JP2004221598A - Ｌｅｄアセンブリの正確なアラインメント - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤ（発光ダイオード）の正確な装着方法及びそのＬＥＤアセンブリを提供する。
【解決手段】 ヒートシンク及びサブマウントを含むＬＥＤアセンブリ。ヒートシンクは、半田可溶性の上部合わせ面を有し、サブマウントは、半田可溶性の下部合わせ面を有する。上部及び下部合わせ面は、実質的に同じ形状及び面積を有する。サブマウントは、ヒートシンクの上に半田付けされる。半田リフローの間に、溶融半田により、サブマウントがヒートシンクの上部合わせ面と位置合せされる。ＬＥＤアセンブリは、上部合わせ面を有する基板を更に含むことができ、ヒートシンクは、下部合わせ面を更に含むことができる。上部及び下部合わせ面は、実質的に同じ形状及び面積を有する。ヒートシンクは、基板の上に半田付けされる。半田リフローの間に、溶融半田により、ヒートシンクが基板の上部合わせ面と位置合せされる。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）に関し、具体的には、ＬＥＤの正確な装着に関する。

ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤのような光学的光源は、シリコンのような中間材料又はサブマウント上に「フリップチップ」方式で装着される場合がある。パッケージ全体は、光発生能力全体を高めると同時に高電流密度作動を考慮して熱抵抗が低くなるように設計されている。通常は、エポキシ化合物を用いてサブマウントをヒートシンク上に取り付け、支持部及びフリップチップ装置とＬＥＤパッケージとの間の熱経路を形成する。次に、同様のエポキシ化合物を用いて、ＬＥＤパッケージが顧客の配線盤に取り付けられる。

しかしながら、エポキシで取り付けられた装置は、（ａ）エポキシが、パッケージのより高い熱抵抗をもたらす本質的に弱い熱伝導性を有すること、（ｂ）光学的性能の低下をもたらす合わせ部品間の不十分なアラインメント、及び（ｃ）短絡をもたらす可能性があるチップ側のフィレットの形成という様々な欠点を有する。従って、これらの問題に対処するＬＥＤアセンブリが必要である。

本発明の一実施形態において、ＬＥＤアセンブリは、ヒートシンク及びサブマウントを含む。ヒートシンクは、半田可溶性の上部合わせ面を有し、サブマウントは、半田可溶性の下部合わせ面を有する。上部及び下部合わせ面は、実質的に同じ形状及び面積を有する。サブマウントは、ヒートシンクの上に半田付けされる。リフロー処理の間に、溶融半田により、サブマウントがヒートシンクの上部合わせ面と位置合せされる。
一実施形態においては、アセンブリは、半田可溶性の第２の上部合わせ面を有する基板を更に含み、ヒートシンクは、半田可溶性の第２の下部合わせ面を更に含む。第２の上部及び下部合わせ面は、実質的に同じ形状及び面積を有する。ヒートシンクは、基板の上に半田付けされる。リフロー処理の間に、溶融半田により、ヒートシンクが基板の第２の上部合わせ面と位置合せされる。

本発明の一実施形態においては、サブマウントは、エポキシの代わりに半田によりヒートシンク上に装着される。サブマウントは、半田付け可能な下部合わせ面を有し、ヒートシンクは、実質的に同じ形状及び面積の半田付け可能な上部合わせ面を有する。半田リフローの間に、溶融半田によりサブマウントがヒートシンクと位置合せされる。更に、ヒートシンクは、エポキシの代わりに半田により基板上に装着される。ヒートシンクは、半田付け可能な下部合わせ面を有し、基板は、実質的に同じ形状及び面積の半田付け可能な上部合わせ面を有する。ここでもまた、半田リフローの間に、溶融半田によりヒートシンクが基板と位置合せされる。

図１Ａ及び図２Ｂは、一実施形態におけるＬＥＤアセンブリ１００の組立分解図である。図２は、組み立てられたＬＥＤアセンブリ１００の断面図である。ＬＥＤアセンブリ１００は、ＬＥＤパッケージ１０１及び基板１２０を含む。
ＬＥＤパッケージ１０１は、サブマウント１０８上に装着されたＬＥＤダイ１１０を含む。サブマウント１０８は、導電性又は絶縁性とすることができる。サブマウント１０８は、シリコン、銅、銀、ダイヤモンド、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ベリリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、又は、他の熱伝導性材料、化合物、又は複合物で作ることができる。本実施形態においては、ＬＥＤダイ１１０は、サブマウント１０８上のボールグリッドアレーを半田１２９を用いてＬＥＤダイ１１０上の接触パッドに半田付けすることにより、サブマウント１０８に結合される（図２）。サブマウント１０８は、ＬＥＤダイ１１０をボンドワイヤ接点に結合する導電トレースで形成される。ツェナーダイオードをトレースの経路に形成して静電放電を防止することができる。

サブマウント１０８は、ヒートシンク１０２（「スラグ」とも呼ばれる）上に装着される。スラグ１０２は、シリコン、銅、銀、ダイヤモンド、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ベリリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、又は、他の熱伝導性材料、化合物、又は複合物で作ることができる。スラグ１０２は、半田可溶性の上部合わせ面１０４（図１Ａ及び図２に示す）及び半田可溶性の下部合わせ面１０６を有する。スラグ１０２が本質的に非可溶性材料の場合は、合わせ面１０４及び１０６は、銀、ニッケル、金、錫、銅、又はパラジウムのような可溶性材料の層をスラグ１０２上に堆積させることにより可溶性にすることができる。本実施形態においては、合わせ面１０４及び１０６は、スラグ１０２の隆起面である。他の実施形態においては、合わせ面１０４及び１０６は、非可溶性表面内に包含された水平な可溶性表面としてもよい。スラグ１０２が本質的に可溶性材料の場合は、合わせ面１０４及び１０６は、スラグ１０２上に堆積させた半田マスク又は酸化物のような非可溶性材料の層によって形成することができる。

半田ペーストは、合わせ面１０４上に堆積され、サブマウント１０８は、合わせ面１０４の上の半田ペースト上に配置される。サブマウント１０８は、合わせ面１０４と実質的に同じ形状及び大きさを有する半田可溶性の下部合わせ面１０９を有する。サブマウント１０８が本質的に非可溶性材料の場合は、合わせ面１０９は、銀、ニッケル、金、錫、銅、又はパラジウムのような可溶性材料の層をサブマウント１０８の底面上に堆積させることにより可溶性にすることができる。半田ペーストは、従来のリフロー処理中に加熱される。合わせ面１０９が合わせ面１０４と実質的に同じ形状及び面積を有するために、溶融半田は、その溶融半田の表面張力によって合わせ面１０９を合わせ面１０４と位置合せする。一実施形態においては、小さい方の円周が大きい方の円周の５０％又はそれ以上の時に、２つの面は、実質的に同じ形状及び面積を有する。別の実施形態においては、２つの面は、溶融半田がそれらを２０ミクロン又はそれに優る精度で位置合わせすることができる時に実質的に同じ形状及び面積を有する。

リフロー処理の最後に、半田ペーストは、サブマウント１０８を合わせ面１０４に結合する半田１２４（図２）となる。すなわち、ＬＥＤダイ１１０は、スラグ１０２と正確に位置合わせされて結合することができる。本実施形態においては、合わせ面１０９及び１０４は両方とも六角形である。他の実施形態においては、合わせ面が実質的に同じ形状及び大きさであるという条件の下で、代替の幾何学的形態が用いられる。

ＬＥＤパッケージ１００は、空洞１１４を形成する本体１１２を更に含む（図１Ａ及び図１Ｂ）。本体１１２は、プラスチックのような任意の誘電体で作ることができる。スラグ１０２は、空洞１１４の内部で本体１１２に装着される。本体１１２は、ＬＥＤパッケージ１００と他のコンポーネントとの間に電気信号を通すリード１１６を含む。ボンドワイヤ１２８（図２）は、サブマウント１０８をリード１１６に結合させる。本体１１２は、本体１１２上に装着されたレンズ１１８を更に含む。封入材をレンズ１１８に充填してＬＥＤダイ１１０を保護することができる。

ＬＥＤ１００パッケージは、熱伝導性基板１２０上に装着することができる。基板１２０は、半田可溶性の上部合わせ面１２２を有する。本実施形態においては、合わせ面１２２は水平であり、非可溶性表面１２３内に包含される。合わせ面１２２は、銀、ニッケル、金、錫、銅、又はパラジウムのような可溶性材料の層を基板１２０上に堆積させることにより可溶性にすることができる。非可溶性表面１２３は、半田マスク又は酸化物のような非可溶性材料の層を基板１２０上に堆積させることにより作ることができる。他の実施形態においては、合わせ面１２２は、基板１２０の隆起面としてもよい。

半田ペーストは、合わせ面１２２上に堆積され、スラグ１０２は、合わせ面１２２の上の半田ペースト上に配置される。スラグの合わせ面１０６は、合わせ面１２２と実質的に同じ形状及び面積を有する。半田ペーストは、従来のリフロー処理中に加熱される。合わせ面１０６が合わせ面１２２と実質的に同じ形状及び面積を有するために、溶融半田は、合わせ面１０６を合わせ面１２２に対して位置合わせする。リフロー処理の最後に、半田ペーストは、スラグのＬＥＤパッケージ１０１を合わせ面１２２に結合する半田１２６（図２）となる。すなわち、ＬＥＤパッケージ１０１は、基板１２０と正確に位置合わせされて結合することができる。本実施形態においては、合わせ面１０６及び１２２は両方とも六角形である。他の実施形態においては、合わせ面が実質的に同じ形状及び大きさであるという条件の下で、代替の幾何学的形態が用いられる。

半田１２４及び１２６は、エポキシよりも低い熱抵抗を有し、従って、それらは、より高温の作動のためにより多くの熱をＬＥＤパッケージ１００から基板１２０に伝導させる。半田１２４及び１２６はまた、高温作動においてエポキシよりも強固で信頼性がある。更に、半田１２４はまた、いかなる余分な半田も隆起した合わせ面１０４の周囲を流れ下り、サブマウント１０８の伝導性上面及び取り付けられたボンドワイヤ１２８から離れる方向に流れることになるために、サブマウント１０８をスラグ１０２に短絡させる可能性が少ない。

一実施形態においては、半田１２９の液相線温度は、半田１２４のそれよりも高く、半田１２４の液相線温度は、半田１２６のそれよりも高い。これは、次に続くリフロー処理が先のリフロー処理からの半田付けされた部分を乱すことを防止する。
ＬＥＤダイは、本発明を使用するのにフリップチップである必要はない。
開示した実施形態の特徴の他の種々の適応及び組合せは、本発明の範囲内である。例えば、半田ペーストは、２つの可溶性合わせ面のいずれか一方又は両方に付加してもよい。特許請求の範囲は、多くの実施形態を包含する。

一実施形態におけるＬＥＤパッケージ１００の組立分解図である。 一実施形態におけるＬＥＤパッケージ１００の組立分解図である。 図１の実施形態におけるＬＥＤパッケージ１００の断面図である。

符号の説明

１００ ＬＥＤアセンブリ
１０１ ＬＥＤパッケージ
１０２ ヒートシンク又はスラグ
１０４、１２２ 上部合わせ面
１０６ 下部合わせ面
１０８ サブマウント
１１０ ＬＥＤダイ
１１６ リード
１１８ レンズ
１２０ 基板

Claims (26)

1. 半田可溶性の上部合わせ面を含むヒートシンクと、
   該上部合わせ面と実質的に同じ形状及び面積を有する半田可溶性の下部合わせ面を含み、第１の半田により該ヒートシンクの上に結合されたサブマウントと、
   該サブマウントの上に結合されたＬＥＤダイと、
   を含むことを特徴とするＬＥＤアセンブリ。
2. 前記上部合わせ面及び前記下部合わせ面の形状は、六角形であることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記上部合わせ面は、隆起面であることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記ヒートシンクを受け入れるための空洞を形成する絶縁本体と、
   該絶縁本体に取り付けられた金属リードと、
   前記サブマウントを該金属リードに結合させるボンドワイヤと、
   を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
5. 前記ヒートシンクは、半田可溶性の第２の下部合わせ面を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
6. 前記第２の下部合わせ面は、隆起面であることを特徴とする請求項５に記載のアセンブリ。
7. 前記第２の下部合わせ面と実質的に同じ形状及び面積を有する半田可溶性の第２の上部合わせ面を備えた基板を更に含み、
   前記ヒートシンクは、第２の半田により該基板の上に結合される、
   ことを特徴とする請求項５に記載のアセンブリ。
8. 前記第２の下部合わせ面及び前記第２の上部合わせ面の形状は、六角形であることを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記ＬＥＤダイは、フリップチップであることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
10. 前記ＬＥＤダイは、第３の半田により前記サブマウントの上の導体に結合された接触パッドを含むことを特徴とする請求項５に記載のアセンブリ。
11. 前記第３の半田は、前記第１の半田よりも高い液相線温度を有し、該第１の半田は、前記第２の半田よりも高い液相線温度を有することを特徴とする請求項１０に記載のアセンブリ。
12. 前記ヒートシンクは、熱伝導性スラグであることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
13. 前記上部及び下部合わせ面は、１つの円周が別の円周の少なくとも５０％である時に実質的に同じ形状及び面積を有することを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
14. 前記上部及び下部合わせ面は、前記第１の半田が該上部及び下部合わせ面を少なくとも２０ミクロンの精度で位置合わせする時に実質的に同じ形状及び面積を有することを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
15. ＬＥＤダイをサブマウント上に装着する段階と、
    実質的に同じ形状及び面積を有する、前記サブマウントの下部合わせ面とヒートシンクの上部合わせ面との間に第１の半田を付加する段階と、
    リフローする間に前記サブマウント及び前記ヒートシンクが位置合わせされて互いに結合されるように、前記第１の半田をリフローする段階と、
    を含むことを特徴とする、ＬＥＤコンポーネントを組み立てる方法。
16. 前記第１の半田を付加する段階は、
    前記第１の半田を前記ヒートシンクの前記上部合わせ面に付加する段階と、
    該ヒートシンクの該上部合わせ面の上の該第１の半田上に、前記サブマウントの前記下部合わせ面を配置する段階と、
    を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 実質的に同じ形状及び面積を有する、前記ヒートシンクの第２の下部合わせ面と基板の第２の上部合わせ面との間に第２の半田を付加する段階と、
    リフローする間に前記ヒートシンク及び前記基板が位置合わせされて互いに結合されるように、前記第２の半田をリフローする段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記第２の半田を付加する段階は、
    該第２の半田を前記基板の前記第２の上部合わせ面に付加する段階と、
    該基板の該第２の上部合わせ面の上の該第２の半田上に、前記ヒートシンクの前記第２の下部合わせ面を配置する段階と、
    を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１の半田をリフローする段階は、前記第２の半田をリフローする段階よりも高い温度で起こることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 前記ＬＥＤダイをサブマウント上に装着する段階は、
    第３の半田を該ＬＥＤダイと該サブマウントとの間に付加する段階と、
    リフローする間に該ＬＥＤダイ及び該サブマウントが互いに結合されるように、該第３の半田をリフローする段階と、
    を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 前記第３の半田をリフローする段階は、前記第１の半田をリフローする段階よりも高い温度で起こることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記下部合わせ面及び前記上部合わせ面の形状は、六角形であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
23. 前記第２の下部合わせ面及び前記第２の上部合わせ面の形状は、六角形であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
24. 前記ヒートシンクは、熱伝導性スラグであることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
25. 前記上部及び下部合わせ面は、１つの円周が別の円周の少なくとも５０％である時に実質的に同じ形状及び面積を有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
26. 前記上部及び下部合わせ面は、前記第１の半田が該上部及び下部合わせ面を少なくとも２０ミクロンの精度で位置合わせする時に実質的に同じ形状及び面積を有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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