JP4625997B2

JP4625997B2 - 発光ダイオード

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Publication number: JP4625997B2
Application number: JP20764499A
Authority: JP
Inventors: 広昭為本
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: JP2001036147A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオード、特に表面実装型の発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の表面実装型の発光ダイオードは、例えば、図５に示すように正の電極板２０２ａと負の電極板２０２ｂとが一体成形されたパッケージ２０１の凹部３内に発光素子４が透光性封止部８０によって封止されて構成されている。この図５に示す発光ダイオード（以下、第１の従来例という。）は、薄型化を目的とした表面実装型の発光ダイオードであるために、透光性封止部８０の表面が平坦でかつその平坦面がパッケージ２０１の凹部２０３の上面とほぼ一致するように透光性封止部８０が充填されている。
【０００３】
また、図６は第２の従来例の発光ダイオードの構成を示す断面図であって、この第２の従来例の発光ダイオードは、透光性封止部８０の表面を球面の凸形状としてパッケージ２０１の上面から突出させている点が第１の従来例とは異なり、他の部分は第１の従来例と同様に構成される。この第２の従来例において、透光性封止部８０の球面の外表面は、その焦点が発光素子４の発光点と一致又は発光点の上方に位置するようにその曲率が設定される。また、その球面は、樹脂で透光性封止部を形成する場合、キャスティングケース（型）を用いて所定の球面が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の従来例の発光ダイオードは、薄型化が可能であるが、透光性樹脂の表面で発光素子で発光された光が反射される等により発生した光を効率よく外部に放出することができないという問題点があった。
また、第１の従来例の発光ダイオードは、透光性樹脂の表面を平坦にしているので、集光性が悪いという問題点もあった。
また、第２の従来例の発光ダイオードは、透光性封止部８０の表面を凸形状として外部への出力効率を向上させることは可能であるが、薄型にできないという問題点があった。
このように従来の発光ダイオードにおいて、薄型化と高出力化とは相反するものであったために、その双方を満足させることができる発光ダイオードはなかった。
【０００５】
そこで、本発明は薄型化が可能でかつ集光性がよくしかも発光した光を外部に効率よく出力できる発光ダイオードを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る発光ダイオードは、凹部を有するパッケージと、該凹部の底面に設けられた発光素子と、該発光素子を覆いかつ表面が球状の凸面になるように形成された透光性封止部とを備えた発光ダイオードであって、上記発光素子を、上記透光性封止部の球状の凸面の焦点と上記透光性封止部の表面との間に設けて上記球状の凸面の外周端部が上記発光素子の発光面より低くなるようにし、上記凹部の側面を上記透光性封止部を介して出射される光が前方に反射されるように傾斜させ、かつ
上記球状の凸面の端が上記凹部の傾斜した側面と上記凹部の底面との境界に一致するように上記透光性封止部を形成したことを特徴とする。
このように構成することにより、本発明の発光ダイオードは、上記発光素子で発光した光を、上記透光性封止部の球状の凹面を介して反射させることなく外部に出射することができ、かつ上記凹部の側面に入射した光を該表面で反射させて外部に出射することができる。
また、上記発光素子を、上記透光性封止部によって構成される凸レンズの焦点と上記透光性封止部の表面との間に設けるようにしているので、薄型にできる。
【０００７】
また、本発明に係る発光ダイオードは、上記球状の凸面の端が上記凹部の傾斜した側面と上記凹部の底面との境界に略一致するように上記透光性封止部を形成することが好ましい。このようにすると、上記発光素子から水平方向より下方に出射された光を傾斜面で反射させて外部に出射することができ、さらに外部出力効率を向上させることができる。
【０００８】
さらに、本発明に係る発光ダイオードは、上記透光性封止部の凸面の頂点が上記パッケージの上面より下に位置するように上記透光性封止部が形成されていることが好ましく、これによってさらに薄型化が可能となる。
【０００９】
また、本発明に係る発光ダイオードでは、上記パッケージを液晶ポリマー樹脂、PBT（ポリブチレンテレフタレート）樹脂及びセラミックスからなる群から選択される１つを用いて構成することができる。
【００１０】
さらに、本発明に係る発光ダイオードでは、上記発光素子がフリップチップ実装されていることが好ましい。
【００１１】
またさらに、本発明に係る発光ダイオードでは、上記発光素子に対する応力を緩和するために、上記透光性封止部をシリコン樹脂で形成することができる。
【００１２】
また、本発明に係る発光ダイオードでは、上記発光素子として窒化物半導体を含んで成る発光ダイオードを用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態の発光ダイオードについて説明する。
本実施の形態の発光ダイオードは、図２に示すように、パッケージ１に形成された凹部３に設けられた発光素子４を透光性封止部８によって封止してなる発光ダイオードであって、以下のような各特徴を有する。
（１）透光性封止部８を、その表面が焦点を有する球面の凸形状となるように、かつその凸形状の表面の頂点がパッケージ１の上面より低くなるように形成した。
（２）発光素子４を、上記透光性封止部によって構成される凸レンズの焦点と上記透光性封止部の表面との間に位置するように設けた。
（３）凹部３の側面３ａを透光性樹脂を介して出射される光が前方に反射されるように傾斜させて形成した。
【００１４】
すなわち、本実施の形態の発光ダイオードは、（１）透光性封止部８を、その表面を凸形状としその凸形状の表面の頂点がパッケージ１の上面より低くなるように、かつ（２）発光素子４を、透光性封止部８の焦点と透光性封止部８の表面の間に位置するようにかつ透光性封止部８が凹部３内に収まるように設けることにより薄型化を実現し、（３）凹部３の側面３ａを傾斜させることにより透光性封止部８を介して出射される光をその傾斜した側面３ｃで反射させて外部に取り出せるようにし、薄型化及び光の取り出し効率の双方を満足させたものである。
【００１５】
以下、図１〜図３を用いて本実施の形態の発光素子について詳細に説明する。
尚、図１は本実施の形態の発光ダイオードを上方から見た平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線についての断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ’線についての断面図である。
パッケージ１．
パッケージ１は、液晶ポリマー、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂、セラミックス等の絶縁性部材よりなりその一部に凹部３が形成されている。このパッケージに使用される上記例示した絶縁性部材において、液晶ポリマーとＰＢＴ樹脂とを比較すると、耐熱性は液晶ポリマーが優れており、光反射性はＰＢＴ樹脂が優れている。また、これらの樹脂とセラミックスを比べると放熱性はセラミックスが優れているが、形状加工の自由度、コストは樹脂の方が優れている。本実施の形態では、発光ダイオードの使用環境等に応じて、各絶縁性部材の中から適したものを選択して用いることができる。
【００１６】
また、パッケージ１に形成された凹部３の側面の一部は図１及び図２に示すように、凹部が発光ダイオードの上方に向かって広がるようにされかつ白色あるいは銀白色に着色されて発光素子から出射された光に対する反射率を高くしている。
さらに、本実施の形態では、凹部を各々外部接続電極が設けられた方向に長くその一方向に直交する他の方向については短くなるように形成している。また、その一方向両側の面を傾斜させて傾斜面を形成している。
これによって、外部接続電極２ａ，２ｂ間には十分なギャップを確保しつつ、その直交方向は幅を狭くでき、発光ダイオード素子をより小型化できる。
【００１７】
また、パッケージ１は、凹部３の底面で露出と外表面にその一部が露出するように設けられた電極２ａ，２ｂを備え、その凹部３の底面に露出した電極２ａ，２ｂにそれぞれ発光素子の正負の電極が接続される。
この電極２ａ，２ｂは樹脂を用いたパッケージでは、りん青銅等の金属板からなる電極板を例えば一体成形により形成することができ、セラミックを用いたパッケージではＷやＮｉ等のメタライズ層として形成することができる。
【００１８】
発光素子４．
本実施の形態において、発光素子４は一方の主面に正電極５ａと負電極５ｂとがいずれも形成されている発光素子であって、発光素子４はその正電極５ａ及び負電極５ｂをそれぞれパッケージ１の底面に露出させた電極２ａ，２ｂに対向させてハンダ等の導電性接着剤により接続することによりパッケージ１に固定される。
【００１９】
透光性封止部８．
透光性封止部８はシリコーン、エポキシ、変性アクリル、不飽和ポリエステル等の透光性樹脂、あるいはガラス等の無機材料で形成され、発光素子４を保護する機能と、発光素子４から出射される光を集光するレンズの機能とを併せ持つ封止部であり以下のように形成される。
すなわち、透光性封止部８はその外表面（上表面）が１点で焦点を結ぶ球面の凸形状となるように、かつその凸形状の外表面の頂点がパッケージ１の上面より低くなるように形成する。また、その外表面により形成される焦点が発光素子４より下に形成されるように、透光性封止部８の外表面の曲率を比較的大きく設定する。これによって、発光素子４を透光性封止部８の球面の表面により形成される凸レンズの焦点と上記透光性封止部８の外表面との間に位置させるようにできる。
【００２０】
さらに、透光性封止部８の外表面の外周端部は、凹部３の底面の外周とほぼ一致するように透光性封止部８を形成している。
またさらに、透光性封止部８はその外表面の中心軸上に発光素子４の発光部中心が位置するように形成する。
上述のような形状の透光性封止部８は、樹脂を用いる場合は以下のようにして容易に作製できる。
【００２１】
まず、パッケージ１の凹部３の側面３ａに、フッ素あるいはシリコーン等の封止樹脂をはじく樹脂薄膜を、塗布あるいは蒸着により形成する。
次に、該凹部３に粘度を所定の値に設定した封止樹脂を、所定量だけ滴下する。
このような方法を用い、封止樹脂をはじく樹脂薄膜の厚さ、成分を封止樹脂の濡れ性に応じて適切に選択して封止樹脂を滴下すると、封止樹脂の表面張力により、封止樹脂が凹部３の底面をほぼ覆いかつ側壁に這い上がらないようにでき、所望の凸形状の外表面を有する透光性封止部８を形成することができる。
【００２２】
このように、本実施の形態では、透光性封止部８の外表面の曲率半径が比較的大きくかつ薄いので、透光性封止部８は、透光性樹脂を用いてポッティング（単に樹脂を滴下させること）により寸法精度よく形成することができる。すなわち、本実施の形態では樹脂の表面張力を利用して滴下する樹脂量を所定の量とすることにより透光性封止部８の外表面を所望の曲率半径の球面とすることができる。従って、第２の従来例のキャスティングケースを用いて所定の球面としていた方法に比較すると、本工程の製造コストを安価にできる。
もちろん本発明では、一般的な封止法であるキャスティングケースの雌型を使って透光性封止部８の表面形状が所定の形状になるように形成してもよい。
尚、透光性封止部８を形成するための樹脂等の材料は、等方性の屈折率を有するものが望ましいが、本発明は特にこれに限定されるものではない。
【００２３】
以上のように構成された実施の形態の発光ダイオードにおいて、透光性封止部８の表面を球面の凸面としているので、発光素子４から出射された光は、透光性封止部８の表面に比較的小さな入射角で入射し、全反射されることなく発光ダイオードの外部に出射される。従って、透光性封止部の表面を平坦にした第１の従来例に比較して、透光性封止部の表面における臨界角反射で再び透光性封止部内に戻される光の割合を少なくでき、外部に出射される光量を多くできる。
【００２４】
また、本実施の形態の発光ダイオードにおいては、透光性封止部８の外表面の外周端部を凹部３の底面の外周とほぼ一致するように透光性封止部８を形成し、発光素子４の発光出力面である上面より、透光性封止部８の外表面の外周端部が低くなるようにしている。これによって、本実施の形態では、発光素子４から下方に向けて出射された光も有効に上方に取り出すことができる。
【００２５】
すなわち、図４に示すように、例えば、発光素子４の端部から出射された光Ｌ１は、透光性封止部８の外表面上の点１０１にその点１０１における法線１０５に対して入射角θ１で入射する。点１０１に入射した光Ｌ１は透過光Ｌ２として法線１０５に対してθ２の角度で透光性封止部８の外部に出射され、パッケージ１の凹部３の側面３ａで反射されて、出射光Ｌとして発光ダイオードの上方に出射される。
【００２６】
ここで、出射角θ２は透光性封止部８の屈折率をｎ１、外部（空間）の屈折率ｎ２とすると、次の（１）式で表される。
θ２＝ｓｉｎ^-1（ｎ２／ｎ１・ｓｉｎθ１）…（１）
また、法線１０５と水平方向の成す角度θ３と角度θ２とが次の（２）式で表される関係があるときは、透光性封止部８から外部に出力される光は必ず水平より下の方向を向くことになる。
θ２≧θ３…（２）
従って、（１）式を（２）式に代入することにより得られる次の（３）式を満足するように発光素子から出射される光は、必ず水平より下の方向を向くことになり、傾斜した反射側面が存在しないと前方に出射されることはない。
ｓｉｎ^-1（ｎ２／ｎ１・ｓｉｎθ１）≧θ３…（３）
【００２７】
しかしながら、本実施の形態では、透光性封止部８の外表面の外周端部は、凹部３の底面の外周とほぼ一致するように透光性封止部８を形成し発光素子４の発光出力面である上面より、透光性封止部８の外表面の外周端部が低くなるようにしているので、本実施の形態では、発光素子４から下方に向けて出射された光も有効に上方に取り出すことができる。これによって、本実施の形態の発光ダイオードは、第２の従来例に比較してさらに効率的に発光素子で発光した光を外部に出射することができる。
尚、図４において、１０３の符号を付して示す点は焦点であり、１０４の符号を付して示す１点鎖線は、焦点と透光性封止部の外表面の頂点とを結ぶ透光性封止部の軸である。
【００２８】
また、以上のように構成された実施の形態の発光ダイオードは、上述のように、発光素子４で発光した光を効率良く出射することができる以外に以下のような優れた特徴を有する。
まず第１に、パッケージ１の凹部３から突出しないように、透光性封止部８を形成しているので、第２の従来例に比較して薄型にできる。
また第２に、透光性封止部８の凸面である外表面をパッケージ１の上面より低くなるように形成しているので、本実施の形態の発光ダイオードをマウンター等で実装する時にノズルで吸着しても、封止樹脂にノズルが直接接触することがない。従って、硬化後の封止樹脂の表面の硬度を高くする必要はなく、封止樹脂として柔軟なシリコン樹脂等を採用することができる。このような柔軟な封止樹脂を用いると、その内部応力を極めて小さくでき、封止樹脂による応力が発光部電極とパッケージ電極の接合部に作用して断線させるという不良も防止することができる。
【００２９】
また、本実施の形態では、発光素子４の電極面を下、すなわちパッケージ１の電極２ａ，２ｂと対向させて搭載し、ワイヤを使用せずに接続する、いわゆるフリップチップ接続で実装した例を示した。このように本発明の構成と該フリップチップ接続を組み合わせれば、接続用のワイヤを無くすことができ、パッケージ１の凹部３の深さを小さくすることができ、さらに発光ダイオードを薄型にできる。尚、本発明は実施の形態として示したフリップチップボンディングの発光ダイオードに限られるものではなく、ワイヤを用いた接続を用いた場合でも、ワイャ接続を用いた従来例と比べると、高出力/薄型発光素子が得られることは言うまでもない。
またさらに、実施の形態では１つの発光素子を用いたものを例として示したが、本発明は複数の発光素子を凹部に収納したものにも適用することができ、このようにしても、実施の形態と同様の作用効果が得られる。
また、凹部に複数の発光ダイオードチップを搭載することによりにすることでフルカラーの表面実装型多色発光ダイオードを実現することもできる。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る発光ダイオードは、パッケージの凹部に設けられた発光素子と、該凹部を覆いかつ表面が球状の凸面になるように形成された透光性封止部とを備え、上記発光素子を、上記透光性封止部によって構成される凸レンズの焦点と上記透光性封止部の表面との間に設け、かつ上記凹部の側面を上記透光性封止部を介して出射される光を前方に反射させるように傾斜させているので、上記発光素子で発光した光を、上記透光性封止部の球状の凹面を介してに反射させることなく外部に出射することができ、かつ上記凹部の側面に入射した光を該表面で反射させて外部に出射することができる。また、上記発光素子を、上記透光性封止部によって構成される凸レンズの焦点と上記透光性封止部の表面との間に設けるようにしているので、薄型にできる。
従って、本発明によれば、薄型化が可能でかつ集光性がよくしかも発光した光を外部に効率よく出力できる発光ダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の発光ダイオードの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線についての断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’線についての断面図である。
【図４】実施の形態の発光ダイオードにおいて、発光素子から出力された光の経路を説明するための模式図である。
【図５】第１の従来例の発光ダイオードの断面図である。
【図６】第２の従来例の発光ダイオードの断面図である。
【符号の説明】
１…パッケージ、
２ａ，２ｂ…電極、
３…凹部、
３ａ…凹部の側面、
４…発光素子、
５ａ…正電極、
５ｂ…負電極、
８…透光性封止部。

Claims

凹部を有するパッケージと、該凹部の底面に設けられた発光素子と、該発光素子を覆いかつ表面が球状の凸面になるように形成された透光性封止部とを備えた発光ダイオードであって、
上記発光素子を、上記透光性封止部の球状の凸面の焦点と上記透光性封止部の表面との間に設けて上記球状の凸面の外周端部が上記発光素子の発光面より低くなるようにし、
上記凹部の側面を上記透光性封止部を介して出射される光が前方に反射されるように傾斜させ、かつ
上記球状の凸面の端が上記凹部の傾斜した側面と上記凹部の底面との境界に一致するように上記透光性封止部を形成したことを特徴とする発光ダイオード。
上記透光性封止部の凸面の頂点が上記パッケージの上面より下に位置するように上記透光性封止部が形成されている請求項１記載の発光ダイオード。
上記パッケージが液晶ポリマー樹脂、PBT（ポリブチレンテレフタレート）樹脂及びセラミックスからなる群から選択される１つからなる請求項１又は２記載の発光ダイオード。
上記発光素子がフリップチップ実装されている請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の発光ダイオード。
上記透光性封止部はシリコン樹脂からなる請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の発光ダイオード。
上記発光素子は窒化物半導体を含んで成る請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の発光ダイオード。