JP2006013087A - 半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 放熱性に優れ、信頼性の高い半導体発光装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、発光ダイオード１０６と、該発光ダイオード１０６からの光が入射される光入射面１０２ａを有する導光体１０２と、発光ダイオード１０６及び導光体１０２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、導光体１０２の光入射面１０２ａ側の端部に当接されたスペーサー１０３により、発光ダイオード１０６の発光面と光入射面１０２ａとが所定の間隔を有するように対向されていることを特徴とする。また、スペーサー１０３は、導光体１０２の光入射面１０２ａに隣接する面側を覆う側壁１０３ａを有する。
【選択図】図１
【解決手段】 本発明は、発光ダイオード１０６と、該発光ダイオード１０６からの光が入射される光入射面１０２ａを有する導光体１０２と、発光ダイオード１０６及び導光体１０２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、導光体１０２の光入射面１０２ａ側の端部に当接されたスペーサー１０３により、発光ダイオード１０６の発光面と光入射面１０２ａとが所定の間隔を有するように対向されていることを特徴とする。また、スペーサー１０３は、導光体１０２の光入射面１０２ａに隣接する面側を覆う側壁１０３ａを有する。
【選択図】図１
Description
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、信頼性高く高出力の発光を行う半導体発光装置を提供することにある。
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。
このような光半導体装置の一例として、特開２００２−２６３９４号公報に開示される、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表面実装型発光ダイオードの発光面を導光体の端部と当接させる。このように、発光ダイオードの発光面と、導光体の端部とを当接させることにより、発光ダイオードからの光を漏れなく、導光体に入射することができる。また、発光ダイオードが当接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で覆い面状光源を構成する。
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当接される。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急速に普及し始めている。
しかしながら、上述の面状光源を高出力発光させるに伴い、発光ダイオードの発光面側の発熱が無視できなくなる。すなわち、発光ダイオードの発熱は、発光ダイオードの実装基板側から主に放熱されるが、高出力発光により発光ダイオードの外殻となるハウジングも強く発熱する。そして、ハウジングからの放熱が、実装基板方向からの放熱だけでは十分でなくなる。その一方、導光体は、光透過性が高く、成型し易い透光性樹脂を材料としており、その導光体の光入射面に当接された発光ダイオードの発熱により溶ける危険性が高まる。仮に、高出力、長時間の使用により導光体の光入射面が熱による損傷を受けると、色ズレや色ムラの発生など、面状光源の光学特性に悪影響を及ぼし、信頼性の高い半導体発光装置とすることができない。
そこで、本発明は、信頼性高く高出力な発光を行うことが可能な半導体発光装置を提供することを目的とする。
以上の目的を達成するために本発明に係る半導体発光装置は、発光ダイオードと、該発光ダイオードからの光が入射される光入射面を有する導光体と、前記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って、上記導光体の光入射面側の端部に当接されたスペーサーにより、上記発光ダイオードの発光面と、上記光入射面とが所定の間隔を有するように対向されていることを特徴とする。
これにより、高出力発光させる面状光源においても、発光ダイオードからの熱が導光体に直接伝わることがなくなるため、信頼性の高い半導体発光装置とすることができる。
また、スペーサーは、上記発光ダイオードが収納される貫通孔を有することが好ましい。これにより、発光ダイオードと導光体の光入射面との間に間隔を設けることが容易にできる。
また、上記スペーサーは、上記導光体の端部が嵌合する凹部を有することが好ましい。これにより、振動を受ける使用状態においても、導光体とスペーサーとの装着性が高まり、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
また、上記スペーサーは、上記導光体の光入射面に隣接する面側を覆う側壁を有することが好ましい。これにより、上記導光体の光入射面に隣接する面から漏れ出した光は、スペーサーの側壁にて導光体の方向に反射され、導光体に再度入射される。したがって、導光体の光入射面側の端部に当接されたスペーサーにより、発光ダイオードの発光面および光入射面が所定の間隔を有するように対向されている半導体発光装置においても、発光出力を低下させることなく、高出力発光可能な半導体発光装置とすることができる。
また、上記筐体は上記スペーサーと導光体の端部とを押圧する弾性部材を有することが好ましい。これにより、スペーサーと導光体の端部とが強固に当接され、振動を受ける使用状態においても、導光体とスペーサーとの装着性が高まり、信頼性の高い半導体装置とすることができる。また、弾性部材により、基板が筐体に加圧される。この圧力により基板と筐体の接触部分の熱抵抗が下がる。したがって、発光ダイオードから基板を経由して筐体方向への熱移動が円滑に行われるため、発光ダイオードの発熱を効率よく抑えることができる。
また、上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を有することが好ましい。これにより、ＬＥＤチップを外部環境から保護し、ハウジングの外殻形状によりスペーサーと当接することが容易にできる。
また、上記発光ダイオードは、実装基板上に配置され、その実装面と略垂直方向に発光面を有するＳＭＤ型発光ダイオードとすることが好ましい。これにより、実装基板方向への放熱性を向上させ、薄型の半導体発光装置とすることができる。また、導光体と実装基板を互いに反対側となるように、離して配置することができるため、導光体が実装基板の発熱による悪影響を受けることがなくなり、信頼性の高い半導体発光装置とすることができる。
また、発光ダイオードは、ＬＥＤチップからの光を波長変換する蛍光物質を有することができる。さらに、上記発光ダイオードは、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である。これにより、高輝度および高出力な半導体発光装置とすることができる。
また、ハウジングは光散乱剤が含有された樹脂からなることが好ましい。これにより、ＬＥＤチップからの光は、ハウジングにより吸収されることなく、効率よく取り出すことができる。
また、上記筐体は発光面と略垂直方向に弾性部材を有することが好ましい。さらに、弾性部材は、筐体の一部をバネ片としたものであることが好ましい。これにより、簡易な構成で、スペーサーと導光体との強固な装着性を実現することができる。
本発明は、高出力発光させる面状光源においても、発光ダイオードからの熱が導光体に直接伝わることがなくなるため、信頼性の高い半導体発光装置とすることができる。
本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体発光装置を例示するものであって、本発明は半導体発光装置を以下に限定するものではない。また、各図面に示す部材の大きさや位置関係などは説明を明確にするために誇張しているところがある。
発光ダイオードと、該発光ダイオードからの光が入射される光入射面を有する導光体と、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において、本発明者は、種々の検討および実験の結果、導光体の光入射面側の端部に当接されたスペーサーにより、発光ダイオードの発光面と、導光体の光入射面とを所定の間隔を有するように対向させることとした。即ち、スペーサーを利用して、発光ダイオードの発光面と導光体との間に所定の間隔を設けることにより、光学特性の劣化の無い、高信頼性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。
従来、発光ダイオードの発光面と、光入射面を有する導光体の端面とは、発光ダイオードからの光が漏れなく導光体に入射できるように、出来る限り近接させて配置されている。例えば、図２に比較例として示される半導体発光装置は、実装基板に対する実装面と略平行な方向に発光面を有するＳＭＤ型発光ダイオードと導光体とを組み合わせたものである。このように、実装面と略平行な方向に発光面を有するＳＭＤ型発光ダイオードは、実装基板に対し、ほぼ同じ側に導光体が配置される。そのため、実装基板自体が導光板と近接して配置されることとなり、実装基板と導光体の端部との距離が非常に近い。その一方、導光体は、光透過性および種々の形状への成型性が高い透光性樹脂の射出成型により形成されたものであるため、熱による損傷を受けやすい。したがって、導光体が発光ダイオードから実装基板の方向に放熱される熱に曝されることとなれば、導光体の一部が熱による損傷を受けることにより光学特性に悪影響が生じることとなる。より具体的には、導光体の光入射面の一部が溶けて凹凸形状となり発光ダイオードからの光が乱反射することで、導光体に入射される光の量が減少する。また、発光ダイオードからの光は、導光体内に均一に入射することができず、導光体を光出射面の方向から見ると、長時間の高出力での使用により、色ムラ、色ずれが生じてくる。
そこで、本発明は、発光ダイオードと導光体とが所定の間隔を有するように、両者の間にスペーサーが介されているため、発光ダイオードの発光面と、導光体の光入射面とを空気の層を介して対向させ、保持する。これにより、発光ダイオードの出力が増えた場合においても、発光ダイオードからの熱が導光体の方向へ直接伝わることがなくなり、導光体が熱による損傷を受けることがなくなる。即ち、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の間隙をスペーサーにより生じさせるという極めて簡単な構成で、高輝度に発光可能かつ信頼性の高い半導体発光装置とすることができる。
図１は、本形態の半導体発光装置にかかる模式的な断面図である。本形態にかかる面状光源の光源である発光ダイオードは、発光面が導光板端面の光入射面に合わせて平坦であり、かつ発光面が実施的にレンズ効果を持たないＳＭＤ型発光ダイオードである。さらに、本形態における発光ダイオードは、実装基板に対する実装面と略垂直な方向に発光面を有している。このような発光ダイオードを実装基板に固定し、その発光面を導光体の光入射面と対向させると、実装基板が導光体の反対側となる。これにより、実装基板の発熱による導光体の損傷を防ぐことができる。
さらに、図３は、本形態における発光ダイオードの模式的な断面図である。発光ダイオードは、実装基板３０２上に半田で接合される。この実装基板上に固定されたＳＭＤ型発光ダイオードの発光面と導光体の光入射端面を対向させた状態で、かつ、スペーサーによって、発光ダイオードの発光面と導光体の光入射端面との間に所定の間隔を空けた状態で、筐体内に配置させている。ここで、スペーサーは、導光体の端部および実装基板の発光ダイオードが実装された側の主面に当接している。なお、本形態における発光ダイオードの発光面と導光体の光入射端面との「所定の間隔」は、導光体の耐熱温度、発光ダイオードの発熱特性を考慮し、適宜調節される。
本形態における弾性部材は、ステンレス筐体の一部を内側に向かって凸形状とすることにより形成させることができる。この凸形状はステンレス筐体自体によって弾性を備えたバネ片として働く。すなわち、このバネ片は、導光体をスペーサーの方向に押圧を加えることにより、その導光体及びスペーサーを当接させる。これによって、導光体とスペーサーとの装着性が向上され、高信頼性かつ高輝度に発光可能な光半導体装置とすることができる。以下、本発明の各構成について詳述する。
（スペーサー）
本形態におけるスペーサーとは、筺体あるいは実装基板と導光体とに当接させて配置され、発光ダイオードの外殻面、特に、発光ダイオードからの光が出射する発光面と導光体の光反射面との間に所定の間隔を生じさせるものである。例えば、図４に示されるように、スペーサー１０３は、配置される発光ダイオードの発光面より高い位置に底面１０３ｄを有しており、その底面１０３ｄが導光体の光入射面１０２ａに当接される。スペーサーの形状は、筺体、実装基板および発光ダイオードの形状に合わせ、種々の形状とされる。例えば、図４に示されるように、少なくとも発光ダイオードが収納可能な貫通孔１０３ｂを有することができる。ここで、貫通孔の大きさおよび形状は、収納される発光ダイオード、該発光ダイオードとともに収納されるツェナーダイオードや抵抗のような素子の大きさ、形状および数に合わせて適宜調節される。また、光入射面を有する導光体の端部の形状に嵌合可能な凹凸形状を有することもできる。これにより、スペーサーと導光体との装着性を向上させることができる。あるいは、図４に示されるように、実装基板方向には、スペーサーと筐体や実装基板との接触面積をできる限り少なくするため、機械的強度が保持できる程度に、凹凸形状１０３ｃとする。これにより、スペーサーは、凸部で筐体や実装基板と当接し、スペーサー１０３と当接する導光体の方に熱が伝わり難くすることができる。
本形態におけるスペーサーとは、筺体あるいは実装基板と導光体とに当接させて配置され、発光ダイオードの外殻面、特に、発光ダイオードからの光が出射する発光面と導光体の光反射面との間に所定の間隔を生じさせるものである。例えば、図４に示されるように、スペーサー１０３は、配置される発光ダイオードの発光面より高い位置に底面１０３ｄを有しており、その底面１０３ｄが導光体の光入射面１０２ａに当接される。スペーサーの形状は、筺体、実装基板および発光ダイオードの形状に合わせ、種々の形状とされる。例えば、図４に示されるように、少なくとも発光ダイオードが収納可能な貫通孔１０３ｂを有することができる。ここで、貫通孔の大きさおよび形状は、収納される発光ダイオード、該発光ダイオードとともに収納されるツェナーダイオードや抵抗のような素子の大きさ、形状および数に合わせて適宜調節される。また、光入射面を有する導光体の端部の形状に嵌合可能な凹凸形状を有することもできる。これにより、スペーサーと導光体との装着性を向上させることができる。あるいは、図４に示されるように、実装基板方向には、スペーサーと筐体や実装基板との接触面積をできる限り少なくするため、機械的強度が保持できる程度に、凹凸形状１０３ｃとする。これにより、スペーサーは、凸部で筐体や実装基板と当接し、スペーサー１０３と当接する導光体の方に熱が伝わり難くすることができる。
本形態にかかる半導体発光装置は、導光体の光入射面側の端部に当接されたスペーサーにより、上記発光ダイオードの発光面および光入射面とが所定の間隔を有するように対向されている。これにより、発光ダイオードの発熱が導光体に直接伝わることを防止することができる。しかしながら、発光ダイオードの発光面から出射した光の一部は、導光体の光入射面に反射され易くなり、導光体に入射することなく、スペーサーと導光体に生じた隙間から漏れ出すものもある。そこで、本形態におけるスペーサー１０３は、上記導光体の光入射面１０２ａに隣接する面側まで覆うような側壁１０３ａを有することが好ましい。このとき、側壁１０３ａは、導光体の光入射面１０２ａに隣接する複数の面のうち、少なくとも導光体の発光観測主面１０２ｃに対向する面１０２ｂを覆うように形成されていることが好ましいが、さらに導光体の発光観測主面１０２ｃや導光体の側面など複数の面を被覆するように形成してもよい。例えば、図４に示されるスペーサーは、その断面がコの字型をしており、コの字の内側に導光体の端部が嵌り込むようにされていることが好ましい。すなわち、スペーサーの凹部の側壁が導光体の光入射面１０２ａに隣接される面方向に位置するようにされている。これにより、スペーサーの凹部側壁上面を光入射面に当接させるものと比較して、側壁の厚み分だけ光入射面を広くとることができるため、より多くの光を導光体に入射させることができる。また、導光体の光入射面１０２ａに入射された光が、その光入射面１０２ａに隣接する面から光が漏れ出しても、上記凹部の側壁にて導光体の方向に反射され、導光体に再度入射させることができ、半導体発光装置の輝度を向上させることができる。
さらに、スペーサーは、少なくとも上記側壁の部分において、炭酸カルシウム、酸化アルミニウムや酸化チタンのような光拡散剤や白色系の顔料を含有していることがより好ましい。このようなスペーサーの側壁部分は、発光ダイオードからの光を、導光体の光入射面１０２ａの方向に反射させることができる。したがって、本形態のように、発光ダイオードの発光面と導光体の光反射面とが当接することなく所定の間隔を有していても、発光ダイオードからの光は漏れなく、導光体に入射することができる。また、上記導光体の光入射面１０２ａに隣接する面から漏れ出した光は、スペーサーの側壁にて導光体の方向に反射され、導光体に再度入射される。したがって、光取り出し効率が高く、高出力発光可能な半導体発光装置とすることができる。
スペーサーの材料は、実装基板の材料より熱伝導性の低い材料を選択する。例えば、機械的強度に優れたポリカーボーネート、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素系樹脂のような絶縁性材料とすることができる。さらに、スペーサーは、炭酸カルシウム、酸化アルミニウムや酸化チタンのような光拡散剤を含有させた樹脂材料にて射出成型により形成することもできる。
（発光ダイオード）
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。また、発光素子とともに、該発光素子を過電圧による破壊から保護するツェナーダイオードやコンデンサーのような保護素子あるいは抵抗などの電子素子をハウジングに搭載させた発光ダイオードとすることができる。
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。また、発光素子とともに、該発光素子を過電圧による破壊から保護するツェナーダイオードやコンデンサーのような保護素子あるいは抵抗などの電子素子をハウジングに搭載させた発光ダイオードとすることができる。
また、本形態における発光ダイオードは、凹部を持ったハウジングを有する。該凹部内に露出された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。
（ハウジング）
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。
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。
また、ハウジングは、セラミックグリーンシートを積層させ、焼成することにより得られるセラミックパッケージとすることができる。セラミックパッケージは、樹脂材料からなるパッケージと比較して耐熱性および耐光性に優れるため、高出力かつ信頼性の高い半導体発光装置とすることができる。また、凹部を有するセラミックパッケージは、その凹部内壁面は、光反射率の高い金属材料からなる反射面とされていることが好ましい。これにより、発光素子からの光がセラミックスに吸収されることがなくなるため、光取り出し効率に優れた発光ダイオードとすることができる。
スペーサーと対向する側のハウジングの外殻面は、スペーサーの対向面の形状に嵌合可能な凹凸形状とすることが好ましい。これにより、スペーサーと発光ダイオードとの装着性が向上し、振動を受ける使用状態においても信頼性の高い半導体発光装置とすることができる。
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。ここで、ＬＥＤチップを被覆する透光性樹脂には、必要に応じて蛍光物質が含有されても良い。また、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。
（蛍光物質）
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、アルミニウム酸化物系蛍光体の一種であるＹＡＧ：Ｃｅ（例えば、ＹＡｌＯ３：Ｃｅ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｙ４Ａｌ２Ｏ９：Ｃｅ、（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｙ３（Ａｌ０．８Ｇａ０．２）５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｔｂ２．９５Ｃｅ０．０５Ａｌ５Ｏ１２、Ｙ２．９０Ｃｅ０．０５Ｔｂ０．０５Ａｌ５Ｏ１２、Ｙ２．９４Ｃｅ０．０５Ｐｒ０．０１Ａｌ５Ｏ１２、Ｙ２．９０Ｃｅ０．０５Ｐｒ０．０５Ａｌ５Ｏ１２等）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−ＳｉＯ2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。
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、アルミニウム酸化物系蛍光体の一種であるＹＡＧ：Ｃｅ（例えば、ＹＡｌＯ３：Ｃｅ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｙ４Ａｌ２Ｏ９：Ｃｅ、（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｙ３（Ａｌ０．８Ｇａ０．２）５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｔｂ２．９５Ｃｅ０．０５Ａｌ５Ｏ１２、Ｙ２．９０Ｃｅ０．０５Ｔｂ０．０５Ａｌ５Ｏ１２、Ｙ２．９４Ｃｅ０．０５Ｐｒ０．０１Ａｌ５Ｏ１２、Ｙ２．９０Ｃｅ０．０５Ｐｒ０．０５Ａｌ５Ｏ１２等）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−ＳｉＯ2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。
（実装基板）
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ガラス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。あるいは、アルミニウムや銅からなる金属材料に絶縁性材料を介して導電性パターンが施されたものとすることができる。なお、本発明おいて、後述する弾性部材を有する構成とするときには、弾性体からの力が導光体およびスペーサーを介して均一に掛かるようにするため、比較的強度があるものが好ましく、金属材料からなる基板がこのましい。また、実装基板は、放熱シートを介して筺体に配置されることが好ましい。
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ガラス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。あるいは、アルミニウムや銅からなる金属材料に絶縁性材料を介して導電性パターンが施されたものとすることができる。なお、本発明おいて、後述する弾性部材を有する構成とするときには、弾性体からの力が導光体およびスペーサーを介して均一に掛かるようにするため、比較的強度があるものが好ましく、金属材料からなる基板がこのましい。また、実装基板は、放熱シートを介して筺体に配置されることが好ましい。
（導光体）
本形態における導光体とは、端面の一部から入射された発光ダイオードからの光をその内部の反射を利用して導光し、所定の光出射面から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、液晶バックライト光源として利用可能な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。
本形態における導光体とは、端面の一部から入射された発光ダイオードからの光をその内部の反射を利用して導光し、所定の光出射面から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、液晶バックライト光源として利用可能な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。
（筐体）
本形態における筐体とは、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スペーサーとを押圧する機能とを併せ持たせてもよい。具体的には、導光体と接する筺体の壁面の一部をバネ片とすることができる。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。
本形態における筐体とは、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スペーサーとを押圧する機能とを併せ持たせてもよい。具体的には、導光体と接する筺体の壁面の一部をバネ片とすることができる。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。
（弾性部材）
本形態における弾性部材とは、少なくとも導光体の端面をスペーサーの方向に押圧するものである。したがって、ゴム、バネ（板バネ、スプリング状のものを含む）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、その筺体の材料そのものの弾性力を利用したバネ片とし、弾性部材とすることができる。筐体の一部を利用する場合は、図５の模式的な斜視図に示す弾性部材４０１が好適に利用することができる。このような形状は、打ち抜き加工により、形成することができる。
本形態における弾性部材とは、少なくとも導光体の端面をスペーサーの方向に押圧するものである。したがって、ゴム、バネ（板バネ、スプリング状のものを含む）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、その筺体の材料そのものの弾性力を利用したバネ片とし、弾性部材とすることができる。筐体の一部を利用する場合は、図５の模式的な斜視図に示す弾性部材４０１が好適に利用することができる。このような形状は、打ち抜き加工により、形成することができる。
図５は、本形態における半導体発光装置の模式的な斜視図である。図５に示されるように、本形態におけるの弾性体は、筺体の側面方向から見て、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。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。
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
本実施例にかかる半導体発光装置は、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。発光ダイオード３００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、ハウジングの凹部内からハウジングの外郭面にかけて施された導体配線を有する。また、本実施例における発光ダイオード３００は、実装基板に対する実装面と略垂直な方向に、ＬＥＤチップ３０３からの光が主に観測される発光面を有するＳＭＤ型発光ダイオードである。
本実施例におけるハウジング３０１について、より詳細に説明する。まず、種々の内径の孔が形成された複数のセラミックスグリーンシートを重ね合わせ、ＬＥＤチップを底面に配置できるような凹部を形成する。このとき、導体配線を施す領域には、タングステン粒子を含有する導体ペーストにてパターニングが予め施される。次に、セラミックスグリーンシートの積層体を焼成し、ＮｉおよびＡｇを材料として順に電解メッキを行うことにより、凹部内壁面の光反射層および導体配線を形成する。
ＬＥＤチップ３０３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チップを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によって、凹部底面に露出された導体配線とワイヤーボンディングさせてある。なお、本実施例におけるＬＥＤチップは、１チップあたり１００〜１２５ｍＡの電流を０．５〜１時間流すことにより、平衡に達し、最大で１００℃付近まで発熱する。
さらに、ハウジング内に、（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ蛍光体が含有されたシリコーン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。
次に、発光ダイオードを直列接続できるパターンが絶縁材料を介して形成されたアルミニウムからなる実装基板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る。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、平面から見ると複数の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あるいは図５に示されるような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。
導光体１０２はアクリル樹脂を材料とする射出成型によって略直方体形状に形成させてある。本実施例における導光体１０２の耐熱温度は、９５℃から１００℃である。また、直方体の端面は、実装基板１０４上に実装されたＳＭＤ型発光ダイオードの発光面の大きさに相当する厚みに形成させ、光入射面とさせてある。さらに、該光入射面と隣接し幅広な主面は、光出射面、即ち発光観測面としてある。一方、該光入射面に対向する端面は、弾性部材に当接できる大きさとさせてある。
筐体１０５は、実装基板１０４上に配置されたＳＭＤ型発光ダイオードと、導光体１０２と、スペーサー１０３とをはめ込みできるように、図１の如き形状とさせてある。筐体１０５は、ステンレスで打ち抜き加工によって比較的簡単に形成させる。本実施例における筺体１０５は、特に、導光体の端面或いは、実装基板１０４の側から導光体１０２と当接するスペーサー１０３に対して押圧がかかるように、内側に折れ曲がった板状のバネ片４０１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のバネ片が弾性部材として働く。
図５に示されるように、筐体１０５内へ導光体１０２、スペーサー１０３及び実装基板１０４上に配置されたＳＭＤ型発光ダイオードをはめ込み、本発明の半導体発光装置１００を形成させる。スペーサー１０３は、実装基板に載置される発光ダイオードの発光面より光入射面側に底面１０３ｄを有しており、その底面１０３ｄが導光体の光入射面１０２ａに当接される。また、スペーサー１０３は、底面１０３ｄの間に、貫通孔１０３ｂを有し、貫通孔１０３ｂ内に発光ダイオードが収納されるようになっている。なお、本実施例において、発光ダイオードの発光面と導光体の光入射面との間隔は、およそ０．２ｍｍから０．５ｍｍとする。
半導体発光装置１００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観測できる。また、本実施例における半導体発光装置は、長時間の高出力発光においても光学特性を損なうことがなく、信頼性の高い半導体発光装置とすることができる。
本発明は、振動などに強く、薄型化、小型化、低消費電力化された半導体発光装置として、液晶のバックライトなどの面状光源として利用可能である。
１００、２００・・・半導体発光装置
１０１、４０１・・・弾性部材
１０２、２０１・・・導光体
１０２ａ・・・導光体の光入射面
１０２ｂ・・・導光体の発光観測主面
１０２ｃ・・・導光体の発光観測主面に対向する主面
１０３・・・スペーサー
１０３ａ・・・スペーサーの側壁
１０３ｂ・・・スペーサーの貫通孔
１０３ｃ・・・スペーサーの凹凸形状
１０３ｄ・・・スペーサーの底面
１０４、２０４、３０２・・・実装基板
１０５、２０３・・・筺体
１０６、２０２、３００・・・発光ダイオード
３０１・・・ハウジング
３０３・・・ＬＥＤチップ
３０４・・・蛍光物質
３０５・・・導電性ワイヤ
３０６・・・実装基板の電極
３０７・・・導体配線
１０１、４０１・・・弾性部材
１０２、２０１・・・導光体
１０２ａ・・・導光体の光入射面
１０２ｂ・・・導光体の発光観測主面
１０２ｃ・・・導光体の発光観測主面に対向する主面
１０３・・・スペーサー
１０３ａ・・・スペーサーの側壁
１０３ｂ・・・スペーサーの貫通孔
１０３ｃ・・・スペーサーの凹凸形状
１０３ｄ・・・スペーサーの底面
１０４、２０４、３０２・・・実装基板
１０５、２０３・・・筺体
１０６、２０２、３００・・・発光ダイオード
３０１・・・ハウジング
３０３・・・ＬＥＤチップ
３０４・・・蛍光物質
３０５・・・導電性ワイヤ
３０６・・・実装基板の電極
３０７・・・導体配線
Claims (12)
- 発光ダイオードと、該発光ダイオードからの光が入射される光入射面を有する導光体と、前記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って、
前記導光体の光入射面側の端部に当接されたスペーサーにより、前記発光ダイオードの発光面と前記光入射面とが所定の間隔を有するように対向されていることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記スペーサーは、前記発光ダイオードが収納される貫通孔を有する請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記スペーサーは、前記導光体の端部が嵌合する凹部を有する請求項１または２に記載の半導体発光装置。
- 前記スペーサーは、前記導光体の光入射面に隣接する面側を覆う側壁を有する請求項１乃至３に記載の半導体発光装置。
- 前記筐体は、前記スペーサーと導光体の端部とを押圧する弾性部材を有する請求項１乃至４に記載の半導体発光装置。
- 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を有する請求項１乃至５に記載の半導体発光装置。
- 前記発光ダイオードは、実装基板上に配置され、その実装面と略垂直方向に発光面を有するＳＭＤ型発光ダイオードである請求項１乃至６に記載の半導体発光装置。
- 前記発光ダイオードは、ＬＥＤチップからの光を波長変換する蛍光物質を有する請求項１乃至７に記載の半導体発光装置。
- 前記発光ダイオードは、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請求項１乃至８に記載の半導体発光装置。
- 前記ハウジングは光散乱剤が含有された樹脂からなる請求項６に記載の半導体発光装置。
- 前記筐体は発光面と略垂直方向に弾性部材を有する請求項１乃至１０に記載の半導体発光装置。
- 前記弾性部材は、筐体の一部をバネ片としたものである請求項５或いは１１に記載の半導体発光装置。
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