JPWO2016174892A1 - Ｌｅｄパッケージ、発光装置およびｌｅｄパッケージの製造方法 - Google Patents

Abstract

発光装置に使用されるＬＥＤパッケージにセルフアラインによる実装時の位置補正の機能をもたせつつ、そのＬＥＤパッケージの実装密度を向上させる。ＬＥＤパッケージは、下面に素子電極を有するＬＥＤ素子と、蛍光体を含有しＬＥＤ素子の上面および側面を被覆する蛍光体層と、上面が素子電極の下面に接着された補助電極とを有し、補助電極は、素子電極よりも大きく、上面よりも下面の方が小さくなる段差を有し、段差が形成された側の端部が蛍光体層の外周面よりも内側に位置するように配置されている。

Description

本発明は、ＬＥＤパッケージ、発光装置およびＬＥＤパッケージの製造方法に関する。

半導体チップの実装方法として、例えば金や半田による突起状のバンプ電極を介して半導体チップを基板の電極に接続するものが知られている。特に、バンプ電極と基板側の電極の形状を工夫することにより、実装時に両者の位置ずれが起こらないようにした半導体モジュールが提案されている。

例えば、特許文献１には、実装面側の端子に突起状のバンプを設けた半導体ベアチップと、この半導体ベアチップのバンプと接続される接続用電極を設けた実装基板とからなり、この実装基板の接続用電極自身または接続用電極の上部に半導体ベアチップの突起状のバンプをガイドする凹部を設けた半導体実装モジュールが記載されている。

また、特許文献２には、半導体チップ側に突起状の電極が形成され、基板側に挿入開口部を有する電極が形成され、半導体チップ側の電極が基板側電極の挿入開口部の開口縁に沿って基板側電極の中心に向かう方向に摺動しながら挿入開口部に挿入されて基板側電極と接続する半導体チップの電極接続構造が記載されている。

特開２００３−２７３１６０号公報 特開２００８−０２１７５１号公報

半導体チップとしてＬＥＤ（発光ダイオード）パッケージを有する発光装置では、高輝度化を実現するために、ＬＥＤパッケージを基板上に高密度に実装することが求められている。一般に、実装部品が正規の位置からずれて基板上に実装されても、そのずれは、許容範囲内であれば、セルフアラインと呼ばれる現象によりリフロー時に自動的に修復される。しかしながら、小型化したＬＥＤパッケージの場合には、電極がパッケージ本体に比べて特に小さくパッケージ下面の中心付近に形成されるので、セルフアラインが起こりにくく、実装時の位置ずれは修復されにくい。このため、セルフアラインの効果が得られるように、より大きな補助電極をＬＥＤパッケージに設けることが考えられる。しかしながら、補助電極を設けるとＬＥＤパッケージの外形が大きくなり、ＬＥＤパッケージを高密度に実装することが難しくなる。

そこで、本発明は、発光装置に使用されるＬＥＤパッケージにセルフアラインによる実装時の位置補正の機能をもたせつつ、そのＬＥＤパッケージの実装密度を向上させることを目的とする。

下面に素子電極を有するＬＥＤ素子と、蛍光体を含有しＬＥＤ素子の上面および側面を被覆する蛍光体層と、上面が素子電極の下面に接着された補助電極とを有し、補助電極は、素子電極よりも大きく、上面よりも下面の方が小さくなる段差を有し、段差が形成された側の端部が蛍光体層の外周面よりも内側に位置するように配置されていることを特徴とするＬＥＤパッケージが提供される。

上記のＬＥＤパッケージでは、ＬＥＤ素子は箱型の形状を有し、補助電極の段差は箱型の縦方向と横方向の両方で形成されていることが好ましい。

また、下面に素子電極を有するＬＥＤ素子と、蛍光体を含有しＬＥＤ素子の上面および側面を被覆する蛍光体層と、上面が素子電極の下面に接着された補助電極と、補助電極が接続される配線パターンが形成された実装基板とを有し、補助電極は、素子電極よりも大きく、上面よりも下面の方が小さくなる段差を有し、段差が形成された側の端部が蛍光体層の外周面よりも内側に位置するように配置されていることを特徴とする発光装置が提供される。

上記の発光装置では、ＬＥＤ素子は下面に２個の素子電極を有し、補助電極は、２個の素子電極にそれぞれ対応して設けられ、実装基板の配線パターンは、２個の素子電極にそれぞれ接続される２個の部分に分かれており、素子電極同士の間隔と、補助電極同士の間隔と、配線パターン同士の間隔とが一致していることが好ましい。

また、ＬＥＤ素子の下面に形成された素子電極よりも大きい上面と上面よりも下面の方が小さくなる段差とを有する金属片を、金属片と同じ形状の凹部が形成された基板の上に配置する工程と、基板を振動させて金属片を凹部に収容させる工程と、蛍光体を含有する蛍光体層で上面および側面が被覆され、蛍光体層を含めた幅が金属片の幅よりも大きいＬＥＤ素子を、金属片が補助電極としてＬＥＤ素子の素子電極に接続されるように、凹部に収容された金属片の上に実装する工程と、補助電極が接続されたＬＥＤ素子を基板から取り外す工程とを有することを特徴とするＬＥＤパッケージの製造方法が提供される。

上記の配置する工程では、凹部が複数個形成された基板の上に金属片を複数個配置し、実装する工程では、凹部に収容された複数個の金属片の上に複数個のＬＥＤ素子を実装することが好ましい。

本発明によれば、発光装置に使用されるＬＥＤパッケージにセルフアラインによる実装時の位置補正の機能が与えられ、かつそのＬＥＤパッケージの実装密度を向上させることが可能になる。

発光装置１の上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った発光装置１の断面図である。 発光装置１の拡大断面図である。 （Ａ）〜（Ｇ）は、ＬＥＤ素子２１の形状を示す図である。 （Ａ）〜（Ｇ）は、蛍光体層２３が付いたＬＥＤ素子２１の形状を示す図である。 （Ａ）〜（Ｇ）は、さらに補助電極２４が付いたＬＥＤパッケージ２の形状を示す図である。 補助電極２４’の形状を示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｇ）は、ＬＥＤパッケージ２の製造工程を説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ、ＬＥＤパッケージ、発光装置およびＬＥＤパッケージの製造方法について説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。

図１は、発光装置１の上面図である。発光装置１は、例えば照明用ＬＥＤ、ＬＥＤ電球などの種々の照明装置における発光部に相当し、主要な構成要素として、複数のＬＥＤパッケージ２と、実装基板３とを有する。複数のＬＥＤパッケージ２は、実装基板３に密集して（狭ピッチで）実装される。図１では、９個のＬＥＤパッケージ２が３×３個の格子状に実装されている場合の例を示している。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った発光装置１の断面図である。また、図３は、発光装置１の拡大断面図である。図２は、発光装置１に含まれる９個のうち３個のＬＥＤパッケージ２と、実装基板３との断面を示している。また、図３は、図２における左端部分の拡大図である。

ＬＥＤパッケージ２は、素子電極２２付きのＬＥＤ素子２１と、蛍光体層２３と、補助電極２４とを有する。ＬＥＤパッケージ２は、ＬＥＤ素子２１の下面にある素子電極２２にフリップチップ接合用のバンプである補助電極２４が形成されたバンプタイプの発光素子である。以下では、まずＬＥＤパッケージ２の構成要素について、図４（Ａ）〜図６（Ｇ）を用いて説明する。

図４（Ａ）〜図４（Ｇ）は、ＬＥＤ素子２１の形状を示す図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）は、それぞれＬＥＤ素子２１の上面図、側面図および底面図である。図４（Ｄ）は、下面２１３を上に向けた（すなわち、上下を逆さまにした）ＬＥＤ素子２１の斜視図であり、図４（Ｅ）は、上面２１１を上に向けたＬＥＤ素子２１の斜視図である。また、図４（Ｆ）は図４（Ｄ）のＩＶＦ−ＩＶＦ線に沿った、図４（Ｇ）は図４（Ｅ）のＩＶＧ−ＩＶＧ線に沿ったＬＥＤ素子２１の断面図である。

ＬＥＤ素子２１は、例えば、発光波長帯域が４５０〜４６０ｎｍ程度の青色光を発光する青色系の半導体発光素子（青色ＬＥＤ）である。ＬＥＤ素子２１は、下面２１３における中央を挟んだ対称な位置に、２個（１対）の矩形の素子電極２２を有する。図示したＬＥＤ素子２１は直方体（箱型）の形状を有するが、ＬＥＤ素子の形状は、円柱または八角柱などの他の形状であってもよい。

図５（Ａ）〜図５（Ｇ）は、蛍光体層２３が付いたＬＥＤ素子２１の形状を示す図である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）は、それぞれ図４（Ａ）、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）に対応する上面図、側面図および底面図である。図５（Ｄ）および図５（Ｅ）は、それぞれ図４（Ｄ）および図４（Ｅ）に対応する斜視図である。また、図５（Ｆ）は図５（Ｄ）のＶＦ−ＶＦ線に沿った、図５（Ｇ）は図５（Ｅ）のＶＧ−ＶＧ線に沿った断面図である。

蛍光体層２３は、例えば、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの無色かつ透明な樹脂に蛍光体の粒子（図示せず）を分散混入させて構成される。蛍光体層２３は、ＬＥＤ素子２１の上面２１１および側面２１２（図４（Ａ）〜図４（Ｇ）を参照）を一様に被覆する。すなわち、蛍光体層２３は、ＬＥＤ素子２１の素子電極２２が形成された下面２１３以外を被覆する。ＬＥＤ素子２１の下面２１３では、各辺の端部に蛍光体層２３の端部があり、下面２１３の中央では下面２１３と素子電極２２が露出している。蛍光体層２３は、蛍光体の粒子を一様に含有し、下面２１３を除くＬＥＤ素子２１の各面を均等な厚さで覆うことが好ましい。

蛍光体層２３は、例えば黄色蛍光体を含有する。黄色蛍光体は、ＬＥＤ素子２１が出射した青色光を吸収して黄色光に波長変換する、例えばＹＡＧ（yttrium aluminum garnet）などの粒子状の蛍光体材料である。ＬＥＤパッケージ２は、青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子２１からの青色光と、それによって黄色蛍光体を励起させて得られる黄色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。

あるいは、蛍光体層２３は、例えば緑色蛍光体と赤色蛍光体などの複数種類の蛍光体を含有してもよい。緑色蛍光体は、ＬＥＤ素子２１が出射した青色光を吸収して緑色光に波長変換する、例えば（ＢａＳｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋などの粒子状の蛍光体材料である。赤色蛍光体は、ＬＥＤ素子２１が出射した青色光を吸収して赤色光に波長変換する、例えばＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋などの粒子状の蛍光体材料である。この場合、ＬＥＤパッケージ２は、青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子２１からの青色光と、それによって緑色蛍光体および赤色蛍光体を励起させて得られる緑色光および赤色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。

あるいは、蛍光体層２３が含有する蛍光体の種類をＬＥＤパッケージ２ごとに変えてもよい。この場合、ＬＥＤパッケージ２ごとに異なる色の出射光を混色させることで、発光装置１全体として、用途に応じた色の光を生成してもよい。

図６（Ａ）〜図６（Ｇ）は、さらに補助電極２４が付いたＬＥＤパッケージ２の形状を示す図である。図６（Ａ）、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）は、それぞれ図４（Ａ）、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）に対応する上面図、側面図および底面図である。図６（Ｄ）および図６（Ｅ）は、それぞれ図４（Ｄ）および図４（Ｅ）に対応する斜視図である。また、図６（Ｆ）は図６（Ｄ）のＶＩＦ−ＶＩＦ線に沿った、図６（Ｇ）は図６（Ｅ）のＶＩＧ−ＶＩＧ線に沿った断面図である。

補助電極２４は、２個の素子電極２２にそれぞれ対応する２個（１対）の金属片で構成され、ＬＥＤパッケージ２を実装基板３に固定するときの半田付け電極として機能する。１対の補助電極２４の上面２４１は、１対の素子電極２２の間におけるＬＥＤ素子２１の下面２１３の中央を通る帯状の領域（隙間部分２４０）を挟んで、対応する素子電極２２の下面に互いに平行に取り付けられている。１対の補助電極２４の隙間部分２４０では、ＬＥＤ素子２１の下面２１３が露出している。個々の補助電極２４は素子電極２２よりも大きいが、ＬＥＤパッケージ２を下方から見たときに１対の補助電極２４で覆われる面積は、ＬＥＤパッケージ２の下面全体の面積よりも小さい。さらに、補助電極２４は、側方において最も外側にある端部が蛍光体層２３の外周面よりも内側に位置するように配置される。すなわち、ＬＥＤパッケージ２を上方から見たときには補助電極２４の端部は蛍光体層２３からはみ出さず、補助電極２４は蛍光体層２３に隠れて見えないように配置されている。

個々の補助電極２４は、上面２４１よりも下面２４２の方が小さくなる段差２４３を有する。段差２４３は、１対の補助電極２４で挟まれた隙間部分２４０に平行に形成されている。すなわち、補助電極２４は、２個平行に並んだ板状の金属片の互いに外側に位置する端部がそれぞれ内側の端部に比べて薄くなるようにその金属片間の隙間部分に平行に削り取られたような形状を有する。段差２４３があることにより、補助電極２４は、隙間部分２４０に面する内側の方が外側よりも１段厚くなるとともに、実装基板３に接触する側の下面２４２がＬＥＤ素子２１側の上面２４１よりも小さくなる。

次に、実装基板３について、図１および図２を用いて説明する。実装基板３は、例えばガラスエポキシ基板、ＢＴレジン基板、セラミックス基板またはメタルコア基板などの絶縁性基板である。実装基板３の上面には、複数のＬＥＤパッケージ２の補助電極２４が接続される配線パターン３１が形成されている。配線パターン３１のうちＬＥＤパッケージ２で覆われない部分の上面には、図１における実装基板３の左端と右端を除いて、レジスト３２が形成されている。

配線パターン３１は、図１における横方向に３個×３列配列したＬＥＤパッケージ２に対応して、３列形成されている。図２に示すように、各列の配線パターン３１は、ＬＥＤパッケージ２の下に切れ目があり、各ＬＥＤパッケージ２の一方の補助電極２４が接続される部分と、他方の補助電極２４が接続される部分に分かれている。図２に示すように、ＬＥＤパッケージ２の素子電極２２同士の間隔ｄ１と、補助電極２４同士の間隔ｄ２と、実装基板３の配線パターン３１同士の間隔ｄ３とは、それぞれ一致している。各列の３個のＬＥＤパッケージ２は直列に接続されており、図１における実装基板３の左端と右端の配線パターン３１が外部電源に接続されて電圧が印加されることにより、発光装置１は発光する。

補助電極２４が設けられていることにより、ＬＥＤパッケージ２が実装基板３に実装されるときにはセルフアラインの効果が得られる。このため、ＬＥＤパッケージ２が正規の位置から多少ずれて実装基板３上に配置されたとしても、その位置ずれは自動的に補正される。

また、補助電極２４に段差２４３が形成されていることにより、図３に示すように、ＬＥＤパッケージ２を実装基板３に固定するための半田４０は、実装基板３の配線パターン３１と補助電極２４の段差２４３との間に収まる。このため、１対の補助電極２４の内側にある隙間部分２４０に半田４０がはみ出さなくなるので、半田４０はＬＥＤ素子２１の素子電極２２に接触しないようになり、素子電極２２が半田４０に侵食されることがなくなる。また、補助電極２４があることにより、リフロー時に高温となったフラックスがＬＥＤ素子２１と蛍光体層２３との界面から侵入することが少なくなるので、ＬＥＤパッケージ２を保護する効果も得られる。

さらに、補助電極２４は蛍光体層２３からはみ出さない範囲内で側方に広がっているので、実装基板３上に複数のＬＥＤパッケージ２を近接させて実装するときに、補助電極２４が邪魔になることもない。このため、発光装置１では、バンプタイプのＬＥＤパッケージ２を複数個密集させて実装することも可能になる。これにより、複数のＬＥＤパッケージ２による出射光の混色性が向上する。

図７は、補助電極２４’の形状を示す斜視図である。図７では、下面２４２’を上に向けた状態の補助電極２４’を示している。今まで説明してきた補助電極２４では、段差２４３は隙間部分２４０に垂直な１方向にのみ形成されていたが、この段差は、箱型のＬＥＤ素子２１の縦方向と横方向の両方で形成されていてもよい。図７に示す補助電極２４’は、隙間部分２４０’に垂直なＸ方向に形成された段差２４３’と、隙間部分２４０’に平行なＹ方向に形成された段差２４４’とを有する。段差以外の点では、補助電極２４’の形状および大きさの特徴は、補助電極２４のものと同じである。このように、２方向に段差２４３’，２４４’を形成して、ＬＥＤ素子２１側の上面の面積よりも実装基板３に接触する側の下面２４２’の面積をさらに小さくしてもよい。これにより、上記したセルフアラインの効果や半田４０のはみ出しを防止する効果などがさらに向上する。

図８（Ａ）〜図８（Ｇ）は、ＬＥＤパッケージ２の製造工程を説明するための図である。ＬＥＤパッケージ２の製造時には、まず、図８（Ａ）に示すように、補助電極２４となる小さな金属片５０が複数個用意される。金属片５０は、例えば銅で構成された、上面が０．５×１ｍｍ程度の大きさの板状部材である。図８（Ａ）〜図８（Ｇ）には詳細を示していないが、金属片５０は単なる直方体ではなく、上面よりも下面の方が小さく、上記した補助電極２４と同じ形状の段差を有する。図８（Ｂ）に示すように、金属片５０には予めＳｎめっき（バレルめっき）が施されて、金属片５０’になる。

次に、図８（Ｃ）に示すように、金属片５０’と同じ形状の凹部６１が複数個形成された基板６０が用意され、基板６０の上に金属片５０’が複数個配置される。そして、基板６０を振動させることにより、金属片５０’を凹部６１に収容させる。金属片５０’には段差が形成されており上下で形が異なるため、凹部６１の形状を金属片５０’の形状に合わせておけば、金属片５０’が逆さに凹部６１に収まることはなく、上面を上に向けた状態で複数の金属片５０’を配置することが可能になる。

続いて、図８（Ｄ）に示すように、凹部６１に金属片５０’が収容された基板６０の上に半田６２が印刷される。これにより、図８（Ｅ）に示すように、各金属片５０’の上面には、金属片５０’をＬＥＤ素子の素子電極に接着させるため半田６２が形成される。

さらに、図８（Ｆ）に示すように、蛍光体を含有する蛍光体層２３で上面および側面が被覆され、蛍光体層２３を含めた幅が金属片５０’の幅よりも大きいＬＥＤ素子２１が、金属片５０’の上に配置される。ＬＥＤ素子２１は、下面に形成された素子電極２２が金属片５０’に載るように配置され、半田６２により金属片５０’に固定される。このとき、２個の金属片５０’を１対として、凹部６１に収容された複数個の金属片５０’の上に、複数個のＬＥＤ素子２１が実装される。

最後に、図８（Ｇ）に示すように、金属片５０’が接続されたＬＥＤ素子２１を基板６０から取り外す。これにより、金属片５０’が補助電極２４としてＬＥＤ素子２１の素子電極２２に接続されたＬＥＤパッケージ２が得られる。

以上の製造工程には、多数のＬＥＤ素子２１に一括して補助電極２４を取り付けることができるため、工数が大幅に削減されるという利点がある。

Claims (6)

1. 下面に素子電極を有するＬＥＤ素子と、
   蛍光体を含有し前記ＬＥＤ素子の上面および側面を被覆する蛍光体層と、
   上面が前記素子電極の下面に接着された補助電極と、を有し、
   前記補助電極は、
   前記素子電極よりも大きく、
   前記上面よりも下面の方が小さくなる段差を有し、
   前記段差が形成された側の端部が前記蛍光体層の外周面よりも内側に位置するように配置されている、
   ことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
2. 前記ＬＥＤ素子は箱型の形状を有し、
   前記補助電極の段差は前記箱型の縦方向と横方向の両方で形成されている、請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
3. 下面に素子電極を有するＬＥＤ素子と、
   蛍光体を含有し前記ＬＥＤ素子の上面および側面を被覆する蛍光体層と、
   上面が前記素子電極の下面に接着された補助電極と、
   前記補助電極が接続される配線パターンが形成された実装基板と、を有し、
   前記補助電極は、
   前記素子電極よりも大きく、
   前記上面よりも下面の方が小さくなる段差を有し、
   前記段差が形成された側の端部が前記蛍光体層の外周面よりも内側に位置するように配置されている、
   ことを特徴とする発光装置。
4. 前記ＬＥＤ素子は下面に２個の素子電極を有し、
   前記補助電極は、前記２個の素子電極にそれぞれ対応して設けられ、
   前記実装基板の配線パターンは、前記２個の素子電極にそれぞれ接続される２個の部分に分かれており、
   前記素子電極同士の間隔と、前記補助電極同士の間隔と、前記配線パターン同士の間隔とが一致している、請求項３に記載の発光装置。
5. ＬＥＤ素子の下面に形成された素子電極よりも大きい上面と前記上面よりも下面の方が小さくなる段差とを有する金属片を、前記金属片と同じ形状の凹部が形成された基板の上に配置する工程と、
   前記基板を振動させて前記金属片を前記凹部に収容させる工程と、
   蛍光体を含有する蛍光体層で上面および側面が被覆され、前記蛍光体層を含めた幅が前記金属片の幅よりも大きいＬＥＤ素子を、前記金属片が補助電極として前記ＬＥＤ素子の素子電極に接続されるように、前記凹部に収容された前記金属片の上に実装する工程と、
   前記補助電極が接続された前記ＬＥＤ素子を前記基板から取り外す工程と、
   を有することを特徴とするＬＥＤパッケージの製造方法。
6. 前記配置する工程では、前記凹部が複数個形成された基板の上に前記金属片を複数個配置し、
   前記実装する工程では、前記凹部に収容された複数個の前記金属片の上に複数個の前記ＬＥＤ素子を実装する、請求項５に記載の製造方法。

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