JP6486726B2 - 発光モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、回路基板上にLEDダイをフェイスアップ実装した発光モジュールに関し、さらに詳しくはLEDダイ上の電極と回路基板上の電極をワイヤーボンディング以外の方法で接続する発光モジュールに関する。
回路基板上にLEDダイの発光層が上方を向くようにして実装(以下フェイスアップ実装とよぶ)した発光モジュールでは、LEDダイ上の電極と回路基板上の電極をワイヤーボンディングで接続することが多い。しかしながらワイヤーボンディングは、使用する金線が高価であるばかりでなく、ワイヤーボンディング専用の装置(ワイヤボンダー)の導入及び維持が必要になる。
これに対しフェイスアップ実装であってもワイヤーボンディング以外の方法でLEDダイ上の電極と回路基板上の電極を接続することが提案されている。例えば、特許文献1の図10(a)には、LED素子(LEDダイ)の半導体層側面に形成した電極と基板(回路基板)上の配線パターンとを半田で接続した発光モジュールが示されている。なお()は本明細書等で使われている用語である(以下同様)。
そこで特許文献1の図10(a)を図14に再掲示しその構造を説明する。図14は従来の発光モジュールの断面図であり、LED素子101とその実装状態を示している。なお図14では符号を変更している。
図14に示す発光モジュールは、アルミナからなる基板123上に図示していない接着剤によりLED素子101が実装され、基板123上の配線パターン122(電極)とLED素子101のn外部電極117(カソード電極)及びp外部電極118(アノード電極)が半田120Aで接続されたものである。LED素子101はサファイヤ基板110(半導体基板)上にGaN半導体層100が積層したものである。GaN半導体層100では、AlNバッファ層111、n−GaN層112、発光層113、p−GaN層114、絶縁層116、119及びpコンタクト電極115が積層し、p−GaN層114の側面に絶縁層116を挟んでn及びp外部電極117、118が形成されている。
特開2006−73618号公報 (図10(a))
しかしながら最近のLEDダイではp−GaN層が数μm程度になっている。すなわち特許文献1に示された発光モジュールでは、p−GaN層114の外周側面に形成されたn及びp外部電極117、118の厚さも数μmとなる。このため半田120Aによるn及びp外部電極117、118と基板123上の配線パターン122との接続は、困難で不安定なものとなる。またサファイヤ基板110等の側面に半田を溶着させるためにはメッキなど追加的な表面処理が必要になる。
そこで本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、LEDダイを回路基板上にフェイスアップ実装するとき、ワイヤーボンディングでなくても簡単で確実にLEDダイの電極と回路基板上の電極とを接続できる発光モジュールを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため本発明の発光モジュールは、LEDダイと回路基板とフレキシブルプリント基板を備え、前記LEDダイは、半導体基板の上部に形成された半導体層の上面にアノード電極及びカソード電極を有し、前記回路基板にフェイスアップ実装され、前記フレキシブルプリント基板は、ベースシート上に配線パターンが形成され、一部分が前記LEDダイの側面に沿うように折り曲げられ、前記アノード電極又は前記カソード電極と前記回路基板の上面に形成された電極とを接続することを特徴とする。
本発明の発光モジュールに含まれるLEDダイは、半導体基板の上面を半導体層が覆っており、その半導体層の上にアノード電極及びカソード電極が形成されている。さらに本発明の発光モジュールでは、LEDダイを回路基板にファイスアップ実装し、アノード電極又はカソード電極を回路基板上の電極と接続している。この接続には、ポリイミド等からなるベースシート上に配線パターンを有するフレキシブルプリント基板を使用する。
前記LEDダイは、上面が長尺状であって、前記上面の一方の端部に前記アノード電極、他方の端部に前記カソード電極が配置されていても良い。
前記LEDダイは、上面が長方形又は正方形であって、それぞれの角部に前記アノード電極又は前記カソード電極が配置されていても良い。
前記フレキシブルプリント基板は前記LEDダイの前記アノード電極又は前記カソード電極との接続部が2か所に分かれていても良い。
複数のLEDダイが前記回路基板上にフェイスアップ実装されて配列し、一の前記フレキシブルプリント基板が前記複数のLEDダイの前記アノード電極及び前記カソード
電極と接続し、前記フレキシブルプリント基板は前記LEDダイの発光部と重なる部分が開口していても良い。
前記半導体基板はSiであっても良い。
前記アノード電極及び前記カソード電極と前記フレキシブルプリント基板との接続部を避けるようにしながら蛍光体が前記半導体層の上面にのみ配されていても良い。
フレキシブルプリント基板は、折り曲げることにより変形が可能であるため、LEDダイの側面に沿うように配置できる。さらにフレキシブルプリント基板の配線パターンは、アノード電極及びカソード電極並びに回路基板の電極と、ワイヤーボンディングに比べて広い面積で接合する。すなわち本発明の発光モジュールは、フレキシブルプリント基板でLEDダイのアノード及びカソード電極並びに回路基板の電極とを接続するので簡単で確実にLEDダイの電極と回路基板上の電極とを接続できる。
本発明の第1実施形態の発光モジュールに含まれるLEDダイの斜視図。 本発明の第1実施形態として示す発光モジュールの斜視図。 図2に示した発光モジュールの断面図。 図2に示した発光モジュールのランドパターンの平面図。 本発明の第2実施形態の発光モジュールに含まれるLEDダイの斜視図。 本発明の第2実施形態として示す発光モジュールの斜視図。 図6に示した発光モジュールのランドパターンの平面図。 本発明の第3実施形態として示す発光モジュールの平面図。 図8に示した発光モジュールに含まれるフレキシブルプリント基板の斜視図。 図8に示した発光モジュールのランドパターンの平面図。 本発明の第4実施形態として示す発光モジュールの平面図。 図11に示した発光モジュールに含まれるフレキシブルプリント基板の斜視図。 図10に示した発光モジュールのランドパターンの平面図。 従来の発光モジュールの断面図。
以下、添付図1〜13を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態として示す発光モジュール10に含まれるLEDダイ11の斜視図である。図1に示すようにLEDダイ11は、概ね直方体であり、幅が約300μm、長さが約1000μm、高さが約200μmである。LEDダイ11に含まれる半導体基板12の上部には半導体層13が形成されている。LEDダイ11の上面は長尺状であり、上面の一端にアノード電極14(円形)が配置され、他端にカソード電極15(矩形)が配置されている。
また蛍光体16は、アノード電極14及びカソード電極15と後述するフレキシブルプリント基板17、18(図2参照)との接続部を避けるようにしながら半導体層13の上面だけに配置されている。蛍光体16の幅はLEDダイ11の幅と等しい。なお蛍光体16の厚さは、半導体基板12とほぼ等しいが、図1においてアノード電極14が目立つようにするため薄く描いている(図2も同様。図3参照)。
図2は発光モジュール10の斜視図である。図2に示すように回路基板19の上面にLEDダイ11がフェイスアップ実装されている。LEDダイ11のアノード電極14は、フレキシブルプリント基板17により回路基板19の電極19a(図3参照)と接続している。同様にLEDダイ11のカソード電極15は、フレキシブルプリント基板18により回路基板19の電極19b(図3参照)と接続している。なお図ではフレキシブルプリント基板17、18の幅をLEDダイ11の幅より広くしている。
図3は図2のAA´線に沿って描いた発光モジュール10の断面図である。図3において、半導体基板12の下面には接続用パターン12a、上面には半導体層13が形成されている。半導体基板12はSiからなり厚さが200μm程度である。接続パターン12aは、LEDダイ11を回路基板19に半田等の接合用金属で固定させるものであり、Au等の金属層からなり、厚さが1μm程度である。半導体層13は、厚みが10μm以下であり、バッファ層を含むn−GaN層13a上に図示していない発光層とp−GaN13bが積層している。発光層はn−GaN層13aとp−GaN層13bの境界部分となる。
アノード電極14は、厚みが1μm程度のAuを主体とした金属層であり、p−GaN層13bの上面の端部に形成されている。カソード電極15も厚みが1μm程度でAuを主体とした金属層であり、p−GaN層13bの一部分を除去して露出させたn−GaN層13a上に形成されている。前述のように蛍光体16は、フレキシブルプリント基板1
7、18との接続部を避けるようにして半導体層13上に配置され、厚みが100〜200μmであり、シリコーン等の樹脂の中に蛍光粒子を分散させたものである。
回路基板19は、表面を絶縁処理したAl、セラミックや樹脂などからなり、上面に電極19a、19b及び19cを備えている。電極19a、19b、19cは、銅箔にNiAuメッキした金属層である。フレキシブルプリント基板17,18は、ポリイミドからなるベースシート34(以下ポリイミドシート34と呼ぶ)に銅箔35と絶縁層36が積層したものであり、アノード電極14、カソード電極15及び回路基板19の電極19a、19bの接続部がNiAuメッキされている。ポリイミドシート34は厚さが12.5〜35μm程度であり、銅箔35は9〜18μm程度である。
LEDダイ11と回路基板19は、LEDダイ11の下面に形成した接続用パターン12aと回路基板19の上面に形成した電極19cとの間に介在する半田33cにより接合している。フレキシブルプリント基板17、18と回路基板19も、フレキシブルプリント基板17、18の銅箔35と回路基板19の上面に形成した電極19a、19bとの間に介在する半田33a、33bにより接合している。これに対しフレキシブルプリント基板17、18とLEDダイ11は、フレキシブルプリント基板17、18の銅箔35上のAu層がLEDダイ11のアノード電極14及びカソード電極15上のAu層と直接的に(又はAu−Sn共晶(この場合、予めアノード電極14等若しくはフレキシブルプリント基板17等の端子部にSn層を形成しておく。)により)接合している。
図4は発光モジュール10のランドパターンを示す平面図である。それぞれのランドパターンは、回路基板19上に形成された電極19a、19b、19cに相当し、長方形である。前述のとおり電極19cは、LEDダイ11の底面と半田付けにより接合し、LEDダイ11を回路基板19に固定する(図3参照)。一方、電極19a、19bは、フレキシブルプリント基板17、18によりアノード電極14及びカソード電極15と電気的に接続する(図3参照)。つまりフレキシブルプリント基板17、18は応力のない状態でLEDダイ11及び回路基板19に接続している。
以上のように折り曲げられた状態でLEDダイ11の側面に沿うように配置されたフレキシブルプリント基板17,18は、LEDダイ11の固定に係る応力が掛らず、さらにワイヤーボンディングに比べて広い面積でアノード電極14及びカソード電極15と接合するため、発光モジュール10において簡単で確実な接続を達成できる。
発光モジュール10の半導体基板12はSiからなる。このため発光モジュール10は、サファイヤからなる半導体基板材料を使う発光モジュールに比べ放熱性が高いという特徴がある。つまり発光モジュール10は発光層の発熱を効率よく回路基板19に伝えることができる。さらに発光モジュール10は、回路基板19との接合に半田33cを採用している。これも、接着剤でLEDダイを固定する他の方法に比べ熱伝導に関し有利になっている。なお回路基板19が樹脂からなる場合は、電極19cにサーマルビアを設け、回路基板19の下面においてヒートシンクなどの放熱部材に低い熱抵抗で熱伝導できるようにすると良い。なお回路基板19は、抵抗やコネクターなど他の電子部品が搭載されたマザー基板であっても良いし、LEDダイ11とマザー基板との間に挿入するインターポーザ(サブマウント基板ともいう)であっても良い。
また前述のように発光モジュール10の半導体基板12は不透明なSiからなる。このため底面に設けられた接続パターン12aは反射率の低いAu層でも良かった。これに対し半導体基板としてサファイヤを使用することがある。この場合、発光効率を改善するため底面に形成する接続パターンは、Al層やAg層を付加して反射率を高くしておくことが好ましい。
発光モジュール10は、図2に示すように蛍光体16が半導体基板12の上面だけに配置されている。つまり蛍光体16は、アノード電極14及びカソード電極15とフレキシブルプリント基板17、18の接続部を避けるようにしながら配置されている。半導体層13は、前述のように厚さが10μm以下であるため横方向(半導体基板12の上面に平行な方向)に光がほとんど放射されない。すなわち上方向(半導体基板12の上面に垂直な方向)にだけ光を放射する。この結果、蛍光体16を発光層の上部にのみ配置すれば良い。このような構造は、ウェハー状態で蛍光体16を塗布及びパターニングし、その後ウェハーを個片化することによりLEDダイ11を製造できるので、大量生産に適している。
(第2実施形態)
図5は、本発明の第2実施形態の発光モジュール50に含まれるLEDダイ51の斜視図である。図5に示すようにLEDダイ51は、概ね平面形状が正方形に近い直方体であり、幅及び長さが約1000μm、高さが約200μmである。LEDダイ51に含まれる半導体基板52の上部には半導体層53が形成されている。LEDダイ51上面の二隅(角部)にはアノード電極54(円形)が配置され、他の二隅(角部)にカソード電極55(矩形)が配置されている。
蛍光体56は、アノード電極54及びカソード電極55と後述するフレキシブルプリント基板57、58(図6参照)との接続部を避けるようにしながらLEDダイ51の上面だけに配置されている。蛍光体56の辺部はLEDダイ51の辺部と面一になっている。なお蛍光体56の厚さは、半導体基板52とほぼ等しいが、図2と同様に図5においてもアノード電極54が目立つようにするため薄く描いている(図6も同様)。
図6は発光モジュール50の斜視図である。図6に示すように回路基板59の上面にLEDダイ51がフェイスアップ実装されている。LEDダイ51のアノード電極54は、フレキシブルプリント基板57により回路基板59の電極59a(図7参照)と接続している。同様にLEDダイ51のカソード電極55は、フレキシブルプリント基板58により回路基板59の電極59b(図7参照)と接続している。LEDダイ51の上面にはアノード電極54が2個存在するため、フレキシブルプリント基板57はLEDダイ51のアノード電極54との接続部が2か所に分かれている。同様にカソード電極55も2個存在するため、フレキシブルプリント基板58はLEDダイ51のカソード電極55との接続部が2か所に分かれている。
このように平面形状が幅の広い長方形であるLEDダイ51の上面の4隅にアノード電極54及びカソード電極55を設け、フレキシブルプリント基板57、58がアノード電極54及びカソード電極55との接続部以外はLEDダイ51の上面と重ならないようにすると、蛍光体56を辺部においてアノード電極54及びカソード電極55の間に割り込ませることができるようになる。この結果、LEDモジュール50は、電流分布の集中を避けながら発光面積を広く確保できるようになる。なおアノード電極54及びカソード電極55を含む断面は図3に示した断面図と等しくなる。
図7は発光モジュール50のランドパターンを示す平面図である。それぞれのランドパターンは、回路基板59上に形成された電極59a、59b、59cに相当する。電極59a、59bは細長い長方形であり、電極59cは幅の広い長方形である。前述のとおり電極59cは、LEDダイ51の底面に形成された接続パターン(図3参照)と半田付けにより接合し、LEDダイ51を回路基板59に固定する。これに対し電極59a、59bは、フレキシブルプリント基板57、58によりアノード電極54及びカソード電極55と電気的に接続する(図6参照)。つまりフレキシブルプリント基板57、58は応力
のない状態でLEDダイ51及び回路基板59に接続している。
以上のように折り曲げられた状態でLEDダイ51の側面に沿うように配置されたフレキシブルプリント基板57、58は、LEDダイ51の固定に係る応力が掛らず、さらにワイヤーボンディングに比べて広い面積でアノード電極54及びカソード電極55と接合するため、発光モジュール50において簡単で確実な接続を達成できる。
(第3実施形態)
図8は本発明の第3実施形態として示す発光モジュール80の平面図であり、図9は発光モジュール80に含まれるフレキシブルプリント基板87の斜視図である。図8に示すように発光モジュール80は、図5に示したLEDダイ51を回路基板89上に4個フェイスアップ実装し2行2列となるように配置したものである。各LEDダイ51のアノード電極54及びカソード電極55は一のフレキシブルプリント基板87と接続している。フレキシブルプリント基板87は、4個の開口87aを有し、LEDダイ51を覆い、発光部と重なる部分が開口している。
なおフレキシブルプリント基板87には銅箔による回路が形成されている。すなわちフレキシブルプリント基板87の回路により、4個のLEDダイ51を直列接続、並列接続又は直並列接続させることができる。フレキシブルプリント基板87は、図6に示したフレキシブルプリント基板57、58と同様にLEDダイ51の辺に沿って折り曲げられているが、この折り曲げられた部分は、LEDダイ51の辺に沿って接するように折り曲げられたフレキシブルプリント基板57、58と異なり、LEDダイ51の辺から所定の間隔を保つように離されている。
図10は発光モジュール80のランドパターンを示す平面図である。ランドパターンは、細長い長方形の電極89a、89bと4個の幅の広い長方形の電極89cからなる。電極89a、89bは、LED51に電力を供給する+側電源端子と−側電源端子である。電極89cは、LEDダイ51の底面に形成された接続パターン(図3参照)と半田付けにより接合し、LEDダイ51を回路基板89に固定するものである。発光モジュール80でも発光モジュール10、50(図2、図6参照)と同様に、フレキシブルプリント基板87が応力のない状態でLEDダイ51及び回路基板89に接続している。
以上のように、折り曲げられた状態でLEDダイ51の側面に沿うように配置されたフレキシブルプリント基板87は、LEDダイ51の固定に係る応力が掛らず、ワイヤーボンディングに比べて広い面積でアノード電極54及びカソード電極55と接合し、さらに銅箔による回路を備えているため、発光モジュール80において簡単で確実な接続を達成できる。
なお、発光モジュール80では、フレキシブルプリント基板87と回路基板89とを接続させるランドパターンが電力供給用の電極89a、89bだけであった。しかしながら一のフレキシブルプリント基板により多数のLEDダイに電力供給する場合、LEDダイごとに個別に電力を供給しても良い。このとき電極89a又は電極89bが分割される。例えば各LEDダイが、それぞれ赤発光LEDダイ、緑発光LEDダイ、青発光LEDダイ、その他の色(例えば白)を発光するLEDダイであるとき、各LEDダイに個別に電力を供給しても良い。各LEDダイへの電力供給量を調節することにより発光モジュールの調光及び調色が可能となる。各LEDダイ同士の平面形状が異なっている場合は開口や接続部の形状を調整する。LEDダイ同士の高さは等しいことが好ましいが、多少異なっても良い。
(第4実施形態)
図11は本発明の第4実施形態として示す発光モジュール90の平面図、図12は発光モジュール90に含まれるフレキシブルプリント基板97の斜視図、図13は発光モジュール90のランドパターンを示す平面図である。
図11に示すように発光モジュール90は、図8に示した発光モジュール80に比べ多数のLEDダイ51を回路基板99上に略円形に配列させたものである。各LEDダイ51のアノード電極54及びカソード電極55は一のフレキシブルプリント基板97と接続している。
フレキシブルプリント基板97は、フレキシブルプリント基板87(図8参照)と同様にLEDダイ51の発光部と重なる部分に開口97a(アノード電極54等の接続部は省略した)を備え、銅箔による回路が形成されている。すなわちフレキシブルプリント基板97の回路により、LEDダイ51を直列接続、並列接続又は直並列接続させることができる。フレキシブルプリント基板97は、図6に示したフレキシブルプリント基板57、58と同様に図の上下に示したLEDダイ51の辺に沿って折り曲げられているが、この折り曲げた部分は、フレキシブルプリント基板57、58と異なり、LEDダイ51の辺から所定の間隔を保つように離されている。
図13に示すようにランドパターンは、細長い長方形の電極99a、99bと24個の幅の広い長方形の電極99cからなる。電極99a、99bはLEDダイ51に電力を供給する+側電源端子と−側電源端子である。電極99cは、LEDダイ51の底面に形成された接続パターン(図3参照)と半田付けにより接合し、LEDダイ51を回路基板99に固定する。つまり発光モジュール90も発光モジュール10、50、80(図2、図6、図8参照)と同様にフレキシブルプリント基板97が応力のない状態でLEDダイ51及び回路基板99(図11参照)に接続している。
以上のように折り曲げられた状態でLEDダイ51の側面に沿うように配置されたフレキシブルプリント基板97は、LEDダイ51の固定に係る応力が掛らず、ワイヤーボンディングに比べて広い面積でアノード電極54及びカソード電極55と接合し、さらに銅箔による回路を備えているため、発光モジュール90において簡単で確実な接続を達成できる。また発光モジュール90は、発光モジュール80と同様に個別に(又はグループ毎に)LEDダイ51に電力を供給するようにしても良い。
10、50、80、90…発光モジュール、
11、51…LEDダイ、
12、52…半導体基板、
12a…接続用パターン、
13、53…半導体層、
13a…n−GaN層、
13b…p−GaN層、
14、54…アノード電極、
15、55…カソード電極、
16、56…蛍光体、
17、18、57、58、87、97…フレキシブルプリント基板、
19、59、89、99…回路基板、
19a、19b、19c、59a、59b、59c、
89a、89b、89c、99a、99b、99c…電極、
33a、33b、33c…半田、
34…ポリイミドシート(ベースシート)、
35…銅箔、
36…絶縁層、
87a、97a…開口。

Claims (3)

  1. LEDダイと回路基板とフレキシブルプリント基板を備え、
    前記LEDダイは、半導体基板の上部に形成された半導体層の上面にアノード電極及びカソード電極を有し、前記回路基板にフェイスアップ実装され、
    前記フレキシブルプリント基板は、ベースシート上に配線パターンが形成され、一部分が前記LEDダイの側面に沿うように折り曲げられ、前記アノード電極又は前記カソード電極と前記回路基板の上面に形成された電極とを接続し
    前記LEDダイは、上面が長方形又は正方形であって、それぞれの角部に前記アノード電極又は前記カソード電極が配置され、
    前記フレキシブルプリント基板は、前記LEDダイの前記アノード電極又は前記カソード電極との接続部が2か所に分かれている
    ことを特徴とする発光モジュール。
  2. 前記半導体基板は、Siである
    ことを特徴とする請求項1に記載の発光モジュール。
  3. 前記アノード電極及び前記カソード電極と前記フレキシブルプリント基板との接続部を避けるようにしながら、蛍光体が、前記半導体層の上面にのみ配されている
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の発光モジュール。
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