JP2011176347A - 反射レンズを備えたパワー発光ダイパッケージ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ダイパッケージ10は、リードフレーム22と少なくとも1つの発光デバイス(LED)と成形体40とレンズ70とを含んでいる。リードフレームは、複数のリードを含み、上面側と底面側とを有している。リードフレームの一部が取り付けパッドを画定している。LEDデバイスは取り付けパッド上に搭載されている。成形体はリードフレームの一部と一体化され、リードフレームの上面側で開口を画定している。開口は取り付けパッドを取り囲んでいる。成形体は、リードフレームの底面側でラッチをさらに含んでいる。レンズが成形体に結合されている。複合レンズが反射器と撮像ツールの両方として用いられて、所望のスペクトルと発光性能のために、LED(複数可)によって出射された光を集め、方向付ける。
【選択図】図1A
Description
分野に関する。
フレームパッケージ内でパッケージされることが多い。リードフレームパッケージは、典
型的には、薄い金属リードと接続されるLEDを含み、そこでは、LEDと大部分のリー
ドとがプラスチック体内に完全に封止されている。プラスチック体の一部はレンズを画定
している。LEDと接続されるリードの一部はプラスチック体の外側に延びている。リー
ドフレームパッケージの金属リードは、LEDに電力を供給する導管として働き、同時に
LEDから熱を引き出すよう作用し得る。LEDに電力が加えられて光を生成すると、L
EDによって熱が生成される。パッケージ本体から外側に延びるリードの一部は、リード
フレームパッケージの外側の回路に接続している。
る。しかしながら、大部分の熱は、パッケージの金属構成部品を介してLEDから引き出
される。金属リードは、典型的には、非常に薄くて、断面積が小さい。このため、LED
から熱を除去する金属リードの能力には限界がある。これは、LEDに送られることが可
能な電力の量を制限する。これは、次に、LEDによって生成されることが可能な光量を
制限する。
させるため、ヒートシンクスラグがパッケージに導入されている。熱シンクスラグがLE
Dチップから熱を取り出し、それによってLEDパッケージの熱分散能力を高める。ただ
し、この設計によると、パッケージの光キャビティに自由空間が導入され、この自由空間
には、LEDチップから光を抽出するために、パッケージ内で屈折率マッチング用の透明
な封止剤(refractive-index-matching clear encapsulant)を充填する必要がある。残
念なことに、封止剤の体積の膨張および収縮は、典型的には、それを収容する空間の体積
の膨張および収縮よりも上回る。したがって、温度が上昇すると、封止剤が膨張およびあ
ふれ出るかまたは通気孔を通ってキャビティから流れ出る。さらに、それが冷却されると
、封止剤は収縮し、キャビティ内で部分的に真空を形成して、空気または水分が吸い込ま
れる原因となる。時々、封止剤内にボイドが形成されるか、または封止剤が接触する種々
の構成部品から封止剤が剥離する。これは、パッケージの光出力および信頼性に悪影響を
及ぼす。さらに、この設計は、典型的には、ホットアイロン(hot-iron)によって半田付
けされる一組のもろい(flimsy)リードを通常含んでいる。このアイロニング加工は、一
般的に使用されているSMT(面実装技術)電子基板組立工程と適合しない。
において異なる厚さでできており、そしてLEDパッケージ本体の端部を越えて延びてい
る。パッケージ本体は、通常パッケージ用の封止剤材料として機能する透明な熱硬化性プ
ラスチックで成形されている。これらのリードは、典型的には、先の設計のLEDのリー
ドよりも太い。より太いリードは、ヒートスプレッダとして利用され、LEDチップがそ
の上に搭載される。この配置によって、LEDチップが生成する熱は、外部のヒートシン
クに熱的に接続されたより太いリードを通って分散することができる。残念なことに、こ
の設計は、プラスチック本体と、封止剤とリードフレームの材料との間の熱膨張係数(C
TE)が大きく異なるために、本質的に信頼されていない。それゆえに、例えば−40℃
から120℃の温度サイクルに晒されると、LEDパッケージのほとんどまたは全ての構
成部品に、特に接触点で高い熱応力が加わる。これは、しばしば、LEDチップの亀裂、
リードからのプラスチック本体の剥離、接合ワイヤの破損、またはこれらの問題の組み合
わせとなる。加えて、延長リードによって、LEDパッケージのサイズおよびフットプリ
ントの大きさが大きくなる。サイズが大きくなると、例えば、自動車の照明や全般照明な
ど特定の用途に対して明るい光を生成するためにPCB(プリント回路基板)上の高密度
クラスタ内でパッケージを取り付けるのが妨げられる。
フリップチップ用の微細な回路、あるいは、カラー制御とは別にアドレスされることが可
能ないくつかのLEDチップを取り付けるための微細な回路に押し付けることができない
ということである。
されたLEDパッケージの必要性が残る。
イパッケージは、リードフレームと、少なくとも1つの発光デバイス(LED)と、成形
体とレンズとを含んでいる。リードフレームは、複数のリードを含み、上面側と底面側と
を有している。リードフレームの一部が取り付けパッドを画定している。LEDデバイス
は取り付けパッド上に搭載されている。成形体はリードフレームの一部と一体化し、リー
ドフレームの上面側で開口を画定し、この開口は取り付けパッドを取り囲んでいる。成形
体は、リードフレームの底面側でラッチをさらに含んでいる。レンズは成形体に結合され
ている。
。リードフレームストリップが製造される。リードフレームストリップは複数のリードを
含み、各リードは上面側と底面側とを有している。第1のリードの一部は取り付けパッド
を画定している。本体が成形され、リードフレームストリップの一部と一体化されている
。成形体がリードフレームの上面側で開口を画定し、開口が取り付けパッドを取り囲んで
いる。成形体は、リードフレームの底面側でラッチをさらに含んでいる。そして、少なく
とも1つの発光デバイスが取り付けパッド上に取り付けられている。
以下の詳細な記載から明らかとなる。
い。
ージの斜視図である。
する。図中、いくつかの構造または部分のサイズは、例示目的のため、他の構造または部
分のサイズに対して誇張されていて、それゆえに、本発明の全体構造を図示するよう与え
られている。さらに、本発明の種々の態様が、構造もしくは他の構造上に形成されている
部分、複数の部分、またはその両方を参照して説明される。当業者であれば理解されるよ
うに、別の構造もしくは部分「上(on)」または「上方(above)」に形成されている構
造の参照符号は、追加の構造、部分またはその両方が介在し得ることが予期される。介在
する構造または部分なしに別の構造または部分の「上」に形成されている構造または部分
を言及する際には、構造または部分の「直接上(directly on)」に形成されているもの
として記載されている。
は部分の別の構造または部分との関係を説明するためにここで用いられている。「上」ま
たは「上方」などの相対語は、図中に描かれている配向に加え、デバイスの種々の配向を
含むよう意図されていることが理解されるであろう。例えば、図中のデバイスがひっくり
返る場合、他の構造または部分の「上方」として記載された構造または部分は、ここで、
他の構造または部分の「下(below)」に向けられるであろう。同様に、図中のデバイス
が軸に沿って回転する場合、他の構造または部分の「上方」として記載された構造または
部分は、ここで、他の構造または部分と「隣接した(next to)」または「左側(left of
)」に向けられるであろう。全体を通して、同様の番号は同様の構成要素を指す。
、リードフレームの複数の部分と一体化された成形体とを含む発光ダイパッケージによっ
て例示されている。発光ダイオードなどの少なくとも1つの発光デバイス(light emittin
g device(LED))がリードフレームに搭載されている。成形体は、LEDを囲む開口
を有し、ヒートシンクをラッチするためのラッチを有している。LEDは、開口を実質的
に充填する封止剤で覆われている。
ラスチックからなる。LEDは、リードフレームの主リード上に搭載され、追加の電気接
続のため、接続ワイヤで他のリードと接続されている。
える。以下にさらに詳細に述べるように、レンズはLEDの周りの開口の大部分を占め、
それによってパッケージ内で用いられる封止剤の量を低減している。これによって、上記
で論じた封止剤の体積膨張および収縮にかかる差動熱応力の問題を軽減して、より低い故
障率と相対的に高い信頼性とにつながる。
。ラッチの設計によって、ダイパッケージをより簡単且つより安価に製造することができ
る。
<装置>
Bは、図1Aに示されたレンズおよび発光デバイスなしで示した、発光ダイパッケージ1
0の上面図である。図1Cは、発光ダイパッケージ10の断面側面図である。図2Aは、
発光ダイパッケージ10の分解斜視図である。図2Bは、発光ダイパッケージ10の分解
断面側面図である。
される複数のリードを含むリードフレーム20を含んでいる。図中、混乱を避けるため、
図示された全てのリードを参照符号22で指定してはいない。リードフレームは、上面側
24と底面側26とを有している。リードフレーム20は、金属または、所望の特徴およ
び用途によって大きく変化することが可能な所定の厚さを有する他の電気的に導電性の材
料からなる。例えば、リードフレーム20の厚さは、数十または数百ミクロン程度であり
得る。
ス(LED)組立体50が搭載される取り付けパッド28を画定している。発光デバイス
(LED)組立体50は、発光ダイオードのような少なくとも1つの発光デバイス(LE
D)を含んでいる。
ードフレーム20の下にあるように、成形体40はリードフレーム20の一部と一体化し
ている。図示したサンプルの実施形態においては、成形体40はリードフレーム20のか
なりの部分を覆っている。成形体40の上部は、取り付けパッド28の周りの開口42を
画定している。成形体40の下部はラッチ44を含んでいる。ヒートシンク30は、ラッ
チ44を係合することによってリードフレーム20に取り付けることができる。
ED組立体50によって生成される熱を引出し、生成熱の分散を補助する。電気ショート
を避けるために、ヒートシンク30は誘電性材料でできている。あるいは、ヒートシンク
30が電気的に導電性の材料を用いてできている場合、ヒートシンク30は誘電体層31
によってリードフレームから分離されることができる。誘電体層31は、例えば、ガラス
または高熱伝導性セラミックで充填された有機ポリマーであることができる。
いる。成形体40は、高温プラスチックを用いてリードフレーム20の上および周囲で射
出成形され得る。成形体40の材料は当業界で既知である。成形体40は、高温プラスチ
ックを用いてリードフレーム20の上および周囲で射出成形され得る。成形体40の材料
の例として、ガラスまたは炭素繊維で充填されたLCP(液晶高分子)がある。
手段によって成形体40に強固に取り付けられ得る。あるいは、温度が上昇または下降す
るにつれてレンズが成形体40上を浮遊することができるように、レンズは、柔軟な封止
接着剤によって成形体40に結合することができる。
の熱伝導性材料からなる。
せることができる。図示された実施形態においては、発光ダイパッケージ10の寸法は、
数ミリメートル(mm)または数十ミリメートル程度であることができる。例えば、発光
ダイパッケージ10は、以下の寸法を有することが可能である。厚さ12は、約3mmか
ら約50mmの範囲、長さ14は、約5mmから約40mmの範囲、幅16は、約5mm
から約30mmの範囲である。
<方法>
きる。図3Aから図3Dは、発光ダイパッケージ10の製造工程の種々の段階での発光ダ
イパッケージ10の斜視図である。図1Aの発光ダイパッケージ10を製造するために、
リードフレームストリップ80が作製される。例示目的のため、図3Aにおいて、リード
フレームストリップ80は、2つの発光ダイパッケージを製造するために作製される。実
際、リードフレームストリップは、多数の発光ダイパッケージを同時に製造するために作
製されることができる。
と、リード22を取り囲んで支持するクロスバー82とを含んでいる。リードフレームス
トリップ80とリード22は、(図1Aから図2Bのリードフレーム20の上面側24と
同じ側である)上面側24と、(図1Aから図2Bのリードフレーム20の底面側26と
同じ側である)底面側26とを有している。図1Bにも示されているように、第1リード
22aの一部は、取り付けパッド28を画定している。リードフレームストリップ80は
、1枚の導電性材料(例えば、金属など)を型押しすることによって作製される。材料の
厚さは、所望の用途に応じて大きく変わってもよく、例えば、厚さは数十または数百ミク
ロンの範囲であってもよい。あるいは、リードフレームストリップ80は、化学エッチン
グまたはフライス処理(milling process)を用いて作製されることができる。
一体化されている。成形体40は、取り付けパッド28の周りの開口42を画定している
。さらに、成形体40は、リードフレーム20の底面側26でラッチ44を含んでいる。
び図3Bで示されるように、ヒートシンク30が誘電性の接着膜でリードフレームストリ
ップ80に取り付けられることができる。成形されたプラスチック体40は、リードフレ
ームストリップ80上で成形されると、例えば図1Aで示されるように、ラッチ44を用
いてヒートシンク30を固定する。
を含んだLED組立体50が取り付けパッド28上に搭載される。次に、LED組立体5
0が、例えば、柔軟なシリコーンまたは低いデュロメータまたは硬度の任意の粘弾性高分
子材料などの封止剤によって封止される。レンズ70は、その後、開口42の上方の成形
体40に結合されて、例えば図1Cおよび図2Bで図示された、密封された光学キャビテ
ィ45を画定する。
の結果に応じて、キャビティ45は、完全に充填されるかまたはレンズの反射体の背後ま
たは下で膨張空間または自由空間を残しつつ部分的に充填され得る。なお、膨張空間には
封止剤がない。その後、リードフレームストリップ80のクロスバー82部分が、成形体
40から突き出たリード22の外側部分とともにリードフレームのフレームダイパッケー
ジ10を残して、分離される。最後に、リード22の外側部分が、例えば図1Aおよび図
1Cに示されているようなカモメ翼の形状まで曲げられる。
<レンズ>
。特に、図2A、図3Dおよび図4は、レンズ70の斜視図を示し、図1Cおよび図2B
は、レンズ70の断面側面図を示している。レンズ70のこれらの説明図、特に図2Bお
よび図4を参照すると、図示された実施形態においては、レンズ70は2つの部分、すな
わち上側部分75と下側部分77とを含んでいる。上側部分75は、ダイパッケージ10
の光学性能に影響を与える光学面76を含んでいる。
立体50からの光を受けるよう適合されている。さらに、下側部分77は、その中心部で
凹状キャビティ78を画定して、LED組立体50に空間を与える。凹状キャビティ78
は、上述のように、リードフレーム20と組み合わさって、密閉された光学キャビティ4
5を形成する。
ッケージ10を出る前にその光の本質に影響を与えるかまたは変えてしまうように意図さ
れた光学材料で被膜され得る。光学材料の種類の例としては、発光変換蛍光体、染料、蛍
光ポリマー、または、チップ(複数可)によって出射された光のうちいくらかを吸収し、
種々の波長の光を再出射する他の材料がある。他の光学材料の例としては、(酸化チタン
など)軽散散物質(light diffusant)または、光を拡散または散乱させる空隙(void)
がある。これらの材料のそれぞれまたは組み合わせがレンズに適用されることができて、
ある種のスペクトルおよび発光性能が得られる。
射面74は、LED組立体50から受けた光を集め反射するよう適合されている。外側の
反射面74は、例えば、銀、金またはアルミニウムなどの反射性の材料で被膜されている
。反射光は、光学面76を通ってレンズ70を出る。反射材料は、化学析出、印刷および
厚膜技術を用いた金属ペーストの硬化によって、外側の反射面74に塗布されることがで
きる。
50による出射光の少なくとも一部で全反射(TIR)させることができる。さらに、反
射面74は、光学キャビティ内に配置された種々のカラーLEDチップによって出射され
る光を混合するために、光を散乱するよう採用された所定の光学仕上げ剤を有するよう作
製されることができる。残りの発光ダイパッケージ10の上にレンズ70を配置するため
に、レンズ70は棚状の突起(ledge)73を含んでもよい。
%は超えて)大部分を占めている。その結果、従来技術の設計においては封止剤によって
充填されたであろう開口42の空間体積が低減される。開口42の空間体積の低減によっ
て、体積を充填するのに用いられる封止剤の量が減る。封止剤が減ると、上述の封止剤の
体積膨張および収縮に伴う、差動熱応力の問題を軽減する。その結果、本発明のパッケー
ジ10は故障率が低くなり、相対的に高い信頼性を有する。
ンズ70が、温度サイクル中に封止剤の上に着座し、浮遊するように、レンズ70が封止
剤に接着される。あるいは、レンズ70は、その棚状の突起73で、成形体40と固定さ
れる。数百ミクロンの小さな隙間、すなわち膨張空間が、レンズ70の底とリードフレー
ム22の上面側24との間に存在する。この隙間によって、封止剤が温度サイクル中にこ
の隙間を通って呼吸(breathe)する(膨張および収縮する)ことができて、たとえあっ
たとしても、高い熱応力はダイパッケージ10の他の部分に影響をほとんど与えない。こ
れによって、剥離、亀裂および熱応力に関するその他の原因による故障が低減される。
反射光と非反射光の両方)が光学面76を通って複合光学レンズ70を出る。レンズ70
は、LED組立体50からの大部分の光がレンズ70を貫通することが可能なことが通常
明らかな、光学プラスチック、ガラスまたは両方でできている。
本発明の特定の実施形態が上記で記載、図示されているが、本発明はそのように記載およ
び図示された部品の特定の形態または配置に限定されるべきではない。例えば、異なった
構成、サイズまたは材料が本発明を実施するのに用いられてもよい。本発明は以下の請求
項によって限定される。
Claims (15)
- 複数のリードを含むリードフレームであって、前記リードフレームは上面側と底面側と
を有し、前記リードフレームの一部が取り付けパッドを画定している、リードフレームと
、
前記取り付けパッドの上に搭載された少なくとも1つの発光デバイスと、
前記リードフレームの一部と一体化された成形体であって、前記成形体は前記リードフ
レームの前記上面側で開口を画定し、前記開口は前記取り付けパッドを取り囲み、前記成
形体は、前記リードフレームの前記底面側でラッチを含む、成形体と、
前記成形体に結合されたレンズと、
を備えた発光ダイパッケージ。 - 前記成形体は成形プラスチックから構成されている、請求項1に記載の発光ダイパッケ
ージ。 - 誘電性の接着膜を介して前記リードフレームに結合されるヒートシンクをさらに備え、
前記ヒートシンクは前記ラッチによって前記リードフレームにラッチされる、請求項1
に記載の発光ダイパッケージ。 - 前記レンズは複合光学レンズである、請求項1に記載の発光ダイパッケージ。
- 発光ダイパッケージを製造する方法であって、
前記方法は、
リードフレームストリップを作製することであって、前記リードフレームストリップ
は、複数のリードを含み、各リードと前記リードフレームストリップとは上面側と底面側
とを有し、第1リードの一部が取り付けパッドを画定することと、
前記リードフレームストリップの一部と一体化した本体を成形することであって、前
記成形体は前記リードフレームストリップの前記上面側で開口を画定し、前記開口は前記
取り付けパッドを取り囲み、前記成形体は前記リードフレームストリップの前記底面側で
ラッチを含むことと、
前記取り付けパッド上に少なくとも1つの発光デバイスを取り付けることと、
を含む、方法。 - 前記リードフレームストリップは、薄い金属から構成されている、請求項5に記載の方
法。 - 前記リードフレームストリップは、金属シートから型押しされる、請求項5に記載の方
法。 - 前記成形体は高温プラスチックから構成されている、請求項5に記載の方法。
- ヒートシンクを前記ラッチと係合させることによって前記リードフレームダイに前記ヒ
ートシンクを結合することをさらに含む、請求項5に記載の方法。 - 前記発光デバイスを封止剤で封止することをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 前記開口の上方にレンズを結合させて、光学キャビティを画定することをさらに含む、
請求項5に記載の方法。 - 前記レンズは、反射面と前記取り付けパッドの上方に配置された凹状底面とを含む複合
光学レンズである、請求項11に記載の方法。 - 前記レンズは、前記光に影響を及ぼすように適合された光学材料で被膜された底面を有す
る、請求項11に記載の方法。 - 封止剤のない膨張空間を残しつつ、前記封止剤で前記光学キャビティを実質的に充填し
、それによって、前記封止剤が膨張および収縮することを可能にすることをさらに含む、
請求項11に記載の方法。 - 前記発光ダイパッケージに前記リードの外側部分を残しつつ、前記リードフレームのク
ロスバー部分を除去することと、
前記リードの前記外側部分を曲げることと、
をさらに含む、請求項5に記載の方法。
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