JP4981979B2

JP4981979B2 - 高反射率化させためっき皮膜を有するｌｅｄ用部品材料およびｌｅｄ用部品

Info

Publication number: JP4981979B2
Application number: JP2011133716A
Authority: JP
Inventors: 昭頼橘; 良聡小林; 伸菊池; 智鈴木
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: JP2012023355A

Description

本発明は、高反射率化させためっき皮膜を有するＬＥＤ用部品材料およびＬＥＤ用部品に関する。

光半導体装置用リードフレームは、例えばＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）素子等の光半導体素子である発光素子を光源に利用した各種表示用・照明用光源の構成部材として広く利用されている。その光半導体装置は、例えば基板にリードフレームを配し、そのリードフレーム上に発光素子を搭載した後、熱、湿気、酸化等の外部要因による発光素子やその周辺部位の劣化を防止するため、発光素子とその周囲を樹脂やセラミックなどで封止している（以下、封止材）。
リードフレームを用いたＬＥＤの場合、銅条などの素材をプレスやエッチング加工により、抜き形状とした後に銀や金／パラジウムなどのめっきが施されて使用される。

ＬＥＤ素子を照明用光源として用いる場合、リードフレームの反射材には可視光波長（４００〜７００ｎｍ）の全領域において反射率が高いこと（例えば硫酸バリウムや酸化アルミニウムなどの基準物質に対する反射率が８０％以上）が求められる。さらに近年、紫外線を用いる測定・分析機器の光源としてもＬＥＤ素子が用いられるようになり、その反射材には、近紫外域（波長３４０〜４００ｎｍ）においても同様に反射率が高いことが求められてきている。照明用やバックライト向けにおいても、演色性の観点から、従来用いられていた青色ＬＥＤチップと黄色蛍光体に代えて、紫・近紫外・紫外ＬＥＤチップとＲＧＢ蛍光体（赤、緑、青）を用いることで解決する方法が開発されている。
また、封止材との密着性を向上させることでリードフレーム材の酸化等の腐食を抑制することが求められている。リードフレーム材が経時変化により反射率が劣化するとＬＥＤの輝度が著しく低下する。これはＬＥＤの寿命に直接関わるため、封止材との密着性に優れるリードフレーム材の研究が進められている。

白色光を放射するＬＥＤを実現する手法としては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のすべての色を出すチップを３個並べる手法、青色ＬＥＤチップに黄色の蛍光体を分散した封止樹脂を用いる手法、さらには紫外から近紫外域の波長を発するＬＥＤチップにそれぞれＲ、Ｇ、Ｂの蛍光体を分散した封止樹脂を用いる手法の、主に３つに大別される。従来は青色チップに黄色の蛍光体を分散した封止材を用いる手法が主流であったが、この方法では特に赤色系統の演色性が不十分であるなどの観点から、近年は発光波長帯に紫外域を含むＬＥＤチップを用いる手法が注目を集めており、例えば波長３７５ｎｍ近辺のＬＥＤ素子を使用し、ＲＧＢ蛍光体を封止樹脂に混ぜて白色光を発光する手法が検討されている。
リードフレーム材が経時変化により反射率が劣化することを抑えるために、反射率が高い金属と耐候性に優れた金属との合金化などの手法が取られる事があるが、反射率の低下が避けられない。特に銀やアルミニウムなど元から反射率が高い金属においては合金化による反射率の低下は顕著である。そのため、封止材のガス透過性を低くしつつ、リードフレーム材と封止材の密着性を向上させることで、リードフレーム材の経時変化による反射率の劣化を抑制する手法が検討されている。

このような要求に応じて、ＬＥＤ素子が実装されるリードフレーム上には、特に可視光域の光反射率（以下、反射率という）の向上を目的として、銀または銀合金からなる層（皮膜）が形成されているものが多い。銀の皮膜は、可視光域における反射率が高いことが知られており、具体的には、銀めっき層を反射面に形成すること（特許文献１）、銀または銀合金皮膜形成後に２００℃以上で３０秒以上の熱処理を施し、当該皮膜の結晶粒径を０．５μｍ〜３０μｍとすること（特許文献２）、銀合金反射膜において表面粗さＲａを２．０ｎｍ以下にすること（特許文献３）等が知られている。

特開昭６１−１４８８８３号公報特開２００８−０１６６７４号公報特開２００５−２９８４９号公報

従来使用されているリードフレームにおいても可視光域で良好な反射率を有しているが、ＬＥＤ全体としての発光効率は未だに２０％程度である。リードフレーム材の反射率を向上させることで、ＬＥＤ一個辺りの輝度を向上させることが可能になる。反射効率増加による省電力化、照明辺りのＬＥＤ使用個数減など、多くのメリットが見込める。
リードフレームと封止材との密着性が悪いと、発生した剥離部よりガスが浸透し、銀などのリードフレーム表面は変色し、反射率が低下してしまう。封止材の密着性を向上させたリードフレームが求められる。
しかしながら、特許文献１のように、銀またはその合金皮膜を単純に形成しただけの場合、特に近紫外域における反射率の低下が大きく、可視光域の約４００ｎｍ付近から３００ｎｍ付近の反射率低下が避けられないことが分かった。
特許文献２のように、銀または銀合金の皮膜の結晶粒径を０．５μｍ〜３０μｍとすると、可視光域の反射率は良好であり、全体的な反射率改善効果は認められる。しかし、特許文献２の図８および図９に見られるように、近紫外域、特に３５５ｎｍ付近に吸収ピークが見られており、３７５ｎｍのＬＥＤチップを使用するとわずかながら可視光領域よりも反射率が低い部分に相当することがわかる。
特許文献３では銀合金反射膜の表面粗さを２．０ｎｍ以下とすることで４００〜４５０ｎｍの波長領域の反射率の改善をしている。しかし近紫外域における吸収ピークに関しての記述が無い。また、合金化により加熱時の劣化を抑えているが、リードフレーム材として使用するために必要な封止材との密着性を向上させることには至っていない。
リードフレーム材の反射皮膜の合金化、結晶粒径といったものでは、反射率を十分に満足できず課題を解決できない。ＬＥＤの発光効率は年々改善されているものの未だに２０％程度であるので、反射率が１０％低いことは輝度の大幅な低下を意味する。近紫外域から可視光域（３４０〜８００ｎｍ）の反射率改善が必要とされる。また、単に平滑にするだけでは、封止材との密着性が不十分であり課題を解決できない。高い反射率を長期に渡って保持するためにリードフレーム材と封止材との密着性を向上させる必要がある。

したがって、本発明は、ＬＥＤ・フォトカプラ・フォトインタラプタなどに使用される光半導体装置用リードフレームにおいて、近紫外域から可視光域における反射率が良好で、高輝度かつ封止材との密着性に優れたリードフレームを提供することを課題とする。またこの光半導体装置用リードフレームを用いたＬＥＤ用部品を提供することを課題とする。

本発明者らは上記問題に鑑み誠意検討を進めた結果、導電性基体上の最表面の反射層が電気めっき法で形成された光半導体装置用リードフレームにおいて、フレームの表面形状をマクロに、かつ、ミクロに制御することで、反射率を向上させ、かつ、樹脂密着性を高くできることを見いだした。ミクロな表面形状において、表面粗さを小さく、かつ、所定範囲に設定することで、近紫外域、特に３５５ｎｍ付近に吸収ピークが消滅することが明らかになった。同時に可視光域全域においても反射率を向上させることを見出した。一方、マクロな表面形状において、一定範囲の表面粗さとすることで、リードフレーム材と封止材との密着性（以下、樹脂密着性と表現する）が向上することを見出した。表面の平滑性を、マクロな表面粗さ、ミクロな表面粗さという２つの表面粗さを制御することで、樹脂密着性を高めながら反射率を向上させることを見出した。
本発明におけるマクロな表面粗さとは、触針式表面粗さ計の測定距離で得られる表面粗さのことである。具体的には基材自体の微小なうねりなどが数値として現れる。測定距離は数ｍｍ〜数十ｍｍの間が適切であり、実験の結果より４ｍｍの測定距離がマクロな表面粗さを最も良く表し、樹脂密着性との相関があることが分かった。ＪＩＳＢ６０１０−２００１に基づく方法により表面粗さＲａを求め、圧延方向、垂直方向の２方向をそれぞれ５点測定し、その平均値をマクロな表面粗さとした。
本発明におけるミクロな表面粗さとは、原子間力顕微鏡（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）の観察視野で得られる表面粗さのことである。このミクロな表面粗さは、マクロな表面粗さでは測定することができないが、反射率に大きく影響する。具体的にはめっき上がりのデンドライト状の析出の頻度などがこの数値として現れる。表面の数十ｎｍオーダーの凹凸が反射率を低減させる原因であることを見いだした。このミクロな表面粗さを測定するためには、ＡＦＭを用い、数ミクロン〜数十ミクロン視野内にて測定することが適切であり、実験の結果より６．１６ミクロン×６．１６ミクロンの視野による測定がミクロな表面粗さを最も良く表わし、反射率との相関があることが分かった。ＡＦＭを用い、６．１６ミクロン×６．１６ミクロンの視野にてｎｍオーダーの微細な凹凸の表面粗さＳａを求めた。なお、リードフレームの大きな表面キズ、圧延筋の影響を小さくするため、リードフレームの任意の５点において測定し、その平均値をミクロな表面粗さとした。
マクロな表面粗さを残しながら、ミクロな表面粗さを極力押さえることで、波長３４０〜４００ｎｍの近紫外域と４００ｎｍ付近〜８００ｎｍ付近の可視光領域の光両方に対して反射率に優れながら、高い樹脂密着性を有する半導体装置用リードフレームを得ることを見出した。この知見に基づき本発明をなすに至った。

マクロな表面粗さは、基材の中間圧延、または、最終圧延で決定することが可能である。圧延条件やロール番手などを変えることでマクロな表面粗さを変化させることが可能である。
ミクロな表面粗さは、めっき後の最表面に微細粒子を用いた機械的な研磨などの処理を施すことで変化させることが出来る。例えば機械的な研磨の場合は、番手や研磨時間などを変えることでミクロな表面粗さを変えることが可能である。また非接触な研磨として、化学研磨、電解研磨などの手法を用いても良い。
また、圧延などの塑性加工において、ミクロな表面粗さとマクロな表面粗さを同時に制御することも工業的に有用である。例えば、基材にめっき等で反射皮膜層を形成した後に圧延することにより、圧延条件を適宜設定することでマクロな表面粗さを制御しながら、表面粗度を小さくした平滑ロールにてミクロな表面粗さを制御することも可能である。

本発明の特徴として、これまで反射率の向上に寄与するとされてきた結晶粒径、方位などの因子（例えば特許文献２）は本質的に向上させる因子でないことを研究により明らかにし、表面の平滑性のみが反射率に影響を及ぼすことを見出したところにある。これにより、表面平滑化を得るあらゆる塑性加工を施した場合でも、結晶粒径、方位などの因子を気にすることなく、表面の平滑性のみに着目すればよいことが明らかになった。
また、反射率に影響を及ぼすミクロな表面粗さだけに注目し表面を平滑にするだけでなく、基材の小さなうねりなどに対応するマクロな表面粗さをあえて粗くすることで樹脂密着性を向上させることを明らかにした。表面平滑化は２つの表面粗さをバランスさせることで決まり、近紫外域から可視光域における反射率が良好で、高輝度かつ封止材との密着性に優れたリードフレームを提供することを可能にした。

すなわち、上記課題は以下の手段により解決される。
（１）金属基材上の、少なくとも片面もしくは両面に、一部もしくは全面に、電析によりめっき皮膜を析出させた後に、前記めっき皮膜の表面平滑化を加工して得られる、ＬＥＤ用部品材料において、触針式表面粗さ計による測定での表面粗さＲａを０．０１０μｍ以上０．０６０μｍ以下であり、かつ原子間力顕微鏡による測定での表面粗さＳａが５０ｎｍ以下であることで、反射率と封止材との密着性が向上したことを特徴とするＬＥＤ用部品材料。
（２）前記めっき皮膜がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｌのいずれか、またはそれらの合金からなることを特徴する（１）項に記載のＬＥＤ用部品材料。
（３）前記金属基材上に金属層がｎ層（ｎは１以上の整数）設けられ、かつ前記めっき皮膜が前記金属基材上に、直接、または前記金属層の少なくとも１層を介して設けられることを特徴する（１）または（２）項に記載のＬＥＤ用部品材料。
（４）前記（１）〜（３）項のいずれか１項に記載のＬＥＤ用部品材料を用いることを特徴とするＬＥＤ用部品。

本発明の半導体装置用リードフレームは、波長３４０〜４００ｎｍの近紫外域と可視光領域（４００ｎｍ付近〜８００ｎｍ付近）の双方の光領域に対して反射率に優れ、かつ高い樹脂密着性を有する。

本発明のＬＥＤ用部品材料の製造方法を説明すると、例えば、導電性の材料の両面または片面に金属めっきを施す。金属めっきは電気めっき法により前記金属材料表面に析出させる方法により行う。金属めっき皮膜はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｌのいずれか、またはそれらの合金から形成する。金属めっき方法自体は通常の方法で行うことができる。得られためっき表面に対してコロイダルシリカなどによる研磨で表面を平滑にする。めっき表面を平滑にする手段は、あらゆる塑性加工の何であっても構わない。本発明において金属基材上の金属めっき膜自体の厚さは、めっき条件やその後の加工の施し方によって定めることができ、上記の研磨後において、好ましくは０．０１〜２０μｍ、より好ましくは０．１〜１０μｍとする。
金属基材としては特に制限はないが、銅または銅基合金、または鉄または鉄基合金等が用いられる。金属基材の最終圧延時のロール粗度を変えることでマクロな表面粗さを変化させることが出来る。マクロな表面粗さは触針式表面粗さ計で測定することが出来る。マクロな表面粗さは好ましくはＲａが０．０１０μｍ以上、より好ましくは０．０２０μｍ以上、より好ましくは０．０３０μｍ以上であるようにすることで樹脂密着性が向上する。また、マクロな表面粗さが０．１００μｍを超えると、基材表面の起伏が大きくなるため封止材が起伏の谷に十分に入り込まない。本質的な樹脂密着性が低下する分けではないが、接触面積が減少するため、結果として樹脂密着性が減少する。これによりマクロな表面粗さは０．０６０μｍ以下が好ましい。
金属基材上の、少なくとも片面もしくは両面に、一部もしくは全面に、電析によりめっき皮膜を析出させた後に、前記めっき皮膜の表面を加工して得られるＬＥＤ用部品材料において、ミクロな表面の粗さを規制する。ミクロな表面粗さは原子間力顕微鏡による視野角６．１６μｍ×６．１６μｍでの測定で得る。ミクロな表面粗さＲａは、好ましくは５０ｎｍ以下で、より好ましくは３０ｎｍ以下、特に好ましくは１０ｎｍ以下、最も好ましくは５ｎｍ以下とすることでＬＥＤ用部品材料の反射率が向上する。
また、ミクロな表面粗さが２．０ｎｍ程度以下になると、マクロな表面粗さに関係なく樹脂密着力が低下するため、ミクロな表面粗さは３．０ｎｍ以上が好ましい。
本発明において、マクロな表面粗さは、はんだ濡れ性、樹脂密着性に寄与して、ＬＥＤに好適な特性を付与するとともに、優れた平滑性を維持する。ミクロな表面粗さの制御は、反射率に直接寄与し、この粗さが小さい方ほど反射率が向上する。

本発明における反射率は、Ａｇめっきの場合、可視光域（例えば４００〜８００ｎｍ）で全反射率が８０％以上（光をそのまま反射させる白色ＬＥＤ用）、近紫外光域（例えば３７５ｎｍ）で全反射率が７０％以上（紫外光域は黄色の蛍光体で青色の波長を跳ね返すことで白色にするＬＥＤ用）という態様が好ましい。

以下に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

金属基材は古河電気工業株式会社製銅基合金「ＥＦＴＥＣ６４Ｔ−Ｃ（Ｃ１８０４５）」（商品名）を使用した。幅１００ｍｍである。以下に示す前処理を行った後、以下に示す電気めっき処理を施すことで銀めっき層を１．０μｍの厚さで形成させた。

（前処理条件）
［電解脱脂］
脱脂液：ＮａＯＨ６０ｇ／リットル
脱脂条件：２．５Ａ／ｄｍ^２、温度６０℃、脱脂時間６０秒
［酸洗］
酸洗液：１０％硫酸
酸洗条件：３０秒浸漬、室温
［銀ストライクめっき］
めっき液：ＫＡｇ（ＣＮ）２４．４５ｇ／リットル、ＫＣＮ６０ｇ／リットル
めっき条件：電流密度５Ａ／ｄｍ^２、温度２５℃
［銀めっき]
めっき液：ＡｇＣＮ５０ｇ／リットル、ＫＣＮ１００ｇ／リットル、Ｋ_２ＣＯ_３３０ｇ／リットル
めっき条件：電流密度１Ａ／ｄｍ^２、温度３０℃

前記金属基材の圧延加工工程において、最後に実施される圧延時のロール粗度を変えることでマクロな表面粗さをある程度制御することが出来る。実際の条製品ではある程度ばらつきが出るため、条件を振って作成した条の中から望みの粗さになっているものを選択し、それに前記めっきを施した。ロール粗度が小さい場合にはマクロな表面粗さが小さい基材、ロール粗度が大きい場合はマクロな表面粗さが大きい基材を得ることが出来る。実験において、ロールの表面粗さＲｚが小さい順に、得られる蝕針式のマクロな表面粗さが、それぞれ、Ｒａ≒０．００５μｍ、０．０１μｍ、０．０２μｍ、０．０３μｍ、０．０４μｍとなるように異なるロールを使用して、マクロな表面粗さを制御した。

得られためっきサンプルに対して、前記金属基材において表面形状が異なるサンプルを使用し、かつ、コロイダルシリカによる研磨を表１に示す時間施すことで、望みの表面粗さを得られるようにした。ここで、０秒は研磨していないめっき上がりのサンプルという意味である。コロイダルシリカはＯＰ−Ｓ懸濁液（ＯＰＳＩＦ−５リットル入り）（商品名、丸本ストルアス（株））を使用した。

触針式表面粗さ計（ＳＥ−３０Ｈ：製品名、（株）小坂研究所製）にてマクロな表面粗さＲａを測定した。測定距離は４ｍｍ、針の速度は０．８ｍｍ／ｓである。
ＡＦＭ（ＭｏｂｉｌｅＳ：製品名、Ｎａｎｏｓｕｒｆ）でミクロな表面粗さＳａを測定した。視野角は６．１６μｍ×６．１６μｍである。

それぞれのサンプルを２．５ｃｍ×２．５ｃｍに切り出し、分光光度計（Ｕ−４１００（商品名、（株）日立ハイテクノロジーズ製））において、全反射率を３００ｎｍ〜８００ｎｍにかけて連続測定を実施した。実施例に示す波長は、紫外光領域の代表値として３７５ｎｍ、可視光領域の閾値として下限を４００ｎｍ、上限を８００ｎｍ、可視光領域中の青色、緑色、黄色、赤色の代表的な波長として、それぞれ４５０ｎｍ、５２０ｎｍ、５９０ｎｍ、６６０ｎｍ、である。それぞれの波長に対する全反射率を表１に示した。連続測定の結果から、各波長間で全反射率が急落することはないことを確認している。

樹脂密着性は前記めっきが施された前記金属基材にＬＥＤ用シリコーン封止樹脂の皮膜を形成させ、前記樹脂皮膜にクロスカット試験（１ｍｍ×１ｍｍ、剥離テープ：６３１Ｓ＃２５ポリエステルフィルム粘着テープ：株式会社寺岡製作所製）を行うことで評価を行った。評価基準は以下のとおり。
◎：全くハガレが無い（優）
○：端に浮きが見られる（良）
△：多少の剥離が認められる（可）
×：剥離してしまう（不可）

Ａｕ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、ＡｌでもＡｇと同様の方法で評価を行った。以下に結果を示す。

前記実施例１にあるコロイダルシリカの研磨による表面の平滑化を、ロールの表面粗さを変えた圧延による表面の平滑化に変え、同様の評価を行った。前記Ａｇめっき層を形成させた後に、圧延工程を通すため、マクロな表面粗さとミクロな表面粗さが同時に変化することになる。
圧延加工率を変えることでマクロな表面粗さとミクロな表面粗さを同時に変えることが可能である。圧延に使用するロール粗度を変化させることで、ある程度ミクロな表面粗さを制御することが可能である。同じ圧延加工率においてもロール粗度が小さければミクロな表面粗さは小さくなる。

Claims

金属基材上の、少なくとも片面もしくは両面に、一部もしくは全面に、電析によりめっき皮膜を析出させた後に、前記めっき皮膜の表面平滑化を加工して得られる、ＬＥＤ用部品材料において、触針式表面粗さ計による測定での表面粗さＲａを０．０１０μｍ以上０．０６０μｍ以下であり、かつ原子間力顕微鏡による測定で表面粗さＳａが５０ｎｍ以下であることで、反射率と封止材との密着性が向上したことを特徴とするＬＥＤ用部品材料。
前記めっき皮膜がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｌのいずれか、またはそれらの合金からなることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ用部品材料。
前記金属基材上に金属層がｎ層（ｎは１以上の整数）設けられ、かつ前記めっき皮膜が前記金属基材上に、直接、または前記金属層の少なくとも１層を介して設けられることを特徴する請求項１または請求項２記載のＬＥＤ用部品材料。
前記請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ用部品材料を用いることを特徴とするＬＥＤ用部品。