JP2006351964A - 発光素子実装用基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐久性を向上した発光素子実装用基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 絶縁材料からなる基板１上に銀からなる反射膜３と導電パターン２とが設けられた発光素子実装用基板において、反射膜３を覆う保護膜４の材料として、ダイヤモンド・ライク・カーボンを用いた。保護膜４の材料として有機系の変色防止剤を用いる場合に比べ、保護膜４が熱や紫外光に強くなるから、耐久性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の光を反射させる反射膜を備え発光素子が実装される発光素子実装用基板及びその製造方法に関するものである。

従来から、例えば発光ダイオードのような発光素子が実装される発光素子実装用基板であって、発光素子の光を反射させる反射膜を備えるものが提供されている（例えば、特許文献１参照）。反射膜の材料としては、比較的に反射率が高いために銀が用いられることが多い。

ここで、銀は空気中の水分や硫黄を含むガスによって腐食されやすいため、腐食を防ぐために反射膜を覆う保護膜を設ける必要がある。

また一般に銀の変色防止を目的とした保護膜として、イミダゾール系（例えば、特許文献２参照）やカルボン酸系（例えば、特許文献３参照）などの有機系の変色防止剤が知られていた。
特開２００４−３２７９５５号公報 特開２００４−２３８６５８号公報 特開平１１−６０８８号公報

従来は、保護膜の材料として有機系の変色防止剤が用いられていた。しかし、有機系の変色防止剤は、発光素子の熱や紫外光によって劣化しやすく耐久性が低いため、紫外光を放出する発光ダイオードの実装や、高温の環境下で使用される用途には適さなかった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、耐久性を向上した発光素子実装用基板及びその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、絶縁材料からなる基板と、基板上に設けられた銀からなる反射膜と、酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、ダイヤモンド・ライク・カーボンからなる群から選択された材料からなり反射膜を覆う保護膜と、基板上に設けられ発光素子の電極端子と電源とを電気的に接続する導電パターンとを備えることを特徴とする。

この発明によれば、保護膜の材料として有機系の変色防止剤を用いる場合に比べ、耐久性が向上する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、基板と反射膜との間に銅からなる層を有し、この層と反射膜との間にニッケルからなる拡散抑制膜を備えることを特徴とする。

この発明によれば、ニッケルが有するバリア効果によって銅の拡散が抑制されるから、銅の拡散による反射膜の劣化が抑制されるので、耐久性がさらに向上する。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、ダイヤモンド・ライク・カーボンからなる保護膜を備えることを特徴とする。

この発明によれば、保護膜の材料として請求項１に示した他の材料を用いる場合に比べ、ダイヤモンド・ライク・カーボンのガスバリア性が比較的に高いことにより耐久性がさらに向上し、ダイヤモンド・ライク・カーボンの熱伝導率が比較的に高いことにより、放熱性が向上して発光素子の高輝度化や長寿命化が可能となる。

請求項４の発明は、請求項２の発明の製造方法であって、基板において導電パターンを設ける部位と反射膜を設ける部位とにそれぞれ導電膜を形成する工程と、電気めっきにより導電膜上に銅膜を形成する工程と、電気めっきにより銅膜上に拡散抑制膜を形成する工程と、電気めっきにより拡散抑制膜上に金膜を形成する工程と、電気めっきにより金膜上の所定の部位に反射膜を形成する工程と、反射膜上に保護膜を形成する工程とを備えることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、金膜を形成する工程の後であって反射膜を形成する工程の前に、導電パターンに電着されて導電パターンを覆い導電パターンの溶解を抑制する耐溶解レジストを設ける工程を備えることを特徴とする。

この発明によれば、反射膜を形成する際のバイポーラ現象による導電パターンの溶解を抑制することができる。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、保護膜を形成する工程の後に、耐溶解レジストをアッシングによって除去する工程を備えることを特徴とする。

この発明によれば、導電パターンの表面汚染となる耐溶解レジストをより完全に除去することができるから、導電パターンと発光素子の電極端子との接合性およびその信頼性を向上することができる。

本発明によれば、反射膜を覆う保護膜が、酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、ダイヤモンド・ライク・カーボンからなる群から選択された材料からなるので、保護膜の材料として有機系の変色防止剤を用いる場合に比べ、耐久性が向上する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態は、図２に示すように、絶縁材料からなる基板１と、基板１上に設けられ発光素子としての発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と呼ぶ。）の端子（図示せず）と電源（図示せず）とを電気的に接続する導電パターン２と、基板１上に設けられＬＥＤの光を反射する反射膜３と、図２における下面側には基板１自体を実装するための基板実装用端子１ａを備える。以下、上下左右は図２を基準とし、図２の左下―右上方向を前後方向と呼ぶ。

詳しく説明すると、基板１は直方体形状であって、上面に開口し内側面が開口に近付くほど内径を大きくする方向に傾斜した逆円錐台形状の凹部１１を有する。基板１を構成する絶縁材料としては、例えば純度９６％のアルミナや、窒化アルミや、炭化シリコン（ＳｉＣ）などを用いたセラミックスの他、合成樹脂を用いることができる。基板１の材料として合成樹脂を用いる場合、ＬＣＰ（Liquid Crystal Polymer：液晶ポリマー）樹脂や、ＰＥＥＫ（Poly ether ether ketone）樹脂、芳香族ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂のように耐熱性に優れたポリマーを用いることが望ましい。

導電パターン２は２個設けられ、一方は、凹部１１の底面に設けられＬＥＤの一方の電極端子が表面実装される凸字形状の実装部２１ａを有し、他方は、凹部１１の底面に設けられ第１の導電パターン２１の実装部２１ａの凸字形状に合わせるように窪んだ凹字形状であってＬＥＤの他方の電極端子がワイヤボンディングにより接続される実装部２２ａを有する。また、各導電パターン２は、それぞれ、凹部１１の内外に跨って設けられ一端が実装部２１ａ，２２ａに連結され他端が電源に接続される端子として用いられる導出部２１ｂ、２２ｂを有する。

反射膜３は導電パターン２の左右両側に設けられている。各反射膜３はそれぞれ銀の薄膜からなり、凹部１１の内側面に設けられた本体部３１と、本体部３１に連結され基板１の上面に設けられた導出部３２とを有する。

また、図１に示すように、反射膜３は、ダイヤモンド・ライク・カーボン（以下、「ＤＬＣ」と呼ぶ。）からなる保護膜４で覆われている。

上記構成によれば、保護膜４の材料として有機系の変色防止剤を用いる場合に比べ、保護膜４が熱や紫外光に強くなるから、耐久性が向上する。

なお、保護膜４の材料としては、酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）や、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）や、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）や、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）や、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などを用いてもよいが、ＤＬＣを用いることが以下の理由により望ましい。第１に、ＤＬＣは上に列挙した材料に比べてガスバリア性に優れる。第２に、ＤＬＣは上に列挙した材料に比べて熱伝導率が高く、放熱性を向上してＬＥＤの高輝度化や長寿命化が可能となる。例えば、熱伝導率は、二酸化チタンで１０．４（Ｗ／ｍ・Ｋ）、酸化ジルコニウムで１．６８（Ｗ／ｍ・Ｋ）であるのに対し、ＤＬＣは３０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であり、純度９９．９％の酸化アルミ以上の高い熱伝導率を有する。

また、保護膜４として互いに異なる材料からなる層を重ねたものを用いれば、さらにガスバリア性と反射率とを向上することができる。さらに、互いに屈折率の異なる材料からなる層を交互に積層してもよい。例えば、屈折率が２以上と比較的に高い酸化チタンや酸化ジルコニウムや五酸化タンタルの層と、屈折率が１．６８と比較的に低いフッ化マグネシウムの層とを交互に積層する。

以下、本発明に係る発光素子実装用基板を形成する方法について、図３（ａ）〜（ｉ）を用いて説明する。なお、図３（ａ）〜（ｉ）では、図１と同じ断面のみを図示し、凹部１１の内面の図示は省略している。

まず、図３（ａ）に示すように凹部１１を有する基板１の表面をプラズマ処理し、基板１の表面を化学的に活性化させる。プラズマ処理は、密閉されたチャンバーＢＣ（図６参照）内に一対の電極ＥＬを対向配置し、一方の電極ＥＬに高周波（ＲＦ）電源ＲＰを接続すると共に他方の電極ＥＬを接地して構成したプラズマ処理装置を用いて行なうことができる。そして基板１の表面をプラズマ処理するにあたっては、基板１を電極ＥＬ間において一方の電極ＥＬの上にセットし、チャンバーＢＣ内を真空引きして１０^−４Ｐａ程度に減圧した後、チャンバーＢＣ内にＡｒやＮ_２等のガスを導入して流通させると共に、チャンバー内のガス圧を８〜１５Ｐａに制御し、次にＲＦ電源ＲＰによって電極間に例えば電力３００Ｗの高周波電圧（ＲＦ：１３．５６ＭＨｚ）を１０〜１００秒程度印加する。このとき、電極ＥＬ間の高周波グロー放電による気体放電現象によって、チャンバーＢＣ内の活性ガスが励起され、陽イオンやラジカル等のプラズマが発生し、陽イオンやラジカル等がチャンバーＢＣ内に形成される。そしてこれらの陽イオンやラジカルが基板１の表面に衝突することによって、基板１の表面を活性化することができるものであり、基板１とその表面に被覆される導電膜５ａとの密着性を高めることができるものである。特に陽イオンがセラミックス製の基板１に誘引衝突すると、基板１の表面に存在する有機付着物やＳｉＯ_２などの金属との密着性を阻害する因子が除去され，金属とセラミックスとの界面で拡散相が形成されるので、導電膜５ａとの密着性がより向上するものである。

プラズマ処理条件は上記のものに限定されるものではなく、基板１の表面がプラズマ処理で過度に粗面化されない範囲で、任意に設定して行なうことができる。またプラズマの種類も特に限定されるものではないが、アルゴンプラズマ処理が好ましい。アルゴンプラズマでは、ＳｉＯ_２などの密着性阻害物質の除去性能に優れているので、導電膜５ａの密着性が低下することを防ぐことができるものである。

そして上記のように基板１をプラズマ処理した後、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティングなどから選ばれる物理蒸着法（ＰＶＤ法）により、図３（ｂ）に示すように基板１の表面に導電膜５ａを形成する。ここで、上記のように基板１をチャンバーＢＣ内でプラズマ処理した後、このチャンバーＢＣ内を大気開放することなく、スパッタリングや真空蒸着やイオンプレーティングなどを連続プロセスで行なうのが好ましい。導電膜５ａを形成する金属としては、銅、ニッケル、金、アルミニウム、チタン、モリブデン、クロム、タングステン、スズ、鉛、黄銅、ニクロムなどの単体、あるいは合金を用いることができる。

スパッタリングとしては、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング装置を用いたＤＣスパッタ方式を適用することができる。すなわち、まずチャンバーＢＣ内に基板１を配置した後、真空ポンプ（図示せず）によりチャンバーＢＣ内の圧力が１０^−４Ｐａ以下になるまで真空引きし、この状態でチャンバーＢＣ内にアルゴン等の不活性ガスを０．１Ｐａのガス圧になるように導入する。さらに５００Ｖの直流電圧を印加することによって、導電膜５ａを形成する金属からなるターゲット（図示せず）をボンバードし、２００〜５００ｎｍ程度の膜厚の導電膜５ａを基板１の表面に形成することができるものである。

また真空蒸着としては、例えば電子線加熱式真空蒸着方式を適用することができる。すなわちまず真空ポンプによりチャンバーＢＣ内の圧力が１０^−４Ｐａ以下になるまで真空引きを行なった後、４００〜８００ｍＡの電子流を発生させ、この電子流をるつぼ（図示せず）の中の蒸着材料に衝突させて加熱すると蒸着材料が蒸発し、３００ｎｍ程度の膜厚の導電膜５ａを基板１の表面に形成することができる。

さらにイオンプレーティングで導電膜５ａを形成するにあたっては、例えば、まずチャンバーＢＣ内の圧力を１０^−４Ｐａ以下になるまで真空引きを行ない、上記の真空蒸着の条件でるつぼ（図示せず）内で蒸着材料を蒸発させると共に、るつぼ（図示せず）と基板１との間に設けた誘導アンテナ部（図示せず）にアルゴン等の不活性ガスを導入し、ガス圧を０．０５〜０．１Ｐａとなるようにしてプラズマを発生させ、そして誘導アンテナに１３．５６ＭＨｚの高周波で５００Ｗのパワーを印加すると共に、基板１を載せている電極ＥＬに所望のバイアス電圧になるように高周波を印加することによって、２００〜５００ｎｍ程度の膜厚の銅などの導電膜５ａを基板１の表面に形成することができるものである。

上記のようにして物理蒸着法で基板１の表面に導電膜５ａを形成するにあたって、基板１の表面は上記のようにプラズマ処理によって化学的に活性化されており、基板１の表面に対する導電膜５ａの密着性を高く得ることができるものである。基板１の表面に物理蒸着法で導電膜５ａを形成するにあたって、プラズマ処理を行なわないで導電膜５ａによって回路形成することができる程度の密着力を得ることは困難である。

次に回路形成について説明する。まず上記のように基板１の表面に２００〜５００ｎｍ程度の厚さの導電膜５ａを形成し、そしてこの導電膜５ａを用いて所定の形状の銅膜５を形成する回路パターン形成をすることによって、本実施形態は回路基板として仕上げることができるものである。ここで、基板１を三次元立体表面を有するように形成し、この立体表面に導電膜５ａを形成した後に回路パターン形成することによって、本実施形態はＭＩＤ（Molded Interconnect Device）等の立体回路基板として仕上げることができるものである。回路パターン形成をするには、例えば図３（ｃ）に示すように導電パターン２を設ける部位及び反射膜３を設ける部位（以下、「回路形成部分」と呼ぶ。）の導電膜５ａを残してそれ以外の部分（以下、「回路非形成部分」と呼ぶ。）の導電膜５ａをエッチングにより除去する。次に、導電膜５ａを用いた電解めっきにより、図３（ｄ）に示すように５〜１０μm程度の厚さの銅膜５を形成する。反射膜３を設ける部位に電気めっきを施すに当たっては、例えば導出部３２に相当する部位を電源に接続し通電させる。

又は、回路パターン形成を例えばレーザ法によって行うこともできる。すなわち、回路形成部分とそれ以外の部分（以下、「回路非形成部分」と呼ぶ。）との境界に沿って導電膜５ａにレーザ光を照射し、この境界部分の導電膜５ａを除去することによって、導電膜５ａの回路形成部分を回路非形成部分から分離する。次に、この回路形成部分の導電膜５ａに通電して銅の電解めっきを施し、５〜１０μm程度の厚さの銅膜５を形成する。次にソフトエッチング処理をして、導電膜５ａの回路非形成部分を除去すると共に、電解めっきを施した回路形成部分は残存させることによって、所望のパターン形状の銅膜５を形成することができる。このとき、レーザ照射により導電膜５ａに幅５ｍｍの剥離強度試験用パターンを施し、銅の導電膜５ａの表面に電解めっきで銅めっきを施すことによって、厚さ１５μｍの剥離強度試験用パターン回路を、反射膜３を設ける部位や導電パターン２を設ける部位とは別に形成してもよい。

又は、上記のように回路形成部分と回路非形成部分との両方に導電膜５ａを設けた後にレーザ法やエッチングによって回路非形成部分の導電膜５ａを除去する代わりに、例えば印刷やマスキングを用いて最初から回路形成部分のみに導電膜５ａを形成してもよい。

銅膜５を形成したら、次に、銅膜５を用いたニッケルの電解めっきにより、図３（ｅ）に示すように、銅膜５上に厚さ３〜６μｍの拡散抑制膜６を形成し、さらに、拡散抑制膜６を用いた金の電解めっきにより、拡散抑制膜６上に厚さ０．１〜１μｍの金膜７を設ける。ここにおいて、導電パターン２および下面に形成された基板実装用端子１ａは完成する。

次に、反射膜３が形成されるべき部位の金膜７を用いた銀の電解めっきにより図３（ｇ）に示すように反射膜３を金膜７上に形成する。反射膜３の厚さは、例えば０．５〜５μｍとする。

ここで、反射膜３を形成する電解めっきの際には、図４に示すように導電パターン２において、陰極となる反射膜３に近接した部位に正の電荷が偏在化し、反射膜３から離れた部位に負の電荷が偏在化するバイポーラ現象が発生する。バイポーラ現象が発生すると、導電パターン２において、正の電荷が偏在する部位では導電パターン２を構成する金膜７などが溶解しやすくなり、負の電荷が偏在する部位では銀が析出しやすくなる。そこで、本実施形態では、導電パターン２が完成した後、反射膜３を形成する前に、図３（ｆ）に示すように導電パターン２を覆い金膜７の溶解を抑制する耐溶解レジストＲＥを設ける。耐溶解レジストＲＥとしては例えば周知の電解レジストを用いることができる。耐溶解レジストＲＥを設けるには、例えば図５に示すように、カルボキシル基を有するポリマーを塩基で中和して水に溶解あるいは分散した電着液ＬＱに、導電パターン２が陽極に接続された基板１と、陰極に接続された導体棒ＣＢとを浸漬する。すると、負の電荷を有する樹脂イオンは電気泳動により導電パターン２に接近し、導電パターン２付近で水素イオンと反応し、導電パターン２上に不溶化析出して耐溶解レジストＲＥを形成する。ここで、耐溶解レジストＲＥの厚さは、陽極―陰極間の電圧や、電流や、陽極―陰極間に電圧を加える時間により、制御することができる。

反射膜３の形成後、図３（ｈ）に示すように、少なくとも反射膜３上に保護膜４を例えばスパッタリングや蒸着によって形成する。保護膜４の材料として導電性を有するものを用いる場合は導電パターン２上に保護膜４が形成されてもよいが、導電パターン２を避けて保護膜４を設ける場合は例えばマスキングを用いる。蒸着によって保護膜４を設ける場合、高温によって導電パターン２や反射膜３が腐食されることを防ぐため、例えばふくわうちテクノロジー社製のコンパクトプラズマＣＶＤ装置（型式番号 ＫＳＭ１５０）を用いて、低温で保護膜４を形成することが望ましい。

次に、残存した耐溶解レジストＲＥをアッシングにより図３（ｉ）に示すように除去する。これにより、ＬＥＤの電極端子やＬＥＤの電極端子に接続されたワイヤーと導電パターン２との接合性を向上することができる。アッシングの方法の例について具体的に説明すると、例えば図６に示すように、プラズマ処理装置のチャンバーＢＣ内に基板１を配置し、チャンバーＢＣ内を例えば１０^−３Ｐａ以下にした後、酸素を１０Ｐａになるまで導入する。次に、ＲＦ電源ＲＰによって電極ＥＬに例えば１００Ｗの高周波電力を供給して酸素プラズマＯＰを発生させ、この酸素プラズマＯＰに基板１を晒すことにより、耐溶解レジストＲＥを酸素イオンや酸素ラジカルと反応させて二酸化炭素や水蒸気として除去する。

ここで、本実施形態では最初に基板１に銅膜５を設けてこれを利用した電解めっきにより反射膜３を設けているが、銅膜５と反射膜３との間にニッケルからなる拡散抑制膜６を設けていることにより、反射膜３中への銅の拡散が防止されている。

本発明の実施形態を示す断面図である。 同上を示す斜視図である。 同上の製造方法を示す説明図であり、（ａ）〜（ｉ）はそれぞれ異なる段階を示す断面図である。 バイポーラ現象を示す説明図である。 耐溶解レジストを設ける方法の一例を示す説明図である。 アッシングの方法の一例を示す説明図である。

符号の説明

１ 基板
２ 導電パターン
３ 反射膜
４ 保護膜
５ 銅膜
６ 拡散抑制膜
ＲＥ 耐溶解レジスト

Claims (6)

1. 絶縁材料からなる基板と、基板上に設けられた銀からなる反射膜と、酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、ダイヤモンド・ライク・カーボンからなる群から選択された材料からなり反射膜を覆う保護膜と、基板上に設けられ発光素子の電極端子と電源とを電気的に接続する導電パターンとを備えることを特徴とする発光素子実装用基板。
2. 基板と反射膜との間に銅からなる層を有し、
   この層と反射膜との間にニッケルからなる拡散抑制膜を備えることを特徴とする請求項１記載の発光素子実装用基板。
3. ダイヤモンド・ライク・カーボンからなる保護膜を備えることを特徴とする請求項１記載の発光素子実装用基板。
4. 請求項２記載の発光素子実装用基板の製造方法であって、
   基板において導電パターンを設ける部位と反射膜を設ける部位とにそれぞれ導電膜を形成する工程と、
   電気めっきにより導電膜上に銅膜を形成する工程と、
   電気めっきにより銅膜上に拡散抑制膜を形成する工程と、
   電気めっきにより拡散抑制膜上に金膜を形成する工程と、
   電気めっきにより金膜上の所定の部位に反射膜を形成する工程と、
   反射膜上に保護膜を形成する工程と
   を備えることを特徴とする発光素子実装用基板の製造方法。
5. 金膜を形成する工程の後であって反射膜を形成する工程の前に、導電パターンに電着されて導電パターンを覆い導電パターンの溶解を抑制する耐溶解レジストを設ける工程を備えることを特徴とする請求項４記載の発光素子実装用基板の製造方法。
6. 保護膜を形成する工程の後に、耐溶解レジストをアッシングによって除去する工程を備えることを特徴とする請求項５記載の発光素子実装用基板の製造方法。

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