JP2005294779A

JP2005294779A - Ｌｅｄ光源

Info

Publication number: JP2005294779A
Application number: JP2004111791A
Authority: JP
Inventors: 清 ▲たか▼橋; Kiyoshi Takahashi; Tadashi Yano; 正矢野; Masanori Shimizu; 正則清水; Noriyasu Tanimoto; 憲保谷本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】簡単な構成で、より実質的な静電耐圧の高いＬＥＤ光源を提供すること。
【解決手段】本発明は、ＧａＮ系ＬＥＤの電極と基板上の配線パタンとがバンプによってフリップチップ実装されたＬＥＤ光源であって、両電極間のバンプ間に比誘電率が１０以上の材料を５ｗｔ％以上含む樹脂が配置されているという構成により、簡単な構成で、より実質的な静電耐圧の高いＬＥＤ光源を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は静電耐圧の高いＬＥＤ光源に関する。

ＧａＮ系ＬＥＤは、ＧａＡｓ系のＬＥＤと比較して静電気に対する耐圧が低く、従来から多くの耐圧向上に関する検討が行われてきた。従来のＬＥＤ光源（半導体発光装置）としては、高絶縁性の基板の表面に形成された正負の電極と半導体発光素子の正負の電極とをそれぞれ接続して構成された半導体発光装置において、基板内部に注入材注入部が形成され、その注入材注入部に所定の電気特性を有する注入材が注入され、正負の電極間が、注入材を介して接続されているものがあった（例えば、特許文献１）。図８は、特許文献１に記載された従来のＬＥＤ光源を示すものである。

図８において、発光素子は１、基板は３、貫通孔は７、注入材は８、電極パタンは４、５で示される。
特開２００３−３３２６２６号公報（請求項１、図１を参照）

しかしながら、ＬＥＤ１個あたりの光量は少なく、特に照明などの用途に使用するには、多数のＬＥＤを使用する必要がある。このため、ＬＥＤ数が多くなるとＬＥＤ１個ごとに基板に孔を開けることは、基板加工プロセスが複雑になるため好ましくない。

本発明は、上記課題を解決するためになされ、その目的とするところは、基板上に孔を設けずに簡単な構成で、より実質的な静電耐圧の高いＬＥＤ光源を提供することにある。

上記従来の課題を解決するため、本発明に係るＬＥＤ光源は、ＧａＮ系ＬＥＤの電極と基板上の配線パタンとがバンプによってフリップチップ実装されたＬＥＤ光源であって、両電極間のバンプ間に比誘電率が１０以上の材料を５ｗｔ％以上含む樹脂が配置されている。

また、本発明に係るＬＥＤ光源は、ＧａＮ系ＬＥＤの電極と基板上の配線パタンとがバンプによってフリップチップ実装されたＬＥＤ光源であって、ＬＥＤチップ周囲は、比誘電率が１０以上の材料を５ｗｔ％以上含む樹脂で覆われており、前記樹脂はＬＥＤチップ側面のＰ型電極層およびＮ型電極層のどちらとも接触している。

また、本発明に係るＬＥＤ光源は、ＧａＮ系ＬＥＤの電極と基板上の配線パタンとがバンプによってフリップチップ実装されたＬＥＤ光源であって、ＬＥＤチップの周囲は、比誘電率が１０以上の材料を５ｗｔ％以上含む樹脂で覆われており、前記樹脂はＬＥＤチップの両電極とも接触している。

好適な実施形態において、前記比誘電率の材料は、ＴｉＯ_２（酸化チタン）、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）のうち少なくとも１つを含む材料である。

以上のように、本発明は、ＧａＮ系ＬＥＤの電極と基板上の配線パタンとがバンプによってフリップチップ実装されＬＥＤ光源であって、両電極間のバンプ間に比誘電率が１０以上の材料を５ｗｔ％以上含む樹脂が配置されているという構成により、簡単な構成で、より実質的な静電耐圧の高いＬＥＤ光源を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるＬＥＤ光源のＬＥＤ部分の断面図を示すものである。図１において、ＬＥＤ１０１はＧａＮ系ＬＥＤであり、発光中心波長が３５０〜５５０ｎｍのＬＥＤである。ＬＥＤチップの大きさは、約０．３〜２ｍｍ角である。約３〜４Ｖで定格の光出力をする。ＬＥＤの定格電流は、発光面の面積に比例し、０．３ｍｍ角あたり１０〜６０ｍＡの電流のものが適当である。本実施の形態のＬＥＤ１０１は、発光中心波長が４７０ｎｍ、チップの大きさは、０．３ｍｍ角、定格は、３．６Ｖで２０ｍＡであるものを用いた。

１０２はバンプであり、基板１０３上にある配線パタン１０４、１０５とＬＥＤ１０１の各電極とを接続している。基板１０３は、放熱性の高い材料を主材料としており、たとえば、アルミニウム、セラミック、銅などから選択される。なお、本実施の形態の場合は、アルミニウムを主成分としたコンポジット基板を選択した。

バンプ１０２は１つの電極に対して複数の場合もある。本実施の形態の場合は、両電極合計で３個のバンプの場合を選択した。

ＬＥＤ両電極に対応するバンプ間には、樹脂１０６が存在する。樹脂１０６は、主成分がシリコーン樹脂であり、ＴｉＯ_２（酸化チタン）、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）などの比誘電率が１０以上の材料が含まれている。材料の比誘電率は、実用的には１００以上のものが好ましい。また、上記材料は、少なくとも１種樹脂中に１０〜７０ｗｔ％含まれている。なお、本実施の形態の場合は、ＴｉＯ_２が２０ｗｔ％含まれるものを選択した。本実施の形態の場合、ＬＥＤの両極の容量を測定すると、ＬＥＤ単体の容量が数〜３０ｐＦ程度であったものが、樹脂１０６を設けることで１００ｐＦ（１ＭＨｚ、２Ｖ入力時、以下同様の条件で計測）に増加していた。なお、シリコーン樹脂の比誘電率は約３であり、酸化チタンの比誘電率は約１００であり、チタン酸バリウムの比誘電率は約１２００である。

図２は、図１においてＬＥＤ１０１の基板１０３との接合面を基板側から見たＬＥＤ１０１の背面図である。ＬＥＤ１０１の基板面のバンプ１０３位置と樹脂１０６の存在位置を示す。図中の２０１、２０２はＬＥＤの電極である。図２中の破線で示した界面とは、Ｎ電極２０１とＰ電極２０２とが接触しないように、各電極と絶縁層との界面である。つまり、Ｎ電極２０１に接続されたバンプとＰ電極２０２に接続されたバンプ間に樹脂１０６が存在している。

図３は、ＬＥＤ光源の概観を示したものである。アルミニウム、セラミック、銅などの熱伝導率の高い材料を主成分とした基板１０３上に、上記ＬＥＤ１０１が、フリップチップでバンプを介して直接実装されている。ここで、直接実装とは、基板上の配線パタンとＬＥＤがバンプを介して実装されている状態のことを示す。基板上には、図１に示すＬＥＤ光源が３２個直列でかつ２並列構成されており、合計６４個のＬＥＤ１０１で構成されている。ＬＥＤが実装されている範囲は２０ｍｍ角である。またこの部分の基板面積あたりの実装密度は、１６個／ｃｍ^２である。また、発光部の基板面積あたりの電力は、約１．２Ｗ／ｃｍ^２である。なお、前記実装密度は、１〜１００個／ｃｍ^２程度が用いられる。また、前記基板面積あたりの電力は、０．１〜１０Ｗ／ｃｍ^２程度が用いられる。基板１０３は、大きさが約２４×約２９ｍｍであり、厚みが約１ｍｍである。厚みのほとんどはアルミニウムでできている。基板上には、給電用の電極端子３０１がＬＥＤ実装面と同一面にあり、端子に電圧を印加することでＬＥＤが点灯するようになっている。端子は２並列のため４個ある。３２直列してあるＬＥＤのそれぞれについてすべて図１に示す加工が施されている。また、図には示さないが、基板２０１上の配線パタンは、ＬＥＤと接続される部分と端子２０２の部分以外の表面は、絶縁層で覆われており、外部からの静電気が基板のパタン上に印加されないようになっている。

このようにして、構成されたＬＥＤ光源の静電破壊試験の内容を以下に説明する。この試験は、静電破壊試験の規格で決められているヒューマンボディーモデル（ＨＢＭ：人体帯電モデル）の方法に基づいて行った。以下この実験方法について説明する。

図４に試験装置の回路図を示す。図中の直流電源４０１の電圧を変化させ、スイッチ４０２を操作し、２つの端子間を１秒おきに３回往復させる。スイッチをＣｈａｒｇｅ側にすると、電源４０１の電荷がコンデンサにチャージされ、スイッチ４０２をＤｉｓｃｈａｒｇｅ側にするとコンデンサに蓄えられた電荷が抵抗を通って、接続端子間４０３に接されたＬＥＤ光源の給電用の電極端子３０１に電荷が流れる。

図３のＬＥＤ光源の２並列のうちの１つの端子３０１と、図３の端子４０３を接続し、静電気破壊試験を行った。チェックの方法は、３２個の直列に接続されたＬＥＤに定格２０ｍＡに対して、１ｍＡの電流を流し、点灯しないＬＥＤ素子があった場合は、ＬＥＤ素子が破損したものとして判断した。直流電源４０１の電圧を徐々に高くして、上記実験を繰り返し、ＬＥＤ素子が１つも破損しない最大の電圧（電源４０１の電圧）を、ＬＥＤ光源の静電耐圧とした。静電気を模擬した電圧を印加した。その後、ＬＥＤの損傷状況をチェックした。

その結果、電圧の印加する方向が順方向の場合、耐圧は４ｋＶ以上、逆方向が４ｋＶ以上となることがわかった。ここで、本実施の形態のＬＥＤ光源は、一般照明など多様な用途に使用されることを考慮し、必要な耐圧は約１ｋＶと考え検討を進めた。この結果より、十分な耐圧を持つ。

これに対して、対策を施していないＬＥＤ素子の耐圧を測定した。図には示さないが図１に示す本実施の形態のＬＥＤ光源から樹脂１０６を抜いたものを同様に静電破壊試験したところ、順方向が４ｋＶ以上、逆方向が約６００Ｖとなり、静電耐圧の要求を満たさない。このときＬＥＤ光源の容量は数〜３０ｐＦであり、本実施の形態のＬＥＤ光源と比べて容量が少ない。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２について以下に説明する。実施の形態１と同様の構成で、樹脂１０６をＬＥＤ１０１の周りにコートした場合について説明する。図５に示すようにＬＥＤチップを覆うように樹脂１０６を厚み０．０５〜０．５ｍｍで塗布した。このとき、電極１０４と樹脂１０６は接触している。しかし、電極１０５と樹脂１０６も接触していないし、電極１０５上のバンプと樹脂１０６も接触していない。しかし、本構成の場合、図６に示すように、樹脂１０６は、ＬＥＤ１０１側面に露出している各電極層５０１、５０２間で接触している。そのため、誘電率の高い樹脂１０６は電極層５０１と５０２間で図１０中の５０３に示すようなコンデンサ成分を持っていると考えられる。

上記構成のＬＥＤ光源を実施の形態１と同様に静電破壊試験したところ、順方向が４ｋＶ以上、逆方向が約１．２ｋＶとなり、静電耐圧が向上することがわかった。

また、図７に示すように基板上の電極１０５と１０４のどちらもが樹脂１０６と接触している場合は、さらに効果的であり、静電耐圧は、順方向４ｋＶ以上、逆方向が約１．４ｋＶにまで上昇した。

なお、樹脂厚を０．５ｍｍ以上にしても効果は変わらなかった。また、混入する材料をさらに比誘電率の高いチタン酸バリウムでも同様の効果を得ることが出来る。

なお、ＬＥＤ１０１の１個だけの場合の耐圧は、逆方向で２００Ｖである。本実施の形態のＬＥＤ光源は、ＬＥＤが３２個直列で接続されているため、理論的には、ＬＥＤ１個あたりの耐圧の３２倍の耐圧を示すはずであるが、約３倍程度しか耐圧を持っていない。これは、静電破壊試験は、瞬間的に大きな電圧を印加するため、ＬＥＤのもつＬもしくはＣ成分によって、ＬＥＤ３２個に均等に電圧がかからずに、１部のＬＥＤに偏って大きな電圧が印加されるためと考えられる。

なお、図３に示す光源の発光部全域を上記樹脂で覆えば、より効率的に加工が可能である。

なお、樹脂１０６は白色系ものを選択し、ＬＥＤと基板の間に配置した場合は、有色の基板と比較して光出力が向上するためより好ましい。

なお、本実施の形態の樹脂１０６は、シリコーン樹脂を用いたが他の樹脂でもかまわない。ただし、シリコーン樹脂は、他の樹脂に比べると柔らかいので、熱による基板などの膨張に対して歪が小さく信頼性が高くなるという効果がある点、また青色光、紫外光などのエネルギーの高い光でも劣化が少なく寿命中の変化が少ないといった点で好ましい。

なお、樹脂１０６に蛍光体を混入して、ＬＥＤからの放射光を波長変換してもよい。たとえば、ＬＥＤ１０１に、青色ＬＥＤを用いて、黄色に発光する蛍光体を含む樹脂１０６とすることで、特に図５、図７の構成の場合、白色光の出力を得ることが出来る。

なお、本実施の形態では、比誘電率が３程度のシリコーン樹脂中に、比誘電率の高い材料を混入する方法について記載したが、比誘電率の高い樹脂、例えば比誘電率が３以上（好ましくは５以上）の樹脂を多くすることによって（好ましくは５０ｗｔ％以上）も、上記と同様に電圧に対する耐性を高めることができる。

本発明のＬＥＤ光源は、静電耐圧が高いＬＥＤ光源を簡単な構成でえることが出来るので、一般照明などの光源等として有用である。

本発明の実施の形態１におけるＬＥＤ光源のＬＥＤ部分の断面図本発明の実施の形態１におけるＬＥＤを裏面から見た図本発明の実施の形態１におけるＬＥＤ光源の概略図静電破壊装置の回路図本発明の実施の形態２におけるＬＥＤ光源のＬＥＤ部分の断面図本発明の実施の形態２におけるＬＥＤ光源のＬＥＤチップの電極部分拡大図本発明の実施の形態２におけるＬＥＤ光源のＬＥＤ部分の断面図従来のＬＥＤ光源の断面を示す図

符号の説明

１０１ＬＥＤ
１０２バンプ
１０３基板
１０４，１０５，２０１，２０２，５０１，５０２電極
１０６樹脂
３０１電極端子
４０１直流電源
４０２スイッチ
４０３端子

Claims

ＧａＮ系ＬＥＤの電極と基板上の配線パタンとがバンプによってフリップチップ実装されたＬＥＤ光源であって、
両電極間のバンプ間に比誘電率が１０以上の材料を５ｗｔ％以上含む樹脂が配置されている、ＬＥＤ光源。
ＧａＮ系ＬＥＤの電極と基板上の配線パタンとがバンプによってフリップチップ実装されたＬＥＤ光源であって、
ＬＥＤチップ周囲は、比誘電率が１０以上の材料を５ｗｔ％以上含む樹脂で覆われており、前記樹脂はＬＥＤチップ側面のＰ型電極層およびＮ型電極層のどちらとも接触している、ＬＥＤ光源。
ＧａＮ系ＬＥＤの電極と基板上の配線パタンとがバンプによってフリップチップ実装されたＬＥＤ光源であって、
ＬＥＤチップの周囲は、比誘電率が１０以上の材料を５ｗｔ％以上含む樹脂で覆われており、前記樹脂はＬＥＤチップの両電極とも接触している、ＬＥＤ光源。
前記比誘電率の材料は、ＴｉＯ_２（酸化チタン）、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）のうち少なくとも１つを含む材料である、請求項１から３までの何れか一つに記載のＬＥＤ光源。