JP2009224536A - Ｌｅｄデバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】LEDを実装する面に導電性と反射特性を持たせるため、LED発光光が照射される配線導体部表面に反射率の高い銀メッキを施した表面実装型LEDデバイスが多く用いられている。しかし、短波長で高輝度のLEDチップを用いた照明用白色LEDデバイスの高輝度化が望まれている中で上記表面実装型LEDデバイスは、銀の変色による輝度や色度の安定性や長寿命化に対して問題があった。
【解決手段】LEDチップを実装し配線した後に、SiO₂コーティング液を塗布し、加熱処理を施す工程を通常のLEDデバイスを作製する工程に入れることで、高輝度で色度の安定した長寿命のLEDデバイスを提供することが出来る。
【選択図】図1

Description

本発明は、ＬＥＤチップが表面実装されたＬＥＤデバイスに関するものである。

短波長域の青色光または近紫外光を発光するＬＥＤチップの開発により、それらＬＥＤチップと、ＬＥＤチップの発光波長を吸収し異なる波長域の光に変換する蛍光体とを組み合わせたＬＥＤデバイスが開発されている。その中でも青色ＬＥＤチップとYＡＧ銀蛍光体とを組み合わせた擬似白色ＬＥＤデバイスは、照明用光源や液晶ディスプレイ用バックライト光源として広く用いられている。特に、一般照明用ＬＥＤ光源では高輝度化、長寿命化が重要な問題となっている。

一般に、ＬＥＤチップが表面実装されたＬＥＤデバイスの基板としては、リードフレーム材と樹脂を一体型に射出成形した成形体、フレキシブル配線基板や配線パターンを有するセラミックス基板等が用いられている。またＬＥＤチップの実装と配線は、チップタイプによりワイヤーボンディング実装やフリップチップ実装が一般的に用いられている。

図８にＬＥＤチップが表面実装された一般的なＬＥＤデバイスの一例を示す。

１は絶縁性基材であり、高耐熱性の絶縁性樹脂やセラミックス等が用いられる。２はLEDチップである。ＬＥＤチップ２は、ＬＥＤチップ搭載配線部３に電気的に接合される。４は配線導体部である。図８ではLEDチップ２はLEDチップ搭載配線部３上にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等からなるダイボンドペーストや銀ペーストにより実装され、金やアルミニウム等からなるボンディングワイヤー５を介し、配線導体部を兼ねるＬＥＤチップ搭載配線部３に電気的に接合されている。ＬＥＤチップ搭載配線部３と配線導体部４を有する基材として銅貼りフレキシブル基板を用いた場合、配線導体部４は銅をケミカルエッチング等によりパターニングし形成する。しかし、銅は酸化されやすい事から、一般にオーバーコート層が設けられる。図８では、ＬＥＤチップ２が配置される面の導体配線部４の銅は絶縁性レジスト６に覆われており、LEDチップ搭載配線部３は銅の上にニッケルメッキ、その上に反射率の高い銀メッキを施している。LEDチップ搭載配線部３以外で絶縁性レジスト６に覆われていない配線導体部４は、外部電極との接続のために銅の上にニッケルメッキ、その上に金メッキやスズメッキを施している。

白色系の発光が要求される白色系ＬＥＤデバイスの場合、特にＬＥＤチップから発せられる光を効率よく反射する材料をＬＥＤチップ周りに配置することが必要となる。
そこで、図８の様にLEDを実装する面のＬＥＤチップ搭載配線部表面に反射率の高い銀メッキを施し、反射板と配線導体部の双方の機能を持たせる場合が多い。

しかしながら、銀は熱的、化学的に不安定な物質であり、LEDチップの発熱、あるいは大気中の硫黄を含むガス等により変色し反射率が低下するため、銀をＬＥＤチップ搭載配線部に用いたLEDデバイスは、輝度や色度の安定性や長寿命化に対して問題があった。

高輝度で長寿命のLEDデバイス構造のひとつの方法として、特許文献１では光反射部と配線導体部とを分離し反射板上に真空薄膜形成法にて透明無機酸化膜層を設け、その上に配線導体部を形成している。
特開２００５−２４４１５２号公報（１２頁、図３）

しかしながら、上記特許文献１の様なLEDデバイスの場合、配線導体部と無機酸化膜層と光反射部全てを真空薄膜形成法にて製膜した場合、それぞれのパターンの違いやターゲットの違いから、1回の処理で全ての部分を形成することは困難で、工程が複雑となってしまうという問題点がある。

また、マスクを用いた真空薄膜形成法を用いた場合、通常のマスク精度が１００ミクロン程度であることから、上記特許文献１の様なパターンの異なる膜を積層するLEDデバイスは、小型のLEDデバイスへの応用が困難であると考えられる。

そこで本発明は、工程が少なく小型化にも対応可能な、高輝度で長寿命のLEDデバイスを提供することを目的とする。

本発明のLEDデバイスは、LEDチップ搭載配線部と配線導体部とを有する基材上にLEDチップが実装されるLEDデバイスであって、LEDチップ搭載配線部にSiO₂膜を有することを特徴とするものである。

また、本発明のLEDデバイスの製造方法は、LEDチップ搭載配線部と配線導体部とを有する基材上にLEDチップが実装されるLEDデバイスの製造方法であって、基材上にLEDチップを実装し、配線する工程と、ＬＥＤチップが実装された基材上にSiO₂コーティング液を塗布する工程と、SiO₂コーティング液が塗布された基材を熱処理する工程とを有することを特徴とするものである。

更に、本発明のLEDデバイスの製造方法に用いるSiO₂コーティング液は、SiO₂前駆体であるポリシラザン溶液であり、塗布後熱処理を施すことによりSiO₂膜となることが好ましい。

なお、本発明のLEDデバイスの製造方法に用いるSiO₂コーティング液は、ディスペンサーまたはインクジェット法により塗布することが好ましい。

また、本発明のＬＥＤデバイスの製造方法においては、SiO₂コーティング液を塗布する前処理としてLEDチップを実装された基材にプラズマ洗浄またはUV−オゾン洗浄を施すことが好ましい。

（作用）
本発明のLEDデバイスは、ポリシラザン溶液を塗布後、熱処理を施すことで形成される SiO₂コーティング膜により銀表面が被覆されることで、加熱による銀の粒成長による変色やガスとの反応による銀の変色が抑制されると考えられる。

塗布後加熱処理を施すことで SiO₂コーティング膜を形成する方法として一般に知られているゾル−ゲル法は、用いるソル−ゲル溶液が（式１）から(式３）に示す反応が組み合わさりSiO₂膜となるとされている。
Ｓｉ（ＯＲ）₄ ＋ ｘＨ₂Ｏ → Ｓｉ（ＯＨ）_x（ＯＲ）_4-x ＋
ＲＯＨ ・・・ （式１）
−Ｓｉ−ＯＲ ＋ ＨＯ−Ｓｉ− → −Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ− ＋ Ｈ₂Ｏ ・・・ （式２）
−Ｓｉ−ＯＲ ＋ ＨＯ−Ｓｉ− → −Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ− ＋ ＲＯＨ ・・・ （式３）

しかし、上記ゾル−ゲル法の反応機構は加水分解や脱水反応、脱アルコール反応を経ることより、加熱処理による反応の進行に伴う膜収縮が大きいことから被コーティング部材との密着性が低く、クラック等の問題が生じてしまう。

一方、本発明で用いるポリシラザン溶液の反応は（式４）で示され、この反応に伴う重量収率は１３３％となることから、クラック等の無い安定したコーティング膜が形成されると考えられる。
−ＳｉＨ₂ＮＨ− ＋ ２Ｈ₂Ｏ → SiO₂ ＋ ＮＨ₃ ＋ ２Ｈ₂ ・・・ （式４）

更に、ポリシラザン溶液を塗布する前処理として被コーティング部にプラズマ洗浄工程やＵＶ−オゾン洗浄工程を施すことにより、被コーティング部最表面の不純物が除去されることにより密着性の高いSiO₂膜が得られるものと考えられる。

本発明によれば、従来のLEDデバイスの製造工程を大きく変えること無く、簡便な後処理により高輝度で長寿命特性を有するLEDデバイスを提供することが可能となる。

更に、本発明によるＬＥＤデバイスは、用いる基材、LEDチップ、LEDチップと配線導体部を電気的に接続する配線材料や配線方式、配線導体部等、一般的な材料や方法を用いることが出来ることから、高輝度で長寿命特性を有するLEDデバイスのコスト低減化、小型化に寄与することが出来る。

（第一の実施形態）
図１に本発明の第一の実施形態であるＬＥＤデバイスを示し、その製造方法を図２に基づき説明する。

１は絶縁性基材であり、LEDチップ搭載配線部３と配線導体部４を有している。絶縁性基材１は、高耐熱性のガラスエポキシ樹脂、ＢＴレジン(ビスマレイミドトリアジン）、ＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート）、硬質シリコーン樹脂、セラミックス等が用いられる。

２はLEDチップである。代表的なＬＥＤチップは、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップで、組成比の違いにより近紫外光、青色光、緑色光を発光する。

ＬＥＤチップ２の実装方法としては、ＬＥＤチップ２の上面にｎ型電極パッドとｐ型電極パッドが設けられている場合は、LEDチップ搭載配線部３上にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等からなるダイボンドペーストや銀ペーストを用いてＬＥＤチップ２が搭載され、その後両方の電極パッドとLEDチップ搭載配線部３との電気的接合を金やアルミニウム等のボンディングワイヤーにて接合し実装する。上面と下面にそれぞれｎ型電極パッドとｐ型電極パッド設けられているＬＥＤチップ２の場合は、上面の電極パッドはボンディングワイヤーで、下面の電極パッドは銀ペースト等の導電性ペーストにて実装される。LEDチップ２の下面にｎ型電極パッドとｐ型電極パッドが配置されている場合は、フリップチップ実装等により実装される。本第一の実施形態では、LEDチップ２の上面に両方の電極パッドを有する例を示す。

ＬＥＤチップ搭載配線部３と配線導体部４を有する絶縁性基材１としてエポキシシ樹脂やＢＴレジンを用いた銅貼りフレキシブル基板を用いた場合、配線導体部４は銅をケミカルエッチング等によりパターニングし形成するが、銅は酸化されやすい事から、一般に金
属、或いは樹脂によるオーバーコート層が設けられる。オーバーコート層として用いる絶縁性レジスト６の多くは、エポキシアクリレート樹脂とフィラーからなる液状フォトソルダーレジストで、塗布、焼付、現像、硬化することにより所望のパターンを形成することが出来る。

本第一の実施形態では、銅貼りガラスエポキシ基板を用い、LEDチップ搭載配線部３は、銅の上にニッケルメッキ、その上に銀メッキ、更に銀メッキ表面にＳｉＯ₂膜を有している。ニッケルメッキは銅のオーバーコート層としての機能を有する。銀メッキは、配線導体としての機能を持つだけでなく、ＬＥＤチップから発する全方位の光を反射する反射板の機能を有している。

LEDチップ搭載配線部３以外で絶縁性レジスト６に覆われていない配線導体部４は、外部電極との接続のために銅の上にニッケルメッキ、その上に金メッキやスズメッキを施している。
反射枠１２は、ＬＥＤチップから発する全方向の光に指向性を付与する形状と反射特性を有するもので、金属、セラミックス、あるいは白色フィラーを混合した硬質シリコーン樹脂、液晶ポリマー等の耐熱性樹脂、これら耐熱性樹脂表面に金属メッキを施したもの等を用いる。

封止樹脂１３は、透明なシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等からなる。封止樹脂１３の役割のひとつとして、実装したLEDチップ２を機械的衝撃から保護する目的がある。また、封止樹脂１３に透明な散乱材を分散させることでLEDチップ２から発する光の均一性を高めることが出来る。更に、封止樹脂１３にLEDチップ２から発する光を吸収し異なる波長の光を発光する蛍光体を分散することで、LEDチップ２と蛍光体からの発光波長を混合した光を得ることが出来る。LEDチップ２として青色LEDを、蛍光体として青色の光を吸収し黄色の光を発光するYＡＧ銀蛍光体を用いた擬似白色LEDデバイスは広く知られている。

次に図２を用いて図１のＬＥＤデバイスの製造方法を説明する。
図２の（ａ）はＬＥＤチップ搭載配線部３上にＬＥＤチップ２を実装した様子を示している。図２の（ｂ）は、LEDチップ２の実装基板をプラズマ洗浄後、LEDチップ搭載配線部３上にSiO₂コーティング液１０を滴下している様子を示している。SiO₂コーティング液１０の塗布は、ディスペンサーやインクジェット装置を用いる事が出来る。図２の（ｃ）は、SiO₂コーティング液１０を塗布後、加熱処理することで、銀メッキ表面にSiO₂膜１１を形成し、更に基板の絶縁性レジスト６上にＬＥＤチップ２を取り囲む形状の反射枠１２を配置した様子を示している。図２の（ｄ）は反射枠１２内にLEDチップ２を覆う形で封止樹脂１３を充填した本発明の第一の実施形態であるLEDデバイスを示している。

本発明の第一の実施形態であるLEDデバイスの場合、SiO₂コーティング液１０を塗布する工程は、LEDチップ２を実装した基板に反射枠１２を配置した後に入れても構わない。

また図１と図２の（ｄ）の本発明の第一の実施形態であるLEDデバイスは、反射枠１２内に封止樹脂１３を充填した例であるが、その他の形状のLEDデバイスも本発明の実施形態に含まれる。

図3に示す本発明の第一の実施形態であるＬＥＤデバイスは、封止樹脂１３がＬＥＤ搭載配線部３上のＬＥＤチップを覆う形で配置され、封止樹脂１３と反射枠１２が接しない形態のＬＥＤデバイスである。このような形態のＬＥＤデバイスは、封止樹脂１３で被覆されていないＬＥＤチップ搭載配線部３が大気に直接暴露され汚染される危険性が高い。しかしながら、本発明のＬＥＤデバイスは、ＬＥＤチップ搭載配線部３上にＳｉＯ₂膜１１を有することでこれらの問題を解決することが出来る。

図４に示す本発明の第一の実施形態であるＬＥＤデバイスは、反射枠１２が無いＬＥＤデバイスである。先に述べた様に、封止樹脂１３の機能のひとつとして実装したLEDチップ２を機械的衝撃から保護する目的があるが、周囲環境温度や点灯時と非点灯時の温度変化による配線切れ等の問題があることから、封止樹脂１３は比較的柔らかいゴム状の樹脂を用いる場合が多い。柔らかい樹脂は必然的にガス透過性も高いことから、側面を硬質樹脂や金属、或いはセラミックス等の反射枠に囲まれていないＬＥＤデバイスの場合、ガスによる汚染が問題となる。しかしながら、本発明のＬＥＤデバイスは、ＬＥＤチップ搭載配線部３上にＳｉＯ₂膜１１を有することで従来の封止樹脂を用いながらこれらの問題を解決することが出来る。

次に、塗布方式のSiO₂膜による銀表面の耐熱性と硫化水素ガスに対する耐性（耐硫化特性）について検討するための試験基板の一例を図５に示す。図５の（ａ）は平面図、（ｂ）は試験基板をＡ−Ａ’で切った際の断面図である。銅貼りガラスエポキシ基板７上に銅メッキ層とニッケルメッキ層を形成し、評価部８以外は絶縁性レジスト９で覆った。評価部８はニッケルメッキ層の上に銀メッキ層を形成した。評価部８の面積は４９ｍｍ²（７ｍｍ×７ｍｍ）であり、本発明の実施形態のLEDデバイスにおけるLEDチップ搭載配線部のモデルとなる。

(実施例１）
プラズマ洗浄装置PC-300（サムコ株式会社製）にて、上記試験基板のプラズマ洗浄を行った。処理条件はアルゴンガスを用いたRIEモード（Reactive Ion Etching）で、処理時間は４分間とした。

基板を洗浄後、ポリシラザン溶液であるＮＰ１１０（ＡＺ エレクトロニックマテリアルズ株式会社製）０．３μＬを容量計量型ディスペンサーにて評価部８上に滴下し、１５０℃の恒温漕にて1時間加熱処理した。

得られたSiO₂膜を施した試験基板と未処理の試験基板を１００ｐｐｍ−硫化水素ガス中に２５℃にて５時間放置し、硫化試験を行った。

図６にSiO₂膜の有無による硫化試験前後の評価部の４５０ｎｍの反射率変化を示す。 ここで、反射率測定にて４５０ｎｍを測定波長として選んだ理由は、変色により銀は、 短波長域の反射率が特に低下する為である。
図６の結果より、SiO₂膜を施した試験基板の評価部の初期の反射率は、未処理の試験基板の評価部のそれより低いものの、硫化水素ガスによる変色が生じていないことが判る。

（実施例２）
実施例１で作製したSiO₂膜を施した試験基板と未処理の試験基板を用い、大気中１６０℃の耐熱試験を行った。

図７にSiO₂膜の有無による耐熱試験前後の評価部の４５０ｎｍ反射率変化を示す。
図７の結果より、SiO₂膜を施した試験基板の評価部の初期の反射率は、未処理の試験基板の評価部のそれより低いものの、熱による変色が生じていないことが判る。

銀は、熱や光により粒成長が生じ変色することが知られているが、銀単体の粒成長だけではなく、大気中のガスやメッキ中の不純物との反応により銀が酸化され、それら反応物が熱や光により銀へ再還元される際に生成する銀粒子による変色も起こりうるとされている。
本発明のLEDデバイスのSiO₂膜は、銀粒子そのものの成長だけでなく、銀の反応物から
銀への再還元の反応も抑制しているものと考えられる。

また、SiO₂膜を施した試験基板の耐熱試験を行う際に前処理のプラズマ洗浄の有無について検討したところ、プラズマ処理を施していない試験基板の中にはSiO₂膜にクラックが発生し、部分的な剥がれが生じてしまったものがあったが、プラズマ処理を施した試験基板はそれらの発生は殆ど無かった。この結果より、SiO₂膜形成の前処理として、銀表面を清浄化し密着性を向上させるための洗浄工程を設けることが好ましいことが判る。

上述の様に、本発明のLEDデバイスとＬＥＤデバイスの製造方法は、簡便な方法で銀表面にSiO₂膜を設ける事により、従来のLEDデバイスの製造工程を大きく変えることなく製造する事が可能な、経時的な銀表面の反射率低下の無い高輝度、長寿命のLEDデバイス、並びにＬＥＤデバイスの製造方法である。

本発明の第一の実施形態のLEDデバイスの断面図である。 本発明の第一の実施形態のLEDデバイスの製造工程を示す断面図である 。 本発明の第一の実施形態のLEDデバイスの断面図である。 本発明の第一の実施形態のLEDデバイスの断面図である。 本発明の実施例における試験基板の図である。 本発明の実施例１における硫化試験の結果を示す図である。 本発明の実施例２における耐熱試験の結果を示す図である。 一般的なＬＥＤデバイスの断面図である。

符号の説明

１ 絶縁性基材
２ LEDチップ
３ LEDチップ搭載配線部
４ 配線導体部
５ ボンディングワイヤー
６ 絶縁性レジスト
７ 銅貼りガラスエポキシ基板
８ 評価部
９ 絶縁性レジスト
１０ SiO₂コーティング液
１１ SiO₂膜
１２ 反射枠
１３ 封止樹脂

Claims (5)

1. LEDチップ搭載配線部と配線導体部とを有する基材上にLEDチップが実装されるLEDデバイスであって、前記LEDチップ搭載配線部にSiO₂膜を有するLEDデバイス。
2. LEDチップ搭載配線部と配線導体部とを有する基材上にLEDチップが実装されるLEDデバイスの製造方法であって、前記基材上に前記LEDチップを実装し、配線する工程と、前記ＬＥＤチップが実装された基材上にSiO₂コーティング液を塗布する工程と、該SiO₂コーティング液が塗布された基材を熱処理する工程とを有するLEDデバイスの製造方法。
3. 前記SiO₂コーティング液がSiO₂前駆体であるポリシラザン溶液であり、塗布後熱処理を施すことによりSiO₂膜となることを特徴とする請求項２に記載のLEDデバイスの製造方法。
4. 前記SiO₂コーティング液を、ディスペンサーまたはインクジェット法により塗布することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のLEDデバイスの製造方法。
   
5. 前記SiO₂コーティング液を塗布する前処理として、前記LEDチップが実装された基材にプラズマ洗浄またはUV−オゾン洗浄を施すことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のLEDデバイスの製造方法。

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