JP5134229B2 - 発光ダイオード素子、発光ダイオード素子の製造方法、及び発光ダイオード素子の固着構造 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードに関し、詳細には、発光ダイオード素子、発光ダイオード素子の製造方法、及び発光ダイオード素子の固着構造に関する。

従来のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子は、図１に示すように、赤色ＬＥＤ２、緑色ＬＥＤ３、及び青色ＬＥＤ４に該当するそれぞれのＬＥＤチップを１つの独立したパッケージ内に搭載した後、回路基板１上に固着して使用する。ここで、ＬＥＤ素子は、エポキシ樹脂を利用してレンズ形態にモールドして、個別的にＬＥＤチップをモジュール化したものである。

このようにＬＥＤ素子を構成する方式は、チップを一応単一パッケージ形態に製作した後、再びＰＣＢにボンディングしなければならないという複雑かつ長い工程を経なければならないため、必然的に生産費の割合は増加する。何よりも、高出力（高輝度）適用において最も重要な要素である熱放出の側面から見るとき、発熱部であるＬＥＤから外部環境に熱を放出する主要経路は、単品パッケージ内部の金属性リードフレームとＰＣＢ金属部との構造的結合部分であるから、単品パッケージ形態のモジュールは、放出熱の経路が極めて限定されており、長すぎるから、熱放出効率が製作費用に比べて低くなる。

さらに他の従来の例として、ＳＩＯＢ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｅｎｃｈ：シリコン光学ベンチ）のサブマウント（Ｓｕｂｍｏｕｎｔ）上にＬＥＤチップをフリップボンディングしたり、ＬＥＤチップをＰＣＢに直接ダイボンディング（Ｄｉｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）した後に、ワイヤボンディング（Ｗｉｒｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）して、電気的接続をしたＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）構造を例に挙げることができる。

前記ＣＯＢ方式の場合は、単品パッケージモジュール形態の短所を一部改善した方式であって、従来の方式に比べて、簡単な工程と低廉な製作費用、短くなった熱放出経路などの長所がある。しかしながら、これも、ワイヤボンディングとダイボンディングを経なければならず、ＬＥＤの発熱による熱的疲労、機械的応力発生による断線などの欠点を有している。こういう欠点は、最近、ＬＥＤ市場において高出力応用部分が主導している状況において至急に解決しなければならないという当面の課題である。
また、ＣＯＢモジュール工程中に発生した不良品は、再活用するのがむずかしいという短所がある。

本発明は、従来のモジュール化技術の短所である複雑かつ長い工程、高い製作費用、熱的信頼性問題などを解決できる発光ダイオード素子、発光ダイオード素子の製造方法、及び発光ダイオード素子の固着構造を提供することにある。
また、本発明は、接合性（Ｓｏｌｄｅｒ ａｂｉｌｉｔｙ）を向上させた発光ダイオードを提供することにより、生産、流通及び使用中に発生可能な損傷を防止する。

上記の目的を達成すべく、本発明に係る発光ダイオード素子の製造方法によれば、ウエハをエッチングするエッチングステップと、前記ウエハの上側面から下側面まで導電性金属膜を形成する金属膜形成ステップと、発光ダイオードチップを、前記金属膜（前記ウエハの上側面に位置する）にボンディングするボンディングステップと、前記発光ダイオードチップの上に樹脂を充填する樹脂充填ステップと、前記金属膜（前記ウエハの下側面に位置する）に接触される電極パッドを形成するパッド形成ステップとを含む。

また、上記の目的を達成すべく、本発明に係る発光ダイオード素子によれば、ウエハと、前記ウエハの上面に陥没されて形成される陥没部と、前記陥没部から前記ウエハの下面まで伸びる少なくとも１対の金属膜と、前記陥没部の内部で前記金属膜と接触してボンディングされた少なくとも１つの発光ダイオードチップと、前記陥没部の内部に樹脂が充填されて形成される充填部と、前記ウエハの下面に伸びる金属膜に接触される電極パッドとを備える。

上記の目的を達成すべく、本発明に係る発光ダイオード素子の固着構造によれば、導電パターンが形成される基板と、下面に電極パッドが形成される発光ダイオード素子と、前記導電パターンと前記電極パッドとの接触部に提供されて、前記基板の電源を前記発光ダイオード素子に印加させるソルダーが含まれ、前記電極パッドは、スクリーンマスクが発光ダイオード素子の下面に置かれた状態で、スクイズによりペーストが塗布された後、塗布されたペーストが硬化されて形成される。

本発明によれば、低廉な製作単価と簡単な工程などの長所を実現することができる。また、発光ダイオード素子において、発熱による熱的疲労及び機械的応力発生による断線を解消することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。
図２〜図８は、本発明に係る発光ダイオード素子の製造方法を説明する図である。

まず、図２に示したウエハ３０を加工するが、ウエハの加工方法としては、光リソグラフィ（ｐｈｏｔｏ−ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術とエッチングを行って、ウエハ３０を所定形状に加工する。前記ウエハは、シリコンウエハであることが好ましい。

図３は、加工されたウエハの平面図であり、図４は、図３のI−I´断面図であって、前記図３及び図４を参照すれば、加工されたウエハの形状は容易に理解できるはずである。詳細には、ウエハ３０は、既設定される深さと長さに上部面が平行に陥没される陥没部２１を形成し、前記陥没部２１の外側には、前記陥没部２１に比べて相対的に上方に突出された形態に突出部２３が形成される。また、前記陥没部２１及び前記突出部２３は、１つのセットをなし、かつ単一のウエハ３０に複数で形成されており、加工が終了した後に前記セットが互いに容易に離れられ、上部電極と下部電極とが互いに取り付けられるようにするために、前記セット同士の間には、ホール２２が形成されている。

前記ウエハ３０を、図３及び図４に示す形態に加工するエッチング方法には、ウェットエッチングである異方性ウェットエッチングを例に挙げることができ、この異方性ウェットエッチングのエッチング溶液には、ＫＯＨ（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を使用することができる。これは、他の異方性ウェットエッチング溶液に比べて、エッチング速度が速く、価格が低廉であり、結晶方向性依存特性が優れている。マスクには、シリコン酸化膜を使用する。

次に、図３〜図４に示す形状のウエハ３０を高真空（５×１０^-5〜５×１０^-7ｔｏｒｒ）状態のチャンバーに装着し、ｅ−ビームを利用した蒸着技術を利用して、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕで例示される導電性を有する金属膜３１を蒸着する。前記金属膜３１が蒸着された状態でのウエハ３０は、図５に示されているため、詳細には、前記金属膜３１は、予め設定された時間間１〜２μｍの厚さにウエハ３０の一面に蒸着し、次にウエハ３０の他面に対しても同様に蒸着する。前記金属膜３１は、ウエハの陥没部２１から始めて、突出部２３を経てホール２２を介してウエハ３０の底面までに伸びている。

前記金属膜３１をウエハ３０に蒸着した後には、図６に示すように、ＬＥＤチップ３２の下部に形成されたＡｕスタッド（図示せず）を利用して、ＬＥＤチップ３２を前記金属膜３１上にフリップボンディングする。このとき、前記ＬＥＤチップ３２は、前記陥没部２１の内部に置かれた状態において前記金属膜３１に電気的に接続される。もちろん、前記ＬＥＤチップ３２には、１対の金属膜３１がそれぞれ接触されて、外部電源をＬＥＤチップ３２に印加させる。

上記のようにフリップボンディングを利用すると、リードフレームが要らないため、全体サイズが低減して、小型化と軽量化に有利である。そして、ＬＥＤチップの下面に入力端子及び出力端子があるため、従来のワイヤー方式のパッケージのときより、優れた電気的特性を有するようになる。
このように前記金属膜３１上にＬＥＤチップ３２をフリップボンディングした後には、図７に示すように、ＬＥＤチップ３２が置かれた陥没部２１の内部空間を樹脂を利用して充填して充填部３３を形成し、前記充填部３３の上側面は平らに形成する。

前記充填部３３の形成方法をさらに詳細に説明する。簡単に、前記充填部３３は、従来に広く用いられる空圧方式のディスペンス（Ｄｉｓｐｅｎｓｉｎｇ）方式ではない、スクリーンプリント（Ｓｃｒｅｅｎ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）方式を使用することができる。スクリーンプリント方式は、従来の空圧方式のディスペンス方式に比べて、短い時間に多くの面積を塗布することができ、設備投資費用が少ない。

図９を参照して、前記スクリーンプリント方法を詳細に説明する。前記ウエハ３０の上面に厚さが５０μｍで例示されるスクリーンマスク４２を載置する。そして、ウエハチャック（ｃｈｕｃｋ）４５上にウエハ３０を装着し、真空ポンプを利用して孔隙４０を介して真空吸入することにより、前記スクリーンマスク４２を固定圧着する。以後に、スクイズ４１を利用して、各スクリーンマスク４２の間に樹脂３９を充填して充填部３３を形成する。具体的に、前記スクイズ４１は、スクリーンマスク４２の上側面に沿って、既に設定された方向に流動性の樹脂３９を撫でながら移動する方式として作用し、その場合、流動性の樹脂３９は、それぞれのスクリーンマスク４２の間の空間、言い換えれば、陥没部２１の内部空間に充填される。

ここで、前記樹脂３９には、蛍光体を所定モール割合で混合して形成することができる。そして、前記蛍光体の種類、樹脂、及び混合モール割合に応じて、様々な発光色を具現させることができるが、例えば、ガーネット系の蛍光体又はシリケート系の蛍光体を使用することができる。

前記陥没部２１の内部に流動性の樹脂３９が充填された後には、設定された温度に加熱して樹脂３９を硬化（ｃｕｒｅ）させ、樹脂３９の表面がウエハ３０の上部表面と同様に平らになるようにする。
前記充填部３３が形成された後には、ウエハ３０の底面に電極を形成する。

詳細に、図１０に示すように、図７の状態において、前記ウエハ３０を上下方向に反転させて、ウエハ３０の上面はウエハチャック４５に装着し、前記ウエハ３０の下面には、電極パッド３５を形成するためのペースト３４を塗布するためのスクリーンマスク４３を形成して配列する。

ここで、前記ペースト３４を利用して電極パッド３５を形成する理由は、ハンダのようなリフローソルダー（Ｒｅｆｌｏｗ Ｓｏｌｄｅｒ）と電極パッド３５との間の接着性などを考慮するとき、通常の蒸着方式により金属パッドを形成した場合には、数μｍ以上の厚さの具現が難しいため、満足すべき硬度及び接着力などを期待し難いためである。したがって、本発明では、短い時間内に数十μｍ以上の厚さに形成するために、電気導電性を有するペーストからなる電極パッド３５を形成する。このように、ペーストを利用すれば、上述したパッドの接着力に関する問題点を補完することができるだけでなく、電気的安定性も期待することができる。

前記スクリーンマスク４３を配置した後には、ウエハチャック４５の孔隙４０に接続した真空ポンプを利用して真空吸入することによって、スクリーンマスク４３を固定圧着する。以後、スクイズ４１を利用して、各スクリーンマスク４３の間にペースト３４を充填させる。具体的に、スクイズ４１は、スクリーンマスク４３の上側面に沿って既設定された方向に液状のペースト３４を撫でながら移動する。このように前記スクイズ４１を利用すると、作業速度が極めて向上し、かつ、ペースト３４が均一に充填され得ることから、製品の信頼性が向上する。

それぞれのスクリーンマスク４３の間に液状のペースト３４が充填された後には、設定された温度に加熱することにより、ペースト３４が硬化され、表面が平らになるようにする。次に、スクリーンマスク４３を除去して、図８のような形態の電極パッド３５を具現する。

このように、ウエハ３０が加工された後には、図１１に示すように、切断を行って最終的な発光ダイオード素子を製作する。このとき、前記ウエハ３０は、前記ホール２２に沿って切断されるため、発光ダイオード素子が損傷する恐れはなく、特に金属膜３１が安全に保護されるという長所がある。

上記の方法により製作される発光ダイオード素子は、単一ウエハに対する加工過程を経ることにより、複数の発光ダイオード素子が製作され得るため、発光ダイオードの生産費用が低減するという長所が得られる。また、前記電極パッド３５及び充填部３３が、短い時間内に広い面積に対して形成されることができ、生産費用はさらに低減する。

また、ウエハステップにおいて、直接ＬＥＤチップがパッケージされるため、発光ダイオード素子の製作工程が単純化されるという長所がある。

また、発光ダイオード素子は、ＬＥＤチップが安定的に置かれ、電極が堅固に形成されるため、外部の衝撃に対して堅固に支持されて、製品の信頼性が高い。

前記発光ダイオード素子は、最終的に基板上に固着されて用いられる。詳細には、本発明に係る発光ダイオード素子は、図１２に示すように、ＰＣＢ６２において金属性材質の導電パターンであるＰＣＢランド６１にリフローソルダー６０を利用して付着され得る。このように前記発光ダイオード素子が自体に基板上にリフローで例示される方式により表面に実装され得るため、発光ダイオード素子の装着方式がさらに便利になるという長所がある。一方、このような発光ダイオード素子の固着構造によれば、基板を介して電源が印加されると、ＰＣＢランド６１、電極パッド３５、及び金属膜３１を順に介して、ＬＥＤチップ３２に電源が印加され、電源が印加されたＬＥＤチップ３２は発光する。

また、本発明に係る発光ダイオード素子は、図１２に示すＰＣＢの他にも、高出 力応用のための銅、アルミニウムなどを使用した金属ＰＣＢ、両面ＰＣＢなどに取り付けられて、ＣＯＢ構造で利用されることができる。
本発明は、導電性ペーストを利用してパッドを形成し、電極がウエハの底面に伸びて、ウエハレベルのパッケージ化を可能にすることによって、低廉な製作単価と簡単な工程などの長所を実現することができる。
本発明に係る発光ダイオード素子によれば、発熱による熱的疲労及び機械的応力発生による断線を解消することができる。

従来のＬＥＤモジュールを示す例示図である。 本発明に係る発光ダイオード素子の製造方法を順次に説明する図である。 本発明に係る発光ダイオード素子の製造方法を順次に説明する図である。 本発明に係る発光ダイオード素子の製造方法を順次に説明する図である。 本発明に係る発光ダイオード素子の製造方法を順次に説明する図である。 本発明に係る発光ダイオード素子の製造方法を順次に説明する図である。 本発明に係る発光ダイオード素子の製造方法を順次に説明する図である。 本発明に係る発光ダイオード素子の製造方法を順次に説明する図である。 本発明に係る充填部の形成過程を説明する図である。 本発明に係る電極パッドの形成過程を説明する図である。 電極パッド形成後、製品が形成されたウエハを切り出して、個々の発光ダイオード素子の完了工程を説明する図である。 本発明に係る発光ダイオード素子の固着構造を説明する図である。

Claims (2)

1. 導電パターンが形成される基板と、
   電気導電性を有するペーストから形成された電極パッドを下面に有する発光ダイオード素子と、
   前記導電パターンと前記電極パッドとの接触部に提供され、前記基板と前記発光ダイオード素子とを接着することにより、前記基板の電源を前記発光ダイオード素子に印加させるソルダーと、が含まれ、
   前記電極パッドは、スクリーンマスクが発光ダイオード素子の下面に置かれた状態で、スクイズにより前記ペーストが塗布された後、塗布された前記ペーストが硬化されて形成され、
   前記電極パッドは、前記導電パターンにはんだ付けにより付着され、
   前記発光ダイオード素子は、
   シリコンウェハと、
   前記ウェハの上面に陥没されて形成される陥没部と、
   前記陥没部から前記ウェハの下面まで伸びる少なくとも１対の金属膜と、
   前記陥没部の内部で前記金属膜と接触してボンディングされた少なくとも１つの発光ダイオードチップと、
   前記陥没部の内部に樹脂が充填されて形成される充填部と、
   前記ウェハの下面に伸びる金属膜に接触される前記電極パッドとを含み、
   前記樹脂の上面と前記ウェハの上側面は、同一平面に形成され、
   前記電極パッドは、下面が平らな導電性ペーストで形成されることを特徴とする発光ダイオード素子の固着構造。
2. 前記ソルダーがリフローされて、前記導電パターンと前記電極パッドとを電気的に接続することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード素子の固着構造。

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