JP2015507371A - チップスケールのｌｅｄパッケージを形成する成型レンズ及び該成型レンズを製造する方法 - Google Patents

Abstract

同時に、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップをカプセル化し、該ＬＥＤチップの上にレンズを形成し、前記チップのためのチップスケールパッケージを形成する、ウェハスケール処理が記載される。一時的な支持構造１４の接着面に、ＬＥＤチップ１６Ａ、Ｂのアレイが固定される。該支持構造は次いで、金型３２に当てられる。次いで、透明なシリコーンのような単一の成型材料４０が、各ＬＥＤチップの上面及び側面をカプセル化し、各ＬＥＤチップの上面の上にレンズ４４を形成する。該成型材料は該ＬＥＤチップの底部の電極２６、２８の底面を被覆せず、それにより、該電極が、ＰＣＢのような基板６０のパッド５６、５８に直接に装着されることを可能とする。次いで、該一時的な支持構造が該成型処理の後に除去され、該成型材料が単体化されてパッケージを分離する。

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の処理、特にチップスケールのＬＥＤパッケージを形成するための方法に関する。

一般的なフリップチップＬＥＤは、該ＬＥＤの底面にそれぞれｐ及びｎ接点を持ち、これら接点は、ＬＥＤチップよりもかなり大きな堅固なサブマウントにおける接着パッドに直接に接続される。該ＬＥＤにより生成された光は、主にＬＥＤ表面の上面を通して発せられる。このようにして、光を遮断する上部接点はなく、ワイヤボンドは必要とされない。

製造の間、サブマウントウェハは、ＬＥＤチップのアレイを配置される。ＬＥＤチップの底面に形成される電極は、サブマウントウェハの上面におけるパッドに接合され、これらパッドが、印刷回路基板に対する接合のためのサブマウントウェハの底面上のより堅固なパッドに導く。サブマウントウェハ上のＬＥＤチップは次いでさらに、ウェハ上のバッチとして処理される。斯かるウェハスケール処理は任意に、ＬＥＤチップの上面から成長基板を除去し、ＬＥＤチップ上に蛍光体を堆積させ、ＬＥＤチップをカプセル化し、各ＬＥＤ上にレンズを形成し得る。最終的に、サブマウントウェハは、例えば別箇のパッケージ化されたＬＥＤを形成するように切断することにより単体化される。

ウェハスケール処理は効率的である。しかしながら、薄く脆弱なＬＥＤチップを力学的に支持するサブマウントウェハ又はその他の支持層は、コストを増大させる。更に、セラミック又は金属のような、一般的な支持層のための単体化工程は、破損、金属のばり及びその他の問題を回避するためには、かなり複雑となる。

上述の欠点が回避されたＬＥＤパッケージ化のための手法が必要とされる。

同時にＬＥＤチップをカプセル化し、ＬＥＤチップ上にレンズを形成し、ＬＥＤチップのためのチップスケールパッケージを形成する、ウェハスケール処理が記載される。チップスケールパッケージは一般的に、チップ自体よりも面積が僅かに大きいのみである。

実施例においてフリップチップＬＥＤを用いた本発明が記載されるが、上部ワイヤボンド電極を持つＬＥＤのような、いずれのタイプのＬＥＤも本発明を利用し得る。

最初に、本発明の一実施例においては、サファイア成長基板に半導体ＬＥＤのアレイが形成される。斯かるＬＥＤは一般的である。これらＬＥＤは次いで単体化され、ＬＥＤチップを形成する。サブマウントウェハ上にＬＥＤチップを装着する先行技術の方法とは異なり、これらＬＥＤチップは、接着面を持つ支持構造に一時的に貼着される。該支持構造は、いずれのサイズのものであっても良く、これらＬＥＤチップは、行列又は交互配列のような、いずれの配列で配置されても良い。

任意にレーザリフトオフ処理又はその他の手段を用いることによりサファイア基板を除去し、光抽出を増大させるために露出したｎ型層を薄くし及び粗化し、ＬＥＤチップ上に蛍光体を堆積させるといった、従来のウェハスケール処理が次いでＬＥＤチップに実行されても良い。他の実施例においては、サファイア基板は残され、増大させられた光抽出のため（ＴＩＲを減少させるため）パターン化される。斯かる処理は一般的なものであり、付加的なウェハスケール処理が実行されても良い。

次いで、支持構造が、ＬＥＤチップに対して望ましいカプセル化及びレンズ特性を持つシリコーン又はその他の適切な材料を含む金型と接触させられる。該金型は、シリコーンが各ＬＥＤチップ上にレンズを形成しつつ、各ＬＥＤチップの周りの堅固な構造をも形成するように形成される。ＬＥＤチップの底面は支持構造に貼着されるため、ＬＥＤチップの底部電極はシリコーンにより被覆はされない。

次いでシリコーンが硬化され、支持構造が該金型から除去される。該支持構造は次いで、硬化されたシリコーンから除去される。その結果の構造が、次いで単体化される。該単体化は、該シリコーンを切断することにより容易に実現される。単一の成型ステップが各ＬＥＤチップをカプセル化し、ＬＥＤチップ上にレンズを形成し、単一の一体的な成型材料を用いて各ＬＥＤチップについてのチップスケールパッケージを形成する。その結果のパッケージ化されたＬＥＤチップは、印刷回路基板又はその他の基板のパッドに対してのような、いずれの適切な構造に（例えば超音波で又ははんだで）接着された底部電極を持っても良い。

同一又は同等である要素は、同一の番号を付される。

一般的に種々のＬＥＤの領域を示すＬＥＤウェハの簡略化された上から見た図である。 単体化されたＬＥＤチップのアレイが装着された一時的な支持基板の簡略化された上から見た図である。 支持構造に装着された２つのＬＥＤチップを示す、図２の線３−３に沿った断面図である。 ＬＥＤチップがカプセル化のためシリコーンに浸され、同時にシリコーンがＬＥＤチップのためのレンズ及びチップスケールパッケージを形成する、シリコーンを含む金型に対する支持構造を示す。 金型からの除去の後の、また硬化されたシリコーンから支持構造が除去された後の、カプセル化されたＬＥＤチップを示す。 金型からの除去の後のＬＥＤチップの構成のタイプの１つを示す。 ＬＥＤチップのパッキング密度を増大させるための、金型からの除去の後のＬＥＤチップの構成の交互配列されたタイプを示す。 レンズがどのように非対称とされ得るかを示す。 印刷回路基板のような基板のパッドに装着された底部電極を持つ単体化されたＬＥＤを示す。 底部反射層を備えた図５の構造を示す。

図１は、数千のＬＥＤ領域１２を含む従来のＬＥＤウェハ１０を上から見た図である。ＬＥＤ領域１２は、単体化の後のＬＥＤチップを表す。用いられる例においては、ＬＥＤは、青色光を生成するための、ＡｌＩｎＧａＮ又はＩｎＧａＮのＬＥＤのような、ＧａＮベースのＬＥＤである。一般に、従来の手法を用いて、サファイア成長基板上に、比較的厚いｎ型ＧａＮ層が成長させられる。該比較的厚いｎ型ＧａＮ層は一般に、低温核形成層及び１つ以上の付加的な層を含み、ｎ型クラッド層及び活性層のための低欠損格子構造を提供する。次いで、該厚いｎ型層の上に１つ以上のクラッド層が形成され、活性層、１つ以上のｐ型クラッド層、及びｐ型接触層（金属化のため）により後続される。

フリップチップについては、ｐ層及び活性層の一部が、金属化のためｎ層を露出するようにエッチングされる。このようにして、ｐ接点とｎ接点とが、チップの同じ側となる。ｎ金属接点からの電流は、最初にｎ層を横方向に流れる。ＬＥＤ底部電極は、典型的には反射性金属から形成される。

本発明において使用されることができる他のタイプのＬＥＤは、赤色乃至黄色範囲における光を生成することができる、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤを含む。非フリップチップＬＥＤが使用されても良い。

サファイア成長基板は、化学的機械的研磨、エッチング、レーザリフトオフ又はその他の処理のような、従来の処理を用いて、ウェハ１０から除去されても良い。露出させられた半導体層は次いで、光抽出を増大させるため、粗化されても良い。他の実施例においては、該成長基板は残され、光抽出を増大させるためにパターン化される。ＬＥＤの発光面の上に蛍光体が堆積させられても良い。

ＬＥＤは、ウェハ１０にある間に、性能を試験され、カテゴライズされる（ビニングされる）。

次いで、従来の処理を用いて、ウェハ１０が単体化され、個々のＬＥＤを分離する。

次いで、従来のピックアンドプレース（pick and place）機械が、図２に示されるように、一時的な支持構造に個々のＬＥＤチップを配置する。図２は、ＬＥＤチップ１６が配置された支持構造１４の、上から見た図である。

支持構造１４は、いずれのサイズ及び形状のものであっても良い。一実施例においては、支持構造１４は粘着性の表面又はその他のタイプの接着面を持ち、ＬＥＤチップの電極が該接着面に向く。支持構造１４は、薄く伸縮可能な粘着性の膜であっても良い。該接着面は、熱、紫外線、溶解物、又はその他の手法の適用により非接着性となる、剥離可能な層であっても良い。支持構造１４におけるＬＥＤチップ１６のピッチは、各ＬＥＤチップ１６の上にレンズが形成されることを可能とするのに十分なものである。

図３は、図２の線３−３に沿ったＬＥＤチップ１６及び支持構造１４の簡略化された断面図である。ＬＥＤチップの例１６Ａ及び１６Ｂ（ＬＥＤ１６と示される）は一般的に、エピタキシャル成長された半導体Ｎ型層１８、半導体活性層２０、及び半導体Ｐ型層２４を有する。フリップチップについては、Ｐ型層２４及び活性層２０の一部が、Ｎ型層１８を露出させるためにエッチングされ、Ｎ電極２６が堆積させられＮ型層１８に接触する。Ｐ電極２８は、Ｐ型層２４に接触する。他の実施例においては、ＬＥＤ電極２６／２８は、より均一な電流拡散のため、ＬＥＤチップの底面におけるドットとして分散させられる。図３においては、成長基板がＮ型層１８から除去されたものとして示されているが、代わりに配置されていても良い。

一実施例においては、ＬＥＤはＡｌＩｎＧａＮであり、青色乃至アンバー色の光を発する。

青色光を例えば白色光に変換するため、少なくともＮ型層１８の表面の上に、蛍光体層が存在していても良い。

次いで成型工程が、図４に示されるように実行される。金型３２は、各ＬＥＤチップ１６の上のレンズの望ましい形状に対応する窪みを持つ。金型３２は、好適には金属で形成される。金型３２は、薄い剥離層を用いても良いし、又は必要であれば、硬化した成型材料が表面に粘着することを防止するため、非粘着性の表面を持っても良い。金型３２はまた、支持構造１４の周縁部に対する封止として機能し、且つＬＥＤチップ１６の側面の周りの成型材料を成型してカプセル化するためのスペーサとしても機能する、側壁３６を持つ。金型３２は、単体化の間、レンズに対する損傷の可能性を低減させる、切断構造３７を含んでも良い。

図４において、金型の窪み３４及び側壁３６間の領域は、熱硬化性液体レンズ材料４０で満たされている。レンズ材料４０は、シリコーン、エポキシ、又はシリコーン／エポキシ混成物のような、いずれの適切な光学的に透明な材料であっても良い。整合した熱膨張係数（ＣＴＥ）を達成するための混成物が使用されても良い。シリコーン及びエポキシは、レンズとして機能すると同時に、ＡｌＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤからの光抽出を大きく改善するのに、十分に高い屈折率（１．４よりも大きい）を持つ。或るタイプのシリコーンは、１．７６の屈折率を持つ。

各ＬＥＤチップ１６が液体レンズ材料４０に挿入され、レンズ材料４０が圧力を受けるように、支持構造１４の周縁部と金型の側壁３６との間に真空封止が形成される。

次いで金型３２は、摂氏約１５０度（又はその他の適切な温度）にまで一時加熱され、レンズ材料４０を硬化させる。このとき、ＬＥＤチップ１６は、硬化されたレンズ材料４０により共に力学的に結合され、単一のユニットとして取り扱われることができる。

次いで、支持構造１４が金型３２から分離され、カプセル化されたＬＥＤチップ１６を金型３２から除去する。カプセル化されたＬＥＤチップ１６は次いで、例えば硬化されたレンズ材料４０を支持構造１４から引き離すことにより、又は接着層をレンズ材料４０から離すことにより、支持構造１４から取り外される。支持構造１４は、再利用されても良い。

他の実施例においては、レンズ材料４０は、青色光を白色光を含む他の色に変換するための、蛍光体又はその他の波長材料を注入される。拡散粒子がレンズ材料４０に注入されても良い。

発光を成形するため、レンズ材料４０の上に１つ以上の更なるシリコーンレンズが成型されても良い。

図５は、各ＬＥＤチップ１６上に成型されたレンズ４４を持つ、結果の構造を示す。一実施例においては、成型されたレンズ４４は、１ｍｍと５ｍｍとの間の直径である。レンズ４４は、いずれのサイズ又は形状のものであっても良い。ＬＥＤチップ１６は、レンズ材料４０によりカプセル化され、レンズ材料４０は、カプセル化材料及びレンズと一体化した各チップ１６についてのチップスケールパッケージを形成する。ＬＥＤ電極２６／２８は、パッケージの底部を通して露出され、それにより、基板又は印刷回路基板のパッドに接着（例えば超音波で又ははんだで）され得る。図５に示された２つのチップ１６についてのチップスケールパッケージは、破線４６に沿ってセグメント化される。これらパッケージは、切断ではなく割ることによりセグメント化され得る。割ることは、セグメント化線に沿って、下向きのナイフの刃を単に当てることである。このことは、非常に制御された切断をもたらし、不要な粉に帰着しない。

一実施例においては、レンズ４４は半球体である。他の実施例においては、レンズ４４は、側面発光レンズ、フレネルレンズ等のような、いずれの形状のものであっても良い。

レンズ４４は、ＬＥＤチップ１６の上面と略同じ高さに示されているが、パッケージ同士を接続するレンズ材料４０の厚さは、硬化させられたシリコーンの場合において容易な分離を可能とするいずれの厚さであっても良い。

従って、パッケージ、カプセル化材及びレンズは、シリコーンのような１つのタイプの材料を用いて、単一の成型ステップにより形成される。リードフレーム、ヒートシンク又はプラスチック筐体のような、パッケージのための付加的な支持構造は必要とされず、パッケージのコストを大きく削減する。任意に、発光を成形するため、レンズ４４の上に、１つ以上の付加的なシリコーンのレンズが成型されても良く、又は接着材を用いて装着されても良い。

図６及び７は、セグメント化に先立つ、ＬＥＤチップ１６の種々のとり得る配置を示す。支持構造１４におけるＬＥＤチップの配置は、最大のパッキング密度を提供し得る。図６は、図２に類似する行列配置を示す。該配置は、単体化線が直線であるため、単体化の容易化をもたらす。図７は交互配列を示し、半球レンズ４４のまわりにあまり空間がないため、増大したパッキング密度をもたらす。単体化は、複雑な切断を必要とする。

図８は、望ましい発光パターンを実現するために、成型されたレンズ５０が、非対称であっても良く、又は他のいずれの形状をとっても良いことを示す。

図９は、基板６０又は印刷回路基板の金属パッド５６／５８に装着されたＬＥＤチップ電極２６／２８を持つ、単体化されたパッケージ５４を示す。パッド５６／５８は最終的には、電源からの伝導電流に電気的に結合される。一実施例においては、パッケージ５４全体の幅及び長さの寸法は、チップ１６自体のそれぞれの寸法の３倍よりも小さい。典型的なチップ１６のサイズは約１×１ｍｍ以下であり、パッケージ５４全体のサイズは３×３ｍｍよりも小さくなる。他の実施例においては、パッケージ５４は、ＬＥＤチップ１６のサイズの２倍よりも小さい。

ＬＥＤパッケージ５４を基板（例えばＦＲ４、ＭＣＰＣＢ、セラミック等）にはんだ付けする場合、チップ１６の周りの領域の反射性（透明なシリコーンのカプセル化材を通した）は、装着／はんだ付けされる該基板に依存する。反射性を改善するため、以下の任意の処理ステップが実行されても良く、底部反射層６４を持つ図１０の構造に帰着し得る。チップ１６を図３における支持構造１４（伸長可能な接着性の膜であっても良い）に置いた後、反射性ＴｉＯ２粒子を注入されたシリコーン（又はゾルゲル）が、チップ１６の上を除く、基板１４の表面上に供給され、硬化させられる。スクリーンがマスクを含む、単純なスクリーン印刷工程が利用されても良い。チップ１６の側面への接触が望ましい。図４の成型ステップの後、シリコーン／ＴｉＯ２反射層６４（図１０）がシリコーンレンズ４４の底部に接着され、レンズ４４と共に基板１４から剥離されることができる。反射層６４はこのときパッケージ５４の一部となり、顧客の基板反射性とは独立して、パッケージ（チップ１６全体）の反射性を効果的に増大させる。

代替としては、成型ではなく、ＬＥＤチップのアレイ上にレンズを形成する方法は、支持構造１４上の各チップ１６の上にシリコーンの小滴を供給することによる。チップ上のチキソトロピックシリコーン材料を用い、低粘着性の（例えばテフロン（登録商標））基板１４の表面を備えることにより、シリコーンの表面張力が自然に、該供給の後にドーム型形状を形成する。次いでシリコーンが硬化され、レンズを硬化させる。

本発明の特定の実施例が示され説明されたが、より広い態様における本発明から逸脱することなく、変形及び変更がなされ得ることは当業者には明らかであり、それ故、添付される請求項は、本発明の真の精神及び範囲内である限り、斯かる変形及び変更の全てを範囲内に包含する。

Claims (20)

1. 発光ダイオードチップであって、複数のエピタキシャル成長させられた層、及び前記発光ダイオードチップの底面における少なくとも１つの金属電極を有し、光を発するための上面と、側面と、を持つ発光ダイオードチップと、
   前記発光ダイオードチップの少なくとも前記上面及び前記側面をカプセル化し、前記発光ダイオードチップの上面の上にレンズを形成する、一体的な成型材料を有する、前記発光ダイオードのためのパッケージであって、前記成型材料は、前記発光ダイオードの底面における前記少なくとも１つの金属電極を被覆しない、パッケージと、
   を有する、パッケージ化された発光ダイオードチップ。
2. 前記金属材料は、単に前記チップの上に形成されたレンズである、請求項１に記載のパッケージ化されたチップ。
3. 前記パッケージ及び発光ダイオードチップは、幅及び長さの寸法を持ち、前記パッケージの幅及び長さの寸法は、それぞれ前記発光ダイオードチップの幅及び長さの寸法の３倍よりも小さい、請求項１に記載のパッケージ化されたチップ。
4. 前記パッケージの底面に反射性の層を更に有する、請求項１に記載のパッケージ化されたチップ。
5. 前記レンズは第１のレンズを形成し、前記パッケージ化されたチップは更に、前記第１のレンズの上に少なくとも１つの第２のレンズを有する、請求項１に記載のパッケージ化されたチップ。
6. 前記発光ダイオードチップの底面における前記少なくとも１つの金属電極は、サブマウントに接着されていない、請求項１に記載のパッケージ化されたチップ。
7. 前記発光ダイオードチップの底面における前記少なくとも１つの金属電極は、少なくとも２つの金属電極を有し、前記発光ダイオードチップは、フリップチップである、請求項１に記載のパッケージ化されたチップ。
8. 前記レンズは略半球である、請求項１に記載のパッケージ化されたチップ。
9. 前記パッケージ化されたチップは、前記少なくとも１つの金属電極が、支持構造の金属のパッドに接着されるよう構成されるように、リードフレームを含まない、請求項１に記載のパッケージ化されたチップ。
10. 前記成型材料は、前記パッケージ化されたチップを単体化するための、低減された厚さの部分を形成する、割るための構造を含む、請求項１に記載のパッケージ化されたチップ。
11. 複数の発光ダイオードチップを形成するステップであって、各前記発光ダイオードチップが、複数のエピタキシャル成長させられた層、及び各前記発光ダイオードチップの底面における少なくとも１つの金属電極を有し、前記発光ダイオードチップの各々が、光を発するための上面と、側面と、を持つステップと、
    一時的な支持構造に前記複数の発光ダイオードチップを装着するステップと、
    前記発光ダイオードチップの少なくとも前記上面及び前記側面をカプセル化し、前記発光ダイオードチップの各々の上面の上にレンズを形成する、一体的な材料を成形するステップであって、前記成型材料は、前記発光ダイオードの各々の底面における前記少なくとも１つの金属電極を被覆しないステップと、
    前記一体的な材料を硬化させて、前記発光ダイオードチップを互いに力学的に接続するステップと、
    前記支持構造から前記発光ダイオードチップ及び前記一体的な材料を除去するステップと、
    前記一体的な材料を単体化し、前記発光ダイオードチップを単体化して、個々のパッケージ化された発光ダイオードチップを生成するステップと、
    を有する、パッケージ化された発光ダイオードチップを製造する方法。
12. 前記一体的な材料に蛍光体が注入される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記一時的な支持構造に前記複数の発光ダイオードチップを装着するステップの後に、前記一時的な支持構造上に反射性の層を形成するステップを更に有し、前記一体的な材料は、前記支持構造から前記発光ダイオードチップ及び前記一体的な材料を除去するステップの間、前記反射性の層に接着され、前記反射性の層を持つ前記パッケージ化された発光ダイオードチップに帰着する、請求項１１に記載の方法。
14. 前記発光ダイオードチップの各々の底面における前記少なくとも１つの金属電極は、サブマウントに接着されない、請求項１１に記載の方法。
15. 前記パッケージ化されたチップは、前記少なくとも１つの金属電極が、支持構造の金属のパッドに接着されるよう構成されるように、リードフレームを含まない、請求項１１に記載の方法。
16. 前記金属材料は、単に前記チップの上に形成されたレンズを形成する、請求項１１に記載の方法。
17. 前記レンズは第１のレンズであり、前記方法は更に、前記第１のレンズの上に少なくとも１つの第２のレンズを成型するステップを有する、請求項１１に記載の方法。
18. 前記レンズは略半球である、請求項１１に記載の方法。
19. 前記発光ダイオードチップはフリップチップである、請求項１１に記載の方法。
20. 各前記パッケージ化された発光ダイオードチップは、幅及び長さの寸法を持ち、前記パッケージの幅及び長さの寸法は、それぞれ前記発光ダイオードチップの幅及び長さの寸法の３倍よりも小さい、請求項１１に記載の方法。

Images