JP2012114120A - Ｌｅｄ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】いわゆるスルーホール導体を用いることなく支持基板の上下方向の電気的及び熱的な導通を確保することが可能なＬＥＤ装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ装置１は、サブマウント基板１０と、サブマウント基板１０の上面に実装されたＬＥＤダイ２０とを備えている。サブマウント基板１０は、その主面と平行な一方向に内部電極層１１と絶縁層１２とが交互に配置されたサンドイッチ構造を有している。各内部電極層１１はサブマウント基板１０の上下方向に貫通しており、内部電極層１１の上面側の少なくとも一部は、サブマウント基板１０の上面に露出してコンタクトパッド１３ａ，１３ｂに接続されており、内部電極層１１の底面側の少なくとも一部は、サブマウント基板１０の底面に露出して端子電極１４ａ，１４ｂに接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ装置及びその製造方法に関し、特に、ＬＥＤダイが搭載されるサブマウント基板の構造及びその製造方法に関するものである。

発光素子の一つであるＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）は、その低消費電力や高寿命といった素子の特徴から、多くの電子機器や制御機器に搭載されている。

従来のＬＥＤ装置としては、支持基板上にＬＥＤチップを実装してパッケージングしたものがよく知られている（例えば特許文献１、２参照）。ＬＥＤの一対の電極（アノード／カソード電極）がチップの上面にある場合、それらの電極はボンディングワイヤを介して支持基板の表面のコンタクトパッドに接続される。また、ＬＥＤの一対の電極がチップの底面にある場合、それらの電極はバンプを介して支持基板の表面のコンタクトパッドにフリップチップ接続される。支持基板には表裏面を貫通するスルーホール導体が設けられており、支持基板の表面に形成されたコンタクトパッドは、スルーホール導体を介して支持基板の底面に形成された外部端子電極に接続される。この場合のスルーホール導体は、支持基板の表面から裏面までを一気に貫通するタイプ、或いは平面方向の位置を層ごとに変えながら最終的に表裏面を電気的に接続するタイプである。

また、特許文献１には、ＬＥＤチップをＥＳＤ（Electro-Static Discharge：静電気放電）から保護するバリスタ機能を備えたＬＥＤ装置が開示されている。支持基板としてのセラミック基板の内部にはＺｎＯ等の金属酸化物からなる一又は二以上の層が形成されており、これがバリスタとして機能する。バリスタでＬＥＤのＥＳＤ保護対策を行うことによりそのＥＳＤ耐性を高めることができ、大きなＥＳＤ保護効果を得ることができる。

米国特許公開公報２００７／２９７１０８ 特開２０００−２１６４３９号公報

しかしながら、支持基板を貫通する上下方向の導電線路としてスルーホール導体を用いた場合には、支持基板の所定の位置に貫通孔を形成するための加工が必要となるため、製造工程が複雑になるという問題がある。また、ＬＥＤは発熱する素子であり、放熱性が悪いとその寿命が低下するが、上述した従来のＬＥＤ装置では、支持基板の上下方向を貫通する導体がスルーホール導体のみであることから、放熱性が十分でないという問題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、支持基板にいわゆるスルーホール導体を用いることなく上下方向の電気的及び熱的な導通を確保することができ、低コスト且つ放熱性に優れたＬＥＤ装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明によるＬＥＤ装置は、サブマウント基板と、前記サブマウント基板の第１の主面に実装された少なくとも一つのＬＥＤダイとを備え、前記サブマウント基板は、前記第１の主面に形成されたコンタクトパッドと、前記第１の主面と対向する第２の主面に形成された端子電極を含み、前記サブマウント基板は、複数の内部電極層と複数の絶縁層とが前記第１の主面と平行な第１の方向に沿って交互に配置されたサンドイッチ構造を含み、前記内部電極層は、前記第１の主面と平行且つ前記前記第１の方向と直交する第２の方向に延びる帯状パターンであると共に、前記サブマウント基板の前記第１の主面から前記第２の主面まで貫通しており、前記内部電極層の前記第１の主面側の少なくとも一部は、前記サブマウント基板の前記第１の主面に露出して前記コンタクトパッドに接続されており、前記内部電極層の前記第２の主面側の少なくとも一部は、前記サブマウント基板の前記第２の主面に露出して前記端子電極に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、サブマウント基板内のサンドイッチ構造の電極パターンが基板の上下間の導通線路となるので、スルーホールのような個別の導通線路を形成する必要がない。したがって、導通線路の確保が容易であり、導通線路を形成するための工数が少なく、スルーホールの形成による基板の損傷を回避することができ、電気的及び熱的な特性に優れたＬＥＤ装置を提供することができる。

本発明において、前記ＬＥＤダイは、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層に挟まれた発光層を含み、前記コンタクトパッドは、前記第１及び第２のコンタクトパッドを含み、前記複数の内部電極層は、前記第１のコンタクトパッドに接続され且つ前記第２のコンタクトパッドから絶縁された複数の第１の内部電極層と、前記第２のコンタクトパッドに接続され且つ前記第１のコンタクトパッドから絶縁された複数の第２の内部電極層を含み、前記第１の内部電極層と前記第２の内部電極層は、前記第１の方向に沿って交互に配置されており、前記ＬＥＤダイの前記ｎ型半導体層は、前記第１のコンタクトパッドを介して前記複数の第１の内部電極層に並列接続されており、前記ＬＥＤダイの前記ｐ型半導体層は、前記第２のコンタクトパッドを介して前記複数の第２の内部電極層に並列接続されていることが好ましい。この構成によれば、多数の内部電極層を対応するコンタクトパッドに接続することができ、直流抵抗が低く放熱性が高い導通線路を提供することができる。

本発明において、前記絶縁層は非線形抵抗特性を有するセラミック層であり、前記サブマウント基板はバリスタとして機能することが好ましい。この構成によれば、サブマウント基板をバリスタとして使用することができ、ＬＥＤに対する静電気対策を施すことができる。

本発明において、前記ＬＥＤダイは、前記ｎ型半導体層に電気的に接続された第１の電極と、前記ｐ型半導体層に電気的に接続された第２の電極とを備え、前記第１及び第２の電極の電極面は当該ＬＥＤダイの同じ側に形成され且つ同じ方向を向いており、前記第１の電極は前記第１のコンタクトパッドに接続されており、前記第２の電極は前記第２のコンタクトパッドに接続されていることが好ましい。この構成によれば、ウェーハ上に形成された複数のＬＥＤダイとサブマウントウェーハとの張り合わせによって両者の接続が可能である。

本発明において、前記第１及び第２の電極は合金材料からなり、前記第１の電極は前記ｎ型半導体層に直接接続されており、前記第２の電極は前記ｐ型半導体層に直接接続されていることが好ましい。この構成によれば、ＬＥＤダイの半導体層に予め電極を形成する必要がなく、ＬＥＤダイの半導体層とサブマウントウェーハとを直接接続することができる。

本発明において、前記ＬＥＤダイの前記ｎ型半導体層の第１の主面は、当該ｎ型半導体層の成長基板が除去された開放面であり、前記ｎ型半導体層の前記第１の主面と対向する第２の主面は、前記発光層と接していることが好ましい。この構成によれば、ＬＥＤ装置を製造する際、サブマウントウェーハ上にＬＥＤウェーハを張り合わせ、ＬＥＤウェーハから成長基板を剥離した後にウェーハをダイシングすることができるので、ウェーハを容易に加工することができる。

本発明において、前記ＬＥＤダイの前記ｎ型半導体層の前記開放面が粗面化されていることが好ましい。この構成によれば、ＬＥＤの発光効率を向上させることができる。

本発明において、前記サブマウント基板と前記ＬＥＤダイとの間にアンダーフィルが充填されていることが好ましい。この構成によれば、ＬＥＤダイの機械的強度を向上させることができ、特に、ＬＥＤダイから成長基板を剥離する際に問題となるＬＥＤダイの機械的強度を確保することができる。

本発明によるＬＥＤ装置の製造方法は、内部電極パターンが形成された複数の絶縁シートを積層してなる積層体を形成する工程と、前記積層体をその積層方向と平行にスライスすることにより、複数の内部電極パターンと複数の絶縁シートとが前記積層方向と平行な第１の方向に沿って交互に配置されたサンドイッチ構造を有するサブマウントウェーハを作製する工程と、前記サブマウントウェーハの第１の主面に露出する前記内部電極パターンの第１の端面の少なくとも一部を覆うコンタクトパッドを形成する工程と、前記サブマウントウェーハの第２の主面に露出する前記内部電極パターンの第２の端面の少なくとも一部を覆う端子電極を形成する工程と、成長基板、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層をこの順に積層してなるＬＥＤウェーハを用意し、前記ｐ型半導体層をサブマウントウェーハ側に向けて前記ＬＥＤウェーハの前記サブマウントウェーハに張り合わせる工程と、前記サブマウントウェーハをダイシングして個々のＬＥＤチップに分割する工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁層の表面に電極パターンを形成し、この絶縁層を複数枚用意し、絶縁層を張り合わせた後、基板面に対して垂直に切断することにより、サブマウント基板を形成し、予め設けた電極パターンが基板の上下間の導通線路となるので、スルーホールのような個別の導通線路を形成する工程を省略することができる。したがって、工数が少なく、導通線路の形成が容易であり、スルーホールの形成によるセラミック基板の損傷を回避することができ、電気的及び熱的な特性に優れたＬＥＤ装置の製造方法を提供することができる。

本発明において、絶縁シートの積層体を形成する工程は、第１の内部電極パターンが形成された第１の絶縁シートと、前記第１の内部電極パターンと異なる第２の内部電極パターンが形成された第２の絶縁シートとを順に積層する工程を含み、前記コンタクトパッドを形成する工程は、前記第１の内部電極パターンの前記第１の主面側の露出位置に第１のコンタクトパッドを形成すると共に、前記第２の内部電極パターンの前記第１の主面側の露出位置に前記第２のコンタクトパッドを形成する工程を含み、前記端子電極を形成する工程は、前記第１の内部電極パターンの前記第２の主面側の露出位置に第１の端子電極を形成すると共に、前記第２の内部電極パターンの前記第２の主面側の露出位置に第２の端子電極を形成する工程を含むことが好ましい。この方法によれば、第１及び第２のコンタクトパッドの各々に多数の内部電極パターンを接続することができ、ＬＥＤの放熱性を高めることができる。

本発明において、前記ＬＥＤウェーハを前記サブマウントウェーハに張り合わせる工程は、前記サブマウントウェーハの前記コンタクトパットと前記ＬＥＤウェーハの半導体層との接続を２種類の金属の合金反応により行う工程を含むことが好ましい。この方法によれば、ＬＥＤウェーハの半導体層の表面に予め電極を形成しておく必要が無く、ＬＥＤの半導体層とサブマウントウェーハのコンタクトパッドとを直接接続することができる。これにより、ウェーハレベルでの接合を容易且つ確実に行うことができる。

本発明によるＬＥＤ装置の製造方法は、前記絶縁シートの材料として、非線形抵抗特性を有するセラミック材料を用いることが好ましい。絶縁シートに非線形抵抗材料を用いた場合には、サブマウントウェーハをバリスタとして構成することができ、ＬＥＤのＥＳＤ保護対策を実現することができる。

本発明によるＬＥＤ装置の製造方法は、前記サブマウントウェーハ上の前記ＬＥＤウェーハから前記成長基板を剥離して前記ｎ型半導体層の一方の主面を開放面にする工程をさらに備えることが好ましい。この工程によれば、ウェーハのダイシングが容易となる。また、ＬＥＤの発光特性を向上させることが可能となる。

本発明によるＬＥＤ装置の製造方法は、前記ＬＥＤウェーハの前記ｎ型半導体層の前記一方の主面を粗面化する工程をさらに備えることが好ましい。この工程によれば、ＬＥＤの発光特性を向上させることができる。

本発明によるＬＥＤ装置の製造方法は、前記ＬＥＤウェーハを前記サブマウントウェーハに張り合わせる前に、前記サブマウント基板と前記ＬＥＤウェーハとの間にアンダーフィルを充填する工程をさらに備えることが好ましい。この工程によれば、ＬＥＤダイの機械的強度を向上させることができ、特に、ＬＥＤダイから成長基板を剥離する際に問題となるＬＥＤダイの機械的強度を確保することができる。

本発明によれば、いわゆるスルーホール導体を用いることなく支持基板の上下方向の電気的及び熱的な導通を確保することができ、低コスト且つ放熱性に優れたＬＥＤ装置及びその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の好ましい実施の形態によるＬＥＤ装置の構成を示す略外観斜視図である。 図２は、図１に示すＬＥＤ装置の側面断面図であって、（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿った側面断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った側面断面図である。 図３は、図１のＸ方向を積層方向とするサブマウント基板１０の層構造を示す略分解斜視図である。 図４は、サブマウント基板の略平面図であって、（ａ）は上面側、（ｂ）は底面側をそれぞれ示している。 図５は、ＬＥＤダイの略平面図であって、特に電極パターンを示すものである。 図６は、ＬＥＤ装置の製造工程の全体的な流れを示す模式図である。 図７は、サブマウントウェーハにＬＥＤウェーハを張り合わせた状態を示す略断面図である。 図８は、サブマウントウェーハにＬＥＤウェーハを張り合わせた状態の他の例を示す略断面図である。 図９は、ＬＥＤウェーハのボンディング方法について説明するための略断面図である。 図１０は、ＬＥＤウェーハの他のボンディング方法を示す略断面図である。 図１１は、ＬＥＤ装置の他の製造工程の全体的な流れを示す模式図である。 図１２は、図１１に示したスリット加工の応用例について説明するための略断面図である。 図１３は、本発明の他の好ましい実施の形態によるＬＥＤ装置の構成を示す略平面図であって、（ａ）はＬＥＤダイが搭載された状態、（ｂ）はＬＥＤダイが搭載されていない状態をそれぞれ示している。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施の形態によるＬＥＤ装置の構成を示す略外観斜視図である。

図１に示すように、本実施形態によるＬＥＤ装置１は、サブマウント基板１０と、サブマウント基板１０の一方の主面（上面）に搭載されたＬＥＤダイ２０とを備えている。ＬＥＤダイ２０はその主発光面が上方を向いた状態で搭載され、サブマウント基板１０の上面１０ａにフェースダウンボンディングされている。

図２は、図１に示すＬＥＤ装置１の側面断面図であって、（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿った側面断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った側面断面図である。また、図３は、図１のＸ方向を積層方向とするサブマウント基板１０の層構造を示す略分解斜視図である。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、サブマウント基板１０は複数の内部電極層１１を内蔵している。各内部電極層１１はサブマウント基板１０の上下方向（Ｚ方向）に延びる導電膜である。各内部電極層１１は図示のＸ方向に等間隔に配置されており、その主面はサブマウント基板１０の上面（一方の主面）１０ａ及び底面（他方の主面）１０ｂと直交している。各内部電極層１１はＹＺ平面と平行な主面を有する矩形パターンである。内部電極層１１の面積はできるだけ広いほうが好ましい。

サブマウント基板１０の上面１０ａには、ＬＥＤダイ２０を電気的且つ機械的に接続するための第１及び第２のコンタクトパッド１３ａ，１３ｂが形成されており、サブマウント基板１０の底面１０ｂには、ＬＥＤ装置１自身をプリント基板上に実装するための第１及び第２の外部端子電極１４ａ，１４ｂが形成されている。サブマウント基板１０のサイズは例えば１．６×１．２×０．３ｍｍである。

本実施形態において、複数の内部電極層１１は、第１のコンタクトパッド１３ａに接続される複数の第１の内部電極層１１ａと、第２のコンタクトパッド１３ｂに接続される複数の第２の内部電極層１１ｂに区別される。第１及び第２のコンタクトパッド１３ａ，１３ｂはＸ方向に対して交互に配置されており、両者の間には絶縁層１２が介在している。このようなサブマウント基板１０は、図３に示すように、第１の内部電極層１１ａが形成された絶縁層１２と、第２の内部電極層１１ｂが形成された絶縁層１２とがＸ方向に交互に繰り返し積層することにより実現される。つまり、本実施形態によるサブマウント基板１０の層構造の積層方向は基板の主面と平行なＸ方向であり、基板の主面と垂直なＺ方向に積み上げられる通常の層構造ではない。

図２（ｂ）に示すように、第１の内部電極層１１ａの上端の一部は、サブマウント基板１０の上面１０ａに露出しており、第１のコンタクトパッド１３ａに接続されている。また、第１の内部電極層１１ａの下端の一部は、サブマウント基板１０の底面１０ｂに露出しており、第１の外部端子電極１４ａに接続されている。したがって、第１のコンタクトパッド１３ａは複数の第１の内部電極層１１ａを通じて第１の外部端子電極１４ａに電気的且つ熱的に接続されている。

第２の内部電極層１１ｂの上端の一部は、サブマウント基板１０の上面１０ａ露出しており、第１のコンタクトパッド１３ａに接続されている。また、第２の内部電極層１１ｂの下端の一部は、サブマウント基板１０の底面１０ｂに露出しており、第２の外部端子電極１４ｂに接続されている。したがって、第２のコンタクトパッド１３ｂは複数の第２の内部電極層１１ｂを通じて第２の外部端子電極１４ｂに電気的且つ熱的に接続されている。

本実施形態によるサブマウント基板１０は、好ましくはバリスタとして機能する。図３に示したように、サブマウント基板１０は第１の内部電極層１１ａと第２の内部電極層１１ｂとが交互に積層されたサンドイッチ構造を有しているが、第１の内部電極層１１ａと第２の内部電極層１１ｂとの間に酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物からなる絶縁層１２が介在することによりバリスタ素子が実現される。本実施形態によるバリスタは、ＺｎＯ等の金属酸化物からなる絶縁層１２によって絶縁分離された第１の内部電極層１１ａと第２の内部電極層１１ｂとを交互に重ねて配置した構造であるため、複数のバリスタ素子の並列接続を構成している。各絶縁層１２の厚さは３〜６０μｍであることが好ましい。ただし一つのサブマウント基板１０内のすべての絶縁層１２が同じ厚さである必要はない。

バリスタはゼナーダイオード同士を逆接続したものと同様に機能し、高電圧のスパイク又はパワーサージがＬＥＤの端子間に印加されたとき、その端子間と並列な低抵抗の電流経路を生成し、静電エネルギーを迂回させてＬＥＤをダメージから保護する。これにより、ＬＥＤに対するＥＳＤ保護機能を提供することができる。バリスタとしての性能を高めるためには、第１及び第２の内部電極層１１ａ，１１ｂの対向面積ができるだけ広いほうが好ましい。

ＬＥＤダイ２０は例えば窒化ガリウム系ＬＥＤであり、サファイヤ成長基板上に成長させたＬＥＤ層２１からサファイヤ成長基板を除去したものであって、ｎ型半導体層２２と、ｐ型半導体層２４と、ｎ型半導体層２２とｐ型半導体層２４との間に挟まれたＩｎＧａＮからなる発光層２３（活性層）とを備えている。ＬＥＤ層２１は、ＧａＮやＡｌＮ等からなる低温成長バッファ層（不図示）を介して成長基板上に形成される。

ＬＥＤダイ２０は、ｎ型半導体層２２と電気的に接続されたカソード電極（ｎ側電極）２５ａと、ｐ型半導体層２４と電気的に接続されたアノード電極（ｐ側電極）２５ｂとを備えており、ｎ型半導体層２２はカソード電極２５ａを介してサブマウント基板１０側の第１のコンタクトパッド１３ａに接続されており、ｐ型半導体層２４はアノード電極２５ｂを介してサブマウント基板１０側の第２のコンタクトパッド１３ｂに接続されている。詳細は後述するが、カソード電極２５ａ及びアノード電極２５ｂは、ＬＥＤダイ２０とサブマウント基板１０とを張り合わせる際に、ｎ型半導体層２２及びｐ型半導体層２４の表面にそれぞれ直接接合される。

ＬＥＤダイ２０は、ｎ型半導体層２２、発光層２３、ｐ型半導体層２４を成長基板上で順にエピタキシャル成長させることによって形成される。エピタキシャル工程は主に、一層又は二層以上のｎ型半導体層２２を成長基板上に形成する工程と、一層又は二層以上の発光層２３をｎ型半導体層２２上のアクティブ領域内に形成する工程と、一層又は二層以上のｐ型半導体層２４を前記発光層２３上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又はＭＢＥ法によって形成する工程を含む。ｎ型半導体層２２及びｐ型半導体層２４のために使用されるドーパントの一例はそれぞれＳｉ及びＭｇである。電気的な接続のためのコンタクトはＳｉドープｎ型半導体層２２の領域及びＭｇドープｐ型半導体層２４の領域にそれぞれ形成される。電気的及び機械的な保護とスプリアス効果を最小限に抑えるため、薄膜ＬＥＤダイ２０のｎ型半導体層２２及びｐ型半導体層２４の露出部分を覆う保護層を形成してもよい。

ＬＥＤダイ２０のｎ型半導体層２２の一方の主面２２ａは、サファイヤ成長基板が除去された開放面であり、一方、反対側の主面は発光層２３と接している。サファイヤ成長基板を除去してＬＥＤ素子を薄膜化することにより、ＬＥＤの光学特性を向上させることができ、またＬＥＤ層への電気的なアクセスを容易にすることができる。さらに、ＬＥＤダイ２０のウェーハレベルでの貼り合わせを可能にすると共に、その後のチップ分割を容易に行うことができる。

本実施形態において、ｎ型半導体層２２の開放面２２ａは粗面化されていることが好ましい。この構成によれば、ＬＥＤの発光効率を向上させることができる。ｎ型半導体層２２を選択的にエッチングする方法としては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いた光電気化学法（Photo Electrochemical technique）を挙げることができる。この方法は、光の吸収を低減するためにｎ型半導体層２２をさらに薄くするための方法としても便利である。発光面の粗面化処理の代わりに、マイクロ又はナノスケールのドライエッチパターンを発光面上に形成する方法を採用して発光を強化することも可能である。

図４（ａ）及び（ｂ）は、サブマウント基板１０の略平面図であって、（ａ）は上面側、（ｂ）は底面側をそれぞれ示している。

図４（ａ）に示すように、サブマウント基板１０の上面１０ａには、ＬＥＤダイ２０を電気的且つ機械的に接続するための第１及び第２のコンタクトパッド１３ａ，１３ｂがそれぞれ形成されている。サブマウント基板１０の上面１０ａ側から見たとき、内部電極層１１はＹ方向に延びる直線パターンがＸ方向に略等間隔に配列された縞状パターンを構成している。

コンタクトパッド１３ａ，１３ｂの位置及び形状はＬＥＤダイ２０側の電極の位置及び形状に基づいて設定される。本実施形態においては、第２のコンタクトパッド１３ｂの面積が第１のコンタクトパッド１３ａの面積よりも大きく設定されている。第１の内部電極層１１ａの上面側の露出端面１１ｋは、共通のコンタクトパッド１３ａに接続されている。また、第２の内部電極層１１ｂの上面側の露出端面１１ｋは、共通のコンタクトパッド１３ｂに接続されている。

一方、図４（ｂ）に示すように、サブマウント基板１０の底面１０ｂには、第１及び第２の外部端子電極１４ａ，１４ｂがそれぞれ形成されている。第１及び第２の外部端子電極１４ａ，１４ｂの位置及び形状は、表面実装部品として半田実装しやすい位置及び形状であることが好ましく、そのため底面のＹ方向の両端部にそれぞれ同一面積にて形成されている。第１の内部電極層１１ａの下面側の露出端面１１ｋは、共通の第１の外部端子電極１４ａに接続されている。また、第２の内部電極層１１ｂの下面側の露出端面１１ｋは、共通の第２の外部端子電極１４ｂに共通接続されている。

図５（ａ）乃至（ｃ）は、ＬＥＤダイ２０の略平面図であって、特に電極パターンを示すものである。

図５（ａ）に示すＬＥＤダイ２０は、ｎ型半導体層２２の表面の大部分に発光層２３が設けられ、発光層２３の表面の略全面にｐ型半導体層２４が設けられており、ｐ型半導体層２４の表面に１つの大きなアノード電極２５ｂが設けられている。このアノード電極２５ｂはｐ型半導体層２４の略全面を覆っている。一方、カソード電極２５ａは、発光層２３及びｐ型半導体層２４に覆われていない領域に設けられており、細長い帯状パターンを形成している。このように、図５（ａ）に示すＬＥＤダイ２０は、カソード電極２５ａとアノード電極２５ｂとを１つずつ備えている。なお図４（ａ）に示した一対のコンタクトパッドの形状は、図５（ａ）に示すＬＥＤダイ２０の電極形状に対応するものである。

一方、図５（ｂ）及び（ｃ）に示すＬＥＤダイ２０は、ｎ型半導体層２２上の発光層２３及びｐ型半導体層２４の形成領域（活性領域）が４分割されており、発光層２３及びｐ型半導体層２４が形成されていない所定の領域に６つの円形のカソード電極２５ａが設けられている。また、４つのｐ型半導体層２４の上面にアノード電極２５ｂが設けられている。図５（ｂ）と図５（ｃ）の違いは、図５（ｂ）では１つのｐ型半導体層２４の上面に１つの大きなアノード電極２５ｂが設けられているのに対し、図５（ｃ）では１つのｐ型半導体層２４の上面に２つの分割されたアノード電極２５ｂ，２５ｂが設けられている点にある。

以上のように、ＬＥＤダイ２０のパターンレイアウトは自由であり、活性領域及びアノード／カソード電極２５ａを複数に分割して設けることができる。この場合、図４（ａ）に示した一対のコンタクトパッドの形状を、図５（ｂ）及び図５（ｃ）の電極形状に合わせる必要があることは言うまでもない。

次に、ＬＥＤ装置１の製造方法について詳細に説明する。本実施形態によるＬＥＤ装置１は、ＬＥＤダイ２０とサブマウント基板１０とをウェーハレベルで張り合わせることによって製造することができる。

図６は、ＬＥＤ装置１の製造工程の全体的な流れを示す模式図である。

図６に示すように、ＬＥＤ装置１の製造では、まず複数枚のセラミックグリーンシート３０を用意し（図６（ａ））、各セラミックグリーンシートの表面に内部電極層１１となる電極パターン（内部電極パターン）３１を形成する（図６（ｂ））。セラミックグリーンシートはＺｎＯの粉体、ドーパント、及び有機バインダーを適切な割合で混合したスラリーを用いてドクターブレード法により形成することができる。特に限定されるものではないが、内部電極パターンが印刷される大面積のセラミックグリーンシートは一辺が２〜４インチの正方形又は長方形であり、３〜６０μｍの厚さを有している。電極パターンは金属ペーストのスクリーン印刷によって形成することができる。金属ペーストは、Ｐｄ、Ａｇ又はそれらの合金の粉体と、有機バインダーと、有機溶剤とを混合したものを用いることができる。

次に、電極パターン３１が形成された複数枚のセラミックグリーンシート３１Ａを位置合わせしながら順に積層して張り合わせた後（図６（ｃ））、所定の温度及び圧力条件下で焼成し、多層セラミックブロック３２を作製する（図６（ｄ））。このとき、第１の内部電極層１１ａとなる電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートと、第２の内部電極層１１ｂとなる電極パターンが形成されたセラミックグリーンシートが交互に積層される。

次に、多層セラミックブロック３２をその積層方向と平行、すなわち図中の破線で示すように積層面に対して垂直に切断し、サブマウントウェーハ３３を得る（図６（ｅ））。サブマウントウェーハ３３の厚さは２０〜１０００μｍであることが好ましく、３０〜１００μｍであることがより好ましい。

次に、サブマウントウェーハ３３の表裏面を研磨して平坦化した後（図６（ｆ））、サブマウントウェーハ３３の上面をメタライズして第１及び第２のコンタクトパッド１３ａ，１３ｂのための電極パターン３４を形成すると共に、サブマウントウェーハ３３の底面もメタライズして第１及び第２の外部端子電極１４ａ，１４ｂのための電極パターンを形成する（図６（ｇ））。電極パターンの形成のためのメタライズには例えばＴｉ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ、あるいは、ＡｌＣｕ／Ｎｉ／Ａｕの多層膜を用いることができる。

次に、加工済みＬＥＤウェーハ３５をサブマウントウェーハ３３に対して位置合わせしながら張り合わせた後（図４（ｈ））、ＬＥＤウェーハ３５をボンディングする（図４（ｈ））。

図７は、サブマウントウェーハ３３にＬＥＤウェーハ３５を張り合わせた状態を示す略断面図である。

図７に示すように、サブマウントウェーハ３３の内部には、個々のサブマウント基板１０に対応する内部電極層１１ａ，１１ｂが形成されている。また、ＬＥＤウェーハ３５には、共通のサファイヤ成長基板３５ａ上において、個々のＬＥＤチップに対応するＬＥＤ層３５ｂが分離して形成されている。これらは互いに位置合わせされ、金属接合材料（メタルボンド）２５ｍによって接続される。金属接合材料２５ｍはカソード電極２５ａ及びアノード電極２５ｂとして機能する。

図８は、サブマウントウェーハ３３にＬＥＤウェーハ３５を張り合わせた状態の他の例を示す略断面図である。

図８に示すように、サブマウントウェーハ３３とＬＥＤウェーハ３５との間にはアンダーフィル３６が設けられている。アンダーフィル３６はサブマウントウェーハ３３にＬＥＤウェーハ３３を張り合わせる前に充填される。アンダーフィル３６の材料としてはエポキシ樹脂を用いることができる。このように、アンダーフィル３６を予め設けることにより、後述するサファイヤ成長基板３５ａの剥離工程においてＬＥＤウェーハ３３の機械的強度を確保することができ、また金属接合材料の剥離等を防止することができる。

次に、サブマウントウェーハ３３上のＬＥＤウェーハ３５からサファイヤ成長基板３５ａを剥離する（図６（ｊ））。この剥離工程は、レーザーリフトオフと呼ばれるレーザ照射技術によって実現することができる。レーザービームのエネルギーはサファイヤ成長基板３５ａと接する窒化ガリウム材料を溶融するので、サファイヤ成長基板３５ａのみを剥離することが可能である。

次に、サファイヤ成長基板３５ａが除去されたサブマウントウェーハ３３上のＬＥＤウェーハ３５の表面の粗面化処理を行う（図６（ｋ））。この処理は、ＬＥＤの光出力の特性向上のために行われる。なお、ここにいう粗面化処理には、不規則な凹凸形状が形成される通常の粗面化処理の他、規則的な凹凸形状が形成されるマイクロレベル又はナノレベルでのパターニング処理も含まれる。

次に、ＬＥＤウェーハ３５が搭載されたサブマウントウェーハ３３をダイシングし、ウェーハ上の個々のＬＥＤ素子を個片化する（図４（ｌ））。サファイヤ成長基板３５ａが既に除去されているので、ダイシングには一般的なダイシングソーを用いることができ、加工は用意である。以上により、図１に示したチップデバイスとしてのＬＥＤ装置１が完成する。このようなＬＥＤ装置１は、プリント基板上に直接半田実装されてもよく、通常の表面実装デバイス或いは他の接続手段を介してプリント基板上に実装されてもよく、さらには光成形部品に接続されてもよい。

図９は、ＬＥＤウェーハのボンディング方法について説明するための略断面図である。

図９に示すように、ＬＥＤウェーハのボンディングは、異なる２種類の金属の合金反応によって接続することができる。つまり、サブマウントウェーハ３３とＬＥＤウェーハ３５との間のウェーハレベルでのボンディング工程をＴＬＰ（Transient liquid phase）技術によって実現するものである。ボンディングのための接合材料としては、インジウム（Ｉｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ビスマス（Ｂｉ）、スズ（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、及びカドミウム（Ｃｄ）から選択された少なくとも２種類の金属の組み合わせを用いることができる。

接合材料は１〜１２μｍの範囲内の厚さを有する薄膜として形成され、ＬＥＤウェーハ３５及びサブマウントウェーハ３３上に真空法及び／又はプレーティング法によって形成される。接合材料はまた、半導体層又はサブマウント上の所望の位置に印刷されたペーストフォームに含まれる形で、微細な粉体として導入されてもよい。この場合、接合材料の粒子は、数百ｎｍ〜２０μｍの範囲内の粒子径を有することが好ましい。

本実施形態によるボンディングでは、サブマウントウェーハ３３側に第１及び第２の金属４１，４２を順に形成しておき、ＬＥＤウェーハ側に第１の金属４１を形成しておく。そして、ＬＥＤウェーハ３５側の第１の金属４１とサブマウントウェーハ３３側の第２の金属４２とを接触させた後、所定の温度Ｔ１で熱処理することにより両者は接合される。接合材料として選択された金属成分は、ボンディング工程の間、温度Ｔ１まで高められて合金プロセスを経るが、その結果として得られる合金は、前記温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２の融点を有している。

図１０は、ＬＥＤウェーハの他のボンディング方法を示す略断面図である。

図１０に示すように、このボンディング方法では、２種類の金属の混合材料のペーストを用いる。この接合材料４３は、半導体層又はサブマウント上の所望の位置に印刷されたペーストフォームに含まれる形で、微細な粉体として導入される。この場合、接合材料の粒子は、数百ｎｍ〜２０μｍの範囲内の粒子径を有することが好ましい。

本実施形態によるボンディングでは、サブマウントウェーハ３３側に接合材料４３を形成しておき、ＬＥＤウェーハ側には接合材料４３を形成しない。このとき、アノード／カソード電極２５ａを省略することができる。そして、サブマウント基板１０側の接合材料４３をＬＥＤウェーハ２０側の半導体層に直接接触させた後、所定の温度Ｔ１で熱処理することにより両者は接合される。接合材料として選択された金属成分は、ボンディング工程の間、所定の温度Ｔ１まで高められて合金プロセスを経るが、その結果として得られる合金は、前記温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２の融点を有している。

以上説明したように、本実施形態によるＬＥＤ装置１は、単層の絶縁層１２の表面に電極パターンを形成し、この絶縁層１２を複数枚用意し、絶縁層１２を張り合わせた後、基板面に対して垂直に切断することにより、サブマウント基板１０を形成し、予め設けた電極パターンが基板の上下間の導通線路となるので、スルーホールのような個別の導通線路を形成する必要がない。したがって、工数が少なくなる上、導通線路の形成が容易であり、スルーホールの形成によるセラミック基板の損傷を回避することができ、電気的及び熱的な特性に優れたＬＥＤ装置１を提供することができる。

図１１は、ＬＥＤ装置１の他の製造工程の全体的な流れを示す模式図である。

図１１に示すように、本実施形態による製造方法では、複数のスリット（又はスロット）が形成されたセラミックグリーンシート３０を使用することを特徴としている（図１１（ａ））。このとき、各スリットはシートを貫通しており、その形成位置は図１１（ｅ）の破線で示すスライス位置と一致している。その後の工程は、図６の場合と実質的に同一であるため、詳細な説明を省略する。このようなスリットを設けた場合には、セラミックシートの熱勾配を小さくすることができ、シート全面にわたって均一な焼成を促進することができる。すなわち、より均一な分布の熱プロファイルを与えることができ、焼成工程の間、積層されたセラミックシートと直交する方向に対する焼成の均一性を向上させることができる。

図１２は、図１１に示したスリット加工の応用例について説明するための略断面図である。

図１２に示すように、本実施形態による製造方法では、セラミックグリーンシート３０上に非貫通の浅溝３０ｇを形成し、この上に内部電極層１１となる電極パターン（内部電極パターン）３１を形成する（図１１（ａ），（ｂ）参照）。上記のように、電極パターン３１は金属ペーストのスクリーン印刷によって形成することができ、浅溝３０ｇの内部は埋められ、上面は平坦化されるので、浅溝部分の電極の厚さは周囲よりも厚くなる。このようなセラミックグリーンシートを用いてサブマウント基板１０を作製することにより、内部電極層１１ａ，１１ｂの直流抵抗を低減することができ、また放熱性を向上させることができる。

図１３は、本発明の他の好ましい実施の形態によるＬＥＤ装置２の構成を示す略平面図であって、（ａ）はＬＥＤダイ２０が搭載された状態、（ｂ）はＬＥＤダイ２０が搭載されていない状態をそれぞれ示している。

図１３（ａ）に示すように、このＬＥＤ装置２の特徴は、１つのサブマウント基板１０上に４つのＬＥＤダイ２０Ａ〜２０Ｄが搭載されており、個々のＬＥＤダイ２０Ａ〜２０Ｄは個別にオン／オフ制御される。また、１つのＬＥＤダイ２０Ｂには、出射光を他の波長に変換するため蛍光材料２９が成膜されている。この蛍光材料２９は、スクリーン印刷又は電気泳動析出法によって形成することができる。

図１３（ｂ）に示すように、このＬＥＤ装置２に使用されるサブマウント基板１０の上面１０ａには、第１〜第８のコンタクトパッド１３ａ〜１３ｈが形成されている。また、サブマウント基板１０は、第１〜第８のコンタクトパッド１３ａ〜１３ｈにそれぞれ接続される第１〜第８の内部電極層１１ａ〜１１ｈを有している。第１及び第２の内部電極層１１ａ，１１ｂは第１のＬＥＤダイ２０Ａに対応して設けられており、第３及び第４の内部電極層１１ｃ，１１ｄは第２のＬＥＤダイ２０Ａに対応して設けられている。また、第５及び第６の内部電極層１１ｅ，１１ｆは第３のＬＥＤダイ２０Ｃに設けられており、第７及び第８の内部電極層１１ｇ，１１ｈは第４のＬＥＤダイ２０Ｄに対応して設けられている。

第１の内部電極層１１ａの上面側の露出端面１１ｋは第１のコンタクトパッド１３ａに接続されており、第２の内部電極層１１ｂの上面側の露出端面１１ｋは第２のコンタクトパッド１３ｂに接続されている。また、第３の内部電極層１１ｃの上面側の露出端面１１ｋは第３のコンタクトパッド１３ｃに接続されており、第４の内部電極層１１ｄの上面側の露出端面１１ｋは第４のコンタクトパッド１３ｄに接続されている。以下、第５〜第８の内部電極層１１ｅ〜１１ｈについても同様である。

本実施形態においては、第５の内部電極層１１ｄと第６の内部電極層との間に不使用のダミー電極層１１ｉが設けられている。このように、複数のＬＥＤダイのレイアウトの関係上、コンタクトパッドと接続することができない内部電極層についてはダミー電極層１１ｉとすることができる。

以上のように、本実施形態によるＬＥＤ装置２は、１つのサブマウント基板１０上に複数のＬＥＤダイ２０を搭載したものであるため、非常にコンパクトで高機能なＬＥＤパッケージを提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、サファイヤ成長基板上に成長させたＬＥＤを用いた場合について説明したが、成長基板の材料はサファイヤに限定されず、他の材料を用いてもよい。成長基板の他の材料としては、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）を挙げることができる。サファイヤ基板以外の材料を成長基板として用いた場合には、成長基板をＬＥＤ層から剥離する方法として、ドライエッチングや機械的研磨を採用してもよい。

また、上記実施形態において、サブマウント基板１０は、内部電極層１１と絶縁層１２とが第１の主面と平行な第１の方向に沿って交互に配置されたサンドイッチ構造を有するが、Ｘ方向の全体に亘って常に交互に配置される必要はなく、内部電極層１１が部分的に省略された構造であってもよい。すなわち、絶縁層１２が連続する積層構造を部分的に含んでいてもよい。

１０ サブマウント基板
１０ａ サブマウント基板の上面（第１の主面）
１０ｂ サブマウント基板の底面（第２の主面）
１１，１１ａ〜１１ｈ 内部電極層
１１ｉ ダミー電極層
１１ｋ 内部電極層の露出端面
１２ 絶縁層
１３ａ〜１３ｈ コンタクトパッド
１４ａ，１４ｂ 外部端子電極
１４ａ，１４ｂ 端子電極
１４ｂ 外部端子電極
２０，２０Ａ〜２０Ｄ ＬＥＤダイ
２１ ＬＥＤ層
２２ ｎ型半導体層
２２ａ ｎ型半導体層の一方の主面（開放面）
２３ 発光層
２４ ｐ型半導体層
２５ａ カソード電極（ｎ側電極）
２５ｂ アノード電極（ｐ側電極）
２５ｍ 金属接合材料（メタルボンド）
２９ 蛍光材料
３０ セラミックグリーンシート
３０ｇ 浅溝
３１ 電極パターン
３１Ａ セラミックグリーンシート
３２ 多層セラミックブロック
３３ サブマウントウェーハ
３４ 電極パターン
３５ ＬＥＤウェーハ
３５ａ サファイヤ成長基板
３５ｂ ＬＥＤ層
３６ アンダーフィル
４１〜４３ 金属（接合材料）

Claims (15)

1. サブマウント基板と、
   前記サブマウント基板の第１の主面に実装された少なくとも一つのＬＥＤダイとを備え、
   前記サブマウント基板は、前記第１の主面に形成されたコンタクトパッドと、前記第１の主面と対向する第２の主面に形成された端子電極を含み、
   前記サブマウント基板は、複数の内部電極層と複数の絶縁層とが前記第１の主面と平行な第１の方向に沿って交互に配置されたサンドイッチ構造を含み、
   前記内部電極層は、前記第１の主面と平行且つ前記前記第１の方向と直交する第２の方向に延びる帯状パターンであると共に、前記サブマウント基板の前記第１の主面から前記第２の主面まで貫通しており、
   前記内部電極層の前記第１の主面側の少なくとも一部は、前記サブマウント基板の前記第１の主面に露出して前記コンタクトパッドに接続されており、
   前記内部電極層の前記第２の主面側の少なくとも一部は、前記サブマウント基板の前記第２の主面に露出して前記端子電極に接続されていることを特徴とするＬＥＤ装置。
2. 前記ＬＥＤダイは、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層に挟まれた発光層を含み、
   前記コンタクトパッドは、前記第１及び第２のコンタクトパッドを含み、
   前記複数の内部電極層は、前記第１のコンタクトパッドに接続され且つ前記第２のコンタクトパッドから絶縁された複数の第１の内部電極層と、前記第２のコンタクトパッドに接続され且つ前記第１のコンタクトパッドから絶縁された複数の第２の内部電極層を含み、
   前記第１の内部電極層と前記第２の内部電極層は、前記第１の方向に沿って交互に配置されており、
   前記ＬＥＤダイの前記ｎ型半導体層は、前記第１のコンタクトパッドを介して前記複数の第１の内部電極層に並列接続されており、
   前記ＬＥＤダイの前記ｐ型半導体層は、前記第２のコンタクトパッドを介して前記複数の第２の内部電極層に並列接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
3. 前記絶縁層が非線形抵抗特性を有するセラミック層であり、前記サブマウント基板はバリスタとして機能することを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ装置。
4. 前記ＬＥＤダイは、
   前記ｎ型半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
   前記ｐ型半導体層に電気的に接続された第２の電極とを備え、
   前記第１及び第２の電極の電極面は当該ＬＥＤダイの同じ側に形成され且つ同じ方向を向いており、
   前記第１の電極は前記第１のコンタクトパッドに接続されており、
   前記第２の電極は前記第２のコンタクトパッドに接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＬＥＤ装置。
5. 前記第１及び第２の電極は合金材料からなり、前記第１の電極は前記ｎ型半導体層に直接接続されており、前記第２の電極は前記ｐ型半導体層に直接接続されていることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ装置。
6. 前記ＬＥＤダイの前記ｎ型半導体層の第１の主面は、当該ｎ型半導体層の成長基板が除去された開放面であり、前記ｎ型半導体層の前記第１の主面と対向する第２の主面は、前記発光層と接していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＬＥＤ装置。
7. 前記ＬＥＤダイの前記ｎ型半導体層の前記開放面が粗面化されていることを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤ装置。
8. 前記サブマウント基板と前記ＬＥＤダイとの間にアンダーフィルが充填されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＬＥＤ装置。
9. 内部電極パターンが形成された複数の絶縁シートを積層してなる積層体を形成する工程と、
   前記積層体をその積層方向と平行にスライスすることにより、複数の内部電極パターンと複数の絶縁シートとが前記積層方向と平行な第１の方向に沿って交互に配置されたサンドイッチ構造を有するサブマウントウェーハを作製する工程と、
   前記サブマウントウェーハの第１の主面に露出する前記内部電極パターンの第１の端面の少なくとも一部を覆うコンタクトパッドを形成する工程と、
   前記サブマウントウェーハの第２の主面に露出する前記内部電極パターンの第２の端面の少なくとも一部を覆う端子電極を形成する工程と、
   成長基板、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層をこの順に積層してなるＬＥＤウェーハを用意し、前記ｐ型半導体層をサブマウントウェーハ側に向けて前記ＬＥＤウェーハの前記サブマウントウェーハに張り合わせる工程と、
   前記サブマウントウェーハをダイシングして個々のＬＥＤチップに分割する工程とを備えることを特徴とするＬＥＤ装置の製造方法。
10. 絶縁シートの積層体を形成する工程は、
    第１の内部電極パターンが形成された第１の絶縁シートと、
    前記第１の内部電極パターンと異なる第２の内部電極パターンが形成された第２の絶縁シートとを順に積層する工程を含み、
    前記コンタクトパッドを形成する工程は、前記第１の内部電極パターンの前記第１の主面側の露出位置に第１のコンタクトパッドを形成すると共に、前記第２の内部電極パターンの前記第１の主面側の露出位置に前記第２のコンタクトパッドを形成する工程を含み、
    前記端子電極を形成する工程は、前記第１の内部電極パターンの前記第２の主面側の露出位置に第１の端子電極を形成すると共に、前記第２の内部電極パターンの前記第２の主面側の露出位置に第２の端子電極を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ装置の製造方法。
11. 前記ＬＥＤウェーハを前記サブマウントウェーハに張り合わせる工程は、前記サブマウントウェーハの前記コンタクトパットと前記ＬＥＤウェーハの半導体層との接続を２種類の金属の合金反応により行う工程を含むことを特徴とする請求項９又は１０に記載のＬＥＤ装置の製造方法。
12. 前記絶縁シートの材料として、非線形抵抗特性を有するセラミック材料を用いることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のＬＥＤ装置の製造方法。
13. 前記サブマウントウェーハ上の前記ＬＥＤウェーハから前記成長基板を剥離して前記ｎ型半導体層の一方の主面を開放する工程をさらに備えることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一項に記載のＬＥＤ装置の製造方法。
14. 前記ＬＥＤウェーハの前記ｎ型半導体層の前記一方の主面を粗面化する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のＬＥＤ装置。
15. 前記ＬＥＤウェーハを前記サブマウントウェーハに張り合わせる前に、前記サブマウント基板と前記ＬＥＤウェーハとの間にアンダーフィルを充填する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のＬＥＤ装置。

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