JP2618475B2 - Ｌｅｄアレイチップとヒートシンク基板との接合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 『産業上の利用分野』 本発明はLED（発光ダイオード）アレイチップとヒー
トシンク基板との接合方法に関する。

『従来の技術』 コンピュータの架内配線として、無誘導性、漏話防
止、高密度化、長距離化を目的とした光伝送（光通信）
の検討が進められている。

なかんづく、光パラレル伝送は、光伝送路の増設によ
り大容量の光伝送が可能であり、アナログ伝送も可能で
あることを鑑みた場合、光シリアル伝送よりも優れてい
る。

光パラレル伝送を実現するためには、光素子のアレイ
化、特に、LEDのアレイ化が不可欠であり、これととも
に、LEDの高密度実装も要求されるが、LEDの場合は、こ
れを高密度実装するほど、その発熱問題が大きくなる。

したがって、LEDアレイの製造に際しては、LEDアレイ
チップとヒートシンク基板との接合が重要な技術的課題
となる。

一般に、LEDアレイの放熱性を高めるためには、ヒー
トシンク基板に対するLEDアレイチップのジャンクショ
ンを下向きに接合した構造が望ましいとされている。

このようなLEDアレイにおいて、Ｎ側電極は駆動上、
各素子共通でよいが、Ｐ側電極は、これらを独立して駆
動させる必要上、各電極の引き出しが難しい。

ちなみに、従来技術では、LEDアレイチップの各Ｐ側
電極とヒートシンク基板と各リード電極とを金−スズ系
の蝋符号金（半田）にて溶接するとき、隣接するＰ側電
極相互の短絡を防止すべくヒートシンク基板の所定箇所
に溝を設け、半田が他所の電極にまで流出するのを阻止
している。

『発明の解決しようとする課題』 上述した従来技術の場合、ヒートシンク基板として、
シリコン、シリコンカーバイドのごとき加工困難な材料
を用いているので、良品の得られる歩留りが悪く、コス
ト高となる。

その他、ヒートシンク基板へLEDアレイチップを取り
つけるとき、多心光ファイバに対する光軸合わせの行な
いやすい構造が望ましいが、多心光コネクタ、LEDアレ
イチップの精度がミクロンオーダであることからする
と、現状のLEDアレイチに関する技術レベルでは、かか
る位置合わせを精密に行なうのが困難であり、しかも、
発光出力をモニタしつつ最高出力を検出して当該光軸合
わせを行なうので、これにかなりの時間を費やしてしま
う。

本発明はこのような技術的課題に鑑み、電極相互の短
絡防止、熱抵抗の抑制、光ファイバとの軸合わせ易度な
どをはかることのできるLEDアレイの製造技術、特に、L
EDアレイチップとヒートシンク基板との接合方法を提供
しようとするものである。

『課題を解決するための手段』 本発明に係るLEDアレイチップとヒートシンク基板と
の接合方法は、所期の目的を達成するために下記の課題
解決手段を特徴とする。すなわち本発明の課題解決手段
は、LEDアレイチップ下面にパターン形成された電極と
ヒートシンク基板上面にパターン形成されたリード電極
との間に配した蝋付合金を加熱溶融することにより、LE
Dアレイチップ側の電極とヒートシンク基板のリード電
極とを相互に接合する方法において、上下に対応して対
をなす複数対の位置決めパッドをLEDアレイチップ下面
やヒートシンク基板面にそれぞれ設けておくこと、およ
び、LEDアレイチップ下面とヒートシンク基板上面とを
互いに対面させて上下に対をなす位置決めパッドを位置
合わせすること、および、上記両電極間に配した蝋付合
金よりも低融点のものであって位置合わせされた上下位
置決めパッド間にある低融点半田をこれら位置決めパッ
ドと共に加熱して上下位置決めパッド間に溶融物を生じ
させ、かつ、該溶融物の表面張力によりLEDアレイチッ
プを微動させて、相互に接続すべきこれら電極を位置合
わせし、ついで、これら電極間の蝋符号金を加熱溶融し
て当該位置合わせ後の両電極を相互に接合することを特
徴とする。

『作用』 本発明におけるLEDアレイチップ、ヒートシンク基板
の電極、リード電極と各位置決め用パッドについては、
相互に接続すべき電極、リード電極を互いに一致させた
とき、上下に対をなす位置決めパッドも互いに一致する
相対的に位置関係を満足させる。

こうしたLEDアレイチップ、ヒートシンク基板は、こ
れらのチップ上面、基板下面を互いに対面させ、上下に
対をなす各位置決めパッドを互いに位置合わせする。

この場合、上下に対をなす各位置決めパッドは互いに
重なり合うことを要するが、該各位置決めパッドの中心
が完全に一致するほどの精密さは、後述する理由により
要求されない。

その後、各位置決めパッドを上記電極、リード電極の
融点よりも低い温度で加熱する。

この加熱によるときは、上下位置決めパッドとかこれ
ら間の低融点半田が溶けて溶融物（液粒）になり、これ
ら位置決めパッドがその溶融物の表面張力により自動的
に位置合わせされる。したがって、上下に対をなす各位
置決めパッドは、これら中心が完全に一致していなくて
も、この際の溶融物により自動的に一致する。また、当
該溶融物を介して支持される軽量なLEDアレイチップ
も、かかる位置合わせにともなって微動し、所定の位置
を確保する。

このように、上下の各位置決めパッドが合体されて、
LEDアレイチップが微動したとき、相互に接続すべきLED
アレイチップ側の各電極と、ヒートシング基板側の各リ
ード電極とが精密に位置合わせされる。

その後、電極、リード電極に付されている蝋付合金を
加熱溶融してこれらを液粒にする。こうした場合には、
上位に位置する電極側の液粒と下位に位置するリード電
極側の液粒とが互いに接触し、これと同時に表面張力で
一つのものに合体する。したがって電極、リード電極相
互が精密に溶接される。

なお、上記加熱時の温度は、必ずしも、二段階に設定
することを要せず、たとえば、加熱源の配置、比熱、融
点など、これらを適切に設定し、位置決めパッドにおけ
る蝋付合金の溶融時間を、上記電極、リード電極におけ
る蝋付合金の溶融時間よりも短く設定すれば、既述の場
合と同様に、電極、リード電極相互が精密に溶接され
る。

『実 施 例』 本発明方法の実施例につき、図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明方法が製造対象とするLEDアレイの一
例であり、かかるLEDアレイ11は、第２図をも参照して
明らかなように、LEDアレイチップ21とヒートシンク基
板31とを主体にして構成されている。

LEDアレイチップ21は、周知の通り、基板結晶上に活
性層を含む所要の結晶層がエピタキシャル成長されたも
のである。

LEDアレイチップ21には、その上面全域に共通のＮ側
電極22が形成され、その下面中央に所要数のＰ側電極23
がパターン成形され、さらに、その下面両側には位置決
めパッド24a、24bが形成されている。

ヒートシンク基板31の上面中央には、上記各Ｐ側電極
23に対応した複数のリード電極32が形成されており、ヒ
ートシンク基板31の上面両側には、上記位置決めパッド
24a、24bと対をなす位置決めパッド33a、33bと、該各位
置決めパッド33a、33bの外側に位置する位置合わせガイ
ド34a、34bとが形成されている。

上記において、ヒートシンク基板31は、LEDアレイチ
ップ21の基板結晶（例:InP系、GaAs系）よりも熱伝導率
の大きい電気絶縁性材料、たとえば、シリコンカーバイ
ド、チッ化アルミニウム、アルミナなどの電気絶縁性材
料からなる。

LEDアレイチップ21のＮ側電極22は、貴金属を含む複
合金属導体、たとえば、ニッケル（下地）−金（上地）
からなる。

LEDアレイチップ21の各Ｐ側電極23、ヒートシンク基
板31の各リード電極32は、その要部が上記複合金属導体
からなり、これら各Ｐ側電極23の下部、各リード電極32
の上部が、上記複合金属導体に蝋付された蝋付合金、た
とえば、金−スズ系の半田により構成されている。

なお、LEDアレイチップ21の下面、ヒートシンク基板3
1の上面に、各Ｐ側電極23、各リード電極32をパターン
成形する手段としては、公知ないし周知のフォトリソグ
ラフィ法が採用される。

LEDアレイチップ21、ヒートシンク基板31における位
置決めパッド24a、24b、33a、33bは、低融点の蝋付合
金、たとえば、鉛−スズ系の半田からなる。

ヒートシンク基板31における各位置合わせガイド34
a、34bは、一例として、金属製の円筒からなり、これら
円筒形の位置合わせガイド34a、34bが低融点の蝋付合
金、たとえば、鉛−スズ系の半田を介してヒートシンク
基板31の上面に蝋付されている。

さらに、低融点半田35は、上下に対をなす位置決めパ
ッド24a・33a間、24b・33b間にそれぞれ介在されるもの
である。ちなみに図示例においては、第２図のごとく、
低融点半田35が位置決めパッド33a・33bの上面に施され
て所定の箇所に介在されている。この低融点半田35は、
位置決めパッド24a・24b・33a・33bと同材質である。

上述したLEDアレイチップ21、ヒートシンク基板31
は、各位置決めパッド24a、24b、33a、33b、各Ｐ側電極
23、リード電極32が、24a:33a、24b:33b、23:32のごと
く溶接され、かくて、第１図に例示したLEDアレイ11が
得られる。

以下、LEDアレイチップ21とヒートシンク基板31とを
接合する方法について述べる。

第２図（Ａ）の場合、LEDアレイチップ21は、その上
面にＮ側電極22、その下面にＰ側電極23、位置決めパッ
ド24a、24bを備えており、ヒートシンク基板31は、その
上面にリード電極32を備え、場合により、位置合わせガ
イド34a、34bあるいはその位置合わせガイド34a、34bを
溶接するための蝋付合金を備えている。

第２図（Ａ）においては、LEDアレイチップ21の下面
とヒートシンク基板31の上面とを対面させ、上下に対を
なす位置決めパッド24a・33a、24b・33bを互いに重ね合
わせる。そしてこれら位置決めパッド24a・33a間、24b
・33b間には、低融点半田35がそれぞれ介在されたもの
となっている。

ちなみに、各位置決めパッド24a、24b、33a、33bの融
点は、各Ｐ側電極23の下部、各リード電極32の上部に蝋
付された蝋付合金の融点よりも、10℃程度低い。という
ことは、低融点半田35もこれと同じということである。

第２図（Ｂ）において、各位置決めパッド24a:33a、2
4b:33bは、これらの融点を５℃上回る温度にて加熱す
る。

この加熱によるとき、各位置決めパッド24a・24b・33
a・33bや低融点半田35は溶融状態になるが、各電極23の
上部や各リード電極32の下部にある蝋付合金はまだ溶融
されない。

このときに溶融した各位置決めパッド24a・24b・33a
・33bや低融点半田35、とくに位置決めパッド間の低融
点半田35は自身の表面張力で表面積の小さい粒になる。
したがって位置決めパッド24a・33aおよび24b・33bの中
心が自動的に一致する。また、これらの溶融物で支持さ
れる軽量なLEDアレイチップも、当該位置合わせにとも
なって微動するから、各Ｐ側電極23と各リード電極32と
が精密に位置合わせされる。

第２図（Ｃ）では、上記位置合わせ後、各Ｐ側電極23
の下部や各リード電極32の上部にある蝋付合金、すなわ
ち、接合すべき両電極23・32間の蝋付合金をその融点以
上の温度で加熱する。

この加熱により各Ｐ側電極23の蝋付合金や各リード電
極32の蝋付合金が液粒になり、これら上下の液粒が互い
に接触して一つのものに合体するから、Ｐ側電極23とリ
ード電極32とは、この際の液粒を他所へ流出させること
なく精密に溶接されるものとなる。

上述したようにして、LEDアレイチップ21のヒートシ
ンク基板31とを接合する場合、Ｐ側電極23、リード電極
32相互の位置合わせが高精度に行なえるので、各Ｐ側電
極23の間隔の小さくしても電極のブリッジ（短絡）が殆
ど生じない。

ちなみに、従来例でのＰ側電極間隔は、200〜300μｍ
が限度であるが、本発明方法によるときは、Ｐ側電極間
隔を100μｍ程度に狭ばめても、既述のブリッジが生じ
ない。

その結果、ヒートシンク基板31に対するＰ側電極23の
接合面積を大きくすること、すなわち、熱抵抗を低減す
ることができ、従来例よりも、より高い順方向電圧に
て、LEDアレイ11を駆動させることができる。

上記において、Ｐ側電極23とヒートシンク基板31とを
接合するための蝋付合金（半田）は、80％金−残部スズ
からなるのが望ましい。

金−スズ系の半田は、エレクトロマイグレーションな
ど、信頼性の点で安全な合金であるが、かかる半田を用
いるとき、Ｐ側電極23上に、チタン、白金などのバリア
層を設けておくことも、信頼性を確保する上で重要であ
る。

上記において、ヒートシンク基板31の上面に、位置合
わせガイド34a、34bの目安となるパッドを既述のフォト
リソグラフィ法によりパターン形成しておけば、LEDア
レイチップ21と同時に位置合わせガイド34a、34bをヒー
トシンク基板31上に接合（蝋付）することもできる。

この位置合わせガイド34a、34bは、LEDアレイ11を第
３図に例示の多心光コネクタ（周知）と対応させるため
に設けられる。

第３図の多心光コネクタ41は、その両側部にガイド孔
42を有し、そのガイド孔42と密に嵌合するガイドピン43
を備えている。

かかる多心光コネクタ41は、多心被覆光ファイバ44の
端部に取りつけられ、そのコネクタ突き合わせ面と面一
な状態で各光ファイバ45の端面が露出している。

第３図において、多心光コネクタ41相互は、これらの
ガイド孔42にガイドピン43を差しこんで突き合わせるこ
とにより、多心被覆光ファイバ44相互の各光ファイバ45
が光学的に接続される。

第３図の多心光コネクタ41が、かかる構成を備えてい
るとき、上述した位置合わせガイド34a、34bは、その多
心光コネクタ41の両ガイド孔42に対応した間隔で、ヒー
トシンク基板31上に設けられており、したがって、これ
らガイド34a、34b、両ガイド孔42に依存してLEDアレイ1
1と多心光コネクタ41とを光学的に接合することができ
る。

その他、実装密度を向上させるべく、LEDアレイ駆動
用のICチップなど、各種のチップを既述の蝋付手段でヒ
ートシンク基板31上に直接実装してもよい。

つぎに、コンピュータ間のパラレル伝送において、多
心光コネクタ付の多心被覆光ファイバ（８心）と光学的
に接続する際に用いられるLEDアレイの製造技術、すな
わち、８個のLEDを含むLEDアレイチップをヒートシンク
基板上に接合する技術について具体的に説明する。

この具体例では、LEDアレイと光ファイバとの光学的
接続を考慮し、位置合わせガイドと、LED駆動用の各Ｐ
側電極パターン（独立）、Ｎ側電極パターン（共通）な
どを備えたLEDアレイチップとをヒートシンク基板上に
実装するが、上述した多心被覆光ファイバ（８心）の場
合、コア径50μｍφ、クラッド径125μｍφであるGI型
の各光ファイバが、250μｍのピッチで並んでいるの
で、これと対応するLEDアレイチップとして、８個のLED
が250μｍのピッチでアレイ化されたものを用いた。

LEDアレイチップをヒートシンク基板上に接合すると
き、放熱効果をよくするため、ヒートシンク基板に対す
るLEDアレイチップのジャンクションを下向きにし、Ｐ
側電極をヒートシンク基板側に接合する。

上述したLEDは、基板結晶がInPであり、光ファイバの
伝送損失を小さくするため、中心波長が1.3μｍに設定
されているほか、その光結合特性を向上させるため、Ｎ
側電極のある基板面がドライエッチングにてレンズ状に
加工されたモノシリック構造を有する。

電気絶縁性をもつヒートシンク基板としては、熱膨張
係数がシリコンと同程度であり、熱伝導率がシリコンの
約２倍であるシリコンカーバイドを用いた。

ヒートシンク基板において、あらかじめ、内径0.7mm
φ位置合わせガイドを蝋付するための位置決めパッドを
設ける箇所、Ｎ側電極、Ｐ側電極のリード電極パターン
を設ける箇所、特に、LEDアレイチップ、位置合わせガ
イドを実装する箇所は、半田がよく拡散する、いわゆ
る、濡れ性のよい金メッキを施した。

LEDアレイチップも、Ｐ側電極の表面側に金を配し、
その下地として、金の拡散を防止するチタン製のバッフ
ァ層を1000Å厚で形成した。

LEDアレイチップの下面、ヒートシンク基板の上面に
備える位置決めパッドとしては、Sn−Pb−In系の半田を
用い、Ｐ側電極の下部、リード電極の上部には、それぞ
れ、80％Au−残部Snからなる半田をつけた。

この場合、Sn−Pb−In半田（誘電200℃）は、Au−Sn
半田（融点260℃）よりも、多くつける。

前述した位置合わせガイド用の位置決めパッドも、Sn
−Pb−In半田（融点200℃）とする。

これらの仕様、条件下において、前記第２図（Ａ）
（Ｂ）（Ｃ）の工程順にLEDアレイチップとヒートシン
ク基板とを接合したところ、第２図（Ａ）の時点でみら
れた100μｍ程度の位置ずれが、第２図（Ｂ）の段階で
是正され、その後、第２図（Ｃ）の工程を終えたとき、
互いに接続すべき上下一対の各Ｐ側電極、リード電極が
他所と短絡することなく精密に接合され、位置合わせガ
イドも、同時に所定位置へ固定された。

『発明の効果』 本発明は、LEDアレイチップ側の各電極（接続対象の
一方）とヒートシンク基板側の各リード電極（接続対象
の他方）とを互いに一致させて接合するための方法とし
て、つぎのような効果を有する。

上下両位置決めパッド間に介在された低融点半田を
溶かし、その溶融物の表面張力に依存したLEDアレイチ
ップ微動により電極相互（接続対象物）を自動的に位置
合わせするという先行のプロセスと、両方の電極に付さ
れている蝋付合金を加熱溶融してこれら電極相互を精密
溶接するという後行のプロセスとを備えている。したが
って難度のないこれら二つのプロセスを介して能率よ
く、しかも電極相互の短絡を防止したり熱抵抗を抑制し
たりしながら歩留よく、LEDアレイを製造することがで
きる。

先行のプロセスで溶かされる低融点半田が、後行の
プロセスで溶かされる蝋付合金（接続すべき両電極間に
ある蝋付合金）よりも低融点であり、該低融点半田が、
これの融点以上かつ蝋付合金の融点以下の温度で溶かさ
れるというものである。したがって、先行のプロセスに
おいて両電極間の蝋付合金が溶けてしまうというような
不本意な事態が発生せず、所期の接合を目的どおりに達
成することができる。

上記二つのプロセスで行なわれる溶融接合は、金属
バンプを用いる圧力接合と異なり、LEDアレイチップ・
ヒートシンク基板相互を加圧する必要が全くといってよ
いほどない。したがって化合物半導体など、圧縮荷重に
耐えられない半導体分野での接合にも難なく適用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法が対象とするLEDアレイを略示した
斜視図、第２図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は本発明方法の要部
をその工程順に略示した説明図、第３図は多心光コネク
タを略示した斜視図である。 11……LEDアレイ 21……LEDアレイチップ 22……Ｎ側電極 23……Ｐ側電極 24a……位置決めパッド 24b……位置決めパッド 31……ヒートシンク基板 32……リード電極 33a……位置決めパッド 33b……位置決めパッド 34a……位置合わせガイド 34b……位置合わせガイド 35……低融点半田

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】LEDアレイチップ下面にパターン形成され
   た電極とヒートシンク基板上面にパターン形成されたリ
   ード電極との間に配した蝋付合金を加熱溶融することに
   より、LEDアレイチップ側の電極とヒートシンク基板の
   リード電極とを相互に接合する方法において、上下に対
   応して対をなす複数対の位置決めパッドをLEDアレイチ
   ップ下面やヒートシンク基板面にそれぞれ設けておくこ
   と、および、LEDアレイチップ下面とヒートシンク基板
   上面とを互いに対面させて上下に対をなす位置決めパッ
   ドを位置合わせすること、および、上記両電極間に配し
   た蝋付合金よりも低融点のものであって位置合わせされ
   た上下位置決めパッド間にある低融点半田をこれら位置
   決めパッドと共に加熱して上下位置決めパッド間に溶融
   物を生じさせ、かつ、該溶融物の表面張力によりLEDア
   レイチップを微動させて、相互に接続すべきこれら電極
   を位置合わせし、ついで、これら電極間の蝋符号金を加
   熱溶融して当該位置合わせ後の両電極を相互に接合する
   ことを特徴とするLEDアレイチップとヒートシンク基板
   との接合方法。