JP2008502160A - 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

Abstract

複合光学レンズが開示されている。複合光学レンズは、光を受けるよう適合された凹状底面と、受光した光を反射するよう適合された反射面と、反射光が光学レンズを出る光学面とを含んでいる。凹状底面は、凹状キャビティ内で発光デバイスの少なくとも一部を配置することを可能にする凹状キャビティを画定している。凹状底面、光学面またはその両方は、所定の光学仕上げ剤を有してもよく、光を拡散または集光するなど光に作用する。反射面は、全反射効果のために、被膜、設計またはその両方がなされることができる。

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。本発明の一実施形態において、複合光学レンズは、光を受けるよう適合された凹状底面と、受光した光を反射するよう適合された反射面と、反射光が光学レンズを出る光学面とを含んでいる。凹状底面は、凹状キャビティ内で発光デバイスの少なくとも一部を配置することを可能にする凹状キャビティを画定している。凹状底面、光学面またはその両方は、所定の光学仕上げ剤を有してもよく、光を拡散または集光するなど光に作用する。反射面は、全反射効果のために、被膜、設計またはその両方がなされることができる。

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 (10)

1. 複合光学レンズであって、
   光を受けるよう適合された凹状底面と、
   前記受光した光を反射するよう適合された反射面と、
   前記反射光が前記光学レンズを出る光学面と、
   を備え、
   前記凹状底面は凹状キャビティを画定し、該凹状キャビティは、該凹状キャビティ内で発光デバイスの少なくとも一部を配置することを可能にする、複合光学レンズ。
2. 前記凹状底面は、前記光に作用するよう適合された光学材料で被膜されている、請求項１に記載の複合光学レンズ。
3. 前記光学材料は、蛍光体と散散物質と周波数偏移化学物質とから成る群から選ばれる、請求項２に記載の複合光学レンズ。
4. 前記光学材料は、蛍光体と散散物質と周波数偏移化学物質とから成る群から選ばれる、請求項３に記載の複合光学レンズ。
5. 前記反射面は前記凹状キャビティを取り囲む、請求項１に記載の複合光学レンズ。
6. 前記反射面は反射材料で被膜されている、請求項１に記載の複合光学レンズ。
7. 前記反射材料は、金と銀とアルミニウムとから成る群から選択される、請求項５に記載の複合光学レンズ。
8. 前記反射面は、前記発光デバイスによって出射された光の少なくとも一部について全反射（ＴＩＲ）させる、請求項１に記載の複合光学レンズ。
9. 前記光学レンズは、前記発光デバイスを含むパッケージ上に前記レンズを配置するために、棚状突起を含む、請求項１に記載の複合光学レンズ。
10. 前記反射面は、前記光を散乱させるよう適合された所定の光学仕上げ剤を有している、請求項１に記載の複合光学レンズ。

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