JP5767577B2 - Led用リードフレームおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態に係るLED用リードフレーム(以下、リードフレーム)について、図1を参照して説明する。本発明に係るリードフレーム1は、例えば図2および図3に示す発光装置10に組み立てたときに、光源であるLEDチップにこのLEDチップを発光させる駆動電流を供給するための配線であり、かつ、LEDチップの発光した光を反射させる反射板である。
基板11は、銅(Cu)またはCu合金からなり、リードフレーム1の形状に成形される。Cu合金としては、Cuを主成分とし、Ni,Si,Fe,Zn,Sn,Mg,P,Cr,Mn,Zr,Ti,Sb等の元素の1種または2種以上を含有する合金、例えばCu−Fe−P系銅合金を用いることができる。基板11は、圧延等により、所要の厚さの素板(圧延板)とし、これをプレス加工やエッチング加工等により所要の形状に成形することによって製造することができる。基板11の板厚は特に限定されないが、形状と同様に、発光装置の形状および形態等に応じて決定される。
本発明に係るリードフレーム1において、Agめっき膜12は、当該リードフレーム1を発光装置としたときに、LEDチップが発光した光を反射する役割を有する。Ag膜はスパッタリング法等の物理蒸着によっても成膜できるが、0.6μm以上の厚膜の形成は時間がかかり生産性に劣る。また、物理蒸着による膜は、めっき膜と異なり、厚く形成されても下地の表面形状が膜の表面形状に保持される。すなわち、Agめっき膜12は、基板11の表面の凹凸を埋めるように形成されて表面が平滑になるため、Agの有する高反射率だけでなく、リードフレーム1の反射面を平滑にして反射率をいっそう高くする。また、Agめっき膜12の上に成膜される金属中間膜13および貴金属膜14は膜厚が数nm程度からと比較的薄く、かつ物理蒸着による膜であるために下地の表面形状が保持されることから、Agめっき膜12の表面粗さがリードフレーム1の表面粗さと略一致する。すなわちAgめっき膜12の表面が平滑でないと、リードフレーム1は、表面(反射面)が平滑にならないために、発光装置としたときに反射における拡散反射が多くなって出射光の光量の損失が多くなる。さらに、Agのめっき膜は結晶粒径が比較的大きく、熱によりAgが凝集することを抑制する作用(耐凝集性)が得られる。
金属中間膜13は、Agめっき膜12上に設けられ、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、Ti合金、Zr合金のいずれかで形成される。Ti合金、Zr合金は、それぞれTi,Zrを基とする合金を指し、具体的にはTiまたはZrを50at%超含有する。これらの金属または合金はAgが熱拡散し難いことから、金属中間膜13は、リードフレーム1を発光装置に組み立てる際のLEDチップの実装や、前記発光装置をはんだ付けする等の際の加熱、さらには発光装置として使用されたときの熱によって、Agめっき膜12のAgが貴金属膜14中に拡散して、さらにリードフレーム1の表面に到達することを防止するためのバリア層としての役割を有する。また、Ti,Zr、およびこれらを基とする合金は、硫黄やハロゲンイオンと反応し難く、また膜厚1nm以上であれば物理蒸着により緻密な膜を形成する。そのため、金属中間膜13は、硫黄成分等が、貴金属膜14のピンホールを介して金属中間膜13まで到達しても、Agめっき膜12までは到達させず、Agめっき膜12を保護する保護膜の役割としての役割を有する。すなわちリードフレーム1は、金属中間膜13を備えることにより、Agめっき膜12のAgが、大気や封止樹脂に含まれるハロゲンイオンや硫黄と反応して黒褐色化や凝集により反射率が劣化したり、封止樹脂に拡散して光透過性を劣化させることがない。
貴金属膜14は、金属中間膜13上の、リードフレーム1の最表面に設けられ、パラジウム(Pd)、白金(Pt)のいずれか、またはPd−Pt合金で形成される。貴金属膜14は、リードフレーム1がLEDチップを実装されて発光装置に組み立てられる際のワイヤボンディング性、および組み立てられた発光装置を配線基板等に実装する際のはんだ付け性を付与する。すなわちPd,Ptは、Au等からなるワイヤの圧着性がよく、また、はんだ付け性(はんだとの合金化容易性、はんだの濡れ性)も十分有し、極めて薄い膜であっても十分なワイヤボンディング性およびはんだ付け性が得られる。また、Pd,Ptは、その表面に不働態皮膜を形成しないにも関わらず耐食性に優れているので、リードフレーム1の配線としての導電性を低下させることがなく、また反射率が比較的高いので、リードフレーム1の反射率がAgめっき膜12の高反射率から大きく低下することがない。
本発明に係るリードフレームは、前記の構成を形成できる方法であれば特に制限されず、いずれの方法により製造してもよい。例えば、リードフレーム1は、基板11を作製する基板作製工程S1、基板11にAgめっき膜12を形成するAgめっき工程S2、そして、Agめっき膜12の表面に金属中間膜13を、さらにその表面に貴金属膜14を連続的に形成する積層膜形成工程S3を含む方法によって製造することができる(図示省略)。なお、各工程には説明のために符号を付す。以下に、リードフレーム1の製造方法の一例を説明する。
基板作製工程S1は、材料のCuまたはCu合金を連続鋳造して鋳造板(例えば、薄板鋳塊)を製造し、次に、焼鈍、冷間圧延、中間焼鈍および時効処理、さらに、仕上げ圧延、研磨等の工程を経て、所要の厚さの素板を製造する。この素板を切断やプレス加工等によりリードフレーム1の形状に成形して基板11を得ることができる。
Agめっき膜12の成膜に際して、予め基板11を脱脂液による脱脂、電解脱脂、および酸溶液によって前処理を行うことが好ましい。前処理は、例えば、基板11を、脱脂液に浸漬して脱脂した後、対極をステンレス鋼(SUS304)として、リードフレーム側がマイナスとなるようにして直流電圧を印加して30秒間程度電解脱脂を行い、さらに、10%硫酸水溶液に10秒程度浸漬することによって行うことができる。
金属中間膜13および貴金属膜14は、それぞれスパッタリング法のような物理蒸着法にて、当該金属中間膜13、貴金属膜14の各組成に合わせた金属または合金でそれぞれ形成された蒸発源(ターゲット)を用いて成膜することができる。そして、前記した通り、本発明に係るリードフレーム1は、金属中間膜13と貴金属膜14の界面に酸化膜が形成されていないように構成される。そこで、リードフレーム1の製造において金属中間膜13の表面に酸化膜が形成されないように、真空等の非酸化性雰囲気で金属中間膜13を成膜し、大気に開放されることなく引き続いて貴金属膜14を成膜する積層膜形成工程S3を行うことが好ましい。そのために、金属中間膜13および貴金属膜14の各ターゲットを同時に設置することができるように、2基以上の電極を備え、電圧を印加する電極の切換えの可能なスパッタリング装置を用いることで、金属中間膜13、貴金属膜14を連続して成膜する。
次に、本発明に係るリードフレームを組み込んだ発光装置についてその一例を説明する。図2に示す発光装置10は、前記した通り、一般的な表面実装型の発光装置である。図2および図3に示すように、発光装置10において、本発明に係るリードフレーム1は帯状の一対のリードフレーム1a,1cとして、凹状のLEDチップ実装部22が形成されたカップ状の支持部材2により支持される。詳しくは、リードフレーム1a,1cは、それぞれが支持部材2の外側からLEDチップ実装部22内へ貫通して、金属中間膜13および貴金属膜14が形成された側の面を上にしてLEDチップ実装部22の底面に配設されている。そして、LEDチップ実装部22の底面における略中央に載置されるように、リードフレーム1a上に、LEDチップが接着されている。LEDチップは、その電極が、LEDチップ実装部22において一対のリードフレーム1a,1c(インナーリード部)にボンディングワイヤ(ワイヤ)で接続されている。また、LEDチップ実装部22内は、透明な封止樹脂(図示省略)が充填されて封止されている。
下記のようにして、図1に示す積層構造のリードフレーム1の試料を、Agめっき膜、金属中間膜、および貴金属膜のそれぞれの成分および膜厚を変化させて作製した。基板として、厚さ0.1mmのCu−Fe−P系銅合金板(KLF194H、株式会社神戸製鋼所製)を適用した。
前記基板を、めっき前処理として、脱脂液に浸漬して、対極をステンレス鋼(SUS304)として、基板側がマイナスとなるようにして直流電圧を印加して30秒間電解脱脂を行った後、10%硫酸水溶液に10秒浸漬した。
前処理後の基板に、下記の方法で表1に示す膜厚および組成のAgめっき膜を形成した。
組成がAg(純Ag)であるAgめっき膜(試料No.1〜9,12〜15)は、下記成分、液温50℃のシアン浴で、対極をAg(純度99.99%)板とし、電流密度:5A/dm2で、光沢Agめっきを施して形成した。Agめっき膜を形成した後、めっき浴から引き上げて水洗した。
Agめっき浴成分
シアン化銀カリウム(I):50g/L
シアン化カリウム :40g/L
炭酸カリウム :35g/L
添加剤 :3ml/L
Agめっき膜を形成した基板に、下記の方法で金属中間膜および貴金属膜を形成した。スパッタリング装置に、表1に示す金属中間膜および貴金属膜の組成に合わせたそれぞれの金属からなるターゲット(直径10.16cm(4インチφ)×厚さ5mm)を設け、チャンバー内に基板を載置した。次に、真空ポンプでチャンバー内圧力が1.3×10-3Pa以下となるように真空排気した後、Arガスをチャンバー内に導入してチャンバー内圧力を0.27Paに調整した。この状態で、金属中間膜用のターゲット、貴金属膜用のターゲットに順次、直流電圧(出力100W)を印加してスパッタリングを行い、表1に示す膜厚の金属中間膜および貴金属膜の2層膜を成膜し、リードフレーム1の試料を作製した。なお、試料No.15は、金属中間膜、貴金属膜を成膜せず、Agめっき膜のみを形成した。
作製したリードフレームの試料にX線光電子分光分析(XPS)を行って、金属中間膜、貴金属膜の各膜厚を測定した。試料の表面について、全自動走行型X線光電子分光分析装置(Physical Electronics社製Quantera SXM)を用いて、貴金属膜を形成する金属元素、金属中間膜を形成する金属元素、およびAgの各濃度を、表面から深さ方向へ測定した。測定条件は、X線源:単色化Al−Kα、X線出力:43.7W、X線ビーム径:200μm、光電子取出し角:45°、Ar+スパッタ速度:SiO2換算で約0.6nm/分とした。金属酸化膜に含まれる金属元素の濃度が、最高濃度の1/2まで減少した深さを金属酸化膜の膜厚とした。表面からPdまたはPtの濃度(含有率)が、最高値の1/2まで減少した深さまでを貴金属膜の膜厚とし、前記の深さから金属中間膜を形成する金属元素の濃度が、最高値の1/2まで減少した深さまでを金属中間膜の膜厚とし、表1に示す。
リードフレームの試料について、下記の方法で、表面の反射率、耐熱性、耐硫化性、ワイヤボンディング性、およびはんだ付け性を評価した。
自動絶対反射率測定システム(日本分光株式会社製)を用いて、入射角5°、反射角5°の条件で、波長250〜850nmにおける分光反射率を測定して正反射率を求めた。正反射率50%以上を合格基準とした。正反射率を表1に示す。
耐熱試験として、試料を、恒温槽内で150℃で6時間加熱し、引き続き260℃で5分間加熱した。試験後、表面の正反射率を前記と同様の方法で測定し、耐熱試験による正反射率の低下が5ポイント未満のものを合格とした。正反射率および正反射率の試験によるポイント減を表1に示す。
耐硫化試験として、硫化水素濃度3ppm、温度40℃、湿度80%に調整したチャンバー内に、試料を96時間暴露した。試験後、表面の正反射率を前記と同様に測定し、耐硫化性試験による正反射率の低下が20ポイント未満のものを合格とした。正反射率およびポイント減を表1に示す。
試料の図4(b)に示すリード部材1a,1c間(インナーリード部、図2(b)参照)を、マニュアルボンダ(KULICKE and SOFFA INDUSTRIES社製、Model 4127)を用いて、ワイヤとして線径φ25μmの金(純Au)線(田中貴金属工業株式会社製)でワイヤボンディングした。そして、光学顕微鏡で観察しながら金線の中央をピンセットで掴んで引っ張ることにより試験を行った。その結果、金線が試料のボンディング箇所から剥離することなく金線を切ることができた場合をワイヤボンディング性が良好であるとして合格とし、表1に「○」で表す。一方、金線が切れる前に少なくとも一方のボンディング箇所から金線が剥離した場合を不良とし、表1に「×」で表す。
試料をホットプレートで250℃に加熱し、直径約5mmのはんだボール(Sn−3.0at%Ag−0.5at%Cu)を溶融させて、試料の表面に垂らした後、試料をホットプレートから外して冷却してはんだを凝固させた。そして、凝固したはんだ溶滴の試料表面における濡れ接触角を測定した。図5に示すように、試料を側面視で(試料の表面に水平な方向から見て)観察し、はんだ溶滴の端点と頂点とを結ぶ線分(図中に破線で示す)が試料表面となす角θを測定し、2θをはんだ溶滴の濡れ接触角であるとした。はんだ溶滴の濡れ接触角2θが小さいほどはんだの濡れ性がよいことを示し(図5(a)参照)、濡れ接触角2θが大きくなるとはんだの濡れ性が低下する(図5(b)参照)。濡れ接触角2θが80°以下であれば、はんだの濡れ性を十分に有してはんだ付けによる実装が可能であるので、はんだ付け性合格とし、特に2θ<45°をはんだ付け性優良として「◎」、45°≦2θ≦80°をはんだ付け性良好として「○」で、それぞれ表1に表す。一方、濡れ接触角2θが80°を超えて大きいとはんだ付けによる実装が困難になり、80°<2θ≦90°を「△」で、2θ>90°を「×」で、それぞれ表1に表す。
11,11A 基板
12 Agめっき膜(第1膜)
13 金属中間膜(第2膜)
14 貴金属膜(第3膜)
Claims (3)
- CuまたはCu合金からなる基板と、
前記基板上の少なくとも片面側に形成されたAgまたはAg合金からなる膜厚0.6μm以上8μm以下の第1膜と、
前記第1膜上に形成されたTi、Zr、Ti合金、Zr合金のいずれかからなる膜厚1nm以上15nm以下の第2膜と、
前記第2膜上に形成されたPd,Ptから選択される1種以上からなる膜厚2nm以上50nm以下の第3膜と、を備えることを特徴とするLED用リードフレーム。 - 請求項1に記載されたLED用リードフレームの製造方法であって、
前記基板上にめっき処理により形成された前記第1膜上に、Ti、Zr、Ti合金、Zr合金のいずれかからなる金属蒸発源を用いて、物理蒸着法により前記第2膜を成膜し、
前記第2膜上に、Pd,Ptから選択される1種以上からなる貴金属蒸発源を用いて、物理蒸着法により前記第3膜を成膜することを特徴とするLED用リードフレームの製造方法。 - 前記金属蒸発源と前記貴金属蒸発源とを順番に用いて、物理蒸着法により、非酸化性雰囲気で、前記第1膜上に前記第2膜および前記第3膜を連続して成膜することを特徴とする請求項2に記載のLED用リードフレームの製造方法。
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