JP6183118B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
そこで、本発明では、発光素子と金属バンプとの間の剥離を抑制できる発光装置を提供することを目的とする。
セラミック材料から成る基材と、当該基材の上面に設けられた金属配線とを含むサブマウントを準備する工程と、
前記サブマウントの前記金属配線上に、発光素子を金属バンプで実装する工程と、
前記発光素子を実装した後の前記サブマウントを、リードフレーム上に、はんだ付けする工程と、を含む発光装置の製造方法であって、
前記はんだ付けする工程は、前記サブマウントにクラックを形成する工程を含む。
リードフレームを含むパッケージと、
セラミック材料から成る基材と当該基材の上面に設けられた金属配線とを含み、前記リードフレーム上にはんだ付けされたサブマウントと、
前記サブマウントの前記金属配線に金属バンプで実装された発光素子と、を含み、
前記サブマウントにクラックが設けられていることを特徴とする。
発明者らは、リードフレーム上にサブマウント40をはんだ付けした発光装置50において、サブマウント40上に実装された発光素子42と、その実装時に使用する金属バンプ71との間で剥離が生じる、という不具合が起こり得ること、そして基材41にクラック45を設けることにより、その不具合を著しく低減できることを初めて見いだした。
発明者らの研究結果から推測すると、サブマウント40に設けるクラック45の効果は以下のようなものであると考えられる。
次に、はんだペースト72’中のはんだを溶融させる(はんだをリフローさせる)ために加熱を行う。このとき、第3リード83を形成している金属の熱膨張率は、サブマウント40の基材41を形成しているセラミックの熱膨張率よりも高いため、第3リード83は、基材41に対して相対的に大きい寸法になる(図8(b))。このとき、はんだ層72は溶融しているため、第3リード83と基材41との間には応力は発生しない。
さらに冷却が進んで、はんだ付け工程(はんだリフロー)が完了すると、第3リードの収縮の影響を受けて、基材41が湾曲すると考えられる(図9(b))。
ここで、金属配線44上に実装されている発光素子42について検討すると、発光素子42は、はんだリフロー前に金属配線44に実装されている(図8(a))。そのため、金属配線44が湾曲すると、湾曲した金属配線44と湾曲していない発光素子42との間に不整合が生じて、金属配線44と発光素子42とをつなぐ金属バンプ71は、ずれ応力、引っ張り応力等の応力を受け得る。そして、金属バンプ71が受ける応力が大きくなって、金属バンプ71と発光素子42との間の接合力を超えると、金属バンプ71と発光素子42との間で剥離が生じ得る(図9(b))。
なお、金属バンプ71と発光素子42との間の接合力よりも、金属バンプ71と金属配線44との間の接合力のほうが弱い場合には、発光素子42と金属配線44との間に剥離が生じることもある。
このようなメカニズムにより、サブマウント40に設けたクラック45によって、金属バンプ71と発光素子42との間の剥離、という不具合を著しく抑制することができると考えられる。
上述したような「上面41aの引っ張り応力を解消又は緩和する」という、クラック45の作用を考慮すると、クラック45は、上面41aに形成されている形態(つまり、第1のクラックと第2のクラック)であるのが好ましい。
一方、基材41全体の強度を維持する観点から、クラック45は、完全に貫通せずに途中で止まっている形態(つまり、第2のクラックと第3のクラック)であるのが好ましい。
また、図7に図示したクラック45の深さdは、基材41の厚さT1の30%〜70%であるのが好ましい。これにより、上面41aの引っ張り応力を解消又は緩和する作用が得られ、且つ基材41全体の強度を十分に維持することができる。
一方、クラック45による発光素子42−金属バンプ71間の剥離抑制効果を十分に得るためには、クラック45は、基材41の上面41aにおいて発光素子42が載置される範囲に近接する位置に設けられるのが好ましい。
クラックの形成幅は、発光素子42−金属バンプ71間の剥離抑制効果を考慮すると、発光素子42が載置される範囲に近接する位置に、少なくとも発光素子42の幅と同程度以上に設けられることが好ましい。さらに、サブマウントの端まで連続して設けられることがより好ましい。
ここで、サブマウント40の長手方向(x方向)と直交する方向(y方向)に沿ってクラック45を設けると、長手方向(x方向)に生じる上面41aの引っ張り応力を効果的に緩和できるので好ましい。
実装される発光素子42が1つの場合には、上述したような観点から、クラック45の形成位置及び形成方向を決定することができる。
実装される発光素子42が2つ以上の場合には、クラック45は、隣接する2つの発光素子42の間に設けられているのが好ましい。これにより、いくつかの利点が得られる。第1に、2つの発光素子42に近接してクラック45を設けることができる。第2に、発光素子42の直下にクラック45が形成されることがない。第3に、クラック45の形成位置がいくつかに特定されるので、クラック45の形成位置の設計が容易になる。なお、複数の発光素子42を一列に配列する形態においては、長方形のサブマウント40を用いて、サブマウント40の長手方向に沿って発光素子42を配列することが多いことから、隣接する2つの発光素子42の間にクラック45を形成すれば、自動的に、サブマウント40の長手方向と直交する方向にクラック45を形成することができる。
図7には、4つの発光素子42をサブマウント40に実装した例を示している。「隣接する2つの発光素子42の間」は、3箇所(位置L、位置C、位置R)存在する。この3つのうち、いずれか1箇所だけにクラック45を形成する場合には、中央の位置Cにクラック45を形成するのが最も好ましい。例えば、位置Lにクラック45を形成した場合、位置Lより左側については上面41aの湾曲は大幅に緩和されるものの、位置Lより右側については上面41aの湾曲が十分に緩和できない。同様に、位置Rにクラック45を形成した場合、位置Rより右側については上面41aの湾曲は大幅に緩和されるものの、位置Rより左側については上面41aの湾曲が十分に緩和できない。これに対して、位置Cにクラック45を形成すると、位置Cより左側についても、位置Cより右側についても、上面41aの湾曲を緩和することができるため、全体としての湾曲緩和効果が高くなる。
ツェナーダイオードをフェイスアップ実装する場合は、分離した金属配線44の一方にツェナーダイオードを実装し、ワイヤ等によってもう一方の金属配線44と接続することができる。
セラミック粉末を矩形の板状体に圧縮し、得られた圧縮成形体を焼結して、セラミック材料から成る基材41を得る。その後、基材41の上面41aに金属配線44を形成してサブマウント40を得る。
このとき、金属配線44を形成している金属膜の厚さT2(図7(a))が1.5μm〜4μmであると、後で基材41にクラック45を形成する際に、金属配線44が断線しにくくなるので好ましい。
サブマウント40の金属配線44上に、発光素子42を金属バンプ71で実装する。まず、金属配線44上の、発光素子42の電極と対応する位置に、金属バンプ71を形成する。次に、発光素子42の電極が金属配線44に向き合うように、発光素子42をサブマウント40に載置する。このとき、発光素子42の電極と金属バンプ71とを正確に位置合わせする。図6(b)の例では、発光素子42を4つ実装する。また、同様にして、ツェナーダイオード43もサブマウント40の金属配線44上に実装する。
<3.パッケージ10の形成>
金属板をパンチングして、第1リード81、第2リード82及び第3リード83を含むリードフレームを形成する。このリードフレームを、パッケージ10成形用の金型で挟み込む。なお、金型には、パッケージ10の凹部12に対応する凸部設けられており、金型の凸部を第1〜第3リード81〜83に接触させることにより、パッケージ10の凹部12の底面121から、第1〜第3リード81〜83を露出させることができる。そして、金型の空隙に樹脂成形体11用の樹脂材料を注入し、樹脂材料を硬化後に金型を外すことにより、パッケージ10が得られる。
<4.サブマウント40のはんだ付け>
発光素子42を実装した後のサブマウント40を、パッケージ10の凹部12内に露出した第3リード83上に、はんだ付けする。
まず、第3リード83の上にはんだペースト72’を塗布し、その上にサブマウント40を載置することにより、第3リード83とサブマウント40の間にはんだペースト72’を配置する(図8(a))。次に、はんだペースト72’を加熱して、はんだペースト72’内のはんだをリフロー(溶融)させる。その後、溶融したはんだを冷却して、はんだを凝固させる。このとき、強制冷却することにより、短時間ではんだを凝固させることができる。はんだリフローから冷却までのステップは、リフロー装置を用いて行うことができる。また、リフロー装置に入力する温度プロファイルを適宜設定することにより、加熱速度、リフロー温度、冷却速度等を任意に制御することができる。
冷却を促進するように冷却速度を制御するためには、例えばファン等による空冷、冷却水による水冷等の強制冷却を行うことができる。
また、基材41の厚さT1(図7)が、0.1mm〜1.5mmであると、クラック45を効率よく形成することができるので好ましい。また、その厚さの範囲であると、クラック45の深さdを、基材41の厚さT1の30%〜70%とすることができる。上述したように、クラック45の深さdがその範囲にあると、基材41の上面41aの引っ張り応力を解消又は緩和することができ、且つ基材41全体の強度を維持することもできるので好ましい。
パッケージ10の第1リード81及び第2リード82とサブマウント40とをボンディングワイヤBWでワイヤボンドする。そして、発光素子42上に、波長変換部材51を樹脂で固定する。その後、パッケージ10の凹部12を封止樹脂52で封止する。例えば図4に示すように2層の樹脂層から成る封止樹脂52の場合、まず凹部12内に第1封止樹脂(アンダーフィル)をポッティングして硬化させて、第1封止樹脂層521を形成する。次いで、第1封止樹脂層521を覆うように、凹部12内に第2封止樹脂(オーバーフィル)をポッティングして硬化させて、第2封止樹脂層522を形成する。これにより、2層の封止樹脂層から成る封止樹脂52を形成することができる。
サブマウント40の基材41は、AlN、Al2O3、SiC等のセラミックを用いることができる。特に、AlNは熱伝導率が高く好ましい。
本実施の形態では矩形の基材41を例示したが、これに限定されるものではなく、正方形、多角形、円形、楕円形等の任意形状の基材41を用いることもできる。
サブマウント40の金属配線44は、基材41への密着性が良好で、導電性の高い金属材料から形成するのが好ましい。また、発光素子42からの発光がサブマウント40方向に進行したときに効率よく反射できるように、発光素子42からの発光に対する反射率の高い金属材料から形成すると、より好ましい。金属配線44を形成する金属膜としては、Ag膜、Al膜、Au膜、Cu膜等が利用でき、特にAg膜が好ましい。
リードフレームは、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅などのいずれか1つ以上からなる導電性材料を用いることができる。リードフレームは、金、銀およびそれらの合金などでメッキするのが好ましい。
樹脂成形体11の成形材料には、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂のほか、液晶ポリマー、ポリフタルアミド樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)などの熱可塑性樹脂を用いることができる。また、成形材料中に酸化チタンなどの白色顔料などを混合して、樹脂成形体11の凹部12内における光の反射率を高めることもできる。
発光素子42としては、半導体発光素子(例えばLED)を用いることができる。半導体発光素子は、基板上に、InN、AlN、GaN、InGaN、AlGaN、InGaAlN等の窒化物半導体、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体等の半導体層を積層した積層構造体から構成されている。発光素子の基板としては、サファイア等の絶縁性基板や、SiC、GaN、GaAs等の導電性基板等が挙げられる。
絶縁性基板を用いた半導体発光素子では、積層構造体の上面にn側電極およびp側電極を形成する。導電性基板を用いた半導体発光素子では、積層構造体の上面に一方の電極(例えばn側電極)、導電性基板の下面に他方の電極(例えばp側電極)を形成する。
ボンディングワイヤBWとしては、例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム等の金属およびそれらの合金から成る金属製のワイヤを用いることが出来る。
封止樹脂52は、発光素子42を収容した樹脂成形体11の凹部12を封止するものであり、発光素子42を外部環境から保護している。封止樹脂52は単一層から形成することもできるが、複数層(例えば、第1封止樹脂層521と第2封止樹脂層522の2層)から構成することもできる。封止樹脂の材料としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはこれらを1つ以上含む樹脂を用いることができる。また、封止樹脂52には、酸化チタン、二酸化ケイ素、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、アルミナ、窒化アルミニウムなどの光散乱粒子を分散させてもよい。
波長変換部材51は、発光素子42からの発光の波長を変換する材料(蛍光体等)を含有するガラスや樹脂から形成された部材であり、本実施の形態では、発光素子42の上面に配置されている。例えば白色光を発する発光装置50では、青色光を発光する発光素子42と、青色光を吸収して黄色光を発する波長変換部材51(例えば、ガラスにYAGを分散させたYAGガラス)とを組み合わせることができる。
サブマウント40のはんだ付け工程における冷却速度と、基材41のクラック45の発生率との関係を調べた。
図6に示すような長方形のサブマウント40(AlN製、4.65mm×2.3mm×0.4mm)に、発光素子42を4つ実装した後に、リードフレーム(Cu製、厚さ0.5mm)上にはんだ付けした。はんだリフローに際しては、まず315℃まで加熱し、その後に、3つの異なる冷却速度で冷却した。1つの冷却速度につき、320個の試料で実験して、クラックの発生率を調べた。
実験条件とクラック発生率を表1の通りであった。
冷却速度は、(温度低下)/(冷却時間)で求めたものであり、「−β℃/秒」とは、1秒あたり−β℃下がるような冷却速度であったことを意味する。なお、「冷却速度が速い」とは、冷却速度の絶対値が大きいことを意味する。
「クラック発生数」とは、320個中いくつの試料でクラックが確認されたかを意味している。
「クラック発生率」とは、(クラック発生数)/320×100(%)で求めたものである。
サブマウント40にクラック45が設けられた発光装置50と、サブマウント40にクラック45のない発光装置50とについて2種類の耐久性試験を行って、発光素子42−金属バンプ71間での剥離発生率を調べた。
図1のように封止樹脂52で封止した発光装置50を試験に使用した。サブマウント40にクラック45のない発光装置50を100個、クラック45のある発光装置50を50個準備した。
まず、60℃の炉内に24時間放置して前処理を行った。前処理が完了したら、湿度85%、温度85℃で24時間放置し(吸湿処理)、その後に257℃に加熱して5秒間維持した後に冷却した(加熱処理)。吸湿処理→加熱処理で1パスとした。加熱処理後に、発光装置50に通電して、点灯しなかった個数(不灯個数)を調べた。同じ試料について「吸湿処理→加熱処理」を繰り返して、1パスごとに不灯個数を調べた。
実験結果を表2に示す。
図1のように封止樹脂52で封止した発光装置50を試験に使用した。サブマウント40にクラック45のない発光装置50を25個、クラック45のある発光装置50を50個準備した。
まず、60℃の炉内に24時間放置した後に、湿度85%、温度85℃で24時間放置して前処理を行った。前処理が完了したら、260℃の溶融はんだが入ったはんだ槽に10秒浸漬し(加熱処理)、その後に20℃の水が入った水槽に20秒浸漬した(冷却処理)。加熱処理→冷却処理で1パスとした。5パスごとに発光装置50に通電して、点灯しなかった個数(不灯個数)を調べた。
実験結果を表3に示す。
41 基材
40 サブマウント
42 発光素子
44 金属配線
45 クラック
50 発光装置
81〜83 第1〜第3リード(リードフレーム)
71 金属バンプ
72 はんだ層
Claims (10)
- セラミック材料から成る基材と、当該基材の上面に設けられた金属配線とを含むサブマウントを準備する工程と、
前記サブマウントの前記金属配線上に、発光素子を金属バンプで実装する工程と、
前記発光素子を実装した後の前記サブマウントを、リードフレーム上に、はんだ付けする工程と、を含む発光装置の製造方法であって、
前記はんだ付けする工程は、前記サブマウントにクラックを形成する工程を含むことを特徴とする発光装置の製造方法。 - 前記発光素子を少なくとも2つ以上含み、
前記クラックは、隣接する2つの前記発光素子の間に形成されることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 - 前記サブマウントが略長方形であり、
前記クラックは、前記サブマウントの長手方向と直交する方向に沿って形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法。 - 前記基材を形成するための前記セラミック材料の熱膨張率は、前記リードフレームを形成している金属材料の熱膨張率よりも10.8×10−6/K以上小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記基材の厚さが、0.1mm〜1.5mmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記クラックの深さが、前記基材の厚さの30%〜70%であることを特徴とする請求項5に記載の製造方法。
- 前記金属配線を形成している金属膜の厚さが1.5μm〜4μmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法。
- リードフレームを含むパッケージと、
セラミック材料から成る基材と当該基材の上面に設けられた金属配線とを含み、前記リードフレーム上にはんだ付けされたサブマウントと、
前記サブマウントの前記金属配線に金属バンプで実装された発光素子と、を含み、
前記サブマウントにクラックが設けられていることを特徴とする発光装置。 - 前記発光素子を少なくとも2つ以上含み、
前記クラックは、隣接する2つの前記発光素子の間に設けられていることを特徴とする請求項8に記載の発光装置。 - 前記サブマウントが略長方形であり、
前記クラックは、前記サブマウントの長手方向と直交する方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項8又は9に記載の発光装置。
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