JP2008004777A - 放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法を提供する。
【解決手段】基板１および発光ダイオードチップ４を準備し、基板１上の発光ダイオードチップ４が設置される位置に予め高温、窒素雰囲気下に置き、その後、基板１の接合表面１１上に金属間化合物層２を蒸着し、基板１の発光ダイオードチップ４が設置される位置の金属間化合物層２上に半田材料３を設置し、発光ダイオードチップ４の接合面４１上にも一層の金属間化合物層２を蒸着する。発光ダイオードチップ４の接合面４１と半田材料３とを接触させ、高温炉の加熱処理によって金属間化合物層２と半田材料３とを融解して安定した金属合金にし、発光ダイオードチップ４を基板１に固定する。最後にワイヤボンディングを行い、発光ダイオードを完成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、発光ダイオードに関し、特に、熱伝導構造を備える発光ダイオードの構造に関する。

発光ダイオードの製造技術の進歩および新素材の開発に伴い、発光ダイオードの輝度・出力は向上し、消費電力も大きくなることから、発光ダイオードチップ電流密度、発熱量ともに大きくなっている。しかし、発光ダイオードの封止材料には通常、熱絶縁性の高い樹脂化合物が使用されるので、その熱伝導作用は充分でない。そのため、これらに被覆される発光ダイオードチップおよび電極回路はスムーズな放熱が行われない場合、熱が蓄積されて、その熱によって発光ダイオードが劣化し、発光効率が重大な影響を受ける。

上述の発光ダイオードは、その封止構造のために、発光ダイオードチップが搭載される基板（表面実装型）またはリードフレーム（フレーム型）がもっとも優れた放熱経路となる。発光ダイオードチップを基板上に固定するために、発光ダイオードチップと基板との間には一層の半田材料を設ける必要があるが、発光ダイオードの封止構造において、その放熱経路および放熱効率を考慮する必要があるので、半田材料は慎重に選択する必要がある。従来技術においては銀ペーストが使用され、銀ペーストは、発光ダイオードチップと基板（またはリードフレーム）を固定する以外に、発光ダイオードチップが動作するとき、銀ペーストの熱伝導作用によって発光ダイオードチップから発生する熱を導出し、発光ダイオードチップが熱の影響を受け、発光ダイオードの発光輝度が低下するのを防止する作用を有する。

しかし、高効率の発光ダイオードから発生する熱は益々多くなっており、発光ダイオードの電流が一定の程度を超えた場合、従来技術の銀ペーストの熱伝導率および熱膨張係数はその熱を負担することができず、結果として、発光ダイオードの発光輝度が低下したり、損傷してしまう。その後開発された従来技術においては、高効率の発光ダイオードが広く使用され、発光輝度が高く、発生する熱も多くなっていることが考慮され、熱伝導率が高く、発光ダイオードチップと熱膨張率の差の小さい材質の基板（またはリードフレーム）が採用され、それ以外に、半田材料に使用される合金も鉛錫合金（ＰｂＳｎ）、銀錫合金（ＡｇＳｎ）またはインジウム（Ｉｎ）などが採用されて発光ダイオードから熱を逃がす為の熱伝導率を向上している。

しかし、基板はその多くが銅または錫合金などの高熱伝導材料が主な材料として採用され、発光ダイオードチップと基板を接合する過程において、先ず半田材料である合金を加熱融解して、発光ダイオードチップと基板を接合するが、銅または錫合金を主とした基板は高温によって表面が酸化され、半田材料の合金と基板の接合性が低下する。また、発光ダイオードチップの電極材料と半田材料の合金とは直接合金化しがたく、接合性が不足するので、従来技術による発光ダイオードの構造においてはチップが容易に脱落し、発光ダイオードの動作時の熱伝導率も優れず、解決の必要があった。
特開２００４−２２９６３号公報

本発明の主な目的は、先ず発光ダイオードチップが設置される基板の接合表面の酸化防止を行い、基板と発光ダイオードチップを接合する表面にこれらと成分を共通する金属間化合物層を真空蒸着などによって形成し、半田材料を設けて半田材料と金属間化合物層とを安定した金属合金にし、この方法によって半田材料の接合性を高めて発光ダイオードチップを基板の対応する位置に固定するほか、熱伝導経路を形成する放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法を提供することにある。

上述の目的を解決するために、本発明は放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法を提供するものであり、基板および発光ダイオードチップを準備し、基板上の発光ダイオードチップが設置される位置に予め高温の下、窒素などによる不活性雰囲気下において酸化を防止する。その後、基板の接合表面上にこれら或いは半田材料と成分を共通するなど合金化しやすい成分からなる金属間化合物層を真空蒸着などによって形成し、基板の発光ダイオードチップが設置される位置の金属間化合物層上に半田材料を設置し、また、発光ダイオードチップの接合面上にも一層の金属間化合物層を真空蒸着などにより形成する。発光ダイオードチップの接合面と半田材料とを接触させ、高温炉の加熱処理によって金属間化合物層と半田材料とを安定した金属合金にし、発光ダイオードチップを基板に固定する。最後にワイヤボンディングを行い、発光ダイオードの構造が完成する。

先ず、発光ダイオードチップが設置される基板の接合表面を不活性雰囲気下において酸化を防止し、基板と発光ダイオードチップを接合する表面にこれらと合金化しやすい成分を含む金属間化合物層を真空蒸着し、半田材料を設けて半田材料と金属間化合物層とを安定した金属合金にする。上述の方法によって半田材料の接合性を高めて発光ダイオードチップを基板の対応する位置に固定することができ、さらに熱伝導経路が形成されるので、完成された発光ダイオードは好適な放熱効果を有する。

図１、２、３、４は本発明による発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。本実施例は、表面実装型（ＳＭＴ）の発光ダイオードである。発光ダイオードの構造は、基板１、金属間化合物層２を形成する金属間化合物、半田材料３および発光ダイオードチップ４からなる。図１に示すように、先ず基板１を準備する。基板１は銅またはアルミニウムなどの高熱伝導材料から製造され、熱伝導作用を備える回路板（ＰＣＢ）でもよい。基板１を高温炉で３００℃以上に加熱し、基板１に設けられた接合表面１１を窒素などの不活性雰囲気下において酸化を防止し、基板１の接合表面１１が高温の下で酸化して発光ダイオードチップを接合できなくなるのを防止する。その後、基板１の接合表面１１上に発光ダイオードチップ電極及び半田材料と成分を共通するなど、合金化しやすい成分からなる金属間化合物を形成する組成の金属層２を蒸着などにより形成する。金属間化合物層２は金、金錫または銀などの材料から構成され、その後、金属間化合物層２が設けられた基板１を加工機器上に置く。

図２に示すように、その後、適量の板状の半田材料３を準備して発光ダイオードチップ４が搭載される金属間化合物層２の位置上に設置する。半田材料３は、金錫合金（ＡｕＳｎ）または銀錫合金（ＡｇＳｎ）などの金属間化合物層２と結合して合金になりやすい材質である。図３に示すように、その後、基板１に接合したい発光ダイオードチップ４の接合面４１に一層の金属間化合物層２を蒸着形成し、発光ダイオードチップ４を半田材料３の面上に載置し、発光ダイオードチップ４の接合面４１と半田材料３とを接触させる。上述の構造体を高温加熱し、半田材料３を融解させ、発光ダイオードチップ４を接合位置上で左右に移動させ、基板１および発光ダイオードチップ４の金属間化合物層２に半田材料３を行き渡らせる。図４に示すように、半田材料３が冷却された後、基板１と発光ダイオードチップ４の金属間化合物層２とが結合して安定した金属合金となり、発光ダイオードチップ４を完全に基板１上に固定することができ、最後にワイヤボンディング技術によってワイヤ５を接続して正負電極を形成し、発光ダイオードの構造が完成する。

図５は、発光ダイオードの製造方法を示すフロー図である。先ず基板１を準備し、高温の下で、液体窒素を利用して基板１の接合表面１１を窒素雰囲気下において酸化防止を行う（Ｓ１）。その後、基板１の接合表面１１および発光ダイオードチップ４の接合面４１に一層の金属間化合物層２を蒸着する（Ｓ２）。半田材料３を準備して基板１の発光ダイオードチップ４が設置される金属間化合物層２の位置に載置し、発光ダイオードチップ４を半田材料３上に載置する（Ｓ３）。高温炉による加熱処理によって基板１の接合表面１１および発光ダイオードチップ４の接合面４１に半田材料３が均一に行き渡り、安定した金属合金が形成される（Ｓ４）。最後にワイヤボンディング技術によって正負極の接続が行われる（Ｓ５）。上述の工程によって発光ダイオードの構造が完成する。

また、上述の製造方法は、本実施例において述べた表面実装型の発光ダイオードに適用される以外に、フレーム型の発光ダイオードのワイヤフレームと発光ダイオードチップとの固定にも適用される。また、図６に示すように、発光ダイオードの正負電極は上述のワイヤボンディング技術によって発光ダイオードチップ４の同一表面上に設置される以外に、発光ダイオードチップ４の接合面４１上の合金構造によって導電路を形成し、発光ダイオードチップ４の正面にワイヤ５を接続し、ワイヤ５を正極とし、発光ダイオードチップ４の接合面４１を負極としたり、或いは両者の電極極性を入れ換えても良い。

本発明の製造工程を示す断面図である。 本発明の製造工程を示す断面図である。 本発明の製造工程を示す断面図である。 本発明の製造工程を示す断面図である。 本発明の製造工程を示すフロー図である。 本発明のもう一つのワイヤボンディングの実施形態を示す断面図である 。

符号の説明

１ 基板
１１接合表面
２ 金属間化合物層
３ 半田材料
４ 発光ダイオードチップ
４１接合面
５ ワイヤ

Claims (16)

1. ａ 基板および発光ダイオードチップを準備し、高温環境の下、先ず基板の接合表面を不活性雰囲気下におくステップと、
   ｂ 基板および発光ダイオードチップの接合を行う表面に一層のこれら或いは半田材料と合金化しやすい成分からなる金属間化合物層を形成するステップと、
   ｃ 半田材料を準備し、該半田材料を前記基板上に載置し、発光ダイオードチップを該半田材料の面上に載置するステップと、
   ｄ 高温炉の加熱処理によって、半田材料と金属間化合物とを合金化し、前記発光ダイオードチップと基板とを接続固定するステップと
   からなることを特徴とする放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
2. 前記基板は、高熱伝導材料から製造されることを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
3. 前記基板の材料は、銅を含むことを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
4. 前記基板の材料は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
5. 前記基板は、回路板であることを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
6. 前記ステップａにおける高温環境は、３００℃またはそれ以上の温度であることを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
7. 前記ステップａにおける不活性雰囲気は、基板の接合表面に窒素を吹き付けるステップを含むことを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
8. 前記金属間化合物層の材料は、金を含むことを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
9. 前記金属間化合物層の材料は、金錫合金であることを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
10. 前記金属間化合物層の材料は、銀を含むことを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
11. 前記半田材料は、合金であることを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
12. 前記半田材料は、金錫合金（ＡｕＳｎ）であることを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
13. 前記半田材料は、銀錫合金（ＡｇＳｎ）であることを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
14. 前記ステップはさらに、
    ｅ ワイヤボンディング工程を行い、ワイヤによって前記正負電極を電気的に接続するするステップ
    からなることを特徴とする請求項１記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
15. 前記正負電極のワイヤは、いずれも発光ダイオードチップの同一表面上に設けられることを特徴とする請求項１４記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
16. 前記電極の一電極は、ワイヤによって発光ダイオードチップの表面上に設けられることを特徴とする請求項１５記載の放熱効果の優れた発光ダイオードの製造方法。
    
    

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