JP2007258701A - 発光ダイオードのパッケージ構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードチップの光取り出し効率を向上させる発光ダイオードのパッケージ構造及びその方法を提供する。
【解決手段】基板１００、少なくとも一つの発光ダイオード、プラズマ化学気相成長層１３０及び透明材料層１４０を備える。基板１００は、複数の接点を有する。発光ダイオードは、基板１００上に配置され、接点と電気的に接続される。プラズマ化学気相成長層１３０は、発光ダイオード上に配置され、発光ダイオードの屈折率よりも小さい屈折率を有する。透明材料層１４０は、プラズマ化学気相成長層１３０上に配置され、プラズマ化学気相成長層１３０の屈折率よりも小さい屈折率を有する。
【選択図】図１Ｃ

Description

本発明は、発光ダイオードのパッケージ構造に関し、特に光取り出し効率を向上させる発光ダイオードのパッケージ構造に関する。

発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、固体半導体装置であり、その表面は、約２．３又は２．３に近接した屈折率を有する。一般に発光ダイオードのパッケージ構造は、約２．５の屈折率を有する発光ダイオードチップを含み、ワイヤボンディング又はフリップチップ方法を用い、基板にｐ型電極及びｎ型電極を接続してから、約１．５８の屈折率を有する透明材料からなるパッケージング樹脂を用いて発光ダイオードチップをパッケージングする。このタイプの発光ダイオードのパッケージ構造は、基板の屈折率（約２．５）と、透明パッケージング樹脂の屈折率（約１．５８）との差異が大きすぎるため、発光ダイオードのパッケージ構造の光取り出し効率は僅かに約５％であった。そのため、光のほとんどが発光ダイオードチップ内に留まり、発光ダイオードの機能は、照明ロス及び発熱により低減することがあった。

上述の問題を解決するため、従来技術では、発光ダイオードチップの表面上に様々な規則的又は不規則のマイクロ構造体を形成して粗面化を行い、全内部反射を低減させていた。しかし、これら従来の方法では、発光ダイオードチップの表面に行う粗面化の制御が困難であるため、それぞれの発光ダイオードチップの効率及び品質に大きな差異が発生することがあった。

本発明の目的は、発光ダイオードチップの光取り出し効率を向上させる発光ダイオードのパッケージ構造及びその方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、基板、少なくとも一つの発光ダイオード、プラズマ化学気相成長層及び透明材料層を備えた発光ダイオードのパッケージ構造であって、前記基板は、複数の接点を有し、前記発光ダイオードは、前記基板上に配置され、前記接点と電気的に接続され、前記プラズマ化学気相成長層は、前記発光ダイオード上に配置され、前記発光ダイオードの屈折率よりも小さい屈折率を有し、前記透明材料層は、前記プラズマ化学気相成長層上に配置され、前記プラズマ化学気相成長層の屈折率よりも小さい屈折率を有することを特徴とする、発光ダイオードのパッケージ構造が提供される。

一つの好適な態様では、前記発光ダイオードは、単一の発光ダイオードチップであるか複数の発光ダイオードチップを有する単一のウェーハである。

一つの好適な態様では、前記発光ダイオードは、赤色、緑色及び青色の３原色の発光ダイオードチップを含む複数の発光ダイオードチップを含む。

一つの好適な態様では、前記プラズマ化学気相成長層は遷移金属酸化物からなる。

一つの好適な態様では、前記プラズマ化学気相成長層は、屈折率が１．７から２．６の間である単層構造である。

一つの好適な態様では、前記プラズマ化学気相成長層は、厚さが２０ｎｍよりも大きい。

一つの好適な態様では、前記プラズマ化学気相成長層は、前記発光ダイオードから前記透明材料層に向かって屈折率が徐々に低減する屈折率分布型である。

一つの好適な態様では、前記屈折率分布型プラズマ化学気相成長層は、前記発光ダイオード上に配置され、前記発光ダイオードの屈折率よりも小さい屈折率を有する第１の屈折率層と、前記第１の屈折率層上に配置され、前記第１の屈折率層の屈折率よりも小さい屈折率を有する第２の屈折率層と、を有する多層構造である。

一つの好適な態様では、前記第１の屈折率層は、屈折率が２．１から２．６の間であり、前記第２の屈折率層の屈折率と前記第１の屈折率層の屈折率との差異は０．２から０．６の間である。

一つの好適な態様では、前記第２の屈折率層上に配置され、前記第２の屈折率層の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３の屈折率層をさらに備える。

一つの好適な態様では、前記第３の屈折率層の屈折率と前記第２の屈折率層の屈折率との差異は０．１から０．４の間である。

一つの好適な態様では、前記透明材料層は、屈折率が１．４から１．７の間である。

また、本発明によれば、複数の接点を有する基板を準備する工程と、前記基板上に少なくとも一つの発光ダイオードを設置し、前記発光ダイオードを前記接点と電気的に接続する工程と、前記発光ダイオード上に、プラズマ化学気相成長法により前記発光ダイオードの屈折率よりも小さい屈折率を有するプラズマ化学気相成長層をコンフォーマルに形成する工程と、前記プラズマ化学気相成長層上に、前記プラズマ化学気相成長層の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明材料層を形成する工程と、を含むことを特徴とする、発光ダイオードのパッケージ構造の製造方法が提供される。

一つの好適な態様では、前記発光ダイオードは、単一の発光ダイオードチップであるか複数の発光ダイオードチップを有する単一のウェーハである。

一つの好適な態様では、前記プラズマ化学気相成長層は、屈折率が１．７から２．６の間である単層構造である。

一つの好適な態様では、前記プラズマ化学気相成長層は、屈折率が前記発光ダイオードから前記透明材料層に向かって徐々に低減する屈折率分布型である。

一つの好適な態様では、多層構造である前記プラズマ化学気相成長層の形成は、前記発光ダイオード上に、前記発光ダイオードの屈折率よりも小さい屈折率を有する第１の屈折率層を形成する工程と、前記第１の屈折率層上に、前記第１の屈折率層の屈折率よりも小さい屈折率を有する第２の屈折率層を形成する工程と、を含む。

一つの好適な態様では、前記第２の屈折率層上に、前記第２の屈折率の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３の屈折率層を形成する工程をさらに含む。

本発明の発光ダイオードのパッケージ構造及びその製造方法は、プラズマ化学気相成長法により、発光ダイオードチップ上に屈折率が徐々に低減する単層又は複数層のプラズマ化学気相成長層を蒸着させるため、全内部反射が低減され、発光ダイオードチップの光取り出し効率を向上させることができる。そのため、本発明の発光ダイオードのパッケージ構造及びその製造方法は、従来の構造及びその製造方法よりも簡便かつ効率的である上、発光ダイオードチップ上に行う単層又は複数層の屈折率分布型プラズマ化学気相成長層の蒸着を精確に制御することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１Ａから図１Ｃを参照する。図１Ａから図１Ｃは、本発明の第１実施形態による発光ダイオードのパッケージ構造の製造方法を示す断面図である。図１Ａに示すように、まず約２．３から４の間の屈折率を有する発光ダイオードチップ１２０を準備する。第１実施形態の発光ダイオードチップ１２０は、屈折率が約２．５のＧａＮである。発光ダイオードチップ１２０上のアノード電極及びカソード電極（図示せず）は、フリップチップ方法を用い、半田バンプ１１０を介して複数の接点を有する基板（例えば、プリント回路基板１００）と電気的に接続されている。或いは、発光ダイオードチップ１２０は、ワイヤボンディングによりプリント回路基板１００と電気的に接続されている。続いて、図１Ｂに示すように、発光ダイオードチップ１２０上に、発光ダイオードチップ１２０の屈折率よりも小さい屈折率を有するプラズマ化学気相成長層１３０がコンフォーマルに形成されている。第１実施形態のプラズマ化学気相成長層１３０は、単層構造であり、厚さが約２０ｎｍよりも大きい。プラズマ化学気相成長層１３０の屈折率は、約１．７から２．６の間である。第１実施形態のプラズマ化学気相成長層１３０は、屈折率が約２．１である。その上、プラズマ化学気相成長層１３０は、プラズマ化学気相成長法により形成され、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５などの遷移金属酸化物からなる。プラズマ化学気相成長法は、発光ダイオードチップ１２０上に数Åから数μｍの厚さのプラズマ化学気相成長層１３０が蒸着できる精確な表面蒸着工程である。プラズマ化学気相成長法において、高屈折率の前駆体のモノマーは、発光ダイオードチップ１２０の表面に重合される。このモノマーは、プラズマにより、電子、イオン、ガス原子、フリーラジカル及び励起状態の分子からなる気相錯体に活性化される。このような状態はプラズマ状態ともいわれる。このプラズマ状態は、発光ダイオードチップ１２０の表面に均一に拡散されて蒸着される高反応性フリーラジカルを生成する。発光ダイオードチップ１２０がプラズマに露出されると、高屈折率の前駆体は、混合された反応ガスと反応してフリーラジカルが形成され、これらが結合されると、発光ダイオードチップ１２０の表面に高屈折率の薄膜が形成される。この薄膜は、均一、高架橋、耐高温及び非結晶性という性質を備えている。この薄膜の各層の厚さと屈折率は、それぞれ計算して制御することができる。その後、図１Ｃに示すように、発光ダイオードのパッケージ構造を形成するために、プラズマ化学気相成長層１３０上に、プラズマ化学気相成長層１３０の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明材料層１４０を形成する。透明材料層１４０は、屈折率が約１．４から１．７の間であり、ＵＶ硬化型耐熱性樹脂、シリコーン又はエポキシからなる。第１実施形態の透明材料層１４０は、屈折率が約１．５８である。第１実施形態の発光ダイオードのパッケージ構造は、発光ダイオードチップ１２０の屈折率とプラズマ化学気相成長層１３０の屈折率との差異が約０．４であり、プラズマ化学気相成長層１３０の屈折率と透明材料層１４０の屈折率との差異が約０．５である。発光ダイオードチップ１２０の屈折率と透明材料層１４０の屈折率との差異は、プラズマ化学気相成長層１３０を加えることにより低減させることができ、発光ダイオードのパッケージ構造の光取り出し効率を約１１％にすることができる。この光取り出し効率は、プラズマ化学気相成長層１３０を備えていない従来の発光ダイオードのパッケージ構造の光取り出し効率（約５％）の２倍以上である。第１実施形態の発光ダイオードのパッケージ構造は、発光ダイオードチップ１２０と透明材料層１４０との間にプラズマ化学気相成長層１３０を加えることにより、プラズマ化学気相成長層１３０の屈折率を発光ダイオードチップ１２０の屈折率と透明材料層１４０の屈折率との間にし、発光ダイオードチップ１２０の屈折率と透明材料層１４０の屈折率との大きな差異により、発光ダイオードチップ１２０の光取り出し効率が低くなりすぎることを防ぐことができる。

（第２実施形態）
図２Ａから図２Ｅを参照する。図２Ａから図２Ｅは、本発明の第２実施形態による発光ダイオードのパッケージ構造の製造方法を示す断面図である。図２Ａに示すように、まず約２．３から４の間の屈折率を有する発光ダイオードチップ２２０を準備する。第２実施形態の発光ダイオードチップ２２０は、屈折率が約３．６のＧａＡｓである。発光ダイオードチップ２２０上のアノード電極及びカソード電極（図示せず）は、フリップチップ方法を用い、半田バンプ２１０を介して複数の接点を有するプリント回路基板２００と電気的に接続されている。或いは、発光ダイオードチップ２２０は、ワイヤボンディングによりプリント回路基板２００と電気的に接続されている。続いて、複数層構造を有するプラズマ化学気相成長層の製造工程を行う。第２実施形態では、図２Ｂに示すように、まず発光ダイオードチップ２２０上に、発光ダイオードチップ２２０の屈折率よりも小さい屈折率を有する第１の屈折率層２３０をコンフォーマルに形成する。第２実施形態の第１の屈折率層２３０は、屈折率が約２．１から２．６の間であり、厚さが約２０ｎｍよりも大きい。その上、第１の屈折率層２３０は、プラズマ化学気相成長法により形成され、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５などの遷移金属酸化物からなる。その後、図２Ｃに示すように、第１の屈折率層２３０上に、第１の屈折率層２３０の屈折率よりも小さい屈折率を有する第２の屈折率層２３２をコンフォーマルに形成する。第２実施形態の第２の屈折率層２３２は、屈折率が約１．７から２．１の間であり、厚さが約２０ｎｍよりも大きい。その上、第２の屈折率層２３２は、プラズマ化学気相成長法により形成され、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５などの遷移金属酸化物からなる。続いて、図２Ｄに示すように、第２の屈折率層２３２上に、第２の屈折率層２３２の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３の屈折率層２３４をコンフォーマルに形成する。第２実施形態の第３の屈折率層２３４は、屈折率が約１．８又は約１．７であり、厚さが約２０ｎｍよりも大きい。その上、第３の屈折率層２３４は、プラズマ化学気相成長法により形成され、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５などの遷移金属酸化物からなる。その後、図２Ｅに示すように、第３の屈折率層２３４上に、第３の屈折率層２３４の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明材料層２４０を形成する。第２実施形態の透明材料層２４０は、屈折率が約１．４から１．７の間であり、ＵＶ硬化型耐熱性樹脂、シリコーン又はエポキシからなる。第２の屈折率層２３２の屈折率と第１の屈折率層２３０の屈折率との差異は約０．２から０．６の間である。第３の屈折率層２３４の屈折率と第２の屈折率層２３２の屈折率との差異は、約０．１から０．４の間である。その上、第１の屈折率層２３０、第２の屈折率層２３２及び第３の屈折率層２３４は、プラズマ化学気相成長法により形成され、それぞれの材料及び厚さは互いに類似する。そのため、第２実施形態の第１の屈折率層２３０、第２の屈折率層２３２及び第３の屈折率層２３４は、屈折率が発光ダイオードチップ２２０から透明材料層２４０に向かって徐々に低減する１つの屈折率分布型プラズマ化学気相成長層として用いることができる。第２実施形態の発光ダイオードのパッケージ構造の特徴は、発光ダイオードチップ２２０と透明材料層２４０との間に屈折率分布型プラズマ化学気相成長層を加えることにある。これにより、発光ダイオードチップ２２０の屈折率と透明材料層２４０の屈折率との差異が大きくなることを防ぎ、発光ダイオードチップ２２０の光取り出し効率が低くなることを防ぐことができる。その上、プラズマ化学気相成長法を用いて屈折率分布型プラズマ化学気相成長層を形成するため、同一の作業環境下で屈折率がそれぞれ異なるプラズマ化学気相成長層を直接形成することができる。このプラズマ化学気相成長法は、プラズマ化学気相成長層の成分及び厚さを精確に制御することができる。そのため、第２実施形態の製造方法は、プラズマ化学気相成長層の蒸着を簡便化することができる上、プラズマ化学気相成長層の製作効果が良好となる。

ここで注意しなければならないことは、以下の点である。つまり、発光ダイオードのパッケージ構造の一製造工程において、複数の発光ダイオードチップを有するウェーハをまず各々独立したチップにダイシングしてから、ワイヤボンディング又はフリップチップ方法により基板にチップを接続してから、プラズマ化学気相成長法により発光ダイオードチップ上にプラズマ化学気相成長層を蒸着し、発光ダイオードチップの上方にあるプラズマ化学気相成長層上に透明材料層を蒸着する。或いは、本発明の発光ダイオードのパッケージ構造のもう一つの製造方法において、まず複数の発光ダイオードチップを有するウェーハをワイヤボンディング又はフリップチップ方法により基板と電気的に接続し、プラズマ化学気相成長法によりウェーハ上にプラズマ化学気相成長層を蒸着し、ウェーハの上方にあるプラズマ化学気相成長層上に透明材料層を蒸着する。その後、ウェーハを各々独立したチップにダイシングするか、ダイシングせずにそのまま維持する。同様に、本発明の発光ダイオードのパッケージ構造のもう一つの製造方法において、例えば赤色、緑色及び青色の３原色など、異なる色を有する発光ダイオードチップをまず組立てて発光ダイオードチップセットを形成してから、ワイヤボンディング又はフリップチップ方法により、発光ダイオードチップセットを基板と電気的に接続する。その後、プラズマ化学気相成長法により、発光ダイオードチップセット上にプラズマ化学気相成長層を蒸着し、発光ダイオードチップセットの上方にあるプラズマ化学気相成長層上に透明材料層を蒸着する。

本発明の発光ダイオードのパッケージ構造及びその製造方法は、発光ダイオードチップ上に単層又は複数層の屈折率分布型プラズマ化学気相成長層を蒸着し、プラズマ化学気相成長層上に透明材料層を蒸着するため、全内部反射によるロスが低減し、発光ダイオードチップの光取り出し効率を向上させることができる。そのため、本発明の発光ダイオードのパッケージ構造及びその製造方法は、従来の構造及びその製造方法よりも簡便かつ効率的である上、発光ダイオードチップ上に蒸着する単層又は複数層のプラズマ化学気相成長層の厚さ及び成分を精確に制御することができる。

当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

本発明の第１実施形態による発光ダイオードのパッケージ構造の製造工程を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による発光ダイオードのパッケージ構造の製造工程を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による発光ダイオードのパッケージ構造の製造工程を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による発光ダイオードのパッケージ構造の製造工程を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による発光ダイオードのパッケージ構造の製造工程を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による発光ダイオードのパッケージ構造の製造工程を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による発光ダイオードのパッケージ構造の製造工程を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による発光ダイオードのパッケージ構造の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１００ プリント回路基板
１１０ 半田バンプ
１２０ 発光ダイオードチップ
１３０ プラズマ化学気相成長層
１４０ 透明材料層
２００ プリント回路基板
２１０ 半田バンプ
２２０ 発光ダイオードチップ
２３０ 第１の屈折率層
２３２ 第２の屈折率層
２３４ 第３の屈折率層
２４０ 透明材料層

Claims (18)

1. 基板、少なくとも一つの発光ダイオード、プラズマ化学気相成長層及び透明材料層を備えた発光ダイオードのパッケージ構造であって、
   前記基板は、複数の接点を有し、
   前記発光ダイオードは、前記基板上に配置され、前記接点と電気的に接続され、
   前記プラズマ化学気相成長層は、前記発光ダイオード上に配置され、前記発光ダイオードの屈折率よりも小さい屈折率を有し、
   前記透明材料層は、前記プラズマ化学気相成長層上に配置され、前記プラズマ化学気相成長層の屈折率よりも小さい屈折率を有することを特徴とする、発光ダイオードのパッケージ構造。
2. 前記発光ダイオードは、単一の発光ダイオードチップであるか複数の発光ダイオードチップを有する単一のウェーハ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のパッケージ構造。
3. 前記発光ダイオードは、赤色、緑色及び青色の３原色の発光ダイオードチップを含む複数の発光ダイオードチップ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のパッケージ構造。
4. 前記プラズマ化学気相成長層は遷移金属酸化物からなることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
5. 前記プラズマ化学気相成長層は、屈折率が１．７から２．６の間である単層構造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のパッケージ構造。
6. 前記プラズマ化学気相成長層は、厚さが２０ｎｍよりも大きいことを特徴とする、請求項５に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
7. 前記プラズマ化学気相成長層は、前記発光ダイオードから前記透明材料層に向かって屈折率が徐々に低減する屈折率分布型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のパッケージ構造。
8. 前記屈折率分布型プラズマ化学気相成長層は、
   前記発光ダイオード上に配置され、前記発光ダイオードの屈折率よりも小さい屈折率を有する第１の屈折率層と、
   前記第１の屈折率層上に配置され、前記第１の屈折率層の屈折率よりも小さい屈折率を有する第２の屈折率層と、
   を有する多層構造であることを特徴とする、請求項７に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
9. 前記第１の屈折率層は、屈折率が２．１から２．６の間であり、
   前記第２の屈折率層の屈折率と前記第１の屈折率層の屈折率との差異は０．２から０．６の間であることを特徴とする、請求項８に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
10. 前記第２の屈折率層上に配置され、前記第２の屈折率層の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３の屈折率層をさらに備えることを特徴とする、請求項８に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
11. 前記第３の屈折率層の屈折率と前記第２の屈折率層の屈折率との差異は０．１から０．４の間であることを特徴とする、請求項１０に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
12. 前記透明材料層は、屈折率が１．４から１．７の間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のパッケージ構造。
13. 複数の接点を有する基板を準備する工程と、
    前記基板上に少なくとも一つの発光ダイオードを設置し、前記発光ダイオードを前記接点と電気的に接続する工程と、
    前記発光ダイオード上に、プラズマ化学気相成長法により前記発光ダイオードの屈折率よりも小さい屈折率を有するプラズマ化学気相成長層をコンフォーマルに形成する工程と、
    前記プラズマ化学気相成長層上に、前記プラズマ化学気相成長層の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明材料層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする、発光ダイオードのパッケージ構造の製造方法。
14. 前記発光ダイオードは、単一の発光ダイオードチップであるか複数の発光ダイオードチップを有する単一のウェーハであることを特徴とする、請求項１３に記載の発光ダイオードのパッケージ構造の製造方法。
15. 前記プラズマ化学気相成長層は、屈折率が１．７から２．６の間である単層構造であることを特徴とする、請求項１３に記載の発光ダイオードのパッケージ構造の製造方法。
16. 前記プラズマ化学気相成長層は、屈折率が前記発光ダイオードから前記透明材料層に向かって徐々に低減する屈折率分布型であることを特徴とする、請求項１３に記載の発光ダイオードのパッケージ構造の製造方法。
17. 多層構造である前記プラズマ化学気相成長層の形成は、
    前記発光ダイオード上に、前記発光ダイオードの屈折率よりも小さい屈折率を有する第１の屈折率層を形成する工程と、
    前記第１の屈折率層上に、前記第１の屈折率層の屈折率よりも小さい屈折率を有する第２の屈折率層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の発光ダイオードのパッケージ構造の製造方法。
18. 前記第２の屈折率層上に、前記第２の屈折率の屈折率よりも小さい屈折率を有する第３の屈折率層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１７に記載の発光ダイオードのパッケージ構造の製造方法。

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