JP5415378B2 - Ledチップのダイボンド方法及びその方法で製造されたled - Google Patents

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Description

本発明は、発光ダイオード(LED)チップのダイボンド方法とLEDに関し、特に、低温ダイボンド可能で高温金属間化合物層が得られるダイボンド方法とダイボンドされた構造を有するLEDに関する。
LEDチップをリードフレームに付着させる技術が長年開発されてきた。ダイボンド材料はおおよそ2つの種類に分けられる。1つは高分子導電性接着材であり、他方は金属溶接材である。
第1の種類は、特許文献1に見ることが出来る。特許文献1の方法は、金属基板の表面に銀ペーストをメッキすること、エッチング後、複数のリードフレームを形成すること、リードフレームの一端にダイボンドし、これを他端にワイヤボンディングで接続すること、接着材封止とダイシングとを行いチップ型LEDを形成することを主に含む。底面において露出したリードフレームは電気接点を形成する。このような方法では、接合プロセスにおいて接着材が均一に広がらなければ、ダイは所定の位置に固定されず、発光効率に影響する。また、このようなダイボンド方法では、高分子材料の熱耐性は極めて低いので、銀ペースト接合層は高温で動作中、容易に劣化する。また、高分子材料の熱伝導率は低いので、LEDダイは望ましい熱放散効果が得られない(この銀ペーストの熱伝導率はたった1W/M‐Kである)。LEDダイの寿命と光電変換効率も減少する。
第2の種類は、特許文献2に見ることが出来る。特許文献2のダイボンド方法は、基板の金属材料に基づく共融接合を主に採用する。先ず、適切な範囲の共融接合材の層がパッケージ構造の金属基板の上面に被覆される。次に、該基板の共融接合材上にLEDダイが配置される。完成した製品はホットプレート、オーブン、又はトンネル炉を通過して適切な温度になり、共融接合を実現する。この技術は共融接合材を使用し、金属材料の接合層を形成する。従って、銀ペーストより良好な熱放散と熱耐性とを実現する。特許文献2の技術で使用する共融接合材の一部は高い融点を有し、接合時、熱応力がLEDダイに残り易くこのダイを損傷させる。共融接合材の残りの部分は低融点合金であり、このような接合材の接合完了後、LEDを70〜80℃の環境で使用すると、該接合層は軟化し、接触信頼性が大きく損なわれる。
上記の技術に加えて、特許文献3はダイボンド処理において超音波を使用し、超音波で接合面をイオン化して加熱温度を下げ、熱応力を減らすことを開示している。この方法は超音波装置を必要とし、製造コストを増加させる。また、超音波を不適切に使用すると、LEDダイが直接振動し割れる可能性がある。
台湾特許第463394号明細書 台湾特許出願公開第200840079号明細書 米国特許出願公開第2007/0141749号明細書
本発明は、LEDチップのダイボンド方法とそれを適用したLEDである。本発明のダイボンド方法は110℃の低温でダイボンドを実行でき、ダイボンド後の接合された合金が200℃より高い融点を持つことを可能にする。従って、従来方法の短所と問題とを克服することが出来る。
1つの実施形態によると、第1金属薄膜層を有するLEDチップと基板とを接合するのに適したLEDチップのダイボンド方法が提供される。本ダイボンド方法は、該基板の表面上に第2金属薄膜層を形成することと、該第2金属薄膜層上に融点が110℃未満のダイボンド材層を形成することと、該第1金属薄膜層が該ダイボンド材層に接触した状態で、該LEDチップを該ダイボンド材層上に配置することと、該ダイボンド材層を液体‐固体反応温度で予備キュア時間、加熱して該第1金属薄膜層と該ダイボンド材層との間と、該ダイボンド材層と該第2金属薄膜層との間にそれぞれ第1金属間化合物層と第2金属間化合物層とを形成することと、該ダイボンド材層を固体‐固体反応温度でキュア時間、加熱して固体‐固体反応を行わせることとを含む。該固体‐固体反応後の該第1金属間化合物層と該第2金属間化合物層の融点は200℃より高い。
1つの実施形態によると、前記液体‐固体反応温度は前記ダイボンド材層の融点以上である。前記固体‐固体反応温度は前記ダイボンド材層の融点より低い。前記第1金属薄膜層と第2金属薄膜層の材料はAu、Ag、Cu、又はNiであってもよい。前記ダイボンド材層の材料はBi‐In、Bi‐In‐Zn、Bi‐In‐Sn、又はBi‐In‐Sn‐Znであってもよい。前記第1金属間化合物層と第2金属間化合物層の材料はCu‐In‐Sn金属間化合物、Ni‐In‐Sn金属間化合物、Ni‐Bi金属間化合物、Au‐In金属間化合物、Ag‐In金属間化合物、Ag‐Sn金属間化合物、及びAu‐Bi金属間化合物からなるグループから選択されてもよい。
1つの実施形態によると、LEDは、順に積み重ねられた基板と、第2金属薄膜層と、第2金属間化合物層と、第1金属間化合物層と、第1金属薄膜層と、LEDチップとを備える。該第1金属薄膜層と第2金属薄膜層の材料はAu、Ag、Cu、又はNiであってもよい。該金属間化合物層の材料はCu‐In‐Sn、Ni‐In‐Sn、Ni‐Bi、Au‐In、Ag‐In、Ag‐Sn、又はAu‐Bi金属間化合物であってもよい。
本ダイボンド方法の実施形態によると、先ず、LEDチップに予備キュア(液体‐固体反応)が110℃未満の温度で約0.1秒〜1秒間実行される。次に、約30分〜3時間の固体‐固体反応が80℃未満の温度で実行され、LEDチップと基板とのダイボンドが完了する。全ダイボンド処理が低温で実行されるので、LEDチップに熱応力は発生しない。本ダイボンド方法により製造されたLEDにおいて、LEDチップと基板との接合材は金属材料であり、従って、より良好な熱伝導と熱放散効果が得られる。また、生成された金属間化合物は200℃より高い融点を有しているので、接合された合金は、LEDが70〜80℃の環境で動作しても、軟化しない。
本発明は下記の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。下記の説明は例示だけのためであり、本発明を限定するものではない。
本発明の実施形態に係るLEDチップのダイボンド方法の概略フローチャートである。 本発明の実施形態に係るダイボンド方法におけるLEDチップの概略構造図である。 本発明の実施形態に係るダイボンド方法における基板の概略構造図である。 本発明の実施形態に係るダイボンド方法におけるステップS52が実行された基板の概略構造図である。 本発明の実施形態に係るダイボンド方法におけるステップS54実行後の概略構造図である。 本発明の実施形態に係るダイボンド方法におけるステップS56実行後のLED構造の概略図である。 本発明の実施形態に係るダイボンド方法におけるステップS58実行後のLED構造の概略図である。 本発明の実施形態に係るダイボンド方法におけるステップS58実行後の別のLED構造の概略図である。 本発明の実施形態に係るダイボンド方法におけるダイボンド材層と第1金属薄膜層との微細構造を示す。
図1は本発明の実施形態に係るLEDチップのダイボンド方法の概略フローチャートである。図2Aは本発明の実施形態に係るダイボンド方法におけるLEDチップの概略構造図である。図2Bは本発明の実施形態に係るダイボンド方法における基板の概略構造図である。
図1、図2A、及び図2Bを参照すると、LEDチップのこのダイボンド方法はLEDチップ10と基板20とを接合するのに適している。LEDチップ10はpin構造を有する、例えば、これらに限定されないがGaN、GaInN、AlInGaP、AlInGaN、AlN、InN、GaInAsN、GaInPN、又はこれらの組合せからなるLEDである。
LEDチップ10が発する光のスペクトルは任意の可視光スペクトル(380nm〜760nm)又は他のスペクトルであってよい。LEDチップ10は水平構造体(サファイアベース)、垂直構造体(薄膜GaNLED)又はフリップチップとして形成されてよい。
LEDチップ10は第1金属薄膜層12を有する。第1金属薄膜層12の材料はAu、Ag、Cu、又はNiであってよい。第1金属薄膜層12はLEDチップ10の一方の表面上に電気メッキ、スパッター、又は蒸着により形成されてもよい。第1金属薄膜層12の厚みはこれに限定されないが0.2μm〜2.0μmであってよい。例えば、この厚みは0.5μm〜1.0μmである。
第1金属薄膜層12を有するLEDチップ10において、通常、第1金属薄膜層12はダイシングされたチップに直接メッキされるのではなく、LEDウェハの底面に電気メッキ又は他の方法でメッキされ、次にこのウェハをダイシングし分割する。
基板20はリードフレーム、プリント回路基板(PCB)、プラスチック反射カップを有する基板、又はセラミック基板であってよい。基板20の材料はCu、Al、Fe、又はNi等の純元素、又は少量の他の元素を添加した合金であってよい。基板20の材料はSi、AlN、又は低温同時焼成セラミックス(LTCC)であってもよい。
LEDチップ10のダイボンド方法に関して図1と、図2B、図2C、図2D、図2E及び図2Fとを参照する。図から分かるように、LEDチップ10のダイボンド方法は下記のステップを含む。
ステップS50では、第2金属薄膜層22が基板20の表面上に形成される(図2Bに示す)。
ステップS52では、ダイボンド材層30が第2金属薄膜層22上に形成される(図2Cに示す)。ダイボンド材層30の融点は100℃未満である。
ステップS54では、第1金属薄膜層12がダイボンド材層30に接触した状態で、LEDチップ10がダイボンド材層30上に配置される(図2Dに示す)。
ステップS56では、ダイボンド材層30は液体‐固体反応温度で予備キュア時間、加熱され、第1金属薄膜層12とダイボンド材層30との間と、ダイボンド材層30と第2金属薄膜層22との間にそれぞれ第1金属間化合物層32と第2金属間化合物層34とを形成する(図2E)。
ステップS58では、ダイボンド材層30は固体‐固体反応温度でキュア時間、加熱され、固体‐固体反応を行わせる。固体‐固体反応後の第1金属間化合物層32’と第2金属間化合物層34’の融点は200℃より高い(図2F)。
ステップS50に関して図2Bを参照する。第2金属薄膜層22は基板20上に電気メッキ、スパッター、又は蒸着等の処理により形成されてよい。第2金属薄膜層22の材料はAu、Ag、Cu、又はNiであってよい。第2金属薄膜層22の厚みはこれに限定されないが0.2μm〜2.0μmであってよい。例えば、この厚みは0.5μm〜1.0μmである。
図2Cを参照する。ステップS50に引き続きステップS52において、ダイボンド材層30が第2金属薄膜層22上に電気メッキ、蒸着、又はスパッターにより、或いははんだペーストを付けることにより形成されてよい。ダイボンド材層30の材料はBi‐In、Bi‐In‐Sn、Bi‐In‐Sn‐Zn、又はBi‐In‐Znであってよい。Bi‐Inの融点は約110℃、Bi‐25In‐18Snの融点は約82℃、Bi‐20In‐30Sn‐3Znの融点は約90℃、Bi‐33In‐0.5Znの融点は約110℃である。ダイボンド材層30の厚みはこれに限定されないが0.2μm〜2.0μmであってよい。例えば、この厚みは0.5μm〜1.0μmである。
図2Dを参照する。ステップS54において、第1金属薄膜層12がダイボンド材層30に接触した状態で、LEDチップ10がダイボンド材層30上に配置される(図2D)。
次に、ステップS56が実行されて、ダイボンド材層30が液体‐固体反応温度で予備キュア時間、加熱され、第1金属薄膜層12とダイボンド材層30との間と、ダイボンド材層30と第2金属薄膜層22との間にそれぞれ第1金属間化合物層32と第2金属間化合物層34とを形成する(図2E)。この液体‐固体反応温度はダイボンド材層30の融点以上であってもよい。ダイボンド材層30の材料がBi‐In‐Snである場合、液体‐固体反応温度は82℃以上であってよい。加熱方法はレーザー加熱、ホットエア加熱、赤外線加熱、熱圧着、又は超音波熱圧着であってよい。
周囲温度を液体‐固体反応温度まで直接上げてもよい。或いはダイボンド材層30を直接加熱するか、又は基板20を直接加熱し、熱がダイボンド材層30に伝わるのでもよい。加熱は例えば、これに限定されないが基板20の底面でレーザーにより直接行われる(即ち、加熱は図2Eにおいて基板20の下から行われる)。
加熱時間(予備キュア時間)はこれに限定されないが0.1秒〜2秒、例えば0.2秒〜1秒であってもよい。加熱時間は液体‐固体反応の状態に依り適切に調整されてもよい。この加熱時間は第1金属薄膜層12とダイボンド材層30との間と、ダイボンド材層30と第2金属薄膜層22との間にそれぞれ第1金属間化合物層32と第2金属間化合物層34を形成するのに必要な時間である。形成された第1金属間化合物層32と第2金属間化合物層34が非常に薄くても、ステップS56は完了したと考えることが出来る。即ち、第1金属間化合物層32と第2金属間化合物層34が第1金属薄膜層12とダイボンド材層30と第2金属薄膜層22との間に形成されさえすれば、即ち、接合効果が生成されさえすれば、ステップS56を終了し次のステップ(S58)へ進むことが出来る。明らかに、予備キュア時間を増加させ第1金属間化合物層32と第2金属間化合物層34をより厚く形成することも実施可能である。
ステップS56の加熱処理は予備キュア処理とも呼ばれ、LEDチップ10と基板20とをこの時の位置合わせ状態に従って予備固定して引き続く処理を容易にすることを目的とする。予備キュア処理の温度はダイボンド材層30の融点に等しいか僅かに高く、予備キュア時間はかなり短いので、LEDチップ10に熱応力等の影響が働くことなく、この位置合わせ状態は実際上、維持される。
形成された第1金属間化合物層32と第2金属間化合物層34の材料は、第1金属薄膜層12と第2金属薄膜層22とに関係する。これについて詳細に後述する。
最後に、ステップS58を実行して、ダイボンド材層30を固体‐固体反応温度でキュア時間、加熱し、固体‐固体反応を行わせる。固体‐固体反応温度はダイボンド材層30の融点より低くてもよく、40〜80℃であってもよい。キュア時間は固体‐固体反応温度に応じて調整されてもよい。例えば、固体‐固体反応温度が高い時、キュア時間は短くてよい。固体‐固体反応温度が低い時、キュア時間は長くできる。キュア時間は30分〜3時間であってよい。
固体‐固体反応はダイボンド材層30の合金元素と、第1金属薄膜層12及び第2金属薄膜層22の元素とを拡散させることを目的とする。固体‐固体反応時間は、ダイボンド材層30内の合金元素の大部分を拡散させるのに必要な時間として決定される。
ステップS58は実際にはバッチ処理で実行されてもよい。即ち、ステップS56で得られた多数の半完成品を集め、一度にステップS58をホットエア加熱、オーブン加熱、赤外線加熱、又はホットプレート加熱で実行する。
ステップS58の固体‐固体反応温度はダイボンド材層30の融点より低いので、ステップS56で実現した位置合わせ状態は影響を受けない。
ステップS58後に形成されるLEDには幾つかの可能な構造が存在する。LEDの第1の構造を図2Fに示す。この図から分かるように、LEDは順に積み重ねられた基板20、第2金属薄膜層22、第2金属間化合物層34’、第1金属間化合物層32’、第1金属薄膜層12、及びLEDチップ10からなる。第1金属薄膜層12と第2金属薄膜層22との材料はAu、Ag、Cu、及びNiからなるグループから選択される。2つの金属間化合物層32’、34’の材料はCu‐In‐Sn金属間化合物(融点400℃以上)、Ni‐In‐Sn金属間化合物(融点約700℃超)、Ni‐Bi金属間化合物(融点400℃以上)、Au‐In金属間化合物(融点400℃以上)、Ag‐In金属間化合物(融点250℃以上)、Ag‐Sn金属間化合物(融点450℃以上)、及びAu‐Bi金属間化合物(融点350℃以上)を含む。
なお、予備キュア処理で形成される第1金属間化合物層32と第2金属間化合物層34(図2E)の材料は、固体‐固体反応後の第1金属間化合物層32’と第2金属間化合物層34’の材料と異なる可能性がある。予備キュア処理では、液体‐固体反応温度はダイボンド材層30の融点に達するが、第1金属間化合物層32と第2金属間化合物層34が形成された直後、ステップS56は終了できるので、ダイボンド材層30内の合金元素の一部は拡散されない。例えば、ダイボンド材層30がInを含む場合、Inは容易に拡散され液体‐固体反応時、最初に金属間化合物層を形成する。
3つの実施例を下記に一覧にし、処理ステップS54、S56、及びS58における図2EのLEDの第2金属薄膜層22、第2金属間化合物層34’、第1金属間化合物層32’、及び第1金属薄膜層12の材料を示す。
図2EのLED構造の第1実施例
図2EのLED構造の第2実施例
図2EのLED構造の第3実施例
図2EのLED構造の第1実施例の第1金属間化合物層32’と第2金属間化合物層34’の融点は両方とも200℃より高い。LEDが80℃を超える温度で長時間動作しても、接合材は軟化せず、従って、処理中の位置合わせ状態は継続的に維持され高い発光効率が得られる。
ステップS58後に形成されるLEDの別の構造を図2Gに示す。図から分かるように、LEDは順に積み重ねられた基板20、第2金属薄膜層22、第2金属間化合物層34’、中間層36、第1金属間化合物層32’、第1金属薄膜層12、及びLEDチップ10からなる。中間層36の材料はダイボンド材層30、第2金属間化合物層34’、及び第1金属間化合物層32’の材料に関係している。ダイボンド材層30の材料がBi‐In‐Snであれば、中間層36の材料はSnである可能性がある。即ち、固体‐固体反応後、ダイボンド材層30にはSnだけが残る。
Snの融点は約230℃で200℃より高いので、LEDを使用中に軟化しないという目的が達成される。即ち、ダイボンド材層30は固体‐固体反応後、消失するか、又は中間層36を形成する。
Bi‐In‐SnとAgとの接合状態を図3に示す。図3は本発明の実施形態に係るダイボンド方法におけるダイボンド材層30と第1金属薄膜層12との微細構造を示す。この実験では、Bi‐25In‐18SnのBi‐In‐Sn合金が銀板上に配置され、温度85℃がある時間加えられ、次に合金分析を行って微細構造図を得た。図から分かるように、Ag2In接合層がBi‐In‐SnとAg板との間に形成されている。このことから、本発明で使用するダイボンド材層30は銀との接合層を低温で形成できることが分かる。
ダイボンド方法とダイボンド後のLED構造との実施形態から、本ダイボンド処理ではLEDチップ10を基板20上で低温で短時間予備キュアすることが出来、位置合わせ不良の問題は発生しない。この後、固体‐固体反応が低温で行われる。この反応後の第1金属間化合物層32’と第2金属間化合物層34’とは高い融点(200℃より高い)を有する。従って、ダイボンド後のLEDが80℃より高い温度で長時間動作しても、第1金属間化合物層32’と第2金属間化合物層34’は軟化せず、位置合わせ精度は影響を受けない。また、処理中、使用される温度は100℃よりずっと低いので、熱応力が残る、或いはLEDチップ10及び他の構成要素(基板20、プラスチック反射カップなど)に集中するという問題は本ダイボンド処理では発生しない。高い信頼性を有するLEDが得られる。最後に、予備キュア処理はレーザー加熱で実行することが出来るので、予備キュア時間は大幅に短縮される。また、前記固体‐固体反応ではバッチ処理が可能であるので、本ダイボンド方法は従来技術よりずっと高いスループットが得られる。
10 LEDチップ
12 第1金属薄膜層
20 基板
22 第2金属薄膜層
30 ダイボンド材層
32 第1金属間化合物層
34 第2金属間化合物層
36 中間層

Claims (7)

  1. 第1金属薄膜層を有するLEDチップと基板とを接合するのに適した発光ダイオード(LED)のダイボンド方法であって、
    該基板の表面上に第2金属薄膜層を形成することと、
    該第2金属薄膜層上に融点が110℃未満のダイボンド材層を形成することと、
    該第1金属薄膜層が該ダイボンド材層に接触した状態で、該LEDチップを該ダイボンド材層上に配置することと、
    該ダイボンド材層を液体‐固体反応温度で予備キュア時間、加熱して該第1金属薄膜層と該ダイボンド材層との間と、該ダイボンド材層と該第2金属薄膜層との間にそれぞれ第1金属間化合物層と第2金属間化合物層とを形成することと、
    当該ダイボンド材層の合金元素と、該第1金属薄膜層及び該第2金属薄膜層の元素とを拡散させるバッチ処理によって、該ダイボンド材層を固体‐固体反応温度でキュア時間、加熱して固体‐固体反応を行わせることと
    を含み、
    前記液体‐固体反応温度は前記ダイボンド材層の融点以上であり、前記固体‐固体反応温度は前記ダイボンド材層の融点より低く、該固体‐固体反応後の該第1金属間化合物層と該第2金属間化合物層の融点は200℃より高いダイボンド方法。
  2. 前記ダイボンド材層を固体‐固体反応温度で加熱して固体‐固体反応を行わせる前記ステップでは、該ダイボンド材層を該固体‐固体反応温度で加熱して、該ダイボンド材層と前記第1金属薄膜層と前記第2金属薄膜層との該固体‐固体反応が完了するまで、該固体‐固体反応を行わせる請求項1に記載のダイボンド方法。
  3. 前記第1金属薄膜層の材料はAu、Ag、Cu、及びNiからなるグループから選択され、前記第2金属薄膜層の材料はAu、Ag、Cu、及びNiからなるグループから選択される請求項1に記載のダイボンド方法。
  4. 前記ダイボンド材層の材料はBi‐In、Bi‐In‐Zn、Bi‐In‐Sn、及びBi‐In‐Sn‐Znからなるグループから選択される請求項に記載のダイボンド方法。
  5. 前記液体‐固体反応温度は85℃であり、前記予備キュア時間は0.1秒〜1秒である請求項に記載のダイボンド方法。
  6. 前記固体‐固体反応温度は40℃〜80℃であり、前記キュア時間は30分〜3時間である請求項に記載のダイボンド方法。
  7. 前記第1金属間化合物層と第2金属間化合物層の材料はCu‐In‐Sn金属間化合物、Ni‐In‐Sn金属間化合物、Ni‐Bi金属間化合物、Au‐In金属間化合物、Ag‐In金属間化合物、Ag‐Sn金属間化合物、及びAu‐Bi金属間化合物からなるグループから選択される請求項に記載のダイボンド方法。
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