JP2009267069A - チップの実装方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】フラックスを用いる必要がなく且つチップの耐熱温度以下の加熱によりチップと被搭載部材との接合強度を高めることが可能なチップの実装方法を提供する。
【解決手段】ＬＥＤチップ１の実装面側にＡｕ層からなる下地層１１、ＡｕＳｎ層からなるはんだ層１２ａを順次形成してベース基板２０のダイパッド部２５ａａに形成された導体パターン２０１と対向させてから、ＬＥＤチップ１側から加熱してはんだ層１２ｂを形成し、続いて、ＬＥＤチップ１の加熱状態を維持したままＬＥＤチップ１のはんだ層１２ｂとベース基板２０の導体パターン２０１とを接触させて適宜荷重を印加することでＬＥＤチップ１とベース基板２０とがはんだ層１２ｃを介して接合される。はんだ層１２ａを形成するはんだ層形成工程では、はんだ層１２ａとして、共晶温度の組成比とは異なり且つＬＥＤチップ１の耐熱温度以下で溶融する組成比のＡｕＳｎ層を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、チップの実装方法に関するものである。
従来から、ＬＥＤチップとＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップとは異なる発光色の光を放射する波長変換材料としての蛍光材料とを組み合わせてＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの混色光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている。なお、この種の発光装置としては、例えば、青色光あるいは紫外光を放射するＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせて白色の光（白色光の発光スペクトル）を得ることができるものが知られている。
また、この種の発光装置の応用例として、白色光が得られる発光装置を複数個用いた照明器具なども提供されている。しかしながら、この種の照明器具では、複数個の発光装置を回路基板に実装して器具本体に収納する必要があるので、ＬＥＤチップの発光部から器具本体までの熱抵抗が大きくなり、ＬＥＤチップのジャンクション温度が最大ジャンクション温度を超えないようにＬＥＤチップへの入力電力を制限する必要があるから、光出力の高出力化が制限されてしまう。
ここにおいて、ＬＥＤチップを利用した発光装置において、光出力の高出力化を図るには、ＬＥＤチップを熱伝導率の高い被搭載部材に搭載して放熱性を高める必要があり、この種の被搭載部材としては、例えば、伝熱板に固着されＬＥＤチップと伝熱板との線膨張率差に起因してＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材や、セラミック基板などがある。
ところで、被搭載部材へのＬＥＤチップなどのチップの実装方法として、実装面側（裏面側）に組成比が８０ｗｔ％Ａｕ、２０ｗｔ％ＳｎのＡｕＳｎ層からなるはんだ層を設けたチップと表面側の部位がＡｕにより形成された導体パターンを設けた被搭載部材とを共晶接合させる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、上記特許文献１に開示されたチップの実装方法では、チップのＡｕＳｎ層および被搭載部材それぞれをフラックスで濡らした後でリフロー装置を利用してチップを被搭載部材に実装しているが、その他に、ダイボンド装置を利用して、チップを吸着するチップ吸着ツールによりチップの表面側からチップを共晶温度以上の温度に加熱した状態でチップを被搭載部材の導体パターンに近づけて共晶接合させる技術が知られている。
特開２００７−１４９９７６号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示されたチップの実装方法では、フラックスを用いる必要があるので、被搭載部材上に残渣が残ってしまう恐れがある。
一方、上述のダイボンド装置を用いたチップの実装方法では、図１０（ａ）に示すようにチップたるＬＥＤチップ１の裏面と組成比が７０ａｔ％Ａｕ、３０ａｔ％ＳｎのＡｕＳｎ層からなるはんだ層１２ａ’との間に密着性改善などのためにＡｕ層からなる下地層１１が形成されている場合、ＬＥＤチップ１をチップ吸着ツール（コレット）１００により吸着してＬＥＤチップ１の表面側からヒータ（図示せず）により加熱して下地層１１とはんだ層１２ａとを溶融させた状態でＬＥＤチップ１とステージ１１０上の被搭載部材２００とを近づけてＬＥＤチップ１と被搭載部材２００とを接合させると、ＬＥＤチップ１側の下地層１１とはんだ層１２ａ’との反応が優先的に起こるので、よりＡｕリッチのはんだ層１２ｃ’（例えば、組成比が９０ａｔ％Ａｕ、１０ａｔ％ＳｎのＡｕＳｎ層）が形成され、図１０（ｂ）に示すようにＬＥＤチップ１側のはんだ層１２ｃ’と被搭載部材２００においてＬＥＤチップ１を搭載する部位においてＡｕにより形成された導体パターン２０１との反応が阻害されチップ１と被搭載部材２００との接合強度が低いという問題があった。なお、ＬＥＤチップ１としてＧａＮ系の青色ＬＥＤチップを用いた場合、ＬＥＤチップ１の耐熱温度は４００℃程度であるが、ＬＥＤチップ１側のはんだ層１２ａ’と下地層１１とが反応して共晶組成よりもＡｕリッチの状態に組成比が変化すると、組成比が変化したはんだ層１２ｃ’を溶融させるための温度が高くなるので、ＬＥＤチップ１に熱ダメージを与えてしまう恐れがあった。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、フラックスを用いる必要がなく且つチップの耐熱温度以下の加熱によりチップと被搭載部材との接合強度を高めることが可能なチップの実装方法を提供することにある。
請求項１の発明は、実装面側にＡｕＳｕ層からなるはんだ層を設けたチップと当該チップを搭載する部位にＡｕにより形成された導体パターンを設けた被搭載部材とを接合させるチップの実装方法であって、チップの実装面側にＡｕ層からなる下地層を形成する下地層形成工程と、下地層形成工程の後で下地層上にＡｕＳｎ層からなるはんだ層を形成するはんだ層形成工程と、はんだ層形成工程の後でチップ側から加熱してチップと被搭載部材とを接合させる接合工程とを備え、はんだ層形成工程では、はんだ層として、共晶組成よりもＡｕの組成比が小さく且つチップの耐熱温度以下で溶融する組成比のＡｕＳｎ層を形成することを特徴とする。
この発明によれば、チップの実装面側にＡｕ層からなる下地層を形成した後、下地層上にＡｕＳｎ層からなるはんだ層を形成し、その後、チップ側から加熱してチップと被搭載部材とを接合させるようにしているので、フラックスが不要であり、しかも、はんだ層を形成するはんだ層形成工程では、はんだ層として、共晶組成よりもＡｕの組成が小さく且つチップの耐熱温度以下で溶融する組成比のＡｕＳｎ層を形成するので、チップの耐熱温度以下の加熱によりチップと被搭載部材との接合強度を高めることができる。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、接合工程では、チップ側からの加熱により下地層とはんだ層とを溶融させた状態でチップと被搭載部材とを近づけて接合させるようにし、はんだ層形成工程では、接合工程において下地層とはんだ層とを溶融させた状態においてチップの耐熱温度以下で溶融する組成比のＡｕＳｎ層が形成されるように当該はんだ層形成工程において形成するＡｕＳｎ層の組成比を設定することを特徴とする。
この発明によれば、はんだ層と下地層とを先に溶融させてもチップの耐熱温度以下の加熱によりチップと被搭載部材との接合強度を高めることができる。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、接合工程では、チップの実装面側のはんだ層と被搭載部材の導体パターンとを接触させた状態でチップ側から加熱してチップと被搭載部材とを接合させることを特徴とする。
この発明によれば、接合工程を窒素雰囲気中や真空雰囲気中で行わなくてもチップの実装面側のはんだ層の酸化を防止することができる。
請求項１の発明では、フラックスを用いる必要がなく且つチップの耐熱温度以下の加熱によりチップと被搭載部材との接合強度を高めることが可能になるという効果がある。
（実施形態１）
以下では、本実施形態の実装方法を適用して製造するデバイスの一例であってチップ１としてＬＥＤチップを備えた発光装置について図４〜図８に基づいて説明し、その後、本実施形態のチップ１の実装方法について図１〜３に基づいて説明する。
発光装置は、ＬＥＤチップ１と、ＬＥＤチップ１を収納する収納凹所２ａが一表面に形成され収納凹所２ａの内底面にＬＥＤチップ１が実装された実装基板２と、実装基板２の上記一表面側において収納凹所２ａを閉塞する形で実装基板２に固着された透光性部材３と、実装基板２に設けられＬＥＤチップ１から放射された光を検出する光検出素子４と、実装基板２に設けられ光検出素子４の温度を検出する温度検出素子５と、実装基板２の収納凹所２ａに充填された透光性材料（例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなど）からなりＬＥＤチップ１および当該ＬＥＤチップ１に電気的に接続されたボンディングワイヤ１４を封止した封止部６と備えている。ここで、実装基板２は、上記一表面側において収納凹所２ａの周部から内方へ突出した庇状の突出部２ｃを有しており、当該突出部２ｃに光検出素子４が設けられている。なお、この発光装置は、実装基板２と透光性部材３とで、ＬＥＤチップ１が収納されたパッケージ１０を構成しているが、透光性部材３は、必ずしも設けなくてもよく、必要に応じて適宜設ければよい。
実装基板２は、ＬＥＤチップ１が一表面側に実装される矩形板状のベース基板２０と、ベース基板２０の上記一表面側に対向配置され円形状の光取出窓４１が形成されるとともに光検出素子４および温度検出素子５が形成された素子形成基板４０と、ベース基板２０と素子形成基板４０との間に介在し光取出窓４１に連通する矩形状の開口窓３１が形成された中間層基板３０とで構成されており、ベース基板２０と中間層基板３０と素子形成基板４０とで囲まれた空間が上記収納凹所２ａを構成している。ここにおいて、ベース基板２０、中間層基板３０および素子形成基板４０の外周形状は矩形状であり、中間層基板３０および素子形成基板４０はベース基板２０と同じ外形寸法に形成されている。また、素子形成基板４０の厚み寸法はベース基板２０および中間層基板３０の厚み寸法に比べて小さく設定されている。なお、上述の発光装置は、素子形成基板４０において中間層基板３０の開口窓３１上に張り出した部位が、上述の突出部２ｃを構成している。
上述のベース基板２０、中間層基板３０、素子形成基板４０は、それぞれ、導電形がｎ形で主表面が（１００）面のシリコン基板２０ａ，３０ａ，４０ａを用いて形成してあり、中間層基板３０の開口窓３１の内側面が、アルカリ系溶液（例えば、ＴＭＡＨ溶液、ＫＯＨ溶液など）を用いた異方性エッチングにより形成された（１１１）面により構成されており（つまり、中間層基板３０は、開口窓３１の開口面積がベース基板２０から離れるにつれて徐々に大きくなっており）、ＬＥＤチップ１から放射された光を前方へ反射するミラー２ｄを構成している。要するに、上述の発光装置では、中間層基板３０がＬＥＤチップ１から側方へ放射された光を前方へ反射させる枠状のリフレクタを兼ねている。
ベース基板２０は、図４〜図６に示すように、シリコン基板２０ａの一表面側（図４における上面側）の中央部に、ＬＥＤチップ１がダイボンディングされた矩形状のダイパッド部２５ａａおよびＬＥＤチップ１の両電極（図示せず）それぞれと電気的に接続される２つの矩形状の導体パターン２５ａ，２５ａが形成されている。また、ベース基板２０は、シリコン基板２０ａの上記一表面側の４つの角部のうちの２箇所に、中間層基板３０に形成された貫通孔配線３４ｂ，３４ｂを介して光検出素子４と電気的に接続される導体パターン２５ｂ，２５ｂが形成され、他の２箇所に、中間層基板３０に形成された貫通孔配線３４ｃ，３４ｃを介して温度検出素子５と電気的に接続される導体パターン２５ｃ，２５ｃが形成されており、各導体パターン２５ａ，２５ａ，２５ｂ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｃとシリコン基板２０ａの他表面側（図４における下面側）に形成された６つの外部接続用電極２７ａ，２７ａ，２７ｂ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｃとがそれぞれ貫通孔配線２４を介して電気的に接続されている。また、ベース基板２０は、シリコン基板２０ａの上記一表面側に、中間層基板３０と接合するための４つの接合用金属層２９がシリコン基板２０ａの外周縁の各辺に沿って形成されている。
ＬＥＤチップ１は、厚み方向の一表面側に上記両電極が形成された青色ＬＥＤチップであるが、青色ＬＥＤチップに限らず、例えば、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、黄色ＬＥＤチップ、紫色ＬＥＤチップ、紫外ＬＥＤチップなどを用いてもよい。ここにおいて、ＬＥＤチップ１は、ダイパッド部２５ａａにダイボンディングされており、各電極がそれぞれボンディングワイヤ１４，１４を介して導体パターン２５ａ，２５ａと電気的に接続されている。
また、ベース基板２０は、シリコン基板（以下、第１のシリコン基板と称する）２０ａの上記他表面側の中央部に、第１のシリコン基板２０ａよりも熱伝導率の高い金属材料からなる矩形状の放熱用パッド部２８が形成され、ダイパッド部２５ａａと放熱用パッド部２８とが第１のシリコン基板２０ａよりも熱伝導率の高い金属材料（例えば、Ｃｕなど）からなる複数（本実施形態では、９つ）の円柱状のサーマルビア２６を介して熱的に結合されており、ＬＥＤチップ１で発生した熱が各サーマルビア２６および放熱用パッド部２８を介して放熱されるようになっている。
ところで、ベース基板２０は、第１のシリコン基板２０ａに、上述の６つの貫通孔配線２４それぞれが内側に形成される４つの貫通孔２２ａと、上述の９つのサーマルビア２６それぞれが内側に形成される９つの貫通孔２２ｂとが厚み方向に貫設され、第１のシリコン基板２０ａの上記一表面と上記他表面と各貫通孔２２ａ，２２ｂの内面とに跨って熱酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜（以下、第１の絶縁膜と称する）２３が形成されており、各導体パターン２５ａ，２５ａ，２５ｂ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｃ、各接合用金属層２９、各外部接続用電極２７ａ，２７ａ，２７ｂ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｃ、放熱用パッド部２８、各貫通孔配線２４および各サーマルビア２６が第１のシリコン基板２０ａと電気的に絶縁されている。
ここにおいて、各導体パターン２５ａ，２５ａ，２５ｂ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｃ、各接合用金属層２９、各外部接続用電極２７ａ，２７ａ，２７ｂ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｃ、放熱用パッド部２８は、第１の絶縁膜２３上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。ここで、ベース基板２０は、第１のシリコン基板２０ａの上記一表面側の各導体パターン２５ａ，２５ａ，２５ｂ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｃと各接合用金属層２９とを同時に形成し、第１のシリコン基板２０ａの上記他表面側の各外部接続用電極２７ａ，２７ａ，２７ｂ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｃと放熱用パッド部２８とを同時に形成してある。なお、ベース基板２０は、第１の絶縁膜２３上のＴｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ｔｉ膜上のＡｕ膜の膜厚を２００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。また、各Ａｕ膜と第１の絶縁膜２３との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。また、貫通孔配線２４およびサーマルビア２６の材料としては、Ｃｕを採用しているが、Ｃｕに限らず、例えば、Ｎｉ、Ａｌなどを採用してもよい。
また、ダイパッド部２５ａａは、第１の絶縁膜２３上に形成されたＴｉ膜により形成されており、ＡｕＳｎ層からなるはんだ層１２ｃを介してＬＥＤチップ１と接合されている。ここにおいて、ＬＥＤチップ１とダイパッド部２５ａａとを接合しているはんだ層１２ｃを構成しているＡｕＳｎ層の組成は、９０ａｔ％Ａｕ、１０ａｔ％Ｓｎとなっている。
中間層基板３０は、図４、図５および図７に示すように、シリコン基板（以下、第２のシリコン基板と称する）３０ａの一表面側（図４における下面側）に、ベース基板２０の４つの導体パターン２７ｂ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｃと接合されて電気的に接続される４つの導体パターン３５ｂ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｃが形成されるとともに、ベース基板２０の４つの接合用金属層２９と接合される４つの接合用金属層３６が形成されている。また、中間層基板３０は、第２のシリコン基板３０ａの他表面側（図４における上面側）に、貫通孔配線３４ｂ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｃを介して導体パターン３５ｂ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｃと電気的に接続される導体パターン３７ｂ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｃが形成されるとともに、素子形成基板４０と接合するための接合用金属層３８が形成されている。
また、中間層基板３０は、上述の貫通孔配線３４ｂ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｃそれぞれが内側に形成される４つの貫通孔３２が第２のシリコン基板３０ａの厚み方向に貫設され、第２のシリコン基板３０ａの上記一表面と上記他表面と各貫通孔３２の内面とに跨って熱酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜（以下、第２の絶縁膜と称する）３３が形成されており、各導体パターン３５ｂ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｃ，３７ｂ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｃおよび各接合用金属層３６，３８が第２のシリコン基板３０ａと電気的に絶縁されている。各導体パターン３５ｂ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｃ，３７ｂ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｃおよび各接合用金属層３６，３８は、第２の絶縁膜３３上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。
ここにおいて、中間層基板３０は、第２のシリコン基板３０ａの上記一表面側の各導体パターン３５ｂ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｃと各接合用金属層３６とを同時に形成し、第２のシリコン基板３０ａの上記他表面側の各導体パターン３７ｂ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｃと各接合用金属層３８とを同時に形成してある。なお、中間層基板３０は、第２の絶縁膜３３上のＴｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ｔｉ膜上のＡｕ膜の膜厚を２００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。ここで、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。また、各Ａｕ膜と第２の絶縁膜３３との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。また、貫通孔配線３４ｂ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｃの材料としては、Ｃｕを採用しているが、Ｃｕに限らず、例えば、Ｎｉ、Ａｌなどを採用してもよい。
素子形成基板４０は、図４、図５および図８に示すように、シリコン基板（以下、第３のシリコン基板と称する）４０ａの一表面側（図４における下面側）に、中間層基板３０の４つの導体パターン３７ｂ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｃと接合されて電気的に接続される４つの導体パターン４７ｂ１，４７ｂ２，４７ｃ１，４７ｃ２が形成されるとともに、中間層基板３０の各接合用金属層３８と接合される４つの接合用金属層４８が形成されている。
ここにおいて、光検出素子４は、フォトダイオードにより構成されており、当該フォトダイオードのｐ形領域４ｂ１が導体パターン４７ｂ１と電気的に接続され、ｎ形領域４ｂ２（シリコン基板４０ａ）が導体パターン４７ｂ２と電気的に接続されている。また、温度検出素子５は、上記フォトダイオードと同じダイオード構造を有し且つ当該ダイオード構造への光入射を阻止する遮光構造を有するダイオードにより構成されており、ｐ形領域５ｃ１が導体パターン４７ｃ１と電気的に接続され、ｎ形領域５ｃ２（シリコン基板４０ａ）が導体パターン４７ｃ２と電気的に接続されている。ここで、光検出素子４と温度検出素子５とは、ｐ形領域４ｂ１，５ｃ１が同時に且つ同じサイズに形成され、不純物濃度が同じとなっており、絶縁分離部（図示せず）によって電気的に絶縁されている。また、温度検出素子５は、上記遮光構造として、第３のシリコン基板４０ａの上記一表面側に形成されＬＥＤチップ１からの光入射を阻止する第１の金属膜（例えば、Ａｌ膜など）からなる第１の遮光膜４５と、第３のシリコン基板４０ａの上記他表面側に形成され外部からの光入射を阻止する第２の金属膜（例えば、Ａｌ膜など）からなる第２の遮光膜４６とを備えている。なお、第１の遮光膜４５は、第３のシリコン基板４０ａの上記一表面側において当該第１の遮光膜４５の直下に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜（以下、第３の絶縁膜と称する）４４により導体パターン４７ｃ１と電気的に絶縁され、第２の遮光膜４６は、第３のシリコン基板４０ａの上記他表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜（以下、第４の絶縁膜と称する）４９により第３のシリコン基板４０ａと電気的に絶縁されている。
また、素子形成基板４０は、第３のシリコン基板４０ａの上記一表面側にシリコン酸化膜からなる（以下、第５の絶縁膜と称する）絶縁膜４３が形成されており、当該第５の絶縁膜４３が上記フォトダイオードの反射防止膜を兼ねている。また、素子形成基板４０の光検出素子４は、上述の導体パターン４７ｂ１，４７ｂ２が、第５の絶縁膜４３に形成したコンタクトホールを通してｐ形領域４ｂ１、ｎ形領域４ｂ２と電気的に接続され、温度検出素子５は、上述の導体パターン４７ｃ１，４７ｃ２が、第５の絶縁膜４３に形成したコンタクトホールを通してｐ形領域５ｃ１、ｎ形領域５ｃ２と電気的に接続されている。ここにおいて、各導体パターン４７ｂ１，４７ｂ２，４７ｃ１，４７ｃ２および各接合用金属層４８は、第５の絶縁膜４３上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されており、同時に形成してある。なお、素子形成基板４０は、第５の絶縁膜４３上のＴｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ｔｉ膜上のＡｕ膜の膜厚を２００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。ここで、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。また、各Ａｕ膜と第５の絶縁膜４３との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。
上述の実装基板２の形成にあたっては、例えば、光検出素子４、温度検出素子５、第５の絶縁膜４３、各導体パターン４７ｂ１，４７ｂ２，４７ｃ１，４７ｃ２、および各接合用金属層４８が形成された第３のシリコン基板４０ａと中間層基板３０とを接合する第１の接合工程を行った後、第３のシリコン基板４０ａを所望の厚みまで研磨する研磨工程を行い、その後、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置などを用いて第３のシリコン基板４０ａに光取出窓４１を形成する光取出窓形成工程を行うことで素子形成基板４０を完成させてから、ＬＥＤチップ１が実装されたベース基板２０（ここでは、ＬＥＤチップ１がダイパッド部２５ａａに搭載されボンディングワイヤ１４の結線が行われたベース基板２０）と中間層基板３０とを接合する第２の接合工程を行うようにすればよい。ここで、第１の接合工程および第２の接合工程では、接合前に互いの接合表面へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合表面の清浄化・活性化を行ってから、接合表面同士を接触させ、常温下で直接接合する常温接合法を採用している。
上述の第１の接合工程では、第３のシリコン基板４０ａの上記一表面側の各接合用金属層４８と中間層基板３０の各接合用金属層３８とが接合されるとともに、第３のシリコン基板４０ａの上記一表面側の導体パターン４７ｂ１，４７ｂ２，４７ｃ１，４７ｃ２と中間層基板３０の導体パターン３７ｂ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｃとが接合され電気的に接続される。ここで、導体パターン４７ｂ１，４７ｂ２，４７ｃ１，４７ｃ２と導体パターン３７ｂ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｃとの接合部位は、貫通孔配線３４ｂ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｃに重なる領域からずらしてあるので、導体パターン４７ｂ１，４７ｂ２，４７ｃ１，４７ｃ２と導体パターン３７ｂ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｃとの互いの接合表面の平坦度を高めることができ、特に常温接合法により接合する場合の接合歩留まりを高めることができるとともに接合信頼性を高めることができる。また、第２の接合工程では、ベース基板２０の各接合用金属層２９と中間層基板３０の各接合用金属層３６とが接合されるとともに、ベース基板２０の４つの角部の導体パターン２５ｂ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｃと中間層基板３０の導体パターン３５ｂ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｃとが接合され電気的に接続される。ここで、導体パターン２５ｂ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｃと導体パターン３５ｂ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｃとの接合部位は、貫通孔配線２４に重なる領域および貫通孔配線３４ｂ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｃに重なる領域からずらしてあるので、導体パターン２５ｂ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｃと導体パターン３５ｂ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｃとの互いの接合表面の平坦度を高めることができ、常温接合法により接合する場合の接合歩留まりを高めることができるとともに接合信頼性を高めることができる。また、上述のように第１の接合工程および第２の接合工程で採用している常温接合法では、各接合表面の清浄化・活性化を行ってから、常温下で適宜の荷重を印加しいているが、常温下に限らず、例えば、第１の接合工程では光検出素子４および温度検出素子５へ熱ダメージが生じない温度、第２の接合工程ではＬＥＤチップ１へ熱ダメージが生じない温度であれば、加熱条件下（例えば、８０℃〜１００℃程度に加熱した条件下）において適宜の荷重を印加するようにしてもよく、加熱条件下において適宜の荷重を印加して接合することで接合信頼性をより一層高めることが可能となる。
また、上述の透光性部材３は、透光性材料（例えば、ガラス、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなど）からなる透光性基板を用いて形成してある。ここで、透光性部材３は、実装基板２と同じ外周形状の矩形板状に形成されており、実装基板２側とは反対の光取り出し面に、ＬＥＤチップ１から放射された光の全反射を抑制する微細凹凸構造が形成されている。ここにおいて、透光性部材３の光取り出し面に形成する微細凹凸構造は、多数の微細な凹部が２次元周期構造を有するように形成されている。なお、上述の微細凹凸構造は、例えば、レーザ加工技術やエッチング技術やインプリントリソグラフィ技術などを利用して形成すればよい。また、微細凹凸構造の周期は、ＬＥＤチップ１の発光ピーク波長の１／４〜１００倍程度の範囲で適宜設定すればよい。
以上説明した発光装置では、ＬＥＤチップ１が収納されたパッケージ１０に、ＬＥＤチップ１から放射される光を検出する光検出素子４と、光検出素子４の温度を検出する温度検出素子５とが設けられ、光検出素子４が、上記フォトダイオードにより構成され、温度検出素子５が、上記フォトダイオードと同じダイオード構造を有し且つ当該ダイオード構造への光入射を阻止する遮光構造を有するダイオードにより構成されているので、光検出素子４の出力から温度検出素子５の出力を減算することにより、光検出素子４の出力信号から当該光検出素子４の温度に起因したノイズを除去することができ、Ｓ／Ｎ比が高くなるから、光検出素子４の検出精度を高めることが可能となる。
上述の発光装置の製造にあたっては、上述の各シリコン基板２０ａ，３０ａ，４０ａとして、それぞれベース基板２０、中間層基板３０、素子形成基板４０を多数形成可能なシリコンウェハを用いるとともに、上述の透光性基板として透光性部材３を多数形成可能なウェハ状のもの（透光性ウェハ）を用い、上述の第１の接合工程、研磨工程、光取出窓形成工程、第２の接合工程、実装基板２の収納凹所２ａに封止用の透光性材料を充填して封止部６を形成する封止部形成工程、封止部形成工程の後で実装基板２と透光性部材３とを接合する第３の接合工程などの各工程をウェハレベルで行うことでウェハレベルパッケージ構造体を形成してから、ダイシング工程により実装基板２のサイズに分割されている。したがって、ベース基板２０と中間層基板３０と素子形成基板４０と透光性部材３とが同じ外形サイズとなり、小型のパッケージ１０を実現できるとともに、製造が容易になる。また、中間層基板３０におけるミラー２ｄと素子形成基板４０における光検出素子４との相対的な位置精度を高めることができ、ＬＥＤチップ１から側方へ放射された光がミラー２ｄにより反射されて光検出素子４へ導かれる。
以下、本実施形態のチップの実装方法について図１〜図３を参照しながら説明する。
本実施形態のチップの実装方法は、実装面側（図１における下面側）にＡｕＳｕ層からなるはんだ層１２ａを設けたＬＥＤチップ１と当該ＬＥＤチップ１を搭載する部位であるダイパッド部２５ａａにＡｕにより形成された導体パターン２０１（図１（ａ）、図６（ａ）参照）を設けた被搭載部材たるベース基板２０とを接合させるＬＥＤチップ１の実装方法であって、ＬＥＤチップ１の実装面側にＡｕ層からなる下地層１１を形成する下地層形成工程を行い、その後、下地層１１上にＡｕＳｎ層からなるはんだ層１２ａを形成するはんだ層形成工程を行い、はんだ層形成工程の後で、ＬＥＤチップ１をダイボンド装置のチップ吸着ツール（コレット）１００により吸着してＬＥＤチップ１の実装面側のはんだ層１２ａと上記ダイボンド装置のステージ１１０の上面側に配置されたベース基板２０の導体パターン２０１とを対向させる（図１（ａ）参照）。ここにおいて、下地層形成工程では、スパッタ法により下地層１１を形成しているが、下地層１１の成膜方法はスパッタ法に限らず、例えば、蒸着法などを採用してもよい。また、はんだ層形成工程では、スパッタ法によりはんだ層１２ａを形成しているが、はんだ層１２ａの成膜方法はスパッタ法に限らず蒸着法などを採用してもよい。ここにおいて、はんだ層形成工程では、はんだ層１２ａとして、共晶組成（７０ａｔ％Ａｕ、３０ａｔ％Ｓｎ）よりもＡｕの組成比が小さく且つＬＥＤチップ１の耐熱温度（例えば、４００℃）以下で溶融する組成比（例えば、６０ａｔ％Ａｕ、４０ａｔ％Ｓｎ）のＡｕＳｎ層を形成するようにしている。なお、チップ吸着ツール１００には、吸着孔１０１ｂが貫設されている。
上述の図１（ａ）のようにチップ吸着ツール１００により吸着したＬＥＤチップ１の実装面側のはんだ層１２ａとベース基板２０の導体パターン２０１とを対向させた後、ＬＥＤチップ１側（例えば、ＬＥＤチップ１の表面側）から上記ダイボンド装置の図示しない加熱源（例えば、ヒータなど）により加熱してＬＥＤチップ１と被搭載部材であるベース基板２０とを接合させる接合工程（以下、チップ接合工程と称する）を行うことで、ＬＥＤチップ１とベース基板２０のダイパッド部２５ａａとがはんだ層１２ｃを介して接合される（図１（ｃ））。
ここにおいて、チップ接合工程では、ＬＥＤチップ１側（例えば、ＬＥＤチップ１の表面側）からの加熱により下地層１１とはんだ層１２ａとを溶融させてＡｕの組成が増加した組成比（例えば、７０ａｔ％Ａｕ、３０ａｔ％Ｓｎ）のＡｕＳｎ層からなるはんだ層１２ｂを形成した状態（図１（ｂ）参照）でＬＥＤチップ１とベース基板２０とを近づけて上述の加熱の他に適宜の荷重（例えば、２〜５０ｋｇ／ｃｍ２）を規定時間（例えば、１０秒程度）だけ印加することで接合させるようにしており、ＬＥＤチップ１とベース基板２０とを接合しているはんだ層１２ｃは、はんだ層１２ｂよりもＡｕリッチの組成比（例えば、９０ａｔ％Ａｕ、１０ａｔ％Ｓｎ）となっている。なお、チップ接合工程は、はんだ層１２ｃの酸化防止のためにＮ２ガス雰囲気中で行っているが、真空雰囲気中で行うようにしてもよい。また、チップ接合工程では、ベース基板２０をステージ１１０側に適宜設けたヒータにより、ＬＥＤチップ１の加熱温度よりも低い温度で加熱するようにしてもよい。
上述のはんだ層形成工程では、チップ接合工程において下地層１１とはんだ層１２ａとを溶融させた状態においてＬＥＤチップ１の耐熱温度以下で溶融する組成比のＡｕＳｎ層が形成されるように当該はんだ層形成工程において形成するＡｕＳｎ層の組成比および膜厚を設定している。はんだ層形成工程においてはんだ層１２ａとして形成するＡｕＳｎ層に関して、ＬＥＤチップ１の耐熱温度を４００℃とすれば、ＬＥＤチップ１の耐熱温度以下で溶融する組成比は、図２に示したＡｕ−Ｓｎ系はんだの状態図から明らかなように、７６ａｔ％Ａｕ−２４ａｔ％Ｓｎ〜５６ａｔ％Ａｕ−４４ａｔ％Ｓｎであるから、Ａｕの組成比を５６ａｔ％以上７０％未満とすればよい。なお、はんだ層１２ａの溶融温度をより低くする上では、Ａｕの組成比が共晶組成付近の組成比であるほうがよく、例えばＡｕの組成比が６８ａｔ％〜６９ａｔ％であれば溶融温度が３００℃以下となり、ＬＥＤチップ１の温度が耐熱温度を超えるのをより確実に防止することが可能となるとともに、耐熱温度が４００℃よりも低いＬＥＤチップ１にも対応可能になる。
以上説明した本実施形態のＬＥＤチップ１の実装方法によれば、ＬＥＤチップ１の実装面側にＡｕ層からなる下地層１１を形成した後、下地層１１上にＡｕＳｎ層からなるはんだ層１２ａを形成し、その後、ＬＥＤチップ１側から加熱してＬＥＤチップ１と被搭載部材たるベース基板２０とを接合させるようにしているので、フラックスが不要であり、しかも、はんだ層１２ａを形成するはんだ層形成工程では、はんだ層１２ａとして、共晶組成よりもＡｕの組成比が小さく且つＬＥＤチップ１の耐熱温度以下で溶融する組成比のＡｕＳｎ層を形成するので、ＬＥＤチップ１の耐熱温度以下の加熱によりＬＥＤチップ１とベース基板２０との接合強度を高めることができる。なお、接合強度については、シェア強度により評価している。
また、本実施形態のＬＥＤチップ１の実装方法によれば、チップ接合工程では、ＬＥＤチップ１側からの加熱により下地層１１とはんだ層１２ａとを溶融させた状態でＬＥＤチップ１とベース基板２０とを近づけて接合させるようにし、チップ接合工程以前のはんだ層形成工程では、チップ接合工程において下地層１１とはんだ層１２ａとを溶融させた状態においてＬＥＤチップ１の耐熱温度以下で溶融する組成比のＡｕＳｎ層からなるはんだ層１２ｂが形成されるように当該はんだ層形成工程において形成するＡｕＳｎ層からなるはんだ層１２ａの組成比を設定しているので、はんだ層１２ａと下地層１１とを先に溶融させてもＬＥＤチップ１の耐熱温度以下の加熱によりＬＥＤチップ１とベース基板２０との接合強度を高めることができる。
ここで、上述のようにベース基板２０を多数形成したシリコンウェハからなるウェハ２０Ａにおいて各ベース基板２０それぞれのダイパッド部２５ａａに複数個のＬＥＤチップ１を実装する実装方法について図３を参照して説明する。
本実施形態における実装方法では、ウェハ２０ＡにおけるＬＥＤチップ１の接合予定領域とステージ１１０との間に断熱層１１３が介在する形でウェハ２０Ａをステージ１１０の上面側に載置する。ここで、本実施形態では、ウェハ２０Ａにおける上記接合予定領域と断熱層１１３との間に断熱板１３０が介在する形でウェハ２０Ａをステージ１１０の上面側に載置するようにしている。
断熱板１３０は、熱伝導率が０．２２Ｗ／ｍ・Ｋのマイカ系材料により矩形板状に形成されている。ここで、断熱板１３０は、厚みを１ｍｍに設定してあるが、この厚みは特に限定するものではなく、例えば、０．２〜１ｍｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。なお、断熱板１３０の材料は、マイカ系材料に限定するものではなく、高断熱性を有する材料であればよい。
また、ウェハ２０Ａは、直径が１５０ｍｍ、厚みが５２５μｍのシリコンウェハを用いて形成されており、ウェハ２０Ａにおける各ＬＥＤチップ１それぞれの接合予定領域（搭載位置）には、上述のダイパッド部２５ａａが形成され、ダイパッド部２５ａａにＡｕにより形成された導体パターン２０１が設けられている。なお、本実施形態では、ダイパッド部２５ａａをＴｉ膜により構成してあるが、ダイパッド部２５ａａの材料は、Ｔｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。また、ウェハ２０Ａとして、直径が１５０ｍｍ、厚みが５２５μｍのシリコンウェハを用いて形成したウェハを例示したが、シリコンウェハのサイズや厚みは特に限定するものではなく、例えば、直径が５０〜１５０ｍｍ、厚みが２００〜５２５μｍ程度のシリコンウェハを用いればよい。
また、ステージ１１０は、上面側にウェハ２０Ａの直径よりも内径が小さな円形状の凹部１１１が形成されており、凹部１１１内の空気層が上述の断熱層１１３となる。ここで、凹部１１１の内径は１４０ｍｍ、深さを２ｍｍに設定してある。なお、ステージ１１０の凹部１１１の内径や深さは特に限定するものではなく、上述のウェハ２０Ａのサイズに応じて、例えば、内径が４０〜１４０ｍｍ、深さが１〜２ｍｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。
また、上述のステージ１１０には、上記表面側に載置される対象物を吸着するための複数の吸気孔１１４が凹部１１１の周部に形成されており、断熱板１３０がステージ１１０の上面に吸着されるようになっている。また、断熱板１３０は、ウェハ２０Ａの載置予定領域内に、一部の吸気孔１１４に連通する吸気孔１３４が形成されており、ウェハ２０Ａが断熱板１３０に吸着されるようになっている。
また、ウェハ２０Ａをステージ１１０の上面側に載置する際には、ステージ１１０の凹部１１１の内底面と断熱板１３０との間に、チップ接合工程時のウェハ２０Ａの撓みを抑制するための複数の柱状のスペーサ１２０を介在させるようにしている。ここにおいて、スペーサ１２０の数や配置は特に限定するものではないが、断熱板１３０上に載置されるウェハ２０Ａの上記接合予定領域に重ならず、チップ接合工程においてＬＥＤチップ１側からの熱が伝熱されにくい位置に配置することが好ましい。また、スペーサ１２０は、ガラスやセラミックのような断熱性の高い材料により形成することが望ましい。
下地層形成工程およびはんだ層形成工程については、上述の通りであるが、ＬＥＤチップ１を多数形成したウェハから個々のＬＥＤチップ１に分割する以前と以後とのいずれでもよい。
チップ接合工程では、ダイボンド装置のヘッド（ボンディングヘッド）１４０に設けられた上述のチップ吸着ツール００によりＬＥＤチップ１を吸着保持してヘッド１４０のヒータ（図示せず）によりチップ吸着ツール１００を介してＬＥＤチップ１を加熱したはんだ層１２ｂを形成した状態で、ＬＥＤチップ１とベース基板２０とを近づけて上述の加熱の他に適宜の荷重（例えば、２〜５０ｋｇ／ｃｍ２）を規定時間（例えば、１０秒程度）だけ印加することで接合させる過程をウェハ２０Ａに実装するＬＥＤチップ１の個数に応じて繰り返し行えばよい。
上述の実装方法によれば、ウェハ２０Ａにおける上記接合予定領域と断熱層１１３との間に断熱板１３０が介在する形でウェハ２０Ａをステージ１１０の上面側に載置するので、断熱板１３０を介在させないでウェハ２０Ａをステージ１１０の上面側に載置してある場合に比べて、チップ接合工程においてＬＥＤチップ１に印加される圧力によりウェハ２０Ａに生じる応力を低減でき、ウェハ２０Ａが撓むことによる実装性の低下、ウェハ２０ＡやＬＥＤチップ１への残留応力の発生、ウェハ２０Ａの破損などを防止することができる。
また、上述の実装方法によれば、ステージ１１０の凹部１１１の内底面と断熱板１３０との間に、チップ接合工程時のウェハ２０Ａの撓みを抑制するための複数の柱状のスペーサ１２０を介在させているので、スペーサ１２０を介在させていない場合に比べて、チップ接合工程においてＬＥＤチップ１に印加される圧力によりウェハ２０Ａに生じる応力を低減でき、ウェハ２０Ａが撓むことによる実装性の低下、ウェハ２０ＡやＬＥＤチップ１への残留応力の発生、ウェハ２０Ａの破損などを防止することができる。
（実施形態２）
本実施形態のチップの実装方法は実施形態１と略同じであって、図９（ａ）に示すようにチップ吸着ツール１００により吸着したＬＥＤチップ１の実装面側のはんだ層１２ａとベース基板２０の導体パターン２０１とを対向させるまでは同じで、ＬＥＤチップ１の実装面側のはんだ層１２ａと被搭載部材たるベース基板２０の導体パターン２０１とを接触させた状態でＬＥＤチップ１側（例えば、ＬＥＤチップ１の表面側）から加熱してＬＥＤチップ１とベース基板２０とを接合させるチップ接合工程を行うことで、ＬＥＤチップ１とベース基板２０のダイパッド部２５ａａとがはんだ層１２ｃを介して接合される（図９（ｃ））。なお、各はんだ層１２ａ，１２ｃそれぞれの組成比は実施形態１と同様である。
しかして、本実施形態では、チップ接合工程を窒素雰囲気中や真空雰囲気中で行わなくてもＬＥＤチップ１の実装面側のはんだ層１２ｃの酸化を防止することができる。
ところで、上述の各実施形態では、チップとして、チップサイズが０．３ｍｍ□のＬＥＤチップ１を例示したが、チップサイズが１ｍｍ□のＬＥＤチップ１を用いてもよい。また、上述のチップは、ＬＥＤチップ１に限らず、例えば、レーザダイオードチップ、フォトダイオードチップ、ＭＥＭＳチップ（例えば、加速度センサチップ、圧力センサチップなど）、赤外線センサチップ、半導体チップ（例えば、ＩＣチップなど）などでもよく、チップサイズも特に限定するものではなく、例えば０．２ｍｍ□〜５ｍｍ□程度のものを用いればよい。また、チップの厚みも特に限定するものではなく、例えば０．１〜０．５ｍｍ程度のものを用いればよい。また、被搭載部材は、ベース基板２０に限らず、サブマウント部材に限らず、例えば、サブマウント部材や、セラミック基板などでもよい。
実施形態１の実装方法の説明図である。 同上の説明図である。 同上の実装方法の説明図である。 同上における発光装置の概略断面図である。 同上における発光装置の概略分解斜視図である。 同上におけるベース基板を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略下面図である。 同上における中間層基板を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略下面図である。 同上における素子形成基板を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略下面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ｂ−Ｃ概略断面図である。 実施形態２の実装方法の説明図である。 従来の実装方法の説明図である。
符号の説明
１ ＬＥＤチップ（チップ）
１１ 下地層
１２ａ はんだ層
１２ｂ はんだ層
１２ｃ はんだ層
２０ ベース基板（被搭載部材）
２５ａａ ダイパッド部
１００ チップ吸着ツール
２０１ 導体パターン

Claims (3)

  1. 実装面側にＡｕＳｕ層からなるはんだ層を設けたチップと当該チップを搭載する部位にＡｕにより形成された導体パターンを設けた被搭載部材とを接合させるチップの実装方法であって、チップの実装面側にＡｕ層からなる下地層を形成する下地層形成工程と、下地層形成工程の後で下地層上にＡｕＳｎ層からなるはんだ層を形成するはんだ層形成工程と、はんだ層形成工程の後でチップ側から加熱してチップと被搭載部材とを接合させる接合工程とを備え、はんだ層形成工程では、はんだ層として、共晶組成よりもＡｕの組成比が小さく且つチップの耐熱温度以下で溶融する組成比のＡｕＳｎ層を形成することを特徴とするチップの実装方法。
  2. 接合工程では、チップ側からの加熱により下地層とはんだ層とを溶融させた状態でチップと被搭載部材とを近づけて接合させるようにし、はんだ層形成工程では、接合工程において下地層とはんだ層とを溶融させた状態においてチップの耐熱温度以下で溶融する組成比のＡｕＳｎ層が形成されるように当該はんだ層形成工程において形成するＡｕＳｎ層の組成比を設定することを特徴とする請求項１記載のチップの実装方法。
  3. 接合工程では、チップの実装面側のはんだ層と被搭載部材の導体パターンとを接触させた状態でチップ側から加熱してチップと被搭載部材とを接合させることを特徴とする請求項１記載のチップの実装方法。
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