JPH02252273A

JPH02252273A - Ｌｅｄアレイチップとヒートシンク基板との接合方法

Info

Publication number: JPH02252273A
Application number: JP1074740A
Authority: JP
Inventors: Ario Shirasaka; 白坂　有生; Yoshikazu Ikegami; 池上　嘉一; Toshiaki Wada; 和田　利明
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1989-03-27
Filing date: 1989-03-27
Publication date: 1990-10-11
Anticipated expiration: 2012-06-11
Also published as: JP2618475B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】ｒ産業上の利用分野１本発明はＬＥＤ　（発光ダイオード）アレイチップとヒ
ートシンク基板との接合方法に関する。

ｒ従来の技術１コンピュータの架内配線として、無誘導性、漏話防止、
高密度化、長距離化を目的とした光伝送（光通信）の検
討が進められている。

なかんづく、光パラレル伝送は、光伝送路の増設により
大容量の光伝送が可能であり、アナログ伝送も可能であ
ることを鑑みた場合、光シリアル伝送よりも優れている
。

光パラレル伝送を実現するためには、光素子のアレイ化
、特に、ＬＥＤの７レイ化が不可欠であり、これととも
に、ＬＥＤの高密度実装も要求されるが、ＬＥＤの場合
は、これを高密度実装するほど、その発熱問題が大きく
なる。

したがって、ＬＥＤアレイの製造に際しては、ＬＥＤア
レイチップとヒートシンク基板との接合が重要な技術的
課題となる。

一般に、ＬＥＤアレイの放熱性を高めるためには、ヒー
トシンク基板に対するＬＥＤアレイチップのジャンクシ
ョンを下向きに接合した構造が望ましいとされている。

このようなＬＥＤアレイにおいて、Ｎ側電極は駆動上、
各素子共通でよいが、Ｐ側電極は、これらを独立して駆
動させる必要上、各電極の引き出しが難しい。

ちなみに、従来技術では、ＬＥＤアレイチップの各Ｐ側
電極とヒートシンク基板の各リード電極とを金−スズ系
の蝋付合金（半田）にて溶接するとき、隣接するＰ側電
極相互の短絡を防止すべくヒートシンク基板の所定箇所
に溝を設け、半田が他所の電極にまで流出するのを阻止
している。

ｒ発明が解決しようとする課題ｊ上述した従来技術の場合、ヒートシンク基板として、シ
リコン、シリコンカーバイドのごとき加工困難な材料を
用いているので、良品の得られる歩留りが悪く、コスト
高となる。

その他、ヒートシンク基板へＬＥＤアレイチップを取り
つけるとき、多心光ファイバに対する光軸合わせの行な
いやすい構造が望ましいが、多心光コネクタ、ＬＥＤア
レイチップの精度がミクロンオーダであることからする
と、現状のＬＥＤアレイチに関する技術レベルでは、か
かる位置合わせを精密に行なうのが困難であり、しかも
１発光出力をモニタしつつ最高出力を検出して当該光軸
合わせを行なうので、これにかなりの時間を費やしてし
まう。

本発明はこのような技術的課題に鑑み、電極相互の短絡
防止、熱抵抗の抑制、光ファイバとの軸合わせ易度など
をはかることのできるＬＥＤアレイの製造技術、特に、
ＬＥＤアレイチップとヒートシンク基板との接合方法を
提供しようとするものである。

１課題を解決するための手段１本発明は所期の目的を達成するため、ＬＥＤアレイチッ
プの下面にパターン形成された各電極とヒートシンク基
板の上面にパターン形成された各リード電極とを互いに
一致させて接合する方法において、これらＬＥＤアレイ
チップ下面およびヒートシンク基板上面の少なくとも一
方には、上記電極、リード電極よりも低融点の蝋付合金
にて、上下に対応する複数対の位置決め用パッドをそれ
ぞれ設けておき、これらＬＥＤアレイチップ下面とヒー
トシンク基板上面とを互いに対面させて、上下に対をな
す各位置決めパッドを位置合わせした後、該各位置決め
パッドを加熱溶融するとともに、当該溶融状態における
位置決めパッドの表面張力によりＬＥＤアレイチップを
移動させて、相互に接続すべき上記各電極と各リード電
極とを位置合わせし、その後、これら電極、リード電極
相互を加熱溶融して溶接することを特徴とする。

１作用」本発明に係る接合方法の場合、あらかじめ、ＬＥＤアレ
イチー７プ下面、ヒートシンク基板上面の少なくとも一
方または両方に、電極、リード電極よりも低融点の蝋付
合金にて、複数対の位置決め用パッドを設けておく。

これらＬＥＤアレイチップ、ヒートシンク基板の電極、
リード電極と各位置決め用パッドについては、相互に接
続すべき電極、リード電極を互いに一致させたとき、上
下に対をなす位置決めパッドも互いに一致する相対的な
位置関係を満足させる。

こうしたＬＥＤアレイチップ、ヒートシンク基板は、こ
れらのチップ上面、基板下面を互いに対面させ、上下に
対をなす各位置決めパッドを互いに位置合わせする。

この場合、上下に対をなす各位置決めパッドは互いに重
なり合うことを要するが、該各位置決めパッドの中心が
完全に一致するほどの精密さは、後述する理由により要
求されない。

その後、各位置決めパッドを上記電極、リード電極の融
点よりも低い温度で加熱溶融する。

かかる溶融状態のとき、ＬＥＤアレイチップ下面の位置
決めパッド、ヒートシンク基板上面の位置決めパッドは
、互いに接触した状態での表面張力により、一つの液粒
に合体する。

したがって、前記のごとく、上下に対をなす各位置決め
パッドの中心が完全に一致していなくても、上記液粒合
体により、該各位置決めパッドの中心が自動的に一致し
、その液粒を介して浮上する軽量なＬＥＤアレイチップ
も、上記液粒合体時に微動して所定の位置を確保する。

このように、上下の各位置決めパッドが合体されて、Ｌ
ＥＤアレイチップが微動したとき、相互に接続すべきＬ
ＥＤアレイチップ側の各電極と。

ヒートシンク基板側０各リード電極とが精密に位置合わ
せされる。

その後、これら電極、リード電極相互を所定の温度で加
熱溶融し、これらが液粒になったとき、上位に位置する
電極（液粒）と、下位に位置するリード電極（液粒）と
が互いに接触して前記と同様に合体され、かくて、これ
ら電極、リード電極相互が精密に溶接される。

なお、上記加熱時の温度は、必ずしも、二段階に設定す
ることを要せず、たとえば、加熱源の配置、非熱、融点
など、これらを適切に設定し、位置決めパッドにおける
蝋付合金の溶融時間を、上記電極、リード電極における
蝋付合金の溶融時間よりも短く設定すれば、既述の場合
と同様に、電極、リード電極相互が精密に溶接される。

ｒ実　施　例Ｊ本発明方法の実施例につき、図面を参照して説明する。

第１図は本発明方法が製造対象とするＬＥＤアレイの一
例であり、かかるＬＥＤアレイ１１は、第２図をも参照
して明らかなように、ＬＥＤアレイチップ２１とヒート
シンク基板３１とを主体にして構成されている。

ＬＥＤアレイチップ２１は、周知の通り、基板結晶上に
活性層を含む所要の結晶層がエピタキシャル成長された
ものである。

ＬＥＤアレイチップ２１には、その上面全域に共通のＮ
側電極２２が形成され、その下面中央に所要数のＰ側電
極２３がパターン成形され、さらに、その下面両側には
位置決めパッド２４ａ、２４ｂが形成されている。

ヒートシンク基板３】の上面中央には、上記各Ｐ側電極
２３に対応した複数のリード電極３２が形成されおり、
ヒートシンク基板３１の上面両側には、上記位置決めパ
ッド２４ａ、２４ｂと対をなす位置決めパッド３３ａ、
３３ｂと、該各位置決めパッド３３ａ、３３ｂの外側に
位置する位置合わせガイド３４ａ、３４ｂとが形成され
ている。

上記において、ヒートシンク基板３１は、ＬＥＤアレイ
チップ２１の基板結晶（例：　ＩｎＰ系、ＧａＡｓ系）
よりも熱伝導率の大きい電気絶縁性材料、たとえば、シ
リコンカーバイド、チッ化アルミニウム、アルミナなど
の電気絶縁性材料からなる。

ＬＥＤアレイチップ２１のＮ側電極２２は、貴金属を含
む複合金属導体、たとえば、ニッケル（下地）−金（上
地）からなる。

ＬＥＤアレイチップ２１の各Ｐ側電極２３、ヒートシン
ク基板３１の各リード電極３２は、その要部が上記複合
金属導体からなり、これら各Ｐ側電極２３の下部、各リ
ード電極３２の上部が、上記複合金属導体に蝋付された
蝋付合金、たとえば、金−スズ系の半田により構成され
ている。

なお、ＬＥＤアレイチップ２１の下面、ヒートシンク基
板３１の上面に、各Ｐ側電極２３、各リード電極３２を
パターン成形する手段としては、公知ないし周知のフォ
トリングラフィ法が採用される。

ＬＥＤアレイチップ２１．　　ヒートシンク基板３１に
おける各位置決めパッド２４ａ、２４ｂ、３３ａ、３３
ｂは、低融点の蝋付合金、たとえば、鉛−スズ系の半田
からなる。

ヒートシンク基板３１における各位置合わせガイド３４
ａ、３４ｂは、−例として、金属製の円筒からなり、こ
れら円筒形の位置合わせガイド３４ａ、３４ｂが低融点
の蝋付合金、たとえば、鉛−スズ系の半田を介してヒー
トシンク基板３１の上面に蝋付されている。

上述したＬＥＤアレイチップ２１、ヒートシンク基板３
１は、各位置決めパッド２４ａ、２４ｂ、３３ａ、３３
ｂ、各Ｐ側電極２３、リード電極３２が、２４ａ：３３
ａ、２４ｂ：３３ｂ、２３：３２のごとく溶接され、か
くて、第１図に例示したＬＥＤアレイ１１が得られる。

以下、ＬＥＤアレイチップ２１とヒートシンク基板３１
とを接合する方法について述べる。

第２図（Ａ）の場合、ＬＥＤアレイチップ２１は、その
上面にＮ側電極２２、その下面にＰ側電極２３゜位置決
めパッド２４ａ、２４ｂを備えており、ヒートシンク基
板３１は、その上面にリード電極３２を備え。

場合により、位置合わせガイド３４ａ、３４ｂあるいは
その位置合わせガイド３４ａ、　３４ｂを溶接するため
の蝋付合金を備えている。

第２図（Ａ）において、ＬＥＤアレイチップ２１の下面
とヒートシンク基板３１の上面とを互いに対面させ、上
下に対をなす各位置決めパッド２４ａ：３３ａ、２４ｂ
：３３ｂを互いに重ねる。

この場合、必要に応じて各位置決めパッド２４ａ：３３
ａ間、２４ｂ：３３ｂ間には、これらと同材質の低融点
半田を介在させておいてもよい。

ちなみに、各位置決めパッド２４ａ％２４ｂ、３３ａ、
３３ｂの融点は、各Ｐ側電極２３の下部、各リード電極
３２の上部に蝋付された蝋付合金の融点よりも、１０℃
程度低い。

第２図（Ｂ）において、各位置決めパッド２４ａ：３３
ａ、２４ｂ：３３ｂは、これらの融点を５℃上回る温度
にて加熱する。

この場合、各位置決めパッド２４ａ：３３ａ、２４ｂ：
３３ｂのみが溶融状態となり、各Ｐ側電極２３、各リー
ド電極３２は、まだ溶融されない。

上記のごとく溶融された各位置決めパッド２４ａ：３３
ａ、２４ｂ：３３ｂは、互いに接触した状態での表面張
力により一つの液粒に合体し、かかる液粒合体により、
該各位短状めパッド２４ａ：３３ａ、２４ｂ：３３ｂの
中心が自動的に一致するとともに、これら位置決めパッ
ド２４ａ：３３ａ、２４ｂ：３３ｂの液粒を介して浮上
する軽量なＬＥＤアレイチップ２１も、その液粒合体時
に微動して所定の位置を確保する。

その結果、相互に接続すべき各Ｐ側電極２３と各リード
電極３２とが、精密に位置合わせされる。

第２図（Ｃ）では、上記位置合わせ後の各Ｐ側電極２３
、各リード電極３２を、その融点以上の温度で加熱する
。

この際の加熱により、各Ｐ側電極２３、各リード電極３
２が液粒になったとき、上位に位置するＰ側電極２３の
液粒と、下位に位置するリード電極３２の液粒とが互い
に接触して前記と同様に合体され。

かくて、相互に接続すべきＰ側電極２３．リード電極３
２は、他所へ流出することなく、精密に溶接される。

上述したようにして、ＬＥＤアレイチップ２１とヒート
シンク基板３１とを接合する場合、Ｐ側電極２３、リー
ド電極３２相互の位置合わせが高精度に行なえるので、
各Ｐ側電極２３の間隔の小さくしても電極のブリッジ（
短絡）が殆ど生じない。

ちなみに、従来例でのＰ側電極間隔は、２００〜３００
　ＩＬｍが限度であるが、本発明方法によるときは、Ｐ
側電極間隔を１００ル■程度に狭ばめても、既述のブリ
ッジが生じない。

その結果、ヒートシンク基板３１に対するＰ側電極２３
の接合面積を大きくすること、すなわち、熱抵抗を低減
することができ、従来例よりも、より高い順方向電圧に
て、ＬＥＤアレイ１１を駆動させることができる。

上記において、Ｐ側電極２３とヒートシンク基板３１と
を接合するための蝋付合金（半田）は、８０％金−残部
スズからなるのが望ましい。

金−スズ系の半田は、エレクトロマイグレーションなど
、信頼性の点で安全な合金であるが、かかる半田を用い
るとき、Ｐ側電極２３上に、チタン、白金などのバリア
層を設けておくことも、信頼性を確保する上で重要であ
る。

上記において、ヒートシンク基板３１の上面に、位置合
わせガイド３４ａ、３４ｂの目安となるパッドを既述の
フォトリングラフィ法によりパターン形成しておけば、
ＬＥＤアレイチップ２１と同時に位置合わせガイド３４
ａ、３４ｂをヒートシンク基板３１上に接合（蝋付）す
ることもできる。

この位置合わせガイド３４ａ、３４ｂは、ＬＥＤアレイ
１１を第３図に例示の多心光コネクタ（周知）と対応さ
せるために設けられる。

第３図の多心光°コネクタ４１は、その両側部にガイド
孔４２を有し、そのガイド孔４２と密に嵌合するガイド
ビン４３を備えている。

かかる多心光コネクタ４１は、多心被覆光ファイバ４４
の端部に取りつけられ、そのコネクタ突き合わせ面と面
一な状態で各光ファイバ４５の端面が露出している。

第３図において、多心光コネクタ４１相互は、これらの
ガイド孔４２にガイドビン４３を差しこんで突き合わせ
ることにより、多心被覆光ファイバ４４相互の各光ファ
イバ４５が光学的に接続される。

第３図の多心光コネクタ４１が、かかる構成を備えてい
るとき、上述した位置合わせガイド３４ａ、３４ｂは、
その多心光コネクタ４１の両ガイド孔４２に対応した間
隔で、ヒートシンク基板３１上に設けられており、した
がって、これらガイド３４ａ、３４ｂ、両ガイ゛ド孔４
２に依存してＬＥＤアレイ１１と多心光コネクタ４１と
を光学的に接合することができる。

その他、実装密度を向上させるべく、ＬＥＤアレイ駆動
用のＩＣチップなど、各種のチップを既述の蝋付手段で
ヒートシンク基板３１上に直接実装してもよい。

つぎに、コンピュータ間のパラレル伝送において、多心
光コネクタ付の多心被覆光ファイバ（８心）と光学的に
接続する際に用いられるＬＥＤアレイの製造技術、すな
わち、８個のＬＥＤを含むＬＥＤアレイチップをヒート
シンク基板上に接合する技術について具体的に説明する
。

この具体例では、ＬＥＤアレイと光ファイバとの光学的
接続を考慮し、位置合わせガイドと、ＬＥＤ駆動用の各
Ｐ側電極パターン（独立）、ＮＩ電極パターン（共通）
などを備えたＬＥＤアレイチップとをヒートシンク基板
上に実装するが、上述した多心被覆光ファイバ（８心）
の場合、コア径５０ＩＬ腸φ、クラツド径１２５ル鵬φ
であるＣＩ型の各光ファイバが、２５０　ＩＬｒａのピ
ッチで並んでいるので、これと対応するＬＥＤアレイチ
ップとして、８個のＬＥＤが２５０４ｍのピッチでアレ
イ化されたものを用いた。

ＬＥＤアレイチップをヒートシンク基板上に接合すると
き、放熱効果をよくするため、ヒートシンク基板に対す
るＬＥＤアレイチップのジャンクションを下向きにし、
Ｐ側電極をヒートシンク基板側に接合する。

上述したＬＥＤは、基板結晶がＩｎＰであり、光ファイ
バの伝送損失を小さくするため、中心波長がｆ、３　ｇ
ｔａに設定されているほか、その光結合特性を向上させ
るため、Ｎ側電極のある基板面がドライエツチングにて
レンズ状に加工されたモノシリツク構造を有する。

電気絶縁性をもつヒートシンク基板としては。

熱膨張係数がシリコンと同程度であり、熱゛伝導率がシ
リコンの約２倍であるシリコンカーバイドを用いた。

ヒートシンク基板において、あらかじめ、内径０．７ｍ
ｍφの位置合わせガイドを蝋付するための位置決めパッ
ドを設ける箇所、Ｎ側電極、Ｐ側電極のリード電極パタ
ーンを設ける箇所、特に、ＬＥＤアレイチップ、位置合
わせガイドを実装する箇所は、半田がよく拡散する、い
わゆる、濡れ性のよい金メツキを施した。

ＬＥＤアレイチップも、Ｐ側電極の表面側に金を配し、
その下地として、金の拡散を防止するチタン製のバッフ
ァ層を１０００人厚で形成した。

ＬＥＤアレイチップの下面、ヒートシンク基板の上面に
備える位置決めパッドとしては、５ｎ−Ｐｂ−Ｉｎ系の
半田を用い、Ｐ側電極の下部、リード電極の上部には、
それぞれ、８０％Ａｕ−残部Ｓｎからなる半田をつけた
。

この場合、５ｎ−Ｐｂ−Ｉｎ半田（融点２００℃）は、
Ａｕ−５ｎ半田（融点２６０℃）よりも、多くつける。

前述した位置合わせガイド用の位置決めパッドも、５ｎ
−Ｐｂ−Ｉｎ半田（融点２００℃）とする。

これらの仕様、条件下において、前記第２図（Ａ）　（
Ｂ）　（Ｃ）の工程順にＬＥＤアレイチップとヒートシ
ンク基板とを接合したところ、第２図（Ａ）の時点でみ
ちれた１００　ｐｍ程度の位置すれか、第２図（Ｂ）の
段階で是正され、その後、第２図（Ｃ）の工程を終えた
とき、互いに接続すべき上下一対の各Ｐ側電極、リード
電極が他所と短絡することなく精密に接合され、位置合
わせガイドも、同時に所定位置へ固定された。

「発明の効果」以上説明した通り、本発明に係るＬＥＤアレイチップと
ヒートシンク基板との接合方法は、これらＬＥＤアレイ
チップ、ヒートシンク基板に設けられた位置決めパッド
の物理的特性を巧みに利用してＬＥＤアレイチップ側の
各Ｐ側電極と、ヒートシンク基板側の各リード電極とを
精密に接合するから、格別の技術難度を要することなく
、電極相互の短絡防止、熱抵抗の抑制しながら、ＬＥＤ
アレイを歩留りよく製造することができ、かつ、ＬＥＤ
アレイと光ファイバとの精密な軸合わせに関する技術的
対策も、必要に応じて、容易に実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法が対象とするＬＥＤアレイを略示し
た斜視図、第２図（Ａ）　（Ｂ）　（Ｃ）は本発明方法
の要部をその工程順に略示した説明図、第３図は多心光
コネクタを略示した斜視図である。！１・・・・・・ＬＥＤアレイ２１・・・・・・ＬＥＤアレイチップ２２・・・・・・Ｎ側電極２３・・・・・・Ｐ側電極２４ａ・・・・位置決めパッド２４ｂ・・・・位置決めパッド３１・・・・・・ヒートシンク基板３２・・・・・・リード電極３３ａ・・・・位置決めパッド３３ｂ・・・・位置決めパッド３４ａ・・・・位置合わせガイド３４ｂ・・・・位置合わせガイド

Claims

【特許請求の範囲】

ＬＥＤアレイチップの下面にパターン形成された各電極
とヒートシンク基板の上面にパターン形成された各リー
ド電極とを互いに一致させて接合する方法において、こ
れらＬＥＤアレイチップ下面およびヒートシンク基板上
面の少なくとも一方には、上記電極、リード電極よりも
低融点の蝋付合金にて、上下に対応する複数対の位置決
め用パッドをそれぞれ設けておき、これらＬＥＤアレイ
チップ下面とヒートシンク基板上面とを互いに対面させ
て、上下に対をなす各位置決めパッドを位置合わせした
後、該各位置決めパッドを加熱溶融するとともに、当該
溶融状態における位置決めパッドの表面張力によりＬＥ
Ｄアレイチップを移動させて、相互に接続すべき上記各
電極と各リード電極とを位置合わせし、その後、これら
電極、リード電極相互を加熱溶融して溶接することを特
徴とするＬＥＤアレイチップとヒートシンク基板との接
合方法。