JP6569217B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子を用いた発光装置に関し、より詳細には、保護素子が搭載されている表面実装型発光装置に関する。

各種光源として使用される発光装置には、発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子が利用されている。
このような発光装置において、発光素子を過電圧による破壊から保護するため、発光装置にツェナーダイオードなどの保護素子が搭載されることがある。このような保護素子が発光素子に隣接して配置されると、発光素子からの光が保護素子に吸収されたり、保護素子に遮光されたりすることにより、発光装置全体として光取り出し効率が低下することがある。
そこで、下記特許文献１に開示される発光装置のように、発光素子を載置する面に対して反対側の面に保護素子を載置する凹部を設けることが提案されている。このように構成された発光装置は、発光素子からの光が保護素子に吸収されたり、保護素子に遮光されたりすることがなく、発光素子を発光装置の略中心に配置して輝度を十分に保持しつつ、小型の静電対策表面実装型発光装置とすることができる。

特開２００１−３６１４０号公報 特開２００７−２２７８８２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の発光装置では、発光素子の直下の領域に設けられた保護素子を載置するための凹部にもモールド樹脂を充填するため、発光装置の放熱性が十分に確保できず、投入電力を制御しなければならないという問題がある。

本発明の実施形態に係る発光装置は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、保護素子が搭載された発光装置において、発光装置の光取り出し効率を低下させることなく、かつ、放熱性が確保された発光装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る発光装置は、リードフレームと、前記リードフレーム上に載置される発光素子と、前記リードフレームを保持する樹脂パッケージと、を備える発光装置であって、前記リードフレームは、前記樹脂パッケージ内で離間して配置された第一リードと第二リードとを備え、前記第一リード及び前記第二リードは、それぞれの一部に第一凹部及び第二凹部を有し、前記第一凹部及び前記第二凹部の少なくとも一方の凹部内には保護素子が載置され、前記保護素子と、前記保護素子とリードフレームとを電気的に接続する保護素子導電部材とが前記樹脂パッケージで覆われていることを特徴とする。

本発明の他の実施形態に係る発光装置は、保護素子と、リードフレームと、前記リードフレーム上に載置される発光素子と、前記リードフレームを保持する樹脂パッケージと、を備える発光装置であって、前記リードフレームは前記保護素子を載置するための凹部を有し、前記凹部および前記保護素子が前記樹脂パッケージで覆われていることを特徴とする。

保護素子が搭載された発光装置において、光取り出し効率を低下させることなく、かつ、放熱性が確保された発光装置を提供することができる。

実施形態１に係る発光装置を示す平面図である。 実施形態１に係る発光装置を示す底面図である。 実施形態１に係る発光装置を示す断面図である。 実施形態２に係る発光装置を示す平面図である。 実施形態２に係る発光装置を示す底面図である。 実施形態２に係る発光装置を示す断面図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
なお、本発明の実施形態において、樹脂パッケージとはリードフレームを保持するための樹脂を持つことを意味する。また、凹部および保護素子が樹脂パッケージで覆われているとは、凹部および保護素子が樹脂パッケージの樹脂部分により覆われていることを意味する。

［実施形態１に係る発光装置１００］
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃは、それぞれ、実施形態１に係る発光装置１００を示す平面図、断面図、底面図である。図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、発光装置１００は、リードフレーム１０と、リードフレーム１０上に載置される発光素子２１と、リードフレーム１０を保持する樹脂パッケージ３１とを備える。さらに、リードフレーム１０は、樹脂パッケージ３１内で離間して配置された第一リード１１と第二リード１２とを備え、発光素子２１は第一リード１１上に載置されている。第一リード１１及び第二リード１２は、それぞれの一部に第一凹部１３及び第二凹部１４を有し、第二凹部１４内には保護素子４１が載置されている。保護素子４１と、保護素子４１とリードフレームとを電気的に接続する保護素子導電部材５１とは樹脂パッケージ３１で覆われている。つまり、保護素子４１及び保護素子導電部材５１は樹脂パッケージに埋設されている。

このような構成とすることにより、保護素子を備えた発光装置において、発光素子２１の出射光を保護素子に吸収されることなく外部に取り出すことが可能となるため、発光装置１００の光取り出し効率が向上する。さらに、実施形態１に係る発光装置１００では、発光素子を載置する第一リードの裏面において、発光素子の直下の領域が樹脂パッケージ３１から露出しているため、より放熱性の高い発光装置とすることが可能となる。

以下、順に説明する。

（リードフレーム）
実施形態１に係る発光装置１００は、リードフレーム１０を備える。リードフレームは、発光素子２１を載置する第一リードと第一リードと対となる第二リードとを備え、第一リードと第二リードとは、それぞれの一部に第一凹部１３及び第二凹部１４を備える。第一凹部１３と第二凹部１４とは保護素子４１及び保護素子とリードフレームとを電気的に接続するための保護素子導電部材５１とを収納するために設けられている。実施形態１では、第二凹部内には保護素子４１が載置されている。保護素子の載置個所は第二凹部内に限らず、第一凹部内であってもよい。

リードフレームは平板状のリードフレームであることが好ましい。平板状とは、実質的に板状であればよく、平板状の表面が波型形状、微細な凹凸を有する板状であってもよい。
平板状のリードフレームの第一リード第二リードそれぞれに第一凹部と第二凹部とが形成される。第一凹部および第二凹部内にはそれぞれ保護素子及び保護素子導電部材が収納され、後述する樹脂パッケージにて覆われている。このため、凹部の深さは保護素子と保護素子導電部材とを合わせた高さよりも深いことが好ましい。凹部は、プレスによる打ち抜き加工、エッチング加工等により形成することができる。

本明細書中において「凹部」とは、凹部の底面が連続する内側面に囲まれている場合に限られず、内側面の一部が開放された凹部であってもよく、リードフレームの端部に設けられた薄肉部の場合も含有する意味で使用する。

第一凹部及び第二凹部は、互いに対向して配置された一対の凹部であることが好ましい。一対の凹部とは、第一凹部と第二凹部とが、互いに対向して配置された第一リード及び第二リードの、それぞれが対向する領域を跨いで形成されていることを意味する。さらに第一凹部と第二凹部とは略対称な形状で形成されていることがより好ましい。
発光装置１００において、第一凹部及び第二凹部は、互いに対向して配置された一対の凹部であり、それぞれが第一リード及び第二リードの角部に設けられているため、連続する内壁面に囲まれていない。このような凹部は、保護素子導電部材の長さを短く抑えることができ好ましい。

第一凹部と第二凹部の凹部深さは必ずしも同じ深さとする必要は無く、保護素子の高さ、保護素子導電部材の材料等によりそれぞれに適した深さを決定できる。なお、正負電極が同一面に配置されている保護素子を用いる場合は、第一凹部及び第二凹部の凹部深さを同じ深さにすることで、保護素子を第一リード及び第二リード上にフリップチップ実装することができ好ましい。

第一凹部及び第二凹部は、平面視で後述する樹脂凹部の底面の外側に配置されていることが好ましい。さらに第一凹部及び第二凹部は、平面視でリードフレームの端部に配置されていることが好ましい。このように配置されることにより、発光素子の直下の領域を広く発光装置の放熱領域とすることができるため好ましい。

リードフレームの材料は特に限定されないが、発光素子に適当な電力を供給することができるような材料で形成することが好ましい。また、熱伝導率の比較的大きな材料で形成することが好ましい。このような材料で形成することにより、発光素子２１から発生する熱を効率的に逃がすことができる。例えば、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度以上の熱伝導率を有しているもの、比較的大きい機械的強度を有するもの、打ち抜きプレス加工又はエッチング加工等が容易な材料が好ましい。例えば、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属又は鉄−ニッケル合金、燐青銅、鉄入り銅等あるいはこれらの表面に銀、アルミニウム、銅、金等の金属メッキ膜が施されたもの等が挙げられる。
リードフレームの厚みは、特に限定されないが、上述した凹部深さ等を考慮すると、凹部の深さの１．５〜３倍程度の厚みであることが好ましい。具体的には３００μｍ〜６００μｍ程度が挙げられる。

（発光素子）
発光素子２１は、通常、発光ダイオードが用いられる。発光素子は、その組成、発光色又は波長、大きさ、個数等、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、青色、緑色の発光素子としては、ＺｎＳｅ、窒化物系半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）、ＧａＰなどの半導体層を用いたもの、赤色の発光素子としては、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰなどの半導体層を用いたものが挙げられる。

発光素子は、通常、成長用基板（例えば、サファイア基板）上に、半導体層を積層させて形成される。成長用基板は半導体層との接合面に凹凸を有していてもよい。これにより半導体層から出射された光が、基板に当たるときの臨界角を意図的に変えて、基板の外部に光を容易に取り出すことができる。
発光素子は、成長用基板が半導体層の積層後に除去されていてもよい。除去は、例えば、研磨、ＬＬＯ（Ｌａｓｅｒ Ｌｉｆｔ Ｏｆｆ）等で行うことができる。
発光素子は、活性層に対して同一面側に正負対の電極を有するものや、活性層に対して異なる側に正負電極をそれぞれ有するもののいずれであってもよい。

発光素子は、通常リード上に載置され、そのために接合部材が用いられる。例えば、青及び緑発光を有し、サファイア基板上に窒化物系半導体層を成長させて形成された発光素子の場合には、エポキシ樹脂、シリコーン等を用いることができる。また、発光素子からの光や熱による劣化を考慮して、発光素子裏面に金属メッキをしてもよいし、樹脂を使用せず、Ａｕ−Ｓｎ共晶などの半田、低融点金属等のろう材を用いてもよい。さらに、ＧａＡｓ等からなり、赤色発光を有する発光素子のように、両面に電極が形成された発光素子の場合には、銀、金、パラジウムなどの導電性ペースト等によってダイボンディングしてもよい。

発光素子は、平面視で前記樹脂パッケージの略中央に配置されることが好ましい。発光素子を略中央に配置することで、発光装置の指向特性の中心からのずれを抑えることができる。さらに発光素子が載置される樹脂凹部内には、保護素子が露出しないため、発光素子からの発光が保護素子に吸収されることなく外部に取り出すことが可能となるため、発光装置１００の光取り出し効率が向上する。
発光素子は、１つの発光装置において１つのみ載置されていてもよいが、複数載置されていてもよい。発光素子が複数載置されている場合には、並列、直列又はこれらの組み合わせなど、接続形態は特に限定されない。複数載置することによって発光面積を大きくすることができ、光束を向上させることができる。

実施形態１に係る発光装置１００は、発光素子とリードとを接続するワイヤを備えている。発光素子に形成された一対の電極が、発光素子への電力供給のために、ワイヤによってリードと電気的に接続される。この際のワイヤの材料、直径などは特に限定されるものではなく、当該分野で通常使用されているものを利用することができる。特に、発光素子の電極とのオーミック性が良好であるか、機械的接合性が良好であるか、電気伝導性及び熱伝導性が良好なものであることが好ましい。

ワイヤは、例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いたもの、ワイヤ表面に銀又は銀合金を被覆したもの等を用いることができる。なかでも、反射率が高い材料を選択する場合には、銀、銅、鉛、アルミニウム、白金又はこれらの合金が好ましく、銀又は銀合金がより好ましい。ワイヤの直径は、特に限定されるものではないが、１０μｍ〜７０μｍ程度が挙げられる。好ましくは１５〜５０μｍ程度、より好ましくは１８〜３０μｍ程度である。

（樹脂パッケージ）
樹脂パッケージは、リードフレームを保持するための部材である。樹脂パッケージは、発光素子を収納する樹脂凹部を備える。発光素子は樹脂凹部の底面に配置される。具体的には、発光素子は、樹脂凹部の底面に露出するリードフレーム上に載置される。樹脂凹部の底面は、主として第一リードと第二リードと、第一リードと第二リードとの離間領域を埋める樹脂パッケージの表面とにより構成されている。実施形態１では樹脂凹部の底面は略平坦であるが、例えば離間領域上に突起が設けられていてもよい。樹脂凹部の側壁面は、樹脂凹部の底面に対して垂直であってもよいが、発光素子から出射される光を効率よく取り出すために、樹脂凹部の底面に近づくにつれて開口が幅狭となるように傾斜していることが好ましい。なお、樹脂凹部、つまり凹部側壁は省力することもでき、例えば樹脂パッケージはリードフレームの厚みと同じ厚さの平板状に形成することもできる。

樹脂パッケージの母材は、脂肪族ポリアミド樹脂、半芳香族ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンテレフタレート、不飽和ポリエステル、液晶ポリマー、ポリカーボネート樹脂、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリアリレート樹脂などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、エポキシ変性樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン変性樹脂、ポリビスマレイミドトリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、などの熱硬化性樹脂が挙げられる。また、これらの母材中に、充填剤又は着色顔料として、ガラス、シリカ、酸化チタン、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、珪酸カルシウム、珪酸マグネシウム、ワラストナイト、マイカ、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸カリウム、ホウ酸アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、炭化ケイ素、酸化アンチモン、スズ酸亜鉛、ホウ酸亜鉛、酸化鉄、酸化クロム、酸化マンガン、カーボンブラックなどの粒子又は繊維を混入させることができる。

（保護素子）
保護素子とは、（１）発光素子に印加され得る逆方向電圧を抑制する。（２）発光素子の動作電圧より高い所定の電圧以上の順方向電圧が発光素子に印加されるのを抑制する。という２つの機能のうち少なくとも一方の機能を有する素子を意味する。保護素子を用いることにより発光装置の静電耐圧を向上させることができる。

凹部内に配置される保護素子としては、特に限定され得るものではなく、発光装置に搭載される公知のもののいずれでもよい。例えば、ツェナーダイオード、コンデンサ、バリスタ、赤色発光ダイオード等が挙げられる。保護素子の正負電極が上面側と裏面側とに設けられていると、一方の電極をリードフレームに接合部材を介してダイボンディングすることができるため、比較的容易に形成することができ、好ましい。同一面側に正負電極を有する場合には、ワイヤボンディングもしくはバンプ等を介してフリップチップ実装することができる。フリップチップ実装は、第一リード及び第二リードに跨ってそれぞれの電極をリードフレームに接続するようにして導通をとることができる。

（保護素子導電部材）
保護素子導電部材とは、保護素子をリードフレーム上に実装する際の接合部材、保護素子とリードフレームとを電気的に接続するためのワイヤ等である。
保護素子をリードフレーム上に実装する際の接合部材、保護素子とリードフレームとを電気的に接続するためのワイヤとしては、上述した発光素子の接合部材およびワイヤと同様の部材を用いることができる。

（封止樹脂）
実施形態１に係る発光装置１００では、樹脂パッケージは発光素子を収容する樹脂凹部を有しており、樹脂凹部内に封止樹脂６１が充填されている。封止樹脂は、発光素子やワイヤ、リードの一部を封止して、塵芥や煙、水分、外力などから保護する部材である。封止樹脂の材料としては、絶縁性を有し、発光素子から出射される光を透過可能な材料（好ましくは透過率７０％以上）であることが好ましい。具体的にはエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン変性樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ＴＰＸ樹脂、ポリノルボルネン樹脂、又はこれらの樹脂を１種類以上含むハイブリッド樹脂が挙げられる。なかでもシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂が好ましい。

封止樹脂には、拡散剤又は蛍光体を含有させても良い。拡散材は、光を拡散させるものであり、発光素子からの指向性を緩和させ、視野角を増大させることができる。蛍光体は、発光素子から出射される光の波長を変換することができる。
拡散材としては、当該分野で公知のものを使用することができる。具体的には、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、ケイ酸カルシウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化クロム、酸化マンガン、ガラス、カーボンブラック等が挙げられる。

蛍光体としては、当該分野で公知のものを使用することができる。具体的には、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬＡＧ）系蛍光体、ユウロピウム及び／又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム（ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２）系蛍光体、ユウロピウムで賦活されたシリケート（（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４）系蛍光体、βサイアロン蛍光体、ＣＡＳＮ系やＳＣＡＳＮ系蛍光体等の窒化物系蛍光体、ＫＳＦ系蛍光体（Ｋ_２ＳｉＦ_６：Ｍｎ）、硫化物系蛍光体などが挙げられる。発光装置が液晶ディスプレイのバックライト等に用いられる場合、青色光によって励起され、赤色発光する蛍光体（例えば、ＫＳＦ系蛍光体）と、緑色発光する蛍光体（例えば、βサイアロン蛍光体）を用いることが好ましい。これにより、発光装置を用いたディスプレイの色再現範囲を広げることができる。また、照明等に用いられる場合、青緑色に発光する素子と赤色蛍光体とを組み合わせて用いることができる。

蛍光体は、例えば、中心粒径が５０μｍ以下であるものが好ましい。中心粒径は、市販の粒子測定器又は粒度分布測定器等によって測定及び算出することができる。特に、蛍光体としてＹＡＧ等を用いる場合には、これらの超微粒子を極めて均一に分散して焼結されたバルク体（例えば、板状体）であることが好ましい。このような形態によって、単結晶構造及び／又は多結晶構造として、ボイド、不純物層を低減することによって高度な透明性を確保することができる。

また、蛍光体は、例えば、いわゆるナノクリスタル、量子ドットと称される発光物質でもよい。これらの材料としては、半導体材料、例えば、ＩＩ−ＶＩ族、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＶ−ＶＩ族半導体、具体的には、ＣｄＳｅ、コアシェル型のＣｄＳ_ｘＳｅ_１−ｘ／ＺｎＳ、ＧａＰ等のナノサイズの高分散粒子が挙げられる。このような蛍光体は、例えば、粒径１〜２０ｎｍ程度（原子１０〜５０個）程度が挙げられる。このような蛍光体を用いることにより、内部散乱を抑制することができ、光の透過率をより一層向上させることができる。なお、量子ドット蛍光体は、不安定であるため、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）などの樹脂で表面修飾又は安定化してもよい。これらは透明樹脂（例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等）に混合され成形されたバルク体（例えば、板状体）であってもよいし、ガラス板の間に透明樹脂とともに封止された板状体であってもよい。

なお、必要に応じて、２種類以上の封止樹脂を用いても良い。

以上説明したように、実施形態１にかかる発光装置１００では、発光素子２１の出射光を保護素子に吸収されることなく外部に取り出すことが可能となるため、光取り出し効率が向上する。さらに、発光素子を載置する第一リードの裏面において、発光素子の直下の領域が樹脂パッケージ３１から露出しているため、より放熱性の高い発光装置とすることが可能となる。

［実施形態２に係る発光装置２００］
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは、それぞれ、実施形態２に係る発光装置２００を示す平面図、断面図、底面図である。図２Ａ乃至図２Ｃに示すように、発光装置２００は、保護素子４１が載置される凹部１５が発光装置の発光面側に設けられている点、凹部１５の底面が連続する内側面に囲まれている点が、第一凹部および第二凹部が発光装置の発光面と対向する裏面側に設けられている実施形態１に係る発光装置１００と相違する。

実施形態２に係る発光装置２００によっても、実施形態１に係る発光装置１００と同様に、発光素子２１の出射光を保護素子に吸収されることなく外部に取り出すことが可能となるため、光取り出し効率が向上する。さらに、発光素子を載置する第一リードの裏面において、発光素子の直下の領域が樹脂パッケージ３１から露出しているため、より放熱性の高い発光装置とすることが可能となる。

以上、実施形態について説明したが、これらの説明は一例であり、特許請求の範囲に記載された構成を何ら限定するものではない。

本発明の実施形態に係る発光装置は、照明用光源、ＬＥＤディスプレイ、携帯電話機等のバックライト光源、信号機、照明式スイッチ、車載用光源、アミューズメント、各種センサ及び各種インジケータ等の種々の照明装置に利用することができる。

１０ リードフレーム
１１ 第一リード
１２ 第二リード
１３ 第一凹部
１４ 第二凹部
１５ 凹部
２１ 発光素子
３１ 樹脂パッケージ
３２ 樹脂凹部
４１ 保護素子
５１ 保護素子導電部材

Claims (3)

1. 保護素子と、
   リードフレームと、
   前記リードフレーム上の表面に載置される発光素子と、
   前記リードフレームを保持する樹脂パッケージと、を備える発光装置であって、
   前記樹脂パッケージは、前記発光素子を収納する樹脂凹部を備え、
   前記発光素子は前記樹脂凹部の底面に配置され、
   前記リードフレームは、前記発光素子の直下の領域が前記樹脂パッケージの裏面に露出されるとともに、前記リードフレーム上の表面側かつ平面視で前記樹脂凹部の底面の外側のみに前記保護素子を載置するための凹部を有し、
   前記樹脂凹部は、前記リードフレームの表面側に側壁面を持つ側壁部を有しており、
   前記側壁面は、樹脂凹部の底面に近づくにつれて開口が幅狭となるように傾斜しており、
   前記凹部および前記保護素子が前記樹脂パッケージの側壁部で覆われていることを特徴とする発光装置。
2. 前記凹部は、その深さが前記保護素子の高さよりも大きい請求項１に記載の発光装置。
3. 前記発光素子は、平面視で前記樹脂パッケージの略中央に配置される請求項１又は請求項２に記載の発光装置。

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