JP2003282956A

JP2003282956A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP2003282956A
Application number: JP2003115261A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Kotani; 正和小谷; Tatsuya Yanagimoto; 達也柳本
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2003-10-03
Anticipated expiration: 2020-07-10
Also published as: JP4366981B2

Abstract

(57)【要約】【課題】色ズレや輝度むらを抑制できる量産性に優れた
半導体発光装置を提供する。【解決手段】発光ダイオードと、発光ダイオードの発光
面と端部で当接された導光体と、発光ダイオード及び導
光体とを保持する筐体とを有する半導体発光装置であ
る。特に、筐体には発光ダイオードの発光面と導光体の
端面とを押圧する弾性部材を有する半導体発光装置であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は照光式スイッチ、液
晶のバックライト、各種照明などに利用される半導体発
光装置にかかわり、特に、色ズレや輝度むらを抑制でき
る量産性に優れた半導体発光装置を提供することにあ
る。

【０００２】

【従来技術】今日、小型化、低消費電力、振動などに強
い利点を活かして液晶のバックライトなどに発光ダイオ
ード（以下、ＬＥＤとも呼ぶ）を利用した面状光源など
の半導体発光装置が利用されている。特に、フルカラー
液晶に利用可能な１チップ２端子で白色を含む系統色名
（JIS Z 8701）が発光可能なＬＥＤが開発されたことか
ら携帯電話や車載用光源として急速に浸透している。

【０００３】このような光半導体装置の一例として、図
５の模式的断面に示した如き、以下の構成のものが挙げ
られる。発光ダイオードからの光を導光板である板状透
光性部材に導入すべく砲弾型発光ダイオード(502)の発
光観測面側を導光体(504)の端部と光学的に接続させ
る。また、発光ダイオードが接続される端面及び発光観
測面となる主面を除いて、導光体及び実装基板(503)上
に配置された発光ダイオードごと、アルミニウムや白色
顔料が添加された樹脂からなる反射板となる筐体(505)
で覆い面状光源を構成する。

【０００４】導光板の形状や大きさに合わせて複数の発
光ダイオードが導光体に光学的に接続される。このよう
な半導体発光装置の発光ダイオードに電流を流すことに
より、点光源として機能する発光ダイオードからの混色
光を導光体を介して面状など所望の形状に発光させ信頼
性、省スペース及び低消費電力な半導体発光装置とする
ことができる。特に、青色ＬＥＤチップと、青色ＬＥＤ
チップから放出された青色光を吸収して、黄色に変換す
る蛍光体などとを組み合わせて白色系などの混色光が発
光可能な発光ダイオードを光源として利用することによ
り、種々の発光色が発光可能な半導体発光装置として利
用することができる。このような半導体発光装置は携帯
電話の液晶バックライトなどとしてに急速に普及し始め
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、より高
輝度、均一発光及び小型が求められる現在においては、
上記構成の半導体発光装置では充分ではなく更なる改良
が求められている。半導体発光装置では放出される光の
均一性がその上に形成される液晶装置などの表示にも大
きく影響する。このため、均一発光可能な半導体発光装
置の要求が高い。特に、小型化に伴い使用されるＳＭＤ
（Surface Mount Device）型発光ダイオードを利用する
と形成させた複数の半導体発光装置間に色調ずれが生ず
る場合があることが新たに分かった。同様に、高輝度化
に伴って、均一発光を達成しにくいという問題がある。
したがって、本発明は、より色調や輝度などが均一に発
光可能であり、且つ高輝度に発光可能な半導体発光装置
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光装置
は、発光ダイオードと、発光ダイオードの発光面と端部
で当接された導光体と、発光ダイオード及び導光体とを
保持する筐体とを有する。特に、筐体には前記発光ダイ
オードの発光面と導光体の端面とを押圧する弾性部材を
有する半導体発光装置である。

【０００７】これにより導光体の発光観測面で色調むら
や輝度むらがなく、形バラツキの少ない半導体発光装置
を量産することができる。

【０００８】本発明の請求項２に記載の半導体発光装置
は、発光ダイオードが底部にＬＥＤチップが配置された
ハウジングを有する。これにより、より高輝度かつ均一
発光可能な半導体発光装置とすることができる。

【０００９】本発明の請求項３に記載の半導体発光装置
は、発光ダイオードが実装基板上に配置されたＳＭＤ型
発光ダイオードを用いてある。この構造でより小型化且
つ色調むらや輝度むらの少ない半導体発光装置とするこ
とができる。

【００１０】本発明の請求項４に記載の半導体発光装置
は、発光ダイオードがＬＥＤチップからの光を波長変換
する蛍光物質を有している。この構造でより種々の発光
色が色調や輝度むらなく発光可能な半導体発光装置とす
ることができる。

【００１１】本発明の請求項５に記載の半導体発光装置
は、発光ダイオードがＬＥＤチップからの光と、蛍光物
質からの光の混色光が発光可能な半導体発光装置であ
る。これにより、僅かな色調むらが顕著に現れる白色な
どにおいても色調むらや輝度むらを抑制させた半導体発
光装置とすることができる。

【００１２】本発明の請求項６に記載の半導体発光装置
は、発光ダイオードのハウジングが光散乱剤が含有され
た樹脂からなる。これにより比較的簡単な構成でより小
型化でき、且つ色調むらや輝度むらを抑制させた半導体
発光装置とすることができる。

【００１３】本発明の請求項７に記載の半導体発光装置
は、筐体が発光面と略垂直方向に弾性部材を有する。こ
れにより比較的簡単な構成で量産歩留まりを挙げ、振動
などが長期間加わる環境下においても色調むらや輝度む
らを抑制させた半導体発光装置とすることができる。

【００１４】本発明の請求項８に記載の半導体発光装置
は、弾性部材が応力を利用した筐体の一部である。これ
により、より簡単な構成で量産性よく色調むらや輝度む
らを抑制させた半導体発光装置とすることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明者らは種々の実験の結果、
特定機能を持った筐体を利用することにより、色調む
ら、輝度むらのない均一発光且つ高輝度発光可能な光半
導体装置とすることができることを見出し本発明をなす
に至った。

【００１６】本発明の構成により色調が均一化する理由
は定かではないが、以下のように考えられる。即ち、発
光ダイオードの発光面と、光入射面となる導光板の端面
とは実装バラツキなどによって間隙が生ずる。この間隙
が適度に大きければ、発光ダイオードの発光面から放出
された光は導光板の界面と発光ダオードの表面で反射散
乱する。同様に、発光ダイオードが実装された実装基板
との間でも反射散乱する。特に、底部にＬＥＤチップが
配置され光拡散剤が含有されたハウジングを有する発光
ダイオードの場合、ハウジング表面でも反射散乱する。

【００１７】発光ダイオード表面は導光板と近接して配
置され導光板端面との距離が近い。また、ＳＭＤ型発光
ダイオードの場合は、実装基板に直接実装される。その
ため、実装基板自体が導光板と密着して配置され実装基
板と導光板端面との距離が近い。したがって、上述の反
射散乱光も導光板端面から入射される。発光ダイオード
からの光は、ハウジング表面や実装基板上で部分的に光
吸収され色調が異なる光として反射散乱される。発光ダ
イオードから放出され導光板に直接入射される光と、ハ
ウジングや実装基板の表面で反射散乱した光とでは色調
が異なり色調むらが生ずる。また、その実装バラツキ等
により形成された複数の光半導体装置間で色調バラツキ
が生ずると考えられる。

【００１８】事実、実装基板をレジスト膜が形成された
実装基板だけでなく、白色発光を反射させるために表面
にＴｉＯ₂などの光散乱剤含有樹脂で被覆させた場合に
おいても色調むらが生ずる。これは、人間の目にとって
白色に見えても、図６に示すとおり、短波長成分（青色
領域）など形成される部材により、どうしても光の吸収
が生じる。そのため、発光ダイオードからの光がハウジ
ングや実装基板に反射・散乱した光と直接放射された光
とでは色調が異なる。

【００１９】本発明は、発光ダイオードと導光体とを弾
性を介して単に押圧するため、発光ダイオードの表面
と、導光体表面とを空気の層を介して密接に保持するこ
とができる。そのため、発光ダイオードの出力が増えた
場合においても、点光源である発光ダイオードからの指
向特性を持った光の放出が強くなり、発光観測面側から
見た導光板の発光ダイオード近傍が強く発光するという
輝度むらを生ずることもない。即ち、ハウジングを持っ
た発光ダイオードと導光板との間隙を弾性体によって圧
接させ小さくするという極めて簡単な構成で、色調む
ら、輝度むらを低減し高輝度に発光可能な光半導体装置
とすることができる。

【００２０】本発明の模式的構成断面を図２に示す。面
状光源の光源として、発光面が導光板端面に合わせて平
坦なであり、表面が実施的にレンズ効果を持たないＳＭ
Ｄ型発光ダイオード(102)を用いてある。ＳＭＤ型発光
ダイオード(102)は、凹部を持ったハウジングから構成
されている。凹部内に露出されたリード電極と凹部底面
に配置されたＬＥＤチップとは、金線などの導電性ワイ
ヤーやＡｇ含有エポキシ樹脂などの導電性ペーストなど
により電気的に接続されている。ハウジング内はエポキ
シ樹脂などの透光性樹脂によって封止されＳＭＤ型発光
ダイオードが形成される。発光ダイオードは硝子エポキ
シ樹脂からなる実装基板(203)上に半田で接合されてい
る。この実装基板(203)上に固定されたＳＭＤ型発光ダ
イオードの発光面と導光板(104)と端面を当接させたま
まステンレス筐体(105)内に配置させた。

【００２１】ステンレス筐体(105)にはフック(202)があ
り、発光ダイオードが配置された実装基板(203)と導光
板(104)とを収納可能に形成されている。本発明におい
ては、弾性部材(201)をステンレス筐体の一部を内側に
向かって凸形状を形成させ構成させてある。この凸形状
はステンレス筐体自体によって弾性を持った突起として
働く。この突起が実装基板上に実装され実装基板と平行
方向に光を放出する発光ダイオードと導光板とを押圧さ
せながら当接してある。これによって、色調むらや輝度
むらなく高輝度に発光可能な光半導体装置とさせること
ができる。以下、本発明の各構成について詳述する。

【００２２】（弾性部材101）本発明に用いられる弾性
部材(101)は、少なくとも発光ダイオード(102)の発光面
と導光体(104)の端面とを押圧するものである。したが
って、ゴム、バネや各種弾性を有する樹脂などの弾性体
を別途設けるもののほか、ステンレスなどの金属や合金
から筐体が形成される場合、筐体の一部をそのもの応力
を利用して弾性部材として利用することができる。筐体
の一部を利用する場合は、図４の模式的断面図に示すも
のが好適に利用することができる。打ち抜き加工によ
り、図４（Ａ）、図４（Ｂ）など種々のものを利用する
ことができる。

【００２３】図４（Ａ）は図１のＸＸ断面であり、図４
（Ａ）の弾性体(101)は、扉形状をしている。これによ
り、筐体を構成する導光体の厚み分の金属片を幅方向に
亘って弾性体として利用できるため、任意の弾性力を形
成させ易い。図４（Ｂ）の弾性体(401)は、図４（Ａ）
の弾性体と同様筐体を利用しているが、筐体を構成する
導光体の厚み分の金属片を厚み方向に亘って弾性体とし
て利用している。これにより、筐体から比較的簡単な加
工で弾性体を構成することができる。なお、図４（Ｂ）
は弾性体(401)を金属片を切り欠いて構成してあるが、
単に図２の弾性体(201)に示す突起形状などとして構成
させることにより、さらに簡単な加工とすることもでき
る。また、図４（Ｃ）は筐体とは別に弾性体(402)を樹
脂によって形成させたものである。なお、図４（Ｃ）で
は、導光板の厚み方向においても発光ダイオードがずれ
ないように、筐体の一部を利用して厚み方向の弾性部材
(404)として構成してある。また、図４（Ｃ）の如く、
導光体を介して発光ダイオードと対向する筐体側にも弾
性体を設けることができる。さらに、弾性体は発光ダイ
オードに直接当たるものの他、実装基板(403)を介して
均一に力が掛かるようにさせてもよい。

【００２４】（発光ダイオード102）本発明に用いられ
る発光ダイオードは、半導体発光装置から放出される光
によって種々選択させることが出る。特に、本発明では
白色光が発光可能な発光ダイオードを利用することがこ
のましい。このような白色系が発光可能な発光ダイオー
ドはＲＧＢが発光可能な発光ダイオードや半導体発光素
子と蛍光体を利用した発光ダイオードなど種々のものが
挙げられる。青色系が発光可能な発光素子としては窒化
ガリウム系化合物半導体を利用することによって高輝度
に発光させることができる。

【００２５】（ハウジング301）本発明に用いられるハ
ウジングは、底部にＬＥＤチップが配置されうるものが
好ましく、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、イミド樹
脂、アクリル樹脂、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレー
ト）、液晶ポリマー、芳香族ナイロンなどの各種樹脂を
用いて好適に形成される。特にハウジングでＬＥＤチッ
プからの光を効率よく取り出すためには、上記各種樹脂
中に光拡散剤として炭酸カルシウム、酸化アルミニウム
や酸化チタンを適宜混入させることが好ましい。これに
より反射率の高い白色ハウジングを構成させることがで
きる。ハウジング内にはリード電極と電気的に接続され
たＬＥＤチップ及び透光性樹脂が好適に充填されてい
る。発光観測面側のハウジング表面及び透光性樹脂は、
導光板の端部で当接され易くさせるために実質的に平面
であることが好ましい。

【００２６】（蛍光物質304）本発明に用いられる蛍光
物質は、発光ダイオードの光を変換させるものであり、
発光ダイオードからの光をより長波長に変換させるもの
の方が効率がよい。ＬＥＤチップからの光がエネルギー
の高い短波長の可視光の場合、有機蛍光体であるペリレ
ン系誘導体やＺｎＣｄＳ：Ｃｕ、ＹＡＧ：ＣｅやＥｕ及
び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−
ＳｉＯ₂などの無機蛍光体など種々好適に用いられる。
特に、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を利用した場合は、その含有
量によって青色ＬＥＤからの光と、その光を一部吸収し
て補色となる黄色系が発光可能であり白色系が比較的簡
単に信頼性よく形成できるため好ましい。同様に、Ｅｕ
及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃
−ＳｉＯ ₂蛍光体を利用した場合は、その含有量によっ
て青色ＬＥＤからの光と、その光を一部吸収して補色と
なる赤色系が発光可能であり白色系が比較的簡単に信頼
性よく形成できるため好ましい。

【００２７】（実装基板103）実装基板は発光ダイオー
ドを実装するためのものであり、銅箔などからなる導電
性パターンが形成された硝子エポキシ基板や絶縁性樹脂
で結合された金属体などによって好適に構成することが
できる。なお、本発明おいては、弾性体からの力を発光
ダイオードを介して導光体端面に均一に掛けるため比較
的強度があるものが好ましく、硝子エポキシ基板がこの
ましい。

【００２８】（導光体104）本発明に用いられる導光体
とは、発光ダイオードからの光を導光し、所望の形状に
発光させることができるものである。したがって、発光
面の所望形状により、メーター針の指針、板状など種々
の形状を取ることができる。導光体は発光ダイオードか
らの光或いはその光を波長変換させた光を効率よく発光
面から放出するために、透光性を有している。このよう
な導光体の材料としてはアクリル樹脂やエポキシ樹脂な
ど種々の材料が好適に挙げられる。

【００２９】（筐体105）本発明に用いられる筐体と
は、少なくとも発光ダイオードと導光体とを保持可能な
ものである。筐体は各種光拡散剤を含有した樹脂や金属
など種々のものが好適に挙げられる。特に、発光ダイオ
ードの光反射や放熱などを考慮してニッケル、鉄、銅な
どの金属、ステンレスなどの各種合金がより好適に用い
られる。筐体の大きさや形状は導光体、発光ダイオード
やスペースに合わせて種々選択できる。なお、本発明に
おいて、筐体には発光ダイオードの発光面と導光体の端
面とを押圧する機能とを併せ持たせてもよい。このよう
な場合、樹脂によって形成させることもできるが、金属
や合金から形成させる方が強度やスペース的にも優れて
おり、より好ましい。以下、本発明の具体的実施例につ
いて詳述するが、これのみに限られないことは言うまで
もない。

【００３０】

【実施例】（実施例１）本発明の半導体発光装置に用
いるＳＭＤ型発光ダイオードとして図３に示す発光ダイ
オードを利用した。図３の発光ダイオードは、ＬＥＤチ
ップ(303)と実装基板(302)の電極(306)とを電気的に接
続させるために、鉄入り銅に銅及び銀メッキさせたリー
ドフレーム(307)を用いている。リードフレームとなる
薄板を金型内に配置させると共に酸化チタンを含有させ
た芳香族ナイロンをハウジング材料として流し込み硬化
させて白色ハウジング(301)を形成させる。リードフレ
ームはハウジング凹底部及び外壁に露出している。ＬＥ
Ｄチップはサファイア基板上にｎ型窒化ガリウム半導
体、活性層に窒化インジュウム・ガリウム／窒化ガリウ
ムの多重量子井戸構造、ｐ型窒化ガリウム半導体のダブ
ルヘテロ構造から形成させた青色が発光可能なものを利
用している。このＬＥＤチップハウジングの底部内にエ
ポキシ樹脂によってダイボンドし、ＬＥＤチップのｎ及
びｐ型半導体表面に設けられたｐ型電極及びｎ型電極と
をそれぞれ金線(305)によってワイヤーボンディングさ
せてある。

【００３１】ハウジング内には、（Ｙ_0.8Ｇｄ_0.2）₃Ａ
ｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ蛍光体(304)が含有されたエポキシ樹脂を
充填させて白色系が発光可能なＳＭＤ発光ダイオードを
形成させる。

【００３２】次に、この発光ダイオードを３個銅箔によ
り直列接できるパターンが形成された硝子エポキシから
なる実装基板(302)上にフロー半田によって固定と共に
電気的に接続させた。この実装基板の幅はＳＭＤ型発光
ダイオードの大きさ及び導光体の厚みにほぼ等しい薄板
形状をしており、平面から見ると３個のＳＭＤ発光ダイ
オードが一定の間隔を持って実装されている。こうして
形成されたものを図１の如き半導体発光装置とすべく以
下の導光体などと組み合わせる。

【００３３】導光体(104)はアクリル樹脂の成形によっ
て略直方体形状に形成させてある。直方体の端面に実装
基板(103)上に実装されたＳＭＤ型発光ダイオード(102)
の発光面と合わせられる厚みに形成させてある。

【００３４】筐体(105)は実装基板(302)上に配置された
ＳＭＤ型発光ダイオードと、導光板となる導光体とをは
め込みできるように図４（Ａ）の如き形状とさせてあ
る。筐体はステンレスで打ち抜き加工によって比較的簡
単に構成させることができる。本発明の筐体では特に、
発光ダイオードと接する導光体の端面の反対側或いは、
発光ダイオードが実装された実装基板側から発光ダイオ
ードと接する導光体の端面に押圧がかかるように内部に
折れ曲がった板状体に形成させてある。本実施例ではこ
の筐体内部側に折れ曲がった板状体(101)が弾性部材と
して働く。

【００３５】形成された筐体内に導光体及び実装基板上
に配置されたＳＭＤ型発光ダイオードをはめ込むだけで
本発明の半導体発光装置を形成させることができる。形
成された半導体発光装置に電流を流すと導光体の発光観
測面側から均一な白色光が発光できる。（比較例１）弾性部材の大きさだけ小さくさせた筐体を
用いた以外は実施例１と同様にして半導体発光装置を形
成させる。実施例１の半導体発光装置を３００個形成さ
せた場合と、比較例１の半導体発光装置とを比較させ
た。本発明の半導体発光装置は実質的に輝度むら及び色
調がなかったにもかかわらず、比較例の半導体発光装置
うち７６個は発光観測面の発光ダイオード近傍において
色調むらが観測された。また、７２個は輝度むらも観測
された。これによって、本発明の半導体発光装置が優れ
ていることが分かる。

【００３６】

【発明の効果】本発明はハウジングを持った発光ダイオ
ードと導光体とを組み合わせた半導体発光装置において
は、その界面をどのように取り扱うかによって色調むら
や輝度むらを抑制しうることを見出した。その界面を制
御するための手段として本発明は筐体に設けられた弾性
体により極めて簡便な構成で量産性よく色調むら、輝度
むらの低減及び高輝度発光可能な半導体発光装置とした
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の模式的斜視図である。

【図２】本発明の他の模式的構成を示す。

【図３】本発明に用いられる実装基板上に形成された
ＳＭＤ型発光ダイオードの模式的断面図ある。

【図４】本発明の筐体に設けられた弾性体を示す模式
的断面図であり、図４（Ａ）及び（Ｂ）は弾性体を筐体
から構成させ、図４（Ｃ）は弾性体を筐体とは別体に形
成させてある。

【図５】本発明と比較のために示す半導体発光装置の
模式的断面図である。

【図６】光散乱剤が含有された白色樹脂の光反射率特
性を示すグラフである。

【符号の説明】

１０１…弾性部材１０２…発光ダイオード１０３…実装基板１０４…導光体１０５…筐体２０１…筐体の内側に向かって突出した弾性部材２０２…フック２０３…実装基板３０１…ハウジング３０２…実装基板３０３…ＬＥＤチップ３０４…蛍光物質３０５…導電性ワイヤー３０６…実装基板の電極３０７…リード電極４０１…筐体の一部を利用した板状弾性体４０２…筐体とは別に設けられたゴム、樹脂やバネから
なる弾性体４０３…実装基板４０４…弾性体５０２…砲弾型発光ダイオード５０３…実装基板５０４…導光体５０５…筐体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光ダイオード(102)と、該発光ダイオ
ードの発光面と端部で当接された導光体(104)と、前記
発光ダイオード及び導光体とを保持する筐体(105)とを
有する半導体発光装置であって、前記筐体(105)は前記発光ダイオード(102)の発光面と導
光体(104)の端面とを押圧する弾性部材(101)を有するこ
とを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】前記発光ダイオードは、底部にＬＥＤチ
ップが配置されるハウジング(301)を有する請求項１に
記載の半導体発光装置。
【請求項３】前記発光ダイオード(102)は、実装基板
(103)上に配置されたＳＭＤ型発光ダイオードである請
求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項４】前記発光ダイオードは、ＬＥＤチップ(3
03)からの光を波長変換する蛍光物質(304)を有する請求
項１乃至請求項３に記載の半導体発光装置。
【請求項５】前記発光ダイオードは、ＬＥＤチップ(3
03)からの光と、蛍光物質(304)からの光の混色光が発光
可能な請求項４に記載の半導体発光装置。
【請求項６】前記ハウジング(304)は光散乱剤が含有
された樹脂からなる請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項７】前記筐体は発光面と略垂直方向に弾性部
材(206)を有する請求項１乃至請求項６に記載の半導体
発光装置。
【請求項８】前記弾性部材(101)が応力を利用した筐
体の一部である請求項１或いは請求項７に記載の半導体
発光装置。