ＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法
【課題】高価な銀を使用することなくリードフレームとＬＥＤチップとを高い接合強度で簡単に接合することができる接合方法を提供する。
【解決手段】ＬＥＤチップ１のリードフレーム８と接合される部位に金を０．１〜１μｍの厚みにて蒸着するとともに、複数のめっき層あるいは合金層を形成した銅合金部材１１からなるリードフレーム８のＬＥＤチップ１と接合される部位の最表面が光沢度８０〜１１０％の錫めっき層１４としておき、リードフレーム８の錫めっきが施された部位にＬＥＤチップ１の金が蒸着された部位を重ね合わせ、その重ね合わせ状態で２４０〜３００℃の温度に加熱することにより、リードフレーム８の錫めっきが施された部位と、ＬＥＤチップ１の金が蒸着された部位との間に、金錫共晶合金層１５を形成してＬＥＤチップをリードフレームに接合する。
【解決手段】ＬＥＤチップ１のリードフレーム８と接合される部位に金を０．１〜１μｍの厚みにて蒸着するとともに、複数のめっき層あるいは合金層を形成した銅合金部材１１からなるリードフレーム８のＬＥＤチップ１と接合される部位の最表面が光沢度８０〜１１０％の錫めっき層１４としておき、リードフレーム８の錫めっきが施された部位にＬＥＤチップ１の金が蒸着された部位を重ね合わせ、その重ね合わせ状態で２４０〜３００℃の温度に加熱することにより、リードフレーム８の錫めっきが施された部位と、ＬＥＤチップ１の金が蒸着された部位との間に、金錫共晶合金層１５を形成してＬＥＤチップをリードフレームに接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）チップとリードフレームとの接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤチップは、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板等の上にｐ型半導体とｎ型半導体とが接合状態に設けられ、ｐ側電極とｎ側電極との間に通電することにより、両半導体の間のｐｎ接合面で発光を生じさせるものであり、液晶のバックライト、オーディオ機器のインジケータ、信号機、電光掲示板、自動車等のランプ、電球や蛍光灯に代わる各種照明器具など、光源として用途が広まっている。
【０００３】
このようなＬＥＤチップとして、特許文献１又は特許文献２に記載のように、このＬＥＤチップをリードフレームに接続したものがある。
特許文献１記載の技術は、ＬＥＤチップがリードフレームに導電性接着剤によって接着固定されている。リードフレームは、銅又は銅合金の薄板を材料として、その表面に銀めっきされた構成とされ、ＬＥＤチップから出射された光の一部が、銀めっき面によって反射され、ＬＥＤチップの蛍光体分散樹脂内の蛍光体を励起・発光（白色光）させるようにされている。
特許文献２記載の技術では、ベース部となるコパール製パッケージ（リードフレーム）の表面にＮｉ／Ａｇ層が設けられ、ＬＥＤチップの裏面にアルミニウムでメタライズした状態でＡｇ−Ｓｎ合金にて共晶接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１９２９２９号公報
【特許文献１】特開２００６−２９４８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、リードフレームの表面には銀又は銀合金のめっき層が施されるが、この銀めっき層は、光の反射率が高いので、ＬＥＤチップからの光を有効に反射することができる反面、銀は融点が高いので、その上にＬＥＤチップを高強度に接合するのは難しくなる。
特許文献１記載の技術では導電性接着剤によってＬＥＤチップをリードフレームに接着しているが、導電性接着剤では耐熱性に不安がある。また、特許文献２記載に開示されているＡｇ−Ｓｎ合金を用いることにより、融点を下げることができるが、貴金属の銀を用いるため、高価になる。
【０００６】
本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、高価な銀を使用することなくリードフレームとＬＥＤチップとを高い接合強度で簡単に接合することができる接合方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の接合方法は、ＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法において、前記ＬＥＤチップの前記リードフレームと接合される部位に金を０．１〜１μｍの厚みにて蒸着するとともに、複数のめっき層あるいは合金層を形成した銅合金部材からなるリードフレームの前記ＬＥＤチップと接合される部位の最表面が光沢度８０〜１１０％の錫めっき層としておき、前記リードフレームの錫めっきが施された部位に前記ＬＥＤチップの金が蒸着された部位を重ね合わせ、その重ね合わせ状態で２４０〜３００℃の温度に加熱することにより、前記リードフレームの錫めっきが施された部位と、前記ＬＥＤチップの金が蒸着された部位との間に、金錫共晶合金層を形成して前記ＬＥＤチップを前記リードフレームに接合することを特徴とする。
【０００８】
リードフレーム最表面の錫とＬＥＤチップの金とが重ね合わせ状態で２４０〜３００℃の温度に加熱されることにより、両金属間に共晶反応が生じて例えば質量％で１０％Ａｕ−９０％Ｓｎの金錫共晶合金層を形成し、この金錫共晶合金層が強固な接合層となる。１０％Ａｕ−９０％Ｓｎの共晶点は２１７℃であり、ボイド等の欠陥がなく高い接合強度となる金錫共晶合金層を得るために２４０℃以上の加熱温度とするのが好ましい。加熱温度が３００℃を超えても、接合強度のそれ以上の向上は期待できないとともに、熱応力が大きくなるので好ましくない。
この場合、ＬＥＤチップ最表面の金層が０．１μｍ未満の厚さであると、十分な接合強度を確保するのに足るだけの厚みで金錫共晶合金層が形成されず、剥離が生じ易い。接合に寄与する金錫共晶合金層を形成するには、金層が０．１μｍ以上あればよく、１μｍを超えてもコスト面で無駄である。
また、リードレーム最表面の錫めっき層は、光沢度が８０〜１１０％であり、銀めっき層を最表面とした場合と遜色なくＬＥＤからの光を良好に反射することができる。光沢度が８０％未満では、光の反射が充分ではなく、１１０％以上では効果が飽和しコスト面で無駄となる。
【０００９】
本発明の接合方法において、前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に銅錫合金層、前記錫めっき層であるとよい。
また、前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に、ニッケルめっき層、銅錫合金層、前記錫めっき層としてもよい。
最表面が錫めっき層とされるので、リードフレームとして一般的に使用される、二層めっき、あるいは、三層めっきの銅合金部材を適用することができる。
【００１０】
さらに、本発明の接合方法において、前記銅合金部材は、Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、透過型電子顕微鏡観察において、１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径１５〜３５ｎｍの範囲内でありかつ当該範囲内の直径の析出物粒子が総度数の５０％以上の頻度で存在し、その半値幅が２５ｎｍ以下であるとよい。
この銅合金部材は、強度に優れるとともに、耐熱性が高く、プレス打抜き性、また、導電率も良好で、ＬＥＤチップに接続されるリードフレームとして好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、リードフレーム最表面の錫めっき層とＬＥＤチップの金層とを重ね合わせて加熱するという簡単な方法でこれらを接合することができ、これらの間に形成される金錫共晶合金層により強固に接合できる。したがって、高価な銀を使用することなく安価に製造することができる。しかも、錫めっき層の光沢により、ＬＥＤからの光を良好に反射することができ、ＬＥＤとしての特性を有効に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の接合方法によって接合された状態のＬＥＤチップとリードフレームとの断面図である。
【図２】図１のＸで示す部分の拡大断面図であり、（ａ）は接合前の重ね合わせた状態を示し、（ｂ）が接合後の状態を示す。
【図３】図１のリードフレームとして用いられる実施形態の銅合金の観察倍率５万倍による透過型電子顕微鏡観察写真である。
【図４】図３に示す実施形態の銅合金の観察倍率１０万倍による透過型電子顕微鏡観察写真である。
【図５】実施形態の銅合金の透過型電子顕微鏡観察による１μｍ2あたりの析出物粒子の直径の詳細なヒストグラムである。
【図６】実施形態の銅合金の製造時の冷間圧延、及び低温焼鈍工程における透過型電子顕微鏡観察による１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムの推移を示す概略図である。
【図７】実施形態の銅合金の５００℃加熱保持での耐熱性（保持率の経時変化）を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
ＬＥＤチップ１は、図１に示すように、サファイア基板２の表面にｎ型半導体層３とｐ型半導体層４とが接合状態に積層されるとともに、その一部のｐ型半導体層４を除去して露出させたｎ型半導体層３にｎ型電極５、ｐ型半導体層４にｐ型電極６が形成されたものである。このＬＥＤチップ１はフリップフロップタイプのＬＥＤチップであり、ｎ型電極５及びｐ型電極６にそれぞれリードフレーム７，８が接合状態に接続される。
【００１４】
図２には、そのｐ型電極部分を拡大して示しており、以下、このｐ型電極部分を代表して説明する。その電極６には、Ｔｉ層、Ｎｉ層、金（Ａｕ）層を含む複数の金属層が形成されており、図２（ａ）に示すように、その最表面層として電気接触性を向上させる金層９が蒸着にて形成されている。この金層９の厚さは、後述するようにリードフレームとの十分な接合強度を確保するために０．１〜１μｍが好ましい。
【００１５】
リードフレーム７は、所定の形状に打ち抜き加工された銅合金部材１１の上にニッケルめっき層１２、銅錫合金層１３、錫めっき層１４を順に形成したものであり、最表面が錫めっき層１４とされている。
このリードフレーム７とＬＥＤチップ１との接合部は、図２（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ１の最表面層を形成していた金層９が、リードフレーム７の最表面の錫めっき層１４の一部と共晶して、金錫共晶層１５を形成しており、この金錫共晶層１５によってＬＥＤチップ１とリードフレーム７とが接合されている。
【００１６】
次に、リードフレーム７の詳細について説明する。
［銅合金］
このリードフレームの基材を構成する銅合金は、必ずしも限定されるものではないが、耐熱性に優れ、引張り強度が５００ＭＰａ以上で、かつ、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上である基本特性を有するＣｕ−Ｆｅ−Ｐ−Ｚｎ系銅合金であり、Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる基本組成とする。この基本組成に対し、後述するＳｎ、Ｎｉ等の元素を更に選択的に含有させても良い。
【００１７】
（Ｆｅ）
Ｆｅは銅の母相中に分散する析出物粒子を形成して強度及び耐熱性を向上させる効果があるが、その含有量が１．５質量％未満では析出物の個数が不足し、その効果を奏功せしめることができない。一方、２．４質量％を超えて含有すると、強度及び耐熱性の向上に寄与しない粗大な析出物粒子が存在してしまい、耐熱性に効果のあるサイズの析出物粒子が不足してしまうことになる。このため、Ｆｅの含有量は１．５〜２．４質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００１８】
（Ｐ）
ＰはＦｅと共に銅の母相中に分散する析出物粒子を形成して強度及び耐熱性を向上させる効果があるが、その含有量が０．００８質量％未満では析出物粒子の個数が不足し、その効果を奏功せしめることができない。一方、０．０８質量％を超えて含有すると、強度及び耐熱性の向上に寄与しない粗大な析出物粒子が存在してしまい、耐熱性に効果のあるサイズの析出物粒子が不足してしまうことになると共に導電率及び加工性が低下してしまう。このため、Ｐの含有量は０．００８〜０．０８質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００１９】
（Ｚｎ）
Ｚｎは銅の母相中に固溶して半田耐熱剥離性を向上させる効果を有しており、０．０１質量％未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、０．５質量％を超えて含有しても、更なる効果を得ることが出来なくなると共に母相中への固溶量が多くなって導電率の低下をきたす。このため、Ｚｎの含有量は０．０１〜０．５質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００２０】
（Ｎｉ）
Ｎｉは母相中に固溶して強度を向上させる効果を有しており、０．００３質量％未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、０．５質量％を超えて含有すると導電率の低下をきたす。このため、Ｎｉを含有する場合には、０．００３〜０．５質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００２１】
（Ｓｎ）
Ｓｎは母相中に固溶して強度を向上させる効果を有しており、０．００３質量％未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、０．５質量％を超えて含有すると導電率の低下をきたす。このため、Ｓｎを含有する場合には、０．００３〜０．５質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００２２】
なお、この銅合金は、Ａｌ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｍｇ及びＳｉのうちの少なくとも１種以上が０．０００７〜０．５質量％含有されていても良い。これらの元素は、銅合金の様々な特性を向上させる役割を有しており、用途に応じて選択的に添加することが好ましい。
【００２３】
（析出物粒子の直径とその個数）
前述の銅合金は、図５に示す様に、透過型電子顕微鏡観察において、１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径１５〜３５ｎｍの範囲内でありかつ当該範囲内の直径の析出物粒子が総度数の５０％以上の頻度で存在し、その半値幅が２５ｎｍとされる。
【００２４】
即ち、析出物粒子の直径が上記のヒストグラムの限定範囲値内にピーク値を有する分布状態であれば、５００℃前後の高温領域においても、ピン止め効果を最大限に発揮して再結晶化を抑制し、高温での強度低下を確実に防止することが出来るのである。析出物粒子の直径のピーク値が限定範囲値を外れれば、ピン止め効果は小さくなって再結晶化を抑制出来ず、高温での強度を維持出来ず耐熱性の低下をきたすこととなる。
【００２５】
ここで、析出物粒子の直径は、その断面観察において、析出物粒子の面積に等しい面積を持つ円の直径（円相当直径）として算出した。この場合、析出物粒子の面積は、透過型電子顕微鏡観察画像から得られる画像鉛直方向への投影面積を観察倍率から実際の面積に換算した値となる。
また、透過型電子顕微鏡観察において、５ｎｍ以下の析出物粒子については、析出物粒子であるか或いは観察時に生じる影であるかの明確な識別が不可能であるため、観察された析出物粒子の全個数には含めないことにした。
更に、その観察においては、観察倍率によって分解能が変化し、観察される析出物粒子の直径や個数に変動が生じる。そこで、１５ｎｍ以上の析出物粒子を測定する際には観察倍率を５万倍とし、１５ｎｍ未満の析出物粒子を測定する際には観察倍率を１０万倍とした。
【００２６】
前述の銅合金の薄板から、透過型電子顕微鏡観察用の薄膜を作製し、観察倍率５万倍及び１０万倍で組織観察を行い、析出物粒子の直径及び個数を測定する。図３に観察倍率５万倍での観察写真を、図４に観察倍率１０万倍での観察写真を示す。なお、図３、図４に示された写真の実際の倍率については、これらの写真の右下に記載されたスケールバーから換算することになる。
【００２７】
図３及び図４において、矢印で示す粒子が析出物である。矢印Ａで示される粒子が直径１５〜３５ｎｍのものであり、矢印Ｂで示される粒子が直径１５ｎｍ未満、矢印Ｃで示される粒子が直径３５ｎｍを超えるものである。また、透過型電子顕微鏡観察にはレプリカ法により作製した試料を用いても良い。
【００２８】
図３に示す写真（観察倍率５万倍）の視野面積は２．６μｍ2である。従って、この写真内でカウントされた析出物粒子の個数を２．６で除し１μｍ2あたりの析出物の個数が算出されることになる。
同様に、図４に示す写真（観察倍率１０万倍）の視野面積は０．６５μｍ2である。従って、この写真内でカウントされた析出物粒子の個数を０．６５で除し１μｍ2あたりの析出物の個数が算出されることになる。
なお、透過型電子顕微鏡観察は局所的な観察となるため、観察箇所を変えてこのような観察を複数回行うことが好ましい。
【００２９】
（耐熱性試験）
この銅合金の耐熱性試験は次の方法で行い、保持率にて評価することが好ましい。
銅合金薄板試料を作製して加熱保持炉内にて５００℃にて１、３、５、１０分間各々保持した後のビッカース強度を測定し、各々の熱処理前のビッカース強度と比較し保持率にて耐熱性を評価する。
保持率は（熱処理後ビッカース強度）／（熱処理前ビッカース強度）にて算出する。各々の加熱保持時間での保持率の変化の代表例を図７に示す。
この銅合金は析出物粒子のピン止め効果が充分に発揮された優れた耐熱性を有し、５００℃にて１０分間加熱保持後の保持率は８８％以上となる。
【００３０】
（銅合金の製造条件）
次に、この析出物粒子（Ｆｅ−Ｐ系化合物）を有するＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系銅合金の製造条件について以下に説明する。後述する好ましい時効処理、冷間圧延、低温焼鈍の各条件を除き、通常の製造工程自体を大きく変えることは不要である。
また、本製造工程における、冷間圧延、低温焼鈍での銅合金の１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムの変化を図６に示す。横軸は析出物粒子の粒径であり縦軸は度数である。
先ず、上記の好ましい成分範囲に調整された銅合金を溶解鋳造し、鋳塊を面削後、圧延率を６０％以上にて熱間圧延を施し、次に、９００〜９５０℃にて２〜４時間の溶体化処理を行う。
【００３１】
（時効処理）
溶体化処理後の銅合金板を４５０〜５７５℃にて３〜１２時間の時効処理を行い、広範な粒度分布を有する析出物粒子を析出させ、最終の目的とする構成の析出物粒子を得るための素地をつくる。４５０℃以下或いは３時間以下では析出物粒子が充分に析出せず、５７５℃以上或いは１２時間以上では銅合金組織が軟化する。
【００３２】
（第１冷間圧延）
時効処理後の銅合金板を加工率６０〜８０％で冷間圧延し、析出物の粒径を小さくすると共に更なる析出物粒子の析出を促進させる。析出相の優先核形成サイトが核生成の駆動力的に有利な転位セル境界となるため、核生成頻度が促進される。加工率が６０％以下では析出物粒子の粒径を小さくするには不十分であり、８０％以上では核生成頻度の促進効果に支障を来たす。図６に示す様に、この段階では析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値は形成されていないと推察される。
【００３３】
（第１低温焼鈍）
第１冷間圧延後の銅合金板を２００〜４００℃にて０．５分〜３時間の低温焼鈍を行い、析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値、頻度、半値幅を一定の範囲値内にシフトさせる。２００℃以下或いは０．５分以下では効果がなく、４００℃或いは３時間以上では析出物粒子の粗大化に繋がりピン止め効果の発揮に支障をきたす。図６に示す様に、この段階では析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値は１５ｎｍ以下になっていると推察されピン止め効果は充分に発揮されない。この１回の低温焼鈍のみでは、析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値、頻度、半値幅を最適範囲値内に入れるのは無理であり、更なる冷間圧延及び低温焼鈍が必要となる。
【００３４】
（第２冷間圧延）
第１低温焼鈍後の銅合金板を加工率３０〜６０％で冷間圧延し、析出物粒子を目的とする直径のヒストグラムのピーク値、頻度、半値幅の範囲内にシフトさせる素地を作成する。加工率６０％以上では全体としての圧延率が高くなり、再結晶化を促すことに繋がり、また、強度、導電率、ビッカース硬度にも悪影響を及ぼす。加工率３０％以下では殆んど効果はない。図６に示す様に、この段階でも析出物粒子の直径のヒストグラムピーク値は１５ｎｍ以下になっているが、更なる析出物粒子の析出を促進させ、ヒストグラムを最適化する素地が出来上がっていると推察される。
【００３５】
（第２低温焼鈍）
第２冷間圧延後の銅合金板を２００〜４００℃にて０．５分〜３時間の低温焼鈍を行い、図６に示す様に、析出物粒子の１μｍ2あたりの直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径１５〜３５ｎｍの範囲内であり、かつ、総度数の５０％以上の頻度とし、その半値幅を２５ｎｍ以下として、ピン止め効果を最大限に発揮させる。この析出物粒子の１μｍ2あたりの直径のヒストグラムの詳細を図５に示す。
【００３６】
この第２低温焼鈍にて、１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムが、目的とするピーク値、頻度、半値幅内にシフトしなければ、更に冷間圧延及び低温焼鈍を上記の加工率、熱処理条件にて繰返すことが必要となる。この場合、冷間圧延或いは低温焼鈍を単独で繰り返しても意味はなく、冷間圧延の後に低温焼鈍を行うことが重要である。
【００３７】
前述の様な構成とされた本実施形態の銅合金は、５００℃前後の高温領域においても、ピン止め効果を最大限に発揮して、強度の低下をきたさず、耐熱性に優れた高強度、高導電率の銅合金となる。
【００３８】
［リードフレーム］
リードフレームは、銅合金部材をリードフレームの形状に打ち抜き加工した後、ニッケルめっき、銅めっき、錫めっきを順に施し、これらをリフロー処理することによって得られる。
ニッケルめっきの条件としては、めっき浴に、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ4）、ホウ酸（Ｈ3ＢＯ3）を主成分としたワット浴、スルファミン酸ニッケル（Ｎｉ(ＮＨ2ＳＯ3)2）とホウ酸（Ｈ3ＢＯ3）を主成分としたスルファミン酸浴等が用いられる。例えば、硫酸ニッケルが３００ｇ／Ｌ、ホウ酸が３０ｇ／Ｌの濃度のめっき浴とされる。酸化反応を起こし易くする塩類として塩化ニッケル（ＮｉＣｌ2）などが加えられる場合もある。また、めっき温度は４５〜５５℃、電流密度は２０〜５０Ａ／ｄｍ2とされる。
【００３９】
銅めっきの条件としては、めっき浴に硫酸銅（ＣｕＳＯ4）及び硫酸（Ｈ2ＳＯ4）を主成分とした硫酸銅浴が用いられ、レベリングのために塩素イオン（Ｃｌ-）が添加される。例えば、硫酸銅が２５０ｇ／Ｌ、硫酸が６０ｇ／Ｌ、塩素イオンが５０ｍｇ／Ｌの濃度のめっき浴とされる。めっき温度は３５〜５５℃、電流密度は２０〜６０Ａ／ｄｍ2とされる。
【００４０】
錫めっきの条件としては、めっき浴に硫酸（Ｈ2ＳＯ4）と硫酸第一錫（ＳｎＳＯ4）を主成分とした硫酸浴が用いられる。また、錫めっき浴には、めっき表面を平滑にして光沢度を上げるために、光沢剤が添加される。その光沢剤としては、例えば、ポリオキシノニルフェニルエーテル等のような非イオン性界面活性剤とホルマリン等のようなホルミル基を成分とするものが好適である。この錫めっき浴としては、例えば、硫酸が８０ｇ／Ｌ、硫酸第一鉄が６０ｇ／Ｌ、光沢剤が１０ｍｇ／Ｌの濃度とされる。この場合、光沢剤の添加量としては、５〜１５ｍｇ／Ｌが好ましい。添加量が５ｍｇ／Ｌ未満では、錫めっき層表面に所望の光沢度（８０〜１１０％）が得られず、１５ｍｇ／Ｌを超えても効果は飽和する。めっき温度は１５〜３５℃、電流密度は１０〜３０Ａ／ｄｍ2とされる。
【００４１】
いずれのめっき処理も、一般的なめっき技術よりも高い電流密度で行われる。その場合に、めっき液の攪拌技術が重要となるが、めっき液を処理板に向けて高速で噴きつける方法やめっき液を処理板と平行に流す方法などとすることにより、処理板の表面に新鮮なめっき液を速やかに供給し、高電流密度によって均質なめっき層を短時間で形成することができる。そのめっき液の流速としては、処理板の表面において０．５ｍ／秒以上とすることが望ましい。また、この従来技術よりも一桁高い電流密度でのめっき処理を可能とするために、陽極には、アノード限界電流密度の高い酸化イリジウム（ＩｒＯ2）を被覆したＴｉ板等の不溶性陽極を用いることが望ましい。
【００４２】
このようにして銅合金部材の上にニッケルめっき層、銅めっき層、錫めっき層を順に形成した後、加熱してリフロー処理する。
このリフロー処理はＣＯ還元性雰囲気にした加熱炉内でめっき後の処理材を１０〜９０℃／秒の昇温速度で２４０〜３００℃のピーク温度まで加熱する加熱工程と、そのピーク温度に達した後、３０℃／秒以下の冷却速度で１〜３０秒間冷却する一次冷却工程と、一次冷却後に５０〜２５０℃／秒の冷却速度で冷却する二次冷却工程とを有する処理とする。一次冷却工程は空冷により、二次冷却工程は１０〜９０℃の水を用いた水冷により行われる。
【００４３】
このリフロー処理を還元性雰囲気で行うことにより錫めっき表面に溶融温度の高い錫酸化物皮膜が生成するのを防ぎ、より低い温度かつより短い時間でリフロー処理を行うことが可能となり、所望の合金（金属間化合物）構造を作製することが容易となる。また、冷却工程を二段階とし、冷却速度の小さい一次冷却工程を設けることにより、Ｃｕ原子がＳｎ粒内に穏やかに拡散し、所望の合金構造で成長する。つまり、前述したＳｎ柱状結晶の粒界からのＣｕの拡散を緩やかにして、その凸部をなだらかにする。そして、その後に急冷を行うことにより合金層の成長を止め、所望の構造で固定化することができ、適切な状態の表面粗さの銅錫合金層を得ることができる。
ところで、高電流密度で電析した銅と錫は安定性が低く室温においても合金化や結晶粒肥大化が発生し、リフロー処理で所望の合金構造を作ることが困難になる。このため、めっき処理後速やかにリフロー処理を行うことが望ましい。具体的には３０分以内、望ましくは１５分以内、より好ましくは５分以内にリフロー処理を行うとよい。めっき後の放置時間が短いことは問題とならないが、通常の処理ラインでは構成上１分後程度となる。
【００４４】
以上のような方法により、銅合金部材１１の上に形成したニッケルめっき層１２と、最表面を形成する錫めっき層１４との間に、銅錫合金層１３を有する３層めっきのリードフレーム８が完成される。この場合、図示はしないが、銅錫合金層１３はさらに、ニッケルめっき層１２の上に形成されるＣｕ3Ｓｎ層と、このＣｕ3Ｓｎ層の上に形成されるＣｕ6Ｓｎ5層とから構成される。
また、最表面の錫めっき層１４は、表面の光沢度が８０〜１１０％とされる。
【００４５】
［接合方法］
次に、このように構成したリードフレーム８にＬＥＤチップ１を接合する方法について説明する。
リードフレーム８の上にＬＥＤチップ１の電極を重ね合わせる。このとき、図２（ａ）に示すように、リードフレーム１のめっき層のうちの最表面の錫めっき層１４とＬＥＤチップ１の電極の最表面の金層９とが接触状態となる。そして、この重ね合わせ状態で加熱炉内に入れ、窒素雰囲気の下、温度２４０〜３００℃で、例えば６０〜１２０秒間保持することにより、これらを接合する。この接合条件に保持することにより、ＬＥＤチップ１の最表面層の金層９と、リードフレーム８の最表面の錫めっき層１４の一部との間に共晶反応が生じ、図２（ｂ）に示すように、例えば１０％Ａｕ−９０％Ｓｎの金錫共晶合金層１５を形成し、この金錫共晶合金層１５によってＬＥＤチップ１とリードフレーム８とが接合状態となる。
この１０％Ａｕ−９０％Ｓｎの共晶点は２１７℃であり、ボイド等の欠陥がなく高い接合強度となる金錫共晶合金層を得るために２４０℃以上の加熱温度とするのが好ましい。加熱温度が３００℃を超えても、接合強度のそれ以上の向上は期待できないとともに、熱応力が大きくなるので好ましくない。
【００４６】
また、この加熱処理においては、ピーク温度に保持した後、５０〜２５０℃／秒の冷却速度で急冷するのが好ましい。前述したように、最表面の錫めっき層は、リフロー処理後に８０〜１１０％の光沢度に仕上げられているが、この接合時の再度の加熱により表面が軟化する傾向にあるため、これを急冷することにより速やかに硬化させて、接合処理前の光沢度に仕上げるのである。
【００４７】
このようにしてＬＥＤチップ１とリードフレーム８とを接合することにより、これらの間に形成される金錫共晶合金層１５が両者を強固に接合することができ、また、リードフレーム８の最表面は、光沢度８０〜１１０％の錫めっき層１４により構成されるので、ＬＥＤチップ１から出射される光の反射効率が良く、ＬＥＤとしての性能を良好に発揮させることができる。
【実施例】
【００４８】
Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるＣｕ−Ｆｅ−Ｐ−Ｚｎ系銅合金を還元雰囲気下で溶解して鋳塊を作製し、これを前述の製造条件にて銅合金部材とした。この銅合金部材をプレス打抜きにて所定の形状に加工した後、その表面にニッケルめっき、銅めっき、錫めっきを順に施し、錫めっき浴中の光沢剤の添加量を変えて、種々のめっき付き銅合金リードフレームを得た。光沢剤としてはポリオキシノニルフェニルエーテルを使用した。その後、加熱してリフロー処理することにより、銅合金部材の表面にニッケルめっき層、銅錫合金層、錫めっき層が順に形成された３層めっき銅合金部材からなるリードフレームを作製した。
次に、ＬＥＤチップの電極最表面に金を種々の厚さで蒸着したものを用意し、リードフレームの最表面の錫めっき層に金蒸着層を重ね合わせてＬＥＤチップとリードフレームとを表１に示す温度で接合した。
そして、接合状態となったリードフレームとＬＥＤチップとの剥離試験を行い、また、リードフレーム表面の光沢度を測定した。
剥離試験は、米国ＭＩＬ ＳＴＤ−８８３に準拠して、ＬＥＤチップをリードフレームに接合し、ＬＥＤチップをピンセットの先端の様に尖った先でシェアーし、リードフレームから剥離しなかった試料を○とし、剥離した試料を×とした。
この剥離試験は、常温で実施するとともに、耐熱性を確認するために、１７５℃×１０００時間加熱した後についても実施した。
光沢度は、「ＪＩＳ Ｚ ８７４１ 測定方法３ ６０度鏡面光沢」に準拠して、接触式の光沢度計（日本電色工業株式会社製 ＰＧ−１Ｍ）にて測定した。測定サイズは１０×２０ｍｍとして、５箇所測定し、その平均値を光沢度とした。
これらの結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
この表１に示されるように、接合温度を２４０〜３００℃とすることにより、ＬＥＤチップが強固に接合され、剥離し難いものとなっている。この場合、加熱後も十分な接合強度を示しており、耐熱性も十分である。
一方、錫めっき浴に光沢剤を５〜１５ｍｇ／Ｌ添加してめっきしたものは、錫めっき層の光沢度が８０〜１１０％となっており、ＬＥＤから出射される光の反射率が高く、ＬＥＤの特性を十分に発揮させることができる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの記載に限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、前記実施形態では、銅合金部材をリードフレームの形状に打ち抜き加工した後にめっき処理、リフロー処理を施してリードフレームとしたが、最初に銅合金部材にめっき処理、リフロー処理した後に、リードフレームの形状に打ち抜き加工してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ ＬＥＤチップ
５，６ 電極
７，８ リードフレーム
９ 金層
１１ 銅合金部材
１２ ニッケルめっき層
１３ 銅錫合金層
１４ 錫めっき層
１５ 金錫共晶合金層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）チップとリードフレームとの接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤチップは、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板等の上にｐ型半導体とｎ型半導体とが接合状態に設けられ、ｐ側電極とｎ側電極との間に通電することにより、両半導体の間のｐｎ接合面で発光を生じさせるものであり、液晶のバックライト、オーディオ機器のインジケータ、信号機、電光掲示板、自動車等のランプ、電球や蛍光灯に代わる各種照明器具など、光源として用途が広まっている。
【０００３】
このようなＬＥＤチップとして、特許文献１又は特許文献２に記載のように、このＬＥＤチップをリードフレームに接続したものがある。
特許文献１記載の技術は、ＬＥＤチップがリードフレームに導電性接着剤によって接着固定されている。リードフレームは、銅又は銅合金の薄板を材料として、その表面に銀めっきされた構成とされ、ＬＥＤチップから出射された光の一部が、銀めっき面によって反射され、ＬＥＤチップの蛍光体分散樹脂内の蛍光体を励起・発光（白色光）させるようにされている。
特許文献２記載の技術では、ベース部となるコパール製パッケージ（リードフレーム）の表面にＮｉ／Ａｇ層が設けられ、ＬＥＤチップの裏面にアルミニウムでメタライズした状態でＡｇ−Ｓｎ合金にて共晶接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１９２９２９号公報
【特許文献１】特開２００６−２９４８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、リードフレームの表面には銀又は銀合金のめっき層が施されるが、この銀めっき層は、光の反射率が高いので、ＬＥＤチップからの光を有効に反射することができる反面、銀は融点が高いので、その上にＬＥＤチップを高強度に接合するのは難しくなる。
特許文献１記載の技術では導電性接着剤によってＬＥＤチップをリードフレームに接着しているが、導電性接着剤では耐熱性に不安がある。また、特許文献２記載に開示されているＡｇ−Ｓｎ合金を用いることにより、融点を下げることができるが、貴金属の銀を用いるため、高価になる。
【０００６】
本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、高価な銀を使用することなくリードフレームとＬＥＤチップとを高い接合強度で簡単に接合することができる接合方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の接合方法は、ＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法において、前記ＬＥＤチップの前記リードフレームと接合される部位に金を０．１〜１μｍの厚みにて蒸着するとともに、複数のめっき層あるいは合金層を形成した銅合金部材からなるリードフレームの前記ＬＥＤチップと接合される部位の最表面が光沢度８０〜１１０％の錫めっき層としておき、前記リードフレームの錫めっきが施された部位に前記ＬＥＤチップの金が蒸着された部位を重ね合わせ、その重ね合わせ状態で２４０〜３００℃の温度に加熱することにより、前記リードフレームの錫めっきが施された部位と、前記ＬＥＤチップの金が蒸着された部位との間に、金錫共晶合金層を形成して前記ＬＥＤチップを前記リードフレームに接合することを特徴とする。
【０００８】
リードフレーム最表面の錫とＬＥＤチップの金とが重ね合わせ状態で２４０〜３００℃の温度に加熱されることにより、両金属間に共晶反応が生じて例えば質量％で１０％Ａｕ−９０％Ｓｎの金錫共晶合金層を形成し、この金錫共晶合金層が強固な接合層となる。１０％Ａｕ−９０％Ｓｎの共晶点は２１７℃であり、ボイド等の欠陥がなく高い接合強度となる金錫共晶合金層を得るために２４０℃以上の加熱温度とするのが好ましい。加熱温度が３００℃を超えても、接合強度のそれ以上の向上は期待できないとともに、熱応力が大きくなるので好ましくない。
この場合、ＬＥＤチップ最表面の金層が０．１μｍ未満の厚さであると、十分な接合強度を確保するのに足るだけの厚みで金錫共晶合金層が形成されず、剥離が生じ易い。接合に寄与する金錫共晶合金層を形成するには、金層が０．１μｍ以上あればよく、１μｍを超えてもコスト面で無駄である。
また、リードレーム最表面の錫めっき層は、光沢度が８０〜１１０％であり、銀めっき層を最表面とした場合と遜色なくＬＥＤからの光を良好に反射することができる。光沢度が８０％未満では、光の反射が充分ではなく、１１０％以上では効果が飽和しコスト面で無駄となる。
【０００９】
本発明の接合方法において、前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に銅錫合金層、前記錫めっき層であるとよい。
また、前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に、ニッケルめっき層、銅錫合金層、前記錫めっき層としてもよい。
最表面が錫めっき層とされるので、リードフレームとして一般的に使用される、二層めっき、あるいは、三層めっきの銅合金部材を適用することができる。
【００１０】
さらに、本発明の接合方法において、前記銅合金部材は、Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、透過型電子顕微鏡観察において、１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径１５〜３５ｎｍの範囲内でありかつ当該範囲内の直径の析出物粒子が総度数の５０％以上の頻度で存在し、その半値幅が２５ｎｍ以下であるとよい。
この銅合金部材は、強度に優れるとともに、耐熱性が高く、プレス打抜き性、また、導電率も良好で、ＬＥＤチップに接続されるリードフレームとして好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、リードフレーム最表面の錫めっき層とＬＥＤチップの金層とを重ね合わせて加熱するという簡単な方法でこれらを接合することができ、これらの間に形成される金錫共晶合金層により強固に接合できる。したがって、高価な銀を使用することなく安価に製造することができる。しかも、錫めっき層の光沢により、ＬＥＤからの光を良好に反射することができ、ＬＥＤとしての特性を有効に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の接合方法によって接合された状態のＬＥＤチップとリードフレームとの断面図である。
【図２】図１のＸで示す部分の拡大断面図であり、（ａ）は接合前の重ね合わせた状態を示し、（ｂ）が接合後の状態を示す。
【図３】図１のリードフレームとして用いられる実施形態の銅合金の観察倍率５万倍による透過型電子顕微鏡観察写真である。
【図４】図３に示す実施形態の銅合金の観察倍率１０万倍による透過型電子顕微鏡観察写真である。
【図５】実施形態の銅合金の透過型電子顕微鏡観察による１μｍ2あたりの析出物粒子の直径の詳細なヒストグラムである。
【図６】実施形態の銅合金の製造時の冷間圧延、及び低温焼鈍工程における透過型電子顕微鏡観察による１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムの推移を示す概略図である。
【図７】実施形態の銅合金の５００℃加熱保持での耐熱性（保持率の経時変化）を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
ＬＥＤチップ１は、図１に示すように、サファイア基板２の表面にｎ型半導体層３とｐ型半導体層４とが接合状態に積層されるとともに、その一部のｐ型半導体層４を除去して露出させたｎ型半導体層３にｎ型電極５、ｐ型半導体層４にｐ型電極６が形成されたものである。このＬＥＤチップ１はフリップフロップタイプのＬＥＤチップであり、ｎ型電極５及びｐ型電極６にそれぞれリードフレーム７，８が接合状態に接続される。
【００１４】
図２には、そのｐ型電極部分を拡大して示しており、以下、このｐ型電極部分を代表して説明する。その電極６には、Ｔｉ層、Ｎｉ層、金（Ａｕ）層を含む複数の金属層が形成されており、図２（ａ）に示すように、その最表面層として電気接触性を向上させる金層９が蒸着にて形成されている。この金層９の厚さは、後述するようにリードフレームとの十分な接合強度を確保するために０．１〜１μｍが好ましい。
【００１５】
リードフレーム７は、所定の形状に打ち抜き加工された銅合金部材１１の上にニッケルめっき層１２、銅錫合金層１３、錫めっき層１４を順に形成したものであり、最表面が錫めっき層１４とされている。
このリードフレーム７とＬＥＤチップ１との接合部は、図２（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ１の最表面層を形成していた金層９が、リードフレーム７の最表面の錫めっき層１４の一部と共晶して、金錫共晶層１５を形成しており、この金錫共晶層１５によってＬＥＤチップ１とリードフレーム７とが接合されている。
【００１６】
次に、リードフレーム７の詳細について説明する。
［銅合金］
このリードフレームの基材を構成する銅合金は、必ずしも限定されるものではないが、耐熱性に優れ、引張り強度が５００ＭＰａ以上で、かつ、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上である基本特性を有するＣｕ−Ｆｅ−Ｐ−Ｚｎ系銅合金であり、Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる基本組成とする。この基本組成に対し、後述するＳｎ、Ｎｉ等の元素を更に選択的に含有させても良い。
【００１７】
（Ｆｅ）
Ｆｅは銅の母相中に分散する析出物粒子を形成して強度及び耐熱性を向上させる効果があるが、その含有量が１．５質量％未満では析出物の個数が不足し、その効果を奏功せしめることができない。一方、２．４質量％を超えて含有すると、強度及び耐熱性の向上に寄与しない粗大な析出物粒子が存在してしまい、耐熱性に効果のあるサイズの析出物粒子が不足してしまうことになる。このため、Ｆｅの含有量は１．５〜２．４質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００１８】
（Ｐ）
ＰはＦｅと共に銅の母相中に分散する析出物粒子を形成して強度及び耐熱性を向上させる効果があるが、その含有量が０．００８質量％未満では析出物粒子の個数が不足し、その効果を奏功せしめることができない。一方、０．０８質量％を超えて含有すると、強度及び耐熱性の向上に寄与しない粗大な析出物粒子が存在してしまい、耐熱性に効果のあるサイズの析出物粒子が不足してしまうことになると共に導電率及び加工性が低下してしまう。このため、Ｐの含有量は０．００８〜０．０８質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００１９】
（Ｚｎ）
Ｚｎは銅の母相中に固溶して半田耐熱剥離性を向上させる効果を有しており、０．０１質量％未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、０．５質量％を超えて含有しても、更なる効果を得ることが出来なくなると共に母相中への固溶量が多くなって導電率の低下をきたす。このため、Ｚｎの含有量は０．０１〜０．５質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００２０】
（Ｎｉ）
Ｎｉは母相中に固溶して強度を向上させる効果を有しており、０．００３質量％未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、０．５質量％を超えて含有すると導電率の低下をきたす。このため、Ｎｉを含有する場合には、０．００３〜０．５質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００２１】
（Ｓｎ）
Ｓｎは母相中に固溶して強度を向上させる効果を有しており、０．００３質量％未満ではその効果を奏功せしめることができない。一方、０．５質量％を超えて含有すると導電率の低下をきたす。このため、Ｓｎを含有する場合には、０．００３〜０．５質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００２２】
なお、この銅合金は、Ａｌ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｍｇ及びＳｉのうちの少なくとも１種以上が０．０００７〜０．５質量％含有されていても良い。これらの元素は、銅合金の様々な特性を向上させる役割を有しており、用途に応じて選択的に添加することが好ましい。
【００２３】
（析出物粒子の直径とその個数）
前述の銅合金は、図５に示す様に、透過型電子顕微鏡観察において、１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径１５〜３５ｎｍの範囲内でありかつ当該範囲内の直径の析出物粒子が総度数の５０％以上の頻度で存在し、その半値幅が２５ｎｍとされる。
【００２４】
即ち、析出物粒子の直径が上記のヒストグラムの限定範囲値内にピーク値を有する分布状態であれば、５００℃前後の高温領域においても、ピン止め効果を最大限に発揮して再結晶化を抑制し、高温での強度低下を確実に防止することが出来るのである。析出物粒子の直径のピーク値が限定範囲値を外れれば、ピン止め効果は小さくなって再結晶化を抑制出来ず、高温での強度を維持出来ず耐熱性の低下をきたすこととなる。
【００２５】
ここで、析出物粒子の直径は、その断面観察において、析出物粒子の面積に等しい面積を持つ円の直径（円相当直径）として算出した。この場合、析出物粒子の面積は、透過型電子顕微鏡観察画像から得られる画像鉛直方向への投影面積を観察倍率から実際の面積に換算した値となる。
また、透過型電子顕微鏡観察において、５ｎｍ以下の析出物粒子については、析出物粒子であるか或いは観察時に生じる影であるかの明確な識別が不可能であるため、観察された析出物粒子の全個数には含めないことにした。
更に、その観察においては、観察倍率によって分解能が変化し、観察される析出物粒子の直径や個数に変動が生じる。そこで、１５ｎｍ以上の析出物粒子を測定する際には観察倍率を５万倍とし、１５ｎｍ未満の析出物粒子を測定する際には観察倍率を１０万倍とした。
【００２６】
前述の銅合金の薄板から、透過型電子顕微鏡観察用の薄膜を作製し、観察倍率５万倍及び１０万倍で組織観察を行い、析出物粒子の直径及び個数を測定する。図３に観察倍率５万倍での観察写真を、図４に観察倍率１０万倍での観察写真を示す。なお、図３、図４に示された写真の実際の倍率については、これらの写真の右下に記載されたスケールバーから換算することになる。
【００２７】
図３及び図４において、矢印で示す粒子が析出物である。矢印Ａで示される粒子が直径１５〜３５ｎｍのものであり、矢印Ｂで示される粒子が直径１５ｎｍ未満、矢印Ｃで示される粒子が直径３５ｎｍを超えるものである。また、透過型電子顕微鏡観察にはレプリカ法により作製した試料を用いても良い。
【００２８】
図３に示す写真（観察倍率５万倍）の視野面積は２．６μｍ2である。従って、この写真内でカウントされた析出物粒子の個数を２．６で除し１μｍ2あたりの析出物の個数が算出されることになる。
同様に、図４に示す写真（観察倍率１０万倍）の視野面積は０．６５μｍ2である。従って、この写真内でカウントされた析出物粒子の個数を０．６５で除し１μｍ2あたりの析出物の個数が算出されることになる。
なお、透過型電子顕微鏡観察は局所的な観察となるため、観察箇所を変えてこのような観察を複数回行うことが好ましい。
【００２９】
（耐熱性試験）
この銅合金の耐熱性試験は次の方法で行い、保持率にて評価することが好ましい。
銅合金薄板試料を作製して加熱保持炉内にて５００℃にて１、３、５、１０分間各々保持した後のビッカース強度を測定し、各々の熱処理前のビッカース強度と比較し保持率にて耐熱性を評価する。
保持率は（熱処理後ビッカース強度）／（熱処理前ビッカース強度）にて算出する。各々の加熱保持時間での保持率の変化の代表例を図７に示す。
この銅合金は析出物粒子のピン止め効果が充分に発揮された優れた耐熱性を有し、５００℃にて１０分間加熱保持後の保持率は８８％以上となる。
【００３０】
（銅合金の製造条件）
次に、この析出物粒子（Ｆｅ−Ｐ系化合物）を有するＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系銅合金の製造条件について以下に説明する。後述する好ましい時効処理、冷間圧延、低温焼鈍の各条件を除き、通常の製造工程自体を大きく変えることは不要である。
また、本製造工程における、冷間圧延、低温焼鈍での銅合金の１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムの変化を図６に示す。横軸は析出物粒子の粒径であり縦軸は度数である。
先ず、上記の好ましい成分範囲に調整された銅合金を溶解鋳造し、鋳塊を面削後、圧延率を６０％以上にて熱間圧延を施し、次に、９００〜９５０℃にて２〜４時間の溶体化処理を行う。
【００３１】
（時効処理）
溶体化処理後の銅合金板を４５０〜５７５℃にて３〜１２時間の時効処理を行い、広範な粒度分布を有する析出物粒子を析出させ、最終の目的とする構成の析出物粒子を得るための素地をつくる。４５０℃以下或いは３時間以下では析出物粒子が充分に析出せず、５７５℃以上或いは１２時間以上では銅合金組織が軟化する。
【００３２】
（第１冷間圧延）
時効処理後の銅合金板を加工率６０〜８０％で冷間圧延し、析出物の粒径を小さくすると共に更なる析出物粒子の析出を促進させる。析出相の優先核形成サイトが核生成の駆動力的に有利な転位セル境界となるため、核生成頻度が促進される。加工率が６０％以下では析出物粒子の粒径を小さくするには不十分であり、８０％以上では核生成頻度の促進効果に支障を来たす。図６に示す様に、この段階では析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値は形成されていないと推察される。
【００３３】
（第１低温焼鈍）
第１冷間圧延後の銅合金板を２００〜４００℃にて０．５分〜３時間の低温焼鈍を行い、析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値、頻度、半値幅を一定の範囲値内にシフトさせる。２００℃以下或いは０．５分以下では効果がなく、４００℃或いは３時間以上では析出物粒子の粗大化に繋がりピン止め効果の発揮に支障をきたす。図６に示す様に、この段階では析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値は１５ｎｍ以下になっていると推察されピン止め効果は充分に発揮されない。この１回の低温焼鈍のみでは、析出物粒子の直径のヒストグラムのピーク値、頻度、半値幅を最適範囲値内に入れるのは無理であり、更なる冷間圧延及び低温焼鈍が必要となる。
【００３４】
（第２冷間圧延）
第１低温焼鈍後の銅合金板を加工率３０〜６０％で冷間圧延し、析出物粒子を目的とする直径のヒストグラムのピーク値、頻度、半値幅の範囲内にシフトさせる素地を作成する。加工率６０％以上では全体としての圧延率が高くなり、再結晶化を促すことに繋がり、また、強度、導電率、ビッカース硬度にも悪影響を及ぼす。加工率３０％以下では殆んど効果はない。図６に示す様に、この段階でも析出物粒子の直径のヒストグラムピーク値は１５ｎｍ以下になっているが、更なる析出物粒子の析出を促進させ、ヒストグラムを最適化する素地が出来上がっていると推察される。
【００３５】
（第２低温焼鈍）
第２冷間圧延後の銅合金板を２００〜４００℃にて０．５分〜３時間の低温焼鈍を行い、図６に示す様に、析出物粒子の１μｍ2あたりの直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径１５〜３５ｎｍの範囲内であり、かつ、総度数の５０％以上の頻度とし、その半値幅を２５ｎｍ以下として、ピン止め効果を最大限に発揮させる。この析出物粒子の１μｍ2あたりの直径のヒストグラムの詳細を図５に示す。
【００３６】
この第２低温焼鈍にて、１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムが、目的とするピーク値、頻度、半値幅内にシフトしなければ、更に冷間圧延及び低温焼鈍を上記の加工率、熱処理条件にて繰返すことが必要となる。この場合、冷間圧延或いは低温焼鈍を単独で繰り返しても意味はなく、冷間圧延の後に低温焼鈍を行うことが重要である。
【００３７】
前述の様な構成とされた本実施形態の銅合金は、５００℃前後の高温領域においても、ピン止め効果を最大限に発揮して、強度の低下をきたさず、耐熱性に優れた高強度、高導電率の銅合金となる。
【００３８】
［リードフレーム］
リードフレームは、銅合金部材をリードフレームの形状に打ち抜き加工した後、ニッケルめっき、銅めっき、錫めっきを順に施し、これらをリフロー処理することによって得られる。
ニッケルめっきの条件としては、めっき浴に、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ4）、ホウ酸（Ｈ3ＢＯ3）を主成分としたワット浴、スルファミン酸ニッケル（Ｎｉ(ＮＨ2ＳＯ3)2）とホウ酸（Ｈ3ＢＯ3）を主成分としたスルファミン酸浴等が用いられる。例えば、硫酸ニッケルが３００ｇ／Ｌ、ホウ酸が３０ｇ／Ｌの濃度のめっき浴とされる。酸化反応を起こし易くする塩類として塩化ニッケル（ＮｉＣｌ2）などが加えられる場合もある。また、めっき温度は４５〜５５℃、電流密度は２０〜５０Ａ／ｄｍ2とされる。
【００３９】
銅めっきの条件としては、めっき浴に硫酸銅（ＣｕＳＯ4）及び硫酸（Ｈ2ＳＯ4）を主成分とした硫酸銅浴が用いられ、レベリングのために塩素イオン（Ｃｌ-）が添加される。例えば、硫酸銅が２５０ｇ／Ｌ、硫酸が６０ｇ／Ｌ、塩素イオンが５０ｍｇ／Ｌの濃度のめっき浴とされる。めっき温度は３５〜５５℃、電流密度は２０〜６０Ａ／ｄｍ2とされる。
【００４０】
錫めっきの条件としては、めっき浴に硫酸（Ｈ2ＳＯ4）と硫酸第一錫（ＳｎＳＯ4）を主成分とした硫酸浴が用いられる。また、錫めっき浴には、めっき表面を平滑にして光沢度を上げるために、光沢剤が添加される。その光沢剤としては、例えば、ポリオキシノニルフェニルエーテル等のような非イオン性界面活性剤とホルマリン等のようなホルミル基を成分とするものが好適である。この錫めっき浴としては、例えば、硫酸が８０ｇ／Ｌ、硫酸第一鉄が６０ｇ／Ｌ、光沢剤が１０ｍｇ／Ｌの濃度とされる。この場合、光沢剤の添加量としては、５〜１５ｍｇ／Ｌが好ましい。添加量が５ｍｇ／Ｌ未満では、錫めっき層表面に所望の光沢度（８０〜１１０％）が得られず、１５ｍｇ／Ｌを超えても効果は飽和する。めっき温度は１５〜３５℃、電流密度は１０〜３０Ａ／ｄｍ2とされる。
【００４１】
いずれのめっき処理も、一般的なめっき技術よりも高い電流密度で行われる。その場合に、めっき液の攪拌技術が重要となるが、めっき液を処理板に向けて高速で噴きつける方法やめっき液を処理板と平行に流す方法などとすることにより、処理板の表面に新鮮なめっき液を速やかに供給し、高電流密度によって均質なめっき層を短時間で形成することができる。そのめっき液の流速としては、処理板の表面において０．５ｍ／秒以上とすることが望ましい。また、この従来技術よりも一桁高い電流密度でのめっき処理を可能とするために、陽極には、アノード限界電流密度の高い酸化イリジウム（ＩｒＯ2）を被覆したＴｉ板等の不溶性陽極を用いることが望ましい。
【００４２】
このようにして銅合金部材の上にニッケルめっき層、銅めっき層、錫めっき層を順に形成した後、加熱してリフロー処理する。
このリフロー処理はＣＯ還元性雰囲気にした加熱炉内でめっき後の処理材を１０〜９０℃／秒の昇温速度で２４０〜３００℃のピーク温度まで加熱する加熱工程と、そのピーク温度に達した後、３０℃／秒以下の冷却速度で１〜３０秒間冷却する一次冷却工程と、一次冷却後に５０〜２５０℃／秒の冷却速度で冷却する二次冷却工程とを有する処理とする。一次冷却工程は空冷により、二次冷却工程は１０〜９０℃の水を用いた水冷により行われる。
【００４３】
このリフロー処理を還元性雰囲気で行うことにより錫めっき表面に溶融温度の高い錫酸化物皮膜が生成するのを防ぎ、より低い温度かつより短い時間でリフロー処理を行うことが可能となり、所望の合金（金属間化合物）構造を作製することが容易となる。また、冷却工程を二段階とし、冷却速度の小さい一次冷却工程を設けることにより、Ｃｕ原子がＳｎ粒内に穏やかに拡散し、所望の合金構造で成長する。つまり、前述したＳｎ柱状結晶の粒界からのＣｕの拡散を緩やかにして、その凸部をなだらかにする。そして、その後に急冷を行うことにより合金層の成長を止め、所望の構造で固定化することができ、適切な状態の表面粗さの銅錫合金層を得ることができる。
ところで、高電流密度で電析した銅と錫は安定性が低く室温においても合金化や結晶粒肥大化が発生し、リフロー処理で所望の合金構造を作ることが困難になる。このため、めっき処理後速やかにリフロー処理を行うことが望ましい。具体的には３０分以内、望ましくは１５分以内、より好ましくは５分以内にリフロー処理を行うとよい。めっき後の放置時間が短いことは問題とならないが、通常の処理ラインでは構成上１分後程度となる。
【００４４】
以上のような方法により、銅合金部材１１の上に形成したニッケルめっき層１２と、最表面を形成する錫めっき層１４との間に、銅錫合金層１３を有する３層めっきのリードフレーム８が完成される。この場合、図示はしないが、銅錫合金層１３はさらに、ニッケルめっき層１２の上に形成されるＣｕ3Ｓｎ層と、このＣｕ3Ｓｎ層の上に形成されるＣｕ6Ｓｎ5層とから構成される。
また、最表面の錫めっき層１４は、表面の光沢度が８０〜１１０％とされる。
【００４５】
［接合方法］
次に、このように構成したリードフレーム８にＬＥＤチップ１を接合する方法について説明する。
リードフレーム８の上にＬＥＤチップ１の電極を重ね合わせる。このとき、図２（ａ）に示すように、リードフレーム１のめっき層のうちの最表面の錫めっき層１４とＬＥＤチップ１の電極の最表面の金層９とが接触状態となる。そして、この重ね合わせ状態で加熱炉内に入れ、窒素雰囲気の下、温度２４０〜３００℃で、例えば６０〜１２０秒間保持することにより、これらを接合する。この接合条件に保持することにより、ＬＥＤチップ１の最表面層の金層９と、リードフレーム８の最表面の錫めっき層１４の一部との間に共晶反応が生じ、図２（ｂ）に示すように、例えば１０％Ａｕ−９０％Ｓｎの金錫共晶合金層１５を形成し、この金錫共晶合金層１５によってＬＥＤチップ１とリードフレーム８とが接合状態となる。
この１０％Ａｕ−９０％Ｓｎの共晶点は２１７℃であり、ボイド等の欠陥がなく高い接合強度となる金錫共晶合金層を得るために２４０℃以上の加熱温度とするのが好ましい。加熱温度が３００℃を超えても、接合強度のそれ以上の向上は期待できないとともに、熱応力が大きくなるので好ましくない。
【００４６】
また、この加熱処理においては、ピーク温度に保持した後、５０〜２５０℃／秒の冷却速度で急冷するのが好ましい。前述したように、最表面の錫めっき層は、リフロー処理後に８０〜１１０％の光沢度に仕上げられているが、この接合時の再度の加熱により表面が軟化する傾向にあるため、これを急冷することにより速やかに硬化させて、接合処理前の光沢度に仕上げるのである。
【００４７】
このようにしてＬＥＤチップ１とリードフレーム８とを接合することにより、これらの間に形成される金錫共晶合金層１５が両者を強固に接合することができ、また、リードフレーム８の最表面は、光沢度８０〜１１０％の錫めっき層１４により構成されるので、ＬＥＤチップ１から出射される光の反射効率が良く、ＬＥＤとしての性能を良好に発揮させることができる。
【実施例】
【００４８】
Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるＣｕ−Ｆｅ−Ｐ−Ｚｎ系銅合金を還元雰囲気下で溶解して鋳塊を作製し、これを前述の製造条件にて銅合金部材とした。この銅合金部材をプレス打抜きにて所定の形状に加工した後、その表面にニッケルめっき、銅めっき、錫めっきを順に施し、錫めっき浴中の光沢剤の添加量を変えて、種々のめっき付き銅合金リードフレームを得た。光沢剤としてはポリオキシノニルフェニルエーテルを使用した。その後、加熱してリフロー処理することにより、銅合金部材の表面にニッケルめっき層、銅錫合金層、錫めっき層が順に形成された３層めっき銅合金部材からなるリードフレームを作製した。
次に、ＬＥＤチップの電極最表面に金を種々の厚さで蒸着したものを用意し、リードフレームの最表面の錫めっき層に金蒸着層を重ね合わせてＬＥＤチップとリードフレームとを表１に示す温度で接合した。
そして、接合状態となったリードフレームとＬＥＤチップとの剥離試験を行い、また、リードフレーム表面の光沢度を測定した。
剥離試験は、米国ＭＩＬ ＳＴＤ−８８３に準拠して、ＬＥＤチップをリードフレームに接合し、ＬＥＤチップをピンセットの先端の様に尖った先でシェアーし、リードフレームから剥離しなかった試料を○とし、剥離した試料を×とした。
この剥離試験は、常温で実施するとともに、耐熱性を確認するために、１７５℃×１０００時間加熱した後についても実施した。
光沢度は、「ＪＩＳ Ｚ ８７４１ 測定方法３ ６０度鏡面光沢」に準拠して、接触式の光沢度計（日本電色工業株式会社製 ＰＧ−１Ｍ）にて測定した。測定サイズは１０×２０ｍｍとして、５箇所測定し、その平均値を光沢度とした。
これらの結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
この表１に示されるように、接合温度を２４０〜３００℃とすることにより、ＬＥＤチップが強固に接合され、剥離し難いものとなっている。この場合、加熱後も十分な接合強度を示しており、耐熱性も十分である。
一方、錫めっき浴に光沢剤を５〜１５ｍｇ／Ｌ添加してめっきしたものは、錫めっき層の光沢度が８０〜１１０％となっており、ＬＥＤから出射される光の反射率が高く、ＬＥＤの特性を十分に発揮させることができる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの記載に限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、前記実施形態では、銅合金部材をリードフレームの形状に打ち抜き加工した後にめっき処理、リフロー処理を施してリードフレームとしたが、最初に銅合金部材にめっき処理、リフロー処理した後に、リードフレームの形状に打ち抜き加工してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ ＬＥＤチップ
５，６ 電極
７，８ リードフレーム
９ 金層
１１ 銅合金部材
１２ ニッケルめっき層
１３ 銅錫合金層
１４ 錫めっき層
１５ 金錫共晶合金層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法において、
前記ＬＥＤチップの前記リードフレームと接合される部位に金を０．１〜１μｍの厚みにて蒸着するとともに、複数のめっき層あるいは合金層を形成した銅合金部材からなるリードフレームの前記ＬＥＤチップと接合される部位の最表面が光沢度８０〜１１０％の錫めっき層としておき、前記リードフレームの錫めっきが施された部位に前記ＬＥＤチップの金が蒸着された部位を重ね合わせ、その重ね合わせ状態で２４０〜３００℃の温度に加熱することにより、前記リードフレームの錫めっきが施された部位と、前記ＬＥＤチップの金が蒸着された部位との間に、金錫共晶合金層を形成して前記ＬＥＤチップを前記リードフレームに接合することを特徴とするＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法。
【請求項２】
前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に銅錫合金層、前記錫めっき層であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法。
【請求項３】
前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に、ニッケルめっき層、銅錫合金層、前記錫めっき層であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法。
【請求項４】
前記銅合金部材は、Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、透過型電子顕微鏡観察において、１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径１５〜３５ｎｍの範囲内でありかつ当該範囲内の直径の析出物粒子が総度数の５０％以上の頻度で存在し、その半値幅が２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法。
【請求項１】
ＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法において、
前記ＬＥＤチップの前記リードフレームと接合される部位に金を０．１〜１μｍの厚みにて蒸着するとともに、複数のめっき層あるいは合金層を形成した銅合金部材からなるリードフレームの前記ＬＥＤチップと接合される部位の最表面が光沢度８０〜１１０％の錫めっき層としておき、前記リードフレームの錫めっきが施された部位に前記ＬＥＤチップの金が蒸着された部位を重ね合わせ、その重ね合わせ状態で２４０〜３００℃の温度に加熱することにより、前記リードフレームの錫めっきが施された部位と、前記ＬＥＤチップの金が蒸着された部位との間に、金錫共晶合金層を形成して前記ＬＥＤチップを前記リードフレームに接合することを特徴とするＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法。
【請求項２】
前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に銅錫合金層、前記錫めっき層であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法。
【請求項３】
前記複数のめっき層あるいは合金層が、前記銅合金部材の表面から順に、ニッケルめっき層、銅錫合金層、前記錫めっき層であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法。
【請求項４】
前記銅合金部材は、Ｆｅ；１．５〜２．４質量％、Ｐ；０．００８〜０．０８質量％およびＺｎ；０．０１〜０．５質量％を含み、透過型電子顕微鏡観察において、１μｍ2あたりの析出物粒子の直径のヒストグラムにおけるピーク値が直径１５〜３５ｎｍの範囲内でありかつ当該範囲内の直径の析出物粒子が総度数の５０％以上の頻度で存在し、その半値幅が２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のＬＥＤチップとリードフレームとの接合方法。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図３】
【図４】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１４６５６７（Ｐ２０１１−１４６５６７Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６８２０（Ｐ２０１０−６８２０）
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（０００１７６８２２）三菱伸銅株式会社 (116)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（０００１７６８２２）三菱伸銅株式会社 (116)
【Ｆターム（参考）】
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