(57)【要約】本発明によると、高温動作用にパッケージ化されたＬＥＤは下にある熱的接続パッドおよび一対の電気的接続パッドを含む金属の基台、上にあるセラミック層、および金属基台の上に実装されたＬＥＤダイを有する。このＬＥＤは金属基台を通じて熱的接続パッドへと熱的に連結され、電極は下にある電気的接続パッドへと電気的に接続される。低い熱抵抗の絶縁層がダイの他の領域を基台から電気的に絶縁しながらその一方で熱の通過を許容することが可能である。熱流は熱的ビアによって熱的接続パッドに向けて促進されることが可能である。基台の上に形成されたセラミック層は回路を追加することが可能であり、発光の分散に役立つ。この新規性のあるパッケージは２５０℃の高さの温度で動作することが可能である。
2006525679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温動作用のパッケージ化ＬＥＤであって、
下にある熱的接続パッドおよび下にある一対の電気的接続パッドを含む金属の基台と、
前記金属基台の上にあるセラミックの層と、
前記金属基台の上にある一対の電極を有するＬＥＤであって、前記ＬＥＤが前記金属基台を通じて前記熱的接続パッドへと熱的に連結され、前記電極がそれぞれ下にある電気的接続パッドへと電気的に接続されているＬＥＤと、を備えるパッケージ化ＬＥＤ。
【請求項２】
前記セラミックの層がキャビティを有し、前記ＬＥＤが前記キャビティ内に実装される、請求項１に記載のパッケージ化ＬＥＤ。
【請求項３】
前記ＬＥＤから出る光を反射するために前記キャビティがテーパの付いた側面を有する、請求項２に記載のパッケージ化ＬＥＤ。
【請求項４】
前記金属基台が光を反射するための凹面領域を有し、前記ＬＥＤが上にある前記凹面領域に実装される、請求項１に記載のパッケージ化ＬＥＤ。
【請求項５】
下にある前記電気的接続パッドおよび下にある前記熱的接続パッドが、ＰＣ基板の対応するパッド上への表面実装を可能にするように同一平面にある、請求項１に記載のパッケージ化ＬＥＤ。
【請求項６】
前記熱的接続パッドの上にある前記セラミック層上に前記ＬＥＤが実装され、熱的ビアによって前記ＬＥＤが前記熱的接続パッドの上にある前記金属基台へと熱的に接続される、請求項１に記載のパッケージ化ＬＥＤ。
【請求項７】
前記ＬＥＤの少なくとも一方の電極が、前記電極から前記セラミック層上のボンディング・パッドへのボンディング・ワイヤを含めた電気的経路によって下にある電気的接続パッドへと接続される、請求項１に記載のパッケージ化ＬＥＤ。
【請求項８】
前記ＬＥＤの少なくとも一方の電極が、前記金属基台を通る絶縁された導電性ビアを含めた電気的経路によって下にある電気的接続パッドへと接続される、請求項１に記載のパッケージ化ＬＥＤ。
【請求項９】
前記ＬＥＤの少なくとも一方の電極が前記金属基台を含めた電気的経路によって下にある電気的接続パッドへと接続される、請求項１に記載のパッケージ化ＬＥＤ。
【請求項１０】
共通の金属基台の上で請求項１に記載のＬＥＤを複数含むＬＥＤのアレイ。
【請求項１１】
高温動作用に金属上で低温同時焼成（ＬＴＣＣ−Ｍ）された発光ダイオード（ＬＥＤ）アセンブリであって、
熱的接続表面を有する金属の基台と、
前記金属基台の上にあってかつ前記金属基台から電気絶縁された一対の電極を有し、前記金属基台を通じて前記熱的接続表面へと熱的に連結される少なくとも１つのＬＥＤダイと、
前記金属基台の上にあり、前記ＬＥＤダイを収容するための少なくとも１つの開口を有するセラミックの層と、
前記金属基台から絶縁された複数の導電性トレースと、を備え、前記ＬＥＤの電極が前記導電性トレースへと電気的に接続されるＬＥＤアセンブリ。
【請求項１２】
複数のエッジコネクタの指片をさらに有し、前記指片が前記ＬＥＤの電極へと接続される、請求項１１に記載のＬＥＤアセンブリ。
【請求項１３】
複数のエッジコネクタの指片をさらに有し、前記指片が、前記ＬＥＤの電極を制御するデコーダ／ドライバ電子装置へと接続される、請求項１１に記載のＬＥＤアセンブリ。
【請求項１４】
前記ＬＥＤの電極を制御する前記デコーダ／ドライバ電子装置がＬＴＣＣ−Ｍパッケージの中に内蔵される、請求項１３に記載のＬＥＤアセンブリ。
【請求項１５】
上に前記ＬＥＤアセンブリが実装される追加の金属ブロックをさらに有することで熱放散をさらに向上させる、請求項１１に記載のＬＥＤアセンブリ。
【請求項１６】
前記ＬＥＤダイがフリップ・チップである、請求項１１に記載のＬＥＤアセンブリ。
【請求項１７】
前記フリップ・チップがハンダもしくは金を含む導電性ボールによって前記トレースへと接着される、請求項１６に記載のＬＥＤアセンブリ。
【請求項１８】
前記金属基台の上に形成された分離型の端子をさらに有し、前記分離型端子が前記ＬＥＤの電極に電気的に接続される、請求項１１に記載のＬＥＤアセンブリ。
【請求項１９】
前記金属基台の上に形成された分離型の端子をさらに有し、前記分離型端子がデコーダ／ドライバ電子装置へと電気的に接続され、前記電子装置がＬＴＣＣ−Ｍアセンブリの中に実装される、請求項１１に記載のＬＥＤアセンブリ。
【請求項２０】
前記絶縁層にビアをさらに有し、前記ビアがトレースを前記分離型端子へと電気的に接続する、請求項１８および１９に記載のＬＥＤアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は２００３年５月５日に提出された「Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  Ｐａｃｋａｇｅｄ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」という表題の係属米国特許出願番号６０／４６７，８５７号の恩典を権利主張するものである。この６０／４６７，８５７出願は本願明細書に参照で組み入れられる。
【０００２】
本発明は発光ダイオードに関し、さらに特定すると高温動作のためにパッケージ化された発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は通信および機器から家庭用、自動車用、および視聴用ディスプレイへと拡大する増加しつつある多様な用途で光源として使用されている。これらの用途の多くはさらに高い電力のレベルを必要とし、ＬＥＤをさらに高い温度で動作する環境に晒す。それに呼応して、温度が上昇するときにＬＥＤの出力強度を高く保つためにＬＥＤ製造業者は半導体材料の純度を改善してきた。結果として、望まれるＬＥＤの応用法は現在ではそれらのパッケージの熱的限界によって制約される。
【特許文献１】係属米国特許出願番号６０／４６７，８５７号
【特許文献２】米国特許第６，４５５，９３０号
【特許文献３】米国特許第５，５８１，８７６号
【特許文献４】米国特許第５，７２５，８０８号
【特許文献５】米国特許第５，９５３，２０３号
【特許文献６】米国特許第６，５１８，５０２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在普及しているプラスティックのＬＥＤパッケージは約８０℃の動作温度限界を有する。しかしながら、いくつかのＬＥＤダイは１２０℃で動作するであろうし、工業的優先は約２００℃の動作温度に関している。したがって、高温動作のためにパッケージ化された改善型発光ダイオードに関するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によると、高温動作用にパッケージ化されたＬＥＤは下にある熱的接続パッドと一対の電気的接続パッドを含む金属基台、上層のセラミック層、および金属基台の上に実装されたＬＥＤダイを有する。ＬＥＤは金属基台を通じて熱的接続パッドへと連結され、電極は下にある電気的接続パッドへと電気的に接続される。低い熱抵抗の絶縁層が基台からダイの他の領域を電気的に絶縁しながらその一方で熱の通過を許容することが可能である。熱流は熱的接続パッドへの熱的ビアによって促進されることが可能である。基台の上に形成されたセラミック層が回路を追加し、かつ発光を分布させる補助をすることが可能である。このパッケージ化されたダイオードは金属上の低温同時焼成セラミック技術（ＬＴＣＣ−Ｍ）によって作製されることが可能である。ＬＴＣＣ−Ｍでパッケージ化されたダイオードは２５０℃の高さの温度で動作することが可能である。
【０００６】
本発明の利点、性質、および様々な付加的特徴は添付の図面と関連付けてここで詳細に述べられる具体例の実施形態を配慮するとさらに充分に明らかになるであろう。
【０００７】
これらの図面が本発明の概念を具体的に示すためのものであって縮尺通りではないことは理解されるはずである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
この説明は２つのパートに分けられる。パートＩでは本発明による高温動作用にパッケージ化された発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造と特徴を説明し、範例となる実施形態を例示する。パートＩＩではこのＬＥＤをパッケージ化するために使用されるＬＴＣＣ−Ｍ技術のさらなる詳細を与える。
【０００９】
Ｉ．高温動作用にパッケージ化されたＬＥＤ
図面を参照すると、図１は高温動作用にパッケージ化されたＬＥＤ１０の概略の断面図である。ＬＥＤ１０は金属基台１１の上に実装され熱的に連結されている。都合の良いことに金属基台１１は基台１１からの電気的絶縁を供給するためのパターン化された低い熱抵抗の電気的絶縁層１２、および熱的結合と電気的接続を供給するためのパターン化された導電層１３を有する。層１２と１３は所望される通りに絶縁または電気的接続を供給するようにパターン化されることが可能である。アノード１０Ａとカソード１０Ｃを有するＬＥＤ１０はパターン化された導電層１３の導電パッド領域１３Ａと１３Ｃに電極１０Ａと１０Ｃをハンダ付けすることによって基台１１の上に被せて実装されることが可能である。
【００１０】
電気的接続は、電気的に絶縁されたビア１４または基台１１の金属を使用して金属基台１１を貫いて下にある電気的接続パッド１５Ａおよび１５Ｂへと為されることが可能である。プリント回路基板（図示せず）上への基台１１の表面実装を可能にするためにハンダ付け可能な電気的接続パッド１５Ａおよび１５Ｂが金属基台１１の下側に蒸着されることが可能である。ＬＥＤパッケージからプリント回路基板へと熱を搬送するために基台１１の残りの領域は１つまたは複数の熱的接続パッド１６を設けられることが可能である。都合の良いことに、基台１１はハンダ付け組み立て中にプリント回路基板内にメッキされたスルーホール（図示せず）と接触を形成する。そのようなスルーホールはダイオードのパッケージからＰＣＢの基材（通常はアルミニウムまたは銅）へと熱を移すであろう。
【００１１】
基材１１の上に被せて１層または複数層のセラミック層１７がパッケージの表面に追加されることが可能である。基台１１の上のセラミック層はＬＥＤ１０の周りでキャビティ１８を形成する。下記で検討されるであろうがこのキャビティの壁の形状はＬＥＤ１０から出る光の分布に影響を与えることが可能である。セラミック層１７はアレイになった多数のダイオードを接続するための回路、静電気放電保護回路、ダイオードの制御と電力供給の接続、およびその他の表面実装部品（図１に示されていない）を有することが可能である。
【００１２】
キャビティ１８の上に（エポキシのような）透明のカバーまたはレンズを接着することによって透明カバー１９が設けられることが可能である。ボンディング・パッドとロウ付けシール・リング（図示せず）の追加によって密封してシールが為されることが可能である。
【００１３】
都合の良い実施形態では、金属基台１１は銅／モリブデン／銅（ＣＭＣ）であり、低い熱抵抗の電気絶縁層１２（約２マイクロメートル）は金属基台の酸化層、蒸着ガラス、または酸化ニッケルのような他の蒸着絶縁体（約２マイクロメートル）であることが可能であり、導電層１３は金、銀、またはその他の適切な導電体であることが可能である。ＬＥＤ電極１０Ａ、１０ＣはＡｕＳｎハンダによって金のボンディング・パッド１３Ａ、１３Ｃにハンダ付けされることが可能である。電気的接続および放熱のための下地パッド１５および１６はそれぞれＰｄＡｇおよびＡｇであることが好ましい。
【００１４】
図２に示されるように、基台１１に被さるセラミック層１７は複数のセラミック層１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、および１７Ｄで構成されることが可能である。各々のセラミック層は複数のＬＥＤの電力供給、制御、保護、および相互接続のための回路部品を有することが可能である。回路は多様な用途に関して変わるであろうが、図２は表面実装型の能動デバイス２０、内蔵キャパシタ２１、コネクタ２２、相互接続用ビア２３、および内蔵抵抗器２４を追加する方法を例示している。回路を組み入れる上層のセラミック層１７を備えた金属基台１１は、例えば２００２年９月２４日に発行され、本願明細書に参照で組み入れる米国特許第６，４５５，９３０号に述べられた金属上の低温同時焼成セラミック技術（ＬＴＣＣ−Ｍ）を使用して作製されることが可能である。
【００１５】
豊富な量の光がＬＥＤダイの端面から発射されるので、セラミック・キャビティの形状は合計の光の効率に重要な因子である。セラミック・キャビティの壁は打ち出し加工、圧印加工、型打ち加工、積層による形成、あるいは「生」もしくは未焼成状態のセラミックを押し進ませることを含む様々な方法で形成されることが可能である。
【００１６】
図３Ａおよび３Ｂは図１のＬＥＤのための範例の光分散キャビティを例示している。図３Ａでは、キャビティ１８は直線的なテーパを有する壁３０を備えて設けられる。図３Ｂでは、壁３１は放物線状のテーパを有する。概して、各々のダイオード・キャビティ１８は光の出力および焦点集束を向上させるように形作られることが可能である。白色焼成ガラス・セラミックは反射性であり、高輝度スポットの出現を減少させるように光を分散させる。キャビティ表面の反射率は表面を研磨することによって、またはスプレー法、塗布法、スパッタリング法、または化学蒸着法で銀のような反射コーティングを付けることによって高められることが可能である。付着したエポキシのような材料が縮んで反射ギャップを形成するように側壁を平滑化させることが好都合である。
【００１７】
図４は高温動作用にパッケージ化された単一のＬＥＤの別の代替選択肢となる実施形態の概略の断面図である。この実施形態では、ＬＥＤ１０に被さるレンズ４０がセラミック層１７、キャビティ１８、およびレンズ・カバー１９に置き換わっている。図４のデバイスのその他の特徴は図１のデバイスについて述べられたそれと実質的に同じである。
【００１８】
高温ＬＥＤの他の変形例はパッケージの底に単一の電極を備え、上端面にワイヤ・ボンディング可能なパッドとして第２の電極を備えたＬＥＤダイを含む。あるいは両方の電極が最上面にあって各々ワイヤ・ボンディングを伴うことも可能である。
【００１９】
図５は高温動作用にパッケージ化された別の代替選択肢のＬＥＤの概略の断面図である。図５のデバイスは、ＬＥＤダイ１０を取り巻く凹面の光反射キャビティ５２を有するように圧印加工によって金属基台５１が形作られること以外は図１のデバイスと同様である。図５はまた、ＬＥＤダイ１０がその最上面の上に電極のうちの１つ５３を有することが可能であることも例示している。最上部の電極５３は、例えばボンディング・ワイヤ５４によってセラミック１７上の最上部のボンディング・パッド５５へと接続され、絶縁されたビア区画５６を含むビア５７を通して成形金属基台５１の下にあるボンディング・パッド１５Ａへと接続されることが可能である。他方のＬＥＤ電極は、ボンディング・パッド５９へと接続された底面上にあることが可能であり、さらに金属基台の通り道とビア５７によって下にあるボンディング・パッド１５Ｂへと接続されることが可能である。成形金属基台５１は、下層のボンディング・パッド１５Ａ、１５Ｂが熱的基台の接続部１６と同一平面になるように下層のセラミックの支持体５８Ａ、５８Ｂを設けられることが可能である。この配列は、ＰＣ基板への表面実装接続のために単一平面でパッド１５Ａ、１５Ｂ、および接続部１６を与える。
【００２０】
図６の実施形態は、ＬＥＤ１０が成形金属基台５１の上ではなくセラミック層１７の上に実装されること以外は図５のそれと同様である。ここでは、圧印された金属基台に適合するセラミック層１７は光反射器としてはたらく。ＬＥＤ１０の底部電極はボンディング・パッド６０と基台５１までセラミックを貫く導電性ビア６１の通り道によって金属基台５１へと接続されることが可能である。ビア６１は電気と同様に熱を伝導するように数および寸法を設定される。
【００２１】
図７の実施形態は、成形金属基台５１の成形された領域が層領域反射器としてはたらくように広く露出されるようにセラミック層１７内のキャビティ１８が拡大されること以外は図５の実施形態と同様である。
【００２２】
図１のＬＥＤ構造はＬＥＤのアレイを形成するために容易に複製されることが可能である。図８はダイオード１０の範例のアレイ８０を具体的に示しており、埋め込まれた相互接続回路（図示せず）が共通の電極８１Ａ、８１Ｃに接続されたセラミック（図１の１７）に追加される。
【００２３】
図９はＬＴＣＣ−Ｍでパッケージ化された特に製造し易いＬＥＤダイオード１０のアレイ９０の概略の断面図である。基本的に、アレイ９０はヒート・シンク９１と開口を設けたＰＣ基板９２との間に配置された複数のダイオード１０を有する。各々のＬＥＤ１０の発光部分はＰＣ基板９２の対応する窓開口９３と位置合わせされる。ＰＣ基板９２は制御回路とドライバ回路（図示せず）、およびそれらの回路とＬＥＤとの間の電気的接続部、例えば接続部９４を含むことが好都合である。ヒート・シンクと熱的に接触させてダイオード１０を保持するためにＰＣ基板９２はネジ９５によって（アルミニウムのシートであることが可能な）ヒート・シンクに簡便に固定されることが可能である。ダイオードとヒート・シンクとの間の熱的接触はサーマル・グリースによって容易にされることが可能であると好都合である。
【００２４】
アレイ９０は作製することが特に容易である。ＰＣ基板９２を形成し、本願明細書に述べられるように複数のＬＴＣＣ−Ｍでパッケージ化されたダイオード１０を供給した後、発光部分を開口と位置合わせし、ＬＥＤの接点をＰＣ基板の接点と位置合わせしてダイオードがＰＣ基板上に表面実装されることが可能である。ハンダ・リフローによる接続の後、ＰＣ基板９２はネジ９５によってヒート・シンク９１に固定されることが可能である。開口とＬＥＤは複数のＬＥＤの二次元アレイのいずれかの所望の構成を達成するように基板の表面全体にわたって配置されることが可能である。
【００２５】
図１０は複数のＬＥＤ１０の第１の好都合な構成を例示する上面図であり、接近して集められた六角形のアレイを形成している。ＰＣ基板９２は共通の電極８１Ａおよび８１Ｃを有する。
【００２６】
図１１は第２の好都合な構成の上面図である。ＬＥＤは円の外周の周りの扇形の複数のセット１１１Ａ、１１１Ｂ、および１１１Ｃ、および円の中心のセット１１１Ｄに配分され、全体で集中型の光源を模倣している。
【００２７】
図１２はプラグイン・カードとして使用するために適した本発明の実施形態を示している。複数のキャビティ１２２が複数のＬＥＤダイ１２３、１２４、および１２５を含む。ＬＥＤダイ１２３、１２４、および１２５は（増大した光度のための）同じダイであることが可能であり、あるいはそれらは個別の色彩であり、かつ単色もしくは混合色ディスプレイ用に様々なパターンに点灯されることが可能である。それらはまた、可変の強度を与えるためまたはパターンを示すために様々な組み合わせで点灯されることも可能である。カードの接触用指片１２６、１２７、１２８、および１２９は表示される色彩を制御するための範例の実施形態を示している。ここで、指片１２９は電気的共通部（共通のカソードまたは共通のアノード）であり、指片１２６、１２７、および１２８は各々、カードに赤色、緑色、または青色をそれぞれ点灯させるために各々の井戸形の中の単色のダイへと接続される。この範例では、各々のＬＥＤダイは各々の井戸形の中の同じ色のそれぞれのＬＥＤダイへと配線され、その色彩用のそれぞれの制御用指片へと配線される。この実施形態の別のバージョンでは、デコーダ／ドライバ電子装置がカードの複数の層の中に直接埋め込まれ、個々のＬＥＤダイもしくはダイのグループを制御することが可能である。
【００２８】
図１３は付加的な冷却用のヒート・シンク１３２上に実装されることが好都合なカードを示している。また、このカードはエッジコネクタ１３３に差し込まれ、接触用指片１２６、１２７、１２８と接触が為される方法を示している。
【００２９】
半導体ダイはまた、記述されたＬＥＤアセンブリのいずれかにフリップ・チップとして直接接続されることも可能である。この実施形態では、パッケージの表面は金またはハンダのような接着可能な材料でバンプを設けられることが可能である。これらのバンプは半導体ダイの金属端子に対応するように付けられることが可能である。その後、ダイはパッケージ上のバンプを設けた端子とダイの端子との間に冶金学的な接続を作り出すように熱および／またはサーモソニック方式の撹拌を加えることによってパッケージに取り付けられることが可能である。この実施形態は図１４および１５に示されている。図１４はＬＴＣＣ−Ｍパッケージ１４１の中のフリップ・チップのダイ１４３を示す上面図である。図１５は同じ組み立て品の側面図であり、表面１４２上の配線平面にバンプ１４４によって接続されたフリップ・チップ１４３を示している。図１６はダイが設置される前のパッケージの上面図を示している。表面１４２の上にある配線用トレース１６１が見受けられることが可能である。
【００３０】
本発明の他の実施形態では、図１７に示されるようにＬＥＤアセンブリへの接続は基台１７４上の分離された端子１７５によって為されることが可能である。絶縁層１７１の開口は前出のようなＬＥＤのための井戸形を形成する。場合によっては絶縁層１７１は基平面１７２を有することが可能である。金属のビア１７３は導電性のトレース（図示せず）を経由して分離型の端子１７５からダイへの電気的接続を容易にすることが可能である。図１８は複数のダイ１０を収容するように設計されたこの実施形態のバージョンを示している。
【００３１】
ここで、以下の特定の実施例の検討によって本発明がさらに明確に理解されることが可能となる。
【実施例１】
【００３２】
この部品はＨ．Ｃ．Ｓｔａｒｋ  Ｃｏｒｐ．によって作製された１３％の銅、７４％のモリブデン、１３％の銅（ＣＭＣ）の金属積層を使用して構築された。各々のダイオード電極の場所に対応するように厚膜の金のボンディング・パッドが金属基台の上に焼成される。これらのパッドは電気的および熱的にＣＭＣ基台に接続される。ＬＥＤキャビティを形成し、電気的接続を作り出し、かつアレイのハウジングを形成するためにＣＭＣに適合する４層のセラミック・テープが使用される。このセラミック・テープはＦｅｒｒｏ  Ｃｏｒｐ．その他から供給されるガラスと樹脂で構成される。テープ材料は粉砕され、混合され、平坦なシートに成型される。その後、このシートが打ち抜き、印刷、コレーティング、および積層処理を含めた通例の「生」テープ処理法を使用して処理される。
【００３３】
キャビティはルーティング（回転工具で材料を切除する処理）、生状態で積層処理中に硬質の工具を使用した形状のプレス加工、またはポンチ・シャフト１９１とテーパ付きシャフト１９２を備えた円形のポンチ工具１９０（図１９）を使用する各々のセラミック層のキャビティの打ち抜き加工（生状態の打ち抜き加工）によって形成される。円形ポンチ１９３がセラミック・テープの穿孔断片を押し出し、その後、テーパ付きシャフト１９２が生テープにテーパを押し付ける。場合によっては各々のポンチ加工の前に表面が銀もしくはアルミニウムの金属粉末でコーティングされる。ポンチ操作中に金属粉末はセラミック・テープへと移される。焼成されると、この金属はセラミックの中に焼結される。テーパの表面はまた、焼成後に回転式研磨工具を使用して磨かれることが可能である。磨かれた表面はセラミック・テープの作製時にさらに微細な粒子サイズを備えたセラミック粉末を使用することによって結果的に生じることもやはり可能である。このさらに微細な粒子サイズが仕上げられる部分の表面の粗さを少なくする。
【００３４】
ＣＭＣ基台は積層処理中に取り付けられ、約９００℃で焼成している間にテープ層に結合させられる。１枚のウェハ上で多数のアレイが処理され、その後、焼成の後にダイシング加工によって単離される。パッケージ化が完了するとその後、個々のダイオードは８０％Ａｕ／２０％Ｓｎハンダを使用するか、またはＡｂｌｅｂｏｎｄ８４ＬＭＩのような導電性エポキシを使用して各々のキャビティ底部の金のパッドへと接続される。金のパッドは金属基台へと接続される。導電性のビアは最上部のセラミック層上の電気端子を金属基台へと接続する。アノードまたはカソードがダイオードの裏面へと共通接続され、それが今度は金のボンディング・パッドへと接続される。ダイオードの反対側の面はワイヤ・ボンディングを使用してアレイへと電気的に接続される。このボンディングはダイオードからセラミック層のうちの１つの上にあるボンディング・パッドへと接続される。ボンディング・パッドを有するセラミック層の表面上に厚膜の導電性トレースが蒸着される。これらのトレースは導電性のビアを通じて最上部のセラミック層上の電気端子へと接続される。直列、並列、および直列−並列の組み合わせを含めた様々な接続が可能である。複数のセラミック層の間に埋め込まれる部品として、あるいはパッケージの最上面に実装される個別部品として電圧降下および電流制限用の抵抗器、インダクタ、およびキャパシタが追加されることが可能である。追加的な制御用、ＥＳＤ保護用、および電圧制御用の半導体がダイまたはパッケージ化された形で追加されることが可能である。最後に、各々のデバイスの光出力を向上させるためにＨｙｓｏｌ  １６００のような屈折率整合用のエポキシが各ダイオードのキャビティに加えられ、それに続いて透明のＨｙｓｏｌ  １６００を使用して取り付けられることが可能なカバーもしくはレンズが加えられることが可能である。
【００３５】
ＩＩ．ＬＴＣＣ−Ｍパッケージ化
生のセラミック・テープの複数の層から多層のセラミック製回路基板が作られる。生のテープは特定のガラス組成および場合によって使用されるセラミック粉末から作製され、それらが有機の結合剤および溶剤と混合され、成型され、切断されてテープを形成する。様々な機能を実行するために配線パターンがテープ層の上にスクリーン印刷されることが可能である。その後、テープにビアが打ち抜かれ、１つの生テープ上の配線を他の生テープ上の配線に接続するために導電性インクで充填される。その後、これらのテープは位置合わせされ、積層化され、有機材料を除去するため、金属パターンを焼結するため、およびガラスを結晶化させるために焼成される。これは概して約１０００℃以下、好ましくは約７５０〜９５０℃の温度で実施される。ガラスの組成は熱膨張係数、誘電定数、および様々な電子部品に対する多層のセラミック製回路基板の適合性を決定する。７００から１０００℃の範囲の温度で焼結し、無機のフィラーを備えた範例となる結晶化ガラスはマグネシウム−アルミノケイ酸塩、カルシウム−ホウケイ酸塩、鉛−ホウケイ酸塩、およびカルシウム−アルミノホウ酸塩である。
【００３６】
さらに最近になって、生のテープを支持するために金属製の支持基板（金属製基板）が使用されてきた。金属製基板はガラス層に強度を与える。さらに、金属製基板の両側に生テープの層が装着されることが可能であり、かつ適切な接着用ガラスで金属製基板に接着されることが可能であるので、金属製基板は回路およびデバイスの増大した複雑さと密度を許容する。付け加えると、抵抗器、インダクタ、およびキャパシタといった受動部品と能動部品が付加的な機能のために回路基板に組み入れられることが可能である。ＬＥＤのような光学部品が設置される場合、パッケージの反射光学特性を促進するようにセラミック層の壁が形作られ、かつ／またはコーティングされることが可能である。このようにして、低温同時焼成セラミック−金属製支持基板、またはＬＴＣＣ−Ｍとして知られるこのシステムは単一パッケージ内の様々なデバイスおよび回路の高度な集積化のための手段であることが立証された。本システムは、例えば支持基板用の金属および生テープのガラスの適切な選択によって、シリコンを主原料とするデバイス、リン化インジウムを主原料とするデバイス、砒化ガリウムを主原料とするデバイスに適合するように仕立てられることが可能である。
【００３７】
ＬＴＣＣ−Ｍ構造のセラミック層は金属製支持基板の熱膨張係数と整合をとられるべきである。様々な金属または金属マトリックス複合材料の熱膨張特性に整合するガラス質セラミックの組成は知られている。ＬＴＣＣ−Ｍの構造および材料は２００２年９月２４日にＰｏｎｎｕｓｗａｍｙらに発行されてＬａｍｉｎａ  Ｃｅｒａｍｉｃｓに譲渡された「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｈｅａｔ  ｓｉｎｋｉｎｇ  ｐａｃｋａｇｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃｏ−ｆｉｒｅｄ  ｃｅｒａｍｉｃ  ｍｅｔａｌ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｂｏａｒｄ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」という表題の米国特許第６，４５５，９３０号に述べられている。米国特許第６，４５５，９３０号は本願明細書に参照で組み入れられる。ＬＴＣＣ−Ｍの構造はさらに、米国特許第５，５８１，８７６号、第５，７２５，８０８号、第５，９５３，２０３号および第６，５１８，５０２号に述べられており、これらすべてはＬａｍｉｎａ  Ｃｅｒａｍｉｃｓに譲渡され、本願明細書に参照で組み入れられる。
【００３８】
ＬＴＣＣ−Ｍ技術に使用される金属製支持基板は高い熱伝導率を有するが、しかしいくつかの金属製基板は高い熱膨張係数を有し、その結果、むき出しのダイがそのような支持基板上に常に直接実装されることは不可能である。しかしながら、粉末冶金技術を使用して作製される銅とモリブデン（重量で１０〜２５％の銅を含む）、または銅とタングステン（重量で１０〜２５％の銅を含む）の金属複合材料といったそのような目的で使用され得るいくつかの金属製支持基板が知られている。鉄、ニッケル、コバルト、およびマンガンの合金であって、Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社の商標である銅被覆されたＫｏｖａｒ（登録商標）は極めて有用な支持基板である。ＡｌＳｉＣはアルミニウムもしくは銅とグラファイトの複合材料のように、この直接取り付けに使用されることが可能な他の材料である。
【００３９】
充分な冷却が必要とされる別の例はフリップ・チップのパッケージ化の熱管理のためのものである。例えば図１４および１５は、ＬＴＣＣ−ＭパッケージがＬＥＤダイを収容する本発明のＬＥＤシステムを示している。高密度に詰め込まれた超小型回路、および多量の熱を発生するデコーダ／ドライバ、増幅器、発振器などといったデバイスもやはり都合良くＬＴＣＣ−Ｍ技術を使用することが可能である。集積回路の最上層上のメタライゼーションはチップを有するパッケージまたはモジュールへのワイヤ・ボンディングを行なうことを可能にするように入出力ラインをチップのエッジへと持ってくる。したがって、ワイヤ・ボンド用のワイヤの長さが問題になり、長過ぎるとワイヤが寄生につながる。極めて高度の集積チップのコストは、回路を作製するために必要とされるシリコンの面積ではなく、ボンディング・パッドの並べ方によって決定される。フリップ・チップのパッケージ化は接続を作成するためにワイヤ・ボンディング・パッドではなくハンダ・バンプを使用することによってこれらの問題の少なくともいくつかを克服する。これらのハンダ・バンプはワイヤ・ボンディング・パッドよりも小さく、チップが上下を逆にされるか反転されるとチップをパッケージに取り付けるためにハンダ・リフロー法が使用されることが可能である。ハンダ・バンプは小さいので、多層のパッケージ化が使用されるならばチップはその内部に入力／出力の接続を含むことが可能である。その結果、ボンディング・パッドの数とサイズではなく内部のトランジスタの数がチップ・サイズを決定するであろう。
【００４０】
しかしながら、単一チップ上で増大した密度および機能の集積化はチップのさらに高い温度につながり、最適の回路密度の充分な利用を妨げる可能性が高い。ヒート・シンクだけがチップをパッケージへと接続する微小ハンダ・バンプである。もしもこれが不充分であれば、フリップ・チップの最上部に小型の能動型もしくは受動型のヒート・シンクが追加されなければならない。そのような追加のヒート・シンクは組み立てコストを上げ、必要な部品の数を増加させ、パッケージのコストを上げる。特に、ヒート・シンクが小さい熱質量を有するならば、それらは同様に限られた有効性を有する。
【００４１】
本発明の最も単純な形では、半導体部品および付随する回路のための集積化されたパッケージを供給するためにＬＴＣＣ−Ｍ技術が使用され、そこでは導電性金属の支持基板が部品のためのヒート・シンクを供給する。むき出しの半導体ダイは、例えば、半導体部品を冷却するように高い熱伝導率を有するＬＴＣＣ−Ｍシステムの金属基台上に直接実装されることが可能である。そのようなケースでは、部品を動作させるための電気信号はセラミックから部品へと接続されなければならない。図５、６、および７では、ワイヤ・ボンド５４がこの目的に役立つ。金属製支持基板への間接的な取り付けが使用されることもやはり可能である。このパッケージでは、必要な部品のすべては金属製支持基板の上に実装され、導体および抵抗器といった内蔵の受動部品を多層のセラミック部分の中に組み入れることで集積化されたパッケージの中で様々な構成要素、すなわち半導体部品、回路、ヒート・シンクなどを接続する。パッケージは蓋で密封シールされることが可能である。
【００４２】
改善された放熱作用を有するさらに複雑な構造に関すると、本発明の集積型パッケージは第１と第２のＬＴＣＣ−Ｍ基板を組み合わせる。第１の基板はその上に実装された半導体デバイス、および部品を動作させるための内蔵回路を備えた多層のセラミック製回路基板を有することが可能であり、第２の基板はその上に実装されたヒート・シンクまたは導電性のヒート・スプレッダを有する。半導体デバイスの改善された温度制御を提供するために熱電（ＴＥＣ）プレート（ペルチェ・デバイス）および温度制御回路が第１と第２の基板の間に実装される。密封筐体が金属製支持基板に接着されることが可能である。
【００４３】
ＬＴＣＣ−Ｍ技術の使用はまた、集積型放熱作用と共にフリップ・チップ・パッケージの利点を利用することも可能である。本発明のパッケージは現在既にあるパッケージよりも小型、安価、および効率的に作製されることが可能である。金属製基板はヒート・スプレッダまたはヒート・シンクとして役立つ。フリップ・チップは金属製基板上に直接実装されることが可能であり、それはこのパッケージの不可欠の部分であって追加的な放熱の必要性を除外する。フリップ・チップ上のバンプの上に可撓性回路が実装されることが可能である。多層のセラミック層の使用はまた、トレースをパッケージの周縁部への散開および経路設定を達成することも可能にし、放熱作用をさらに向上させる。大電力型集積回路、および高熱の管理の必要性を有するデバイスがこの新しいＬＴＣＣ−Ｍ技術と共に使用されることが可能である。
【００４４】
上述の実施形態が数多くの考えられる特定の実施形態のうちのわずかに過ぎず、それらが本発明の応用例を代表し得ることは理解される。本発明の精神および範囲から逸脱することなく数多くの、変更を加えられた他の配列が当業者によって作り出されることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】高温動作用にパッケージ化されたＬＥＤの第１の実施形態の概略の断面を示す図である。
【図２】上層のセラミック層に回路成分が追加されることが可能になる方法を具体的に示す図である。
【図３Ａ】セラミック層内の範例となる光分散用キャビティを具体的に示す図である。
【図３Ｂ】セラミック層内の範例となる光分散用キャビティを具体的に示す図である。
【図４】ＬＥＤの別の代替選択肢の実施形態の概略の断面を示す図である。
【図５】パッケージ化されたＬＥＤの代替選択肢の実施形態を示す図である。
【図６】パッケージ化されたＬＥＤの代替選択肢の実施形態を示す図である。
【図７】パッケージ化されたＬＥＤの代替選択肢の実施形態を示す図である。
【図８】図１の実施形態によるＬＥＤのアレイを描く図である。
【図９】特に製造し易いアレイを概略の断面で例示する図である。
【図１０】都合の良いアレイの上面図である。
【図１１】都合の良いアレイの上面図である。
【図１２】本発明のＬＥＤアレイをプラグイン・カードとして示す図である。
【図１３】追加的な外部ヒート・シンク上に装着された図１２のカードを示す図である。
【図１４】ハンダまたは金ボールによってＬＴＣＣ−Ｍパッケージのトレースにダイ・ボンドされたフリップ・チップの上面および側面を示す図である。
【図１５】ハンダまたは金ボールによってＬＴＣＣ−Ｍパッケージのトレースにダイ・ボンドされたフリップ・チップの上面および側面を示す図である。
【図１６】ＬＴＣＣ−Ｍパッケージ内の導電性トレースを示す図である。
【図１７】単離された基台端子およびビアを有する単一ＬＥＤのパッケージを示す図である。
【図１８】複数のＬＥＤダイに適合した図１７のパッケージを示す図である。
【図１９】テーパ付きのキャビティを形成するための円形のポンチ工具を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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