(57)【要約】【課題】ＬＥＤチップの実装が容易で、良好な発光効率および放熱効果が得られるＬＥＤ装置を提供する。【解決手段】ＬＥＤ装置１は、ＬＥＤチップ２のＰ側電極２４がバンプあるいは直接にＰ側端子３上に電気的および機械的に接続され、ＬＥＤチップ２のＮ側電極２５がボンディングワイヤ６によってＮ側端子４に電気的に接続される。この構成により、ＬＥＤチップ２の発光面側には光路を妨げる部材が介在しないので発光効率が向上し、Ｐ側端子３との接続はＰ側電極２４のみになるので、位置決め精度が要求されず密着性も高められるので、実装作業性および放熱性が向上する。【選択図】　　　図１
2004079619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面にＰ側電極およびＮ側電極を有するＬＥＤチップと、
前記ＬＥＤチップの前記Ｐ側電極がバンプあるいは直接に機械的および電気的に接続されたＰ側端子と、
前記ＬＥＤチップの前記Ｎ側電極がボンディングワイヤによって電気的に接続されたＮ側端子とを備えたことを特徴とするＬＥＤ装置。
【請求項２】
前記ＬＥＤチップは、
透明基板と、
前記透明基板上の一部に形成された前記Ｎ側電極と、
前記透明基板上に発光層を含んで前記Ｎ側電極を囲むように形成された半導体層と、
前記半導体層の表面に形成された前記Ｐ側電極とを備えることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ装置。
【請求項３】
前記Ｐ側端子は、前記Ｐ側電極へのフリップチップボンディングにより前記ＬＥＤチップが搭載されるチップ実装面、および搭載された前記ＬＥＤチップの前記Ｎ側電極を露出させる開口部を有し、
前記Ｎ側端子は、前記Ｐ側端子の近傍に配置されるとともに、前記チップ実装面とは反対側の面にワイヤボンディング面が形成されたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ装置。
【請求項４】
前記開口部は、貫通穴又は切欠部であることを特徴とする請求項４記載のＬＥＤ装置。
【請求項５】
前記Ｐ側端子および前記Ｎ側端子は、プリント基板の絶縁層上に形成された導電パターンからなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ装置。
【請求項６】
前記Ｐ側端子および前記Ｎ側端子は、プレス、エッチング等により加工された金属材料のリードフレームからなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ装置。
【請求項７】
前記ＬＥＤチップは、１つあるいは複数のＬＥＤチップにより１つのＬＥＤランプを構成することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ装置。
【請求項８】
前記ＬＥＤチップは、マトリクス状に配列された複数のＬＥＤチップにより表示ユニットを構成することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）チップを用いたＬＥＤ装置に関し、特に、ＬＥＤチップの実装が容易で、良好な発光効率および放熱効果が得られるＬＥＤ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＥＤは、電子機器のパイロットランプ、ランプ付きスイッチ、セグメントディスプレイ、自動車のストップランプ、案内標識、踏み切り警報機等が主な用途であったのに対し、近年、実用レベルの高輝度の青色光を出せる青色ＬＥＤが開発されたため、３色混合によりカラー画像を表示するディスプレイや白色光源にいたるまで、応用範囲が拡大している。ＬＥＤの形状は用途に応じて様々なものがあり、代表的なものにリードフレーム型がある。このリードフレーム型ＬＥＤは、２本のリードフレーム（アウターリード）が半楕円形に形成された樹脂モールドから引き出された外形であり、樹脂モールド内にはＬＥＤチップが搭載されている。
【０００３】
ＬＥＤチップの基本的な構成は、下面に第１の電極を有し、上面の一部分に金属からなる第２の電極を有する構造であり、第１の電極はリードフレームの一方の頂部に形成されたメタルステムに接合・接続され、第２の電極はリードフレームの一方の頂部にボンディングワイヤにより接続されている。
【０００４】
しかし、上記構造のＬＥＤチップでは、発光面の上部をボンディングワイヤが通過する構造にならざるを得ず、発光ムラや光量低下が生じやすい。そこで、２つの電極を下部（ステムへの搭載面）に配置し、光出射面をボンディングワイヤが通過しない構造にしたフリップチップ型のＬＥＤチップを用いたＬＥＤがある。
【０００５】
このような従来のＬＥＤ装置として、例えば、特開２０００−２８６４５７号公報に示されるものがある。このＬＥＤ装置について、以下に図を示して説明する。
【０００６】
図８は、従来のフリップチップ型ＬＥＤチップを用いたＬＥＤ装置を示す。同図において、（ａ）はサブマウントにＬＥＤチップを位置合わせして搭載した構造の発光素子部材を示し、（ｂ）は（ａ）の側面であり、（ｃ）は発光素子部材をリードフレームに接続して完成させたＬＥＤ装置の外観を示している。
【０００７】
ＬＥＤチップ１０１は、基台としてのサブマウント１０２に搭載される。このサブマウント１０２には、セラミックス、樹脂等の絶縁体が用いられる。サブマウント１０２の表面の対角位置には、帯状の正電極１０３および負電極１０４のパターンがアルミ蒸着により形成されている。ＬＥＤチップ１０１は、サブマウント１０２の表面に約４５度回転させた状態で配置される。
【０００８】
サブマウント１０２にＬＥＤチップ１０１を搭載して構成される発光素子部材１２０は、サブマウント１０２の中心とＬＥＤチップ１０１の中心を重ね合わせ、更に、サブマウント１０２の中心軸と、ＬＥＤチップ１０１の中心軸を重ね合わせて、重ね合わせた中心Ｐ１を中心点にして略４５度回転させた位置（図８の（ｂ）に示す）において、ＬＥＤチップ１０１の正電極（図示せず）が、Ａｕによるマイクロバンプ１０６によりサブマウント１０２の正電極１０３に接続される。同様に、負電極１０４は、Ａｕによるマイクロバンプ１０７によりＬＥＤチップ１０１の負電極と電気的に接続される。更に、マイクロバンプ１０６，１０７が溶着されることにより、接続および固定される。
【０００９】
図８（ｂ）に示す発光素子部材１２０は、ＬＥＤチップ１０１を上にして、図８（ｃ）に示すメタルステム１１０（一方のリードフレームの上端部に設定される）のパラボラ１１１（光反射鏡）の底部に搭載される。サブマウント１０２の表面に形成された正電極１０３上のボンディングパット１０８は、メタルポスト１１２（他方のリードフレームの上端部に設定される）から伸ばされたボンディングワイヤとしての金線１１３によりワイヤボンディングされる。更に、負電極１０４上のボンディングパット１０９はメタルステム１１０から伸ばされた金線１１４によりワイヤボンディングされている。発光素子部材１２０を含むメタルステム１１０およびメタルポスト１１２は、樹脂モールド１１５によってモールドされている。
【００１０】
上記した構成により、ＬＥＤチップ１０１、サブマウント１０２、パラボラ１１１、および樹脂モールド１１５の総ての中心軸が一致したＬＥＤ装置１００を製造することができるようになり、上下左右で、即ち、ＬＥＤ装置１００の中心軸Ｐ２に垂直な平面上において、中心に対して一様、均一な配光が得られる。また、ＬＥＤ装置１００自体を大きくすることなく大きなサイズのＬＥＤチップ１０１を配置することができるので、高輝度のＬＥＤ装置が得られる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＬＥＤ装置によると、サブマウント１０２との接続がマイクロバンプ１０６，１０７を介して行われるため、ＬＥＤチップ１０１とサブマウント１０２の位置合わせが正確でないと、接続不良を生じる。しかも、マイクロバンプを高精度に行うためには高価な生産設備の導入が不可避であるほか、位置合わせに時間を要するため、歩留り向上が期待できない。
【００１２】
また、ＬＥＤチップ１０１とサブマウント１０２に位置ずれが生じていると、ＬＥＤチップ１０１、サブマウント１０２、パラボラ１１１、および樹脂モールド１１５の総ての中心軸Ｐ２が図８（ｃ）に示した様に一致させることができなくなり、高輝度を得られなくなる。更に、メタルステムおよびメタルポストのそれぞれとの接続にワイヤボンディングが用いられているため、熱膨張収縮によるストレスに対する信頼性も懸念される。
【００１３】
更に、ＬＥＤチップ１０１はマイクロバンプ１０６，１０７を介してサブマウント１０２に搭載される構造のため、ＬＥＤチップ１０１からサブマウント１０２への放熱はマイクロバンプ１０６，１０７のみを通して行われるに過ぎず、十分な放熱を期待することはできない。
【００１４】
したがって、本発明の目的は、ＬＥＤチップの実装が容易で、良好な発光効率および放熱効果が得られるＬＥＤ装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、底面にＰ側電極およびＮ側電極を有するＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップの前記Ｐ側電極がバンプあるいは直接に機械的および電気的に接続されたＰ側端子と、前記ＬＥＤチップの前記Ｎ側電極がボンディングワイヤによって電気的に接続されたＮ側端子とを備えたことを特徴とするＬＥＤ装置を提供する。
この構成によれば、Ｐ側電極とＮ側電極は同一面側に半導体層の厚み分だけ段差を有するように形成され、Ｐ側電極が実装面に実装されても、Ｎ側電極およびその接続部が障害になることがないので、ＬＥＤチップの実装が容易になる。更に、実装面との密着性が向上するので放熱性が向上する。また、発光面側に電極が設けられていないので、光を遮るボンディングワイヤが発光面上に通線されることがなく、発光効率を低下させることもない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ装置を示し、図１は斜視図、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図である。なお、図２では封止部材を除いて示す。このＬＥＤ装置１は、ＬＥＤランプであり、ＬＥＤチップ２と、ＬＥＤチップ２のＰ側電極２４が金バンプ５によって電気的および機械的に接続されたＰ側端子３と、ＬＥＤチップ２のＮ側電極２５にボンディングワイヤ６によって電気的に接続されたＮ側端子４と、ＬＥＤチップ２が搭載されたＰ側端子３の先端部、およびボンディングワイヤ６が接続されたＮ側端子４の先端部の下側および上側をそれぞれ封止する下側封止部材７Ａおよび上側封止部材７Ｂとを備える。なお、ＬＥＤチップ２のＰ側電極２４を金バンプ５を用いずに直接Ｐ側端子３に接続してもよい。
【００１７】
下側封止部材７Ａは、ボンディングワイヤ６を保護し、ＬＥＤチップ２の発光光を反射する機能を有する。この下側封止部材７Ａは、例えば、白色材等の光反射材料により封止してもよく、白色材等の光反射材成形品によりケーシングしてもよく、上面にアルミニウム等の反射膜を蒸着したガラス成形品によりケーシングしてもよい。
【００１８】
上側封止部材７Ｂは、ＬＥＤチップ２を保護し、ＬＥＤチップ２の発光光を集光する機能を有する。上側封止部材７Ｂは、例えば、透明樹脂材料により封止してもよく、透明樹脂成形品あるいはガラス成形品によりケーシングしてもよい。
【００１９】
図３は、ＬＥＤチップ２を示す。ＬＥＤチップ２は、透明で角形のサファイヤ基板２０上に発光層２１が内挿された窒化ガリウム系半導体層２２が凹型に設けられている。この窒化ガリウム系半導体層２２上には、電流拡散用透明電極２３が形成されており、その中央部にはＰ側電極２４が設けられている。更に、サファイヤ基板２０上の窒化ガリウム系半導体層２２が設けられていない部分には、Ｎ側電極２５が設けられている。このＮ側電極２５が設けられている部分は、窒化ガリウム系半導体層２２に対して、窒化ガリウム系半導体層２２の厚み分だけ段差を生じている。
【００２０】
図４は、Ｐ側端子３およびＮ側端子４を示す。Ｐ側端子３およびＮ側端子４は、銅等の金属のリードフレームからなり、両端子３，４間には、所定の間隔が設けられている。
【００２１】
Ｐ側端子３は、その先端にＬＥＤチップ２の外形よりやや大きい角形のチップ実装部３０が形成され、チップ実装部３０から延在部３１が延びている。チップ実装部３０の表面には、金，銀等のメッキからなるチップ実装面３３が形成されている。チップ実装部３０のチップ実装位置３４に合わせてＬＥＤチップ２が実装され、ＬＥＤチップ２のＰ側電極２４がチップ実装面３３のＰ側電極位置３５に接続される。また、Ｐ側端子３は、チップ実装部３０のＮ側端子４寄りに、四角形の貫通穴３２が設けられており、この貫通穴３２の開口面にＬＥＤチップ２のＮ側電極２５が対面し、露出する。なお、貫通穴３２に代え、チップ実装部３０を凹型に加工し、これによって生じる切り欠き部（凹み部）を用いる構成であってもよい。
【００２２】
Ｎ側端子４は、先端に幅広のボンティング部４０が形成され、その後方に延在部４１が延びている。ボンティング部４０の下面には、Ｐ側端子３に実装されたＬＥＤチップ２のＮ側電極２５との接続に用いられるボンディングワイヤ６の一端を接続するための金，銀等のメッキからなるボンディング面４２が形成されている。
【００２３】
次に、ＬＥＤ装置１の製造方法を説明する。ＬＥＤ装置１の製造には、ＬＥＤチップ２、Ｐ側端子３、Ｎ側端子４およびボンディングワイヤ６が必要である。まず、ＬＥＤチップ２をフリップチップ（フェースダウン）ボンディングにより、Ｐ側端子３のチップ実装面３３に実装する。フリップチップボンディングを行うために、メッキあるいはボンディンッグ法等により金バンプ５が予めＰ側電極２４に対応する場所に形成されている。従って、ＬＥＤチップ２を図３に示す状態から裏返しにし、ＬＥＤチップ２をチップ実装位置３４に位置合わせするとともに、Ｎ側電極２５をＮ側電極位置３６に位置合わせし、ついでフリップチップボンディングを行えば、金バンプ５によりＰ側電極２４とＰ側端子３上のＰ側電極位置３５で接続され、ＬＥＤチップ２自体もチップ実装面３３上に固定される。
【００２４】
次に、ボンディングワイヤ６の一端をＰ側端子３の貫通穴３２に通してＬＥＤチップ２のＮ側電極２５にボンディングする。ボンディングワイヤ６の他端をＮ側端子４のボンディング面４２にボンディングする。
【００２５】
最後に、ＬＥＤチップ２の裏側を下側封止部材７Ａにより封止し、ＬＥＤチップ２の発光面側を上側封止部材７Ｂにより封止し、ＬＥＤランプが完成する。
【００２６】
以上のように、第１の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）ＬＥＤチップ２をＰ側端子３およびＮ側端子４に実装する際、ＬＥＤチップ２のＮ側電極２５のフリップチップボンディングが不要になるため、Ｐ側端子３およびＮ側端子４の製作には従来のような高い加工精度を要求されないので、生産歩留りが向上する。
（２）エッチングやプレスにより貫通穴３２を加工する際、貫通穴３２のサイズが比較的大きいために加工精度が緩和され、リードフレーム等の厚み方向の寸法を増やすことができるため、Ｐ側端子３の熱容量が増え、放熱性が向上する。
（３）フリップチップボンディングによる接合部位は、Ｐ側電極２４のみの単一面であり、Ｎ側電極２５の段差を考慮することなく作業が行える。このため、バンプの形成高さを低くすることができ、フリップチップボンディングの条件出しも容易になり、作業、部材条件のバラツキ等による歩留り低下を低減することができる。
（４）ＬＥＤチップ２をＰ側端子３のチップ実装面３３に直接的に接合することもできるため、ＬＥＤチップ２自体の発熱源であるＰＮ接合部（発光部）とチップ実装面３３との距離がワイヤボンディング方式に比べて縮まり、或いはその間隔が無くなるので、ＬＥＤチップ２が発した熱はチップ実装面３３に伝わり易くなり、放熱性が向上する。
（５）ＬＥＤチップ２の発光層部とチップ実装面３３との距離が縮まり或いは無くなるため、チップ実装面３３との間の光散乱等による光減衰が無くなり、光の反射効率が上がる結果、光量を増大させることができる。
（６）ＬＥＤチップ２は、Ｐ側電極２４およびＮ側電極２５が同一面側に設けられ、発光面側にボンディングワイヤ６を通線する必要が無いため、発生した光がボンディングワイヤ６により遮られることはなく、光量落ちや光ムラを生じることがなく、発光効率を低下させることがない。そして、Ｐ側端子３に設けられた貫通穴３２は、ボンディングワイヤ６の一部をガイドするように機能するため、ボンディングワイヤ６に外力が加わるのを低減でき、ボンディング後のボンディングワイヤ６の変形を低減することができる。
なお、上記実施の形態では、ＬＥＤランプとして、１つのＬＥＤチップを用いた場合を示したが、同一の発光色あるいは異なる色の発光色の複数のＬＥＤチップを用いてもよい。
【００２７】
図５は、ＬＥＤチップ２の変形例を示す。図３に示すＬＥＤチップ２がチップ表面の一部分にのみＰ側電極２４が設けられていたのに対し、この変形例のＬＥＤチップ２は、窒化ガリウム系半導体層２２の全面にＰ側電極２４を備えるところに特徴がある。この構成によれば、図３に示すＰ側電極２４に比べ、バンプの数量を増やしたり、個々のサイズを大きくできるようになり、ＬＥＤチップ２とＰ側端子３との接合面積を増やすことが可能になる。この結果、図３の構成に比べ、放熱性は更に向上する。また、接合強度を増大できることにより、信頼性の向上が可能になる。この変形例の場合、フリップチップボンディング工程において、Ｎ側電極２５部分の接合を考慮しないで済むため、バンプを介さずに実装面にＬＥＤチップ２を直接実装することも可能になる。この場合、バンプの形成工数を削除でき、バンプの形成不良に起因する不良発生を低減することもできる。
【００２８】
図６は、Ｐ側端子３およびＮ側端子４の変形例を示す。Ｐ側端子３およびＮ側端子４の代わりに、同図に示すように、表面にＰ側導体パターン９Ａ、裏面にＮ側導体パターン９Ｂを形成したプリント基板８を用いてもよい。プリント基板８には、ボンディングワイヤ６を通す貫通穴３２が形成されている。Ｐ側導体パターン９Ａには、ＬＥＤチップ２のＰ側電極２４が接続され、Ｎ側導体パターン９Ｂには、ＬＥＤチップ２のＮ側電極２５がボンディングワイヤ６を介して接続される。この変形例の場合、Ｐ側端子３にプリント基板を用いた場合、貫通穴３２内を絶縁体にできるので、ボンディングワイヤ６の変形防止と共に、ボンディングワイヤ６が貫通穴３２の内壁に接触することによるショートを防止できる。
【００２９】
図７は、本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤ装置を示す。このＬＥＤ装置１は、表面にＰ側導体パターン９Ａ、裏面にＮ側導体パターン９Ｂを形成したプリント基板８に、図３あるいは図５に示したＬＥＤチップ２Ａ，２Ｂ，２Ｃを３つ搭載し、ＬＥＤチップ２Ａ，２Ｂ，２ＣのＰ側電極とＰ側導体パターン９Ａを電気的および機械的に接続し、ボンディングワイヤ６によってＬＥＤチップ２Ａ，２Ｂ，２ＣのＮ側電極とＮ側導体パターン９Ｂを電気的に接続し、表側を透明封止部材７Ｃによって封止し、ボンディングワイヤ６を保護するための封止部材１０によって裏側を封止したものである。これにより、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。また、貫通穴３２内を絶縁体にできるので、ボンディングワイヤ６が貫通穴３２の内壁に接触することによるショートを防止できる。なお、複数のＬＥＤチップをマトリクス状に配列して文字、記号等を表示する表示ユニットとして用いてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＬＥＤ装置によれば、Ｐ側端子のチップ実装面への位置決めはＬＥＤチップのＰ側電極のみに依存し、Ｎ側電極が障害とならない構成にしたたため、位置決め精度は要求されないことから、ＬＥＤチップの実装が容易になる。
また、ＬＥＤチップの実装が容易になるため、実装部材であるＰ側端子およびＮ側端子の加工が容易になる。この結果、リードフレームあるいはプリント基板の導電パターンの厚みを厚くすることができ、放熱性が向上する。また、ＬＥＤチップとＰ側端子のチップ実装面との密着性が向上するので、放熱性が向上する。
更に、発光面側に電極が無く、光を遮るボンディングワイヤが発光面上に通線されないため、発光効率を低下させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ装置の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るＰ側端子およびＮ側端子の斜視図である。
【図５】ＬＥＤチップの他の例を示す斜視図である。
【図６】Ｐ側端子およびＮ側端子の他の例を示す斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤ装置の斜視図である。
【図８】従来のフリップチップ型ＬＥＤチップを用いたＬＥＤの構成を示し、（ａ）はサブマウントにＬＥＤチップを位置合わせして搭載してなる発光素子部材の平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図、（ｃ）は発光素子部材をリードフレームに接続して完成させたＬＥＤを示す側面図である。
【符号の説明】
１　ＬＥＤ　　装置
２　ＬＥＤ　　チップ
３　Ｐ側端子
４　Ｎ側端子
５　金バンプ
６　ボンディングワイヤ
７Ａ　下側封止部材
７Ｂ　上側封止部材
７Ｃ　透明封止部材
８　プリント基板
９Ａ　Ｐ側導体パターン
９Ｂ　裏面にＮ側導体パターン
１０　封止部材
２０　サファイヤ基板
２１　発光層
２２　窒化ガリウム系半導体層
２３　電流拡散用透明電極
２４　Ｐ側電極
２５　Ｎ側電極
３０　チップ実装部
３１　延在部
３２　ボンディング面
３２　貫通穴
３３　チップ実装面
３４　チップ実装位置
３５　Ｐ側電極位置
３６　Ｎ側電極位置
４０　ボンティング部
４１　延在部
４２　ボンディング面
１００　ＬＥＤ装置
１０１　ＬＥＤチップ
１０２　サブマウント
１０３　正電極
１０４　負電極
１０６，１０７　マイクロバンプ
１０８，１０９ボンディングパット
１１０　メタルステム
１１１　パラボラ
１１２　メタルポスト
１１３，１１４　金線
１１５　樹脂モールド
１２０　発光素子部材
【図１】
2004079619.tif 000003
【図２】
2004079619.tif 000004
【図３】
2004079619.tif 000005
【図４】
2004079619.tif 000006
【図５】
2004079619.tif 000007
【図６】
2004079619.tif 000008
【図７】
2004079619.tif 000009
【図８】
2004079619.tif 000010