JP5436349B2 - Ledチップとリードフレームとの接合方法 - Google Patents
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Description
特許文献1記載の技術は、LEDチップがリードフレームに導電性接着剤によって接着固定されている。リードフレームは、銅又は銅合金の薄板を材料として、その表面に銀めっきされた構成とされ、LEDチップから出射された光の一部が、銀めっき面によって反射され、LEDチップの蛍光体分散樹脂内の蛍光体を励起・発光(白色光)させるようにされている。
特許文献2記載の技術では、ベース部となるコパール製パッケージ(リードフレーム)の表面にNi/Ag層が設けられ、LEDチップの裏面にアルミニウムでメタライズした状態でAg−Sn合金にて共晶接合している。
特許文献1記載の技術では導電性接着剤によってLEDチップをリードフレームに接着しているが、導電性接着剤では耐熱性に不安がある。また、特許文献2記載に開示されているAg−Sn合金を用いることにより、融点を下げることができるが、貴金属の銀を多く用いるため、高価になる。
Ag3Sn合金層は、錫めっき層の表面に0.01〜0.5μmの銀めっきを施し、適切な条件にて処理することにより、銀と錫が反応して錫めっき層の表面に薄層となって形成される。
Ag3Sn合金層の厚みは0.01〜0.5μmであり、厚みが0.01μm未満では、銀めっき層としての各種機能が不足し、厚みが0.5μmを超えると、下層の錫層での3元系の金銀錫合金の形成が不十分となり接合強度が低下し、また、銀の使用量も増えて好ましくない。
ボイド等の欠陥がなく高い接合強度となる金銀錫合金層を得るために、240℃以上の加熱温度とするのが好ましい。加熱温度が300℃を超えても、接合強度のそれ以上の向上は期待できないとともに、熱応力が大きくなるので好ましくない。
この場合、LEDチップ最表面の金層が0.1μm未満の厚さであると、十分な接合強度を確保するのに足るだけの厚みで金銀錫合金層が形成されず、剥離が生じ易い。接合に寄与する金銀錫合金層を形成するには、金層が0.1μm以上あればよく、1μmを超えてもコスト面で無駄である。
また、リードレーム最表面のAg3Sn合金層は、光沢度が80〜110%であり、光沢度が80%未満では、LED用としては光の反射が充分ではなく、110%を超えると効果が飽和しコスト面で無駄となる。
Ag3Sn合金層の表面に透明な酸化錫皮膜を形成しておくことにより、Ag3Sn合金層の耐硫化特性が向上し、使用雰囲気やその上に成形される樹脂中に含まれるサルファ(S)により硫化されることが防止される。透明な酸化錫皮膜の厚みが5nm未満では硫化防止効果が不十分であり、20nmを超えると光沢度が低下するとともに、目的とする接合を妨げる傾向がみられる。
また、前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に、ニッケルめっき層、銅錫合金層、前記錫めっき層としてもよい。
リードフレームとして一般的に使用される、二層めっき、あるいは、三層めっきの銅合金部材を適用することができる。
この銅合金部材は、強度に優れるとともに、耐熱性が高く、プレス打抜き性、また、導電率も良好で、LEDチップに接続されるリードフレームとして好適である。
LEDチップ1は、図1に示すように、サファイア基板2の表面にn型半導体層3とp型半導体層4とが接合状態に積層されるとともに、その一部のp型半導体層4を除去して露出させたn型半導体層3にn型電極5、p型半導体層4にp型電極6が形成されたものである。このLEDチップ1はフリップフロップタイプのLEDチップであり、n型電極5及びp型電極6にそれぞれリードフレーム7,8が接合状態に接続される。
このリードフレーム8とLEDチップ1との接合部は、図2(b)に示すように、LEDチップ1の最表面層を形成していた金層9が、リードフレーム8の最表面のAg3Sn合金層16の一部及び錫めっき層14の一部と溶融して、金銀錫合金層15を形成しており、この金銀錫合金層15によってLEDチップ1とリードフレーム8とが接合されている。
[銅合金]
このリードフレームの基材を構成する銅合金は、必ずしも限定されるものではないが、耐熱性に優れ、引張り強度が500MPa以上で、かつ、導電率が50%IACS以上である基本特性を有するCu−Fe−P−Zn系銅合金であり、Fe;1.5〜2.4質量%、P;0.008〜0.08質量%およびZn;0.01〜0.5質量%を含み、残部がCu及び不可避不純物からなる基本組成とする。この基本組成に対し、後述するSn、Ni等の元素を更に選択的に含有させても良い。
Feは銅の母相中に分散する析出物粒子を形成して強度及び耐熱性を向上させる効果があるが、その含有量が1.5質量%未満では析出物の個数が不足し、その効果を奏功せしめることができない。一方、2.4質量%を超えて含有すると、強度及び耐熱性の向上に寄与しない粗大な析出物粒子が存在してしまい、耐熱性に効果のあるサイズの析出物粒子が不足してしまうことになる。このため、Feの含有量は1.5〜2.4質量%の範囲内とすることが好ましい。
PはFeと共に銅の母相中に分散する析出物粒子を形成して強度及び耐熱性を向上させる効果があるが、その含有量が0.008質量%未満では析出物粒子の個数が不足し、その効果を奏功せしめることができない。一方、0.08質量%を超えて含有すると、強度及び耐熱性の向上に寄与しない粗大な析出物粒子が存在してしまい、耐熱性に効果のあるサイズの析出物粒子が不足してしまうことになると共に導電率及び加工性が低下してしまう。このため、Pの含有量は0.008〜0.08質量%の範囲内とすることが好ましい。
Znは銅の母相中に固溶して半田耐熱剥離性を向上させる効果を有しており、0.01質量%未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、0.5質量%を超えて含有しても、更なる効果を得ることが出来なくなると共に母相中への固溶量が多くなって導電率の低下をきたす。このため、Znの含有量は0.01〜0.5質量%の範囲内とすることが好ましい。
Niは母相中に固溶して強度を向上させる効果を有しており、0.003質量%未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、0.5質量%を超えて含有すると導電率の低下をきたす。このため、Niを含有する場合には、0.003〜0.5質量%の範囲内とすることが好ましい。
Snは母相中に固溶して強度を向上させる効果を有しており、0.003質量%未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、0.5質量%を超えて含有すると導電率の低下をきたす。このため、Snを含有する場合には、0.003〜0.5質量%の範囲内とすることが好ましい。
前述の銅合金は、図6に示す様に、透過型電子顕微鏡観察において、1μm2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径15〜35nmの範囲内でありかつ当該範囲内の直径の析出物粒子が総度数の50%以上の頻度で存在し、その半値幅が25nmとされる。
また、透過型電子顕微鏡観察において、5nm以下の析出物粒子については、析出物粒子であるか或いは観察時に生じる影であるかの明確な識別が不可能であるため、観察された析出物粒子の全個数には含めないことにした。
更に、その観察においては、観察倍率によって分解能が変化し、観察される析出物粒子の直径や個数に変動が生じる。そこで、15nm以上の析出物粒子を測定する際には観察倍率を5万倍とし、15nm未満の析出物粒子を測定する際には観察倍率を10万倍とした。
同様に、図5に示す写真(観察倍率10万倍)の視野面積は0.65μm2である。従って、この写真内でカウントされた析出物粒子の個数を0.65で除し1μm2あたりの析出物の個数が算出されることになる。
なお、透過型電子顕微鏡観察は局所的な観察となるため、観察箇所を変えてこのような観察を複数回行うことが好ましい。
この銅合金の耐熱性試験は次の方法で行い、保持率にて評価することが好ましい。
銅合金薄板試料を作製して加熱保持炉内にて500℃にて1、3、5、10分間各々保持した後のビッカース強度を測定し、各々の熱処理前のビッカース強度と比較し保持率にて耐熱性を評価する。
保持率は(熱処理後ビッカース強度)/(熱処理前ビッカース強度)にて算出する。各々の加熱保持時間での保持率の変化の代表例を図8に示す。
この銅合金は析出物粒子のピン止め効果が充分に発揮された優れた耐熱性を有し、500℃にて10分間加熱保持後の保持率は88%以上となる。
次に、この析出物粒子(Fe−P系化合物)を有するCu−Fe−P系銅合金の製造条件について以下に説明する。後述する好ましい時効処理、冷間圧延、低温焼鈍の各条件を除き、通常の製造工程自体を大きく変えることは不要である。
また、本製造工程における、冷間圧延、低温焼鈍での銅合金の1μm2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムの変化を図7に示す。横軸は析出物粒子の粒径(円相当直径)であり、縦軸は度数(1μm2あたりの析出物粒子の個数)である。
先ず、上記の好ましい成分範囲に調整された銅合金を溶解鋳造し、鋳塊を面削後、圧延率を60%以上にて熱間圧延を施し、次に、900〜950℃にて20〜300秒の溶体化処理を行う。
溶体化処理後の銅合金板を450〜575℃にて3〜12時間の時効処理を行い、広範な粒度分布を有する析出物粒子を析出させ、最終の目的とする構成の析出物粒子を得るための素地をつくる。450℃以下或いは3時間以下では析出物粒子が充分に析出せず、575℃以上或いは12時間以上では銅合金組織が軟化する。
時効処理後の銅合金板を加工率60〜80%で冷間圧延し、析出物の粒径を小さくすると共に更なる析出物粒子の析出を促進させる。析出相の優先核形成サイトが核生成の駆動力的に有利な転位セル境界となるため、核生成頻度が促進される。加工率が60%以下では析出物粒子の粒径を小さくするには不十分であり、80%以上では核生成頻度の促進効果に支障を来たす。図7に示す様に、この段階では析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値は形成されていないと推察される。
第1冷間圧延後の銅合金板を200〜400℃にて0.5分〜3時間の低温焼鈍を行い、析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値、頻度、半値幅を一定の範囲値内にシフトさせる。200℃以下或いは0.5分以下では効果がなく、400℃或いは3時間以上では析出物粒子の粗大化に繋がりピン止め効果の発揮に支障をきたす。図7に示す様に、この段階では析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値は15nm以下になっていると推察されピン止め効果は充分に発揮されない。この1回の低温焼鈍のみでは、析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値、頻度、半値幅を最適範囲値内に入れるのは無理であり、更なる冷間圧延及び低温焼鈍が必要となる。
第1低温焼鈍後の銅合金板を加工率30〜60%で冷間圧延し、析出物粒子を目的とする直径のヒストグラムのピーク値、頻度、半値幅の範囲内にシフトさせる素地を作成する。加工率60%以上では全体としての圧延率が高くなり、再結晶化を促すことに繋がり、また、強度、導電率、ビッカース硬度にも悪影響を及ぼす。加工率30%以下では殆んど効果はない。図7に示す様に、この段階でも析出物粒子の直径のヒストグラムピーク値は15nm以下になっているが、更なる析出物粒子の析出を促進させ、ヒストグラムを最適化する素地が出来上がっていると推察される。
第2冷間圧延後の銅合金板を200〜400℃にて0.5分〜3時間の低温焼鈍を行い、図7に示す様に、析出物粒子の1μm2あたりの直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径15〜35nmの範囲内であり、かつ、総度数の50%以上の頻度とし、その半値幅を25nm以下として、ピン止め効果を最大限に発揮させる。この析出物粒子の1μm2あたりの直径のヒストグラムの詳細を図6に示す。
リードフレームは、銅合金部材をリードフレームの形状に打ち抜き加工した後、ニッケルめっき、銅めっき、錫めっきを順に施し、これらをリフロー処理することによって得られる。
ニッケルめっきの条件としては、めっき浴に、硫酸ニッケル(NiSO4)、ホウ酸(H3BO3)を主成分としたワット浴、スルファミン酸ニッケル(Ni(NH2SO3)2)とホウ酸(H3BO3)を主成分としたスルファミン酸浴等が用いられる。例えば、硫酸ニッケルが300g/L、ホウ酸が30g/Lの濃度のめっき浴とされる。酸化反応を起こし易くする塩類として塩化ニッケル(NiCl2)などが加えられる場合もある。また、めっき温度は45〜55℃、電流密度は20〜50A/dm2とされる。
このリフロー処理はCO還元性雰囲気にした加熱炉内でめっき後の処理材を10〜90℃/秒の昇温速度で240〜300℃のピーク温度まで加熱する加熱工程と、そのピーク温度に達した後、30℃/秒以下の冷却速度で1〜30秒間冷却する一次冷却工程と、一次冷却後に50〜250℃/秒の冷却速度で冷却する二次冷却工程とを有する処理とする。一次冷却工程は空冷により、二次冷却工程は10〜90℃の水を用いた水冷により行われる。
ところで、高電流密度で電析した銅と錫は安定性が低く室温においても合金化や結晶粒肥大化が発生し、リフロー処理で所望の合金構造を作ることが困難になる。このため、めっき処理後速やかにリフロー処理を行うことが望ましい。具体的には30分以内、望ましくは15分以内、より好ましくは5分以内にリフロー処理を行うとよい。めっき後の放置時間が短いことは問題とならないが、通常の処理ラインでは構成上1分後程度となる。
電気化学還元法にて電解液中で錫めっき層の酸化膜を還元して完全に除去することにより、錫めっき層のSn金属面を露出させ、次の銀めっきを密着させることができ、これにより、合金化処理においてAgとSnとの相互拡散を確実にすることができる。電解処理液としては弱アルカリ電解脱脂液が用いられる。
また、銀ストライクめっきの条件は、次の表1に示す通りである。
次に、このAgめっきした処理材に、ベンゾチアゾール化合物を含む水溶液中にて合金化処理を施す。その合金化処理の条件を次の表2に示す。
また、最表面のAg3Sn合金層16は、表面の光沢度が80〜110%とされる。
次に、このように構成したリードフレーム8にLEDチップ1を接合する方法について説明する。
リードフレーム8の上にLEDチップ1の電極を重ね合わせる。このとき、図2(a)に示すように、リードフレーム1のめっき層のうちの最表面のAg3Sn合金層16とLEDチップ1の電極の最表面の金層9とが接触状態となる。そして、この重ね合わせ状態で加熱炉内に入れ、窒素雰囲気の下、温度240〜300℃で、例えば60〜120秒間保持することにより、これらを接合する。この接合条件に保持することにより、LEDチップ1の最表面層の金層9と、リードフレーム8の最表面のAg3Sn合金層16の一部と錫めっき層14の一部との間に合金反応が生じて、図2(b)に示すように、金銀錫合金層15を形成し、この金銀錫合金層15によってLEDチップ1とリードフレーム8とが接合状態となる。
接合部にボイド等の欠陥がなく、高い接合強度となる金銀錫合金層を得るために240℃以上の加熱温度とするのが好ましい。加熱温度が300℃を超えても、接合強度のそれ以上の向上は期待できないとともに、熱応力が大きくなるので好ましくない。
そこで、この硫化を防止するために、図3に示す他の実施形態のように、Ag3Sn合金層16の上に厚みが5〜20nmの透明な酸化錫皮膜17を形成したリードフレーム21を用いてもよい。この酸化錫皮膜17は、厚みが5nm未満では硫化防止効果が不十分であり、20nmを超えると光沢度が低下するとともに、目的とする接合を妨げる傾向がみられる。
この酸化錫皮膜17が形成されたリードフレーム21にLEDチップ1を重ねると、リードフレーム21のAg3Sn合金層16とLEDチップ1の金層9との間に酸化錫皮膜17が介在するが、5〜20nmと極めて薄いため、リードフレーム21のめっき層とLEDチップ1の金層9との合金化反応を阻害することはない。
また、試料番号5,6については、さらに、リードフレームを850℃の酸素含有雰囲気で30秒加熱処理することにより、Ag3Sn層の表面に約10nmの酸化錫皮膜を形成した。
次に、LEDチップの電極最表面に金を種々の厚さで蒸着したものを用意し、リードフレームの最表面のAg3Sn層(試料番号5,6については酸化錫皮膜)に金蒸着層を重ね合わせてLEDチップとリードフレームとを表3に示す温度で接合した。
そして、接合状態となったリードフレームとLEDチップとの剥離試験を行い、また、リードフレーム表面の光沢度を測定した。
剥離試験は、米国MIL STD−883に準拠して、LEDチップをリードフレームに接合し、LEDチップをピンセットの先端の様に尖った先でシェアーし、リードフレームから剥離しなかった試料を○とし、剥離した試料を×とした。
この剥離試験は、常温で実施するとともに、耐熱性を確認するために、175℃×1000時間加熱した後についても実施した。
光沢度は、「JIS Z 8741 測定方法3 60度鏡面光沢」に準拠して、接触式の光沢度計(日本電色工業株式会社製 PG−1M)にて測定した。測定サイズは10×20mmとして、5箇所測定し、その平均値を光沢度とした。
これらの結果を表1に示す。
例えば、前記実施形態では、銅合金部材をリードフレームの形状に打ち抜き加工した後にめっき処理、リフロー処理を施してリードフレームとしたが、最初に銅合金部材にめっき処理、リフロー処理した後に、リードフレームの形状に打ち抜き加工してもよい。
5,6 電極
7,8 リードフレーム
9 金層
11 銅合金部材
12 ニッケルめっき層
13 銅錫合金層
14 錫めっき層
15 金銀錫合金層
16 Ag3Sn合金層
17 酸化錫皮膜
21 リードフレーム
Claims (5)
- LEDチップと銅合金リードフレームとの接合方法において、前記LEDチップの前記銅合金リードフレームと接合される部位に金を0.1〜1μmの厚みにて蒸着するとともに、前記銅合金リードフレームの表面に、最表面側が錫めっき層である複数のめっき層あるいは合金層を形成し、前記錫めっき層の表面に、厚さが0.01〜0.5μmで、光沢度が80〜110%であるAg3Sn合金層を形成し、前記銅合金リードフレームのAg3Sn合金層部位に前記LEDチップの金が蒸着された部位を重ね合わせ、その重ね合わせ状態で240〜300℃の温度に加熱することにより、前記リードフレームのAg3Sn合金層部位と、前記LEDチップの金が蒸着された部位との間に、金銀錫合金層を形成して前記LEDチップを前記リードフレームに接合することを特徴とするLEDチップとリードフレームとの接合方法。
- 前記銅合金リードフレームのAg3Sn合金層部位に前記LEDチップの金が蒸着された部位を重ね合わせる前に、前記Ag3Sn合金層の表面に厚み5〜20nmの透明な酸化錫皮膜を形成しておくことを特徴とする請求項1記載のLEDチップとリードフレームとの接合方法。
- 前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に銅錫合金層、前記錫めっき層であることを特徴とする請求項1又は2記載のLEDチップとリードフレームとの接合方法。
- 前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に、ニッケルめっき層、銅錫合金層、前記錫めっき層であることを特徴とする請求項1又は2記載のLEDチップとリードフレームとの接合方法。
- 前記銅合金部材は、Fe;1.5〜2.4質量%、P;0.008〜0.08質量%およびZn;0.01〜0.5質量%を含み、透過型電子顕微鏡観察において、1μm2あたりの析出物粒子の面積に等しい円相当直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径15〜35nmの範囲内でありかつ当該範囲内の直径の析出物粒子が総度数の50%以上の頻度で存在し、その半値幅が25nm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のLEDチップとリードフレームとの接合方法。
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