JP4366767B2

JP4366767B2 - 発光ダイオードの形成方法

Info

Publication number: JP4366767B2
Application number: JP20225199A
Authority: JP
Inventors: 為本広昭
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: JP2001036145A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に凹部を有する基体の凹部底面上に配置されたＬＥＤチップを有する発光ダイオードの形成方法に係わり、特に、基体に凹部を形成する工程を有する発光ダイオードの形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードは、小型で効率が良く、鮮やかな色の発光をする。また低消費電力であるほか、半導体素子であるために球切れなどの心配がない。初期駆動特性が優れ、振動やＯＮ／ＯＦＦ点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。このような理由から、発光ダイオードは近年特に、様々な分野で種々の光源として利用されている。なかでも、外部との導通が可能なリード電極が埋め込まれた基体内部にＬＥＤチップを配置させたタイプの発光ダイオード（一般に、ＳｕｒｆａｃｅＭｏｕｎｔＤｅｖｉｃｅ（ＳＭＤ）という）は、ＬＥＤチップを搭載基板に配置させる際や電気的接続を行う際などに取り扱い易く、また光利用効率を向上させる目的などから、頻繁に利用されている。
【０００３】
そのような発光ダイオードは具体的には、図３に示す発光ダイオードのごとくであり、まず基体となる３１は、金型内にリード電極３２となる金属片を配置させた後液晶ポリマーを注入させインサート形成し、冷却後金型から取り出すことにより形成させる。次に、出来上がった基体３１に、エンドミル等を用いて切削除去加工を行い、ＬＥＤチップを配置させるための凹部３３を形成する。またこの凹部は、予めプレス加工（コイニング加工よりも被加工部の減少が著しい加工方法）によって形成された凹部を有する金属端子を用いて前記のようにインサート形成することにより、基体自体を形成するのと同時に形成することもできる。この場合にはリード電極を、凹部を有する基体のみを形成させた後に立体メッキを用いて基体表面に沿うようにして形成させてもよい。
【０００４】
こうして形成させた凹部を有する基体の凹部底面上に、ＬＥＤチップ３４をエポキシ樹脂等でダイボンディングし、その後ＬＥＤチップの各電極とリード電極とをそれぞれ金線等（３５）を用いてワイヤーボンディングすることにより電気的導通をはかる。次に、透光性を有するエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等（３６）を用いて封止部材とし、これらが硬化する前に基体の凹部３３内に注入させ、ＬＥＤチップとワイヤをすべて保護できるように封止する。この封止部材によりＬＥＤチップ、ワイヤを外部から保護することができ、またこの封止部材が透光性を有するためにＬＥＤチップからの光の取り出し効率を向上させることができる。このようにして図３に示すような発光ダイオードを形成させることができ、これに電気供給を行うことにより発光させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような形成方法では、基体に凹部を形成させる工程において、次に示すような理由から加工上大変困難な点があり、さらに改良された形成方法が求められている。
上記に示したように、形成された基体にエンドミル等を用いて切削除去加工を行いＬＥＤチップを配置させるための凹部を形成する場合、定型の凹部を切削加工しようとすると個々に時間を要し、量産体制下においては効率が悪くなる。また、予めプレス加工（コイニング加工よりも被加工部の減少が著しい加工方法）によって形成された凹部を有する金属端子を用いてインサート形成することにより基体自体を形成するのと同時に凹部を形成する場合には、インサート形成時に該凹部内に樹脂が流入してしまわないように該凹部形状に精密に合った成形型を密着させながらインサート形成を行わなければならず、この場合にも個々に時間を要し量産体制下においては効率が悪くなる。また金属端子と成形型との密着は、微量の樹脂をも流入させないように精巧に行わなければならないために、金属端子への凹部形状の形成、またその形状に精密に一致した成形型の形成には非常に高度な精巧さが求められ、発光ダイオードの基体形成の以前に非常に困難な作業を要する。
【０００６】
さらに、リード電極を、基体に凹部を形成させた後に立体メッキを用いて基体表面に沿うようにして形成する場合にも、そのメッキパターンの立体マスクが必要であり、このマスクの立体形状が基体成形品寸法に精密に一致していなければならず、マスクの形成には非常に高精度の加工が求められる。すると発光ダイオードの基体形成の以前に長時間を費やすことは避けられない。
【０００７】
加えて、予めプレス加工（コイニング加工よりも被加工部の減少が著しい加工方法）によって形成された凹部を有する金属端子を用いてインサート形成することにより基体自体を形成するのと同時に凹部を形成する場合には、インサート形成時に該凹部内に樹脂が流入してしまわないように該凹部形状に精密に合った成形型を密着させながらインサート形成を行うため、その密着の際の押圧力によって図３に示す発光ダイオードのように凹部深さが必要以上に達してしまう。すなわち発光ダイオードとしての薄型化が図りづらい。凹部深さは、凹部内壁面を反射鏡がわりに利用して光取り出し効率を高めることを考えれば最低でもＬＥＤチップの活性層面高さまであればよく、また凹部内のＬＥＤチップとワイヤ部分を外部から保護することを考えれば最高でもワイヤの一部分まであれば十分なのである。また凹部深さが深ければ、ＬＥＤチップからの光が凹部内で乱反射して発光ダイオードとしての色調が本来所望のものとは違った色調になってしまうことがある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、表面に凹部を有する基体の凹部底面上に配置されたＬＥＤチップを有する発光ダイオードの形成方法であって、前記凹部が、凸形状のポンチで前記基体を押圧するコイニング加工により形成されることを特徴とする発光ダイオードの形成方法に関する。また、金属からなる少なくとも一対のリード電極が樹脂によって保持された基体と、前記リード電極の少なくとも一方の上に配置され、かつ電気的に接続されたＬＥＤチップとを有する発光ダイオードの形成方法であって、少なくともＬＥＤチップと電気的に接続させる表面及び外部電源と接続させる表面が露出された一対のリード電極を樹脂によって保持する基体を形成する工程と、前記ＬＥＤチップと電気的に接続させる少なくとも一方のリード電極表面に、コイニング加工によって凹部を形成させる工程と、前記凹部底面上にＬＥＤチップを固定させる工程とを有する発光ダイオードの形成方法に関する。
【０００９】
本願発明でいうコイニング加工とは、板状の被加工物をプレスして、加工面のみを局部的に減少させて加工部位の厚みを減少させる方法である。本発明においては凸形状のポンチで前記基体を押圧することで、上述のような凹部形成時に生ずる様々な問題を回避でき、発光ダイオードの量産過程をスムースに行い量産効率を向上させることができる。また凸形状のポンチで押圧する加工では前記凹部深さを簡単にコントロールでき、また加工の際に加工部位を加熱するため塑性変形の抵抗力が少なくなり簡単に前記基体の一部分を変形させて凹部を形成でき、さらに減面率もよくなる。ゆえに凹部を必要最低限の深さに容易に抑えることができ、発光ダイオードとしての薄型化も実現しやすくなる。
【００１０】
発光ダイオードが様々な分野で種々の光源として利用されている今日においては、薄型化されればその使用用途や範囲をさらに広げることができる。本発明によれば、例えば携帯型プリンターやスキャナー、またバックライト等の種々の小型機器に組み込まれる光源として、現在よりも薄型の発光ダイオードを提供でき、それはまたそれらの小型機器自体のさらなる小型化を実現できる。
【００１１】
またＬＥＤチップを配置させる凹部深さが深ければ、ＬＥＤチップからの光が凹部内で乱反射して発光ダイオードとしての色調が本来所望のものとは違った色調になってしまうことが往々にしてあるが、前記凹部深さが浅ければそのような事態は回避でき、ＬＥＤチップからの光をほぼ直接的に発光ダイオード外部へと取り出すことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者は種々の実験の結果、ＬＥＤチップを配置させるための凹部を基体に形成させる際に凸形状のポンチで基体を押圧するコイニング加工を行うことにより、発光ダイオードの量産過程をスムースに行うことができること、また発光ダイオードとしての薄型化と、所望の色調を実現しやすくなることを見出し、本発明を成すに到った。
【００１３】
即ち、図２（Ｂ）に示すような凸形状のポンチ２７で基体２１を押圧する加工によってＬＥＤチップを配置させるための凹部を形成すると、ごく単純な作業で凹部形成が行え、また連続していくつもの基体に形成可能なため、量産効率が格段に向上する。また、凹部深さの調節もごく簡単に行えるため、凹部を必要最低限の深さに抑えて形成させることができ、発光ダイオードとしての薄型化を実現しやすくなる上、ＬＥＤチップからの光が凹部内で乱反射するのを低減させ、結果として所望の色調の発光ダイオードを得ることができる。
【００１４】
図１は本願発明の形成方法により形成された発光ダイオードの模式図断面図であり、図２はその各工程を模式的に示した図である。以下、これに基づいて本願発明の発光ダイオードの形成方法について説明するが、これのみに限るということはない。
発光素子として主発光ピークが４７０ｎｍのＧａＩｎＮ半導体を用いた。ＬＥＤチップは、洗浄させたサファイヤ基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジュウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜させることにより形成させた。ドーパントガスとしてＳｉＨ₄とＣｐ₂Ｍｇと、を切り替えることによってｎ型導電性を有する窒化ガリウム系半導体とｐ型導電性を有する窒化ガリウム系半導体を形成しｐｎ接合を形成させた。（なお、ｐ型半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてある。）
エッチングによりｐｎ各半導体表面を露出させた後、スパッタリング法により各電極をそれぞれ形成させた。こうして出来上がった半導体ウエハーをスクライブラインを引いた後、外力により分割させ発光素子として２５０μｍ角のＬＥＤチップ１４を形成させた。
【００１５】
次に基体となる１１を、金型内にリード電極１２となる金属片を配置させた後液晶ポリマーを注入させインサート形成し、冷却後金型から取り出すことにより形成させた（図２（Ａ））。ついで、形成された基体１１に前記ＬＥＤチップを配置させるための凹部１３をコイニング加工により形成させた。図２（Ｂ）に示すごとく、数個が連なった凸形状のポンチ２７を加熱を施した前記基体２１に向かって降下させ（▲１▼）、その押圧により凹部形状２３を形成した後、再びポンチを真っ直ぐ上方に戻す（▲２▼）。個々に切断する前の数個が連なった前記基体を順次ポンチの下へと送り込むことで、前記基体への凹部形成の効率を格段に向上させることができる。また凹部深さが、搭載させるＬＥＤチップの活性層面まででよい場合や、ＬＥＤチップをリード電極と接続しているワイヤの一部分までとしたい場合、あるいは他の所望の深さの場合でも、凸形状ポンチの前記基体への降下距離を調節することによって、ごく簡単に凹部深さを変えることができる。図１の発光ダイオードは、ＬＥＤチップからの光をほぼ直接的に発光ダイオード外部へと取り出すことができるように、ＬＥＤチップの活性層面までの深さとなるよう設定させて形成した。こうして必要最低限の深さの凹部とすることで、発光ダイオードとして薄型にできた上、ＬＥＤチップからの光が凹部内で乱反射するのを低減させ、結果として所望の色調の発光ダイオードとすることができた。
【００１６】
次に、形成された凹部を有する基体の凹部底面上に前記ＬＥＤチップをエポキシ樹脂でダイボンディングした。そしてＬＥＤチップの各電極とリード電極１２とをそれぞれ金線１５でワイヤーボンディングし電気的導通をはかった（図２（Ｃ））。続いて透光性エポキシ樹脂１６を封止部材として用い、細管からＬＥＤチップが配置された基体凹部１３内に注入させ、ＬＥＤチップとワイヤをすべて保護できるように封止した（図２（Ｄ））。ＬＥＤチップからの可視光と蛍光体からの蛍光との混色光を放射する発光ダイオードとする場合には、この封止部材に蛍光体を混合させてもよい。封止部材は、注入後１５０℃５時間にて硬化させ、図１のごとき発光ダイオードを形成させた。またこの封止部材は発光ダイオードの使用用途や環境に合わせて、用いなくてもよい場合もある。
【００１７】
次に、図１に基づいて本発明による発光ダイオードの各構成部について詳述する。
（リード電極１２）
リード電極１２としては、凹部内に配置されたＬＥＤチップをパッケージ外部と電気的に接続させるものであるため、電気伝導性に優れたものが好ましい。具体的材料としては、ニッケル等のメタライズあるいはリン青銅等の電気良導体を挙げることができる。またこのような材料の表面に銀あるいは金等の平滑なメッキを施し、電極部材であると共にＬＥＤチップからの光を効率よく外部に放出させるように、その表面を光反射部材として利用することもできる。
【００１８】
（凹部１３）
凹部１３はＬＥＤチップを収納させるためのものである。ＬＥＤチップと凹部との接着は熱硬化性樹脂などによって行うことができる。具体的には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やイミド樹脂などが挙げられる。ＬＥＤチップと凹部との接続部は、ＬＥＤチップから放出された光や紫外線などが封止部材の樹脂やあるいはそれに含まれる蛍光体などによっても反射され、凹部内においても特に高密度になる。そのため、接続部の樹脂劣化による黄変などにより発光効率が低下することが考えられる。このような接続部の劣化防止のために、紫外線などによる劣化を防ぐ、或いは紫外線吸収を少なくする目的でガラスや紫外線吸収剤を含有させた樹脂などを使用することがより好ましい。
【００１９】
さらに、発光ダイオードの光利用効率を向上させるためにＬＥＤチップが配置される凹部の表面を鏡面状とし、表面に反射機能を持たせても良い。該凹部の材料として具体的には、反射率の高い銀や金をメッキさせたもの、銅、鉄入り銅、錫入り銅、アルミ合金、メタライズパターン付きセラミック等が挙げられる。
（ＬＥＤチップ１４）
本発明に用いられるＬＥＤチップ１４には、例えば窒化物系化合物半導体などが挙げられる。発光素子であるＬＥＤチップは、ＭＯＣＶＤ法等により基板上にＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。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、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【００２０】
窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の材料が用いられる。結晶性の良い窒化ガリウムを形成させるためにはサファイヤ基板を用いることが好ましい。このサファイヤ基板上にＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファー層を形成しその上にｐｎ接合を有する窒化ガリウム半導体を形成させる。窒化ガリウム系半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のｎ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、ｐ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。
【００２１】
窒化ガリウム系化合物半導体は、ｐ型ドーパントをドープしただけではｐ型化しにくいためｐ型ドーパント導入後に、炉による加熱、低速電子線照射やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。エッチングなどによりｐ型半導体及びｎ型半導体の露出面を形成させた後、半導体層上にスパッタリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状の各電極を形成させる。
【００２２】
次に、形成された半導体ウエハー等をダイヤモンド製の刃先を有するブレードが回転するダイシングソーにより直接フルカットするか、又は刃先幅よりも広い幅の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力によって半導体ウエハーを割る。あるいは、先端のダイヤモンド針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウエハーに極めて細いスクライブライン（経線）を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエハーを割り半導体ウエハーからチップ状にカットする。このようにして窒化ガリウム系化合物半導体であるＬＥＤチップを形成させることができる。
【００２３】
本発明の発光ダイオードにおいて、封止部材の樹脂に蛍光体を混合させることによって白色系を発光させる場合は、蛍光体との補色等を考慮して発光素子の主発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。ＬＥＤチップと蛍光体との効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００２４】
（導電性ワイヤー１５）
導電性ワイヤー１５としては、ＬＥＤチップの電極とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては０．０１ｃａｌ／ｃｍ²／ｃｍ／℃以上が好ましく、より好ましくは０．５ｃａｌ／ｃｍ²／ｃｍ／℃以上である。また、作業性などを考慮して導電性ワイヤーの直径は、好ましくは、Φ１０μｍ以上、Φ４５μｍ以下である。このような導電性ワイヤーとして具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤーが挙げられる。
【００２５】
（封止部材樹脂１６）
基体凹部内に充填する封止部材１６は、発光ダイオードの使用用途に応じてＬＥＤチップ、導電性ワイヤーなどを外部から保護するためである。封止部材は、各種樹脂や硝子などを用いて形成させることができる。
封止部材の具体的材料としては、主としてエポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーンなどの耐候性に優れた透明樹脂や硝子などが好適に用いられる。また、封止部材に拡散剤を含有させることによってＬＥＤチップからの指向性を緩和させ視野角を増やすこともできる。拡散剤の具体的材料としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等が好適に用いられる。
【００２６】
以下、本発明による発光ダイオードの効果を確認するため、図３のごとき発光ダイオードを形成させ、本発明による発光ダイオードとの比較実験を行った。図３の発光ダイオードは、基体にＬＥＤチップを配置させるための凹部を形成させる際にエンドミルを用いて切削除去加工を行った以外は、本発明による発光ダイオードと同様にして形成させた。
【００２７】
それぞれの発光ダイオードについて、基体凹部形成の工程を同時にスタートさせ、両発光ダイオードともに１０００個の基体に凹部形成を施した。図１の発光ダイオードの基体１０００個全てに凹部形成を終えたとき、図３の発光ダイオードの方はまだ５個の基体にしか凹部形成できていなかった。また、出来上がった両発光ダイオードからそれぞれ無作為に１００個ずつを取り出し観察した結果、本発明者所望の色調により近い色調の発光ダイオードが多くあったのは、図１の発光ダイオード１００個の方であった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の、発光ダイオードの基体にＬＥＤチップを配置させるための凹部を、凸形状のポンチで前記基体を押圧するコイニング加工により形成することで、発光ダイオードの量産効率を格段に向上させることができ、また前記凹部深さをごく簡単に調節して形成できるので、発光ダイオードとしての薄型化が実現しやすい上に、所望の色調により近い発光ダイオードを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明により形成された発光ダイオードの模式的断面図である。
【図２】図２は、本発明による発光ダイオードの形成過程を（Ａ）から順に模式的に示した図である。
【図３】図３は、本発明による発光ダイオードと比較のために形成した発光ダイオードの模式的断面図である。
【符号の説明】
１１、２１、３１・・・発光ダイオードの基体
１２、２２、３２・・・リード電極
１３、２３、３３・・・凹部
１４、２４、３４・・・ＬＥＤチップ
１５、２５、３５・・・導電性ワイヤー
１６、２６、３６・・・封止部材樹脂
２７・・・凸形状ポンチ

Claims

少なくとも一対のリード電極が樹脂によって保持された基体と、前記リード電極の少なくとも一方の上に配置され、かつ電気的に接続されたＬＥＤチップとを有する発光ダイオードの形成方法であって、少なくともＬＥＤチップと電気的に接続させる表面及び外部電源と接続させる表面が露出された一対のリード電極を樹脂によって保持する基体を形成する工程と、前記工程についで、前記ＬＥＤチップと電気的に接続させる少なくとも一方のリード電極表面に、コイニング加工によって凹部を形成させる工程と、前記凹部底面上にＬＥＤチップを固定させる工程とを有する発光ダイオードの形成方法。
前記少なくとも一対のリード電極が樹脂によって保持された基体を、金型内に該リード電極となる表面が平らな金属片を配置させた後液晶ポリマーを注入させインサート形成し、冷却後金型から取り出すことにより形成する請求項１に記載の発光ダイオードの形成方法。
前記少なくとも一対のリード電極が樹脂によって保持された基体の該リード電極が金属からなる請求項１または２に記載の発光ダイオードの形成方法。
前記発光ダイオードは、前記樹脂に蛍光体が混合され、前記ＬＥＤチップからの可視光と前記蛍光体からの蛍光との混色光を放射する請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオードの形成方法。