JP2013077729A - Ｌｅｄパッケージ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤパッケージが長期の使用によって劣化を起こし、封止樹脂が収縮した場合においても、封止樹脂と白色絶縁性樹脂の間で剥離が起こりにくくし、劣化が進みにくく、機械的強度，光学的性能の維持に優れたＬＥＤパッケージおよび、その製造方法を提供する。
【解決手段】少なくともＬＥＤチップを搭載するための一つ乃至複数箇所のパッド部と、前記ＬＥＤチップと電気的接続を行なうための電気的接続エリアを有する金属薄板からなるリードフレーム部材に、前記パッド部および電気的接続エリアを囲むキャビティ構造を有する樹脂成型部を一体化してなる構成のＬＥＤパッケージにおいて、前記キャビティ構造の開口部を取り囲む位置に溝部を有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＬＥＤチップ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を搭載するＬＥＤ発光素子用リードフレームを備えたＬＥＤパッケージ及びその製造方法に関する。

一般的に、半導体集積回路やＬＥＤ発光素子等の電子素子を搭載するためのリードフレームは、板状の鉄−ニッケル等の合金薄板、或いは銅−ニッケル−錫等の合金薄板からなるリードフレーム用金属材料を、その片面又は両面から塩化第二鉄等のエッチャントを用いてエッチング加工して製造される。このように製造されたリードフレームは、半導体集積回路やＬＥＤ素子を搭載するためのパッド部（アイランド部）と、該パッド部とは絶縁状態とされて電子素子と電気的に接続が行われるリード部（アイランド部）とを備えた構成とされる。

リードフレームのパッド部の表面側には、電子素子を載置するための搭載部（搭載面）が設けられている。そして、その裏面側には、ＬＥＤ発光素子等の電子素子本体から発生する駆動熱や電子素子周囲の環境条件による熱を放散させるための放熱部（放熱面）が設けられている。この放熱部により、電子素子側に熱が蓄積されないように放熱されるようになっている。

上述のように設計されたリードフレーム等を用いて、ＬＥＤパッケージは作製されている。このＬＥＤパッケージは、発光ダイオードを光源として用いた発光装置のことであり、ヒートシンク、リードフレーム、ケースが一体となっている構造が最も一般的である。図３は、従来のＬＥＤパッケージ（ＬＥＤチップ搭載前）を上側から見た概要説明図である。
金属薄板からなるリードフレーム部材に対して、インサートモールド成型などの手法により、ＬＥＤ発光素子搭載箇所を囲む凹部（キャビティ）を有する樹脂成型部（ケース；一般に白色の樹脂が用いられる）を一体化する製造方法が採用される。
ヒートシンクは熱の拡散を、リードフレームは電気的導通を、ケースは絶縁及び放熱効果をそれぞれ要求されている。これらで形成された基板にＬＥＤチップを搭載し、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂といった封止樹脂で樹脂モールドし、パッケージ化されたものをＬＥＤパッケージという。
以下、本明細書においては、「ＬＥＤ発光素子」「ＬＥＤ素子」「ＬＥＤチップ」など全てを同義語として混在して用いることもある。また、リードフレームと樹脂成型部（ケース）から構成される「ＬＥＤパッケージ」「ＬＥＤ基板」「リードフレーム基板」を同義語として混在して用いることもある。

近年、このＬＥＤパッケージは、照明を始め、種々の電子部品に広く利用されている。そのため、ＬＥＤチップから放出される光を効率よく取り出すことが求められており、発光素子から直接放たれた光だけでなく、リフレクタを設けることで反射させ、外部に光をより多く放出されるような輝度の高いパッケージが求められている。

また、ＬＥＤチップからの発光を照明などの用途のために、擬似的に白色光に変換する場合、そのひとつの方法として、青色発光のＬＥＤチップからの光を蛍光体に照射することによって、黄色の蛍光を発生させ、補色関係にあるそれらの光の混色によって、擬似的な白色光を発生させるという手法が採用されている。ＬＥＤチップからの光と、そこから取り出す蛍光の組み合わせについては、多様に存在するが、いずれの場合も、蛍光体は、ＬＥＤチップを覆う封止樹脂の中に分散されて入っている。

封止樹脂の役割としては、蛍光体の担持ということのほかに、ＬＥＤチップや電気的接続用のボンディングワイヤー、電子素子の搭載部、電極部の表面、キャビティ内壁を形成する樹脂を、外部からの衝撃，水分，夾雑物などから保護することがある。
そして、封止樹脂は、ＬＥＤパッケージのキャビティの部分に流し込まれ、そこで硬化して封止樹脂層をなす。つまり、キャビティ部は、その内壁によってＬＥＤからの発光やその光を変換した蛍光を反射する役割と、その容器的構造を利用しての、封止樹脂の担持という役割を担っている。
ＬＥＤパッケージが有する各種課題の解消を目的とする提案のうち、特許文献１には、ベース基板とリフレクタ材料（ケース）が異なる材料で作製されたＬＥＤパッケージの反りを低減するための改善が記載されている。

特開２０００−１０５０７（特許第４１９８２３３号）

ところで、ＬＥＤパッケージにおいては、点灯時の熱，光，外部からの水分，酸素などによって、時間が経つにしたがって、その各部分、金属リード部，樹脂成型部（ケース），封止樹脂成型部，ボンディングワイヤ，ＬＥＤ素子などは、変色，脆化，寸法変化などを起こし劣化してゆく。
特に、封止樹脂層の劣化においては、収縮およびそれに伴う、キャビティ内壁からの剥離がしばしば見られる。封止樹脂とキャビティ内壁の剥離が起こると、その隙間から水分，酸素などが浸入しやすくなり、さらに劣化が進む。またＬＥＤパッケージの構造全体としても脆化が進み、光学的な観点で見ると、リフレクタの役割を担うキャビティ内壁と封止樹脂の界面において、新たに空気層が加わることとなり、当初の光学設計から外れた構造となり、十分な光学特性を得ることができなくなる。（図６参照）

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤパッケージが長期の使用によって劣化を起こし、封止樹脂が収縮した場合においても、封止樹脂と白色絶縁性樹脂の間で剥離が起こりにくくし、劣化が進みにくく、機械的強度、光学的性能の維持に優れたＬＥＤパッケージおよび、その製造方法を提供することを目的とする。

本発明では、
少なくともＬＥＤチップを搭載するための一つ乃至複数箇所のパッド部と、前記ＬＥＤチップと電気的接続を行なうための電気的接続エリアを有する金属薄板からなるリードフレーム部材に、
前記パッド部および電気的接続エリアを囲むキャビティ構造を有する樹脂成型部を一体化してなる構成のＬＥＤパッケージにおいて、
前記キャビティ構造の開口部を取り囲む位置に溝部を有することを特徴とする。

前記溝部の深さとしては、その最も浅い部分において、キャビティ部の深さの２分の１以上であることが好適である。

本発明のＬＥＤパッケージによると、ＬＥＤ素子を実装し、電気的導通をとった後に、樹脂で封止する際に、キャビティ内に充填された封止樹脂が、キャビティ構造の開口部近傍を取り囲む位置に形成した溝部に流れ込む構造であるため、硬化後の封止樹脂は樹脂成型部（ケース）との接合が確実となり、封止樹脂が収縮した場合でも、キャビティ内壁から剥離せず、ＬＥＤチップの封止状態が安定に維持される。

また、前記溝部は、連続的な構造であっても、断続的な構造であっても良いが、その深さを、最も浅い部分において、キャビティ部の深さの２分の１以上となるように深く形成することにより、封止樹脂と樹脂成型部（ケース）との接合が一層確実となり、ＬＥＤパッケージ全体としての構造も、より強固なものとすることが出来る。

本発明によるＬＥＤパッケージの上面図。 本発明によるＬＥＤパッケージの裏面図。 従来技術によるＬＥＤパッケージの上面図 本発明によるＬＥＤパッケージの側断面図。 従来技術によるＬＥＤパッケージの側断面図。 従来技術によるＬＥＤパッケージにおいて基板破損が生じた場合の側断面図。 トランスファーモールド工法による樹脂成型の説明図。 本発明における、タイバーにて連結した多面付け状態のＬＥＤパッケージ用リードフレームの説明図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係わるＬＥＤ用基板にＬＥＤ素子を実装した実施形態（請求項１）を示す上面図、図２は、その裏面図である。
また、図４は、図1のＰ-Ｐ線における側断面図を、図５は図３のＰ−Ｐ線における側断面図を各々示す。

従来技術に係る図５で、１０はキャビティ９内に封止樹脂１１を流入した後に硬化させることによって形成された封止樹脂層を示している。
外部や、ＬＥＤ素子からの熱，光エネルギーなどの影響によって、封止樹脂層が収縮した場合、封止樹脂と白色樹脂の界面での剥離、白色樹脂の破壊、封止樹脂の破壊、またそれらの組み合わせによって、ＬＥＤ用基板の破損が起こる。破損は、剥離，クラックなどの形で現れる。破損した様子を図６に示す。

これに対し、本実施形態に係る図４においては、キャビティ構造を取り囲むように、溝部８が成型してある。キャビティ９内に封止樹脂１１を流入させる際に、キャビティ９から溢れるようにし、さらに流れ出た封止樹脂１１が溝部８に到達し、溝部８内に流れ込み、かつ溝部８からは溢れないように流量を調節することによって、図４のような、樹脂成型部（ケース）と封止樹脂１０の位置関係が実現する。
溝部８の形状としては、特に制限はなく、キャビティ部を取り囲むようになっていれば良いが、封止樹脂１１をキャビティ部から溢れさせて溝部８に到達される過程を考えると、溝部８とキャビティ部の間隔は、一定かそれに近いほうが望ましい。溝部の深さについても、封止樹脂を流入させることを考えると、場所によって違いがないほうが望ましい。
同図では、溝部８は、樹脂成型部（ケース）のキャビティ部近傍の上面（外周）に形成されているが、断面がテーパ状のキャビティ壁面の上側に形成されても、同様の作用効果を奏することが出来る。また、図示はしないが、溝部８は外周に渡って連続的に形成されても、断続的に形成されても良い。何れの場合でも、封止樹脂１０の樹脂成型部（ケース）への接合（フック）強度が十分に保たれる構造が求められる。

このような構造のＬＥＤ用基板において、封止樹脂の収縮が起こった場合においては、溝部に形成された封止樹脂と、それとキャビティ内の封止樹脂をつなぐ封止樹脂のために、樹脂成型部（ケース）は封止樹脂に取り囲まれた構造になっており、そのため両者の構造的な結合は強固なものとなっており、封止樹脂の収縮に際しても、キャビティ内壁部での剥離を生じることがない。

本実施形態におけるＬＥＤ基板用リードフレーム部材は、金属合金製の板状の基材をフォトエッチングすることにより形成され、図１，図４に占めるように、ＬＥＤチップ１２を搭載するための、一つ乃至複数箇所に形成された厚さｔ１のパッド部を備える。該パッド部は、厚さｔ２の上部構造と、そのパッド部４の裏面側に、上部構造と一体である、厚さｔ３の放熱部５である下部構造とを備えている。なお、図１，図４中、Ｗはボンディングワイヤーの一例を示し、パッド部４の搭載用表面のＬＥＤチップ１２と、電極部６のワイヤーボンディングエリアとの間を結線している。

電極部の電気的接続エリアは、パッド部の搭載用表面上に実装されるＬＥＤチップに対して、ワイヤーボンディングやチップボンディングによって接続される。なお、電気的接続エリアへのメッキは、銀メッキ，金メッキ，パラジウムメッキなどの中から、用途に合わせて事由に選んで良い。また、電気的接続エリアに銀メッキ，金めっき，パラジウムメッキなどを施すのに先立ち、熱拡散性に優れたニッケルメッキ等の下地メッキを行ってもかまわない。

次に、本発明のＬＥＤ発光素子用リードフレームの製造方法を説明する。
まず、鉄―ニッケル等の合金または、銅―ニッケル―錫等の金属合金製の板状のリードフレーム用金属材料の表面に、フォトレジストを塗布して、フォトレジスト層を形成する。次いで、パッド部にあたる搭載用表面、および電極部にあたる電気的接続エリアにレジストパターンを形成するために、所定のパターンを有するパターン露光用フォトマスクを介してフォトレジスト層にパターンを露光し、次いで、フォトレジスト層に現像、必要に応じて硬膜処理を行う。これにより、パッド部の搭載用表面および電極部の電気的接続エリアとなる部分を残してフォトレジストが現像除去され、パッド部の搭載用表面を形成する部位および電極部の電気的接続エリアを形成する部位にレジストパターンが形成される。

同様に、該金属材料の裏面にもフォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成後、パターン露光、現像という一連の処理を行なう。パターン露光にあたっては、パッド部に対応する放熱用裏面および電極部に対応する放熱用裏面を形成するためのパターンを露光する。これにより、パッド部の放熱用裏面となるための部分、および電極部の放熱用裏面となるための部分を残して、フォトレジストが現像除去され、パッド部の放熱用裏面の形成部位および電極部の放熱用裏面の形成部位にレジストパターンが形成される。

次に該金属材料の裏面に、耐腐食用の樹脂フィルムを貼着し、該金属材料の表面側から表面のフォトレジスト非形成部を所定の深度（例えば、図３，図４における厚さｔ２）まで塩化第二鉄等のエッチャントを用いてエッチング加工処理（ハーフエッチング処理）した後、洗浄などを行ない、その表面に耐腐食要の樹脂フィルムを貼着する。

次に、該金属材料の裏面の耐腐食用の樹脂フィルムを剥がし、該金属材料の裏面側から裏面のフォトレジスト非形成部を所定の深度（例えば、図５，６における厚さｔ３）まで、塩化第二鉄等のエッチャントを用いてエッチング加工処理を行なう。これにより、表面，裏面に各々対応する、レジストパターンが形成されていない金属部位に貫通部が形成される。

次いで、得られたリードフレームに、以下に記す一連の樹脂モールド加工を行う。
すなわち、リードフレームを収める所定の内部形状とした凹部４３を予め有している金型の凹部内に、リードフレームを装填する。なお、金型としては、図７に示すように、蓋となる板状の上金型４０と、溶融した白色絶縁樹脂１５（樹脂成型部：ケースとなる）を注入する注入口４２と連通するリードフレーム(多面付けリードフレーム)を装填可能な凹部４３を内部空間として形成した下金型４１との２枚構成とし、下金型４１と凹部４３にリードフレーム（多面付けリードフレーム）を装填後に、上金型４０で下金型４１に蓋をして型締めする構造が一般的である。

次いで、注入口４２から、凹部４３内に過熱溶融した白色絶縁樹脂１５を注入して、装填されたリードフレーム１（多面付けリードフレーム）に白色絶縁樹脂１５が充填されて成型されたＬＥＤ発光素子用リードフレームが得られる。成型後、冷却して上金型を外し、リードフレームを下金型から取り外す。これにより、搭載用表面と放熱用裏面のそれぞれの面、及び電気的接続エリアと放熱用裏面のそれぞれの面とが各々白色絶縁樹脂１５から外面に露呈し、かつ、パッド部と電極部との間に白色絶縁樹脂が充填され、かつ搭載用表面と電気的接続エリアの両方を含む面を底面とする擂鉢状のキャビティ構造をもったＬＥＤ発光素子用リードフレームが形成される。

図示していないが、上金型／下金型の何れか一方には、樹脂成型体であるリフレクタ部（白色絶縁樹脂１５）が持つキャビティ（すり鉢状凹部）に相当する凸部が設けられる必要がある。
さらに、本発明では、キャビティ（すり鉢状凹部）の開口部近傍に「溝部」を形成することが必須であり、上金型には、意図するキャビティおよび溝部の逆型状であるコア（凸部）を設けておく。
溝部の断面形状に制約はないが、入り口方向に向かって広がるテーパー形状がついていたほうが、樹脂充填後に金型から剥離する上で有利である。

なお、図１および図８中に示す吊りリード１６は、エッチング加工処理後に、パッド部４および電極部６が金属材料から脱落するのを防止するために、必要な期間、パッド部及び電極部を金属材料に連結保持しておくために形成しているもので、吊りリード部１６を切断して、本発明のリードフレームが得られる。なお、側断面図においては、吊りリード部の図示は省略されている。吊りリード部と金属材料との連結部を切断して、本発明のリードフレームが得られる。吊りリード部の切断時期は、ＬＥＤチップの搭載後、または、樹脂モールド後が挙げられるが、適宜設定して良い。また、上述した説明では、エッチング加工は、表裏の面に各々１回ずつ行なっているが、表裏から同時に行う1回のエッチングで金属材料にエッチング加工を行なってもよい。

以上の工程にて得られた、本実施形態に係るＬＥＤパッケージ１を説明する。
図１，図４に示すように、ＬＥＤチップを搭載した一つ乃至複数のパッド部４と前記ＬＥＤチップとの電気的接続を行なう電気的接続エリア６を有するリード部とを同一面内に備えたリードフレームを備えている。

前記リードフレームは、パッド部のＬＥＤチップ搭載用表面より該搭載用表面と対向する放熱用裏面に亘って、及び電極部の電気的接続エリアと対向する放熱用裏面に亘って、その厚さ方向に、充填樹脂によりモールド加工が施されている。また搭載用表面と放熱用裏面の両方を含む面を底面とする擂鉢状のキャビティ部が、リードフレーム表面側に形成されている。

前記パッド部４の搭載用表面より上面側、及び電極部の電気的接続エリアより上面側には、ＬＥＤチップ及び電気的接続エリアを含めて、封止樹脂１１がキャビティ９内に充填されている。
さらに封止樹脂１１はキャビティ９内から外に出て、樹脂成型部（ケースとなる白色樹脂）の上を覆いつつ、溝部８へと到達し、溝部８中途あるいは上限まで充填されている。

モールド加工によって樹脂成型部（白色絶縁樹脂層）を形成する際に、同時にキャビティ９を取り囲む溝部８を形成するにあたり、その深さを樹脂成型部（白色絶縁樹脂層）のリードフレーム表面からの高さ（厚さ）の２分の１以上に設定することが好適である。
その理由は、キャビティ部９，溝部８，および両者の間に封止樹脂１０が充填されて、近傍の樹脂成型部（白色絶縁樹脂層）を取り囲み、強固な構造を形成するにあたり、溝部８内の封止樹脂１０が一定以上の深さまで樹脂成型部（白色絶縁樹脂層）の中に入り込むことにより、より強固な構造体を形成することが可能となるためである。

図１，図４に示される単位リードフレームの複数単位を多面付けして、フォトエッチングにて製造された図８に示されるようなリードフレームは、上述したように、ＬＥＤパッケージ製造用の金型内に装填し、樹脂成型部（白色絶縁樹脂層）となる充填樹脂１５を、金型内の凹部（内部空間）に注入，充填して形成する。
以上により、搭載用表面と放熱用裏面のそれぞれの側にて、電気的接続エリアと放熱用裏面の各表面（金属部）が露出した構造のＬＥＤパッケージが形成される。

その後、多面付けされたＬＥＤパッケージに切断を行い、切り離された単位フレームが得られる。なお、ＬＥＤパッケージの切断時期は、樹脂モールド後に限るものではなく、ＬＥＤチップの搭載後、透明封止樹脂の形成後など、適宜設定して構わない。

１ ＬＥＤパッケージ
２， ３ リードフレーム
４ パッド部
５ パッド部の放熱用裏面
６ 電極部
７ 電極部の放熱用裏面
８ 溝部
９ キャビティ
１０ 封止樹脂層
１１ 封止樹脂
１２ ＬＥＤチップ
１３ パッド部下の段差部またはテーパー部
１４ 電極部下の段差部またはテーパー部
１５ 樹脂成型部となる白色絶縁樹脂
１６ 吊りリード
１７ タイバー
１８ 破損部（封止樹脂とキャビティ内壁の剥離箇所）
４０ 金型上型
４１ 金型下型
４２ 樹脂注入口
４３ 金型凹部
Ｗ ボンディングワイヤー
ｔ１ パッド部、電極部全体の厚さ
ｔ２ パッド部、電極部の上部の厚さ
ｔ３ パッド部、電極部の下部の厚さ

Claims (3)

1. 少なくともＬＥＤチップを搭載するための一つ乃至複数箇所のパッド部と、前記ＬＥＤチップと電気的接続を行なうための電気的接続エリアを有する金属薄板からなるリードフレーム部材に、
   前記パッド部および電気的接続エリアを囲むキャビティ構造を有する樹脂成型部を一体化してなる構成のＬＥＤパッケージにおいて、
   前記キャビティ構造の開口部を取り囲む位置に、連続的あるいは断続的な溝部を有することを特徴とするＬＥＤパッケージ。
2. 溝部の形成箇所は、キャビティ構造の開口部近傍の壁面であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤパッケージ。
3. 前記溝部の深さとしては、その最も浅い部分において、キャビティ部の深さの２分の１以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤパッケージ。