一の領域や外部電極から半導体装置への給電を行う第二の領域の表面は、マスクとしてサンドブラストの照射を受けて粗面化されており、半田のような導電性部材と密着する。このように、導電性部材と接続する部分は粗面とすることにより、半導体装置の各構成部材同士の電気的接続性が向上され信頼性の高い半導体装置とすることができる。 Thereby, an optical member such as hemispherical glass can be firmly bonded to the surface of the support substrate roughened by sandblasting. Further, since the adhesion of the metal material is improved when forming the second conductor wiring region, patterning of the second conductor wiring region by sputtering or the like is facilitated. In addition, the surface of the first region that is electrically connected to the semiconductor element via the conductive member and the second region that supplies power to the semiconductor device from the external electrode are roughened by receiving sandblasting as a mask. It is in close contact with a conductive member such as solder. As described above, when the portion connected to the conductive member is a rough surface, the electrical connectivity between the constituent members of the semiconductor device is improved, and a highly reliable semiconductor device can be obtained.
また、上記支持基板は、光学部材の端部が嵌合する凹部を有し、該凹部の側壁上面が上記第一の導体配線領域とされている。これにより、光学部材の端部は、凹部側壁により位置決めされ、支持基板に対する光学部材の装着性が向上する。 The support substrate has a recess into which the end of the optical member is fitted, and the upper surface of the side wall of the recess serves as the first conductor wiring region. Thereby, the edge part of an optical member is positioned by a recessed part side wall, and the mounting | wearing property of the optical member with respect to a support substrate improves.
また、上記第二の領域とされる支持基板の上面は、上記光学部材の端部上面と略同一面とすることが好ましい。これにより、光学部材の端部に遮られることなく、光学部材の光学機能を有する部分から半導体発光素子からの光を出射させることができ、光取り出し効率に優れた発光装置とすることができる。 Moreover, it is preferable that the upper surface of the support substrate used as said 2nd area | region is made into the substantially same surface as the edge part upper surface of the said optical member. Thereby, the light from the semiconductor light emitting element can be emitted from the portion having the optical function of the optical member without being blocked by the end portion of the optical member, and a light emitting device having excellent light extraction efficiency can be obtained.
本発明の形成方法により、放熱性が向上された半導体装置を量産性良く得ることができる。
[発明を実施するための最良の形態]
By the formation method of the present invention, a semiconductor device with improved heat dissipation can be obtained with high productivity.
[Best Mode for Carrying Out the Invention]
本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための支持基板、半導体装置およびその製造方法を例示するものであって、本発明は以下に限定されない。また、各図面に示す部材の大きさや位置関係などは説明を明確にするために誇張しているところがある。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the form shown below illustrates the support substrate, the semiconductor device, and the manufacturing method thereof for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention is not limited to the following. Further, the size and positional relationship of the members shown in each drawing are exaggerated for clarity of explanation.
本発明による支持基板の形成方法は、セラミックスからなる平板状基板の前面に導電性部材にてパターンニングを施し、サンドブラスト加工により、該導電性部材が配置された領域以外を切削する工程と、サンドブラスト加工されていないセラミックス基板前面の導電性部材のパターンと接続するように、サンドブラスト加工により切削されて表出したセラミック素地の表面にスパッタリング、印刷あるいはメッキ等により導体配線のパターンを形成する工程と、を少なくとも有する。これにより、サンドブラスト加工のマスクパターンを除去する工程を必要とすることがなくなり、量産性よく支持基板を形成することができる。また、サンドブラスト加工により形成された凸部上面を半導体素子の実装面とすることができる。さらに、その実装面を所定のパターンでサンドブラスト加工することにより、その加工された部分を導体配線の正負絶縁分離部とすることができる。さらに、サンドブラスト加工により形成されたセラミック基板の凹凸形状を光学部材の装着面とし、凹凸形状を光学部材の位置合わせに利用する。これにより、支持基板に対する光学部材の実装精度を向上させることができる。 A method of forming a support substrate according to the present invention includes a step of patterning with a conductive member on a front surface of a flat plate substrate made of ceramics, and cutting a region other than the region where the conductive member is disposed by sandblasting, and sandblasting. Forming a conductive wiring pattern by sputtering, printing, plating, or the like on the surface of the ceramic substrate that is cut and exposed by sandblasting so as to be connected to the pattern of the conductive member on the front surface of the ceramic substrate that has not been processed; At least. This eliminates the need for a step of removing the sandblasting mask pattern, and allows the support substrate to be formed with high productivity. Further, the upper surface of the convex portion formed by sandblasting can be used as a mounting surface of the semiconductor element. Furthermore, by sandblasting the mounting surface with a predetermined pattern, the processed part can be used as a positive / negative insulating separation part of the conductor wiring. Furthermore, the uneven shape of the ceramic substrate formed by sandblasting is used as the mounting surface of the optical member, and the uneven shape is used for alignment of the optical member. Thereby, the mounting precision of the optical member with respect to a support substrate can be improved.
例えば、発光素子を支持基板に実装して発光装置とするとき、発光素子の側面からの出光を有効に利用するため、発光素子を平板状の支持基板の主面より高い位置に配置する必要がある。そのため、従来の発光装置において、発光素子は、サブマウントと呼ばれる補助的な支持部材を介して支持基板に実装されることがあった。このような従来の発光装置において、サブマウント用基板を支持基板に固定する必要があり、固定には絶縁性接着剤あるいはAgペーストやロウ材が使われていた。 For example, when a light emitting device is mounted on a support substrate to form a light emitting device, it is necessary to arrange the light emitting device at a position higher than the main surface of the flat support substrate in order to effectively use the light emitted from the side surface of the light emitting element. is there. Therefore, in the conventional light emitting device, the light emitting element is sometimes mounted on the support substrate via an auxiliary support member called a submount. In such a conventional light emitting device, it is necessary to fix the submount substrate to the support substrate, and an insulating adhesive, Ag paste, or brazing material has been used for fixing.
しかしながら、絶縁性接着剤は熱伝導性が悪く、またロウ材は、それ自体が導電性を持っている為、発光装置内部の配線を複雑にする原因となっていた。また、サブマウント用基板を支持基板の所定の位置に接着するとき、位置決めが困難であり装着精度が悪かった。 However, the insulating adhesive has poor thermal conductivity, and the brazing material itself has conductivity, which causes the wiring inside the light emitting device to be complicated. Further, when the submount substrate is bonded to a predetermined position of the support substrate, positioning is difficult and mounting accuracy is poor.
そこで、本発明は、セラミックス基板をサンドブラスト加工することにより生じた凹凸形状の凸部をサブマウントの代わりとして利用することにより、別工程で補助部材を設ける工程を不要とすることができる。 Therefore, the present invention makes it possible to eliminate the step of providing an auxiliary member in a separate step by using the uneven-shaped convex portion generated by sandblasting the ceramic substrate as a substitute for the submount.
また、サンドブラスト加工により形成された凹部の側壁面は、通常、テーパー形状となる。したがって、上記凹凸形状のうち、凸部は、半導体素子の実装面から該半導体素子と反対側の方向に徐々に断面積が大きくなるようなテーパー形状となる。これにより、凸部の上面に実装された半導体素子からの放熱性を向上させることができる。 Moreover, the side wall surface of the recessed part formed by the sandblast process becomes a taper shape normally. Accordingly, among the concavo-convex shape, the convex portion has a tapered shape such that the cross-sectional area gradually increases in the direction opposite to the semiconductor element from the mounting surface of the semiconductor element. Thereby, the heat dissipation from the semiconductor element mounted on the upper surface of the convex portion can be improved.
また、発光装置において、凸部の上面を発光素子の実装面とすることにより、発光素子を光学部材の実装面より高い位置に実装することができる。したがって、光学部材が固定されている部分(例えば、球面レンズの縁やレンズを支持基板に固定するための接着剤)により、発光素子の側面から出射された光が遮られることがなくなり、光学特性に優れた発光装置とすることができる。 Further, in the light emitting device, the light emitting element can be mounted at a position higher than the mounting surface of the optical member by using the upper surface of the convex portion as the mounting surface of the light emitting element. Therefore, the light emitted from the side surface of the light emitting element is not blocked by the portion where the optical member is fixed (for example, the edge of the spherical lens or the adhesive for fixing the lens to the support substrate), and the optical characteristics. It can be set as the light-emitting device excellent in.
本発明にかかる支持基板と、該支持基板に実装される半導体素子の配光性を制御する光学部材と、を有する半導体装置とすることができる。ここで、光学部材の形状は、受光素子への集光性や発光素子からの光の配光性を制御するため、種々の形状とされる。このような光学部材の一例として、光学部材の一部を空洞(中空)にし、かつ均一な厚みでドーム形状としたレンズが挙げられる。このとき、空洞の部分には空気あるいは窒素ガスのような不活性気体が封入されることが好ましい。特に、窒素ガスのような不活性気体を封入することにより、放熱性を向上させるために金属粒子が含有された導電性接着剤の品質劣化を防止することができる。例えば、保護素子の接着剤として利用されるAgペーストのマイグレーションを防止し、信頼性の高い発光装置とすることができる。また、半導体素子は、空洞の部分に収納され、光学部材と支持基板とにより気密封止される。したがって、発光素子から出射した光は、上記不活性気体を媒質としてレンズの発光観測面から出射する。これにより、発光装置として上記空洞部分に収納された光源(発光素子)の部分が見かけ上、大きくならない様にすることができる。つまり、ガラスや樹脂等が中空でない場合は、それら自体が凸レンズとして機能し、見かけ上光源サイズが大きくなり、反射面のような他の光学部材に対する発光面が大きくなる。これを用いて所定の配光特性を実現させるためにはより大きな光学系が必要となる。一方、中空とすることにより、他の光学部材に対する発光面を比較的小さくとることができ、配光性をより制御しやくすなり、優れた配光性を得ることができる。 It can be set as the semiconductor device which has the support substrate concerning this invention, and the optical member which controls the light distribution of the semiconductor element mounted in this support substrate. Here, the shape of the optical member is various in order to control the light condensing property to the light receiving element and the light distribution property of the light from the light emitting element. An example of such an optical member is a lens in which a part of the optical member is hollow (hollow) and has a uniform thickness and a dome shape. At this time, it is preferable that an inert gas such as air or nitrogen gas is sealed in the hollow portion. In particular, by enclosing an inert gas such as nitrogen gas, it is possible to prevent deterioration of the quality of the conductive adhesive containing metal particles in order to improve heat dissipation. For example, migration of Ag paste used as an adhesive for the protective element can be prevented, and a highly reliable light-emitting device can be obtained. The semiconductor element is housed in a hollow portion and hermetically sealed by the optical member and the support substrate. Therefore, the light emitted from the light emitting element is emitted from the light emission observation surface of the lens using the inert gas as a medium. Thereby, it is possible to prevent the light source (light emitting element) housed in the hollow portion as a light emitting device from apparently becoming large. That is, when glass, resin, or the like is not hollow, they themselves function as a convex lens, the apparent light source size is increased, and the light emitting surface for other optical members such as a reflecting surface is increased. In order to realize a predetermined light distribution characteristic using this, a larger optical system is required. On the other hand, by making it hollow, the light emitting surface for other optical members can be made relatively small, the light distribution can be more easily controlled, and excellent light distribution can be obtained.
光学部材は、サンドブラスト加工により生じたセラミックス基板の凹凸形状により、位置合わせされて実装されることが好ましい。光学部材の具体的材料は、硬質ガラス、ソーダライムガラスのような軟質ガラス、ポリカーボネート、アクリル樹脂、エポキシ樹脂など、光学部材の成型に適した材料とすることが好ましい。このような材料により、光学部材は、発光素子からの光を光学制御できるよう、球面レンズなど種々の形状に成型される。また、このような光学部材とセラミックス基板との固定は、エポキシ系あるいはポリイミド系樹脂からなる絶縁性接着剤とすることが好ましい。これにより、光学部材の中空部分を良好な気密状態にすることができ、発光装置の信頼性を向上させることができる。 It is preferable that the optical member is positioned and mounted by the uneven shape of the ceramic substrate generated by sandblasting. The specific material of the optical member is preferably a material suitable for molding of the optical member, such as hard glass, soft glass such as soda lime glass, polycarbonate, acrylic resin, and epoxy resin. With such a material, the optical member is molded into various shapes such as a spherical lens so that the light from the light emitting element can be optically controlled. Moreover, it is preferable to fix the optical member and the ceramic substrate with an insulating adhesive made of epoxy or polyimide resin. Thereby, the hollow part of an optical member can be made into a favorable airtight state, and the reliability of a light-emitting device can be improved.
同一面側に正負一対の電極を有する発光素子は、その電極が導電性材料を介して支持基板の導体配線に接続されるフリップチップ実装されることが好ましい。導電性材料は、Au、半田、とすることができる。これにより、発光素子の電極と導体配線とを接続する導電性ワイヤを必要とすることがなくなるため、放熱性および信頼性の高い発光装置とすることができる。また、導電性ワイヤが発光素子からの光を遮ることがなくなり、光学特性に優れた発光装置とすることができる。以下、本形態における半導体装置の形成方法および本形態の各構成について詳述する。 The light-emitting element having a pair of positive and negative electrodes on the same surface side is preferably flip-chip mounted so that the electrodes are connected to the conductor wiring of the support substrate via a conductive material. The conductive material can be Au or solder. This eliminates the need for a conductive wire for connecting the electrode of the light emitting element and the conductor wiring, and thus a light emitting device with high heat dissipation and high reliability can be obtained. In addition, since the conductive wire does not block light from the light emitting element, a light emitting device having excellent optical characteristics can be obtained. Hereinafter, a method for forming a semiconductor device in this embodiment and each structure of this embodiment will be described in detail.
(第一のパターン形成工程)
本工程は、セラミック基板に対し、サンドブラストのマスクとなり、かつ半導体支持基板の導体配線ともなるようなパターンを導電性部材により形成する工程である。
(First pattern formation process)
This step is a step of forming, on the ceramic substrate, a pattern that serves as a sandblast mask and also serves as a conductor wiring of the semiconductor support substrate using a conductive member.
セラミック基板の材料は、熱伝導率の優れたAlN,Al2O3,Si,SiC,SiO2,BeOとすることができる。また、導電性部材の材料は、Au、Ag、Al、Cu、Snから選択された金属あるいはそれらの合金とすることが好ましい。ここで、これらの金属とセラミック基板との密着性を考慮し、Ni、Ptのような金属を下地層として、上記金属材料を積層させてもよい。 The material of the ceramic substrate can be AlN, Al 2 O 3 , Si, SiC, SiO 2 , or BeO having excellent thermal conductivity. The material of the conductive member is preferably a metal selected from Au, Ag, Al, Cu and Sn or an alloy thereof. Here, in consideration of adhesion between these metals and the ceramic substrate, the metal material may be laminated using a metal such as Ni or Pt as an underlayer.
本工程のパターンは、所定のマスクパターンを利用し、スパッタリング、蒸着、メッキなどの方法あるいはそれらを一種以上組み合わせた方法により形成される。また、導体ペースト中の樹脂バインダーを焼成することにより施される導体配線を第一のパターンとすることもできる。 The pattern in this step is formed by a method such as sputtering, vapor deposition, plating, or a combination of one or more of them using a predetermined mask pattern. Moreover, the conductor wiring given by baking the resin binder in a conductor paste can also be made into a 1st pattern.
(サンドブラスト処理工程)
本工程は、サンドブラスト処理により、第一のパターンが施されていないセラミック材料の部分を取り除く工程である。すなわち、本工程では、マスクとなる第一のパターンが形成されたセラミック基板の面に対して、サンドブラストノズルからエアーと同時に研磨材を吹き付けて、第一のパターンから露出されたセラミック材料を取り除く工程である。
(Sandblasting process)
This step is a step of removing a portion of the ceramic material that has not been subjected to the first pattern by sandblasting. That is, in this step, the surface of the ceramic substrate on which the first pattern serving as a mask is formed is sprayed with an abrasive simultaneously with air from a sandblast nozzle to remove the ceramic material exposed from the first pattern. It is.
ここで、研磨材の具体的な材料は、セラミック基板の硬度により選択されるものであり、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素あるいは、それらを少なくとも一種以上含む混合物とすることが好ましい。さらに、研磨剤は粒子状とし、その粒径を7〜30μmとすることが好ましい。また、凹部の側壁面の傾きが45から80度とされることが好ましい。これより、セラミック基板に応力を掛けずにサンドブラスト加工することができ、信頼性の高い半導体装置とすることができる。 Here, the specific material of the abrasive is selected according to the hardness of the ceramic substrate, and is preferably alumina, silica, silicon carbide, or a mixture containing at least one of them. Furthermore, it is preferable that the abrasive is in the form of particles and the particle size is 7 to 30 μm. The inclination of the side wall surface of the recess is preferably 45 to 80 degrees. Accordingly, sandblasting can be performed without applying stress to the ceramic substrate, and a highly reliable semiconductor device can be obtained.
また、サンドブラスト加工のマスクとされた第一のパターン2の表面は、研磨材の噴射を受けることにより粗面化されることとなる。この第一のパターン2は、半田を介して外部の電極端子と接続することができる。あるいは、バンプや導電性ワイヤを介して半導体素子の電極と接続する。第一のパターン2の表面粗さを適宜調整することにより、第一のパターンの金属材料と半田やバンプとの濡れ性が向上し、信頼性に優れた半導体装置とすることができる。このように、導体配線としても利用できるパターンをマスクとしてサンドブラスト処理することにより、マスクを除去する工程や、導体配線表面を粗面化する別の工程を必要とすることがなくなり、本発明は、量産性が向上した半導体装置とすることができる。
Further, the surface of the
(第二のパターン形成工程)
本工程は、サンドブラストにより削られたセラミック基板の素地面に対して、半導体素子への給電を行う導体配線となる第二のパターンを施す。さらに、本工程で施される第二のパターンは、サンドブラスト工程のマスクとした第一のパターンと電気的に接続される。そして、本工程で施される第二のパターンを導体配線として半導体素子に接続させ、サンドブラスト工程のマスクとした第一のパターンを外部電極と接続させるための導体配線とすることができる。また、第二のパターンを導体配線として、他の半導体素子を搭載することができる。例えば、半導体発光素子を過電圧による破壊から保護するため、チップ状のツェナーダイオードを導体配線と導電性接着剤(例えば、導電性ワイヤ、Agペースト)により接続させ、支持基板に搭載することができる。なお、第二のパターンの表面は、サンドブラストの照射を受けておらず、第一のパターンとは表面粗さが異なる。すなわち、第二のパターンは、第一のパターンと比較して、その金属表面の荒れが小さい。したがって、第二のパターンは、発光素子からの光を発光観測方向へ効率よく反射させることができる。このように、本願発明の形成方法によれば、導電性部材との密着性(第一のパターン)と光反射性(第二のパターン)とを機能分離させた配線パターンを形成することが容易にできる。
(Second pattern formation step)
In this step, a second pattern serving as a conductor wiring for supplying power to the semiconductor element is applied to the ground surface of the ceramic substrate cut by sandblasting. Furthermore, the second pattern applied in this step is electrically connected to the first pattern used as a mask for the sandblasting step. Then, the second pattern applied in this step can be connected to a semiconductor element as a conductor wiring, and the first pattern used as a mask in the sandblasting process can be used as a conductor wiring for connecting to an external electrode. Also, other semiconductor elements can be mounted using the second pattern as a conductor wiring. For example, in order to protect the semiconductor light emitting element from destruction due to overvoltage, a chip-shaped Zener diode can be connected to a conductor wiring with a conductive adhesive (for example, a conductive wire, Ag paste) and mounted on a support substrate. Note that the surface of the second pattern is not subjected to sandblasting and has a surface roughness different from that of the first pattern. That is, the roughness of the metal surface of the second pattern is smaller than that of the first pattern. Therefore, the second pattern can efficiently reflect the light from the light emitting element in the emission observation direction. As described above, according to the forming method of the present invention, it is easy to form a wiring pattern in which the adhesion (first pattern) and the light reflectivity (second pattern) to the conductive member are functionally separated. Can be.
第二のパターンとされる導電性部材の材料は、第一のパターンの材料と同様に、Au、Ag、Al、Cu、Snから選択された金属あるいはそれらの合金とすることが好ましい。ここで、これらの金属とセラミック基板との密着性を考慮し、Ni、Ptのような金属を下地層として、上記金属材料を積層させてもよい。 The material of the conductive member to be the second pattern is preferably a metal selected from Au, Ag, Al, Cu, and Sn, or an alloy thereof, similarly to the material of the first pattern. Here, in consideration of adhesion between these metals and the ceramic substrate, the metal material may be laminated using a metal such as Ni or Pt as an underlayer.
本工程の導体配線は、スパッタリング、蒸着、メッキなどの方法あるいはそれらを一種以上組み合わせた方法により形成される。また、導体ペースト中の樹脂バインダーを焼成することにより施される導体配線を第二のパターンとすることもできる。 The conductor wiring in this step is formed by a method such as sputtering, vapor deposition, plating, or a combination of one or more of them. Moreover, the conductor wiring given by baking the resin binder in a conductor paste can also be made into a 2nd pattern.
(半導体素子)
本発明における半導体素子は、発光素子、受光素子、およびそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子(例えば、ツェナーダイオードやコンデンサー)、あるいはそれらを二種以上組み合わせたものとすることができる。ここでは、半導体素子の一例として、発光素子(LEDチップ)について説明する。LEDチップを構成する半導体発光素子としては、ZnSeやGaNなど種々の半導体を使用したものを挙げることができるが、蛍光物質を有する発光装置とする場合には、その蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が好適に挙げられる。半導体の構造としては、MIS接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
(Semiconductor element)
The semiconductor element in the present invention may be a light emitting element, a light receiving element, a protective element (for example, a Zener diode or a capacitor) that protects the semiconductor element from destruction due to overvoltage, or a combination of two or more thereof. Here, a light emitting element (LED chip) will be described as an example of a semiconductor element. Examples of the semiconductor light-emitting element constituting the LED chip include those using various semiconductors such as ZnSe and GaN. However, in the case of a light-emitting device having a fluorescent material, the short-circuit that can efficiently excite the fluorescent material. wavelength capable of emitting nitride semiconductor (in X Al Y Ga 1- X-Y N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1) is preferably exemplified. Examples of the semiconductor structure include a homostructure having a MIS junction, a PIN junction, and a pn junction, a heterostructure, and a double heterostructure. Various emission wavelengths can be selected depending on the material of the semiconductor layer and the degree of mixed crystal. In addition, a single quantum well structure or a multiple quantum well structure in which the semiconductor active layer is formed in a thin film in which a quantum effect is generated can be used.
窒化物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイア、スピネル、SiC、Si、ZnO等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。このサファイア基板上にMOCVD法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイア基板上にGaN、AlN、GaAlN等のバッファ層を形成し、その上にpn接合を有する窒化物半導体を形成させる。 When a nitride semiconductor is used, a material such as sapphire, spinel, SiC, Si, ZnO or the like is preferably used for the semiconductor substrate. In order to form a nitride semiconductor with good crystallinity with high productivity, it is preferable to use a sapphire substrate. A nitride semiconductor can be formed on the sapphire substrate by MOCVD or the like. A buffer layer of GaN, AlN, GaAlN or the like is formed on the sapphire substrate, and a nitride semiconductor having a pn junction is formed thereon.
窒化物半導体を使用したpn接合を有する発光素子の例として、バッファ層上に、n型窒化ガリウムで形成した第1のコンタクト層、n型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第1のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、p型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第2のクラッド層、p型窒化ガリウムで形成した第2のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。 As an example of a light emitting device having a pn junction using a nitride semiconductor, a first contact layer formed of n-type gallium nitride, a first clad layer formed of n-type aluminum nitride / gallium on a buffer layer, Examples include a double hetero structure in which an active layer formed of indium / gallium nitride, a second cladding layer formed of p-type aluminum nitride / gallium, and a second contact layer formed of p-type gallium nitride are sequentially stacked. .
窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でn型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のn型窒化物半導体を形成させる場合は、n型ドーパントとしてSi、Ge、Se、Te、C等を適宜導入することが好ましい。一方、p型窒化物半導体を形成させる場合は、p型ドーパントであるZn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等をドープさせる。窒化物半導体は、p型ドーパントをドープしただけではp型化しにくいためp型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。 Nitride semiconductors exhibit n-type conductivity without being doped with impurities. When forming a desired n-type nitride semiconductor, for example, to improve luminous efficiency, it is preferable to appropriately introduce Si, Ge, Se, Te, C, etc. as an n-type dopant. On the other hand, when forming a p-type nitride semiconductor, the p-type dopants such as Zn, Mg, Be, Ca, Sr, and Ba are doped. Since nitride semiconductors are not easily converted to p-type by simply doping with a p-type dopant, it is preferable to reduce resistance by heating in a furnace or plasma irradiation after introducing the p-type dopant.
p型半導体層には、発光素子に投入された電流をp型半導体層の全面に広げるための拡散電極が設けられる。さらに、拡散電極およびn型半導体層には、バンプや導電性ワイヤのような導電部材と接続するp側台座電極およびn側台座電極がそれぞれ設けられる。ここで、バンプの材料としては、例えばAuやAu−Sn共晶、鉛フリー半田が挙げられる。また、導電性ワイヤの材料としては、例えば、Al、Au、Cuあるいはそれらを含む合金からなる細線が挙げられる。 The p-type semiconductor layer is provided with a diffusion electrode for spreading the current input to the light emitting element over the entire surface of the p-type semiconductor layer. Furthermore, a p-side pedestal electrode and an n-side pedestal electrode connected to a conductive member such as a bump or a conductive wire are provided on the diffusion electrode and the n-type semiconductor layer, respectively. Here, examples of the material of the bump include Au, Au—Sn eutectic, and lead-free solder. Moreover, as a material of an electroconductive wire, the fine wire which consists of Al, Au, Cu, or the alloy containing them is mentioned, for example.
拡散電極あるいはp側台座電極、およびn側台座電極の形成は、エッチング等の方法によりn型半導体を露出させた後、蒸着法やスパッタリング法により行う。また、拡散電極あるいはp側台座電極の形状は、発光素子全面に電流が均一に広がるように、種々の形状とされる。 The diffusion electrode, the p-side pedestal electrode, and the n-side pedestal electrode are formed by an evaporation method or a sputtering method after exposing the n-type semiconductor by a method such as etching. Further, the shape of the diffusion electrode or the p-side pedestal electrode may be various shapes so that the current spreads uniformly over the entire surface of the light emitting element.
本形態において、p側およびn側台座電極の材料は、バンプに含有される材料の少なくとも一種を含有することが好ましい。すなわち、バンプがAuを材料とするときは、p側およびn側台座電極の材料、特にバンプとの接合面となる最上層の材料は、AuまたはAuを含む合金とする。例えば、p側およびn側台座電極は、W/Pt/AuやRh/Pt/Auとされ、それぞれの金属の厚みは数百Å〜数千Åである。なお、本明細書中において、記号「A/B」は、金属Aおよび金属Bが順にスパッタリングあるいは蒸着のような方法により積層されることを示す。 In this embodiment, the material for the p-side and n-side pedestal electrodes preferably contains at least one of the materials contained in the bumps. That is, when the bump is made of Au, the material of the p-side and n-side pedestal electrode, particularly the uppermost layer material that becomes the bonding surface with the bump is Au or an alloy containing Au. For example, the p-side and n-side pedestal electrodes are made of W / Pt / Au or Rh / Pt / Au, and the thickness of each metal is several hundred to several thousand. In this specification, the symbol “A / B” indicates that the metal A and the metal B are sequentially laminated by a method such as sputtering or vapor deposition.
また、p型半導体層側全面に形成される拡散電極は、発光素子の出光を発光素子の透光性基板方向へ反射させる材料とすることが好ましい。例えば、Ag、Al、Rh、Rh/Irが挙げられる。さらに、これらの材料と組み合わせて、或いは単独で、p型半導体の全面にITO(インジウム(In)とスズ(Sn)の複合酸化物)、ZnOのような酸化物導電膜や、Ni/Au等の金属薄膜を透光性電極として形成させることができる。 The diffusion electrode formed on the entire surface of the p-type semiconductor layer is preferably made of a material that reflects light emitted from the light-emitting element toward the light-transmitting substrate of the light-emitting element. For example, Ag, Al, Rh, Rh / Ir can be mentioned. Furthermore, in combination with these materials, or alone, an oxide conductive film such as ITO (complex oxide of indium (In) and tin (Sn)), ZnO, Ni / Au, etc. on the entire surface of the p-type semiconductor. The metal thin film can be formed as a translucent electrode.
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。 Examples according to the present invention will be described in detail below. Needless to say, the present invention is not limited to the following examples.
図5および図7は、本実施例にかかる発光装置の模式的な斜視図および断面図をそれぞれ示す。本実施例にかかる発光装置は、発光素子と、該発光素子を搭載するセラミック基板と、発光素子の配光性を制御するレンズとを有する。発光素子は、サンドブラスト加工により形成されたセラミック基板の導体配線に対し、フリップチップ実装されている。また、レンズは、発光素子を外部環境から保護し、発光素子からの光の配光性を制御するため、発光素子と対向する側に凹面を有し、厚みが均一な半球状とされている。 5 and 7 are a schematic perspective view and a cross-sectional view, respectively, of the light emitting device according to this example. The light emitting device according to this example includes a light emitting element, a ceramic substrate on which the light emitting element is mounted, and a lens that controls light distribution of the light emitting element. The light emitting element is flip-chip mounted on a conductor wiring of a ceramic substrate formed by sandblasting. The lens has a concave surface on the side facing the light emitting element and a uniform hemispherical shape in order to protect the light emitting element from the external environment and control the light distribution of the light from the light emitting element. .
図1から図4は、本実施例にかかるセラミックス基板の形成工程を示す模式的な斜視図である。本実施例における支持部材の形成工程について、以下、図面を参照しながら説明する。 1 to 4 are schematic perspective views showing a process for forming a ceramic substrate according to this example. The formation process of the support member in the present embodiment will be described below with reference to the drawings.
(工程1)
図1に示されるように、窒化アルミニウムを材料とする平板状のセラミックス基板1(寸法9.0mm×12mm×2.0mm)に対し、Auを材料とするスパッタリングを行い、第一のパターン2を形成する。なお、平板状のセラミックス基板1の表面粗さ(Ra)は、0.1μm以下である。このような表面粗さとすることにより、後述する発光素子の実装工程において、発光素子をバンプにてフリップチップ実装する際の接合強度を十分にとることができる。
(Process 1)
As shown in FIG. 1, sputtering using Au as a material is performed on a flat ceramic substrate 1 (size: 9.0 mm × 12 mm × 2.0 mm) made of aluminum nitride, and the
第一のパターン2は、セラミック基板前面の隅に、互いに対向し短冊状に配される領域2aおよび2cと、セラミック基板前面の中央付近に配される領域2bとからなる。ここで、領域2aおよび2cは、発光装置に対して外部から給電を行うための接続端子として機能する。また、領域2bは、サンドブラスト加工により発光素子が載置される凸部4(図4参照)を形成し、その発光素子に接続する導体配線とするための領域である。また、第一のパターンとされるAuの厚みは、平均して0.1μmから1.0μmとする。これにより、第一のパターンは、スパッタリング工程におけるマスクとして十分に機能することができ、また、発光素子の電極と良好に接続して給電を行うことができる。
The
(工程2)
図2は、本工程によりサンドブラスト加工されるセラミックス基板を示す。セラミックス基板のうち、本工程によりセラミックス加工される部分は、斜線部の領域として示される。本工程は、第一のパターン2から露出されたセラミックス素地に対し、平均粒径が7.0μmから30μmのアルミナ粒子を研磨材として、サンドブラスト加工を行う。このとき、研磨材を40〜150m/sの速度でセラミックス基板の表面に噴射させる。これにより、セラミックス基板に深さ約0.5mmの凹部が形成される。また、表出されたセラミックス素地面は、その凹部側壁の傾斜角が70度であり、表面粗さ(Ra)が0.5から5.0μmである。このような表面粗さとすることにより、セラミックス基板に対するレンズの接合強度が向上する。また、スパッタリングされた第二のパターン5は、セラミックス基板に密着し、セラミックス基板から剥離することがなくなる。
(Process 2)
FIG. 2 shows a ceramic substrate that is sandblasted by this process. Of the ceramic substrate, the portion of the ceramic substrate that is subjected to ceramic processing is shown as a shaded area. In this step, sandblasting is performed on the ceramic substrate exposed from the
ところで、サンドブラスト加工のマスクとされた第一のパターン2の表面は、研磨材の噴射を受けることにより粗面化されている。このように、サンドブラスト加工の条件を適宜調整し、第一のパターンに表面粗さを付けることができる。これにより、外部電極との電気的接続を行う半田との濡れ性が向上し、信頼性に優れた半導体装置とすることができる。
By the way, the surface of the
(工程3)
図3に示されるように、サンドブラスト加工により切削され、表出されたセラミックス素地面に対し、第二のパターン5を施す。この第二のパターン5は、上記領域2aから領域2b、上記領域2cから領域2bまで連続したパターンとなるように、上記凹部側壁面(および凸部の側面)にも形成される。ここで、上記領域2aから領域2bまで連続するパターンと、上記領域2cから領域2bまで連続するパターンとは互いに絶縁分離されている。また、図4に示されるように、第二のパターン5は、第一のパターン2と電気的に接続することとなる。また、第二のパターン5は、第一のパターン2と同様に、Auを材料とするスパッタリングにより形成され、そのAuの厚みは、平均して0.1μmから1.0μmとする。以上の工程により、発光素子の支持部材となるセラミックス基板を形成する。
(Process 3)
As shown in FIG. 3, the
(発光素子)
本実施例における発光素子は、活性層として単色性発光ピークが可視光である460nmのIn0.2Ga0.8N半導体を有する窒化物半導体素子を用いる。より詳細に説明すると、発光素子であるLEDチップは、洗浄させたサファイア基板上にTMG(トリメチルガリウム)ガス、TMI(トリメチルインジウム)ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、MOCVD法で窒化物半導体を成膜させることにより形成させることができる。ドーパントガスとしてSiH4とCp2Mgを切り替えることによってn型窒化物半導体やp型窒化物半導体となる層を形成させる。
(Light emitting element)
The light emitting element in this example uses a nitride semiconductor element having an In 0.2 Ga 0.8 N semiconductor of 460 nm whose monochromatic emission peak is visible light as an active layer. More specifically, the LED chip as a light emitting element is nitrided by MOCVD by flowing TMG (trimethylgallium) gas, TMI (trimethylindium) gas, nitrogen gas and dopant gas together with a carrier gas onto a cleaned sapphire substrate. It can be formed by depositing a physical semiconductor. A layer to be an n-type nitride semiconductor or a p-type nitride semiconductor is formed by switching between SiH 4 and Cp 2 Mg as the dopant gas.
本実施例のLEDチップの素子構造としては透光性基板であるサファイア基板上に、アンドープの窒化物半導体であるGaN層、Siドープのn型電極が形成されたn型コンタクト層となるn型GaN層、アンドープの窒化物半導体であるGaN層を積層させ、さらに、バリア層となるGaN層、井戸層となるInGaN層を1セットとして5セット積層して最後にバリア層となるGaN層を積層させて活性層とし、該活性層は多重量子井戸構造としてある。さらに、活性層上にはMgがドープされたp型クラッド層としてAlGaN層、Mgがドープされたp型コンタクト層であるp型GaN層を順次積層させた構成としてある。なお、サファイア基板上には低温でGaN層を形成させバッファ層とさせてある。また、p型半導体は、成膜後400℃以上でアニールさせてある。 The element structure of the LED chip of this example is an n-type contact layer in which a GaN layer that is an undoped nitride semiconductor and an Si-doped n-type electrode are formed on a sapphire substrate that is a translucent substrate. Laminate a GaN layer and a GaN layer that is an undoped nitride semiconductor, and further laminate a GaN layer that becomes a barrier layer and an InGaN layer that becomes a well layer as a set, and finally a GaN layer that becomes a barrier layer. Thus, an active layer is formed, and the active layer has a multiple quantum well structure. Furthermore, an AlGaN layer as a p-type cladding layer doped with Mg and a p-type GaN layer as a p-type contact layer doped with Mg are sequentially stacked on the active layer. A GaN layer is formed on the sapphire substrate at a low temperature to serve as a buffer layer. The p-type semiconductor is annealed at 400 ° C. or higher after film formation.
エッチングによりサファイア基板上の窒化物半導体に同一面側で、p型コンタクト層およびn型コンタクト層の各表面を露出させる。次に、p型コンタクト層上にITO(インジウムと錫の複合酸化物)およびRhを材料とするスパッタリングを順に行い、ストライプ状に露出されたp型コンタクト層のほぼ全面に拡散電極が設けられる。このような電極とすることにより、拡散電極を流れる電流がp型コンタクト層の広範囲に広がるようにし、およびLEDチップの発光効率を向上させ、均一発光させることができる。 Etching exposes the surfaces of the p-type contact layer and the n-type contact layer on the same side of the nitride semiconductor on the sapphire substrate. Next, sputtering using ITO (indium and tin composite oxide) and Rh as materials is sequentially performed on the p-type contact layer, and a diffusion electrode is provided on almost the entire surface of the p-type contact layer exposed in a stripe shape. By setting it as such an electrode, the electric current which flows through a diffused electrode can be spread over the wide range of a p-type contact layer, the luminous efficiency of a LED chip can be improved, and it can be made to light-emit uniformly.
さらに、W、Pt、Auを材料とするスパッタリングを順に行い、拡散電極およびn型コンタクト層の一部に対し、積層させp側台座電極とn側台座電極とする。最後にダイシングによりチップ化し、□=1mm×1mmの半導体発光素子チップとする。 Further, sputtering using W, Pt, and Au as materials is sequentially performed, and the diffusion electrode and a part of the n-type contact layer are stacked to form a p-side pedestal electrode and an n-side pedestal electrode. Finally, a chip is formed by dicing to obtain a semiconductor light emitting element chip of □ = 1 mm × 1 mm.
本実施例の発光素子において、n型台座電極は、ストライプ状に露出されたn型半導体の両隅、すなわち発光素子チップの両隅に形成されている。また、エッチングにより露出されたn型半導体は、発光素子の上面方向からみて、n型台座電極が形成される隅部の位置から発光素子の中央方向に向かって細くなった括れ部分を有する。また、互いに対向する一対の括れ部分を結ぶように延伸部を有する。さらに、その延伸部を挟むような位置に、p側の半導体層、拡散電極あるいはp側台座電極が形成されている。 In the light emitting device of this embodiment, the n-type pedestal electrodes are formed at both corners of the n-type semiconductor exposed in a stripe shape, that is, at both corners of the light emitting device chip. In addition, the n-type semiconductor exposed by etching has a constricted portion that narrows from the position of the corner where the n-type base electrode is formed toward the center of the light-emitting element when viewed from the upper surface direction of the light-emitting element. Moreover, it has an extending | stretching part so that a pair of constricted part which mutually opposes may be tied. Further, a p-side semiconductor layer, a diffusion electrode, or a p-side pedestal electrode is formed at a position sandwiching the extended portion.
(発光素子の実装)
図3あるいは図4に示すように、セラミックス基板のサンドブラスト加工された前面には、そのほぼ中央に凸部4が形成される。図6に示されるように、本実施例においては、この凸部4の上面を実装面として、四個の発光素子チップが一列に配列されてフリップチップ実装される。
(Mounting of light emitting elements)
As shown in FIG. 3 or FIG. 4, a
凸部4の上面には、上記第一のパターン2の形成時に同時に形成されたAuを材料とする導体配線が施されている。該導体配線は、バンプを介して発光素子のp側台座電極およびn側台座電極とそれぞれ対向する正負一対の導体配線とされる。発光素子は、そのp側およびn側台座電極がAuバンプを介して導体配線と対向される。さらに、荷重、超音波および熱をかけることにより、バンプを溶着し、上記導体配線に発光素子を接合する。
On the upper surface of the
発光素子チップと実装面との間に生じる間隙には、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂がアンダーフィルとして充填されていることが好ましい。これにより、上記間隙による品質の低下を防止することができる。すなわち、発光素子チップと、その実装面との間に気泡が存在すると、発光素子チップの発熱時に気泡が膨張し、発光素子と導体配線との電気的接続不良を招くことがあるが、アンダーフィルにより気泡の発生を防止し、信頼性の高い発光装置とすることができる。 It is preferable that the gap generated between the light emitting element chip and the mounting surface is filled with an epoxy resin or a silicone resin as an underfill. Thereby, the deterioration of the quality by the said gap can be prevented. That is, if bubbles exist between the light emitting element chip and its mounting surface, the bubbles may expand when the light emitting element chip generates heat, leading to poor electrical connection between the light emitting element and the conductor wiring. Therefore, generation of bubbles can be prevented, and a highly reliable light-emitting device can be obtained.
(光変換部材の形成)
発光素子は、蛍光物質を含む光変換部材により被覆されている。これにより、本実施例における発光装置は、発光素子からの光と、その光により励起されて発光する蛍光物質からの光との混色光を発光することができる。
(Formation of light conversion member)
The light emitting element is covered with a light conversion member containing a fluorescent material. As a result, the light emitting device in this embodiment can emit mixed color light of light from the light emitting element and light from the fluorescent material that is excited by the light and emits light.
本実施例における蛍光物質は、Y、Gd、Ceの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させ、これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得る。さらにフラックスとしてフッ化バリウムを混合した後坩堝に詰め、空気中1400℃の温度で3時間焼成することにより焼成品が得られる。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して中心粒径が8μmである(Y0.995Gd0.005)2.750Al5O12:Ce0.250蛍光物質を形成する。光変換部材の材料は、シリコーン樹脂に、上記蛍光物質を20〜75wt%含有させ、自転公転ミキサーにて5分間攪拌を行い、蛍光体と結着剤であるシリコーン樹脂との混合物とする。さらに、その混合物は、フリップチップ実装された半導体発光素子の発光観測側主面であるサファイア基板面に対し、スクリーン印刷後、硬化されることにより、光変換部材とされる。 The fluorescent material in this example is a coprecipitated oxide obtained by coprecipitation of oxalic acid with a solution obtained by dissolving a rare earth element of Y, Gd, and Ce in an acid in a stoichiometric ratio with oxalic acid, and aluminum oxide. To obtain a mixed raw material. Further, barium fluoride is mixed as a flux, then packed in a crucible, and fired in air at a temperature of 1400 ° C. for 3 hours to obtain a fired product. The fired product is ball milled in water, washed, separated, dried, and finally passed through a sieve to have a center particle size of 8 μm (Y 0.995 Gd 0.005 ) 2.750 Al 5 O 12 : Ce 0.250 phosphor Form. As a material for the light conversion member, 20 to 75 wt% of the above-mentioned fluorescent substance is contained in a silicone resin, and the mixture is stirred for 5 minutes by a rotation and revolution mixer to obtain a mixture of a phosphor and a silicone resin as a binder. Further, the mixture is screen-printed and cured on the sapphire substrate surface, which is the light emission observation side main surface of the semiconductor light-emitting element mounted on the flip chip, thereby forming a light conversion member.
(レンズの装着)
図5および図7に示されるように、本実施例において光学部材であるレンズ6は、発光装置の発光観測側に凸であり、セラミック基板に対向する実装側に半球状の空洞を有する球面部6aと、該球面部6aの外縁となり支持基板に固定される鍔部6bとを有する。その鍔部6bがセラミックス基板の前面に形成された凹凸形状に嵌合される。すなわち、鍔部6bの端部の一部がセラミックス基板の凹部側壁面に対向し、他の端部の一部がセラミックス基板の側面方向に配置されることにより位置あわせされる。
(Lens mounting)
As shown in FIGS. 5 and 7, the
本実施例におけるレンズ6の装着は、窒素ガス雰囲気中で行われ、セラミック基板とエポキシ樹脂を接着剤として固定される。発光素子7は、レンズ6とセラミックス基板1とにより気密封止される。
The
レンズ6の材質は、軟質ガラス(ホウ珪酸ガラス)とし、レンズの鍔部6bの厚みは、セラミックス基板がサンドブラスト処理された深さ(凹部の深さ)とほぼ等しい0.5mmである。したがって、鍔部6bの上面は、セラミック基板1の凹部側壁3aの上面とほぼ同一平面であり、発光素子の実装面である凸部4の上面とほぼ同一平面とされる。これにより、凸部上面に実装された発光素子からの光は、鍔部や接着剤に遮られることなく、レンズの球面部に入射されるため、光学特性に優れた発光装置とすることができる。
The material of the
なお、上記工程3において、サンドブラスト加工されたセラミックス素地面が露出するような第二のパターン配置とし、そのセラミックス素地面を接着面とすることが好ましい。これにより、金属材料からなる第二のパターンを接着面とする場合と比較して、光学部材の接着強度を向上させることができる。 In the step 3, it is preferable that the second pattern arrangement is such that the sandblasted ceramic substrate is exposed, and the ceramic substrate is used as an adhesive surface. Thereby, compared with the case where the 2nd pattern which consists of metal materials is used as an adhesive surface, the adhesive strength of an optical member can be improved.
以上、説明したように、本実施例にかかる半導体装置は、放熱性に優れた発光装置として量産性良く得ることができる。 As described above, the semiconductor device according to this example can be obtained with high mass productivity as a light emitting device having excellent heat dissipation.
本発明にかかる支持基板および半導体装置は、投入される電力が比較的大きく、高出力の発光素子が収納された発光装置として、家庭用照明や車載用照明に用いることができる。 The support substrate and the semiconductor device according to the present invention can be used for home lighting or in-vehicle lighting as a light-emitting device in which a relatively large amount of power is input and a high-power light-emitting element is housed.
1・・・セラミックス基板
2、2a、2b、2c・・・第一のパターン
3a、3b・・・側壁
4・・・凸部
5・・・第二のパターン
6・・・レンズ
6a・・・球面部
6b・・・鍔部
7・・・半導体発光素子
8・・・発光装置
DESCRIPTION OF
Claims (12)
セラミックス基板の表面の前記半導体素子の正負一対の電極とそれぞれ対向する領域に、導電性部材により第一のパターンを形成する第一の工程と、
前記第一のパターンが形成された面に、前記第一のパターンをマスクとしてサンドブラスト処理を施すことにより、粗面化されたセラミックス素地の凹部を形成する第二の工程と、
前記凹部に、前記第一のパターンと電気的に接続するように、導電性部材により第二のパターンを形成する第三の工程とを有することを特徴とする支持基板の形成方法。 A method for forming a support substrate on which a semiconductor element having a pair of positive and negative electrodes on the same surface side is mounted,
A first step of forming a first pattern with a conductive member on a region of the surface of the ceramic substrate facing the pair of positive and negative electrodes of the semiconductor element ;
A second step of forming a concave portion of the roughened ceramic body by subjecting the surface on which the first pattern is formed to sandblasting using the first pattern as a mask ;
And a third step of forming a second pattern with a conductive member in the recess so as to be electrically connected to the first pattern .
セラミックス基板の表面の前記半導体素子の正負一対の電極とそれぞれ対向する第一の領域に、導電性部材により第一のパターンを形成する第一の工程と、
前記第一のパターンが形成された面に、前記第一のパターンをマスクとしてサンドブラスト処理を施すことにより、粗面化されたセラミックス素地の凹部を形成する第二の工程と、
前記凹部に、前記第一のパターンと電気的に接続するように、導電性部材により第二のパターンを形成する第三の工程と、
前記半導体素子と前記第一のパターンとを電気的に接続する第四の工程とを有することを特徴とする半導体装置の形成方法。 A method of forming a semiconductor device having a semiconductor element having a pair of positive and negative electrodes on the same surface side and a support substrate on which the semiconductor element is mounted,
A first step of forming a first pattern with a conductive member in a first region facing the pair of positive and negative electrodes of the semiconductor element on the surface of the ceramic substrate;
A second step of forming a concave portion of the roughened ceramic body by subjecting the surface on which the first pattern is formed to sandblasting using the first pattern as a mask ;
A third step of forming a second pattern with a conductive member so as to be electrically connected to the first pattern in the recess ;
A method for forming a semiconductor device, comprising: a fourth step of electrically connecting the semiconductor element and the first pattern .
前記第二の工程において、前記凹部により、前記第二の領域を上面に有する凸部が形成され、
前記凸部の側壁面に、外縁に鍔部を有する光学部材の該鍔部の端部を嵌合させて固定する第五の工程をさらに有する請求項4に記載の半導体装置の形成方法。 In the first step, the second region is formed opposite to each other at the corner of the ceramic substrate,
In the second step, a convex part having the second region on the upper surface is formed by the concave part,
5. The method of forming a semiconductor device according to claim 4, further comprising a fifth step of fitting and fixing an end portion of the flange portion of the optical member having a flange portion on an outer edge to the side wall surface of the convex portion .
前記支持基板は、セラミックス基板であって、
前記導体配線は、前記半導体素子の電極と導電性部材を介して電気的に接続する第一の領域を有する第一の導体配線領域と、
前記第一の領域と電気的に接続する第二の導体配線領域とを有し、
前記第二の導体配線領域は、前記第一の導体配線領域をマスクとして前記支持基板にサンドブラスト処理を施すことにより形成される、粗面化されたセラミックス素地の凹部に形成されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a semiconductor element having a pair of positive and negative electrodes on the same surface side , and a support substrate having a conductor wiring electrically connected to the semiconductor element and mounting the semiconductor element,
The support substrate is a ceramic substrate,
The conductor wiring, and the first conductor wiring region having a first region are electrically connected via the electrode and the conductive member of the semiconductor element,
Have a said first region and electrically second conductor wiring region for connecting,
The second conductor wiring region is formed in a concave portion of a roughened ceramic body formed by subjecting the support substrate to sandblasting using the first conductor wiring region as a mask. A semiconductor device.
前記第二の導体配線領域は、前記第一の領域と前記第二の領域を電気的に接続する請求項9又は10に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 9, wherein the second conductor wiring region electrically connects the first region and the second region.
前記第二の領域は、前記支持基板の隅に互いに対向して形成され、
前記凹部により前記第二の領域を上面に有する凸部が設けられ、該凸部の側壁面に前記光学部材の鍔部の端部が嵌合されている請求項11に記載の半導体装置。 The semiconductor device has an optical member having a flange on an outer edge,
The second region is formed opposite to each other at the corner of the support substrate,
The semiconductor device according to claim 11 , wherein a convex portion having the second region on an upper surface is provided by the concave portion, and an end portion of the flange portion of the optical member is fitted to a side wall surface of the convex portion .
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