JP2014232830A - Ｌｅｄチップ接続構造体及びその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】接続時のＬＥＤチップの割れを防止でき、高い絶縁信頼性を有する接続が可能であり、高い生産性で実施可能な、ＬＥＤチップ接続構造体及びその製造方法の提供。
【解決手段】下記工程：（１）基板電極が形成された基板上に、該基板電極を覆うように接着剤を塗布するか又はフィルムとして貼り合わせる工程、（２）ワイヤーボンディング法によりバンプが形成され、該バンプの根元の平均径に対する、先端の平均径の比が０．６７以下であるＬＥＤチップを、該基板電極に該バンプが対向するように設置する工程、及び（３）ＬＥＤチップ面積あたり０．０１〜２００Ｎ／ｍｍ^２の加圧をしながら加熱することにより、該基板電極と該バンプの間の該接着剤を排除しながら該接着剤を硬化させる工程、を含む、ＬＥＤチップ接続構造体の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、基板電極が形成された基板上に、ＬＥＤチップが接続された接続構造体及びその製造方法に関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）上のカソード及びアノード電極と基板上電極とは、一般的にはワイヤーボンディングにより電気的に接続されている。そのワイヤーボンディングされたＬＥＤチップは、ロケット型、砲弾型等に封止材でモールドされた状態で一個一個のＬＥＤモジュールとして使用されている。
また、最近では、用途の多様化に伴い、照明装置では、高出力の、例えば、出力１ｗ以上のＬＥＤが使用されるようになってきている。
高出力のＬＥＤを用いると、ワイヤーボンディングによる電気的な接続では、発光による熱を排熱する際、数十ミクロンの細いボンディングワイヤーに頼るしかなく、ＬＥＤチップの温度が上昇し、そのためＬＥＤ性能が低下してしまうという問題があった。また、ワイヤーボンディングの配線が、発光面と同一側に存在するため、配線の影により発光効率が低下してしまうという問題もあった。

このため、以下の特許文献１、特許文献２では、ＬＥＤをフリップ接続、すなわちＬＥＤの発熱部に最も近い電極と基板電極とを直接接続することで、発光時の排熱性を向上させる方法が提案されている。
特許文献１には、ＬＥＤをフリップして超音波などで基板電極と接続する方法が開示されている。
また、特許文献２には、ＬＥＤをフリップ接続する方法において、異方導電性ペースト（以下、「ＡＣＰ」ともいう。）を基板上にディスペンス塗布して、その後、塗布部にＬＥＤチップ設置し、加熱、加圧してＬＥＤ上の電極と基板電極とを電気的に接続する方法が開示されている。

特開２００４−２３５４４１号公報 特開平１１−１６８２３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載される接続方法においては、特に、薄型化されたＬＥＤチップにおいて、超音波をかけて加圧する際に、ＬＥＤチップが割れる危険性がある。また、超音波実装機で一つ一つ接続しなければならず、生産性の点でもさらなる改善の余地があった。
また、特許文献２に記載される接続方法においては、ＡＣＰによる接続を行うためには、ＡＣＰ中に多量の導電粒子を含有させる必要があり、ＡＣＰ中の導電粒子による絶縁不良が発生しやすかった。
本発明が解決しようとする課題は、従来技術におけるこれらの問題点に鑑み、接続時のＬＥＤチップの割れを防止でき、高い絶縁信頼性を有する接続が可能であり、高い生産性で実施可能な、ＬＥＤチップ接続構造体及びその製造方法を提供することである。

本発明者は、かかる課題を解決すべき鋭意検討し実験を重ねた結果、所定の工程を含むＬＥＤチップ接続構造体の製造方法により、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下に示すものである。

［１］下記工程：
（１）基板電極が形成された基板上に、該基板電極を覆うように接着剤を塗布するか又はフィルムとして貼り合わせる工程、
（２）ワイヤーボンディング法によりバンプが形成され、該バンプの根元の平均径に対する、先端の平均径の比が０．６７以下であるＬＥＤチップを、該基板電極に該バンプが対向するように設置する工程、及び
（３）ＬＥＤチップ面積あたり０．０１〜２００Ｎ／ｍｍ^２の加圧をしながら加熱することにより、該基板電極と該バンプの間の該接着剤を排除しながら該接着剤を硬化させる工程、
を含む、ＬＥＤチップ接続構造体の製造方法。

［２］前記（３）工程における加熱・加圧時間が０．１秒〜３０秒である、前記［１］に記載の方法。

［３］前記バンプが、金、銅、及びアルミニウムからなる群から選ばれる１種類以上の金属を含む、前記［１］又は［２］に記載の方法。

［４］前記接着剤が、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、及びポリイミド樹脂からなる群から選ばれる１種以上の樹脂を含む、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の方法。

［５］前記接着剤が、カチオン硬化性、アニオン硬化性又は光硬化性のいずれかである、前記［１］〜［４］いずれかに記載の方法。

［６］前記（３）工程における加熱温度が８０℃〜２４０℃である、前記［１］〜［５］のいずれかに記載の方法。

［７］前記基板が、ポリイミド、ガラスエポキシ、ガラス、アルミナ、及び窒化アルミからなる群から選ばれる材料からなる、前記［１］〜［６］のいずれかに記載の方法。

［８］前記［１］〜［７］のいずれかに記載の方法によって製造されたＬＥＤチップ接続構造体。

［９］１枚の基板に複数個のＬＥＤチップが接続されている、前記［８］に記載のＬＥＤチップ接続構造体。

［１０］前記複数個のＬＥＤチップ間の平均距離が５ｍｍ以下である、前記［９］に記載のＬＥＤチップ接続構造体。

本発明に係るＬＥＤチップ接続構造体の製造方法により、接続時のＬＥＤチップの割れを防止でき、高い絶縁信頼性を有する接続が可能であり、高い生産性で実施可能である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
本実施の形態では、下記工程：
（１）基板電極が形成された基板上に、該基板電極を覆うように接着剤を塗布するか又はフィルムとして貼り合わせる工程、（２）ワイヤーボンディング法によりバンプが形成され、該バンプの根元の平均径に対する、先端の平均径の比が０．６７以下であるＬＥＤチップを、該基板電極に該バンプが対向するように設置する工程、及び（３）ＬＥＤチップ面積あたり０．０１〜２００Ｎ／ｍｍ^２の加圧をしながら加熱することにより、該基板電極と該バンプの間の該接着剤を排除しながら該接着剤を硬化させる工程、を含むＬＥＤチップ接続構造体の製造方法を提供する。

（ＬＥＤチップ）
本実施の形態で用いるＬＥＤチップは、ワイヤーボンディング法により形成されるバンプを有している。
ワイヤーボンディング法により形成されるバンプは、一般に、ＩＣチップで用いられているメッキバンプに対し、バンプ先端の平均径が根元の平均径に対して小さく、短時間で樹脂を排除して、バンプが対向する基板電極との電気的接続を容易に達成することができる。
ワイヤーボンディング法によるバンプの形成は、例えば、ボンディングワイヤーの先端をＬＥＤ上のアノード又はカソード電極上にボンディングし、打ち込まれたボンディングワイヤーを数十から数百ミクロン長さ程度の大きさに切断して形成される。
上記バンプは、良好な導電性を得る観点から、金、銅、アルミニウムなどの材料を有していることが好ましい。

上記バンプの根元の平均径は、５μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。
上記バンプは、上記（３）の工程において、基板電極とバンプとの間の接着剤を短時間で排除するために、バンプの先端の平均径がバンプ根元の平均径より小さくなっている状態が好ましい。
具体的には、上記バンプは、バンプ根元の平均径に対して、バンプ先端の平均径の比が０．６７以下であることが好ましく、０．５以下であることがより好ましく、０．３３以下であることがさらに好ましく、０．２５以下であることが特に好ましい。バンプ先端の形状を調整する方法としては、ボンディングワイヤーによりバンプを形成した後、バンプの先端に力をあたえて先端の平均径を小さくすること等が挙げられるが、当該方法に限らず、上記の規定を満たす方法であれば制限されない。
バンプの平均高さは、特に限定されないが、基板とバンプ間との平行度ばらつきを吸収できる観点から、５μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。

（加熱条件）
本実施の形態の（３）工程における加熱温度は、樹脂の十分な硬化の観点から８０℃以上であることが好ましく、１００℃以上であることがより好ましく、また、ＬＥＤ熱劣化防止の観点から、２４０℃以下であることが好ましく、２２０℃以下であることがより好ましい。上記加熱温度は、（３）工程における最高温度を示す。

（加圧条件）
本実施の形態の（３）工程における加圧圧力は、良好な接続を実現する観点から、ＬＥＤチップ面積当たり、０．０１Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましく、０．０２Ｎ／ｍｍ^２以上であることがより好ましく、また、ＬＥＤチップの割れを防止する観点から、２００Ｎ／ｍｍ^２以下であることが好ましく、５０Ｎ／ｍｍ^２以下であることがより好ましく、３０Ｎ／ｍｍ^２以下であることがさらに好ましい。当該加圧圧力は、複数のＬＥＤチップを一括加圧する場合には、一個あたりの加圧圧力である。
尚、従来から提案されている、ＩＣチップのフリップチップ接続において、接続時の加圧圧力は、充分な導電接続を得る観点から、例えば、５００〜１０００Ｎ／ｍｍ^２といった、高い圧力であることが一般的であった。ＩＣチップは、ＬＥＤチップに比較して、チップが厚く、バンプ数も多いため、このような高い加圧圧力をかけても割れることはなかった。他方、ＬＥＤチップのフリップチップ接続の場合に適用されるべき加圧圧力は従来明らかではなかった。本実施の形態における「ＬＥＤチップ面積あたり０．０１〜２００Ｎ／ｍｍ^２」という加圧条件は、接続時のＬＥＤチップの割れを防止でき、高い絶縁信頼性を有する接続が可能であり、かつ、高い生産性で実施可能な加圧条件であって、本発明者が初めて見出したものである。

（加熱・加圧時間）
本実施の形態の（３）工程における加熱・加圧時間は、樹脂を充分に硬化させる観点から、０．１秒以上であることが好ましく、１秒以上であることがより好ましく、２秒以上であることがさらに好ましく、また、生産性を向上させる観点、及び加熱劣化を防止する観点から、３０秒以下であることが好ましく、２５秒以下であることがより好ましく、２０秒以下であることがさらに好ましい。

（接着剤）
本実施の形態で使用する接着剤は、特に限定されないが、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、及びポリイミド樹脂から選ばれる樹脂を含有することが好ましい。
また、上記接着剤は、さらに短時間接続による高生産性を実現する観点から、カチオン硬化性、アニオン硬化性又は光硬化性のいずれかであることができる。
カチオン硬化性、アニオン硬化性接着剤を用いる場合には、必要に応じ、重合開始剤、硬化促進剤、重合禁止剤を用いることができる。

（基板）
本実施の形態において、ＬＥＤチップが接続される基板は、特に限定されないが、ＬＥＤチップの発光により劣化、分解、変形することを防止する観点から、ポリイミド基板、ガラスエポキシ基板、ガラス基板、アルミナ基板、及び窒化アルミ基板からなる群から選ばれる材料からなることが好ましい。
基板上には、電気的な回路として、銅、銀、金、アルミニウム、タングステン、モリブデンなどの電極材料を用いた電気的回路を形成されていることが好ましい。
また、基板の色、透明性については、特に制限されないが、ＬＥＤの発光による劣化が防止できる態様であることが好ましい。

（ＬＥＤチップ接続構造体）
本実施の形態では、上記方法によって得られた、１枚の基板に複数個のＬＥＤチップが接続されたＬＥＤチップ接続構造体を提供する。
本実施の形態の製造方法を用いることで、複数のＬＥＤチップの間の距離を狭く（例えば、５ｍｍ以下）することができるため、ＬＥＤチップを高密度に配列した発光構造体を効率良く得ることができる。
本実施の形態のＬＥＤチップ接続構造体は、例えば、基板上にＬＥＤチップを高密度に配列した照明体とすることができる。このような照明体は、薄く、軽く、高輝度であるという特徴を有し、照明、マクロセンサー発光体、医療用照明体、手術用、ヘルスケアー用などの用途に好適に用いることができる。
また、ＬＥＤチップ接続構造体は、カバーフィルムや樹脂で表面を保護することもできる。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本実施の形態を具体的に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
（ＬＥＤチップ、ＩＣチップ）
以下の表１に、実施例で用いたＬＥＤチップとＩＣチップの寸法、バンプの特性を示す。

メッキバンプはバンプ先端がほぼ平坦状態であり、バンプ先端の平均径／根元の平均径の比は１であった。

（接着剤）
以下の表２に示す組成、比率で各成分を混合し、接着剤を作製した。

なお、表２中の各成分として下記の製品を用いた。
ビスＡ型エポキシ：旭化成エポキシ社製、ＡＥＲ２６００
ジシクロペンタジエン型エポキシ：ＤＩＣ社製、ＨＰ７２００
潜在性硬化剤：旭化成エポキシ社製、ノバキュアＨＸ３９３２
フェノキシ樹脂：インケム社製、ＰＫＨＣ
シリコーン粘着剤：東レダウコーニング社製、ＳＤ４５６０
シランカップリング剤：信越化学社製、ＫＢＭ９０３
３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート：ダイセル社製、セロキサイド２０２１Ｐ
脂環式エポキシ：サンケミカル社製、ＴＴＡ２１
シアノアクリレートメチル：東亞合成社製、ＥＸＴＲＡ２０００
多官能アクリレート：東亞合成社製、９１１Ｔ５

（基板）
以下の表３に、実施例で用いた基板を示す。

表３中、硬質とはリジッドであるものであり、軟質とは、フレキシブルな基板を表す。基材上の電極は、ＬＥＤのバンプに対向して接続される電極を示す。
銅−金、銅−ニッケルは、それぞれ、銅に金メッキされているもの、銅にニッケルメッキされているものを示す。

（ＬＥＤの基板への接続）
以下の表４に記載するチップ、基板、接着剤を用い、基板に接着剤を塗布し、基板の電極にチップのバンプを対向するように設置した。

その後、熱圧着装置を用いて、表４に記載する接続温度、圧力、時間の条件で加熱、加圧を行うことにより、チップと基板の接続を行った。なお、加圧圧力はＬＥＤチップ面積当たりの圧力である。

（チップの割れ性の評価）
チップの割れ性（チップ割れ）の評価は、光学顕微鏡１０倍でＬＥＤチップ１０個の接続後の割れ有無を確認した。ＬＥＤチップ中に１箇所以上の亀裂、割れが生じているものを割れと判断し、割れたものの数を表記した。

（ＬＥＤ点灯性の評価）
点灯性の評価方法としては、基板電極と接続されたＬＥＤチップを１０個作製し、アノード、カソードに対応する基板電極間に２．５Ｖの電圧を印加してＬＥＤの点灯良否を目視で確認し、点灯したものの数を表記した。
表４に、各実施例のＬＥＤチップ、接着剤、基板、接続温度、加圧圧力、接続時間において接続を行った際の、点灯性の評価結果を記載した。

実施例１〜８と比較例１、２を比較すると、ワイヤーボンディング法により作製され、根元の平均径に対する、先端の平均径の比が適切であった各実施例においては、接着剤のバンプによる排除性がよく、バンプと基板電極との電気接続が容易に得られたため、ＬＥＤ点灯性の評価において、すべてのＬＥＤチップが点灯する結果となった。
ワイヤーボンディング法により形成され、根元の平均径に対する、先端の平均径の比が０．９であるバンプを有するＬＥＤチップＤを用いた比較例１と、メッキ法により作製され、根元の平均径に対する、先端の平均径の比が１であるバンプを有するＬＥＤチップＥを用いた比較例２では、バンプの先端がほぼ平坦であり、接着剤の短時間における排除性が不十分なため、バンプと基板電極とが十分に電気接続できず、ＬＥＤ点灯性の評価において、点灯しないＬＥＤチップがあった。
また、実施例１〜８と、比較例３を比較すると、加圧圧力が適切であった各実施例においては、チップの割れ性の評価において、割れが生じず良好であったが、上記加圧圧力が３００Ｎ／ｍｍ^２である比較例３では、１０個中１０個のＬＥＤが割れ、割れたＬＥＤチップは点灯しなかった。
また、参考例１として、ワイヤーボンディング法で作製したバンプを、チップあたり２００個有する通常のＩＣチップで接続を行ったが、３００Ｎ／ｍｍ^２の荷重で接続してもＩＣチップは割れなかった。

本発明に係るＬＥＤチップ接続構造体の製造方法により、接続時のＬＥＤチップの割れを防止でき、高い絶縁信頼性を有する接続が可能であり、高い生産性で実施可能である。したがって、本発明に係るＬＥＤチップ接続構造体の製造方法は、照明用、医療用、ヘルスケアー用のＬＥＤチップ接続構造体の製造に好適に利用可能である。

Claims (10)

1. 下記工程：
   （１）基板電極が形成された基板上に、該基板電極を覆うように接着剤を塗布するか又はフィルムとして貼り合わせる工程、
   （２）ワイヤーボンディング法によりバンプが形成され、該バンプの根元の平均径に対する、先端の平均径の比が０．６７以下であるＬＥＤチップを、該基板電極に該バンプが対向するように設置する工程、及び
   （３）ＬＥＤチップ面積あたり０．０１〜２００Ｎ／ｍｍ^２の加圧をしながら加熱することにより、該基板電極と該バンプの間の該接着剤を排除しながら該接着剤を硬化させる工程、
   を含む、ＬＥＤチップ接続構造体の製造方法。
2. 前記（３）工程における加熱・加圧時間が０．１秒〜３０秒である、請求項１に記載の方法。
3. 前記バンプが、金、銅、及びアルミニウムからなる群から選ばれる１種類以上の金属を含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記接着剤が、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、及びポリイミド樹脂からなる群から選ばれる１種以上の樹脂を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記接着剤が、カチオン硬化性、アニオン硬化性又は光硬化性のいずれかである、請求項１〜４いずれか１項に記載の方法。
6. 前記（３）工程における加熱温度が８０℃〜２４０℃である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記基板が、ポリイミド、ガラスエポキシ、ガラス、アルミナ、及び窒化アルミからなる群から選ばれる材料からなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法によって製造されたＬＥＤチップ接続構造体。
9. １枚の基板に複数個のＬＥＤチップが接続されている、請求項８に記載のＬＥＤチップ接続構造体。
10. 前記複数個のＬＥＤチップ間の平均距離が５ｍｍ以下である、請求項９に記載のＬＥＤチップ接続構造体。