JP4777641B2 - 半導体発光デバイスをパッケージする方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光デバイスをパッケージする方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光デバイスは、現在利用可能な最も効率的な光源の１つである。可視スペクトル全般にわたり動作可能な高輝度ＬＥＤの製造において現在のところ関心のある材料系には、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウムと窒素との２元、３元及び４元合金、及びＩＩＩ族リン化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウムとリンとの２元、３元及び４元合金であるＩＩＩ−Ｖ族半導体が含まれる。多くの場合、ＩＩＩ族窒化物デバイスは、サファイア、炭化ケイ素、或いはＩＩＩ族窒化物基板上にエピタキシャル成長し、ＩＩＩ族リン化物デバイスは、有機金属蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）或いは他のエピタキシー技法を用いてヒ化ガリウム上にエピタキシャル成長させる。デバイスは、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれたアクティブ発光領域を含む。電気コンタクトがｎ型領域及びｐ型領域上に設けられる。

図１は、米国特許第６，２０４，５２３号及び第６，２７４，９２４号に更に詳細に説明されているＬＥＤのパッケージが示されている。ＬＥＤダイ２は、その上にＬＥＤダイ２が置かれるベッド配置３を一般に含むパッケージ内に封入される。ベッド配置３は、ＬＥＤダイ２を支持する。ベッド配置３は、ダイ実装区域６を有する下方ハウジング部材４を含む。ダイ実装区域６は、実質的に平坦とすることができ、或いはレセプタクルとして構成することができる。反射表面８は、ダイ実装区域６上に設けることができ、放出された光を外部へ導く。基板部材１０はダイ実装区域６内部に位置付けることができ、ダイ２自体を支持する。ベッド配置３はまた、リード支持部材１２を含むことができ、該部材１２は下方ハウジング部材４を覆って配置される。パッケージを回路及びシステムに組込むためにパッケージの外側に設けられた太いリード１４が、リード支持部材１２を介してＬＥＤダイ２に直接結合する細いリード（図示せず）に結合される。リード支持部材１２は、ダイ２によって放出された光が通過する開口１６を含む。光透過性カバー１８がベッド配置３を覆って位置付けられ、ＬＥＤダイ２及びリードを覆って保護する。

カバー１８は、光透過特性及びＬＥＤが動作する環境条件にわたる安定性において選択される１つ又はそれ以上の材料で作られる。従来、光透過カバー１８は、ＰＭＭＡ、ガラス、ポリカーボネート、光学ナイロン、トランスファ成形エポキシ、環状オレフィン・コポリマー、硬質シリコーン、他の光学プラスチック類、ガラス類、セラミックス、或いは酸化アルミニウムなどの他の透明材料といった硬質の光学材料で作製されている。図１の設計は、カバー１８とＬＥＤダイ２との間にキャビティを必然的に形成する。キャビティは一般に空気を含む。この空気が充填されたキャビティは、例えば、ダイ２とキャビティ内の空気の間の界面におけるような光学経路の屈折率界面での１つ又はそれ以上の屈折率の急激な変化を生成する。これらの屈折率段差は、光を捕捉、偏向或いは屈折、及び散乱させる傾向があり、ＬＥＤチップ内部で生成された光がパッケージから取り出される割合を低下させる。

米国特許第６，２０４，５２３号公報 米国特許第６，２７４，９２４号公報

本発明よれば、半導体発光デバイスは、該デバイスを封入する密封コンパートメントを形成することによってパッケージされ、該密封コンパートメントの少なくとも１つの壁はエラストマー材料で形成される。次いで、該エラストマー材料にニードルを突き刺し、ある量の軟質材料を該ニードルを通じて密封コンパートメント内に注入する。幾つかの実施形態においては、同軸ニードル又は２本のニードルが使用され、１つのニードルが軟質材料を注入し、１つのニードルがコンパートメントから空気を排出する。
エラストマー・カバーの使用及び該カバーによって形成されたコンパートメントにニードルを突き刺すことにより充填することは、パッケージの耐久性の向上、コンパートメントを形成する構成要素の間のより良好な密封、コンパートメントを形成する個別部品の製造が簡単であること、及びコンパートメントを形成する部品の組立が簡単であることを含む幾つかの利点を提供することができる。

図１のパッケージからの光の取り出しは、光学経路内部のキャビティをダイ２及び／又はカバー１８と屈折率が整合する材料で連続的に充填することにより改善することができる。該屈折率整合材料は、半導体の電気的動作又は光学経路を通る効率的な光透過を損なう可能性のある環境的侵食から半導体及び光キャビティの重要な表面を遮断し保護する。

図１のデバイスは、硬質の外殻を有し、従って大量生産においてキャビティに充填するためにはデバイスの光キャビティに充填チャネル及び排出チャネルを設ける必要があり、これらのチャネルはその後、所定位置に注入された封止材料を硬化させること、機械的プラグを挿入すること、適合性のある接着性シーラントを塗布すること、或いは超音波溶接又は加熱溶接などの処理によってパッケージ材料を再形成することなどといった、何らかの追加の製造工程により密封して材料を保持し且つ保護する必要がある。このような充填及び密封処置は、別個の充填チャネルが必要とされない設計と比較すると、部品の堅牢性を損ない、パッケージ内の個々の部品の製造を複雑化し、個々の構成要素の正確な回転制御が必要となることによりパッケージ組立が複雑化し、この方式で確実に密封されたキャビティを形成することが困難であることに起因して歩留まりが低下し、別の方法で必要とされるよりもより複雑な機械設備を導入することにより組立スループットが低下し、及びコスト高の射出部品洗浄後工程の必要性を排除するために厳密な充填制御が要求される可能性がある。

本発明の実施形態によれば、図１の半導体発光デバイス・パッケージのカバー１８は、硬質の材料ではなく、軟質のエラストマー材料の部分を含む。幾つかの実施形態においては、カバー全体が軟質でエラストマー性である。例えば、エラストマー・カバーは、約ショアＡ２０と約ショアＡ８０との間の高ジュロメータの材料とすることができる。ショアＡ２０よりも軟らかい材料はレンズを形成するのに十分に硬質ではない可能性があり、一方、ショアＡ８０よりも硬い材料は、以下で説明するようにニードルが貫通するのに十分に軟質ではない可能性がある。適切なエラストマー・カバーの実施例は、高ジュロメータ・シリコンゴム又は同様の材料である。幾つかの実施形態においては、硬質レンズは軟質のエラストマー部分を含む。このような実施形態においては、エラストマー部分はショアＡ２０よりも軟質とすることができる。カバー材料は、発光デバイスによって放出される波長の光が例えば黄変などの劣化が無く耐久性があり許容性があるように選択することができる。

カバー１８とフレーム１２との間のキャビティは、軟質材料（一般的にはシリコーン）が充填される。軟質材料は、ゲルのような固体又は液体とすることができる。幾つかの実施形態においては、軟質材料は光学的に透明であり非散乱性である。幾つかの実施形態においては、軟質材料は、光学性染料、蛍光体、又は他の波長変換材料などの溶解材料又は懸濁材料、或いは、該軟質材料のバルクとは異なる屈折率を有するナノ−粒子又はポリマーなどの材料の懸濁液を含むことができる。

カバー材料とキャビティ内の軟質材料の屈折率は、デバイスと軟質材料との間の界面及び軟質材料とカバーとの間の界面におけるブラッグ反射損失及び導波作用を最小化するように選択することができる。例えば、キャビティ内の軟質材料は、カバー及びデバイスの屈折率に等しいか又はこれらの間の屈折率を有することができる。カバーは、キャビティ内の軟質材料の屈折率及びカバーの外側の物質（通常は空気である）の屈折率に等しいか又はこれらの間の屈折率を有することができる。例えば、発光デバイスが、サファイア基板上に成長したＩＩＩ族窒化物フリップチップ・デバイスである場合には、光は、屈折率が約１．８であるサファイア基板を通ってデバイスから取り出される。パッケージされたデバイスが屈折率が約１の空気に囲まれて動作すると仮定すると、キャビティ内の軟質材料の屈折率は約１．８とカバーの屈折率との間の範囲とすることができ、カバーの屈折率は、この実施例では約１．８であるデバイスの取り出し表面の屈折率よりも通常は小さい。カバーの屈折率は、軟質材料の屈折率と約１との間の範囲とすることができる。

キャビティは、図２−図４に示されるように、ニードルをエラストマー・カバーに突き刺し、次いでニードルを通じて軟質のキャビティ充填材料を注入することによって充填することができる。図２において、発光デバイス２が光学マウント１０上に取り付けられ、次いで、リードフレーム１２に接続されてリード１６に電気的に接続される。図３において、エラストマー部分を含むカバー１８はリードフレーム１２を覆って密封され、空気で充填された密封キャビティが形成される。カバー１８は、例えば接着剤によってリードフレーム１２に取り付けることができる。図４において、２つのニードル２２及び２４が、カバー１８のエラストマー部分を突き刺し、１つのニードルはキャビティ充填材料を注入するためのものであり、１つのニードルはキャビティ内の空気を排出させるためのものである。幾つかの実施形態においては、２つのニードルではなく１つの同軸ニードルが使用される。幾つかの実施形態においては、カバー１８はリードフレーム上に真空状態に密封することができ、その結果、カバー１８とリードフレーム１２との間には何も充填されず、排出用のニードルが必要で無くなる。同様に、材料を注入するために鋸歯状ニードルを用いて該鋸歯状部により注入の間に空気を逃がす経路を形成することにより、或いは、貫通後に注入ニードルを側方に偏位させてニードルの穴を伸長し、該伸長した穴の低圧側に空気を逃がすための経路を形成するのに十分であるようにすることによって第２の排出用のニードルを省くことができる。

キャビティ内に注入される材料は、軟質材料自体とすることができ、或いは後で反応して軟質材料を形成する前駆体とすることができる。例えば、未反応又は部分的に反応した液体シリコーンをキャビティ内に注入し、次いで、熱、紫外光、又は触媒に曝露して架橋反応を開始させることができる。前駆体を反応させるために必要であれば、触媒を前駆体の後に注入するか、或いはカバー１８の内側に被覆することができる。キャビティが適切に密封されている場合には、キャビティ内の軟質材料は液体とすることができる。

キャビティ充填材料が注入された後、ニードルは除去される。エラストマー・カバー１８は、ニードルが除去されるとすぐにニードル２２及び２４によって形成された各刺し穴を再密封する。幾つかの実施形態においては、注入材料又は別の誘発剤は、ニードルの貫通時にカバーが部分硬化エラストマーである実施形態においては刺し穴の壁を共に架橋すること、又はキャビティ内に注入されてニードルの除去によって密封表面上に引き出される前駆体材料を架橋すること、或いは硬い外側エラストマー外殻材料と軟質の注入材料との相互作用などにより刺し穴を密封する。

エラストマー・カバーを有するデバイス内へのキャビティ充填材料のニードル注入は、上述のように硬質カバー・デバイスにおけるキャビティ充填及び密封に伴う問題の一部を軽減することができる。カバー１８内にポートが必要とされないので、カバー１８を対称にすることができ、カバー１８内のポートをリードフレーム１２上の特定の位置に整列させる必要が無くなり、カバー１８の製造の複雑さが低減され、カバー１８とリードフレーム１２との間の全ての点で密封を形成することが可能となる。カバー１８とリードフレームとの間の全ての点で密封を形成できることは、リードフレーム１２に対してカバー１８を密封するためにより大きなスペースが利用可能となり、これはより良好な密封につながるので、結果としてより堅牢なパッケージが得られる。加えて、カバー１８又はリードフレーム１２のポートが無くなることにより、これらの部品のパッケージの耐久性を高めることができる。更に、幾つかの実施形態においては、カバー、リードフレームにカバーを取り付ける接着剤、及び軟質充填材料を全てシリコーンとすることができ、カバー、接着剤、及び軟質充填材料の間の化学的適合性が得られる。

本発明を詳細に説明したが、本発明の開示から、本明細書に説明された本発明の精神から逸脱することなく本発明に対して修正を行うことができることを当業者であれば理解するであろう。従って、本発明の範囲は図示され且つ説明された特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。

半導体発光デバイスの従来技術のパッケージを示す。 本発明の実施形態による半導体発光デバイスをパッケージする方法を示す。 本発明の実施形態による半導体発光デバイスをパッケージする方法を示す。 本発明の実施形態による半導体発光デバイスをパッケージする方法を示す。

符号の説明

２ ダイ
１０ 基板部材
１２ リードフレーム
１４ 太いリード
１８ 光透過カバー
２２、２４ ニードル

Claims (17)

1. 半導体発光デバイスをパッケージする方法であって、
   半導体発光デバイスを封入して、壁の１つの少なくとも一部がエラストマー材料を含む第１の材料から形成されている密封コンパートメントを形成する段階と、
   前記エラストマー材料にニードルを突き刺す段階と、
   前記ニードルを通じて前記コンパートメント内に第２の材料のある分量を注入する段階と、
   を含む方法。
2. 前記第１の材料の硬度が少なくともショアＡ２０の材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の材料の硬度が約ショアＡ２０と約ショアＡ８０の間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の材料がシリコーンを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記第２の材料がゲルであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記第２の材料がシリコーンを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記第２の材料が液体であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記第２の材料を反応させてエラストマーを形成する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
9. 前記第２の材料を反応させる段階が、前記第２の材料を光に曝露する段階、前記第２の材料を熱に曝露する段階、又は前記第２の材料を触媒に曝露する段階を含む請求項８に記載の方法。
10. 前記コンパートメントから空気を排出する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
11. 前記ニードルが第１のチャンバと第２のチャンバとを有する同軸ニードルを備え、前記方法が更に、
    前記第１のチャンバを通じて第２の材料を注入する段階と、
    前記第２のチャンバを通じて前記コンパートメントから空気を排出する段階と、を含む請求項１に記載の方法。
12. 前記ニードルが第１のニードルであり、前記方法が更に、
    前記エラストマー材料に第２のニードルを突き刺す段階と、
    前記第１のニードルを通じて第２の材料を注入する段階と、
    前記第２のニードルを通じて前記コンパートメントから空気を排出する段階と、を含む請求項１に記載の方法。
13. 前記ニードルが前記エラストマー材料から除去されたときに、前記ニードルによって残された穴を前記エラストマー材料が密封するように前記エラストマー材料を選択する段階を更に含み、前記エラストマー材料はシリコンゴムである、請求項１に記載の方法。
14. 密封コンパートメントを形成する段階が更に、
    リードフレーム上に半導体発光デバイスを取り付ける段階と、
    前記リードフレーム上のリードに前記半導体発光デバイスを電気的に接続する段階と、 前記リードフレームを覆って前記エラストマー材料で形成されたレンズを密封する段階と、
    含む請求項１に記載の方法。
15. 前記第２の材料が前記密封コンパートメントを完全に充填することを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. 前記半導体発光デバイスが光が取り出される表面を含み、
    前記第２の材料の屈折率が前記表面の屈折率以下であり、
    前記第１の材料の屈折率が前記第２の材料の屈折率以下である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
17. 前記第１の材料の屈折率が空気の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

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