JP2009200321A - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】パッケージの小型化及び薄型化が容易で、高出力化が可能な保護素子内蔵型の発光装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】開口端に向かって拡開し内部側壁が光反射面である凹部を有し、樹脂からなる成型体と、前記成型体に埋め込まれ且つその一部が前記凹部の中に露出した第1のインナーリード部を有する、第1のリードと、前記凹部の中に露出した前記第1のインナーリード部の上面に接着された発光素子と、前記成型体に埋め込まれ且つその一部が前記凹部の中に露出した第2のインナーリード部を有し、先端部が前記第1のインナーリード部の先端部と対向する、第2のリードと、前記第1のインナーリード部の前記上面及び前記上面と同一の側である前記第2のインナーリード部の上面のいずれかに接着され、前記成型体に埋め込まれた保護素子と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
【選択図】図1
【解決手段】開口端に向かって拡開し内部側壁が光反射面である凹部を有し、樹脂からなる成型体と、前記成型体に埋め込まれ且つその一部が前記凹部の中に露出した第1のインナーリード部を有する、第1のリードと、前記凹部の中に露出した前記第1のインナーリード部の上面に接着された発光素子と、前記成型体に埋め込まれ且つその一部が前記凹部の中に露出した第2のインナーリード部を有し、先端部が前記第1のインナーリード部の先端部と対向する、第2のリードと、前記第1のインナーリード部の前記上面及び前記上面と同一の側である前記第2のインナーリード部の上面のいずれかに接着され、前記成型体に埋め込まれた保護素子と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
【選択図】図1
Description
本発明は、発光装置及びその製造方法に関する。
照明、車載、信号機などの用途における半導体発光装置は、高出力かつ小型であることが要求される。また、動作温度範囲が広いなど使用条件が厳しくなるに伴い高い機械的強度を有するパッケージが必要となる。さらに、ESD(electrostatic discharge:静電気放電)耐量高め信頼性を改善することが要求される。
パッケージを構成する樹脂成型体に設けられた凹部の内側側壁を光反射面とし、発光素子の側方へ放出される光を上方に反射すると光出力を高めることが容易になる。しかし、樹脂成型体の凹部底面に発光素子及びESD耐量を高める保護素子を配置しようとすると、発光素子と光反射面との距離が長くなり、パッケージの平面サイズが大きくなり、かつ光取り出し効率が低下する。
静電気放電衝撃に対する保護機能が内蔵された高輝度発光ダイオードに関する技術開示例がある(特許文献1)。この技術開示例では、リードフレームの上面にLEDチップを実装し、リードフレームの下面に静電気放電衝撃保護素子を備えている。
しかしながら、この技術開示例では、高出力を得ることが容易ではなく、またリードフレームの上面及び下面の両側にチップを配置するために、パッケージの薄型化が困難である。
特開2006−339640号公報
しかしながら、この技術開示例では、高出力を得ることが容易ではなく、またリードフレームの上面及び下面の両側にチップを配置するために、パッケージの薄型化が困難である。
パッケージの小型化及び薄型化が容易で、高出力化が可能な保護素子内蔵型の発光装置及びその製造方法を提供する。
本発明の一態様によれば、開口端に向かって拡開し内部側壁が光反射面である凹部を有し、樹脂からなる成型体と、前記成型体に埋め込まれ且つその一部が前記凹部の中に露出した第1のインナーリード部を有する、第1のリードと、前記凹部の中に露出した前記第1のインナーリード部の上面に接着された発光素子と、前記成型体に埋め込まれ且つその一部が前記凹部の中に露出した第2のインナーリード部を有し、前記第2のインナーリード部の先端部が前記第1のインナーリード部の先端部と対向する、第2のリードと、前記第1のインナーリード部の前記上面及び前記上面と同一の側である前記第2のインナーリード部の上面のいずれかに接着され、前記成型体に埋め込まれた保護素子と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、上記発光装置の製造方法であって、前記第1及び第2のリードを有するリードフレームの上面に前記保護素子を接着する工程と、前記第1のインナーリード部のうちの前記発光素子の接着領域が前記凹部の中に露出し、前記保護素子と、前記第1及び第2のインナーリード部の一部と、が埋め込まれるように、前記樹脂を用いて前記成型体を形成する工程と、を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法が提供される。
また、本発明のさらに他の一態様によれば、上記発光装置の製造方法であって、前記第1及び第2のリードを有するリードフレームの上面に、前記樹脂として用いる熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも高い融点を有する第1の金属半田を用いて前記保護素子を接着する工程と、前記リードフレームの前記上面に、前記ガラス転移温度よりも高い融点を有する第2の金属半田を用いて前記発光素子を接着する工程と、前記発光素子が前記凹部の中に露出し、前記保護素子と、前記第1及び第2のインナーリード部の一部と、が埋め込まれるように、前記熱可塑性樹脂を用いて前記成型体を形成する工程と、を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法が提供される。
パッケージの小型化及び薄型化が容易で、高出力化が可能な保護素子内蔵型の発光装置及びその製造方法が提供される。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる発光装置を表す。すなわち、図1(a)は、模式平面図、図1(b)はA−A線に沿った模式断面図、図1(c)はB−B線に沿った模式断面図である。紫外〜可視光の波長を放出する発光素子10が、第1のリード22のインナーリード22a上に接着剤11を用いて接着(マウント)されている。
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる発光装置を表す。すなわち、図1(a)は、模式平面図、図1(b)はA−A線に沿った模式断面図、図1(c)はB−B線に沿った模式断面図である。紫外〜可視光の波長を放出する発光素子10が、第1のリード22のインナーリード22a上に接着剤11を用いて接着(マウント)されている。
第1のリード22は、樹脂に埋め込まれたインナーリード部22aと、樹脂から突出したアウターリード部22bと、を有している。また、第2のリード32は、樹脂に埋め込まれたインナーリード部32aと、樹脂から突出したアウターリード部32bと、を有しており、インナーリード部22aの先端部と、インナーリード部32bの先端部と、が熱可塑性樹脂からなる成型体40の内部で互いに対向している。発光素子10の上部の電極(図示せず)と、第2のリード32のインナーリード部32aと、がボンディングワイヤ15により接続されている。
第2のリード32のインナーリード部32aの上には保護素子12が、接着剤13を用いてマウントされており、保護素子12の上部電極(図示せず)と、第1のリード22のインナーリード部22aと、がボンディングワイヤ14により接続されている。保護素子12は、発光素子10がESDや逆方向印加電圧により破壊することを抑制するもので、ダイオードやバリスタなどを用いることができる。
例えば、保護素子12がダイオードの場合、発光素子10とはpn接合の方向が互いに逆方向となるように、発光素子10と保護素子12とを接続する。図1において、発光素子10と保護素子12とは基板側が同一の極性を有しているが、発光素子10の基板極性と保護素子12の基板極性が逆であれば、保護素子12を第1のリード22にマウントすればよい。発光素子10のpn接合に逆方向電圧が印加されると、保護素子12を介して電流が流れ、発光素子10に過大な逆方向電流が流れることを抑制し、発光素子10の破壊を防止できる。
さらに、保護素子12を定電圧ダイオード(ツェナーダイオイード)とすると、ESD及び誤動作による高電圧が印加されても、ツェナー電圧以上の電圧ではツェナーダイオードを介して電流が流れるので発光素子10の破壊を防止できより好ましい。
他方、バリスタは半導体セラミックからなり、2つの電極間における非直線性抵抗特性を利用してESDによるサージ電圧を吸収し、発光素子10を保護できる。
発光素子10は、AlGaAs系、GaAs系、InGaAlP系、InGaAlN系などからなる発光層を含み、紫外〜赤外光の波長帯の光を放出することができる。封止樹脂42に、蛍光体を分散して配置すると、発光素子10からの光の波長変換光を生成し、発光素子10からの放出光と、波長変換光と、を混合し、例えば白色光を得ることができる。
第1及び第2のリード22、32を有するリードフレームの材料には銅系または鉄系の合金を用いることができるが、銅系材料は高い熱伝導率であるのでより好ましい。第1及び第2のリード22、23の厚さは、例えば0.1〜2.0mmの間とすることができる。第1及び第2のリード22、23の表面にメッキなどによりコーティングを施すと、インナーリード22a、32aにおいて光反射率を高め、また、アウターリード22b、32bにおいて実装基板との間で半田の接合強度をあげることができる。コーティングとしては、例えば、銀、ニッケル/パラジウム/金をこの順序に積層したものなどとすることができる。銀の場合、例えば厚さを1〜10μmなどとする。
第1及び第2のリード22、32、及び保護素子12は、熱可塑性樹脂などの樹脂からなる成型体40に埋め込まれている。すなわち、インナーリード22a、32aは、発光素子10及び保護素子12のマウント領域、ボンディングワイヤの接続領域を除いて成型体40に埋め込まれている。なお、樹脂としては、エポキシからなる熱硬化性樹脂などを用いることもできる。
成型体40は、開口端に向かって拡開する凹部40aを有し、凹部40aの底面40cには発光素子10が配置される。また、凹部40の内部側壁40bは傾斜しており、発光素子10からの放出光を上方に向かって反射する光反射面となる。
なお、本明細書において、熱可塑性樹脂とは、加熱すると軟化さらには液状化し、冷却すると固化し、これを繰り返すことができる高分子物質をいう。図2は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度を説明する図である。加熱によりガラス状からゴム状に軟化し弾性率が低下し始める温度Tg1をガラス転移温度と定義する。実線で表す非晶性樹脂の場合、ガラス転移温度Tg1よりも低い固化した状態においても、高分子配列が不規則となっている。非晶性樹脂では、ガラス転移温度が高い程、耐熱性に優れていると言える。
他方、鎖線で表す結晶性樹脂の場合、融点Tm1はガラス転移温度Tg2よりも高く、この融点Tm1よりも低い温度範囲において高分子配列が規則正しい。結晶性樹脂では、融点Tm1が高い程、耐熱性に優れていると言える。
熱可塑性樹脂の材料としては、ガラス転移温度が100℃以上であり、引っ張り強度が49MPa以上、曲げ弾性率が2.4GPa以上の特性を有するエンジニアリング樹脂などが好ましい。
エンジニアリング樹脂として、ポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリケトン(PK)、ポリカーボネート(PC)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリフタルアミド(PPA)などの材料がある。なお、PA、POMなどは結晶性樹脂であり、PCは非晶性樹脂である。
成型体40の材料としては、200℃以上の耐熱性を有するPPAなどの材料を用いることができる。これらの熱可塑性樹脂にガラス繊維を混合すると、機械的強度がさらに高められたパッケージとできるのでより好ましい。
また、熱可塑性樹脂には、例えばチタン酸カリウムの粉末などを混合しておくと、凹部40aの内部側壁40bを光反射面とし、光取り出し効率を改善することができる。
なお、内部側壁40bに、Ag、Al、Au、これらの合金などを、例えば蒸着法などを用いて形成し、光反射面とすることができる。
なお、内部側壁40bに、Ag、Al、Au、これらの合金などを、例えば蒸着法などを用いて形成し、光反射面とすることができる。
図3は、第1の実施形態にかかる発光装置の製造方法を表すフローチャートである。また、図4はこの製造方法の工程断面図である。通常、リードフレームは数十〜数百個が連結された多数個取りとなっている。図4(a)のように、リードフレームを構成する第2のリード32の上面32cに、保護素子12を接着剤13を用いてマウントする。接着剤13には、例えば銀ペーストのような導電性接着剤を用いる。銀ペーストの場合、塗布後約200℃で熱硬化を行う。導電性接着剤を用いる場合、接着工程の接着温度は熱硬化温度と略同一である。接着剤13として、AuSn(融点約280℃)、AuSi(融点約370℃)のような金属半田を用いることもでき、この場合、接着温度は金属半田の融点と略同一である。さらに保護素子12の上部電極(図示せず)と、リードフレームを構成する第1のリード22と、をボンディングワイヤ14を用いて接続する(S100)。
インナーリード部22a、32aは、発光素子10のマウント領域及びボンディングワイヤ15の接続領域を除き、金型を用いて樹脂のインサート成型により埋め込まれる。この場合、図4(b)のように、成型体40は、凹部40aを形成し、保護素子12を埋め込むような金型を用いて形成される(S102)。このインサート成型工程において、例えば金型温度を約150℃、樹脂温度を約300℃とする。
続いて、図4(c)のように、第1のリード22の上面22cに導電性接着剤及び金属半田などの接着剤11などを用いて発光素子10を接着し、ボンディングワイヤ15により第2のリード32の露出している領域と接続する(S104)。
続いて、図4(d)のように、液状の封止樹脂42を撹拌脱泡し、ポッティング法などを用い成型体40の凹部40aに充填し、約200℃で熱硬化する(S106)。封止樹脂42の材料としては、エポキシ、シリコーン、不飽和ポリエステルなどを用いることができる。エポキシ樹脂は紫外〜青色光照射により変色を生じることがあるので、紫外〜青色光波長範囲の波長光の場合、例えばシリコーン樹脂を用いることがより好ましい。
さらに、図4(e)または図4(f)などのように、リードカット及びアウターリード22b、32bのフォーミング(曲げ加工)を行い、実装基板への実装を容易とする(S108)。
図5は、比較例にかかる発光装置であり、図5(a)は模式平面図、図5(b)はC−C線に沿った模式断面図である。本比較例において、発光素子110は第1のリード122にマウントされ、発光素子110の上部の電極(図示せず)と、第2のリード132と、がボンディングワイヤ115を用いて接続されている。また、保護素子112が第2のリード132にマウントされ、保護素子112と、第1のリード122と、がボンディングワイヤ114を用いて接続されている。
樹脂からなる成型体140には、光反射面となる内部側壁140bを有する凹部140aが形成されている。発光素子110及び保護素子112は、第1及び第2のリード122、132を含むリードフレームの同一の側に形成されるので、凹部140aの平面サイズは図5(a)のように大きくなり、発光素子110から内部側壁140bまでの距離が長くなり、側方に放出された光が内部側壁140bにおいて効果的に上方へ反射されない。このために光取り出し効率が低下し、高出力を得ることが困難になる。また、パッケージの平面サイズが大きくなる。
これに対して、本実施形態では、凹部40a内には発光素子10のみが配置され、保護素子12は成型体40に埋め込まれているのでパッケージの平面サイズが増大することはなく、発光素子10と光反射面との距離を短く保ち光取り出し効率を低下させることは無い。この場合、平面視で、保護素子12を内部側壁40bに重なるようにするとよい。すなわち、凹部40aの開口端の側からみて、保護素子12を内部側壁40bの下方に埋め込むようにすれば、成型体40の平面サイズを小型化でき、内部側壁40bの領域に完全に含まれるように配置すれば平面サイズの小型化がより容易となる。
なお、リードフレームの一方の面に発光素子、他方の面に保護素子をマウントする構造とする場合、液状の導電性接着材を用いると、マウント→熱硬化工程を2回連続して行う必要があり組立時間短縮が困難であり、また薄型化が困難である。これに対して本実施形態では、保護素子12及び発光素子10はリードフレームの同一の面に設けられているので、成型体40を薄型化することが容易である。
さらに、本実施形態において成型体40の材料を熱可塑性樹脂とすると、エポキシなどの熱硬化性からなる樹脂成型と比較して、加工がより容易でありかつ材料を繰り返し使用できるのでより経済的である。また、熱可塑性樹脂は、熱硬化性であるエポキシよりも熱膨張率が小さい。このため、熱膨張及び収縮に基づく応力を低減し、インナーリードと熱可塑性樹脂との間の接着強度が高いパッケージとでき、かつ保護素子12のチップ剥離を抑制することがより容易である。
図6は、本発明の第2の実施形態にかかる発光装置であり、図6(a)は模式平面図、図6(b)はA−A線に沿った模式断面図、図6(c)はB−B線に沿った模式断面図である。本実施形態において、第1のリード23は、厚いインナーリード部23aと、薄いアウターリード部23bと、を有する。また、第2のリード33は、厚いインナーリード部33aと、薄いアウターリード部33bと、を有する。インナーリード部23a、33aの厚さは、例えば0.5〜2mm、アウターリード部23b、33bの厚さは、例えば0.1〜0.5mmなどとできる。
インナーリード部23aは凹部23dを有し、発光素子10は凹部23dの底面に、接着剤11を用いてマウントされている。他方、保護素子12はインナーリード33aの上面に接着剤13を用いてマウントされている。
発光素子10が露出し、保護素子12と、インナーリード23a、33aと、が埋め込まれるように熱可塑性樹脂を用いて成型体40が形成されている。成型体40は凹部40aを有するが、凹部40の内部側壁40bは、インナーリード23aの内部側壁と共に光反射面である。また、インナーリード33aには発光素子10とボンディングワイヤ15を用いて接続するために成型体40に切り欠き部40dが設けられている。
本実施形態もパッケージの小型化及び薄型化、高出力化が容易である。また、発光素子10及び保護素子12のマウントにAuSnのような金属半田を用いると接着強度を高めることができ、信頼性が改善できる。さらに、図6のように、インナーリード23aにおいて、発光素子10のマウント領域の裏面側である底面23eを露出するように成型体40を形成すると、ヒートシンクなどの付設が容易となるので、動作温度を低減し信頼性改善及び高出力化が容易となる。
図7は、第2の実施形態にかかる発光装置の製造方法を表すフローチャートであり、図8は、その工程断面図である。なお、図8に表す断面は、図6のB−B線に沿った断面図である。図8(a)のように、保護素子12をインナーリード33a上面に、AuSi(融点約370℃)またはAuSn(融点約280℃)のような共晶組成の金属半田13を用いてマウントする。マウント温度は、AuSiの場合に約400℃とし、AuSnの場合に約350℃とすると、より確実にマウントし接着強度を高めることができ、作業性も改善できる。さらに、発光素子10をインナーリード23aの凹部23dの底面にAuSnのような金属半田11を用いてマウントする(S200)。
発光素子10をマウントした後に保護素子12をマウントしてもよい。いずれのマウント順序であっても、1番目のマウント工程は約400℃に昇温しAuSi半田を用い、2番目のマウント工程は約350℃に降温してAuSn半田を用いると、作業性がよく接着をより確実にできる。
続いて、保護素子12とインナーリード23aとをボンディングワイヤ14を用いて接続する(S202)。
発光素子10の上面が、インナーリード23aの上面よりも低くなるように凹部23dを設けると成型体40のインサート成型がより容易となる。この場合、図8(b)のように、凹部23dを覆い、インナーリード23aの上面に接触するような上金型50と、下金型(図示せず)と、の間にリードフレームを挟持し、注入口50aから熱可塑性樹脂を注入し、インサート成型を行う(S204)。インサート成型工程において、金型温度を約150℃、樹脂温度を約300℃などに設定する。
フレーム温度と略同一である金型温度をAuSnなど半田材の融点よりも低くしてインサート成型ができる熱可塑性樹脂を用いると、金属半田11、13が再溶融することを抑制し、発光素子10とインナーリード23aとの間、及び保護素子12とインナーリード33aとの間において接着強度を高く保つことが容易となり、チップ剥離を抑制できる。図8(c)は金型から離型後を表す。
続いて、発光素子10と、インナーリード23aと、をボンディングワイヤ15を用いて接続する(S206)。
さらに、図8(d)のように成型体40の凹部40a及びインナーリード23dに液状の封止樹脂42をポッティング法などにより充填し、約200℃で熱硬化する(S208)。
さらに、図8(d)のように成型体40の凹部40a及びインナーリード23dに液状の封止樹脂42をポッティング法などにより充填し、約200℃で熱硬化する(S208)。
リードカット及びアウターリード23b、33bのフォーミングを行い、実装基板への実装を容易とする(S210)。
第2の実施形態にかかる発光装置の製造方法は、上記フローチャートに限定されない。例えば、接着剤11、13として導電性接着剤を用いることができ、保護素子12を成型体40に埋め込んだ後、発光素子10をマウントする工程順序とすることもできる。しかし、金属半田を用い、発光素子10及び保護素子12をマウントした後、熱可塑性樹脂を用いて成型体40を形成する製造方法を用いると、チップマウント工程を連続して行うことができるので、昇温及び降温に要する時間を短縮することが容易である。さらに、成型体40を熱硬化する必要がないので熱可塑性樹脂成型時間を短縮することができる。
このようにして、本製造方法を用いると、リール・ツー・リール組立ラインでリードフレームを搬送するか、または短冊状リードフレームを搬送し、連続した組立工程の自動化が容易となる。このために、量産性に富む発光装置を提供することができる。
以上のように、第1及び第2の実施形態にかかる発光装置によれば、ESDなどに対する保護素子12を内蔵しつつ、小型平面サイズかつ薄型の形状を有し、高光出力が可能で、機械的強度が改善された発光装置が提供される。この発光装置は、照明、車載、信号機などの用途における厳しい環境条件においても信頼性を確保することが容易である。
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態に限定されない。本発明を構成する発光素子、リードフレーム、熱可塑性樹脂、封止樹脂、保護素子、接着剤、成型体の材質、形状、サイズ、配置、などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
10 発光素子、12 保護素子、11、13 接着剤、22、23 第1のリード、32、33 第2のリード、40 成型体、40a 凹部、40b 内部側壁、Tg1、Tg2 ガラス転移温度
Claims (5)
- 開口端に向かって拡開し内部側壁が光反射面である凹部を有し、樹脂からなる成型体と、
前記成型体に埋め込まれ且つその一部が前記凹部の中に露出した第1のインナーリード部を有する、第1のリードと、
前記凹部の中に露出した前記第1のインナーリード部の上面に接着された発光素子と、
前記成型体に埋め込まれ且つその一部が前記凹部の中に露出した第2のインナーリード部を有し、前記第2のインナーリード部の先端部が前記第1のインナーリード部の先端部と対向する、第2のリードと、
前記第1のインナーリード部の前記上面及び前記上面と同一の側である前記第2のインナーリード部の上面のいずれかに接着され、前記成型体に埋め込まれた保護素子と、
を備えたことを特徴とする発光装置。 - 前記保護素子は、前記開口端の側からみて前記内部側壁の下方に埋め込まれてなることを特徴とする請求項1記載の発光装置。
- 前記保護素子は第1の金属半田を用いて接着され、
前記樹脂は熱可塑性樹脂からなり、
前記第1の金属半田の融点は、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも高いことを特徴とする請求項1または2に記載の発光装置。 - 請求項1または2に記載の発光装置の製造方法であって、
前記第1及び第2のリードを有するリードフレームの上面に前記保護素子を接着する工程と、
前記第1のインナーリード部のうちの前記発光素子の接着領域が前記凹部の中に露出し、前記保護素子と、前記第1及び第2のインナーリード部の一部と、が埋め込まれるように、前記樹脂を用いて前記成型体を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法。 - 請求項1または2に記載の発光装置の製造方法であって、
前記第1及び第2のリードを有するリードフレームの上面に、前記樹脂として用いる熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも高い融点を有する第1の金属半田を用いて前記保護素子を接着する工程と、
前記リードフレームの前記上面に、前記ガラス転移温度よりも高い融点を有する第2の金属半田を用いて前記発光素子を接着する工程と、
前記発光素子が前記凹部の中に露出し、前記保護素子と、前記第1及び第2のインナーリード部の一部と、が埋め込まれるように、前記熱可塑性樹脂を用いて前記成型体を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法。
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