JP2015095607A

JP2015095607A - 発光装置の製造方法

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Publication number: JP2015095607A
Application number: JP2013235548A
Authority: JP
Inventors: 洋一坂本; Yoichi Sakamoto
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-18
Anticipated expiration: 2033-11-14
Also published as: JP6210211B2

Abstract

【課題】本発明は、このような課題を解決し、より安価な発光装置の製造方法を提供する。【解決手段】実装面に第１の金属が形成された発光素子を準備するステップと、第２の金属が形成された基板を準備するステップと、前記第１の金属および前記第２の金属を接触させ、前記第１および第２の金属の少なくともいずれかの融点より高い温度で加熱溶融させることにより、金属間化合物を形成し前記基板と前記発光素子を接合するステップと、を有することを特徴とする発光装置の製造方法。【選択図】図３

Description

本発明は、金属間化合物を用いた発光素子と基板との接合に関する。

従来、発光素子を基板等にはんだで接合する方法に関して、発光素子の裏面（実装面)に接合に利用される第１の金属および第２の金属を積層させ、加熱溶融により基板等に接合を行うというものがある。

このような発光素子の製造においては、発光素子が個片化されていないウエハの状態において、発光素子の裏面に接合に必要な金属層(例えば接合層、反射層、拡散防止層等)を蒸着やスパッタリング等の方法で形成している。

このようなウエハ内には、通常、製品の発光素子としては使えない部分（NG部）が存在するが、従来はこのようなNG部にも金属層を複数層形成している。ウエハは発光素子の個片化工程、検査工程を経て、NG部を廃棄する。そのため、NG部の廃棄に伴って廃棄される材料が余計に使用されるという問題があった。

本発明は、このような課題を解決し、より安価な発光装置の製造方法を提供することである。

そこで、本発明の発光装置の製造方法は、実装面に第１の金属が形成された発光素子を準備するステップと、第２の金属が形成された基板を準備するステップと、前記第１の金属および前記第２の金属を接触させ、前記第１および第２の金属の少なくともいずれかの融点より高い温度で加熱溶融させることにより、金属間化合物を形成し前記基板と前記発光素子を接合するステップと、を有する。

本発明によれば、第２の金属を発光素子の裏側に形成する必要がないため、発光装置を安価に製造することができる。

本発明の一実施形態に関わる発光素子の概略断面図本発明の一実施形態の発光装置を説明するための概略平面図と概略断面図本発明の一実施形態に関わる発光装置の製造工程を示す概略断面図

本発明の発光装置の製造方法は、少なくとも、発光素子と、基板と、第１および第２の金属を備える。
本発明においては、発光素子側に設けた第１の金属と基板側に設けた第２の金属とを加熱溶融させて金属間化合物の接合材（接合層）とすることにより、発光素子と基板の接合を行う。

本発明の発光装置の製造方法は、接合材となる金属を発光素子側、基板側それぞれに設けることで、第２の金属を発光素子側に設ける必要がないため、NG部発生による余分な金属材料の使用を削減することができ、発光装置を安価に製造することが可能となる。

図１に、本実施形態の発光素子の構成の一例を示す。このように、発光素子の実装面から順に、反射層、拡散防止層、第１の金属が順に設けられている構成が好ましい。

第１の金属４
第１の金属４は、後述する第２の金属１１と溶融されることによって金属間化合物（共晶、はんだなど）となり接合材２０を形成する第１金属元素を有して形成される。材料としては、特に限定されず、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ａｕなどを用いることができる。また、第１の金属４は第２金属の融点よりも高いことが好ましい。その理由は、まず、第２の金属１１を加熱溶融させて、第１の金属４へ順次溶け込ませることで接合材２０を形成することで、安定して発光素子１の接合が可能になる。

第１の金属４の量または厚み（第１の金属４が層状に形成される場合）は、第１金属元素が第２金属元素と金属間化合物を形成せずに単体のまま残る量を極力少なくするため、第２の金属１１と同量程度が望ましい。

また、第１の金属４がウエハの状態で形成される場合、上述の通りNG部に設けられた第１の金属４は廃棄されることになるため、第２の金属１１より安価な材料であることが好ましい。これにより、安価に発光装置を製造することができる。

第１の金属４は、スパッタ、蒸着等、公知の方法で形成することができる。第１の金属４は層状に形成されることが好ましい。これにより発光素子１を安定して実装することができる。

反射層２
発光素子１と第１の金属４との間に、反射層２が設けられていてもよい。反射層２は、発光素子１の実装面側であって、接合材２０ないし第１の金属４より発光素子
１に近い位置に設けられ、光の取り出し効率向上の役割を果たす。材料としては、反射率の高いＡｌやＡｇなどの材料が望ましく、厚みは例えば１０００〜２０００Å程度とすることができる。

拡散防止層３
本発明において、発光素子１の実装面側であって、反射層２と接合材２０ないし第１の金属４との間に拡散防止層３が設けられていてもよい。これにより、接合材２０の金属が反射層２へ拡散し、反射層２の光反射率を低下することを防ぐことができる。拡散防止層３の厚みは、光の取り出し効率に影響を与えない程度の厚み(例えば、１０００〜２０００Å程度)が好ましい。材料としては、Ａｕ、Ｎｉ等の材料が好ましく用いられる。

発光素子１
発光素子１は、任意の波長の半導体発光素子を選択することができる。例えば、青色、緑色発光の発光素子としては、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物系半導体やＧａＰを半導体層として用いたものを用いることができる。また、赤色の発光素子としては、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰなどを用いることができる。さらに、これ以外の材料からなる発光素子を用いることもできる。用いる発光素子の組成や発光色、大きさや、個数などは目的に応じて適宜選択することができる。
発光素子１は、絶縁性の基板を有するものや、導電性の基板を有するものであってもよい。また、基板を有さず、半導体層のみで形成されたものであってもよい。発光素子１が基板を有する場合には、その基板の側に第１の金属４を形成することが好ましい。

波長変換部材を有する発光装置とする場合には、その波長変換部材を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体が好適に挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、可視光領域の光だけでなく、紫外線や赤外線を出力する発光素子１とすることができる。

発光素子１は、図２に示すように、基板１３の光反射材３１上に実装することが好ましい。これにより、発光装置の光取出し効率を向上させることができる。

発光素子１は、通常、発光装置に設けられる正負一対のリード（図２においては、金属部１２および光反射材を兼ねる）３１などの導電部材と電気的に接続される正負の電極を有している。これらの正負の電極は一面側に設けられていてもよく、発光素子１の上下両面（つまり、上面と実装面）にわかれて設けられていてもよい。導電部材との接続方法は特に限定されず、後述のワイヤ４０によって接続されてもよく、フリップチップ実装によって接続されていてもよい。

発光素子への給電のためには、第１の金属４および第２の金属１１で形成される接合材２０を導電性として発光素子１の電極と接合させるほか、ワイヤ４０を用いることもできる。ワイヤ４０は、複数の発光素子１の間をつなぐように接続することもできる。また、図２に示すように、それぞれの発光素子１ごとにリード３１を接続するように設けることもできる。

ワイヤ４０の材料は、Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ等が好適に用いられるが、光反射率の高いＡｇまたはＡｇ合金であってもよい。

基板１３
図３に、基板１３の構成の一例を示す。図３に示すように、基板１３は金属部１２を有しており、金属部１２上に第２の金属１１が設けられている。
基板１３は、発光素子１を支持する部材であり、その上に発光素子１が接合材２０を介して接合される。

基板１３の材料としては、例えば、樹脂成形体３６を有しているものが挙げられる。
樹脂成形体の基材としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができ、特に、熱硬化性樹脂を用いるのが好ましい。熱硬化性樹脂としては、封止部材に用いられる樹脂に比してガス透過性の低い樹脂が好ましく、具体的にはエポキシ樹脂組成物、シリコーン樹脂組成物、シリコーン変性エポキシ樹脂などの変性エポキシ樹脂組成物、エポキシ変性シリコーン樹脂などの変性シリコーン樹脂組成物、ポリイミド樹脂組成物、変性ポリイミド樹脂組成物、ウレタン樹脂、変性ウレタン樹脂組成物などをあげることができる。このような樹脂成形体の基材に、充填材（フィラー）としてＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＭｇＣＯ_３、ＣａＣＯ_３、Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ｃａ（ＯＨ）_２などの微粒子などを混入させることで光の透過率を調整し、発光素子からの光の約６０％以上を反射するよう、より好ましくは約９０％を反射するようにするのが好ましい。

なお、基板１３に用いられる材料は、上記のような樹脂に限られず、セラミックやガラスや金属等の無機物等形成されてもよい。これにより、劣化等が少なく、信頼性の高い発光装置とすることができる。特に、低温焼結セラミック（ＬＴＣＣ）を用いることで、高い光取出し効率と高信頼性を両立した発光装置を製造することができる。

基板１３は、少なくとも金属部１２を備える。この金属部１２の上に第２の金属１１が設けられる。

第２の金属１１
第２の金属１１は、基板１３上に形成され、第１の金属４と加熱溶融されることで金属間化合物を形成する第２の金属元素をいう。材料としては、第１の金属４と金属間化合物（もしくは共晶、はんだ）を形成するものであれば特に限定されないが、低い温度により加熱処理を行うため、Ｓｎの他Ｉｎ、Ｂｉ等の比較的融点の低い金属が好ましい。これにより、第２金属元素を加熱溶融させて第１金属元素へ順次溶け込ませることで、接合材２０を効率よく形成することができる。

また、第１の金属４よりも融点の低いものが好ましい。これにより、まず第２金属元素を加熱溶融させて第１金属元素へ順次溶け込ませることで、接合材２０を効率よく形成することができる。特に、第２の金属１１が分離されて複数設けられている場合、まず第２の金属１１が溶融することで、第２の金属１１が第１の金属４の略全面に広がって接する。これにより、第２の金属１１の量を少なくしながら、第２の金属１１が溶け込む部分を広くすることができ、接合材２０を薄く均一に形成することができる。

第２の金属１１を基板１３上に設けるステップは、どのような方法であってもよいが、例えば、ディスペンサー、印刷等により、複数分離された状況で基板上に塗布することが好ましい。このように第２の金属１１の使用量を調整することで、安価に発光装置を製造することができる。

具体的には、使用する金属の性質にもよるが、例えば、発光素子１のサイズが平面視で８００×８００μｍの矩形である場合には、第２の金属１１は直径１００μm程度の半球形で、等間隔で３×３〜４×４程度の数に分離して配置されることができる。しかしながら、第２の金属１１は、基板１３上にスパッタリング等により実装する部分の略全面に設けられても良い。

第２の金属１１は、基板１３上に形成された後、発光素子１が載置される前に、加熱や加圧等によって基板１３に固定されることが好ましい。これにより、第２の金属１１の基板１３からの脱落を防止することができる。特に、第２の金属１１が複数分離されて形成されている場合には、より脱落を防止することができ、好ましい。また、加熱・加圧の際に、第２の金属１１の上面を平坦とすることが好ましい。これにより、第２の金属１１の上面に安定して発光素子１を配置することができる。

第２の金属１１の形状はどのようなものでもよく、上述のような半球形状の他、層状とすることができる。層状とすることで、発光素子１を安定して載置・接触させることができる。また、平面視の形状も特に限定されず、第１の金属４と同様の形状であってもよく異なる物であってもよい。もしくは発光素子１と略同様の形状などとすることができる。これにより、発光素子１を安定して実装することができる。

また、基板１３（より具体的には金属部１２）と第２の金属１１との間には、第２の金属１１の酸化を低減する酸化防止層が薄膜(例えば、厚み１５０Å程度)で設けられていることが好ましい。この酸化防止層は、第２の金属１１が加熱処理において溶融したときに接合材２０中に溶け込んでもよい。このような酸化防止層の材料としては、Ａｕなどを用いることができる。

そして、上述のような発光素子１側に設けた第１の金属４と、基板１３上に設けられた第２の金属１１を、加熱溶融させる。これにより、第１の金属４と第２の金属１１の金属間化合物を形成して、発光素子１と基板１３とを接合する。

このステップは、具体的には、基板１３上に設けた第２の金属１１の上に第１の金属４が接触するように発光素子１を載置し、加熱溶融することで行われる。このような加熱溶融の方法は特に限定されず、公知のリフロー装置等を用いて行うことができる。

加熱の温度は、第１の金属４と第２の金属１１として用いられる材料により異なり、特に限定されないが、第１の金属４の融点より低く、第２の金属１１の融点より高いことが好ましい。これにより、第１の金属４に第２の金属１１を徐々に溶け込ませることができる。しかしながら、発光素子１や基板１３の耐熱性を考慮し、それ以下の加熱温度である必要がある。そのため、例えば、第１の金属４にＣｕ、第２の金属１１にＳｎ、発光素子１としてＧａＮ系の半導体層を有するものを用いた場合、２６０℃〜３３５℃の範囲の温度であることが好ましい。

これと同様に、加熱時間も、第１の金属４と第２の金属１１として用いられる材料により異なる。例えば第１の金属４にＣｕ、第２の金属１１にＳｎを用いた場合、前記加熱温度範囲で１００〜２００ｓ程度であることが好ましい。

封止部材３９
本発明の発光装置３０は、さらに封止部材３９を備えていてもよい。封止部材を発光素子、基板、ワイヤ等の部材を被覆するよう設けることで、被覆した部材を塵芥や水分、更には外力などから保護することができ、発光装置の信頼性を高めることができる。

封止部材３９は、どのような形状に設けられてもよい。例えば、図２のように基板（樹脂成形体３６）に凹部が形成されている場合には、凹部内を充填するよう設けられてもよいし、略半球のレンズ形状等に設けられてもよい。

封止部材３９は、発光素子１からの光を透過可能な透光性を有し、且つ、それらによって劣化しにくい耐光性を有するものが好ましい。具体的な材料としては、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、フッ素樹脂組成物など、発光素子１からの光を透過可能な透光性を有する絶縁樹脂組成物を挙げることができる。特にジメチルシリコーン、フェニル含有量の少ないフェニルシリコーン、フッ素系シリコーン樹脂などシロキサン骨格をベースに持つ樹脂を少なくとも１種以上含むハイブリッド樹脂等も用いることができる。

封止部材３９の形成方法は、特に限定されない。封止部材３９が樹脂である場合には、ポッティング（滴下）法、圧縮成型法、印刷法、トランスファモールド法、ジェットディスペンス法、スプレー塗布などを用いることができる。図２のような凹部を有する基板１３の場合は、ポッティング法が好ましく、平板状の基板１３を用いる場合は、圧縮成型法やトランスファモールド法が好ましい。

封止部材３９の外表面の形状については特に限定されず、発光装置３０に求められる配光特性などに応じて種々選択することができる。例えば、上面を凸状レンズ形状、凹状レンズ形状、フレネルレンズ形状、粗面などとすることで、指向特性や光取出し効率を調整することができる。

封止部材３９には、着色剤、光拡散剤、光反射材、各種フィラー、波長変換部材などを含有させることもできる。

波長変換部材は、発光素子１の光を波長変換させる材料である。発光素子１からの発光が青色光の場合、波長変換部材としては、アルミニウム酸化物系蛍光体の一種であるイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（以下、「ＹＡＧ：Ｃｅ」と呼ぶ。）が好適に用いられる。ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は、その含有量によって発光素子からの青色系の光を一部吸収して補色となる黄色系の光を発するため、白色系の混色光を発する高出力な発光装置を、比較的簡単に形成することができる。また、ＣＡＳＮ、ＳＣＡＳＮ、ＫＳＦ等の赤系を発する蛍光体も用いることができる。

保護素子
発光装置３０は、上記の他、種々の部材を備えることができる。例えば、保護素子４１としてツェナーダイオードを搭載することができる。

図３に、本発明の一実施例を示す。
図３(a)に示すように、まず、第１のステップとして、基板１３上に設けられた金属部１２上に第２の金属１１を設ける。具体的には、第２の金属１１としてのＳｎを加熱して溶解させ、これをディスペンサー等で基板１３上に略半球形状で複数配置する。

次に、図３(b)に示すように、第２のステップとして、配置した第２の金属１１を基板１３に固定する。具体的には、配置した第２の金属１１を、ホットプレート１４により加熱圧着（ホットプレス）し、基板へ固定する。このホットプレスの温度は、第２の金属１１が完全に溶融しないが変形する程度であって、第２の金属１１の融点よりも低い温度が好ましい。例えば、第２の金属１１としてＳｎを使用した場合、１８０〜２００℃程度で行うことが好ましい。
その後、第２の金属１１の上へ発光素子１を仮固定するため、仮止め剤(フラックス等)を塗布する。

次に、図３(c)、(d)に示すように、第３のステップとして、前記実施形態で説明した発光素子１と同様の発光素子１を準備し、第１の金属４が第２の金属１１と接触するよう、第２の金属１１の上に載置する。第１の金属４はＣｕであり、発光素子１の実装面側の略全面に層状に形成されている。また、発光素子１と第１の金属４の間には、反射層２と拡散防止層３がこの順に形成されている。この発光素子１は、第１の金属４が形成された側を下にして、基板１３上に配置した第２の金属１１の位置に合わせて搭載される。

そして、第４のステップとして、加熱(リフロー)処理により第１の金属４と第２の金属１１を溶融させ金属間化合物を形成し、接合材２０を形成し、発光素子１と基板１３との接合を行う。このときの加熱温度及び時間は、２６０℃〜３３５℃、１００〜２００秒程度で行う。

加熱(リフロー)処理している間、まず、第２の金属１１が溶融して液状となり、基板１３の上に濡れ広がる。そして加熱を進めると、時間とともに第２金属元素が第１の金属４の第１金属元素層へ順次溶け込んでいく。そして、第２金属元素単体での存在がなくなるまで加熱処理を行う。その後固化して金属間化合物が接合材２０として形成される。このようにして、発光素子１が基板１３に実装される。

本実施例は、第１金属元素がＣｕ、第２金属元素がＳｎであるが、加熱処理によってＳｎがＣｕ層へ順次溶け込んでいくことにより、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物が形成される。

１発光素子
２反射層
３拡散防止層
４第１の金属
１１第２の金属
１２金属部
１３基板
１４ホットプレート
２０接合材
３０発光装置
３１リード
３６樹脂成形体
３９封止部材
４０ワイヤ
４１保護素子

Claims

実装面に第１の金属が形成された発光素子を準備するステップと、第２の金属が形成された基板を準備するステップと、前記第１の金属および前記第２の金属を接触させ、前記第１および第２の金属の少なくともいずれかの融点より高い温度で加熱溶融させることにより、金属間化合物を形成し前記基板と前記発光素子を接合するステップと、を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
前記第２の金属の融点は、前記第１の金属の融点よりも低いことを特徴とする、請求項１に記載の発光装置の製造方法
前記第１の金属は、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ａｕから選択される少なくとも１種である、請求項１または２に記載の発光装置の製造方法。
前記第２の金属は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉから選択される少なくとも１種である、請求項１乃至３のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
前記発光素子は、前記実装面に反射層及び拡散防止層が設けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
前記反射層は、Ａｌ、Ａｇから選択される、請求項５に記載の発光装置の製造方法。
前記拡散防止層は、Ｎｉ、Ａｕから選択される、請求項５に記載の発光装置の製造方法。
前記基板と前記発光素子を接合するステップは、前記第２の金属を溶融し、前記第１の金属へ溶け込ませることで前記金属間化合物を形成するステップを備える、請求項１乃至７のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
前記第２の金属を前記基板上に形成するステップにおいて、前記第２の金属を複数分離した形状で前記基板上に形成する、請求項１乃至８のいずれかに記載の発光装置の製造方法。