(57)【要約】【課題】優れた放熱効率を有する発光ダイオードのパッケージ構造を提供する。【解決手段】本発明に係る発光ダイオードのパッケージ構造は、熱伝導基板と、該熱伝導基板に設置される発光ダイオードダイと、該発光ダイオードダイを前記熱伝導基板に実装する封止体と、を備え、前記発光ダイオードダイと前記熱伝導基板との間には、前記発光ダイオードダイにめっきした金属層と前記熱伝導基板にめっきした別の金属層とが共晶接合して形成された金属共晶層が設置される。【選択図】図１
2013140872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導基板と、該熱伝導基板に設置される発光ダイオードダイと、該発光ダイオードダイを前記熱伝導基板に実装する封止体と、を備えてなる発光ダイオードのパッケージ構造であって、
前記発光ダイオードダイと前記熱伝導基板との間には、前記発光ダイオードダイにめっきした金属層と前記熱伝導基板にめっきした別の金属層とが共晶接合して形成された金属共晶層が設置されることを特徴とする発光ダイオードのパッケージ構造。
【請求項２】
前記発光ダイオードダイは、前記金属共晶層に接触するベースを有し、熱伝導グリースが前記ベース及び前記金属共晶層を囲むように設置されて、前記発光ダイオードダイを前記熱伝導基板に熱的に接続させることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
【請求項３】
前記熱伝導基板に形成される電極回路層をさらに備え、前記発光ダイオードダイの２つの電極は前記電極回路層に直接に接続され、前記熱伝導グリースは前記電極に接触することを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
【請求項４】
前記熱伝導基板に形成される電極回路層をさらに備え、前記発光ダイオードダイの２つの電極は、２つの金属線によって前記電極回路層に接続されることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
【請求項５】
前記熱伝導基板は、導電しないセラミック材料からなり、前記電極回路層は前記熱伝導基板に直接に形成されることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
【請求項６】
前記熱伝導基板は、導電材料からなり、前記熱伝導基板と前記電極回路層との間には、電気絶縁層が形成されることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードのパッケージ構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子を採用して製作された発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）は、高輝度、低作動電圧、低消費電力、集積回路にマッチングし易く、駆動が簡単であり、長寿命である等の利点を有することから、冷陰極蛍光管（Ｃｏｌｄ  Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ  Ｌａｍｐ，ＣＣＦＬ）に代わって光源として照明分野に広く応用される。
【０００３】
従来の発光ダイオードのパッケージ構造は、発光ダイオードダイを銀ペーストのような導電接着剤によってプリント基板（ＰＣＢ）に接着してから、該プリント基板を金属基板に結合する。前記発光ダイオードのパッケージ構造において、前記発光ダイオードダイと前記金属基板との間には介在層が多く、即ち前記発光ダイオードダイから生じる熱は、基板、電極、導電接着剤、ＰＣＢを通じて前記金属基板に伝導されるので、比較的大きい熱抵抗が存在し、前記発光ダイオードダイから生じる熱を即時に放熱させることができない。前記発光ダイオードダイから生じる熱を即時に放熱できないと、前記発光ダイオードダイの温度が高くなりすぎてしまい、その発光効率に影響を与える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、上述した問題を解決し、優れた放熱効率を有する発光ダイオードのパッケージ構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る発光ダイオードのパッケージ構造は、熱伝導基板と、該熱伝導基板に設置される発光ダイオードダイと、該発光ダイオードダイを前記熱伝導基板に実装する封止体と、を備え、前記発光ダイオードダイと前記熱伝導基板との間には、前記発光ダイオードダイにめっきした金属層と前記熱伝導基板にめっきした別の金属層とが共晶接合して形成された金属共晶層が設置される
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る発光ダイオードのパッケージ構造は、共晶接合によって発光ダイオードダイを熱伝導基板に結合するので、前記発光ダイオードダイと前記熱伝導基板との間の介在層を効果的に減少させることができ、前記発光ダイオードダイから生じる熱は高い熱伝導率を有する金属共晶層によって直接に前記熱伝導基板を伝導して放熱され、前記発光ダイオードのパッケージ構造の放熱効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第一実施形態に係る発光ダイオードパッケージ構造の断面図である。
【図２】本発明の第二実施形態に係る発光ダイオードパッケージ構造の断面図である。
【図３】本発明の第三実施形態に係る発光ダイオードパッケージ構造の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１を参照すると、本発明の第一実施形態に発光ダイオードのパッケージ構造８０は、熱伝導基板１０と、前記熱伝導基板１０に固定された発光ダイオードダイ（ＬＥＤ  ｄｉｅ）２０と、前記発光ダイオードダイ２０を覆う封止体６０と、を備える。
【０００９】
前記熱伝導基板１０は、平板状であり、２０Ｗ／ｍＫより大きな熱伝導率を持ち、シリコンのような非金属基板であるか、又はアルミニウム、銅などの金属基板である。前記熱伝導基板１０には、前記発光ダイオードダイ２０を収容するためのキャビティ１２が設けられており、前記キャビティ１２の横断面は、前記発光ダイオードダイ２０の横断面より大きい。前記熱伝導基板１０は、平板状に限定されるものではなく、複数の異なる平面を有する多角形であることができる。前記熱伝導基板１０の材料が金属である場合、前記熱伝導基板１０の片側の表面に複数の放熱フィンを形成して、放熱効率を高めることができる。
【００１０】
前記熱伝導基板１０の上に電気絶縁層３０が前記発光ダイオードダイ２０と間隔を開けて形成され、前記電気絶縁層３０の上に電極回路層４０が形成される。前記電気絶縁層３０は、前記熱伝導基板１０によって異なる材料を採用し、誘電体層、プラスチック高分子層又は固体平板層であることができる。
【００１１】
前記誘電体層は、ＳｉＯ２、ＳｉｘＮｙ、ＳｉｘＯｙＮｚ、スピンオンガラス（ｓｐｉｎ  ｏｎ  ｇｌａｓｓ，ＳＯＧ）、ＡｌｘＯｙ、ＡｌｘＮｙ、ＡｌｘＯｙＮｚなどの中の一種であることができる。
【００１２】
前記熱伝導基板１０がシリコン基板である場合、異なる方法によって異なる材料の前記電気絶縁層３０を形成することができる。例えば、酸化法によってシリコン基板の表面にＳｉＯ２層を形成するか、又は高温条件で窒素を導入してシリコン基板の表面にＳｉｘＮｙ層を形成するか、又は酸化法及び窒化法を結合してＳｉｘＯｙＮｚを形成するか、スピンコーティング法によってシリコン基板の表面にスピンオンガラスを塗布してから、適当な温度で加熱して均一な酸化ケイ素層を形成することができる。
【００１３】
前記熱伝導基板１０がアルミニウム基板である場合、異なる方法によって異なる材料の前記電気絶縁層３０を形成することができる。例えば、酸化法によってアルミニウム基板の表面にＡｌｘＯｙ層を形成するか、又は高温条件で窒素を導入してアルミニウム基板の表面にＡｌｘＮｙ層を形成するか、又は酸化法及び窒化法を結合してＡｌｘＯｙＮｚを形成することができる。
【００１４】
上述の方法において、製造過程中に遊離気体を導入してプラズマを形成し、酸化物又は窒化物を形成する速度及び緻密度を高めることができる。
【００１５】
前記プラスチック高分子層は、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＥＴ、エポキシ樹脂、シリコン樹脂の中の一種である。
【００１６】
前記固体平板層は、繊維ガラス、ＰＩ、ＰＥＴの中の一種である。
【００１７】
前記電極回路層４０は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属又はその合金であるか、又は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）などのような透明導電性酸化物（ＴＣＯ）であることもできる。
【００１８】
前記電極回路層４０は、スパッタ（ｓｐｕｔｔｅｒ）、物理気相成長法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＶＤ）、及び電子ビーム蒸着法（ｅ−ｂｅａｍ  ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような物理的蒸着法、または化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＣＶＤ）及び電気めっき化学蒸着のような化学的蒸着法によって、前記電気絶縁層３０に形成されるか、又はスクリーン印刷によって材料を前記電気絶縁層３０に印刷してから、乾燥、焼結、レーザー照射などによって形成される。
【００１９】
前記発光ダイオードダイ２０は、燐化物（ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｐ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１））、砒化物（ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１））、蛍光材料を励起することができる長い波長の光を発する半導体材料であるＺｎＯのような酸化物、ＧａＮのような窒化物、蛍光材料を励起することができる短い波長の光を発する窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１））であることができる。本実施形態において、前記発光ダイオードダイ２０は、蛍光材料を励起することができる短い波長の光を発する窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１））を採用し、且つＵＶ光から青色光までを発する。前記発光ダイオードダイ２０のベース２６は、真性半導体（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）又は他の不純物を故意でなくドープした半導体（ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ  ｄｏｐｅｄ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）である。前記ベース２６のキャリヤー濃度（ｃａｒｒｉｅｒ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）は、５×１０６ｃｍ−３より小さいか等しく、好ましくは２×１０６ｃｍ−３より小さいか等しい。前記ベース２６のキャリヤー濃度が低ければ低いほど、その導電率も低く、前記ベース２６を流れる電流を隔絶することができる。例えば、前記ベース２６の材料は、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＮのような半導体材料、又はダイヤモンドのような優れる熱伝導性能を有し且つ導電性能が乏しい材料であることができる。前記発光ダイオードダイ２０のベース２６の熱膨張係数は、前記熱伝導基板１０の熱膨張係数に近接するので、前記熱伝導基板１０と前記発光ダイオードダイ２０とを結合してから、熱に耐えることができ、より大きい範囲の操作温度が許容される。前記発光ダイオードダイ２０の頂部の両側には、それぞれ電極２２が設けられる。
【００２０】
前記発光ダイオードダイ２０は、前記熱伝導基板１０のキャビティ１２内に収容され、前記発光ダイオードダイ２０と前記熱伝導基板１０との間には、金属共晶層５０が設けられる。前記金属共晶層５０は、前記発光ダイオードダイ２０のベース２６及び前記熱伝導基板１０に金属層（図示せず）をめっきしてから、２つの前記金属層を特定温度で焼いて共晶接合（ｅｕｔｅｃｔｉｃ  ｂｏｎｄｉｎｇ）することによって形成される。前記発光ダイオードダイ２０のベース２６及び前記熱伝導基板１０に金属層をめっきしてから共晶接合によって前記金属共晶層５０を形成するので、金属層と前記発光ダイオードダイ２０及び前記熱伝導基板１０との熱抵抗を大幅に減少して、熱伝導効率を高める。前記金属共晶層５０の材料は、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｂｅなどの金属又はその合金である。
【００２１】
前記発光ダイオードのパッケージ構造８０において、前記熱伝導基板１０のキャビティ１２の内壁と前記発光ダイオードダイ２０との間には、電気絶縁の熱伝導グリース１４が充填される。本実施形態において、前記熱伝導グリース１４は、前記ベース２６及び前記金属共晶層５０の周囲に充填され、且つ前記熱伝導基板１０に熱的に接続される。  
【００２２】
前記発光ダイオードダイ２０の２つの前記電極２２は、２つの金属線２４によって前記電極回路層４０に接続される。前記金属線２４の材料は、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｂｅなどの金属又はその合金である。
【００２３】
前記封止体６０は、シリコン、エポキシ樹脂又はＰＭＭＡからなる。前記封止体６０は、射出成形方式によって半球形、方形などのいろいろな形状になることができる。前記発光ダイオードダイ２０が発する光線の波長を転換するために、前記封止体６０に硫化物、アルミン酸塩、酸化物、ケイ酸塩又は窒化物のような少なくとも１つの蛍光材料を充填することができる。
【００２４】
図２は、前記第一実施形態に係る発光ダイオードのパッケージ構造８０と比べて、熱伝導基板１０ａが、ＡｌｘＯｙ、ＡｌＮ、またはＺｒＯ２などのような非導電性、高熱伝導率、及び低膨張係数のセラミック材料からなる本発明の第二実施形態に係る発光ダイオードのパッケージ構造９０を示している。セラミック材料は導電しないので、前記熱導電基板１０ａに直接に前記電極回路層４０を形成することができ、電気絶縁層を形成することを必要としない。
【００２５】
図３は、前記第二実施形態に係る発光ダイオードのパッケージ構造９０と比べて、前記発光ダイオードダイ２０の電極２２ａが、前記電極回路層４０に直接に接続し、前記金属線２４を必要としない本発明の第三実施形態に係る発光ダイオードのパッケージ構造７０を示している。前記熱伝導グリース１４は、前記発光ダイオードダイ２０と前記熱伝導基板１０ａとの間に充填される。本実施形態において、前記熱伝導グリース１４は前記電極２２ａに接触して、熱量を前記熱伝導基板１０ａに十分に伝送する。前記発光ダイオードダイ２０のＰ型及びＮ型の電極２２ａの高さは同じであるので、製造過程で収率を高めることができる。また、前記電極２２ａ及び前記熱伝導グリース１４は、全て透明材料を採用することができ、前記発光ダイオードのパッケージ構造７０の出光効率を高める。
【００２６】
以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種種の変更が可能であることは勿論であって、本発明の技術的範囲は、以下の特許請求の範囲から決まる。
【符号の説明】
【００２７】
１０，１０ａ  熱伝導基板
１２  キャビティ
１４  熱伝導グリース
２０  発光ダイオードダイ
２２，２２ａ  電極
２４  金属線
２６  ベース
３０  電気絶縁層
４０  電極回路層
５０  金属共晶層
６０  封止体
７０，８０，９０  発光ダイオードのパッケージ構造
【図１】
2013140872.tif 000003
【図２】
2013140872.tif 000004
【図３】
2013140872.tif 000005