JP2828373B2 - 発光ダイオード素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は発光ダイオード素子の
製造方法に関する。より詳しくは、リードフレームに発光
ダイオードチップ(以下、単に「チップ」という。)を取り
付け、その周囲を透光性樹脂で封止する発光ダイオード
素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオード素子としては、図６(a),
(b)に示すように(同図(b)は同図(a)のものを上方から見
たところを示している。)、導電性接着剤３によってリ
ードフレーム１aにチップ２を取り付け(ダイボンディン
グ)、チップ２と別のリードフレーム１bとをワイヤ４で
接続し(ワイヤボンディング)、これらの周囲を硬質の透
光性樹脂５で直接封止したものがある。なお、同図(c),
(d)は２つのチップ２a,２bと３本のリードフレーム１a,
１b,１cを含む例、同図(e),(f)はリードフレーム１aに
光反射部８を設けた例を示している。各リードフレーム
は鉄フレームにＡgめっきを施したもので、その表面の
光沢濃度は０.３〜０.７(半光沢)となっている。

【０００３】上記封止樹脂５は、高い透明性を有し、半
田耐熱性や耐湿性,耐温度サイクル性など物性のバラン
スが良く、しかも、比較的廉価で加工が容易であること
が要求される。一般に、封止樹脂５としてエポキシ樹脂
が用いられている。

【０００４】従来、エポキシ樹脂５は、主成分であるジ
グリシジルエーテルビスフェノールＡにアルキルグリシ
ジルエーテル(アルキル基の炭素数n≧４のもの)等の反
応性希釈剤を重量比率９:１の割合で添加し、これと化
学当量のメチルヘキサヒドロフタル酸無水物(Ｍe−ＨＨ
ＰＡ)を加え、さらに、ジメチルベンジルアミン等の硬
化促進剤を全重量に対して０.５〜１.０％含まれるよう
に添加し、混合および撹拌して調整されている。硬化促
進剤の添加量を１.０％以下に抑えている理由は、主
に、発光ダイオード素子の商品価値を失わせる重大なマ
イナス要因のひとつである硬化時の黄変を防止するため
である。また、長期高温保存による経時的な黄変(イエ
ローイング)を防止するためである。なお、硬化促進剤
は物理的にも化学的にも不純物としての挙動をとるた
め、元より含有率を小さくする必要がある。

【０００５】また、エポキシ樹脂５の硬化条件は、１１
０℃の雰囲気で３〜４時間硬化(一次硬化)させて一旦離
型した後、１２０℃程度の雰囲気で１０〜１６時間反応
させる(アフタキュア)か、または、１３０℃程度の雰囲
気で１〜３時間一次硬化させて離型した後、１３０℃程
度の雰囲気で４〜８時間アフタキュアするものである。
上記一次硬化とアフタキュアとを入れ換えたような硬化
条件も知られている。いずれにしても、従来は、雰囲気
温度を１４０℃以下の比較的低温に設定している。この
ように低温で硬化させる理由は、硬化促進剤の場合と同
様に、主に硬化時の黄変を防止するためである。

【０００６】このようにして調整,硬化されたエポキシ
樹脂５は、酸化され易い金属Ａgの表面に水素結合を形
成して接着することから、リードフレーム１a,１b,１c
を覆った部分の略全域にわたって密に接着している。こ
こで、密に接着しているとは、できあがった発光ダイオ
ード素子を剥離検知用の浸透性赤色インク(いわゆるレ
ッドチェックインク)に常温で１分間程度浸漬したと
き、上記インクが浸透することによる染色が起こらない
ことをいう。

【０００７】なお、屋外表示板用の発光ダイオード素子
の場合は、輝度を高めるために高電流が流される上、素
子の集積度が高く、また太陽光の直射を受ける。このた
め、封止樹脂５は、耐熱性があること、すなわちガラス
転位温度が高いことが要求される。例えば、青色発光を
含むフルカラーではガラス転位温度１５０℃以上が要求
される。そこで、ガラス転位温度を上げるために、封止
樹脂５の成分中に、コスト的に割高になる脂環式エポキ
シ化合物を添加することがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、発光ダイオ
ード素子を構成するチップ２は、通電中に応力を受ける
と、内部で結晶欠陥が増殖されて発光効率が低下、すな
わち、輝度が低下する性質を有している。輝度低下の速
度は上記応力の大きさに比例して大きくなる。上述のよ
うに封止樹脂としてエポキシ樹脂５を用いた場合、エポ
キシ樹脂５の線膨張係数はチップ２の線膨張係数よりも
極めて大きいため、エポキシ樹脂５の応力(収縮力)を受
けて輝度が低下する。さらに、低温になるほど収縮力が
大きくなって、輝度が低下する速度も大きくなる。この
ため、図６に示したものは、氷点下乃至室温に至るまで
の温度域で無視できない程度に輝度が劣化するという問
題がある。このため、チップの高輝度化や原価低減(こ
れらは通常、応力に対してチップを脆弱にする)に支障
が生じている。

【０００９】そこで、図７に示すように、チップ２の周
囲(リードフレーム１a,…やボンディングワイヤ４の一
部を含む)を一旦軟質の透光性樹脂(一般にはシリコーン
樹脂)６で覆った後、全体をエポキシ樹脂５で封止する
構造が提案された。この構造は、エポキシ樹脂５の収縮
応力を軟質のシリコーン樹脂６によって吸収させようと
したもので、低温域の輝度低下を問題ないレベルにまで
抑えることができる。

【００１０】ところが、図７に示したものは、高温域の
通電において無視できない輝度低下を引き起こすことが
分かっている。これは、シリコーン樹脂６の線膨張係数
がエポキシ樹脂５よりも更に大きいことに起因すると推
定されている。つまり、シリコーン樹脂６には、柔軟性
（弾性率が小さいという性質)を相殺して余りある熱膨
張が発生するのである。また、温度変化に伴ってシリコ
ーン樹脂６とチップ２,エポキシ樹脂５との間の界面が
剥離し易く、この界面での全反射による輝度低下も無視
できない。

【００１１】そこで、この発明の目的は、低温乃至高温
域で輝度低下を抑制できる発光ダイオード素子の製造方
法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の発光ダイオード素子の製造方法は、リー
ドフレームの先端に発光ダイオードチップを取り付け、
上記チップおよびリードフレーム先端を、所定の成分か
らなるエポキシ系封止樹脂で封止し、一次硬化およびア
フタキュアを所定温度で所定時間だけ行って発光ダイオ
ード素子を製造する発光ダイオード素子の製造方法であ
って、上記封止樹脂の全重量に対して硬化促進剤を１重
量％以上添加するとともに、酸化防止剤を所定量添加
し、上記一次硬化を温度１００乃至１２０℃の範囲で行
い、上記アフタキュアを１４０℃以上の温度で行うこと
を特徴としている。

【００１３】

【作用】この発明は本発明者による種々の実験,考察に
より創出された。

【００１４】この発明は、硬化促進剤を１重量％以上と
従来よりも多くし、一次硬化を適度に低温(１００〜１
２０℃)で行い、かつ、アフタキュアを１４０℃以上の
高温で行うことを基本としている。これによれば、図１
に例示するように、封止樹脂５とリードフレーム１aと
の界面が剥離した状態に仕上がる(図には、この非接着
状態にあたる部分を“x"として示している。)。この結
果、チップに対する封止樹脂の応力が低減されて、低温
乃至常温域での通電信頼性が高まり、輝度が低下しなく
なる。また、図７に示した従来の発光ダイオード素子の
ように、チップを一旦シリコーン樹脂等の軟質透明樹脂
で覆うことを行っていないので、前述の様な高温通電時
の輝度低下現象も発生しない。したがって、低温乃至高
温域での通電信頼性が改善される。

【００１５】なお、硬化促進剤を１重量％以上と多くし
ているが、酸化防止剤を添加しているので、黄変が防止
される。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の発光ダイオード素子の製造
方法を実施例により詳細に説明する。

【００１７】図２(a),(b)に示すように(同図(b)は同図
(a)のものを上方から見たところを示している。)、導電
性接着剤３によってリードフレーム１aにチップ２をダ
イボンディングし、チップ２と別のリードフレーム１b
とをワイヤ４でワイヤボンディングする。そして、リー
ドフレーム１a,１bの先端部をチップ２を含んで硬質の
エポキシ樹脂５で直接封止する。なお、同図(c),(d)は
２つのチップ２a,２bと３本のリードフレーム１a,１b,
１cを含む例、同図(e),(f)はリードフレーム１aに光反
射部８を設けた例を示している。各リードフレーム１a,
１b,１cは鉄フレームにＡgめっきを施したもので、表面
の光沢濃度が０.３〜０.７(半光沢)のものを用いる(特
別な技術や微妙な品質制御を要せず、低価格で製造され
る。)。

【００１８】(第１の例)まず、エポキシ樹脂５の成分
(添加物を含む)を一定とし、硬化条件を変化させた例に
ついて説明する。

【００１９】エポキシ樹脂５は、ジグリシジルエーテル
ビスフェノールＡに、これと化学当量のメチルヘキサヒ
ドロフタル酸無水物(Ｍe−ＨＨＰＡ)を加えたものを主
成分とする。さらに、硬化促進剤としてジメチルベンジ
ルアミンが全重量に対して１〜２wt％、酸化(黄変)防止
剤として亜燐酸フェニルジアルキル(化学式を(化１)に
示す)が０.４〜０.６wt％、トリアルキルフェノール(化
学式を(化２)に示す)が０.２〜０.４wt％だけ含まれる
ように添加する。これらを混合および撹拌して調整す
る。

【００２０】この混合物５を所定の封止型に注入し、こ
れにダイボンディング・ワイヤボンディングされたリー
ドフレーム１a,１bを挿入して固定する。封止型ごと加
熱炉(１００〜１２０℃)にて１時間反応させ(一次硬
化)、封止型から離型する。続いて、１５０℃の雰囲気
で５時間〜１０時間加熱し(アフタキュア)、安定な硬化
物とする。

【００２１】出来上がった発光ダイオード素子の封止樹
脂５とリードフレーム１a,…との界面は、図３(d)に示
すように、大部分が剥離した状態となる(剥離した部分
をxで示している)。この剥離部分xが存在することによ
り、樹脂応力を緩和でき、低温での通電信頼性を高める
ことができる。実際に、図４中の破線(d)に示すよう
に、−２５℃、１０００時間の通電(電流５０mＡ)で光
度低下を２〜３％に抑えることができた。また、図３
(e)のものと異なり、チップ２をシリコーン樹脂６で包
んでいないので、高温での通電信頼性は良好である。実
際に、図５中の破線(d)に示すように、８５℃、１００
０時間の通電(電流３０mＡ)で光度低下を数％に抑える
ことができた。なお、ガラス転位温度は１３０〜１４０
℃であった。図４,図５中の破線(e)は、チップ２を一旦
シリコーン樹脂６で包み、硬化条件を従来並みとしたも
の(図３(e)のもの)のデータを示している。

【００２２】また、アフタキュア条件を１４０℃８時間
とした場合、剥離部分xは図３(c)までのレベルとなる。
すなわち、封止領域のうち下端から半分を越える部分x
まで剥離した状態、残りの部分(リードフレーム１aの先
端近傍)が密に接着した状態となる。この場合、図４,図
５中に２点鎖線(c)で示すように、低温,高温での通電で
光度低下を数％に抑えることができるが、上記(d)の例
には劣るものとなった。この結果から分かるように、ア
フタキュアは１４０℃以上の高温で行うのが好ましい。

【００２３】なお、アフタキュア条件を１３０℃１４時
間(従来並み)とすれば、剥離部分xは図３(a)〜(b)のレ
ベルとなる。この場合、図４,図５中にそれぞれ実線
(a),１点鎖線(b)で示すように、低温,高温での通電で光
度低下が１０％を超える結果となる。

【００２４】また、一次硬化は、上に述べた条件、すな
わち、１００〜１２０℃で１時間(〜１.５時間)程度と
するのが好ましい。この条件は、離型に最低限必要で、
かつ、この発明の目的であるアフタキュアの効果を十分
に発揮させるのに最適なガラス転位温度１００〜１３０
℃を安定して得ることができる条件だからである。

【００２５】(第２の例)次に、道路表示板用の発光ダイ
オード素子など耐環境信頼性が厳しく要求される場合に
適したエポキシ樹脂の成分と硬化条件について説明す
る。

【００２６】この例では、エポキシ樹脂５の成分とし
て、第１の例のジグリシジルエーテルビスフェノールＡ
をジグリシジルエーテルビスフェノールＡと脂環式エポ
キシ化合物(化学式を(化３)に示す)との混合物に変更
し、かつ、第１の例に比して酸化防止剤(亜燐酸フェニ
ルジアルキルとトリアルキルフェノール)の量を多くす
る。具体的には、ジグリシジルエーテルビスフェノール
Ａと脂環式エポキシ化合物との重量比を７０:３０程度
に設定し、亜燐酸フェニルジアルキルを全重量の０.６
〜１.０wt％、トリアルキルフェノールを全重量の０.４
〜０.６wt％に設定する。

【００２７】また、硬化条件としてアフタキュアを第１
の例に比してさらに高温にする。すなわち、アフタキュ
アの条件を、１６０℃５〜１０時間乃至１７０℃３〜８
時間程度に設定する。

【００２８】出来上がった発光ダイオード素子の封止樹
脂５とリードフレーム１a,…との界面は、図３(d)に示
したのと同様に、大部分が剥離した状態となる。そし
て、第１の例と同様に、剥離部分xが存在することによ
り、樹脂応力を緩和でき、低温での通電信頼性を高める
ことができる。また、ガラス転位温度は、この例では１
５０〜１６０℃となり、第１の例に比して２０〜３０℃
だけ上昇した。したがって、屋外表示板用としての耐環
境信頼性を持たせることができた。

【００２９】上記２つの例が示すように、発光ダイオー
ド素子の通電信頼性を向上させるためには、封止樹脂５
とリードフレーム１a,…との接着性を低下させることが
有効である。これを実現するために、この発明では、硬
化促進剤を１重量％以上と従来よりも多くし、一次硬化
を適度に低温(１００〜１２０℃)で行い、かつ、アフタ
キュアを１４０℃以上の高温で行うことを基本としてい
る。これにより、封止樹脂５とリードフレーム１a,…と
の接着性を低下させて、低温乃至高温域で素子の通電信
頼性を改善することができる。

【００３０】なお、封止樹脂５とリードフレーム１a,…
との接着性を低下させるためには、硬化促進剤は多けれ
ば多いほど良く、アフタキュア条件は高温であるほど良
い。一方、脂環式エポキシ化合物は少なければ少ないほ
ど良い。

【００３１】なお、リードフレームの材質や員数,チッ
プの種類や員数を特別に限定する必要は無い。

【００３２】

【発明の効果】以上より明らかなように、この発明の発
光ダイオード素子の製造方法は、硬化促進剤を１重量％
以上と従来よりも多くし、一次硬化を適度に低温(１０
０〜１２０℃)で行い、かつ、アフタキュアを１４０℃
以上の高温で行っているので、封止樹脂とリードフレー
ムとの接着性を低下させることができる。これにより、
チップに対する応力を低減して、低温乃至高温域で素子
の通電信頼性を改善することができる。

【化１】

【化２】

【化３】

【図面の簡単な説明】

【図１】 封止樹脂とリードフレームとの接着状態を例
示する図である。

【図２】 この発明により製造した発光ダイオード素子
を示す図である。

【図３】 アフタキュアの条件を変化させた場合の封止
樹脂とリードフレームとの接着状態を示す図である。

【図４】 通電による低温域での光度低下を示す図であ
る。

【図５】 通電による高温域での光度低下を示す図であ
る。

【図６】 従来の製造方法により製造した発光ダイオー
ド素子を示す図である。

【図７】 従来の製造方法により製造した発光ダイオー
ド素子を示す図である。

【符号の説明】

１a,１b,１c リードフレーム ２ チップ ５ 封止樹脂 x 剥離部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−64483（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−213457（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−113673（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リードフレームの先端に発光ダイオード
   チップを取り付け、上記チップおよびリードフレーム先
   端を、所定の成分からなるエポキシ系封止樹脂で封止
   し、一次硬化およびアフタキュアを所定温度で所定時間
   だけ行って発光ダイオード素子を製造する発光ダイオー
   ド素子の製造方法であって、 上記封止樹脂の全重量に対して硬化促進剤を１重量％以
   上添加するとともに、酸化防止剤を所定量添加し、 上記一次硬化を温度１００乃至１２０℃の範囲で行い、 上記アフタキュアを１４０℃以上の温度で行うことを特
   徴とする発光ダイオード素子の製造方法。