JP4773048B2

JP4773048B2 - 発光ダイオード

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Publication number: JP4773048B2
Application number: JP2003340988A
Authority: JP
Inventors: 靖樹桑原; 俊之若月
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: US20050067628A1; CN1604350A; DE102004046995A1; US7238967B2; CN100386893C; JP2005109172A

Description

本発明は、各種の電子機器の照明に、特に最近では自動車の計器類の照明等にも使用される発光ダイオードに係り、特に指向性を持たせるための反射カップを設けるタイプの発光ダイオードに関するものである。

従来、この種の発光ダイオードとしては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。これは、図６に示すように、マザーボード１上に表面実装されるベース基板２と、このベース基板２の上面に配置される発光素子３と、この発光素子３の周囲を取り囲むように配置される反射カップ４と、これら発光素子３及び反射カップ４を封止する樹脂封止体５と、この樹脂封止体５の上部に配置されたドーム状の集光部材６とで構成される。

このような発光ダイオードにあっては、発光素子３から出射した光は反射カップ４の内周面に反射することで上方向への指向性が付与され、さらにこの光が集光部材６のレンズ部７を通過することによって、より一層指向性の強い発光となる。
特開２００２−３２４９１７号公報

ところで、最近では発光素子から出射した光を非常に狭い範囲に集中させて一点を強く照射する、所謂狭指向性の発光ダイオードが求められている。そして、このような狭指向性を反射カップのみで実現するためには、反射カップの表面粗度を少なくともλ／２程度にしないと、光の指向性をコントロールすることができない。

しかしながら、上述した従来の発光ダイオードにあっては、反射カップの多くが型成形による樹脂成形品であるために表面粗度に限界があり、その表面に金属膜を蒸着やメッキによって形成したとしても、光の指向性のコントロールに必要とされる表面粗度λ／２を得ることが難しい。そのために、上記従来の反射カップでは散乱光が多くなってしまい、所望の狭指向性を反射カップのみで得ることはできなかった。それ故、上記従来のような集光部材６をさらに設ける必要があり、その分コスト高になるのに加えて、色収差による発光色の不均一の発生や発光ダイオードが大型化するなどの問題があった。

そこで、本発明の目的は、従来の集光部材などを設けることなく、反射カップのみで狭指向性の発光を得ることのできる発光ダイオードを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の発光ダイオードは、電極部を有するベース基板と、このベース基板上に設置される反射カップと、この反射カップの底部でベース基板上に配置される発光素子と、この発光素子を被覆する樹脂封止体とを備え、前記反射カップの底部に開設された開口を通じて前記発光素子と前記電極部とを導通させてなる発光ダイオードにおいて、前記反射カップが、それ自身でカップ形状が保持されたフィルム体と、このフィルム体の表面に成膜された金属膜とで構成されると共に、反射カップの裏面側にはこの反射カップを支持するための枠体が配設され、反射カップと枠体との間に設けられた空間部にツェナーダイオード、コンデンサ及び抵抗器の中の少なくとも１つの電子部品が配置されることを特徴とする。

本発明におけるベース基板には、電極パターンが形成されたガラスエポキシ基板又はフレキシブル回路基板を適用できる。また、本発明が狭指向性の発光を得る目的から、前記反射カップのカップ形状は、底の深い略半球形状であることが望ましい。

本発明におけるフィルム体は、例えばポリイミドフィルムをプレス成形した成形体である。ポリイミドフィルムは、表面粗度が非常に小さい上に耐熱性にも優れる。フィルム体の形状は、プレス成形時の雄型及び雌型の形状に依存する。

本発明の一例では、前記フィルム体の表面に反射効果の大きいアルミニウム又は銀材が成膜される。成膜の手段は蒸着が一般的である。成膜された金属膜の表面粗度は、λ／２以下となる。表面粗度がλ／２以下となることで、反射光の拡散が極めて少なくなり、狭指向性の発光を容易に得ることができる。

本発明の一例では、発光素子を被覆するための樹脂封止体が凸レンズ形状に形成されている。この樹脂封止体による集光性が期待でき、狭指向性の発光を得る目的にも合致する。また、本発明の一例ではこの樹脂封止体を反射カップ内において発光素子を被覆させているので、発光ダイオードの全体形状に影響を与えることがなく、発光ダイオードの小型形状を保持できる。

本発明の一例では、発光素子が半田バンプを介してベース基板の電極部にフリップチップ実装される。このような実装方法が反射カップの小型化につながるので、狭指向性の目的に沿ったものとなる。また、半田バンプをベース基板の電極部に接続するため反射カップの底部に開設される開口は、前記半田バンプに対応した大きさで足りる。そのため、発光素子の下面側の反射面（反射カップの底面）を広く確保することができ、上方への反射光の取り出しが有利となる。

さらに、本発明の一例では、前記反射カップの裏面側に、この反射カップを支持するための枠体を配設することもできる。反射カップを枠体で支持することで、発光ダイオードを取り扱い易くなる。さらに、前記反射カップの裏面側において、枠体内に空間部を設け、この空間部に電子部品を配置することで、より一層の小型化が達成される。この電子部品としては、例えば発光ダイオードの静電対策用部品のツェナーダイオード、コンデンサ及び抵抗器などである。

本発明に係る発光ダイオードによれば、反射カップに表面粗度の小さいフィルムを用いたことで光の指向性のコントロールが容易となり、別途集光部材を用いることなく狭指向性の発光を簡易な構造で得ることができた。

以下図面に基づいて本発明に係る発光ダイオードの実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの全体形状を示す斜視図、図２は前記図１において、Ａ−Ａ線に沿って切断した断面図、図３は図２におけるＢ部の拡大図である。

上記図１乃至図３に示されるように、本発明の発光ダイオード１１は、一例としてガラスエポキシ基板の表面に一対の電極部が形成されたほぼ正方形状のベース基板１２と、このベース基板１２の上面のほぼ中央部に配置された発光素子１３と、この発光素子１３の周囲を取り囲むように配設され、発光素子１３から出射した光の指向性をコントロールする反射カップ１４と、この反射カップ１４の裏面側に配置されて、反射カップ１４を支持するための枠体１５とを備えたものである。

前記ベース基板１２に形成された一対の電極部は、ほぼ中央部で左右に二分されたカソード電極１６とアノード電極１７とで構成され、このカソード電極１６とアノード電極１７とが向かい合う中央部には、前記発光素子１３が載置される突起部１８，１９が形成される。前記カソード電極１６及びアノード電極１７はベース基板１２の裏面側にも回り込み、マザーボード（図示せず）との導通を図れるようにしている。

この実施形態に係る発光素子１３は、用途に応じて種々の発光色のものが選択され、特に限定されない。発光素子１３の下面に設けられた一対の半田バンプ２０，２１によって、前記カソード電極１６及びアノード電極１７との導通が図られる。具体的には一対の半田バンプ２０，２１を前記カソード電極１６及びアノード電極１７の各突起部１８，１９に固定して導通を図る。このように、半田バンプ２０，２１を用いたフリップチップ実装によって、反射カップ１４の小型化が図られ、本発明の目的である狭指向性に沿った構造となる。上記の半田バンプ２０，２１の代わりに、ボンディングワイヤを用いた導通手段を適用できること勿論である。

前記発光素子１３の周囲を取り囲むように配設される反射カップ１４は、カップ形状に保持されたフィルム体２５と、このフィルム体２５の表面に成膜された金属膜２６とを備えて構成されている。この実施形態において、前記フィルム体２５は、厚さ２５μｍ程度のポリイミドフィルムをカップ状に成形したものである。成形方法の一例としては、加熱した雄型と雌型との間にポリイミドフィルムを挟み込んでプレス加工する方法で成形できる。ポリイミドフィルムは、フィルム表面の粗度が非常に小さい上に、耐熱性も約４００℃と高いので、リフロー炉での加熱温度２５０〜３００℃にも十分に耐えられる。なお、ポリイミドフィルム以外のフィルムを用いることは可能であり、さらにフィルム上に導通回路パターンが設けられている、所謂フレキシブル基板を用いることも可能である。光の指向性の広狭は、成形されたフィルム体２５のカップ形状に依存し、本発明の目的である狭指向性を得るためには、図１及び図２に示したような底の深い略半球形状のカップ形状、即ち略放物線形状が望ましく、この放物線の焦点に前記発光素子１３を配置することで、該発光素子１３から出射した光を反射カップ１４の内周面で反射し、上方への平行光として取り出すことができる。

前記フィルム体２５のカップ内周面には金属膜２６が蒸着によって形成されている。この金属膜２６は、アルミニウムや銀など反射率の高い鏡面になり易い金属材料が選択される。この金属膜２６は、もともと表面粗度の小さなフィルム体２５の表面に蒸着してあるので、金属膜２６の表面粗度がλ／２以下になり易い。そのため、金属膜２６に反射した光の散乱を抑えることができ、狭指向性を得るための光のコントロールが容易となる。

この実施形態において、前記反射カップ１４の底部には発光素子１３の大きさに見合う円形状の開口２７が開設されている。そして、この開口２７の上部に前記発光素子１３が配置され、開口２７から露出するカソード電極１６及びアノード電極１７の各突起部１８，１９に発光素子１３の半田バンプ２０，２１がそれぞれ接続されている。

図４は、前記反射カップ１４の底部に開設された開口の他の実施例を示したものである。この実施例では、反射カップ１４の底部に発光素子１３の一対の半田バンプ２０，２１の大きさに対応した小さな開口２８，２９が開設されているだけである。そのために、発光素子１３の下面側の反射面４０（金属膜２６が形成された反射カップ１４の底面）を広く確保することができるので、発光素子１３の下面から出射した光の反射ロスが少なくなり、上方への反射光の取り出しに有利となる。

前記いずれの実施形態においても、発光素子１３を被覆するための樹脂封止体２２は、反射カップ１４内において、発光素子１３の上部だけを被覆している。反射カップ１４内に設けることで、発光ダイオード１１の全体形状に影響を与えることがなく、発光ダイオード１１の小型形状を保持できる。また、この樹脂封止体２２は凸レンズ形状に形成されている。そのために、発光素子１３から出射した光は、反射カップ１４による指向と同一方向で集光されるので、より狭指向性の強い反射光が得られることになる。なお、この樹脂封止体２２は、例えば光透過性のエポキシ樹脂などによって形成される。

この実施形態では、前記反射カップ１４の裏面側に反射カップ１４を支持するための枠体１５が配設されている。前記反射カップ１４は、薄いフィルムによって成形されているにもかかわらず、それ自身でカップ形状を保持しているが、発光ダイオード１１としての取り扱いの容易性などを考慮して前記枠体１５によって支持されるものである。この枠体１５は、ベース基板１２の外形寸法とほぼ同じ大きさのブロック状の樹脂成形体であり、その上面中央部には前記反射カップ１４を挿入するための大きな凹部３０が形成されている。この凹部３０は、枠体１５を上下に貫通して設けられ、前記反射カップ１４の放物線形状に対応して、上部から下部に向かって次第にすぼまる形状となっている。凹部３０の上面の開口は反射カップ１４の上端の形状にほぼ対応し、凹部３０の深さは反射カップ１４の高さにほぼ対応している。この実施形態では前記反射カップ１４の上端に外向きフランジ３１が全周に設けられており、この外向きフランジ３１を前記凹部３０の上面の開口端３２に載置することで、反射カップ１４が支持される構造である。なお、図１及び図２に示されるように、この実施形態では反射カップ１４は、上向きフランジ３１のみで枠体１５に支持されているが、反射カップ１４の裏側面３３を凹部３０の内周面３４で支持すること勿論可能である。

上記のように構成された発光ダイオード１１にあっては、発光素子１３から出射した光は、反射カップ１４によって上方への指向性が付与されるが、反射カップ１４の表面での光の散乱を抑えることができるので、予め設定した指向性のコントロールが容易となる。そのため、上記の反射カップ１４のみでも狭指向性の発光を容易に得られることになる。上記発光ダイオード１１では、狭指向性の発光を得るために、従来のようなレンズ部を備えた集光部材をさらに設ける必要がないので、発光ダイオードの構成が簡易なものとなり、その分製造コストを押えることができる。また、集光部材のレンズ部に通過させることによって発生していた色収差による発光色の不均一をなくすことができる他、発光ダイオードの小型化が可能となる。

図５は、本発明に係る発光ダイオードの他の実施形態を示したものであり、前記発光素子１３のみならず他の電子部品も一緒にベース基板１２上に搭載する場合である。この実施形態では、反射カップ１４の裏側面３３と凹部３０の内周面３４との間にできる空間部３５、及び枠体１５の内部に設けられた空間部３６，３７を利用して各種の電子部品３８，３９を配置している。一方の空間部３６は反射カップ１４との間にできた空間部３５から連続して設けられている。そのため、多少大き目の電子部品３８でも収納可能である。他方の空間部３７は、前記空隙部３５とは独立して設けられている。前記電子部品３８，３９は、例えば発光ダイオード１１の静電対策用として必要なツェナーダイオード、コンデンサ及び抵抗器などである。上記の空間部３５，３６および３７は、その数や容積を適宜選択することで、配置する電子部品３８，３９の数量や大きさに対応可能である。その際、反射カップ１４の形状には影響を与えない。このように、反射カップ１４と枠体１５との間にできる空間部３５や枠体１５自身に設けられた空間部３６，３７を電子部品３８，３９の収納室に利用することで、発光ダイオード１１の小型化の要請に対応できることになる。

上記の実施形態では反射カップ１４の内部を空洞の状態にした場合について説明したが、反射カップ１４の上面に内部を覆うようなカバーを被せることもできる。また、反射カップ１４の内部に封止用の樹脂を充填することもできる。この場合、前記実施形態で説明した発光素子１３の周りだけを封止している樹脂封止体２２は取り除くこともできる。

本発明に係る発光ダイオードの一実施形態を示す斜視図である。前記図１に示す発光ダイオードのＡ−Ａに沿って切断した断面図である。前記図２に示す発光ダイオードのＢ部の拡大図である。他の実施形態を示す図３と同様の拡大図である。他の実施形態を示す図２と同様の断面図である。従来の発光ダイオードの一例を示す断面図である。

符号の説明

１１発光ダイオード
１２ベース基板
１３発光素子
１４反射カップ
１５枠体
１６カソード電極（電極部）
１７アノード電極（電極部）
２０，２１半田バンプ
２２樹脂封止体
２５フィルム体
２６金属膜
２７，２８，２９開口
３５，３６，３７空間部
３８，３９電子部品

Claims

電極部を有するベース基板と、このベース基板上に設置される反射カップと、この反射カップの底部でベース基板上に配置される発光素子と、この発光素子を被覆する樹脂封止体とを備え、前記反射カップの底部に開設された開口を通じて前記発光素子と前記電極部とを導通させてなる発光ダイオードにおいて、
前記反射カップが、それ自身でカップ形状が保持されたフィルム体と、このフィルム体の表面に成膜された金属膜とで構成されると共に、反射カップの裏面側にはこの反射カップを支持するための枠体が配設され、反射カップと枠体との間に設けられた空間部にツェナーダイオード、コンデンサ及び抵抗器の中の少なくとも１つの電子部品が配置されることを特徴とする発光ダイオード。
前記反射カップのカップ形状が、底の深い略半球形状である請求項１記載の発光ダイオード。
前記金属膜が銀又はアルミニウムの蒸着膜である請求項1記載の発光ダイオード。
前記金属膜の面粗度がλ／２以下である請求項1又は３記載の発光ダイオード。
前記樹脂封止体が凸レンズ形状に形成され、反射カップ内において発光素子を被覆してなる請求項１記載の発光ダイオード。
前記発光素子は半田バンプを介してベース基板の電極部にフリップチップ実装され、反射カップの底部に開設された開口が前記半田バンプに対応した大きさである請求項１記載の発光ダイオード。
前記反射カップの上端には外向きフランジが設けられ、この外向きフランジが枠体に支持される請求項１記載の発光ダイオード。