JP4408931B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光装置に関し、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子を用いた半導体発光装置に関する。

従来の半導体発光装置としては、図８のような構造が代表的である。
図８においては、第１のリードフレーム１および第２のリードフレーム２を固定する形で樹脂部３がインサート成型等で形成され、第１のリードフレーム１上にはＡｇペースト７によりＬＥＤチップ４が搭載され、第２のリードフレーム２には、ボンディングワイヤ５が取り付けられている。また、ＬＥＤチップ４の周囲はエポキシ樹脂６で保護、封止されている。

次に、図８の半導体発光装置の製造方法を以下に述べる。
まず、第１のリードフレーム１および第２のリードフレーム２を指定パターン形状に形成し、ボンデイングＡｇメッキを施した状態で樹脂部３内にインサート成型する。その後、第１のリードフレーム１上に、Ａｇペースト７によりＬＥＤチップ４を搭載し、第２のリードフレーム２に、ボンディングワイヤ５を取り付けることによって、リードフレームを電気的および機械的に接続し、エポキシ樹脂６で封止する。ここで、リードフレームの表面がＡｇめっきの状態では錆等が発生し、はんだ付けを阻害するので、リードフレーム部にはんだめっき等の外装めっきを施す。そして、不要部分のリードをカットし、コの字型に折り曲げ、実装基板と接合するための端子部を形成する。

ところで、搭載されているＬＥＤチップが発光する際には熱が発生するが、ＬＥＤチップに流れる電流が大きいほど、熱の発生量が大きくなる。また一般的に、ＬＥＤチップの温度が高くなるほど、ＬＥＤチップの発光効率は下がり、また光劣化が著しくなる。すなわち、大きな電流を流しても効果的に明るくならなくなり、またＬＥＤチップの寿命が短くなる。

そこで、ＬＥＤチップから発生する熱を効果的に外部へ逃がし、その温度を下げることにより、高電流でも発光効率の良好な、また、寿命特性の良好なＬＥＤチップを提供することができる。

上記のような、放熱効果の向上が図られた従来の半導体発光装置については、たとえば、特開平１１−４６０１８号公報（従来例１）、特開２００２−２２２９９８号公報（従来例２）、特開２０００−５８９２４号公報（従来例３）、特開２０００−７７７２５号公報（従来例４）、特開２０００−２１６４４３号公報（従来例５）などに記載されている。

従来例１および従来例２においては、リードフレームの表面積を大きくすることで、また、従来例３、従来例４および従来例５においては、基板の材質を樹脂よりも熱伝導性の大きい金属とすることで放熱性の向上を図っている。
特開平１１−４６０１８号公報 特開２００２−２２２９９８号公報 特開２０００−５８９２４号公報 特開２０００−７７７２５号公報 特開２０００−２１６４４３号公報

しかしながら、従来例１や従来例２のように、リードフレームの形状を非直線状としたり、厚みを大きくするなどして、ＬＥＤ素子側のリードフレームの表面積を大きくしたとしても、限られたパッケージサイズの中では限界があり、形状変化のみによってリードフレームの表面積を十分に増加させることはできない。したがって、十分な放熱効果の向上を図ることはできない。

また、リードフレームは、後工程で折り曲げを行なうため、厚くすると曲げ加工ができない。さらに、リードフレームの厚みを大きくするほど、厚みが小さいフレームと比較して、板材から該リードフレームを打ち抜く際に大きな力を要する。このため、金型の強度確保のため該金型の厚みを増す必要があり、必然的に打ち抜き部、すなわちリードフレーム間の隙間が広くなることになる。（一般的には該リードフレームの厚みと同じ、もしくは厚みの３／４程度以上の隙間が必要となる。）リードフレーム間の隙間が広がった結果、ボンデイング面積が確保できない、またはフレーム面積が小さくなる、という問題が生じる。

上記の放熱効果に関する他の対策として、ＬＥＤ素子側のリードフレーム端子と実装基板との接触面を大きくするというものもあるが、放熱としては効果があるものの、はんだ付け時の熱がＬＥＤ素子へ伝わりやすくなり、信頼性に悪影響を及ぼす恐れがある。

また、従来例３、従来例４および従来例５のように、樹脂よりも熱伝導性の大きい金属を基板として用いた場合も、上記と同様に、はんだ付け時の熱により、ＬＥＤ素子の信頼性に悪影響を及ぼす恐れがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、リードフレームの加工性およびＬＥＤチップの信頼性を低下させることなく、放熱性が高く、発光効率および寿命特性の良好な半導体発光装置を提供することを目的としている。

本発明に係る半導体発光装置は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを搭載する第１のリードフレームと、ワイヤを介してＬＥＤチップと電気的に接続される第２のリードフレームと、第１のリードフレームの下部に配置されるセラミック体と、ＬＥＤチップの周囲を囲み、第１および第２のリードフレームを固定する第１の樹脂部と、第１の樹脂部により囲まれた内側を封止する第２の樹脂部とを備え、セラミック体は、ブロック状であり、その下部は、実装基板と接触あるいは近接するよう、第１の樹脂部より露出し、さらに、セラミック体は、第２のリードフレームにおけるワイヤが接続される部分の下部にまで延びるように形成されることを特徴とする。

上記のように、第１のリードフレームの下部にセラミック体を有することで、第１のリードフレームから上記部材に熱を効率的に伝達することができ、放熱性の優れた半導体発光装置を提供することができる。

上記半導体発光装置において、好ましくは、第１のリードフレームおよび第２のリードフレームは、セラミック体と接触している。

本発明の半導体発光装置およびその製造方法によれば、ＬＥＤチップで発生した熱を、リードフレームの下部のセラミック体を通じて実装基板に放熱することができるので、リードフレームを厚くする必要がない。したがって、リードフレームの加工性の低下を阻止できる。また、はんだ付け時の熱がＬＥＤに伝わりやすくなることもない。よって、リードフレームの加工性およびＬＥＤチップの信頼性を低下させることなく、放熱性の優れた半導体発光装置を提供することが可能となる。

以下に本発明に基づく半導体発光装置およびその製造方法の実施の形態について説明する。

まず、半導体発光装置の発明に関する実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。

なお、以下に述べる実施の形態１から実施の形態５までにおいて、搭載されるＬＥＤチップ４は複数であることが好ましい。これにより、本実施の形態における半導体発光装置のフルカラー表示等の製品への適用性を高めることができる。１製品内に複数個のＬＥＤチップを搭載する場合は、発熱量が大きいため、放熱性がかなり重要な問題となるので、本実施の形態において大きな効果が期待できる。

図１は実施の形態１における表面実装型ＬＥＤの断面図である。
本実施の形態における半導体発光装置は、ＬＥＤチップ４と、ＬＥＤチップ４を搭載する第１のリードフレーム１と、金線などのボンディングワイヤ５を介してＬＥＤチップ４と電気的に接続される第２のリードフレーム２と、ＬＥＤチップ４の周囲を囲み、リードフレームを固定する樹脂部３とを備え、第１のリードフレーム１の下部に金属体８を有する。

第１および第２のリードフレーム１，２は、樹脂部３内にインサート成型されている。第１のリードフレーム１上には、Ａｇペースト７を介してＬＥＤチップ４が搭載され、第２のリードフレーム２に、ボンディングワイヤ５を取り付けることによって、第２のリードフレーム２をＬＥＤチップ４と機械的および電気的に接続し、その周囲を囲むように樹脂部３が形成されている。樹脂部３により囲まれた内側は、ＬＥＤ素子部を保護するため、エポキシ樹脂６で封止されている。

金属体８は、基板として機能する樹脂部３に保持され、その下部は、実装基板と近接あるいは接するよう、樹脂部３より露出している。また、金属体８はブロック状であり、第１および第２のリードフレーム１，２に樹脂部３を介して狭持されている。

ここで、金属体８は、第１および第２のリードフレーム１，２とは離間していることが好ましい。

第１および第２のリードフレーム１，２と金属体８との間に隙間を設けてあるのは、両者が接することにより、第１および第２のリードフレーム１，２に分離形成しているパタ
ーンがショートすることを防ぐためである。本実施の形態においては、ＬＥＤチップ４より出た熱は、第１のリードフレーム１、第１のリードフレーム１と金属体８間の隙間、金属体８の順で伝わり、実装基板に放熱される。ＬＥＤチップ４で発生した熱を効率よく金属体８に伝えるためには、上記隙間は可能な限り小さい方が好ましい。また、金属体８はパッケージ内で可能な限り体積を大きくとることが好ましい。

ここで、金属体８は、Ｃｕ、アルミニウム、Ｃｕ合金およびアルミニウム合金からなる群から選ばれる少なくとも１種の材質を含むことが好ましい。これは、これらの金属の放熱性が高いため、より放熱性の向上が図られるからであるが、金属体８として放熱性の高い材料を使うという意味では、他の金属材料や、たとえばセラミックなど金属以外の材料であっても問題ない。なお、セラミックを使用する場合、熱電導性は金属材料より劣るが、セラミック材料自体が絶縁性であるので、表面に絶縁処理を施すことなく、金属体８に代わる該セラミック体を第１，第２のリードフレーム１，２と接触させることが可能である。

なお、ＬＥＤチップ４の周囲に位置する樹脂部３はＬＥＤチップ４からの出射光を効率よく反射させるため、反射率の高い白色の樹脂を使用し、また効率よく前面に出射するために、内周面形状がたとえば逆円錐形状となるように成型される。また、本実施の形態における半導体発光装置は、表面実装部品として後工程へ流すため、樹脂部３には耐熱性の優れた樹脂が使用される。具体的には両者を満たす、たとえば液晶ポリマー、ポリアミド系樹脂等が使用される。なお、発光面積を大きく取りたい場合は、樹脂部３の内周面形状を逆円錐以外の形状、たとえば逆四角錐形状とする場合もある。

エポキシ樹脂６はＬＥＤ素子部を保護するための樹脂であり、主にポッテイング方式で注型され、透明または乳白色の樹脂が使用されるが、トランスファー成型、インジェクション成型等でも形成は可能である。この場合は発光部を任意の形状（レンズ形状等）にすることも可能である。

ここで、金属体８は、平面的に樹脂部３の中心付近にあるため、実装基板へのはんだ付けの際の熱を直接うけることはなく、よって、はんだ付け時の際の熱により、ＬＥＤチップの信頼性が低下することはない。

本実施の形態においては、以上の構成および作用により、非常に簡便に、従来の半導体発光装置と比べて、放熱性の向上を図ることができる。

図２は実施の形態２における表面実装型ＬＥＤの断面図である。
本実施の形態における半導体発光装置は、実施の形態１における半導体発光装置の変更例の１つであり、上記の金属体８を第１のリードフレーム１と接触させている。

たとえば、ＬＥＤチップが搭載される第１のリードフレーム１を、第２のリードフレーム２よりも低くし、金属体８と接触させる。図２の例では、第１のリードフレーム１を屈曲させて、金属体８と接触させている。

これにより、ＬＥＤチップ４より出た熱は、第１のリードフレーム１、金属体８、実装基板の順で伝わる。実施の形態１における第１のリードフレーム１と金属体８間の隙間に相当する部分がなく、ＬＥＤチップ４で発生した熱をさらに効率よく実装基板に逃がすことができる。なお、本実施の形態では、第１のリードフレーム１を下げて金属体８と接触させているが、第１のリードフレーム１はそのままで、金属体８の上面に凸部を設けるなどして、金属体８の形状を変更させても、同様の目的を果たすことができる。

本実施の形態においては、以上の構成および作用により、実施の形態１と比べて、より大きな放熱性の向上を図ることができる。

図３は実施の形態３における表面実装型ＬＥＤの断面図である。
本実施の形態における半導体発光装置は、実施の形態１における半導体発光装置の変更例の１つであり、上記の金属体８表面に、たとえば絶縁フィルム等貼付、または絶縁塗料等塗布、または陽極酸化等による電気的絶縁処理部９が設けられ、絶縁処理が施された金属体８の表面が第１および第２のリードフレーム１，２と接触する。

実施の形態２においては、半導体発光装置上にＬＥＤチップ４が１つしかない場合、あるいは複数存在しても、同一のリードフレーム上にある場合には、全てのＬＥＤチップ４から発生する熱を、実施の形態１における第１のリードフレーム１と金属体８間の隙間に相当する部分を介することなく実装基板に伝えることができる。

しかしながら、複数のＬＥＤチップ４が異なるリードフレーム上に存在する場合、各々のリードフレームに分離形成しているパターンがショートすることを防ぐため、それらのリードフレームのうち、１個しか金属体８に接触させることができず、結果として、放熱性の向上が制限されるパターン部が生じることとなる。

本実施の形態は、実施の形態２と意図する目的は同じであるが、金属体８に電気的絶縁処理部９を設けることにより、全てのリードフレームのパターンが金属体８に接触していてもショートせず、全てのパターン部に高い放熱効果を持たせることができる点が異なっている。

本実施の形態においては、複数のＬＥＤチップ４が異なるリードフレーム上に存在する場合でも、容易に放熱性の向上が可能で、またＬＥＤチップ４より出た熱は第１のリードフレーム１、金属体８、実装基板の順のルートとは別に、金属体８に入った熱を、さらに第２のリードフレーム２を介して、実装基板へ逃がす効果も期待できる。

図４は実施の形態４における表面実装型ＬＥＤの断面図である。
本実施の形態における半導体発光装置は、ＬＥＤチップ４と、ＬＥＤチップ４を搭載する金属体８と、金属体８と電気的に接続される第１のリードフレーム１と、ボンディングワイヤ５を介してＬＥＤチップと電気的に接続される第２のリードフレーム２と、金属体８およびＬＥＤチップ４の周囲を囲み、第１および第２のリードフレームを固定する樹脂部３とを有する。

本実施の形態においては、金属体８に直接ＬＥＤチップ４を搭載していることで、ＬＥＤチップ４から発生した熱は、金属体８に直接伝わり、該金属体８を介して実装基板に伝えることができるので、実施の形態１から実施の形態３よりもさらに効率よく熱を逃がすことができる。

図５は実施の形態５における表面実装型ＬＥＤの断面図である。
本実施の形態においては、金属体８の頂部は逆円錐形状に加工され、該頂部は第１のリードフレーム１に嵌入されている。また、金属体８と第１のリードフレーム１とをかしめることにより両者は一体化されており、かしめる工程を行なうと同時に金属体８の頂部を逆円錐形状に加工する。これにより、金属体８と第１のリードフレーム１とは強固に固定される。また、逆円錐形状の反射効果により半導体発光装置の光度アップを図ることができる。なお、金属体８頂部の形状は、上記の逆円錐以外の形状、たとえば逆四角錐などの形状としてもよい。

次に、金属体８の樹脂部３への固定に関する実施の形態について、図６および図７を用いて説明する。

図６（ａ），（ｂ）は実施の形態６におけるＬＥＤを搭載する基板の製造方法を示した図である。

本実施の形態における、ＬＥＤを搭載する基板の製造方法は、インサート成型により、金属体としての金属体８と、リードフレーム１０とを保持する樹脂部３を形成する工程と、金属体８あるいはリードフレーム１０上にＬＥＤチップ４を搭載する工程を備える。図６（ａ），（ｂ）では、リードフレーム１０上にＬＥＤチップ４を搭載する例を示している。

図６（ａ）に示す通り、インサート成型金型１１にリードフレーム１０と金属体８を略同時にセットしインサート成型を行なう。それにより図６（ｂ）に示すように、リードフレーム１０と金属体８を一体化するように樹脂部３を形成することができる。その後、一方のリードフレーム１０上に、Ａｇペーストを用いてＬＥＤチップ４を実装し、ボンディングワイヤを介して他方のリードフレームとＬＥＤチップ４とを接続する。

図７は実施の形態７におけるＬＥＤを搭載する基板の製造方法を示した図である。
本実施の形態における、ＬＥＤを搭載する基板の製造方法は、インサート成型により、リードフレーム１０を保持し、凹部１３を有する樹脂部３を形成する工程と、凹部１３に金属体としての金属体８を装着する工程と、金属体８あるいはリードフレーム１０上にＬＥＤチップ４を搭載する工程を備える。

図７（ａ）に示す通り、金属体挿入部形成用金型１２を有するインサート成型金型１１に、リードフレーム１０をセットしインサート成型を行なう。それにより、図７（ｂ）に示すように、リードフレーム１０を保持し凹部１３を有する樹脂部３を形成することができる。次に、図７（ｃ）に示すように、上記成型後の樹脂部３における凹部１３に、金属体８を挿入し、接着剤などを用いて固定する。その後は、実施の形態６と同様の工程を経て、ＬＥＤチップ４を一方のリードフレーム上に実装し、ボンディングワイヤを介して他方のリードフレームとＬＥＤチップ４とを接続する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１に係る表面実装型ＬＥＤの断面図である。 本発明の実施の形態２に係る表面実装型ＬＥＤの断面図である。 本発明の実施の形態３に係る表面実装型ＬＥＤの断面図である。 本発明の実施の形態４に係る表面実装型ＬＥＤの断面図である。 本発明の実施の形態５に係る表面実装型ＬＥＤの断面図である。 本発明の実施の形態６におけるＬＥＤを搭載する基板の製造方法を示した図であり、（ａ）はリードフレームと金属体をインサート成型金型にセットした図であり、（ｂ）はリードフレームと金属体のインサート成型が完了した後の樹脂部を示す図である。 本発明の実施の形態７におけるＬＥＤを搭載する基板の製造方法を示した図であり、（ａ）はリードフレームをインサート成型金型にセットした図であり、（ｂ）はリードフレームのインサート成型が完了した後の樹脂部を示す図であり、（ｃ）は樹脂部の凹部に金属体を挿入した状態を示す図である。 従来の代表的な半導体発光装置の断面図である。

符号の説明

１ 第１のリードフレーム、２ 第２のリードフレーム、３ 樹脂部、４ ＬＥＤチップ、５ ボンディングワイヤ、６ エポキシ樹脂、７ Ａｇペースト、８ 金属体、９ 電気的絶縁処理部、１０ リードフレーム、１１ インサート成型金型、１２ 金属体挿入部形成用金型、１３ 凹部。

Claims (2)

1. ＬＥＤチップと、
   前記ＬＥＤチップを搭載する第１のリードフレームと、
   ワイヤを介して前記ＬＥＤチップと電気的に接続される第２のリードフレームと、
   前記第１のリードフレームの下部に配置されるセラミック体と、
   前記ＬＥＤチップの周囲を囲み、前記第１および第２のリードフレームを固定し、前記セラミック体を保持するように形成された第１の樹脂部と、
   前記第１の樹脂部により囲まれた内側を封止する第２の樹脂部とを備え、
   前記セラミック体は、ブロック状であり、その下部は、実装基板と接触あるいは近接するよう、前記第１の樹脂部より露出し、
   さらに、前記セラミック体は、前記第２のリードフレームにおける前記ワイヤが接続される部分の下部にまで延びるように形成されることを特徴とする、半導体発光装置。
2. 前記第１のリードフレームおよび前記第２のリードフレームは、前記セラミック体と接触している、請求項１に記載の半導体発光装置。

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