JP2011035264A - 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】高い光反射率を持ち、高温や紫外線照射による光反射率の劣化がなく、放熱性に優れ、圧縮圧力に強い高出力発光素子用のパッケージを安価に提供する。
【解決手段】発光素子用パッケージの材料としては、樹脂やセラミックスが使われているが、樹脂は熱に弱く、紫外線にも変色してしまうという欠点があり、セラミックスは反射率が低く、高価であるという欠点があり、更に樹脂やセラミックスで作成されたパッケージは螺子止めなど機械的に締め付ける装着法に対して、パッケージが欠けたり、割れたりするという欠点がある。金属基板と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た金属板を絶縁層を介して貼り合わせることで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、複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で、生産性の高い、低価格の発光素子を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は発光素子（以下LEDという）用、特に高出力のLED用パッケージおよび本パッケージと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1８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、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2008−162955ではセラミックスが使われ、高価になるので採用は限定的である。
以上のようなパッケージを放熱フィンなどのついた放熱機材に螺子止めを行なう時に、圧縮圧力によって樹脂が欠けたり、セラミックスが割れたりして高出力用途には限界があった。

特開2003−37298 特開2007−335612 特開2004−221598 特開2007−250979 特開200８−162955

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。またセラミックスを基板として用いたＬＥＤ用パッケージもあるが、セラミックスは反射率が低く、価格も高価であるという課題がある。反射率を改善するために高反射率の物質を成膜することができるが高価になる。さらに、高出力LEDは放熱フィンのある放熱機材に螺子止めなど機械的に固定されることが多いが、このとき樹脂やセラミックスは欠けたり、割れたりするという不具合が起こっている。本発明は螺子止めなど機械的圧縮応力に強く、また強い紫外線が照射されても、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、熱抵抗の極めて小さい発光素子用パッケージを安価に提供するものである。また同時に複数個のパッケージを製造できるので、一括して複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。

本発明は、発光素子チップがマウントされる第１の板とテーパ面をもった貫通孔を形成してなる金属製の第２の板と、前記第１の板における発光素子チップが搭載される側の面、及び第２の板における貫通孔の径の小さい面の間に介在してこれら第１の板及び第2の板を張り合わせる薄膜状絶縁層とを具備し、前記第１の板は、平板状に並べ設けた少なくとも２つの金属板要素と、それら２つの金属板の対向する側面間に介在する絶縁部材とを備えたものであり、前記貫通孔と第１の板とによって形成される凹部の底面を区切るように前記絶縁部材が配置されるとともに、前記凹部の底面に前記発光素子チップが配置されるとき、前記発光素子チップの各電極が前記各金属板要素とそれぞれ接続されるように構成してあることを特徴とする発光素子パッケージである。
圧縮応力に対して破損することなく、高温度下でも変質せず、紫外線照射でも変質せず、高反射率を保持し高い熱伝導率も持つ材料は有機樹脂やセラミックスでは見当たらない。そこで圧縮応力に強く、温度や紫外線により変化しない高反射率の金属板を上下に貼り合せた構成とした、上側の第２の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加工した。下側の第１の板にも反射率の高い金属を用い、上下二つの平板の接合面を薄い絶縁層を介して張り合わせることで熱伝導率が高く、電気抵抗率の低い電極構造を実現した。第１の板を構成する二つの金属板要素のうち、一方の金属板要素には半導体チップがマウントされ、他方の金属板要素にはワイヤがボンディングされる。両方の金属板要素は外部回路との接続用電極として機能する。発生する熱は高熱伝導度の金属板を通して極めて効率よく放散される。張り合わせのための絶縁層は薄いので熱抵抗は極めて小さく押さえることができる。螺子止めの力では壊れる事が無いように薄い絶縁層以外全てが金属で構成する。

このような発光素子パッケージであれば、ほぼ金属製の第１の板及び第2の板を薄い絶縁層によって厚み方向に積層させた構造であることから、螺子止めなどでも割れることがなく、厚み方向の機械的圧縮応力に強い構造とすることができる。
また、凹部の底面及び側面が発光素子チップからの光の反射面となるところであり、これら底面及び側面が金属で形成されていることから、紫外線が照射されても、１００℃以上の高温度になっても、物質の変化は無く、高反射率を維持することができる。
さらに、第１の板には厚み方向に絶縁部材が介在しておらず、発光素子チップからの熱が金属板要素から直接的に第１の板の底面に伝達されるうえ、第１の板と第2の板とを接合する絶縁層が薄く第２の板への効果的な熱伝達も営まれるので、第１、第２の板における張り合わせ面以外の全ての表面からの放熱が見込め、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ことができる。
加えて、基本的には第１の板と第２板とを接合するだけであるため、安価に製造することができる。また、第２の板に複数の貫通孔を形成するとともに、それに応じて第２の板に薄膜状絶縁層を設けておけば、これら第１の板と第２の板とを貼り合わせ、カットするだけで、同時に複数個のパッケージを製造できるので、一括して複数個の発光素子を組み立てることができ、高い生産性と低価格のLEDを提供する事が可能となる。

本発明におけるLEDパッケージの基本構造の断面模式図 本発明における第1の板の斜視図 本発明における第2の板の斜視図 本発明におけるLEDパッケージにLEDチップを搭載した発光素子の断面模式図 本発明における第２の形態の第1の板の貫通孔スリットの模式図 本発明における第２の形態の第1の板のスリットへの絶縁部材の充填を示す模式図 本発明における第２の形態の第2の板の模式図 本発明における第２の形態の薄膜絶縁層用絶縁接着シートの模式図 本発明における第２の形態の第1の板と第2の板の張り合わせ模式図 本発明における第２の形態の第1の板と第2の板の張り合わせ後の端部切り落とし模式図 本発明における第２の形態のLEDチップ実装後の基板分割の模式図 本発明における第３の形態の分割用切り込みの模式図 本発明における第４の形態の下面幅広スリットの模式図 本発明における第６の形態のカスケード接続パッケージの模式断面図 本発明における第８の形態のフリップチップボンドの模式図 本発明における第９の形態の直管蛍光灯タイプパッケージの模式図 本発明における第10の形態のサークライン蛍光灯タイプパッケージの模式図 従来のパッケージ

本発明は、多様な変形及び修正が可能であり、以下、その特定の実施するための形態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の断面模式図である。絶縁部材を介して、二つの金属板要素からなる第1の板と、テーパ面をもった貫通孔を具備した第2の金属板を貫通孔の小さい径の面を貼り合わせ面として、薄膜絶縁層で張り合わせている。詳細は以下に示す。

図2は第1の板を示している。二つの金属板要素としては、銅、アルミニウムなどが適している。銅材の場合は表面の反射率を高めるために、銀メッキされると良い。しかし、銀は水分のある状態では紫外線や熱によって酸化し、黒化するので使用条件を考慮することが必要である。アルミニウムの場合は外部回路との半田付けを良好にするため、片面をニッケルメッキなどを施し、他の一方の面は高反射率を得るように処理されたものを用いる。

この金属板要素を絶縁部材で接合するために、５０ミクロンの絶縁接着フィルムを二つの金属板要素で挟み、１５０℃、２時間加熱して、熱硬化させ、第1の板を作る事ができる。

上述のようにして第1の板を作る方法の他に、一枚の金属板に0.1〜0.3ｍｍ巾の貫通スリットをつくり、ここに絶縁部材を充填し、金属と絶縁部材が硬く接着したあと金属板を切断する事によって第1の板を作る事もできる。

ここに使われる絶縁部材には硬化後、反射率が高い材料が好ましい。

二つの金属板要素の相対する面は必ずしも平面である必要はない。曲面であっても有効である。

図3に第2の板を示した。この材料としてはアルミニウムが望ましい。アルミニウム板にパンチング加工でテーパ面をもった貫通孔を形成する。貫通孔のテーパ面に高反射率を得るために、化学薬液処理を施す。またアルミニウム板材表面に高反射率の物質を積層した板をプレス加工してテーパ面を作っても良い。テーパの角度は貫通孔の小さい内径が作る面に対して、90度以上180度未満で、目的に応じて決められる。また、第2の板の厚さはLEDチップの発光面の位置を勘案して決められる。

第1の板と第2の板を薄膜状絶縁層を介して張り合わせるには、まず絶縁性接着フィルムに第2の板の貫通孔の小さい径の大きさに合わせて穴を開ける。この穴の位置を合わせて第1の板と第2の板でこのフィルムを挟み、150℃、２時間加熱して、熱硬化させる。このとき、第1の板の絶縁部材と二つの金属板要素のそれぞれの一部が貫通孔の小さい内径の中に位置し、絶縁部材で隔てられた二つの金属板要素の一方は貫通孔の中心を含めて他方の金属板要素の見える部分より広い面積をしめ、他方の金属板要素の見える部分は、ワイヤボンドが可能な広さが保たれるように配置される。

図４に発光素子の構造断面模式図を示す。上述のようにしてできたパッケージの凹部の底面の中心にLEDチップをダイスボンドする。SiCのような導電性基板上に作成されたLEDチップの場合、チップ上面にある電極と凹部底面のダイスボンドしていない金属板要素の面にワイヤボンドして結線する。サファイヤのような絶縁性基板の上に作成されるLEDチップではチップ表面に二つの電極が設けられているので、このうちの一つの電極とダイスボンドされている金属板要素との間にワイヤを張るとともに、チップ上面の他方の電極と凹部底面のダイスボンドされていない金属板要素上にワイヤボンドし、結線する。

こうしてLEDパッケージにLEDチップのダイスボンド及びワイヤボンドが終わったら、蛍光体を混入させた樹脂をパッケージの凹部に滴下し、チップ全体に盛り、熱硬化する。
次に集光用レンズを装着して、発光素子が完成する。

発光素子の製造生産性を向上するために発光素子を多数個一括して製造することが有効である。これに取組んだ実施例を第2の形態として図５〜図１１に示した。図には３行３列の９個の場合を示しているが、実施例では４０ｍｍ×４０ｍｍのサイズに１０行１０列の計１００個のLEDパッケージを一括作製している。

厚さ0.３ｍｍの高反射率アルミニウム板の片面に外部回路との半田付けを容易にするためにニッケルメッキを施す。
このアルミニウム板に0.3ｍｍ幅のスリット孔をあける。（図５）
このスリット孔に反射率の高い絶縁部材を充填する。これを１５０℃、２時間で熱硬化する。こうして前述の第１の板を形成する。（図６）
厚さ0.6ｍｍ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。こうして前述の第２の板を形成する（図７）
上記のスリットに絶縁部材を充填したアルミニウム板と上記貫通孔を具備したアルミニウム板とを接着するために、厚さ５０ミクロンの接着用絶縁樹脂フィルムに貫通孔の小さい径に合わせて穴を開ける（図８）。
上記スリットに絶縁部材を充填したアルミニウム板と上記貫通孔を具備したアルミニウム板の間に上記接着用絶縁樹脂フィルム材を挟み、1５0℃、２時間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、薄膜状絶縁層を形成する。（図９）その後、基板の中でスリットのない端部分を切り落とす。（図１０）このように作製された張り合わせ板のそれぞれのカップ内にLEDチップをマウントし、ワイヤボンディングを行なう。その後、蛍光体、樹脂、レンズなどの周辺部材を装着する。そして、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発光素子に分割する。この様子を図１１に示した。

第３の形態。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アルミニウム基板の底0.２ｍｍを残して切り込みを入れておく。（図１２）。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。

第４の形態。第１の板の金属要素が外部回路と半田接続される時、金属要素間で電気的に短絡しないように、基板のスリットの下半分を０．８mｍの巾広のスリットにした。これによって下面の電極間隔は０．８ｍｍとなり、ラフな半田工程でも半田短絡は発生しない。（図１３）

第５の形態。前述の例ではリフレクターを化学薬品を用いて高反射率を得ているが、特に高反射率の物質を表面に積層したアルミ板が市販されている。これを傷がつかないようにプレス加工してテーパ面をもった貫通孔を作成した。

第６の形態。第１の板の絶縁部材を介した金属板要素の形状設計により、LEDチップを３個カスケードに接続し、単体の駆動電圧の３倍の駆動電圧で動作するLEDパッケージを作成した。このように第１の板の金属板要素を電気回路配線としてLEDパッケージを形成できる。（図１４）

第７の形態。前述の実施形態は金属板にアルミニウムの場合を示したが、金属として銀メッキされた銅を用いて前述のパッケージも作成できる。その他いろいろな金属で構成することが出来る。アルミニウムや銅に限定されるものではない。

第８の形態。前述の半導体チップのマウントの方法はワイヤボンドに限定するものでなく、フリップチップ方式であっても同様に有効なパッケージであり、有効な発光素子を提供できる。図１５に示すように、チップ上面の電極にバンプを形成し、凹部底面の二つの金属板要素に接続する。

第９の形態。直管蛍光灯タイプとして製作した例である（図１６）。巾３．１ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、長さ３０ｃｍの細長い金属板と巾１．６ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、長さ３０ｃｍの金属板の２本を第１の板の金属板要素とし、絶縁部材を介在させ第１の板とした。第２の板もこれに対応して、巾５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ、長さ３０ｃｍの細長い板にテーパ面をもった貫通孔を７個設けている。（図では４個の場合を示している。）こうして直管蛍光灯タイプのLED照明用のパッケージを作製することができる。図にはこのパッケージを放熱部材に螺子止めするための穴が設けられている様子も示している。

第１０の形態。サークライン蛍光灯タイプとして製作した例である（図１７）。巾３．１ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、外径２００ｍｍのリング状の金属板と、巾１．６ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、内径が１９０ｍｍの金属板の二つのリング状金属板を第１の板の金属板要素とし、この２つのリング状金属板の間隔０．３ｍｍの間に絶縁部材を介在させて第１の板とした。第２の板もこの第１の板に対応し、巾５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのリング状の板にテ―パ面をもった貫通孔を１６個リングに沿って配置した。（図では貫通孔８個の場合を示している。）こうしてサークライン蛍光灯タイプのLED照明用パッケージを作製することができる。図には放熱部材にこのパッケージを螺子止めするための、螺子穴も設けてある。

１；金属板要素
２；絶縁部材
３；第１の板
４；第2の板
５；薄膜状絶縁層
６；貫通孔のテーパ面
７；凹部の底面
８；テーパ面をもった貫通孔
９；発光素子チップ
10；ボンディングワイヤ
11；ニッケルメッキ
12；金属平板
13；貫通スリット
14；接着用絶縁シート
15；接着用絶縁シートの貫通孔
16；分割線
17；分割用切り込み
18；下面幅広スリット
19；フリップチップボンド用バンプ
20；成型用樹脂
21；金属リードフレーム
22；レンズ
23；蛍光体及び樹脂
24；螺子止め用穴

Claims (3)

1. 発光素子チップがマウントされる第１の板とテーパ面をもった貫通孔を形成してなる金属製の第２の板と、前記第１の板における発光素子チップが搭載される側の面、及び第２の板における貫通孔の径の小さい面の間に介在してこれら第１の板及び第２の板を張り合わせる薄膜状絶縁層とを具備し、
   前記第１の板は、平板状に並べ設けた少なくとも２つの金属板要素と、それら２つの金属板の対向する側面間に介在する絶縁部材とを備えたものであり、
   前記貫通孔と第１の板とによって形成される凹部の底面を区切るように前記絶縁部材が配置されるとともに、前記凹部の底面に前記発光素子チップが配置されるとき、前記発光素子チップの各電極が前記各金属板要素とそれぞれ接続されるように構成してあることを特徴とする発光素子パッケージ。
2. 請求項１記載の発光素子パッケージの製造方法であって、
   金属平板に貫通スリットを設け、当該貫通スリットに前記絶縁部材を充填することによって、前記第１の板を作成することを特徴とする発光素子パッケージの製造方法
3. 請求項１記載の発光素子パッケージに発光素子チップをマウントして形成される発光素子の製造方法であって、
   前記第２の板に複数個の前記貫通孔を設けて複数の凹部を形成し、
   前記凹部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、
   その後、所定の数の発光素子となるように分割して形成することを特徴とする発光素子の製造方法。

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