JP2010130007A - 発光ダイオード装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レンズの接着が改善されたＬＥＤ装置を提供する。
【解決手段】 上部に取り付けられた少なくとも１つのＬＥＤダイ１０２を有する支持構造体１００、ＬＥＤダイ１０２の側から前記支持構造体１００の一部に形成された凹部１０４、及び前記支持構造体１００上に形成され、前記ＬＥＤダイ１０２と前記凹部１０４を封止し、前記支持構造体１００に形成された突出部を有するレンズ１１０を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
【選択図】 図５

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）装置に関し、特に、レンズの接着が改善されたＬＥＤ装置に関するものである。

発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ装置」という）は、複数の利点を有する固体光源である。高輝度の光を確実に提供できるため、ディスプレイ、信号機と、インジケータなどに用いられる。通常、ＬＥＤ装置は、支持基板上に電気的に接合されたＬＥＤダイを含む。このＬＥＤダイは、一面側に形成されたｎ接触とその反対面側に形成されたｐ接触とを有するか、または同一面側に両方の接触が形成されていてもよい。

通常、ＬＥＤ装置のＬＥＤダイは、ランバートパターンの光を放射する。ＬＥＤ装置のＬＥＤダイ上には、レンズが備えられることにより、光線を絞ることや、側面発光パターンを形成させることが一般的になされる。表面実装型ＬＥＤ用の一般のタイプのレンズは、成形されたプラスチックレンズであり、ＬＥＤダイが取り付けられたパッケージに接合される。

図１は、特許文献１に開示されている従来技術のＬＥＤ装置（参照）の断面図である。図１に示されるように、このＬＥＤ装置は、支持構造体１２上に実装された４つのＬＥＤダイ１０を有し、支持構造体１２は例えば金属導線を有するセラミック基板もしくはシリコン基板、金属ヒートシンク、プリント回路板、または他の適当な構造などである。成形レンズ２２は、各ＬＥＤダイ１０上に提供され、各ＬＥＤダイ１０を被覆している。

図２は、従来技術のＬＥＤ装置の斜視図であり、このＬＥＤ装置では、支持構造体１２が、成形レンズ２２をそれぞれ有するＬＥＤダイのアレイを支持している。このＬＥＤ装置製造に通常用いられる成形型には、個別の成形レンズ２２の形状に対応するくぼみ部のアレイが形成されている。支持構造体１２がセラミックまたはシリコン基板の場合、各ＬＥＤダイ１０（及びその下方の基板部分）は、支持構造体１２の切断または破断によって分断され、個別のＬＥＤ装置を形成することができる。また、支持構造体１２は、分断／ダイシングされて複数のＬＥＤのサブグループを支持してもよいし、または分断／ダイシングされずに用いることもできる。

成形レンズ２２は、ＬＥＤダイ１０からの光抽出効果を向上させ、光を屈折させて所望の光放射パターンを作るだけでなく、ＬＥＤダイ１０を封止して不純物からＬＥＤダイを保護し、機械的強度を増大させ、さらにワイヤ接合を保護する。

米国特許第７，３４４，９０２号明細書

しかし、図１と図２に示された支持構造体１２は、実質的に平らな表面を備えていることから、ＬＥＤダイ１０を覆う成形レンズ２２と支持構造体１２との間の接着は、主にファンデルワールス力などの物理力によって保持されている。よって、成形レンズ２２を下方の支持構造体１２に接着する物理的な接合力が十分でないため、外力Ｆが支持構造体１２に加えられると、成形レンズ２２が支持構造体１２から剥離する場合がある。また、成形レンズ２２と下方の支持構造体１２との間の界面５０に環境水分が浸入する漏れ経路となる場合がある。このような水分の侵入経路があると、ＬＥＤ製品の信頼性の問題をおこす場合がある。このように、成形レンズ２２と支持構造体１２との接着が不十分なことにより、ＬＥＤ装置の信頼性が悪影響を受ける場合がある。

そこで、前記した問題を解決する新しいＬＥＤ装置が必要である。

レンズの接着が改善されたＬＥＤ装置を提供する。

詳細な説明は、添付図面を参照しながら以下の実施形態で行う。発光ダイオード（ＬＥＤ）装置とその製造方法が提供される。本発明のＬＥＤ装置の特徴は、少なくとも１つのＬＥＤダイと、上部に前記少なくとも１つのＬＥＤダイが実装されており、この実装された前記少なくとも１つのＬＥＤダイの外側部分に凹部が形成された支持構造体と、前記支持構造体上に形成され、前記凹部に入る凸部を有し、前記少なくとも一つのＬＥＤダイと前記凹部を封止するレンズと、を含む。

本発明のＬＥＤ装置の製造方法の特徴は、上部に少なくとも１つのＬＥＤダイを実装する支持構造体を提供するステップと、前記ＬＥＤダイの外側の前記支持構造体の一部に凹部を形成するステップと、前記凹部の形状に入る凸部を有し、前記少なくとも一つのＬＥＤダイと前記凹部を封止するレンズを前記支持構造体上に形成するステップと、を含むことである。

従来技術のＬＥＤ装置の断面図である。 従来技術のＬＥＤ装置の斜視図である。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ装置の製造方法を示すＬＥＤ装置断面図である。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ装置の製造方法を示すＬＥＤ装置断面図である。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ装置の製造方法を示すＬＥＤ装置断面図である。 本発明の他の実施形態に係るＬＥＤ装置の製造方法のＬＥＤ装置断面図である。 本発明の他の実施形態に係るＬＥＤ装置の拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係るＬＥＤ装置の拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係るＬＥＤ装置の拡大平面図である。 本発明の他の実施形態に係るＬＥＤ装置の拡大平面図である。 本発明の他の実施形態に係るＬＥＤ装置の拡大平面図である。

本発明についての目的、特徴、利点が一層明確に理解されるよう、以下に本発明の実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。

図３乃至図５は、実施形態のＬＥＤ装置の模範的な製造方法を示す断面図である。図３には、支持構造体１００上に取り付けられた４つのＬＥＤダイ１０２を示す断面図が示されている。支持構造体１００は、例えば、サブマウント（例えば金属パッドを有するセラミックまたはシリコン基板）、金属ヒートシンク、プリント回路板、または他の支持構造体でもよい。本実施形態では、支持構造体１００は、金属パッド（図示せず）を有するシリコンサブマウントである。図３に示すように複数の凹部１０４は、支持構造体１００内において各ＬＥＤダイ１０２の向かい合う端辺のそれぞれに隣接して形成されている。これら複数の凹部１０４は、支持構造体１００の材料に応じて例えばエッチング、レーザー切断、または機械的切断などの方法によって形成することができ、支持構造体１００内においてＬＥＤダイ１０２と離隔した位置に形成されている。

図４では、各ＬＥＤダイ１０２上のレンズ１１０の所望の形状に合致する複数のくぼみ部１０７を有する成形型１０６が示されている。成形型１０６は、金属、プラスチック、または高分子などの材料で作製されており、非透明性でも、または透明性でも、どちらでもよい。さらに選択の一つとして、成形型１０６全体の形状を有する非常に薄い非粘着性フィルム（図示せず）を、成形型１０６上に貼り付けてもよい。この成形型１０６を用いれば、成形型により成形されるレンズ材料が成形型１０６に粘着することを防ぐことができる。続いて成形型のくぼみ部１０７には、熱硬化性または光硬化性の液体状レンズ材料１０８が充填される。液体状レンズ材料１０８として、例えば、シリコン、エポキシ、またはシリコン／エポキシの混合などの任意の適切な透光材料を用いることができる。混合物を用いるのは、支持構造体１００またはＬＥＤダイ１０２と熱膨張係数（ＣＴＥ）を整合させるためである。シリコンとエポキシは、十分に高い屈折率（１.４より大きい）を有し、レンズとして同様に機能し、ＡｌＩｎＧａＮ・ＬＥＤまたはＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤからの光抽出効果を大きく改善する。

本実施形態では、支持構造体１００と成形型１０６とが互いに押し合わせ、各ＬＥＤダイ１０２を液体状レンズ材料１０８内に入れるとともに、レンズ材料１０８を圧縮する。この時、液体状レンズ材料１０８は、支持構造体１００内に形成された凹部１０４を充填する。続いて成形型１０６は、約１５０℃または他の適当な温度に加熱されるか、または例えば紫外線などの適当な光を放射する光源に所定時間暴露して、レンズ材料１０８を硬化させる。

支持構造体１００を成形型１０６（図示せず）から離型した後、各ＬＥＤダイ１０２の上のレンズ１１０を有するＬＥＤ装置は、図５に示されるように形成される。レンズ１１０は、いかなるサイズまたは形状のものでもよく、図５に示す実施形態に限定されるものではない。図５に示すように、レンズ１１０は全て、支持構造体１００内に充填される突出部とともに形成される。この突出部によって、レンズ１１０と支持構造体１００間との接着が向上する。

図５に示すＬＥＤ装置は、図２の斜視図と同様に、支持構造体１００は、レンズ１１０で被覆されたＬＥＤダイ１０２のアレイを支持するように形成される。この場合、用いられる成形型（図示せず）は、対応するくぼみ部のアレイを有することになる。支持構造体１００がセラミックまたはシリコンサブマウントの場合、各ＬＥＤ装置（及びその下方のサブマウント部分）は、サブマウント１００の切断または破断によって分断され、個別のＬＥＤ装置を形成される。また、支持構造体１００は、分断／ダイシング切断されて複数のＬＥＤ装置を含むサブグループを支持してもよいし、または、支持構造体１００を分割／ダイシング切断せずに用いてもよい。レンズ１１０は、ＬＥＤダイからの光抽出効果を向上させ、光を屈折させて所望の放射パターンを作るだけでなく、ＬＥＤダイを封止し、不純物からＬＥＤダイを保護し、機械的強度を増大し内部の導電接合を保護する。

図６は、図５に示されたＬＥＤ装置の別の製造方法の例示している。この製造方法では、ゲル充填（ｇｅｌ−ｄｉｓｐｅｎｓｉｎｇ）法により、変更を加えた成形型１１２を用いてレンズ１１０を成形する。変更を加えた成形型１１２は、各ＬＥＤダイ１０２上のレンズの所望の形状に対応した複数のくぼみ部１０７を有する。各くぼみ部１０７には穿通孔１１４、１１６が設けられている。成形型１１２は、図３に示された構造体上に配置される。この時、一対の穿通孔１１４、１１６は、各くぼみ部１０７の側面にそれぞれ設けられ、実質的にＬ型または逆Ｌ型の形状になっている。一対の穿通孔１１４、１１６の１つは、ゲル状レンズ材料１１８をくぼみ部１０７内に充填する流入チャネルとして機能し、もう１つの穿通孔は、真空環境（図示せず）に接続された吸引チャネルとして機能する。その結果、レンズ材料は、成形型１１２に形成されたくぼみ部１０７内に充填され、その後図４で説明された方法によって硬化させる。このようにして、実施形態の各ＬＥＤダイ１０２を被覆するレンズ１１０の成形がなされる。

図７は、例えばセラミックまたはシリコンなどの任意の適当な材料のサブマウント１００’上に形成された単一フリップチップ型ＬＥＤダイ１０２を有するＬＥＤ装置を例示する拡大断面図である。１つの実施形態では、サブマウント１００’は、図３乃至図６に示す支持構造体１００として機能し、図５に示されたように切断によって分断される。図７のＬＥＤダイ１０２は、底部ｐ接触層１２０、ｐ金属接触部１２２、ｐ型層１２４、発光活性層１２６、ｎ型層１２８と、ｎ型層１２８に接触するｎ金属接触部１３０とを有する。サブマウント１００’上の複数の金属パッド（図示せず）は、それぞれｐ金属接触部１２２とｎ金属接触部１３０とに直接、金属接合される。図３乃至図６に示すＬＥＤ装置の製造方法を用いて成形されたレンズ１１０は、ＬＥＤダイ１０２を封止し、サブマウント１００’の凹部１０４を充填する複数の突出部を有する。

図７のＬＥＤダイ１０２は、非フリップチップ型ダイでもよく、ワイヤを用いてサブマウント１００’上の金属パッド（図示せず）と、ｎ型層１２８およびｐ型層１２４とを接続する。レンズ１１０は、ワイヤも封止することもできる。図８は、ワイヤ１５１によって金属パッドに接続された上部ｎ金属接触部１３２とワイヤ１５２によってもう１つの金属パッドに接続されたｐ金属接触部１３４とを備える非フリップチップ型ＬＥＤダイ１０２を有する、他の実施形態のＬＥＤ装置を示す拡大断面図である。ＬＥＤダイ１０２は、サブマウント１００’上に実装されている。図８に示すように、レンズ１１０は、ＬＥＤダイ１０２を封止し、支持構造体１００に形成された凹部１０４を充填する複数の突出部を有する。

図７と図８に示されるように、レンズ１１０は、その下方の支持構造体１００内に充填される突出部とともに形成されることから、レンズ１１０と下方の支持構造体１００間の接着が向上する。また、レンズ１１０と下方の支持構造体１００との間の界面１５０に形成される好ましくない水分の漏れ経路は、突出部によってブロックされるため、ＬＥＤ装置の信頼性が向上する。

１つの実施例では、通常、サブマウント１００’または支持構造体１００の上面から約１００〜３００μｍの深さＯまで形成される。また凹部１０４は、サブマウント１００’または支持構造体１００の外部端から約５００〜１０００μｍの距離Ｔの位置に形成される。

図９乃至図１１は、本発明に係るＬＥＤ装置のいろんな実施形態を示す平面図である。図９に示すように複数の領域がサブマウント１００’または支持構造体１００上に定義される。図９に示された実施形態では、凹部１０４が支持構造体１００に連続する一つの連繋溝として形成されている。図９に示された連繋溝は、ＬＥＤダイ１０２の全ての側辺を囲むため、レンズ１１０と下方の支持構造体１００／サブマウント１００’との接着が向上する。凹部１０４は、複数の不連繋溝１０４として、サブマウント１００’または支持構造体１００に形成してもよい。図１０に示すように、複数の不連繋溝１０４は、それぞれがＬＥＤダイ１０２の一つの側辺を囲むため、ＬＥＤダイ１０２を実質的に囲み、レンズ１１０と支持構造体１００／サブマウント１００’の接着を向上させる。図１１では、溝１０４によって囲まれたＬＥＤダイのアレイを有するＬＥＤ装置を示す他の実施形態が示されている。この実施形態では、溝１０４は、複数のＬＥＤダイ１０２を囲む一つの連繋溝として形成されている。しかし、溝１０４はこれに限定されるものではなく、図１０に示されるように、複数の不連繋溝１０４として形成してもよい。図１１に示されたＬＥＤダイ１０２は、図７と図８に示された方法を用いれば、支持構造体１００／サブマウント１００’上に電気的に実装することができる。

以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る変更や修正を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とする。

１０ ＬＥＤダイ
１２ 支持構造体
２２ 成形レンズ
５０ レンズと支持構造体間の界面
１００ 支持構造体
１００’ サブマウント
１０２ ＬＥＤダイ
１０４ 凹部（溝部）
１０６ 成形型
１０７ 成形型のくぼみ部
１０８ 液体状レンズ材料
１１０ レンズ
１１２ 成形型
１１４、１１６ 穿通孔
１１８ ゲル状レンズ材料
１２０ ｐ接触層
１２２ ｐ金属接触部
１２４ ｐ型層
１２６ 発光活性層
１２８ ｎ型層
１３０ ｎ金属接触部
１３２ ｎ金属接触部
１３４ ｐ金属接触部
１５０ レンズと支持構造体間の界面
１５１、１５２ ワイヤ
Ｆ レンズに加えられる力
Ｏ サブマウントまたは支持構造体の上面からの凹部の深さ
Ｔ サブマウントまたは支持構造体の外部端から凹部端までの距離

Claims (10)

1. 少なくとも１つのＬＥＤダイと、
   上部に前記少なくとも１つのＬＥＤダイが実装されており、この実装された前記少なくとも１つのＬＥＤダイの外側部分に凹部が形成された支持構造体と、
   前記支持構造体上に形成され、前記凹部に入る凸部を有し、前記少なくとも一つのＬＥＤダイと前記凹部とを封止するレンズと、を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
2. 前記凹部は、上面から見て一つの連繋溝を形成しており、前記連繋溝は、前記ＬＥＤダイを囲む請求項１に記載のＬＥＤ装置。
3. 前記凹部は、上面から見て複数の連繋溝を形成しており、前記複数の連繋溝は、前記ＬＥＤダイの側面をそれぞれ囲む請求項１に記載のＬＥＤ装置。
4. 上部に少なくとも１つのＬＥＤダイを実装する支持構造体を提供するステップと、
   前記ＬＥＤダイの外側の前記支持構造体の一部に凹部を形成するステップと、
   前記凹部の形状に入る凸部を有し、前記少なくとも一つのＬＥＤダイと前記凹部とを封止するレンズを前記支持構造体上に形成するステップと、を含むＬＥＤ装置の製造方法。
5. 前記支持構造体上のレンズの形成は、
   前記支持基板の上にその中に、前記レンズの形状に対応したくぼみ部を有する成形型を提供するステップと、
   前記成形型の前記くぼみ部にレンズ材料を充填するステップと、
   前記レンズ材料が前記くぼみ部に充填された前記成形型を前記支持構造体に対して押圧するステップと、
   前記レンズ材料を固化させて、前記成形型を取り外し、前記支持構造体上に前記レンズを形成し、前記ＬＥＤダイを封止し、前記凹部を充填して前記凹部に入る凸部を形成するステップと、を含む請求項４に記載のＬＥＤ装置の製造方法。
6. 前記凹部は、エッチング、レーザー切断、または機械的切断プロセスによって形成される請求項４に記載のＬＥＤ装置の製造方法。
7. 前記成形型は、金属、プラスチック、または高分子材料を含む請求項５に記載のＬＥＤ装置の製造方法。
8. 前記凹部は、上面から見て一つの連繋溝を形成し、前記連繋溝は、前記ＬＥＤダイを囲む請求項４に記載のＬＥＤ装置の製造方法。
9. 前記凹部は、上面から見て複数の不連溝を形成し、前記各不連続的な溝は、前記ＬＥＤダイの側面を実質的に囲む請求項４に記載のＬＥＤ装置の製造方法。
10. 前記成形型は、一対の穿通孔で形成され、前記レンズ材料は、ゲル散布によって前記成形型のくぼみ部内に充填される請求項５に記載のＬＥＤ装置の製造方法。

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