JP2006303509A - 発光ダイオードを有する透明デバイスの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光ダイオード(LED)を用いて透明ディスプレイを製造するための方法を提供する。
【解決手段】透明な下層15の上に一連の導電性経路16、20、30を設けるステップと、電子制御手段に導電性経路を接続するステップと、導電性経路によって個々に又はグループでアドレス可能であるLED光源のアレイを下層15に連関させるステップと、を備えるタイプの透明なLEDデバイスの製造方法であって、LED光源は、チップ・オン・ボードのタイプの技術によって、半導体ウェーハを分割してパッケージなしで得られた要素であるチップの形で一体化され、方法は、ダイ・ボンディングのためのフリップチップ技術(つまり下層へのチップ10の電気的な接続)の使用を意図している。
【選択図】図２ｃ

Description

本発明は、発光ダイオード(LED)を用いて、透明ディスプレイを製造するための方法に関する。当該方法は、
導電性経路を持った完全に透明な下層を提供するステップと、
特にフリップチップ技術を用いて、ダイ・ボンディングのプロセスによってチップの形でLEDのアレイを前記下層に連関するステップと、
LEDチップを下層に接続するために異方性の導電ペーストを用いるステップと、
包装材料をチップ上に堆積することによって、機械的で外部の環境ストレスから発光デバイスを保護するステップと、を備えている。
知られているように、LED光源は、チップ又はダイ(もしプリント基板上で電気的に供給されれば光線を放射する多層の半導体要素)の形で直接に一体化することができる。いくつかの可能な適用は、光信号（light signalling）デバイス、ヘッドライト又は自動車用の他のライト、公に情報を提供するためのデバイス等である。
前記デバイスを製造するための技術は、チップ・オン・ボード(COB)技術の名前で知られていて、LEDチップのアレイを適切な下層に直接に取り付けることにある。前記技術は、第一に、「ダイ・ボンディング」という用語(熱接続又は下層へのダイの電気熱の接続)によって知られたプロセスを含んでいる。ワイヤ・ボンディングの可能な操作(回路へのチップの電気的接続)がそれに連関している。ダイ・ボンディング技術の中で、フリップチップ方法は、チップをひっくり返すこと（turning over）、および電気的接続のためにワイヤを用いずに、そのパッドの回路への電気熱の接続を意図している、このように、さらなるワイヤ・ボンディング・プロセスを除外している。フリップチップ・プロセスでは、パッドの接続は、金属バンプ(ボール)によって典型的に得られる。最終ステップとして、COBプロセスは、適切な樹脂によって外部ストレスからの光源のパッケージング又は保護を意図している。
一般的なプリント基板12に接続されたダイの上面に金属接続体(パッド)11を備えたチップ10の形で、LEDが図１に示されている。それは、ワイヤ・ボンディング技術(a)およびフリップチップ技術(b)によって、導電性経路13を支える（carry）。第一の場合(a)では、ダイと回路との電気的接続は金属ワイヤ14によってなされる。第二の場合(b)では、ダイ10は上下逆さまにされる。また、金属パッド11は、回路の経路13に直接に接続される。
透明な下層へのチップの電気的接続のために、ワイヤ・ボンディングの合併された技術によるLEDチップを用いるデバイスの製造技術が知られている。目的が透明デバイスを提供することである場合に、透明な下層(例えばプラスチック又はガラス)および透明な導電性経路(例えば透明な導電性酸化物又はTCOで作られたもの)を用いることが必要である。しかしながら、この場合、TCOで作られた透明な導電性経路に加えて、下層にワイヤをボンディングすることを可能にするために金属(通常、金)で作られた小島（isle）を設けることが必要である。
金属の小島の存在のためにデバイスの透明性が低いこと、
金属パッドの選択的な堆積のステップおよびワイヤ・ボンディング・ステップを導入することが必要である限りでは製造することに長い時間と高いコストが必要であること、
壊れることを防ぐためにパッケージング樹脂を備えたワイヤ・ボンディングに用いられた金属ワイヤを保護することが必要であること、
ワイヤによって部分的に覆われたLEDチップの発光という必然的な不都合を持っている。
パッケージングのプロセスの間にワイヤの分離又は破壊に続いて、ワイヤ・ボンディング・ステップは、さらに製造歩留まり（yield）の低下を導くことができる。
本発明の目的は、下層にLEDチップを接続するためにフリップチップ技術を用いて前述の問題を克服することである。
本発明によれば、前記目的は請求項１記載の方法によって達成される。本発明の主題は、前記の方法で得られたデバイスであり、また請求項１１乃至３０の一つ以上の特徴を有するデバイスである。
前記の本発明の実現は、同じ面(もしフリップチップ配置で取り付けられるなら、通常は底面である)の上に金属パッドと、透明な下層(通常、SiC又はAl2O3)と、を備えたLEDチップの使用を意図する。チップのこれらのタイプは、フリップチップ配置で発光が容易になるように設計されている（図１の詳細部(b)を見ること）。
請求項２に記述された好ましい実施態様によれば、本発明は、経路に対して直接にチップを電気的に接続するために異方性の導電性ペーストを使用することを意図する。ペーストの異方性は、下層15に対して実質的に垂直な方向でだけ導電性が起こり、二つの電極がペーストの同じ滴（drop）に物理的に接触しているが、LEDチップの二つの電極が相互に短絡することを防止する。
ダイ・ボンディングの既知の技術(それは金属バンプを用いる)と異なり、異方性の導電性樹脂を用いるボンディングの技術は、金属パッドの使用を必要としない。
本発明は、添付図面を参照しながら説明される。
図２ａ乃至２ｃは、好ましい実施態様に係るデバイスの製造プロセスの模式的な例示である。図２ａから図２ｃに示したプロセスは、
1.TCOで作られた導電性経路（path）16を備えた透明な下層15を作成するステップ(図２ａ)と、
2.LEDチップ10のために意図された位置に対応する領域に異方性ペーストを分注するステップと、
3.下層15に面する金属パッドを持ったLED10(フリップチップ)をTCO16の経路に対応する領域に位置決めするステップ(図２ｂ)と、
4.異方性ペーストを熱硬化させるステップと、
5.光放射を増加させるためにおよび外部ストレスから保護するために適切な樹脂で各チップ(あるいはチップのセット)をパッケージングするステップとを含んでいる。図２ｃから分かるように、チップの各々は、いわゆる小滴（glob）トップ17(つまり樹脂質のパッケージ)で、実質的にドーム形に被覆されている。
本発明の変形例によれば、(ガラス又はプラスチックの)上層15'の使用が意図されている。前記上層15'は、デバイスの透明性を保証するだけでなく、パネルがバックグラウンドの視覚を歪めることなくそして／又は光学のパワーを導入しないということを保証するために、透明樹脂の保護層を平らにすることを保証する機能を有している。
この場合、小滴（glob）のトップ17は、下層15と上層15'との間にカプセルに入れられ続ける樹脂の連続的な層17'と置換される(図９)。
先の説明から、提案した方法の利点が明確になる。最も大きな利点が、デバイスの優れた透明である。LEDチップに対応する領域(典型的には0.1mm2の表面領域を有する)にだけ、暗い領域が形成されるだろう。更に、この方法で、光のポイントの高密度を備えたディスプレイを得て、ワイヤによって電気的な接続に必要なスペースを除去することは可能である。
TCOで作られた導電性経路は、金属経路(path)と置換することができる。たとえデバイスの透明が明らかに低くなると分かっても、これはデバイスのコスト削減を可能にする。TCOと比較したときの金属の低い電気的抵抗は、経路が同じ厚さで同じ幅であるならば供給電圧の低下を可能にし、供給電圧が同じであるならば経路の寸法を小さくすることを可能にする。
図３に示されたさらに好ましい実施態様において、LEDチップは、マトリックスに配置されている。各LEDが、行（row）20と列（column）30との間の交叉のポイントに位置決めされる。前記行と前記列との間で適切な電位差の印加によって各単一のLEDチップが個々にアドレス可能であるように、行20および列30が導電材料の経路によって構成されている。
行は、絶縁材料の層40、行20の上に堆積された例えばシリコン酸化物、によって列から電気的に絶縁される、シリコン酸化物は、例えば熱蒸発、電子ビーム蒸発、スパッタリング、CVD、スピンコート、およびディッピングなどの操作による。
次に、導電材料(例えば、金属や透明な導電性酸化物(TCO)によって構成された列30が、層40の上に堆積される。
図３ｂおよび３ｃに示された好ましい実施態様において、電気絶縁材料の層40は、導電材料の下にある行20へのアクセスを可能にするように、各LEDに対して意図的に設けられたパッド21に対応する領域においてだけ除去される。最後に、本発明によれば、LEDチップは、二つの電極のうちの一方の電極がパッド21に対応する領域にあり、他方の電極が導電材料の列30に対応する領域にあるように、フリップチップ技術によって下層に配置される。電極とそれぞれの導電性経路との間の電気的な接触は、異方性の導電性樹脂18で得られる。
図４ａ、４ｂおよび４ｃに示された実施態様の変形例では、層40(パッド21に対応する領域も)も、隣接した行20の間に位置したスペースに対応する領域で除去される。
図５ａおよび５ｂに示された他の実施形態では、層40は、行20と列30との間の交叉のポイントに位置決めされた意図的に設けられたパッドを除いて、全ての下層から取り除かれる。
図６に示された他の実施態様では、層40は、隣接した列30の間にセットされたスペースに対応する領域で除去される。
図７および８に示された更に他の実施形態において、LEDはマトリックス状に(つまり、個々にアドレス可能に)配置されないが、グループでアドレス可能である。各グループのLEDが並列(図８ａ)に、又は直列(図８ｂ)に電気的に接続されている。
図７は、本発明に係るディスプレイ上に表示される画像の例を示す。各セグメント(31、32、33、34)は、並列(図８ａ)に、又は直列(図８ｂ)に電気的に接続された一セットのLEDを表わしている。
図８ａに示された実施態様では、独立にアドレス可能である各セグメント(20，30)は、一対の並列の経路によって構成される。その一方がLEDの同じタイプの電極(例えばカソード)に並列に電気的に接続され、その他方が別のタイプの電極(例えばアノード)に電気的に接続される。二つ以上のセグメントの間にある交差点35では、異なったセグメントに属する経路を電気的に絶縁することが必要である。本発明によれば、これは、交差点35に対応する領域において、前記セグメントのうちの一つの経路20に電気的絶縁材料のパッド40を配置することにより得られる。前記セグメントの２番目の経路30は、その上に次に堆積される。
直列に接続された１セットのLEDによってセグメントの両方が構成された変形例が、図８ｂに示されている。二つのセグメントの間にある交差点35では、第一のセグメントの経路20と第二のセグメントの経路30との間にある電気絶縁は、図８ａに関して記載されたものに類似した方法で得られる。
もう一度、図７および８を参照する。それは明白である、セグメント31、32、33，34を得るために使用されたLEDの数が少なければ少ないほど、画像のセグメントの外観は、より鎖線となる（dashed）であろう。
LED光源の数を制限するために、画像の鎖線の（dashed）外観のこの影響を弱めるのと同時に、発明の変形例(図９および１０)によれば、目的は、LEDチップの接続ラインに沿った適切なミクロな刻み付け（indentation）36を、LEDチップに対応する領域に、下層15そして／又は上層15'の外側表面に設けることである。光のポイントを接続し、連続的なラインの形で光のイメージを生みだすために、ミクロの刻み付け36は、下層15から及び／又は上層15'から光を引き出す（extract）機能を有している。
上記効果は、接合作業の付着を改善する目的でTCOで作られた経路上に堆積される金属パッドによって強化したり、あるいは、経路がTCOの代わりに金属で作られた場合に、光源を接続する導電性経路20、30によって直接に強化したりすることができる。実際に、パッドは、LEDチップの外側面によって放射された光の一部を反射しようとする。反射された光は、ミクロの刻み付け36に影響を与える。それは、光源の有効な寸法を増加させる。
採用することができる更に別の解決策は、異なったLEDチップを接続する経路の形で保護樹脂17'を堆積することである。LEDチップによって放射された光は、樹脂の経路によって部分的にトラップされ(光導波路効果)、次に、上層の表面上で上層15'が用いられる場合に、樹脂の経路の表面上に作られた意図的に設けられたミクロの刻み付け36によって引き出される。
ミクロの刻み付け36は、LEDチップの接続ラインに垂直な軸を備えた円筒状マイクロレンズの形をしたもの(図９ａ)、LEDチップの接続ラインに垂直な軸に沿って作られた一般的な溝のもの(図９ｂ)、チップの接続のラインに垂直な軸を備えた円柱レンズ(各チップに一つ)の形をしたもの(図９ｃ)とすることができる。あるいは、ミクロの刻み付けは、回転対称を備えたマイクロレンズの形とすることができる。各マイクロレンズは、下層15に垂直な対称軸を有して、LEDチップのうちの一つの中心を通る。
ミクロの刻み付け36は、LEDによって放射された光を拡散するように、表面の荒れた領域を単に持ってだけでもよい。
本発明のさらなる変形例によれば、画像の鎖線の（dashed）外観の前述の影響は、LED光源の密度(つまりユニット長さ当たりのLEDチップの数)を用いて、弱めるか除去することができる。それは、ユーザの目に関しての二つの光源間の角度の分離が、目の角分解能と比較可能なほどのものである。
例として、ディスプレイが運転者から1メートルの距離で取り付けられ、二つの隣接したダイの間の距離が0.3ｍｍである、つまり、ダイの寸法と比較可能であるならば、LEDの間の角度の分離が、窩の中の目の解像度と等しい弧（arc）のおおよそ１分（minute）として現われる。
しかしながら、３分（minute）以内の弧によって角度をなして分離されているポイントを目がどのようにして統合（merge）しようとするかは知られている。１ｍｍまでのピクセル間の間隔がそれによって増加することができるであろう。このように、３倍だけ（by a factor of 3）必要な光源の数を減少する。
既知の解決策を示す。 好ましい実施態様に係るデバイスの製造プロセスの模式的な例示である。 好ましい実施態様に係るデバイスの製造プロセスの模式的な例示である。 好ましい実施態様に係るデバイスの製造プロセスの模式的な例示である。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。 本発明の異なった変形例を示す。
符号の説明
１０ LED
１５ 下層
１６ 導電性経路
２０ 行（導電性経路）
２１ パッド
３０ 列（導電性経路）
３５ 交差点
３６ ミクロの刻み付け
４０ 層

Claims (30)

  1. 透明な下層(15)上に一連の導電性経路(16、20、30)を設けるステップと、
    電子制御手段に前記導電性経路を接続するステップと、
    前記導電性経路によってアドレス可能なLED光源のアレイを個々に又はグループで前記下層(15)に連関するステップと、を備えるタイプの透明なLEDデバイスの製造方法であって、
    チップ・オン・ボードタイプの前記透明な下層(15)の上に、半導体ウェーハを分割するともにパッケージなしで得られた要素であるチップ(10)の形で前記LED光源が一体化されていて、
    前記方法は、前記チップ(10)を前記下層(15)に電気的に接続するダイ・ボンディング用のフリップチップ技術を使用することを想定していることを特徴とする透明なLEDデバイスの製造方法。
  2. チップ(10)を下層に電気的に接続するステップは、異方性の導電ペースト(18)によって行われて、バンプ金属の使用を回避していることを特徴とする、請求項１記載の方法。
  3. 前記導電性経路(16、20、30)の少なくとも一つが、透明な導電性酸化物(TCO)で作られていることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
  4. 前記異方性の導電ペースト(18)がTCOで作られた前記導電性経路上に直接に堆積されており、前記導電性経路(16、20、30)への前記チップ(10)の付着を改善する目的で中間の金属層の使用を回避していることを特徴とする、請求項３記載の方法。
  5. 透明包装材料(17、17')の前記チップ上への堆積によって外部ストレスから前記LEDチップ(10)を保護するステップを備えることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記包装材料が、実質的に半球の滴(17)の形で前記LEDチップ(10)の上に堆積されることを特徴とする、請求項５記載の方法。
  7. 前記包装材料が経路の形で前記LEDチップ(10)の上に堆積され、各経路が、電気的に直列又は並列にアドレスされたLEDチップのセットに接続され、画像の全く同一のセグメントに属することを特徴とする、請求項５記載の方法。
  8. 前記包装材料が、前記LEDチップ光源(10)が一体化されている下層の領域を一様に被覆する連続的な層(17')の形で堆積されることを特徴とする、請求項５記載の方法。
  9. 堆積の次に前記層(17')に形成されて、厚さの均一性の欠如を除去する機能を有する透明な上層(15')が、包装材料の前記層(17')の上に作られていることを特徴とする、請求項８記載の方法。
  10. 請求項１乃至９のいずれか１項の方法に従って得られた、透明なLEDディスプレイデバイス。
  11. 前記LED光源がマトリックス状に配置され、行と列との間に適切な電位差を印加することによって個々にアドレス可能であるように、各LEDは、行(20)と列(30)との間の交叉のポイントに位置決めされていることを特徴とする、請求項１０記載のディスプレイデバイス。
  12. 前記LED光源がグループで配置され、全く同一のグループに属するLEDは、曲線や直線や破線のセグメント(31、32、33、34)を形成するために、並列に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１０記載のディスプレイデバイス。
  13. 前記セグメント(31、32、33、34)のそれぞれは、一対の実質的に並列の経路によって構成され、そのうちの一方が同じタイプの電極(例えばカソード)に電気的に接続され、そのうちの他方が別のタイプの電極(例えばアノード)に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１２記載のディスプレイデバイス。
  14. 二つの異なったセグメントに属する経路が、前記セグメント間の交差(35)のポイントに対応する領域で、互いに電気的に絶縁され、交差点(35)に対応する領域で、前記セグメントのうちの一つの経路(20)に電気的絶縁材料のパッド(40)を堆積し、前記セグメントのもう一つの経路(30)が続いて堆積されることを特徴とする、請求項１３記載のディスプレイデバイス。
  15. 前記LED光源がグループで配置され、全く同一のグループに属するLEDは、曲線や直線や破線のセグメント(31、32、33、34)を形成するために直列に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１３記載のディスプレイデバイス。
  16. 二つの異なったセグメントに属する経路は、前記セグメント間の交差(35)のポイントに対応する領域で、互いに電気的に絶縁され、交差点(35)に対応する領域で、前記セグメントのうちの一つの経路(20)に電気的絶縁材料のパッド(40)を堆積して、前記セグメントの二番目の経路(30)が続いて堆積されることを特徴とする、請求項１５記載のディスプレイデバイス。
  17. 前記LEDチップがオンになったときに、ユーザに見える光のポイントが、ユーザに見える光のセグメントによって接続されるように、ミクロの刻み付け(36)が、隣接したLEDチップ間の接続ラインに対応する領域において、下層(15)そして／又は上層(15')の表面に作られていることを特徴とする、請求項１０乃至１６のうちのいずれか１項に記載のディスプレイデバイス。
  18. ユーザによって知覚された光の画像が、曲線や直線や破線のセグメントの分布として現われることを特徴とする、請求項１７記載のディスプレイデバイス。
  19. 前記ミクロの刻み付けが、前記接続ラインに垂直である軸を持った円柱レンズの形をしていることを特徴とする、請求項１７記載のディスプレイデバイス。
  20. 前記ミクロの刻み付けは、回転対称を備えたマイクロレンズの形をしていて、各マイクロレンズは、前記下層(15)に垂直な対称軸を有するとともに前記LEDチップ(10)のうちの一つの中心を通っていることを特徴とする、請求項１７記載のディスプレイデバイス。
  21. 前記ミクロの刻み付けが、前記接続ラインに垂直な軸に沿って作られた溝の形をしていることを特徴とする、請求項１７記載のディスプレイデバイス。
  22. フロントガラスに隣接して自動車のダッシュボードに取り付けられて、運転者に示された画像が少なくとも部分的にバックグラウンドに重ね合わされ、前記バックグラウンドが自動車のフロントガラスを通して運転者に見えることを特徴とする自動車用透明ディスプレイデバイス。
  23. 前記ディスプレイが自動車のフロントガラスに取り付けられていることを特徴とする、請求項２２記載の透明ディスプレイデバイス。
  24. 特に指示と矢印で操縦に関するユーザ画像に表示するために、前記ディスプレイが用いられることを特徴とする、請求項２２又は２３記載の透明ディスプレイデバイス。
  25. 自動車のリヤウインドウによって運転者の後ろの景色の視覚を妨害しないように、自動車のリヤウインドウに取り付けられていることを特徴とする、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に従って得られた自動車用の透明な明かりデバイス。
  26. 前記明かりデバイスが自動車のリヤウインドウに接着されることを特徴とする、請求項２５記載の透明な明かりデバイス。
  27. 異なった色のLEDチップを用いていることを特徴とする、請求項１０乃至２６のうちのいずれか１項に記載のデバイス。
  28. チップ(10)の形をしている前記LED光源は、ユーザの目に関して、弧の３分未満の角度によって角度をなして分離されることを特徴とする、請求項１０乃至２７のうちのいずれか１項に記載のデバイス。
  29. 前記LED光源の輝度が3000cd/m2以上であることを特徴とする、請求項１０乃至２８のうちのいずれか１項に記載のデバイス。
  30. ディスプレイの透過率が60%以上であることを特徴とする、請求項１０乃至２９のうちのいずれか１項に記載のデバイス。
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