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技術 半導体発光装置

出願人 スタンレー電気株式会社
発明者 及川俊広
出願日 2017年8月23日 (2年8ヶ月経過) 出願番号 2017-160503
公開日 2019年3月14日 (1年1ヶ月経過) 公開番号 2019-040956
状態 未査定
技術分野 LED素子のパッケージ
主要キーワード 周壁体 貫通孔形成前 透光性樹脂部材 周壁部材 ボンディングランド 裏側電極 金属接合材 搭載ランド
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

支持基板上に半導体発光素子が載置された半導体発光装置において、放熱効率を向上させる。

解決手段

当該半導体発光装置は、矩形状の平面形状を有する支持基板と、前記支持基板の表面に、相互に離隔して設けられる第1および第2の表面電極と、前記第1の表面電極の上方に配置され、前記第1および第2の表面電極各々と電気的に接続する半導体発光素子と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記支持基板の外縁を構成する4つの辺部各々に接する第1の裏面電極と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記第1の裏面電極を避けて、前記支持基板の外縁に接する第2の裏面電極と、前記支持基板を貫通するビア電極であって、前記第1の表面電極と前記第1の裏面電極と電気的に接続する第1のビア電極、および、前記第2の表面電極と前記第2の裏面電極と電気的に接続する第2のビア電極、を含むビア電極と、を備える。

概要

背景

特許文献1には、発光ダイオード半導体発光素子)を配線基板に搭載した発光装置が開示されている。このような発光装置を、比較的高い光出力の(高輝度の)照明機器、たとえばヘッドランプバックライト等の車両用灯具などに用いる場合、発光ダイオードには比較的大きい電力が供給される。このとき、発光ダイオードは、発熱により、高温となる。発光ダイオードの温度が高くなると、当該発光ダイオードの発光効率が低減する場合がある。

概要

支持基板上に半導体発光素子が載置された半導体発光装置において、放熱効率を向上させる。 当該半導体発光装置は、矩形状の平面形状を有する支持基板と、前記支持基板の表面に、相互に離隔して設けられる第1および第2の表面電極と、前記第1の表面電極の上方に配置され、前記第1および第2の表面電極各々と電気的に接続する半導体発光素子と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記支持基板の外縁を構成する4つの辺部各々に接する第1の裏面電極と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記第1の裏面電極を避けて、前記支持基板の外縁に接する第2の裏面電極と、前記支持基板を貫通するビア電極であって、前記第1の表面電極と前記第1の裏面電極と電気的に接続する第1のビア電極、および、前記第2の表面電極と前記第2の裏面電極と電気的に接続する第2のビア電極、を含むビア電極と、を備える。 −1

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

矩形状の平面形状を有する支持基板と、前記支持基板の表面に、相互に離隔して設けられる第1および第2の表面電極と、前記第1の表面電極の上方に配置され、前記第1および第2の表面電極各々と電気的に接続する半導体発光素子と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記支持基板の外縁を構成する4つの辺部各々に接する第1の裏面電極と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記第1の裏面電極を避けて、前記支持基板の外縁に接する第2の裏面電極と、前記支持基板を貫通するビア電極であって、前記第1の表面電極と前記第1の裏面電極と電気的に接続する第1のビア電極、および、前記第2の表面電極と前記第2の裏面電極と電気的に接続する第2のビア電極、を含むビア電極と、を備える半導体発光装置

請求項2

前記支持基板の外縁を構成する4つの辺部各々に対して、前記第1の裏面電極が該外縁に接している割合は50%以上である請求項1記載の半導体発光素子。

請求項3

前記第1の裏面電極の面積は、前記第2の裏面電極の面積よりも大きい請求項1または2記載の半導体発光装置。

請求項4

前記第1のビア電極は、前記第2のビア電極よりも太い請求項1〜3いずれか1項記載の半導体発光装置。

請求項5

前記支持基板の表面に、前記半導体発光素子を取り囲むように配置される周壁部材と、前記周壁体の、前記半導体発光素子を取り囲む空間に充填される封止材と、をさらに備える請求項1〜4いずれか1項記載の半導体発光装置。

技術分野

0001

本発明は、配線基板半導体発光素子が搭載された半導体発光装置に関する。

背景技術

0002

特許文献1には、発光ダイオード(半導体発光素子)を配線基板に搭載した発光装置が開示されている。このような発光装置を、比較的高い光出力の(高輝度の)照明機器、たとえばヘッドランプバックライト等の車両用灯具などに用いる場合、発光ダイオードには比較的大きい電力が供給される。このとき、発光ダイオードは、発熱により、高温となる。発光ダイオードの温度が高くなると、当該発光ダイオードの発光効率が低減する場合がある。

先行技術

0003

特開2013−175528号公報

発明が解決しようとする課題

0004

本発明の主な目的は、半導体発光素子を配線基板に搭載した半導体発光装置において、その放熱効率を向上させることにある。

課題を解決するための手段

0005

本発明の主な観点によれば、矩形状の平面形状を有する支持基板と、前記支持基板の表面に、相互に離隔して設けられる第1および第2の表面電極と、前記第1の表面電極の上方に配置され、前記第1および第2の表面電極各々と電気的に接続する半導体発光素子と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記支持基板の外縁を構成する4つの辺部各々に接する第1の裏面電極と、前記支持基板の裏面に設けられ、前記第1の裏面電極を避けて、前記支持基板の外縁に接する第2の裏面電極と、前記支持基板を貫通するビア電極であって、前記第1の表面電極と前記第1の裏面電極と電気的に接続する第1のビア電極、および、前記第2の表面電極と前記第2の裏面電極と電気的に接続する第2のビア電極、を含むビア電極と、を備える半導体発光装置、が提供される。

発明の効果

0006

半導体発光素子が発する熱を効率的に分散することができる。

図面の簡単な説明

0007

および、
図1a〜図1cは、参考例による半導体発光装置を示す断面図,平面図および底面図であり、図1dは、当該半導体発光素子をマウント基板上に載置した状態を示す平面図である。
図2a〜図2cは、第1の実施例による半導体発光装置を製造する方法を例示する断面図である。
および、
図3aおよび図3bは、第1の実施例による半導体発光装置を示す平面図および底面図であり、図3cは、当該半導体発光装置をマウント基板上に載置した状態を示す平面図であり、図3dは、当該半導体発光装置の変形例を示す底面図である。
図4aおよび図4bは、第2の実施例による半導体発光装置を示す平面図および底面図である。

実施例

0008

図1a〜図1cは、参考例による半導体発光装置(LED装置)100を示す断面図,平面図(上面図)および底面図(下面図)である。LED装置100は、主に、電極導電層)を含む支持基板(配線基板)11、支持基板11に搭載される半導体発光素子(LED素子)17、LED素子17を囲う周壁体21、および、周壁体21の、LED素子21を囲う空間に充填される封止材25、を備える。

0009

図1aに示すように、基板11の上面(表面)には、素子搭載ランド13Aおよびボンディングランド13Bからなる表面導電部13(銅などの導電部材)が形成されている。また、素子搭載ランド13Aおよびボンディングランド13B各々は、スルーホール15A,15Bを通って(ないしスルーホール15A,15Bを通るビア電極16A,16Bを介して)、基板11の下面(裏面)に設けられる導電部に接続している。なお、図中において、各構成部材の相対的なサイズや位置関係などは、実際のものとは異なっている。

0010

素子搭載ランド13Aの上方に、半導体発光素子(LED素子)17が載置されている。LED素子17は、たとえば、上面にアノード電極P側電極)、下面にカソード電極(N側電極)を有している。LED素子17は、はんだ等を介した下面電極と素子搭載ランドとの共晶接合により、素子搭載ランド13A上に固定されている。

0011

LED素子17の下面電極は、直接、素子搭載ランド13Aに接続される。上面電極は、ボンディングワイヤ19(金、銅、白金アルミニウムなどの導電部材)を介してボンディングランド13Bに接続される。

0012

LED素子17は、たとえば、窒化物系半導体材料を含み、青色光(430nm〜470nm程度)を発する青色発光ダイオードである。LED素子17の高さは、100μm程度である。

0013

図1bに示すように、基板11表面のほぼ中央に、LED素子17が配置されており、LED素子17を取り囲むように周壁体21が配置される。周壁体21は、基板11を露出する貫通孔を備え、その貫通孔の内壁は、基板11の上面とともに、LED素子17を囲む凹部23を画定する。

0014

凹部23内には、封止材25が充填されており、LED素子17等が封止材25により埋設されている。封止材25は、透光性を有する樹脂部材、たとえば、シリコーン樹脂エポキシ樹脂またはシリコーン及びエポキシ樹脂のハイブリッド樹脂を、凹部23内に注入し、硬化させることにより形成される。封止材25は、たとえば、LED素子17およびボンディングワイヤ19を湿気ないし衝撃等の外的要因から保護する機能を果たす。なお、封止材25には、たとえば、二酸化ケイ素酸化チタン酸化アルミナ、酸化亜鉛等の光散乱材が分散されていてもよい。

0015

また、封止材25には、たとえば、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)に付活剤としてCe(セリウム)を導入したYAG:Ce蛍光体が分散されていてもよい。この蛍光体は、LED素子17から発せられる、波長約460nmの青色光を吸収して、約560nmの発光ピーク波長を有する黄色光を発する。LED素子17から発せられて蛍光体に吸収されなかった青色光と蛍光体から発せられる黄色光とが混ざり合うことによって白色光が得られる。

0016

なお、基板11の平面形状は、たとえば一辺約3mmの正方形状である。また、LED素子17の平面形状は、たとえば、一辺約750μmの正方形状である。

0017

図1cに示すように、基板11裏面には、素子搭載ランド13Aと導通する素子側電極14A、および、ボンディングランド13Bと導通するボンディングワイヤ側電極14Bからなる導電部14が形成されている。素子側電極14Aおよびワイヤ側電極14Bは、間隙を空けて、基板11の裏面を二分するように設けられている。

0018

図1dは、LED装置100をマウント基板90に載置(マウント)した状態を示す平面図である。LED装置100は、通常、電極や配線等が設けられたマウント基板90上に載置されて用いられる。マウント基板90は、たとえば、電源装置グランド端子に接続されるGND電極94Aと、電源装置の正電圧を出力する端子に接続されるVCC電極94Bと、を含む。

0019

LED装置100の素子側電極14A(破線で示す)が、マウント基板90のGND電極94A上に配置される。それらの電極14A,94Aは、はんだなどを介して、相互に電気的に接続されている。また、LED装置100のワイヤ側電極14B(破線で示す)が、マウント基板90のVCC電極94B上に配置される。それらの電極14B,94Bは、はんだなどを介して、相互に電気的に接続されている。

0020

GND電極94AおよびVCC電極94Bから、素子側電極14Aおよびワイヤ側電極14Bを介して、LED素子17に電力(0.5W〜5.0W程度)が供給されると、LED素子17から光が放出される。このとき、LED素子17は発熱し、比較的高い温度に達する。

0021

LED素子17から発せられた熱は、素子搭載ランド13Aを介して、素子側電極14Aおよびマウント基板90のGND電極94Aに伝導する。LED装置100の裏面に伝導した熱は、スルーホール15の位置を中心として、素子側電極14AおよびGND電極94Aが延在する方向(図1dにおいて、上下方向および左方向)に伝導する。

0022

素子側電極14AないしGND電極94Aは、ワイヤ側電極14BないしVCC電極94Bと物理的に離隔している。このため、素子100の裏面に伝導した熱は、ワイヤ側電極14BないしVCC電極94Bが延在する方向(図1dにおいて右方向)には伝導しえない。

0023

参考例によるLED装置100は、伝熱・放熱効率について、改善の余地がある。本発明者は、伝熱・放熱効率がより良好なLED装置について検討を行った。

0024

以下、第1の実施例によるLED装置について説明する。第1の実施例によるLED装置は、参考例によるLED装置と概ね同様の構成・構造を有する。ただし、第1の実施例は、参考例と比べると、主に、基板表面および裏面に設けられる導電層の形状・構成が異なっている。

0025

図2a〜図2cは、第1の実施例によるLED装置を製造する様子を示す断面図である。なお、図中では、1つの発光装置の断面を示しているが、実際の製造時は、複数の発光装置が配列されたシート状態で製造され、最後にダイシング等で個々の発光装置に個片化されてもよい。

0026

図2aに示すように、シリコーン樹脂基板11の両面に銅箔が貼り合わされた銅貼基板に、当該基板の上面から下面に貫通するスルーホール15A,15Bをドリルまたはパンチなどで形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて銅箔をエッチング処理し、基板表面の素子搭載ランド13A,ボンディングランド13Bおよび配線13C、ならびに、基板裏面の素子側電極14Aおよびワイヤ側電極14Bからなる導電領域パターン形成を行う。さらに、パターン形成した銅箔上およびスルーホール15A,15B内に銅メッキ等を施し、上下の導電部13,14を電気的に接続するビア電極16A,16Bを形成する。

0027

次に、図2bに示すように、基板11の上面の周縁領域に配置した接着材を介して、基板11上に周壁体21を固定する。本実施例では、シート状の接着材が接着された周壁体21を、基板11の上面の周縁領域に載置し、熱圧着することにより接着材を硬化させ、周壁体21と基板11とを固定した。

0028

具体的には、接着材として半硬化状態のエポキシ樹脂系の接着シートを、貫通孔形成前の周壁体21に貼り合わせ、周壁体21及び接着シートの二層に同時に貫通孔を形成する。その後、シート状の接着材が接着された周壁体21を基板11の上面の周縁領域に載置し、熱圧着することにより接着材を硬化させて周壁体21と基板11とを固定した。

0029

次に、基板11の上面に形成された素子搭載ランド13A上に、金錫またははんだペースト等のペースト状の金属接合材を、ポッティング等で塗布する。そして、金属接合材上に、下面に電極(たとえばカソード電極)を有するLED素子17を載置し、基板11裏面側から、コイルによって電磁波を発する誘導加熱装置によって誘導加熱を行う。

0030

この誘導加熱によって、基板11上の導電部材である素子搭載ランド、LED素子17の下面電極およびペースト状の金属接合材が、選択的かつ瞬間的に金錫またははんだ共晶反応等の接合熱処理に必要な温度(約300℃)に加熱される。ペースト状の金属接合材は、誘導加熱を開始すると瞬時に、素子搭載ランド13およびLED素子17の下面電極の表面に濡れ広がり、その後、誘導加熱を停止すると冷却されて固化する。このようにして、素子搭載ランド13Aの上面とLED素子17下面の電極とが金属接合材によって接合固定され、LED素子17の下面にある電極と素子搭載ランド13Aとが金属接合材を介して電気的に接続される。

0031

最後に、図2cに示すように、LED素子17の上面にある電極(たとえばアノード電極)とボンディングランド13Bとを、ボンディングワイヤ19により接続する。その後、凹部23内にLED素子17およびボンディングワイヤ19を埋設する透光性樹脂部材を充填し、封止部25を形成する。これにより、LED装置101が完成する。

0032

図3aおよび図3bは、第1の実施例によるLED装置101において、その導電部13,14の形状を示す平面図(上面図)および底面図(下面図)である。なお、図3aにおいて、便宜のため、周壁体21および封止材25の図示を省略し、周壁体21の内壁(凹部23の輪郭)を破線で示している。

0033

図3aに示すように、第1の実施例において、基板11の上面に設けられる導電層13は、素子搭載ランド13Aおよびボンディングランド13Bに加え、さらに、ボンディングランド13Bと連続する配線13Cを含む。配線13Cは、基板11の外縁に沿う矩形枠状の部分と、その矩形枠状の部分とボンディングランド13Bとを接続する部分から構成される。配線13Cは、矩形状の基板11の角部近傍に配置されるスルーホール15Bを通って(ないしスルーホール15Bを通るビア電極16Bを介して)、基板11裏面に設けられるワイヤ側電極14Bに接続する。

0034

図3bに示すように、第1の実施例において、ボンディングランド13Bと導通するワイヤ側電極14Bは、基板11の4つの角部各々に、扇状の形状で設けられている。扇状のワイヤ側電極14Bの半径は、0.2mm〜0.5mm程度である。

0035

また、素子搭載ランド13Aと導通する素子側電極14Aは、基板11の外縁を構成する4つの辺部各々に接する形状で設けられている。各辺部において、素子側電極14Aが接している割合は、50%以上であることが好ましい。つまり、1辺3.0mmの正方形状の基板11を用いた場合、各辺部において、素子側電極14Aが接している長さは1.5mm以上であることが好ましい。

0036

なお、素子搭載ランド13Aに接続するビア電極16A(スルーホール15A)の直径は、約700μmであり、ボンディングランド13Bに接続するビア電極16B(スルーホール15B)の直径は、60μm〜100μm程度である。素子搭載ランド13Aに接続するビア電極16Aは、素子17から発せられる熱を効率的に、基板11裏面の素子側電極14Aに伝導するために、できるだけ太く形成することが好ましい。また、放熱性の観点から、素子側電極14Aはできるだけ広い(大きい)ことが好ましく、ワイヤ側電極14Bはできるだけ狭く(小さく)形成することが好ましい。このため、ワイヤ側電極14Bに接続するビア電極16Bも、できるだけ細く形成することが好ましい。

0037

図3cは、LED装置101をマウント基板91に載置(マウント)した状態を示す平面図である。LED装置101の素子側電極14A(破線で示す)が、マウント基板91のGND電極94A(斜線模様で示す)上に配置され、それらの電極14A,94Aは、相互に電気的に接続されている。また、LED装置101の4つ角に配置されるワイヤ側電極14B(破線で示す)が、マウント基板91のVCC電極94B上に配置され、それらの電極14B,94Bは、相互に電気的に接続されている。

0038

LED素子17から発せられた熱は、素子搭載マウント13Aおよびビア電極16Aを介して、基板11裏面の素子側電極14Aおよびマウント基板91のGND電極94Aに伝導する。LED装置101の裏側に伝導した熱は、素子側電極14AおよびGND電極94Aにおいて、スルーホール15Aの位置を中心として、LED装置101の外縁、つまり、図3cにおいて上下左右の縁に向かって伝導する。LED装置101の裏側に伝導した熱は、最終的に、マウント基板91のGND電極94Aを伝導し、LED装置101の外側の領域に放出される。

0039

LED装置101の裏側電極、特にLED素子が搭載された電極に連続する素子側電極を、素子(ないし素子に接続するビア電極)の位置を中心に四方に延在するように設けることにより、LED素子17から発せられた熱を、効率的に、発散・分散することができる。具体的には、基板裏面の素子側電極を、基板11の外縁を構成する4つの辺部各々に接する形状・構成にすることにより、LED装置101の伝熱・放熱効率を向上させることができる。

0040

図3dは、第1の実施例によるLED装置の変形例を示す底面図(下面図)である。ワイヤ側電極14Bの形状は、扇状に限らず、たとえば矩形状であってもかまわない。

0041

また、ワイヤ側電極14Bは、矩形状の基板11の角部に設けられていなくてもよいし、4箇所に設けられていなくてもかまわない。素子側電極14Aの形状が基板11の外縁を構成する4つの辺部各々に接する形状であれば、ワイヤ側電極14Bの形状は特に限定されない。ただし、LED装置をマウント基板上に載置した際、ワイヤ側電極14BをVCC電極94Bに接触させるために、ワイヤ側電極14Bは基板11の外縁のいずれかに接して設けられることが好ましいであろう。

0042

図4aおよび図4bは、第2の実施例によるLED装置102を示す平面図(上面図)および底面図(下面図)である。第2の実施例によるLED装置は、第1の実施例によるLED装置と概ね同様の構成・構造を有する。ただし、第2の実施例は、複数のLED素子を含む構成となっている。なお、図4aにおいて、周壁体および封止材の図示を省略している。

0043

図4aに示すように、基板11表面のほぼ中央には、4つのLED素子17が2×2の行列状に配置されている。LED素子17各々において、下面電極が、直接、素子搭載ランド13Aと接触しており、上面電極が、ボンディングワイヤ19を介して、ボンディングランド13Bと接続している。素子搭載ランド13A各々の直下には、スルーホール15Aおよびビア電極16Aが設けられており、素子搭載ランド13Aは、ビア電極16Aを介して、基板11裏面の電極に接続される。

0044

また、ボンディングランド13B各々には、相互に離隔する配線13Cが接続している。各配線13Cは、それぞれ矩形状の基板11の角部まで延在している。基板11の角部には、スルーホール15Bおよびビア電極16Bが設けられており、配線13Cは、ビア電極16Bを介して、基板11裏面の電極に接続される。

0045

図4bに示すように、基板11裏面には、複数の素子搭載ランド13A(ないしビア電極16A)に接続する素子側電極14Aと、個々の配線13C(ないしビア電極16B)に接続するワイヤ側電極14Bと、が設けられている。4つのLED素子17の下面電極は、基板11裏面において同じ電極(つまり素子側電極14A)に接続されている。4つのLED素子17は、たとえば、電気的に並列に接続され、利用される。

0046

以上、実施例に沿って本願を説明したが、これらは制限的なものではない。例えば材料、数値などは例示であって、これらに限るものではない。その他種々の変形、置換、改良等が可能なことは当業者に自明であろう。

0047

11…支持基板、13…導電層(表面電極)、13A…素子搭載ランド、13B…ボンディングランド、13C…配線、14…導電層(裏面電極)、14A…素子側電極、14B…ワイヤ側電極、15…スルーホール、16…ビア電極、17…半導体発光素子(LED素子)、19…ボンディングワイヤ、21…周壁体、23…凹部、25…封止材、90,91…マウント基板,94…電極、100〜102…半導体発光装置(LED装置)。

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