JP2001036145A

JP2001036145A - 発光ダイオードの形成方法

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Publication number: JP2001036145A
Application number: JP20225199A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Tamemoto; 為本広昭
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2001-02-09
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: JP4366767B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】ＳＭＤ（ＳｕｒｆａｃｅＭｏｕｎｔＤｅｖ
ｉｃｅ）タイプの発光ダイオードの形成方法に係わり、
特に、その量産効率を向上させ、発光ダイオードとして
の薄型化を図り、また所望の色調により近い発光ダイオ
ードを形成する方法を提供する。【解決手段】発光ダイオードの基体にＬＥＤチップ２４
を配置させるための凹部２３を、凸形状のポンチ２７で
前記基体を押圧するコイニング加工により形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面に凹部を有す
る基体の凹部底面上に配置されたＬＥＤチップを有する
発光ダイオードの形成方法に係わり、特に、基体に凹部
を形成する工程を有する発光ダイオードの形成方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオードは、小型で効率が良く、
鮮やかな色の発光をする。また低消費電力であるほか、
半導体素子であるために球切れなどの心配がない。初期
駆動特性が優れ、振動やＯＮ／ＯＦＦ点灯の繰り返しに
強いという特徴を有する。このような理由から、発光ダ
イオードは近年特に、様々な分野で種々の光源として利
用されている。なかでも、外部との導通が可能なリード
電極が埋め込まれた基体内部にＬＥＤチップを配置させ
たタイプの発光ダイオード（一般に、Ｓｕｒｆａｃｅ
ＭｏｕｎｔＤｅｖｉｃｅ（ＳＭＤ）という）は、ＬＥ
Ｄチップを搭載基板に配置させる際や電気的接続を行う
際などに取り扱い易く、また光利用効率を向上させる目
的などから、頻繁に利用されている。

【０００３】そのような発光ダイオードは具体的には、
図３に示す発光ダイオードのごとくであり、まず基体と
なる３１は、金型内にリード電極３２となる金属片を配
置させた後液晶ポリマーを注入させインサート形成し、
冷却後金型から取り出すことにより形成させる。次に、
出来上がった基体３１に、エンドミル等を用いて切削除
去加工を行い、ＬＥＤチップを配置させるための凹部３
３を形成する。またこの凹部は、予めプレス加工（コイ
ニング加工よりも被加工部の減少が著しい加工方法）に
よって形成された凹部を有する金属端子を用いて前記の
ようにインサート形成することにより、基体自体を形成
するのと同時に形成することもできる。この場合にはリ
ード電極を、凹部を有する基体のみを形成させた後に立
体メッキを用いて基体表面に沿うようにして形成させて
もよい。

【０００４】こうして形成させた凹部を有する基体の凹
部底面上に、ＬＥＤチップ３４をエポキシ樹脂等でダイ
ボンディングし、その後ＬＥＤチップの各電極とリード
電極とをそれぞれ金線等（３５）を用いてワイヤーボン
ディングすることにより電気的導通をはかる。次に、透
光性を有するエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等（３６）
を用いて封止部材とし、これらが硬化する前に基体の凹
部３３内に注入させ、ＬＥＤチップとワイヤをすべて保
護できるように封止する。この封止部材によりＬＥＤチ
ップ、ワイヤを外部から保護することができ、またこの
封止部材が透光性を有するためにＬＥＤチップからの光
の取り出し効率を向上させることができる。このように
して図３に示すような発光ダイオードを形成させること
ができ、これに電気供給を行うことにより発光させるこ
とができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような形成方法では、基体に凹部を形成させる工程にお
いて、次に示すような理由から加工上大変困難な点があ
り、さらに改良された形成方法が求められている。上記
に示したように、形成された基体にエンドミル等を用い
て切削除去加工を行いＬＥＤチップを配置させるための
凹部を形成する場合、定型の凹部を切削加工しようとす
ると個々に時間を要し、量産体制下においては効率が悪
くなる。また、予めプレス加工（コイニング加工よりも
被加工部の減少が著しい加工方法）によって形成された
凹部を有する金属端子を用いてインサート形成すること
により基体自体を形成するのと同時に凹部を形成する場
合には、インサート形成時に該凹部内に樹脂が流入して
しまわないように該凹部形状に精密に合った成形型を密
着させながらインサート形成を行わなければならず、こ
の場合にも個々に時間を要し量産体制下においては効率
が悪くなる。また金属端子と成形型との密着は、微量の
樹脂をも流入させないように精巧に行わなければならな
いために、金属端子への凹部形状の形成、またその形状
に精密に一致した成形型の形成には非常に高度な精巧さ
が求められ、発光ダイオードの基体形成の以前に非常に
困難な作業を要する。

【０００６】さらに、リード電極を、基体に凹部を形成
させた後に立体メッキを用いて基体表面に沿うようにし
て形成する場合にも、そのメッキパターンの立体マスク
が必要であり、このマスクの立体形状が基体成形品寸法
に精密に一致していなければならず、マスクの形成には
非常に高精度の加工が求められる。すると発光ダイオー
ドの基体形成の以前に長時間を費やすことは避けられな
い。

【０００７】加えて、予めプレス加工（コイニング加工
よりも被加工部の減少が著しい加工方法）によって形成
された凹部を有する金属端子を用いてインサート形成す
ることにより基体自体を形成するのと同時に凹部を形成
する場合には、インサート形成時に該凹部内に樹脂が流
入してしまわないように該凹部形状に精密に合った成形
型を密着させながらインサート形成を行うため、その密
着の際の押圧力によって図３に示す発光ダイオードのよ
うに凹部深さが必要以上に達してしまう。すなわち発光
ダイオードとしての薄型化が図りづらい。凹部深さは、
凹部内壁面を反射鏡がわりに利用して光取り出し効率を
高めることを考えれば最低でもＬＥＤチップの活性層面
高さまであればよく、また凹部内のＬＥＤチップとワイ
ヤ部分を外部から保護することを考えれば最高でもワイ
ヤの一部分まであれば十分なのである。また凹部深さが
深ければ、ＬＥＤチップからの光が凹部内で乱反射して
発光ダイオードとしての色調が本来所望のものとは違っ
た色調になってしまうことがある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明は、表面に凹部
を有する基体の凹部底面上に配置されたＬＥＤチップを
有する発光ダイオードの形成方法であって、前記凹部
が、凸形状のポンチで前記基体を押圧するコイニング加
工により形成されることを特徴とする発光ダイオードの
形成方法に関する。また、金属からなる少なくとも一対
のリード電極が樹脂によって保持された基体と、前記リ
ード電極の少なくとも一方の上に配置され、かつ電気的
に接続されたＬＥＤチップとを有する発光ダイオードの
形成方法であって、少なくともＬＥＤチップと電気的に
接続させる表面及び外部電源と接続させる表面が露出さ
れた一対のリード電極を樹脂によって保持する基体を形
成する工程と、前記ＬＥＤチップと電気的に接続させる
少なくとも一方のリード電極表面に、コイニング加工に
よって凹部を形成させる工程と、前記凹部底面上にＬＥ
Ｄチップを固定させる工程とを有する発光ダイオードの
形成方法に関する。

【０００９】本願発明でいうコイニング加工とは、板状
の被加工物をプレスして、加工面のみを局部的に減少さ
せて加工部位の厚みを減少させる方法である。本発明に
おいては凸形状のポンチで前記基体を押圧することで、
上述のような凹部形成時に生ずる様々な問題を回避で
き、発光ダイオードの量産過程をスムースに行い量産効
率を向上させることができる。また凸形状のポンチで押
圧する加工では前記凹部深さを簡単にコントロールで
き、また加工の際に加工部位を加熱するため塑性変形の
抵抗力が少なくなり簡単に前記基体の一部分を変形させ
て凹部を形成でき、さらに減面率もよくなる。ゆえに凹
部を必要最低限の深さに容易に抑えることができ、発光
ダイオードとしての薄型化も実現しやすくなる。

【００１０】発光ダイオードが様々な分野で種々の光源
として利用されている今日においては、薄型化されれば
その使用用途や範囲をさらに広げることができる。本発
明によれば、例えば携帯型プリンターやスキャナー、ま
たバックライト等の種々の小型機器に組み込まれる光源
として、現在よりも薄型の発光ダイオードを提供でき、
それはまたそれらの小型機器自体のさらなる小型化を実
現できる。

【００１１】またＬＥＤチップを配置させる凹部深さが
深ければ、ＬＥＤチップからの光が凹部内で乱反射して
発光ダイオードとしての色調が本来所望のものとは違っ
た色調になってしまうことが往々にしてあるが、前記凹
部深さが浅ければそのような事態は回避でき、ＬＥＤチ
ップからの光をほぼ直接的に発光ダイオード外部へと取
り出すことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明者は種々の実験の結果、Ｌ
ＥＤチップを配置させるための凹部を基体に形成させる
際に凸形状のポンチで基体を押圧するコイニング加工を
行うことにより、発光ダイオードの量産過程をスムース
に行うことができること、また発光ダイオードとしての
薄型化と、所望の色調を実現しやすくなることを見出
し、本発明を成すに到った。

【００１３】即ち、図２（Ｂ）に示すような凸形状のポ
ンチ２７で基体２１を押圧する加工によってＬＥＤチッ
プを配置させるための凹部を形成すると、ごく単純な作
業で凹部形成が行え、また連続していくつもの基体に形
成可能なため、量産効率が格段に向上する。また、凹部
深さの調節もごく簡単に行えるため、凹部を必要最低限
の深さに抑えて形成させることができ、発光ダイオード
としての薄型化を実現しやすくなる上、ＬＥＤチップか
らの光が凹部内で乱反射するのを低減させ、結果として
所望の色調の発光ダイオードを得ることができる。

【００１４】図１は本願発明の形成方法により形成され
た発光ダイオードの模式図断面図であり、図２はその各
工程を模式的に示した図である。以下、これに基づいて
本願発明の発光ダイオードの形成方法について説明する
が、これのみに限るということはない。発光素子として
主発光ピークが４７０ｎｍのＧａＩｎＮ半導体を用い
た。ＬＥＤチップは、洗浄させたサファイヤ基板上にＴ
ＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチル
インジュウム）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法で窒化ガリウム系
化合物半導体を成膜させることにより形成させた。ドー
パントガスとしてＳｉＨ₄とＣｐ₂Ｍｇと、を切り替える
ことによってｎ型導電性を有する窒化ガリウム系半導体
とｐ型導電性を有する窒化ガリウム系半導体を形成しｐ
ｎ接合を形成させた。（なお、ｐ型半導体は、成膜後４
００℃以上でアニールさせてある。）エッチングにより
ｐｎ各半導体表面を露出させた後、スパッタリング法に
より各電極をそれぞれ形成させた。こうして出来上がっ
た半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、外力
により分割させ発光素子として２５０μｍ角のＬＥＤチ
ップ１４を形成させた。

【００１５】次に基体となる１１を、金型内にリード電
極１２となる金属片を配置させた後液晶ポリマーを注入
させインサート形成し、冷却後金型から取り出すことに
より形成させた（図２（Ａ））。ついで、形成された基
体１１に前記ＬＥＤチップを配置させるための凹部１３
をコイニング加工により形成させた。図２（Ｂ）に示す
ごとく、数個が連なった凸形状のポンチ２７を加熱を施
した前記基体２１に向かって降下させ（）、その押圧
により凹部形状２３を形成した後、再びポンチを真っ直
ぐ上方に戻す（）。個々に切断する前の数個が連なっ
た前記基体を順次ポンチの下へと送り込むことで、前記
基体への凹部形成の効率を格段に向上させることができ
る。また凹部深さが、搭載させるＬＥＤチップの活性層
面まででよい場合や、ＬＥＤチップをリード電極と接続
しているワイヤの一部分までとしたい場合、あるいは他
の所望の深さの場合でも、凸形状ポンチの前記基体への
降下距離を調節することによって、ごく簡単に凹部深さ
を変えることができる。図１の発光ダイオードは、ＬＥ
Ｄチップからの光をほぼ直接的に発光ダイオード外部へ
と取り出すことができるように、ＬＥＤチップの活性層
面までの深さとなるよう設定させて形成した。こうして
必要最低限の深さの凹部とすることで、発光ダイオード
として薄型にできた上、ＬＥＤチップからの光が凹部内
で乱反射するのを低減させ、結果として所望の色調の発
光ダイオードとすることができた。

【００１６】次に、形成された凹部を有する基体の凹部
底面上に前記ＬＥＤチップをエポキシ樹脂でダイボンデ
ィングした。そしてＬＥＤチップの各電極とリード電極
１２とをそれぞれ金線１５でワイヤーボンディングし電
気的導通をはかった（図２（Ｃ））。続いて透光性エポ
キシ樹脂１６を封止部材として用い、細管からＬＥＤチ
ップが配置された基体凹部１３内に注入させ、ＬＥＤチ
ップとワイヤをすべて保護できるように封止した（図２
（Ｄ））。ＬＥＤチップからの可視光と蛍光体からの蛍
光との混色光を放射する発光ダイオードとする場合に
は、この封止部材に蛍光体を混合させてもよい。封止部
材は、注入後１５０℃５時間にて硬化させ、図１のごと
き発光ダイオードを形成させた。またこの封止部材は発
光ダイオードの使用用途や環境に合わせて、用いなくて
もよい場合もある。

【００１７】次に、図１に基づいて本発明による発光ダ
イオードの各構成部について詳述する。（リード電極１２）リード電極１２としては、凹部内に
配置されたＬＥＤチップをパッケージ外部と電気的に接
続させるものであるため、電気伝導性に優れたものが好
ましい。具体的材料としては、ニッケル等のメタライズ
あるいはリン青銅等の電気良導体を挙げることができ
る。またこのような材料の表面に銀あるいは金等の平滑
なメッキを施し、電極部材であると共にＬＥＤチップか
らの光を効率よく外部に放出させるように、その表面を
光反射部材として利用することもできる。

【００１８】（凹部１３）凹部１３はＬＥＤチップを収
納させるためのものである。ＬＥＤチップと凹部との接
着は熱硬化性樹脂などによって行うことができる。具体
的には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やイミド樹脂など
が挙げられる。ＬＥＤチップと凹部との接続部は、ＬＥ
Ｄチップから放出された光や紫外線などが封止部材の樹
脂やあるいはそれに含まれる蛍光体などによっても反射
され、凹部内においても特に高密度になる。そのため、
接続部の樹脂劣化による黄変などにより発光効率が低下
することが考えられる。このような接続部の劣化防止の
ために、紫外線などによる劣化を防ぐ、或いは紫外線吸
収を少なくする目的でガラスや紫外線吸収剤を含有させ
た樹脂などを使用することがより好ましい。

【００１９】さらに、発光ダイオードの光利用効率を向
上させるためにＬＥＤチップが配置される凹部の表面を
鏡面状とし、表面に反射機能を持たせても良い。該凹部
の材料として具体的には、反射率の高い銀や金をメッキ
させたもの、銅、鉄入り銅、錫入り銅、アルミ合金、メ
タライズパターン付きセラミック等が挙げられる。（ＬＥＤチップ１４）本発明に用いられるＬＥＤチップ
１４には、例えば窒化物系化合物半導体などが挙げられ
る。発光素子であるＬＥＤチップは、ＭＯＣＶＤ法等に
より基板上にＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成
させる。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。

【００２０】窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場
合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓ
ｉ、ＺｎＯ等の材料が用いられる。結晶性の良い窒化ガ
リウムを形成させるためにはサファイヤ基板を用いるこ
とが好ましい。このサファイヤ基板上にＧａＮ、ＡｌＮ
等のバッファー層を形成しその上にｐｎ接合を有する窒
化ガリウム半導体を形成させる。窒化ガリウム系半導体
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型窒化ガリウム半導体
を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇ
ｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。
一方、ｐ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、ｐ
型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂ
ａ等をドープさせる。

【００２１】窒化ガリウム系化合物半導体は、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、低速電子線照射やプ
ラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。エ
ッチングなどによりｐ型半導体及びｎ型半導体の露出面
を形成させた後、半導体層上にスパッタリング法や真空
蒸着法などを用いて所望の形状の各電極を形成させる。

【００２２】次に、形成された半導体ウエハー等をダイ
ヤモンド製の刃先を有するブレードが回転するダイシン
グソーにより直接フルカットするか、又は刃先幅よりも
広い幅の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力によ
って半導体ウエハーを割る。あるいは、先端のダイヤモ
ンド針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウ
エハーに極めて細いスクライブライン（経線）を例えば
碁盤目状に引いた後、外力によってウエハーを割り半導
体ウエハーからチップ状にカットする。このようにして
窒化ガリウム系化合物半導体であるＬＥＤチップを形
成させることができる。

【００２３】本発明の発光ダイオードにおいて、封止部
材の樹脂に蛍光体を混合させることによって白色系を発
光させる場合は、蛍光体との補色等を考慮して発光素子
の主発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好まし
く、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。Ｌ
ＥＤチップと蛍光体との効率をそれぞれより向上させる
ためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ま
しい。

【００２４】（導電性ワイヤー１５）導電性ワイヤー１
５としては、ＬＥＤチップの電極とのオーミック性、機
械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求め
られる。熱伝導度としては０．０１ｃａｌ／ｃｍ²／ｃ
ｍ／℃以上が好ましく、より好ましくは０．５ｃａｌ／
ｃｍ²／ｃｍ／℃以上である。また、作業性などを考慮
して導電性ワイヤーの直径は、好ましくは、Φ１０μｍ
以上、Φ４５μｍ以下である。このような導電性ワイヤ
ーとして具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の
金属及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤーが挙げら
れる。

【００２５】（封止部材樹脂１６）基体凹部内に充填す
る封止部材１６は、発光ダイオードの使用用途に応じて
ＬＥＤチップ、導電性ワイヤーなどを外部から保護する
ためである。封止部材は、各種樹脂や硝子などを用いて
形成させることができる。封止部材の具体的材料として
は、主としてエポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーンな
どの耐候性に優れた透明樹脂や硝子などが好適に用いら
れる。また、封止部材に拡散剤を含有させることによっ
てＬＥＤチップからの指向性を緩和させ視野角を増やす
こともできる。拡散剤の具体的材料としては、チタン酸
バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等
が好適に用いられる。

【００２６】以下、本発明による発光ダイオードの効果
を確認するため、図３のごとき発光ダイオードを形成さ
せ、本発明による発光ダイオードとの比較実験を行っ
た。図３の発光ダイオードは、基体にＬＥＤチップを配
置させるための凹部を形成させる際にエンドミルを用い
て切削除去加工を行った以外は、本発明による発光ダイ
オードと同様にして形成させた。

【００２７】それぞれの発光ダイオードについて、基体
凹部形成の工程を同時にスタートさせ、両発光ダイオー
ドともに１０００個の基体に凹部形成を施した。図１の
発光ダイオードの基体１０００個全てに凹部形成を終え
たとき、図３の発光ダイオードの方はまだ５個の基体に
しか凹部形成できていなかった。また、出来上がった両
発光ダイオードからそれぞれ無作為に１００個ずつを取
り出し観察した結果、本発明者所望の色調により近い色
調の発光ダイオードが多くあったのは、図１の発光ダイ
オード１００個の方であった。

【００２８】

【発明の効果】本発明の、発光ダイオードの基体にＬＥ
Ｄチップを配置させるための凹部を、凸形状のポンチで
前記基体を押圧するコイニング加工により形成すること
で、発光ダイオードの量産効率を格段に向上させること
ができ、また前記凹部深さをごく簡単に調節して形成で
きるので、発光ダイオードとしての薄型化が実現しやす
い上に、所望の色調により近い発光ダイオードを形成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明により形成された発光ダイオ
ードの模式的断面図である。

【図２】図２は、本発明による発光ダイオードの形成
過程を（Ａ）から順に模式的に示した図である。

【図３】図３は、本発明による発光ダイオードと比較
のために形成した発光ダイオードの模式的断面図であ
る。

【符号の説明】

１１、２１、３１・・・発光ダイオードの基体１２、２２、３２・・・リード電極１３、２３、３３・・・凹部１４、２４、３４・・・ＬＥＤチップ１５、２５、３５・・・導電性ワイヤー１６、２６、３６・・・封止部材樹脂２７・・・凸形状ポンチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に凹部を有する基体の凹部底面上に
配置されたＬＥＤチップを有する発光ダイオードの形成
方法であって、前記凹部が、凸形状のポンチで前記基体
を押圧するコイニング加工により形成されることを特徴
とする発光ダイオードの形成方法。
【請求項２】少なくとも一対のリード電極が樹脂によ
って保持された基体と、前記リード電極の少なくとも一
方の上に配置され、かつ電気的に接続されたＬＥＤチッ
プとを有する発光ダイオードの形成方法であって、少な
くともＬＥＤチップと電気的に接続させる表面及び外部
電源と接続させる表面が露出された一対のリード電極を
樹脂によって保持する基体を形成する工程と、前記ＬＥ
Ｄチップと電気的に接続させる少なくとも一方のリード
電極表面に、コイニング加工によって凹部を形成させる
工程と、前記凹部底面上にＬＥＤチップを固定させる工
程とを有する発光ダイオードの形成方法。
【請求項３】少なくとも一対のリード電極が樹脂によ
って保持された基体を、金型内に該リード電極となる表
面が平らな金属片を配置させた後液晶ポリマーを注入さ
せインサート形成し、冷却後金型から取り出すことによ
り形成する請求項２に記載の発光ダイオードの形成方
法。
【請求項４】少なくとも一対のリード電極が樹脂によ
って保持された基体の該リード電極が金属からなる請求
項２に記載の発光ダイオードの形成方法。