JP2009004716A - Ｌｅｄ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤチップをハンダを用いて支持部材に接合するときに使用するフラックスの残留による出力低下や配光特性の乱れなどの問題を防止することのできる、ＬＥＤ装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】ＬＥＤチップをハンダを用いて支持部材に接合する工程にて、フラックスを使用して、接合後に該フラックスの一部が残留するように前記ＬＥＤチップを前記支持部材に接合することによって、良好な接合状態が得られ、前記接合する工程の後に、前記残留したフラックスを前記ハンダが溶融しない温度に加熱して気化させることにより除去することによって、フラックスの残留によるＬＥＤ装置の出力低下や配光特性の乱れなどの問題を防止することができる。

【選択図】図６

Description

本発明は、ＬＥＤチップを支持部材に固定してなるＬＥＤ装置の、製造方法に関する。

ＬＥＤ表示装置、ＬＥＤ照明装置、ＬＥＤディスプレイ装置等のＬＥＤ装置を製造するにあたり、ＬＥＤチップをハンダを用いて支持部材（配線基板など）に接合することができる（特許文献１）。
特開平１１−８４１４号公報

ＬＥＤチップをハンダを用いて支持部材に接合する場合、良好な接合状態が得られるように、フラックスを使用することが好ましい。しかしながら、本発明者等が検討したところ、このフラックスがＬＥＤ装置に残留すると、フラックスによる光の吸収、回折などによって、出力低下や配光特性の乱れなどといった問題が発生することが分かった。

そこで、本発明は、ＬＥＤチップをハンダを用いて支持部材に接合するときに使用するフラックスの残留による出力低下や配光特性の乱れなどの問題を防止することのできる、ＬＥＤ装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための好適な手段として、次の発明を開示する。
（１）ＬＥＤチップをハンダを用いて支持部材に接合する工程を有し、前記接合する工程では、フラックスを使用して、接合後に該フラックスの一部が残留するように、前記ＬＥＤチップを前記支持部材に接合するとともに、前記接合する工程の後に、前記残留したフラックスを前記ハンダが溶融しない温度に加熱して気化させることにより除去する工程を有することを特徴とする、ＬＥＤ装置の製造方法。
（２）前記除去する工程では、前記ハンダの溶融温度よりも２０℃以上低い温度に設定した熱処理炉内で前記残留したフラックスを気化させる、前記（１）に記載の製造方法。
（３）前記除去する工程では、不活性ガス流中で前記残留したフラックスを気化させる、前記（１）または（２）に記載の製造方法。
（４）前記除去する工程では、減圧下で前記残留したフラックスを気化させる、前記（１）〜（３）のいずれかに記載の製造方法。
（５）前記除去する工程では、前記残留したフラックスが光学顕微鏡で観察されなくなるまで除去する、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の製造方法。
（６）前記ＬＥＤチップが透光性の電流拡散電極とその上に部分的に形成された金属製のパッド電極とを有し、前記支持部材がＬＥＤチップ載置面を有し、前記接合する工程では、前記ＬＥＤチップの前記電流拡散電極およびパッド電極が形成された側の面を前記ＬＥＤチップ載置面に向けて前記ＬＥＤチップを前記支持部材に接合する、前記（１）〜（５）のいずれかに記載の製造方法。
（７）前記フラックスが前記ＬＥＤ装置の発光波長領域内の光を吸収する性質を有する、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の製造方法。

ＬＥＤチップをハンダを用いて支持部材に接合する工程にて、フラックスを使用して、接合後に該フラックスの一部が残留するように前記ＬＥＤチップを前記支持部材に接合することによって、良好な接合状態が得られ、前記接合する工程の後に、前記残留したフラックスを前記ハンダが溶融しない温度に加熱して気化させることにより除去することによって、フラックスの残留によるＬＥＤ装置の出力低下や配光特性の乱れなどの問題を防止することができる。

次に、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。

実施例
（ＬＥＤチップ）
図１に示す構造を有するＩｎＧａＮ系のＬＥＤチップ１０を準備した。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線の位置における断面図である。ＬＥＤチップ１０は、サファイア基板１１と、その上に形成された、積層構造を備えた窒化物半導体層１２と、この窒化物半導体層１２に接続された正電極１４および負電極１５とを有している。ＬＥＤチップ１０の平面形状は正方形であり、その１辺の長さは約３５０μｍである。

ＬＥＤチップ１０は、ＭＯＶＰＥ法を用いてサファイア基板１１上に窒化物半導体層１２を形成することにより製造されたものであり、窒化物半導体層１２は、サファイア基板１１に近い側から順に、ＡｌＧａＮバッファ層（図示せず）、不純物無添加のＧａＮ層１２ａ、Ｓｉ添加のｎ型ＧａＮコンタクト層１２ｂ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１２ｃ、Ｍｇ添加のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２ｄ、Ｍｇ添加のｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層１２ｅを含んでいる。ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層１２ｅの上面には、その略全面を覆うようにＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる透光性の電流拡散電極１３が形成されており、その上の一部に、金属製のパッド電極である正電極１４が形成されている。負電極１５は、ドライエッチングにより部分的に露出せしめられたｎ型ＧａＮコンタクト層１２ｂの表面に形成されている。正電極１４および負電極１５は、いずれも、Ｔｉ−Ｗ合金層と、その上に積層されたＡｕ層とからなる、２層構造を有している。

（サブマウント）
図２に示すサブマウント２０を準備した。図２（ａ）はサブマウントをＬＥＤチップ載置面側から見た平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線の位置における断面図である。サブマウント２０は、厚さ０．２ｍｍ、幅０．４ｍｍ、長さ０．６ｍｍのＡｌＮ基板２１と、正側リード電極２２と、負側リード電極２３とを有している。正側リード電極２２および負側リード電極２３は、いずれも、ＡｌＮ基板２１に接する側から表面側に向かってＴｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層をこの順に有する多層構造を備えている。正側リード電極２２上および負側リード電極２３上には、それぞれ、Ａｕを７０ｗｔ％の割合で含むＡｕ−Ｓｎ合金ハンダからなるハンダ層２４、２５が部分的に形成されている。

（支持部材の形成）
図２に示すサブマウント２０を、ＬＥＤチップ載置面側が上となるように、銀ペーストを用いてＴＯ−１８ステムに固定して、ＬＥＤチップ１０を固定するための支持部材とした。ただし、以下の説明で用いる図３〜図６の各図面ではＴＯ−１８ステムの図示を省略している。

（ＬＥＤチップの実装）
図１に示すＬＥＤチップ１０を、次に説明する手順にて、ＴＯ−１８ステムに固定されたサブマウント２０に接合した。

まず、ディスペンサを用いて、図３に断面図を示すように、フラックス３０をサブマウント２０のＬＥＤチップ載置面に塗布した。フラックスの塗布量は、サブマウント２０の正側リード電極２２上および負側リード電極２３上にそれぞれ形成されたハンダ層２４、２５の表面がフラックスで覆われるように調節した。使用したフラックスは、荒川化学工業（株）製ＷＨＰ−００２である。

次に、実体顕微鏡で観察しながら、ピンセットを用いて、図４に断面図を示すように、ＬＥＤチップ１０を、フラックス３０を塗布したサブマウント２０の上に静かに置いた。すなわち、フラックス３０を挟んで、サブマウントのハンダ層２４とＬＥＤチップの正電極１４とが、また、サブマウントのハンダ層２５とＬＥＤチップの負電極１５とが、それぞれ向き合うように、ＬＥＤチップ１０を置いた。

次に、サブマウント２０が固定されたＴＯ−１８ステムを２８０℃に加熱したヒータに１分間接触させることによって、フラックス３０の一部を気化させるとともに、ハンダ層２４、２５を溶融させて、図５に示す断面図のように、ＬＥＤチップ１０をサブマウント２０に接合した。固定後のＬＥＤチップ１０を基板１１側から実体顕微鏡で観察したところ、図５に示す断面図のように、ＬＥＤチップ１０とサブマウント２０との間にフラックス３０が残留していた。最後に、サブマウント２０の負側リード電極２３とＴＯ−１８ステムの一方の電極とをボンディングワイヤで接続して、ＬＥＤチップ１０の実装を完了した。

（出力の測定）
上記手順にてＴＯ−１８ステム上にサブマウント２０を介して実装したＬＥＤチップ１０について、まず、初期状態の出力を測定した。出力測定時にＬＥＤチップに流す電流は２０ｍＡとした。該出力測定後、このＬＥＤチップ１０を環境温度１００℃に設定した恒温槽中に保持し、その状態で順方向に８３ｍＡの電流を６４時間続けて流した後、再び恒温槽から取り出して、出力を測定した。ここで、８３ｍＡという電流値は、ＬＥＤチップのジャンクション温度が１９６℃となるように設定した値である。測定の結果、通電後の出力は初期状態の出力の１１０％〜１２５％であった。通電後のＬＥＤチップ１０をサファイア基板１１側から実体顕微鏡を用いて観察したところ、図６に示す断面図のように、ＬＥＤチップ１０とサブマウント２０との間のフラックスは消失していた。実装直後に残留していたフラックスは、熱によって気化し、除去されたものと考えられる。

参考例
参考例として、ＬＥＤチップをサブマウントに接合した後、ＴＯ−１８ステムごと有機溶剤に浸漬することにより、ＬＥＤチップとサブマウントとの間に残留したフラックスを溶解除去したこと以外は、実施例と同様にしてＬＥＤチップを実装し、初期状態および通電後の出力を測定した。その結果、初期状態のＬＥＤチップ同士の比較では、この参考例のＬＥＤチップの方が実施例のＬＥＤチップよりも出力は大きかった。これは、フラックスの溶解除去による出力の改善効果によるものと考えられる。一方、この参考例における、初期状態のＬＥＤチップの出力と、環境温度１００℃で８３ｍＡの順方向電流を６４時間続けて流した後のＬＥＤチップの出力とを比較すると、通電後の出力は初期状態の出力の９０％〜９５％であった。これは、実施例では通電中にフラックスが消失したために、初期状態の出力よりも通電後の出力の方が高くなったのに対して、この参考例では通電中のフラックス消失による出力の上昇がなく、その代わりに、ＬＥＤチップの劣化などによる出力の低下が観測されたものと考えられる。

比較例
比較例として、ハンダ層を溶融させてＬＥＤチップをサブマウントに固定する工程において、実体顕微鏡で観察したときにＬＥＤチップとサブマウントとの間にフラックスの残留が見られなくなるまで、ＴＯ−１８ステムのヒータへの接触時間を長くしたこと以外は、実施例と同様にしてＬＥＤチップを実装し、初期状態および通電後の出力を測定した。その結果、初期状態および通電後のいずれについても、この比較例の方が実施例よりもＬＥＤチップの出力は低かった。その原因は、ＬＥＤチップをサブマウントに固定する工程において、ＬＥＤチップの半導体からなる部分が長時間高温に曝されることにより劣化したか、あるいは、ＬＥＤチップの電極が溶融したハンダと長時間接触したことにより劣化したためではないかと考えられる。

以上、実施例を用いて本発明を説明したが、本発明が上記実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。

上記実施例では、フラックスを気化させて除去するにあたり、外部の熱源を用いて加熱するだけでなく、ＬＥＤチップに通電して発熱させているが、必須ではない。すなわち、ＬＥＤチップに通電することなく、ヒータを用いて外部から加熱することのみによって、フラックスを気化させて除去してもよい。フラックスを気化させる際のフラックスの温度Ｔ（℃）は、ＬＥＤチップの支持部材への接合に用いるハンダの溶融温度ｔ（℃）よりも低ければよいが、好ましくはＴ≦ｔ−２０であり、より好ましくはＴ≦ｔ−４０であり、さらに好ましくはＴ≦ｔ−６０である。熱処理炉を用いてフラックスを除去する場合であれば、炉内温度を上記好ましい温度範囲に設定すればよい。窒化ガリウム系半導体を用いたＬＥＤチップの場合、Ｔは２００℃以下とすることが好ましい。

フラックスを効率よく除去するには、気流中でフラックスを気化させたり、減圧下でフラックスを気化させることが好ましい。それによって、気化したフラックスが再びＬＥＤチップなどの表面に付着し難くなる。特に、減圧下ではフラックスが気化し易くなるので、Ｔを低くすることができ、それによって、フラックス除去工程でＬＥＤチップが熱ダメージを受けるのを防止できる。最も好ましくは、減圧条件を用いるとともに、所望しない酸化反応を防止するために、不活性ガス流中でフラックスを気化させる。不活性ガスとしては、窒素ガスの他、アルゴンなどの希ガスが挙げられる。フラックスを気化させて除去する工程は、独立した熱処理工程であってもよいし、他の工程の一部であってもよい。

上記実施例では、ＬＥＤチップとして、水平電極構造（チップの片方の面に正負両方の電極が形成された構造）のものを用いたが、限定されるものではなく、垂直電極構造（チップの一方の面に正電極、他方の面に負電極が形成された構造）のＬＥＤチップを用いる場合にも、本発明の製造方法の効果を得ることができる。本発明の製造方法に用いるＬＥＤチップは、透光性の電流拡散電極を有するものに限定されるものではないが、このようなＬＥＤチップをフリップチップ実装したＬＥＤ装置では、残留したフラックスが出力や配光特性に与える影響が特に大きいことから、本発明の効果が顕著に現れる。更に、支持部材のＬＥＤチップ載置面に、銀、アルミニウム、白金、ニッケルなどからなる高反射金属膜（電極を兼用する場合がある）が設けられる場合には、本発明の効果がより顕著に現れることになる。

本発明の製造方法を用いて製造されるＬＥＤ装置において、ＬＥＤチップを実装する支持部材はステムに限定されるものではなく、リードフレーム、配線基板、セラミック基板、金属基板、スラグなどであってもよい。上記実施例では支持部材がサブマウントを含んでいるが、限定されるものではなく、ＬＥＤチップを、上記例示したものを含む各種の支持部材上にサブマウントを介さずに固定する場合にも、本発明の製造方法を好ましく適用することができる。

本発明の製造方法を用いて製造されるＬＥＤ装置は、砲弾型パッケージ、ＳＭＤ型パッケージ、チップ・オン・ボード型ユニットなどであり得る。本発明の製造方法を用いてＬＥＤ装置を製造する場合、フラックスを気化させて除去した後に、ＬＥＤチップを樹脂、ガラス等からなるコーティングで被覆することもできる。このコーティング中には、ＬＥＤチップから放出される光を散乱または乱反射させる粒子状物を分散させたり、ＬＥＤチップから放出される光で励起されて、この光とは異なる波長のルミネッセンス光を放出する波長変換物質を分散させることができる。また、このコーティングはレンズ状に成型することができる。フラックスの除去により生じる支持部材とＬＥＤチップとの間の隙間には、アンダーフィルを充填してもよい。

本発明の製造方法に用いるハンダに特に限定はなく、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ａｕ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｐｂ−Ｐｄ系、Ａｕ−Ｇａ系、Ａｕ−Ｇｅ系、Ａｕ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｕ−Ｉｎ系、Ａｇ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｐｄ系、Ａｌ−Ｉｎ系、Ｃｕ−Ｇｅ系、Ａｇ−Ｇｅ系、Ｃｕ−Ｉｎ系、Ａｕ−Ｚｎ系などの各種合金を用いた公知のハンダを任意に用いることができる。

本発明の製造方法に用いるフラックスに限定はないが、特に、製造しようとするＬＥＤ装置の発光波長領域内の光を吸収する性質を有するフラックスを用いた場合に、本発明の製造方法の効果が顕著に現れる。

本発明に係るＬＥＤ装置の製造方法に用いることのできるＬＥＤチップの構造を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線の位置における断面図である。 本発明に係るＬＥＤ装置の製造方法に用いることのできるサブマウントの構造を示す図であり、図２（ａ）はＬＥＤチップ載置面側から見た平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線の位置における断面図である。 本発明に係るＬＥＤ装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明に係るＬＥＤ装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明に係るＬＥＤ装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明に係るＬＥＤ装置の製造方法を説明するための断面図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤチップ
１１ サファイア基板
１２ 窒化物半導体層
１３ 電流拡散電極
１４ 正電極
１５ 負電極
２０ サブマウント
２１ ＡｌＮ基板
２２ 正側リード電極
２３ 負側リード電極
２４、２５ ハンダ層
３０ フラックス

Claims (7)

1. ＬＥＤチップをハンダを用いて支持部材に接合する工程を有し、
   前記接合する工程では、フラックスを使用して、接合後に該フラックスの一部が残留するように、前記ＬＥＤチップを前記支持部材に接合するとともに、前記接合する工程の後に、前記残留したフラックスを前記ハンダが溶融しない温度に加熱して気化させることにより除去する工程を有することを特徴とする、ＬＥＤ装置の製造方法。
2. 前記除去する工程では、前記ハンダの溶融温度よりも２０℃以上低い温度に設定した熱処理炉内で前記残留したフラックスを気化させる、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記除去する工程では、不活性ガス流中で前記残留したフラックスを気化させる、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記除去する工程では、減圧下で前記残留したフラックスを気化させる、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
5. 前記除去する工程では、前記残留したフラックスが光学顕微鏡で観察されなくなるまで除去する、請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
6. 前記ＬＥＤチップが透光性の電流拡散電極とその上に部分的に形成された金属製のパッド電極とを有し、前記支持部材がＬＥＤチップ載置面を有し、前記接合する工程では、前記ＬＥＤチップの前記電流拡散電極およびパッド電極が形成された側の面を前記ＬＥＤチップ載置面に向けて前記ＬＥＤチップを前記支持部材に接合する、請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
7. 前記フラックスが前記ＬＥＤ装置の発光波長領域内の光を吸収する性質を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。

Images