JP7339566B2 - 光半導体装置用金属構造の製造方法、パッケージ、及びポリアリルアミン重合体を含む溶液 - Google Patents
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Description
図1A及び図1Bに、実施形態1の光半導体装置100の構造を示す。本実施形態の光半導体装置100は、平面視において矩形である発光素子2と、一対の板状の光半導体装置用金属構造1からなるリードフレーム10(以下、単に「リードフレーム10」とも称する。)と、リードフレーム10の一部が埋め込まれた樹脂成形体3と、を備える。
光半導体装置用金属構造1は、リードフレームや基体に用いることができる。また、光半導体装置用金属構造1を絶縁性の基板上に配線として形成することで、プリント基板やセラミック基板等に用いることができる。本開示において、基体とは、光半導体装置用金属構造1を備えることができる部材であり、例えば、リードフレーム、金属板、ワイヤ、セラミック基板、プリント基板、フレキシブル基板、シリコンウエハ、GaAsウエハ、GaNウエハ、コンデンサ等の金属端子付きセラミック部品、抵抗器等の金属端子付き有機部品、ピンコネクタ、丸形コネクタ、ソケット、樹脂付きコネクタ、レーザーステム等の気密部品であってよい。
光半導体装置用金属構造1は、ポリアリルアミン重合体を含む溶液を、浸漬及び/又は塗布して処理した金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dを有する母材1aを有する。本実施形態においては、母材1aは、光半導体装置用金属構造1のおおまかな形状を決定する材料として用いられる。
本実施形態の光半導体装置用金属構造1は、母材1a上にニッケル又はニッケル合金めっき層1bを有することが好ましい。
図2Bは、光半導体装置用金属構造1の他の実施形態を示す概略断面図である。光半導体装置用金属構造1は、ニッケル又はニッケル合金めっき層1bと、金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dとの間に、下地層1cを有していてもよい。下地層1cは、パラジウム若しくはパラジウム合金めっき層、ロジウム若しくはロジウム合金めっき層、白金若しくは白金合金めっき層等からなる貴金属めっき層1c1を有することが好ましい。
本実施形態の光半導体装置用金属構造1は、ニッケル又はニッケル合金めっき層1bに接触する下地層として、パラジウム若しくはパラジウム合金めっき層、ロジウム若しくはロジウム合金めっき層、白金若しくは白金合金めっき層等からなる貴金属めっき層1c1を有することが好ましい。銅を含む材料からなる母材1aを用いた場合、母材1aの上にニッケル又はニッケル合金めっき層1bを設け、その上に第2の下地層としてパラジウム若しくはパラジウム合金めっき層、ロジウム若しくはロジウム合金めっき層、白金若しくは白金合金めっき層等からなる貴金属めっき層1c1を設け、さらに、金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dをこの順に積層させることが好ましい。このような構成とすることで、例えば母材1aに銅が含まれる場合、母材1aに含まれる銅が、金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dに拡散することをより抑制することができ、積層された各層の密着性を高めることができる。また、母材1aに含まれる銅の拡散がより抑制されることで、光半導体装置用金属構造1をリードフレーム10として用いた場合に、ワイヤボンディング性をさらに高めることができる。
図3A及び図3Bは、実施形態4の光半導体装置200の構造を示す。本実施形態の光半導体装置200は、屈曲部を有さないリードフレーム10を有する。実施形態4の光半導体装置200において、実施形態1の光半導体装置100と共通する部材には、同一の符号を付した。
発光素子2は、任意の波長の半導体発光素子を選択することができる。例えば、青色、緑色発光の発光素子2としては、InGaN、GaN、AlGaN等の窒化物系半導体やGaPを用いたものを用いることができる。また、赤色の発光素子としては、GaAlAs、AlInGaP等を用いることができる。さらに、これ以外の材料からなる発光素子2を用いることもできる。用いる発光素子2の組成や発光色、大きさや、個数等は目的に応じて適宜選択することができる。
樹脂成形体3は、一対のリードフレーム10を一体的に保持する樹脂組成物からなる部材である。樹脂成形体3の平面視形状は、図1Aに示すような一対の対向する辺が他の対向する辺よりも長い、平面が略長方形状であってもよく、図3Aに示すような四角形状であってもよい。その他、樹脂成形体3は、多角形、更にそれらを組み合わせたような形状とすることもできる。樹脂成形体3が凹部を有する場合、凹部の側壁部31は、その内側面は図3Bに示すような底面に対して傾斜した角度で設けた傾斜面を有してもよく、略垂直な角度であってもよく、段差面を有していてもよい。また、その高さや開口部の形状等についても、目的や用途に応じて適宜選択することができる。凹部の内部にはリードフレーム10が設けられることが好ましい。一対のリードフレーム10、10の間は、樹脂成形体3を構成する樹脂組成物によって埋められ、樹脂成形体3の底面の一部32を構成することが好ましい。
接合部材4は、発光素子2をリードフレーム10に固定し実装する部材である。導電性の接合部材4の材料として、銀、金、パラジウム等の少なくとも1種を含む導電性ペースト、金-錫、錫-銀-銅等の共晶はんだ材料、低融点金属等のろう材、銅、銀、金粒子、金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dと同様の材料を用いることができる。絶縁性の接合部材4としては、エポキシ樹脂組成物、シリコーン樹脂組成物、ポリイミド樹脂組成物やその変性樹脂、ハイブリッド樹脂等を用いることができる。これらの樹脂を用いる場合は、発光素子2からの光や熱による劣化を考慮して、発光素子2の実装面にアルミニウム膜や銀膜等の反射率の高い金属層や誘電体反射膜を設けることができる。
封止部材5は、発光素子2、リードフレーム10、ワイヤ6、後述する保護膜の各部材を被覆するよう設けられる。光半導体装置100又は光半導体装置200は、封止部材5を備えることで、被覆した部材を塵芥や水分、更には外力等から保護することができ、光半導体装置の信頼性を高めることができる。特に、保護膜を形成した後に封止部材5を保護膜上に設けることで、保護膜を保護することができるため、光半導体装置の信頼性が高まる。
ワイヤ6は発光素子2とリードフレーム10等の導電部材とを接続する。ワイヤ6の材料は、金、銀、アルミニウム、銅、これらの合金等が好適に用いられる。また、ワイヤ6は、コアの表面にコアと別の材料で被覆層を設けたもの、例えば、銅のコアの表面にパラジウムやパラジウム金合金等を被覆層として設けたものを用いることもできる。なかでも、ワイヤ6の材料は、信頼性の高い金、銀、銀合金のいずれか1種から選ばれることが好ましい。また、特に、光反射率の高い銀又は銀合金であることが好ましい。この場合は特に、ワイヤ6は保護膜によって被覆されることが好ましい。これにより、銀を含むワイヤの硫化や断線をより防止し、光半導体装置100の信頼性をより高めることができる。また、リードフレーム10を構成する光半導体装置用金属構造の母材1aが銅を含有し、ワイヤ6が銀又は銀合金からなる場合、光半導体装置用金属構造1が、ニッケル又はニッケル合金めっき層1bを備えることによって、銅と銀での間の局部電池の形成を抑制することができる。これにより、リードフレーム10及びワイヤ6の劣化がより抑制され、より信頼性の高い光半導体装置とすることができる。さらに、ワイヤ6は、上述の光半導体装置用金属構造1を備えるリードフレーム10と同様に、光半導体装置用金属構造1を備えていてもよい。これにより、ポリアリルアミン重合体を含む溶液を、浸漬及び/又は塗布して処理した最表層1dを有するため、樹脂との密着性が良く、光半導体装置100又は光半導体装置200においては、例えば封止部材5との密着性を向上することができる。
光半導体装置100又は光半導体装置200はさらに、保護膜を備えてもよい。保護膜は、リードフレーム10を構成する光半導体装置用金属構造1の表面に設けられた金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dを少なくとも被覆することができる。保護膜は、主としてリードフレーム10を構成する光半導体装置用金属構造1の表面の金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dの変色又は腐食を抑制する部材である。保護膜は、さらに、任意に、発光素子2、接合部材4、樹脂成形体3等のリードフレーム10又は基体以外の部材の表面や、金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dが設けられていない光半導体装置用金属構造1の表面を被覆してもよい。ワイヤ6が銀又は銀合金である場合や、金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dが銀又は銀合金層である場合、保護膜はワイヤ6や最表層1dを被覆するよう設けられることが好ましい。これにより、銀を含むワイヤの硫化や断線をより防止し、光半導体装置100又は光半導体装置200の信頼性をより高めることができる。
次に、光半導体装置の製造方法の一例として、実施形態4の光半導体装置200の製造方法を図4A、図4B、図4C及び図4Dに基づき説明する。
次に、光半導体装置用金属構造の製造方法について説明する。
(1)一部又は全面に、金、銀、金合金及び銀合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種(好ましくは、金、銀、金合金及び銀合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種のめっき)を有する最表層(金、銀、金合金又は銀合金の最表層1d)を備える基体に対して、ポリアリルアミン重合体を含む溶液の浸漬及び/又は塗布を行う処理工程
を備える。
金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dは、光半導体装置用金属構造1の表面に設けられる。金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dの厚さは、0.003μm以上0.5μm以下であり、好ましくは0.01μm以上0.3μm以下である。金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dの厚さを0.003μm以上とすると、発光素子2とのダイボンド性やワイヤ6とのワイヤボンディング性をより向上させることができる。また、金、銀、金合金又は銀合金の最表層1dの厚さが0.5μm以下であると、高価な貴金属の使用量をより少なくすることができ、コストをより低減できる。なお、金合金を採用する場合は、金の含有量は75.0質量%以上99.9質量%以下とすることが好ましく、銀合金を採用する場合は、銀の含有量は75.0質量%以上99.9質量%以下とすることが好ましい。
一般式(1):
で表されるポリアリルアミン重合体が挙げられる。これらポリアリルアミン重合体は、単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。
で表されるトリアジン化合物が挙げられる。
(2)前記工程(1)を経た基体を洗浄する工程、及び
(3)前記工程(2)を経た基体を乾燥する工程
をこの順に備えることもできる。洗浄(特に水洗又は湯洗)及び乾燥は、常法にしたがい行うことができる。
図2Aに示すように、以下の母材1aの表面に、ニッケル又はニッケル合金めっき層1bとしてニッケルめっき層、ニッケルスズ合金めっき層又はニッケルコバルト合金めっき層を、その上に最表層1dとして金めっき層を、この順で、以下に示す浴組成を有する各めっき液を用いて、各条件で電解めっきにて光半導体装置用金属構造1を形成した。その後、ポリアリルアミン重合体を含む溶液に浸漬又は吹きかけ処理する工程と、洗浄する工程と、乾燥する工程を行い、この光半導体装置用金属構造1を用いて、一対のリードフレームであるリードフレーム10を用意した。実施例における各層の厚さ(μm)とポリアリルアミン重合体を含む溶液の組成と処理条件は表1に記載した。
実施例1、4、5及び7では母材として銅を、実施例11では鉄を使用した。
ニッケル又はニッケル合金めっき層1bとして、実施例1、4及び11ではニッケルめっき層を形成し、実施例5ではニッケルスズ合金めっき層を形成し、実施例7ではニッケルコバルト合金めっき層を形成した。
スルファミン酸ニッケル=450g/L
塩化ニッケル=10g/L
ほう酸=30g/L
pH4.0。
金めっき液
シアン化金カリウム 金として9g/L
クエン酸カリウム=120g/L
リン酸ニカリウム=30g/L
硫酸タリウム タリウムとして10mg/L
pH 6.3。
図2Bに示すように、以下の母材1aの表面に、ニッケル又はニッケル合金めっき層1bとしてニッケルめっき層又はニッケルリン合金めっき層を、その上に下地層1cとしてパラジウムめっき層、パラジウムニッケル合金めっき層、ロジウムめっき層又はロジウムコバルト合金めっき層を、その上に最表層1dとして金めっき層、金銀合金めっき層又は金コバルトめっき層を、この順で、以下に示す浴組成を有する各めっき液を用いて、各条件で電解めっきにて光半導体装置用金属構造1を形成した。その後、ポリアリルアミン重合体を含む溶液に浸漬する処理工程と、洗浄する工程と、乾燥する工程と、必要に応じて熱処理する工程を行い、この光半導体装置用金属構造1を用いて、一対のリードフレームであるリードフレーム10を用意した。実施例における各層の厚さとポリアリルアミン重合体を含む溶液の組成と処理条件は表1に記載した。
実施例2、3、6、8及び10では銅基体を、実施例9では42アロイ合金基体を使用した。
ニッケル又はニッケル合金めっき層1bとして、実施例2、3、6、8及び10ではニッケルめっき層を形成し、実施例9ではニッケルリン合金めっき層を形成した。
下地層1cとして、実施例2、9及び10ではパラジウムめっき層を形成し、実施例3ではロジウムめっき層を形成し、実施例6ではパラジウムニッケル合金めっき層を形成し、実施例8ではロジウムコバルト合金めっき層を形成した。
テトラアンミンパラジウム塩化物 パラジウムとして5g/L
硝酸アンモニウム=150g/L
3-ピリジンスルホン酸ナトリウム=5g/L
pH8.5。
硫酸ロジウム ロジウムとして2g/L
硫酸=50g/L
硫酸鉛 鉛として10mg/L。
最表層1dとして、実施例2では金銀合金めっき層を形成し、実施例3、6、8及び10では金めっき層を形成し、実施例9では金コバルト合金めっき層を形成した。
シアン化金カリウム 金として4.25g/L
シアン化銀カリウム 銀として0.75g/L(金85質量%、銀15質量%)
シアン化カリウム=30g/L
クエン酸カリウム=80g/L
リン酸カリウム=50g/L
pH9.5。
比較例1として、実施例1と同様の構造で、ニッケルめっき層及び金めっき層の厚さが表1となるようにした金属構造を用意したがポリアリルアミン重合体を含む溶液では処理しなかった。比較例2、3として、実施例10と同様の構造で、ニッケルめっき層、パラジウムめっき層及び金めっき層の厚さが表1に示す比率となるようにした金属構造を用意したがポリアリルアミン重合体を含む溶液では処理しなかった。この金属構造を用いて一対のリードフレームであるリードフレーム10を用意した。
次に、実施例及び比較例の光半導体装置用金属構造をリードフレームとして用いて、図1A及び1Bに示す光半導体装置と実質的に同様の構造の各光半導体装置を製造した。光半導体装置100が個片化されるまでは、一対のリードフレーム10が複数連結された状態のリードフレーム10に、複数の樹脂成形体3が成形された集合体の状態で各工程を経るが、便宜上、図1A及び1Bに示す1つの光半導体装置100(単数)で説明する。このリードフレーム10を用いて、図1A及び図1Bに示す光半導体装置と実質的に同様の構造の各実施例及び比較例の光半導体装置を製造した。
各実施例及び比較例の光半導体装置を鉛フリーはんだ(Sn-0.3Ag-0.7Cu)ペーストを塗布したプリント基板に設置し、リフロー温度260℃で10秒間実装した後、リフロー後の光半導体装置を剥し、実体顕微鏡を用いて40倍で樹脂成形体3内にはんだ侵入があるか評価するとともに、封止部材漏れの有無についても評価した。その評価結果を表2に示した。
耐硫化信頼性を評価するため、各実施例及び比較例の光半導体装置を温度40℃湿度75%RHの環境下でH2Sを2ppm及びNO2を4ppm含む混合ガスにて100時間暴露処理前後の光半導体装置から発せられる光の全光束を、積分球式分光器を用いて測定し、暴露処理後の全光束を暴露処理前の全光束で除した割合を全光束の維持率として測定した。その結果を表2に示した。
実施例12~22及び比較例4~6では、それぞれ、実施例1~11及び比較例1~3と同様に、母材1a、ニッケル又はニッケル合金めっき層1b、必要に応じて下地層1cとして貴金属のめっき層1c1及び/又は金又は金合金めっき層1c2を形成した。その上に、さらに、以下の銀めっき液を用いて、銀又は銀合金めっき層1dを最表層として形成した。
シアン化銀カリウム 銀として40g/L
シアン化カリウム=120g/L
炭酸カリウム=40g/L
セレノシアン酸カリウム=3mg/L。
シアン化銀カリウム 銀として40g/L
シアン化金カリウム 金として2.0、4.0又は10.0g/L
シアン化カリウム=120g/L
炭酸カリウム=40g/L
セレノシアン酸カリウム=3mg/L。
図2Aに示すように、以下の母材1aの表面に、必要に応じてニッケル又はニッケル合金めっき層1bとしてニッケルめっき層を、その上に最表層1dとして金、銀又は銀金合金めっき層を、この順で、以下に示す浴組成を有する各めっき液を用いて、各条件で電解めっきにて光半導体装置用金属構造1を形成した。その後、実施例23~28については、ポリアリルアミン重合体を含む溶液に浸漬処理する工程と、洗浄する工程と、乾燥する工程を行った。実施例及び比較例における各層の厚さ(μm)とポリアリルアミン重合体を含む溶液の組成と処理条件は表5に記載した。
実施例23~28及び比較例7~9では母材として純銅板(縦90mm×横60mm×厚さ0.5mmの無酸素銅板)を使用した。
ニッケル又はニッケル合金めっき層1bとして、実施例23~24及び比較例7ではニッケルめっき層を形成した。なお、実施例25~28及び比較例8~9では、めっき層1bは形成しなかった。
最表層1dとして、実施例23~24及び比較例7では金めっき層を形成し、実施例25~26及び比較例8では銀めっき層を形成し、実施例27~28及び比較例9では銀金合金めっき層を形成した。
実施例23~28で得られた光半導体装置用金属構造の最表層及び比較例7~9で得られためっきの最表層にそれぞれ、エポキシ樹脂を塗布した後、7mm径の大きさに型抜きし、その他の箇所の樹脂は除去した。その後、光半導体装置用金属構造の最表層及びめっきの最表層にそれぞれ塗布したエポキシ樹脂を150℃、4時間の熱処理により硬化させた後、実施例23~28及び比較例7~9の各最表層表面とエポキシ樹脂とのシェアー強度を5回測定し、その平均値を算出した。そして、実施例23及び24では比較例7のシェアー強度を100として、実施例25及び26では比較例8のシェアー強度を100として、実施例27及び28では比較例9のシェアー強度を100として、それぞれ相対評価した。なお、シェアー強度は、NordsonDAGE社製万能型ボンドテスター4000PXYを使用して測定した。結果を表5に示す。
1a 母材
1b ニッケル又はニッケル合金のめっき層
1c 下地層
1c1 貴金属のめっき層
1c2 金又は金合金のめっき層
1d 最表層 金、銀、金合金又は銀合金層
12 第一埋設部
13 第二埋設部
2 発光素子
3 樹脂成形体
31 側壁部
32 底面の一部
4 接合部材
5 封止部材
6 ワイヤ
10 リードフレーム
100 光半導体装置
200 光半導体装置
Claims (21)
- 光半導体装置用金属構造の製造方法であって、
(1)一部又は全面に、金、銀、金合金及び銀合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種のめっきを有する最表層を備える基体に対して、ポリアリルアミン重合体を含む溶液の浸漬及び/又は塗布を行う処理工程
を備え、
前記ポリアリルアミン重合体を含む溶液が、さらに、トリアジン化合物を含有する、
光半導体装置用金属構造の製造方法。 - 前記ポリアリルアミン重合体を含む溶液の総量を100質量%として、前記ポリアリルアミン重合体の含有量が0.01質量%以上1.0質量%以下である、請求項1に記載の製造方法。
- 前記ポリアリルアミン重合体を含む溶液の総量を100質量%として、前記トリアジン化合物の含有量が0.01質量%以上1.0質量%以下である、請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記トリアジン化合物が、トリアジンチオール化合物である、請求項1~3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記工程(1)を行う際の前記ポリアリルアミン重合体を含む溶液の温度が15℃以上50℃以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記工程(1)を行う処理時間が3秒以上60秒以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記工程(1)の後、
(2)前記工程(1)を経た基体を洗浄する工程、及び
(3)前記工程(2)を経た基体を乾燥する工程
をこの順に備える、請求項1~6のいずれか1項に記載の製造方法。 - 前記工程(3)の後、
(4)前記工程(2)を経た基体を熱処理する工程
を備える、請求項7に記載の製造方法。 - 前記基体が、銅又は銅合金を含有する母材を備える、請求項1~8のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記最表層と前記母材との間に、ニッケル若しくはニッケル合金めっき層、パラジウム若しくはパラジウム合金めっき層、ロジウム若しくはロジウム合金めっき層、並びに白金若しくは白金合金めっき層よりなる群から選ばれる少なくとも1種を備える、請求項9に記載の製造方法。
- 光半導体装置の製造方法であって、
請求項1~10のいずれか1項に記載の製造方法により製造された光半導体装置用金属構造を用いた前記基体と接するように、樹脂成形体を成形する工程
を備える、製造方法。 - 一部又は全面に、金、銀、金合金及び銀合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種のめっきを有する最表層を備える基体と、
前記基体に成形される樹脂成形体と、
を備え、前記基体の最表層にポリアリルアミン重合体及びトリアジン化合物を含む膜が付着している、パッケージ。 - 前記ポリアリルアミン重合体及びトリアジン化合物を含む膜の厚みが10nm以上500nm以下である、請求項12に記載のパッケージ。
- 前記トリアジン化合物が、トリアジンチオール化合物である、請求項12又は13に記載のパッケージ。
- 光半導体装置中の、金、銀、金合金及び銀合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種を有する最表層を一部又は全面に備えるリードフレームと隣接する樹脂成形体との密着性を向上させるために使用される、ポリアリルアミン重合体及びトリアジン化合物を含む溶液。
- 前記ポリアリルアミン重合体を含む溶液の総量を100質量%として、前記ポリアリルアミン重合体の含有量が0.01質量%以上1.0質量%以下である、請求項15に記載の溶液。
- 前記溶液の総量を100質量%として、前記トリアジン化合物の含有量が0.01質量%以上1.0質量%以下である、請求項15又は16に記載の溶液。
- 光半導体装置用金属構造の製造方法であって、
(1)一部又は全面に、金、銀、金合金及び銀合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種を有する最表層を備える基体に対して、ポリアリルアミン重合体を含む溶液の浸漬及び/又は塗布を行う処理工程
を備え、
前記ポリアリルアミン重合体を含む溶液が、さらに、トリアジン化合物を含有する、
光半導体装置用金属構造の製造方法。 - 前記ポリアリルアミン重合体を含む溶液の総量を100質量%として、前記ポリアリルアミン重合体の含有量が0.01質量%以上1.0質量%以下である、請求項18に記載の製造方法。
- 前記ポリアリルアミン重合体を含む溶液の総量を100質量%として、前記トリアジン化合物の含有量が0.01質量%以上1.0質量%以下である、請求項18又は19に記載の製造方法。
- 前記トリアジン化合物が、トリアジンチオール化合物である、請求項18~20のいずれか1項に記載の製造方法。
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