JP2008502159A - 反射レンズを備えたパワー発光ダイパッケージおよびその作製方法 - Google Patents

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Abstract

発光ダイパッケージとそのダイパッケージを製造する方法が開示されている。ダイパッケージは、リードフレームと少なくとも1つの発光デバイス(LED)と成形体とレンズとを含んでいる。リードフレームは、複数のリードを含み、上面側と底面側とを有している。リードフレームの一部が取り付けパッドを画定している。LEDデバイスは取り付けパッド上に搭載されている。成形体はリードフレームの一部と一体化され、リードフレームの上面側で開口を画定している。開口は取り付けパッドを取り囲んでいる。成形体は、リードフレームの底面側でラッチをさらに含んでいる。レンズが成形体に結合されている。複合レンズが反射器と撮像ツールの両方として用いられて、所望のスペクトルと発光性能のために、LED(複数可)によって出射された光を集め、方向付ける。

Description

本発明は、半導体装置をパッケージする分野、特に、発光ダイオードをパッケージする分野に関する。
発光ダイオードなどの発光デバイス(Light emitting device(LED))は、リードフレームパッケージ内でパッケージされることが多い。リードフレームパッケージは、典型的には、薄い金属リードと接続されるLEDを含み、そこでは、LEDと大部分のリードとがプラスチック体内に完全に封止されている。プラスチック体の一部はレンズを画定している。LEDと接続されるリードの一部はプラスチック体の外側に延びている。リードフレームパッケージの金属リードは、LEDに電力を供給する導管として働き、同時にLEDから熱を引き出すよう作用し得る。LEDに電力が加えられて光を生成すると、LEDによって熱が生成される。パッケージ本体から外側に延びるリードの一部は、リードフレームパッケージの外側の回路に接続している。
LEDによって生成された熱の一部は、プラスチックのパッケージ体によって分散される。しかしながら、大部分の熱は、パッケージの金属構成部品を介してLEDから引き出される。金属リードは、典型的には、非常に薄くて、断面積が小さい。このため、LEDから熱を除去する金属リードの能力には限界がある。これは、LEDに送られることが可能な電力の量を制限する。これは、次に、LEDによって生成されることが可能な光量を制限する。
あるLEDパッケージ設計においては、熱を分散させるLEDパッケージの能力を増大させるため、ヒートシンクスラグがパッケージに導入されている。熱シンクスラグがLEDチップから熱を取り出し、それによってLEDパッケージの熱分散能力を高める。ただし、この設計によると、パッケージの光キャビティに自由空間が導入され、この自由空間には、LEDチップから光を抽出するために、パッケージ内で屈折率マッチング用の透明な封止剤(refractive-index-matching clear encapsulant)を充填する必要がある。残念なことに、封止剤の体積の膨張および収縮は、典型的には、それを収容する空間の体積の膨張および収縮よりも上回る。したがって、温度が上昇すると、封止剤が膨張およびあふれ出るかまたは通気孔を通ってキャビティから流れ出る。さらに、それが冷却されると、封止剤は収縮し、キャビティ内で部分的に真空を形成して、空気または水分が吸い込まれる原因となる。時々、封止剤内にボイドが形成されるか、または封止剤が接触する種々の構成部品から封止剤が剥離する。これは、パッケージの光出力および信頼性に悪影響を及ぼす。さらに、この設計は、典型的には、ホットアイロン(hot-iron)によって半田付けされる一組のもろい(flimsy)リードを通常含んでいる。このアイロニング加工は、一般的に使用されているSMT(面実装技術)電子基板組立工程と適合しない。
別のLEDパッケージ設計においては、リードフレームのリードは、種々の形状と構成において異なる厚さでできており、そしてLEDパッケージ本体の端部を越えて延びている。パッケージ本体は、通常パッケージ用の封止剤材料として機能する透明な熱硬化性プラスチックで成形されている。これらのリードは、典型的には、先の設計のLEDのリードよりも太い。より太いリードは、ヒートスプレッダとして利用され、LEDチップがその上に搭載される。この配置によって、LEDチップが生成する熱は、外部のヒートシンクに熱的に接続されたより太いリードを通って分散することができる。残念なことに、この設計は、プラスチック本体と、封止剤とリードフレームの材料との間の熱膨張係数(CTE)が大きく異なるために、本質的に信頼されていない。それゆえに、例えば−40℃から120℃の温度サイクルに晒されると、LEDパッケージのほとんどまたは全ての構成部品に、特に接触点で高い熱応力が加わる。これは、しばしば、LEDチップの亀裂、リードからのプラスチック本体の剥離、接合ワイヤの破損、またはこれらの問題の組み合わせとなる。加えて、延長リードによって、LEDパッケージのサイズおよびフットプリントの大きさが大きくなる。サイズが大きくなると、例えば、自動車の照明や全般照明など特定の用途に対して明るい光を生成するためにPCB(プリント回路基板)上の高密度クラスタ内でパッケージを取り付けるのが妨げられる。
現在の高パワーリードフレームパッケージの設計の別の不具合は、厚いリード材料を、フリップチップ用の微細な回路、あるいは、カラー制御とは別にアドレスされることが可能ないくつかのLEDチップを取り付けるための微細な回路に押し付けることができないということである。
その結果、先行技術のパッケージの欠点のうちの1つ以上を克服または緩和する、改良されたLEDパッケージの必要性が残る。
この必要性が本発明によって満たされる。本発明の第1の実施形態においては、発光ダイパッケージは、リードフレームと、少なくとも1つの発光デバイス(LED)と、成形体とレンズとを含んでいる。リードフレームは、複数のリードを含み、上面側と底面側とを有している。リードフレームの一部が取り付けパッドを画定している。LEDデバイスは取り付けパッド上に搭載されている。成形体はリードフレームの一部と一体化し、リードフレームの上面側で開口を画定し、この開口は取り付けパッドを取り囲んでいる。成形体は、リードフレームの底面側でラッチをさらに含んでいる。レンズは成形体に結合されている。
本発明の第2の実施形態においては、発光ダイパッケージの製造方法が開示されている。リードフレームストリップが製造される。リードフレームストリップは複数のリードを含み、各リードは上面側と底面側とを有している。第1のリードの一部は取り付けパッドを画定している。本体が成形され、リードフレームストリップの一部と一体化されている。成形体がリードフレームの上面側で開口を画定し、開口が取り付けパッドを取り囲んでいる。成形体は、リードフレームの底面側でラッチをさらに含んでいる。そして、少なくとも1つの発光デバイスが取り付けパッド上に取り付けられている。
本発明の他の態様および利点が、本発明の原理を一例として示す添付の図面と併せて、以下の詳細な記載から明らかとなる。
図1Aは、本発明の一実施形態にかかる発光ダイパッケージの斜視図である。
図1Bは、図1の発光ダイパッケージの上面図であるが、図1Aで示されるレンズがない。
図1Cは、図1の発光ダイパッケージの断面側面図である。
図2Aは、図1の発光ダイパッケージの分解斜視図である。
図2Bは、図1の発光ダイパッケージの分解断面側面図である。
図3Aから図3Dは、発光ダイパッケージの製造工程の種々の段階での発光ダイパッケージの斜視図である。
図4は、本発明の一実施形態にかかるレンズの斜視図である。
発明の詳細な説明
ここで、本発明の種々の実施形態を図示する図1Aから図4を参照して、本発明を説明する。図中、いくつかの構造または部分のサイズは、例示目的のため、他の構造または部分のサイズに対して誇張されていて、それゆえに、本発明の全体構造を図示するよう与えられている。さらに、本発明の種々の態様が、構造もしくは他の構造上に形成されている部分、複数の部分、またはその両方を参照して説明される。当業者であれば理解されるように、別の構造もしくは部分「上(on)」または「上方(above)」に形成されている構造の参照符号は、追加の構造、部分またはその両方が介在し得ることが予期される。介在する構造または部分なしに別の構造または部分の「上」に形成されている構造または部分を言及する際には、構造または部分の「直接上(directly on)」に形成されているものとして記載されている。
さらに、「上」または「上方」などの相対語が、図中に示されるように、ある構造または部分の別の構造または部分との関係を説明するためにここで用いられている。「上」または「上方」などの相対語は、図中に描かれている配向に加え、デバイスの種々の配向を含むよう意図されていることが理解されるであろう。例えば、図中のデバイスがひっくり返る場合、他の構造または部分の「上方」として記載された構造または部分は、ここで、他の構造または部分の「下(below)」に向けられるであろう。同様に、図中のデバイスが軸に沿って回転する場合、他の構造または部分の「上方」として記載された構造または部分は、ここで、他の構造または部分と「隣接した(next to)」または「左側(left of)」に向けられるであろう。全体を通して、同様の番号は同様の構成要素を指す。
例示を目的として図中に示されているように、本発明の実施形態は、リードフレームと、リードフレームの複数の部分と一体化された成形体とを含む発光ダイパッケージによって例示されている。発光ダイオードなどの少なくとも1つの発光デバイス(light emitting device(LED))がリードフレームに搭載されている。成形体は、LEDを囲む開口を有し、ヒートシンクをラッチするためのラッチを有している。LEDは、開口を実質的に充填する封止剤で覆われている。
成形体は、相対的に薄いリードフレームに構造上の支持を与えることができる、高温プラスチックからなる。LEDは、リードフレームの主リード上に搭載され、追加の電気接続のため、接続ワイヤで他のリードと接続されている。
レンズが開口上方の成形体と結合されて、LEDによって生成された光に光学機能を与える。以下にさらに詳細に述べるように、レンズはLEDの周りの開口の大部分を占め、それによってパッケージ内で用いられる封止剤の量を低減している。これによって、上記で論じた封止剤の体積膨張および収縮にかかる差動熱応力の問題を軽減して、より低い故障率と相対的に高い信頼性とにつながる。
ラッチを用いてヒートシンクがリードフレームに結合されて、熱分散をさらに補助する。ラッチの設計によって、ダイパッケージをより簡単且つより安価に製造することができる。

<装置>
図1Aは、本発明の一実施形態にかかる発光ダイパッケージ10の斜視図である。図1Bは、図1Aに示されたレンズおよび発光デバイスなしで示した、発光ダイパッケージ10の上面図である。図1Cは、発光ダイパッケージ10の断面側面図である。図2Aは、発光ダイパッケージ10の分解斜視図である。図2Bは、発光ダイパッケージ10の分解断面側面図である。
図1Aから図2Bを参照すると、発光ダイパッケージ10は、集合的にリード22と称される複数のリードを含むリードフレーム20を含んでいる。図中、混乱を避けるため、図示された全てのリードを参照符号22で指定してはいない。リードフレームは、上面側24と底面側26とを有している。リードフレーム20は、金属または、所望の特徴および用途によって大きく変化することが可能な所定の厚さを有する他の電気的に導電性の材料からなる。例えば、リードフレーム20の厚さは、数十または数百ミクロン程度であり得る。
第1リード22aなどのリードフレーム22の一部は、一般的には中心で、発光デバイス(LED)組立体50が搭載される取り付けパッド28を画定している。発光デバイス(LED)組立体50は、発光ダイオードのような少なくとも1つの発光デバイス(LED)を含んでいる。
成形体40の上部がリードフレーム20の上方にあり、一方同じ成形体40の下部がリードフレーム20の下にあるように、成形体40はリードフレーム20の一部と一体化している。図示したサンプルの実施形態においては、成形体40はリードフレーム20のかなりの部分を覆っている。成形体40の上部は、取り付けパッド28の周りの開口42を画定している。成形体40の下部はラッチ44を含んでいる。ヒートシンク30は、ラッチ44を係合することによってリードフレーム20に取り付けることができる。
ヒートシンク30は、リードフレーム20と係合されると、電圧が印加されたときにLED組立体50によって生成される熱を引出し、生成熱の分散を補助する。電気ショートを避けるために、ヒートシンク30は誘電性材料でできている。あるいは、ヒートシンク30が電気的に導電性の材料を用いてできている場合、ヒートシンク30は誘電体層31によってリードフレームから分離されることができる。誘電体層31は、例えば、ガラスまたは高熱伝導性セラミックで充填された有機ポリマーであることができる。
レンズ70は、その開口42でおよびLED組立体50の上方で成形体40に結合している。成形体40は、高温プラスチックを用いてリードフレーム20の上および周囲で射出成形され得る。成形体40の材料は当業界で既知である。成形体40は、高温プラスチックを用いてリードフレーム20の上および周囲で射出成形され得る。成形体40の材料の例として、ガラスまたは炭素繊維で充填されたLCP(液晶高分子)がある。
レンズ70は、その開口42でおよびLED組立体50の上方で、接着剤または機械的手段によって成形体40に強固に取り付けられ得る。あるいは、温度が上昇または下降するにつれてレンズが成形体40上を浮遊することができるように、レンズは、柔軟な封止接着剤によって成形体40に結合することができる。
ヒートシンク30は、典型的には、例えば、銅、アルミニウムまたはセラミックスなどの熱伝導性材料からなる。
発光ダイパッケージ10のサイズは、その所望の特徴および用途によって大きく変化させることができる。図示された実施形態においては、発光ダイパッケージ10の寸法は、数ミリメートル(mm)または数十ミリメートル程度であることができる。例えば、発光ダイパッケージ10は、以下の寸法を有することが可能である。厚さ12は、約3mmから約50mmの範囲、長さ14は、約5mmから約40mmの範囲、幅16は、約5mmから約30mmの範囲である。

<方法>
図1Aの発光ダイパッケージ10を製造する方法が、図3Aから図3Dを用いて説明できる。図3Aから図3Dは、発光ダイパッケージ10の製造工程の種々の段階での発光ダイパッケージ10の斜視図である。図1Aの発光ダイパッケージ10を製造するために、リードフレームストリップ80が作製される。例示目的のため、図3Aにおいて、リードフレームストリップ80は、2つの発光ダイパッケージを製造するために作製される。実際、リードフレームストリップは、多数の発光ダイパッケージを同時に製造するために作製されることができる。
図3Aから図3Dを参照すると、リードフレームストリップ80は、複数のリード22と、リード22を取り囲んで支持するクロスバー82とを含んでいる。リードフレームストリップ80とリード22は、(図1Aから図2Bのリードフレーム20の上面側24と同じ側である)上面側24と、(図1Aから図2Bのリードフレーム20の底面側26と同じ側である)底面側26とを有している。図1Bにも示されているように、第1リード22aの一部は、取り付けパッド28を画定している。リードフレームストリップ80は、1枚の導電性材料(例えば、金属など)を型押しすることによって作製される。材料の厚さは、所望の用途に応じて大きく変わってもよく、例えば、厚さは数十または数百ミクロンの範囲であってもよい。あるいは、リードフレームストリップ80は、化学エッチングまたはフライス処理(milling process)を用いて作製されることができる。
成形体40は、成形され、リードフレームストリップ80の一部とヒートシンク30と一体化されている。成形体40は、取り付けパッド28の周りの開口42を画定している。さらに、成形体40は、リードフレーム20の底面側26でラッチ44を含んでいる。
成形前に、本体40がリードフレームストリップ80と一体化され、上述のようにおよび図3Bで示されるように、ヒートシンク30が誘電性の接着膜でリードフレームストリップ80に取り付けられることができる。成形されたプラスチック体40は、リードフレームストリップ80上で成形されると、例えば図1Aで示されるように、ラッチ44を用いてヒートシンク30を固定する。
そして、図2Aおよび図2Bでも示されているように、少なくとも1つの発光デバイスを含んだLED組立体50が取り付けパッド28上に搭載される。次に、LED組立体50が、例えば、柔軟なシリコーンまたは低いデュロメータまたは硬度の任意の粘弾性高分子材料などの封止剤によって封止される。レンズ70は、その後、開口42の上方の成形体40に結合されて、例えば図1Cおよび図2Bで図示された、密封された光学キャビティ45を画定する。
図1Cおよび図2Bの光学キャビティ45は、封止剤で実質的に充填されている。所望の結果に応じて、キャビティ45は、完全に充填されるかまたはレンズの反射体の背後または下で膨張空間または自由空間を残しつつ部分的に充填され得る。なお、膨張空間には封止剤がない。その後、リードフレームストリップ80のクロスバー82部分が、成形体40から突き出たリード22の外側部分とともにリードフレームのフレームダイパッケージ10を残して、分離される。最後に、リード22の外側部分が、例えば図1Aおよび図1Cに示されているようなカモメ翼の形状まで曲げられる。

<レンズ>
レンズ70は、図1A、図1C、図2A、図2B、図3Dおよび図4に図示されている。特に、図2A、図3Dおよび図4は、レンズ70の斜視図を示し、図1Cおよび図2Bは、レンズ70の断面側面図を示している。レンズ70のこれらの説明図、特に図2Bおよび図4を参照すると、図示された実施形態においては、レンズ70は2つの部分、すなわち上側部分75と下側部分77とを含んでいる。上側部分75は、ダイパッケージ10の光学性能に影響を与える光学面76を含んでいる。
下側部分77は、凹状底面72を含み、LED組立体50の上方に配置され、LED組立体50からの光を受けるよう適合されている。さらに、下側部分77は、その中心部で凹状キャビティ78を画定して、LED組立体50に空間を与える。凹状キャビティ78は、上述のように、リードフレーム20と組み合わさって、密閉された光学キャビティ45を形成する。
レンズ70の凹状底面72は、LEDチップ(複数可)によって出射された光がダイパッケージ10を出る前にその光の本質に影響を与えるかまたは変えてしまうように意図された光学材料で被膜され得る。光学材料の種類の例としては、発光変換蛍光体、染料、蛍光ポリマー、または、チップ(複数可)によって出射された光のうちいくらかを吸収し、種々の波長の光を再出射する他の材料がある。他の光学材料の例としては、(酸化チタンなど)軽散散物質(light diffusant)または、光を拡散または散乱させる空隙(void)がある。これらの材料のそれぞれまたは組み合わせがレンズに適用されることができて、ある種のスペクトルおよび発光性能が得られる。
下側部分77には、反射材料で被膜された外側の反射面74も含まれている。外側の反射面74は、LED組立体50から受けた光を集め反射するよう適合されている。外側の反射面74は、例えば、銀、金またはアルミニウムなどの反射性の材料で被膜されている。反射光は、光学面76を通ってレンズ70を出る。反射材料は、化学析出、印刷および厚膜技術を用いた金属ペーストの硬化によって、外側の反射面74に塗布されることができる。
反射面74は、臨界角71よりも大きい角度で配置させることができて、LED組立体50による出射光の少なくとも一部で全反射(TIR)させることができる。さらに、反射面74は、光学キャビティ内に配置された種々のカラーLEDチップによって出射される光を混合するために、光を散乱するよう採用された所定の光学仕上げ剤を有するよう作製されることができる。残りの発光ダイパッケージ10の上にレンズ70を配置するために、レンズ70は棚状の突起(ledge)73を含んでもよい。
レンズ70の下側部分77は、LED組立体50を取り囲む開口42の(おそらく50%は超えて)大部分を占めている。その結果、従来技術の設計においては封止剤によって充填されたであろう開口42の空間体積が低減される。開口42の空間体積の低減によって、体積を充填するのに用いられる封止剤の量が減る。封止剤が減ると、上述の封止剤の体積膨張および収縮に伴う、差動熱応力の問題を軽減する。その結果、本発明のパッケージ10は故障率が低くなり、相対的に高い信頼性を有する。
レンズ70は、多数の方法で、成形体40に取り付けられることができる。例えば、レンズ70が、温度サイクル中に封止剤の上に着座し、浮遊するように、レンズ70が封止剤に接着される。あるいは、レンズ70は、その棚状の突起73で、成形体40と固定される。数百ミクロンの小さな隙間、すなわち膨張空間が、レンズ70の底とリードフレーム22の上面側24との間に存在する。この隙間によって、封止剤が温度サイクル中にこの隙間を通って呼吸(breathe)する(膨張および収縮する)ことができて、たとえあったとしても、高い熱応力はダイパッケージ10の他の部分に影響をほとんど与えない。これによって、剥離、亀裂および熱応力に関するその他の原因による故障が低減される。
光学面76は、複合光学レンズ70の外面の一部である。LED組立体50からの光(反射光と非反射光の両方)が光学面76を通って複合光学レンズ70を出る。レンズ70は、LED組立体50からの大部分の光がレンズ70を貫通することが可能なことが通常明らかな、光学プラスチック、ガラスまたは両方でできている。
以上から、本発明は新規で、現在の技術を超えた利点を提供することが明らかである。本発明の特定の実施形態が上記で記載、図示されているが、本発明はそのように記載および図示された部品の特定の形態または配置に限定されるべきではない。例えば、異なった構成、サイズまたは材料が本発明を実施するのに用いられてもよい。本発明は以下の請求項によって限定される。

Claims (15)

  1. 複数のリードを含むリードフレームであって、前記リードフレームは上面側と底面側とを有し、前記リードフレームの一部が取り付けパッドを画定している、リードフレームと、
    前記取り付けパッドの上に搭載された少なくとも1つの発光デバイスと、
    前記リードフレームの一部と一体化された成形体であって、前記成形体は前記リードフレームの前記上面側で開口を画定し、前記開口は前記取り付けパッドを取り囲み、前記成形体は、前記リードフレームの前記底面側でラッチを含む、成形体と、
    前記成形体に結合されたレンズと、
    を備えた発光ダイパッケージ。
  2. 前記成形体は成形プラスチックから構成されている、請求項1に記載の発光ダイパッケージ。
  3. 誘電性の接着膜を介して前記リードフレームに結合されるヒートシンクをさらに備え、
    前記ヒートシンクは前記ラッチによって前記リードフレームにラッチされる、請求項1に記載の発光ダイパッケージ。
  4. 前記レンズは複合光学レンズである、請求項1に記載の発光ダイパッケージ。
  5. 発光ダイパッケージを製造する方法であって、
    前記方法は、
    リードフレームストリップを作製することであって、前記リードフレームストリップは、複数のリードを含み、各リードと前記リードフレームストリップとは上面側と底面側とを有し、第1リードの一部が取り付けパッドを画定することと、
    前記リードフレームストリップの一部と一体化した本体を成形することであって、前記成形体は前記リードフレームストリップの前記上面側で開口を画定し、前記開口は前記取り付けパッドを取り囲み、前記成形体は前記リードフレームストリップの前記底面側でラッチを含むことと、
    前記取り付けパッド上に少なくとも1つの発光デバイスを取り付けることと、
    を含む、方法。
  6. 前記リードフレームストリップは、薄い金属から構成されている、請求項5に記載の方法。
  7. 前記リードフレームストリップは、金属シートから型押しされる、請求項5に記載の方法。
  8. 前記成形体は高温プラスチックから構成されている、請求項5に記載の方法。
  9. ヒートシンクを前記ラッチと係合させることによって前記リードフレームダイに前記ヒートシンクを結合することをさらに含む、請求項5に記載の方法。
  10. 前記発光デバイスを封止剤で封止することをさらに含む、請求項5に記載の方法。
  11. 前記開口の上方にレンズを結合させて、光学キャビティを画定することをさらに含む、請求項5に記載の方法。
  12. 前記レンズは、反射面と前記取り付けパッドの上方に配置された凹状底面とを含む複合光学レンズである、請求項11に記載の方法。
  13. 前記レンズは、前記光に影響を及ぼすように適合された光学材料で被膜された底面を有する、請求項11に記載の方法。
  14. 封止剤のない膨張空間を残しつつ、前記封止剤で前記光学キャビティを実質的に充填し、それによって、前記封止剤が膨張および収縮することを可能にすることをさらに含む、請求項11に記載の方法。
  15. 前記発光ダイパッケージに前記リードの外側部分を残しつつ、前記リードフレームのクロスバー部分を除去することと、
    前記リードの前記外側部分を曲げることと、
    をさらに含む、請求項5に記載の方法。
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