JP5978631B2

JP5978631B2 - 発光装置

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Publication number: JP5978631B2
Application number: JP2012014555A
Authority: JP
Inventors: 嘉一竹内; 玉置　寛人; 寛人玉置
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-01-26
Also published as: JP2013157357A

Description

本発明は、リードフレームに発光素子を実装した発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子を用いた発光装置として、発光素子や保護素子等の電子部品と、それらを配置する樹脂パッケージと、発光素子や保護素子等を保護するための封止樹脂と、を備える構造が知られている。樹脂パッケージには、発光素子等と電気的に接続される正負一対のリードフレームが設けられている。

このような発光装置において、同一面側に正電極と負電極とを有する発光素子をフリップチップ実装する構造が知られている（特許文献１参照）。このように、発光素子を正負一対のリードフレームの上にフリップチップ実装することにより、ワイヤを配置する領域を省略することができ、発光装置の小型化、低背化を図ることができる。

特開２０１０−３４２９２号公報

しかしながら、樹脂パッケージは、比較的熱によって変形しやすい。そのため、リードフレームと発光素子（特に、発光素子の基板）の線膨張係数の差に起因して、熱応力によりリードフレームに反りが発生することによって、リードフレームと発光素子との接合部分に負荷がかかり、発光素子がリード電極から剥離してしまうおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するもので、熱応力によるリード電極の反りを抑え、信頼性の高い発光装置を提供することを目的とする。

本願発明の発光装置は、第１リードフレーム及び第２リードフレームと、前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームの上にフリップチップ実装された発光素子と、前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームの周囲を覆う樹脂成形体と、を備える発光装置であって、前記樹脂成形体の内部に、前記第１リードフレーム及び第２リードフレームよりも線膨張係数が小さい材料からなり、前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームを固定する補強部材を有する。

前記補強部材は、前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームの裏面に接合されていることが好ましい。

前記補強部材は、上面側から見て、前記第１リードフレームと前記第２リードフレームとの間の領域において、上下に貫通する貫通孔を有することが好ましい。

前記補強部材は、ガラス又はセラミックスからなることが好ましい。

前記補強部材は、金属からなり、絶縁性の接着剤を介して前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームに接合されていることが好ましい。

本発明によれば、リード電極の反りを抑え、信頼性の高い発光装置を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る発光装置の一例を示す概略平面図である。本発明の第１実施形態に係る発光装置の一例を示す概略断面図である。補強部材の一例を示す概略平面図である。補強部材の他の例を示す概略平面図である。本発明の第１実施形態に係る発光装置の製造方法の一例を説明する図である。本発明の第２実施形態に係る発光装置の一例を示す概略断面図である。

以下に示す形態は本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものであって、以下に限定するものではない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。尚、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており詳細説明を適宜省略する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る発光装置１０の一例を示す概略平面図である。図２は、図１に示す発光装置１０のＩ−Ｉ’線における概略断面図である。

本実施形態に係る発光装置１０は、発光素子１１と、発光素子１１をフリップチップ実装する第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２と、この第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の周囲を覆う樹脂成形体４０と、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２を固定する補強部材５０と、を備える。

第１リードフレーム２１と第２リードフレーム２２は、互いに離間し、かつ対向するように配置されている。第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２は、側面及び裏面が樹脂成形体４０で覆われており、上面の一部が樹脂成形体４０から露出している。発光素子１１は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の上にフリップチップ実装される。樹脂成形体４０の内部に、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２よりも線膨張係数が小さい材料からなり、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２を固定する補強部材５０が設けられている。

本実施形態において、補強部材５０は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の裏面に跨るように設けられ、接着剤６０を介して接合されている。図２に示すように、補強部材５０は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の裏面のうち、発光装置の中央側の裏面に接合されている。

以下、本実施形態の発光装置を構成する各構成部材について詳細に説明する。

（発光素子１１）
発光素子１１としては、発光ダイオード等を用いることができる。発光素子１１の構造としては、同一面側に正電極と負電極が形成された構造の半導体素子を用いることができる。例えば、透光性基板の上に、第１導電型半導体層、発光層及び第２導電型半導体層がこの順に形成された半導体積層構造を備え、この半導体積層構造に電流を供給するための正電極及び負電極が設けられた半導体発光素子構造を有するものが挙げられる。透光性基板としてはサファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ等を用いることができる。後述する補強部材５０は、発光素子１１の透光性基板と線膨張係数が近い材料を用いることが好ましい。発光素子１１の厚みは熱膨張を考慮して、５０〜２００μｍとすることが好ましい。なお、発光素子１１はこれらの構成に限定されるものではなく、他の半導体層構造を用いて構成してもよい。透光性基板として、窒化物半導体基板（ＧａＮ、ＡｌＮ等）等を用いてもよい。

発光素子１１の電極は、ダイボンド材３０を介して第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２にフリップチップ実装されおり、電極の形成された面と反対側の面、すなわち基板側を光取り出し面としている。

（第１リードフレーム２１、第２リードフレーム２２）
第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２は、発光素子や保護素子等の電子部品を配置するためのものであり、外部電極（図示省略）と発光素子等とを電気的に接続する正負一対の電極として機能する。第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の大部分は、樹脂成形体４０に埋設されており、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の上面が、樹脂成形体４０から露出している。

第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の材料は、導電性であれば特に限定されないが、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、または、これらを主成分とする合金あるいはクラッド材等が好適である。また、熱応力により発光素子との接合部が破壊されることを防止するため、発光素子の基板としてサファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ等のセラミックスを用いる場合は、線膨張係数がセラミックスに近いものを用いることが好ましく、例えば、４２アロイ、インバー等が好ましい。
第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の表面には、銀、アルミニウム、銅や金等の金属メッキを施すこともできる。

第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の厚みは、０．０５ｍｍ〜１ｍｍとすることができる。第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の厚みは、この範囲において薄い方が好ましい。

第１リードフレーム２１と第２リードフレーム２２は、発光装置の中央において離間するように配置されていることが好ましい。発光素子１１は、第１リードフレーム２１と第２リードフレーム２２に跨るように載置される。これにより、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２に加わる応力のバランスを保つことができる。

（補強部材５０）
補強部材５０は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２に接合され、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２を固定する機能をもたせている。補強部材５０は、少なくとも第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２よりも線膨張係数が小さい材料により形成されることが好ましく、発光素子１１の線膨張係数と同等以下の材料がさらに好ましい。

補強部材５０としては、ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＡｌＮ等のセラミックスなどの絶縁性部材を用いることが好ましい。また、無機フィラーを含有する樹脂、Ｓｉ、表面に絶縁膜を形成したカーボン等を用いてもよい。また、金属等の導電性の材料の表面に絶縁膜を形成したものを用いてもよい。補強部材５０を第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２に金属接合させる場合は、補強部材５０に予め、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等を含む金属膜５２を形成しておくことが好ましい。

補強部材５０は、例えば平面が略矩形の平板状であり、上面が接着材６０を介して第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２に接合される。補強部材５０と第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２との接合面積は、発光素子１１と第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２との接合面積に対して同等以上とすることが好ましい。
補強部材５０は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の上面において発光素子１１の電極（ダイボンド材３０）が載置される領域の下部に位置する裏面に接合されていることが好ましい。これにより、熱応力による第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２と発光素子１１との接合部分にかかる負荷を低減することができる。

補強部材５０の縦幅は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の縦幅と同等以下とすることが好ましく、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の縦幅に対して５０〜１００％の幅とすることが好ましい。また、補強部材５０の横幅は、第１リードフレーム２１と第２リードフレーム２２を跨ぎ、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の裏面と確実に接合ができる程度の長さであり、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の横幅に対して２０〜９０％の幅とすることが好ましい。ここで、縦幅とは、図１において紙面に向かって縦方向の幅であって、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の配列方向に対して垂直方向の幅を指す。また、横幅とは、図１において紙面に向かって横方向の幅であって、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の配列方向に対して平行方向の幅を指す。補強部材５０の厚みは、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の厚みに対して、５０〜１５０％の厚みとすることが好ましい。これにより、リードフレームの熱膨張により発生する反りを効果的に防止することができる。特に、補強部材５０の厚みを第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２よりも厚くすることにより、応力に対する補強部材５０の耐久力を高めることができる。

また、補強部材５０の縦幅及び横幅は、発光素子１１の縦幅及び横幅よりも大きいことが好ましい。補強部材５０と第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の接合面積が大きくなることで、反りを低減させることができる。

発光装置を上面から見て、補強部材５０の中央部は、第１リードフレーム２１と第２リードフレーム２２との間に露出している。この補強部材５０の中央部には、樹脂パッケージの成形時における樹脂の流れを補強部材５０によって妨げることを防止するために、貫通孔５１や切り欠きを設けることが好ましい。

図３は、補強部材５０の一例を示す概略平面図である。図３（ａ）は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２に対する補強部材５０の配置を説明する図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における補強部材５０を示す図である。
図３に示す例においては、補強部材５０の中央部に、上下（補強部材５０の厚み方向）に貫通する貫通孔５１を有している。これにより、樹脂パッケージの成形時における樹脂の流れを補強部材５０で妨げにくい構造とすることができる。貫通孔５１の縦幅は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の縦幅に対して５〜４５％の幅とすることが好ましく、２０〜４０％の幅とすることがさらに好ましい。また、補強部材５０の縦幅に対して２０〜７０％の幅とすることが好ましく、３０〜５０％の幅とすることがさらに好ましい。

図４は、補強部材５０の他の例を示す概略平面図である。
図４に示す例においては、補強部材５０の中央部には、紙面に向かって縦方向（第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の配列方向に対して垂直方向）において対向する両辺に、凹状に切欠かれた切欠き５３が設けられている。これにより、樹脂パッケージの成形時の樹脂の流れ込み不良を防止することができる。切欠き５３の縦幅は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の縦幅に対して１０〜２０％とすることが好ましく、切欠き５３の横幅は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の横幅に対して８〜１５％とすることが好ましい。

補強部材５０としては、平板の他に、線材（丸線、角線、平角線等）も用いることができる。

（接着材）
補強部材５０を第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２に接合する接着剤６０としては、Ｐｂ、ＳｎＡｇＣｕ、ＡｕＳｎ、ＡｇＳｎ、ＣｕＳｎ、ＳｎＺｎＢｉ等のハンダやエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂等を用いることができる。また、発光素子１１と第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２との接合時の熱処理による影響を受けないように、ダイボンド材３０の融点と同等以上の材料であることが好ましい。

（樹脂成形体４０）
樹脂成形体４０は、発光装置の外形を成す部材である。本実施形態において、樹脂成形体４０は、発光素子１１を配置する凹部４１を備えている。樹脂成形体４０は、発光装置の発光面となる上面を有し、該上面に凹部４１の開口部を有する。凹部４１の内壁面は、凹部４１の幅が凹部４１の底面から開口部に向かって広がるように傾斜していることが好ましい。特に、開口部が一方向に長い場合、開口部の長手方向の両側内壁面を延長したときに、その２つの内壁面のなす角度θが９０°以上であることが好ましい。このような樹脂成形体４０を有する発光装置は、前記一方向に効率よく配光を広げることができることから、バックライト用光源として好適に用いることができる。樹脂成形体４０の凹部４１には、後述する透光性部材を設けることができる。

樹脂成形体４０は、耐熱性及び適度な強度を有し、発光素子からの光を遮光可能な樹脂によって構成される。樹脂成形体４０を構成する材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、液晶ポリマー、ポリフタルアミド樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等が挙げられる。特にポリフタルアミド樹脂のような高融点結晶を含有する半結晶性ポリマー樹脂は表面エネルギーが大きく、上記成形樹脂の開口部に充填する透光性部材との密着性が良好であるので好適である。これにより透光性部材を充填し硬化する工程において、樹脂の冷却過程の間に成形樹脂と透光性部材との界面が剥離しにくくなる。また、樹脂成形体が発光素子からの光を効率良く反射できるように、樹脂成形体を構成する樹脂中に酸化チタンなどの白色顔料などを混合してもよい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂から選択される少なくとも１種の樹脂を用いることができる。

（透光性部材）
透光性部材は、発光素子１１を覆うように、樹脂成形体４０の凹部４１内に設ける部材である。
透光性部材としては、発光素子１１からの光に対して透光性で、かつ、耐光性及び絶縁性を有するものが好ましい。具体的には、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂及びこれらの樹脂を少なくとも１種以上含むハイブリッド樹脂、ガラス、シリカゾル等の無機物等が挙げられる。

透光性部材には、その一部又は全部に、発光素子からの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長を有する光を発する波長変換部材（蛍光体）、着色剤、光拡散剤、光反射材、各種フィラー等を含有していてもよい。

（製造方法）
先ず、図５（ａ）に示すように、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２を準備する。第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の表面には、銀、アルミニウム、銅や金等の金属メッキを施してもよい。
次に、図５（ｂ）に示すように、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の裏面に接着剤６０を用いて補強部材５０を接合する。絶縁性部材からなる補強部材５０に対してハンダ材料を接合剤とする場合、絶縁性部材にハンダ材料を良好に接合させるために、補強部材５０の上面のうち、ハンダ材料と接合する領域に、予め薄い金属膜を設けることが好ましい。なお、補強部材５０を接合する工程は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の表面に金属メッキを施す工程の前に行ってもよい。一般的に、メッキを施す前のリードフレームの表面粗さは大きく、補強部材50（接着材６０）との接触面積が大きくなるため密着性を高めることができる。
次に、図５（ｃ）に示すように、補強部材５０を接合した第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２に、トランスファーモールド等によって樹脂成形体４０を設ける。
次に、図５（ｄ）に示すように、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の上に、ダイボンド材３０を介して発光素子１１をフリップチップ実装する。この後、発光素子１１を覆う透光性部材を設けてもよい。

＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る発光装置２１０の一例を示す概略断面図である。

本実施形態に係る発光装置２１０は、発光素子１１と、発光素子１１をフリップチップ実装する第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２と、この第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の周囲を覆う樹脂成形体４０と、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２を固定する補強部材５０と、を備える。第１リードフレーム２１と第２リードフレーム２２は、互いに離間し、かつ対向するように配置されている。第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２は、側面及び裏面が樹脂成形体４０で覆われており、上面の少なくとも一部が樹脂成形体４０から露出している。発光素子１１は、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の上にフリップチップ実装される。樹脂成形体４０の内部に、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２よりも線膨張係数が小さい材料からなり、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２を固定する補強部材５０が設けられている。
本実施形態において、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２は、発光装置の内側の端部側の裏面が他の部分の裏面よりも高く設けられており、内側の端部側の厚みが他の部分よりも薄い。この厚みが薄い領域２３に、補強部材５０が接合されている。補強部材５０の裏面が、第１リードフレーム２１及び第２リードフレーム２２の上記他の部分の裏面と同一若しくは上記他の部分の裏面よりも上に配置してもよい。これにより、発光装置の薄型化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、補強部材５０は、樹脂成形体４０の内部に設けられているものとしたが、補強部材５０の裏面又は側面の少なくとも一部が樹脂成形体４０から露出してもよい。補強部材５０の裏面及び側面の表面積に対して、補強部材５０の露出面は５０％以下とすることが好ましく、補強部材５０の裏面及び側面の全体が樹脂成形体４０によって覆われていることが好ましい。これにより、樹脂成形体４０と補強部材５０との接着面積が増加するため、補強効果を高めることができる。また、樹脂成形体４０によって補強部材５０を外部から保護することができる。

本発明に係る発光装置の構成により、リード電極の反りを抑え、信頼性の高い発光装置を得ることができる。これにより、液晶ディスプレイのバックライト光源、車載等に公的に利用することができる。

１０、２１０発光装置
１１発光素子
２１第１リードフレーム
２２第２リードフレーム
２３厚みが薄い領域
３０ダイボンド材
４０樹脂成形体
４１凹部
５０補強部材
５１貫通孔
５２金属膜
５３切欠き
６０接着剤

Claims

第１リードフレーム及び第２リードフレームと、
前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームの上にフリップチップ実装された発光素子と、
前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームの周囲を覆う樹脂成形体と、を備える発光装置であって、
前記第１リードフレーム及び第２リードフレームよりも線膨張係数が小さい材料からなり、前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームの裏面に接合されており、樹脂成形体によって裏面及び側面の全体が覆われている補強部材を有することを特徴とする発光装置。
前記補強部材の厚みは、前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームの厚みに対して５０％〜１５０％であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記補強部材の中央部には、前記第１リードフレームと前記第２リードフレームの配列方向に対して垂直方向に対向する両辺に、凹状に切り欠かれた切欠き部が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
前記補強部材は、上面側から見て、前記第１リードフレームと前記第２リードフレームとの間の領域において、上下に貫通する貫通孔を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記補強部材は、ガラス又はセラミックスからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光装置。
前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームは、それぞれ内側の端部側の厚みが他の部分よりも薄く、この厚みが薄い領域に、前記補強部材が接合されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光装置。