JP2008108861A - 光源にフレキシブルｐｃｂが直結された発光ダイオードパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】外部ユニットと電気的に接続可能な基板を具備する発光ダイオードパッケージの高さを低減する。
【解決手段】発光ダイオードと外部ユニットとの電気的接続のためのフレキシブルPCBを発光素子に直結する。この直結は、たとえば、フレキシブルPCB上の発光素子が搭載される電極に導電性樹脂を塗布して発光素子を取り付けた後、高温炉で導電性樹脂を硬化させることによって行うことができる。本発明によれば、発光素子をフレキシブルPCBに電気的に接続するためのリードフレームとともにフレキシブルPCBを支持するためのリジッドPCBが不要となるので、発光ダイオードパッケージ全体の高さを低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードパッケージの構造に関し、特に、発光ダイオードをフレキシブルPCBを介して外部ユニットに電気的に接続するための構造に関する。

最近のデジタルスチルカメラや携帯電話等の携帯型機器に代表されるコンパクトな電子装置では、機器の小型軽量化のために、ユニットや回路間の電気的接続用基板としてフレキシブルプリント回路基板（以下、FPCBという）が使用されることが多い。チップ部品などの比較的小型・軽量の部品であればFPCB上に直接半田付けされる場合がある。LEDをFPCBに半田付けする場合には、小型化やアセンブルの容易さの観点から表面実装タイプのLEDが一般に使用される。

図８はそのような従来構成による表面実装タイプの発光ダイオードパッケージ８０の１例を示す。図８において、８２は、発光ダイオード（LED）であり、該発光ダイオードは、発光素子（LEDチップ）、該発光素子との電気的接続のためのワイヤ（金線）及び該発光素子の底面の電極を通電させるための導電性樹脂（以上、不図示）、リードフレーム８５、レンズとしても機能するエポキシ樹脂等の透明な封入樹脂８３、及びフランジ８４等からなる。８６は、リードフレーム８５とFPCB８７の導電パッドを電気的に接続するための半田、８８はリジッドPCBである。

図８に示すように、LED８２は、リードフレーム８５をFPCB８７に半田付けすることによりFPCB８７上に取り付けられるが、その半田付けの際の支えとして、剛体としてのリジッドPCB８８をFPCB８７の背面に取り付けている。また、このリジッドPCBは、発光ダイオードパッケージをユニット内に確実に保持するために発光ダイオードパッケージの裏面から板ばね等で押すような用途では、板ばねとの接触のための硬いフラットな面を提供するためにも必要となる。

尚、リードフレームを用いた他の従来構成は、下記特許文献１の図１０、及び特許文献２の図１等に開示されている。
特開２００１−１７７１６０号公報 特開平９−８３０１８号公報

図８に示すような従来の発光ダイオードパッケージ構造では、リジッドPCB８８に加えて、FPCB８７にLED８２を半田付けするためのリードフレーム８５が必要である。さらに、図８に示すように、リードフレーム８５をFPCB８７に搭載する場合にはクラックの発生等を防止するためにリードフレーム８５をある程度大きな角度をつけて曲げる必要があり、このため、フランジ８４に比較的大きな厚みをもたせる必要がある。したがって、レンズ（封入材）、フランジ、及びリードフレームからなる発光ダイオードにさらにリジッドPCBを加えた発光ダイオードパッケージ全体の高さは比較的高いものとなり、このため、発光ダイオードパッケージを図示のような構造として搭載する必要のある携帯型機器等の薄型化の障害となっていた。

また、FPCB８７へのリードフレーム８５の半田付けに伴って発生する熱が、LED８２の光出力の低下や不灯などの動作不良を引き起こす場合があるため、LEDの品質や信頼性の低下を招いていた。この動作不良は、半田の熱による封入樹脂の熱膨張の度合いが場所によって異なるために封入樹脂がLEDチップから剥離したりワイヤが切断したりすることによるものである。

このようなLEDの動作不良を回避するために、LEDの構成部品として、高温に耐えうる材料からなる部品を選択すること、高温に弱い形状の部品を使用しないこと、及び、部品の配置をそのような熱膨張の影響を受けにくい位置に設けること、などの設計上の制約が課されていた。さらに、これらの制約は、新たな形状・構造のLED、たとえば、熱の影響を受けやすい超小型のLEDなどを開発する際の障害となっていた。

LEDをFPCBに接続するためにリードフレームを用いる従来技術の発光ダイオードパッケージでは、発光ダイオードパッケージ全体の高さを低くすることは難しい。たとえば、発光ダイオードパッケージを構成する１つの部品として封入材から形成されるレンズがあるが、レンズの高さを低くするとLEDの輝度が減少してしまう。また、他の部品としてフランジがあるが、上述のようにフランジにはリードフレームの曲げ角度との関係で一定以上の厚みが必要となる。そのため、フランジの高さを低くすることも難しい。

本発明の１つの目的は、リジッドPCB及びリードフレームを排除することによって、発光ダイオードパッケージの高さをより低くし、以て、LEDが搭載される装置のサイズをよりコンパクトにすることである。

また、本発明の別の目的は、リードフレームをリジッドPCBに半田付けする際の熱に起因するLEDの動作不良の問題を回避して、LEDの品質及び信頼性を改善することである。

本発明の発光ダイオードパッケージ（以下、LEDパッケージと記載）では、LEDと外部ユニットとの電気的接続のために使用されるFPCBが光源としてのLEDチップに直結され、LEDと一体化されている。本発明によるLEDパッケージは、光源としてのLEDチップ、LEDチップを覆う封入材、及びフレキシブルPCBを備え、フレキシブルPCBは第１の表面と第２の表面を有する薄い基板であり、LEDチップは、フレキシブルPCBの第１の表面上に配置される。

すなわち、本発明では、図８に示す従来技術のようにリードフレームをFPCBに半田付けすることによりLEDをFPCBに接続するのではなく、LEDチップをFPCBに直結した構成とする。このFPCBはLEDパッケージの外部に延伸させることができるので、このFPCBを介して、LEDと外部ユニットとを電気的に接続することができる。この場合、LEDパッケージの外側に出ているFPCBの適宜な箇所に電気端子を設けることができる。この電気端子は、外部ユニットと電気的に接続可能なコネクタ、または、外部ユニットからのコネクタに接続可能なリードパッド（導電パッド）とすることができる。このように、外部ユニットとの接続を半田付けによらない機械的手段で行うことができる。

本発明によれば、LEDをFPCBに電気的に接続するためのリードフレームが不要となり、したがってまた、リードフレームの曲げに対応するために必要であったフランジの厚みも薄くできる。さらに、LEDをFPCBに搭載して半田付けする際の支持板としてのリジッドPCBも不要となるので、LEDパッケージ全体の高さを低くすることができる。

さらに、本発明によれば、FPCBへのリードフレームの半田付けが不要となりそれに伴う熱の発生がないので、信頼性の高い電気的接続を確保することが可能となり、以て、LEDの品質及び信頼性を改善することができる。また、半田の熱に起因する上述の部品に関する設計上の制約も除去される。

以下、LEDチップとFPCBをリードフレームを介さずに接続したLEDパッケージのいくつかの実施形態を図面を参照して説明する。

図１の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態によるLEDパッケージ１０、１０’の側面図である。１２は、LEDチップ１４、封入材（ここでは封入樹脂）１５、及びワイヤ１７、フランジ１８等から構成される従来と同様の（但し、リードフレームがない）LEDであり、１６、１９は、それぞれ、FPCB、コネクタである。図中、（ａ）と（ｂ）とで同一の部品とすることができるものには同じ参照番号を付している。いずれの構成でも、図７に示すように、FPCBがLEDチップに導電性樹脂または半田、及びボンディングワイヤにより直結されている。この直結は、たとえば、後述のように、FPCB上のLEDチップが搭載される位置に、銀ペースト入りのエポキシ樹脂を塗布し、LEDチップを搭載後高温炉で硬化させた後に、FPCBとLEDチップをボンディングワイヤで結合することによって行うことができる。FPCB１６の少なくとも一方の表面には、図７に示すような導電性のトレース（導電パターン）が形成されている。

FPCB１６はLED１２の内部からLED１２の外部に延伸した構成となっているので、ソケット（またはコネクタ）やリードバッドなどの電気端子をLEDの外部、すなわち封入材の外部のFPCB上の適宜な箇所、好適には、FPCBの遠端部付近に設けて導電性のトレースに接続することにより、FPCB１６を介して、LED１２を同じ装置内の外部ユニット（ユニットとは、装置、回路、電気部品などである）に電気的に接続することができる。尚、FPCB１６の厚さは、０．５mm未満であるのが好ましく、典型的には、０．０５mm〜０．２mmの範囲である。

（ａ）に示す構成では、LED１２の外部にあるFPCB１６の端部にはFPCBコネクタが設けられていない。その代わり、FPCB１６の端部には外部ユニットからのコネクタと接続可能な不図示のリードパッド（導電パッド）が設けられている。一方、（ｂ）に示す構成では、FPCB１６の端部にコネクタ１９が設けられており、このコネクタ１９を不図示の外部ユニットからのFPCBに接続することにより、LEDをその外部ユニットに電気的に接続することができる。これらの構成では、FPCB１６はフランジ１８の中を通っており、リードフレームの曲げに対応した厚みを必要としない分、フランジ１８の高さが低くなっていることが理解されよう。

ここで、図１に示す構成のLEDパッケージの製造方法を説明する。この方法は、本明細書で説明する他の実施形態の製造にも共通に適用できるものであり、図７に示すLEDチップとFPCBの直結構造は、たとえばこの方法により製作することができる。

FPCB上のLEDチップが搭載される電極に、導電性樹脂（一例としては銀を含むもの）を塗布し、LEDチップを取り付けた後（このLEDチップの取り付けは半田付けにより行うこともできる）、高温炉で導電性樹脂を硬化させる。次にLEDチップ上面の電極とFPCB上の電極をボンディングワイヤで結合する。その後、たとえば、エポキシやシリコーンなどの透明封入材料をキャスティング、ポッティング、あるいはトランスファー成形等の方法を用いてLEDチップを封止すると同時に、LEDパッケージの形状を形成した後に、FPCBを個別に分離して、FPCBが一体化された個々のLEDパッケージを作成する。尚、図１（ｂ）に示す構成の場合には、FPCB１６を作成する工程でコネクタ１９をFPCBに取り付けるのが好ましい。

図２は、個別にレンズで覆われた複数のLED２２と不図示のLEDチップからの光を反射するためのリフレクタハウジング２６とを備える、本発明のLEDパッケージ２０の一部分の斜視図である。各LED２２の封入材はレンズとして機能することができ、かかるLEDパッケージは、低背ラインタイプ照明の用途に好適である。

図２に示す構成では、複数のLED２２が１つのFPCB２４を共有しており、それぞれのLED２２を、FPCB２４上の導電性のトレース（不図示）及び電気端子２８を介して不図示の外部ユニットと電気的に接続することができる。このようにFPCBを複数のLEDで共用して使用することも可能である。図２のLEDパッケージ構造においては、各LEDの位置、各レンズによる集光・拡散、リフレクタの深さ・角度等を用途に応じて最適化することが可能である。尚、図２では、LEDが少なくとも３つあるものとして示されているが、LEDの数は１つまたは２つであってもよい。

図３は、円柱形レンズ３２と外部のフレキシブルな電気端子３４を有する、本発明のLEDパッケージ３０の一実施形態の斜視図である。円柱形レンズ３２の内部には不図示の１つまたは複数のLEDチップが配置されており、円柱形レンズ３２に覆われた各LEDは、図２の場合と同様に不図示の１つのFPCBを共有しており、電気端子３４を介して不図示の外部ユニットに電気的に接続することができる。円柱形レンズ３２を構成する封入材をたとえば、可撓性のシリコーンで形成することにより、FPCBを含めたLEDパッケージ３０全体を柔軟な構造とすることができ、したがって、LEDパッケージ３０をフレキシブルな低背ラインタイプ光源として用いることができる。

図４は、LED４２に直結されたFPCB４６（図中の斜線部）をフランジ４４の裏面に設け、FPCB４６の表面と裏面をバイアホール４８を介して電気的かつ熱的に結合するようにした、本発明の一実施形態によるLEDパッケージ４０の斜視図である。この構成によれば、FPCB４６の裏面を外部のヒートシンク（不図示）に熱抵抗が低い方法で接続することにより、不図示のLEDチップからの放熱性を高めることができる。尚、バイアホールは、FPCB４６の裏面に描かれた複数の丸い開口として示されているが、図４では、便宜上、そのうちの１つだけを参照符号４８で指示している。

図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、FPCB５６上に追加の部品５７を搭載した本発明の一実施形態によるLEDパッケージ５０、５０’の側面図である。５２は、封入樹脂５３、LEDチップ５４、ワイヤ５５、及びフランジ５８等からなるLEDであり、（ａ）と（ｂ）とで同一の部品とすることができるものには同じ参照番号を付している。追加の部品５７は、たとえば、定電流駆動のためのドライバ、LEDの駆動電流を制限するための抵抗器などの電流制限器、LEDチップからの光量モニタのための照度センサ、LEDチップからの発光波長モニタのための色センサ、LEDチップの温度モニタのための温度センサ、または任意の他の電気部品や集積回路である。

図５（ａ）では、LED５２内部のFPCBに追加の部品５７が半田付けにより、または導電性の樹脂を用いて搭載されており、（ｂ）では、LED５２の外部に延びたFPCB５６上に追加の部品５７が搭載されている。追加の部品５７は（ａ）と（ｂ）とで異なっていてもよく、搭載可能な範囲で任意の所望の数だけ設けることができる。また、LEDの内部、外部だけでなく、内部と外部の両方に追加部品を設けることもできる。尚、LED内外におけるFPCB上への追加部品の搭載は、本実施形態だけではなく、図２〜図４、及び図６に示すような他の実施形態においても可能であることは明らかである。

本実施形態の構成によれば、通常のPCBあるいはFPCBに回路を形成し部品を搭載するのと同じ具合に、LED内部のFPCB上に直接部品を搭載することができるので、リードフレームを用いる従来のLEDに比べて、追加部品を設けることが容易であり、また、LED内外のFPCB上における追加部品の搭載位置の自由度が大きくなる。さらに、LEDをFPCBに半田付けする従来のLEDでは、LED内部の素子数／部品数が増えると、それらの半田付けに起因する不具合の発生確率も高くなるが、本発明では、封入樹脂を封止する前に追加部品を半田付けすることができるのでそのような問題は生じない。したがって、LEDの外部及び内部のより適切な場所に追加部品を設けることがより容易かつより高い信頼性でもって可能となるが、これは、LEDに関連する回路設計の柔軟性を提供するものである。

図６は、LEDチップ６３、ワイヤ６４などの構成要素に加えてプラスチック製のカップ状のハウジング６６を具備するLED６２にFPCB６８を直結した本発明の一実施形態によるLEDパッケージ６０の側面図である。ハウジング６６はリフレクタとして機能する。図中、破線部はLEDパッケージ内部の構成を示すものである。尚、集光用のレンズをLED６２上に設けることもできる。

図６のLEDパッケージ６０は、プラスチック製のハウジング６６をFPCB６８にインサート成型し、その後、図１に関連して説明したのと同様の方法で製造することができる。

以上のように、本発明のLEDパッケージは、リードフレームを必要としないこと、したがってまた、フランジにリードフレームの曲げに対応するための余分な厚みを持たせる必要がないのでフランジの高さを低くできること、及び、LEDパッケージをFPCBに半田付けする際にLEDパッケージを支持するためのリジッドPCBを設ける必要がないことから、図８に示すような従来のLEDパッケージよりもその高さを低くすることができる。さらに、図４に示す実施形態のように裏面で半田付け等の方法で外部ユニットと接続する必要があるといったような場合を除き、本発明のLEDパッケージは、その裏面をフラットなものとすることができるので、LEDパッケージを板ばね等で押圧するためのフラットな面を提供する支持板を別途用意する必要がない。

これらのことは、特に、LEDが搭載されるコンパクトな電子機器、たとえば、ディジタルスチルカメラや携帯電話などの携帯型機器においてその薄型化に寄与するものである。尚、図２、図３、及び図６に示すような構成ではフランジは設けられていないが、本発明によれば、このように、発光ダイオードパッケージの用途によってはフランジ自体を不要とすることも可能であり、その場合には、本発明によるLEDパッケージのコンパクト化の効果はさらに大きくなる。

本発明の一実施形態によるLEDパッケージの側面図であり、（ａ）の構成ではFPCBにコネクタが設けられておらず、（ｂ）の構成ではFPCBにコネクタが設けられている。 複数のLEDとリフレクタハウジングを備える本発明の一実施形態によるLEDパッケージの一部を示す斜視図である。この構成ではレンズがLED毎に設けられている。 円柱形レンズと外部のフレキシブルな電気端子を有する本発明の一実施形態によるLEDパッケージの外観図である。 FPCBの表面と裏面とを電気的かつ熱的に結合するためのバイアホールを設けた、本発明の一実施形態によるLEDパッケージの斜視図である。 FPCB上に追加の部品を搭載した本発明の一実施形態によるLEDパッケージの構成を示す側面図であり、（ａ）の構成ではLEDの内部に追加部品が搭載されており、（ｂ）の構成ではLEDの外部に追加部品が搭載されている。 リフレクタとして機能するプラスチック製のハウジングを具備するLEDにFPCBを直結した本発明の一実施形態によるLEDパッケージの側面図である。 本発明による、LEDチップとFPCBを直結した構造の一例を示す略図である。 携帯型機器に搭載されるタイプの従来の表面実装型LEDパッケージの側面図である。

符号の説明

１２ LED
１４ LEDチップ
１５ 封入樹脂
１６ FPCB
１７ ボンディングワイヤ
１８ フランジ
１９ コネクタ

Claims (11)

1. 光源と、
   フレキシブルPCBと、
   前記光源を覆う封入材
   を備え、
   前記フレキシブルPCBは第１の表面と第２の表面を有する薄い基板であり、
   前記光源は、前記フレキシブルPCBの前記第１の表面上に前記フレキシブルPCBに直結して配置されることを特徴とする、発光ダイオードパッケージ。
2. 前記フレキシブルPCBの厚さは、０．５ｍｍ未満である、請求項１の発光ダイオードパッケージ。
3. 前記フレキシブルPCBは、前記光源、前記封入材、及びその他の関連する部品が配置される共通の基板として機能し、及び、半田付けを使用しない機械的手段によって外部ユニットと電気的接続を行うための基板として機能する、請求項１または２の発光ダイオードパッケージ。
4. 前記フレキシブルPCBの端部に、外部の電気コネクタに接続するための電気端子が設けられ、前記フレキシブルPCBは、少なくとも前記第１の表面に導電性のトレースを有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかの発光ダイオードパッケージ。
5. 前記電気端子は前記封入材の外部に設けられることを特徴とする、請求項４の発光ダイオードパッケージ。
6. リフレクタハウジングをさらに備えることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかの発光ダイオードパッケージ。
7. 前記電気端子が、前記リフレクタハウジングの外部に設けられることを特徴とする、請求項６の発光ダイオードパッケージ。
8. 前記フレキシブルPCB上に、センサ、抵抗器、集積回路のうちの少なくとも１つの電気部品が設けられることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかの発光ダイオードパッケージ。
9. 前記光源が１つまたは複数のLEDチップからなり、１つのレンズによって前記１つまたは複数のLEDチップが覆われることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかの発光ダイオードパッケージ。
10. 前記光源が複数のLEDチップからなり、複数のレンズの各々のレンズによって、前記複数のLEDチップのうちの対応する各々のLEDチップが覆われることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかの発光ダイオードパッケージ。
11. 前記電気端子がコネクタまたはリードパッドであることを特徴とする、請求項４乃至１０のいずれかの発光ダイオードパッケージ。

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