JP6519407B2 - Light emitting device and method of manufacturing light emitting device - Google Patents
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Description
本開示は、発光素子を備えた発光装置及び発光装置の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a light emitting device including a light emitting element and a method of manufacturing the light emitting device.
LED(発光ダイオード)などの発光素子を実装した発光装置においては、発光装置を安価にするため、発光装置に用いられる部材に安価な材料が求められている。このため、実装基板の配線パターンは、特にフレキシブル基板の配線パターンの材料として、Cuなどに比べて安価であり、また軽量で可撓性に優れるAlが用いられることがある。 In a light emitting device on which a light emitting element such as an LED (light emitting diode) is mounted, an inexpensive material is required for a member used for the light emitting device in order to make the light emitting device inexpensive. For this reason, the wiring pattern of the mounting substrate is particularly inexpensive as compared with Cu or the like as a material of the wiring pattern of the flexible substrate, and Al which is light in weight and excellent in flexibility may be used.
一方、LEDなどの発光素子を実装基板に実装する方法として、発光素子の電極と実装基板の配線パターンとを、それらの間に異方性導電接着剤を介して対向させ、熱圧着させることで接着及び電気的接続をする方法がある(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, as a method of mounting a light emitting element such as an LED on a mounting substrate, the electrodes of the light emitting element and the wiring pattern of the mounting substrate are opposed to each other via an anisotropic conductive adhesive and thermocompression bonded. There is a method of bonding and electrical connection (see, for example, Patent Document 1).
異方性導電接着剤は、絶縁性のバインダ樹脂中に導電性粒子を分散させることで、異方性を有する導電性を付与されたものである。また、導電性粒子は、弾性を有する樹脂コアの表面にAuなどの金属被膜を設けることにより形成される。
このような異方性導電接着剤を発光素子の実装に用いることにより、半田などを用いる場合と比較して、低温で接着を行うことができる。
An anisotropic conductive adhesive is provided with anisotropic conductivity by dispersing conductive particles in an insulating binder resin. The conductive particles are formed by providing a metal coating such as Au on the surface of a resin core having elasticity.
By using such an anisotropic conductive adhesive for mounting a light emitting element, bonding can be performed at a low temperature as compared with the case of using solder or the like.
しかしながら、異方性導電接着剤は、バインダ樹脂を含むために熱伝導率が比較的低く、発光素子から発生する熱を実装基板側に十分に逃がすことは困難である。発光素子は、活性層の温度が、特に100℃以上になると発光効率が著しく低下し、また寿命も短くなり、信頼性が低下する。従って、発光素子が発生する熱を効率よく逃がすことが重要である。 However, since the anisotropic conductive adhesive contains a binder resin, its thermal conductivity is relatively low, and it is difficult to sufficiently dissipate the heat generated from the light emitting element to the mounting substrate side. In the light emitting element, when the temperature of the active layer is 100 ° C. or more in particular, the luminous efficiency is significantly reduced, the lifetime is shortened, and the reliability is reduced. Therefore, it is important to efficiently dissipate the heat generated by the light emitting element.
そこで、本開示の実施形態に係る発光装置の製造方法は、実装基板と発光素子との間の熱抵抗を低減でき、安価な発光装置を製造する製造方法を提供することを課題とする。
また、本開示の実施形態に係る発光装置は、安価であり、実装基板と発光素子との間の熱抵抗が低減され、信頼性の高い発光装置を提供することを課題とする。
Then, the manufacturing method of the light-emitting device concerning embodiment of this indication makes it a subject to be able to reduce the thermal resistance between a mounting substrate and a light emitting element, and to provide the manufacturing method which manufactures a cheap light-emitting device.
Another object of the present invention is to provide a highly reliable light emitting device that is inexpensive and in which the thermal resistance between the mounting substrate and the light emitting element is reduced.
本開示の実施形態に係る発光装置の製造方法は、発光素子と、前記発光素子を実装するための配線パターンを備える実装基板と、を備える発光装置の製造方法であって、前記発光素子の電極と前記配線パターンとの間に、導電性粒子と、組成にAuを含まないSn系の半田粒子と、を含有する異方性導電接合部材を挟んで熱圧着することで前記発光素子と前記実装基板とを接合する接合工程を含み、前記電極は、前記配線パターンと対向する面側にAu含有層を有し、前記配線パターンの表面は、Alを主成分とし、前記熱圧着によって、前記Au含有層と前記半田粒子とで、前記電極と前記配線パターンとを接続するAu−Sn系の合金層を形成するように構成される。 A method of manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present disclosure is a method of manufacturing a light emitting device including a light emitting element and a mounting substrate provided with a wiring pattern for mounting the light emitting element, and an electrode of the light emitting element The light emitting element and the mounting are thermocompression-bonded by sandwiching an anisotropic conductive bonding member containing conductive particles and Sn-based solder particles containing no Au in the composition between the above and the wiring pattern. The electrode includes an Au-containing layer on the side facing the wiring pattern, and the surface of the wiring pattern contains Al as a main component, and the Au bonding is performed by the thermocompression bonding. An Au—Sn based alloy layer connecting the electrode and the wiring pattern is formed by the containing layer and the solder particle.
また、本開示の実施形態に係る発光装置は、発光素子と、前記発光素子を実装するための配線パターンを備える実装基板と、前記発光素子と前記実装基板とを接合する異方性導電接合部材と、を有し、前記配線パターンの表面は、Alを主成分とし、前記異方性導電接合部材は、前記発光素子の電極と前記配線パターンとの間に前記発光素子の電極と前記配線パターンとを接続するAu−Sn系の合金層を有し、前記発光素子の電極と前記配線パターンとの間以外の部分においてAuを含まないSn系の半田粒子を有し、前記発光素子の電極は、前記配線パターンと対向する面側の少なくとも一部の領域に、前記合金層よりもAu含有率が高いAu含有層を有するように構成される。 A light emitting device according to an embodiment of the present disclosure includes a light emitting element, a mounting substrate including a wiring pattern for mounting the light emitting element, and an anisotropic conductive bonding member for bonding the light emitting element and the mounting substrate. And the surface of the wiring pattern is mainly made of Al, and the anisotropic conductive bonding member is an electrode of the light emitting element between the electrode of the light emitting element and the wiring pattern and the wiring pattern has a Au-Sn alloy layer that connects the door, have a solder particles of Sn system containing no Au in a portion other than between the wiring pattern and electrodes of the light emitting element, the electrodes of the light emitting element , at least in a partial region of the wiring pattern and the surface facing the side, configured to have a Au-containing layer is high Au content than the alloy layer.
本開示の実施形態に係る発光装置の製造方法によれば、安価で、信頼性の高い発光装置を製造することができる。
また、本開示の実施形態に係る発光装置によれば、安価で、信頼性の高い発光装置とすることができる。
According to the method of manufacturing a light emitting device according to the embodiment of the present disclosure, it is possible to manufacture an inexpensive and highly reliable light emitting device.
Moreover, according to the light emitting device according to the embodiment of the present disclosure, the light emitting device can be inexpensive and highly reliable.
以下、実施形態に係る発光装置及び発光装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面が示す部材のサイズや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。更に以下の説明において、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。 Hereinafter, a light emitting device and a method of manufacturing the light emitting device according to the embodiment will be described with reference to the drawings. Note that the sizes, positional relationships, and the like of members shown in each drawing may be exaggerated for the sake of clarity. Further, in the following description, the same names and reference numerals indicate the same or the same members in principle, and the detailed description will be appropriately omitted.
<実施形態>
[発光装置の構成]
本実施形態に係る発光装置は、少なくとも、発光素子と、前記発光素子を実装するための配線パターンを備える実装基板と、前記発光素子と前記実装基板とを接合する異方性導電接合部材と、を有し、前記異方性導電接合部材は、前記発光素子の電極と前記配線パターンとの間においてAu−Sn系の合金層を有し、前記発光素子の電極と前記配線パターンとの間以外の部分において前記合金層よりもAuの割合が低いか又はAuを含まないSn系の半田粒子を備える。
Embodiment
[Configuration of light emitting device]
The light emitting device according to the present embodiment includes at least a light emitting element, a mounting substrate provided with a wiring pattern for mounting the light emitting element, and an anisotropic conductive bonding member for bonding the light emitting element and the mounting substrate. And the anisotropic conductive joint member has an Au-Sn alloy layer between the electrode of the light emitting element and the wiring pattern, and other than between the electrode of the light emitting element and the wiring pattern The Sn-based solder particles have a lower proportion of Au than the alloy layer or no Au in the part of.
発光素子の電極の外部と接続するための部位に酸化や劣化などに強い安定した材料であるAuを用い、実装基板の配線パターンに安価なAlを用い、これらの間を接続する異方性導電接合部材中に含有させる半田として環境に悪影響が少ない鉛フリーのSn系半田を用いた場合、発光素子側の電極であるAuとSn系半田とは良好に合金を形成して半田結合するが、実装基板側のAlとSn系半田とは、Alがその表面に酸化膜を形成するため、一般的には半田結合することが困難である。そのため、実装基板の配線パターンにAlが用いられている場合は、異方性導電接合部材に半田が含有されていたとしても、半田と実装基板の配線パターンとの間の熱抵抗を十分に下げることができないという問題がある。
そこで、本実施形態のように、発光素子の電極のAu含有層と異方性導電接合部材に含有されるSn系の半田粒子とが合金層を形成することで、発光素子の電極と実装基板の配線パターンとの間の熱抵抗を低減でき、放熱性が向上して発光素子の温度上昇を抑制することができる。これにより、信頼性の高い発光装置とすることができる。
Anisotropic conduction that connects Au to the outside of the electrode of the light emitting element, which is a stable material resistant to oxidation or deterioration, and using inexpensive Al for the wiring pattern of the mounting substrate When lead-free Sn-based solder with little adverse effect on the environment is used as solder contained in the joining member, Au, which is an electrode on the light-emitting element side, and Sn-based solder form an alloy well and solder bond. Since Al forms an oxide film on the surface of Al and Sn-based solder on the mounting substrate side, it is generally difficult to perform solder bonding. Therefore, when Al is used for the wiring pattern of the mounting substrate, even if the anisotropic conductive bonding member contains solder, the thermal resistance between the solder and the wiring pattern of the mounting substrate is sufficiently lowered. There is a problem that you can not do it.
Therefore, as in the present embodiment, the Au-containing layer of the electrode of the light emitting element and the Sn-based solder particles contained in the anisotropic conductive bonding member form an alloy layer, whereby the electrode of the light emitting element and the mounting substrate The thermal resistance between the wiring pattern and the wiring pattern can be reduced, the heat dissipation can be improved, and the temperature rise of the light emitting element can be suppressed. Thus, the light emitting device can have high reliability.
本実施形態に係る発光装置の構成について、図1A〜図2Bを参照して説明する。
なお、図1Aにおいて、発光素子1は細部構造を省略して示しているが、図3に示すように、n側電極13は半導体積層体12のn型半導体層12nと電気的に接続され、p側電極15は全面電極14を介してp型半導体層12pと電気的に接続されている。後記する図6A〜図6Cに示した発光素子1についても同様である。
また、図2A及び図2Bは、n側電極13と配線パターン22との間に形成される合金層34による接合状態を拡大して示すものである。p側電極15と配線パターン22との間に形成される合金層34による接合状態もこれと同様である。
The configuration of the light emitting device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1A to 2B.
In FIG. 1A, the
Moreover, FIG. 2A and FIG. 2B expand and show the joining state by the
発光装置100は、発光素子1が実装基板2上に、異方性導電接合部材3を用いてフリップチップ実装されて構成されている。なお、実装基板2に実装される発光素子1の個数は1個に限定されず、2個以上であってもよい。
以下、各構成について順次に詳細に説明する。
The
The respective components will be sequentially described in detail below.
発光素子1は、下面側に一対の電極であるn側電極13及びp側電極15を有し、異方性導電接合部材3を用いて、実装基板2の上面にフリップチップ実装されている。
ここで、発光素子1の構成例について、図3を参照して説明する。なお、図3において、発光素子1は、図1Aに示した発光装置100においてフリップチップ実装された発光素子1とは、説明の便宜上、上下が逆になるように示している。すなわち、n側電極13及びp側電極15が設けられた面が上方になるように示している。
The
Here, a configuration example of the
発光素子1は、LEDなどの半導体発光素子を好適に用いることができる。本実施形態における発光素子1は、基板11と、半導体積層体12と、n側電極13と、全面電極14と、p側電極15と、保護膜16とを備えて構成されている。また、本実施形態における発光素子1は、基板11の一方の主面上に、半導体積層体12を備え、更に半導体積層体12上にn側電極13及びp側電極15とを備え、フリップチップ実装に適した構造を有している。
The
基板11は、半導体積層体12を支持する部材である。具体的な材料としては、サファイアやSiCなどを用いることができる。例えば、半導体積層体12をGaN(窒化ガリウム)などの窒化物半導体を用いて形成する場合には、基板11としてサファイアを好適に用いることができる。
The
半導体積層体12は、基板11の上面である一方の主面上に、n型半導体層12n、活性層12a及びp型半導体層12pが積層されてなり、n側電極13及びp側電極15間に電流を通電することにより発光するように構成されている。
半導体積層体12には、p型半導体層12p及び活性層12aが部分的に存在しない領域、すなわちn型半導体層12nが露出した領域12bを有する。当該n型半導体層12nが露出した領域12bにはn側電極13が設けられ、n型半導体層12nと電気的に接続されている。
また、p型半導体層12pの上面の略全面には、全面電極14が設けられ、更に全面電極14の上面の一部にp側電極15が設けられている。
The
The
In addition, the
n側電極13は、発光素子1に外部からの電流を供給するための負極側のパッド電極である。本実施形態においては、n側電極13は、第1層13aと第2層13bとが積層された多層構造を有している。
The n-
第1層13aは、n側電極13とn型半導体層12nとを良好に密着させるための密着層であり、Ni、Ti、Ptなどを好適に用いることができる。また、第1層13aは、前記した金属材料を積層して用いるようにしてもよい。金属材料を積層する場合は、n型半導体層12n側から順に、例えば、Ni(20nm)/Ti(200nm)、Ti(200nm)/Pt(300nm)などとすることができる。また、第1層13aは、単一層でもよく、3層以上を積層してもよい。
なお、これらの金属材料は、半田粒子33とは合金を形成しないものが好ましい。
The
It is preferable that these metal materials do not form an alloy with the
第2層13bは、n側電極13の最表面に設けられ、異方性導電接合部材3中に含有される導電性粒子32を介して配線パターン22と良好に電気的に接続するために、Auからなる層である。第2層13bは、Au含有率が99質量%以上であることが好ましく、不回避的に含有される不純物を除き、Au含有率が100質量%であることがより好ましい。また、第2層13bの膜厚は、300nm程度以上とすることが好ましい。これにより、異方性導電接合部材3に含有されるSn系の半田粒子33と、比較的低温(例えば、260℃以下程度)に加熱することで溶融して均質な合金層34を形成することができる。例えば、半田粒子33と、Au含有率が2質量%以上12質量%以下となる組成の、比較的低融点(例えば、230℃以下程度)の合金層34とすることができる。
なお、第2層13bと半田粒子33とによる合金層34の形成を阻害しない材料や厚みであれば、第2層13bの表面に更に別の層が設けられてもよい。
The
It should be noted that another layer may be provided on the surface of the
全面電極14は、p型半導体層12pの上面の略全面を被覆するように設けられており、パッド電極であるp側電極15を介して外部から供給される電流をp型半導体層12pの全面に拡散するための電流拡散層として機能するものである。また、全面電極14に光反射性の高い材料を用いると、発光素子1が発光する光を、光取り出し面である発光素子1の基板11の方向(図1Aにおいては上方向)に反射させる光反射膜としても機能させることができる。
全面電極14は、良好な導電性と光反射性とを有する金属材料を用いることができる。特に可視光領域で良好な光反射性を有する金属材料としては、Ag、Al又はこれらの金属を主成分とする合金を単層で、又は積層して用いることができる。
The
The
p側電極15は、全面電極14の上面の一部に設けられ、外部の電極と接続するためのパッド電極である。p側電極15は、第1層15aと第2層15bとが積層して構成されている。第1層15aは、全面電極14及び第2層15bとのオーミック性及び密着性の良好な材料が用いられ、第2層15bは、Auが用いられる。
なお、本実施形態においては、p側電極15の第1層15a及び第2層15bは、それぞれ、前記したn側電極13の第1層13a及び第2層13bと同様の構成を有するものであるから、詳細な説明は省略する。また、p側電極15とn側電極13との構成は互いに異なっていてもよい。例えば、膜厚や材料などが異なっていてもよい。
The p-
In the present embodiment, the
保護膜16は、透光性及び絶縁性を有し、基板11の側面及び下面を除き、発光素子1の上面及び側面の略全体を被覆する膜である。また、保護膜16は、外部と接続するための領域であるn側電極13の上面及びp側電極15の上面に、それぞれ開口部を有している。保護膜16としては、例えば、SiO2、TiO2、Al2O3などの酸化物、SiNなどの窒化物、MgF2などのフッ化物を好適に用いることができる。
The
なお、発光素子1において、n側電極13及びp側電極15の配置領域や形状、層構造などは、本実施形態に限定されるものではなく、適宜に定めることができる。
In the
図1A〜図2Bに戻って、本実施形態に係る発光装置100の構成について説明を続ける。
実装基板2は、発光素子1などの電子部品が実装される基板であり、例えば、板状又はフィルム状の基体21と、基体21の上面に設けられた配線パターン22とを備えている。
Referring back to FIGS. 1A to 2B, the description of the configuration of the
The mounting
基体21は、絶縁性材料を用いることが好ましく、かつ、発光素子1から放出される光や外光などが透過しにくい材料を用いることが好ましい。また、ある程度の強度を有する材料を用いることが好ましい。具体的には、セラミックス(Al2O3、AlNなど)、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、BTレジン(bismaleimide triazine resin)、ポリフタルアミド(PPA)などの樹脂が挙げられる。また、基体21の上面は、少なくとも発光素子1を実装する領域及びその周辺は良好な光反射性を有することが好ましく、例えば、Ag、Alなどの金属や、白色顔料を含有した白色樹脂などを用いた光反射層を設けることが好ましい。
The
本実施形態においては、異方性導電接合部材3を用いているため、発光素子1を実装基板2に比較的低温で実装することができる。このため、基体21の材料として、セラミックスなどと比べて耐熱性の低い樹脂材料、例えば、ポリイミド樹脂を用いることができる。
実装基板2がフレキシブル基板である場合、基体21は可撓性を有することが好ましい。具体的な材料としては、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。この場合の基体21の厚さは、例えば、50μm〜500μm程度とすることができる。
In the present embodiment, since the anisotropic
When the mounting
配線パターン22は、発光素子1のn側電極13及びp側電極15と接合するために、それぞれの極性の電極に対応した接合領域を有している。
本実施形態では、配線パターン22として、フレキシブル基板の配線として好適で、価格が比較的安価なAlが用いられる。
The
In the present embodiment, Al, which is suitable as the wiring of the flexible substrate and is relatively inexpensive, is used as the
異方性導電接合部材3は、樹脂31に、導電性粒子32とSn系の半田粒子33とを分散してなる接着剤であり、実装時に上方から荷重を印加(加圧)し、更に加熱することによって、発光素子1と実装基板2とを接合(熱圧着)するものである。異方性導電接合部材3としては、ペースト状のACP(異方性導電ペースト)又はフィルム状のACF(異方性導電フィルム)の何れの形態のものでも用いることができる。また、異方性導電接合部材3は、溶剤の量やSiO2などのフィラーの添加量を加減して、適度な粘度に調整することができる。
The anisotropic
異方性を有する異方性導電接合部材3は、実装基板2の配線パターン22と発光素子1のn側電極13及びp側電極15との間を導電性粒子32によって縦方向(外部との接続面である実装面に垂直な方向)に電気的に接続している。一方で、実装基板2の配線パターン22の間及び発光素子1のn側電極13とp側電極15との間の横方向(実装面に平行な方向)においては、導電性粒子32同士が互いに連続して接触しないように、適度な量の導電性粒子32が樹脂31に分散されている。
In the anisotropic
樹脂31は、各種粒子のバインダ及び発光素子1と実装基板2との接着強度を得る接合材として用いられる。樹脂31は、透光性を有し、耐光性及び耐熱性に優れるものが好ましい。樹脂31が、熱硬化性樹脂である場合には硬化温度が250℃程度以下、熱可塑性樹脂である場合には融点が250℃程度以下のものが好ましい。このような樹脂材料としては、例えば、シリコーン樹脂、シリコーン変性樹脂、エポキシ樹脂、エポキシ変性樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、又はこれらの樹脂を1種類以上含むハイブリッド樹脂などの樹脂材料を用いることができる。なかでも、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂が好ましく、特に耐光性及び耐熱性に優れるシリコーン樹脂がより好ましい。
The
導電性粒子32は、樹脂などの絶縁材料からなり球形状で弾性を有するコア部材32aと、当該コア部材32aの表面を被覆する金属被膜32bとから構成されている。導電性粒子32はこれに限定されるものではなく、他の構成を有するものであってもよい。
コア部材32aとしては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、AS(アクリロニトリル・スチレン)樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、ジビニルベンゼン系樹脂、スチレン系樹脂などの樹脂材料を用いることができる。このような樹脂材料は、導電性粒子32のコア部材32aとして好適に用いられるが、材料の熱抵抗が金属よりも高いため、導電性粒子32のみで接合すると、発光素子1から実装基板2への放熱性を高めるのが困難である。そこで、本実施形態のように、半田粒子33と発光素子1の電極13,15のAu含有層である第2層13b,15bとで合金層34を形成することにより、発光素子1と実装基板2との間の熱抵抗を低減することができる。
金属被膜32bとしては、Au、Ni、Znなどの金属材料を好適に用いることができる。
導電性粒子32の粒径(D50)は、例えば、1μm以上10μm以下程度とすることが好ましく、2μm以上6μm以下程度とすることがより好ましい。また、導電性粒子32の含有量は、バインダである樹脂31に対して1体積%以上30体積%以下程度とすることが好ましい。
The
For example, resin materials such as epoxy resin, phenol resin, acrylic resin, AS (acrylonitrile styrene) resin, benzoguanamine resin, divinylbenzene resin, and styrene resin can be used as the
As the
The particle diameter (D50) of the
半田粒子33は、Sn系の半田からなる粒子であり、発光素子1のn側電極13及びp側電極15と、実装基板2の配線パターン22との間を接合することで、主としてこれらの間の熱抵抗を低減するために異方性導電接合部材3に含有されるものである。Sn系の半田としては、例えば、JIS Z 3282:2006に規定されるSn系の鉛フリー半田を好適に用いることができる。半田粒子33の具体的な材料としては、Snがあり、その他には、Zn、Sb、In、Ag、Bi、Cuを含み、Pb分が0.10質量%以下のSn系半田がある。
半田粒子33の含有量は、樹脂31に対して1体積%以上30体積%以下程度とすることが好ましい。半田粒子33の含有量を1体積%以上とすることで、n側電極13及びp側電極15と配線パターン22との間を接合して効果的に熱抵抗を低減することができる。また、半田粒子33の含有量を30体積%以下程度とすることで、導電性を有する半田粒子33を含有しても、異方性導電接合部材3が前記した異方性を維持することができる。
The
The content of the
また、半田粒子33の粒径(D50)は、1μm以上25μm以下程度とすることが好ましく、4μm以上10μm以下程度とすることがより好ましい。また、半田粒子33の粒径は、導電性粒子32の粒径の85%以上120%以下程度とすることが好ましい。半田粒子33の粒径をこの範囲とすることで、熱圧着を行う際に、発光素子1のn側電極13及びp側電極15と配線パターン22との間において、導電性粒子32が扁平に変形するとともに、半田粒子33がn側電極13及びp側電極15と十分に接触することができる。これによって、半田粒子33とn側電極13及びp側電極15の第2層13b,15bを構成するAuとを溶融して合金を形成し易くすることができる。
The particle diameter (D50) of the
前記したように、発光素子1のn側電極13及びp側電極15の実装面側である第2層13b,15bは、Auを用いて構成される。また、第2層13b,15bが所定の厚さ以上の膜厚(例えば、300nm)で形成されていることで、図2Aに示すように、異方性導電接合部材3を用いて発光素子1と実装基板2とを熱圧着する際に、第2層13b,15bのAuと、異方性導電接合部材3に含有されるSn系の半田粒子33とが溶融して略均質な組成のAu−Sn合金を主とする合金層34が形成される。半田粒子33は、Alからなる配線パターン22とは半田結合を形成しないが、Auと半田粒子33との合金層34が配線パターン22と密着するように形成される。このように構成されることによって、合金層34は、n側電極13及びp側電極15と実装基板2の配線パターン22との間を接続して熱伝導経路となることで、発光素子1と実装基板2との間の熱抵抗を低減することができる。熱抵抗を効果的に低減するために、合金層34は、なるべく広い平面積で設けられることが好ましく、例えば、p側電極15及びn側電極13の平面積の50%以上、より好ましくは70%以上、更に好ましくは80%以上の大きさで設けられることが好ましい。このような平面積の広い合金層34は、熱圧着の際に半田粒子33を加圧し、横方向に押し広げることによって形成することができる。
As described above, the
なお、第2層13b,15bのAuの膜厚が薄過ぎると、AuとSn系半田とが十分に合金化せず、n側電極13及びp側電極15と配線パターン22との間に形成される接合層において、AuとSn系半田とが互いに分離した粒界が形成される。このように粒界ができた接合層は、完全に溶融した接合層である合金層34に比べて熱伝導性が低いものの、発光素子1からAlの配線パターン22へ熱が伝導する部分を増やすことができるため、熱抵抗を多少下げることができる。
If the film thickness of Au in the
ここで、合金層34の組成は、Au−Sn系合金の低温側の共晶温度である217℃の融点を有する共晶組成(Au:10質量%)又はその近傍であることが好ましい。図4の状態図に示すように、合金の組成を、Auが2質量%〜12質量%程度のものとすることで、当該合金の融点を230℃程度以下とすることができる。これによって、熱圧着時により低温(例えば、260℃以下程度)に加熱することでAuとSn系半田との間で合金を形成することができる。これによって、PETなどの耐熱性の比較的低い材料を、発光装置100の材料(例えば基体21の材料)として用いることができる。
なお、半田粒子33は、AuとSnとが合金層34を形成できるものであればよく、Snの割合が100%であってもよいし、Snの他にAu以外の材料が僅かに(例えば、5質量%以下程度)含有されていてもよい。例えば、In、Zn、Sb、Ag、Bi、Cuなどの、その他の金属が含まれていてもよい。
Here, the composition of the
The
また、図2Bに示すように、Au含有層である第2層13bの膜厚が厚い場合には、第2層13bの表層側のAuと半田粒子33とが溶融して均質な組成の合金層34を形成し、合金層34と半導体積層体12との間にAu含有層が残った状態とすることができる。このため、n側電極13及びp側電極15と配線パターン22との間の熱抵抗を十分に低減することができる。従って、第2層13bの膜厚の上限は特に制限がなく、電極の材料コストや電極形成のスループットなどの量産性を考慮して定めることができる。なお、ここではn側電極13の第2層13bを例にして示したが、p側電極15の第2層15bにおいてもこれと同様である。
Also, as shown in FIG. 2B, when the film thickness of the
発光素子1と実装基板2との接合には、前記した通り、熱伝導性の高いAu−Sn系の合金が好適に用いられる。しかし、Au−Sn系の合金材料は、通常、Auを含まないSnに比べて、光の吸収率が高い。そこで、本実施形態に係る発光装置100のように、異方性導電接合部材3中にSn系の半田粒子を混合させておき、この半田粒子と発光素子1の電極13,15に設けられた第2層13b、15bのAuとで、Au−Sn合金を形成して発光素子1と実装基板2とを接合することで、Au−Sn系合金の半田粒子33を異方性導電接合部材3の全体に含有させる場合よりも、発光素子1から発せられた光の異方性導電接合部材3による吸収を低減することができる。これによって、発光装置100の発光効率を高めることができる。
For bonding the
また、異方性導電接合部材3は、更に光反射性物質の粒子を含有するようにしてもよい。これによって、発光素子1の実装面側に伝播する光を光取り出し方向に反射させて、光取り出し効率を向上させることができる。
光反射性物質としては、例えば、TiO2(酸化チタン)、ZrO2(酸化ジルコニウム)、MgO(酸化マグネシウム)、Al2O3(酸化アルミニウム)などを用いることができる。また、光拡散性物質の粒子の粒径は、熱圧着の際に、導電性粒子32及び半田粒子33が、n側電極13及びp側電極15と配線パターン22とに良好に接触できるように、これらの粒子よりも小さいことが好ましい。
In addition, the anisotropic conductive
As the light reflective material, for example, TiO 2 (titanium oxide), ZrO 2 (zirconium oxide), MgO (magnesium oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide) or the like can be used. Further, the particle diameter of the light diffusing substance particles is such that the
[発光装置の動作]
次に、発光装置100の動作について、図1A、図1B及び図3を参照して説明する。
実装基板2の配線パターン22に外部電源を接続することで、主として異方性導電接合部材3の導電性粒子32を介して発光素子1に電力が供給されて発光する。発光素子1から上方に出射される光は、主として基板11側から外部に取り出される。
また、発光素子1の発光に伴って発生する熱が、発光素子1の電極の第1層13a,15aと連続したAu−Sn系の合金層34を介して実装基板2側に効率的に伝達されることで、発光素子1の温度上昇が抑制される。
[Operation of light emitting device]
Next, the operation of the
By connecting an external power supply to the
In addition, the heat generated with the light emission of the
[発光装置の製造方法]
次に、本実施形態に係る発光装置の製造方法について、図5〜図6Cを参照して説明する。本実施形態に係る発光装置の製造方法は、発光素子準備工程S101と、実装基板準備工程S102と、接合工程S103とが含まれている。
また、接合工程S103は、サブ工程として、接合部材配置工程S103aと、発光素子載置工程S103bと、熱圧着工程S103cとを含んでいる。
[Method of manufacturing light emitting device]
Next, a method of manufacturing the light emitting device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 6C. The method of manufacturing a light emitting device according to the present embodiment includes a light emitting element preparation step S101, a mounting substrate preparation step S102, and a bonding step S103.
Further, the bonding step S103 includes, as sub-steps, a bonding member arranging step S103a, a light emitting element mounting step S103b, and a thermocompression bonding step S103c.
発光素子準備工程S101は、図3に示したような構成の、個片化された発光素子1を準備する工程である。以下に、ウエハレベルプロセスで発光素子1を製造する工程例について説明するが、これに限定されるものではない。
The light emitting element preparation step S101 is a step of preparing the singulated
具体的には、まず、サファイアなどの基板11上に、MOCVD法などにより、窒化物半導体などの半導体材料を用いて、n型半導体層12n、活性層12a及びp型半導体層12pを順次積層した半導体積層体12を形成する。その後、p型半導体層12pにp型化アニール処理をする。次に、半導体積層体12の表面の一部の領域について、上面側からp型半導体層12p及び活性層12aの全部、並びにn型半導体層12nの一部をエッチングにより除去してn型半導体層12nが底面に露出した領域12bを形成する。
Specifically, first, an n-
その後、p型半導体層12pの上面の略全面を覆うように、スパッタリング法などにより、Ag、Alなどの金属材料を用いて全面電極14を形成する。更に、全面電極14の上面の一部に、スパッタリング法などにより、Ni,Tiなどの金属材料を用いて第1層15aを、更にAuを用いて第2層15bを積層することで、p側電極15を形成する。また、領域12bにおいて、スパッタリング法などにより、n型半導体層12nの上面に、p側電極15の第1層15a及び第2層15bと同様にして、第1層13a及び第2層13bを積層することで、n側電極13を形成する。なお、n側電極13とp側電極15とは、何れを先に形成してもよく、同じ材料を用いる場合は同じ工程で形成するようにしてもよい。
Thereafter, the
次に、n側電極13及びp側電極15の上面の外部と接続するための領域に開口部を有するように、スパッタリング法などにより、SiO2などの透光性の絶縁材料を用いて、ウエハ全体を被覆する保護膜16を形成する。
なお、n側電極13、全面電極14、p側電極15及び保護膜16は、フォトリソグラフィ法により適宜な形状のマスクを形成し、当該マスクを利用したエッチング法やリフトオフ法によりパターニングすることができる。
Next, a transparent insulating material such as SiO 2 is used to form a wafer by sputtering or the like so as to have an opening in a region for connection to the outside of the upper surface of n-
The n-
次に、ダイシング法やスクライブ法を用いてウエハを切断することで、発光素子1を個片化する。
Next, the
実装基板準備工程S102は、絶縁性の基体21の上面にAlを用いた配線パターン22が形成された実装基板2を準備する工程である。配線パターン22は、基体21の上面全体に金属膜を形成し、当該金属膜上に配線パターンとして残す領域を被覆するマスクを設け、露出した金属膜をエッチングすることで成形する、サブトラクティブ法で形成することができる。また、配線パターン22は、基体21の上面に、パターンを設けない領域を被覆するマスクを設け、基体21の上面が露出した領域に電解メッキ法や無電解メッキ法によって金属膜を形成するアディティブ法によっても形成することができる。
なお、発光素子準備工程S101と実装基板準備工程S102とは、何れの工程を先に行ってもよく、並行して行うようにしてもよい。
The mounting substrate preparation step S102 is a step of preparing the mounting
Note that any of the light emitting element preparation step S101 and the mounting substrate preparation step S102 may be performed first, or may be performed in parallel.
接合工程S103は、異方性導電接合部材3を用いて、発光素子1を実装基板2にフリップチップ実装する工程である。前記したように、この工程には、3つのサブ工程が含まれる。
The bonding step S103 is a step of flip-chip mounting the
まず、図6Aに示すように、接合部材配置工程S103aにおいて、ポッティング法や印刷法などにより、実装基板2の上面の発光素子1が配置される予定の領域に、異方性導電接合部材3を配置する。
なお、本実施形態で用いられる異方性導電接合部材3は、樹脂31に、導電性粒子32とSn系の半田粒子33とを含有して構成されている。
First, as shown in FIG. 6A, in the joining member disposing step S103a, the anisotropic conductive joining
The anisotropic
次に、図6Bに示すように、発光素子載置工程S103bにおいて、例えば、コレットなどを用いて、発光素子1を実装基板2の上面の所定の位置に、n側電極13及びp側電極15が、それぞれ対応する極性の配線パターン22と対向するように、異方性導電接合部材3を介して載置する。
Next, as shown in FIG. 6B, in the light emitting element mounting step S103b, the
次に、図6Cに示すように、熱圧着工程S103cにおいて、熱圧着装置を用いて、例えば、発光素子1の上面側から荷重を印加することで、発光素子1と実装基板2とを圧着して、n側電極13及びp側電極15と配線パターン22との間に挟まれた導電性粒子32を扁平変形させる。これによって、当該導電性粒子32をn側電極13、p側電極15及び配線パターン22に密着させて電気的に接続することができる。
なお、荷重の印加は、発光素子1の上面側から行われてもよく、実装基板2の下面側から行われてもよい。また、発光素子1の上面側と実装基板2の下面側の両方から荷重を印加してもよい。
更に、圧着状態を維持したまま、異方性導電接合部材3を加熱して樹脂31を硬化させることで、発光素子1と実装基板2とを接合する。
Next, as shown in FIG. 6C, in the thermocompression bonding step S103c, for example, a load is applied from the upper surface side of the
The application of the load may be performed from the upper surface side of the
Furthermore, the
発光装置を構成する部材として用いられる樹脂や蛍光体などは、耐熱性が比較的低いものが多い。このため、用いることができる材料の選択肢を広くするために、熱圧着の際の加熱温度は、260℃程度以下とすることが好ましい。従って、樹脂31の硬化温度及び半田粒子33とAuとの合金層34の融点が、当該加熱温度よりも低くなるようにこれらの材料が選択される。
なお、前記したように、発光素子1の上面側と実装基板2の下面側の両方から加圧・加熱する場合、加熱温度は発光素子1の上面側と実装基板2の下面側とで同じであってもよく、異なっていてもよい。例えば、実装基板2の材料として耐熱性の低い樹脂を用いる場合には、実装基板2側からの加熱温度を発光素子1側の温度よりも低くすることで、熱による実装基板2の劣化を低減することができる。
Resins, phosphors, and the like used as members constituting light emitting devices often have relatively low heat resistance. For this reason, in order to widen the choice of the material which can be used, it is preferable to make heating temperature in the case of thermocompression bonding into about 260 degrees C or less. Therefore, these materials are selected so that the curing temperature of the
As described above, in the case of pressing and heating from both the upper surface side of the
また、加熱の際に、n側電極13及びp側電極15と配線パターン22との間に挟まれたSn系の半田粒子33は、接触しているn側電極13の第2層13b又はp側電極15の第2層15bのAuと溶融して均質な組成の合金層34を形成する。均質な組成の合金層34が発光素子1の電極の第1層13a,15aと配線パターン22との間に連続的に形成されることによって、n側電極13及びp側電極15と配線パターン22との間の熱抵抗が低減される。
In addition, during heating, the Sn-based
次に、必要に応じて、発光素子1、実装基板2の表面を被覆する透光性の封止部材を設ける。この封止部材の材料に樹脂を用いた場合、封止部材が発光素子1から発せられた熱で劣化し、光の透過率が低下するなどして、発光装置の出力が低下するおそれがある。しかし、本実施形態においては、発光素子1からの熱を効率よく実装基板2に放熱できるため、封止部材の熱による劣化を低減することができる。これにより、信頼性の高い発光装置とすることができる。
Next, as necessary, a light-transmissive sealing member for covering the surfaces of the light-emitting
以上の工程を行うことによって、発光装置100が製造される。
By performing the above steps, the
本実施形態に係る発光装置の製造方法の効果を確認するために、n側電極及びp側電極の第2層であるAu含有層の膜厚を変えて作製した発光素子を用いて、Sn系の半田粒子を含有した異方性導電接合部材を用いて実装基板のAlの配線パターンと接合した発光装置を製造した。そして、n側電極及びp側電極と配線パターンとの間の熱抵抗を測定した。 In order to confirm the effect of the manufacturing method of the light emitting device according to the present embodiment, using a light emitting element manufactured by changing the film thickness of the Au-containing layer which is the second layer of the n-side electrode and the p-side electrode The light-emitting device joined to the wiring pattern of Al of a mounting substrate was manufactured using the anisotropic conductive joint member containing the solder particle of these. Then, the thermal resistance between the n-side electrode and the p-side electrode and the wiring pattern was measured.
[製造条件]
(実施例)
・第2層(Au含有層:Au含有率が100質量%)の膜厚:300nm
(比較例)
・第2層(Au含有層:Au含有率が100質量%)の膜厚:50nm
(実施例及び比較例に共通):
・第1層:Ti(200nm)/Pt(300nm)
・半田粒子の組成:Sn:96.5質量%、Ag:3質量%、Cu:0.5質量%
・半田粒子の粒径:5μm
・配線パターンの材質:Al
[Manufacturing conditions]
(Example)
· Film thickness of second layer (Au-containing layer: 100% by mass of Au content): 300 nm
(Comparative example)
· Film thickness of second layer (Au-containing layer: 100% by mass of Au content): 50 nm
(Common to Examples and Comparative Examples):
First layer: Ti (200 nm) / Pt (300 nm)
-Composition of solder particles: Sn: 96.5% by mass, Ag: 3% by mass, Cu: 0.5% by mass
· Solder particle size: 5 μm
-Material of wiring pattern: Al
[熱抵抗の測定結果]
測定した接合部(第2層−配線パターン間)の熱抵抗値を次に示す。
なお、熱抵抗値は、JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)のJESD51−14規格に準拠した過渡熱測定によって求めている。この測定方法は、発光素子などのデバイスのジャンクション温度と電圧との相関関係によって、その電圧変化から温度変化を算出する手法である。
(実施例): 8[℃/W]
(比較例):16[℃/W]
この値が小さいほど熱抵抗が低いことを示しており、この熱抵抗値を発光素子の消費電力1W当たりの発光素子の温度上昇率で換算すると、比較例が16℃上昇するのに対して、実施例は8℃の上昇となる。つまり、同じ消費電力を発光素子に投入した場合に、この接合部によって温度上昇を半分に抑えていることを示す。
[Measurement result of thermal resistance]
The thermal resistance value of the measured junction (between the second layer and the wiring pattern) is shown below.
The thermal resistance value is determined by transient heat measurement in accordance with the JESD 51-14 standard of JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council). This measurement method is a method of calculating a temperature change from the voltage change based on the correlation between the junction temperature of the device such as a light emitting element and the voltage.
(Example): 8 [° C / W]
(Comparative example): 16 [° C./W]
The smaller this value is, the lower the thermal resistance is. When this thermal resistance value is converted by the temperature rise rate of the light emitting element per 1 W of the power consumption of the light emitting element, the comparative example rises by 16 ° C. The example shows an 8 ° C. rise. That is, when the same power consumption is applied to the light emitting element, this junction suppresses the temperature rise to half.
このように、本実施形態により、温度上昇率が比較例の約半分に抑えられ、言い換えれば、熱抵抗が約半分に低減できることが確認できた。 As described above, according to the present embodiment, it has been confirmed that the temperature increase rate can be suppressed to about half that of the comparative example, in other words, the thermal resistance can be reduced to about half.
以上、本発明に係る発光装置の製造方法について、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変などしたものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。 As mentioned above, although the manufacturing method of the light-emitting device concerning the present invention was concretely explained by the form for carrying out the invention, the meaning of the present invention is not limited to these descriptions, and the statement of a claim is described. It should be interpreted broadly based on Further, it is needless to say that various changes and modifications based on these descriptions are included in the spirit of the present invention.
本開示の実施形態において製造される発光装置は、液晶ディスプレイのバックライト光源、各種照明器具、大型ディスプレイ、広告や行き先案内などの各種表示装置、更には、デジタルビデオカメラ、ファクシミリ、コピー機、スキャナなどにおける画像読取装置、プロジェクタ装置など、種々の光源に利用することができる。 The light emitting device manufactured in the embodiment of the present disclosure includes a backlight light source of a liquid crystal display, various lighting fixtures, a large display, various display devices such as advertisement and destination guidance, and a digital video camera, a facsimile, a copier, and a scanner. And the like, and can be used for various light sources such as an image reading apparatus and a projector apparatus.
1 発光素子
11 基板
12 半導体積層体
12n n型半導体層
12a 活性層
12p p型半導体層
12b n型半導体層が露出した領域
13 n側電極
13a n側電極の第1層
13b n側電極の第2層(Au含有層)
14 全面電極
15 p側電極
15a p側電極の第1層
15b p側電極の第2層(Au含有層)
16 保護膜
2 実装基板
21 基体
22 配線パターン
3 異方性導電接合部材
31 樹脂
32 導電性粒子
32a コア部材
32b 金属被膜
33 半田粒子
34 合金層
100 発光装置
DESCRIPTION OF
14 full surface electrode 15 p side electrode 15 a first layer of
Claims (10)
前記発光素子の電極と前記配線パターンとの間に、導電性粒子と、組成にAuを含まないSn系の半田粒子と、を含有する異方性導電接合部材を挟んで熱圧着することで前記発光素子と前記実装基板とを接合する接合工程を含み、
前記電極は、前記配線パターンと対向する面側にAu含有層を有し、
前記配線パターンの表面は、Alを主成分とし、
前記熱圧着によって、前記Au含有層と前記半田粒子とで、前記電極と前記配線パターンとを接続するAu−Sn系の合金層を形成する発光装置の製造方法。 A method of manufacturing a light emitting device, comprising: a light emitting element; and a mounting substrate including a wiring pattern for mounting the light emitting element,
Between the electrode of the light emitting element and the wiring pattern, thermocompression bonding is performed by sandwiching an anisotropic conductive bonding member containing conductive particles and Sn-based solder particles not containing Au in the composition. Including a bonding step of bonding the light emitting element and the mounting substrate,
The electrode has an Au-containing layer on the side facing the wiring pattern,
The surface of the wiring pattern is mainly made of Al,
The manufacturing method of the light emitting device which forms the Au-Sn type alloy layer which connects the said electrode and the said wiring pattern with the said Au containing layer and the said solder particle by the said thermocompression bonding.
前記発光素子を実装するための配線パターンを備える実装基板と、
前記発光素子と前記実装基板とを接合する異方性導電接合部材と、を有し、
前記配線パターンの表面は、Alを主成分とし、
前記異方性導電接合部材は、前記発光素子の電極と前記配線パターンとの間に前記発光素子の電極と前記配線パターンとを接続するAu−Sn系の合金層を有し、前記発光素子の電極と前記配線パターンとの間以外の部分においてAuを含まないSn系の半田粒子を有し、
前記発光素子の電極は、前記配線パターンと対向する面側の少なくとも一部の領域に、前記合金層よりもAu含有率が高いAu含有層を有する、発光装置。 A light emitting element,
A mounting substrate comprising a wiring pattern for mounting the light emitting element;
And an anisotropic conductive bonding member for bonding the light emitting element and the mounting substrate,
The surface of the wiring pattern is mainly made of Al,
The anisotropic conductive bonding member has an Au-Sn based alloy layer connecting an electrode of the light emitting element and the wiring pattern between an electrode of the light emitting element and the wiring pattern, and the light emitting element have a solder particles of Sn system containing no Au in a portion other than between the electrode and the wiring pattern,
The electrode of the light-emitting element, at least in a partial region of the wiring pattern and the surface facing the side, Au content to have a high Au-containing layer than the alloy layer, the light emitting device.
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