JP2008053621A - Ledパッケージ - Google Patents

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Abstract

【課題】実装基板との線膨張率の違いに起因して発生する応力を有効に緩和することによってハンダの破壊を防止し、導通不良を防止することができるLEDパッケージを提供する。
【解決手段】LEDパッケージは、パッケージ本体10又は実装基板20に、当該LEDパッケージと実装基板20との界面に発生する応力を緩和する間隙17を設ける。
【選択図】図4

Description

本発明は、発光ダイオード(Light Emitted Diode;以下、LEDという。)チップをパッケージ本体に実装したLEDパッケージに関する。
従来から、LEDチップを所定のパッケージ本体に実装し、これをプリント回路基板等の実装基板に実装するLEDパッケージが提案されている。かかるLEDパッケージは、ハンダによってLEDチップを実装基板に実装する際に、電極間でハンダ量に差があると、ハンダが溶融したときの表面張力の差やハンダが固化するときの収縮応力等に起因して、一方の電極が浮き上がる、いわゆる、マンハッタン現象を生じるという問題がある。これを解決するために、特許文献1に記載された技術が提案されている。
この特許文献1には、一方の面が素子取付面とされて素子用電極が設けられ他方の面が取付面とされて端子用電極が設けられる板状基板を有する発光ダイオードが開示されている。特に、この発光ダイオードは、板状基板に一方の面から他方の面に達するスルーホール電極を設け、このスルーホール電極によって素子用電極と端子用電極との電気的接続を行うことにより、ハンダ量に不均一を生じているときであっても、板状基板に一方の端部を浮き上がらせるような応力を生じることをなくし、導通不良を防止することができるとしている。
特開2000−216440号公報
ところで、LEDパッケージにおいては、実装基板にハンダ実装した場合には、実装基板の線膨張率がLEDパッケージの線膨張率よりも大きく、熱履歴によってLEDパッケージと実装基板上の配線パターンとの接続部分に応力が集中することに起因して、ヒートサイクル試験等の際にハンダが破壊することがあり、導通不良を起こすという問題があった。この問題は、パッケージ本体がセラミックス材などで形成されていることに起因し、使用時のみならず、はんだ実装時においても問題になることがある。
そこで、本発明は、上述したような問題を解決するために案出されたものであり、実装基板との線膨張率の違いに起因して発生する応力を有効に緩和することによってハンダの破壊を防止し、導通不良を防止することができるLEDパッケージを提供することを目的とする。
本発明は、LEDチップをパッケージ本体に実装したLEDパッケージにおいて、パッケージ本体は、ハンダを介して実装基板上に実装されるものであり、上述の課題を解決するために、パッケージ本体又は実装基板に、当該LEDパッケージと実装基板との界面に発生する応力を緩和する間隙が設けられている。
また、本発明に係るLEDパッケージは、パッケージ本体とハンダとが接触している近傍領域が薄肉部となるように、パッケージ本体における実装基板に対する実装面側を始点として当該パッケージ本体に間隙を設けていても良い。
更に、本発明に係るLEDパッケージは、薄肉部にバネ構造が形成されていても良い。
更にまた、本発明に係るLEDパッケージは、パッケージ本体と実装基板との界面に間隙を設けていても良い。
更にまた、本発明に係るLEDパッケージは、パッケージ本体との間に間隙が生じるように且つその前端部が接合するように当該パッケージ本体の側面に金属端子を設けていても良い。
更にまた、本発明に係るLEDパッケージは、金属端子にバネ構造が形成されていても良い。
更にまた、本発明に係るLEDパッケージは、パッケージ本体がハンダと接触している領域において当該パッケージ本体の表面に形成されている配線と当該パッケージ本体との間に間隙を設けていても良い。
更にまた、本発明に係るLEDパッケージは、ハンダを介してパッケージ本体と接合している領域において実装基板上に形成された回路パターンと当該実装基板との間に間隙を設けていても良い。
本発明に係るLEDパッケージによれば、パッケージ本体又は実装基板に、当該LEDパッケージと実装基板との界面に発生する応力を緩和する間隙を設けたので、LEDチップの発熱によって当該LEDパッケージと実装基板とが熱膨張した場合に、両者の線膨張率の違いから界面に応力が発生したとしても、間隙によって変形を吸収して応力集中を緩和するため、当該LEDパッケージと実装基板との界面であるハンダの部分が破壊してしまうような不良発生を低減することができる。
また、本発明に係るLEDパッケージによれば、パッケージ本体とハンダとが接触している近傍領域が薄肉部となるように、パッケージ本体における実装基板に対する実装面側を始点として当該パッケージ本体に間隙を設けたので、LEDチップの発熱によって当該LEDパッケージと実装基板とが熱膨張し、両者の線膨張率の違いから界面に応力が発生したとしても、間隙によって変形を吸収して応力集中を緩和するため、ハンダの部分が破壊してしまうような不良発生を低減することができる。
更に、本発明に係るLEDパッケージによれば、薄肉部にバネ構造を形成したので、実装基板の面方向に起因する応力緩和のみならず、当該実装基板の厚み方向の変形に起因する応力緩和にも対応することができ、ハンダの破壊をより有効に防止することができる。
更にまた、本発明に係るLEDパッケージによれば、パッケージ本体と実装基板との界面に間隙を設けたので、薄肉部の形状を、実装基板に拘束されることなく、変形しやすい任意の形状とすることができる。
更にまた、本発明に係るLEDパッケージによれば、パッケージ本体との間に間隙が生じるように且つその前端部が接合するように当該パッケージ本体の側面に金属端子を設けたので、LEDチップの発熱によって当該LEDパッケージと実装基板とが熱膨張した場合に、両者の線膨張率の違いから界面に応力が発生したとしても、間隙によって変形を吸収して応力集中を緩和するため、ハンダの部分が破壊してしまうような不良発生を低減することができる。
更にまた、本発明に係るLEDパッケージによれば、金属端子にバネ構造を形成したので、実装基板の厚み方向の変形に起因する応力緩和にも対応することができ、ハンダの破壊をより有効に防止することができる。
更にまた、本発明に係るLEDパッケージによれば、パッケージ本体がハンダと接触している領域において当該パッケージ本体の表面に形成されている配線と当該パッケージ本体との間に間隙を設けたので、LEDチップの発熱によって当該LEDパッケージと実装基板とが熱膨張した場合に、両者の線膨張率の違いから界面に応力が発生したとしても、間隙によって変形を吸収して応力集中を緩和するため、ハンダの部分が破壊してしまうような不良発生を低減することができる。
更にまた、本発明に係るLEDパッケージによれば、ハンダを介してパッケージ本体と接合している領域において実装基板上に形成された回路パターンと当該実装基板との間に間隙を設けたので、LEDチップの発熱によって当該LEDパッケージと実装基板とが熱膨張した場合に、両者の線膨張率の違いから界面に応力が発生したとしても、間隙によって変形を吸収して応力集中を緩和するため、ハンダの部分が破壊してしまうような不良発生を低減することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1及び図2に、LEDチップを実装するパッケージ本体10の外観構成を示す斜視図を示し、図3及び4に、LEDチップ11をパッケージ本体10に実装したLEDパッケージを実装基板20上に実装した様子を示す断面図を示す。
パッケージ本体10は、例えばセラミック焼結体からなる本体部12を有する。セラミックス材としては、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素などがある。セラミック焼結体の製造方法としては、射出成形、圧縮成形(プレス成形)、鋳込み成形等があるが、パッケージ本体10を製造するにあたっては、いずれの方法を用いてもよい。本体部12は、中央部分に頭切円錐状の窪みが形成され、底面にLEDチップ11が実装されるように構成されている。
この頭切円錐状の窪みの底面は、LEDチップ11を実装するLEDチップ実装部13として用いられる。したがって、パッケージ本体10は、このLEDチップ実装部13から本体部12の側面にかけて所定の回路パターン(配線)14が設けられた立体回路基板(Molded Interconnect Device;MID)として機能することになる。また、頭切円錐状の窪みの円錐面は、LEDチップ11から放射された光を反射する反射板15として機能する。LEDパッケージは、反射板15をこのような円錐面とすることにより、高い信頼性及び光取り出し効率を実現することができる。なお、パッケージ本体10においては、例えば図2に示すように、反射板15の部分に高反射率の金属膜16を形成するようにしてもよい。これにより、LEDパッケージにおいては、より高い信頼性及び光取り出し効率を実現することができる。
このようなLEDパッケージにおいては、薄膜輪郭除去法により、LEDチップ実装部13と反射板15とを一体化したような立体回路基板を容易に形成することができる。この薄膜輪郭除去法は、以下のようなプロセスからなる。
まず、薄膜輪郭除去法においては、加熱処理プロセスを実行し、焼結体を温度1000℃、保持時間1時間の条件で加熱処理し、表面を清浄化する。
続いて、薄膜輪郭除去法は、導電性薄膜形成プロセスを実行する。このプロセスは、真空蒸着装置やDCマグネトロンスパッタリング装置等を使用した物理的蒸着法や無電解めっき等の湿式法等により、導電性薄膜を基板材料表面に形成するものである。具体的には、基板材料をプラズマ処理装置のチャンバ内にセットし、チャンバ内を10−4Pa程度に減圧した後、温度100〜200℃で3分間程度、試験体を予備加熱する。その後、チャンバ内に窒素やアルゴンなどのガスを流通させるとともに、チャンバ内のガス圧を10Pa程度に制御する。そして、電極間に100〜1000Wの高周波電圧(RF:13.56MHz)を10〜300秒間印加することにより、プラズマ処理を行う。続いて、チャンバ内の圧力を10−4Pa以下に制御し、この状態でチャンバ内にアルゴンガスをガス圧が0.6Pa程度になるように導入した後、さらに300〜600Vの直流電圧を印加することにより、金属ターゲットをボンバートし、試験体表面に膜厚が100〜1000nm程度の導電性薄膜を形成する。なお、導電性材料としては、銅、ニッケル、クロム、チタン等が用いられる。
続いて、薄膜輪郭除去法においては、回路パターン形成プロセスを実行し、例えば図5中(a)に示すように、大気中でYAGレーザーの第3高調波(THG−YAGレーザー)を使用して回路パターンの輪郭に沿ってレーザーを走査し、アルミナ基板33上に形成された導電性薄膜32のうち、回路パターン31の輪郭部の薄膜のみを除去した薄膜除去部30を形成する。
続いて、薄膜輪郭除去法においては、めっきプロセスを実行し、例えば図5中(b)に示すように、焼結体表面の電気回路部のみに電解めっきによって銅めっき34を施して厚膜化し、厚さが5〜15μmの銅膜を形成する。その後、例えば図5中(c)に示すように、全面をエッチングすることによって、非電気回路部に残存している導電性薄膜32をエッチングによって完全に除去する。このとき、銅めっき34は、導電性薄膜32よりも厚く形成されているために、残存する。そして、例えば図5中(d)に示すように、電気回路部に電気めっきによってニッケルめっきや金めっき35を施す。
LEDパッケージは、このような薄膜輪郭除去法によって容易に形成することができる。なお、図2に示したLEDパッケージを薄膜輪郭除去法によって製造する場合には、上述した銅めっき、エッチング、ニッケルめっきまでのプロセスについては同様に行った上で、電気回路部のみに給電して金めっきを施すとともに、反射板15のみに給電して例えば銀めっきを施せばよい。
このようにして形成されるLEDパッケージは、図3及び図4に示したように、ハンダ21を介して所定の回路パターン22が形成された実装基板20上に実装される。
ここで、パッケージ本体10とハンダ21とが接触している近傍領域23には、図3に示すように、当該LEDパッケージと実装基板20との界面に発生する応力を緩和する間隙(応力緩和構造)が設けられる。具体的には、LEDパッケージにおいては、図4に示したように、パッケージ本体10とハンダ21とが接触している近傍領域23が薄肉部となるように、パッケージ本体10における実装基板20に対する実装面側を始点として当該パッケージ本体10に間隙17を設けている。
LEDパッケージにおいては、かかる間隙17によって薄肉部を設けることにより、LEDチップ11の発熱によって当該LEDパッケージと実装基板20とが熱膨張した場合に、両者の線膨張率の違いから界面に応力が発生したとしても、間隙17によって変形を吸収して応力集中を緩和するため、ハンダ21の部分が破壊してしまうような不良発生を低減することができる。
このような間隙17が設けられたLEDパッケージは、以下のようにして形成することができる。すなわち、LEDパッケージを製造するにあたっては、例えば図6中(a)に示すように、間隙17を形成した焼結体(本体部12)を形成する。ここで、間隙17は、例えば図7に示すように、COレーザーやYAGレーザー、高調波YAGレーザー等を用いて、焼結体をレーザー加工することによって容易に形成することができる。このような方法は、応力緩和に適した任意形状の間隙17を形成することが可能である。
続いて、LEDパッケージを製造するにあたっては、例えば図6中(b)に示すように、上述した薄膜輪郭除去法によって焼結体の表面に回路パターン14を形成し、図6中(c)に示すように、LEDチップ実装部13にLEDチップ11を実装する。そして、このようにして形成されたLEDパッケージは、図6中(d)に示すように、実装基板20上に実装される。
LEDパッケージにおいては、このようなプロセスを経て、間隙17を形成することができる。これにより、LEDパッケージにおいては、成形時に間隙17を形成することができるので、工数の削減を図ることができ、比較的低コストで所望のLEDパッケージを得ることができる。また、LEDパッケージにおいては、成形時に間隙17を形成することにより、成形→脱脂→焼結→回路形成という一連の工程フローを全く変える必要がなく、煩雑なプロセスを要せず、工程が増えないことからコストの高騰も抑制することができる。
また、LEDパッケージにおいては、例えば図8に示すように、間隙17を介して形成される薄肉部にバネ構造17aを形成してもよい。かかるバネ構造17aは、その他の部位と別個に成形した部品を当該その他の部位と位置を合わせて焼結することによって一体化することができ、また、射出成形等によっても容易に成形することができる。LEDパッケージにおいては、このようなバネ構造17aを設けることにより、間隙17による実装基板20の面方向に起因する応力緩和のみならず、当該実装基板20の厚み方向の変形に起因する応力緩和にも対応することができ、ハンダ21の破壊をより有効に防止することができる。
さらに、LEDパッケージにおいては、例えば図9に示すように、パッケージ本体10と実装基板20との界面に間隙17bを設けるようにしてもよい。すなわち、LEDパッケージにおいては、パッケージ本体10と実装基板20との界面に間隙17bが形成されるように、すなわち、当該パッケージ本体10が当該実装基板20と接触しないように、当該パッケージ本体10となる焼結体を設計すればよい。
これにより、LEDパッケージにおいては、薄肉部の形状を、実装基板20に拘束されることなく、変形しやすい任意の形状とすることができる。
さらにまた、LEDパッケージにおいては、例えば図10に示すように、パッケージ本体10との間に間隙17dが生じるように且つその前端部が接合するように当該パッケージ本体10の側面に金属端子17cを設けてもよい。具体的には、LEDパッケージにおいては、パッケージ本体10の表面に形成される回路パターン14をハンダ21を介した実装基板20との接合部まで延在させるのではなく、パッケージ本体10の側面の途中部分まで延在させ、この回路パターン14の端部と金属端子17cの一端とをろう付け等によって接合し、金属端子17cの他端をハンダ21を介して実装基板20に接合する。したがって、金属端子17cとパッケージ本体10との間には回路パターン14の厚みに相当する間隙17dが形成されることになる。
LEDパッケージにおいては、このように金属端子17cとパッケージ本体10との間に間隙17dを形成することにより、LEDチップ11の発熱によって当該LEDパッケージと実装基板20とが熱膨張した場合に、両者の線膨張率の違いから界面に応力が発生したとしても、間隙17dによって変形を吸収して応力集中を緩和するため、ハンダ21の部分が破壊してしまうような不良発生を低減することができる。この金属端子17cには、例えば図11に示すように、ハンダ21との接合部となる他端に孔Hを設け、この孔Hにハンダ21を充填させるようにして実装基板20上に実装するのが望ましい。これにより、LEDパッケージにおいては、ハンダ21の接合強度を向上させることができ、ハンダ21の破壊をより有効に防止することができる。
また、LEDパッケージにおいては、例えば図12に示すように、金属端子17cにバネ構造17eを形成してもよい。LEDパッケージにおいては、このようなバネ構造17eを金属端子17cに設けることにより、上述したバネ構造17aと同様に、実装基板20の厚み方向の変形に起因する応力緩和にも対応することができ、ハンダ21の破壊をより有効に防止することができる。また、金属端子17cは、金属製であることから、かかるバネ構造17eを設けるように容易に加工することができる。
さらに、LEDパッケージにおいては、例えば図13に示すように、パッケージ本体10がハンダ21と接触している領域において当該パッケージ本体10の表面に形成されている回路パターン14と当該パッケージ本体10との間に間隙17fを設けてもよい。この間隙17fは、回路パターン14の一部を外側に変形させることによって形成される。
LEDパッケージにおいては、このように回路パターン14とパッケージ本体10との間に間隙17fを形成することにより、LEDチップ11の発熱によって当該LEDパッケージと実装基板20とが熱膨張した場合に、両者の線膨張率の違いから界面に応力が発生したとしても、間隙17fによって変形を吸収して応力集中を緩和するため、ハンダ21の部分が破壊してしまうような不良発生を低減することができる。また、LEDパッケージにおいては、回路パターン14を加工して間隙17fを形成することから、形状の自由度が向上するとともに、回路パターン14と実装基板20との端子接合が不要となることから部品点数の削減を図ることもできる。
さらにまた、LEDパッケージにおいては、パッケージ本体10に間隙(応力緩和構造)を設けるのではなく、実装基板20に応力緩和構造を設けることもできる。具体的には、LEDパッケージにおいては、例えば図14に示すように、ハンダ21を介してパッケージ本体10と接合している領域において実装基板20上に形成された回路パターン22と当該実装基板20との間に間隙17gを設けることができる。換言すれば、回路パターン22の一部を実装基板20から浮かすことによって間隙を形成するものである。
LEDパッケージにおいては、このように回路パターン22と実装基板20との間に間隙17gを形成することにより、LEDチップ11の発熱によって当該LEDパッケージと実装基板20とが熱膨張した場合に、両者の線膨張率の違いから界面に応力が発生したとしても、間隙17gによって変形を吸収して応力集中を緩和するため、ハンダ21の部分が破壊してしまうような不良発生を低減することができる。また、LEDパッケージにおいては、回路パターン22を加工して間隙17gを形成することから、形状の自由度が向上するとともに、回路パターン22と実装基板20との端子接合が不要となることから部品点数の削減を図ることもできる。
以上詳細に説明したように、本発明の実施形態に係るLEDパッケージは、パッケージ本体10又は実装基板20に、当該LEDパッケージと実装基板20との界面に発生する応力を緩和する間隙を設けることにより、LEDチップ11の発熱に起因する応力を緩和し、ハンダ21の部分が破壊してしまうような不良発生を低減することができる。
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
本発明の実施形態として示すLEDパッケージにおけるパッケージ本体の外観構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態として示すLEDパッケージにおけるパッケージ本体の外観構成を示す斜視図であり、高反射率の金属膜を形成したパッケージ本体の構成を示す図である。 本発明の実施形態として示す間隙の形成位置を説明する断面図である。 本発明の実施形態として示すLEDパッケージを実装基板上に実装した様子を示す断面図である。 LEDパッケージを製造するための薄膜輪郭除去法の各プロセスについて説明するための図である。 本発明の実施形態として示すLEDパッケージを製造する様子を説明するための図であり、間隙が設けられたLEDパッケージを製造する様子を説明するための図である。 間隙を形成する方法について説明するための図である。 本発明の実施形態として示すLEDパッケージを実装基板上に実装したときの要部側面図であり、間隙を介して形成される薄肉部にバネ構造を形成した様子を説明するための図である。 本発明の実施形態として示すLEDパッケージを実装基板上に実装したときの要部側面図であり、パッケージ本体と実装基板との界面に間隙を設けた様子を説明するための図である。 本発明の実施形態として示すLEDパッケージを実装基板上に実装した様子を示す側面図であり、パッケージ本体との間に間隙が生じるように且つその前端部が接合するように当該パッケージ本体の側面に金属端子を設けた様子を説明するための図である。 孔を設けた金属端子の構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態として示すLEDパッケージを実装基板上に実装したときの要部側面図であり、金属端子にバネ構造を形成した様子を説明するための図である。 本発明の実施形態として示すLEDパッケージを実装基板上に実装したときの要部側面図であり、パッケージ本体がハンダと接触している領域において当該パッケージ本体の表面に形成されている配線と当該パッケージ本体との間に間隙を設けた様子を説明するための図である。 本発明の実施形態として示すLEDパッケージを実装基板上に実装したときの要部側面図であり、ハンダを介してパッケージ本体と接合している領域において実装基板上に形成された回路パターンと当該実装基板との間に間隙を設けた様子を説明するための図である。
符号の説明
10 パッケージ本体
11 LEDチップ
12 本体部
13 LEDチップ実装部
14 回路パターン
15 反射板
16 金属膜
17 間隙
17a バネ構造
17b 間隙
17c 金属端子
17d 間隙
17e バネ構造
17f 間隙
17g 間隙
20 実装基板
21 ハンダ
22 回路パターン
23 近傍領域
30 薄膜除去部
31 回路パターン
32 導電性薄膜
33 アルミナ基板
H 孔

Claims (8)

  1. LEDチップをパッケージ本体に実装したLEDパッケージにおいて、
    前記パッケージ本体は、ハンダを介して実装基板上に実装されるものであり、
    前記パッケージ本体又は前記実装基板に、当該LEDパッケージと前記実装基板との界面に発生する応力を緩和する間隙が設けられていること
    を特徴とするLEDパッケージ。
  2. 前記パッケージ本体と前記ハンダとが接触している近傍領域が薄肉部となるように、前記パッケージ本体における前記実装基板に対する実装面側を始点として当該パッケージ本体に間隙を設けていること
    を特徴とする請求項1に記載のLEDパッケージ。
  3. 前記薄肉部にバネ構造が形成されていること
    を特徴とする請求項2に記載のLEDパッケージ。
  4. 前記パッケージ本体と前記実装基板との前記界面に間隙を設けていること
    を特徴とする請求項2又は請求項3に記載のLEDパッケージ。
  5. 前記パッケージ本体との間に間隙が生じるように且つその前端部が接合するように当該パッケージ本体の側面に金属端子を設けていること
    を特徴とする請求項1に記載のLEDパッケージ。
  6. 前記金属端子にバネ構造が形成されていること
    を特徴とする請求項5に記載のLEDパッケージ。
  7. 前記パッケージ本体が前記ハンダと接触している領域において当該パッケージ本体の表面に形成されている配線と当該パッケージ本体との間に間隙を設けていること
    を特徴とする請求項1に記載のLEDパッケージ。
  8. 前記ハンダを介して前記パッケージ本体と接合している領域において前記実装基板上に形成された回路パターンと当該実装基板との間に間隙を設けていること
    を特徴とする請求項1に記載のLEDパッケージ。
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