(57)【要約】【課題】発光素子の実装基板への搭載工程を簡略化し、発光素子と実装基板との接合性を良好にする発光素子の搭載方法を提供すること。【解決手段】接合層が形成された発光素子を実装基板に搭載する発光素子の搭載する際、実装基板に金属ナノ粒子ペーストを塗布し、発光素子の接合層を金属ナノ粒子ペースト上に配置した後、接合層と前記金属ナノ粒子ペーストを加熱して合金化させて発光素子と実装基板を接合する。このような発光素子の搭載方法により、残渣となるフラックスを用いることなく、発光素子と実装基板とを結合させることができる。【選択図】図２
2012069545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合層が形成された発光素子を基板に搭載する発光素子の搭載方法であって、
前記基板に金属ナノ粒子ペーストを塗布する工程と、
前記発光素子の前記接合層を前記金属ナノ粒子ペースト上に配置する工程と、
前記接合層と前記金属ナノ粒子ペーストを加熱して合金化させて前記発光素子と前記基板を接合する工程と
を有することを特徴とする発光素子の搭載方法。
【請求項２】
前記金属ナノ粒子ペーストは、揮発性バインダと金属ナノ粒子からなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子の搭載方法。
【請求項３】
前記金属ナノ粒子は、Ａｕ，Ａｇ又はＣｕであることを特徴とする請求項２に記載の発光素子の搭載方法。
【請求項４】
前記接合層は、共晶合金であることを特徴とする請求項３に記載の発光素子の搭載方法。
【請求項５】
前記接合層は、電極を兼ねていることを特徴とする請求項４に記載の発光素子の搭載方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子をフリップチップ方式又はフェイスアップ方式により実装基板に搭載する発光素子の搭載方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光強度の強い青色光を発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ１−Ｘ−ＹＩｎＸＧａＹＮ、０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を用いた発光ダイオードチップ（以下、ＬＥＤチップと略す。）が実用化されている。窒化ガリウム系化合物半導体を積層させる場合、サファイア基板等の絶縁性の成長基板の上にエピタキシャル成長させることが多い。このため、サファイア基板側に電極を形成することが困難であり、正負の電極を双方とも半導体層側に形成される場合が多い。
【０００３】
上記のような電極構造であるＬＥＤチップは、主に２種類の方法のいずれかによりを実装基板に搭載される。
【０００４】
１種類目の方法は、ＬＥＤチップの正負の電極が形成された半導体層側を実装基板に対向させて搭載するフリップチップ方式の搭載方法である。この搭載方法においては、ＬＥＤチップの正負の電極にハンダ層を形成し、実装基板にハンダペーストをスクリーン印刷により塗布し、ＬＥＤチップの半導体層側を実装基板に対向させて配置した後、リフローを行うことによりＬＥＤチップを実装基板に搭載する方法が実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
２種類目の方法は、ＬＥＤチップの成長基板側を実装基板に対向させて搭載するフェイスアップ方式の搭載方法である。この搭載方法においては、成長基板の裏面にＡｕ等のハンダ濡れ性の良好な金属を形成し、実装基板にハンダペーストをスクリーン印刷により塗布し、ＬＥＤチップの成長基板側を実装基板に対向させて配置した後、リフローを行うことにより実装基板にＬＥＤチップを搭載する方法が実用化されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２６６３９６号公報
【特許文献２】特開２００５−０７２１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のハンダペーストを用いたフリップチップ方式及びフェイスアップ方式の搭載方法では、ハンダペーストに含有される接合のための有機活性剤であるフラックスがＬＥＤチップと実装基板の接合部に残ってしまう。フラックスはＬＥＤチップと実装基板との間の接合信頼性を悪化させるため、これを洗浄により除去する必要があり、搭載工程を煩雑にしていた。
【０００８】
更に、ハンダペーストに含まれるハンダ粒子は、平均粒径が２μｍ〜５０μｍである大きいマイクロ粒子しか実用化されていない。そのため、スクリーン印刷時に、メタルマスクからのハンダペーストの抜けが良好ではなく、ハンダペーストの高精度の転写が望めない。従って、正負の電極間の短絡不良の防止が要求されるフリップチップ方式の搭載方法では、歩留まりが悪化してしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであって、ＬＥＤチップの実装基板への搭載工程を簡略化し、ＬＥＤチップと実装基板との接合性を良好にするＬＥＤチップの搭載方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題は、接合層が形成された発光素子を基板に搭載する発光素子の搭載方法であって、前記基板に金属ナノ粒子ペーストを塗布する工程と、前記発光素子の前記接合層を前記金属ナノ粒子ペースト上に配置する工程と、前記接合層と前記金属ナノ粒子ペーストを加熱して合金化させて前記発光素子と前記基板を接合する工程とを有することを特徴とする発光素子の搭載方法により解決される。
【００１１】
このような発光素子の搭載方法によれば、平均粒径が小さい金属ナノ粒子ペーストを使用するため、金属ナノ粒子ペーストを高精度に基板へ塗布行うことができる。
また、金属ナノ粒子は、比表面積が大きいため、接合の際の活性度が高い。そのため、マイクロ粒子と比較して低温で接合する性質を有し、残渣となるフラックスを用いることなく、発光素子と基板とを結合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）,（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの搭載方法に用いるＬＥＤチップの断面図を示している。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの搭載方法の断面図を示している。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの搭載方法に用いるＬＥＤチップの断面図を示している。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの搭載方法の断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、添付の図面に基づいて、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）,（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの搭載方法に用いるＬＥＤチップの断面図を示している。本実施の形態で用いるＬＥＤチップはフリップチップ方式により実装基板に搭載するＬＥＤチップである。
【００１５】
まず、図１（ａ）のＬＥＤチップ１０について説明する。
【００１６】
図１（ａ）に示すＬＥＤチップ１０は、サファイアからなる成長基板１１と、成長基板１１の上に設けられるバッファ層（図示せず。）と、ｎ型層１２と、発光層１３と、ｐ型層１４が成長基板１１側から順に形成された窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌ１−Ｘ−ＹＩｎＸＧａＹＮ、０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）からなる半導体層積層体を備えている。ｐ型層１４の表面には、ｐ型層１４とオーミック接合するＩＴＯ（Ｉｎｓｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）からなる透光性のｐ側オーミック電極１６ａが形成され、ＬＥＤチップ１０の所定の領域は、ｐ型層１４からｎ型層１２が露出するまでドライエッチングされており、露出した底面にはＶ／Ａｌからなるｎ側コンタクト電極１７ａが形成されている。
【００１７】
半導体層積層体と、ｐ側オーミック電極１６ａと、ｎ側コンタクト電極１７ａとの露出した表面には、ＳｉＯ２からなる透光性の絶縁層１８が形成されている。絶縁層１８には、ｐ側オーミック電極１６ａ及びｎ側コンタクト電極１７ａが部分的に露出するように開口部が設けられており、開口部を介してｐ側オーミック電極１６ａ及びｎ側コンタクト電極１７ａ接合するＴｉ／Ｎｉからなるｐ側バリア電極１６ｂ及びｎ側バリア電極１７ｂが各々形成されている。これらｐ側バリア電極１６ｂ及びｎ側バリア電極１７ｂの表面には、ＡｕＳｎからなるｐ側接合電極１６ｃ及びｎ側接合電極１７ｃが形成されている。
【００１８】
絶縁層１８には、開口部を避けてＡｌからなる反射層１９が内部に埋め込まれており、発光層１３から発光された光が、ｐ側オーミック電極１６ａ及び絶縁層１８を透過して反射層１９により反射され、ＬＥＤチップから外部へ放射されるようになっている。
【００１９】
半導体積層体の各層は、例えば、有機金属化学気相成長法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）、ハライド気相エピタキシー法（Ｈａｌｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）等によって形成される。
【００２０】
成長基板はサファイアに限らず、スピネル，窒化ガリウム，炭化珪素，酸化ガリウム等に代替してもよい。
【００２１】
ｐ側オーミック電極１６ａ及びｎ側コンタクト電極１７ａと、ｐ側バリア電極１６ｂ及びｎ側バリア電極１７ｂと、ｐ側接合電極１６ｃ及びｎ側接合電極１７ｃは、スパッタリング法又は真空蒸着法等を用いて形成される。ｐ側オーミック電極１６ａは、ＩＴＯに限らず、ＩＣＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｃｅｒｉｕｍ  Ｏｘｉｄｅ）やＴＮＯ（Ｔｉｔａｍｉｕｍ  Ｎｉｏｂｉｕｍ  Ｏｘｉｄｅ）等のその他の透明導電酸化物やＣｏ／ＡｕやＮｉ／Ａｕ等の薄膜金属を代替してもよく、ｎ側コンタクト電極１７ａは、Ｖ／Ａｌに限らず、Ｔｉ／Ａｌ等に代替してもよい。また、ｐ側バリア電極１６ｂ及びｎ側バリア電極１７ｂはＴｉ／Ｎｉに限らず、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｔの単体、又は、これらの組み合わせによる積層構造等に代替してもよい。更に、ｐ側接合電極１６ｃ及びｎ側接合電極１７ｃはＡｕＳｎに限らず、その他のＡｕＳｂ，ＡｕＧｅ等の低融点の共晶合金等に代替してもよい。
【００２２】
絶縁層１８は、プラズマＣＶＤ法等を用いて形成される。絶縁層１８は、ＳｉＯ２に限らず、Ｓｉ３Ｎ４，ＴｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３等の透明層に代替してもよい。
【００２３】
反射層１９は、スパッタリング法又は真空蒸着法等を用いて形成される。反射層１９は、Ａｌに限らず、Ａｌを主成分とする合金や、ＡｇやＡｇを主成分とする合金に代替してもよい。反射層１９は、絶縁層１８の形成の途中に所望の形状にフォトリソグラフィによりパターニングして形成し、その後に再度、絶縁層１８を形成することにより、絶縁層１８の内部に埋め込まれる。
【００２４】
次に、図１（ｂ）のＬＥＤチップ２０について説明する。
【００２５】
図１（ｂ）に示すＬＥＤチップ２０は、サファイアからなる成長基板２１と、成長基板２１の上に設けられるバッファ層（図示せず。）と、ｎ型層２２と、発光層２３と、ｐ型層２４が成長基板１１側から順に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層積層体を備えている。ｐ型層２４の表面には、ｐ型層２４とオーミック接合するＲｈからなる可視光に対して反射率の高いｐ側オーミック電極２６ａが形成され、ＬＥＤチップ２０の所定の領域は、ｐ型層２４からｎ型層２２が露出するまでドライエッチングされており、露出した底面にはＶ／Ａｌからなるｎ側コンタクト電極２７ａが形成されている。
【００２６】
半導体層積層体と、ｐ側オーミック電極２６ａと、ｎ側コンタクト電極２７ａとの露出した表面には、ＳｉＯ２からなる絶縁層２８が形成されている。絶縁層２８には、ｐ側オーミック電極２６ａ及びｎ側コンタクト電極２７ａが部分的に露出するように開口部が設けられており、開口部を介してｐ側オーミック電極２６ａ及びｎ側コンタクト電極２７ａ接合するＴｉ／Ｎｉからなるｐ側バリア電極２６ｂ及びｎ側バリア電極２７ｂが各々形成されている。これらｐ側バリア電極２６ｂ及びｎ側バリア電極２７ｂの表面には、ＡｕＳｎからなるｐ側接合電極２６ｃ及びｎ側接合電極２７ｃが形成されている。
【００２７】
発光層２３から発光された光は、ｐ側オーミック電極１６ａにより反射され、ＬＥＤチップ２０から外部へ放射されるようになっている。
【００２８】
ｐ側オーミック電極２６ａは、Ｒｈに限定されず、ＡｇやＡｇを主成分とする合金に代替してもよい。尚、その他のＬＥＤチップ２０の各部位は、図１（ａ）のＬＥＤチップと同様に構成材料を代替してもよい。
【００２９】
これらのフリップチップ方式のＬＥＤチップを実装基板に搭載する方法について、図１（ａ）のＬＥＤチップ１０を例として挙げて説明する。
【００３０】
まず、ＬＥＤチップの搭載に用いる金属ナノ粒子ペーストについて説明する。ナノ粒子は化学的に安定なＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の貴金属からなり、平均粒径（Ｄ５０）は、１ｎｍ〜８０ｎｍであり、好ましくは２ｎｍ〜４０ｎｍである。金属ナノ粒子は、テトラデカン等のアルコールからなる揮発性のバインダに混合することにより、ペースト状に形成されている。
【００３１】
次に、このような金属ナノ粒子ペーストを用いたＬＥＤチップの搭載方法について説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの搭載方法の断面図を示している。
【００３２】
最初に、図２（ａ）に示すように、セラミック又はガラエポからなる母材６０ａの表面に配線パターン６０ｂが形成された実装基板６０の表面に、ＬＥＤチップ１０の接合電極と配線パターン６０ｂとを接合させる部分に貫通孔を設けたメタルマスク７０を配置する。次に、メタルマスク７０の一端部上にＡｇを用いた金属ナノ粒子ペースト７１を配置し、スキージ７２をメタルマスク７０の一端部から他端部に移動させて金属ナノ粒子ペースト７１をスクリーン印刷する。
【００３３】
次いで、図２（ｂ）に示すように、塗布された金属ナノ粒子ペースト７１とＬＥＤチップ１０の接合電極とが対応するようにＬＥＤチップ１０を配置する。
【００３４】
その後、リフロー炉により３００℃程度に加熱すると、図２（ｃ）金属ナノ粒子ペースト７１のバインダが揮発するとともに、接合電極を構成するＡｕＳｎが溶融し、金属ナノ粒子を構成するＡｇと合金化して接合部７５が形成される。これにより、ＬＥＤチップ１０と実装基板６０が接合されて、ＬＥＤチップ１０の搭載が完了する。
【００３５】
このような、ＬＥＤチップ１０の搭載方法によれば、平均粒径が小さい金属ナノ粒子ペースト７１を使用するため、スクリーン印刷の際に、メタルマスク７０からの抜けが良好となり、高精度の転写を行うことができる。従って、正負の電極間の短絡不良が防止され、歩留まりが向上する。
【００３６】
また、金属ナノ粒子は、比表面積が大きいため、接合の際の活性度が高い。そのため、マイクロ粒子と比較して低温で接合する性質を有し、フラックスを用いることなくＬＥＤチップの接合電極と実装基板６０の配線パターン６０ｂを結合させることができる。従って、バインダが残渣となることはなく、高い接合信頼性を得ることができる。
【００３７】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤチップの搭載方法に用いるＬＥＤチップの断面図を示している。本実施の形態で用いるＬＥＤチップはフェイスアップ方式により実装基板に搭載するＬＥＤチップである。
【００３８】
まず、図３のＬＥＤチップ３０について説明する。
【００３９】
図３に示すＬＥＤチップ３０は、サファイアからなる成長基板３１と、成長基板３１の表面に設けられるバッファ層（図示せず。）と、ｎ型層３２と、発光層３３と、ｐ型層３４が成長基板３１側から順に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層積層体を備えている。ｐ型層１４の表面には、ｐ型層１４とオーミック接合するＩＴＯ（Ｉｎｓｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）からなるｐ側オーミック電極１６ａが形成され、ｐ側オーミック電極１６ａの表面の一部にＮｉ／Ａｕからなるｐ側パッド電極３６ｂが形成されている。ＬＥＤチップ１０の所定の領域は、ｐ型層１４からｎ型層１２が露出するまでドライエッチングされており、露出した底面にはＶ／Ａｌからなるｎ側コンタクト電極１７ａが形成されている。
【００４０】
サファイア基板３１の裏面には、Ｔｉ／Ｎｉからなるバリア層３８と、ＡｕＳｎからなる接合層３９が形成されている。
【００４１】
バリア層３８はＴｉ／Ｎｉに限らず、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｔの単体、又は、これらの組み合わせによる積層構造等に代替してもよい。また、接合層３９はＡｕＳｎに限らず、その他のＡｕＳｂ，ＡｕＧｅ等の共晶合金等に代替してもよい。尚、その他のＬＥＤチップ３０の各部位は、図１（ａ）のＬＥＤチップと同様に構成材料を代替してもよい。
【００４２】
このようなフェイスアップ方式のＬＥＤチップ３０を実装基板に搭載する方法について説明する。図４は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの搭載方法の断面図を示している。
【００４３】
最初に、図４（ａ）に示すように、セラミック又はガラエポからなる母材８０ａの表面に配線パターン８０ｂが形成された実装基板６０の表面に、ＬＥＤチップ３０の接合部と配線パターン８０ｂとを接合させる部分に貫通孔を設けたメタルマスク７０を配置する。次に、メタルマスク９０の一端部上にＡｇを用いた金属ナノ粒子ペースト９１を配置し、スキージ９２をメタルマスク９０の一端部から他端部に移動させて金属ナノ粒子ペースト９１をスクリーン印刷する。
【００４４】
次いで、図４（ｂ）に示すように、塗布された金属ナノ粒子ペースト９１とＬＥＤチップ３０の接合部とが対応するようにＬＥＤチップ３０を配置する。
【００４５】
その後、リフロー炉により３００℃程度に加熱すると、図４（ｃ）金属ナノ粒子ペースト７１のバインダが揮発するとともに、接合電極を構成するＡｕＳｎが溶融し、金属ナノ粒子を構成するＡｇと合金化して接合部９５が形成される。これにより、ＬＥＤチップ３０と実装基板８０が接合される。
【００４６】
最後に、ＬＥＤチップ３０のｐ側パッド電極とｎ側コンタクト電極１７と配線パターン８０ｂとを各々金ワイヤにより結線することにより、実装基板８０へのＬＥＤチップ３０の搭載が完了する。
【００４７】
このような、ＬＥＤチップ３０の搭載方法によれば、第１の実施の形態と同様に、接合の際の活性度が高い金属ナノ粒子を用いるため、フラックスを用いることなくＬＥＤチップの接合部と実装基板８０の配線パターン８０ｂを結合させることができる。従って、バインダが残渣となることはなく、高い接合信頼性を得ることができる。
【００４８】
（その他の実施の形態）
上記の実施の形態では、窒化ガリウム系化合物半導体からなるＬＥＤチップについて例示したが、インジウムリン系化合物半導体（Ａｌ１−Ｘ−ＹＧａＸＩｎＹＰ、０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）等のその他の化合物半導体からなるＬＥＤチップについても本発明を採用することができる。また、上記の実施の形態では、ＬＥＤチップについて例示したが、レーザダイオードや発光サイリスタ等のその他の発光素子についても本発明を採用することができる。更に、上記の実施の形態では、金属ナノ粒子ペーストの実装基板への塗布方法としてスクリーン印刷を採用したが、ディスペンスやスタンピング等のその他の塗布方法を採用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の発光装置の製造方法は、高い実装基板への高い信頼性を得ることができるため、ＬＥＤチップを搭載したＬＥＤランプやＬＥＤチップを搭載したＣＯＢ（Ｃｈｉｐ  ｏｎ  Ｂｏａｒｄ）に好適である。
【符号の説明】
【００５０】
１０，２０，３０      ＬＥＤチップ
１１，２１，３１      成長基板
１２，２２，３２      ｎ型層
１３，２３，３３      発光層
１４，２４，３４      ｐ型層
１６ａ，２６ａ，３６ａ      ｐ側コンタクト電極
１６ｂ，２６ｂ        ｐ側バリア電極
１６ｃ，２６ｃ        ｐ側接合電極
３６ｂ                ｐ側コンタクト電極
１７，２７，３７      ｎ側コンタクト電極
１８，２８            絶縁層
１９                  反射層
６０，８０            実装基板
６０ａ，８０ａ        母材
６０ｂ，８０ｂ        配線パターン
７０，９０            メタルマスク
７１，９１            金属ナノ粒子ペースト
７２，９２            スキージ
７５，９５            接合部
【図１】
2012069545.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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