(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子であるチップの両側面に形成された電極を、基板の表面に形成された配線パターンに半田付けするチップの半田付け方法であって、
上記配線パターン間から露出した上記基板の表面に上記電極が対向するように、上記チップを上記基板の表面に固定した後、上記電極に半田を供給し、この半田を加熱融解させた後、冷却して再び固化させ、
上記電極はＡｕとＺｎとＮｉとを含む合金膜からなり、上記半田は錫を含んでいることを特徴とするチップの半田付け方法。
【請求項２】
請求項１に記載のチップの半田付け方法において、上記チップおよび上記電極を露出させる開口を有する印刷マスクを用いて、上記チップおよび上記電極をクリーム状の半田で覆うように、上記チップおよび上記電極に上記半田を塗布することを特徴とするチップの半田付け方法。
【請求項３】
請求項１に記載のチップの半田付け方法において、ディスペンサを用いてクリーム状の半田を供給することを特徴とするチップの半田付け方法。
【請求項４】
ＡｕとＺｎとＮｉとを含む合金膜からなる電極を有する発光素子のチップを基板に固定した後、上記チップの固定された基板を錫を含む半田のディップ槽に浸すことを特徴とするチップの半田付け方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載のチップの半田付け方法において、チップの基板への固定は、エポキシ系の接着剤を用いて行なうことを特徴とするチップの半田付け方法。
【請求項６】
請求項５に記載のチップの半田付け方法において、上記接着剤は、スクリーンマスクを用いて基板に塗布することを特徴とするチップの半田付け方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチップの実装方法に関し、より詳しくは、発光素子の小型チップを基板上の配線パターンに接続するために使用される半田付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チップ実装方法には、大きく分けて、チップの電極部とリードフレームやステム上の導体間をワイヤで接続するワイヤボンディング法と、ワイヤを用いずにチップを直接基板上の配線パターンに接続するワイヤレスボンディング法がある。
【０００３】
ワイヤボンディング法は、ワイヤ配置のためにチップ上に１００μｍ以上の厚みが必要であるため、デバイスの薄形化に限界がある。また、ワイヤボンディング法では、チップの周囲にワイヤが延びるためのエリアが必要なため、チップとチップとの間隔を２ｍｍよりも小さくできず、デバイスの小型化（面積）にも限界がある。
【０００４】
一方、ワイヤレスボンディング法はワイヤボンディング法のこのような欠点を解消するものであり、デバイスの小型化、薄型化を実現する上で有利なチップ実装方法である。ワイヤレスボンディング法の一つに半田付け方法がある。しかしながら、半田付け方法を小型チップに適用する場合、小型チップは半田付けする面積が小さいため、半田付けに特殊な方法を用いなければならない。その一つとして、次の工程を有する方法が知られている。
【０００５】
（１）  基板のチップ部品取り付け箇所にクリーム状の半田を塗る。
（２）  半田上にチップ部品を載せる。このとき、この部品は固定しない。
（３）  チップ部品を搭載した基板をリフロー炉に投入する。炉内で半田が融解・固化して、チップ部品の半田付けが終了する。
この方法はいわゆるリフロー半田付け方式と呼ばれる方法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半田付け方法は、チップ抵抗のように小型部品の中でもある程度の重さがあるものには有効な方法である。なぜならば、重さのおかげで、チップが半田中に沈むので、チップの電極と基板の配線パターンとが良好に半田接続されるからである。しかしながら、重さの軽いチップ、例えば発光素子の場合には、チップが半田中に沈まず、半田付け後にチップつまり発光素子が浮いてしまい、チップの電極と基板の配線パターンの良好な電気的接続が得られないという問題がある。また、たとえ電気的接続が得られたとしても、発光素子が基板から浮き上った分だけ、デバイスが厚くなってしまい、デバイスの薄型化を十分に図ることができない。
【０００７】
ところで、チップがＬＥＤ（Light Emitting Diode 発光ダイオード)等の発光素子の場合、従来は、発光素子の電極は金（Ａｕ）と微量の亜鉛（Ｚｎ）との合金あるいはＡｕと微量のシリコン（Ｓｉ）との合金からできており、この材料の関係上、半田には錫を含まないもの、たとえば、インジウム（Ｉｎ）と鉛（Ｐｎ）からなる半田（ＩｎＰｂ）が使用されている。錫によって発光素子の電極の大部分ないし全部が消費されてしまう、つまりとけてしまうからである。しかしながら、インジウムと鉛からなる半田は、錫を含む半田に比べて、酸化しやすいため扱いにくく、それに加えて、高価であるためデバイス製造コストが高くつくといった問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、チップをリフロー方式で基板に半田付けする場合に、チップが発光素子等の小型軽量のものであっても半田からのチップの浮きが生じることがなく、また、チップが発光素子の場合に、錫を含む半田を用いて半田付けできるチップの半田付け方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のチップの半田付け方法は、請求項１に記載の如く、発光素子であるチップの両側面に形成された電極を、基板の表面に形成された配線パターンに半田付けするチップの半田付け方法であって、上記配線パターン間から露出した上記基板の表面に上記電極が対向するように、上記チップを上記基板の表面に固定した後、上記電極に半田を供給し、この半田を加熱融解させた後、冷却して再び固化させ、上記電極はＡｕとＺｎとＮｉとを含む合金膜からなり、上記半田は錫を含んでいることを特徴としている。
【００１０】
チップを基板に固定しているため、リフロー方式の半田付け工程の間チップは基板に対して移動しない。したがって、チップの浮きも生じない。この結果、チップと基板との間に良好な電気的接続が得られる。
【００１１】
上記構成のチップの半田付け方法は、あらゆるタイプのチップに対して適用可能であるが、発光素子等の小型軽量のチップに対して特に有効である。
【００１２】
上記チップがＬＥＤ等の発光素子の場合、発明者が種々行なった電極材料の実験結果、この発光素子の電極を、金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）とニッケル（Ｎｉ）とを含む合金膜から形成することにより、錫を含む半田を使用しても、電極の消費量が僅かで済むことが分かった。したがって、錫を含む半田が使用できる。錫を含む半田は、従来発光素子の半田付け用に使用されていたインジウムと鉛とからなる半田に比べると、扱いやすい上、安価であるので、製造コストの低減を図ることができる。
【００１３】
このチップの半田付け方法において、チップの電極への半田の供給は、例えば次のいずれかの方法で行なうことができる。
【００１４】
第１の方法は、チップおよび電極を露出させる開口を有する印刷マスクを用いて、チップおよび電極をクリーム状の半田で覆うように、上記チップおよび上記電極に上記半田を塗布する方法である。この方法は基板上に多数並べられたチップを半田付けする場合に有効な方法である。印刷マスクの開口をすべてのチップの位置に合わせて設けておくだけで、一度に全チップに対して半田の塗布ができる。半田塗布量の制御は、印刷マスクの開口径や厚さを変えることにより行なえる。
【００１５】
第２の方法は、ディスペンサを用いてクリーム状の半田を供給する方法である。この方法は、印刷マスクを用いる場合のようには多数のチップを一括して半田付けすることはできないが、ディスペンサを用いるため、印刷マスクを用いる場合に比べて、半田の供給量の制御が容易に行なえる。
【００１６】
さらに、本発明は、基板に接続するチップとしてＬＥＤ等の発光素子を特に対象とした半田付け方法を提供する。この半田付け方法は、請求項５に記載の如く、ＡｕとＺｎとＮｉとを含む合金膜からなる電極を有する発光素子のチップを基板に固定した後、上記チップの固定された基板を錫を含む半田のディップ槽に浸すことを特徴としている。
【００１７】
この半田付け方法はいわゆるディップ法であり、チップが基板に固定されているためにこの方法が可能である。ディップ法を用いると、複数のチップすなわち発光素子の半田付けが単時間でできる。また、発光素子の電極をＡｕとＺｎとＮｉとを含む合金膜から形成しているので、このように錫を含む半田を用いることができる。また、半田は錫を含んでいるので、従来発光素子の半田付け用に使用されていた錫を含まない半田に比べて、扱い易く、また安価なので、デバイス製造コストを低減できる。
【００１８】
なお、本発明の上述のいずれの半田付け方法においても、チップの基板への固定は、好ましくは、エポキシ系の接着剤を用いて行なわれる。エポキシ系の接着剤は１２０℃で１分程度で硬化する。また、２６０℃の半田溶液に付けても１０秒程度は素子を基板に保持できる。したがって、エポキシ系の接着剤の使用は、半田ディプを含めた半田付けのための素子固定に適している。なお、リフロー方式で半田付けを行なう場合は、リフロー時間（加熱時間）は１分程度と長く、その最中にこのエポキシ系の接着剤は軟化することになるが、基板は水平状態に保たれているので、接着剤の軟化によってチップが基板に対して水平方向に著しくずれることはない。
【００１９】
上記接着剤は、スクリーンマスクを用いて基板に塗布してもよいし、ディスペンサを用いて、接着剤の量を制御しながら基板に塗布してもよい。スクリーンマスクを使用すると、複数の箇所に一度に接着剤を印刷できるので、この塗布方法は、基板上にチップをマトリクス状に並べたいときなどに有効な方法である。一方、ディスペンサを用いると、接着剤の塗布量の制御が容易にできる。
【００２０】
チップが発光素子（ＬＥＤ）からなる場合、このチップを搭載する基板としては、たとえば、チップ形ＬＥＤの基板あるいはドットマトリクスユニットの基板あるいは数字表示の基板が挙げられる。チップ型ＬＥＤの基板にチップをこの方法で実装すると、チップ部分にワイヤが不要のため、薄型のチップ型ＬＥＤが実現する。また、ドットマトリクスユニットの基板を使用した場合には、ドットマトリクスのＬＥＤ部分にワイヤが不要のため、ドットマトリクスの高精細化（チップのピッチが１.５mm以下）を図ることができる。また、数字表示の基板を使用した場合には、チップ部分にワイヤが不要のため、数字表示の薄型化が可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係るチップの半田付け方法を示す工程図である。以下、図１を用いてこのチップの半田付け方法を説明する。
【００２２】
まず、半田付けでコンタクトをとるチップ１、チップを実装するためのプリント基板３、そして熱硬化性の接着剤５を用意する。本実施の形態においては、チップ１として発光素子の一例である発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用する。このＬＥＤの両側にはＡｕＺｎとＮｉとの合金膜からなる電極１１が形成されている。基板３にはＡｕからなる配線パターン７が形成されている。基板３としては、チップ型ＬＥＤ用の基板、ドットマトリクスユニット用基板、数字表示基板等が用いられる。図１ではチップ１は簡単のために１個のみしか示していないが、基板の種類に応じて必要な数を準備する。また、接着剤としては、短時間（１０秒程度）であればリフロー温度に耐えることができることから、エポキシ系の接着剤が好ましく、例えば、東亜合成製ＮＥ８８００Ｋが使用可能である。エポキシ系の接着剤は、１２０℃の温度で１分程度加熱すれば、硬化する。
【００２３】
以上の材料を用意した後、図１（ａ）に示すように、チップ１を基板上に固定する。この固定は次のようにして行なう。まず、基板３の配線パターン７と配線パターン７との間のチップ実装位置に接着剤５を塗布する。塗布方法としては、多数のチップを例えばマトリクス状に並べたい場合には、時間の短縮を図るためにスクリーンマスクを用いて一度に複数箇所に塗布する方法をとるのがよいし、接着剤の塗布量を制御しながら塗布したい場合には、ディスペンサを用いた方法をとるのが、制御が簡単に行なえてよい。目的に応じて適当な塗布方法を選択すればよい。こうして接着剤５を基板３に塗布した後、接着剤５の上にチップ１を載せる。このとき、チップつまりＬＥＤ１はＰＮ接合面が基板３に対して垂直になるように横向きに載置される。続いて、オーブンにて接着剤５を熱硬化させる。硬化条件は１５０℃で５分とした。接着剤の熱硬化により、チップ１は基板上にしっかりと固定される。
【００２４】
次に、チップ両端の電極１１と基板の配線パターン７とを錫を含む半田で接続する、つまり半田付けを行なう。ここでは、クリーム状の半田Ｓを用いた半田リフローによる接続方法を説明する。ここで使用する半田Ｓは錫と鉛とからなる半田である。
【００２５】
まず、図１（ｂ）に示すように、チップの実装位置に対応する位置に開口部を有する印刷マスクつまり半田印刷用のメタルマスク９を基板３上に載せる。この際、メタルマスク９の厚みはチップ１の厚みよりも厚くしておく。そして、図１（ｃ），（ｄ）に示すように、スキージ１３を用いてメタルマスク９の開口部内に半田Ｓを印刷する。この結果、半田Ｓはチップ全体１を覆った状態で塗布される。このメタルマスクを用いて塗布する方法の場合、塗布量の制御は、メタルマスクの穴径つまり開口部の寸法やメタルマスクの厚みを変えることにより可能である。
【００２６】
次に、図１（ｅ）に示すように、メタルマスク９を基板から除去する。そして、クリーム状の半田Ｓの塗布が完了したチップ搭載基板を図示しない半田リフロー炉に通し、半田Ｓを加熱して融解した後、冷却して固化し、図１（ｆ）に示す半田接続構造を得る。このときの加熱温度（リフロー温度）は、半田の融点によって異なるが、この実施の形態では融点が２４０℃の半田を用い、リフロー炉における加熱温度を２５６℃とした。また、加熱時間は１分のオーダとした。このリフロー工程において、半田Ｓの融解の際に対流が発生しても、チップ１は基板に接着剤５によって固定されているため、従来の方法では起こり得るチップの軽さに起因する浮きの問題は回避される。したがって、薄型のＳＭＤ（Surface Mounting Device 表面実装デバイス）タイプのＬＥＤが得られる。なお、接着剤５は加熱時間が１０秒程度を超えると軟化するが、基板は水平に保持されているので、チップの保持能力に関しては実質的に問題はない。また、半田Ｓは錫を含んでいるが、電極１１は、その材料がＡｕとＺｎとＮｉとを含む合金であるため、半田の錫によって殆どとけることはない。
【００２７】
ここで重要なのは、もし、出来上がるデバイスがチップ型部品であり、このチップ型部品がユーザ側でさらに別の基板に半田付けされる場合には、上記半田Ｓは、ユーザ側で使用される半田のリフロー温度よりも高い融点を有する必要があることである。これは、もし、半田Ｓの融点がユーザ側のリフロー温度よりも低ければ、ユーザ側での半田リフロー工程中に半田Ｓが溶けてしまい、チップ１の電気的接続がオープンとなる可能性があるからである。
【００２８】
次に、発光ダイオード１の電極１１の形成方法について図４を用いて説明する。図４は電極断面図である。まず、半導体ウエハ上にＡｕＺｎ膜とＮｉ膜とＡｕＺｎ膜を順次形成し、積層体１１’を得る。その後、この積層体１１’を熱処理することにより、ＡｕＺｎとＮｉとの１層の合金膜からなる電極１１を得る。
【００２９】
発明者が熱処理前の電極１１’と熱処理後の電極１１とを用いて、ＳｎＰｂを用いた半田付け実験を行なったところ、熱処理前の電極構造では、電極の消費量が多かったが、熱処理後の電極構造では、電極の消費量は僅かであった。なお、Ｎｉ膜の下側のＡｕＺｎ膜を、金とベリリウム（Ｂｅ）との合金（ＡｕＢｅ）膜あるいは金とシリコン（Ｓｉ）との合金（ＡｕＳｉ）膜に替えても、同様の結果が得られた。
【００３０】
以上、チップ１としてＬＥＤを用いた場合について説明したが、この実施の形態は、いかなる種類のチップにも適用できることは明らかであろう。また、半田Ｓとして、錫を含んだものを使用したが、半田の材料は、チップの電極や配線パターンの材料を考慮して適当なものを選択すればよい。また、電極１１の構造は発光素子以外のチップにも必要に応じて適用できる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態に係るチップ実装方法を示す工程図である。この実施の形態は、第１の実施の形態が印刷用のメタルマスクを用いて半田を塗布するのに対して、ディスペンサを用いて半田を塗布する点において、第１の実施形態と異なる。つまり、半田の塗布方法のみが第１の実施形態と異なる。他の点では、第１の実施の形態と同じである。
【００３２】
まず、ＬＥＤのチップ１を図２（ａ）に示すように接着剤５により基板３上に固定する。図２（ａ）に示す工程は、図１（ａ）に示す工程と同じであり、詳しい説明は省略する。
【００３３】
続いて、図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ディスペンサ１５を用いてチップの各側の電極１１と基板３の配線パターン７との間にクリーム状の半田Ｓを塗布する。このようにディスペンサ１５を用いると、塗布量の制御を簡単に行なうことができる。
【００３４】
次に、チップ１の両側にクリーム状の半田Ｓが塗布された基板３を図示しない半田リフロー炉に通し、半田Ｓを加熱して融解した後、冷却して固化し、図２（ｅ）に示す半田接続構造を得る。
【００３５】
この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態の場合と同様、チップ１として発光素子以外のいかなるものを使用できる。また、半田Ｓとして、錫を含んだものを使用したが、半田材料は、チップの電極や配線パターンの材料を考慮して適当なものを選択すればよい。
（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態に係る発光素子のための半田付け方法を示す工程図である。この実施の形態は、第１および第２の実施の形態がクリーム状の半田を塗布し、これを融解，固化したのに対して、液状の半田に浸して半田付けする点において第１および第２の実施の形態と異なる。他の点では、チップ１の電極１１の材料、配線パターン７の材料、半田Ｓの材料を含めて、第１および第２の実施の形態と同じである。
【００３６】
まず、発光素子としてのＬＥＤのチップ１を図３（ａ）に示すようにエポキシ系の接着剤５により基板３上に固定する。図３（ａ）に示す工程は、図１（ａ）に示す工程と同じであるので、詳しい説明は省略する。
【００３７】
次に、チップ１が基板３に固定されてなるチップ・基板アセンブリを、例えば２６０℃に加熱されて液状になった半田Ｓをいれた半田ディップ槽１７の中に漬けて、チップ１の半田付けを行なう。このとき、チップ１を基板３に固定しているエポキシ系の接着剤５は、２６０℃の半田溶液に浸けられても１０秒程度チップ１を保持できるので、半田付けの間にチップ１が基板３に対して位置ずれする惧れはない。また、半田Ｓは錫を含んでいるが、電極１１は、その材料がＡｕとＺｎとＮｉとを含む合金であるため、半田の錫によってとけることはない。ディッピング（浸漬）による半田付けの結果、図３（ｃ）に示す半田接続構造が得られる。
【００３８】
このディップ方式による半田付けは工程数が非常に少なくて済み、簡単にかつ単時間で半田付けが行なえるという利点がある。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のチップの半田付け方法は、請求項１に記載の如く、チップを基板に固定した後、チップの電極に半田を供給し、この半田を加熱融解させた後、冷却して再び固化するものである。つまり、チップを基板に固定した状態でリフロー方式による半田付けを行なうものである。したがって、半田付け工程の間チップは基板に対して移動せず、したがって、チップが小型軽量であっても、チップの浮きも生じないので、チップと基板との間に良好な電気的接続を得ることができる。
【００４０】
さらに、本発明による別の半田付け方法によれば、請求項５に記載の如く、ＡｕとＺｎとＮｉとを含む合金膜からなる電極を有する発光素子のチップを基板に固定した後、上記チップの固定された基板を錫を含む半田のディップ槽に浸すので、複数のチップすなわち発光素子の半田付けが単時間でできる上、半田が錫を含んでいるので、従来発光素子の半田付け用に使用されていた錫を含まない半田に比べて、扱い易く、また安価なので、デバイス製造コストを低減できる。
【００４１】
本発明を用いると、ＬＥＤランプの主流となりつつあるＳＭＤタイプのＬＥＤの薄型化を簡単、安価に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態に係るチップの半田付け方法を示す工程図である。
【図２】  本発明の第２の実施の形態に係るチップの半田付け方法を示す工程図である。
【図３】  本発明の第３の実施の形態に係るチップの半田付け方法を示す工程図である。
【図４】  本発明の上記各実施の形態において使用されるチップの電極の形成方法を説明する断面図である。
【符号の説明】
１…チップ、３…基板、５…接着剤、７…配線パターン、９…印刷マスク、１１…電極、１５…ディスペンサ、１７…半田ディップ槽、Ｓ…半田。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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