JP2007250979A - 半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性が良好で、高い生産性を実現した発光ダイオード用パッケージと、このパッケージに発光ダイオードチップを登載した高出力な発光装置を提供する。
【解決手段】熱伝導率が高く、熱膨張率がＬＥＤチップ１０５の熱膨張率に近いセラミック基板１０２に銅合金材のリードフレーム１０１を銀ロー１０３で接合することにより、高い熱伝導と熱応力の少ないパッケージを実現する。また白色樹脂製の反射カップ１０４による光取り出し効率の向上だけでなく、金属反射板を一体成形した樹脂製反射カップの金属反射板に透明防水性材料による被覆を施す事により、劣化の少ない反射特性を実現する。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光ダイオード（以下ＬＥＤという）の、特に照明用用途などに使用される高出力LEDに関するものである。

従来ＬＥＤは携帯電話の液晶のバックライトや携帯オーデイオのインジケータなど小型携帯機器に多く使用されてきた。近年、青色ＬＥＤが開発され、さらに蛍光体による色変換技術の開発により白色ＬＥＤが開発されると、その用途は電球や蛍光灯に替わる照明器具の光源として期待されるようになってきた。しかし従来型のＬＥＤでは特開２００２−３１４１４２の図１に示すようにリードフレームを樹脂で囲み、反射カップを形成したものや図１４に示されているようにリードフレームに透明樹脂でレンズ形状を形成し、光を集光するタイプのものが多く、熱はリードフレームを通して外に放散されるだけであった。このため、ＬＥＤには電流が２０〜３０ｍＡしか投入できず、大電流の投入は出来なかった。

この改善策として、チップを装着する基板材料として熱伝導率が良く、金属と比べ熱膨張率がチップの熱膨張率に近いＡｌＮやＳｉＣの焼結体またはＳｉＣにＡｌを含浸した焼結体などのセラミック材料を採用することにより、温度上昇を防ぎ、かつ温度変化に対しチップに熱応力がかからないようにし、１Ｗ〜１０Ｗ程度の電流を流せるような構造にする。
特開２００４−２２１５９８

蛍光灯に替わる高出力ＬＥＤを作製しようと思えば、光出力を大きくとるために１Ｗから１０Ｗの電力を投入する必要がある。しかしＬＥＤの発光効率は現在のところ２０％程度であり、投入した電力の２０％程度が光になって外に取り出されたとしても、残りの８０％が熱に変換されるため、この発生熱をいかに効率よく外部に排出させるかが高出力ＬＥＤを作る上で重要な課題であった。
これだけの電力を従来のＬＥＤに投入すれば、ＬＥＤチップは２００℃から４００℃に温度上昇を起こし、動作寿命が極端に短くなった。またチップを金属ブロックのヒートシンクに直接装着すると、金属の熱膨張率とチップの熱膨張率が大きく異なるので温度上昇時に大きな応力がチップにかかり、ＬＥＤチップ内の結晶欠陥が増大し、ＬＥＤの動作寿命が劣化するという課題があった。また特開２００２−３１４１４２の図１に示されているようにＬＥＤチップの周りを囲っている白色反射樹脂として３００℃でも溶解しないものは、ナイロン系の樹脂しかなく、一般にはソルベイアドバンストポリマーズ株式会社のアモルデとか大塚化学株式会社のポチコンとかが使用されている。ところがこれらのナイロン系樹脂は高温になると、樹脂が酸化され、黒色に変色してくるという欠点がある。このため初期に反射効率が高かったものが高出力動作していると、樹脂パッケージが高温になり、反射カップが変色し、ＬＥＤの発光効率が落ちてくるという欠点があった。

上記課題を解決するために、本発明ではチップを装着する基板材料として熱伝導率が良く、金属と比べ熱膨張率がチップの熱膨張率に近いＡｌＮやＳｉＣの焼結体またはＳｉＣにＡｌを含浸した焼結体などのセラミック材料を採用することにより、温度上昇を防ぎ、かつ温度変化に対しチップに熱応力がかからないようにしている。またＬＥＤチップと外部回路を電気的に接続するリード線として、金属リードフレームを当該セラミック基板に銀ローで接合することによりチップで発生する熱を効率よく外部に放散するようにしている。このリードフレームとして使われる銅フレームの線膨張係数は１７×１０−６／℃であり、放熱基板セラミックスは４〜５×１０−６/℃と大きく違うため、７８０℃以上でＡｇロー付けした後、室温まで温度を下げた時、銅フレームは放熱セラミックに対して大きく収縮するため、銅リードフレームが硬いと放熱セラミックに応力がかかり、クラックが入ったりする。これを解決するために銅リードフレームとして硬さがＨｖで４０〜８０の柔らかい材料を使用すれば、放熱セラミックにクラックが入らない事が分かった。
また放熱セラミック上のリードフレームの端面に傾斜を付ける事によりチップから発せられた光を効率よく前方に放射されるようにした。さてこのように放熱セラミックや銅材リードフレームを通して放熱しても、ＬＥＤに投入される電力が大きい場合にはパッケージ温度が１００℃以上になる。このため白色樹脂が変色し発光効率が落ちてくる。この解決のため、白色樹脂の反射カップ表面にＡｇ、クロム、ニッケルなどの金属メッキを施すか、または金属板を反射カップ面に埋め込み、この金属面に金属メッキを施すことにより、光反射率を一定に保つ事ができ、更にＬＥＤの寿命を延ばすことが出来る。この金属メッキとしてＡｇメッキを用いる時はＡｇが水分の存在下で紫外線照射されると黒化するので、これを防ぐためガラスなど透明防水性材料をＡｇメッキ表面に被服することが有効である。一般にＬＥＤチップからの光を集光するには、レンズが用いられている。レンズはＬＥＤの保護用に用いる透明樹脂にて固定されるが、レンズを確実に接着するためには、反射カップの上にレンズホルダーを設ける。このレンズホルダーに樹脂を十分挿入し、レンズを入れると樹脂があふれ出る。このあふれた樹脂をためるため、樹脂溜まりを上面に設ける事により、樹脂のオーバーフローを防ぐ事が出来る。
上記樹脂溜まりを設ける事ができない場合はレンズの一部を削り、この部分にオーバーフローした樹脂をためることができる。
また放熱セラミックと接合したリードフレームの上にＬＥＤチップをダイボンド樹脂にて装着しても良い。この場合ダイパットとなるリードフレームの厚さは熱膨張率の小さい放熱セラミックの効果を生かすように、適切な厚さにすると良い。
リードフレームにダイボンドする場合、ダイパッド部分だけリードフレーム部を薄くすることにより、周辺をリフレクターとして使うことができるとともに、ダイボンド樹脂のオーバーフローを防ぐことができる。

本発明の構造、製造方法によれば従来より大幅に高出力化、長寿命化の図れたＬＥＤ発光装置が構成され、電球や蛍光灯に代わる固体照明が実現できる。また本パッケージは従来のＬＥＤ組み立て製造ラインを適用することができるので、高い生産性を実現できる。

ＡｌＮ放熱体の表面に電極のメタライゼーションを形成し、ＬＥＤチップをフリップチップ実装している。また銅リードフレームのチップに面した端面に傾斜をもたせて、リフレクターの機能をもたせている。反射カップには金属材のカップにＡｇメッキを施し、この上に透明防水性材料としてガラスをコートしたしたものを白色樹脂でリードフレームと同時一体成形した例である。このようにすることによって、熱抵抗を下げる事ができるとともに、熱応力を小さくする事ができる。また、発光効率も増加し、反射効率の劣化が防げる。

図１は本発明の一実施例を示している。銅のリードフレーム１０１の一部にＡｇローを塗布し、Ａｇローを上にしてカーボンボート治具に入れ、カーボン治具で位置決めされたところにＡｌＮ１０２を置き、Ａｇローが融けた時なじみ易い様に上部に重りをセットする。
セット完了したカーボンボート治具を窒素で酸素を置換した高温炉に入れる。酸素濃度は
１００ＰＰＭ以下が良い。もちろん真空炉でもよいことは言うまでもない。
カーボンボート治具を通す炉の最高温度を７８０℃から８８０℃に設定し、ＡｌＮ１０２とリードフレーム１０１を加温、ロー付けする。Ａｇロー付け温度はＡｇロー材が融ける温度が７３０℃程度であるので、確実にＡｇロー付けするために、それより５０℃高い７８０℃より高い温度で、かつ銅のリードフレームが軟化しない８８０℃程度の温度以下で行うのが良い。Ａｇローを用いるのは接続の強度が強いことと熱伝導率が高いためである。またＡｇローにはＡｇ粉末以外にＣｕ,Ｉｎ、Ｔｉ等が含まれている低融点の活性Ａｇローが最適である。リードフレームに用いる銅は純銅にＦｅ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｐ等を微量に含んだ銅合金が用いられる。一般的には不純物が多く含まれるほど硬くなる。ＡｌＮにＡｇロー付けする場合、７８０℃以上の高温で接合するため、室温まで冷却する間にＡｌＮより銅のリードフレームが大きく収縮する。このためＡｌＮにクラックが入ると言う不具合が発生する。これを発生させないためには銅リードフレームは柔らかいほどいいが,柔らかすぎると、リード変形不良が多発するため、銅リードフレームの硬さは硬度Ｈｖで４０〜８０のものを選ぶのが良い。また放熱セラミックには大量の熱を外部放熱フィンに伝えるため、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ以上で、かつ放熱フィンと絶縁をとるため、電気的に絶縁体となるものが理想的であり、ＡｌＮ焼結体のほか、ＳｉＣの焼結体やＣＶＤで作ったＳｉＣを用いるのが良い。
その他の放熱セラミックとして多孔質のＳｉＣにＡｌを含浸させたＡｌＳｉＣを用いる事もできる。
Ａｇロー付け完了後、銅リードフレームにＡｇメッキを行う。Ａｇメッキは通常ワイヤーボンドがし易いように、電解メッキにて３〜８μｍつける。
その後、ＡｌＮと銅リードフレームの周りにインサート成形にて反射カップを形成する。ＬＥＤはリフロー半田付けすることが多く、このため、樹脂としては３００℃に耐えることが必要である。このため樹脂としてはナイロン系の白色樹脂でソルベイアドバンストポリマーズ株式会社のアモデルとか大塚化学株式会社のポチコンが一般的に用いられている。
ＬＥＤパッケージとしては以上の工程で出来上がるが、発光装置にするためには、さらにリードフレーム上にＬＥＤチップをダイボンドし、電極配線用ワイヤーボンドを行い、カップ内に透明樹脂、一般的にはエポキシ樹脂かシリコーン樹脂をデイッピングにより注型し、硬化する。
最後にリードフレームからリードを切断して、リードのフォーミングを行い、ＬＥＤとして完成する。青色ＬＥＤや緑色ＬＥＤは一般的にはサファイヤ基板上にＩｎＧａＮをエピタキシャル成長して作るので、サファイヤ基板が絶縁体であるため、上面から正負の両極をとる必要がある。出来上がったＬＥＤは図２に示すように、通電するときは、例えば信越化学の熱伝導率の良いＫＥ-３４６６のような放熱シリコーンの接着剤２０１を用いて大きなＡｌ放熱フィン２０２に貼り付け使用する。

図３に第２の実施例を示す。
第２の実施例は第１の実施例の銅リードフレームのＬＥＤチップを搭載する部分に２０〜１００μｍ程度の窪みを設けたものである。この窪みによって、ダイボンド樹脂３０６がリードフレーム３０１に垂れ流れる事による電極ショートを防ぐ事ができる。この窪みはリードフレームを超硬金属によるパンチで上から押す事により、簡単に形成する事ができる。窪みの周辺の傾いた面がリフレクターとして機能し、ＬＥＤチップから放射された光を効率よく前面に配光できる。

図４に第３の実施例を示す。
第３の実施例はＡｌＮ放熱体の表面に電極のメタライゼーションを形成し、ＬＥＤチップをフリップチップ実装している。また銅リードフレームのチップに面した端面に傾斜をもたせて、リフレクターの機能をもたせている。反射カップには金属材のカップにＡｇメッキを施し、この上に透明防水性材料としてガラスをコートしたしたものを白色樹脂でリードフレームと同時一体成形した例である。このようにすることによって、熱抵抗を下げる事ができるとともに、熱応力を小さくする事ができる。また、発光効率も増加し、反射効率の劣化が防げる。

図５に第４の実施例を示す。
第４の実施例は第１の実施例の、反射カップの一部に金属メッキまたは金属膜を形成し、白色樹脂５０４の温度による変色を防いだものである。白色樹脂には成形性の良い、ナイロン系の樹脂であるアモデルやポチコンが用いられるが、これらの樹脂は高温になると空気中の酸素と反応し、黒色に変色し、反射効率が低下する。このため金属反射層を付ける事は非常に有効である。
金属反射層には金属メッキ、金属蒸着がある。いずれもリードフレーム５０１とショートしないようにリードフレームに近いカップの０．２ｍｍ程度は金属反射層と隙間を設ける必要がある。一例としてスパッター蒸着の例を示す。ＬＥＤパッケージのカップ内の下０．２ｍｍにフォトレジストをコートし、真空蒸着機にＬＥＤパッケージを入れ、Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｇをスパッター蒸着する。次に真空蒸着機から取り出し、フォトレジストを剥離することにより出来上がる。

図６に第５の実施例を示す。
第５の実施例は放熱体にＡｌを含浸したＳｉＣセラミックを使用した場合の例である。ＡｌＳｉＣは熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫと高く、熱膨張率は４×１０−６/℃とＬＥＤチップの熱膨張率に極めて近付けることができ、価格が安価なため有効な放熱体である。しかし電気的に導電体であるため、放熱体として使用するためには電気的絶縁が必要である。一般的にはリードフレーム６０２とＡｌＳｉＣ６０３を絶縁するためにエポキシ樹脂やポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂等が用いられる。これらの樹脂は熱伝導率が低いため、できるだけ薄くする必要があるが、薄くしすぎると絶縁不足を起こす。このため日本ペイント株式会社の電解活性型エレクトロコーティング（商品名インシュリード）を用いて、電着塗装するのが良い。インシュリードは２０μｍで４KVの絶縁耐圧があり、均一に薄くコーテイングでき、銅リードフレーム６０１と６０２との接着力も強く好ましい材料である。さらにこのインシュリードにダイヤモンドの微粒子を混ぜ、熱伝導率を高めた材料を用いれば、熱伝導率を０．１Ｗ／ｍＫから５Ｗ／ｍＫまで高められるので非常に有効である。実施例３においても放熱体４０２の替わりにＡｌＳｉＣを用いる事ができることはいうまでもない。さらにＡｌＳｉＣ放熱体をカップ状に掘り込み、チップを掘り込んだ窪みに入れることにより、ＬＥＤチップのサイドから出た光を上方に導くことができるのは言うまでも無い。
この例のＡｌ含浸ＳｉＣの代わりに銅材を同様に用いることもできる。しかし、チップと銅材の熱膨張率の違いから生ずる熱応力の影響が問題にならない範囲に限定される。

図７に第６の実施例を示す。
実施例６はレンズ付き発光装置において、透明樹脂７０８がカップ外にオーバーフローしないように、カップ外に樹脂溜まり７１１を設けた例である。高出力ＬＥＤは発光した光を集光するために発光装置にレンズ７０９を設ける事が多い。レンズ７０９は一般にはカップの上部に段差のあるレンズホルダー７１０を設け、その中に挿入する。カップ内に挿入する透明樹脂７０８は多少レンズホルダー７１０にオーバーフローするように多めに入れ、レンズ７０９をレンズホルダー７１０に挿入する。このようにすれば、透明樹脂７０８はレンズホルダー７１０からオーバーフローすることがない。

図８に第７の実施例を示す。
実施例７は実施例６の透明樹脂７０８がレンズ挿入時にオーバーフローしないようにした他の実施例である。レンズは凸レンズ部分８０１とレンズ枠８０２からなり、レンズ枠には一部欠け８０３があるため、オーバーフローした樹脂はこの欠け部分に溜まり、カップ外にオーバーフローしない。

本発明の構造、製造方法によれば従来より大幅に高出力化、長寿命化の図れたLED発光装置が構成され、電球や蛍光灯に代わる固体照明が実現できる。また本パッケージは従来のＬＥＤ組み立て製造ラインを適用することができるので、高い生産性を実現できる。

ＬＥＤパッケージとチップ実装の実施例１断面図 ＬＥＤ発光装置実働断面図 ＬＥＤパッケージとチップ実装の実施例２断面図 ＬＥＤパッケージとチップ実装の実施例３断面図 ＬＥＤパッケージとチップ実装の実施例４断面図 ＬＥＤパッケージとチップ実装の実施例５断面図 ＬＥＤパッケージ及びレンズ装着とチップ実装の実施例６断面図及び平面図 レンズの実施例７断面図及び平面図

符号の説明

１０１ リードフレーム
１０２ ＡｌＮ
１０３ 銀ロー
１０４ 白色樹脂
１０５ ＬＥＤチップ
１０６ ダイボンド樹脂又はＡｕＳｎロー材
１０７ 金線
１０８ 透明樹脂シリコーン
２０１ 接着剤
２０２ 接着剤
２０３ Ａｌ冷却フィン
２０４ 金属基盤
２０５ 絶縁体
２０６ 銅箔
２０７ 半田
２０８ リードフレーム
３０１ リードフレーム
３０２ ＡＬＮ
３０３ 銀ロー
３０４ 白色樹脂
３０５ ＬＥＤチップ
３０６ ダイボンド樹脂又はＡｕＳｎロー材

Claims (15)

1. 放熱体と一体化したリードフレームの周辺に白色樹脂をもちいて、反射カップを形成し
   た事を特徴とした発光ダイオードパッケージ
2. 前記リードフレーム上にＬＥＤチップを装着するために、この装着部分を２０μｍ〜１００μｍ窪ませたことを特徴とした上記LEDパッケージ
3. 放熱体表面に半導体チップを直接搭載するためのメタライゼーション（金属薄層）を具
   備した放熱体と一体化したリードフレームの周辺に白色樹脂をもちいて、反射カップを形成した事を特徴とした発光ダイオードパッケージ
4. 前記リードフレームのチップに面した端面がチップから発せられた光を前方に効率的に
   反射するように傾斜面を持つことを特徴とする上記発光ダイオードパッケージ
5. 前記放熱体はＡｌＮの焼結体、ＳｉＣの焼結体またはＡｌ含浸ＳｉＣである放熱セラミックを使用した事を特徴とした前記記載の発光ダイオードパッケージ
6. 前記放熱セラミックとリードフレームとは活性銀ローにて接着したことを特徴とした前記記載の発光ダイオードパッケージ
7. 前記リードフレームは銅系材料で、銅の硬さがＨｖで４０〜８０の範囲にあることを特徴とした前記記載の発光ダイオードパッケージ
8. 前記反射カップ内に金属メッキまたは金属反射板を挿入したことを特徴とした前記記載の発光ダイオードパッケージ
9. 前記放熱体材料として電気抵抗が低い材料を用いる場合、当該放熱体に絶縁体を挟み、銅リードフレームと接着したことを特徴とした前記記載の発光ダイオードパッケージ
10. 前記記載の発光ダイオードパッケージのリードフレームの一部の上または放熱セラミック上に金属膜を形成した上に発光素子チップを搭載し、反射カップ内に透明樹脂または透明樹脂に蛍光体を入れたことを特徴とした発光装置
11. 前記反射カップの上面にレンズホルダーと樹脂溜まりを設けたことを特徴とした前記記載の発光ダイオードパッケージ
12. 請求項１１記載のレンズホルダーにレンズ枠の一部が欠けたレンズを挿入したことを特徴とした請求項１０記載の発光装置
13. リードフレームに活性銀ローを塗布し、カーボンボート治具内に挿入し、前記活性銀ロー上にＡｌＮなどの放熱セラミックを載置し、酸素フリーにした雰囲気炉の中に前記カーボンボートを入れ、７８０℃〜８８０℃に加温して、リードフレームと放熱セラミックを接合し、その後、インサート成型にて白色樹脂の反射カップを形成したことを特徴とした発光ダイオードパッケージの製造方法
14. 請求項１３のインサート成型時に放熱セラミックを接合したリードフレームと、金属反射カップ板を同時に樹脂成型する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
15. 前述のパッケージにおいて金属反射カップ板にＡｇメッキを施した上に透明防水性材料で被覆したことを特徴とする発光ダイオードパッケージ
    

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