JP5271509B2

JP5271509B2 - 気泡なくレンズを配置するための内部メニスカスを備えた発光ダイオードパッケージ要素

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Publication number: JP5271509B2
Application number: JP2007143451A
Authority: JP
Inventors: タルサエリック; シー．ユアントーマス; ベセラメアリアン; ヤデブプラビーン
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Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2013-08-21
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Description

本発明は一般に、半導体発光ダイオード（１つまたは複数のＬＥＤ）に関し、より詳細には、光学素子を備えたＬＥＤパッケージに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、固体デバイス（solid state device）であり、電気エネルギーを光に変換し、一般に、反対にドープされた層の間に挟まれた、半導体材料からなる１つまたは複数の活性層（active layer）を備える。バイアス（bias）が、ドープされた層全体にわたって印加されると、正孔および電子が活性層内に注入され、それらがそこで再結合して光を発生する。光は、活性層から、また、ＬＥＤの全ての表面から放出される。有用な光は一般に、ＬＥＤの上面の方向に放出される。

ＬＥＤはしばしばパッケージ内に配置され、パッケージは、成形または流し込みプラスチック（molded or cast plastic body）を含むことができ、プラスチックは、ＬＥＤチップ、レンズ、および導電性の配線（trace）またはリードをカプセル化する。電力が印加され、ＬＥＤが発光すると、通常、ＬＥＤによって熱が発生する。配線またはリードは、ＬＥＤチップに電力を供給するためのルート（conduit）として働き、ＬＥＤチップから熱を奪い去る働きをすることもできる。パッケージによっては、リードフレームパッケージの外部の回路へ接続するために、リードフレームの一部分がパッケージから外へ延びる。

ＬＥＤパッケージは通常、ＬＥＤチップを取り囲む何らかのタイプのカプセル化材料を有し、チップからの光抽出を強化し、チップおよび関連する接触構造（例えばワイヤボンド）が、物理的損傷、あるいは腐食または劣化を招く恐れのある環境条件にさらされないように保護する。レンズは、半球形を有することができ、カプセル化材料（encapsulant）によってパッケージに取り付けることができる。レンズは、光学素子としての機能を果たし、パッケージからの光抽出を向上させ、また場合によっては、ランプ（lamp）の角度依存発光特性を制御することによって、出力光ビームを形成する。

現在の表面実装ＬＥＤパッケージ技術においては、通常、独立したガラスレンズ、または成形シリコーンレンズが利用される。ＬＥＤパッケージを、その最終的な固定先（fixture）に取り付けるために、通常、高温（２００〜３００℃）のはんだリフロー処理を必要とする表面実装パッケージの場合、利用可能なレンズ材料には通常、シリコーンおよびガラスが含まれる。こうしたレンズは、周知の方法を使用して部品（piecepart）成形され、次いでＬＥＤパッケージに取り付けられる。これらのレンズ材料は、周囲のパッケージ構成要素に比べて異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することもある。そのため、ＬＥＤチップまたはパッケージ要素の亀裂（cracking）またははく離（delaminating）が生じる恐れがあり、その両方により、ＬＥＤパッケージからの光抽出が低減する恐れがある。このＣＴＥの差は、ＬＥＤチップに損傷をもたらすこともあり、具体的には、ワイヤボンドが損傷する、またはＬＥＤから引き抜かれることがある。このため、ＬＥＤパッケージが故障する恐れがある。

中実の半球レンズ（solid hemispherical lens）がＬＥＤチップの上方に配置され、シリコーンカプセル化材料によってパッケージに取り付けられる、「フローティングレンズ（floating lens）」の概念を利用するＬＥＤパッケージが開示されている（例えば、Ｌｏｈの特許文献１参照。）。このＬＥＤパッケージは、ＬＥＤチップから熱を逃がすためのヒートシンクとして機能する反射板を含み、光をＬＥＤチップから所望の方向に向けるための反射面を有する。さらに、製作、設置、または動作中に、横力（lateral force）がレンズに加えられることがあり、この問題を低減するため、反射板は、レンズの横方向の動きを抑制するための保持特徴（retention feature）を考慮して設計される。レンズはまた、垂直方向に「浮き（float）」、熱サイクル全体にわたる膨張および収縮に応答して上下に移動することができる。このため、カプセル化材料の熱膨張から生じるシリコーンカプセル化材料中の応力（stress）が低減され、それによって、はく離の引裂きが起こる可能性を低減することができる。

これらのパッケージでは通常、実質的に平らな、すなわち平坦な面を有する中実の半球レンズが使用される。レンズは、ＬＥＤチップのワイヤボンド用の間隔を空けることができるようにＬＥＤチップの上方に取り付けられ、そのため、ＬＥＤチップが半球の原点（origin）の下方に配置される必要がある。さらに、レンズを横力に対して保持するための反射板の保持特徴について、底面より上方にあり、レンズの下部を囲むことが必要な場合がある。上述の文献において説明されるパッケージでは、半球レンズが、反射板の陥凹した縁（recessed lip）内に位置する（特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２００４／００７９９５７号

コストおよび製作上のさまざまな理由のため、この保持特徴は通常、光を透過せず、むしろ反射する。この構成により、ＬＥＤチップによって放出された光の一部が、全反射などの損失作用のために失われることがある。さらに、ＬＥＤチップが半球レンズの底面の下方に位置するので、横に放出されたＬＥＤ光をレンズ及びパッケージの外に誘導するために、追加の反射面が必要である。この反射過程は、１００％の効率ではないため、さらなる光損失が生じる。また、これらの面からの反射により、（例えば、チップ単独に比べて）より大きく、より複雑な光源が事実上形成され、それが、さらなる光損失を生じ得る、より複雑な二次的な光学系を必要とすることがある。

実質的に平らな、すなわち平坦な面を有する半球レンズにより、気泡が、レンズとカプセル化材料との間に閉じ込められることもある。気泡により、ＬＥＤパッケージからの光抽出が低減され、異なるパッケージ間の発光特性がばらつく恐れがある。

本発明による、発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージを製作する方法の一実施形態は、ＬＥＤチップを提供するステップと、ＬＥＤチップの少なくとも一部分を、ある曲率半径（radius of curvature）をもつ液体のカプセル化材料で覆うステップとを含む。少なくとも一部分が液体カプセル化材料よりも大きな曲率半径をもつ底面を有する光学素子が提供される。光学素子のより大きな曲率半径部分を、液体カプセル化材料と接触させる。次いで光学素子が、ＬＥＤチップにさらに近づけられ、光学素子と液体カプセル化材料の間の接触領域が拡大する。次いで、液体カプセル化材料を硬化させる。

本発明による発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージの一実施形態は、ＬＥＤチップが取り付けられた基板を備える。メニスカス保持特徴（holding feature）を有するメニスカスリング（meniscus ring）が、基板上にＬＥＤチップを囲んで存在する。内側カプセル化材料が、ＬＥＤチップを覆って設けられ、内側カプセル化材料は、基板上に接触面を有する。メニスカス保持特徴が、接触面の縁部を画定する。少なくとも一部分が凹状である底面を有する、光学素子が含まれる。光学素子は、凹状部分がＬＥＤチップを覆った状態で基板上にある。接触用カプセル化材料が、内側カプセル化材料と光学素子との間に含まれる。

本発明による発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージの別の実施形態は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを覆う硬化されたカプセル化材料とを備える。底面を有する光学素子が含まれ、底面が硬化後のカプセル化材料上に、その２つの間に実質的に空気が閉じ込められていない状態で存在する。光学素子は、硬化前のカプセル化材料上に配置される。硬化前のカプセル化材料が、ある曲率半径をもち、底面が、カプセル化材料の曲率半径よりも大きな曲率半径をもつ少なくとも一部分を有する。底面は、硬化前のカプセル化材料と接触させられ、ＬＥＤチップに向かって移動ささられて、これら２つの間の接触領域が大きくなるにつれて空気が押し出される。

本発明による発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイパッケージの一実施形態は、基板に印加される電気信号が基板からＬＥＤチップに導通されるように、複数のＬＥＤチップが取り付けられた基板を備える。内側カプセル化材料が、ＬＥＤチップのそれぞれを覆って設けられ、内側カプセル化材料は、基板上に接触面を有する。光学素子が、ＬＥＤチップそれぞれを覆って含まれ、各光学素子は、少なくとも一部分が凹状の底面を有する。各レンズの凹状部分が、それに対応するＬＥＤチップを覆い、接触用カプセル化材料が、前記各内側カプセル化材料と、それに対応する光学素子との間にある。

本発明に係る上記およびその他の態様および利点は、以下の詳細な説明、および本発明の特徴を例によって示す添付の図面から明らかになるであろう。

本発明は一般に、半導体デバイスパッケージを製作する方法、およびその方法を使用して製作されたパッケージに関する。本発明は特に、接着材／カプセル化材料（「カプセル化材料」）によってデバイスを覆って取り付けられた要素を有する、ＬＥＤパッケージに適用可能である。要素は、好ましくは、カプセル化材料が液状であるとき、それを硬化させる前にＬＥＤチップを覆って取り付けられる光学素子（例えばレンズ）である。レンズおよび液体カプセル化材料が、パッケージ製作中にそれら２つの間に気泡が形成されるのを最小限に抑えるように、一緒に配置されて取り付けられる。

ＬＥＤパッケージの一実施形態では、レンズが、中空または凹状部分を有する半球レンズを備える。メニスカス特徴が、液体カプセル化材料を実質的に半球形に保持し、それにより気泡のない、再現可能な、液体カプセル化材料の上へのレンズの配置が可能になる。レンズに機械的安定性をもたらすために、レンズ保持特徴を含むことができ、チップをレンズ保持特徴および内部のメニスカス特徴に対して持ち上げるのに十分な高さを有する「サブマウント」を含むことができる。これらの特徴によって、パッケージ内でのＬＥＤチップの光学的配置が改善され、その結果、小型のシンプルな光源（optical source）、およびパッケージからの光抽出の改善をもたらすことが可能になる。光源がシンプルで小型であることから、高価でない、よりシンプルな二次的な光学素子をパッケージと共に使用することが可能になり、全体の光効率を改善することができる。内部メニスカスリングを使用することで、パッケージの製造性が向上し、気泡を閉じ込めずに中空レンズを配置することが容易になる。

本発明によるＬＥＤパッケージの一実施形態に係る組立て（assembly）は、以下のように実施される。まず、ＬＥＤチップが基板に接合される。レンズ保持特徴と内部メニスカス形成特徴の両方を含むメニスカスリングが、基板に接合される。シリコーンエラストマ（silicone elastomer）材料など、適切な内側カプセル化材料が、ＬＥＤチップを取り囲む領域内に施与され、その結果、カプセル化材料のメニスカスが内部メニスカス形成特徴上に形成される。次いで、この内側カプセル化材料が硬化され、第２の接触用カプセル化材料が、硬化された内側カプセル化材料に加えられる。次いでレンズが、第２の接触用材料の最も高い点がレンズと最初に接触するようにして、ＬＥＤチップの上に配置される。配置中にレンズに圧力が印加されて、レンズがＬＥＤチップにさらに近づくにつれて、接点が大きくなって円になり、レンズの配置中に空気が押し出されて閉じ込められないように拡大する。

内部メニスカス形成特徴（internal meniscus forming feature）において形成される最初のメニスカスのさらなる一利点は、パッケージの残りの部分に対してレンズが存在する最終の高さに対する正確な製造管理が行えるように、メニスカスを容易に測定できることである。このことは、（レンズの浮く量によってある程度決まる）組立て後および熱サイクル中のカプセル化材料中の応力、ならびに、レンズの原点とＬＥＤチップとの相対位置によって部分的に決まり得る、最終パッケージの光学的特性（例えば、出力ビームの半値全幅、すなわちＦＷＨＭ）の両方に対する良好な製造管理を確実にする助けとなる。

本発明は、本明細書において、いくつかの実施形態に即して説明されるが、本発明を、多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈すべきではないことが理解されよう。層、領域、または基板などの要素が、別の要素「上」にあるといわれる場合、その要素は、直接別の要素上にあってもよく、介在する要素が存在してもよいことも理解されよう。さらに、本明細書において、ある層または別の領域の関係を記載するために、「内側の」、「外側の」、「高い方の」、「上方の」、「低い方の」、「の下に」、「下方の」、「の上を覆っている」などの相対語、および類似語が使用されることがある。これらの語は、図中に示した向きに加えて、デバイスのさまざまな向きを含むものであることが理解されよう。

さまざまな要素、構成要素、領域、層および／または断面について記載するために、本明細書において第１、第２などの語が使用されることがあるが、これらの要素、構成要素、領域、層および／または断面は、これらの語によって限定されるべきではない。これらの語は、ある要素、構成要素、領域、層または断面と、別の領域、層または断面とを区別するために使用されるにすぎない。したがって、以下で論じられる第１の要素、構成要素、領域、層または断面を、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層または断面と呼ぶことができる。

本発明の諸実施形態は、本明細書において、本発明の理想化された諸実施形態の概略図である断面図を参照して説明される。したがって、例えば製造技法および／または公差（tolerance）の結果として、図面の形状との違いが予想される。本発明の諸実施形態は、本明細書に示される領域の特定の形状に限定されるものと解釈すべきではなく、例えば製造によって生じる形状のずれを含むべきである。正方形または長方形として図示または説明される領域は通常、標準的な製造上の公差のため、丸いまたは曲線状の特徴を有する。したがって、図中に示した領域は、実際は概略であり、その形状は、デバイスの領域の正確な形状を図示するものではなく、本発明の範囲を限定するものではない。

図１は、本発明によるＬＥＤパッケージを製作する方法１０の一実施形態を示す。方法１０は、ＬＥＤパッケージに関して説明されるが、この方法を他の半導体デバイスパッケージの製作に使用することができることが理解されよう。方法１０は、一連のステップとして示されているが、ステップを異なる順序で行うことができ、また異なるステップを使用することができることが、さらに理解されよう。

ステップ１２では、ＬＥＤチップが提供される。多くの異なるＬＥＤチップを提供することができ、また２つ以上のＬＥＤチップを提供することができる。一実施形態では、表面実装基板などの基板に取り付けられたＬＥＤチップが提供されるが、他の基板を使用することもでき、その基板を多くの異なる材料で製作することができる。表面実装基板は、当技術分野で周知であり、本明細書ではごく簡潔に論じる。一実施形態では、表面実装基板は、導電性特徴（conductive feature）がその表面上に堆積されたセラミックコアを備えることができる。導電性特徴は、めっき銅などの導電材料製の、周知の技法を使用して堆積された配線を備えることができる。表面実装基板は、最終固定先に、当技術分野で周知のはんだリフロー法を使用して取り付けられるように構成される。

ステップ１４では、液体カプセル化材料がＬＥＤチップを覆って設けられ、一実施形態では、カプセル化材料は、ある曲率または曲率半径をもつ形状を有する。ＬＥＤチップが表面実装基板上にある一実施形態では、カプセル化材料が、好ましくはＬＥＤチップを覆って実質的に半球形で設けられ、カプセル化材料は、基板接触面を有する。この形状の形成を助けるために、メニスカス保持特徴またはメニスカスリングを、基板上にＬＥＤチップを囲んで含むことができる。メニスカス形成特徴は一般に、物理的トランジション（physical transition）を備え、物理的トランジションは、メニスカスが表面張力によって液体と物理的トランジションの間に生じるように構成される。「メニスカス」という語は、表面張力によって形成される液体の凸面を指す。物理的トランジションは、縁部、隅部、レッジ（ledge）、トレンチ、リング、液体表面がそれと接触するときにメニスカスを形成する他の任意の物理的トランジションなどの特徴とすることができる。メニスカス保持特徴は、本明細書では主としてリングとして説明されるが、メニスカス保持特徴が、正方形または楕円形など、多くの異なる形状を有し、その形状が、特徴によって保持される液体の形状全体に影響を及ぼすことができることが理解されよう。液体カプセル化材料がＬＥＤチップを覆って設けられると、カプセル化材料とメニスカスリングの間のメニスカスが、カプセル化材料を、ＬＥＤチップを覆って実質的に半球形に保持する。

他の諸実施形態では、液体カプセル化材料を、すでに硬化済みの内側カプセル化材料上に施与される接触用カプセル化材料として設けることができる。内側カプセル化材料が、ＬＥＤチップを覆って設けられ、メニスカス保持特徴によって実質的に半球形に保持される。次いで、内側カプセル化材料が硬化され、接触用カプセル化材料が施与される。

ステップ１６では、多くの異なる形状およびサイズを有することができる光学素子が提供される。一実施形態では、光学素子は、実質的に半球の形状と底面とを有するレンズを備える。底面は、液体カプセル化材料の曲率半径よりも大きな曲率半径をもつ一部分を有する。一実施形態では、裏面を平らにすることができ、他の諸実施形態では、レンズの裏面が、裏面が凹状になって、レンズを少なくとも部分的に中空にするような曲線を備えた一部分を有することができる。裏面の曲線は、さまざまな位置にあってよいが、好ましくは、裏面の中心付近にある。

ステップ１８では、レンズの底面を、ＬＥＤチップの上で液体カプセル化材料と接触させ、好ましくは、液体カプセル化材料の最も高い点を、裏面のほぼ中心で接触させる。底面上に凹状部分を有する諸実施形態では、液体カプセル化材料が、レンズと凹状部分内で接触する。ステップ２０では、下向きの圧力がレンズに加えられ、レンズを、ＬＥＤチップに向かって移動させる。レンズと液体カプセル化材料の間の接点が大きくなり、円の形で外側に拡大する。レンズの裏面が、液体カプセル化材料よりも大きな曲率半径をもつので、閉じ込められた空気を最小限に抑えながら、気泡を形成する恐れのある接触領域が大きくなる。裏面が少なくとも部分的に凹状である諸実施形態の場合、最終ＬＥＤパッケージ内のＬＥＤチップの一部分が、凹状部分内で、レンズの底面のところに、またはそれより上方に存在することができる。このため、ＬＥＤチップが、半球形レンズ内の原点にさらに近づく。ステップ２２では、レンズをカプセル化材料に接合するために、液体カプセル化材料が硬化される。熱またはＵＶ硬化など、さまざまな周知の硬化法を使用することができる。

本発明による方法の別の諸実施形態では、さまざまな特徴を備えたメニスカスリング、または２つ以上のメニスカスリングを使用することができる。一実施形態では、メニスカスリングは、レンズに対する横力に応じてレンズが容易に損傷を受けない、または移動されないように、レンズを保持するためのレンズ保持特徴を備えることができる。カプセル化材料およびレンズは、蛍光体などの光変換材料を含むことができ、散乱粒子を含むこともできる。本発明による方法を使用して製作されたさまざまなＬＥＤパッケージは、さまざまな構成要素を有することができ、さまざまな中間的な硬化カプセル化材料を有することができる。

図２は、本発明による方法の一製作ステップにおける、本発明によるＬＥＤパッケージ３０の一実施形態を示す。パッケージ３０は、基板またはサブマウント３２を備え、これらは多くの異なる基板とすることができるが、好ましくは上述の、セラミックコア３４およびコアの表面上に堆積された導電性特徴３６を備えた表面実装基板である。

パッケージ３０は、周知の取付け法を使用して基板３２に取り付けられたＬＥＤチップ３８も備え、他の諸実施形態では、２つ以上のＬＥＤチップを含むことができる。従来型のＬＥＤチップの動作および製作の詳細については、当技術分野で一般に知られており、ごく簡潔に論じる。従来型のＬＥＤチップは、周知の方法によって製作することができ、適切な方法は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって製作するものである。動作の際には、ＬＥＤの反対にドープされた層全体にわたって電気信号を印加して、ＬＥＤの活性領域を発光させることができる。

ＬＥＤパッケージ３０では、ＬＥＤチップ３８が、導電性特徴３６と電気的に接触し、導電性特徴３６に印加されたバイアスがＬＥＤチップ３８に導通されてＬＥＤチップを発光させるようにする。ＬＥＤチップ３８が、ＬＥＤチップの幾何形状や導電性特徴３６のレイアウトなどの要因に応じて、異なる構成を使用して基板と電気的に接触することができることが理解されよう。本発明による他の諸実施形態では、ＬＥＤチップが基板と電気的に接触しないこともさらに理解されよう。図示された実施形態では、ＬＥＤチップ３８は、ワイヤボンド４０によって接触され、ＬＥＤチップの裏面を介して、基板の導電性特徴３６と接触している。

液体カプセル化材料４２が、ＬＥＤチップ３８を覆って設けられ、好ましくは、ＬＥＤチップ３８を覆って実質的に半球形に形成される。カプセル化材料４２を半球形に保持するために、メニスカスリング４４を、基板上にＬＥＤチップ３８を囲んで含むことができる。他の諸実施形態では、内側の材料を、基板３２の上面と液体カプセル化材料との間の表面張力によって、半球形に保持することができる。カプセル化材料４２は、多くの異なる材料を、単独でまたは組み合わせて含むことができ、適切な材料は、硬化性シリコーンまたはエポキシである。メニスカスリング４４は、物理的トランジションを提供し、物理的トランジションは、メニスカスリング４４と液体カプセル化材料との間のメニスカスの形成を可能にする。他の物理的トランジションをさまざまな形状で使用することができることが理解されよう。メニスカスリングは、熱伝導材料、反射材料および／または透明材料を含む、多くの異なる材料で製作することができる。

カプセル化材料４２は、蛍光体などの光変換材料を含むこともできる。本発明による一実施形態では、ＬＥＤチップ３８が青色波長スペクトルの光を放出し、蛍光体が、青色光の一部を吸収して、黄色を再放出する。ＬＥＤパッケージ３０が、青色光および黄色光を組み合わせた白色光を放出する。（Ｇｄ、Ｙ）₃（Ａｌ、Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ系に基づく蛍光体で製作された変換粒子を使用して、広い黄色スペクトル全域の発光が可能である。以下に、ＬＥＤパッケージ３０内で変換粒子として使用されるその他の適切な蛍光体を列挙するが、その他のものを使用することもできる。それぞれ青色および／またはＵＶ発光スペクトルにおいて励起を示し、所望のピーク発光をもたらし、効率的な光変換を有し、許容可能なストロークシフトを有する。

黄色／緑色
（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ）（Ａｌ、Ｇａ）₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺
Ｂａ₂（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｓｉ₂Ｏ₇：Ｅｕ²⁺
Ｇｄ_0.46Ｓｒ_0.31Ａｌ_1.23Ｏ_xＦ_1.38：Ｅｕ²⁺ _0.06
（Ｂａ_1-x-yＳｒ_xＣａ_y）ＳｉＯ₄：Ｅｕ
Ｂａ₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺
赤色
Ｌｕ₂Ｏ₃：Ｅｕ³⁺
（Ｓｒ_2-xＬａ_x）（Ｃｅ_1-xＥｕ_x）Ｏ₄
Ｓｒ₂Ｃｅ_1-xＥｕ_xＯ₄
Ｓｒ_2-xＥｕ_xＣｅＯ₄
ＳｒＴｉＯ₃：Ｐｒ³⁺、Ｇａ³⁺
ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺
Ｓｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺

変換材料は、材料の変換効率に応じて、カプセル化材料４２中で異なる濃度を有することができる。変換粒子を、内側の材料中に均一に施与しても、粒子がＬＥＤにより近くなるように、ＬＥＤの周囲に定着してもよい。カプセル化材料４２は、散乱粒子など、光を散乱させる助けとなる材料を含むこともできる。

パッケージ３０はレンズ４６も備え、レンズ４６は、シリコーン、エポキシ、またはガラスなど、多くの異なる材料で製作することができ、好ましくは実質的に半球形を有して形成される。上述のように、カプセル化材料４２と接触するレンズの裏面４８の一部分が、カプセル化材料４２の半球の形状よりも大きな曲率半径をもつべきである。レンズ４６の接触部分４８は平らであるが、本発明による多くの異なる形状を有することができる。レンズは、カプセル化材料とさまざまな位置で接触することができるが、好ましくは、レンズの裏面の中心またはその付近で、カプセル化材料と接触する。製作過程中、レンズ４６を、カプセル化材料４２に向かって、第１の矢印５０によって示される方向に移動させる。

次に図３を参照すると、本発明による製作方法の別のステップにおけるＬＥＤパッケージ３０が示してある。図３では、図２の同じ特徴に関して、上記のそうした特徴に関する記載が本明細書での特徴に当てはまるという理解のもとで、同じ参照番号が使用される。レンズ４６の裏面４８が、液体カプセル化材料４２と接触して示され、好ましい一実施形態では、カプセル化材料の最も高い点が、レンズの裏面と中心付近で接触する。レンズ４６がさらに下方へ移動するにつれて、液体カプセル化材料とレンズの裏面との間の接触領域が、第２の矢印５２によって示す方向に外に拡大する。図示されるように外に拡大することによって、閉じ込められた気泡が最小限に抑えられた、またはなくなった状態で、レンズをカプセル化材料と接触させる。図４では、製作過程の別のステップにおけるＬＥＤパッケージが示してあり、レンズ４６の底面４８が、カプセル化材料と完全に接触して示され、カプセル化材料をこの時点で硬化することができる。

図５〜７は、本発明によるＬＥＤパッケージ６０の別の実施形態を示し、図２〜４のＬＥＤパッケージ３０内の要素に類似する多くの要素を有する。それらの類似要素に関して、本明細書また添付の図中で、同じ参照番号が使用される。パッケージ６０は、セラミックコア３４および導電性特徴３６を有する基板３２を備える。ＬＥＤチップ３８が、基板３２に取り付けられ、基板の導電性特徴３６に、その裏面およびワイヤボンド４０を介して接触する。メニスカスリング４４が、基板３２に取り付けられ、液体カプセル化材料４２が、ＬＥＤチップ３８を覆って、半球の形状で設けられる。カプセル化材料４２を半球形に保持する助けとなるメニスカスが、カプセル化材料４２とメニスカスリング４４との間に形成される。

パッケージ６０は、図２〜４のレンズ４６と同じ材料で製作することができるレンズ６２をさらに備える。しかし、レンズ６２は、好ましくは液体カプセル化材料４２よりも大きな曲率半径をもつ凹状部分６４を、その裏面６６に有する。凹状部分６４は、さまざまな位置にあってよいが、レンズの裏面の中心またはその付近にあることが好ましい。製作中、レンズ４６を、液体カプセル化材料に向かって、第１の矢印５０によって示される方向に移動させる。図６では、レンズの凹状部分６４が、液体カプセル化材料４２に接触して示されている。好ましい一実施形態では、液体カプセル化材料４２の最も高い点が、凹状部分６４のほぼ最も高い点と接触する。レンズ６２がさらに下方に移動するにつれて、カプセル化材料４２と凹状部分６４との間の接触領域が、第２の矢印５２によって示されるように外に拡大し、それによって、閉じ込められた気泡が低減される、またはなくなる。

図７は、凹状部分６４が液体カプセル化材料４２と完全に接触する様子を示し、この時点で、カプセル化材料４２を硬化させることができる。凹状部分は、さまざまなサイズとすることができるが、好ましくは、ワイヤボンド４０およびＬＥＤチップ３８の少なくとも一部分が、レンズ６２の裏面６６より上方に、また凹状部分６４内にあるようにサイズ設定される。こうすることで、ＬＥＤチップがレンズの原点のさらに近くに配置され、それにより、いくつかの発光上の利点がもたらされる。放出された光のより多くが、反射板を追加する必要なく、直接レンズに入る。全反射のため失われる光はより少なく、パッケージによって、発光プロファイルが改善される。

図８は、本発明による、コア３４および導電性特徴３６を有する基板３２を備えるＬＥＤパッケージ８０の別の実施形態を示す。ＬＥＤチップ３８が、基板３２に取り付けられ、基板３２にその裏面およびワイヤボンド４０を介して接触する。メニスカスリング８２が、基板３２にＬＥＤチップ３８を囲んで取り付けられ、メニスカスリング８２は、メニスカス保持特徴８４およびレンズ保持特徴８６を有する。メニスカス保持特徴８４およびレンズ保持特徴８６は、１つのメニスカス保持リング８２の一部として示されているが、それらを独立の構造として設けることもできる。メニスカスリング８２は、好ましくは、ＬＥＤチップ３８の周囲に円を形成するが、ＬＥＤチップ３８の周囲に多くの異なる形状を有することができることが理解されよう。第１の施与材料または内側カプセル化材料８８が、ＬＥＤチップ３８を覆って施与され、メニスカスが、内側カプセル化材料８８と内側のメニスカス保持特徴８４との間に生じる。メニスカスは、内側カプセル化材料８８を半球形に保持し、内側カプセル化材料８８が硬化される。多くの異なる材料を内側カプセル化材料８８に使用することができ、適切な材料はシリコーンエラストマ材料である。

次いで、第２の施与材料または接触用カプセル化材料９０を、硬化後の内側カプセル化材料８８を覆って施与することができる。ＬＥＤパッケージ８０はさらに、凹状断面９４を有するレンズ９２を備え、凹状断面９４は、好ましくはレンズの裏面の中心付近にあり、内側カプセル化材料８８およびその接触用カプセル化材料９０よりも大きな曲率半径をもつ。製作中、レンズ９２が下方に移動させられ、凹状断面９４が接触用カプセル化材料９０と接触する。レンズがさらに下方に移動するにつれて、２つの間の接触領域が円になり、それが外側に拡大する。円が拡大し、その結果、レンズ９２と第２の施与材料９０との間に閉じ込められた空気が、最小限に抑えられる、またはなくなる。内側カプセル化材料８８および接触用カプセル化材料９０を、同じまたは異なる材料で製作することができ、両方に適切な材料は、シリコーンまたはエポキシである。

図９は、レンズ９２がＬＥＤチップ３８を覆って所望の位置まで下方に移動させられた後の、ＬＥＤパッケージ８０を示す。レンズの底面１００は、レンズ保持特徴８６内に保持され、メニスカスリング８２の横面１０２上またはその付近にあり、したがって底面１００は、レンズ保持特徴８６の上面よりも低い。この配置は、レンズ９２が横力を受けるときに容易に損傷を受けない、またはＬＥＤパッケージ８０から移動させられないように、レンズ９２をＬＥＤチップ３８の上に保持する助けとなる。この配置により、ＬＥＤチップ３８がレンズ９２の底面の上方にあることにもなる。レンズの底面１００が実質的に平らである諸実施形態では、ＬＥＤチップ３８がレンズ９２の下方にあり、レンズ９２とＬＥＤチップ３８との間に必要な空間を設けるために、より高さのあるメニスカスリングを含む必要がある。レンズ９２およびメニスカスリング８２の配置により、ＬＥＤチップ３８が少なくとも部分的に、レンズ９２の原点により近い、底面１００より上方にあることが可能になる。このため、上述の発光効率の利点がもたらされる。さらに、ＬＥＤチップ３８が、レンズの底面１００の下方にある必要がないので、より低いメニスカスリングを使用することができ、それにより発光効率損失がさらに低減される。このようなパッケージ８０は、レンズ９２とパッケージ８０の残りの部分との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合差を、レンズ９２が熱サイクル中にメニスカスリング保持特徴８６内で上下に「浮く」のを可能にすることによって補償することもできる。

本発明によるＬＥＤパッケージは、多くの異なる変形が可能であり、異なるカプセル化材料の組合せを使用することができる。図１０は、本発明による、コア３４および導電性特徴３６を有する基板３２を備えるＬＥＤパッケージ１１０の別の実施形態を示す。ＬＥＤチップ３８を、サブマウント１１２に取り付けることができ、次いでそれが基板３２に取り付けられる。一方、ＬＥＤパッケージ１１０には、ワイヤボンドがない。ＬＥＤチップ３８は、２つの底部接点を備え、それらが導電性特徴３６に電気的に結合される。この構成は、基板にフリップチップ実装することができる横方向の幾何形状のＬＥＤチップに特に適用可能である。本明細書において説明する諸実施形態はそれぞれ、ワイヤボンドなしで基板３２およびその導電性特徴３６に接触されるＬＥＤチップを備えることができる。

第１のカプセル化材料１１４をＬＥＤチップ３８の近くに施与して、カプセル化材料１１４がメニスカスをサブマウント１１２（またはチップ）と接して形成し、第１のカプセル化材料１１４を硬化することができるように、パッケージ１１０を設計することができる。第２の（内側の）カプセル化材料１１６が、第１のカプセル化材料１１４を覆って施与され、メニスカスリング１２０の内部メニスカス形成特徴１１８のところにメニスカスを形成する。レンズ１２４を取り付けるための第３の（接触用）カプセル化材料１２２が、これに続くことができる。この構成では、パッケージ内の各位置に最もよく適した材料を使用することが可能になる。

本発明は、ＬＥＤアレイを形成する際に使用することもでき、図１１は、本発明によるＬＥＤアレイ１３０の一実施形態を示す。単一の基板上の多くのメニスカスリングをそれぞれ、それ自体の１つまたは複数のＬＥＤチップ、ならびに／あるいは１つまたは複数のサブマウントと組み合わせることによって、本発明の基本概念を使用してアレイを製作することができる。ＬＥＤアレイ１３０は一般に、基板１３２、および基板１３２とそのそれぞれが電気的に接触して取り付けられる複数のＬＥＤチップ１３４を備える。それぞれ、内側のメニスカス保持特徴１３８とレンズ保持特徴１４０とを備えるメニスカスリング１３６も有する。それぞれ、上記の図８および９に示したＬＥＤパッケージ８０内の要素と同様にその全てが構成された、第１の内側カプセル化材料１４４、第２の接触用カプセル化材料１４２、およびレンズ１４６も有する。基板１３２は、電気信号を各ＬＥＤチップ１３４に印加するための導電性の配線１４８を有することができ、いくつかの実施形態では、ＬＥＤチップ１３４が、同じまたは異なる色および強度の光を放出することができる。ＬＥＤアレイ１３０は、４つのＬＥＤチップ１３４からなる１列で示されているが、ＬＥＤアレイ１３０は、複数のＬＥＤチップからなる多くの列を有することができ、各列が、これよりも少ないまたは多いＬＥＤチップ１３４を有することができることが理解されよう。

以上、本発明を、そのいくつかの好ましい構成に即して詳細に説明してきたが、他の変形も可能である。したがって、本発明の趣旨および範囲は、上述のタイプに限定されるべきではない。
なお、本発明に関連するＬＥＤパッケージの他の構成として、以下のものも挙げられる。
（１）発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージであって、
ＬＥＤチップが取り付けられた基板と、
前記基板上に前記ＬＥＤチップを囲んで存在し、メニスカス保持特徴を有するメニスカスリングと、
前記ＬＥＤチップを覆い、前記基板上に接触面を有する内側カプセル化材料であって、
前記メニスカス保持特徴が前記接触面の縁部を画定する前記内側カプセル化材料と、
少なくとも一部分が凹状の底面を有し、前記凹状部分が前記ＬＥＤチップを覆った状態で、前記基板上に存在する光学素子と、
前記内側カプセル化材料と前記光学素子との間の接触用カプセル化材料と
を備えることを特徴とするＬＥＤパッケージ。
（２）前記光学素子は、実質的に半球のレンズを備えることを特徴とする前記（１）に記載のＬＥＤパッケージ。
（３）前記内部カプセル化材料は、ある曲率半径をもち、前記光学素子の凹状部分は、ある曲率半径をもち、前記凹状部分は、前記内側カプセル化材料よりも大きな曲率半径をもつことを特徴とする前記（１）に記載のＬＥＤパッケージ。
（４）前記光学素子と前記接触用カプセル化材料との間には、実質的に空気が閉じ込められていないことを特徴とする前記（１）に記載のＬＥＤパッケージ。
（５）前記メニスカス形成特徴は、光学素子保持特徴をさらに備えることを特徴とする前記（１）に記載のＬＥＤパッケージ。

本発明の一実施形態によるＬＥＤパッケージを形成する方法に関する流れ図である。本発明の一実施形態によるＬＥＤパッケージの、一製作ステップにおける断面図である。図２のＬＥＤパッケージの、別の製作ステップにおける断面図である。図２のＬＥＤパッケージの、別の製作ステップにおける断面図である。本発明の別の実施形態によるＬＥＤパッケージの、一製作ステップにおける断面図である。図５のＬＥＤパッケージの、別の製作ステップにおける断面図である。図５のＬＥＤパッケージの、別の製作ステップにおける断面図である。本発明の別の実施形態によるＬＥＤパッケージの、一製作ステップにおける断面図である。図８のＬＥＤパッケージの、別の製作ステップにおける断面図である。本発明の別の実施形態によるＬＥＤパッケージの断面図である。本発明の一実施形態によるＬＥＤアレイの断面図である。

Claims

発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージを製作する方法であって、
ＬＥＤチップを提供するステップと、
前記ＬＥＤチップの少なくとも一部分を、ある曲率半径をもつ接触用液体カプセル化材料で覆うステップと、
少なくとも一部分が前記液体カプセル化材料よりも大きな曲率半径をもつ底面を有する光学素子であって、該光学素子は、半球のレンズを備え、前記半球レンズは、前記接触用液体カプセル化材料よりも大きな曲率半径をもつ凹状部分を備えた底面を有する光学素子を提供するステップと、
前記光学素子の前記より大きな曲率半径部分を、前記液体カプセル化材料と接触させるステップであって、ここで、前記光学素子の前記より大きな曲率半径部分は、前記液体カプセル化材料と、前記液体カプセル化材料の最も高い点で最初に接触する、ステップと、
前記光学素子を、前記ＬＥＤチップにさらに近づけて、前記光学素子と前記液体カプセル化材料との間の接触領域を拡大させるステップであって、ここで、前記接触領域は、前記光学素子が前記ＬＥＤチップにさらに近づくにつれて外に大きくなり、前記液体カプセル化材料と前記光学素子との間の空気の閉じ込めが低減される、ステップと、
前記液体カプセル化材料を硬化させるステップと
を含むことを特徴とする方法。
前記ＬＥＤチップを直接覆う内側カプセル化材料をさらに備え、前記液体カプセル化材料は、前記内側カプセル化材料上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
基板を提供するステップをさらに含み、前記ＬＥＤは前記基板に取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
前記基板は、メニスカスリングを前記ＬＥＤチップの周囲にさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の方法。
液体内側カプセル化材料を、前記ＬＥＤチップを直接覆って堆積させるステップと、
前記内側カプセル化材料を硬化させるステップと
をさらに含み、
前記メニスカスリングは、前記液体内側カプセル化材料を、硬化されるまで半球形に保持し、前記接触用液体カプセル化材料は、前記硬化された内側カプセル化材料上に設けられることを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記光学素子の底面に設けられた前記凹状部分は、前記ＬＥＤチップの少なくとも一部分が、前記半球レンズの前記凹状部分内にあるようにサイズ設定されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の方法。