JP2003124525A - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents
発光ダイオード及びその製造方法Info
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Abstract
する発光ダイオード、及びそれを製造するための簡易な
製造方法を提供すること。 【解決手段】発光ダイオード10は、発光ダイオードチ
ップ50が配置されるカップ部31を含む基体30と、
カップ部31内に注入される樹脂材料70と、カップ部
31に重ねて置かれ、発光ダイオードチップ50で発光
される光を集光するためのレンズ部材20とを有する。
レンズ部材20の内凸面23には、発光ダイオードチッ
プ50からの光の少なくとも一部を波長変換する蛍光材
料60の層が被着される。レンズ部材20が基体30に
取り付けられる際に、その内凸面23は樹脂材料70を
変形させて、空気及び過剰な樹脂材料60を外部へと押
し出すことができる。
Description
ップを含む発光ダイオード装置で、特に蛍光材料により
少なくとも一部の光を波長変換し、発光ダイオードチッ
プの発光色と異なる色、例えば白色の発光を実現できる
発光ダイオード及びその製造方法に関する。
えば、特開平8−320656号公報、及び特開平11
−251640号公報に記載される。前者によれば、発
光ダイオード装置は、プリント基板及びその上に装着さ
れるゴム又は樹脂製のマスク板を有し、そのマスク板の
一部に光を反射するカップを構成する。発光ダイオード
チップは、このカップの内側に実装される。カップ内に
は、透光性の封止材が充填硬化される。また、マスク板
上には、発光ダイオードで発光した光を集光するための
所定形状のレンズ板が接合される。
板の封止材の間に空気が入り込むことによる隙間が生じ
るため、この空気層の影響で、光の取出効率が低くなる
ことである。製造工程で、カップ内の体積分ちょうどと
なるよう封止材を注入し、レンズ板を重ねたときに空気
層を無くすことは略不可能である。
ば、上述した公報のうち後者に示す構成のように、封止
材に重ねて更に他の封止材を重ねて、レンズ形状に成形
することも行なわれ得る。しかしながら、そのような工
程を設けることは製造工程を複雑にし、製品をコスト高
にしてしまう。
変換に関する問題がある。上述の後者の公報によれば、
発光ダイオードチップからの発光を波長変換できる構成
が採られている。記載される構成によれば、発光ダイオ
ードチップ周辺に配置される樹脂材料が蛍光材料を含
み、これらが発光ダイオードからの発光を波長変換して
発光ダイオードチップ本来の発光色以外の色を提供す
る。
ティング部内で、発光ダイオードチップから各方向に出
射された光の光路差の影響、又は蛍光材料の分布の差に
よって、外部に放射される光に色むらを生じ得る。また
製品間での発光色のばらつきが比較的大きくなり、製品
の使用用途によっては不都合を生じる場合もある。
純な構成ながら、光学特性(色の均一性、配光特性)が
良好であり、製品間で発光色のばらつきがなく、効率的
な発光性能を得ることのできる発光ダイオードを提供す
ること、及びその製造方法を提供することにある。更に
本発明の他の目的は、上述のような高性能の発光ダイオ
ードを比較的単純で安価な製造方法によって提供するこ
とにある。
ードは、発光ダイオードチップと、それが収容される基
体と、発光ダイオードチップで発光した光を集光するた
めのレンズとを有する。基体は、発光ダイオードが電気
的に接続されるための配線パターンを有する。配線パタ
ーンは、基体の表面に沿って印刷等の方法によって形成
され、発光ダイオードチップと外部装置との間の電気的
なパスを形成する。基体は一体部品からなり、凹形状の
カップ部を有する。配線パターンはカップ部内まで延
び、発光ダイオードチップはカップ部内に実装される。
設けられる内凸面、その周りに沿って形成されるカップ
係合面、及び基体に係合するための肩とを有する。レン
ズ部材が基体に重ねられるとき、カップ係合面と基体の
カップ部とが係合して、内凸面が基体に対する適正位置
に位置決めされる。
る。被着には従来行なわれている様々な印刷又は塗布方
法が使用され得る。これらの方法によれば、蛍光材料層
の厚さ又はその量を制御できるので、完成した発光ダイ
オードに対して安定した発光性能を保証できる。
って、カップ部内に樹脂材料が充填される。樹脂材料は
カップ内に所定量だけ注入されるが、特に複数の製品を
製造する際には、それらの間で注入量に多少のばらつき
があっても良い。その後、レンズ部材が取り付けられる
際に、内凸面は樹脂材料に接し、これを押すことによっ
て樹脂材料を変形しその一部を移動させる。レンズ部材
は、内凸面の位置から外縁に向けて延びる溝を有し、レ
ンズ部材がカップ部に係合するときに、樹脂材料の一部
が内凸面に押されて、その溝の中に入り込むように移動
する。これによって内凸面と樹脂材料との間には空気が
入り込む隙間ができず、従って両者の境界で発光ダイオ
ードの光が反射されることはなくなり、出光効率が向上
する。
の好適実施形態となる発光ダイオード及びその製造方法
について詳細に説明する。図1は、本発明の第1の好適
実施形態となる発光ダイオードを説明する概略断面図で
あり、(a)は組立が完了した状態、(b)は組立前の
状態を示す図である。図2は、第1の好適実施形態とな
る発光ダイオードに使用されるレンズ部材の構造を示す
図で、(a)は底面図、及び(b)は(a)中の線A−
Aに沿う断面図である。
10は、発光ダイオードチップ50、これを収容する基
体30、及び基体30上に装着されるレンズ部材20を
有する。基体30は、凹んだ構造のカップ部31を含
み、発光ダイオードチップ50は、この中に収容され、
実装される。基体30はセラミック材料の切削加工又は
プラスチック材料の成形他により所定の形状に加工され
る。基体30の表面上には、配線41、42が公知の方
法によって形成される。配線41、42のそれぞれ一端
はカップ部31内に延び、その中に発光ダイオードチッ
プ50に電気的に接続されるためのチップ接続部45、
46を構成する。例えば、基体30は、ガラス・エポキ
シ基板をカップ形状に加工し、その上に銅箔で配線を形
成することができる。また別の場合には、プラスチック
またはセラミックスをカップ状に成形して基体30を構
成し、その表面にMID(Molded Interconnect Device)
の手法で電気配線を形成しても良い。
体30は、その大部分を金属のブロックとして形成して
も良い。この場合、発光ダイオードチップ50を動作さ
せるための電気的配線を実現するために、必要な部分に
樹脂のコーティング、絶縁フィルムの貼り付け、或いは
絶縁部品との機械的組立等により、金属ブロックと配線
とを電気的に絶縁するための絶縁層を構成する。即ち、
配線はこれらの絶縁層上に形成され得る。基体30の大
部分を金属で構成すると、発光ダイオードチップ50の
動作時に生じる熱が基体30を通じて発光ダイオードが
実装される他の装置又は他の部品へと効果的に逃がすこ
とができ、発光ダイオードの動作の安定性を保証するこ
とができる。
50が実装されるチップ接続部45、46からカップ部
31の内面に沿って延び、更に側面を介して基体30の
底面32まで延びる。底面32には、発光ダイオードが
他の回路基板(図示せず)に実装されるための実装部4
3、44が設けられる。即ちカップ部31内に実装され
る発光ダイオードチップ50は、配線41、42を介し
て他の回路基板と接続される。尚、発光ダイオードチッ
プ50は、ワイヤボンドタイプ、フリップチップ、フロ
ップチップ等の方法により、カップ部31内に実装され
得る。
部材20が装着される。レンズ部材20は、外凸部24
と内凸部25とを有する。外凸部24の表面(外凸面)
22及び内凸部25の表面(内凸面)23の曲率は、発
光ダイオードに対して必要な集光が得られるよう設計さ
れる。外凸部24は内凸部25よりも大径に形成され、
これにより外周に沿って肩21が画定される。図示され
るように、レンズ部材20が基体30に取り付けられた
状態では、内凸部25の表面23は、発光ダイオードチ
ップ50に近接して配置される。
には、蛍光材料60がコーティングされて成る。従っ
て、発光ダイオードチップ50を動作させるとき、発光
された光はカップ部31で上方に反射され、蛍光材料6
0によって少なくともその一部が波長変換されて外部に
出射される。表面23とカップ部31によって構成され
る空間内には、樹脂材料(又はチップコーティング材)
70が充填される。樹脂材料70は、レンズ部材20を
接着固定するとともに、空気層を無くし発光ダイオード
チップ50の劣化を防止するよう作用する。樹脂材料7
0には、発光した光に対して吸収が少ない透明な材料が
選択される。必要な場合には、樹脂材料70中に発光ダ
イオードチップからの光を分散させる分散剤が混在させ
られる。また、樹脂材料70として高屈折率のものを使
用することでチップからの光取り出し効率をあげること
ができ、硬化等されたときに十分な弾性を有する材料と
するを選択することで、実装されたチップやボンディン
グ接続のためのワイヤに応力がかからない構造とするこ
とができる。
せて、発光ダイオード10の製造方法について説明す
る。レンズ部材20については、図2(b)に底面図が
示され、図2(a)には(b)中の線A−Aに沿う位置
の断面図が示される。
であり、全体としてはきのこ形を成す。通常は透明な樹
脂からなるが、ガラス等の他の材料で形成されることも
可能である。肩21から表面23までの間は、傾斜面2
8が設けられる。傾斜面28近傍の内凸部25の一部
は、凹んだカップ部31に対して略相補的な錐台形状と
され、表面23は、その錘台に重なるようにドーム状部
分を構成する。更に、図2に示すように、レンズ部材2
0は、対向位置に一対の溝26を有する。溝26は内凸
部25の表面23の位置から肩21の位置まで延び、外
凸部24の表面22の位置まで達している。
3には、色変換用の蛍光材料60が配置される。本実施
形態では、蛍光材料の配置は、蛍光材料を他の液体樹脂
材料と混ぜてこれを塗布するか、予めフィルム形状に加
工したものを被着させる等の方法により行われる。例え
ば、発光ダイオードを白色発光させるための蛍光材料と
しては、YAG:Ce等のセラミック材料や、他の有機
蛍光材料が用いられ得る。
が基体30に組み立てられる前に、基体30内には発光
ダイオードチップ50が実装される。図示されるよう
に、発光ダイオードチップ50はカップ部31の底に実
装されて置かれ、その上から樹脂材料70が注入され
る。樹脂材料70は十分な流動性を有する。レンズ部材
20が装着される前の樹脂材料の表面は参照番号71で
示される。樹脂材料70は比較的大容量だけ注入され、
過剰な分はレンズ部材21装着の過程で除去されるが、
これについては後述する。
(a)の状態への遷移として理解される。即ち、樹脂材
料70が注入された基体30にレンズ部材20が組合わ
せられるとき、内凸部25がカップ部31内に入り込
む。図1(a)から理解されるように、レンズ部材20
は、肩21が基体30の頂面33(又はその上に形成さ
れる配線41)に略当接する位置又は傾斜面27がカッ
プ部31の内面に略接する位置に置かれるが、内凸部2
5は肩21の位置から十分な量だけ突出して成るので、
レンズ部材20装着の過程で、まず蛍光材料60が被着
された表面23が樹脂材料70に接するようになる。
0に向けて押し下げられるとき、表面23は樹脂材料6
0を押して変形させる。樹脂材料60は、十分な流動性
を有するので、レンズ部材20が押し下げられたとき
に、レンズ部材20に形成される溝26内に樹脂材料7
0が流れ込む。溝26は上述したように、レンズ部材2
0の側縁に沿って表面22の側端位置まで達しているの
で、レンズ部材20の移動により押し出された樹脂材料
70は、溝26を介して外部に向けて移動させることが
できる。このとき、レンズ部材20の表面23は中央位
置から徐々に樹脂材料70と接することになり、一方溝
26はレンズ部材20の側端に設けられるので、レンズ
部材20の装着前にカップ部31内に存在した空気は、
過剰な樹脂材料と共に溝26により外部に排出できる点
に注意すべきである。その結果、樹脂材料70は、レン
ズ部材20の表面23に被着された蛍光材料の層60に
密着し(図1(a)及び(b)中で参照番号72の破線
で示される樹脂材料70の表面72参照)、蛍光材料6
0の層とカップ部31によって画定される空間に空気が
入り込む隙間が無くなるようにすることができ、従っ
て、良好な密封特性を得ることができる。
位置を正確に決定し、その量も制御できることであり、
これにより発光ダイオードとしての光学的性能を確実に
制御し、発光ダイオードの良好な光学的性能を保証でき
ることである。例えば、発光ダイオードチップを青色発
光ダイオードとし、その光に対して黄色を発光する蛍光
物質をレンズ下部に塗布することにより白色の発光が得
られるが、従来、この種の発光ダイオードでは、蛍光物
質は、カップ内部の全体、モールド樹脂全体又は一部、
チップへのコーティング層内、モールド樹脂の外側層
等、様々な位置に配置されている。本発明によれば、蛍
光材料60は、レンズ部材20の下側位置に所望の形状
にして必要な量だけ配置することができ、しかもチップ
に近い適当な位置に正確に蛍光物質を置くこともでき
る。これにより、チップからの直接の光及びカップで反
射した光を、蛍光物質を介して、均一な色むらの無い発
光をさせることが可能となり、特に照明等に使用される
白色発光の応用に有効である。また、製品間で性能の差
も小さくなり、量産によっても製品の性能水準を高いレ
ベルで保証できる。
る発光ダイオードの製造方法によれば、従来のようにモ
ールド樹脂で封止する必要が無いため、高温炉を利用す
る長時間のプロセスが必要無く、製造工程が簡略化でき
ることである。即ち、製造工程を簡略化しつつ、平均的
性能が向上した製品を提供することができ、発光ダイオ
ードの量産工程において極めて有効である。また、本発
明の製造方法を応用して、カップが多数個形成された大
型の基板及び板状に成形されたレンズを用いてそれを組
合わせ、その後にそれらを各単位に分割することによ
り、多数個の製品を同時に製造可能である。特に多数個
の製品を製造する場合にも、レンズは基体に対して正確
に置かれるので、製品の高い性能を保証できることに注
目すべきである。従って、これによって生産効率の高い
製造方法が提供される。
る発光ダイオードを示す図であり、(a)、(b)に
は、それぞれ図1(a)、(b)に類似した断面図が示
される。第2の実施形態による発光ダイオード110
は、本発明の基本構成となる各要素については第1の実
施形態となる発光ダイオード10と共通するので、参照
番号に100を追加して示され、その作用効果について
の説明は省略される。
が、第1の実施形態による発光ダイオード10と相違す
る点は、基体131の構造、及びリード191、192
を設けたことである。この相違点は、第1の実施形態に
よる発光ダイオード10が図示しない他の装置に表面実
装されるためのものであり、第2の実施形態による発光
ダイオード110が回路基板等のスルーホールを利用し
て実装されるためのものであることに起因する。
オードチップ150を収容する基体131、及びその基
体131に装着されるレンズ部材120を有する。基体
131の製造、基体1131に対する発光ダイオードチ
ップ150の実装、蛍光材料160のレンズ部材120
への被着、及び基体130へのレンズ部材120の装着
は、第1の好適実施形態の場合と同様に順に行なわれ
る。本実施形態によっても、レンズ部材120は、樹脂
材料170を押し出すようにして基体130に装着さ
れ、これにより良好な密封性を備えた発光ダイオードの
組立体が実現される。
0とレンズ部材120との組立工程の後、又は基体13
1を製造する工程のいずれの工程で行なわれても良い
が、製造プロセス上は、前者による方が利点が多い。前
者の方法によれば、例えば、多数の発光ダイオードの組
立を上述の如く一括して行うこともでき、また、基体1
31に対して発光ダイオードチップ150を実装した後
で、リード191、192を基体131に組み付ける前
に動作検査を行うこともできるからである。
発光ダイオードについて詳細に説明したが、これはあく
までも例示的なものであり、本発明を制限するものでは
なく、当業者によって様々な変形変更が可能である。
すると、本発明は、発光ダイオードチップ50;150
と、該発光ダイオードチップ50;150が配置される
カップ部31;131を含む基体30;130と、前記
カップ部31;131内に注入される樹脂材料70;1
70と、前記カップ部31;131に重ねて置かれ、前
記発光ダイオードチップ50;150から発光される光
を集光するためのレンズ部材20;120とを有し、蛍
光材料60を一部に配置して発光ダイオードチップ5
0;150からの発光の少なくとも一部を前記蛍光材料
60;160によって波長変換する発光ダイオード装置
10;110において、前記レンズ部材20;120
は、前記発光ダイオードチップ50;150へ向けて前
記カップ部31;131内へと張り出し、少なくとも前
記発光ダイオードチップ50;150近傍で前記樹脂材
料70;170と隙間無く密着される内凸面23;12
3を有し、前記蛍光材料60;160は前記内凸面2
3;123上に被着されて置かれることを特徴とする発
光ダイオード10;110を提供する。
は、外縁に沿って前記基体31;131に係合するため
の肩部21;121を備える。
には樹脂材料70;170が配置され、該樹脂材料7
0;170は、前記内凸面23;123又はその上の蛍
光材料60;160とカップ部31;131によって画
定される空間内に空気が入り込む隙間がないように充填
される。
は、前記内凸面23;123と前記肩部21;121と
の間に前記カップ部31;131の内面の一部と係合す
る係合面28;128を有する。
は、前記レンズ部20;120が前記基体30;130
に係合する際に前記樹脂材料70;170の一部が通過
できるように前記内凸面23;125の位置から外縁ま
で延びる溝26;126を有する。
れるカップ部31;131内に発光ダイオードチップ5
0;150を実装して配置する工程と、内凸面23;1
23を備え、前記基体30;130に係合されるレンズ
部材20;120を形成する工程と、前記内凸面23;
123上に沿って蛍光材料60;160を被着させる工
程と、前記カップ部31;131内に樹脂材料70;1
70を充填する工程と、前記蛍光材料が被着された前記
レンズ部材20;120を前記基体30;130に装着
して前記内凸面23;123が前記樹脂材料70;17
0を押圧するようにして該樹脂材料70;170の一部
を変形移動させる工程、とを有することを特徴とする発
光ダイオードの製造方法を提供する。
は、前記内凸面23、123の外端縁に沿う位置に前記
カップ部の内面の一部と係合する係合面27;127を
備え、前記レンズ部材20;120を装着するときに、
前記係合面27;127と前記カップ部31;131と
の係合によって前記レンズ部材20;120を位置決め
する。
は、前記内凸面23;125の位置から外縁まで延びる
溝26;126を有し、前記レンズ部材20;120を
前記基体30;130に装着する際に、前記樹脂材料7
0;170の一部が該溝26;126に入り込む。
ードを示す図で、(a)は組立状態の断面図、及び
(b)は組立工程の途中の状態を示す断面図である。
ードを示す図で、(a)は組立状態の断面図、及び
(b)は組立工程の途中の状態を示す断面図である。
ンズ部材の断面図、及び(b)はレンズ部材の底面図で
ある。
Claims (8)
- 【請求項1】発光ダイオードチップと、該発光ダイオー
ドチップが配置されるカップ部を含む基体と、前記カッ
プ部内に注入される樹脂材料と、前記カップ部に重ねて
置かれ、前記発光ダイオードチップから発光された光を
集光するためのレンズ部材とを有し、蛍光材料を一部に
配置して発光ダイオードチップからの発光の少なくとも
一部を前記蛍光材料によって波長変換する発光ダイオー
ド装置において、 前記レンズ部材は、前記発光ダイオードチップへ向けて
前記カップ部内へと張り出し、少なくとも前記発光ダイ
オードチップ近傍で前記樹脂材料と隙間無く密着される
内凸面を有し、前記蛍光材料は前記内凸面上に被着され
て置かれることを特徴とする発光ダイオード。 - 【請求項2】前記カップ部内には樹脂材料が配置され、
該樹脂材料は、前記内凸面又は該内凸面上に被着される
蛍光材料と前記カップ部とにより画定される空間内に隙
間無く充填されることを特徴とする請求項1の発光ダイ
オード。 - 【請求項3】前記レンズ部は、前記内凸面の外端縁に沿
う位置に、前記カップ部の内面の一部と係合する係合面
を有することを特徴とする請求項1の発光ダイオード。 - 【請求項4】前記レンズ部材は、外縁に沿って前記基体
に係合するための肩部を備えることを特徴とする請求項
1の発光ダイオード。 - 【請求項5】前記レンズ部は、前記レンズ部が前記基体
に係合する際に前記樹脂材料の一部が通過できるよう前
記内凸面の位置から外縁まで延びる溝を有することを特
徴とする請求項1の発光ダイオード。 - 【請求項6】基体に設けられるカップ部内に発光ダイオ
ードチップを実装して配置する工程と、 内凸面を備え、前記基体に係合されるレンズ部材を形成
する工程と、 前記内凸面上に沿って蛍光材料を被着させる工程と、 前記カップ部内に樹脂材料を充填する工程と、 前記レンズ部材を前記基体に装着して、前記蛍光材料が
被着された前記内凸面によって前記樹脂材料を押圧して
前記樹脂材料の一部を変形移動させる工程とを有するこ
とを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項7】前記レンズ部は、前記内凸面の外端縁に沿
う位置に前記カップ部の内面の一部と係合する係合面を
備え、前記レンズ部材を装着するときに、前記係合面と
前記カップ部との係合によって前記レンズ部を位置決め
することを特徴とする請求項6の発光ダイオードの製造
方法。 - 【請求項8】前記レンズ部材は、前記内凸面の位置から
外縁まで延びる溝を有し、前記レンズ部材を前記基体に
装着する際に、前記樹脂材料の一部が該溝に入り込むよ
うにすることを特徴とする請求項6の発光ダイオードの
製造方法。
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