JP2005229048A - 白色発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオード（ＬＥＤ）の耐温度サイクル及び耐光性等の特性の向上を図り、長期使用に亘って高信頼性が維持できる白色ＬＥＤを実現する。
【解決手段】絶縁基材からなる基板１に回路導体２が形成されたプリント基板３に反射面４を有するカップ５が設けられたランプハウス６を取り付け、カップ５の底面７に青色光を発する青色ＬＥＤチップ８を固定してＬＥＤチップに形成された電極とプリント基板３に形成された回路導体２とをボンディングワイヤ９によって接続した。そして希土類を付活したアルミン酸塩、希土類を付活したチオ没食子酸塩及び希土類を付活したオルトケイ酸塩からなる群の中の少なくとも１つからなる波長変換部材１０を分散したメチル基の一部をフェニル基で置換したポリジメチルシロキサンを主成分とするシリコーン樹脂１１でカップ５内を充填した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードに関するものであり、詳しくは白色光を放出する白色発光ダイオードに関する。

従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光体（ＬＥＤチップ）を一つのパッケージ内に封じ込めたＬＥＤには大別すると二つのタイプ（型）がある。一つは、並設された複数のリードフレームの端部に接着剤を介してＬＥＤチップを搭載すると共に、ＬＥＤチップに設けられた電極とリードフレームとをボンディングワイヤを介して接続して電気的な導通を図る。そして、ＬＥＤチップを水分、塵埃およびガス等の外部環境から保護し、ボンディングワイヤを振動、衝撃等の機械的応力から保護し、更に、ＬＥＤチップから発せられた光を集光するためのレンズを形成する等の目的でＬＥＤチップ及びボンディングワイヤを透光性樹脂で封止したタイプのもので、砲弾型ＬＥＤと称されるものである。

また、他の一つは、絶縁基材からなる基板に回路導体が形成されたプリント基板に、ＬＥＤチップを接着剤を介して搭載すると共に、ＬＥＤチップに設けられた電極と回路導体とをボンディングワイヤを介して接続して電気的な導通を図る。そして、上記同様の目的でＬＥＤチップ及びボンディングワイヤを透光性樹脂で封止したタイプの表面実装型ＬＥＤと称されるものである。但し、このタイプは封止樹脂でレンズを形成する時と、平坦に形成してレンズ効果を持たせない時の両方の場合がある。

以降、上記した砲弾型ＬＥＤ及び表面実装型ＬＥＤについて、特に限定する必要がない限りＬＥＤと記することとする。

ここで、ＬＥＤ発光体（ＬＥＤチップ）が発する光について概略説明する。ＬＥＤチップが発する光は急峻な分光特性（スペクトル分布）を有しており、人間にはほゞピーク発光波長（発光強度が最大になる波長）λｐに対応する色調の光として認識される。従って、太陽光のように紫外〜可視〜赤外の広範囲の波長領域に亘る光が含まれた演色性の良い光（白色光）ではなく、ＬＥＤチップの材料、組成及び構造等に起因するＬＥＤチップに固有の色調の光を発するものである。

そこで、このような特性の光を発するＬＥＤチップを光源として白色光を得るためにはいくつかの方法がある。先ず一つの方法は、赤色光を発光するＬＥＤチップ（赤色ＬＥＤチップ）と緑色光を発光するＬＥＤチップ（緑色ＬＥＤチップ）と青色光を発光するＬＥＤチップ（青色ＬＥＤチップ）の３種のＬＥＤチップを同時に点灯し、夫々のＬＥＤチップから発せられる赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３原色の光の強度を調整しながら加法混色によって白色（Ｗ）光を形成する方法である。

また、一つの方法は、青色ＬＥＤチップを波長変換部材を分散した透光性樹脂で封止し、青色ＬＥＤチップから発せられて封止樹脂内を導光された青色（Ｂ）光の一部と、青色ＬＥＤチップから発せられて封止樹脂に分散された波長変換部材によって波長変換された黄色（Ｙ）光との加法混色によって白色（Ｗ）光を形成する方法である。

また、比較的単純な方法として、黄色ＬＥＤチップと青色ＬＥＤチップの夫々から発せられる黄色（Ｙ）と青色（Ｂ）の光の加法混色で白色（Ｗ）光を形成する方法も頻度は少ないが行われている。

その内、青色ＬＥＤチップと波長変換部材との組み合わせによって白色光を形成する方法の一例として以下のようなものがある。それは、ピーク発光波長λｐ≒４３０ｎｍの青色光を発する青色ＬＥＤチップをＹＡＧ：Ｃｅからなる波長変換部材を分散した透明エポキシ樹脂で封止して表面実装型ＬＥＤあるいは砲弾型ＬＥＤに組み立てたものである（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３１７１７７号公報

しかしながら、近年のＬＥＤにおいては高輝度化への要求及び必要性が強くなり、そのためにＬＥＤチップに大電力を供給することによって所望する光度を確保することが行われている。その結果、ＬＥＤ点灯時にＬＥＤチップからの発熱量が増大してＬＥＤチップ及びボンディングワイヤを封止する封止樹脂にもかなりの熱が加わることになる。

また、ＬＥＤの使用環境によっては、特に屋外で使用する場合は太陽光に含まれる青色以下の短波長領域の光（青色光、紫外線等）を封止樹脂が受けることになると共に、青色ＬＥＤチップ及び紫外ＬＥＤチップから発せられる短波長領域の光をも封止樹脂が受けることになる。

ところが、従来の透光性エポキシ樹脂で封止されたＬＥＤは、上記した熱によって械的な破損が進行し、青色以下の短波長領域の光によって光学的な劣化が促進されることが少なからず見受けられる。具体的には、ＬＥＤ点灯時の加熱及び消灯時の冷却の繰り返しによって熱膨張率の異なる封止樹脂のエポキシ樹脂とＬＥＤチップとの界面に大きな応力を生じ、樹脂クラックの発生やエポキシ樹脂とＬＥＤチップとの間に剥離を生じる。同様に、熱膨張率の異なるエポキシ樹脂とプリント基板との界面でも剥離が発生する。さらに、エポキシ樹脂の膨張・収縮によってボンディングワイヤの断線が生じるなど、ＬＥＤの不良発生の要因を内在したものとなっている。

さらに、エポキシ樹脂は短波長領域の光が照射されと無色透明から黄変する性質を有しており、その結果、エポキシ樹脂の透過率が低下して光取り出し効率が悪くなり、よって光度低下を生ることになる。また同時に、白色ＬＥＤにおいては黄色フィルタが設けられたと同様の状態になるために白色光の色調が変化することになり、演色性の良い光から程遠い光になることになる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、大電力の供給による温度上昇、紫外線の多い使用環境及び青色光より短波長領域の光を発するＬＥＤチップの搭載等のＬＥＤにとっては厳しい条件下においても、長期間に亘って信頼性が確保でき、且つ色調変化及び光度低下の少ないＬＥＤを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、紫外線、青色光及び／又は緑色光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを備えて前記ＬＥＤチップを含む近傍を透光性樹脂で封止したＬＥＤであって、前記透光性樹脂はＬＥＤチップから発せられた光の全てもしくは一部をそれよりも長波長の光に変換する波長変換部材が分散され、且つ前記透光性樹脂の光出射面は大気との界面を形成していることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記波長変換部材は、希土類を付活したアルミン酸塩、希土類を付活したチオ没食子酸塩及び希土類を付活したオルトケイ酸塩からなる群の中の少なくとも１つであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２の何れか１項において、前記透光性樹脂は、メチル基の一部をフェニル基で置換したポリジメチルシロキサンを主成分とするシリコーン樹脂であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項３において、前記シリコーン樹脂の屈折率が１．５３以上であることを特徴とするものである。

ＬＥＤチップ及びボンディングワイヤを封止する樹脂に透光性のシリコーン樹脂を採用することにより、ＬＥＤの点灯・消灯時の加熱・冷却の繰り返しによる機械的な損傷や青色より短波長領域の光による輝度低下及び色調変化が減少し、長期使用に亘って高信頼性を維持して光度維持率が高く、特に白色ＬＥＤにおいては色調変化の少ないＬＥＤを実現した。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図４を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明の白色発光ダイオードに係わる実施形態の概略断面図である。本実施形態は表面実装型ＬＥＤ２０と称されているものである。その構成は、まず絶縁基材からなる基板１に回路導体２が形成されたプリント基板３に、上方向に開いた擂鉢状の反射面４を有する凹形状のカップ５が設けられたランプハウス６が取り付けられている。そして、カップ５の底面７（プリント基板３上）に青色光を発する青色ＬＥＤチップ８が接着剤１５を介して固定され、前記青色ＬＥＤチップ８に形成された電極とプリント基板３に形成された回路導体２がボンディングワイヤ９によって接続され、電気的な導通が図られている。そしてさらに波長変換部材１０が分散された透光性樹脂（シリコーン樹脂１１）がカップ５内に充填され、青色ＬＥＤチップ８及びボンディングワイヤ９が樹脂封止されて大気から遮断されている。

この場合、カップ５内に樹脂を充填する目的は、青色ＬＥＤチップを水分、塵埃およびガス等の外部環境から保護し、且つボンディングワイヤを振動、衝撃等の機械的応力から保護するためであり、従来はエポキシ樹脂が使用されていたが、従来のＬＥＤの問題点として上述したように、ＬＥＤ点灯時の加熱及び消灯時の冷却の繰り返しによって熱膨張率の異なる封止樹脂のエポキシ樹脂とＬＥＤチップとの界面に大きな応力を生じ、樹脂クラックの発生やエポキシ樹脂とＬＥＤチップとの間に剥離を生じる。同様に、熱膨張率の異なるエポキシ樹脂とプリント基板との界面でも剥離が発生する。さらに、エポキシ樹脂の膨張・収縮によってボンディングワイヤの断線が生じるなど、ＬＥＤの不良発生の要因となっていた。

また、エポキシ樹脂は短波長領域の光が照射されと無色透明から黄変する性質を有しており、屋外で使用する場合に太陽光に含まれる青色以下の短波長領域の光（青色光、紫外線等）を受けて黄色く変色することがあった。さらに、青色ＬＥＤチップ及び紫外ＬＥＤチップから発せられる短波長領域の光を受けることによっても黄変が加速されることになっていた。その結果、エポキシ樹脂の透過率が低下して光取り出し効率が悪くなって光度低下を生じ、白色ＬＥＤにおいては黄色フィルタが設けられたと同様の状態になるために白色光の色調が変化することになり、演色性の良い光から程遠い光になることになっていた。

そこで、本実施形態では、青色ＬＥＤチップ８及びボンディングワイヤ９を封止する樹脂にシリコーン樹脂１１を採用した。この場合のシリコーン樹脂１１はメチル基の一部をフェニル基で置換したポリジメチルシロキサンを主成分とするもので、ウイルキンソン触媒やＫａｒｌｓｔｅｄｔ触媒等の白金触媒によるハイドロシリレーション反応によって樹脂が架橋されてシリコーン樹脂を形成したものである。

このシリコーン樹脂１１は、プリント基板３やランプハウス６との密着性を向上させて信頼性のある製品に仕上げるために、エポキシ基、水酸基もしくはアミノ基を有するシロキサン誘導体を配合し、１００℃以上の温度で１時間以上加熱して硬化することが望ましい。より望ましくは約１５０℃の温度で１時間以上８時間以下の範囲内で硬化することが望ましい。

従来、ＬＥＤチップがエポキシ樹脂で封止されてきた理由の1つに、透光性樹脂のなかでエポキシ樹脂が比較的大きい屈折率を有しているからであった。これは、ＬＥＤチップの光出射面と樹脂が界面を形成している場合、ＬＥＤチップの光出射面を形成している半導体材料の屈折率により近い屈折率を有する樹脂で封止することにより、ＬＥＤチップ内で発光した光のうちＬＥＤチップの光出射面で全反射してＬＥＤチップの内部に戻る光を極力少なくし、出来る限り多くの光をＬＥＤチップの光出射面から樹脂内に出射させて光取り出し効率を高めるようにするためのものであった。

従って、エポキシ樹脂で封止したときと同等以上の光取り出し効率を得るために、本実施形態で封止樹脂として採用するシリコーン樹脂の屈折率はエポキシ樹脂の一般的な屈折率である１．５３以上であることが望ましい。

また、ＬＥＤチップ及びボンディングワイヤをシリコーン樹脂で封止することによってエポキシ樹脂で封止した場合に生じる幾つかの問題点を解決することができる。それは、エポキシ樹脂で封止した場合に、ＬＥＤ点灯時の加熱及び消灯時の冷却の繰り返しによって熱膨張率の異なる封止樹脂のエポキシ樹脂とＬＥＤチップとの界面に大きな応力を生じ、樹脂クラックの発生やエポキシ樹脂とＬＥＤチップとの間に剥離を生じる。同様に、熱膨張率の異なるエポキシ樹脂とプリント基板との界面でも剥離が発生する。さらに、エポキシ樹脂の膨張・収縮によってボンディングワイヤの断線が生じるなど、ＬＥＤの不良発生の要因となっていたものが、シリコーン樹脂で封止することにより、ＬＥＤチップ、ボンディングワイヤおよびシリコーン樹脂とシリコーン樹脂と界面を形成する部材との間に加わる応力がシリコーン樹脂の有する弾性によって吸収されて低減され、不良発生要因が取り除かれることによって高信頼性の製品の実現が可能になる。

さらに、シリコーン樹脂はエポキシ樹脂と比較して耐光性が強く、青色より短波長領域の光が照射されても変色（黄変）し難くい。従って、特に白色光を放出するＬＥＤにおいては長期使用に亘って色調の変化が少ないために演色性の良い光を安定して得ることができる。

一方、透光性シリコーン樹脂に分散されて青色ＬＥＤチップから発せられる青色光を黄色光に波長変換する波長変換部材は、希土類を付活したアルミン酸塩、希土類を付活したチオ没食子酸塩及び希土類を付活したオルトケイ酸塩からなる群の中の少なくとも１つで構成され、具体的には例えば、ＹＡＧ蛍光体、ＴＡＧ蛍光体、オルトシリケート蛍光体、チオガレート蛍光体、硫化物蛍光体などが対象となる。

図２は本実施形態で白色光を得る原理を示したの説明図である。青色ＬＥＤチップ８から発せられた青色光の一部は直接透光性シリコーン樹脂１１内を導光されてシリコーン樹脂１１の光出射面１２から大気１３中に青色光のままで放出される。一方、青色ＬＥＤチップ８から発せられて波長変換部材１０に照射された青色光は波長変換部材１０を励起し、波長変換部材１０からは青色より短波長領域の光（本実施形態の場合は黄色光）に波長変換されてシリコーン樹脂１１の光出射面１２から大気１３中に黄色光として放出される。そして、人間の目にはこれら青色光と黄色光との加法混色によって白色光として認識される。

このように、波長変換部材で励起されて波長変換された光の波長は波長変換部材を励起する波長よりも長波長の光となる。つまり、波長変換された光は波長変換前の光より長波長の光になる。従って、波長変換部材を励起する光を発するＬＥＤは比較的短波長領域の光を発するＬＥＤチップが採用され、紫外ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップ及び緑色ＬＥＤチップを単独で搭載したりあるいはこれらのＬＥＤチップを組み合わせて複数個のＬＥＤチップを搭載することが行われる。そして、ＬＥＤチップと波長変換部材とを適宜選択して組み合わせることによって所望する色調の光を得ることができる。

図３は本発明の別の実施形態を示す概略断面図である。本実施形態も上述した実施形態と同様に表面実装型ＬＥＤであり、ランプハウスを取り除いたところが異なるのみであるので説明は省略する。

次に、図４は本発明の更に別の実施形態を示す概略説明図であり、砲弾型ＬＥＤ２１と称されているものである。並設した一対のリードフレーム１４の一方の端部に青色ＬＥＤチップ８を接着剤１５を介して固定し、青色ＬＥＤ８に設けられた２箇所の電極の夫々と一対のリードフレーム１４とをボンディングワイヤ９を介して接続し、電気的な導通を図っている。

そして、青色ＬＥＤチップ８及びボンディングワイヤ９が波長変換部材１０が分散された透光性シリコーン樹脂１１によって封止されている。なお、青色ＬＥＤチップ８の放射方向の上方にはＬＥＤから放出される光を集光するように透光性シリコーン樹脂１１によって凸形状のレンズ１６が形成されている。

本実施形態を構成する、青色ＬＥＤチップ８、透光性シリコーン樹脂１１、透光性シリコーン樹脂１１に分散される波長変換部材１０及び白色光の形成原理は上述した二つの実施形態で説明したものと同様である。

なお、本発明の実施形態ではＬＥＤチップをプリント基板あるいはリードフレームに搭載するにあたり接着剤を介して固定したが、同時に電気的な導通を図る場合は、導電性接着剤（Ａｇペースト）、半田、金バンプ及び共晶結合の中から適宜選ばれた方法によって固定すればよい。

ここで、本発明の効果について述べる。まず、青色ＬＥＤチップを水分、塵埃およびガス等の外部環境から保護し、且つボンディングワイヤを振動、衝撃等の機械的応力から保護するために封止する樹脂に従来使用されていたエポキシ樹脂に代わってメチル基の一部をフェニル基で置換したポリジメチルシロキサンを主成分とするシリコーン樹脂を採用した。その結果、エポキシ樹脂で封止した場合に、ＬＥＤ点灯時の加熱及び消灯時の冷却の繰り返しによって熱膨張率の異なる封止樹脂のエポキシ樹脂とＬＥＤチップとの界面に大きな応力を生じ、樹脂クラックの発生やエポキシ樹脂とＬＥＤチップとの間に剥離を生じる。同様に、熱膨張率の異なるエポキシ樹脂とプリント基板との界面でも剥離が発生する。さらに、エポキシ樹脂の膨張・収縮によってボンディングワイヤの断線が生じるなど、ＬＥＤの不良発生の要因となっていたものが、シリコーン樹脂で封止することにより、ＬＥＤチップ、ボンディングワイヤおよびシリコーン樹脂とシリコーン樹脂と界面を形成する部材との間に加わる応力がシリコーン樹脂の有する弾性によって吸収されて低減され、不良発生要因が取り除かれることによって高信頼性の製品の実現が可能になる。

また、従来のＬＥＤは屋外で使用する場合に太陽光に含まれる青色以下の短波長領域の光（青色光、紫外線等）を受けて黄色く変色することがあった。さらに、青色ＬＥＤチップ及び紫外ＬＥＤチップから発せられる短波長領域の光を受けることによっても黄変が加速された。その結果、エポキシ樹脂の透過率が低下して光取り出し効率が悪くなって光度低下を生じ、同時に白色ＬＥＤにおいては黄色フィルタが設けられたと同様の状態になるために白色光の色調が変化することになり、演色性の良い光が失われることになっていた。それに対して、本発明の白色ＬＥＤは強い耐光性を有するシリコーン樹脂を採用しているために短波長領域の光を受けても変色する割合が少ない。従って、白色光を放出するＬＥＤにおいては長期使用に亘って色調の変化が少ないために演色性の良い光を安定して得ることができると共に、光度維持率の高いＬＥＤが実現できる。

さらに、エポキシ樹脂と同等以上の屈折率を有するシリコーン樹脂を採用したことによって、エポキシ樹脂に劣らない光取り出し効率を確保し、ＬＥＤの高輝度化を維持することができる。

本発明の白色発光ダイオードに係わる実施形態を示す概略説明図である。 本発明の白色発光ダイオードにおいて白色光を形成する原理を模式的に示したものである。 本発明の白色発光ダイオードに係わる他の実施形態を示す概略説明図である。 同じく本発明の白色発光ダイオードに係わる他の実施形態を示す概略説明図である。

符号の説明

１ 基板
２ 回路導体
３ プリント基板
４ 反射面
５ カップ
６ ランプハウス
７ 底面
８ 青色ＬＥＤチップ
９ ボンディングワイヤ
１０ 波長変換部材
１１ シリコーン樹脂
１２ 光出射面
１３ 大気
１４ リ−ドフレーム
１５ 接着剤
１６ レンズ
２０ 表面実装型ＬＥＤ
２１ 砲弾型ＬＥＤ

Claims (4)

1. 紫外線、青色光及び／又は緑色光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを備えて前記ＬＥＤチップを含む近傍を透光性樹脂で封止したＬＥＤであって、前記透光性樹脂はＬＥＤチップから発せられた光の全てもしくは一部をそれよりも長波長の光に変換する波長変換部材が分散され、且つ前記透光性樹脂の光出射面は大気との界面を形成していることを特徴とする白色発光ダイオード。
2. 前記波長変換部材は、希土類を付活したアルミン酸塩、希土類を付活したチオ没食子酸塩及び希土類を付活したオルトケイ酸塩からなる群の中の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の白色発光ダイオード。
3. 前記透光性樹脂は、メチル基の一部をフェニル基で置換したポリジメチルシロキサンを主成分とするシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１または２の何れか１項に記載の白色発光ダイオード。
4. 前記シリコーン樹脂の屈折率が１．５３以上であることを特徴とする請求項３に記載の白色発光ダイオード。

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