JP4881001B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置の照明装置、カメラのフラッシュ等に使用する発光装置、特に発光ダイオードを光源とする発光装置に関する。

近来、表示装置の照明装置、カメラのフラッシュ等に使用する発光装置、特に発光ダイオード（以下ＬＥＤと略記する）を光源とする発光装置はポッティング方式もしくはトランスファー成形によって樹脂封止されていた。

しかしＬＥＤ光源においては封止樹脂に染料もしくは顔料もしくは蛍光体を混入し、該染料もしくは顔料もしくは蛍光体によって色度補正をすることが一般的になっているため、封止樹脂の量を一定にすることが色度を安定させる上で重要である。
ところが、ポッティング方式は製造設備が比較的安価ではあるものの、機械によって樹脂の排出時間、排出圧力を制御しているため、機械精度による樹脂量すなわち蛍光体量のばらつきが生じてしまう。またそれに加えて環境条件の影響も受けてしまい樹脂量の管理が難しい。その結果ＬＥＤ発光装置色度を安定させることは困難であった。
また、トランスファー成形を用いれば、ポッティング方式よりは樹脂量を管理できるが、後述するように使用する樹脂に制約が出てしまうこと、金型が非常に高価なため製造設備投資が大きくなってしまうこと、金型を用いるためには樹脂に樹脂と金型とが接着されてしまわないように離型剤を混入する必要があり、該離型剤が発光装置の光学特性に影響を及ぼしたり、発光装置の他の部品と透明樹脂との接着強度を弱くすること、というような問題を生じてしまう。

さらにまた、リードフレーム上にＬＥＤチップを実装してトランスファーモールドによって成型すると、製品の厚さを厚くせざるを得ないということも指摘されている（例えば特許文献１、−０００７−参照）。

第２の問題はＬＥＤを保護する封止樹脂強度の問題である。
樹脂は発光装置の光を出力するため、カバーなどで覆われていなく露出しているため、外力の影響を受けやすい。しかし外力の影響を緩和するため高硬度の樹脂を用いると剥離等の問題で信頼性上問題となるし、樹脂封止の際にＬＥＤチップを電気的に接続するワイヤーがダメージを受けて大きく変形してしまう傾向もある。

第３の問題は発光装置パッケージの熱抵抗問題で、例えばエポキシのような従来の封止樹脂は発光源からの熱を放熱しにくいため、発光装置の熱が上昇→ＶＦ値下がる→さらに電流が流れる→さらに熱が上がって絶対最大定格越える→保証範囲外となる、の破綻過程に入ってしまうおそれがあった。

この問題に関しては多くの提案がある。
例えば基板に穴を開けて基板の裏面に設けた金属の上にＬＥＤチップを実装し、ＬＥＤチップからの放熱特性を向上させると同時に、発光装置の薄型化及び発光効率の改善を実現しようという提案がある（例えば特許文献１参照）。
しかしこの提案にも第１の問題である色度の安定化、第２の問題である封止樹脂強度の問題については触れられていない。

また基本的には特許文献１と同様の手法について述べたものだが、基板に穴を開ける方法を詳述し、封止をトランスファーモールドによると良いと述べた提案もある（例えば特許文献３参照）。
この提案に関しても第１の問題である色度の安定化、第２の問題である封止樹脂強度の問題については触れられていないことは同様である。

さらに、低熱抵抗、薄型パッケージにおいて、封止の際の気泡を減少させて色度を安定させようという提案もある（例えば特許文献２参照）。
しかしこの提案は気泡がなければ色度が安定することを前提としており、気泡が無くとも不安定な色度問題の解決、外力の影響の問題解決を目指す本願発明とは、目的及び手段を異にしている。

特許第３１３７８２３号 特開２０００−１２５７６ 特開２００３−３１８５０

解決しようとする第１の課題は発光装置の色度を安定させることであり、第２の課題は外力の影響に強くすることであり、第３の課題は第１と第２の課題を解決しつつ熱抵抗の低い発光装置を実現することである。

本発明の発光装置は、光源となる発光ダイオードチップを実装する基材と、該発光ダイオードチップの光出射方向に設け且つほぼ透明または拡散効果を持たせた樹脂より成る透光性部材とより容器を形成した発光ダイオード発光装置において、前記発光ダイオードチップは、カバーとして働き前記発光ダイオードチップへの外力を軽減できる堅い樹脂で形成された前記透光性部材と該透光性部材より柔らかい前記色度調整用樹脂の２種の樹脂で覆っており、前記透光性部材には、樹脂注入口及び空気抜き口が形成されるとともに、前記発光ダイオードチップの光出射方向に設けた指向性を調節するレンズが形成されていて、更に、前記容器内には前記樹脂注入口より注入された染料もしくは顔料もしくは蛍光体を混入した色度調整用樹脂が充填されており、該色度調整用樹脂は、該樹脂内において染料もしくは顔料もしくは蛍光体が前記発光ダイオードチップ側に位置が安定するよう沈殿した状態で固化されているものであり、且つ、前記色度調整用樹脂よりも前記透光性部材の樹脂の方を、より大きい屈折率の樹脂と成したことを特徴とする。

また本発明の発光装置は、前記色度調整用樹脂として屈折率が１．４のシリコン樹脂を用い、前記透光性樹脂として屈折率が１．５５のエポキシ樹脂を使用したことを特徴とする。

また本発明の発光装置は、前記基材に穴を形成し、前記基材の裏面に設けた金属基材上の前記穴内に前記発光ダイオードチップが実装されていることを特徴とする。

また本発明の発光装置は、 前記金属基材の下方には、前記金属基材に密着して金属もしくはセラミックから成る高放熱ブロックが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、色度調整用の樹脂量を一定に出来るため色度を精度良く安定化させることが出来る。
また、容器内に注入する樹脂の粘度を低くすることが出来るため、応力を緩和し、ワイヤーへのダメージも少なくすることが出来る。
さらに、トランスファー成形方式ではないため、離型剤の影響を排除でき、金型投資も軽減できる。
さらにまた、色度調整用の樹脂の外側に比較的硬度の高い樹脂部品を置いたため、該硬度の高い樹脂部品がカバーとして働き、外力の影響を軽減できる。
また、基材を金属としたため、ダイボンドエリアのメタル部から高放熱が可能なため信頼性の向上、高出力化、小型化が可能である。
さらに、色度調整用の樹脂を前記発光装置が作動する間も液状を保つ樹脂としたため、熱流動により発光源の熱を樹脂部分及び、ダイボンドエリアのメタル部から高効率で放熱することが可能となり、さらなる信頼性の上、高出力化が可能となった。

発光ダイオード発光装置において、発光ダイオードチップを樹脂注入口及び空気抜き口を有する容器内に実装し、該発光ダイオードチップを容器内に実装した後樹脂を注入した。また前記容器は前記発光ダイオードチップを実装する基材と、前記発光装置の光出射方向に設けた透光性部材とからなる。また前記樹脂は染料もしくは顔料もしくは蛍光体を混入した色度調整用樹脂である。また前記透光性部材の前記発光装置の光出射方向には、前記発光装置の指向性を調節するレンズが形成されている。

図１は本発明による発光装置の第１の実施例を示した図で、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
図１（ａ）において、１０は基材、１２，１４はそれぞれ発光装置上部に設けられた透光性部材の輪郭で、１４が全体の輪郭、１２がレンズ部の輪郭である。基材１０の一辺につき３つ設けられている１６はＬＥＤチップの電極に接続される電極で、トータルで少なくとも２電極あれば作動可能であるが、消費電力が大きい場合は図１（ａ）に示したように多数の電極を設ける方が好ましい。４カ所に設けられた１８は樹脂注入口もしくは空気抜き口で、それぞれをどちらの用途に用いても良い。

図１（ｂ）において、基材１０上にＬＥＤチップ２４がダイボンディングされており、ＬＥＤチップ２４の電極は細い金属線２６により基材１０上の電極２２にワイヤボンディングされて電気的に接続されている。基材１０上の電極２２が図１（ａ）の電極１６に相当し、図示のように、例えばスルーホールによって、基材１０の反対側、すなわち発光装置の裏面に引き回されて外部端子となっている。透光性部材２０は透明の、比較的硬度の高い樹脂から成り、発光装置の光出射方向にあたる中央には発光装置の指向性を調節するレンズ部２０−１が形成されている。図示のように主にＬＥＤチップを実装する基材１０と発光装置の光出射方向に設けた透光性部材２０によって容器が形成され、該容器に樹脂注入口１８−１及び空気抜き口１８−２が設けられており、該樹脂注入口、空気抜き口以外の部分は密閉構造となっている。すなわち、ＬＥＤチップ２４は樹脂注入口１８−１及び空気抜き口１８−２を有する容器内に実装されている。

該ＬＥＤチップを容器内に実装した後色度調整用樹脂が注入される。
色度調整用樹脂には染料もしくは顔料もしくは蛍光体が混入されており、該色度調整用樹脂は樹脂注入口１８−１から前記容器内に注入され、前記容器内の気体、空気、を空気抜き口１８−２から追い出しながら前記容器内に充填される。
注入樹脂は非常に柔らかいものを選択可能なため、樹脂注入の際のワイヤー流れ等のワイヤーへのダメージを軽減でき、また発光装置全体の応力も緩和し得る。
なお以下の図において、同様の部材には同様の番号を付している。

図２は図１の発光装置に注入した色度調整用樹脂が固化した状態を示した断面図である。
図２が図１（ｂ）と異なるのは、注入後固化した色度調整用樹脂２８を図示したことである。注入した色度調整用樹脂２８は通常は固化されるよう成分を設定するが、樹脂内に混入された染料もしくは顔料もしくは蛍光体３０は図示のように沈殿ぎみとなり位置が安定する。

図２から明らかなように、ＬＥＤチップから発光装置の光出射方向であるレンズ２０−１方向に関しては特に色度調整用樹脂２８の量、厚さ、が一定しており、色度の安定化が顕著である。このような状態は、例えばポッティング法によれば樹脂自体の表面張力等によって光出射方向の樹脂量が決まってしまうため樹脂量の管理が難しく、その結果色度がばらつくのに対し、大きな効果を有している。

さらに、トランスファー成形方式ではないため、色度調整用樹脂２８に離型剤を混入する必要がない。従って離型剤が発光装置の光学特性に影響を及ぼしたり、発光装置の他の部品と透明樹脂との接着強度を弱くするというような問題を生じてしまう可能性を排除でき、またトランスファー成形に必要な金型投資も軽減できる。
さらにまた、注入する色度調整用樹脂２８をシリコン（屈折率約１．４）、カバーである透光性部材２０として屈折率１．４よりも大きいもの、例えばエポキシレンズ（屈折率約１．５５）を使用することにより、屈折率１．４の材質から１．５５の材質に光が通過する際、入射角に比べて屈折角が小さくなるため、集光するのが容易となる。

図２において、ＬＥＤチップ２４上方が比較的柔らかい色度調整用の樹脂２８と比較的堅く、かつ中央にレンズ部２０−１を形成した透光性部材２０とによって構成されていることは重要である。このようにＬＥＤチップ２４を比較的柔らかい樹脂と比較的堅い樹脂の２種の樹脂部品で覆ったため、該堅い樹脂はカバーとして働き、ＬＥＤチップ２４への外力の影響を軽減し、該柔らかい樹脂はＬＥＤチップのワイヤ２６に与えるダメージを軽減している。

図３は本発明による発光装置の第２の実施例を示した断面図である。
図３において、金属基材３２上にＬＥＤチップ２４がダイボンディングされており、ＬＥＤチップ２４の電極は細い金属線２６により基材４２上の電極２２にワイヤボンディングされて電気的に接続されている。すなわちＬＥＤチップ２４を実装する部分は金属で形成されている。基材４２上の電極２２が図１（ａ）の電極１６に相当し、図示のように、例えばスルーホールによって、基材４２の反対側、すなわち発光装置の裏面に引き回されて外部端子となっている。透光性部材２０は透明の、比較的硬度の高い樹脂から成り、発光装置の光出射方向にあたる中央には発光装置の指向性を調節するレンズ部２０−１が形成されている。図示のように主にＬＥＤチップを実装する金属基材３２と発光装置の光出射方向に設けた透光性部材２０と基材４２とによって容器が形成され、該容器に樹脂注入口１８−１及び空気抜き口１８−２が設けられており、該樹脂注入口１８−１、空気抜き口１８−２以外の部分は密閉構造となっている。すなわち、ＬＥＤチップ２４は樹脂注入口１８−１及び空気抜き口１８−２を有する容器内に実装されている。
ＬＥＤチップ２４を実装する部分は基材４２に穴を開けることで作ることが出来、その手法は特許文献１、３に詳述されている。

金属基材３２の下方には放熱特性を高めるため、金属基材３２に密接して、例えば金属もしくはセラミックから成る、高放熱ブロック３４を設けることも出来る。
ＬＥＤチップ２４を容器内に実装した後色度調整用樹脂３６が注入される。
色度調整用樹脂３６には染料もしくは顔料もしくは蛍光体が混入されており、該色度調整用樹脂３６は樹脂注入口１８−１から前記容器内に注入され、前記容器内の気体、空気、を空気抜き口１８−２から追い出しながら前記容器内に充填される。
発光装置としての上方の堅さは透光性部材２０で確保できるため、注入樹脂は非常に柔らかいものを選択可能である。したがって樹脂注入の際のワイヤー流れ等のワイヤーへのダメージを軽減でき、また発光装置全体の応力も緩和し得る。

このように構成したことにより、図１，２で説明した色度の安定化、外力の影響に強いという効果を維持しつつ発光装置の放熱特性を高められる。
高消費電力の発光装置においては、熱が上昇→ＶＦ値下がる→さらに電流が流れる→さらに熱が上がって絶対最大定格越える→保証範囲外となる、という破綻サイクルに陥ってしまうことが大きな問題となっている。
発光装置の放熱特性を高めることでこの問題を解決することが出来効果は大である。

また基材４２に穴を開けてＬＥＤチップを実装しているため、透光性部材２０の高さを低くすることが可能で、すなわちパッケージ高さを低くして薄型タイプとすることが可能である。

図４は図３に示した第２の実施例の発光装置に対し、光利用効率及び指向性を改善した例を示した断面図である。
図４が図３と異なるのは面４０で、図示のようにＬＥＤチップ２４の側面から出社された光が上方に反射するように基材４４の穴内面に勾配を持たせている。
このように構成したことにより、ＬＥＤチップ２４側面から出社された光が、少ない反射回数で上方に出射され、また上方に集光されやすくなるため、発光装置の光利用効率及び指向性が改善される。

図５は図３とほぼ同じ図であるが、図５（ａ）は色度調整用樹脂の量が若干少なかった場合を表した図、図５（ｂ）は色度調整用樹脂の量が若干多かった場合を表した図である。
図示したように色度調整用樹脂の量が若干多くとも少なくとも空気抜き口１８−２近傍の樹脂形状が４６，４８と変わるのみで、発光装置の光出射方向であるＬＥＤチップ２４上方の樹脂量には変化がない。従ってポッティング法とは異なり、色度調整用樹脂の量の変動に対し安定な色度を得ることが出来る。
なおこのように色度調整用樹脂の量の変動が発光装置の光出射方向の樹脂量に変化を与えない状況は、図１，２に示した第１の実施例でも同様であることは勿論である。

図６は色度調整用樹脂として液状の樹脂を用いる場合の例を示した断面図である。
図６が図３と異なるのは樹脂注入口１８−１、空気抜き口１８−２部分が樹脂５２によって封止されている点で、このように樹脂注入口１８−１、空気抜き口１８−２を封止したため液状の色度調整用樹脂５０を使用可能としている。色度調整用樹脂５０は発光装置が作動している間も液状を保つよう成分を設定された樹脂である。
なお細かいサイズの染料もしくは顔料もしくは蛍光体は、熱対流が起きても均一に分散したまま、樹脂と一緒に対流する様に調整され、大きいサイズの蛍光体は、熱対流が起きても沈殿したままで、樹脂と一緒に対流しない様に調整されている。

このように液状の樹脂を用いたため、樹脂が発熱による対流で流動することが可能となり、青色素子からの紫外線による樹脂の変色などが起きにくく、経時劣化を防げるという効果がある。
また、染料もしくは顔料もしくは蛍光体が均一に分散しているので、蛍光色のバランスが良いという効果もある。
さらに、基板に凹部が形成されている場合、蛍光体が沈殿することで、凹部内のＬＥＤ素子近傍に蛍光体が集中しやすいので、変換効率が良いという効果もある。
さらにまた、樹脂にゲル状の樹脂を追加すると樹脂内の染料もしくは顔料もしくは蛍光体がより均一に分散出来る。

このように液状の色度調整用樹脂の使用を可能にすると、発光源であるＬＥＤチップ２４からの熱は、液状樹脂の熱流動により放熱され、発光装置パッケージの放熱特性が著しく向上する。したがって信頼性も向上する。また液状樹脂は非常に柔らかいため、発光装置に与える応力は緩和され、またワイヤーへのダメージも非常に少なく出来る。

本発明による発光装置の第１の実施例を示した図である。 図１の発光装置に注入した色度調整用樹脂が固化した状態を示した断面図である。 本発明による発光装置の第２の実施例を示した断面図である。 第２の実施例の光利用効率及び指向性を改善した例を示した断面図である。 色度調整用樹脂の量が若干異なった場合の断面図である。 液状の色度調整用樹脂を用いる場合の例を示した断面図である。

符号の説明

２４ 発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ
３０ 染料もしくは顔料もしくは蛍光体
１８−１ 樹脂注入口
１８−２ 空気抜き口
１０、４２、４４ 基材
２０ 透光性部材
２８、３６、４６、５０ 色度調整用樹脂
３２ 金属基材
２０−１ レンズ

Claims (4)

1. 光源となる発光ダイオードチップを実装する基材と、該発光ダイオードチップの光出射方向に設け且つほぼ透明または拡散効果を持たせた樹脂より成る透光性部材とより容器を形成した発光ダイオード発光装置において、
   前記発光ダイオードチップは、カバーとして働き前記発光ダイオードチップへの外力を軽減できる堅い樹脂で形成された前記透光性部材と該透光性部材より柔らかい前記色度調整用樹脂の２種の樹脂で覆っており、
   前記透光性部材には、樹脂注入口及び空気抜き口が形成されるとともに、前記発光ダイオードチップの光出射方向に設けた指向性を調節するレンズが形成されていて、更に、前記容器内には前記樹脂注入口より注入された染料もしくは顔料もしくは蛍光体を混入した色度調整用樹脂が充填されており、該色度調整用樹脂は、該樹脂内において染料もしくは顔料もしくは蛍光体が前記発光ダイオードチップ側に位置が安定するよう沈殿した状態で固化されているものであり、且つ、前記色度調整用樹脂よりも前記透光性部材の樹脂の方を、より大きい屈折率の樹脂と成したことを特徴とする発光装置。
2. 前記色度調整用樹脂として屈折率が１．４のシリコン樹脂を用い、前記透光性樹脂として屈折率が１．５５のエポキシ樹脂を使用したことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記基材に穴を形成し、前記基材の裏面に設けた金属基材上の前記穴内に前記発光ダイオードチップが実装されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記金属基材の下方には、前記金属基材に密着して金属もしくはセラミックから成る高放熱ブロックが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。

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