JP2006332673A - 発光ダイオードパッケージの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂モールディング部とパッケージ基板との付着強度を向上させた発光ダイオードパッケージの製造方法を提供する。
【解決手段】発光ダイオードパッケージの製造方法は、発光ダイオードの実装領域と、上記発光ダイオードと連結される金属配線を有するパッケージ基板とを備える段階２１と、上記パッケージ基板中の少なくとも樹脂モールディング部が形成される領域の表面が改質されるように上記パッケージ基板に対してプラズマ処理を施す段階２３と、上記金属配線と連結されるように上記パッケージ基板の実装領域に発光ダイオードを実装する段階２５と、上記発光ダイオードが密封されるように上記発光ダイオードの実装領域に樹脂モールディング部を形成する段階２７を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発光ダイオードパッケージに関するものであって、より詳しくは、樹脂モールディング部とパッケージ基板との付着強度を向上させた発光ダイオードパッケージの製造方法に関する。

一般的に、発光ダイオードは、移動通信器機など小型電子機器を始め、信号灯、自動車用ランプなどの大型ディスプレイにわたって多様に採用されている。こうした発光ダイオードは、高輝度を保障し、かつ放熱機能が優れ、さらに多様な外部環境に対して耐久性を有するパッケージが要求される。

とりわけ、発光ダイオードパッケージは、一般的にＬＥＤチップが樹脂モールディング部によって密封された構造を有するが、シリコンのような基板と樹脂モールディング部が異種物質であるため、その界面が、接着力が弱く剥離されやすい。図１は、従来の白色発光ダイオードパッケージを示す断面図である。

図１を参照すれば、上記発光ダイオードパッケージ１０は下部基板１１と上記キャビティが形成された上部基板１２とを含み、上記下部基板１１はリードフレーム１４ａ、１４ｂ、導電性バイアホール１５ａ、１５ｂ及びボンディングパッド１６ａ、１６ｂのような好適な金属配線が形成される。ＬＥＤ１８は、キャビティ領域と呼ばれる実装領域に搭載されワイヤのようなボンディング手段を通じてリードフレーム１４ａ、１４ｂに接続され得る。上記ＬＥＤ１８が実装された領域では樹脂モールディング部１９が形成される。上記樹脂モールディング部１９は、通常のＬＥＤ１８の保護機能とともに特定蛍光体粉末を含んで波長変換機能を行うこともある。

一般的に樹脂モールディング部１９は、シリコーン系樹脂、エポキシ樹脂、またはウレタン系樹脂、またはその混合物が主材であるのに対し、上記パッケージ基板は比較的熱伝導性と加工性の優れたシリコン（Ｓｉ）のような別の物質であることができる。そのため、樹脂モールディング部１９とパッケージ基板１１、１２の界面領域Ａの接着状態が不具合となる恐れがある。こうした不具合な接着状態によって水分が浸透し素子の信頼性を低下させる恐れがあり、しかも急変する温度条件で樹脂モールディング部１９が剥離されるような致命的な不良が発生してしまう。

したがって、当技術分野においては、樹脂モールディング部とパッケージ基板との間の接着強度を改善できる新たな技術が求められてきた。

本発明は、上記した従来技術の問題を解決するためのものであって、その目的は、樹脂モールディング部とパッケージ基板との界面が高い強度で接着できるようにパッケージ基板の表面を改質する新たな発光ダイオードパッケージの製造方法を提供することである。

上述の技術的課題を向上させるために、本発明は、発光ダイオードの実装領域と上記発光ダイオードと連結される金属配線を有するパッケージ基板を備える段階と、前記パッケージ基板中の少なくとも樹脂モールディング部が形成される領域の表面が改質されるように前記パッケージ基板に対してプラズマ処理を施す段階と、前記金属配線と連結されるように前記パッケージ基板の実装領域に発光ダイオードを実装する段階と、前記発光ダイオードが密封されるように前記発光ダイオードの実装領域に樹脂モールディング部を形成する段階を含む発光ダイオードパッケージの製造方法を提供する。

本発明の特定実施形態において、前記パッケージ基板は、前記実装領域に対応する位置に側壁が上部に向けて傾斜したキャビティが形成された上部基板と、上面一領域が前記実装領域として提供され前記金属配線が形成された下部基板とを含むことができる。

好ましくは、前記プラズマ処理を施す段階は、工程の便宜のために前記上部基板と前記下部基板の全体面積に対して各々行うことができる。前記プラズマ処理を施す段階は、個別パッケージを切断する前にウェーハレベルで実施することができる。

前記パッケージ基板はシリコン基板であることができ、この場合に、前記プラズマ処理を施す段階は、不活性ガスを反応ガスとし真空状態で、７００〜１５００Ｗの出力で１〜３時間行うことが好ましい。こうしたプラズマ処理条件において、前記シリコン基板の温度を８０〜１２０℃で保持することが好ましい。

前記樹脂モールディング部は、エポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、またはその混合物から成ることができる。

本発明の他の実施形態においては、熱処理工程を通じてプラズマと類似する表面改質効果を得ることができる。前記方法は、発光ダイオードの実装領域と前記発光ダイオードと連結される金属配線を有するシリコン（Ｓｉ）であるパッケージ基板を備える段階と、前記パッケージ基板中の少なくとも樹脂モールディング部が形成される領域の表面が改質されるよう前記パッケージ基板を不活性ガス雰囲気で約３００〜４００℃温度で１〜３時間、熱処理する段階と、前記金属配線と連結されるよう前記パッケージ基板の実装領域に発光ダイオードを実装する段階と、前記発光ダイオードが密封されるよう前記発光ダイオードの実装領域に樹脂モールディング部を形成する段階を含む。

本発明によれば、シリコン（Ｓｉ）のようなパッケージ基板をプラズマまたは熱処理を利用して表面改質することにより樹脂モールディング部との接着強度、密着度及び熱的安全性を高い水準で確保することが可能である。従って、本発明は優れた信頼性を有する発光ダイオードパッケージの製造方法として有益に利用することができる。

以下、添付図面を参照して例示的実施形態により本発明をさらに詳しく説明する。本発明はこれらの例示に限定されない。

図２は、本発明による発光ダイオードパッケージの製造工程を説明するためのフローチャートである。図２に示すように、本発明による発光ダイオードパッケージの製造方法はパッケージ基板を備える段階２１から開始される。上記パッケージ基板には比較的熱放出及び加工性の優れたシリコン基板を用いることができ、各個別パッケージ単位で発光ダイオードの実装領域と上記発光ダイオードと連結される金属配線を具備する。上記実装領域は、反射面を有するように側面が上部に向けるキャビティによって具現される。また、上記金属配線は、実装面上に形成されたリードフレームと基板下面に形成された導電パッド及び上記リードフレームと導電パッドを連結する導電性バイアホールのような手段より成ることができる。このようなパッケージ基板の製造工程は通常的にウェーハレベルで行われる。

その後、段階２３では、パッケージ基板の表面を改質するために、パッケージ基板に対してプラズマまたは熱処理工程を実施する。本表面改質工程は、少なくとも樹脂モールディング部が形成される領域に対して行い、必要な領域に選択的に実施することができるが、全体パッケージに対して行うこともできる。本発明者が実験を行った結果、熱処理とプラズマ処理は、全て接着特性の向上に効果を表したが、熱処理工程よりプラズマ処理によってより好ましい効果が得られることを確認した。これに対する詳細な条件は、後述することにする。

次に、段階２５では、上記パッケージ基板の実装領域に発光ダイオードを実装する。実装される発光ダイオードは、追加的なサブマウント基板を含んだチップであることができる。上記発光ダイオードは、パッケージ基板上に予め備えられたリードフレームにワイヤのようなボンディング手段を通じて連結することができる。

最後に、段階２７では、上記発光ダイオードが密封されるように上記発光ダイオードの実装領域に樹脂モールディング部を設ける。樹脂モールディング部はエポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、またはその混合物であることができる。また、白色発光装置では、樹脂モールディング部にＹＡＧまたはＴＡＧのような特定蛍光体粉末を加えてモールディング部を形成することができる。上記樹脂モールディング部は基板と異なる異種物質であるが、プラズマまたは熱処理によって表面が改質されるので、高い強度でパッケージ基板に接着することが可能である。

図３は、本発明で使用されるプラズマ処理処置を示す概路図である。図３に示しているように、本発明によるプラズマ処理処置３０はプラズマ形成のための反応チャンバ３１を含む。反応チャンバ３１は、パッケージ基板３５を支持することができる基板ホルダー３６を有する。電源供給部３２によって高電力が印加されると、供給される反応ガスは、チャンバ３１内で放電プラズマ３４を形成し、パッケージ基板３５に衝突してその表面を改質させることが可能である。このような反応ガスとしては、シリコン（Ｓｉ）のようなパッケージ基板と不所望の化学反応が生じないように、Ｎ₂またはＨ₂のような不活性ガスを使用することが好ましい。プラズマ処理時に、供給電力及び時間は、付着強度の向上のために表面が改質されながらも基板には不所望の損傷を与えないような、好適な範囲で行われる。プラズマ処理は、好ましくは、７００〜１５００Ｗ、より好ましくは８００〜１０００Ｗの供給電力で行う。プラズマ処理時間は、１〜３時間程度が好ましい。また、基板温度を加熱した状態でプラズマの影響を促進させることができる。一実施形態では、こうした効果のための好ましい基板温度範囲は、８０〜１２０℃にすることができる。

本発明は、樹脂モールディング部と異種物質である基板が互いに接合が要求される多様な形態の発光ダイオードパッケージに適用することが可能である。特に、パッケージ基板構造は、単一な基板に所定の深さのキャビティを形成し反射構造を提供する形態にすることができる。また、これと異なって、図４−１及び図４−２に示すように、キャビティが形成された上部基板と金属配線が形成された下部基板が積層された構造にすることもできる。

図４−１及び図４−２は、発光ダイオードパッケージの一形態に使用される上部基板と下部基板をそれぞれウェーハレベルで示した斜視図である。

図４−１のように、下部基板用ウェーハ４１は個別パッケージ単位で実装領域４１ａに形成された金属配線を有する。上記金属配線は、上面にリードフレーム４４ａ、４４ｂのみで示されているが、図１のように下面にボンディングパッドと上記リードフレームとボンディングパッドを連結するバイアホールが形成されたものとして理解することができる。下部基板用ウェーハ４１は、個別パッケージ単位に切断する前に図３に示された反応チャンバに入れ込んでプラズマ処理を施すことができる。樹脂モールディング部が形成された実装領域４１ａに限って表面改質が要求されるが、本発明によるプラズマ処理は基板に不所望の損傷が起きない範囲で行われるので、ウェーハレベルで実施する方が工程側面においてより有利である。

図４−２に示された上部基板用ウェーハ４２も個別パッケージ単位で切断する前にプラズマ処理を行ってもよい。上部基板用ウェーハ４２は各個別パッケージ単位で実装領域と定義されるキャビティＣを有し、このキャビティＣの側壁４２ａを反射効果のために上部に向けて傾斜した面を持つ。そのため、プラズマ処理工程において上部基板用ウェーハ４２の傾斜した側壁４２ａも特別な配置角度の調整なしにも表面改質できる。

図５は、図４−１の上部基板と図４−２の下部基板を採用した発光ダイオードパッケージ構造を示す断面図である。図５を参照すれば、発光ダイオードパッケージ５０は金属配線が形成された下部基板５１と、上記キャビティが形成された上部基板５２とを含む。上部基板５２及び下部基板５１は各々シリコン基板であることができる。下部基板５１に形成された金属配線は上面に形成されたリードフレーム５４ａ、５４ｂ、下面に形成されたボンディングパッド５６ａ、５６ｂ及びリードフレーム５４ａ、５４ｂとボンディングパッド５６ａ、５６ｂを各々連結する導電性バイアホール５５ａ、５５ｂで構成され得る。上部基板５２は実装領域を定義するキャビティが形成される。上記キャビティの側壁は上部に向けて傾斜した面を持ち、その傾斜面は反射面として活用できる。

また、上部基板５２及び下部基板５１は、図４−１及び図４−２に示しているようにウェーハレベルでプラズマ処理（または熱処理）が適用され改質された表面を持つ。プラズマによって処理された表面は微細に表面の荒れた状態となり、その接触面積がより広がることで理解され得る。

ＬＥＤ５８は、キャビティと定義された実装領域に搭載されリードフレーム５４ａ、５４ｂに接続される。ＬＥＤ５８が実装された領域には樹脂モールディング部５９が形成される。樹脂モールディング５９は改質された基板表面に形成されるため、高い接着強度を有し、かつ熱的安全性も大きく確保することができる。このような樹脂モールディング部５９はエポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂またはその混合物から成ることができ、必要に応じて特定蛍光体粉末を加えてもよい。

以下、本発明による実施例と比較例を通じて本発明で採用されるプラズマ及び熱処理工程の条件とそれによる効果をより詳しく説明する。

先ず、パッケージ基板として図４−１及び図４−２に示すようなシリコンウェーハを利用して発光ダイオードパッケージに必要な上部基板と下部基板を作製した後、プラズマ処理を適用した。プラズマ処理工程で用いられた反応ガスは、Ｈ₂:Ｎ₂を１：１．５で混合して使用し、プラズマ処理条件として、真空圧力は１０^-5〜１０^-6Ｔｏｒｒとし、供給電力を８００〜１０００Ｗとして、プラズマ処理を２時間行った。この際に基板温度は約１００℃で保持した。

その後、上記基板を利用して図５に示すような発光ダイオードパッケージを３０個作製した。この際に樹脂モールディング部はエポキシ：シリコーンを４０ｗｔ％：６０ｗｔ％で混合した樹脂を使用した。

本実施例では、パッケージ基板として図４−１及び図４−２に示すようなシリコンウェーハを利用して上部基板と下部基板を作製した後、加熱炉に配置して熱処理を適用した。熱処理工程で用いた反応ガスは、Ｈ₂:Ｎ₂を１：１．５で混合して使用し、熱処理温度は３５０〜３７０℃で約２時間、熱処理を行った。

その後、上記基板を利用して図５に示すような発光ダイオードパッケージを３０個作製した。この際に樹脂モールディング部は、実施例１と同様にエポキシ:シリコーンを４０ｗｔ％：６０ｗｔ％で混合した樹脂を使用した。

（比較例）
本比較例では、パッケージ基板として図４−１及び図４−２に示すようにシリコンウェーハを利用して上部基板と下部基板を作製するが、熱処理またはプラズマ処理を適用しない状態で、図５に示すような発光ダイオードパッケージを３０個作製した。但し、樹脂モールディング部は実施例１及び実施例２と同様にエポキシ樹脂:シリコーン系樹脂を４０ｗｔ％：６０ｗｔ％で混合した樹脂を使用した。

先述した実施例１及び２と比較例から夫々得られた３０個のサンプルに対して、樹脂モールディング部の接着強度（表１）と１００℃／ｍｉｎで発生した熱応力（表２）と、パッケージ内部の水分吸収量（表３）を調べた（各評価項目当たり１０個ずつ実施した）。

下表１は、樹脂モールディングと基板との接着強度を測定した結果である。表１で示しているように、比較例に比べ実施例１と２で優れた接着強度を有することが確認できた。熱処理した実施例２の場合、比較例に比べ平均６２％の接着強度改善効果が得られた。とりわけ、プラズマ処理した実施例１の場合には、比較例より平均１７１％の高い接着強度の改善効果が表され、これは熱処理した場合よりも向上した効果であることが判った。

下表２は樹脂モールディング部と基板との熱膨張係数の差による影響を調べたものであって、１００℃／ｍｉｎの条件によって界面で発生した熱応力を測定した結果である。表２に示しているように、比較例に比べ実施例１と２において優れた熱的安定性を有することが確認できた。熱処理した実施例２の場合、比較例に比べ平均２１％の熱応力が減少されたもので表される。とりわけ、プラズマ処理した実施例１の場合には、比較例より平均３０％の熱応力が減少された。これは熱処理した場合よりも向上された効果であることが判った。

下表３は、樹脂モールディング部とパッケージ基板との密着度を測定した結果であって、その評価方法は、各サンプルを相対湿度９０％、３５℃で、７日間保持した後に、発光ダイオードが実装された部分の水分量を測定する方式で行った。表３で示しているように、比較例に比べ実施例１と２において優れた密着度を有することが確認できた。熱処理した実施例２の場合、比較例より平均０．０６２ｗｔ％の水分を減少されたもので表された。とりわけ、プラズマ処理した実施例１の場合には、比較例より平均０．０９６％の水分が減少された著しい効果が得られた。これは熱処理した場合よりも向上された効果であることが判った。

上記した実験結果、プラズマ処理によって樹脂モールディング部と基板との接着強度および熱的安定性、並びに密着度が非常に向上されたことが確認できた。また、熱処理工程によってもこうした類似した効果が確認できた。なお、熱処理は所望の水準の効果のために、不活性ガス雰囲気で約３００〜４００℃で１〜３時間行うことが要求される。

このように、本発明は、上述した実施形態及び添付された図面により限定されるものではなく、添付された請求範囲によって限定される。従って、請求範囲に記載した本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは、当技術分野の通常の知識を有する者にとっては自明であるであろう。

以上のように、本発明にかかる発光ダイオードパッケージの製造方法は、移動通信器機など小型電子機器を始め、信号灯、自動車用ランプなどの大型ディスプレイに使用される発光ダイオードのパッケージ製造に有用であり、特に、高い信頼性が要求される用途に使用される発光ダイオードパッケージの製造に適している。

従来の発光ダイオードパッケージ構造を示す側断面図である。 本発明による発光ダイオードパッケージの製造工程を説明するためのフローチャートである。 本発明において使用されるプラズマ処理処置を示す概路図である。 本発明の一実施形態に採用可能な上部基板を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に採用可能な下部基板を示す斜視図である。 図４-１の上部基板と図４−２の下部基板を採用した発光ダイオードパッケージ構造を示す断面図である。

符号の説明

３０ プラズマ処理処置
３１ 反応チャンバ
３２ 電源供給部
３４ 放電プラズマ
３５ パッケージ基板
３６ 基板ホルダー
４１、５１ 下部パッケージ基板
４２、５２ 上部パッケージ基板
４４ａ、４４ｂ、５４ａ、５４ｂ リードフレーム
５０ 発光ダイオードパッケージ
５５ａ、５５ｂ 導電性バイアホール
５６ａ、５６ｂ ボンディングパッド
５８ 発光ダイオードチップ
５９ 樹脂モールディング部

Claims (9)

1. 発光ダイオードの実装領域と前記発光ダイオードと連結される金属配線を有するパッケージ基板を備える段階と、
   前記パッケージ基板中の少なくとも樹脂モールディング部が形成される領域の表面が改質されるよう、前記パッケージ基板に対してプラズマ処理を施す段階と、
   前記金属配線と連結されるように前記パッケージ基板の実装領域に発光ダイオードを実装する段階と、
   前記発光ダイオードが密封されるように前記発光ダイオードの実装領域に樹脂モールディング部を形成する段階
   を含む発光ダイオードパッケージの製造方法。
2. 前記パッケージ基板は、前記実装領域に対応する位置に側壁が上部に向けて傾斜したキャビティが形成された上部基板と、
   上面一領域が前記実装領域として提供され前記金属配線が形成された下部基板
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードパッケージの製造方法。
3. 前記プラズマ処理を施す段階は、前記上部基板と前記下部基板の全体に対して各々行われることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオードパッケージの製造方法。
4. 前記プラズマ処理を施す段階は、個別パッケージを切断する前にウェーハレベルで行われることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオードパッケージの製造方法。
5. 前記パッケージ基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光ダイオードパッケージの製造方法。
6. 前記プラズマ処理を施す段階は、反応ガスとして不活性ガスを用いて真空状態で、７００〜１５００Ｗの出力で１〜３時間行うことを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオードパッケージの製造方法。
7. 前記プラズマ処理を施す段階は、前記シリコン基板の温度を８０〜１２０℃で保持することを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオードパッケージの製造方法。
8. 前記樹脂モールディング部は、エポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、またはその混合物から成ることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の発光ダイオードパッケージの製造方法。
9. 発光ダイオードの実装領域と前記発光ダイオードと連結される金属配線を有するシリコンであるパッケージ基板を備える段階と、
   前記パッケージ基板中の少なくとも樹脂モールディング部が形成される領域の表面が改質されるように前記パッケージ基板を不活性ガス雰囲気において約３００〜４００℃温度で１〜３時間熱処理する段階と、
   前記金属配線と連結されるように前記パッケージ基板の実装領域に発光ダイオードを実装する段階と、
   前記発光ダイオードが密封されるように前記発光ダイオードの実装領域に樹脂モールディング部を形成する段階
   を含む発光ダイオードパッケージの製造方法。

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