JP2010080640A - 表面実装型発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度の表面実装型発光ダイオードは、発光ダイオード素子の発熱・光量が大きいため、部材変色による光度劣化を生じ易く、しかも光の取り出し効率に問題があった。
【解決手段】電極端子が形成された回路基板と、回路基板の上面に載置し固着された反射性を有し、かつ化学的に安定な金属反射板と、金属反射板の上面に載置し固着された発光ダイオード素子と、回路基板の電極端子と発光ダイオード素子の電極とをボンディングワイヤで接続し、金属反射板と発光ダイオード素子とボンディングワイヤを透光性樹脂で封止した。
【選択図】図１

Description

本発明は情報端末機器等のマザーボード上に、半田実装することが可能な表面実装型発光ダイオードに関し、特に照明用の高輝度の表面実装型発光ダイオードに関するものである。

発光ダイオードは長寿命で、小型で発光効率がよく、低消費電力であるため、照明用の小型の電子部品として広く利用されている。表面実装型発光ダイオードは、情報端末機器等のマザーボードに、マウンターによる半田実装が容易で量産性に優れており、特に小型の携帯端末機器の携帯電話用のキー照明や液晶のバックライト光源等に用いられ、更なる高輝度と長寿命、高信頼性が求められている。

表面実装型発光ダイオードの従来技術として、特許文献１のような例が提案されている。即ち、特許文献１には、金属薄板からなる基板に、プレス加工によりすり鉢状の凹部で形成された反射カップを設けて、その中に発光ダイオード素子を載置し、その上方に集光レンズ部を形成して第１の樹脂体で樹脂封止すると共に、金属薄板基板の裏面側を第２の樹脂体で補強した表面実装型発光ダイオードが開示されている。

上記構成により、発光ダイオード素子を熱伝導効率のよい金属薄板で形成した基板に載置したので、発光ダイオード素子の発熱が、基板を介してマザーボードに伝わり放熱され、発光輝度の低下を抑え、発光ダイオード素子の寿命を延ばすことが可能となっている。

また、特許文献２に示す従来技術における発光ダイオードの発光装置は、熱伝導率の高い部材よりなる基台の上に、所定の導電パターンを形成し、且つ開口部を備えた回路基板を貼り合わせ、回路基板の開口部が位置する基台の上に、発光ダイオード素子をダイボンドすると共に、発光ダイオード素子の上面電極と回路基板上に形成した導電パターンとを金線でワイヤーボンディングし、回路基板の外周上面に、発光ダイオード素子を覆うように外周部に封止樹脂注入孔を有するレンズつきケースを貼付し、レンズつきケースに設けた封止樹脂注入孔より封止樹脂を注入して発光ダイオード素子を封止した構成になっている。

上記構成において、発光ダイオード素子を実装する基台は、アルミ板をアルマイト処理又は銅板にアルミメッキを施しているので、反射面の耐蝕性に優れ、光の高反射率を保ち、又、発光ダイオード素子の発熱が基台に直に伝わり、放熱性が優れているので、熱による光度劣化を抑えることが可能である。

特開２０００−２１６４４３号公報（第３頁、図１） 特開２００７−１２９０５３号公報（第５頁、図３）

しかしながら、特許文献１に示す従来の表面実装型発光ダイオードは、金属薄板基板をプレス成型して段差部とすり鉢状の凹部の反射カップなど複雑な形状に形成したので、プレス成型の特性として変形しやすく、強度も弱く、そのため金属薄板基板の補強を要し、裏側から補強樹脂体を充填するなど、構造上の問題があり、製造工数が掛かりコストアップにもなった。また、プレス成型で形成するほどの薄板の金属薄板基板なので、熱抵抗が大きく、熱伝導性に問題があり、光度劣化を生じる可能性があった。

また、特許文献２に示す従来の発光ダイオードの発光装置は、発光ダイオード素子が回路基板の開口部の中に配置されているので、発光ダイオード素子から放射する光、特に側面から放射する光が、ことごとく回路基板の開口部の壁で遮光されてしまうため、光の取り出し効率に問題があった。更に、発光ダイオードの発光装置は、マザーボードに接する基台部分がアルミ板等の金属材質であるため、基台部分にマザーボードと半田実装する電極端子が形成出来ず、表面実装が不可能な構造となり、用途が限定される問題があった。

（発明の目的）
本発明の目的は、高輝度でありながら部材変色による光度劣化がなく、そして、光の取り出し効率の優れた表面実装型の発光ダイオードを提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明の表面実装型発光ダイオードは、電極端子が形成された回路基板と、回路基板の上面に載置し固着された反射性を有し、かつ化学的に安定な金属反射板と、金属反射板の上面に載置し固着された発光ダイオード素子と、回路基板の電極端子と発光ダイオード素子の電極とをボンディングワイヤで接続し、金属反射板と発光ダイオード素子とボンディングワイヤを透光性樹脂で封止したことを特徴とする。

また、発光ダイオード素子の側面下方向に放射される光が、回路基板の端部で遮られない高さ位置に、発光ダイオード素子を配設するように、金属反射板の厚さを厚くしたことを特徴とする

また、回路基板の上面の縁辺部に段部を形成したことを特徴とする。

また、回路基板の上下面には、スルーホール又はフィルドビアを介して接続される電極端子と、フィルドビアを介して接続される放熱端子を備え、放熱端子に反射性を有する金属反射板が固着されていることを特徴とする。

また、金属反射板の上面に載置され、固着される発光ダイオード素子は複数個であることを特徴とする。

また、金属反射板は、アルミ薄板に増反射処理が施された高反射率アルミ薄板であることを特徴とする。

以上のように、本発明の表面実装型発光ダイオードによれば、表面実装が可能な構造として、最下部に回路基板を配し、回路基板の上面に反射性を有し、かつ化学的に安定な金属反射板を載置して固着し、そして、金属反射板の上面に発光ダイオード素子を載置し固着したので、情報端末機器等のマザーボードにマウンターによる半田実装が可能な、表面実装型発光ダイオードを実現し、金属反射板による光の取り出し効率向上と放熱効果および化学的安定性で、高輝度を達成し、なおかつ発光ダイオード素子周辺部の変色による反射率の低下や熱による光度の劣化抑制をも飛躍的に向上することが可能となった。

（第１の実施形態）
以下、本発明の具体的実施形態について、図面に基づき説明する。図１乃至図３は本発明の第１の実施形態における表面実装型発光ダイオードの構成を説明する図面であり、図１は表面実装型発光ダイオードの構成を示す斜視図であり、図２は図１の表面実装型発光ダイオードのＡ−Ａ断面図であり、図３は図１の表面実装型発光ダイオードを矢印Ｂで示す正面図で、発光ダイオード素子から放射する光を説明する図である。そして、図１乃至図３は、理解しやすいように模式的に示した図である。

図１に示す様に、表面実装型発光ダイオード１００ａは、ガラスエポキシ基板からなる回路基板１ａと反射性を有し、かつ化学的に安定な金属反射板８ａと発光ダイオード素子１０とボンディングワイヤ９ａを封止するための透光性樹脂１２ａで構成されている。回路基板１ａの上面には、上面電極端子２ａと上面放熱端子５ａが電極端子を形成し、上面放熱端子５ａの上面に、金属反射板８ａが位置決めされて、高熱伝導性のシリコーン系接着剤やエポキシ系接着剤、或いは、ポレオレフィン系接着シート等で接着して固定されている。そして、金属反射板８ａは、反射性と熱伝導性を兼ね備えた、例えばアルミ薄板に増反射処理が施された高反射率アルミ薄板等の材質で形成されている。

金属反射板８ａの上面には、発光ダイオード素子１０が位置決めされ、前述と同様な高熱伝導性の接着剤で接着して固定されている。発光ダイオード素子１０のアノードとカソードの電極（図示せず）が、回路基板１ａの各々の上面電極端子２ａとボンディングワイヤ９ａで電気的に接続されて、そして、透光性樹脂１２ａが、回路基板１ａの上面と、上面電極端子２ａと上面放熱端子５ａと金属反射板８ａと発光ダイオード素子１０とボンディングワイヤ９ａを封止している。

図２において、更に詳細に本発明の表面実装型発光ダイオード１００ａの構造を説明する。回路基板１ａの端部に形成された半円状のスルーホール４ａが、上面電極端子２ａと下面電極端子３ａを電気的に接続しており、回路基板１ａの中央部に形成されたフィルドビア７ａが、上面放熱端子５ａと下面放熱端子６ａを電気的及び熱的に接続している。そして、下面電極端子３ａと下面放熱端子６ａが、表面実装型発光ダイオード１００ａをマザーボード（図示せず）に半田実装を可能にする端子として形成されている。

次に、本発明の表面実装型発光ダイオード１００ａの熱伝導について説明する。表面実装型発光ダイオード１００ａの下面電極端子３ａの両端子に、駆動電流を供給すると、発光ダイオード素子１０の発光部１１が発光し、その発光により発生した熱は、熱伝導性のよいアルミ材質等からなる金属反射板８ａから、上面放熱端子５ａとフィルドビア７ａを経由し下面放熱端子６ａに伝導し、そして、マザーボード（図示せず）に達して大量の熱拡散が行われる。即ち、熱の伝導経路は、発光ダイオード素子からマザーボードに最短距離で形成されており、熱抵抗が非常に小さい経路を形成している。

従って、高輝度で発光した発光ダイオード素子が発熱しても、マザーボードまで熱を迅速に伝導し拡散できるので、高輝度であっても発熱による光度劣化のない、安定した表面実装型発光ダイオードを提供することが可能である。また、金属反射板は化学的に安定であるため、変色による反射率の低下を引き起こすことがない。

また、金属反射板８ａの厚さを厚くすることで熱容量が増加するから、パルス点灯時の特性、即ち、フラッシュなどの瞬時の高輝度点灯を行った時の発熱に対し、金属反射板８ａの持つ熱容量により、熱を吸収し、パルス瞬時点灯時の特性の向上が図れる。

尚、本実施形態においては、更に放熱特性を良くするため、フィルドビアを設けたが、フィルドビアは必ずしも必要条件でなく（セラミックス基板のように熱伝導率の高い基板を使用することも可能）、金属反射板を厚くすることによって熱容量を増すだけで、発光ダイオード素子の発熱を充分吸収することも可能である。

図３において、発光ダイオード素子１０の発光部１１から放射される光を説明する。発光ダイオード素子１０の発光部１１からは、光が全方向に放射される。発光部１１から放射される側面下方向の光Ｒａ１は、封止剤の透光性樹脂１２ａを透過し、金属反射板８ａの稜線ｍ１の上を通り、回路基板１ａの上面電極端子２ａの稜線ｎ１の上を通過し、表面実装型発光ダイオード１００ａから外部に放射される。即ち、発光部１１から放射される側面下方向の光Ｒａ１は、金属反射板８ａの板厚を厚さｔ１に設定することにより、上面電極端子２ａの稜線ｎ１で遮光されずに、表面実装型発光ダイオード１００ａから外部に放射される。

同様に発光部１１から放射される側面下方向の光Ｒａ７も、金属反射板８ａの板厚ｔ１により、上面電極端子２ａの稜線ｎ１に遮光されることなく、表面実装型発光ダイオード１００ａから外部に放射されるのである。また、発光部１１の光Ｒａ１とＲａ７より更に側面下方に放射される光は、反射特性の良好な金属反射板８ａの表面で反射されて、Ｒａ３乃至Ｒａ５の上方向に放射され、そして、側面方向の光はＲａ２、Ｒａ６の方向に放射される。

従って、発光ダイオード素子１０の発光部１１から放射される全方向の光が、表面実装型発光ダイオードを構成する回路基板１ａに遮られることなく、Ｒａ１乃至Ｒａ７で示す方向に放射することが可能となり、照明用として指向性の広い、光の取り出し効率が高く光量の多い、表面実装型発光ダイオードを提供することが可能である。

そして、金属反射板の材質にアルミ薄板に増反射処理が施された高反射率アルミ薄板を用いることで、発光ダイオード素子の放射する光に対し、銀と同等の反射率を持ち、しかも銀のように変色劣化しないため、光度劣化特性が飛躍的に向上した面実装型発光ダイオードが提供できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る表面実装型発光ダイオードの第２の実施形態について説明する。図４乃至図６は本発明の第２の実施形態における、表面実装型発光ダイオードの構成を説明する図面であり、図４は表面実装型発光ダイオードの構成を示す斜視図であり、図５は図４の表面実装型発光ダイオードのＣ−Ｃ断面図であり、図６は図４の表面実装型発光ダイオードを矢印Ｄで示す正面図で、発光ダイオード素子から放射する光を説明する図である。そして、図４乃至図６も図１乃至図３と同様に、理解しやすいように模式的に示した図である。

第２の実施形態が第１の実施形態と異なるところは、回路基板の上面縁辺に段部を形成したことであり、段部の形状に応じて、回路基板の電極端子の構造や形状、金属反射板の外形形状も、若干異なっている。

図４に示す様に、表面実装型発光ダイオード１００ｂは、回路基板１ｂの上面の縁辺部に段部１３が形成されており、第１の実施形態と同様に、透光性樹脂１２ｂが、回路基板１ｂの上面と段部１３と、上面電極端子２ｂと上面放熱端子５ｂと金属反射板８ｂと発光ダイオード素子１０、そして、ボンディングワイヤ９ｂを封止している。

図５において、更に詳細に本発明の表面実装型発光ダイオード１００ｃの構造を説明する。上面電極端子２ｂは、フィルドビア又は円筒状のスルーホール４ｂで下面電極端子３ｂと、電気的に接続されている。即ち、第１の実施形態と異なるのは、回路基板１ｂの上面の縁辺部に段部１３を設けたことにより、上下面の電極の電気的接続を回路基板端面に形成した半円状のスルーホール４ａ（図１参照）でなく、回路基板１ｂの中にフィルドビア又は円筒状のスルーホール４ｂを、形成したことである。そして、第１の実施形態と同様に、回路基板１ｂの下面には、下面電極端子３ｂと下面放熱端子６ｂが設けられ、この下面電極端子３ｂと下面放熱端子６ｂは、表面実装型発光ダイオード１００ｂをマザーボード（図示せず）に半田実装をする端子として、形成されている。

次に、第２の実施形態の表面実装型発光ダイオード１００ｂの熱伝導について説明する。熱伝導に係わる構成要素は、金属反射板８ｂと上面放熱端子５ｂとフィルドビア７ｂと下面放熱端子６ｂであり、第１の実施形態で説明した構成要素と全く同様なので、重複する説明を省略するが、重要な点は、熱の伝導経路が発光ダイオード素子からマザーボードに最短距離で形成されているので、熱抵抗が非常に小さいことである。

従って、第１の実施形態と全く同様に、高輝度に発光して発光ダイオード素子が発熱しても、マザーボードに発生した熱を迅速に伝導し拡散できるので、発熱による劣化のない光度が安定した表面実装型発光ダイオードを提供することが可能である。

次に、図６において、第１の実施形態と同様に、発光ダイオード素子１０の発光部１１から放射される光を説明する。発光ダイオード素子１０の発光部１１からは、全方向に光が放射され、発光部１１から放射される光の側面下方向の光Ｒｂ１は、金属反射板８ｂの稜線ｍ２の上を通り回路基板１ｂの段部１３の稜線ｎ２の上を通過し、表面実装型発光ダイオード１００ｂから外部に放射される。即ち、発光部１１から放射される側面下方向の光Ｒｂ１は、金属反射板８ｂの板厚を厚さｔ２に設定することにより、回路基板１ｂの段付部１３の稜線ｎ２で遮光されずに、表面実装型発光ダイオード１００ｂから、外部に放射される。

同様に発光部１１から放射される側面下方向の光Ｒｂ７も、段部１３の稜線ｎ２に遮光されることなく、表面実装型発光ダイオード１００ｂから外部に放射される。また、第１の実施形態と全く同様に、Ｒｂ１とＲｂ７より更に側面下方に放射された光は、反射特性の良好な金属反射板８ｂの表面で反射して、Ｒｂ３乃至Ｒｂ５の方向に放射され、そして、側面方向の光はＲｂ２、Ｒｂ６の方向に放射される。

従って、第２の実施形態も第１の実施形態と同様に、発光ダイオード素子１０の発光部１１から放射される全方向の光が、表面実装型発光ダイオード１００ｂ自身の回路基板１ｂに遮られることなくＲｂ１乃至Ｒｂ７の方向に放射することが可能となる。従って、照明用として指向性の広い、取り出し効率が高く光量の多い、表面実装型発光ダイオードが提供可能である。

しかも、回路基板１ｂの上面縁辺に段部を形成したことで、第１実施形態の金属反射板８ａの厚さｔ１（図３参照）と比べて明らかに金属反射板８ｂの厚さｔ２（図６参照）が、段部１３の幅と深さに相当した分だけ薄く形成される。従って、表面実装型発光ダイオードの外形形状は、金属反射板の厚さに応じて低くなり、小型にすることが可能となる。

更に、回路基板１ｂの上面の縁辺に段部を形成したことで、発光ダイオード素子やボンディングワイヤを封止する透光性樹脂が段部も覆うことで、透光性樹脂と回路基板の接触面積が大きくなり、剥離強度の向上が可能となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係る、更に、高出力型、高ワット品の表面実装型発光ダイオードを実現する第３の実施形態について説明する。

図７は本発明の第３の実施形態における表面実装型発光ダイオード１００ｃの構成を示す斜視図であり、図１に示す第１の実施形態の表面実装型発光ダイオード１００ａと基本的構成が同じであるので、同一部材には同一番号を付し、重複する説明は省略する。表面実装型発光ダイオード１００ｃが表面実装型発光ダイオード１００ａと相違する点は、金属反射板８ｃの上に複数個の発光ダイオード素子１０を載置し接着し固着した点である。そして、複数個の発光ダイオード素子１０の数に応じて金属反射板８ｃや、回路基板１ｃ及び各電極端子等の外形寸法は、図１に示す金属反射板８ａや、回路基板１ａ及び各電極端子等に対し、大きくなっている。

図７に示す様に、表面実装型発光ダイオード１００ｃは、回路基板１ｃと上面電極端子２ｃと上面放熱端子５ｃと金属反射板８ｃと複数個の発光ダイオード素子１０とボンディングワイヤ９ａを透光性樹脂１２ｃで封止して形成されている。

回路基板１ｃの端部に形成された半円状のスルーホール４ｃが、上面電極端子２ｃと下面電極端子３ｃを電気的に接続しており、回路基板１ｃの中央部に形成されたフィルドビア（図示せず）が、上面放熱端子５ｃと下面放熱端子６ｃを電気的及び熱的に接続している。そして、下面電極端子３ｃと下面放熱端子６ｃが、表面実装型発光ダイオード１００ｃをマザーボード（図示せず）に半田実装を可能にする端子として形成されている。

次に、第３の実施形態の表面実装型発光ダイオード１００ｃの熱伝導について説明する。複数個の発光ダイオード素子１０の高輝度発光によって大量に発生した熱は、熱伝導性の良好なアルミ材質の金属反射板８ｃで吸収され上面放熱端子５ｃとフィルドビア（図示せず）と下面放熱端子６ｃに伝導し、マザーボード（図示せず）に達して大量の熱拡散が行われる。即ち、熱の伝導経路は、発光ダイオード素子からマザーボードに最短距離で形成されているので、熱抵抗が非常に小さいことも明らかである。

従って、複数個の発光ダイオード素子を組み込んでも、マザーボードへの放熱が優れているので、温度上昇を抑えて光度劣化を防ぎ、光の取り出し効率の高い、高ワット、高輝度の表面実装型発光ダイオードを実現可能としている。

本発明に係る表面実装型発光ダイオードの第３の実施形態は、第１の実施形態と同様の構成であるが、第２の実施形態の構成、即ち、回路基板の上面の縁辺部に段部を設けた形態を採用しても実現できることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態における表面実装型発光ダイオードの構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態における表面実装型発光ダイオードの図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１実施形態における表面実装型発光ダイオードの図１の矢印Ｂで示す正面図で放射する光を示す図である。 本発明の第２実施形態における表面実装型発光ダイオードの構成を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態における表面実装型発光ダイオードの図４のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第２実施形態における表面実装型発光ダイオードの図４の矢印Ｄで示す正面図で放射する光を示す図である。 本発明の第３の実施形態における表面実装型発光ダイオードの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ 回路基板
２ａ、２ｂ、２ｃ 上面電極端子
３ａ、３ｂ、３ｃ 下面電極端子
４ａ、４ｂ、４ｃ スルーホール
５ａ、５ｂ、５ｃ 上面放熱端子
６ａ、６ｂ、６ｃ 下面放熱端子
７ａ、７ｂ フィルドビア
８ａ、８ｂ、８ｃ 金属反射板
９ａ、９ｂ ボンディングワイヤ
１０ 発光ダイオード素子
１１ 発光ダイオード素子の発光部
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 透光性樹脂
１３ 段部
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ 表面実装型発光ダイオード

Claims (6)

1. 電極端子が形成された回路基板と、前記回路基板の上面に載置し固着された反射性を有し、かつ化学的に安定な金属反射板と、前記金属反射板の上面に載置し固着された発光ダイオード素子と、前記回路基板の電極端子と前記発光ダイオード素子の電極とをボンディングワイヤで接続し、前記金属反射板と前記発光ダイオード素子とボンディングワイヤを透光性樹脂で封止したことを特徴とする表面実装型発光ダイオード。
2. 前記発光ダイオード素子の側面下方向に放射される光が、前記回路基板の端部で遮られない高さ位置に、前記発光ダイオード素子を配設するように、前記金属反射板の厚さを厚くしたことを特徴とする請求項１記載の表面実装型発光ダイオード。
3. 前記回路基板の上面の縁辺部に段部を形成したことを特徴とする請求項２記載の表面実装型発光ダイオード。
4. 前記回路基板の上下面には、スルーホール又はフィルドビアを介して接続される電極端子と、フィルドビアを介して接続される放熱端子を備え、前記放熱端子に反射性を有する前記金属反射板が固着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面実装型発光ダイオード。
5. 前記金属反射板の上面に載置され、固着される発光ダイオード素子は複数個であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面実装型発光ダイオード。
6. 前記金属反射板は、アルミ薄板に増反射処理が施された高反射率アルミ薄板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面実装型発光ダイオード。

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