JP6542227B2 - Ｌｅｄ蛍光体パッケージ用の反射性はんだマスク層 - Google Patents

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Description

本発明は、蛍光体変換式発光ダイオード（phosphor-converted light emitting diode；ｐｃＬＥＤ）のパッケージに関し、特に、光取り出しを高めるパッケージに関する。
高輝度用途では、ＬＥＤダイのアレイを基板上にマウントすることが一般的であり、基板は、ＬＥＤダイ同士を相互接続するとともに電源への接続のためにアノード電極及びカソード電極につながる金属配線を有する。ＬＥＤダイがＧａＮ系であって青色光を放出することが一般的であり、その場合、全てのＬＥＤダイを覆って蛍光体（例えば、ＹＡＧ蛍光体）が配設される。蛍光体を通して漏れる青色光と黄緑色の蛍光体光との組み合わせが白色光を作り出す。
ＬＥＤダイからの一部の光、及び蛍光体からの一部の光は、下向きに放たれて基板によって部分的に吸収される。さらに、個々のＬＥＤダイがまたサブマウント（典型的に、ＬＥＤダイよりも遥かに大きい）上にマウントされ、且つサブマウント電極が基板に接合される場合、サブマウント表面もＬＥＤ光及び蛍光体光の一部を吸収する。このような基板及びサブマウントによる吸収は、モジュールの全体効率を低下させる。
必要とされるのは、より多くの光がパッケージによって放出されることをもたらす蛍光体変換式ＬＥＤのパッケージング技術である。
本発明の一例において、開始基板が、熱をシンクするためのアルミニウムを有する。基板の頂面を覆って、薄い誘電体層が形成され、誘電体層の上で、金属配線がパターン形成される。金属配線は、複数のＬＥＤダイ用の小面積のはんだパッドと、それよりも大きい、モジュール用のアノード電極及びカソード電極（はんだパッドとも称する）と、ＬＥＤダイと電極との間の相互接続とを画成する。
一実施形態において、スクリーン印刷を用いて、基板の上にはんだマスク（ソルダーレジスト）が堆積される。はんだマスクは、様々な電極及びＬＥＤダイはんだパッドを露出させる開口を有する誘電体を配設する。この誘電体は、例えば、衝突する光の散乱及び反射をもたらすＴｉＯ２、ＺｉＯ２、ＶＯ２、又はその他の好適な反射粒子を含んだバインダなど、高度に反射性の材料である。この反射材料は、約９４％よりも高い反射率を有した、積分球で使用されるのと同じ白色塗料であってもよい。
次に、露出されたはんだパッドに、ＬＥＤダイ電極がはんだ付けされる。はんだマスク開口は、ＬＥＤダイの周縁が反射材料と揃うかオーバーハングするかであるように十分に小さくすることができ、その結果、ＬＥＤダイからの下向きの光が反射材料によって反射されることになる。
そして、ＬＥＤダイのアレイを取り囲むように、縦方向の壁を形成する反射リングが基板に取り付けられる。
そして、ＬＥＤダイを封入して、ＬＥＤダイから放出された光を波長変換するように、リングの内側に蛍光体が堆積される（このリングが金型としても使用される）。蛍光体はまた、ＬＥＤダイから熱を奪うように作用する。一実施形態において、ＬＥＤダイは青色光を放ち、この青色光と蛍光体光との足し合わせが白色光を作り出す。
ＬＥＤダイは、サブマウントを含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。サブマウントは典型的に、ハンドリングを容易にし、機械的強度を追加し、且つ／或いは回路基板へのはんだ付けのために堅牢且つ単純な電極を提供するために使用される。このようなサブマウントが使用される場合、サブマウントは、ＬＥＤ半導体層からの下向きの光を妨害しないよう、できるだけ小さくされる。
光取り出しを向上させるために、蛍光体の堆積に先立って、ドーム状のレンズがＬＥＤダイを覆って成形されてもよい。
反射性のはんだマスクは、更なる工程を追加しないにもかかわらず、ＬＥＤモジュールの効率を大いに向上させる。
その他の実施形態も記載される。
従来技術のＬＥＤダイの断面図である。 最小面積サブマウント上にマウントされたＬＥＤダイの断面図である。 電極パターンを示すＬＥＤダイ又はサブマウントの底面図である。 誘電体層とパターン形成された金属層とを有するアルミニウム基板の上面図である。 はんだパッドを露出させる反射性はんだマスクの堆積後の図４の基板を例示している。 はんだパッドにＬＥＤダイがはんだ付けされた後の図５の基板を例示している。 オプションのレンズを有する２つのＬＥＤを示す図５の基板の一部の、図５の直線７−７に沿った、拡大断面図である。 ＬＥＤダイのアレイの周囲に反射リングが取り付けられた後の図６の基板の上面図である。 リングが封入蛍光体ミクスチャで少なくとも部分的に充填されることを例示する図８の基板の一部の、図８の直線９−９に沿った、拡大断面図である。 同じ又は同様である要素には同じ参照符号を付している。
図１は、従来のＬＥＤダイ１２を例示している。これらの例ではフリップチップダイが示されるが、本発明は、縦型ＬＥＤダイ、横型ＬＥＤダイなどを含め、如何なるタイプのＬＥＤダイにも適用可能である。
ＬＥＤダイ１２は、ｐ層１６に結合された底部アノード電極１４と、導電体２２によってｎ層２０に結合された底部カソード電極１８とを含んでおり、導電体２２は、ｐ層１６及び活性層２４内の、誘電体で覆われた、エッチングされた開口を充填している。電極構成は、もっと複雑であってもよく、ＬＥＤダイ１２にわたるいっそう良好な電流スプレッディングのために分布された電極を含んでいてもよい。活性層２４は、或るピーク波長を持つ光を生成する。一例において、ピーク波長は青色波長であり、層１６、２０及び２４はＧａＮ系である。
層１６、２０及び２４は、例えばサファイアなどの基板２６の上にエピタキシャル成長される。他の例では、成長基板は、除去されて、接着剤により又はその他の技術により半導体層に取り付けられる透明支持基板によって置き換えられてもよい。他の例では、薄いＬＥＤ半導体層のハンドリングがいっそう難しくなるが、支持基板は存在しない。
図２に示すように、ＬＥＤダイ１２は、場合により、ハンドリングの容易さのため、機械的支持のため、ヒートシンク作用のため、及び印刷回路基板上へのマウントのための電極構造を単純化するために、サブマウント２８上にマウントされ得る。サブマウント２８は、熱伝導体３０と、底部電極３２及び３４と、底部電極３２／３４をＬＥＤダイ電極１４／１８に接続するビア３６及び３７とを含んでいる。ＬＥＤダイ電極１４／１８をビア３６／３７に接続するために、サブマウント表面上の更なるパッド（図示せず）が使用される。典型的なサブマウントは、上述の機能を遂行するためにＬＥＤダイ１２よりも遥かに大きい。しかしながら、本発明の好適実施形態においては、サブマウントを使用するとき、サブマウント表面による光吸収を最小化するために、サブマウントを典型サイズよりも遥かに小さくすることが望ましい。一実施形態において、成長基板２６は、ＬＥＤダイ１２がサブマウント２８上にマウントされた後に除去される。
用語“ＬＥＤダイ”は、以下では、ベアチップ（例えば、図１）又はサブマウント上にマウントされたチップ（例えば、図２）の何れかを言う。
図３は、ＬＥＤダイ１２又はサブマウント２８の何れかについての取り得る底部電極構成を例示している。
以降の図においては、サブマウントは使用されないと仮定する。しかしながら、ＬＥＤダイ／サブマウントが、以降の図中のベアのＬＥＤダイ１２の代わりに用いられてもよい。
図４は、ＬＥＤダイ１２のアレイ用の基板４０の上面図である。図７が、基板４０の断面図を示している。基板４０は、ヒートシンク作用のための、アルミニウム又は合金で形成された本体４１を含み得る。基板４０は、例えば矩形や円形など、如何なる形状を有していてもよい。基板４０の長さ又は直径は、それが支持するＬＥＤダイの個数に依存し、典型的に、１ｃｍから４ｃｍまでの範囲内である。基板４０は典型的に、ハンドリングを単純化するとともに処理を速めるために、後に個片化のために切断される狭い接続部によって、基板のアレイに接続されている。
電気絶縁のために、本体４１を覆って非導電性の誘電体層４２（図７）が形成される。
アレイ内のＬＥＤダイ１２の各々のための小さいはんだパッド群４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、及び４４Ｄを画成するように、及びアレイのアノード電極及びカソード電極のための大きめのはんだパッド４６及び４８を画成するように、例えば銅などの、パターン形成された金属層が誘電体層４２の上に形成される。はんだパッド群４４Ａ−Ｄは、１つ以上のヒートシンク接続を含み得る。この金属層はまた、ＬＥＤダイ１２と電極４６及び４８との間の相互接続５０を形成する。この例では、４つのＬＥＤダイ１２が直列及び並列に接続されるのみである。他の実施形態において、所望の電気特性及び光束（フラックス）を達成するように、より多数又は少数のＬＥＤダイ１２が直列及び／又は並列に相互接続され得る。
関係する従来技術のＬＥＤモジュールに伴う１つの問題は、下向きに放たれるＬＥＤ光のうちの有意な部分がマウント表面によって吸収されることである。基板による殆どの吸収は、各ＬＥＤダイ１２の付近で発生する。何故なら、そこが、光が最も明るいところだからである。本発明は、このような吸収を最小化する。
図５にて、はんだが設けられることになるところを除く全ての箇所で、基板４０の上に、白色（拡散）塗料５２がスクリーン印刷される。図７は、図５の直線７−７に沿った不連続な断面であり、塗料５２を断面にて示している。スクリーンは、はんだパッド群４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、及び４４Ｄの上への白色塗料５２の堆積を阻止するようにパターン形成されたメッシュである。白色塗料５２は、その後に硬化される粘性のある誘電体である。従って、白色塗料５２は、従来のはんだマスクを置き換えるものであり、追加工程は必要ない。はんだマスクは、基板４０の上に流れる溶融はんだなどの、堆積されるはんだを、マスクによって露出された領域に制限する。
拡散白色塗料の例は、ＴｉＯ２、ＺｉＯ２、ＶＯ２の粒子又はその他の好適な反射散乱粒子を注入されたバインダ（例えばシリコーンなど）を含む。
他の一実施形態において、白色塗料は、マスクとともに、噴射、スプレイ塗布、蒸着を用いたフォトリソグラフィプロセス、又はその他の技術によって設けられる。
商業的に入手可能な白色塗料は、可視波長に関して９４％反射よりも高く、時々、光測定のために積分球で使用されている。白色塗料５２の材料は、熱伝導性であるべきである。好ましくは、白色塗料５２の反射率は、可視光に関して少なくとも９０％である。
白色塗料５２をはんだマスクとして適用することにより、反射材料がＬＥＤダイ１２のエッジまで、そして更にはＬＥＤダイ１２の下の電極間まで延在することが確保される。従って、白色塗料５２は、追加されるプロセス工程なしで、基板の反射表面積を最大化し、塗布されるはんだを、はんだマスクによって露出された領域のみに制限し、また、金属配線に対する腐食バリアとして作用し、故に、発明プロセスに相乗効果が存在する。
他の一実施形態において、基板４０の十分な保護のため及びコストを低減するために従来のはんだマスク材料が望ましい場合に、従来のはんだマスク材料（例えば、非ＬＥＤ回路基板に使用される）が基板４０上に直接塗布され、それに続いて、白色塗料５２の堆積（同一のマスクパターンを用いる）が行われる。そのような場合、白色塗料５２は、高強度の青色光又はＵＶ光による劣化からはんだマスク材料を保護する。
濡れのための様々なはんだパッドに、はんだ５４（図７）が設けられる。はんだ５４は、スクリーン印刷され、あるいははんだマスクを用いて塗布され、あるいはその他の従来手法にて設けられ得る。はんだ５４は、はんだペーストとし得る。
図６にて、加熱プロセスを用いて、基板のはんだパッドにＬＥＤダイ１２の電極（又はサブマウント電極）がはんだ付けされる。図示のように、白色塗料５２とＬＥＤダイ１２のエッジとの間に隙間は存在しない。仮にＬＥＤダイが縦型ＬＥＤダイである場合には、底部電極のみが基板のはんだパッドのうちの１つに直接はんだ付けされることになり、頂部電極は別の１つのはんだパッドにワイヤボンディングされることになる。仮にＬＥＤダイが横型ＬＥＤダイである場合には、底部の熱パッドが基板のはんだパッドのうちの１つにはんだ付けされることになり、双方の頂部電極は関連付けられたはんだパッドにワイヤボンディングされることになる。実質的にあらゆるＬＥＤダイにおいて、電気的且つ／或いは熱的なパッドとして機能する少なくとも１つの底部金属ボンドパッドが存在している。
他の一実施形態において、はんだは使用されない。その代わりに、接合は、超音波溶接によるもの、伝導性接着剤（電気的且つ熱的伝導性）によるもの、又はその他の技術を用いるものとし得る。そのような場合、“はんだマスク”は、好ましい名称で呼ばれることになるが、なおも、ＬＥＤダイの底部金属ボンドパッドが接合されることになる基板４０上の領域を画成するものであり、露出される領域は近似的にＬＥＤダイのサイズとなる。
図７は、横方向のＬＥＤダイ１２のうちの２つを横切って切断する図５の直線７−７に沿った、基板４０の一部の圧縮・拡大した断面図である。ＬＥＤダイ電極をはんだパッド群４４Ａ及び４４Ｄに接続するはんだ５４が示されている。
オプションで、向上された光取り出し及びＬＥＤダイ１２の保護のために、ＬＥＤダイ１２の上にドーム状レンズ５８が成形され得る。他の一実施形態において、ＬＥＤダイ１２は、サブマウントあり又はなしで、はんだ付けに先立ってドーム状レンズに包囲され得る。
図８にて、ＬＥＤダイ１２のアレイを取り囲んで、反射リング６０が基板４０の表面に取り付けられる。リング６０は、反射金属であってもよいし、反射層で被覆された材料であってもよい。リング６０は、シリコーン又はエポキシで取り付けられ得る。
図９は、横方向のＬＥＤダイ１２のうちの２つ及びリング６０を横切って切断する図８の直線９−９に沿った、基板４０の一部の圧縮・拡大した断面図であり、リング６０の壁が、ＬＥＤダイ１２の頂部より上まで延在して光を反射して混合する。
これまた図９に示すように、粘性のある蛍光体ミクスチャ６２が、金型として作用するリング６０の内側に堆積されて硬化される。蛍光体ミクスチャ６２は、シリコーンと蛍光体粒子との混合物とし得る。例えば、シリンジを用いることにより、スクリーン印刷により、プリフォームされた錠剤をリング内に位置付け、次いでそれが溶融されることによりなど、蛍光体ミクスチャ６２を堆積するための数多くの手法が想定される。蛍光体ミクスチャ６２は、追加の保護のためにＬＥＤダイ１２を封入する。
青色光リークと蛍光体変換との所望の組み合わせを達成するために、蛍光体ミクスチャ６２の厚さと蛍光体粒子密度とが制御される。蛍光体は、所望色の放出を達成するように、単一の蛍光体（例えば、ＹＡＧ）であってもよいし、複数の蛍光体（例えば、ＹＡＧ及び赤、又は緑及び赤、等々）の組み合わせであってもよい。
好ましくは、高屈折率のＧａＮから低屈折率の空気まで全反射（total internal reflection；ＴＩＲ）を最小化する伝送を提供するように、様々な層の屈折率が選定される。
蛍光体ミクスチャ６２の下の基板４０の反射面が、下向きに放たれた全ての蛍光体光のうちの９４％よりも多くを反射して戻す。
如何なる数のＬＥＤダイ１２が基板４０上にマウントされてもよく、リング６０の直径は、それらＬＥＤダイ１２を取り囲むのに必要な直径であって、それに従って調節され得る。所望の光束を達成するために、如何なる数の結果基板４０がシステムに接続されてもよい。一実施形態において、得られた構造は白色光を放つ。異なるＬＥＤダイ及び蛍光体を選択することにより、その他の発光色も可能である。蛍光体ミクスチャ６２の代わりに量子ドット材料が用いられてもよい。
本発明を用いることにより、典型的に、１０％よりも高い効率向上が達成される。
本発明の特定の実施形態を図示して説明したが、当業者に明らかなように、より広い観点での本発明を逸脱することなく変形及び変更が為され得るのであり、故に、添付の請求項は、その範囲内に、本発明の真の精神及び範囲に入るそのような変形及び変更の全てを包含するものである。

Claims (11)

  1. 少なくとも１つの金属ボンドパッドが形成された発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
    少なくとも１つの他の金属ボンドパッドを画成するパターン形成された金属層を有するマウント基板と、
    前記マウント基板上に配置されたはんだマスク層であり、当該はんだマスク層は、前記少なくとも１つの他の金属ボンドパッドの少なくとも一部を露出させる少なくとも１つの開口を有し、且つ堆積される溶融はんだを前記少なくとも１つの開口に制限し、当該はんだマスク層は、ソルダーレジスト層と、該ソルダーレジスト層上に該ソルダーレジスト層と同じパターンで形成された、可視光の少なくとも９０％を反射する反射材料層とを含む、はんだマスク層と、
    前記ＬＥＤダイの前記少なくとも１つの金属ボンドパッドが、前記少なくとも１つの他の金属ボンドパッドにはんだ付けされ、且つ前記はんだマスク層が、前記ＬＥＤダイを取り囲んで光を反射するように、前記ＬＥＤダイの前記少なくとも１つの金属ボンドパッドと接触して前記はんだマスク層の前記少なくとも１つの開口内に配置されたはんだと、
    を有する発光デバイス。
  2. 前記ＬＥＤダイは、サブマウント上にマウントされたＬＥＤ半導体層を有する、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記はんだマスク層に取り付けられ、且つ、前記ＬＥＤダイの高さよりも高く延在して前記ＬＥＤダイを取り囲む反射性の内壁を有した、プリフォームされたリングと、
    前記ＬＥＤダイと前記はんだマスク層の一部とを覆うように、前記リングを少なくとも部分的に充たす波長変換層であり、蛍光体を有する波長変換層と、
    を更に有する請求項１に記載のデバイス。
  4. 前記はんだマスク層に取り付けられ、且つ、前記ＬＥＤダイの高さよりも高く延在して前記ＬＥＤダイを取り囲む反射性の内壁を有した、プリフォームされたリングと、
    前記ＬＥＤダイと前記はんだマスク層の一部とを覆うように、前記リングを少なくとも部分的に充たす波長変換層であり、量子ドットを有する波長変換層と、
    を更に有する請求項１に記載のデバイス。
  5. 反射性の前記リングは、前記波長変換層用の金型として機能する、請求項３に記載のデバイス。
  6. 前記ＬＥＤダイから前記波長変換層を離隔させる、前記ＬＥＤダイを覆ったレンズ、を更に有する請求項３乃至５のいずれか一項に記載のデバイス。
  7. 前記反射材料層は白色塗料を有する、請求項１に記載のデバイス。
  8. 前記反射材料層は、バインダ内の反射粒子を有する、請求項１に記載のデバイス。
  9. 当該デバイスは更に、付随する金属ボンドパッドを持つ複数の他のＬＥＤダイを有し、
    前記マウント基板上の前記パターン形成された金属層は、前記複数の他のＬＥＤダイの前記金属ボンドパッドに対応する複数の金属ボンドパッドを画成し、
    前記はんだマスク層は、前記複数の他のＬＥＤダイの前記金属ボンドパッドに対応する前記マウント基板の前記複数の金属ボンドパッドの各々の少なくとも一部を露出させる複数の開口を有し、且つ
    前記複数の他のＬＥＤダイの前記金属ボンドパッドは、前記複数の他のＬＥＤダイの前記金属ボンドパッドに対応する前記マウント基板の前記複数の金属ボンドパッドの前記露出された少なくとも一部に接合され、前記はんだマスク層が、前記複数の他のＬＥＤダイの各々を取り囲む、
    請求項１に記載のデバイス。
  10. 前記パターン形成された金属層は、前記ＬＥＤダイと前記複数の他のＬＥＤダイとを相互接続するとともに、前記はんだマスク層によって覆われている、請求項９に記載のデバイス。
  11. 発光構造を形成する方法であって、
    複数の金属ボンドパッドを画成するパターン形成された金属層を有するマウント基板を用意し、
    前記マウント基板上にはんだマスク層を堆積し、該はんだマスク層は、前記複数の金属ボンドパッドの各々の少なくとも一部を露出させる複数の開口を有し、且つ堆積される溶融はんだを前記複数の開口に制限し、該はんだマスク層を堆積することは、マスクパターンを用いてソルダーレジスト層を形成し、それに続いて、前記マスクパターンを用いて前記ソルダーレジスト層上に、可視光の少なくとも９０％を反射する反射材料層を形成することを含み、
    前記はんだマスク層内の前記複数の開口を充たすように溶融はんだを与えることによって、結合される複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイの底部金属ボンドパッドを、前記マウント基板の前記複数の金属ボンドパッドの各々の前記露出された少なくとも一部に接合することで、前記はんだマスク層が前記複数のＬＥＤダイの各々を取り囲んで光を反射するようにする、
    ことを有する方法。
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