JP2004172579A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】側方に出射された光を無駄なく集光して輝度を向上させるとともに、所定範囲を均一に照射できる発光ダイオードを提供する。
【解決手段】リードフレーム２，３上に搭載された半導体発光素子４と、半導体発光素子４を覆う透光性の樹脂パッケージ５とを備えた発光ダイオード１において、樹脂パッケージ５の表面部に、半導体発光素子４から出射された光を表面側に集光する凸レンズ部８を形成し、凸レンズ部８の表面であって、凸レンズ部８の光軸と交差する部分に、半導体発光素子４から出射された光を側方に拡げる拡散部１１を形成し、凸レンズ部８によって、半導体発光素子４から側方に出射された光を表面側に屈折させて、照射範囲の外側に向かっていた光を照射範囲内に取入れ、また、拡散部１１によって、半導体発光素子４から表側に出射された光を側方に拡げて、照射範囲内の光軸が通過する部分の輝度を下げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リードフレーム上に搭載された半導体発光素子と、半導体発光素子を覆う透光性の樹脂パッケージとを備えた発光ダイオードに関する。

従来、国内の携帯電話はカメラ付きのものが主流となりつつあり、このため、暗い所でも写真撮影可能な小型、薄型かつ高輝度のストロボ光源が求められている。この要求を満たす光源としては発光ダイオード（ＬＥＤ）が最も有力であるが、通常の状態では輝度が不足していることが多く、この輝度不足を解消するために、半導体発光素子を覆う樹脂パッケージで、レンズを形成することが行われている。

例えば、特許文献１に記載したものは、リード部材に搭載された半導体発光素子を樹脂パッケージで覆い、この樹脂パッケージの凸面状に形成した表面に鍍金を施して凹面鏡を形成し、この凹面鏡の表面で光を反射して、裏面側に光を取り出して集光する構造である。

また、特許文献２に記載したものは、リード部材に搭載された半導体発光素子を樹脂パッケージで覆い、この樹脂パッケージの光取り出し面に凹部と、この凹部の内側に形成した凸レンズ部を形成し、半導体発光素子の正面方向に出射された光を凸レンズ部を介して取り出し、集光させる構造である。
特開平１−２７３３６７号公報（第１−４頁、第３図） 特開平８−３０６９５９号公報（第２−３頁、第２図）

しかしながら、特許文献１に記載した発光ダイオードは、凹面鏡で反射させた光が半導体発光素子およびこれを支持するリード部材に当たり遮断されるため、照射範囲の中央部が暗くなり、均一な発光ができない。また、鍍金や金属蒸着によって金属反射面を形成すると、樹脂パッケージと金属膜の接合が、表面実装時のリフロー加熱や熱衝撃試験等により剥離するという問題もある。

また、特許文献２に記載した発光ダイオードは、凸レンズを用いているので、照射範囲の中央部が明るくなりすぎ、やはり均一な発光ができない。

そこで本発明は、側方に出射された光を無駄なく集光して輝度を向上させるとともに、所定範囲を均一に照射できる発光ダイオードを提供することを目的とする。

本発明の発光ダイオードにおいては、樹脂パッケージの表面部に、半導体発光素子から出射された光を表面側に集光する凸レンズ部を形成し、凸レンズ部の表面であって、凸レンズ部の光軸と交差する部分に、半導体発光素子から出射された光を側方に拡げる拡散部を形成した発光ダイオードとしたものである。

この発明によれば、側方に出射された光を無駄なく集光して輝度を向上させるとともに、所定範囲を均一に照射できる発光ダイオードが得られる。

以上のように本発明によれば、樹脂パッケージの表面部に、半導体発光素子から出射された光を表面側に集光する凸レンズ部を形成し、凸レンズ部の表面であって、凸レンズ部の光軸と交差する部分に、半導体発光素子から出射された光を側方に拡げる拡散部を形成したので、凸レンズ部によって、半導体発光素子から側方に出射された光を表面側に屈折させて照射範囲の外側に向かっていた光を照射範囲内に取入れて輝度を向上させ、また、拡散部によって、表側に出射された光を側方に拡げて、照射範囲内の中央部の輝度を下げ、所定範囲を均一に照射することができる。

また、拡散部を、平面状に形成すると、半導体発光素子から出射された光を拡散部で屈折させ、配光範囲を拡げることができ、また、形状を簡単にして、歩留まりを向上させることができる。

また、樹脂パッケージの表面部に凹部を形成し、凸レンズ部を、凹部内に形成すると、凸レンズ部では所定範囲内に集光できない光を凹部の外側に逃がし、所定範囲以外の部分を照射しないので、所定範囲を均一に照射することができる。

また、凹部の外側に、半導体発光素子から出射された光を表側に全反射させる曲面を備えた拡形部を形成すると、凸レンズ部では所定範囲内に集光できない光を全反射させて、所定範囲の輝度を向上させることができる。

請求項１に記載の発明は、リードフレーム上に搭載された半導体発光素子と、前記半導体発光素子を覆う透光性の樹脂パッケージとを備えた発光ダイオードにおいて、前記樹脂パッケージの表面部には、半導体発光素子から出射された光を表面側に集光する凸レンズ部が形成され、前記凸レンズ部の表面であって、前記凸レンズ部の光軸と交差する部分には、半導体発光素子から出射された光を側方に拡げる拡散部が形成されていることを特徴とする発光ダイオードとしたものであり、凸レンズ部によって、半導体発光素子から側方に出射された光を表面側、すなわち半導体発光素子の主光取り出し方向に屈折させ、撮影エリア等の必要な範囲の外側に向かっていた光をその範囲内に取入れ、また、拡散部によって、半導体発光素子から表側に出射された光を側方に拡げて、照射範囲内の光軸が通過する部分の輝度を下げるという作用を有する。

なお、本明細書中においては、リードフレームには、金属製のフレームの他、絶縁基板に電極パターンを形成したプリント配線基板も含まれるものとする。また、拡散部とは、一点から出射された光を、光路が重ならないように屈折させて配光範囲を拡げるものであり、フィラー等の混入により光を散乱させるものとは異なる。

請求項２に記載の発明は、前記拡散部は、平面状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードとしたものであり、半導体発光素子から出射された光を拡散部で屈折させ、配光範囲を拡げるという作用を有する。

請求項３に記載の発明は、前記樹脂パッケージの表面部には、凹部が形成され、前記凸レンズ部は、前記凹部内に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオードとしたものであり、凸レンズ部では所定範囲内に集光できない光を凹部の外側に逃がし、所定範囲以外の部分を照射しないという作用を有する。

請求項４に記載の発明は、前記凹部の外側には、半導体発光素子から出射された光を表側に全反射させる曲面を備えた拡形部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオードとしたものであり、凸レンズ部では所定範囲内に集光できない光を全反射させて、所定範囲の輝度を向上させるという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態の発光ダイオードの平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードの側面図、（Ｃ）は同発光ダイオードの正面図、（Ｄ）は同発光ダイオードの底面図を示す。図１に示すように、発光ダイオード１は、リードフレーム２，３上に搭載された半導体発光素子４と、半導体発光素子４を覆う透光性の樹脂パッケージ５とを備えている。

リードフレーム２，３は、それぞれＣｕ合金等にＮｉ／Ａｇめっき処理等を行った板状材をＧｕｌｌ−Ｗｉｎｇ状に屈曲させて形成されたものである。詳しく説明すると、リードフレーム２，３は、半導体発光素子４が搭載された基部から樹脂パッケージ５の両側方にそれぞれ突出して裏面側に屈曲され、さらにその先部を外側に屈曲させて両外側にそれぞれ伸びるように形成されている。

直方体状の半導体発光素子４は、サブマウント素子３５にフリップチップ実装され、サブマウント素子３５は、一方のリードフレーム２上に下面の電極をダイボンディングにより接続され、他方のリードフレーム３に上面の電極をワイヤボンディングにより接続されている。

樹脂パッケージ５は、例えば透明エポキシ等の樹脂からなり、半導体発光素子４とともに、リードフレーム２，３の一端部を覆って固化している。樹脂パッケージ５の外形は、略逆砲弾状に形成されている。ここで、本明細書中では、半導体発光素子４を接続したリードフレーム２の表側であって、半導体発光素子４の主光取り出し方向を表側または表面側、逆方向を裏側または裏面側として表すものとする。

樹脂パッケージ５の裏面側には、表面を基準として裏側に突出した曲面６が形成されている。この曲面６は、回転放物面からなっており、回転放物面の中心線は、リードフレーム２の表面に垂直に配置され、また、回転放物面の焦点は、半導体発光素子４の光軸上に合わせて形成されている。また、半導体発光素子４の光軸方向の位置は、半導体発光素子４から側方に出射された光の入射角が４０°以上となる位置に配置されている。半導体発光素子４を上記のような位置に配置したのは、パッケージ樹脂の屈折率が１．５５の場合に全反射角が４０°となるためであり、樹脂の材質を変更した場合には、その全反射角に合わせて半導体発光素子の位置を変更することができる。かかる構成によって、曲面６は、半導体発光素子４から出射された光を表側に全反射させることができる。

樹脂パッケージ５の曲面６から裏面側に突出し、リードフレーム２，３を覆っている突起部は、半導体発光素子４の裏側に配置されている部分が円柱状に形成され、その両側のリードフレーム２，３が突出している部分が、リードフレーム２，３の一端部を補強するように直方体状に形成されている。

樹脂パッケージ５の表面部の外周部には、半導体発光素子４に直交する環状平面部９が形成され、環状平面部９の内側に凹部７を形成し、さらに凹部７内に、半導体発光素子４の光軸と同じ光軸を有し、半導体発光素子４から出射された光を表面側の所定範囲内に集光する凸レンズ部８を形成している。

凸レンズ部８の先端部であって、凸レンズ部８の光軸に直交する部分には、半導体発光素子４から出射された光を側方に拡げる拡散部の一例である円状平面部１１が形成され、この円状平面部１１は、環状平面部９と同じ平面上に配置されている。すなわち、凸レンズ部８は、凹部７から突出しない状態で設けられている。また、円状平面部１１は、正面から見たときに、矩形の半導体発光素子４の全周が含まれる大きさに形成されている。凹部７は、凸レンズ部８の外周縁と、環状平面部９の内周縁を接続する凹状曲面部１０を有している。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、半導体発光素子から出射した光の光路を示す説明図である。凹状曲面部１０の形状は、凸レンズ部８から出射された光を阻害しないように設定されている。すなわち、凸レンズ部８から出射された光は凹状曲面部１０に入射しないように設計されている。

次に、発光ダイオード１の製造方法について説明する。

リードフレーム２，３に半導体発光素子４を搭載する手順については、従来の発光ダイオードの製造手順と同じであるため、説明を省略する。

樹脂パッケージ５の製造には、トランスファーモールド用金型を使用する。この場合、リードフレーム２，３の表側および裏側に移動可能な対となる金型と、曲面６を成型するために両側方にスライド移動する金型とを使用する。スライド金型を用いることにより、曲面６が裏面側に突出している形状でも製造を行うことができる。

次に、発光ダイオード１の使用状態について、図２を参照して説明する。

発光ダイオード１をカメラのストロボとして用いる場合、例えば、図２（Ｂ）に示すように、発光ダイオード１から距離Ｌ１＝０．５〜０．６ｍの位置で、直径Ｄ１＝０．５ｍ程度の円形の照射範囲Ａ１内を均一に照射することが必要になる。

半導体発光素子４から出射され、円状平面部１１に入射した光は、樹脂パッケージ５の外側に出射されるが、円状平面部１１への入射角より屈折角の方が大きくなるため、円状平面部１１の外側に出射する光は、半径方向外側に拡がって照射範囲Ａ１の全体を照らす。

半導体発光素子４から出射され、凸レンズ部８に入射した光は、表側に屈折し、照射範囲Ａ１の中央部を除いた周辺の範囲Ａ２に出射される。なお、凹状曲面部１０は、凸レンズ部８から外側に出射された光が凹状曲面部１０に入射しないように形成されている。

半導体発光素子４から出射され、曲面６に入射した光は、全反射して環状平面部９に入射する。さらに環状平面部９で半径方向外側に屈折して、樹脂パッケージ５の外側に出射される。曲面６の反射光による照射範囲Ａ３は、照射範囲Ａ１の全体とほぼ同じ範囲となっている。

円状平面部１１を形成しているので、照射範囲Ａ１の中央部の輝度のみが高くなることを防止して、全体の輝度を均一にすることができる。

なお、拡散部として、円状平面部１１の代わりに球面状凹部を形成することも可能である。球面状凹部を形成すると、屈折角が大きくなり、光をより側方に拡げることができる。

また、半導体発光素子４の発光層から裏面側に出射される光は、リードフレーム２の表面で反射されて表側に出射される。

このように、半導体発光素子４から出射される光のほとんどを光軸方向の表側に取り出すことができる。なお、半導体発光素子４の発光層から裏側の斜め方向に出射される光の一部は樹脂パッケージ５のリードフレーム２，３を保持している部分に入射するが、半導体発光素子から斜め後方に出射される光量はもともと少ないため、全体の光量に対しては影響が少ない。

（第２の実施の形態）
図３（Ａ）は本発明の第２の実施の形態の発光ダイオードの平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードの側面図、（Ｃ）は同発光ダイオードの正面図、（Ｄ）は同発光ダイオードの底面図を示す。

第２の実施の形態の発光ダイオード１２は、前述した第１の実施の形態の発光ダイオード１に対し、半導体発光素子の数を２台にし、リードフレームの数を４本にしたものである。

リードフレーム１３〜１６は、それぞれＧｕｌｌ−Ｗｉｎｇ状に形成され、各々の一端部を近接させて十字状に配置し、２台の半導体発光素子１７，１８は、対向するリードフレーム１３，１５にそれぞれダイボンディングされている。そして、半導体発光素子１７は、リードフレーム１４にワイヤボンディングにより接続され、半導体発光素子１８は、リードフレーム１６にワイヤボンディングにより接続されている。半導体発光素子１７，１８の中心は、図３（Ａ）に示すように、所定距離だけ離して配置されている。

樹脂パッケージ２５は、平面視して楕円状または俵状に形成されている。樹脂パッケージ２５の裏側の曲面２６は、図３（Ａ）に示す半導体発光素子１７，１８の中心線間の範囲ａを除いて、それぞれ半導体発光素子１７，１８の光軸を中心とする回転放物面を２分割した形状に形成され、範囲ａの間は、正断面が矩形になるように形成されている。

凸レンズ部１９，２０は、その光軸を、各半導体発光素子１７，１８の光軸に合わせて形成されており、半導体発光素子１７，１８が近接配置されているので、重合する周面の一部を一体化させている。また、凸レンズ部１９，２０の周囲に形成された凹部２１，２２および凹状曲面部２３，２４も、それぞれ重合しており、各々が２つの円弧を接続した環状に形成されている。

凸レンズ部１９，２０に形成された円状平面部３６，３７は、それぞれ離して形成されている。

半導体発光素子１７，１８の発光層から側方に出射された光は、曲面２６で反射され、表側に出射される。また、半導体発光素子１７，１８の発光層から凸レンズ部１９，２０に向かって出射された光は、凸レンズ部１９，２０の表面で表側に屈折して集光される。また、半導体発光素子１７，１８の発光層から円状平面部３６，３７に向かって出射された光は、円状平面部３６，３７の半径方向外側に拡がるように屈折して円状平面部３６，３７の外側に出射される。

発光ダイオード１２のリードフレーム１３，１４に電流を流すと、半導体発光素子１７が発光し、リードフレーム１５，１６に電流を流すと、半導体発光素子１８が発光する。また、両半導体発光素子１７，１８を同時に発光させることも可能である。半導体発光素子１７，１８は、異なる２色に発光するものを使用することも可能で、この場合には、それぞれの色または２色の混合色を発生させることができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の発光ダイオードは、リードフレーム上に半導体発光素子を３台搭載し、各半導体発光素子は、赤、緑、青色に発光するものを使用している。各半導体発光素子は、赤、緑、青のうちの各色、２色の混合色、または３色の混合色を発生させることができ、３色の輝度を調整して、白色光を発生させることも可能である。この場合にも、それぞれの凸レンズ部に円状平面部を形成して光を拡げ、輝度を均一にするとともに各色をむらなく混合させることができる。

青色光に黄色の蛍光体を用いた白色光では、赤色成分が少ないため、写真撮影用のフラッシュに用いると、自然光とは異なる白色発光となることがあるが、３色の混合色であれば、自然光に近い白色発光を得ることができる。

なお、白色の半導体発光素子（青色ＬＥＤに蛍光体をコーティングしたもの等）を３台以上搭載することにより、ハイパワーの発光ダイオードを形成することができ、デジタルカメラ用のストロボに対応できる輝度の光を出射することができる。

（第４の実施の形態）
図４（Ａ）は第４の実施の形態の発光ダイオードの平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードのＡ−Ａ側断面図である。

第４の実施の形態の発光ダイオード２７は、第１の実施の形態の発光ダイオード１のリードフレーム２，３の代わりに、プリント配線基板２８をリードフレームとして用いたものである。樹脂パッケージ３８は凸レンズ部３９に円状平面部４０を形成しており、半導体発光素子４から出射された光を凸レンズ部３９で集光し、円状平面部４０で拡散するので、輝度を均一に向上させることができる。

半導体発光素子４は、プリント配線基板２８の電極パターン２９上にダイボンディングにより接続されるとともに、プリント配線基板２８に別途形成された電極パターン３０上にワイヤボンディングにより導通接続されている。プリント配線基板２８を用いることにより、プリント配線基板２８の裏面側に光が漏れることを防止することができる。なお、電極パターン２９，３０は、ＣｕのエッチングパターンにＮｉ／Ａｕめっき処理を行い、ワイヤボンディング性と表面実装時のリフロー半田付け性の両立を図っている。

図５（Ａ）は他の実施の形態の発光ダイオードの平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードのＢ−Ｂ側断面図を示す。図５に示すように、他の実施の形態の発光ダイオードは、第４の実施の形態の発光ダイオード２７のプリント配線基板２８の表面に非貫通の凹部３１を形成している。この凹部３１の底面と側面３２には、鍍金による反射面が形成されている。凹部３１に搭載された半導体発光素子４は、他の電極パターン３３にワイヤボンディングによって導通接続されている。半導体発光素子４から斜め後方に出射される光は凹部３１の底面と側面３２で全て反射され、樹脂パッケージ３４により光軸方向の表面に出射されるため、さらに高輝度化を図ることができる。樹脂パッケージ４１は凸レンズ部４２に円状平面部４３を形成しており、半導体発光素子４から出射された光を凸レンズ部４２で集光し、円状平面部４３で拡散するので、輝度を均一に向上させることができる。

図６（Ａ）は本発明の発光ダイオードの実施例の配光特性を示すグラフ、（Ｂ）は同発光ダイオードの比較例の配光特性を示すグラフである。

比較例は、発光ダイオードの凸レンズ部の上部を球面状に形成したもので、実施例は、実施の形態２の発光ダイオード１と同じものである。実施例および比較例について、同一の電気的条件で発光させた場合のシミュレーションを行った。

図６（Ａ）、（Ｂ）の原点からの距離は光度を表し、Ｙ軸（光軸）に対する角度は、配光角度を表している。また、実線は、発光ダイオードを光軸に対して図３のα軸方向へ回転させたときの光軸方向に対する光度比を示し、点線は、発光ダイオードを光軸に対して図３のβ軸方向へ回転させたときの光軸方向に対する光度比を示している。

発光ダイオードの光軸方向に６０ｃｍ離れた距離で、一辺が５０ｃｍの正方形領域を照射するときには、６２°以上の配光角度が必要となる。従って、発光ダイオードの軸上光度を比較するとともに、配光角度が６２°の方向での光度を比較した。

比較例での軸上光度は１．６であるのに対し、実施例での軸上光度は１．３２であり、輝度が低下している。また、配光角度が６２°の方向では、比較例では０．７１であるのに対し、実施例では０．８２であった。また、比較例での光度比は４４％であるのに対し、実施例での光度比は６２％となったので、配光範囲は拡がっており、所定範囲を均一に照射することができた。

本発明の発光ダイオードは凸レンズ部によって、半導体発光素子から側方に出射された光を表面側に屈折させて照射範囲の外側に向かっていた光を照射範囲内に取入れて輝度を向上させ、また、拡散部によって、表側に出射された光を側方に拡げて、照射範囲内の中央部の輝度を下げ、所定範囲を均一に照射することができ、リードフレーム上に搭載された半導体発光素子と、半導体発光素子を覆う透光性の樹脂パッケージとを備えた発光ダイオードとして有用である。

（Ａ）は本発明の第１の実施の形態の発光ダイオードの平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードの側面図、（Ｃ）は同発光ダイオードの正面図、（Ｄ）は同発光ダイオードの底面図 （Ａ）半導体発光素子から出射した光の光路を示す説明図、（Ｂ）半導体発光素子から出射した光の光路を示す説明図 （Ａ）は本発明の第２の実施の形態の発光ダイオードの平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードの側面図、（Ｃ）は同発光ダイオードの正面図、（Ｄ）は同発光ダイオードの底面図 （Ａ）は第４の実施の形態の発光ダイオードの平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードの側断面図 （Ａ）は他の実施の形態の発光ダイオードの平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードの側断面図 （Ａ）は本発明の発光ダイオードの実施例の配光特性を示すグラフ、（Ｂ）は同発光ダイオードの比較例の配光特性を示すグラフ

符号の説明

１ 発光ダイオード
２，３ リードフレーム
４ 半導体発光素子
５ 樹脂パッケージ
６ 曲面
７ 凹部
８ 凸レンズ部
９ 環状平面部
１０ 凹状曲面部
１１ 円状平面部（拡散部）
１２ 発光ダイオード
１３〜１６ リードフレーム
１７，１８ 半導体発光素子
１９，２０ 凸レンズ部
２１，２２ 凹部
２３，２４ 凹状曲面部
２５ 樹脂パッケージ
２６ 曲面
２７ 発光ダイオード
２８ プリント配線基板
２９，３０ 電極パターン
３１ 凹部
３２ 側面
３３ 電極パターン
３４ 樹脂パッケージ
３５ サブマウント素子
３６，３７ 円状平面部
３８ 樹脂パッケージ
３９ 凸レンズ部
４０ 円状平面部
４１ 樹脂パッケージ
４２ 凸レンズ部
４３ 円状平面部

Claims (4)

1. リードフレーム上に搭載された半導体発光素子と、前記半導体発光素子を覆う透光性の樹脂パッケージとを備えた発光ダイオードにおいて、
   前記樹脂パッケージの表面部には、半導体発光素子から出射された光を表面側に集光する凸レンズ部が形成され、前記凸レンズ部の表面であって、前記凸レンズ部の光軸と交差する部分には、半導体発光素子から出射された光を側方に拡げる拡散部が形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記拡散部は、平面状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記樹脂パッケージの表面部には、凹部が形成され、前記凸レンズ部は、前記凹部内に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード。
4. 前記凹部の外側には、半導体発光素子から出射された光を表側に全反射させる曲面を備えた拡形部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード。

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