JP2004172160A - Light emitting element - Google Patents
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Landscapes
- Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)
- Led Device Packages (AREA)
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子に関するものであり、たとえば車両の計器等の照明用光源として用いて好適である。
【0002】
【従来の技術】
従来の発光素子は、通電により発光するLEDチップと、導電部材であるリードフレームとを備え、LEDチップの電極がリードフレームにハンダバンプあるいはAuバンプ等より電気的に接続され、LEDチップ、リードフレームおよびハンダバンプが透明樹脂内に封入される構造になっている。そして、リードフレームの一部は透明樹脂の外側に延出され、これを介して、LEDチップが外部と電気的に接続される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の発光素子において、透明樹脂として、一般にはエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の線膨張係数は70PPM/℃〜140PPM/℃である。一方、LEDチップとリードフレームとの接続している、たとえばAuバンプの線膨張係数は14PPM/℃である。すなわち、Auバンプの線膨張係数と、それを覆うエポキシ樹脂の線膨張係数との間に大きな差がある。
【0004】
たとえば、発光素子が車両の計器盤の照明用光源として用いられた場合、計器盤の温度は、真夏の炎天下駐車中、あるいは冬季暖房使用中にはかなりの高温になる。一方、冬季夜間駐車中においては0℃以下になることもあり得る。したがって、車両に用いた場合の環境温度差は100℃以上となることもある。
【0005】
このため、発光素子の使用中において環境温度が大きく変化する場合、周囲のエポキシ樹脂の膨張・収縮によってAuバンプに圧縮応力あるいは引っ張り応力が発生し、さらに、この応力が繰返し作用すると、Auバンプが疲労破断する可能性がある。
【0006】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、使用環境温度差が大きい場合においてバンプの疲労破断を防止できる発光素子を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。
【0008】
本発明の請求項1に記載の発光素子は、LEDチップと、導電部材とを備え、LEDチップの電極と導電部材とはバンプ構造により電気的に接続され、LEDチップと導電部材間にバンプを覆うように樹脂が充填され、LEDチップおよび樹脂が透明樹脂で覆われる発光素子であって、バンプの線膨張係数は透明樹脂の線膨張係数より小さく、且つ樹脂の線膨張係数は透明樹脂の線膨張係数より小さい構成としている。すなわち、従来の発光素子においては、バンプは直接透明樹脂に覆われているが、本発明の請求項1に記載の発光素子では、バンプを樹脂で覆い、さらにその外側を透明樹脂で覆っている。これにより、バンプの線膨張係数とバンプを直接覆う部材の線膨張係数との差を従来の発光素子の場合よりも小さくして、発光素子の周囲温度が変化した場合にバンプに生じる圧縮あるいは引っ張り応力を低減することができる。したがって、使用環境温度差が大きい場合においてもバンプの疲労破断を防止できる発光素子を実現できる。
【0009】
請求項2に記載の発光素子は、樹脂の線膨張係数はバンプの線膨張係数と同等としている。これにより、バンプの線膨張係数とバンプを直接覆う樹脂の線膨張係数との差をほとんどなくして、発光素子の周囲温度が変化した場合にバンプに生じる圧縮あるいは引っ張り応力をほとんど0とすることができる。したがって、使用環境温度差が大きい場合においてもバンプの疲労破断を確実に防止できる発光素子を実現できる。
【0010】
請求項3に記載の発光素子は、LEDチップの発光面の外周に光反射ケースを配置する構成としている。これにより、LEDチップから発射される光を高効率出所定方向に向けて照射することができる。
【0011】
請求項4に記載の発光素子は、樹脂にフィラーを含有させた構成としている。これにより、容易に樹脂の線膨張係数を小さくすることができる。また、フィラーの含有率を変えることにより樹脂の線膨張係数を所望の値に調整することができる。
【0012】
請求項5に記載の発光素子は、導電部材は金属製リードフレームまたはプリント基板である構成としている。これにより、発光素子を容易に外部と電気的に接続することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による発光素子を、図面に基づいて説明する。
【0014】
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による発光素子1の断面図であり、図2のI−I線断面図である。
【0015】
図2は、本発明の第1実施形態による発光素子1の平面図であり、図1中のII矢視図である。
【0016】
発光素子1は、たとえば自動車のコンビネーションメータ(図示せず)の文字盤(図示せず)あるいは指針(図示せず)を発光表示させるための光源として用いられている。
【0017】
以下、発光素子1の構成について詳細に説明する。
【0018】
LEDチップ2は、半導体からなり、P−N接合部(図示せず)を有している。また、図1、図2に示すように、LEDチップ2のP型領域(図示せず)には電極21が、N型領域(図示せず)には電極22がそれぞれ設けられている。電極21を直流電源の+極に、電極22を−極に接続すると、P型領域とN型領域の接合面が発光して、図1の上方に光が照射される。
【0019】
導電部材であるリードフレーム3、4は、たとえば燐青銅の薄板よりなり、その厚さは、たとえば0.2mm程度である。リードフレーム3、4のLEDチップ側(図1における上側)表面31、41にはAg(銀)メッキが施され、リードフレーム3、4の表面31、41を除く全面にはSn(錫)メッキが施されている。リードフレーム3、4は、図1に示すように、それぞれ表面31、41において、LEDチップ2の電極21、22にAu(金)バンプ6を介して電気的に接続されて、LEDチップ2を外部と接続するための配線の機能を果たしている。また、リードフレーム3、4は、絶縁材料、たとえば樹脂からなるリードフレームホルダ5に保持固定されている。
【0020】
LEDチップ2とリードフレーム3、4との間の空間には、樹脂であるアンダーフィル7がAuバンプ6を覆うように充填されている。アンダーフィル7は、たとえばエポキシ樹脂にフィラーとしてたとえば粉末状のガラス(図示せず)を均一に混入させたものである。
【0021】
光反射ケースである反射筒8は、たとえば樹脂等から両端が開口する略筒状に形成されている。反射筒8は、図1に示すように、その一端側においてリードフレーム3、4の上面にLEDチップ2を取囲むように取り付けられている。反射筒8は、LEDチップ2から放射状に出射される光を図1の上方に向けて反射して、図1の上方向における照度を高める機能を果たしている。
【0022】
反射筒8の内側には、図1に示すように、LEDチップ2およびアンダーフィル7を覆うように透明樹脂9が充填されている。透明樹脂9は、たとえばエポキシ樹脂が用いられ、これによりLEDチップ2を埃や水分等から保護している。
【0023】
次に、本発明の第1実施形態による発光素子1の特徴である、アンダーフィル7の作用・効果について説明する。
【0024】
従来の発光素子の場合、アンダーフィル7は無く、LEDチップとリードフレームとの間の空間には、LEDチップの発光面側に充填される透明樹脂、たとえばエポキシ樹脂が回り込んで充填されている。したがって、LEDチップの電極とリードフレームとを接続しているAuバンプも透明樹脂により覆われている。
【0025】
ところで、エポキシ樹脂の線膨張係数は70PPM/℃〜140PPM/℃であり、Auバンプの線膨張係数は14PPM/℃である。すなわち、Auバンプの線膨張係数と、それを覆うエポキシ樹脂の線膨張係数との間に大きな差がある。
【0026】
このため、発光素子の使用中において環境温度が大きく変化すると、周囲のエポキシ樹脂の膨張・収縮によってAuバンプに圧縮応力あるいは引っ張り応力が発生し、さらに、この応力が繰返し作用するとAuバンプが疲労破断する可能性があるという問題があった。
【0027】
これに対し、本発明の第1実施形態による発光素子1においては、LEDチップ2とリードフレーム3、4との間の空間には、透明樹脂9に替えてアンダーフィル7が充填されている。このアンダーフィル7は、エポキシ樹脂にフィラーとして粉末状のガラス(図示せず)を均一に混入させたものである。ガラスの線膨張係数は略1PPM/℃とエポキシ樹脂に比べて遥かに小さいため、フィラーを添加することによりアンダーフィル7の線膨張係数を小さくすることができる。
【0028】
本発明の第1実施形態による発光素子1の場合、体積で50%のフィラーを添加し、それにより、アンダーフィル7の線膨張係数は約25PPM/℃に低下している。すなわち、Auバンプ6の線膨張係数と、それを覆うアンダーフィル7の線膨張係数との差を、従来の発光素子に比べて小さくしている。したがって、発光素子1の使用中において環境温度が大きく変化しても、Auバンプ6の線膨張係数とアンダーフィル7の線膨張係数との差によりAuバンプ6に生じる圧縮応力あるいは引っ張り応力の大きさを従来の発光素子の場合より小さくできるので、Auバンプ6が疲労破断することを確実に防止することができる。
【0029】
なお、以上説明した、本発明の第1実施形態による発光素子1においては、アンダーフィル7に添加するフィラーとして粉末状のガラスを用いているが、粉末状のガラスに限る必要は無く、線膨張係数が小さく且つ非導電性の材料であれば他の材質であってもよい。たとえば、各種セラミックス等でもよい。さらに、アンダーフィル7のベースとなる樹脂をエポキシ樹脂としているが、他の材質を用いてもよい。
【0030】
また、Auバンプ6に生じる圧縮応力あるいは引っ張り応力の大きさを小さくする、あるいはほとんど生じさせないためには、アンダーフィル7の線膨張係数をAuバンプ6の線膨張係数にできるだけ近づける、あるいはほぼ等しくすればよい。一方、フィラーの添加量を多くすればアンダーフィル7の線膨張係数は小さくできるが、アンダーフィル7の流動性も悪化する、つまり生産工程においてLEDチップ2とリードフレーム3、4との間への流れ込み性が悪化する。したがって、線膨張係数および流動性の両者が適切な値となるように、フィラーの添加割合、フィラー材質が設定される。
【0031】
次に、本発明の第1実施形態による発光素子1の製造方法について簡単に説明する。
【0032】
先ず、LEDチップ2の電極21、22を、Auバンプ6を介してリードフレーム3、4にそれぞれ接続する。
【0033】
次に、反射筒8をリードフレーム3、4に接着等により固定する。
【0034】
次に、LEDチップ2とリードフレーム3、4を水平にセットして、LEDチップ2とリードフレーム3、4との間へアンダーフィル7をポッティングする。このとき、アンダーフィル7は、毛細管現象によりLEDチップ2とリードフレーム3、4との間へ浸入してAuバンプ6を覆う。ここで、ポッティングされるアンダーフィル7量は、ポッティング完了後においてアンダーフィル7の上面71の図1における上下方向位置がLEDチップ2の上面23と下面24の中間となるように設定される。アンダーフィル7量が多すぎると、LEDチップ2の上面23を部分的に覆い、発光面積が減少してしまい、一方、少なすぎるとAuバンプ6が部分的に露出し、その部分が透明樹脂9で覆われてAuバンプ6に圧縮応力あるいは引っ張り応力が生じてしまう。
【0035】
最後に、反射筒8の内側に、LEDチップ2およびアンダーフィル7を覆うように透明樹脂9を注入する。以上で、本発明の第1実施形態による発光素子1が完成する。
【0036】
以上説明したように、本発明の第1実施形態による発光素子1においては、LEDチップ2とリードフレーム3、4との間の空間に、透明樹脂9の替わりに、線膨張係数が透明樹脂9よりも小さい、より望ましくは、線膨張係数がAuバンプと同等であるようなアンダーフィル7を充填している。これにより、発光素子1の使用中において環境温度が大きく変化しても、Auバンプ6の線膨張係数とアンダーフィル7の線膨張係数との差によりAuバンプ6に生じる圧縮応力あるいは引っ張り応力の大きさを、従来の発光素子の場合より小さくして、Auバンプ6が疲労破断することを確実に防止することができる。
【0037】
図3には、本発明の第1実施形態による発光素子1の変形例の部分斜視外観図を示す。なお、図3においては、分かり易さのために、アンダーフィル7、反射筒8、透明樹脂9を省略している。
【0038】
上述の、本発明の第1実施形態による発光素子1においては、LEDチップ2の個数を1個としているが、図3に示すように、複数個としてもよい。この場合、複数個のLEDチップ2を、図3に示すように直線状に配置すれば、たとえば、指針計器における指針に適用して、自発光指針を容易に実現することができる。
【0039】
(第2実施形態)
図4に、本発明の第2実施形態による発光素子1の断面図を示す。
【0040】
本発明の第2実施形態による発光素子1においては、導電部材として、リードフレーム3、4に替えてプリント基板10を用いている。
【0041】
LEDチップ2の電極21、22は、図4に示すように、プリント基板10の導電パタン101、102にAuバンプ6を介してそれぞれ接続されている。そして、LEDチップ2とプリント基板10の間には、第1実施形態の場合と同様に、アンダーフィル7が充填されている。
【0042】
本発明の第2実施形態による発光素子1においても、第1実施形態の場合と同様に、Auバンプ6が疲労破断することを確実に防止することができる。
【0043】
なお、以上説明した、本発明の第1実施形態および第2実施形態による発光素子においては、LEDチップ2とリードフレーム3、4、あるいはプリント基板10との接続にAuバンプ6を用いているが、他のバンプ構造、たとえば、はんだバンプを使用してもよい。この場合も、アンダーフィル7へのフィラーの添加割合を調整してアンダーフィル7の線膨張係数を使用するバンプの線膨張係数に近い値に、またはほぼ同等な値に設定すれば、使用過程においてバンプが疲労破断することを確実に防止できる発光素子を提供できる。
【0044】
また、以上説明した、本発明の第1実施形態および第2実施形態による発光素子においては、発光素子1の光照射方向に指向性を与えるために反射筒8を設けているが、反射筒8を設けない構成としてもよい。
【0045】
また、本発明の第1実施形態および第2実施形態による発光素子1において、透明樹脂9にエポキシ樹脂を用いているが、他の樹脂であってもよい。
【0046】
また、本発明の第1実施形態および第2実施形態による発光素子1において、LEDチップ2の発光色は何色であってもよい。また、LEDチップ2を複数個配置する場合には、複数個のLEDチップ2の発光色を同色で統一しても、あるいは複数種類を混在させてもどちらでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による発光素子1の断面図であり、図2のI−I線断面図である。
【図2】本発明の第1実施形態による発光素子1の平面図であり、図1中のII矢視図である。
【図3】本発明の第1実施形態による発光素子1の変形例の部分斜視外観図である。
【図4】本発明の第2実施形態による発光素子1の断面図である。
【符号の説明】
1 発光素子
2 LEDチップ
21 電極
22 電極
23 上面
24 下面
3 リードフレーム(導電部材)
4 リードフレーム(導電部材)
5 リードフレームホルダ
6 Auバンプ(バンプ)
7 アンダーフィル(樹脂)
71 上面
8 反射筒(光反射ケース)
9 透明樹脂
10 プリント基板(導電部材)
101 導電パタン(導電部材)
102 導電パタン(導電部材)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light emitting element, and is suitable for use as, for example, a light source for illumination such as an instrument of a vehicle.
[0002]
[Prior art]
A conventional light emitting device includes an LED chip that emits light when energized, and a lead frame that is a conductive member, and the electrodes of the LED chip are electrically connected to the lead frame via solder bumps or Au bumps, and the LED chip, the lead frame, and the like. The structure is such that solder bumps are sealed in a transparent resin. Then, a part of the lead frame is extended outside the transparent resin, and the LED chip is electrically connected to the outside via this.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional light emitting device, an epoxy resin is generally used as a transparent resin. The linear expansion coefficient of the epoxy resin is 70 PPM / ° C to 140 PPM / ° C. On the other hand, the linear expansion coefficient of the connection between the LED chip and the lead frame, for example, the Au bump is 14 PPM / ° C. That is, there is a large difference between the linear expansion coefficient of the Au bump and the linear expansion coefficient of the epoxy resin covering the Au bump.
[0004]
For example, when the light-emitting element is used as a light source for illuminating a dashboard of a vehicle, the temperature of the dashboard becomes considerably high when the vehicle is parked under hot sunshine in summer or when heating is used in winter. On the other hand, it may be 0 ° C. or less during winter night parking. Therefore, the environmental temperature difference when used in a vehicle may be 100 ° C. or more.
[0005]
For this reason, when the ambient temperature changes greatly during use of the light emitting element, a compressive stress or a tensile stress is generated on the Au bump due to expansion and contraction of the surrounding epoxy resin. Fatigue failure may occur.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a light emitting device that can prevent fatigue fracture of a bump when a use environment temperature difference is large.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following technical means to achieve the above object.
[0008]
The light emitting device according to
[0009]
In the light emitting device according to the second aspect, the linear expansion coefficient of the resin is equal to the linear expansion coefficient of the bump. As a result, the difference between the coefficient of linear expansion of the bump and the coefficient of linear expansion of the resin directly covering the bump is almost eliminated, and the compression or tensile stress generated in the bump when the ambient temperature of the light emitting element changes is almost zero. it can. Therefore, it is possible to realize a light-emitting element that can surely prevent the fatigue fracture of the bump even when the use environment temperature difference is large.
[0010]
The light emitting element according to
[0011]
The light emitting element according to
[0012]
In the light emitting device according to the fifth aspect, the conductive member is a metal lead frame or a printed board. Thus, the light-emitting element can be easily electrically connected to the outside.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a light emitting device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of the
[0015]
FIG. 2 is a plan view of the
[0016]
The
[0017]
Hereinafter, the configuration of the
[0018]
The
[0019]
The
[0020]
The space between the
[0021]
The reflecting
[0022]
As shown in FIG. 1, the inside of the reflecting
[0023]
Next, the operation and effect of the
[0024]
In the case of the conventional light emitting element, there is no
[0025]
Incidentally, the linear expansion coefficient of the epoxy resin is 70 PPM / ° C. to 140 PPM / ° C., and the linear expansion coefficient of the Au bump is 14 PPM / ° C. That is, there is a large difference between the linear expansion coefficient of the Au bump and the linear expansion coefficient of the epoxy resin covering the Au bump.
[0026]
For this reason, if the ambient temperature changes greatly during use of the light emitting device, expansion or contraction of the surrounding epoxy resin generates a compressive stress or a tensile stress on the Au bump. There was a problem that there is a possibility.
[0027]
On the other hand, in the
[0028]
In the case of the
[0029]
In the
[0030]
Also, in order to reduce or hardly generate the magnitude of the compressive stress or the tensile stress generated in the
[0031]
Next, the method for manufacturing the
[0032]
First, the
[0033]
Next, the reflecting
[0034]
Next, the
[0035]
Finally, a
[0036]
As described above, in the
[0037]
FIG. 3 is a partial perspective external view of a modification of the
[0038]
In the above-described light
[0039]
(2nd Embodiment)
FIG. 4 is a sectional view of the
[0040]
In the
[0041]
The
[0042]
Also in the
[0043]
In the light emitting devices according to the first and second embodiments of the present invention described above, the Au bumps 6 are used to connect the
[0044]
Further, in the light emitting devices according to the first and second embodiments of the present invention described above, the reflecting
[0045]
Further, in the
[0046]
Further, in the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a
FIG. 2 is a plan view of the
FIG. 3 is a partial perspective external view of a modification of the
FIG. 4 is a sectional view of a
[Explanation of symbols]
4 Lead frame (conductive member)
5 Lead
7 Underfill (resin)
71
9
101 Conductive pattern (conductive member)
102 Conductive pattern (conductive member)
Claims (5)
導電部材とを備え、
前記LEDチップの電極と前記導電部材とはバンプ構造により電気的に接続され、
前記LEDチップと前記導電部材間に前記バンプを覆うように樹脂が充填され、
前記LEDチップおよび前記樹脂が透明樹脂で覆われる発光素子であって、
前記バンプの線膨張係数は前記透明樹脂の線膨張係数より小さく、且つ前記樹脂の線膨張係数は前記透明樹脂の線膨張係数より小さいことを特徴とする発光素子。An LED chip,
And a conductive member,
The electrode of the LED chip and the conductive member are electrically connected by a bump structure,
A resin is filled between the LED chip and the conductive member so as to cover the bump,
A light emitting element in which the LED chip and the resin are covered with a transparent resin,
The light emitting device according to claim 1, wherein a linear expansion coefficient of the bump is smaller than a linear expansion coefficient of the transparent resin, and a linear expansion coefficient of the resin is smaller than a linear expansion coefficient of the transparent resin.
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