JP2008098600A - 発光ダイオードパッケージ - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒートシンクの切削加工やタイなどの別途の締結手段なしに、ヒートシンク、リードフレーム、及びハウジングを効果的に結合させることのできる高出力発光ダイオードパッケージを提供すること。
【解決手段】中央に空洞を備えた絶縁性材質のハウジングと、ハウジングにカバーされて空洞に露出する内側リード及びハウジングの外部に延びる外側リードを含む導電性材質のリードフレームと、内側リードの下面に結合し、空洞を介して露出面を有するヒートシンクと、露出面上に実装されて内側リードと電気的に接続される発光ダイオードチップと、空洞をカバーするようにハウジングの上部に結合するレンズ部と、内側リードとヒートシンクとを電気的に絶縁するとともに熱的に結合させる絶縁接着シートとを具備することをする高出力特徴とする発光ダイオードパッケージ。
【選択図】図1
【解決手段】中央に空洞を備えた絶縁性材質のハウジングと、ハウジングにカバーされて空洞に露出する内側リード及びハウジングの外部に延びる外側リードを含む導電性材質のリードフレームと、内側リードの下面に結合し、空洞を介して露出面を有するヒートシンクと、露出面上に実装されて内側リードと電気的に接続される発光ダイオードチップと、空洞をカバーするようにハウジングの上部に結合するレンズ部と、内側リードとヒートシンクとを電気的に絶縁するとともに熱的に結合させる絶縁接着シートとを具備することをする高出力特徴とする発光ダイオードパッケージ。
【選択図】図1
Description
本発明は発光ダイオードパッケージに関し、より詳細には高出力発光ダイオードパッケージに関する。
発光ダイオード(Light Emitting Diode)は電流が加えられると様々な色の光を発生する半導体である。発光ダイオードから発生する光の色は主に発光ダイオードを構成する化学成分により決定されるが、前記発光ダイオードはフィラメントに基づいた発光素子に比べて長い寿命、低電圧駆動、優秀な初期駆動特性などの様々な利点を有するので、その需要が持続的に増加している。しかし、発光ダイオードも変換効率が100%ではないので、発光ダイオードチップから多くの熱が発生する。従って、熱が適切に放出されない場合、発光ダイオードの内部構成要素がそれらの熱膨張係数の差によってストレスを受けるので、発光ダイオードの金属製リードフレーム又はヒートシンクを介して発生する熱を放出する。
特に、近年、発光ダイオードは照明装置及び大型LCD用バックライト装置として採用されているが、これらはより大きな出力を必要とするので、このような高出力発光ダイオード(Power LED)には、より優れた放熱性能が求められる。
図10〜図14に示すように、従来の発光ダイオードパッケージは、全体的にInGaN半導体などで製造されたLEDチップ50と、LEDチップ50が装着されて放熱体の役割を果たす筒状の金属性スラグ(slug)であるヒートシンク(Heat Sink)30と、外部からLEDチップ50に電気を供給するための電極端子の役割を果たす複数のリードフレーム20と、リードフレーム20を固定及び収容するハウジング10と、LEDチップ50を保護して光学的特性を与えるためのハウジング10上部を覆うレンズ60とから構成される。
電極端子の役割を果たしている導電性金属からなるリードフレーム20は、プラスチック系樹脂でモールド成形されたハウジング10のリード装着孔13に挿入されるか、又はハウジング10の製作のための金型(図示せず)に配置された後、プラスチック樹脂を注入して一体に形成される。
ハウジング10の中央に形成された孔にヒートシンク30が挿入され、ヒートシンク30の上面にLEDチップ50が実装されるが、LEDチップ50は半田などによりサブマウント53に結合され、サブマウント53はLEDチップ50をヒートシンク30の上面に装着させる。ここで、図に示すように、LEDチップ50は導電性ワイヤによりリードフレーム20に電気的に接続される。
このようにLEDチップ50とリードフレーム20とがワイヤにボンディングされた後、プラスチック製のレンズ60をシリコーン(Silicone)又はエポキシ(Epoxy)でハウジング10の上部に固定すると発光ダイオードパッケージが完成する。もちろん、レンズ60をハウジング10の上部に固定する前に、LEDチップ50を収容するハウジング10の孔にエポキシなどの液状樹脂を充填して硬化させることにより、LEDチップ50及びワイヤを封止することができる。前記液状樹脂にはLEDチップの発光色に対応する蛍光体が含まれる。
一方、従来の発光ダイオードパッケージは、ハウジング10にヒートシンク30を結合させるために、ヒートシンク30の上面中央部が突出するように切削加工によって段差を形成し、ハウジング10の下面に溝15を形成することにより、ヒートシンク30を溝15に挿入する嵌合方式を用いるか、又は図10及び図14に示すように、ヒートシンク30の突出した中央部の外周面に溝35を形成してハウジング10の側面に形成されたタイ孔17にタイ70を挿入し、タイ70の端部を溝35に挟んでヒートシンク30をハウジング10の下部に結合させる。
特開2005−117041号公報
しかし、前記嵌合方式には、その挿入時に挿入強度によってその挿入位置の変動やハウジング10の変形が起こりやすく、大量生産に適さないという問題があり、発光ダイオードパッケージをPCB(図示せず)上に表面実装(SMT)するときに、リードフレーム20とヒートシンク30の底面に段差が発生しやすく、ヒートシンク30の底面がPCB上に完全には密着せず、放熱性能が低下するという問題が発生しやすい。
また、タイ70による結合方式においても、切削加工などでヒートシンク30に段差及びタイが結合される溝35を形成しなければならないので、精密な組立作業が求められ、コストが増加するという問題がある。
本発明は、ヒートシンクの切削加工やタイなどの別途の締結手段なしに、ヒートシンク、リードフレーム、及びハウジングを効果的に結合させることのできる高出力発光ダイオードパッケージを提供するものである。
また、本発明は、ヒートシンクの嵌合作業が必要なく、大量生産に適し、コストが低減される高出力発光ダイオードパッケージを提供するものである。
さらに、本発明は、放熱性能に優れた高出力発光ダイオードパッケージを提供するものである。
さらに、別途のツェナーダイオードを実装できる空間が形成された高出力発光ダイオードパッケージを提供するものである。
本発明の一態様によれば、中央に空洞を備えた絶縁性材質のハウジングと、ハウジングにカバーされて空洞に露出する内側リード及びハウジングの外部に延びる外側リードを含む導電性材質のリードフレームと、内側リードの下面に結合し、空洞を介して露出面を有するヒートシンクと、露出面上に実装されて内側リードと電気的に接続される発光ダイオードチップと、空洞をカバーするようにハウジングの上部に結合するレンズ部とを含み、内側リードとヒートシンクとを電気的に絶縁するとともに熱的に結合させるために、両者間に絶縁接着シートとを具備することを特徴とする発光ダイオードパッケージが提供される。
ここで、絶縁接着シートは、絶縁性材質のベースフィルムと、ベースフィルムの一面及び他面にそれぞれ積層される接着層とから構成される。ここで、ベースフィルムは、260℃以上のガラス転移温度を有するポリイミドフィルムであることが好ましい。また、接着層は、酸末端基を含有するポリイミド系接着剤を塗布して形成することができる。一方、ベースフィルム及び接着層内には熱伝導性及び非導電性を有するフィラーをさらに含有することもでき、この場合には、フィラーはシリカ、アルミナ、AlN(窒化アルミニウム)から選ばれたいずれか1つからなることが好ましい。
一方、発光ダイオードチップは非導電性ペーストで露出面に接着される。
また、レンズ部は、発光ダイオードチップを封止するために、中空内に絶縁性樹脂が充填されて形成されるモールド部と、モールド部をカバーするレンズとを含むことが好ましい。ここで、モールド部は、発光ダイオードチップの色に対応する蛍光体が含まれるエポキシ樹脂を充填することができる。
一方、発光ダイオードチップは、内側リードとワイヤボンディング又はフリップチップボンディングされて電気的に接続される。また、空洞は、下部から上部へ行くほど内径が大きくなるカップ状であることが好ましい。ここで、中空内面には反射物質がコーティングされるか、又は金属製の反射器が結合される。
前述した構成を有する本発明によれば、ヒートシンクとリードフレーム(及びハウジング)との結合手段として絶縁接着シートを採用することにより、ヒートシンクの切削加工やタイなどの別途の締結手段なしに、ヒートシンク、リードフレーム、及びハウジングを効果的に結合させることのできる高出力発光ダイオードパッケージを提供できる。
また、本発明は、パンチング方式で製作されたヒートシンクを絶縁接着シートによりリードフレーム及びハウジングと結合させるので、ヒートシンクの嵌合作業が必要なく、大量生産に適し、コストを低減した高出力発光ダイオードパッケージを提供できる。
また、本発明によると熱伝導性に優れた絶縁接着シートを使用するだけでなく、表面実装(SMT)すれば、PCB上に接触するヒートシンクの下面を広くすることができ、放熱性能に優れた高出力発光ダイオードパッケージを提供できる。
以下、添付図面を参照して本発明による高出力発光ダイオードパッケージの好ましい実施形態についてより詳細に説明する。添付図面を参照した説明において、図番号に関係なく同一又は対応する構成要素には同一符号を付し、これについての重複する説明は省略する。しかし、以下に説明する実施形態は一例に過ぎず、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図1は本発明の好ましい実施形態によるレンズを除去した状態の高出力発光ダイオードパッケージの斜視図であり、図2は図1のB−B’線による断面図であり、図3は図1の高出力発光ダイオードパッケージを下から見た斜視図であり、図4は図1の高出力発光ダイオードパッケージの部分分解斜視図であり、図5は図4の高出力発光ダイオードパッケージを下から見た部分分解斜視図である。
図1〜図5に示すように、本実施形態による高出力発光ダイオードパッケージ100は全体的にハウジング110と、リードフレーム120と、絶縁接着シート140と、ヒートシンク130と、LEDチップ150と、レンズ(図示せず)とから構成される。
また、ツェナーダイオードを実装するためのツェナーダイオード実装部(図示せず)をさらに含む。
前記ツェナーダイオード実装部は、前記ハウジング110上に空洞を形成して提供することができ、電気的接続のためにリードフレームが露出する内側リード121付近に形成されることが好ましい。
ハウジング110は、絶縁性材質の射出物からなり、中央に空洞113を備える。電極端子の役割を果たす導電性材質の一対のリードフレーム120はそれぞれ、ハウジング110にカバーされて空洞113に露出する内側リード121と、外部から電源を供給されるためのハウジング110の外部に延びる外側リード123とに区分される。
ヒートシンク130は全体的に円板状を有し、その上面に環状の絶縁接着シート140が貼り付けられ、さらに絶縁接着シート140の上面に内側リード121が貼り付けられることにより、ヒートシンク130上にリードフレーム120が装着される。
ヒートシンク130は、その上面の枠部分に絶縁接着シート140及びリードフレーム120が貼り付けられたまま、ハウジング110の下部に結合されることにより、空洞113を介して露出面を有する。
内側リード121の下面と接着される部分を除いた絶縁接着シート140の残りの上面がハウジング110に接着されるために、ハウジング110の下面に形成されたリード装着溝115に内側リード121が結合される。一方、図に示すように、ハウジング110の下面には突出部117を形成し、ヒートシンク130及び絶縁接着シート140には結合溝137を形成して突出部117を結合溝137に嵌合することにより、ハウジング110とヒートシンク130の結合力を向上させることができる。
LEDチップ150は筒状のサブマウントに装着されてヒートシンク130の露出面上に実装されるが、非導電性ペーストで前記露出面上に直接接着してもよい。ヒートシンク130に実装されたLEDチップ150は、金(Au)などの導電性材質のワイヤで内側リード121とボンディングされる。
このようにワイヤでボンディングされた後、プラスチック製のレンズ(図示せず、図10及び図11の60参照)をシリコーン(Silicone)又はエポキシ(Epoxy)でハウジング110の上部に固定すると、高出力発光ダイオードパッケージ100が完成する。もちろん、レンズをハウジング110の上部に固定する前にLEDチップ150を収容するハウジング110の空洞113にエポキシなどの液状樹脂を充填して硬化させることにより、LEDチップ150及びワイヤを封止することができる。前記液状樹脂にはLEDチップ150の発光色に対応する蛍光体(Phosphors)を含めて高出力発光ダイオードパッケージ100から発生する光の色、すなわち波長を変更することができる。
ヒートシンク130には放熱体の役割を果たすために銅(Cu)などの金属素材のスラグ(Slug)が使用され、リードフレーム120は外部からLEDチップ150に電源を供給するために銅(Cu)、銀(Ag)などの導電性金属素材からなるので、ヒートシンク130とリードフレーム120との間に介在して両者を結合させる絶縁接着シート140は、ヒートシンク130とリードフレーム120を電気的に絶縁させると同時に熱的に結合させることのできる材質と構造が求められる。
また、前述したようにLEDチップ150を収容するハウジング110の空洞113にエポキシなどの液状樹脂を充填する場合、液状樹脂の高温に耐えることができるだけでなく、外部電源に接続されて作動する高出力発光ダイオードパッケージ100自体から発生する熱に耐える程度の耐熱性が求められる。すなわち、通常260℃以上の耐熱性が求められる。
従って、このような要求を満たしてリードフレームとヒートシンクを結合させる構成材料として、本発明においては絶縁接着シートを使用する。絶縁接着シートは、絶縁性材質のベースフィルムと、前記ベースフィルムの上面及び下面にそれぞれ積層される接着層とから構成される。
ここで、一般に半導体パッケージングに使用される半導体チップとリードフレームを接着させるLOC(Lead On Chip)用両面接着テープを、高出力発光ダイオードパッケージのリードフレームとヒートシンクの接着及び結合特性に応じてその厚さと接着層の成分を変えて絶縁接着シートとして使用することができる。なお、LOC(Lead On Chip)用両面接着テープは、300℃以上の耐熱性を有し、厚さ100μm〜300μmの製品が既に開発されており、絶縁接着シートとしての使用に適するがこれに限定されるものではない。
本実施形態においては、リジッド(Rigid)なポリイミド材質のベースフィルム(Base Film)の上下面に接着剤が塗布されて接着層が形成された3層積層構造の絶縁接着シート140が使用される。
ここで、前記ベースフィルムには260℃以上のガラス転移温度を有するポリイミド系フィルムを使用し、前記接着層の材質としてはポリエーテルアミド(Polyetheramide)、エポキシ樹脂(Epoxy Resin)、又は熱可塑性ポリイミド(Thermoplastic Polyimide)などが使用されるがこれらに限定されるものではない。また、リードフレーム120及びヒートシンク130との接着力を考慮し、金属性材質の表面に強い結合力を有する酸末端基を含有するポリイミド系接着剤を塗布してこの接着層を形成することができる。
また、このような材質及び構造の絶縁接着シート140は充分な電気的絶縁性を有するが、その全体の厚さを100μm〜300μmとする場合、特にその厚さが厚いほど、高出力発光ダイオードから発生する熱量を十分に放出するだけの熱伝導性を有しないことがある。
従って、場合によって、絶縁接着シート140は、熱伝導性を向上させるために前記ベースフィルム及び前記接着層内に熱伝導性を有するフィラー(Filler)を含有した構成でもよい。前記フィラー(Filler)として、シリカ、アルミナ、AlNなどの非導電性成分の粒子を添加することも考慮することができる。
以上のように、絶縁接着シート140を使用してリードフレーム120を円板状のヒートシンク130に接着させたまま、ハウジング110をその上部に結合させることにより、従来技術(図10〜図14参照)のように、ハウジングにヒートシンクを結合させるために、ヒートシンクをその上面中央部が突出するように切削加工して段差を形成し、ハウジングの下面に溝を形成してヒートシンクを前記溝に嵌合する必要がなく、ヒートシンクの突出した中央部の外周面に凹溝を形成し、タイの端部を前記凹溝に嵌合してヒートシンクとハウジングとを結合させる追加締結手段を必要としない。
すなわち、従来技術によれば、ヒートシンクに突出部や凹溝を形成するための精密な切削加工が求められたり、タイなどの追加締結手段を必要とするが、本実施形態による高出力発光ダイオードパッケージ100は、単純な円板状のヒートシンク130上に絶縁接着シート140を使用してリードフレーム120及びハウジング110を接着して結合させることにより、単純なパンチング作業でヒートシンク130を製作でき、嵌合作業が必要ないので組立作業が容易になり、大量生産に有利であり、かつコストが低減するという利点がある。
また、高出力発光ダイオードパッケージ100をPCB(図示せず)上に表面実装(SMT)すれば、PCBの表面に接触するヒートシンク130の下面の面積を広くすることができ、発熱性能の向上を図ることができるという利点がある。
図6は本発明の好ましい実施形態によるツェナーダイオード実装部を含む高出力発光ダイオードパッケージの斜視図であり、図7は図6の高出力発光ダイオードパッケージの分解斜視図であり、図8は図6の高出力発光ダイオードパッケージ断面図である。
本発明による高出力発光ダイオードパッケージは、発光ダイオードを静電気放電(electrostatic discharge;ESD)から保護するためにツェナーダイオード260を含み、このために高出力発光ダイオードパッケージにツェナーダイオードが実装されるツェナーダイオード実装部214を含む。
図6〜図8に示すように、本発明による高出力発光ダイオードパッケージのハウジング210には、LEDチップ実装部211、LEDチップの電気的接続のためにボンディングワイヤと連結される一方のリードフレーム接触部212及び他方のリードフレーム接触部213、ツェナーダイオードが実装されるツェナーダイオード実装部214、側面のリードフレーム結合部215、下部のヒートシンク接合部216の空洞が形成される。
ここで、ツェナーダイオード実装部214は、LEDチップ250が実装されるLEDチップ実装部211付近に設置され、電気的接続のためにリードフレーム接触部212、213付近に形成されることが好ましい。また、他方のリードフレーム接触部213とツェナーダイオード実装部214は、別途に形成することもできるが、同時に1つの領域にパターニングすることもできる。
前記ハウジング210のリードフレーム結合部215を介してリードフレーム220が結合され、リードフレーム220とハウジング下部のヒートシンク接合部216のヒートシンク230とが接合される。ここで、リードフレーム220とヒートシンク230とが当接するので、前記リードフレーム220と前記ヒートシンク230とを電気的に絶縁して熱的に結合させるために絶縁接着シート240により前記リードフレーム220と前記ヒートシンク230とを貼り付ける。
ここで、前記LEDチップ実装部211は、LEDチップ250の発光効率を向上させるため、前記LEDチップ実装部211を内側に凹んだ形状にパターニングする。
前述したように、ツェナーダイオード260が実装されるツェナーダイオード実装部214が形成されることにより、別途にツェナーダイオードを実装するための工程を短縮することができ、工程の効率性を極大化させることのできる卓越した効果が発生する。
図9は他の実施形態による高出力発光ダイオードパッケージを示す図である。
より具体的には、図8はLEDチップ250が装着される下部で電気的に接続され、一方のリードフレーム接触部が除去された形態を示す図である。
前記図8に示すように、本発明による高出力発光ダイオードパッケージのハウジング210、リードフレーム220、及びヒートシンク230の形状と結合構造は、リードフレーム220とヒートシンク230が絶縁接着シート240により貼り付けられる構造であれば、いかなる形態に変形して製作してもよい。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、該当技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更することができることを理解するであろう。
110 ハウジング
113 空洞
115 リード装着溝
120 リードフレーム
121 内側リード
123 外側リード
130 ヒートシンク
137 結合溝
140 絶縁接着シート
150 LEDチップ
113 空洞
115 リード装着溝
120 リードフレーム
121 内側リード
123 外側リード
130 ヒートシンク
137 結合溝
140 絶縁接着シート
150 LEDチップ
Claims (17)
- 中央に空洞を備えた絶縁性材質のハウジングと、
前記ハウジングにカバーされて前記空洞に露出する内側リード及び前記ハウジングの外部に延びる外側リードを含む導電性材質のリードフレームと、
前記内側リードの下面とに結合し、前記空洞を介して露出面を有するヒートシンクと、
前記露出面上に実装されて前記内側リードと電気的に接続する発光ダイオードチップと、
前記空洞をカバーするように前記ハウジングの上部に結合するレンズ部と、
前記内側リードと前記ヒートシンクとを電気的に絶縁するとともに熱的に結合させる絶縁接着シートとを具備することを特徴とする発光ダイオードパッケージ。 - 前記絶縁接着シートが、絶縁性材質のベースフィルムと、
前記ベースフィルムの一面及び他面にそれぞれ積層される接着層とを含むことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードパッケージ。 - 前記ベースフィルムが260℃以上のガラス転移温度を有するポリイミドフィルムであることを特徴とする請求項2に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記接着層が酸末端基を含有するポリイミド系接着剤を塗布して形成されることを特徴とする請求項2に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記ベースフィルム及び前記接着層内には、熱伝導性及び非導電性を有するフィラーがさらに含まれることを特徴とする請求項2に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記フィラーが、シリカ、アルミナ、AlNから選ばれたいずれか1つからなることを特徴とする請求項5に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記発光ダイオードチップが非導電性ペーストで前記露出面に接着されることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記レンズ部は、前記発光ダイオードチップを封止するために、前記空洞内に絶縁性樹脂が充填されて形成されるモールド部と、
前記モールド部をカバーするレンズとを含むことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードパッケージ。 - 前記モールド部は、前記発光ダイオードチップの色に対応する蛍光体が含まれるエポキシ樹脂で充填されることを特徴とする請求項8に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記発光ダイオードチップが、前記内側リードとワイヤボンディング又はフリップチップボンディングされて電気的に接続されることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記空洞は、下部から上部へ行くほど内径が大きくなるカップ状であることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記空洞内面には反射物質がコーティングされるか、又は金属製の反射器が結合されることを特徴とする請求項11に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記ハウジングは、外周面の一方にツェナーダイオードが実装されるツェナーダイオード実装部を有することを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 中央のLEDチップ実装部、LEDチップの電気的接続のための一方のリードフレーム接触部及び他方のリードフレーム接触部、ツェナーダイオード実装部、両側面のリードフレーム結合部、及び下部のヒートシンク接合部の空洞が形成されたハウジングと、
前記ハウジングのリードフレーム結合部を介して結合されるリードフレームと、
前記ハウジングのヒートシンク接合部を介して接合されるヒートシンクと、
前記リードフレームと前記ヒートシンクとを貼り付ける絶縁接着シートとを具備することを特徴とする発光ダイオードパッケージ。 - 前記ハウジングのLEDチップ実装部は、内側に内径が小さくなる凹状であることを特徴とする請求項14に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記ハウジングの他方のリードフレーム接触部とツェナーダイオード実装部とが同時にパターニングされることを特徴とする請求項14に記載の発光ダイオードパッケージ。
- 前記ハウジングは、LEDチップが前記LEDチップ実装部下部により電気的に接続され、一方のリードフレーム接触部が形成されないことを特徴とする請求項14に記載の発光ダイオードパッケージ。
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