JP2011146611A

JP2011146611A - 発光素子パッケージ、及びこれを用いた線状発光装置、面状発光装置

Info

Publication number: JP2011146611A
Application number: JP2010007750A
Authority: JP
Inventors: Takateru Sakai; 隆照酒井; Yoshiori Tachibana; 佳織立花
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】LEDパッケージから突出した電極に設けられた凸部と他のLEDパッケージに挿入された電極に設けられた凹部とを嵌合することによって連結したために、振動、衝撃によって凸部と凹部との連結部分が外れていた。
【解決手段】LEDチップ４に接続された下側電極１及び上側電極２が樹脂モールド３からの対向する辺から突出している。下側電極１に凹部（穴）１ａを形成し、上側電極２に凸部（突起）２ａを形成する。１つのLEDパッケージの下側電極１の穴１ａと他のLEDパッケージの上側電極２の突起２ａとが物理的圧着により接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は発光素子パッケージたとえば発光ダイオード（LED）パッケージ、及び複数のLEDパッケージを線状（１次元）もしくは面状（２次元）に配置した発光装置に関する。たとえば、面光源としての照明装置、ヘッドランプ、リアコンビランプ、室内照明、ターンランプ等の車載光源、コピー読取光源、及び大型液晶表示装置（LCD）のバックライト光源として用いられる。

高輝度の発光装置として複数のLEDパッケージを線状に配置した線状発光装置が知られている。

第１の従来の線状発光装置においては、複数のLEDパッケージを回路パターンが形成してあるガラスエポキシ樹脂等よりなる実装基板にはんだ接合することによって構成する。この場合、実装基板には回路パターンとしてのはんだを印刷し、その上に複数のLEDパッケージを１列に装着し、最後に、はんだの融点程度の温度たとえばPbフリーのSn-Ag-Cu合金はんだでは200〜220℃でリフローを行う。

第２の従来の線状発光装置においては（参照：特許文献１）、リードフレームに複数のLEDチップを所定間隔で載置し、これらをインサートモールド成形により樹脂に挿入して複数のLEDパッケージを形成し、この結果、複数のLEDパッケージを露出したリードフレームによって連結する。この場合、リードフレームがLEDパッケージの電極の作用をする。従って、リードフレームが連結と通電とを同時に行うことになる。

第３の従来の線状発光装置においては（参照：特許文献２）、LEDパッケージの第１の側面に位置決め部としての凸部を設け、第２の側面に位置決め部としての凹部を設け、凸部と凹部とは互いに嵌合する形状になっている。従って、複数のLEDパッケージを連結して実装する場合、１つのLEDパッケージの凸部を他のLEDパッケージの凹部に嵌合して位置精度よく連結できる。この場合、これらの凸部、凹部の連結部が連結のみを行うことになる。

第４の従来の線状発光装置においては（参照：特許文献３）、LEDパッケージから突出した第１の電極に突出部（凸部）を設け、LEDパッケージに挿入された第２の電極に溝（凹部）を設け、凸部と凹部とは互いに嵌合する形状になっている。従って、複数のLEDパッケージを連結して実装する場合、１つのLEDパッケージの第１の電極の凸部を他のLEDパッケージの第２の電極の凹部に嵌合して位置精度よく連結できる。この場合、第１の電極の凸部と第２の電極の凹部との連結部が連結と通電とを同時に行うことになる。

特開２００６−４１３７９号公報特開２００８−３１１３５０号公報特開２００７−３１１７８６号公報

しかしながら、上述の従来の第１の線状発光装置においては、リフロー工程によりLEDパッケージの温度ははんだの融点である250℃付近まで上昇し、しかもこの高温環境下で数分間放置される。この結果、LEDチップの劣化により、光束の低下、順方向電圧V_fの異常、モールド樹脂の剥離等を招くという課題がある。また、１列に配列された複数のLEDパッケージをリフロー炉に進入させる際には、先頭のLEDパッケージと後方のLEDパッケージとに温度差を生じ、この結果、未溶融のはんだが生じるという課題もある。さらに、未溶融のはんだを防止するために、リフロー温度を高くしたりあるいはリフロー時間を大きくすれば、はんだ合金層が過剰生成されて接合強度が低下するという課題がある。さらにまた、リフロー炉の設備コスト及び窒素雰囲気によるリフローのランニングコストにより発光装置の製造コストが上昇するという課題もある。さらにまた、はんだ付けによる接合後に、LEDチップの不灯、色度違いが生じた場合には、再度熱を加えてはんだを再溶融させ、不灯のLEDパッケージを交換しなくてはならない。この結果、再加熱によるLEDチップの劣化により、やはり、光束の低下、順方向電圧V_fの異常、モールド樹脂の剥離等を招き、他方、再溶融によるはんだ合金層の過剰生成により硬く脆くなって接合強度が低下するという課題もある。尚、はんだ接合強度の低下はLEDチップの脱落を招く。

上述の第２の従来の線状発光装置においては、リードフレームにより複数のLEDパッケージを同時に形成しているので、予め個別的にLEDパッケージを選別できない。従って、線状発光装置が完成後に、１つのLEDパッケージの不灯による不良が発見されると、そのLEDパッケージの交換ができず、すべてのLEDパッケージの通電が不可能となって線状発光装置全体が不良となり、この結果、製造歩留りの低下つまり製造コストの上昇を招くという課題がある。特に、白色線状発光装置の場合、螢光体入り樹脂注入量が変動して１つのLEDパッケージの色度がずれて不良になると、やはりそのLEDパッケージの交換ができず、線状発光装置全体が不良となり、製造歩留りの低下つまり製造コストの上昇を招くという課題がある。

上述の第３、第４の従来の線状発光装置においては、予め個別的にLEDパッケージを選別しておくことができるので、線状発光装置の製造歩留りの低下つまり製造コストの上昇を防止できる。また、線状発光装置が完成後に１つのLEDパッケージの不灯あるいは色度ずれによる不良が発見されても、そのLEDパッケージを容易に交換できる。しかしながら、特に横方向の振動、衝撃によって凸部と凹部との嵌合による連結部分が外れるという課題がある。また、第４の従来の線状発光装置においては、電極の接続も外れるので通電が不可能となるという課題がある。さらにまた、連結する際に、電極に応力が加わり、LEDチップとLEDパッケージ間のボンディングワイヤが切断されてLEDパッケージが通電不良となるという課題もある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る発光素子パッケージは、発光素子及び発光素子に接続された第１、第２の電極を具備する発光素子パッケージであって、第１の電極は発光素子パッケージの第１の辺から突出し、第２の電極は第１の辺に対向する発光素子パッケージの第２の辺から突出し、第１の電極に凹部を設けると共に第２の電極に凸部を設け、第１の電極の凹部は他の発光素子パッケージの第２の電極の凸部に物理的圧着により接合されるようにすると共に、第２の電極の凸部は他の発光素子パッケージの第１の電極の凹部に物理的圧着により接合されるようにしたものである。これにより、第１の電極の凹部と第２の電極の凸部との物理的圧着による連結部分は外れにくくなる。

本発明に係る発光素子パッケージは、さらに、発光素子に接続されかつ各第１、第２の電極に接続された第３、第４の電極を具備し、第３の電極は第１、第２の辺間の発光素子パッケージの第３の辺から突出し、第４の電極は第３の辺に対向する発光素子パッケージの第４の辺から突出し、第３の電極に凹部を設けると共に第４の電極に凸部を設け、第３の電極の凹部は他の発光素子パッケージの第４の電極の凸部に物理的圧着により接合されるようにすると共に、第４の電極の凸部は他の発光素子パッケージの第３の電極の凹部に物理的圧着により接合されるようにした。これにより、第３の電極の凹部と第４の電極の凸部との物理的圧着による連結部分は外れにくくなる。

さらに、上述の複数の発光素子パッケージの１つの発光素子パッケージの第１（第３）の電極の凹部と他の発光素子パッケージの第２（第４）の電極の凸部とは物理的圧着により接合することにより線状発光装置もしくは面状発光装置を構成する。

本発明によれば、発光素子パッケージの電極同士の連結は物理的圧着で行われるので、振動、衝撃があっても外れなくすることができる。また、この場合、物理的圧着を発光素子パッケージに対して縦方向に行うことにより発光素子チップに応力は伝達されることはない。

本発明に係るLEDパッケージの第１の例を示す斜視図である。図１の下側電極、上側電極の平面図である。図１のIII−III線断面図である。図１のLEDパッケージを複数個連結させる方法を説明するための図である。図１のLEDパッケージを複数個連結させることによって構成された線状発光装置を示す斜視図である。本発明に係るLEDパッケージの第２の例を示す斜視図である。図６の下側電極、上側電極の平面図である。図６のVIII−VIII線断面図である。図６のLEDパッケージを複数個連結させることによって構成された面状発光装置を示す斜視図である。図１、図２、図３（図６、図７、図８）の下側電極及び上側電極の例を示す断面図である。図２の変更例を示す平面図である。図３の変更例を示す断面図である。

図１は本発明に係るLEDパッケージの第１の例を示す斜視図、図２は図１の下側電極、上側電極の平面図、図３は図１のIII−III線断面図である。

下側電極１及び上側電極２はLEDパッケージの対向する辺から突出しており、軟らかくかつ塑性変形し易い金属たとえば無酸素銅（Cu1020等）あるいはNi、Si等を銅に添加したばね性を有する合金銅を用いる。表面にはめっき加工を施すのが好ましい。めっき加工する場合には、劣化が少なくかつ拡散接合し易いAuめっきが好ましい。このAuめっき厚みはたとえば約0.01〜1μmである。Auめっきを施すことにより、表面の酸化、硫化等の劣化を抑止できる。また、Auめっき同士が圧着の際の摩擦熱あるいは変化によりその界面で拡散接合して１つの組織になるので、下側電極１、上側電極２同士の接合性を向上できる。尚、Auの代りにSnを用いてもよい。

尚、上述のめっき加工は施さなくともよい。

下側電極１には、金属加工、エッチング、切削加工等によって凹部つまり穴１ａを縦方向につまりパッケージに垂直方向に形成する。下側電極１の厚さがたとえば約0.3〜0.6mmとすると、穴１ａの深さはたとえば約0.2〜0.5mmである。

他方、上側電極２には、金属加工、エッチング、切削加工等によって凸部つまり突起２ａを縦方向につまりパッケージに垂直方向に形成する。上側電極２の厚さがたとえば約0.2〜0.5mmとすると、突起２ａの高さはたとえば約0.2〜0.5mmである。

上述の場合、下側電極１の穴１ａの深さは上側電極２の突起２ａの高さと同等もしくは小さくする。また、下側電極１の穴１ａの直径はたとえば約0.1〜1mmとし、上側電極２の突起２ａの幅あるいは直径より大きくする。さらに、下側電極１の穴１ａの体積は上側電極２の突起２ａの体積と同等もしくは小さくする。尚、より振動、衝撃が加わる環境下で使用する場合には、下側電極１及び上側電極２の厚さをより大きくし、下側電極１の穴１ａ及び上側電極２の突起２ａの体積を大きくする。また、上述のAuもしくはSnめっき加工は下側電極１、上側電極２全体ではなく、下側電極１の穴１ａの表面及び上側電極２の突起２ａの表面のみでもよい。

下側電極１及び上側電極２はたとえば5×5mmの樹脂モールド３によって一体成形されている。樹脂モールド３は絶縁性及び耐熱性に優れたたとえばナイロン、PBT等である。下側電極１及び上側電極２の樹脂モールド３に露出されていない部分の長さはたとえば約2mmである。尚、樹脂モールド３の代りにセラミック基材を用いてもよい。

LEDチップ４のｎ側電極側はAuボンディングワイヤ５によって上側電極２に接続されている。尚、LEDチップ４の形状によって変更される。たとえば、LEDチップ４がフリップチップの場合、Auバンプによって接合され、LEDチップ４がフェイスアップチップの場合、チップ裏面を接着もしくは共晶接合し、チップ表面に２つのAuボンディングワイヤを施す。また、Auバンプによる接合の場合、電極はCu上に厚さ数μmのNiめっき及び厚さ数μmのAuめっきを施す。接着剤による接着の場合、電極はCuむき出しでもよい。

白色LEDとしてLEDパッケージを構成する場合には、LEDチップ４上の樹脂モールド３の内部に蛍光体樹脂層６を塗布して埋める。

図４は図１のLEDパッケージを複数個連結させて線状発光装置を構成する方法を説明するための図である。尚、予め個別的に不灯あるいは色度ずれのない良品のLEDパッケージを選別しておく。

図４の（Ａ）に示すように、複数の良品のLEDパッケージを圧着ツールの支持台４１に載置する。このとき、１つのLEDパッケージの下側電極１の穴１ａに他のLEDパッケージの上側電極２の突起２ａを挿入する。

次に、図４の（Ｂ）に示すように、連結された複数のLEDパッケージに対して圧着ツールの押え部材４２を降下させる。

最後に、図４の（Ｃ）に示すように、加熱と共に荷重を縦方向に印加して複数のLEDパッケージの下側電極と上側電極とを物理的圧着により一度に接合する。この場合、加熱温度は電極の軟化温度（たとえば無酸化銅の場合約200℃）であり、LEDチップを劣化させない程度たとえば約150〜250℃とする。但し、電極にAuめっきを施した場合には、加熱温度はAuの再結晶温度である120℃程度でよい。他方、圧着ツール４１の接合圧力は数N〜数10N程度でよい。電極が無酸化銅の場合、降伏点耐力は70N/mm²であるので、上側電極２の突起２ａの断面積を小さくすれば、圧着ツール４１の接合圧力は数N程度でもよい。このようにして、上側電極２の突起２ａが塑性変形して下側電極１の穴１ａ内部に入り込み、この結果、下側電極１と上側電極２とは強固に接合され、図５に示す線状発光装置が得られる。

このように、下側電極１と上側電極２とを連結する際には、荷重を縦方向に印加するので、LEDパッケージ内部のAuボンディングワイヤ、LEDチップ等への応力がなくなり、断線等を防止できる。

図６は本発明に係るLEDパッケージの第２の例を示す斜視図、図７は図６の下側電極、上側電極の平面図、図８は図６のVIII−VIII線断面図である。

図６、図７、図８においては、図１、図２、図３のLEDパッケージに対して、穴１’ａを有する下側電極１及び突起２’ａを有する上側電極２を付加してある。つまり、LEDパッケージの４方向に電極が形成されている。この場合、下側電極１’は下側電極１と同一の構成を有し、一体で形成され、同様に、上側電極２’は上側電極２と同一の構成を有し、一体で形成されている。従って、図６、図７、図８に示すLEDパッケージの製造方法は図１、図２、図３に示すLEDパッケージの製造方法と同一である。また、図６のLEDパッケージを複数個連結して面状発光装置を構成する方法は図４の場合と同様である。但し、圧着ツールの支持台４１及び押え部材４２は面状発光装置の２次元広さに対応するだけの大きさを有する。この結果、図９に示す面状発光装置が得られる。

図１０は図１、図２、図３（図６、図７、図８）の下側電極１（１’）の穴１ａ（１’ａ）及び上側電極２（２’）の突起２ａ（２’ａ）の形状の例を示す断面図である。

突起２ａ（２’ａ）の形状は、図１０の（Ａ）、（Ｂ）に示すごとく、縦方向でストレートでもよく、また、図１０の（Ｃ）に示すごとく、縦方向で先細りでもよい。また、穴１ａ（１’ａ）の断面形状は、図１０の（Ａ）に示すごとく、円形でもよく、また、図１０の（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、穴表面で引っかかるように四角形でもよい。

尚、穴１ａ（１’ａ）及び突起２ａ（２’ａ）の横方向形状は楕円、円形、四角のいずれでもよい。

上述の実施の形態においては、下側電極１、１’に穴１ａ、１’ａを設けると共に、上側電極２、２’に突起２ａ、２’ａを設けているが、下側電極１、１’に突起を設けると共に、上側電極２、２’に穴を設けてもよい。

図１１は図２の変更例を示し、図１２は図３の変更例を示す。すなわち、図１１、図１２に示すように、LEDチップ４は下側電極１と電気的に分離された金属層１１０１上に形成され、Auボンディングワイヤ５’によって下側電極１に接続されている。金属層１１０１には縦方向に穴１１０１ａが設けられている。金属層１１０１は下側電極１と同一の構成によって形成される。

金属層１１０１の穴１１０１ａは放熱基板１２０１の突起１２０１ａに対応している。従って、図４の連結方法を用いて下側電極１の穴１ａと上側電極２の突起２ａとを物理的圧着により接合すると、Cu等よりなる放熱基板１２０１の突起１２０１ａも塑性変形して金属層１１０１の穴１１０１ａ内部に入り込み、従って、放熱基板１２０１とLEDチップ４が装着された金属層１１０１とが強固に接合される。この結果、LEDチップ４からの発熱を放熱基板１２０１に効率的に放熱することができ、従って、LEDチップ４の接合温度を下げることにより高効率、高寿命を実現できる。

尚、放熱基板１２０１を用いて線状発光装置あるいは面状発光装置を構成する場合には、図４における圧着ツールの支持台４１上に放熱基板１２０１を載置するが、支持台４１の代りに放熱基板１２０１上に直接載置してもよい。この場合には、放熱基板１２０１が下側電極１に電気的に接続されないために、必要に応じて絶縁層を形成する。

また、図１１、図１２の変更例は図６、図７、図８のLEDパッケージにも適用でき、この結果、放熱基板を有する面状発光装置を構成できる。

さらに、図１１、図１２の変更例においても、金属層１１０１に突起を設けると共に、放熱基板１２０１に穴を設けてもよい。

１、１’：下側電極
１ａ、１’ａ：凹部（穴）
２、２’：上側電極
２ａ、２’ａ：凸部（突起）
３：樹脂モールド
４：LEDチップ
５、５’：ボンディングワイヤ
６：蛍光体樹脂層
４１：支持台
４２：押え部材
１１０１：金属層
１１０１ａ：穴
１２０１：放熱基板
１２０１ａ：突起

Claims

発光素子及び該発光素子に接続された第１、第２の電極を具備する発光素子パッケージであって、
前記第１の電極は該発光素子パッケージの第１の辺から突出し、
前記第２の電極は前記第１の辺に対向する前記発光素子パッケージの第２の辺から突出し、
前記第１の電極に凹部を設けると共に前記第２の電極に凸部を設け、
前記第１の電極の凹部は他の発光素子パッケージの第２の電極の凸部に物理的圧着により接合されるようにすると共に、前記第２の電極の凸部は他の発光素子パッケージの第１の電極の凹部に物理的圧着により接合されるようにした発光素子パッケージ。
前記第１、第２の電極は銅もしくは銅合金よりなり、前記第１の電極の凹部の表面及び前記第２の電極の凸部の表面はAuもしくはSnめっき加工が施されている請求項１に記載の発光素子パッケージ。
前記第１の電極の凹部及び前記第２の電極の凸部は前記発光素子パッケージの垂直方向に配置されている請求項１に記載の発光素子パッケージ。
さらに、前記第１、第２の電極と電気的に分離され、凸部もしくは凹部を有し、前記発光素子を搭載するための金属層を具備し、
前記金属層に放熱させるための前記金属層の凸部もしくは凹部と物理的圧着により接合されるようにした凹部もしくは凸部を設けた請求項１に記載の発光素子パッケージ。
さらに、前記発光素子に接続されかつ前記各第１、第２の電極に接続された第３、第４の電極を具備し、
前記第３の電極は前記第１、第２の辺の間の該発光素子パッケージの第３の辺から突出し、前記第４の電極は前記第３の辺に対向する前記発光素子パッケージの第４の辺から突出し、
前記第３の電極に凹部を設けると共に前記第４の電極に凸部を設け、
前記第３の電極の凹部は他の発光素子パッケージの第４の電極の凸部に物理的圧着により接合されるようにすると共に、前記第４の電極の凸部は他の発光素子パッケージの第３の電極の凹部に物理的圧着により接合されるようにした請求項１に記載の発光素子パッケージ。
１次元的に配置された請求項１、２もしくは３に記載の複数の発光素子パッケージを具備し、
該複数の発光素子パッケージの１つの発光素子パッケージの第１の電極の凹部と他の発光素子パッケージの第２の電極の凸部とは物理的圧着により接合した線状発光装置。
１次元的に配置された請求項４に記載の複数の発光素子パッケージと、
放熱基板と
を具備し、
該複数の発光素子パッケージの１つの発光素子パッケージの第１の電極の凹部と他の発光素子パッケージの第２の電極の凸部とは物理的圧着により接合し、
前記複数の発光素子パッケージの金属層の凹部もしくは凸部と前記放熱基板の凸部もしくは凹部とを物理的圧着により接合した線状発光装置。
２次元的に配置された請求項５に記載の複数の発光素子パッケージを具備し、
該複数の発光素子パッケージの１つの発光素子パッケージの第１の電極の凹部と他の発光素子パッケージの第２の電極の凸部とは物理的圧着により接合し、
該複数の発光素子パッケージの１つの発光素子パッケージの第３の電極の凹部と他の発光素子パッケージの第４の電極の凸部とは物理的圧着により接合した面状発光装置。