JP2012178400A - Ｌｅｄランプ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤチップの半導体層のエッジ部分と搭載基板の配線パターンとの間に、導電粒子の介在によるリーク電流が発生するのを防止可能なＬＥＤランプを提供する。
【解決手段】同一面側にカソード側電極２４およびアノード側電極２５が形成されたＬＥＤチップ２０と、アノード側配線パターン１２およびカソード側配線パターン１３が形成された搭載基板１１と、球状体である導電粒子３１を接着剤樹脂３３に分散混合した異方性導電接着剤３０とを備え、各電極２４，２５と各配線パターン１２，１３とを異方性導電接着剤３０によって直接接合させることにより、ＬＥＤチップ２０を搭載基板１１に搭載したＬＥＤランプ１０であって、各電極２４，２５の厚みｔ１，ｔ２が導電粒子３１の直径φよりも大きく形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明はＬＥＤランプに係り、詳しくは、異方性導電接着剤を用いたＬＥＤランプに関するものである。

従来より、導電粒子を接着剤に分散混合した異方性導電接着剤（異方導電性接着剤）が知られている（特許文献１参照）。
そして、異方性導電接着剤を用いてＬＥＤチップを搭載基板にフリップチップボンディングして搭載したＬＥＤランプが開発されている（特許文献２参照）。

特開２０１０−２４３０１号公報 特開２００４−３９９８３号公報

異方性導電接着剤を用いてＬＥＤチップを搭載基板にフリップチップボンディングするには、ＬＥＤチップの電極上にバンプを形成した上で、バンプと搭載基板の配線パターンとを異方性導電接着剤を用いて接合させる方法がとられていた。
しかし、この方法では、バンプを形成する工程が必要となるため製造コストが高くなることに加え、バンプによるボンディング部分の機械的強度が弱く信頼性に乏しいという欠点があった。

そこで、バンプを形成せずに、ＬＥＤチップの電極と搭載基板の配線パターンとを異方性導電接着剤を用いて直接接合させる方法が考えられる（特許文献２参照）。
しかし、この方法では、異方性導電接着剤に分散混合された導電粒子が、ＬＥＤチップの半導体層のエッジ部分と搭載基板の配線パターンとの間に挟み込まれると、その導電粒子によって半導体層のエッジ部分と配線パターンとが電気的に接続されて短絡し、その短絡部分にリーク電流が発生するという問題がある。

本発明は前記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、ＬＥＤチップの半導体層のエッジ部分と搭載基板の配線パターンとの間に、導電粒子の介在によるリーク電流が発生するのを防止可能なＬＥＤランプを提供することにある。

本発明者は前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記のように本発明の各局面に想到した。

＜第１の局面＞
第１の局面は、同一面側にカソード側電極およびアノード側電極が形成されたＬＥＤチップと、アノード側配線パターンおよびカソード側配線パターンが形成された搭載基板と、球状体である導電粒子を接着剤樹脂に分散混合した異方性導電接着剤とを備え、前記各電極と前記各配線パターンとを前記異方性導電接着剤によって直接接合させることにより、前記ＬＥＤチップを前記搭載基板に搭載したＬＥＤランプであって、前記各電極の厚みが前記導電粒子の最大径よりも大きく形成されている。

第１の局面によれば、ＬＥＤチップの各半導体層のエッジ部分と各配線パターンとの間に導電粒子が挟み込まれることがなく、導電粒子によってＬＥＤチップのＮ型半導体層およびＰ型半導体層のエッジ部分と各配線パターンとが電気的に接続されて短絡するおそれがないため、各半導体層のエッジ部分と各配線パターンとの間にリーク電流が発生するのを確実に防止できる。

＜第２の局面＞
第２の局面は、第１の局面において、前記各電極の硬さが前記導電粒子よりも柔らかい。
その結果、各電極と各配線パターンとの間で導電粒子が押圧されて扁平状に変形した際に、各電極に対して導電粒子が食い込むような状態で各電極と導電粒子とが結合するため、各電極と導電粒子との間の電気抵抗が小さくなって良好な導通が得られる。

＜第３の局面＞
第３の局面は、第１または第２の局面において、前記各電極はＰＶＤ法を用いて形成されている。
ＰＶＤ法を用いて形成され電極は、従来の方法（ＬＥＤチップの電極上にバンプを形成した上で、バンプと搭載基板の配線パターンとを異方性導電接着剤を用いて接合させる方法）で用いられるバンプとは明確に判別できる。

＜第４の局面＞
第４の局面は、第１〜３の局面において、前記異方性導電接着剤は、前記導電粒子に加えて、高熱伝導性のセラミック粒子から成るフィラーが前記接着剤樹脂に分散混合してあるＬＥＤランプである。
高熱伝導性のセラミック粒子から成るフィラーは、ＬＥＤチップが発生する熱を搭載基板へ効率的に伝達するため、ＬＥＤチップが過剰に高温になるのを防止できる。

本発明を具体化した一実施形態のＬＥＤランプ１０の要部構成を示す概略縦断面図。 実施形態の作用・効果を説明するためのＬＥＤランプ１００の概略縦断面図。

図１に示すように、一実施形態のＬＥＤランプ１０は、搭載基板１１、カソード側配線パターン１２、アノード側配線パターン１３、ＬＥＤチップ２０、成長基板２１、Ｎ型半導体層２２、Ｐ型半導体層２３、カソード側電極２４、アノード側電極２５、保護膜２６、異方性導電接着剤３０、導電粒子（導電性球状体）３１、フィラー３２、接着剤樹脂（バインダー）３３などから構成されている。
尚、図１においては、ＬＥＤランプ１０の各部の構成を明確にするために実寸と異なるサイズで各部を図示してある。

搭載基板１１はセラミックの板材から成り、搭載基板１１の表面上にはカソード側配線パターン１２およびアノード側配線パターン１３が形成されている。
各配線パターン１２，１３は、導電性の高い金属の多層膜（例えば、銅、ニッケル、金を下層からこの順番で積層した多層膜など）から成る。
ここで、例えば、搭載基板１１の厚みは４００μｍ、各配線パターン１２，１３の銅層の厚みは２０μｍ、同ニッケル層の厚みは４μｍ、同金層の厚みは１μｍに設定されている。

ＬＥＤチップ２０は、成長基板２１、Ｎ型半導体層２２、Ｐ型半導体層２３、カソード側電極２４、アノード側電極２５、保護膜２６などから構成されている。
成長基板２１はサファイア（酸化アルミニウム）の板材から成り、成長基板２１の表面上には、III族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることにより、Ｎ型半導体層２２とＰ型半導体層２３とが下層からこの順番で積層して形成されている。

Ｎ型半導体層２２の表面上にはカソード側電極２４が形成され、Ｐ型半導体層２３の表面上にはアノード側電極２５が形成され、ＬＥＤチップ２０の同一面側に各電極２４，２５が形成されている。
各電極２４，２５はスズと金の合金（ＡuＳｎ）から成り、蒸着法を含むＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法を用いて形成されている。

各半導体層２２，２３の外周端面と、各半導体層２２，２３において各電極２４，２５から露出した表面とは、保護膜２６によって覆われている。
保護膜２６は、酸化シリコンまたは窒化シリコンなどから成り、異方性導電接着剤３０によって各半導体層２２，２３が電気的に接続されて短絡し、各半導体層２２，２３間にリーク電流が発生するのを防止する。

異方性導電接着剤３０は、球状体の導電粒子３１と微粒子のフィラー３２とを接着剤樹脂３３に分散混合して形成されている。
異方性導電接着剤３０を用いてＬＥＤチップ２０を搭載基板１１にフリップチップボンディングして搭載・実装したＬＥＤランプ１０を製造するには、まず、搭載基板１１の各配線パターン１２，１３上に異方性導電接着剤３０のペーストを塗布するか又は異方性導電接着剤３０のシート材を載置しておき、次に、異方性導電接着剤３０を介在させてＬＥＤチップ２０を搭載基板１１上に載置し、続いて、所定圧力でＬＥＤチップ２０を搭載基板１１の方向に押圧する。

すると、ＬＥＤチップ２０の下面側の各電極２４，２５と各配線パターン１２，１３との間に最大圧力が加わるため、その間に存在する異方性導電接着剤３０中の導電粒子３１が押圧されて厚みが数分の一の扁平状に変形し、導電粒子３１と各電極２４，２５および各配線パターン１２，１３との接触面積が増大し、各電極２４，２５と各配線パターン１２，１３とがそれぞれ導電粒子３１を介して直接接合され、両者が電気的に接続されて良好な導通が確保される。

このとき、各電極２４，２５間には十分な距離（例えば、６８μｍ）が設定されているため、各電極２４，２５間に挟み込まれた導電粒子３１同士が接触することはなく、導電粒子３１を介して各電極２４，２５が電気的に接続されて短絡するおそれもないため、各電極２４，２５間の絶縁状態は維持される。
その後、接着剤樹脂３３を硬化させることにより、導電粒子３１およびフィラー３２の位置を固定すると共に、接着剤樹脂３３によってＬＥＤチップ２０を搭載基板１１に取付固定する。

［実施形態の作用・効果］
本実施形態のＬＥＤランプ１０によれば、以下の作用・効果を得ることができる。

［１］カソード側電極２４およびアノード側電極２５の厚み（電極厚）ｔ１，ｔ２は、球状体である導電粒子３１の直径φよりも大きく形成されている。
導電粒子３１の直径φは通常１〜１０μｍであり、例えば、導電粒子３１の直径φが５μｍの場合には、各電極２４，２５の厚みｔ１，ｔ２が５μｍを超える大きさに設定しておく。

このようにすれば、ＬＥＤチップ２０の各半導体層２２，２３のエッジ部分Ｅと各配線パターン１２，１３との間に導電粒子３１が挟み込まれることがなく、導電粒子３１によって各半導体層２２，２３のエッジ部分Ｅと各配線パターン１２，１３とが電気的に接続されて短絡するおそれがないため、各半導体層２２，２３のエッジ部分Ｅと各配線パターン１２，１３との間にリーク電流が発生するのを確実に防止できる。
尚、導電粒子３１が完全な球状でない場合には、各電極２４，２５の厚みｔ１，ｔ２を導電粒子３１の最大径よりも大きく形成すればよい。

図２は、各電極２４，２５の厚みｔ１，ｔ２が導電粒子３１の直径φ以下に形成されているＬＥＤランプ１００の概略縦断面図である。
図２に示すように、各半導体層２２，２３のエッジ部分Ｅと各配線パターン１２，１３との間に導電粒子３１が挟み込まれると、その導電粒子３１によって各半導体層２２，２３のエッジ部分Ｅと各配線パターン１２，１３とが電気的に接続されて短絡し、その短絡部分にリーク電流が発生するおそれがある。

［２］ＬＥＤチップ２０のカソード側電極２４およびアノード側電極２５の硬さが導電粒子３１よりも柔らかくなるように、各電極２４，２５および導電粒子３１の材質が決められていることが好ましい。
各電極２４，２５の材質として、スズと金の合金（ＡｕＳｎ）以外には、例えば、その他の共晶合金などがあげられる。
その結果、各電極２４，２５と各配線パターン１２，１３との間で導電粒子３１が押圧されて扁平状に変形した際に、各電極２４，２５に対して導電粒子３１が食い込むような状態で各電極２４，２５と導電粒子３１とが結合するため、各電極２４，２５と導電粒子３１との間の電気抵抗が小さくなって良好な導通が得られる。
尚、各電極２４，２５の硬さは、導電粒子３１よりも必ずしも柔らかくなくてもよい。

例えば、導電粒子３１には、各種金属（例えば、金、銀、ニッケル、ハンダなど）の球状粒子、合成樹脂から成る球状粒子の外周面全体に各種メッキ（例えば、ニッケルメッキ、金メッキなど）を施した金属メッキ被覆樹脂粒子などを用いればよい。
また、接着剤樹脂３３には、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などを用いればよく、この中では強度や耐熱性などの観点からエポキシ樹脂が好適である。
尚、接着剤樹脂３３中への導電粒子３１の分散混合量は１〜２０重量％程度が好適である。

そして、異方性導電接着剤３０は、ペースト状であってもよいし、シート状であってもよい。
ペースト状の異方性導電接着剤３０には、搭載基板１１への塗布量に誤差が生じ易いため最適量を塗布するのが難しいという欠点がある。
シート状の異方性導電接着剤３０には、異方性導電接着剤３０と搭載基板１１との間に挟み込まれた空気が気泡を発生し易いという欠点がある。また、各電極２４，２５の平面寸法形状に合わせた小さなシート状の異方性導電接着剤３０を搭載基板１１上の所定箇所に精度良く配置するのは困難なため、通常は搭載基板１１の略全面を覆う大きさのものが用いられるが、ＬＥＤチップ２０から出射された光がシート状の異方性導電接着剤３０に吸収されて光取り出し効率が悪くなるという欠点もある。

［３］各電極２４，２５はＰＶＤ法を用いて形成されているため、従来の方法（ＬＥＤチップの電極上にバンプを形成した上で、バンプと搭載基板の配線パターンとを異方性導電接着剤を用いて接合させる方法）で用いられるバンプと各電極２４，２５とは明確に判別できる。

［４］異方性導電接着剤３０に含まれるフィラー３２には、高熱伝導性のセラミック粒子（例えば、窒化アルミニウム、窒化シリコンなど）を用いることが好ましい。
高熱伝導性のセラミック粒子から成るフィラー３２は、ＬＥＤチップ２０が発生する熱を搭載基板１１へ効率的に伝達するため、ＬＥＤチップ２０が過剰に高温になるのを防止できる。

本発明は、前記各局面および前記各実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。本明細書の中で明示した論文、公開特許公報、特許公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。

１０…ＬＥＤランプ
１１…搭載基板
１２…カソード側配線パターン
１３…アノード側配線パターン
２０…ＬＥＤ
２１…成長基板
２２…Ｎ型半導体層
２３…Ｐ型半導体層
２４…カソード側電極
２５…アノード側電極
２６…保護膜
３０…異方性導電接着剤
３１…導電粒子
３２…フィラー
３３…接着剤樹脂
ｔ１…カソード側電極の厚み
ｔ２…アノード側電極の厚み
φ…導電粒子３１の直径（最大径）

Claims (4)

1. 同一面側にカソード側電極およびアノード側電極が形成されたＬＥＤチップと、
   アノード側配線パターンおよびカソード側配線パターンが形成された搭載基板と、
   球状体である導電粒子を接着剤樹脂に分散混合した異方性導電接着剤とを備え、
   前記各電極と前記各配線パターンとを前記異方性導電接着剤によって直接接合させることにより、前記ＬＥＤチップを前記搭載基板に搭載したＬＥＤランプであって、
   前記各電極の厚みが前記導電粒子の最大径よりも大きく形成されているＬＥＤランプ。
2. 請求項１に記載のＬＥＤランプにおいて、
   前記各電極の硬さが前記導電粒子よりも柔らかいＬＥＤランプ。
3. 請求項１または請求項２に記載のＬＥＤランプにおいて、
   前記各電極はＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法を用いて形成されているＬＥＤランプ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤランプにおいて、
   前記異方性導電接着剤は、前記導電粒子に加えて、高熱伝導性のセラミック粒子から成るフィラーが前記接着剤樹脂に分散混合してあるＬＥＤランプ。

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