JP2008198891A - Ｌｅｄパッケージ - Google Patents

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。
【解決手段】ＬＥＤパッケージは、ＬＥＤチップ１１が実装されて、当該ＬＥＤチップ１１と電気的に接続される実装基板２０上に実装される立体型基板１２と、実装基板２０上にハンダ２１を介して搭載された複数の弾性体１７とを備える。複数の弾性体１７は、立体型基板１２の外側面であって双方に対向する複数の外側面から内面側に与える弾性力によって、当該立体型基板１２の実装基板２０に対する位置を保持する。
【選択図】図３

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。

また、従来のＬＥＤパッケージとしては、図１２に断面図を示すようなものが知られている。このＬＥＤパッケージは、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。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。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。
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い。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した場合、当該現象を起因として、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。

具体的には、図１２に示すようなＬＥＤパッケージでは、ＬＥＤチップ１１の発熱が本体部１２、樹脂製の実装基板２０、図示しない放熱板に伝達すると、本体部１２、実装基板２０、放熱板の間の線膨張率の相違によって、接続部であるハンダ２１が破損する可能性がある。

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。

本発明に係るＬＥＤパッケージは、上述の課題を解決するために、ＬＥＤチップが実装されて、当該ＬＥＤチップと電気的に接続される実装基板上に実装される立体型基板と、実装基板上にハンダを介して搭載された複数の弾性体とを備える。

このＬＥＤパッケージにおいて、複数の弾性体は、立体型基板の外側面であって双方に対向する複数の外側面から内面側に与える弾性力によって、当該立体型基板の実装基板に対する位置を保持しても良い。

また、このＬＥＤパッケージにおいて、複数の弾性体は、立体型基板の上面から下面に与える弾性力によって、当該立体型基板の実装基板に対する位置を保持しても良い。

更に、このＬＥＤパッケージにおいて、立体型基板は、双方に対向する複数の外側面に凹部が形成され、複数の弾性体は、立体型基板の凹部から内面側に与える弾性力によって、当該立体型基板の実装基板に対する位置を保持しても良い。

更にまた、このＬＥＤパッケージにおいて、立体型基板は、双方に対向する複数の外側面であって、下端に切り欠き型の凹部が形成され、複数の弾性体は、立体型基板に形成された凹部内であって当該立体型基板の外形内側に収容され、立体型基板の凹部から内面側に与える弾性力によって、当該立体型基板の実装基板に対する位置を保持しても良い。

本発明に係るＬＥＤパッケージによれば、ＬＥＤチップが実装されて、当該ＬＥＤチップと電気的に接続される実装基板上に実装される立体型基板と、実装基板上にハンダを介して搭載された複数の弾性体とを備えるので、当該弾性体によって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。

このＬＥＤパッケージによれば、立体型基板の外側面であって双方に対向する複数の外側面から内面側に与える弾性力によって、当該立体型基板の実装基板に対する位置を保持するので、立体型基板の側面方向に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。

また、このＬＥＤパッケージによれば、立体型基板の上面から下面に与える弾性力によって、当該立体型基板の実装基板に対する位置を保持するので、立体型基板の側面から内側に弾性力を与える場合と比較して、より高い力で立体型基板を実装基板に位置決めできる。

更に、このＬＥＤパッケージによれば、立体型基板の凹部から内面側に与える弾性力によって、当該立体型基板の実装基板に対する位置を保持するので、ハンダのクラックの発生を防止できると共に、立体型基板が実装基板から抜けることを確実に防止できる。

更にまた、このＬＥＤパッケージによれば、立体型基板に形成された凹部内であって当該立体型基板の外形内側に収容され、立体型基板の凹部から内面側に与える弾性力によって、当該立体型基板の実装基板に対する位置を保持するので、立体型基板の凹部に対して弾性体の弾性力を与えるようにして、ハンダのクラックの発生を防止できると共に、凹部内に弾性体を収容しているので、ＬＥＤパッケージ自体を小型化できる。

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が設けられた立体型基板（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４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４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４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４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に示したように、ハンダ２１及び複数の弾性体１７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。この弾性体１７は、本体部１２に対する接触部にバネ部１７ａが形成されている。弾性体１７は、本体部１２の外側面であって双方に対向する複数の外側面から内面側に与える弾性力を発生させる。これにより、複数の弾性体１７は、凹部１２ａに嵌め込まれることによって本体部１２を挟み込み、本体部１２の実装基板２０に対する位置を保持する。また、この弾性体１７は、パッケージ本体１０と実装基板２０との界面に発生する応力を緩和する。すなわち、弾性体１７は、本体部１２と実装基板２０との間に線膨張率の相違がある場合であっても、実装基板２０に対して本体部１２がずれることを緩和する。

ＬＥＤパッケージにおいては、弾性体１７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、弾性体１７によって変形を吸収して応力集中を緩和する。これにより、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、このＬＥＤパッケージは、図１２に示したような構造によるハンダ２１のクラック防止の他に、実装基板２０から本体部１２が抜けにくくなる、実装基板２０に対して着脱可能であるなどの効果も発揮できる。

このような弾性体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５中（ａ）に示すように、焼結体（本体部１２）を形成する。続いて、ＬＥＤパッケージを製造するにあたっては、例えば図５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５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。その後に、図５（ｄ）に示すように、本体部１２のうちの対向する部分、すなわち、図１において対向する回路パターン１４にそれぞれ接触するように２個の弾性体１７を実装基板２０上にハンダ実装する。このようにして形成されたＬＥＤパッケージは、図５中（ｅ）に示すように、弾性体１７間に位置するように、実装基板２０上に位置決めされて実装される。

このように製造されるＬＥＤパッケージにおいて、本体部１２を所定位置に精度良く位置決めするためには、図６（ａ）に示すように、弾性体１７をハンダ２１によって固定させるための回路パターン２２’の形状を、パッド形状のパッド部とする。すなわち、回路パターン２２’の形状を弾性体１７の底面の形状と略同一にする。これにより、回路パターン２２’のパッド部にハンダ２１を付着させ、図６（ｂ）のように弾性体１７の底面を回路パターン２２’のパッド部に配置すると、ハンダ２１のセルフアライメントによって位置あわせをできる。具体的には、弾性体１７の配置位置がずれていても、弾性体１７の底面を、ハンダ２１が付着している位置に固定させることができる。これにより、本体部１２は、弾性体１７によって位置決めされる。

また、本体部１２を所定位置に精度良く位置決めするためには、図７に示すように、弾性体１７及び実装部１７ｃを備えた成形体１７ｂを実装基板２０上に実装しても良い。成形体１７ｂは、フレーム枠形状となっており、フレーム枠内部に本体部１２が収容される寸法となっている。この成形体１７ｂは、実装部１７ｃが回路パターン２２上に配置され、当該実装部１７ｃと回路パターン２２とがハンダ２１によって接着される。このようなフレーム枠形状の成形体１７ｂが回路パターン２２にハンダ２１で接着された場合、本体部１２は、フレーム枠内部に配置され、且つ弾性体１７の弾性力によって位置決めされる。

更に、フレーム枠形状の成形体１７ｂの下面に突起（図示省略）を設けると共に、実装基板２０にその突起と嵌合する凹部を設け、突起とその凹部を嵌合させて位置決めするように構成しても良い。

つぎに、本発明を適用した他のＬＥＤパッケージについて説明する。

図８に示すＬＥＤパッケージにおける本体部１２は、上部に凹部１２ａが形成されている。複数の弾性体１７は、凸形状のバネ部１７ａを凹部１２ａに嵌め込むように実装基板２０及び回路パターン２２上にハンダ２１によって取り付けられる。このようなＬＥＤパッケージは、実装基板２０上にハンダ２１を介して搭載された複数の弾性体１７のバネ部１７ａによって、本体部１２の上面から下面に弾性力を与える。この弾性力は、バネ部１７ａから凹部１２ａに向かって略垂直に与えられる。これによって、弾性体１７は、当該本体部１２の実装基板２０に対する位置を保持する。

このような弾性体１７を備えたＬＥＤパッケージによれば、上述した本体部１２の側面から内側に弾性力を与える場合と比較して、より高い力で本体部１２を実装基板２０に位置決めできる。特に、本体部１２が実装基板２０から離れて落下することを防止できる。また、このＬＥＤパッケージによれば、本体部１２と実装基板２０との間の線膨張率の相違によって平面方向に応力が発生する場合であっても、当該応力発生方向に本体部１２を押さえつけることがないので、よりハンダ２１のクラックの発生を防止できる。

図９に示すＬＥＤパッケージは、本体部１２の対向する位置であって、本体部１２の複数の外側面に凹部１２ａを形成している。複数の弾性体１７は、バネ部１７ａによって、本体部１２の凹部１２ａから内面側に弾性力を与える。これによって、当該本体部１２の実装基板２０に対する位置を保持する。なお、凹部１２ａは、弾性体１７のバネ部１７ａが当接する部分のみに形成されていても良い。

このような弾性体１７を備えたＬＥＤパッケージによれば、本体部１２の凹部１２ａに対して弾性体１７のバネ部１７ａが弾性力を与えるようにしているので、上述のＬＥＤパッケージと同様にハンダ２１のクラックの発生を防止できる。また、このＬＥＤパッケージによれば、本体部１２が実装基板２０から抜けることを確実に防止できる。

図１０に示すＬＥＤパッケージは、本体部１２を、双方に対向する複数の外側面であって、下端に切り欠き型の凹部１２ａが形成されている。複数の弾性体１７は、本体部１２に形成された凹部１２ａ内であって当該本体部１２の外形内側に収容されて配置される。弾性体１７は、本体部１２の凹部１２ａから内面側に与える弾性力によって、当該本体部１２の実装基板２０に対する位置を保持する。また、本体部１２の下端に凹部１２ａを設ける他の例としては、図１１に示すように、弾性体１７のバネ部を当該凹部１２ａに収容するＬＥＤパッケージであっても良い。

このような弾性体１７を備えたＬＥＤパッケージによれば、本体部１２の凹部１２ａに対して弾性体１７のバネ部１７ａが弾性力を与えるようにしているので、上述のＬＥＤパッケージと同様にハンダ２１のクラックの発生を防止できる。また、ＬＥＤパッケージによれば、凹部１２ａ内に弾性体１７を収容しているので、ＬＥＤパッケージ自体を小型化できる。

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ＬＥＤパッケージの断面図である。 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る。 本発明の実施形態として示すＬＥＤパッケージにおける弾性体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他の弾性体を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態として示すＬＥＤパッケージの断面図である。 本発明の他の実施形態として示すＬＥＤパッケージの断面図である。 本発明の他の実施形態として示すＬＥＤパッケージの断面図である。 本発明の他の実施形態として示すＬＥＤパッケージの断面図である。 従来のＬＥＤパッケージを示す断面図である。

符号の説明

１ 保持時間
１０ パッケージ本体
１１ ＬＥＤチップ
１２ 本体部
１２ａ 凹部
１３ ＬＥＤチップ実装部
１４ 回路パターン
１５ 反射板
１６ 金属膜
１７ 弾性体
１７ａ バネ部
２０ 実装基板
２１ ハンダ
２２ 回路パターン
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

Claims (6)

1. ＬＥＤチップが実装されて、当該ＬＥＤチップと電気的に接続される実装基板上に実装される立体型基板と、
   前記実装基板上にハンダを介して搭載された複数の弾性体とを備え、
   前記複数の弾性体は、前記立体型基板の外側面であって双方に対向する複数の外側面から内面側に与える弾性力によって、当該立体型基板の前記実装基板に対する位置を保持すること
   を特徴とするＬＥＤパッケージ。
2. ＬＥＤチップが実装されて、当該ＬＥＤチップと電気的に接続される実装基板上に実装される立体型基板と、
   前記実装基板上にハンダを介して搭載された複数の弾性体とを備え、
   前記複数の弾性体は、前記立体型基板の上面から下面に与える弾性力によって、当該立体型基板の前記実装基板に対する位置を保持すること
   を特徴とするＬＥＤパッケージ。
3. ＬＥＤチップが実装されて、当該ＬＥＤチップと電気的に接続される実装基板上に実装される立体型基板と、
   前記実装基板上にハンダを介して搭載された複数の弾性体とを備え、
   前記立体型基板は、双方に対向する複数の外側面に凹部が形成され、
   前記複数の弾性体は、前記立体型基板の凹部から内面側に与える弾性力によって、当該立体型基板の前記実装基板に対する位置を保持すること
   を特徴とするＬＥＤパッケージ。
4. ＬＥＤチップが実装されて、当該ＬＥＤチップと電気的に接続される実装基板上に実装される立体型基板と、
   前記実装基板上にハンダを介して搭載された複数の弾性体とを備え、
   前記立体型基板は、双方に対向する複数の外側面であって、下端に切り欠き型の凹部が形成され、
   前記複数の弾性体は、前記立体型基板に形成された凹部内であって当該立体型基板の外形内側に収容され、前記立体型基板の凹部から内面側に与える弾性力によって、当該立体型基板の前記実装基板に対する位置を保持すること
   を特徴とするＬＥＤパッケージ。
5. 前記実装基板には、前記弾性体がハンダ付けされる回路パターンの一部であるパッド部が形成され、前記弾性体は、前記ハンダが付着したパッド部上に配置されてハンダによって固定されることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のＬＥＤパッケージ。
6. 前記弾性体はフレーム枠状に成形された成形体に備えられ、
   当該成形体は前記実装基板上にハンダで実装され、
   前記立体型基板は、前記成形体のフレーム枠内部に配置され且つ前記弾性体の弾性力によって位置決めされること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のＬＥＤパッケージ。

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