JP2010003946A - 発光素子用パッケージ及び発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
高温や紫外線照射によって光反射率の劣化がなく、また放熱性がよく、温度上昇時に半導体チップに熱膨張差応力がかからない発光素子用のパッケージを提供するとともに、生産性の高い発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】
熱伝導率が高く、熱膨張率が発光素子チップの熱膨張率に近い絶縁基板と金属板を張り合わせた構造で高い熱放散と熱応力の少ないパッケージを実現する。絶縁基板の両面には電極が成膜され、貫通穴を通して連結されている。これと張り合わせる金属板にはテーパ状の光反射面をもった貫通孔がリフレクターとして具備され、温度や紫外線に対して反射率の劣化のない高出力発光素子用パッケージを実現する。また本パッケージを用いて、多数個の発光素子を一括して組立てた後、所定の発光素子サイズに分割することにより、生産性の高い、低価格の発光素子を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は発光素子（以下LEDという）用、特に高出力LED用パッケージおよびLEDの製造方法に関するものである。

従来LEDは小型携帯機器やAV機器などの小電力の光源として主に用いられていた。近年、青色LEDが開発され、さらに蛍光体による色変換技術の開発により白色LEDが開発されると、その用途は電球や蛍光灯に替わる照明用途に拡大し、大電力の光源として大きく展開が期待されている。従来LEDの表面実装型パッケージは図10のようなもので、リードフレームを樹脂で囲んだ形状で、熱はリードフレームを通して放散されるだけであり、LEDチップからの発熱により、投入電流は２０〜３０ｍAに制限され、大電流の投入はできなかった。

表面実装型パッケージとして、特開2003−37298や特開2007−335612があるが、熱及び紫外線対策、光反射率、電極の取り出し方などで問題がある。

また高出力LEDのパッケージとしては、特開2004−221598のようなものがあるが、ワイヤの引き回しが複雑で信頼性に問題がある。さらに特開2007−250979があるが、これには熱伝導率の低い樹脂が筐体として使われているので、熱放散には改善が必要である。
特開2003−37298 特開2007−335612 特開2004−221598 特開2007−250979

発光素子（LED）は発光素子チップを発光素子用パッケージにマウントすることにより作成される。蛍光灯に替わる様な高出力LEDを実現するためには１Wから10Wの電力をLEDチップに投入する必要がある。しかし現在のLEDチップの発光効率は20％程度であり、投入電力の80％は熱に変換されるため、この熱をいかに効率よく外部に放散させるかが重要な課題であった。従来のLED用パッケージは金属リードフレームと高反射率樹脂の一体成型で作られており、リードフレームのみの熱発散では樹脂が高温になってしまう。このため樹脂が酸化し、黒色に変化し、反射率が低下してLEDの発光強度が低下してしまうという課題があった。またLEDからの発光波長が紫外領域の波長を含んでいる時には、樹脂が紫外線を吸収して分子構造が変化し、黒化して反射率が大きく劣化してしまうという課題がある。また金属リードフレームの熱膨張率（銅は17PPM/℃）は半導体LEDチップの熱膨張率（3〜8PPM/℃）と大きく異なるので、高出力時にはチップに大きな応力がかかり、半導体チップ中に欠陥が増加し、素子の品質が劣化するという課題があった。本発明は強い紫外線が照射されても、また１００℃以上の高温度になっても、物質の変化は無く、高反射率を維持し、半導体LEDチップにもストレスが殆どかからない構造で、熱抵抗の極めて小さい発光素子用パッケージを提供するものである。また同時に多数個のパッケージを製造できるので、一括して多数個の発光素子を組み立てる事ができ、高い生産性と低価格のLEDを提供することが可能となる。

高温度下でも変質せず、紫外線照射でも変質しない材料で高反射率な材料は有機樹脂では見当たらない。そこで温度や紫外線により変化しない絶縁基板と金属板を貼り合せた構成とし、金属板にはテーパ付きの貫通孔を設けて、このテーパ面をリフレクターとして、高反射率となるように表面加工を施した。基板は半導体の熱膨張率（３〜８PPM/℃）に近い材料で、熱伝導率が高く、電気抵抗率の高い材料を採用した。この基板の一方の面には半導体チップボンドあるいはボンディングワイヤ用の電極が成膜され、他方の面には外部回路との接続用電極が成膜される。この基板に貫通孔を設けて導電材を充填し、両面の電極を連結することによって高出力時においても半導体チップに応力がかからないようにすることができた。発生する熱は高熱伝導度の絶縁基板と金属板を通して極めて効率よく放散される。金属板と絶縁基板の張り合わせには密着性、信頼性を確保するために絶縁基板の張り付け面には電極を囲んでガードリングを電極と同時に形成した。

本発明の効果が有効であるために、絶縁基板の特性としては、半導体チップのインピーダンスより十分高いインピーダンスを確保するために抵抗率は10E8 Ωｃｍ以上のものが選ばれ、熱伝導率には最低でもアルミニウムの半分以上、即ち130W/mK以上のものが選ばれ、熱膨張率は半導体チップとほぼ同程度の３〜８PPM/℃のものが選ばれた。

本発明は、多様な変形及び修正が可能であり、以下、その特定の実施例を詳細に説明するが、本発明は開示された特別な形態に限定されるものではない。特許請求の範囲によって定義された本発明の思想と合致する全ての修正、変形、代用を含んでいる。
図１は本発明の基本構造図である。図２以降に実施例を示す。図２〜図５では９個のテーパ付き貫通孔の場合を示しているが、実施例は40×40ｍｍの基板に８×8の計64個のセルを作成している。
厚さ1ｍｍのアルミニウム板にリフレクターになるテーパ付きの貫通穴をあける。このアルミニウム板を化学薬液に浸して表面が高反射率面となるように表面加工する。（図２）
前記セラミック基板の要求特性を満足するものとして窒化アルミニウム（AlN）を選んだ。AlNセラミック基板と上記アルミニウム板とを接着するために、厚さ45ミクロンの接着用絶縁樹脂フィルムにリフレクターの穴と同じ大きさに穴を開ける（図３）。
厚さ１ｍｍのAlNセラミック板に電極連結用の貫通穴を開ける（図４a）。この穴に銅ペースト材を充填する。次にこの板の貼り付け面には半導体LEDチップと電気的に接続する電極として銅ペースト膜を形成する。また電極を囲んでガードリングを同時に形成する。厚さは３０ミクロンである（図４b）。他方の面には外部電極として銅ペースト膜を形成する（図４c）。上面の電極と下面の電極は貫通穴の充填材を通して接続される。こうしてできた基板を700℃で焼成して銅金属電極を完成する。この電極付きAlN板に無電解ニッケルめっきを施す。銅電極はニッケル層で被覆される。
上記AlN板と上記アルミ板の間に上記接着用樹脂フィルム材を挟み、100℃に加熱して接着を完了する。接着用フィルムは一旦溶けて隙間無く接着される。それぞれのカップ内にLEDチップをフリップチップボンドする。

上記のように貼り合わせた板をダイシングマシーンにより、１個又は複数個のリフレクターをもつパッケージに分割しやすいようにAlNの底0.３ｍｍを残して切り込みを入れる。（図５）。この状態でLEDチップをマウントし、蛍光体やレンズを装着してから上記切り込みにそって分割する。

アルミニウム板に作られたリフレクターの穴の上部周辺に図６のような凹みを形成する。レンズを装着する時に使う樹脂の余剰分を溜めるのに有効である。

パッケージをシステムに組み込む時にLEDの極性が明確に判るように、アルミニウム板に作られたリフレクターの穴の近くに電極の極性を表示するために２ｍｍΦの凹みを設けた（図７）。

第五の実施例。照明器具用にLEDを多数個平面に並べる時、外部回路との接続を考えてパッケージ下面の電極パターン図を設計した一例を図８に示した。LEDの負極を共通にして、正極にはLEDの種類によって最適な電圧を印加できるように設計されている。LEDを集積するには有効なパッケージを提供できる。
前述の半導体チップのマウントの方法はフリップチップボンドに限定するものでなく、ワイヤボンド方式であっても同様に有効なパッケージである（図９）。

高出力のLEDは一般照明用、自動車のヘッドライト、大型液晶パネルのバックライトなど
需要は大きく拡大する。本発明のパッケージは高出力LEDのパッケージの課題を解決し、構造が簡単で量産性にも優れ、低価格化の可能性もあり、産業上の利用の効果は極めて大きい。

本発明のパッケージの基本構造図 アルミニウム板形状図 接着用樹脂シート形状図 セラミック基板形状図 張り付け面電極パターン 他方面電極パターン 分割用切り込み レンズ装着用樹脂溜めツボ 極性表示 集積回路用下面電極パターン ワイヤボンド構造図 従来のパッケージの概略断面図

符号の説明

１ 金属板
２ 絶縁基板
３ 接着剤
４ 貼り合せ面電極
５ 他面電極
６ 貫通穴充填導電材
７ LEDチップ
８ ガードリング
９ テーパ付き貫通穴
10 接着用樹脂シート
11 セラミック板貫通穴
12 分割用切り込み
13 集光レンズ
14 樹脂溜めツボ
15 極性表示凹部
16 集積回路基板部品接続用パット
17 ボンディングワイヤ
18 高反射率成型樹脂
19 金属リードフレーム

Claims (3)

1. テーパ面をもった貫通孔を１個以上具備した金属板と、所定の熱伝導性を有し、熱膨張係数が発光素子チップのそれと近い特性または同一の特性の絶縁基板とを張り合わせた構成のパッケージであって、前記絶縁基板の両面に電極があり、前記絶縁基板に設けられた貫通孔に導電材を充填することにより、前記両面の電極が接続され、前記金属板のテーパ付き貫通孔の径の小さい面が張り付け面となり、前記絶縁基板の張り付け面上の電極の一部またはすべてが発光素子チップの電極と接続されるように前記金属板のテーパ付き貫通孔小径内に配置され、絶縁層を介在させて張り付けられたことを特徴とする発光素子パッケージ。
2. 前記金属板と張り付けられる前記絶縁基板の面に電極を形成する時に、当該電極とは別に当該電極を囲むように基盤面から突出するガードリングを設けたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子パッケージ。
3. 多数個のテーパ付き貫通孔を具備した請求項１または２記載の発光素子パッケージにおいて、各貫通孔に発光素子チップをマウントし、樹脂、蛍光体、レンズなどの周辺部材を装着した後に、所定の貫通孔の数の発光素子として分割する事を特徴とする発光素子の製造方法。

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