JP5687200B2 - マルチチップ発光ダイオードモジュール - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［発明の背景］
［発明の分野］
本発明は、広くは電子デバイス実装に関し、より具体的には、例えば発光ダイオード（ＬＥＤｓ）等の発光デバイス用のマルチチップモジュール（ＭＣＭｓまたはＭＣＭ）に関する。
［関連技術の説明］
輝度及び色忠実度の増したＬＥＤや他の発光デバイスの出現に伴って、マルチチップ照明モジュールは、光束出力をさらに高めるために、利用できるようになってきた。照明用ＭＣＭは、一般的には複数のＬＥＤを有する単一のパッケージを備えるが、他の発光デバイスを用いてもよいことは理解されよう。これらのＭＣＭは、複数の発光デバイスを備えるので、一般的に高出力の発光が可能になる。しかしながら、ＬＥＤ等の発光デバイスに付随する共通の問題は、デバイスチップから発光された光が概して無指向性かつ不均一であるということであり、この共通の問題がＭＣＭの発光効率や光学的効率に悪い影響を与え得る。

この問題に対処するために、米国特許出願公開第２００４／００８０９３９号には、基板上に広くマウントされた複数光源を有する発光デバイスが開示されている。基板上には導電性かつ反射性材料からなるパッドが取り付けられており、反射性材料は、複数光源の発光特性を改善するために使用される。また、複数光源の発光特性をさらに改善することを狙って、光源を覆うようにレンズが設けられる。しかし、これらのデバイスのいくつかに関しては、その全体的な効率が損なわれる可能性がある。その理由は、複数光源から発光された光のいくらかが、例えば基板や、導電性パッドと反射性パッドの間のスペース等といった別のデバイス構造で吸収され得るからである。

国際公開第２００６／０５４２２８号は、マルチチップ照明モジュールのこの効率の問題を、ほぼ連続した反射層を設け、例えば基板等の構造や導電性及び／または反射性領域の間のスペースに吸収される光を少なくすることによって解決することを試みている。しかし、マルチチップモジュールや他の多くの種類の電子回路パッケージは、集積回路を含もうが、例えばダイオードやパワートランジスタ等のディスクリート部品を含もうが、熱管理を要するのに十分な量の熱を排出することはよく知られている。電子デバイス実装の設計における熱管理の目的は、動作中の回路や構成要素の接合部の動作温度を十分低く（例えば１１０℃以下）保持することによって、構成要素が過早に故障することを防ぐことである。伝導熱伝達（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ）を含む様々な冷却方法が一般的に使用されている。電子回路パッケージ内の熱を放散させるための伝導熱伝導を行う従来手法の１つは、熱がデバイスのリードに沿って遠くに伝導するようにすることである。しかし、リードはしばしば、効果的に放熱するのに十分な質量や露出表面積を有していない。例えば、主に電磁スペクトルの可視域で発光する高輝度発光ダイオード（ＬＥＤｓ）は、このような従来技術を用いて放熱するのは難しい著しい量の熱を発生し得る。

米国特許出願公開第２００４／００８０９３９号及び国際公開第ＷＯ２００６／０５４２２８号の両者のデバイスは、熱管理を要するのに十分な熱を発生させる。両デバイスに設けられた伝導層は、通常、構成要素の過早な劣化や故障を防ぐために必要な熱管理に対処するには不十分であり、例えばヒートシンク等の追加の放熱手段が必要になる。しかし、ヒートシンクは一般に場所をとり、このようなデバイスの厚みを増大させてしまうので、スペースが重視される用途には問題となる可能性がある。
［発明の概要］
本発明は、より低コストで複雑性も低い、カスタマイズ可能な小型パッケージにおいて、光束出力及び熱放散を高めることが可能なマルチチップ照明モジュール用のシステム及び装置を提供する。一実施形態は、放熱性の基板を有するマルチチップモジュールデバイスを備える。複数の発光デバイスが含まれ、基板の表面には導電層が付加される。導電層は、それぞれが発光デバイスのうちの少なくとも１つを担持する面を有する複数のチップ担持部を備える。導電層を少なくとも部分的に覆う反射層も含まれる。

別の特定の例示的な実施形態に従って、マルチチップモジュール用のリードフレームが提供される。リードフレームは、複数の導電性発光デバイスチップ担持部を備え、担持部の夫々は、少なくとも１つの発光デバイスを担持する面を有している。各発光デバイスは、第１電気端子と第２電気端子とを備え、発光デバイスのそれぞれの第１端子はチップ担持部のチップ担持面と電気的に結合している。チップ担持部とは分離された複数の導電性接続部が設けられ、接続部はそれぞれ少なくとも１つの接続パッドを有している。発光デバイスのそれぞれの第２端子は、チップ担持部または接続部の対応する１つの接続パッドの少なくとも１つと電気的に結合されている。

さらに別の特定の例示的な実施形態に従って、マルチチップ照明モジュールデバイスを製造する方法が提供される。本方法は、放熱性の基板を用意することと、基板の表面上に絶縁層を堆積させることとを備える。絶縁層の表面を少なくとも部分的に覆うように導電層が付加される。複数の発光デバイスは、導電層の各部分に電気的に結合される。反射層は、導電層を少なくとも部分的に覆うように堆積される。

本発明のこれらの特徴と利点、及び、他のさらなる特徴と利点は、添付図面を伴う以下の詳細な説明から当業者にとって明らかになるであろう。

マルチチップモジュールデバイスの一実施形態の一部分の概略側面図である。 図１に示したデバイスの上面図である。 図２のデバイスの一回路設計の実施形態の概略図である。 マルチチップモジュールデバイスの別の回路設計の実施形態の概略図である。 マルチチップモジュールデバイスの別の回路設計の実施形態の概略図である。 マルチチップモジュールデバイスの別の実施形態の一部分の概略側面図である。 図６に示したデバイスの上面図である。 マルチチップモジュールデバイスの一回路設計の実施形態の概略図である。 図７のデバイスの一回路設計の実施形態の概略図である。 マルチチップモジュールデバイスの一回路設計の実施形態の別の概略図である。 マルチチップモジュールデバイスの一回路設計の実施形態の別の概略図である。 マルチチップモジュールの一実施形態の上から見た寸法図（ｔｏｐ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｉｅｗ）である。 マルチチップモジュール用基板の一実施形態の斜視図である。 マルチチップモジュールの一実施形態の斜視図である。 マルチチップモジュールの製造方法の概略図である。

［発明の詳細な説明］
以下の説明において、いくつかの可能な実施形態が提示されている。この説明は、限定的な意味で解釈されるべきものではなく、単に本発明の一般的な原理を説明する目的で行われているものであり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって、さらに理解される。

本発明は、高い光束出力と、放熱による熱管理の向上とを提供する、例えばマルチチップＬＥＤモジュール等の、発光デバイス用電子回路パッケージの構造を提供する。本発明のいくつかの可能な実施形態は、総じてＬＥＤを内蔵するマルチチップモジュール（ＭＣＭｓ）を対象としているが、他の発光デバイスを使用してもよいことは理解されよう。

ある要素または層が、別の要素または層に対して「上にある（ｏｎ）」「接続されている（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」「結合されている（ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」あるいは「接触している（ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ）」と記述されている場合、要素または層が別の要素または層に対して、直接的に上にあっても、接続されていても、結合されていても、あるいは接触していてもよいし、介在する要素または層が存在していてもよいことは理解されるであろう。一方、ある要素が別の要素または層に対して「直接的に上にある（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」「直接的に接続されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」「直接的に結合されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」あるいは「直接的に接触している（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ）」と記述されている場合は、介在する要素または層は存在しない。同様に、第１の要素または層が、第２の要素または層と「電気的に接触している（ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ）」または「電気的に結合している（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」と記述されている場合、第１の要素または層と第２の要素または層の間で電流が流れることを可能にする電気的な経路が存在する。電気的な経路は、キャパシタ、結合インダクタ、及び／または、導電性要素間に直接的な接触がなくても電流が流れることを可能にする他の要素を含んでいてもよい。

本願明細書では、「第１の（ｆｉｒｓｔ）」「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」等の用語を種々の要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）、構成要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）、領域（ｒｅｇｉｏｎ）、層（ｌａｙｅｒ）及び／または区画（ｓｅｃｔｉｏｎ）の説明に用いている場合があるが、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／または区画は、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は単に、ある要素、構成要素、領域、層または区画を、別の領域、層または区画と区別するためにのみ用いられる。ゆえに、本発明の教示から逸脱することなく、後述される第１の要素、構成要素、領域、層または区画を、第２の要素、構成要素、領域、層または区画と称することも可能である。

本願明細書では、本発明の各実施形態が、本発明の実施形態の概略図である断面図を参照して説明されている。そのため、層の実際の厚さは異なる可能性があり、また、例えば、製造技術及び／または製造公差の結果として図の形状からのずれが予想される。本発明の実施形態は、本願明細書に図示された領域の具体的な形状に限定されると解釈すべきではなく、例えば製造に起因する形状のばらつきを含むものとする。正方形や矩形として図示、もしくは記述されている領域は、通常の製造公差のせいで、多くの場合形状が丸みを帯びた、または湾曲した特徴を有するだろう。よって、各図に描かれた領域は、実際のところ概略的なものであり、その形状は、デバイスのある領域の正確な形状を図示することも、本発明の範囲を限定することも、意図してはいない。

図１〜２は、例えばＬＥＤディスプレイ装置等の発光デバイスに使用される、ある特定の例示的な実施形態に従うマルチチップモジュール（ＭＣＭ）１０及びその部品を図示したものである。ＭＣＭ１０は、基板１２を有する。基板１２は、例えばシリコン等の条件を満足する多種の元素で形成されていてもよいが、好適にはアルミニウムで形成される。基板１２は、電気絶縁層１４を有していてもよい。さらに、（図１３に示す）基板の最上層の全体または一部分に、印刷及び焼成が可能な（例えばプリント回路基板等の）回路層も有していてもよい。回路層を有する実施形態において、回路層は、ワイヤボンディングに十分なスペースがあることを保証することによって、ワイヤボンディング工程を最適化してもよい。さらに、回路層は、導電トレースの質を改善するために設けられていてもよい。

一実施形態では、絶縁層１４は、絶縁性や放熱性を向上させるための暗色または黒色の材料を備え、この材料は、好適にはアルミニウム基板上において覆われている（ｓｃｒｅｅｎｄ）のがよい。そして、この絶縁材料を硬化させるために、熱が加えられる。絶縁層の材料は、好適にはエポキシ系の保護層であるが、他の適切な材料もまた使用されてもよいことは理解されよう。一実施形態において、黒色アルミニウム基板の使用は、メタルコア基板やヒートシンクを有する従来の基板よりも、数多くの効果をもたらす。例えば、そのような効果の１つとしては、ヒートシンクが必要なくなることによってより小型な設計が実現できることが含まれる。さらに、ヒートシンク等の追加部材が必要なくなるので、組立の総コストを低減できる。また、黒色アルミニウム基板の放熱性のために、熱による問題の発生が少なくなるので、より高い信頼性が得られる。

基板１２は、絶縁層１４及び回路層（設けられている場合）の上に付加された導電性のリードフレーム層１６を担持している。ここでリードフレーム１６は、独立した複数の導電トレースを備えており、この例ではパーツ１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２（図２に最も良く示される）を備える。パーツ１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２のうちの少なくとも１つの一部分には、１つ以上のＬＥＤ３４がマウントされてもよい。条件を満足するいずれの発光デバイスがマウントされてもよいことは理解されるが、ＬＥＤは、本発明に係るＭＣＭの実施形態の一部を構成しており、限定する目的ではなく例示の目的で、用いられる発光デバイスとして以下において説明する。

ＬＥＤ３４は、様々な方法で配置される多くの異なる半導体層を備えることができ、本発明に係る種々の実施形態において、多くの異なる色を発光することができる。ＬＥＤの構造、特徴、及びその製法や動作（ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）は当技術分野では広く知られており、本願明細書では簡潔に説明するのみとする。ＬＥＤ３４の各層は、既知のプロセスを用いて形成可能であるが、適したプロセスは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた製法である。ＬＥＤチップの層は、一般的に、第１及び第２の互いに反対にドープされたエピタキシャル層の間に挟まれた活性層／領域を備える。これらの層は、すべて成長基板上に連続して形成される。各ＬＥＤチップは、ウェハ上に製造され、その後、パッケージ内にマウントするために分離され得る。成長基板が最後に分離されたＬＥＤの一部として残り得る、または、完全にもしくは部分的に除去され得ることは理解されよう。

ＬＥＤ３４内には、バッファ層、核生成層、コンタクト層、電流拡散層、並びに、光取出層及び要素が含まれるが、これらに限定されない、さらなる層及び要素も含まれ得ることもまた理解されよう。活性領域は、単一量子井戸（ＳＱＷ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）、ダブルヘテロ構造、または、超格子構造を備えることができる。活性領域及びドープ層は、様々な材料系で形成されてもよいが、好適な材料系はＩＩＩ族窒化物ベースの材料系である。ＩＩＩ族窒化物とは、窒素と、周期表のＩＩＩ族にある元素、たいていはアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ）との間で生成された半導体化合物を指す。この用語はまた、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等の３元化合物及び４元化合物も指す。好適な実施形態では、ドープ層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、活性領域は、ＩｎＧａＮである。代替する実施形態では、ドープ層は、ＡｌＧａＮ、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）、アルミニウムガリウムインジウム砒素リン（ＡｌＧａＩｎＡｓＰ）、ＡｌＩｎＧａＰアルミニウムインジウムガリウムリン、もしくはＺｎＯ酸化亜鉛であってもよい。

成長基板は、例えばシリコン、ガラス、サファイア、シリコンカーバイド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の多種の材料で構成可能である。適した基板は、４Ｈポリタイプのシリコンカーバイドであるが、３Ｃ、６Ｈ、１５Ｒポリタイプ等を含む他のシリコンカーバイドのポリタイプもまた使用可能である。シリコンカーバイドには、サファイアよりもＩＩＩ族窒化物により近い結晶格子整合が得られ、結果としてより高品質のＩＩＩ族窒化膜をもたらす等の確かな利点を有する。また、シリコンカーバイドは非常に高い熱伝導率を有する結果、シリコンカーバイド上のＩＩＩ族窒化物デバイスの総出力パワーが（サファイア上に形成されたいくつかのデバイスに起こり得るような）基板の放熱によって制限されることはない。ＳｉＣ基板は、ノースカロライナ州ダラムのクリー・リサーチ（Ｃｒｅｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）社から入手可能であり、この基板の製造方法は、科学文献や米国特許第Ｒｅ．３４，８６１号、第４，９４６，５４７号、及び第５，２００，０２２号に説明されている。

また、ＬＥＤ３４はそれぞれ、上面に導電性の電流拡散構造及びワイヤボンディングパッドを備えることができる。導電性の電流拡散構造及びワイヤボンディングパッドの双方は、導電性材料で構成され、既知の方法を用いて堆積される。これらの要素に使用可能な材料のいくつかには、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｇ、もしくはこれらの組み合わせ、並びに、導電性酸化物及び透明導電性酸化物が含まれる。電流拡散構造は、ＬＥＤ３４上のグリッドに配置された導電性フィンガーを備えることが可能であり、ここでフィンガーは、パッドからＬＥＤの上面への電流拡散を増大させるために互いに間隔を開けて配置されている。動作時は、後述するように、電気信号がワイヤボンドを介してパッドに印加され、その電気信号が電流拡散構造のフィンガー及び前記上面を通ってＬＥＤ３４へと拡散する。電流拡散構造はＬＥＤに用いられていることが多く、ここで上面はｐ型であるが、ｎ型材料を用いることもできる。

ＬＥＤ３４のうちのいくつか、またはすべてを１種以上の蛍光物質で覆うことも可能である。この蛍光物質は、ＬＥＤ光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光を放射するので、ＬＥＤは、ＬＥＤからの光と蛍光物質からの光を合成したものを発光することになる。ＬＥＤチップ４８は、多くの異なる方法を用いて、蛍光物質で被覆され得る。適切な方法の１つは、どちらも「Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ」と題される米国特許出願第１１／６５６，７５９号及び米国特許出願第１１／８９９，７９０号において説明されており、これらの両者は、参照により本願明細書に援用される。また、ＬＥＤは、電気泳動堆積（ＥＰＤ）等の他の方法を用いて被覆されてもよく、適したＥＰＤ手法は、「Ｃｌｏｓｅ Ｌｏｏｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題される米国特許出願第１１／４７３，０８９号に記載されている。この出願も参照により本願明細書に援用される。

さらに、ＬＥＤ３４は、当技術分野では知られているような縦構造または横構造を有していてもよい。縦構造を備えたものは、基板１２上の第１コンタクトと、ｐ型層上の第２コンタクトと、を有していてもよい。第１コンタクトに印加された電気信号は、ｎ型層へと拡散し、第２コンタクトに印加された信号はｐ型層１８へと拡散する。ＩＩＩ族窒化物デバイスの場合、薄い半透明の電流拡散層が通常ｐ型層の一部または全体を覆うことがよく知られている。第２コンタクトは、典型的には白金（Ｐｔ）等の金属または酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の透明導電酸化物である層を含むことができることは理解されよう。

ＬＥＤ３４はまた、両コンタクトがＬＥＤの上端にある横構造を有していてもよい。ｐ型層及び活性領域の一部分は、ｎ型層上にコンタクトメサを露出させるために、エッチング等で除去される。ｎ型層のメサには、第２の横方向のｎ型コンタクトが設けられる。これらのコンタクトは、既知の堆積手法を用いて堆積された既知の材料を備えることができる。

ＬＥＤ３４もしくは複数のＬＥＤ３４は、電気的及び熱的に伝導性を有するインタフェース、例えば、はんだ、接着剤、コーティング、フィルム、カプセル材料、ペースト、グリス、及び／または他の適切な材料によって、リードフレーム１６の一部と電気的に結合されてもよい。一実施形態では、ＬＥＤは、ＬＥＤの底部にあるはんだパッドを用いて、リードフレーム１６に対し電気的に結合かつ固定されてもよい。ＬＥＤは、また、リードフレーム１６上にフリップチップ実装されてもよい。

１つ以上のＬＥＤ３４のそれぞれは、一対の（電気端子または電極とも称される）コンタクトを有し、各コンタクトは、ＭＣＭチップのカソード３６ａ〜ｄ及びアノード３８ａ〜ｄのそれぞれのペアに電気的に結合されている（図２参照）。示されている実施形態の一般的な実施に従って、リードフレーム１６の一部であるダイ取付パッド２０，２４，２８，３２のうちの対応する１つに、１つ以上のＬＥＤ３４のそれぞれがマウントされ、そのコンタクトのうちの一つが電気的に結合される。カソード３６ａ〜ｄのそれぞれは、リードフレーム１６によってダイ取付パッド２０，２４，２８，３２の対応する１つに電気的に接続されているので、信号がカソードのうちの１つに印加されると、その信号は、そのダイ取付パッド及びそのＬＥＤ３４のうちの１つのコンタクトへと伝導する。ＬＥＤの他方のコンタクトのそれぞれは、例えばワイヤボンド４０によって、リードフレーム１６のコネクタ部１８，２２，２６，３０のうちの対応する１つに、電気的に結合される。コネクタ部１８，２２，２６，２８のそれぞれは、アノード３８ａ〜ｄのうちの対応する１つに電気的に接続されている。

図２では、限定する目的ではなく例示する目的で、４個のＬＥＤ３４が取付パッド２０，２４，２８，３２にそれぞれマウントされ、ワイヤボンド４０がＬＥＤ３４をコネクタ部１８，２２，２６，３０にそれぞれ電気的に接続している状態を示す。対応するカソード３６ａ〜ｄ及びアノード３８ａ〜ｄの間に印加された電気信号は、リードフレームを通って伝導し、ＬＥＤを発光させる。例えば、カソード３６ａ及びアノード３８ａの間に印加された電気信号は、取付パッド２０にマウントされたＬＥＤ３４に伝導し、ＬＥＤを発光させる。それ以外のカソードとアノードのペアに印加された電気信号は、残りのＬＥＤを発光させる。

４個未満、または４個より多いＬＥＤ３４をリードフレーム１６にマウントしてもよいことは理解されよう。例えば、２個のＬＥＤ３４を、取付パッド２０，２４，２８，３２のそれぞれにマウントし、その後、コネクタ部１８，２２，２６，３０のそれぞれに、個別にワイヤボンディングしてもよい。さらに別の実施形態では、ＬＥＤ３４をコネクタ部１８，２２，２６，３０にマウントし、そして、取付パッド２０，２４，２８，３２にワイヤボンディングしてもよい。

図３は、図２に示されたＭＣＭ１０に関する回路図４２であり、各アノード３８ａ〜ｄから各カソード３６ａ〜ｄへ、ＬＥＤを配線したものを示している。図３は、アノード３８とカソード３６のペアのそれぞれに１個のＬＥＤ３４が電気的に接続されているような配線を図示しているが、各ペアには１個より多いＬＥＤ３４が電気的に接続されてもよいことは理解されよう。例えば、図４は、別の実施形態の回路図４３であって、本発明に係るＭＣＭにおけるＬＥＤ３４に関する別の配線図を示す回路図４３である。２個のＬＥＤ３４が、各アノード３８ａ〜ｄ及びカソード３６ａ〜ｄの夫々の間で直列に電気的に接続されている。この配線は、ＬＥＤを取付パッド２０，２４，２８，３２にマウントし、且つ、ＬＥＤをコネクタ部１８，２２，２６，３０にもワイヤボンドを介在させてマウントし、アノード３８ａ〜ｄとカソード３６ａ〜ｄの間にＬＥＤを図示のように相互に接続することによって実現できる。

本発明の実施形態に係るいずれの配置においても同様に、様々な所望の効果を生み出すために、ＬＥＤのどのような色や色の組み合わせを用いてもよい。さらに、色の効果、配合、及び、光強度の変化の多様性のために、種々のアノード／カソードのペアを所望の時点にいつでも作動及び／または動作停止させてもよい。一実施形態では、ＬＥＤ３４は、所望の光波長及び所望の色温度を有する白色発光ＬＥＤを備えることができる。もしくは、ＬＥＤ３４は、結合して所望の光波長及び所望の色温度になる様々な色の光を発光する様々なＬＥＤを備えることができる。どちらの配置においても、ＭＣＭ１０は白色光を発光することができる。

他の実施形態において、アノード３８ａ〜ｄ及びカソード３６ａ〜ｄの全部までも使用しないことも可能であり、これは主として使用されるＬＥＤ３４の数及びどのようにＬＥＤ３４が配線されるかに依存することは理解されよう。図５は、さらに別の実施形態である回路図４５であり、間に８個のＬＥＤ３４が電気的に接続されたアノード３８ａ及びカソード３６ａのみの間の電流の流れを図示したものである。ＬＥＤ３４は、直列接続された４個のＬＥＤ３４からなる２つのグループを備え、この２つのグループは、アノード３８ａとカソード３６ａとの間において並列接続されている。アノード３８ａ及び３６ｂに印加された電気信号により、すべてのＬＥＤ３４が発光する。

一実施形態において、カソード３６、アノード３８、リードフレーム１６、及びリードフレームのパーツ１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２の間のスペースのすべてに、反射層４４をさらに被覆することで、そうしなければ基板に戻って吸収されてしまうであろう各ＬＥＤからの光を反射することによって、各ＬＥＤ３４によって発光された光の反射を改善してもよい。反射層４４はＡｇを備えるのが好ましく、１５μｍまでの厚みであるのが好ましいが、Ａｌ等の他の反射性材料を様々な厚みで備えてもよいことは理解されよう。反射層４４は、リードフレーム１６のＬＥＤ３４もしくはワイヤボンド４０に占有されていない部分を完全に、または部分的に覆っていてもよい（部分的に覆うことが可能な範囲は、図１において断続線で示されている）が、反射層４４によって覆われるエリアが大きいほど、より広い反射エリアが得られることによりＭＣＭの全体的な反射率を向上できることは理解されよう。また、絶縁層１４上に回路層が設けられている場合には、反射層の反射特性は、さらにデバイスの全体的な反射率の向上にも役立つ可能性がある。

反射層４４の下には、分離層４６が、基板１２、絶縁層１４、及び、場合によってはリードフレーム１６のＬＥＤ３４またはワイヤボンド４０に占有されていない部分を少なくとも部分的に覆うように堆積されていてもよい。リードフレーム１６上で部分的に覆うことが可能な範囲は、図１において断続線で示されている。絶縁層は、反射層４４と導電性リードフレーム１６との間でのいかなる短絡も防ぐように設けられてもよい。分離層４６を、リードフレーム１６をほぼ覆うように設けた場合、層４６内にホールを設けることで、ＬＥＤ３４とリードフレーム１６のトレースの一部分との間で接続が行えるようにしてもよい。

さらに、好適には白色もしくは薄い色の（図２において斜線で描かれている）保護層４８を設けてもよい。一実施形態において、このような保護層４８を反射層４４の代わりに設けてもよい。あるいは、保護層４８を反射層４４と組み合わせて設けてもよいし、また、この保護層４８を用いずに反射層４４を設けてもよい。保護層４８は、好適には電気絶縁性及び熱伝導性の両方を有する材料で構成されていてもよい。このような材料は、当技術分野ではよく知られており、いくつかのセラミック、樹脂、エポキシ樹脂、熱可塑性重縮合体（例えばポリフタルアミド（ＰＰＡ））、酸化化合物、及びガラスを含み得るが、これらに限定されない。一実施形態では、保護層は、エポキシ樹脂と酸化化合物（例えばＭｇＯ，ＴｉＯ₂）の混合物でできており、２５±１μｍまでの厚みであってもよいが、好適な厚みは使用される材料に依存することになることは理解されよう。保護層４８はさらに、そうしなければデバイスの基板に再吸収されてしまうであろう放射光が、保護層の白色もしくは薄い色の表面で反射されるようにすることによって、デバイスの反射率に貢献してもよい。保護層４８は、カソード３６ａ〜ｄ、アノード３８ａ〜ｄ、及び後述されるようないくつかのスルーホールを覆わないことが好ましい。さらに、リードフレーム１６の構造の中央部にキャビティまたは開口５０を設けてもよく、このリードフレーム１６の構造の中央部も保護層４８で覆われていない方が好適である。保護層がＬＥＤ３４及び／またはワイヤボンド表面を覆うようにすると、光がＬＥＤからの放射されるのを妨げてしまうような不利益が生じるだろう。

いくつかの実施形態では、キャビティ５０が充填材料によって少なくとも部分的に充填されてもよい。充填材料は、リードフレーム１６と、リードフレーム１６に担持されているＬＥＤ３４とを保護し且つ位置的に固定することができる。場合によっては、充填材料が、ＬＥＤ３４、リードフレーム１６のキャビティ５０を通じて露出しているパーツ１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２、ＬＥＤの電気接続部、並びに反射層４４及び分離層４６を覆っていてもよい。この充填材料は、ＬＥＤ３４からの光抽出をさらに高めるために、または、所望の発光パターン、方向もしくはビーム形が得られるようにするために、所定の光学特性を有するよう選定されてもよい。この充填材料は、樹脂、エポキシ樹脂、熱可塑性重縮合体、ガラス、及び／または他の適した材料もしくは材料の組み合わせでできていてもよい。いくつかの実施形態では、材料を充填材料に加えたり、充填材料の表面を粗面化したりすることによって、ＬＥＤ３４への及び／またはＬＥＤ３４からの光の放射、吸収、及び／または分散を高めてもよい。

充填材料に加えて、もしくは、充填材料に代えて、レンズ５２（図１４に最も良く示されている）またはコリメータ（図示せず）等の光学要素が組み込まれてもよい。図１４における実際のＭＣＭ８０の図に示されているように、レンズはキャビティ５０の上方に設置されており、穴５４を介して所定位置に置かれている。レンズ５０は、射出成形または別の適切な処理を用いて、ＭＣＭ１０の他の要素とは別個に形成もしくは成形され、その後、穴５４を介してデバイスに取り付けられてもよい。または、レンズは、オーバーモールド方法等の既知の方法を用いてＭＣＭの最上部上方に成形されてもよい。

レンズ５２は、様々な成形手法を用いてＬＥＤ３４上方に形成でき、かつ、光出力の望ましい形状によって決まる多くの異なる形状をとることができる。図示されているように、適した形状の１つは半球形であり、代替する形状のいくつかの例としては、楕円形弾丸状、平形、六角形、及び正方形がある。レンズには、シリコン、プラスチック、エポキシ樹脂、ガラス等の多くの異なる材料を使用することができ、適した材料は、成形工程に適応できるものである。シリコンは、成形に適しており、適切な光透過特性を備える。シリコンは、その後に続くリフロー工程にも耐性があり、長期にわたり著しく劣化することはない。レンズ５２は、光抽出を向上させるためにテクスチャを加えることもできるし、また、蛍光物質や散乱粒子等の材料を含有させることもできることは理解されよう。

また、上記レンズ配置は、ビーム整形を容易にするためにエンドユーザによってレンズ上に搭載され得る第二のレンズまたは光学部品との使用に容易に適応することができる。これらの第二のレンズは当技術分野ではよく知られており、多くの異なるものが市販されている。レンズ５２は、また、散乱粒子や構造等の、光を拡散または散乱させるための様々な特徴を有することが可能である。二酸化チタン、アルミナ、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、またはガラス微小球体等の様々な材料で作られる粒子が、レンズ内に粒子が分散した状態で使用可能である。代替として、または、散乱粒子と併用して、気泡もしくは異なる屈折率のポリマーの非混和性の混合物を、レンズ内に備えるか、レンズ上に構成することによって、拡散機能を提供することも可能である。散乱粒子または構成は、レンズ５２の全体にわたって一様に分散させることも可能であるし、また、レンズの異なる領域において異なる密度を有することも可能である。一実施形態では、散乱粒子は、レンズ内で層状に存在することも可能であるし、また、アレイ内において異なる色を発するＬＥＤ３４の位置との関係において異なる密度を有することも可能である。

ＭＣＭ１０，６０，８０は、多くの異なる形状やサイズを有することが可能であり、一般的には、正方形または矩形であるとよい。ＭＣＭ１０，６０，８０はまた、スルーホール５６，５８の組を備えていてもよく、スルーホール５６，５８は、ＭＣＭ本体がＰＣＢや他のベース構造とより適切に、より短距離で接触できるように、または、放熱性も向上するように、設けられてもよい。

限定する目的ではなく例示する目的であるが、図１２に最も良く示されているように、ＭＣＭ１０，６０，８０は、１４．０ｍｍ±０．０５ｍｍまでの全長、及び、１４．０ｍｍ±０．０５ｍｍまでの全幅を有するとよい。大きい方のスルーホール５８は、０．９ｍｍまでの半径を有するのがよく、レンズ５２は、３．０ｍｍまでの半径を有するとよい。カソード３６ａ〜ｄ及びアノード３８ａ〜ｄのそれぞれは、１．８ｍｍまでの幅を有するとよい。

ＭＣＭ１０，６０，８０は、任意の数及び色の組み合わせのＬＥＤ３４を収容していてもよい。これらＭＣＭ１０，６０，８０は、個別的にまたは集団的に、赤色、緑色、青色、白色、その他の色、もしくは、それらの任意の組み合わせの光を、発光してもよい。適切に活性化させると、ＬＥＤ３４はほとんどすべての範囲の色を生成することができる。

リードフレーム１６は、プリント配線もしくは回路基板等の基板１２によって担持される熱拡散装置（ｈｅａｔ ｓｐｒｅａｄｅｒ）または放熱装置（ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｏｒ）とは、熱を伝達する関係で配置されるように構成されている。黒色の電気絶縁層１４を有する熱伝導性アルミニウム基板１２は、回路基板と接触し、リードフレーム１６によって担持される発熱性のＬＥＤ３４の間の熱抵抗を低くする効率的な放熱装置として働くことができる。熱は、また、リードフレーム１６に沿って放散される。

リードフレーム１６は、銅、銅合金、金属板、金属合金板、及び／もしくは他の適した低抵抗率の耐食性材料等の導電性金属または金属合金、またはこれらの材料の組み合わせで構成されてもよい。説明したように、リードフレーム１６の熱伝導性が、熱をＬＥＤ３４から遠ざかる方へと伝導することを、ある程度支援し、アルミニウム基板１２が、追加のヒートシンクを必要としないように放熱をさらに助けてもよい。

図６〜１１は、他の特定の例示的な実施形態に従う、一例としてＬＥＤディスプレイでの使用のためのＭＣＭ６０及び様々な実施可能な回路図を示したものである。図６〜７のＭＣＭ６０は、図１〜２に示されるＭＣＭ１０と多くの点で同様であるので、本願明細書では同様の特徴に対して、図１〜２と同じ参照番号が使用される。ＭＣＭ６０は、ＭＣＭ１０と比べると、リードフレーム６２とは異なるリードを備えている。図６〜７のＭＣＭ６０は、黒色の絶縁層１４を好適には有するアルミニウム製の基板１２を、好適には備えている。基板１２は、絶縁層１４の最上部の上に付加された導電性のリードフレーム層６２を担持し、この例ではリードフレーム６２は、複数の導電トレース６４，６６，６８，７０，７２，７４，７６，７８及び分離された複数の接続部８２，８４，８６，８８，９０，９２，９４（図７ｇに最も良く示される）を備える。

トレース６４，６６，６８，７０，７２，７４，７６，７８のうちの少なくとも１つの一部分、及び／または、接続部８２，８４，８６，８８，９０，９２，９４のうちの少なくとも１つには、１つ以上のＬＥＤ３４をマウントすることができる。そして、このＬＥＤを、別の上記トレース及び／または上記接続部のうちの少なくとも１つに電気的に接続することによって、各ＬＥＤ３４の２個の電気端子の間で（図７にある例を参照）電流の流れを発生させることができる。ワイヤボンド４０を用いて、ＬＥＤ３４を上記トレースのうちの１つから上記接続部のうちの１つへ、上記接続部のうちの１つから上記接続部のうちの別の１つへ、あるいは上記トレースのうちの１つから上記トレースのうちの別の１つへと電気的に接続してもよい。各ＬＥＤ３４、各トレース、各接続部のいずれの組み合わせも電気的に接続してもよいことは理解されよう。

上述のように、１つ以上のＬＥＤ３４の夫々は、各自のカソード３６及びアノード３８を有する。限定する目的ではなく例示する目的で、図７には、複数のＬＥＤ３４が種々のトレース及び接続部の上にマウントされている状態であって、ワイヤボンド４０がＬＥＤ３４を隣接するトレース及び／または接続部に電気的に接続している状態を示す。しかし、任意の合理的な個数及び組み合わせのＬＥＤ３４が、リードフレーム６２の様々な構成要素にマウントされてもよいことは理解されよう。

例えば、図８は、図５のＭＣＭ６０に基づいた直列回路設計に対する１つの実施可能な実施形態の回路図９６であって、アノード３８のうちの３個からカソード３６のうちの３個への電流の流路を示すものである。回路図９６は、アノード３８ａ〜ｃからそれぞれのカソード３６ａ〜ｃへの電流の流れを、３個のＬＥＤ３４が各ペアと電気的に接続しているかのように図示したものである。図９は、図７に図示された回路設計の回路図９７であり、アノード３８ａ〜ｄのそれぞれから別のカソード３６ａ〜ｄへの経路を示したものである。図１０は、回路図９９のさらに別の実施形態であり、アノード３８ａ〜ｄと別のカソード３６ａ〜ｄとの間の別の電流の流れの配置を図示したものである。図１１は、９個のＬＥＤ３４が直列にアノード３８ａからカソード３６ｂへと接続された場合の電流の流路を図示した回路図９８である。上記の各回路図はいろいろな実施可能な配置を多種にわたって図示しているが、任意の数の様々な直列及び並列の配置／組み合わせの使用、及び、ボンディングパッドの１つまたは全部の使用が、本発明に従って可能であることは理解されよう。これらの様々な配置は、所望の相互接続を実現するために、様々なワイヤボンド配列で、ＬＥＤを様々な位置にマウントすることができる。

カソード３６、アノード３８、リードフレーム６２、並びにリードフレームのトレース及び接続部の間にあるスペースのすべてを反射層４４で被覆することで、上述のようにＬＥＤ３４によって発光された光の反射を改善してもよい。反射層４４が、リードフレーム６２のＬＥＤ３４またはワイヤボンド４０に占有されていない部分を完全に、あるいは部分的に覆っていてもよいが、反射層４４が覆うエリアが多いほど、より広い反射エリアが得られることによりＭＣＭの全体的な反射率が向上できることは理解されよう。反射層４４の下には、分離層４６が、基板１２、絶縁層１４、及びリードフレーム６２を少なくとも部分的に覆うように堆積されていてもよい。

図１〜２の実施形態に含まれているような他の要素のほぼすべてが、図６〜７の実施形態にもまた含まれていてもよい。
次に、図１５を参照して、実施可能な実施形態に係るＭＣＭを製造する方法１００を示す。任意の工程は破線を用いた四角枠で図示している。まず、工程１０２において、種々の条件を満足する種々の材料から形成できる放熱性の基板を用意するが、好ましい元素は、上述のようにアルミニウムである。次に、第２の工程１０４において、基板の上面のほぼ全域に絶縁層を堆積するが、絶縁層は暗色または黒色の材料を備えるのが好ましい。任意の工程１０６においては、プリント回路基板等の回路層を、絶縁層の最上部の上に、印刷・焼成してもよい。

工程１０８では、絶縁層上に導電層を、絶縁層が少なくとも部分的に覆われるように付加する。この導電層はリードフレームを備える。好適には、リードフレームは、銅、銅合金、金属板、金属合金板、及び／または他の適した低抵抗率の耐食性材料等の導電性金属または金属合金、またはこれらの材料の組み合わせで構成され、ＭＣＭの全体の熱管理に役立つために、同様に熱伝導性があることが好ましい。工程１１０において、リードフレームの種々の担持部上に複数の発光デバイスを設ける。好適には発光デバイスはＬＥＤであるが、レーザー等の他の適した発光体を設けてもよい。発光デバイスは、電気的及び熱的に伝導性を有するインタフェース、例えば、接着剤、コーティング、フィルム、カプセル材料、ペースト、グリス、及び／または他の適した材料によって、リードフレームの一部分と電気的に結合してもよいが、一実施形態では、発光デバイスははんだパッドを用いてリードフレームに電気的に結合されかつ固定される。また、発光デバイスはリードフレーム上にフリップチップ実装されてもよい。リードフレームの各担持部をリードフレームの個別の各コネクタ部と電気的に接続するように、ワイヤボンドが好適には組み込まれる。

任意の工程１１２において、絶縁層、基板、及び、導電層の発光デバイスに占有されていない部分の上に、分離層を堆積してもよい。分離層は、その下にある導電部分を、工程１１４において堆積される反射層から分離して、反射層と導電層との接触による短絡が生じないようにする。必要に応じて、発光デバイスを導電層に電気接続できるように、分離層内にはスルーホールを内蔵させてもよい。工程１１４において、反射層を、導電層を少なくとも部分的に覆うように堆積する。反射層は、デバイスから発光される光を最大限にすると共に、基板やＭＣＭの他の領域に吸収される光を最小限にするように設計されている。一実施形態では導電層は銀でできているが、他の適した材料を使用してもよいことは理解されよう。

また、いくつかのスルーホール、及び、ＭＣＭの中央部であってマウントされた発光デバイスの上方にある中央部、以外のＭＣＭの表面をほぼ覆う保護層を有していてもよい。保護層は、好適には白色もしくは薄い色の物質から構成される。ＭＣＭの保護層で覆われていない中央部には、一種のキャビティが残される。代替する工程１１６ｂにおいて、リードフレームと、リードフレームに担持されている発光デバイスとを保護すると共に位置的に固定することができる充填材料をキャビティ内において使用してもよい。場合によっては、充填材料は、リードフレームのキャビティを通じて露出している部分、反射層、及び分離層とともに、発光デバイス及びその電気接続部を覆っていてもよい。充填材料は、発光をさらに増大させるような光学特性を有する材料で構成されてもよい。好適な材料は上記にて説明している。

工程１１６ａにおいて、充填材料に加えて、または充填材料に代えて、レンズまたはコリメータ等の光学要素を設けてもよい。光学要素は、キャビティ上方に置かれることにより、発光デバイスの光の反射をさらに改善する。また、レンズについては、穴を用いてＭＣＭ内の所定の位置に設置してもよい。レンズはガラスでできているのが好ましいが、他の適した材料が使用されてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を図示して説明してきたが、当業者には多数の変更や代替実施形態が考えられるであろう。このような変更や代替実施形態は、想定されており、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、添付請求項にて定義されているように行うことが可能である。

Claims (16)

1. 放熱性を有する基板であって、その表面に堆積された暗色の絶縁層を備える基板と、
   夫々がアノードまたはカソードに電気的に接続された複数の発光デバイスと
   前記基板の表面に付加された前記絶縁層上の導電層であって、該導電層が複数のチップ担持部を備え、該複数のチップ担持部のそれぞれが、第１電気端子及び第２電気端子を有する前記発光デバイスの少なくとも１つを担持する面であって、対応する前記発光デバイスの第１電気端子または第２電気端子と電気的に結合する面を有する導電層と、
   前記導電層及び前記絶縁層を、少なくとも部分的に覆う反射層と、
   を備えるマルチチップモジュールデバイス。
2. 前記導電層は、Ａｌを備え、前記基板の前記暗色の絶縁層は黒色である請求項１記載のデバイス。
3. 前記基板は、さらに、前記基板上に回路層を備え、前記回路層は、前記絶縁層と前記導電層との間にある請求項１記載のデバイス。
4. 前記導電層は、さらに複数の接続部を備える請求項１記載のデバイス。
5. 前記発光デバイスは、はんだパッドまたはフリップチップ実装を用いて、前記チップ担持部及び前記接続部の少なくとも一方に、電気的にかつ熱的に結合される請求項４記載のデバイス。
6. 前記アノードの夫々は、前記チップ担持部に対して電気的にかつ熱的に直接結合されている請求項１記載のデバイス。
7. 前記カソードの夫々は、ワイヤボンドを介して、前記チップ担持部に電気的に接続されている請求項５記載のデバイス。
8. 前記アノード及びカソードの夫々は、ワイヤボンドを介して、前記チップ担持部及び／または前記接続部に電気的に接続されている請求項６記載のデバイス。
9. 前記反射層は、前記導電層の、発光デバイス及びワイヤボンドによって占有されていない部分を覆う請求項１記載のデバイス。
10. 前記基板及び前記導電層を少なくとも部分的に覆う分離層をさらに備え、前記分離層は、前記発光デバイスと前記導電層との間での接続を可能とする孔を備える請求項１記載のデバイス。
11. 前記導電層及び前記反射層の上には、電気絶縁性及び熱伝導性を有する保護層が少なくとも部分的に堆積され、前記保護層内にはキャビティが形成されている請求項１記載のデバイス。
12. 前記発光デバイスの上方に、レンズまたはコリメータが設けられた請求項１記載のデバイス。
13. 前記発光デバイスは、赤色、緑色、青色、もしくは、白色、または、これらの二色以上の組み合わせの色を発光する請求項１記載のデバイス。
14. 前記導電層及び前記回路層は、低い熱抵抗、及び、放熱を可能とする熱的な接触状態にある請求項３記載のデバイス。
15. マルチチップモジュール用のリードフレームであって、
    前記リードフレームは、
    複数の導電性発光デバイスチップ担持部であって、該担持部のそれぞれが、第１電気端子及び第２電気端子を有する少なくとも１つの発光デバイスを担持する面を有し、前記チップ担持部の前記チップ担持面に対しては、前記発光デバイスのそれぞれの前記第１端子が、電気的に結合されている、複数の導電性発光デバイスチップ担持部と、
    前記チップ担持部とは離れて設けられた複数の導電性接続部であって、該接続部のそれぞれが少なくとも１つの接続パッドを有する、複数の導電性接続部と、
    を備え、
    前記発光デバイスのそれぞれの前記第２端子は、前記接続部の対応する１つの、前記接続パッドの少なくとも１つと電気的に結合されており、
    前記リードフレームは、暗色の絶縁層が堆積された基板上に形成され、さらに、前記リードフレームは、前記絶縁層と共に少なくとも部分的に反射層に覆われているリードフレーム。
16. マルチチップ照明モジュールデバイスの製造方法であって、
    放熱性を有する基板を用意することと、
    前記基板の上面の全面上に、暗色の絶縁層を堆積させることと、
    前記絶縁層の表面を少なくとも部分的に覆う導電層を付加することと、
    複数の発光デバイスを前記導電層の部分に電気的に結合させ、さらに、前記発光デバイスの夫々を、アノード及びカソードに電気的に接続することと、
    前記導電層及び絶縁層を少なくとも部分的に覆う反射層を堆積させることと、
    を備える方法。

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