JP4969087B2 - 共晶ボンディング発光装置とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、サブマウント基板上に発光ダイオード（ＬＥＤ）チップが共晶接合された共晶ボンディングＬＥＤに関する。

上下面に電極を備える構造のＬＥＤチップの実装方法としては、その下面電極をパッケージ上面の電極層に共晶接合することにより、直接パッケージ上に実装する方法の他、一旦サブマウント基板と呼ばれる小型の基板上にＬＥＤを接続してサブマウント基板型ＬＥＤとした後、サブマウント基板の裏面を銀ペーストやエポキシ樹脂によりパッケージにダイボンディングする方法等がある。例えば、特許文献１には、溶融温度の異なるＡｕＳｎ合金をロウ材として用い、複数の発光素子を１つのマウント上に搭載する構成が開示されている。

また、ＡｕＳｎ合金をロウ材とする場合、その組成により共晶接合にすることができる。共晶接合は、ＬＥＤチップとサブマウント基板との間に圧力を加えて接合させる方法や、フラックスを使用して接合させる方法等がある。いずれも共晶温度以上の温度に加熱する必要があり、量産性という観点ではフラックスを使用する方法が優れている。フラックスを用いる場合、ＬＥＤチップの裏面にＡｕＳｎ層を配置し、サブマウント基板の上面には光反射層であるＡｇ層等を配置し、両者の間をフラックスで濡らし加熱する。ＡｕＳｎ層を共晶温度以上で溶融すると、サブマウント基板上のＡｇ層内に共晶合金が拡散し、共晶接合される。その後、冷却することにより共晶接合が完成する。
特開２００５−２８５９６６号公報

上述のように、ＬＥＤチップとサブマウント基板とをフラックスを用いてＡｕＳｎ共晶接合する場合、ＡｕＳｎ共晶合金内に空間、いわゆるボイドが発生し、ＬＥＤチップと基板とが接続されない部分が生じることがあった。ボイドが発生すると、接続強度の低下、動作時の抵抗増加、熱抵抗の増加等を招き、品質の低下、寿命に影響を及ぼす。

これらボイドは、ＬＥＤチップをサブマウント基板に搭載する際に巻き込まれた気泡や、フラックスの反応により生じた気泡や、基板に吸蔵されていた気体が加熱時に放出された気泡等が、冷却時まで残ることが原因であると推測される。

本発明の目的は、基板に発光素子を共晶ボンディングした発光装置の製造方法であって、共晶合金部にボイドの発生の少ない製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のような製造方法が提供される。すなわち、基板上に発光素子を接合した発光装置の製造方法であって、
共晶合金層を備えた発光素子の前記共晶合金層にプラズマを照射し、共晶合金層の清浄面を露出させ、
基板表面に共晶合金層が接するように発光素子を搭載し、共晶合金層と基板とをフラックスで濡らして水素雰囲気下で共晶温度以上に加熱するとともに減圧した後、冷却することを特徴とする発光装置の製造方法である。これにより、溶融された共晶合金層の基板に対する濡れ性が向上するため、共晶合金層中に気泡が生じても周囲に押し出され、ボイドとして残存しにくい。

また、上記目的を達成するために、本発明の別の態様によれば、基板上に発光素子を接合した発光装置の製造方法であって、
表面に金属層を備えた発光素子の金属層に、プラズマを照射して金属層の清浄面を露出させ、
金属層を構成する金属と共晶合金を形成する材料層を表面に備えた基板上に発光素子を搭載し、金属層と材料層とをフラックスで濡らし、水素雰囲気下で共晶温度以上に加熱するとともに減圧した後、冷却することを特徴とする発光装置の製造方法である。これにより、溶融された共晶合金層の基板に対する濡れ性が向上するため、共晶合金層中に気泡が生じても周囲に押し出され、ボイドとして残存しにくい。

上記プラズマは、例えばＡｒプラズマを用いることができ、水素雰囲気下で照射することができる。上記共晶合金層としては、ＡｕＳｎ合金層を用いることができる。基板の表面は、粗さが０．１μm以下にしておくことが可能である。

また、本発明によれば、基板と、該基板上に搭載され、接合された発光素子とを有し、基板と発光素子との接合面には共晶合金層が配置され、基板の接合面の表面粗さが０．１μm以下であることを特徴とする発光装置が提供される。

本発明の一実施の形態の共晶ボンディングＬＥＤについて図面を用いて説明する。
まず、本実施の形態の共晶ボンディングＬＥＤの構成について図１を用いて説明する。共晶ボンディングＬＥＤの構成は、図１にその断面図を示すように、サブマウント基板２０上にＬＥＤチップ１０をＡｕＳｎ共晶接合したものである。

ＬＥＤチップ１０は、ＳｉＣ等の半導体基板１１の片面に窒化物系半導体層１２を搭載している。窒化物系半導体層１２上にはアノード電極１３が積層され、半導体基板１１の他方の面上には、カソード電極１４が備えられている。アノード電極１３は、スパッタ法や電子ビーム蒸着法等により形成された厚さ１．７μm程度のＡｕＳｎ共晶合金層であり、その組成は例えばＡｕ８０％Ｓｎ２０％である。カソード電極１４は、同様に形成された厚さ１．２μm程度のＡｕ層であり、金線によるワイヤボンディングが可能な形状、例えば円形に形成されている。窒化物半導体層１２は、ＭＯＣＶＤ法や液相法などにより成長させたＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層、ＡｌＮ層、ＩｎＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層等を積層した構造であり、ｐｎ接合による量子井戸構造を有している。ｎ型層には、ｎ型化を行うためのドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等が導入されている。ｐ型層にはｐ型化を行うためのドーパントしてＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等が導入されている。

ＬＥＤチップ１０の半導体基板１１の外形は、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に上面図、側面図、下面図をそれぞれ示したように、側面が所望の角度の斜面に形成されており、これにより出射される光の角度等を制御する。

サブマウント基板２０は、ここでは両面にＳｉ酸化膜２２，２３を有するＳｉ基板２１の片面上に、Ｔｉ層２４、Ｃｕ層２５、Ｎｉ層２６を順に積層し、最表面にＡｇ層２７を配置した構成である。Ａｇ層２７は反射率が高いため、ＬＥＤチップ１０からサブマウント基板２０側に放射された光を反射し、ＬＥＤチップ１０から上方に向かって放射される光量を増加させる。また、基板２１としては、表面粗さや熱伝導率、加工性という材料的な面や、静電気対策のツェナー回路やマトリックス回路用ロジックやドライバー回路を組み込めるコントロール基板としての優位性からＳｉが適している。

ＬＥＤチップ１０は、アノード電極１３側をサブマウント基板２０側に向けてサブマウント基板２０に搭載されている。ＡｕＳｎ共晶合金層からなるアノード電極１３がサブマウント基板２０のＡｇ層２７に共晶接合されている。

つぎに、本実施の形態の共晶ボンディングＬＥＤの製造方法について説明する。
まず、上述した構造のＬＥＤチップ１０とサブマウント基板２０をそれぞれ製造する。なお、サブマウント基板２０のＬＥＤチップ１０と接する層、すなわちＡｇ層２７は、表面粗さ（ここでは算術平均粗さ（Ｒａ））が０．１μm以下になるように成膜されている。

ＬＥＤチップ１０のＡｕＳｎ共晶合金層からなるアノード電極１３に、水素雰囲気中でＡｒプラズマを２００Ｗ程度で照射する。これにより、アノード電極１３の表面にＡｕＳｎ共晶合金の清浄な面を露出させる。なお、Ａｒプラズマに代えて酸素プラズマを用いた場合には、窒化物半導体層１２の活性層（量子井戸構造層）付近に酸素プラズマが侵入し、電流のリークを発生させるため、酸素プラズマを使用することは難しく、Ａｒプラズマが適している。

次に、ＬＥＤチップ１０をＡｕＳｎ共晶合金層であるアノード電極１３がＡｇ層２７に接するようにサブマウント基板２０上に搭載し、アノード電極１３とＡｇ層２７との間をフラックスで濡らす。ここでは、フラックスとしてロジン類のジエチレングリコールモノヘキシルエーテル粘稠液体フラックスを用いた。

次に、ハロゲンヒーターを備えたリフロー装置に水素を導入し、ＬＥＤチップ１０を搭載したサブマウント基板２０を、図３のようにＡｕＳｎ合金層（アノード層１３）の共晶温度以上（図３ではピーク温度約３３０℃）まで加熱する。本実施の形態では、リフロー装置に水素を導入することにより、熱伝導率を高め、装置ワーク部内の均一性を向上させている。このとき生じ得る反応のギブスエネルギーの変化量ΔＧを図４に示す。図４において、還元ギブスエネルギーを考えた場合、１molあたりのエネルギー変化量ΔＧが低いほど反応が進みやすいことを示している。また、このエネルギーΔＧがマイナスであれば反応は右に進むことになり、水素による二酸化スズ（ＳｎＯ_２）がスズ（Ｓｎ）に還元される温度が二百数十℃となる。ただし、三百℃程度では、酸素が存在すると、二酸化スズの水素による還元反応よりもスズの酸化反応の方が進むことになるため、水素で還元させるには酸素濃度を低減させる必要がある。また、水素がラジカルで存在する場合、全ての温度でギブスエネルギー変化量ΔＧが低い状態にあり、酸素の有無にかかわらず、還元が進むことになる。この二酸化スズ還元の作用と、フラックスが酸化膜を剥離する作用の相互作用により、ＳｎＯ_２の発生を低減することができ、共晶合金化をスムーズに進めることができる。これにより、ＡｕＳｎ共晶合金のＡｇ層２７への濡れ性を向上させることができる。このように水素を導入したリフロー装置によって加熱することにより、サブマウント基板２０のＡｇ層２７にＡｕＳｎ合金を濡れ広がらせる。ＡｕＳｎ共晶合金がＡｇ層２７内に拡散し、共晶接合される。

さらに、本実施の形態では、リフロー装置による加熱のピーク温度（約３３０℃）付近で、リフロー装置内を所定の圧力（大気圧以下の圧力、ここでは１０^−３Ｐａ程度）まで減圧する。これにより、フラックスおよび溶融したＡｕＳｎ合金内のボイドを取り除くことができる。減圧後は、図３のように常圧に戻し、冷却する。

本実施の形態の製造方法により接合された共晶ボンディングＬＥＤの接合面を図５に示す。図５のようにボイド発生率は１％程度であった。Ａｒプラズマ照射と、リフロー時の水素導入と減圧を行わない従来の方法で製造した場合、図６に示したように接合面のボイド発生率は１０．８％程度であった。よって、本実施の形態では９％以上の改善が見られた。また、接続強度の低下、動作時の抵抗増加、熱抵抗の増加等の観点からは、ボイド発生率を５％以下にすることが望ましいが、本実施の形態の製造方法ではこれを達成できる。なお、ボイド発生率とは、接合面に対する、ボイドの占有面積の割合である。

このようにボイドを減少させることができたのは、本実施の形態の製造方法では、ＡｕＳｎ合金層（アノード電極１３）にＡｒプラズマを照射して予め酸化膜等を除くことにより清浄面を露出させているためである。さらに、リフロー装置に水素を導入し、ＡｕＳｎ合金が溶融された際のＳｎＯ_２の発生を低減することにより、共晶合金化をスムーズに進行させている。これらにより、ＡｕＳｎ共晶合金のＡｇ層２７への濡れ性を向上させることができる。よって、ＬＥＤチップ１０をサブマウント基板２０に搭載する際に巻き込まれた気体や、フラックスの反応により生じた気泡や、基板に吸蔵されていた気体が、溶融状態のＡｕＳｎ共晶合金中で気泡になったとしても、濡れ性が高いために気泡が溶融状態のＡｕＳｎ合金の周囲に追いやられ、冷却時には残存しにくい状態となる。しかも、本実施の形態では、加熱のピーク温度付近でリフロー装置を減圧しているため、更に気泡は溶融状態のＡｕＳｎ合金の外に移動する。よって、冷却後のＡｕＳｎ共晶合金（アノード層１３）にはボイドがほとんど生じない。

比較例１〜４として、Ａｒプラズマ照射工程を行わないという条件と、リフロー工程時に導入ガスを窒素にするという条件と、リフロー工程時の減圧を行わないという条件とを表１のように組み合わせ、他の条件は上記実施の形態と同じにした製造方法により、ＬＥＤチップ１０をサブマウント基板２０に接合した。比較例１〜４について接合面のボイド量を評価した結果を表１に示す。

表１から明らかなように、接合前にＡｒプラズマをＡｕＳｎ合金層（アノード電極１３）に照射し、リフロー加熱時の導入ガスを水素ガスとし、かつ、リフロー加熱時に減圧を行うという組み合わせによって、ボイドを減少させることができることがわかる。

このように、本実施の形態によれば、ＡｕＳｎ共晶接合部（アノード電極１３）にボイドが生じにくいため、ボイドによる不具合を排除することが可能である。例えば、接合強度の低下、ＬＥＤ動作時の電気抵抗増加、部分的熱抵抗の増加を防ぐことができ、品質の向上および超寿命化を実現できる。また、ＬＥＤチップ１０の半導体基板の斜面の形状や、サブマウント基板２０のＳｉ基板２１上の層２４〜２７の成膜パターニングにより、ＬＥＤを光学的および電気的にコントロールすることが可能になる。また、ボイドが少ないため、フラックス残りも相対的に減少し、アノード電極１３や、サブマウント基板２０の層２４〜２７に対する腐食を抑制できる。さらに、ボイドが少ないため、ＬＥＤチップ１０の熱をサブマウント基板２０へ高効率で熱伝導させることができ、放熱性を向上させることができる。

また、本実施の形態によるサブマウント基板２０上にＬＥＤチップ１０を共晶接合したＬＥＤを、さらにＬＥＤランプ用基板に搭載することにより、ＬＥＤランプを構成することができる。このときＬＥＤチップ１０のカソード電極１４と、サブマウント基板２０の上面のＡｇ層２７はそれぞれワイヤボンディングにより、ＬＥＤランプ用基板の電極と接続される。このように本実施の形態のＬＥＤでは、サブマウント基板２０のＳｉ基板２１よりも上側のＡｇ層２７とＬＥＤチップ１０とで電気回路を構成するため、サブマウント基板２０のＳｉ基板２１とＬＥＤチップ１０とは電気的に絶縁される。よって、ＬＥＤランプ用基板に生じている熱回路と接合ＬＥＤの電気回路とをＳｉ基板２１によって電気的に分離することが可能であり、接合ＬＥＤの動作がＬＥＤランプ用基板の熱回路の影響を受けにくいという効果が得られる。

本実施の形態の製造方法では、サブマウント基板２０上にＬＥＤチップ１０を高速にマウントすることができ、一括でリフローすることにより、容易に大量の共晶ボンディングＬＥＤを製造することができる。

本実施の形態では、サブマウント基板２０のＴｉ層２４／Ｃｕ層２５は、蒸着またはスパッタ法等により成膜し、Ｎｉ層２６／Ａｇ層２７をメッキにより形成する。これにより、Ａｇ層２７の表面のＲａを０．１μm以下にすることができる。なお、「／」は、積層されていることを示す。

また、Ｎｉ層２６／Ａｇ層２７に代えて電解メッキでＮｉ層／Ａｕ層、ＡｇＢｉ層、Ｐｄ層、ＡｇＰｄ層、Ａｇ層／Ｒｅ層、Ａｇ層／Ｒｈ層等を形成することができる。これらは、共晶接合を可能にするため、最表面のＲａが０．１μm以下となるように成膜する。

また、Ｎｉ層２６／Ａｇ層２７に代えて、スパッタ法や蒸着法等で、Ti層/Cu層/Ni層/BiNd層、Ti層/Ni層/Au層、Cr層/Ni層/Au層、TiW層/Au層、Ti層/NiV層/Au層、Cr層/NiV層/Au層、Ti層/Ni層/AgNdCu層、Cr層/Ni層/AgNdCu層、TiW層/AgNdCu層、Ti層/Ni層/AgBi層、Cr層/Ni層/AgBi層、TiW層/AgBi層、Cr層/Ni層/AgBiNd層、TiW層/AgBiNd層、Cr層/NiV層/AgBiNd層、Ti層/Ni層/AgBiAu層、Cr層/Ni層/AgBiAu層、TiW層/AgBiAu層、Cr層/NiV層/AgBiAu層等の耐硫化性、または耐酸化性を有する層を形成することも可能である。この場合も、共晶接合を可能にするため、最表面のＲａが０．１μm以下になるようにする。

また、Ｔｉ層２４およびＣｕ層２５に代えて、Ｓｉ基板２１上に酸化膜２２を形成後、無電解メッキによりＣｕ層を作製し、電鋳によりＣｕの厚膜を作製することも可能である。Ｃｕの厚膜上に、Ｎｉ層２６／Ａｇ層２７、またはこれに代えて電解メッキでＮｉ層／Ａｕ層、ＡｇＢｉ層、Ｐｄ層、ＡｇＰｄ層、Ａｇ層／Ｒｅ層、Ａｇ層／Ｒｈ層等を形成することができる。この場合も、共晶接合を可能にするため、最表面のＲａが０．１μm以下になるようにする。

Ｔｉ層２４〜Ａｇ層２７が薄膜の場合には、リフトオフ法によりこれらの層をダイシングパターンや回路パターンに加工することができるが、Ｃｕ厚膜を用いる場合には、エッチングによりＣｕ厚膜を所望のパターン形状に加工し、その上にＮｉ層２６／Ａｇ層２７を無電解メッキにより形成することにより、所望のダイシングパターンまたは回路パターンを形成する。このとき、Ｃｕのエッチングとしては、塩化第二銅、過硫化アンモニウム主体エッチング液、過硫化アンモニウムをアンモニア錯体化したもの、硫酸・過酸化水素を主体としたもの、硫酸・過酸化水素にアンモニア錯体化したもの、塩素酸塩系を主体としたものを用いることができる。

また、これまではＳｉＣ基板１１上に窒化物系半導体層１２と、ＡｕＳｎ共晶合金のアノード電極１３とを備えたＬＥＤチップ１０について説明してきたが、共晶接合が実現できる材料の組み合わせであれば、他の材料を用いることも可能である。例えば、アノード電極１３をＳｎ層とし、サブマウント基板２０の最上面層２７を、Ａｇ、Ａｕ、ＡｇＢｉ、ＡｇＮｄＣｕ、ＡｇＢｉＮｄ、ＡｇＢｉＡｕおよびＡｇＰｄのいずれかにより形成した場合であっても共晶が形成され、共晶接合が可能である。

本実施の形態で製造した共晶本ディングＬＥＤは、バックライト用光源、車載用インジケータ、ストロボ用光源、間接照明用光源、非常灯、温度センサー用光源、ガスセンサー用光源、花卉成長制御用光源、集魚用光源、無影灯用光源、光ＣＴ用光源、白血病細胞破壊用光源、集虫用光源、光触媒励起用光源、バックモニタ用光源等に使用することができる。

本実施の形態の共晶ボンディングＬＥＤの層構造を示す説明図。 （ａ）本実施の形態の共晶ボンディングＬＥＤのＬＥＤチップ１０の上面図、（ｂ）その側面図、（ｃ）その下面図。 本実施の形態の製造方法において、加熱プロファイルと、減圧プロファイルを示すグラフ。 ギブズエネルギーの変化量を示すグラフ。 本実施の形態で得た共晶ボンディングＬＥＤの接合面を示す写真。 従来法で得た共晶ボンディングＬＥＤの接合面を示す写真。

符号の説明

１０…ＬＥＤチップ、１１…ＳｉＣ基板、１２…窒化物系半導体層、１３…アノード電極、１４…カソード電極、２０…サブマウント基板、２１…Ｓｉ基板、２２、２３…Ｓｉ酸化物層、２４…Ｔｉ層、２５…Ｃｕ層、２６…Ｎｉ層、２７…Ａｇ層。

Claims (2)

1. 基板上に半導体発光素子を接合した発光装置の製造方法であって、
   活性層上に形成したＡｕＳｎ合金層からなる共晶合金層を表面に備えた半導体発光素子と、最上面層がＡｇ、Ａｕ、ＡｇＢｉ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｒｈ、ＡｇＮｄＣｕ、ＡｇＢｉＮｄ、ＡｇＢｉＡｕおよびＡｕＰｄのいずれかにより形成され、最表面層の粗さを０．１μｍ以下とした基板とを用意し、
   前記半導体発光素子の前記共晶合金層に、Ａｒプラズマを水素雰囲気下で照射して前記共晶合金層の清浄面を露出させ、
   前記基板表面に前記共晶合金層が接するように、前記半導体発光素子を搭載し、前記共晶合金層と前記基板とをフラックスで濡らし、
   次に、水素雰囲気下で共晶温度以上に加熱するとともに、共晶温度以上の状態のまま減圧し、その後、常圧に戻し冷却することを特徴とする発光装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の発光装置の製造方法において、前記活性層が窒化物半導体層であることを特徴とする発光装置の製造方法。