JP4885908B2 - 放熱の向上を伴う側面発光ｌｅｄパッケージ - Google Patents

Description

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、白熱電球及び蛍光灯などの従来の光源に取って代わる魅力的な候補である。ＬＥＤは、白熱電球よりもかなり高いエネルギ変換効率を有し、場合によっては、蛍光灯よりも高いエネルギ変換効率を有する。また、ＬＥＤの変換効率は経時的に着実に向上し、そのため、ＬＥＤは、近い将来、かなりのエネルギを節約する。

また、ＬＥＤは、蛍光灯又は白熱電球の寿命よりも十分に長い寿命を有する。この利点は、電球又は蛍光灯を交換するコストが高い用途では特に重要である。自動車のテールライト及び信号機灯は、ＬＥＤの本態様をうまく利用するためにＬＥＤベースの照明システムへと既に変換されている。

最後に、ＬＥＤは、「点光源」であり、そのため、光が視準され、あるいは合焦されなければならない照明用途においては蛍光灯よりも適している。１つのそのような類の用途は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又はスイッチパネルなどの二次元装置を照明するために使用される平面光パイプの照明を含む。光パイプは一般に１つ以上のエッジを有するプラスチックの薄いシートであり、前記エッジを通じて光が光源から投入される。携帯電話又はＰＤＡなどの携帯端末において、光パイプの厚さは、しばしば、数ミリメートルを下回る。そのため、そのような用途では、小型サイズのＬＥＤが特に重要である。

ＬＥＤを代替候補として魅力的にする高い光変換効率は、ＬＥＤが高温に晒されないようにＬＥＤによって発生される熱が効率的に除去される環境を与えることに依存している。この説明の目的で、光源の光変換効率は、光源によって消費される電気の１ワット当たりに生成される光の量であると規定される。現在利用できるＬＥＤの光変換効率は、温度の増大に伴って急速に減少する。光変換効率の減少に加えて、熱は、ＬＥＤの寿命も短くするとともに、時期尚早な装置全体の故障をもたらし得る。ＬＥＤの光変換効率は白熱光源に比べて大きいが、ＬＥＤに対して印加される電力の大部分は依然として熱へ変換される。

また、ＬＥＤは経時的に劣化する。劣化の結果、ＬＥＤを流れる所与の電流において生成される光の量が減少する。特定の色を有するとして知覚される照明を生成するために異なる波長帯域で光を発するＬＥＤを使用する光源において、劣化作用は、知覚される色において経時的に色ずれを引き起こす。多くの用途において、色ずれは、光源の強度の減少よりも好ましくない。ＬＥＤが劣化する速度はＬＥＤの作動温度によって決まり、より高い作動温度は、より急速な劣化をもたらす。

従って、ＬＥＤダイにおけるパッケージ配置は、ダイから熱を除去するための効率的な経路を与えなければならない。リードフレームパッケージはコストの観点から魅力的である。しかしながら、十分な放熱を行なうリードフレームパッケージは、高電力ダイにおいては利用できない。これらのパッケージは、一般に、ＬＥＤから放熱面の外側へ熱を移動させることに依存している。これは、ＬＥＤパッケージの表面積が非常に小さいことから、ＬＥＤを取り囲む空気へと熱を放散することができないからである。一般に、熱は、ＬＥＤが実装されるプリント回路基板のコアへと伝えられる。典型的なＬＥＤリードフレームパッケージでは、ＬＥＤがリードのうちの１つの内側部分上に実装され、また、熱がそのリード上にわたってプリント回路基板のコアへと移動される。残念ながら、リード熱経路は非常に高い熱抵抗を有する傾向にあり、そのため、ダイは、熱をリードを通じて押し進めるためにかなり高い温度で作動しなければならない。

本発明は、光源と光源を製造するための方法とを含む。光源は、リードフレームと、集積回路チップと、本体とを含む。リードフレームは第１及び第２の領域を有する。第１の領域は、側部と、チップ実装エリアと、第１の延在部とを含む。集積回路チップは、チップ実装エリアで第１の領域に対して接着されるとともに、チップ実装エリアと熱接触する。本体は、上面と、下面と、側面とを有する。第１の延在部は、チップ実装エリアから側面への熱経路を与えるように曲げられ、側面と接触しない第１の延在部の表面は第１の平面接着面を形成する。熱経路は、側部を経由する熱経路よりも低い熱抵抗を有する。集積回路チップは、第１及び第２の接点を介して給電される発光素子を含む。第１の接点は、チップ実装エリアに対して接着されないチップの表面上にあり、第２の領域に対して電気的に接続される。本発明の１つの態様では、第２の領域が第２の延在部を含み、第２の延在部は第２の平面接着面を形成するように曲げられる。第１及び第２の平面接着面はほぼ同一平面上にある。本発明の他の態様では、本体層が開口を含み、この開口を通じてチップ実装エリア及び第２の領域の一部にアクセスできる。開口は、開口を通過できない方向でチップから出る光を向け直して光が開口から出るようにするための反射体を形成する反射壁を含むことができる。

本発明がその利点を与える様式は、従来技術の側面発光パッケージＬＥＤ光源を示す図１〜３を参照して更に容易に理解される。図１は光源２０の斜視図であり、図２は光源２０で使用されるリードフレームの平面図である。図３は、光パイプの照明を行なうように実装された光源２０の断面図である。光源２０は、図２に示されるリードフレームのリード２１上に実装されるＬＥＤ２４を含む。ＬＥＤ２４は、ＬＥＤ２４を給電するために使用される第１及び第２の接点を含む。第１の接点は、ＬＥＤ２４の下面上にあり、リード２１に対して電気的に接続される。第２の接点は、ＬＥＤ２４の上面にあり、ワイヤボンド２９によってリード２７に対して接続される。ＬＥＤ２４は熱伝導性で且つ導電性の接着剤によりリード２１に対して接着され、それにより、ＬＥＤ２４で発生される熱がリード２１に対して伝えられる。

リードフレームは本体２６内に封入され、２２及び２３で示されるリードの一部が本体２６から延びている。本体２６の上部は、横方向でＬＥＤ２４から出る光を円錐状の角度範囲内の方向へと向け直す反射体２５を含み、ＬＥＤ２４の上面からの光が前記円錐状の角度で発せられる。部分２８は、２６で示される本体の一部を形成するために使用される同じ成形作業の一部として設けることができる。あるいは、部分２８は、別個に形成されるとともに、該部分が形成された後に取り付けることができる。

ここで、図３を参照されたい。光源２０は、プリント回路基板３２の表面に対して平行な方向で光が光源２０から出るようにプリント回路基板３２などのプリント回路基板上に実装されるように設計されている。光源２０は、一般に、２２及び２３で示されるリード２１及び２７の一部をプリント回路基板３２の表面上のトレースに対してはんだ付けすることによりプリント回路基板３２上に実装される。この配置は、光源２０からプリント回路基板３２上に同様に実装される光パイプ３１内へと光を注入するのによく適している。

ＬＥＤ２４で発生される熱は、リード２１を通じて領域２２へと伝導される。領域２２がはんだ付けされるプリント回路基板３２上の実装パッドもプリント回路基板３２のコアと熱接触している。そのため、熱は、熱を放散するための十分な面積を有しあるいは熱を放散する構造体に取り付けられるプリント回路基板のコアに対して伝えられる。残念ながら、ＬＥＤ２４から領域２２までの熱経路３３はかなりの熱抵抗を有し、そのため、多くの用途で十分な熱を移動させるためには、ＬＥＤ２４の温度が領域２２の温度を大きく上回らなければならない。

ここで、本発明に係る光源の１つの実施形態を示す図４及び図５を参照されたい。光源４０は、該光源４０がリードフレーム６０の周囲に成形される本体５１を含むという点で前述した光源２０に類似している。本体は、エポキシ又はシリコンなどの多種多様な電気絶縁材料から成形することができる。本体５１は開口５３を含み、この開口５３を通じて、ＬＥＤ４７によって発生される光が光源４０から出る。また、本体５１は、さもなければ本体５１から出ないＬＥＤ４７からの光を正確な円錐状の角度範囲内に向け直す反射体５２も含み、それにより、反射された光は、ＬＥＤ４７の上面から発せられる光を含めて、円錐状の角度範囲内で開口５３から出る。

リードフレーム６０は第１のリード４６を含み、この第１のリード４６上にはＬＥＤを含むダイ４７が実装される。ダイ４７は、ＬＥＤに給電するために使用される第１及び第２の接点を有する。第１の接点はダイ４７の下面上にあり、第２の接点はダイ４７の上面にある。ダイ４７は、導電性及び熱伝導性の両方である接着層４８によりリード４６に対して接着されている。ダイ４７の上面接点は、ワイヤボンド４９によりリード４５に対して接続される。

リード４６は、本体５１の外側に延び且つ光源４０を平面に対して接着するための接着パッドを設けるように曲げられる第１及び第２の領域４１，４２をそれぞれ有する。同様に、リード４５は、本体５１の外側に延び且つ光源４０を平面に対して接着するための接着パッドを設けるように曲げられる領域４３を有する。領域４１，４３は、ダイ４７を給電するための給電接続部を形成する。

領域４２は、ダイ４７から領域４１を経由する経路よりもかなり低い熱抵抗を有する熱伝導経路を与える。領域４２がプリント回路基板上の熱放散パッドに対して接着されると、ダイ４７から熱放散パッドまでの熱伝導経路は領域４２の厚さｔにほぼ等しい。ダイ４７が実装されるリード４６の部分は領域４２の幅Ｗよりもかなり広いため、領域４２を経由する経路の熱抵抗は、主に、リードフレームの厚さによって決定される。従って、領域４１を経由する経路よりもかなり低い熱抵抗を有する熱伝導経路が設けられる。

前述した実施形態において、ｔは０．１〜０．８ｍｍであり、Ｗはダイの幅の１〜２倍すなわち０．４５〜０．９ｍｍとなるように設定される。リードフレームは、銅、銅合金、真鍮、有鉛真鍮、スズ真鍮、及び軟鋼を含む多くの材料から構成され得る。

ここで、図４に示される線６−６に沿う光源４０の断面図である図６を参照されたい。図６において、光源４０は、熱放散構造体に対して接続されるコア７２を含むプリント回路基板７１に対して取り付けられている。リードフレーム領域４２は、はんだ又は熱伝導性エポキシなどの熱伝導接着材料層７３によってコア７２に対して接着される。図面を簡略化するため、熱放散構造体は図示されていない。このように、図に７６で示される矢印によって表わされるＬＥＤ４７からの熱は、リードフレーム領域４２を介してコア７２へと効率的に伝えられる。

リードフレーム領域４２は、光源４０から出る光がプリント回路基板７１の表面と略平行な方向で出るように光源４０がプリント回路基板７１上に実装されるように、光源４０の外面上に位置される。そのため、光源４０は、光パイプ７４などの光パイプの縁部を照明するのに特によく適している。角度範囲は、ＬＥＤ４７がその上に構成されるダイの特性及び反射体５２の形状によって決まる。一般に、反射体５２及びＬＥＤ４７は、プリント回路基板７１の表面と略平行な方向７７を中心とする一束の角度を規定する。この束の範囲内の光線の分布は、反射体５２の特定の形状によって決まるとともに、特定の用途によって必要とされる発光プロファイルを与えるように選択される。

ここで、本発明に係る光源を製造するための方法の１つの実施形態を示す図７〜９を参照されたい。図７Ａ〜７Ｃは、製造における３つの段階での光源９０の平面図である。図８Ａ〜８Ｃは、線８Ａ−８Ａ，８Ｂ−８Ｂ，８Ｃ−８Ｃのそれぞれに沿う断面図である。図９Ａ〜９Ｃは、線９Ａ−９Ａ，９Ｂ−９Ｂ，９Ｃ−９Ｃのそれぞれに沿う断面図である。リードフレームシートから多くの光源が製造されることは言うまでもない。図面及び説明を簡略化するため、光源９０を製造するために使用されるリードフレームシートの一部だけが図示されている。

図７Ａ〜９Ａを参照すると、本プロセスは、リード領域８１及び８２を有するリードフレームから始める。リードフレーム領域８１は、ダイ実装エリア８３と、８４及び８５で示される２つの延在部とを有する。リードフレーム領域８２は、延在部８６とワイヤボンドエリア８９とを有する。ここで、リードフレームの一部の周囲に本体８７が成形された後における光源９０を示す図７Ｂ〜９Ｂを参照されたい。本体８７は、前述した反射体を形成する側面８８を有するキャビティを含む。本体８７が成形された後、ＬＥＤを有するダイ９１がダイ接着エリア８３に対して接着されるとともにワイヤボンド９２によりワイヤボンドエリア８９に対して接続される。延在部８４−８６は依然として本体８７の外側にある。最後に、図７〜９Ｃを参照すると、延在部８４〜８６が本体８５の側面に隣接し且つ本体８７の側壁に隣接しない延在部８４〜８６の表面が同じ平面内にほぼ位置するように延在部が下方に曲げられ、それにより、３つの全ての延在部は、１つの平面に隣接して配置されるときに表面をその平面に対して接着できるように該平面と接触する。１つの実施形態において、反射体は、ダイ９１によって発生される光を透過する材料９４で満たされる。透光材料はエポキシ又はシリコンであってもよい。

再び図５を参照されたい。原理的には、延在部４１及び４２を組み合わせて１つの幅広いリードを形成することができる。しかしながら、延在部４２の幅Ｗを増大させることによって与えられ得る熱伝達の向上には限界がある。延在部４２にわたる熱抵抗がダイ４７とリードフレーム領域４６との間の熱抵抗と比べて小さくなると、Ｗを更に増大させても著しい向上は得られない。しかしながら、幅の増大は、製造中におけるリードの屈曲に関して問題を与える。

前述した実施形態は、一方の給電接点をダイの下面に有し且つ他方の給電接点をダイの上面に有するＬＥＤを利用する。しかしながら、両方の給電接点がダイの上面にある実施形態も構成することができる。ここで、本発明の他の実施形態に係る光源において使用できるリードフレーム１００の斜視図である図１０を参照されたい。リードフレーム１００は、１０１〜１０３で示される３つのリードフレーム領域を有する。領域１０２はダイ実装エリアを含み、このダイ実装エリアでは、接着剤１１３の層によってダイ１１０がリードフレーム領域１０２の表面に対して接着される。領域１０２は、ダイ１１０からの熱を除去するための熱伝達経路を設ける領域１０５を含む。ダイ１１０上の給電接点は、ダイの上面にあるとともに、ワイヤボンド１１１及び１１２によりリードフレーム領域１０１及び１０３のそれぞれに対して接続される。

延在部１０４及び１０６はダイ１１０に対する電気的な接続を行なうため、延在部１０５は電気接続部を形成する必要がない。従って、ダイ１１０とＬＥＤフレーム領域１０２との間の接着は、接着剤の熱抵抗が低い限り、電気的絶縁をなすことができる。この配置は、プリント回路基板のコアに対して放熱している様々な装置のための共通の電気接点として熱放散面が機能できないアセンブリの一部を光源がなす場合に有用である。

本発明の前述した実施形態は、光源における発光素子としてＬＥＤを利用した。しかしながら、他の発光素子に基づく実施形態を構成することができる。この場合、ＶＣＳＥＬから成る光源を有利に使用することができる。

以上の説明及び添付図面から、本発明に対する様々な変更が当業者にとって明らかとなる。従って、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

従来技術の光源２０の斜視図である。 従来技術の光源２０で使用されるリードフレームの平面図である。 光パイプの照明を行なうように実装された従来技術の光源２０の断面図である。 本発明に係る光源の１つの実施形態を示す図である。 本発明に係る光源の１つの実施形態を示す図である。 図４に示される線６−６に沿う光源４０の断面図である。 製造の３つの段階における光源９０の平面図である。 線８Ａ−８Ａ、８Ｂ−８Ｂ及び８Ｃ−８Ｃのそれぞれに沿う光源９０の断面図である。 線９Ａ−９Ａ、９Ｂ−９Ｂ及び９Ｃ−９Ｃのそれぞれに沿う光源９０の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る光源で使用できるリードフレーム１００の斜視図である。

Claims (17)

1. 第１及び第２の領域を有し、それらの間に間隙を有するリードフレームであって、前記第１の領域は、チップ実装エリアと、前記チップ実装エリアに隣接して配置された第１の延在部と、前記第１の延在部から離隔された第２の延在部と、を有し、前記第２の領域は、前記第１の延在部及び前記第２の延在部から離隔された第３の延在部を有し、前記第１の延在部は、平面に沿って配向された第１の平面接着面を提供するように曲げられ、前記第２の延在部は、前記平面に沿って配向された第２の平面接着面を提供するように曲げられ、前記第３の延在部は、前記平面に沿って配向された第３の平面接着面を提供するように曲げられる、リードフレームと、
   前記チップ実装エリアで前記第１の領域に対して接着されるとともに、前記チップ実装エリアと熱接触する集積回路チップであって、前記第１の延在部は、前記第２の延在部よりも前記集積回路チップに対して近接している、集積回路チップと、
   本体であって、少なくとも前記第１の延在部、前記第２の延在部、及び前記第３の延在部が前記本体を貫通して延び、前記第１の延在部は、前記チップ実装エリアから前記第１の延在部を経由して前記第１の平面接着面に通じる熱経路を提供し、該熱経路は、前記第２の延在部を経由する熱経路よりも低い熱抵抗を有する、前記本体と、
   を備え、
   前記集積回路チップは、第１及び第２の接点を介して給電される発光素子を有し、前記第２の接点は、前記チップ実装エリアに対して接着されるチップ面上にあり、前記チップ実装エリアに対して電気的に接続され、前記第１の接点は、前記チップ実装エリアに対して接着されないチップ面上にあり、前記第２の領域に対して電気的に接続される、光源。
2. 前記本体がエポキシ又はシリコンを含む請求項１に記載の光源。
3. 前記リードフレームは、銅、銅合金、真鍮、有鉛真鍮、スズ真鍮又は軟鋼を含む請求項１に記載の光源。
4. 前記第１、第２、及び第３の平面接着面がほぼ同一平面上にある請求項１に記載の光源。
5. 前記本体が開口を含み、この開口を通じて前記チップ実装エリア及び前記第２の領域の一部にアクセスできる請求項１に記載の光源。
6. 前記開口は、前記開口を通過できない方向で前記チップから出る光を向け直して前記光が前記開口から出るようにするための反射体を形成する反射壁を備える請求項５に記載の光源。
7. 前記開口は、前記チップによって発生される光を透過する媒体で満たされている請求項５に記載の光源。
8. 第１、第２、及び第３の接着パッドをその平面上に有する部材を更に備え、前記第１、第２、及び第３の平面接着面が前記第１、第２、及び第３の接着パッドに対して接着され、該平面に対して平行な方向で光が前記チップから出る請求項４に記載の光源。
9. 前記平面に対して垂直な面を備える開口を有する光パイプを更に備え、前記チップは、前記チップから出る光が前記開口に入るように位置されている請求項８に記載の光源。
10. 前記チップがＬＥＤを備える請求項１に記載の光源。
11. 前記チップがＶＣＳＥＬを備える請求項１に記載の光源。
12. ダイ上に発光素子を有する光源を製造する方法において、
    第１及び第２の領域を有し、それらの間に間隙を有するリードフレームであって、前記第１の領域は、ダイ実装エリアと、前記ダイ実装エリアに隣接して配置された第１の延在部と、前記第１の延在部から離隔された第２の延在部と、を有し、前記第２の領域は、前記第１の延在部及び前記第２の延在部から離隔された第３の延在部を有し、前記第１の延在部は、平面に沿って配向された第１の平面接着面を提供するように曲げられ、前記第２の延在部は、前記平面に沿って配向された第２の平面接着面を提供するように曲げられ、前記第３の延在部は、前記平面に沿って配向された第３の平面接着面を提供するように曲げられるリードフレームを設けるステップと、
    前記ダイが前記ダイ実装エリアと熱接触するように前記第１の延在部に隣接して前記ダイ実装エリア内で前記第１の領域に対して前記ダイを接着するステップと、
    少なくとも前記第１の延在部、前記第２の延在部、及び前記第３の延在部が貫通して延びる本体を前記リードフレームの周囲で成形するステップと、
    を含み、
    前記第１の延在部は、前記ダイ実装エリアから前記第１の延在部を経由して前記第１の平面接着面に通じる熱経路を提供し、該熱経路は、前記第２の延在部を経由する熱経路よりも低い熱抵抗を有し、
    前記ダイは、第１及び第２の接点を介して給電される発光素子を有し、前記第２の接点は、前記ダイ実装エリアに対して接着されるダイ面上にあり、前記ダイ実装エリアに対して電気的に接続され、前記第１の接点は、前記ダイ実装エリアに対して接着されないダイ面上にあり、ワイヤボンドによって前記第２の領域に対して電気的に接続される、方法。
13. 前記本体が開口を含み、この開口を通じて前記ダイ実装エリア及び前記第２の領域の一部にアクセスでき、前記本体が形成された後に前記ダイが前記ダイ実装エリアに対して接着される請求項１２に記載の方法。
14. 前記ダイによって発生される光を透過する媒体を前記開口内へ分配するステップを更に含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記媒体がエポキシ又はシリコンを含む請求項１４に記載の方法。
16. 第１、第２、及び第３の接着パッドをその平面上に有する部材を設けるステップと、
    該平面に対して平行な方向で光が前記ダイから出るように前記第１、第２、及び第３の接着パッドを前記第１、第２、及び第３の平面接着面に対して接着するステップと、
    を更に含む請求項１２に記載の方法。
17. 前記平面に対して垂直な面を備える開口を有する光パイプを設けるステップと、
    前記ダイから出る光が前記開口に入るように前記ダイを位置決めするステップと、
    を更に含む請求項１６に記載の方法。

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