JP2007227926A - 発光ダイオードパッケージの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】モールディング樹脂やレンズなどの投光性樹脂部の表面における光抽出効率を増加させるLEDパッケージの製造方法を提供する。
【解決手段】LEDチップ105を実装した後、モールディング樹脂107でLEDチップ105を封止する(段階S1)。モールディング樹脂107としては、例えばシリコン樹脂を使用することができる。その後、LEDチップ105を封止するモールディング樹脂107を硬化させる(段階S2)。その後、レーザアブレーション工程を用いてモールディング樹脂107の表面に粗さを形成する(段階S3)。
【選択図】図4

Description

本発明は、発光ダイオードパッケージの製造方法に関するものであって、特に、光抽出効率をさらに効果的に高めることが出来る発光ダイオードパッケージの製造方法に関する。
最近、発光ダイオード(以下、LEDともする)は、公害を引き起こさない親環境性光源として様々な分野で注目を浴びている。例えば、LEDは、信号灯、指示ランプ、携帯用電話機のキーパッドなどに応用され、LCD装置のバックライトや照明用光源としてもその使用可能性が認められている。このようなLEDは、様々な構造の基板と結合してパッケージ形態で製造されて使用される。
高輝度高効率のLED製品を具現するためには、LEDチップ自体の内部量子効率が高いと共に、チップから発生した光子が外部へ効率的に抽出されるべきである。LEDパッケージにおいて、外部抽出効率を上げるために、様々な方案が提案され、例えば、モールディング樹脂の屈折率の調整または半球形のポリマーレンズの使用などがこれに該当する。ところが、高品質のLEDパッケージを具現するためには、さらに高い光抽出効率が求められる。特に、サイドビュー(side view)方式のLEDパッケージの場合、屈折率調整による光抽出効率改善の効果はそれほど高くないと判明された。
図1は、従来の一例によるLEDパッケージを示した側断面図である。図1を参照すると、LEDパッケージ10は、上部に反射コップが形成されたパッケージ本体11と、この本体11に実装されたLEDチップ15とを含む。LEDチップ15は、反射コップの底に設置されたリードフレーム13と電気的に連結され、シリコン樹脂などの投光性モールディング樹脂17により、封止(encapsulation)されている。モールディング樹脂17には、波長変換用の蛍光体が分散されLEDチップ15の放出光とは異なる波長の光を出すことが出来る。必要に応じてモールディング樹脂17上にレンズを搭載することも出来る。
LEDチップ15から発生した光は、チップ15から出てモールディング樹脂17を経由し、外部空気へ抽出される。従って、より高い光抽出効率を得るためには、モールディング樹脂から外部空気へ光がうまく抜け出さなければならない。ところが、モールディング樹脂17の屈折率n1は、外部空気の屈折率n2に比べて大きいため、臨界角以上でモールディング樹脂17の表面に入射した光は全反射し、これによって外部へ抽出されずパッケージ内部で消滅してしまう。モールディング樹脂17上にレンズ(図示せず)が形成されている場合には、レンズと外部空気との間から上記のような問題が発生する。
モールディング樹脂またはレンズ表面での光抽出効率を改善するために、金型、スタンパまたはエッチングなどを用いてモールディング樹脂またはレンズ表面に凸凹パターンを形成する方案が提案された(特許文献1参照)。しかし、この方案は、反射コップを有するLEDパッケージ(図1参照)には適しておらず、この方案では凸凹パターン形成工程を必要に応じて精密に制御することが出来ない。特に、微細な凸凹パターンを有する金型の製作自体が困難で費用も高い。また、凸凹パターンを有するスタンパにモールディング樹脂を加圧する過程やエッチングする過程において、モールディング樹脂が過度に損傷されることにより、光学的特性が劣化され得る。
特開2005−251875号公報
本発明は、上記の問題を解決するためのものであって、本発明の目的は、モールディング樹脂やレンズなどの投光性樹脂部の表面における光抽出効率を増加させることが出来るLEDパッケージの製造方法を提供することである。また、本発明の目的は、投光性樹脂部の劣化を抑えつつ、その表面に様々な粗さを容易に形成できるLEDパッケージの製造方法を提供することである。
上述の課題を達成すべく、本発明によるLEDパッケージの製造方法は、LEDパッケージ用投光性樹脂部を形成する段階と、上記LEDパッケージ用投光性樹脂部表面に粗さを形成するよう上記表面にレーザービームを照射する段階とを含む。
本発明の一実施形態によると、上記投光性樹脂部は、LEDチップを封止するモールディング樹脂である。この場合、上記投光性樹脂部を形成する段階は、上記モールディング樹脂でLEDチップを封止する段階と、その後上記モールディング樹脂を硬化する段階とを含む。本発明の好ましい一実施形態によると、上記モールディング樹脂はシリコン樹脂で形成される。
ほかにも、上記モールディング樹脂は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンテレナフタレート(PEN)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエーテルスルホン(PESs;polyethersulfones)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEKs)、ポリカーボネート(PCs)、ポリイミド(PIs)、ポリエーテルイミド、セルローストリアセテート樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリスルホン樹脂及びフッ化樹脂からなるグループから選択されたものであることが出来る。
本発明の他の実施形態によると、上記投光性樹脂部はレンズである。この場合、上記製造方法は、上記投光性樹脂部を形成する段階と上記レーザービーム照射段階との間に、上記レンズをLEDチップが実装されたパッケージ本体上に搭載する段階をさらに含むことが出来る。これと異なって、上記製造方法は、上記レーザービーム照射段階後に上記レンズをLEDチップが実装されたパッケージ本体上に搭載する段階をさらに含むことも出来る。本発明の好ましい一実施形態によると、上記レンズは、シリコン樹脂またはエポキシ樹脂で形成される。
好ましくは、上記レーザービーム照射段階において、上記投光性樹脂部上に上記レーザービームに対する投光特性を有するカバー板を配置する。このようなカバー板を配置することにより、レーザー照射により上記投光性樹脂部から蒸発したり飛ばされたりした物質がレーザー照射装置のレンズなどを汚すことを防ぐことが出来る。
本発明の実施形態によると、上記投光性樹脂部上には、上記レーザービームを選択的に透過させるパターンマスク(patterned mask)を配置することが出来る。このようなパターンマスクを使用することにより、上記投光性樹脂部の表面には、規則的な凸凹パターンまたは粗さパターンを形成することが出来る。例えば、多数のスリットを有するパターンマスクを上記投光性樹脂部上に配置することにより、上記投光性樹脂部の表面に多数のストライプ形状の凸凹パターンを形成することが出来る。
好ましくは、上記レーザービームとしては、パルスレーザービームを使用し、特にエキシマレーザービームを使用する。上記レーザービームとしては、例えば、248nm波長のKrFレーザービーム、193nm波長のArFレーザービーム、COガスパルスレーザービーム、355nm波長のNd−YAGパルスレーザービームを使用することが出来る。
本発明の一実施形態によると、上記投光性樹脂はシリコン樹脂で形成され、上記レーザービームとしては500乃至1000mJ/cmのパワー及び100Hzの反復周波数を有するKrFレーザービームを使用することが出来る。
本発明によると、レーザーアブレーション(laser ablation)工程を用いてLEDパッケージ用投光性樹脂部(モールディング樹脂または樹脂レンズ)の表面に粗さを形成する。レーザーアブレーションは、レーザービーム(通常、パルスレーザービーム)を物体に照射して物体表面を削る工程を称する。特に、樹脂表面にレーザービームを照射する場合、樹脂表面が溶けて飛ばされたり削られることになる。
レーザービーム照射により、上記投光性樹脂部表面に形成された粗さは外部空気への光抽出効率を高める役割をする。さらに、レーザーアブレーションを用いる場合、レーザービームのパワー、反復周波数、持続時間などを調節することにより、工程を精密に制御することができ透明樹脂部に対する所望としない損傷を防ぐことが出来る。
本発明によると、レーザーアブレーション工程を用いてモールディング樹脂またはレンズ表面に粗さを形成することにより、LEDパッケージの光抽出効率を効果的に向上させることが出来る。また、工程条件を調節することにより、粗さ形成工程を精密かつ容易に制御することができ、モールディング樹脂またはレンズの損傷による劣化を防ぐことが出来る。
以下、図面を参照に本発明の実施形態に関して詳しく説明する。本発明の実施形態は、様々な形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限られるのではない。本発明の実施形態は、当業界において平均的な知識を有している者に本発明をより完全に説明するため提供される。従って、図面において要素の形状及び大きさ等はより明確な説明のために誇張されることができ、図面上の同一符号で表示される要素は同一要素である。
図2及び図3は、本発明の種々の実施形態のLEDパッケージの製造方法によって製造されたLEDパッケージの断面図である。図2を参照すると、LEDパッケージ100は、リードフレーム103が設置されたLEDパッケージ本体101と、これに実装されたLEDチップ105とを含む。LEDチップ105は、シリコン樹脂などからなるモールディング樹脂107により封止される。図2に図示された通り、モールディング樹脂107の表面108には粗さが形成されており、この粗さは後述するようなレーザーアブレーション工程により形成される。
レーザーアブレーション工程による樹脂表面における粗さ形成は、モールディング樹脂107だけでなく樹脂レンズにも適用されることが出来る。このような例が図3に図示されている。図3を参照すると、LEDパッケージ200は、パッケージ本体101上に搭載された樹脂レンズ110をさらに含む。このレンズ110の表面111には、レーザーアブレーション工程により形成された粗さが形成されている。
このように、モールディング樹脂107の表面または樹脂レンズ110の表面に、レーザーアブレーション工程による粗さを提供することにより、外部空気への光抽出効率及びこれによるパッケージ全体の光効率は大幅に向上される。
図4は、本発明の一実施形態によるレーザーアブレーション工程を示した概略図で、図7は、一実施形態によるLEDパッケージの製造方法を示した工程フロー図である。図4及び図7を参照して一実施形態によるLEDパッケージの製造方法を説明すると次の通りである。
先ず、LEDチップ105を実装した後、モールディング樹脂107でLEDチップ105を封止する(段階S1)。モールディング樹脂107としては、例えば、シリコン樹脂を使用することが出来る。その後、LEDチップ105を封止するモールディング樹脂107を硬化させる(段階S2)。その後、図4に図示されたようなレーザーアブレーション工程を用いてモールディング樹脂107の表面に粗さを形成する(段階S3)。
図4を参照すると、支持基板50上には、LEDパッケージ100が固定されている。パッケージ100上に設置されたレーザービーム照射装置500は、モールディング樹脂107の表面108にレーザービームを照射して、その表面108に粗さを形成する。このようなレーザービーム照射により、モールディング樹脂107の表面ではポリマーが溶けたり削られたりし、また飛ばされたり屑が残ったりもする。これによって、モールディング樹脂107の表面にはテクスチャまたは粗さが形成される。このようなレーザーアブレーション工程を使用すると、表面108以外にはモールディング樹脂107自体に如何なる損傷も与えなくなる。
好ましくは、パッケージ100とレーザービーム照射装置500との間には、レーザービームに対して投光性を有するサファイアウェーハなどのカバー板400を配置する。このようなカバー板400を配置することにより、レーザービーム照射によりモールディング樹脂107から蒸発されたり飛ばされたりしたポリマーが、レーザー照射装置500のレンズ510などを汚すことを防ぐことが出来る。
このようなレーザーアブレーション工程に用いられるレーザービームは様々な種類がある。好ましくは、パワーの強いパルスレーザービームを使用し、その中でもエキシマレーザービームを使用する。レーザービームとしては、例えば、248nm波長のKrFレーザービーム、193nm波長のArFレーザービーム、COガスパルスレーザービーム、355nm波長のNd−YAGパルスレーザービームを使用することが出来る。
レーザービーム照射時に調節される工程条件は、レーザービームのパワー、パルス持続時間(pulse duration)、反復周波数(repetition frequency)、ビームサイズ(focused beam size)などである。このような条件を調節することにより、レーザーアブレーション工程を精密かつ容易に制御することが出来る。
モールディング樹脂107の材料としては、シリコン系列のポリマー樹脂を使用することが出来る。ほかにも、モールディング樹脂107は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンテレナフタレート(PEN)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエーテルスルホン(PESs;polyethersulfones)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEKs)、ポリカーボネート(PCs)、ポリイミド(PIs)、ポリエーテルイミド、セルローストリアセテート樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリスルホン樹脂及びフッ化樹脂からなるグループから選択されたものであることが出来る。
モールディング樹脂107を構成するポリマーによって、レーザーアブレーションされる程度と粗さの形成形態が異なる。その原因は、ポリマー内に存在する鎖形態の立体障害(steric hindrance)と空間電荷(space charge)が異なり、ポリマーを構成するモノマー同士の結合強度が異なるためである。従って、モールディング樹脂107に照射されるレーザーのパワーが一定であっても、ポリマーを分解するに必要なエネルギーは、各々のポリマーによって相互異なる。
微視的観点から、モールディング樹脂107にエキシマレーザービームを照射した場合、そのレーザービームのフォトンのエネルギーがポリマー内部のモノマーまたは分子に伝達される。この伝達されたエネルギーがポリマー内の化学結合を解離することになり、これによって、ポリマーが昇華されたり屑が残ることになる。このような過程を経てモールディング樹脂107の表面には粗さが形成される。このようなレーザーアブレーション工程時に重要なのは、単位面積当たりレーザービームを、どの程度のパワーでどれだけの時間を何時間おきに照射するのかである。
特に、最も大事な工程条件は、レーザービームのパワーである。同じ総エネルギーをモールディング樹脂107に伝達しても、小さいパワーで数回レーザービームを照射した場合より、大きいパワーのレーザービームを少ない回数で照射した場合にモールディング樹脂表面に与えるアブレーション効果は大きく表れる。これは、ポリマーを形成する様々な化学結合には、各々のしきい解離エネルギー(threshold dissociation energy)が存在するからである。即ち、モールディング樹脂107内の化学結合を解離させるためには、1回に一定エネルギー以上のエネルギーが投入されるべきである。
図5は、樹脂レンズに対するレーザーアブレーション工程を示した概略図で、図8は、図5のレーザーアブレーション工程を使用したLEDパッケージの製造方法の一例を示した工程フロー図である。図5及び図8を参照してLEDパッケージの製造方法を説明すると次の通りである。
先ず、射出成形などで樹脂レンズ110(例えば、シリコンまたはエポキシ樹脂からなるレンズ)を形成する(段階S’1)、その後、LEDチップ105が実装されたパッケージ本体101上に上記レンズ110を搭載する(段階S’2)。その後、図5に図示されたようなレーザービーム照射装置500を使用して上記樹脂レンズ110の表面にレーザービームを照射(レーザーアブレーション)して、その表面111に粗さを形成する(段階S’3)。
図8の実施形態と違って、先にレーザーアブレーション工程を実施した後にレンズ搭載工程を実施しても構わない。即ち、図9に図示された通り、射出成形などでレンズ110を形成した後(段階S’’1)、レンズ110表面にレーザービームを照射して、その表面111に粗さを提供する(段階S’’2)。その後、表面に粗さが形成されたレンズ110をパッケージ本体101上に搭載する(段階S’’3)。
必要に応じて、パターンマスク(patterned mask)を使用して投光性樹脂部(モールディング樹脂またはレンズ)の表面に所望の粗さを規則的に形成させることが出来る。例えば、図6aに図示された通り、投光性樹脂部(モールディング樹脂107またはレンズ111)とレーザービーム照射装置500との間にパターンマスク600を配置した状態で、レーザーアブレーション工程を実施することも出来る。多数のスリット610を有するパターンマスク600を用いることにより、投光性樹脂部表面108aに多数のストライプ形状の規則的な凸凹パターンを形成することが出来る(図6b参照)。
本発明者らは、モールディング樹脂で使用されるシリコン樹脂の表面に対するレーザーアブレーション工程を実施した。レーザーアブレーション工程の工程条件セットは2種類に分けられている。
先ず、シリコン樹脂を使用してLEDチップを封止した。その後、シリコン樹脂を乾燥して150℃で硬化させた。KrF 248nmエキシマレーザーを使用して、上記硬化されたシリコン樹脂に対して次の2種類の工程条件でレーザーアブレーションを実施した。
(1)ビームパワー:500mJ/cm、ビームサイズ:1mm×1mm、反復周波数:100Hz、パルス持続時間:数十ナノ秒。
(2)ビームパワー:1000mJ/cm、ビームサイズ:1mm×1mm、反復周波数:100Hz、パルス持続時間:数十ナノ秒。
レーザーアブレーション工程を実施する前には、硬化されたシリコン樹脂表面は、約0.6nmの平均粗さ(Average Roughness:Ra)を表した。ところが、上記(1)の工程条件でレーザーアブレーション工程を実施した場合、シリコン樹脂表面の平均粗さ(Ra)が約21nmで、100nm程度のコーン(cone)形態の突出がシリコン樹脂の表面に存在することを確認した。
上記(2)の工程条件でレーザーアブレーション工程を実施した場合、シリコン樹脂の表面の平均粗さ(Ra)が約85nmで、240−270nm程度のコーン形態の突出がシリコン樹脂の表面に存在することを確認した。
図10(a)は、レーザーアブレーション処理しない比較例サンプルのAFM及びSEM写真を示し、図10(b)及び図10(c)は、それぞれ上記(1)及び(2)の工程条件でレーザーアブレーション処理された実施例サンプルのAFM及びSEM写真をを示す。図10にも表れた通り、レーザービームを照射しないシリコン樹脂サンプル(図10(a))は、非常に滑らかな表面を有している反面、レーザーアブレーション処理されたシリコン樹脂サンプル(図10(b)、図10(c))は、比較的大きい表面粗さを表した。特に、図10(b)及び図10(c)のSEM写真を比べてみると、1000mJ/cmパワーを用いた場合の表面状態(図10(b))は、500mJ/cmパワーを用いた場合の表面状態と確実に異なることが分かる。
本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求範囲により限定される。また、本発明は請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が出来るということは当技術分野の通常の知識を有している者には自明である。
従来の一例による発光ダイオードパッケージの断面図である。 本発明の一実施形態の製造方法により製造された発光ダイオードパッケージの断面図である。 本発明の他の実施形態の製造方法により製造された発光ダイオードパッケージの断面図である。 本発明の一実施形態による製造方法において、モールディング樹脂表面に対するレーザーアブレーション工程を示した概略図である。 本発明の他の実施形態による製造方法において、レンズ表面に対するレーザーアブレーション工程を示した概略図である。 本発明の一実施形態による製造方法において、パターンマスクを使用するレーザーアブレーション工程を示した概略図である。 図6aのレーザーアブレーション工程により得られる投光性樹脂部の凸凹表面を示した図面である。 本発明の一実施形態による製造方法を示した工程フロー図である。 本発明の他の実施形態による製造方法を示した工程フロー図である。 本発明のまた異なる実施形態による製造方法を示した工程フロー図である。 比較例及び実施例によって得られたモールディング樹脂表面に対するAFM(Atomic Force Microscope)イメージ及びSEM(Scanning Electronic Microscope)写真を示す。
符号の説明
100、200 LEDパッケージ
101 パッケージ本体
103 リードフレーム
105 LEDチップ
107 モールディング樹脂
108 モールディング樹脂表面
110 LED用レンズ
111 LED用レンズ表面
400 透明カバー板
500 レーザービーム照射装置
510 レーザー装置用レンズ
600 パターンマスク

Claims (14)

  1. LEDパッケージ用投光性樹脂部を形成する段階と、
    前記LEDパッケージ用投光性樹脂部の表面に粗さを形成するよう前記表面にレーザービームを照射する段階と、を含むことを特徴とする発光ダイオードパッケージの製造方法。
  2. 前記投光性樹脂部は、LEDチップを封止するモールディング樹脂である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. 前記投光性樹脂部を形成する段階は、前記モールディング樹脂でLEDチップを封止する段階と、その後に前記モールディング樹脂を硬化する段階と、を含む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. 前記モールディング樹脂は、シリコン樹脂で形成さ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。
  5. 前記モールディング樹脂は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンテレナフタレート(PEN)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエーテルスルホン(PESs)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEKs)、ポリカーボネート(PCs)、ポリイミド(PIs)、ポリエーテルイミド、セルローストリアセテート樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリスルホン樹脂及びフッ化樹脂からなるグループから選択された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。
  6. 前記投光性樹脂部は、レンズである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。
  7. 前記投光性樹脂部を形成する段階と前記レーザービーム照射段階との間に、前記レンズをLEDチップが実装されたパッケージ本体上に搭載する段階をさらに含む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. 前記レーザービーム照射段階後に前記レンズをLEDチップが実装されたパッケージ本体上に搭載する段階をさらに含む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。
  9. 前記レンズは、シリコン樹脂またはエポキシ樹脂で形成され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。
  10. 前記レーザービーム照射段階において、前記投光性樹脂部上に前記レーザービームに対して投光特性を有するカバー板を配置する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。
  11. 前記レーザービーム照射段階において、前記投光性樹脂部上には前記レーザービームを選択的に透過させるパターンマスクを配置する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。
  12. 前記パターンマスクは、多数のスリットを有することを特徴とする請求項11に記載の発光ダイオードパッケージの製造方法。
  13. 前記レーザービームは、248nm波長のKrFレーザービーム、193nm波長のArFレーザービーム、COガスパルスレーザービーム及び355nm波長のNd−YAGパルスレーザービームの何れか一つであることを特徴とする発請求項1に記載の発光ダイオードパッケージの製造方法。
  14. 前記投光性樹脂はシリコン樹脂で形成され、前記レーザービームとして500乃至1000mJ/cmのパワー及び100Hzの反復周波数を有するKrFレーザービームを使用する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。
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