JP2008042149A - 大電流高効率の表面実装型発光ダイオードランプおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板にチップを実装した、大電流で駆動可能な発光ダイオードランプを提供する。
【解決手段】回路基板と、該回路基板上の熱伝導性の金属製電極層に、集積して実装された発光ダイオードチップと、該発光ダイオードチップ上にモールド形成された光抽出部と、前記発光ダイオードチップが実装された前記電極層の底面の少なくとも一部を露出させた熱放出用露出構造、または該電極層を上下方向に略貫通する貫通孔を有してなる熱放出用柱構造の少なくとも一方からなる熱放出部を具備する、発光ダイオードランプ。
【選択図】図６

Description

本発明は、表面実装型（ＳＭＤ）発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプおよびその製造方法に関し、とくに、小型・薄型化の形状特性を維持しながら、大電流駆動時の性能の向上、即ち効率を画期的に改善した発光ダイオードランプの製造を可能にするとともに、生産収率の向上、コストの低減といった製造上の利点を有する新規な方法に関する。

大電流で駆動可能な表面実装型発光ダイオードランプに関する従来技術の第１の例を図１〜３に示す。第１の例では、図１に示すようにリードを構成して、支持台および反射板を射出成形してリードフレーム１０２を得る。さらにこのリードフレーム１０２に発光ダイオードチップ１１０を実装するとともに、アルミナセラミックスボディ１０８を形成し、その後各素子をディスペンス工法にてモールドしてトリム技法で素子を分離する。そして、分離した発光素子を、はんだ層１０４を介してプリント基板１０６および銅製の基板パッド１１６の上に配置して発光ダイオードランプ１００を製作する。発光ダイオードランプ１００の電極リード１０２は、熱放出の通路としても機能するが、断面積が小さく、その効果は微々たるものである。そのため、熱放出構造として貫通孔１１２および放熱パッド１１４を設ける必要がある。発光ダイオードチップ１１０から発生する熱の放出経路を矢印で示す。この構造は、数十〜数百ミリアンペア（ｍＡ）の電流下でも駆動しうるが、駆動電流が大きくなるにつれて、全体のサイズが大きくなり、生産コストが高いという欠点を有する。

図２、図３は、リードフレームに発光ダイオードチップを実装した別の例を示す。図１の例と共通または対応する構成については適宜説明を省き、同じ符号を付すものとする。ポリマーからなるボディ１２２を有する図２の例の発光ダイオードランプ１２０では、金属（銅）スラグボディ１２４を利用して放熱を行う。この従来例でも、リード１０２による熱放出は、断面積が小さいためにほとんど機能しない。図３に示すセラミック（ＡＩＮ）ボディ１４２を有する発光ダイオードランプ１４０は、リードフレーム１４４を熱伝導性の高い材料で形成しており、熱放出の通路として作用する。しかし、図１、図２のものと同様に、断面積が小さいためその機能は十分ではない。図１〜３を参照して説明した従来技術の第１の例の発光ダイオードランプは、少量生産する際に、不良品が発生する割合が高くなって収率管理が困難になるとともに、熱放出構造を設けるために材料費の増大など追加のコストが発生する。

従来技術の第２の例を図４、図５に示す。図４、図５に示すように、この第２の例の発光ダイオードランプは、リード１６２に支持された回路基板１６４を利用してその上に発光ダイオードチップ１７０を実装した後、トランスファー成形によりモールド層１６６を形成し、最後にダイシングで各素子を分離して得られる。モールドする際には、蛍光体１６８を添加物として加える。図５に示す発光ダイオードランプ１８０の例では、トランスファー成形によりレンズ部１８２を形成する。この従来例の特徴は、反射板１８４およびガイド１８６を回路基板上に設置することによって、光が略一定の指向性を有するようになり、生産収率およびコスト低減が可能である点である。しかしながら、熱放出構造が設けられていないため、素子の発光効率の低下が生じ、大電流下での駆動が困難である。

上述した第１の例のように、リードフレーム１０２を使用して発光ダイオードチップ１１０をパッケージ化する場合、通常ディスペンス工法を用いるが、チップ１１０の中心波長エネルギー、スペクトラムおよび光束に応じて蛍光体の濃度および混合量を変えなければならないので、正常品の収率管理が困難である。また、ディスペンス工法においてディスペンス量の調節をする際に、非常に高い精度の吐出量の調節が必要となるため、同様に正常品の収率管理が困難である。

リードフレーム１０２を利用してトランスファー工法やキャスティング工法を用いてレンズ部（図示せず）を設けたり、またはレンズを接着して取り付けることでレンズ部（図示せず）を形成する方法もあるが、工程数が増加し、リードフレームおよび金型のコストの増大により生産収率が低下するなど、逆にコスト上昇の要因になる。

また、上述した図５に示した第２の例のように発光ダイオードチップ１７０を回路基板１６４の平面上に実装する場合、チップ１７０から発生する光は、光反射板１８４で反射されて指向性を有するが、構造的に薄型であるため光反射効率、光の指向性、および他の光利用効率などの点でリードフレーム基板を利用する場合に比べて全般的に性能が低下するといった問題が生じる。

本発明は、発光ダイオードチップを実装するための基板として回路基板を利用した場合に問題となる過度の発熱を防ぐとともに、大電流駆動を可能とし、かつ高いエネルギー効率を達成することを目的とする。

本発明は、従来技術の課題を解決し、上記目的を達成するために次のような特徴を有する。
すなわち、本発明は、回路基板と、該回路基板上の熱伝導性の金属製電極層に、集積して実装された発光ダイオードチップと、該発光ダイオードチップ上にモールド形成された光抽出部と、前記発光ダイオードチップが実装された前記電極層の底面の少なくとも一部を露出させた熱放出用露出構造、または該電極層を上下方向に略貫通する貫通孔を有してなる熱放出用柱構造の少なくとも一方からなる熱放出部を具備する、発光ダイオードランプに関する。

また、本発明は、発光ダイオードチップを集積して実装可能な回路基板を用意する第一工程、前記回路基板上の熱伝導性の金属製電極層に発光ダイオードチップを集積して実装し、モールドして光抽出部を形成する第二工程、熱放出部として、前記発光ダイオードチップを実装させた前記電極の金属層の少なくとも一部を露出させて熱放出用露出構造を形成する第三工程、各発光ダイオード素子を分離する第四工程を含む、発光ダイオードランプの製造方法に関する。
さらに、本発明は、第三工程が、第二工程でモールドした後に、ラッピングまたはエッチングにより電極の金属層の底面全体を露出させることを含む、上記製造方法に関する。
さらに、本発明は、第三工程が、第二工程でモールドした後に、ダイシングにより直線状に延在する凹み部を形成して、電極の金属層の底面の一部を露出させることを含む、上記製造方法に関する。

さらにまた、本発明は、発光ダイオードチップを集積して実装可能な回路基板を用意する第一工程、熱放出部として、前記回路基板上の熱伝導性の金属製電極層を上下方向に略貫通する貫通孔を形成して熱放出用柱構造を形成する第二工程、前記金属製電極層に発光ダイオードチップを集積して実装し、モールドして光抽出部を形成する第三工程、各発光ダイオード素子を分離する第四工程を含む、発光ダイオードランプの製造方法に関する。
また、本発明は、電極層がモールド形成された光抽出部によって支持されるように、回路基板の絶縁体層を除去することを含む、上記製造方法に関する。
また、本発明は、第二工程が、貫通孔を設けた後、熱伝導性材料で該貫通孔の内面をメッキ加工することによって、または貫通孔に熱伝導性材料を充填することによって、熱放出用柱構造を形成する工程を含む、上記製造方法に関する。
さらに、本発明は、第一工程において、２０μｍ〜８００μｍの厚さを有し、ＣｕまたはＡｌを含む電極の第一の金属層を形成すること、該金属層の下に（ＦＲ−４）エポキシ樹脂からなる２００μｍ〜８００μｍの厚さの絶縁体層を形成すること、および該絶縁体層の下に２０μｍ〜３０００μｍの厚さの第二の金属層を形成することを含む、上記製造方法に関する。

また、本発明は、第一の金属層を形成する際に、エッチングによりＰ型領域とＮ型領域に分離すること、およびエッチングした後、Ａｇで第一の金属層の表面をメッキ加工することにより反射構造を設けることを含む、上記製造方法に関する。
さらに、本発明は、反射構造が２種以上の曲率半径を有するように形成する、上記製造方法に関する。
さらに、本発明は、光抽出部をモールド形成する際に、屈折率が１．４〜２．５の範囲の材料でモールド形成することを含む、上記製造方法に関する。
さらにまた、本発明は、光抽出部をシリコーンまたはエポキシ材料から２００μｍ〜１０００μｍの厚さに形成し、回路基板およびエッチングによりＰ型領域とＮ型領域に分離された電極の金属層を支持可能とすることを含む、上記製造方法に関する。

本発明は、従来のリードフレームとディスペンス工法を用いる一般的な方法に比べて、小型および薄型でありながらも熱放出特性に優れ、大電流で駆動が可能であるとともに、エネルギー効率を大きく改善する。とくに大量生産しな場合にも性能の均一さ、収率および量産性などの点において優れるため、コスト低減が可能である。その結果として、ＬＥＤの需要創出に寄与し、同産業の発展に大きく寄与することが期待される。また、大型のチップの実装および多数のチップの実装が可能になるとともに、モールド成形の際に使用される蛍光体および拡散剤などのタブレット管理が容易になるため、生産者にとって在庫負担が少なくなり、かつデジタル式の光出力増大も可能である。

本発明の一態様として、発光ダイオードチップを集積して実装可能な回路基板を用意する第一工程、前記回路基板上の熱伝導性の金属製電極層に発光ダイオードチップを集積して実装し、モールドして光抽出部を形成する第二工程、熱放出部として、前記発光ダイオードチップを実装させた前記電極の金属層の少なくとも一部を露出させて熱放出用露出構造を形成する第三工程、各発光ダイオード素子を分離する第四工程を含む、発光ダイオードランプの製造方法を例にして、以下に説明する。

第一工程において、Ｃｕ、Ａｌなどを含む電極層、電極層の下方に位置するＣｕ層、および電極層とＣｕ層との間に挟まれたＦＲ−４の絶縁層とからなる回路基板を用意する。この際、とくに限定されないが、電極層を２０μｍ〜８００μｍの厚さに、絶縁層を２００μｍ〜８００μｍの厚さに、Ｃｕ層を２０μｍ〜３０００μｍの厚さにそれぞれ形成することが好ましい。さらに、基板上での反射効率を高めるために、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕなどの反射率の高い材料で電極層表面をメッキ加工することができる。また、基板で反射される光の指向性を高めるために、ハーフエッチングにより電極層に凹部を設けることも可能である。

第二工程において、第一工程で用意した回路基板の電極層にＬＥＤチップを実装し、ワイヤボンディングを行って電極間を接続する。その後、透過性が高く、屈折率が低い樹脂系材料、たとえばシリコーンまたはエポキシ材料などを用いてモールド成形を行い、ＬＥＤチップの全体を覆うように光抽出部（一次樹脂層）を形成する。
さらに、レンズの光効率を向上させるために屈折率が異なる層を形成したり、光の反射や誘導などを目的として、光透過性樹脂に蛍光体などの各種添加剤を混合して、レンズ部（二次樹脂層）を形成してもよい。また、モールドの代わりにフィルムを接着させることも可能である。

第三工程において、ダイシング工法により回路基板の裏面から下面のＣｕ層および絶縁層を除去し、電極層を露出させて、熱放出部を形成する。ここで、この熱放出用露出構造は、回路基板に形成する直線状に延在する凹部からなる溝状の熱放出通路として形成してもよく、また、ラッピング、エッチングなどの方法により電極層底面の全体を露出させるようにしてもよい。さらに本発明においては、電極として働く金属層の厚さを大きくして、金属層自体が放熱に寄与することができる。また、とくに上述した電極層の底面全体を露出させた場合には、電極層の下層にある絶縁層の略全体または大部分が除去されることになるので、除去した絶縁層に代わってＬＥＤチップに対して十分な支持を与える必要がある。そこで、本発明においては、光抽出部がＬＥＤチップを支持するように形成してもよい。

第四工程において、上記手順によって作成したＬＥＤチップを実装した発光素子を単位ごとにダイシングによって分離する。

以上説明した態様では、熱放出部として電極露出構造を設けたが、その代わりに電極層を略貫通する貫通孔を形成して熱放出部を形成してもよい。この場合、まず回路基板を用意し、基板裏面から貫通孔を形成してから光抽出部をモールド形成することが好ましい。さらに、形成した貫通孔の内面を導電性の高い金属、たとえばＡｇなどでメッキ加工することによって、熱が放出される通路を形成する。あるいは、貫通孔の空間を熱伝導性をもつ金属材料で充填することによって、熱放出通路を形成してもよい。

また、上記従来技術の第２の例においても、ＬＥＤチップが回路基板の平面上に実装されるが、チップからの放出光が光反射板で反射されて指向性を有する必要があるにもかかわらず、構造的に薄型であるため、光反射効率、光指向性その他の光利用効率などの点でリードフレーム基板を用いる場合に比べて全般的に性能の低下が発生する。一方、リードフレーム基板を用いる場合には、チップからの放出光によって光反射板または光ガイド部の劣化が起こる。
これらの問題を解決するため、本発明では、反射効率、指向特性その他の光利用効率を向上させるため、すなわち、側面および下面に入射する光の反射を誘導して光の抽出効率を高めるために、抽出された光が再度チップに入射し、再吸収されないように反射板および反射構造を設けることができる。

より具体的には、露光工程技術を利用して光反射板構造および指向構造を形成する。この場合、反射板の形状は複数の曲率半径を有するように、かつ下方向の光および側面に向かう光が指向特性を有するように形成することが好ましい。上記の反射構造にさらに反射率が高いＡｇなどの金属材料でコーティングしてもよい。この際、反射構造は、チップで放出された光の再吸収が起こらないように、その大きさを最適化設計する。

図６を参照して本発明の一例である発光ダイオードランプ１０を示す。銅製プレート（電極層）１２、銅製パッド１６およびその間に配される絶縁体層１４からなる回路基板を、その背面からダイシング工法により切削して凹部３０を形成して、電極層１２の一部を露出させる。これを、プリント基板２４上に銅製パッド２２を介してはんだ（１８）付けして発光ダイオード１０を得る。。ＬＥＤチップ２０の上方には、一次樹脂層（光抽出部）２６、二次樹脂層（レンズ部）２８を形成する。図中の矢印は、チップ２０から発生する熱の放出経路を示す。図示した例では、４カ所の凹部３０を設けたが、駆動電流などの設計仕様に応じてその個数および大きさは適宜変更することができる。

なお、後述する本発明の各態様の説明において、図６に示す態様と共通または対応する構成については適宜説明を省き、図６と同じ符号を付すものとする。

図７に示す本発明の別態様の発光ダイオードランプ４０では、電極層１２の底面全体を露出させることによって熱放出部を形成する。この際、図示したように、電極層１２下方の絶縁体層の略全体を除去する。この態様では、ＬＥＤチップ２０の下層の電極層１２が従来のものより厚く形成されており、本来の電極としての作用に加えて、高い放熱機能を有する。

また、熱放出部として、回路基板に貫通孔５２を形成した本発明の別の態様の発光ダイオードランプ５０を図８に示す。図中に矢印で示したとおり、ＬＥＤチップ２０から発生した熱は、貫通孔５２を通じて外部に放出される。この放熱機能をより高めるために、貫通孔５２の内面をＡｇ、Ａｕなどの電導性材料でメッキ処理したり、電導性の高い材料で貫通孔を充填してもよい。

本発明の幾つかの変形例
ＬＥＤチップ２０からの放出光に指向特性を持たせるために、光ガイド６２をチップ２０の周辺に設置することができる。レンズ部２８の内面、側面の周りにテーピングすることによって固定したり、反射率が高い樹脂材料を用いて型成形することができる。この場合、反射面が一定な傾斜面を持つように形成することもできる。図９、図１０に上記態様を示す。

ＬＥＤチップ２０からの光の指向性および出力特性を向上させるために、回路基板の電極層１２をハーフエッチングにより部分的に凹ませて、反射構造８２を形成してもよい。反射構造８２を具備する例を図１１、図１２に示す。この反射構造８２は、単数または複数の曲率半径を有するように形成したり、テーパ状、皿状または椀状に形成することによって、側面および下面に向かう光を誘導することができ、光の指向性および出力を高めている。銅製の電極層１２を一定厚さ（たとえば約１００μｍ以上）ハーフエッチングして反射構造８２を形成する場合、熱放出部８４はエッチングした部分の真下ではなく、回路基板の端部に形成する（図１２）ことが好ましい。また、必要に応じて、素子を分離する作業と同時に行うことができるように、適宜位置決めをすることができる。

熱放出用の貫通構造を具備するアルミナ−セラミックスパッケージの従来技術を示す図である。 金属スラグ構造の熱通路を具備するパッケージの従来技術を示す図である。 熱放出性のフレームで構成されたＡＩＮパッケージの従来技術を示す図である。 回路基板を用いた小型・薄型パッケージの従来技術を示す図である。

回路基板にガイド部およびトランスファーモールドレンズを取り付けたパッケージの従来技術を示す図である。 ダイシング工法を用いて形成された熱放出用通路を具備する本発明の一例を示す図である。 ラッピング工法を用いて電極底面全体を露出させて形成した熱放出部を具備する本発明の一例を示す図である。 電極層を略貫通して形成された熱放出部を具備する本発明の一例を示す図である。

光のガイド構造を具備する本発明の別の例を示す図である。 光のガイド構造を具備する本発明の別の例を示す図である。 光の反射構造を具備する本発明の別の例を示す図である。 光の反射構造を具備する本発明の別の例を示す図である。

符号の説明

１０、４０、５０、６０、７０、８０、９０ 発光ダイオードチップ
１２ 電極層
１４ 絶縁体層
１６ 銅製パッド
１８ はんだ層
２０ ＬＥＤチップ
２２ 銅製パッド
２４ プリント基板
２６ 一次樹脂層（光抽出部）
２８ 二次樹脂層（レンズ部）
３０ 凹部
５２ 貫通孔
６２ 光ガイド
８２ 反射構造
８４ 貫通孔

Claims (12)

1. 回路基板と、
   該回路基板上の熱伝導性の金属製電極層に、集積して実装された発光ダイオードチップと、
   該発光ダイオードチップ上にモールド形成された光抽出部と、
   前記発光ダイオードチップが実装された前記電極層の底面の少なくとも一部を露出させた熱放出用露出構造、または該電極層を上下方向に略貫通する貫通孔を有してなる熱放出用柱構造の少なくとも一方からなる熱放出部
   を具備する、発光ダイオードランプ。
2. 発光ダイオードチップを集積して実装可能な回路基板を用意する第一工程、
   前記回路基板上の熱伝導性の金属製電極層に発光ダイオードチップを集積して実装し、モールドして光抽出部を形成する第二工程、
   熱放出部として、前記発光ダイオードチップを実装させた前記電極の金属層の少なくとも一部を露出させて熱放出用露出構造を形成する第三工程、
   各発光ダイオード素子を分離する第四工程
   を含む、発光ダイオードランプの製造方法。
3. 第三工程が、第二工程でモールドした後に、ラッピングまたはエッチングにより電極の金属層の底面全体を露出させることを含む、請求項２に記載の方法。
4. 第三工程が、第二工程でモールドした後に、ダイシングにより直線状に延在する凹み部を形成して、電極の金属層の底面の一部を露出させることを含む、請求項２に記載の方法。
5. 発光ダイオードチップを集積して実装可能な回路基板を用意する第一工程、
   熱放出部として、前記回路基板上の熱伝導性の金属製電極層を上下方向に略貫通する貫通孔を形成して熱放出用柱構造を形成する第二工程、
   前記金属製電極層に発光ダイオードチップを集積して実装し、モールドして光抽出部を形成する第三工程、
   各発光ダイオード素子を分離する第四工程
   を含む、発光ダイオードランプの製造方法。
6. 電極層がモールド形成された光抽出部によって支持されるように、回路基板の絶縁体層を除去することを含む、請求項２〜５のいずれかに記載の方法。
7. 第二工程が、貫通孔を設けた後、熱伝導性材料で該貫通孔の内面をメッキ加工することによって、または貫通孔に熱伝導性材料を充填することによって、熱放出用柱構造を形成する工程を含む、請求項５に記載の方法。
8. 第一工程において、２０μｍ〜８００μｍの厚さを有し、ＣｕまたはＡｌを含む電極の第一の金属層を形成すること、該金属層の下に（ＦＲ−４）エポキシ樹脂からなる２００μｍ〜８００μｍの厚さの絶縁体層を形成すること、および該絶縁体層の下に２０μｍ〜３０００μｍの厚さの第二の金属層を形成することを含む、請求項２〜７のいずれかに記載の方法。
9. 第一の金属層を形成する際に、
   エッチングによりＰ型領域とＮ型領域に分離すること、および
   エッチングした後、Ａｇで第一の金属層の表面をメッキ加工することにより反射構造を設けることを含む、請求項８に記載の方法。
10. 反射構造が２種以上の曲率半径を有するように形成する、請求項９に記載の方法。
11. 光抽出部をモールド形成する際に、屈折率が１．４〜２．５の範囲の材料でモールド形成することを含む、請求項２〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 光抽出部をシリコーンまたはエポキシ材料から２００μｍ〜１０００μｍの厚さに形成し、回路基板およびエッチングによりＰ型領域とＮ型領域に分離された電極の金属層を支持可能とすることを含む、請求項１１に記載の方法。

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