JP5114773B2 - 表面実装型発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面実装型発光装置に関し、特に、基板上に配置したＬＥＤチップを樹脂によって封止した表面実装型ＬＥＤに関する。

表面実装型ＬＥＤは、例えば特許文献１に記載されているように、基板の上面から側面を経て裏面に回り込むように一対の回路パターンが形成され、基板の上面にＬＥＤチップが搭載されている。ＬＥＤチップの底面電極は、一対の回路パターンに導電性接着剤等により電気的に接続され、上面電極は、他方の回路パターンとワイヤボンディング等により電気的に接続される。ＬＥＤチップは、ワイヤボンディングや回路パターンの一部と共に、発光波長に対して透明な樹脂により埋め込まれ、封止される。

このような表面実装型ＬＥＤは、他の電子部品等と共に、実装基板上に実装することができる。実装には、はんだリフロー法が一般的に用いられる。はんだリフロー時には、全体が高温に加熱されるため、表面実装型ＬＥＤの封止樹脂の熱膨張係数と、回路パターン１１の熱膨張係数との差によって、回路パターン１１と封止樹脂との界面に熱応力が生じる。この熱応力により、ＬＥＤチップを回路パターンの上方に持ち上げる力が働き、ＬＥＤチップと回路パターンとが剥離し、電気的導通を不良にすることがある。

これを防ぐために、特許文献１に記載の技術では、ＬＥＤチップの下に、回路パターンが形成されていない部分を設け、基板を構成する絶縁物が露出されるようにしている。ＬＥＤチップは回路パターンに搭載されるため、露出した絶縁物とＬＥＤチップの底面との間には回路パターンの高さ分の間隙が生じ、この間隙に封止樹脂が回りこみ、基板と封止樹脂とが密着する。樹脂と絶縁物（基板）との密着力は、樹脂と金属（回路パターン）との密着力よりも強いため、はんだリフロー時の加熱により封止樹脂と回路パターンとの間に熱応力が加わっても、ＬＥＤチップと回路パターンとの剥離を防止することができる。

２００６−１９０８８８号公報

特許文献１に記載の技術は、ＬＥＤチップと基板との密着性を向上させる技術であるが、はんだリフロー時に生じる熱応力は、封止樹脂とＬＥＤチップとの界面においても生じている。このため、封止樹脂がＬＥＤチップとの界面から剥がれる界面剥離を生じる。

封止樹脂とＬＥＤチップとの界面で剥離が生じると、剥離部分に微小な空間が生じ、ＬＥＤチップから発光された輝度低下の原因となる。通常ＬＥＤチップは直方体形状であるため、周囲の樹脂との界面の応力は角の部分に集中し、角の部分から剥離しやすい。一旦剥離が生じると、その部分の接着力が弱まるため、応力が剥離箇所で放出されやすくなり、剥離の面積が広がっていく。

本発明の目的は、ＬＥＤチップ表面での剥離を防止することのできる表面実装型ＬＥＤを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のような表面実装型発光装置が提供される。すなわち、第１の態様の表面実装型発光装置は、基板と、基板上に配置された一対の回路パターンと、発光素子とを有し、一対の回路パターンのうち一方は、発光素子を搭載する素子搭載領域を備え、他方は、発光素子にワイヤにより接続されるワイヤ接続領域を備えている。一対の回路パターンには、素子搭載領域およびワイヤ接続領域よりも厚い、厚膜部が設けられている。これにより、装置を加熱した場合に、厚膜部と封止樹脂との界面において、発光素子と封止樹脂との界面よりも早く界面剥離を生じさせることが可能であり、これにより封止樹脂の応力を放出させ、発光素子と封止樹脂との界面剥離を防止できる。

上述厚膜部の外形は、角部を有することが好ましい。これにより、厚膜部の角部に熱膨張応力が集中するため、封止樹脂の剥離がより生じやすくなり、発光素子と樹脂との界面での剥離を防止できる。

厚膜部は、例えば、素子搭載領域およびワイヤ接続領域のうち、厚い方の膜厚の２倍以上の厚さに設定することが望ましい。また、例えば、厚膜部の厚さを、例えば発光素子の高さ以上の厚さに設定することが望ましい。

また、第２の態様の表面実装型発光装置は、基板と、基板上に配置された一対の回路パターンと、発光素子とを有し、一方の回路パターンは、発光素子を搭載する素子搭載領域を備え、他方の回路パターンは、発光素子にワイヤにより接続されるワイヤ接続領域を備えている。基板上には、発光素子と樹脂との界面よりも先に界面剥離を引き起こすための剥離誘起構造体が配置されている。剥離誘起構造体は、発光素子よりも高さの大きい半導体製物体である。これにより、装置を加熱した場合に、半導体製物体と封止樹脂との界面において、発光素子と封止樹脂との界面よりも早く、界面剥離を生じさせることが可能であり、発光素子と封止樹脂との界面剥離を防止できる。

本発明によれば、はんだリフロー時に発光装置を加熱した場合に、発光素子と封止樹脂との界面で剥離が生じるよりも早いタイミングで、厚膜部と封止樹脂との界面において界面剥離を生じさせることが可能であり、発光素子と封止樹脂との界面剥離を防止できる。これにより、発光素子の輝度低下を防止できる。

本発明の一実施の形態の表面実装型ＬＥＤについて図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
本実施の形態の表面実装型ＬＥＤの構造を図１を用いて説明する。（ただし、図１では、封止樹脂１６内部に配置された物の形状を明確に示すため、樹脂１６内の物の外形を実線で描いている。）図１のように、表面実装型ＬＥＤは、基板１０と、基板１０の上面に配置された一対の回路パターン１１，１２と、ＬＥＤチップ１３とを有している。回路パターン１２は、基板１０の上面にチップ搭載領域２２を備え、ＬＥＤチップ１３は、この領域に搭載されている。回路パターン１１は、基板１０の上面に、ボンディング領域２１と、他の部分よりも厚く形成された厚膜金属層部１５とを備えている。厚膜金属層部１５の詳しい構成および作用については後述する。回路パターン１１、１２はそれぞれ、基板１０の上面のみならず、側面を通って裏面に回り込むように形成され、基板１０の裏面側から給電可能な構成になっている。

ＬＥＤチップ１３は、直方体形状であり、図示していないが下面電極および上面電極を備えている。下面電極は、導電性接着剤により回路パターン１２のチップ搭載領域２２に接着され、これにより電気的に接続されている。上面電極には、ボンディングワイヤ１４の一端がボンディング接続されている。ボンディングワイヤ１４の他端は、回路パターン１１のボンディング領域２２に接続されている。

基板１０の上面は、封止樹脂１６によって封止されている。封止樹脂１６は、ＬＥＤチップ１３、ボンディングワイヤ１４、回路パターン１１のボンディング領域２１、および、回路パターン１２のチップ搭載領域２２を覆っている。封止樹脂１６の材質は、ＬＥＤチップ１３の発光する光に対して透明なものであって、はんだリフロー時の加熱（一例として２５０℃程度）に耐えられるものを用いる。封止樹脂１６としては、具体的には熱硬化樹脂、光硬化性樹脂や低融点ガラスなどを用いることができる。特にエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ基を有するポリジメチルシロキサン誘導体、オキセタン樹脂、アクリル樹脂、シクロオレフィン樹脂等の熱硬化樹脂が好ましい。これら樹脂は、１種または２種以上を混合して用いることができる。

回路パターン１１、１２は、ＬＥＤの回路パターンに一般的に用いられる金属材料によって形成することができ、単層構造であっても多層構造であってもよい。

本実施の形態では、ＬＥＤチップ１３と封止樹脂１６の熱膨張率の差により、はんだリフロー時にＬＥＤチップ１３と封止樹脂１６との界面に剥離が生じるのを防止するため、ＬＥＤチップ１３よりも先に界面剥離を生じる構造として、厚膜金属層部１５を設けている。具体的には、図１のように、回路パターン１１の一部の領域を、他の部分よりも厚く形成することにより厚膜金属層部１５としている。厚膜金属層部１５は、金属材料からなるため、ＬＥＤチップ１３を構成する半導体材料よりも、封止樹脂１６との熱膨張率の差が大きい。よって、加熱により厚膜金属層部１５と封止樹脂１５との界面に生じる歪みは、ＬＥＤチップ１３において生じる歪みよりも大きくなり、図２に示すように、ＬＥＤチップ１３より先に、厚膜金属層部１５において界面剥離部２５を生じさせることができる。（ただし、図２にておいも、封止樹脂１６内部に配置された物の形状を明確に示すため、樹脂１６内の物の外形を実線で描いている。）はんだリフロー時に、厚膜金属層部１５においてＬＥＤチップ１３より先に界面剥離を生じた場合、封止樹脂１６の熱膨張応力は当該界面剥離部２５において放出され、ＬＥＤチップ１３においては剥離が生じないか、生じたとしても光学特性（輝度等）に影響を与えない程度の軽微な剥離に抑制することができる。

厚膜金属層部１５の位置は、封止樹脂１６内のＬＥＤチップ１３から離れた位置、例えば封止樹脂１６の辺縁部に配置することが望ましい。厚膜金属層部１５と封止樹脂１６との界面で界面剥離を生じさせるため、界面剥離部２５の光学的な変化が、ＬＥＤチップ１３から発せられた光に影響を与えないようにするためである。

厚膜金属層部１５の形状は、封止樹脂１６との間に生じる膨張応力を大きくするため、封止樹脂１６の膨張を妨げる高さ（厚さ）があることが望ましく、少なくとも、チップ搭載領域２２の厚さおよびボンディング領域２１のうちの厚い方の厚さよりも厚いことが望ましい。具体的には、後述のように、チップ搭載領域２２の厚さおよびボンディング領域２１のうちの厚い方の厚さの１．６倍以上が望ましく、２．０倍以上であることがさらに望ましい。ＬＥＤチップ１３の高さ以上である場合には特に望ましい。

また、膨張応力を１点に集中させて剥離を生じやすくするために、厚膜金属層部１５の形状は、直方体や立方体のように角部がある形状が好ましい。

厚膜金属層部１５は、単層膜であっても多層膜であってもよく、回路パターン１１の形成に一般に用いられる層構成および成膜方法により形成することができる。例えば、メッキ法により成膜することができる。多層膜構造とする場合、そのうちの１以上の層を厚膜金属層部１５部分のみ厚く形成することにより、回路パターン１１の他の部分と厚膜金属層部１５とを同時に形成することができる。例えば、成膜時に他の部分をレジストで被覆することにより、厚膜金属層部１５に他の部分より厚い膜を形成することができる。

ここで、厚膜金属層部１５の厚さが、チップ搭載領域２２の厚さおよびボンディング領域２１の厚さよりもどれくらい厚ければ、ＬＥＤチップ１３よりも先に界面剥離を生じさせることが可能であるかを調べるために以下の実験を行った。

表面実装型ＬＥＤの構造は、図１の構造とした。回路パターン１１、１２は、最表面をＡｕとするＡｕ／Ｎｉ／Ｃｕの積層金属膜により形成した。封止樹脂１６は、エポキシ樹脂を用いた。チップ搭載領域２２の厚さを５０μｍ、ボンディング領域２１の厚さを５０μｍとした。厚膜金属層部１５の膜厚が、チップ搭載領域２２およびボンディング領域２１の厚さ（５０μｍ）の１．５倍（７５μｍ）、１．６倍（８０μｍ）、２倍（１００μｍ）の３つの試料を用意し、同一の湿度環境にて封止樹脂１６に一定量吸湿させた後に、所定温度（２６０℃）まで加熱し、ＬＥＤチップ１３に剥離が生じるかどうかを観察した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、厚膜金属層部１５を配置し、その膜厚を厚くすることにより、ＬＥＤチップ１３と封止樹脂１６の界面の剥離を防止できることが確認できた。なお、表１において、試料１、２、３ともに、厚膜金属層部１５と封止樹脂１６の界面では、剥離が生じていた。

また、試料１、２、３において、ＬＥＤチップ１３と封止樹脂１６の界面に剥離が生じるまで徐々に温度を上げて、剥離開始温度を調べたところ、試料１（７５μｍ）が最も低く、試料２（８０μｍ）、試料３（１００μｍ）の順に高温であった。これにより、厚膜金属層部１５が厚いほど、剥離開始温度が高くなることが確認できた。

以上のことから、厚膜金属層部１５の厚さが、チップ搭載領域２２およびボンディング領域２１の厚さの１．６倍以上である場合、ＬＥＤチップ１３における界面剥離による輝度低下を防止でき、２倍以上である場合、ＬＥＤチップ１３における界面剥離を防止でき、さらに望ましいことが確認された。

上述のように、本実施の形態によれば、回路パターン１１の一部を厚く形成した厚膜金属層部１５を設けるという簡単な構成によって、はんだリフロー時のＬＥＤチップ１３と封止樹脂１６との界面剥離を防止することができる。これにより、ＬＥＤの輝度低下を防止でき、高性能な表面実装型ＬＥＤを提供することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の表面実装型ＬＥＤは、第１の実施の形態の厚膜金属層部１５に代えて、ＬＥＤチップ１３と封止樹脂１６との界面よりも先に界面剥離を引き起こすための剥離誘起構造体として、半導体製のダミー構造物を搭載する。半導体製のダミー構造物の搭載位置は、厚膜金属層部１５と同様である。ただし、半導体製のダミー構造物は、同じ半導体のＬＥＤチップ１３と熱膨張率が同程度であるため、その高さが、ＬＥＤチップ１３よりも大きいものを用いる。また、半導体製ダミー構造物は、上面積と側面積の和が、ＬＥＤチップ１３よりも大きいことが望ましい。

このように、高さの大きい半導体製ダミー構造物は、封止樹脂１６の膨張をＬＥＤチップ１３よりも妨げる作用が大きいため、同程度の熱膨張率であっても、先に界面剥離を生じる。これにより、ダミー構造物に生じた界面剥離部分において、封止樹脂１６の膨張応力が緩和され、ＬＥＤチップ１３における界面剥離を防止できる。

半導体製のダミー構造物としては、例えば、ＬＥＤチップを用いることができる。

第１の実施の形態の表面実装型ＬＥＤの構成を示す斜視図。 図１の表面実装型ＬＥＤを加熱し、界面剥離２５が生じた状態を示す斜視図。

符号の説明

１０…基板、１１、１２…回路パターン、１３…ＬＥＤチップ、１４…ボンディングワイヤ、１５…厚膜金属層部、１６…封止樹脂、２１…ボンディング領域、２２…ＬＥＤ搭載領域、２５…界面剥離。

Claims (5)

1. 基板と、基板上に配置された一対の回路パターンと、発光素子と、該発光素子を封止する樹脂とを有し、
   前記一対の回路パターンのうち一方は、前記発光素子を搭載する素子搭載領域を備え、他方は、前記発光素子にワイヤにより接続されるワイヤ接続領域を備え、
   前記基板上には、前記発光素子と樹脂との界面よりも先に界面剥離を引き起こすための剥離誘起構造体が配置され、
   該剥離誘起構造体として、前記一対の回路パターンには、前記素子搭載領域および前記ワイヤ接続領域のうち厚い方の膜厚の１．６倍以上の厚さを有し、金属材料から成る厚膜部が設けられていることを特徴とする表面実装型発光装置。
2. 請求項１に記載の表面実装型発光装置において、前記厚膜部の外形は、角部を有する形状であることを特徴とする表面実装型発光装置。
3. 請求項１または２に記載の表面実装型発光装置において、前記厚膜部は、前記素子搭載領域および前記ワイヤ接続領域のうち厚い方の膜厚の２倍以上の厚さを有することを特徴とする表面実装型発光装置。
4. 請求項１または２に記載の表面実装型発光装置において、前記厚膜部は、前記発光素子の高さ以上の厚さを有することを特徴とする表面実装型発光装置。
5. 請求項１に記載の表面実装型発光装置において、前記剥離誘起構造体は、当該剥離誘起構造体と前記樹脂との界面より生じた界面剥離が前記発光素子から発せられた光に影響を与えないようにするために、前記発光素子から離れた位置に配置されていることを特徴とする表面実装型発光装置。

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