JP3900595B2

JP3900595B2 - 光電装置

Info

Publication number: JP3900595B2
Application number: JP16623997A
Authority: JP
Inventors: 広昭為本
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1997-06-23
Filing date: 1997-06-23
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2017-06-23
Also published as: JPH1117225A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、フォトインタラプタ、ＬＥＤディスプレイ、イメージスキャナー等に利用される発光素子や受光素子を有する光電装置に係わり、特に、製造条件や使用環境によらず安定した光電特性を有する光電装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
今日、ＬＳＩなどのシリコンテクノロジー等の発展により、多量の情報を処理し利用することが可能となった。これに伴い、種々の情報を検知或いは表示可能な光電装置に対する社会の要求がますます高まりを見せている。
【０００３】
具体的には、光半導体素子としてＬＥＤチップ、ＬＤ（以下、レーザーダイオードとも呼ぶ）などの発光素子や光センサー、太陽電池などの受光素子が挙げられる。光半導体素子は、素子自体を水分や塵芥などから保護する或いは実装しやすくする等の観点から基板上に配置させモールド樹脂で被覆される。このような構成の光電装置は、ＬＥＤディスプレイ、光ディスクやＦＡ（ファクトリー・オートメーション）など種々の分野で利用され始めている。利用分野が広がるにつれ野外など種々の環境下で使用され始めている。
【０００４】
光電装置に利用される光半導体素子としては、半導体を介して一対の電極が設けられた構造のものと、光半導体素子の同一平面側に正極及び負極に相当する電極が設けられた構造（以下、プレーナー構造とも呼ぶ。）のものとが挙げられる。
【０００５】
半導体を介して電極が設けられた光半導体素子を利用した光電装置は、図６の如く、一方をＡｇペースを用いて基板上の一方の外部電極と電気的に接続させる。また、光半導体素子の他方の電極を一対に形成された他方の外部電極に金線などを利用してワイヤーボンディングすることにより電気的に接続させる。外部電極と電気的に接続された光半導体素子は、エポキシ樹脂などによりモールドすることで種々の環境下で使用可能な光電装置が形成される。基板に設けられた外部電極に電力を供給する或いは、受け取ることにより光半導体素子を発光させたり発電などすることができる。このような光電装置は、比較的簡単に形成できる反面、外力によりワイヤーが損傷しやすい、小型化がしにくい。さらには、ワイヤーが光の妨げになるという問題を有する。
【０００６】
一方、プレーナー構造の光半導体素子を利用した光電装置は、図５の如き、基板に設けられた一対の外部電極と、同一平面側に設けられた光半導体素子の各電極をＡｇペーストを用いて接続する。基板上に形成された外部電極と電気的に接続された光半導体素子は、エポキシ樹脂などによりモールドすることにより光電装置が形成される。この光電装置は、ワイヤーによる不都合がない特徴を持つ。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体素子を介して電極が形成された光半導体素子を利用した光電装置に比べてプレーナー構造の光半導体素子を利用した光電装置は、モールド部材形成後に接触抵抗が増える、光半導体素子が駆動しない傾向が強い。また、温湿度サイクルの激しい使用環境下では発光輝度などの低下や不点灯になる確率が高い傾向にある。同様に、外部環境下から保護するモールド部材である透光性樹脂を厚くするにつれ、逆に発光輝度の低下や不点灯になる確率が高い傾向にある。より優れた光電特性が求められる今日においては上記構成の光電装置では十分ではなく、更なる特性向上が求められる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板に設けられた一対の電極上に導電性部材を介してそれぞれ電気的に接続された同一平面上に正極及び負極を有するプレーナー構造型の光半導体素子と、この光半導体素子を封止するモールド部材と、を有する光電装置である。
【０００９】
特に、本発明は、一対の外部電極の幅は、互いに対向する電極間に近づくにつれ細くなるものであり、前記光半導体素子の電極に投影された外部電極の面積が、前記光半導体素子の電極面積よりもそれぞれ小さいものである。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の光電装置は、外部電極の表面高さが、基板表面より高いものである。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の光電装置は、光半導体素子が、サファイア基板上に形成された窒化物系化合物半導体であるものである。
【００１２】
【作用】
本発明は、同一平面側に電極を有する光半導体素子を導電性部材を用いて基板上の外部電極に電気的に接続させる場合、光半導体素子、基板及び対向する外部電極の空間にモールド部材が流れ込みやすい形状とすることにより、密着性を向上させうるものである。さらに、余分な導電性部材の流れ込みによる電極間のショートを防止しつつ更なる密着性を向上させ得る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明者は、種々の実験の結果、同一平面側に電極を有する光半導体素子を利用した光電装置における光電特性が、基板に設けられた特定の電極形状により大きく変わることを見いだし、これに基づいて本発明を成すに至った。
【００１４】
本発明による特性向上の理由は定かではないが、光半導体素子に設けられた同一平面側にある電極間と基板に設けられた外部電極と、の空間に流れ込むモールド部材と密着性に大きな関係があると考えられる。
【００１５】
即ち、モールド部材は、光半導体素子を保護すると共に固定させる働きもする。しかしながら、モールド部材は、硬化時や温度変化が生じるとモールド部材の略中心方向に収縮する応力がかかる。通常、光半導体素子上にモールド部材が形成されるためモールド部材が収縮する中心は、光半導体素子上にある。そのため光半導体素子側から見ると図３の如く、基板から光半導体素子を引き剥がされる方向に力が掛かる。
【００１６】
同一平面側に設けられた外部電極間は、通常小型化するにつれ数百μｍ以下と極めて狭い。また、一対の電極間の隙間からモールド部材を入れなければならないので、モールド部材が入り込みにくい。そのため光半導体素子の電極間にモールド部材がない或いは少なくなる箇所ができやすい。モールド部材が入り込まない場所は、空孔となり光半導体素子と外部電極を接着させる力が弱くなる。そのため、光半導体素子と基板との接着が強固に行われていないと熱硬化時や温度変化の激しい環境下においては、導電性部材の剥離、クラックや光半導体素子自体が損傷し、不良が生じやすい傾向にあると考えられる。以下、図２に本発明の具体的構成例を示す。
【００１７】
光半導体素子としてサファイア基板上に形成させた窒化物半導体を利用した。窒化物半導体は、Ｎ型半導体及びＰ型半導体を順に形成させＰ型半導体の一部をエッチングすることにより窒化ガリウム系化合物半導体のＰＮ各半導体表面を露出してある。半導体露出面にスパッタリング法を用いて各電極を形成させてある。こうして同一平面側に電極を有する光半導体素子であるＬＥＤチップを形成する。
【００１８】
一方、外部電極として銅板を折り曲げ加工する。インサート成形により銅板を外部電極とするパッケージを形成させた。ここで銅板は、実装されるＬＥＤチップの電極間の距離に合わせてある。また、対向する基板の電極は、近づくにつれ面積が小さくなるように互いに凸状（三角形状）に形成させてある。基板の外部電極にそれぞれＡｇペーストを塗布した後、ＬＥＤチップの各電極を位置合わせしてダイボンディングさせた。Ａｇペーストを硬化後ＬＥＤチップの周囲にモールド部材を注入することにより本発明の光電装置を構成させた。基板外部に設けられた外部電極に電力を供給することによりＬＥＤチップを発光させることができる。また、温湿度サイクルが比較的厳しい環境下においても優れた光電特性を有する発光装置とすることができる。以下、本発明の各構成について詳述する。
【００１９】
（外部電極１０１、１１１、１２１）
外部電極１０１は、少なくとも基板上に設けられプレーナー構造型の光半導体素子に形成された各電極１１３と導電性部材２０１により接続できるものである。外部電極１０１は、基板上に設けられた導電性パターンにより形成させても良いし、リードフレームを加工させて形成させても良い。外部電極１０１は光半導体素子の電極と接続されることから電気伝導性及び密着性に優れたものであることが望まれる。また、本発明に用いられる外部電極１０１は、基板と光半導体素子の空間にモールド部材が入りやすい構造とさせ密着性を向上させるものである。具体的な構造としては、図１に示す如く、先端が互いに凸状の一対の電極形状であり、三角状が挙げられる。この他、モールド部材が入りやすい構造としては、円状、楕円状、多角形形状さらには、立体的に多角形な形状など種々の形状が挙げられる。
【００２０】
特に、光半導体素子の電極１１３は、それ自体が極めて小さく光電特性、電気伝導性及び密着性を考慮しなければならず設計の自由度が少ない。これに対して外部電極１０１は、基板上に設けられた銅箔などの導電性パターンをエッチングにより形成する、或いは所望の形状に予め形成させたリードフレームをインサート成形などにより形成させる。そのため光半導体素子１０３の光特性などに関係なく設計自由度を広くすることができる。また、比較的大面積に簡単に形成させることができる。
【００２１】
さらに、外部電極１０１は、一体となった基板平面１０２と同一平面上に形成させることができるし、基板平面１０２よりも高くさせることもできる。外部電極１０１を基板平面１０２よりも高くさると外部電極以外の可とう性導電樹脂部材２０１の厚みが厚くなる。そのため光半導体素子１０３の自己発熱或いは周囲よりの加熱時に熱などにより歪みが生じても吸収可能な歪み量が多く導通接触を安定化させることができる。また、先端が凸状になっていることからモールド部材２０２が流入しやすくなる。
【００２２】
このような外部電極１０１の具体的材料としては、銅、アルミニウムやこれらに金、銀、白金などをメッキさせたものが好適に挙げられる。
【００２３】
（基板１０２）
基板１０２は、光半導体素子１０３を支持すると共に光半導体素子１０３の電極と電気的に接続可能な外部電極１０１、１１１、１２１を有するものである。また、基板１０２上に固定させた光半導体素子１０３の少なくとも一部を透光性モールド部材２０２で被覆し接着するものである。基板１０２は、平面上のみの構成としても良いし、光半導体素子が収納可能なパッケージと一体化させ側壁１１２などを有するものでも良い。
【００２４】
具体的には、パッケージ内部に開口部を有し開口部の底面に光半導体素子１０３を搭載させる形態とすることもできる。このような側壁１１２を利用すること光利用効率を向上させることもできる。何れにしても、光半導体素子１０３が支持可能な平面を有するものである。したがって、これらと基板１０２とは、密着性がよいことが望まれる。さらに、可視光域に分光特性を有する光半導体素子１０３を収容し利用させるためには遮光性の反射部材などとして機能させるために着色していることが好ましい。また、光半導体素子１０３と外部との電気的に遮断させるために絶縁性を有することが望まれる。
【００２５】
基板１０２は光半導体素子１０３などからの熱の影響をうけた場合、モールド部材２０２との密着性を考慮して熱膨張率の小さい物が好ましい。基板１０２表面は、エンボス加工させて接着面積を増やしたり、プラズマ処理してモールド部材２０２や導電性部材２０１との密着性を向上させることもできる。
【００２６】
基板１０２に利用される材料として、具体的には、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ＰＢＴ樹脂等の樹脂やＡｌＮ、ＢＮ、Ａｌ₂Ｏ₃などよりなるセラミックなどが好適に用いることができる。
【００２７】
（光半導体素子１０３）
光半導体素子１０３としては、光を電気に変える受光素子或いは電気を光に変える発光素子が用いられる。受光素子は、液相成長法を利用して形成させたＧｅ、Ｓｉ、ＩｎＡｓ、ＣｄＳ等の単結晶半導体を用いたもの、プラズマ、熱、光などのエネルギーによる各種ＣＶＤ法を利用して形成させたＳｉ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ等の微結晶、非晶質半導体の非単結晶半導体を利用した光センサー、太陽電池などが好適に挙げられる。半導体の構造としては、ショットキー接合、ＭＩＳ接合、ＰＮ接合やＰＩＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造のものが挙げられる。半導体の材料やその混晶度によって受光素子の受光波長を種々選択できる。ガラス、耐熱性樹脂や金属基体上に上記構成の半導体を所望の大きさに形成し電気的接続をとることによって受光素子が形成できる。受光素子の電極としてはスパッタリングや真空蒸着により形成させたＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等の各種金属、ＳｎＯ₂、ＺｎＯなどの金属酸化物やｎ⁺の半導体などを利用することができる。
【００２８】
一方、発光素子としては液相成長法やＭＯＣＶＤ法等により基体上にＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させたＬＥＤ、ＬＤ等が用いられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、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紫外光から赤外光まで種々選択することができる。さらに、量子効果を持たせるため発光層を単一井戸構造、多重井戸構造とさせても良い。
【００２９】
形成された半導体は、選択的に形成させるか、或いは形成させた後にエッチングさせることにより同一平面側に正極及び負極に相当する電極を形成させたプレーナー構造の光半導体素子とすることができる。
【００３０】
（導電性部材２０１、３０１、３０２）
導電性部材２０１としては、光半導体素子１０３の各電極１１３と外部電極１０１とを電気的に接続させると共に固定可能なものである。導電性部材２０１は、外部電極１０１、光半導体素子の電極１１３材料によって種々選択させることができるが、各種半田や、金、銀、白金、銅やカーボンなどの導電性部材をエポキシ樹脂、アクリル樹脂、イミド樹脂などの樹脂中に含有させた導電性ペーストなどを好適に利用することができる。
【００３１】
（モールド部材２０２）
モールド部材２０２は、各光半導体素子１０３やその電気的接続のための導電性部材２０１等を外力や水分などから保護するために設けられる。モールド部材２０２の材料として具体的には、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂などなどの耐候性に優れた樹脂が好適に用いられる。モールド部材２０２は、基板１０２及び導電性部材２０１と光半導体素子の電極１１３を被覆させるため光半導体素子１０３全体を被覆することもできるし、少なくとも一部を被覆させることもできる。
【００３２】
光半導体素子１０３が発光する波長や受光する波長に合わせてフィルター効果として働く着色剤や光半導体素子１０３から発光する光の少なくとも一部或いは、外部からの波長を変換する蛍光物質を含有させることもできる。さらに、所望に応じて拡散剤を混合しても良い。以下本願発明の具体的実施例について詳述するがこれのみに限られるものではない。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
プレーナー構造を有する光半導体素子としてサファイア基板上に窒化ガリウム系半導体を発光層として利用したＬＥＤチップを利用した。ＬＥＤチップは、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法を用いてＮ型ＧａＮ及びノンドープのＩｎＧａＮ及びＰ型ＧａＡｌＮを積層させてある。なお、サファイア基板上には、バッファ層としてＧａＮが形成され、ノンドープの発光層となるＩｎＧａＮは、量子効果が生ずる程度の薄膜とさせてある。形成されたＰ型半導体の一部を部分的にエッチングさせＮ型半導体表面を露出させる。正極及び負極の電極と接触する面を除いて絶縁層を形成させるためにマスクを形成させる。フォトマスクを利用して、正負両電極を大きく形成できるように絶縁層であるＳｉＯ₂をスパッタリング法により形成させる。ＰＮの各半導体露出表面及び絶縁層上に長方形の電極をスパッタリング法により形成させる。
【００３４】
一方、基板上に形成された外部電極として、銅箔の打ち抜きによるリードフレームを外部電極として利用する。光半導体素子の電極と接続されるリードフレームの先端は、光半導体素子の電極幅に合わせて細くし半円形状を成している。このため光半導体素子の電極に投影された外部電極の面積が、光半導体素子の電極面積よりもそれぞれ小さくなっている。リードフレームの先端を互いに約１００μｍ程度にまで近接配置させ白色顔料を含有させたＬＣＤによりインサート成形させる。このように形成された基板は、表面側の底辺に一対のリードフレームが露出している。リードフレーム間は、互いに向き合った先端が凸状の半円形状である。また、底面の周囲には、光半導体素子からの光を反射させたり、光半導体素子への光を集光させたりする側壁が一体に形成されている。基板表面であるパッケージ底面のリードフレームは、ポリカーボネート樹脂表面より約１０μｍ高く形成させてある。
【００３５】
パッケージ底面のリードフレーム上にエポキシ樹脂中にＡｇが含有された銀ペーストを一対のリードフレーム先端にそれぞれ塗布した。その後、Ａｇペーストが塗布されたリードフレームとＬＥＤチップの電極とを合わせてダイボンディングさせた。ダイボンディング後、Ａｇペーストを１２０℃２０分で硬化させ電気的接続と仮固定を行った。この状態で外部電極に電力を供給させＬＥＤチップが発光可能なものを３００個形成させた。
【００３６】
次に、パッケージの開口部内に透光性モールド部材として働くエポキシ樹脂を注入させた。モールド部材であるエポキシ樹脂を１５０℃２時間で硬化させることにより表面実装型ＬＥＤを構成させた。形成させた光電装置に電力を供給させ、光度計により各光電装置をそれぞれ調べた。モールド部材形成前後においても全ての光電装置が発光可能であった。光度は、モールド部材によりＬＥＤチップとの屈折率差が緩和されたと考えられる５０％の上昇を示した。さらに、温湿度サイクル試験として−５度５分８０度１０分を１００サイクル繰り返した後、同様にして形成された光電装置の発光特性を調べたが変化がなかった。
【００３７】
（比較例１）
対向する外部電極先端が互いに平面であり、外部電極表面と基板表面とが略平面である以外は、実施例１と同様にして形成させた。モールド部材形成前に発光可能であった表面実装型ＬＥＤである発光ダイオードは、実施例１と同様の発光特性を示した。モールド部材形成後の同じ発光ダイオードを調べたところ実施例１に比べて発光輝度の低下している或いは未発光の発光ダイオードが２１％もあった。
【００３８】
（実施例２）
発光素子であるＬＥＤチップの代わりに、受光素子を利用した。また、リードフレームの先端を半円形から三角形状とした以外は実施例１と同様にして形成させた。受光素子は、ＭＯＣＶＤ法を利用してサファイア基板上にＮ型窒化ガリウム半導体を形成させたものを利用した。Ｎ型窒化ガリウム半導体上には、プレーナー構造の光センサーとすべく一対のＡｕ電極を真空蒸着法により形成させてある。温湿度サイクル試験前後において、流れる電流にほとんど差がなかった。
【００３９】
（比較例１）
光半導体素子として、実施例２と同様の受光素子を利用した。また、対向する外部電極先端が互いに平面であり、外部電極表面と基板表面とが略平面である以外は、実施例２と同様にして光電装置を形成させた。実施例１と同様にして温湿度サイクル試験を行った。温湿度サイクル試験後、実施例２に比べて内部抵抗の増えたものが約１５％もあった。
【００４０】
【効果】
本発明の構成とすることにより、光電特性の安定した光電装置とすることができる。特に、基板上に電気的に接続させたプレーナー構造の光半導体素子をモールド部材で被覆した光電装置の形成時及び使用環境に係わらず安定した光電特性を示すことができる。なお、光半導体素子は極めて小さくその電極を種々の形状に形成させるのは設計の自由度が低下する。他方、本発明の如く基板に設けられた外部電極を所望の形状とすることにより設計の自由度を向上させることもできる。
【００４１】
本発明の請求項２記載の構成とすることにより、余分な導電性部材があったとしても、一対の外部電極間で短絡することなく形成させることができる。即ち、導電性部材を多くして密着性を向上させることもできるが、プレーナー構造型の光電装置においては、電極間が極めて短いため導電性部材を多くすると短絡を生じる危険性がある。本発明は、基板上に塗布される導電性部材の量を基板上の大きさにある程度依存することを利用することにより短絡することなく密着性を向上させることができる。
【００４２】
本発明の請求項３記載の構成とすることにより、外部電極からはみ出た余分な導電性部材を利用して、より密着性を向上させることができる。また、基板表面と電極の間に形成された導電性部材の厚みを部分的に厚くすることができるため電気伝導と密着性とを機能分離させることができる。そのため、光半導体素子の電極と外部電極間は、導電性部材の厚みを薄くし電気伝導性を落とすことなく、熱収縮による吸収可能な歪み量を多くすることができる。
【００４３】
本発明の請求項４記載の構成とすることにより、半導体素子自体にかかる力を抑制することができるため本発明の効果を顕著にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電装置を示した模式的平面図である。
【図２】本発明の光電装置を示した図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の光電装置の作用を説明する図１におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図４】本発明と比較のために示したプレーナー構造の光半導体素子を利用した光電装置の平面図である。
【図５】本発明と比較のために示した光電装置である図４におけるＡ−Ａ断面図である。
【図６】本発明と比較のために示した半導体を介して一対の電極を持った光半導体素子を利用した光電装置の断面図である。
【符号の説明】
１０１・・・光半導体素子の電極に投影される外部電極
１１１・・・先端部と連続した外部電極
１２１・・・外部と電気的に接続可能な外部電極
１０２・・・パッケージ底面となる基板
１１２・・・パッケージを構成する側壁
１０３・・・プレーナー構造を有する光半導体素子
１１３・・・光半導体素子に形成された一対の電極
２０１・・・導電性部材
２０２・・・モールド部材
２０３・・・光半導体素子の電極間と、基板に設けられた外部電極との空間
３０１・・・外部電極上の導電性部材
３０２・・・外部電極からはみ出した導電性部材
４０１・・・外部電極
４２１・・・外部と電気的に接続可能な外部電極
４０２・・・パッケージ底面となる基板
４１２・・・パッケージを構成する側壁
４０３・・・プレーナー構造を有する光半導体素子
４１３・・・光半導体素子に形成された一対の電極
５０１・・・導電性部材
５０２・・・モールド部材
５０３・・・光半導体素子の電極間と、基板に設けられた外部電極との空間
６０１・・・導電性ワイヤー
６０３・・・半導体を介して設けられた電極を持つ光半導体素子
６１３・・・光半導体素子に形成された電極

Claims

基板に設けられた一対の外部電極上に導電性部材を介してそれぞれ電気的に接続された同一平面上に正極及び負極を有する光半導体素子と、該光半導体素子を封止するモールド部材と、を有する光電装置であって、
前記一対の外部電極の幅は、互いに対向する電極間に近づくにつれ細くなり、前記光半導体素子の電極に投影された外部電極の面積が、前記光半導体素子の電極面積よりもそれぞれ小さいことを特徴とする光電装置。
前記外部電極の表面高さは、基板の表面より高い請求項１記載の光電装置。
前記光半導体素子は、サファイア基板上に形成された窒化物系化合物半導体である請求項１又は２記載の光電装置。