JP2006135123A - 高出力反射型発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子と反射面が対向して配置された構造の発光ダイオードに於いて、光放射特性を損なうことなく放熱性に優れたものを得るために、リード幅と厚さを規定することによって高出力化が可能となった。
【解決手段】 使用するリードフレームを熱伝導性接着剤やハンダにより密着接合した複数枚のリードフレームを使用し、且つリードの幅が積層したリードの厚さよりも狭く構成される。 このことによってリードによる光学的な陰により配光特性を損なうことなく、効率よくしかも放熱性に優れた高出力反射型発光ダイオードが得られた。
【選択図】 図４

Description

本発明はエポキシ樹脂で封止された反射光学系を有する発光ダイオ−ドの放射光学特性、高出力化及び信頼性の向上に関するものである。

近年発光ダイオードの高出力化への要求が強く、特に照明用、液晶バックライト用或いは車載用発光ダイオードにおいて期待されている。
従来この種の高出力発光ダイオードに採用されているパワーパッケージ構造は図７に示すような構成からなっている。
高出力、即ち発光ダイオード１個からの光量を増大するために大きな電流を発光素子へ供給できるように発光素子外形寸法を大きくした従来発光素子の約４倍ほどの発光面積とすることによって電流密度を高めることなく大電流が流せることから一般的に使用されている。このような発光素子を熱伝導性の良好な大きな銅やアルミニウム金属からなる放熱ブロックの上に搭載し、発光素子から発した熱を積極的に外部へ放熱できる構造が種々考案されている。
一方、上記した反射光学系を有する、俗に反射型発光ダイオードと称する図８に示すものにおいては発光素子が比較的発光ダイオードの表面近傍に搭載されているために従来砲弾型発光ダイオードよりも放熱しやすい構造とはいえ大電流を発光素子へ通電する高出力発光ダイオードにおいては同様に放熱構造を工夫する必要がある。
反射型発光ダイオードとは基本構造が異なるものの、前記従来例の代表的なものとして、特開２００１−２５７３０１号広報及び特開２００３−１２４５２４号広報に開示されている。図７において説明すると、通常よりも大きな電流を発光素子７１へ通電するために電流密度を押さえるために発光素子の外形寸法は大きく、且つ発光素子７１から放射された熱を外部へ効率よく放散させるために熱伝導性材料７２を発光素子７１に熱伝導性接着剤７７にて直接接合し、発光素子７１上面に設けられたアノード、カソード各電極７３ａ，ｂと前記熱伝導性材料７２とは電気的に絶縁された電極リード７４ａ，ｂとを金線７５ａ，ｂを用いて電気的に接合した後に発光素子７１及び金線部を覆うように透明エポキシ樹脂或いはシリコン樹脂７６にて封止した大電流を通電させても信頼性を損なうことのない構造が提案されている。

一方、反射型構造においては発光素子が光の放射面近傍にあるために上記のような放熱構造を採用することが基本構成上難しく、特開２００４−００６４３８号広報や特開平１１−１６３４１１号広報に開示されているようにせいぜいパッケージ外へ露出したリード部において放熱性を高めるためにリード幅を広げたり、反射面を金属板で構成し、発光素子が搭載されている側のリードと電気的に即ち熱的にも一体的になるようにリード金属と反射面金属とを接触させることによって放熱性を向上させ解決が図られている。
図８の構造断面図を持って説明すると、発光素子８１から放射された光は発光素子８１に対向するように設けられた反射面８２に一旦反射された後に放射面８３から外部へ光が放散されることになる。発光素子は一方のリード８４ａのパット部に光学的焦点近傍に電気伝導性接着剤８５を介して配置され、さらに発光素子８１上面に設けられたカソード電極８５と対抗リード８４ｂとは金線８６を用いて電気的に接続されている。
さらに、発光素子８１と反射面８３との隙間及び全体を透明エポキシ樹脂８７にて充填され発光素子８１及び反射面８３が保護されようになっている。
図８により作成された反射型発光ダイオードの外観概略を図９に示す。
特開２００１−２５７３０１号広報 特開２００３−１２４５２４号広報 特開２００４−００６４３８号広報 特開平１１−１６３４１１号広報

しかしながら特開２００３−１２４５２４号広報に開示されているような発光素子の裏面側に大きな放熱ブロックを密着させることは発光素子から放射された光を反射面で受けた後に反対側に放射させることを特徴とする反射型発光ダイオードにおいては放熱ブロックの影が大きく配光特性に影響してしまうために採用は出来ない。
さらに特開昭６３−５５３３５号に開示されている構造の反射型発光ダイオ−ドによると外部へ引き延ばされたリードの幅を大きくしても発光素子搭載部と外部の幅の大きなリードとの間のリード幅は狭くせざるを得ず、放熱特性を向上させるには自ずと限界がある。
又、発光ダイオード内面のリード幅を広くすると光学的にリードの影が大きくなりすぎるために発光ダイオードから放射された光はリードの影が反映されたものとなり実用上問題があり、これにも限界があった。
加えるに、反射型発光ダイオードにおいては光出力と配光特性を確保するためにリードの影を少なくすることが肝要となり、そのためにリード幅を狭くする。その結果、リード材厚を薄いものを採用することによって可能となり、これが放熱性を向上させるための限界ともなっていた。

本発明では上記の課題を解決するために次の構成とする。
反射型発光ダイオードの特に発光素子を搭載した側のリードにおいて、そのリード厚をリード幅以上の厚みとすることによって、反射面から反射された光を遮ることが少なく且つ熱伝導性の高い構造とすることが可能となる。リード幅を光が放射される方向に平行するように厚くすることによって実質的に光を遮ることなくリード断面積を増大させることが出来、結果として大電流を発光素子へ通電しても放熱性の良い構造となる。
上記を達成するための具体的な手段としては、一つは積層されたリードを使用することにあり、もう一つは傾斜エッチングされた断面形状が台形としたリードを採用する点にある。
このことはリード材において打ち抜き加工或いはエッチング加工においてリードフレームを得ようとすると板材厚よりも幅の狭い加工が困難であることに起因している。
即ち、厚い板材において細く打ち抜く加工を精度良く得ることが出来ないのが現状といえる。
さらに、上記リードの発光素子を搭載した側と反対側の裏面側の全体或いは一部を発光ダイオードの外部に露出させることによってさらなる放熱特性の改善が可能となる。

発光素子と対向して反射面を設けた反射型発光ダイオードにおいて、図１に示されるように発光素子を搭載したリードは放射面近傍にあるために反射面出反射された光の妨げになる。反射面から反射された光を遮ることが少なく且つ放熱性を向上させるためには、反射された光を遮るリード面よりもリード側面の幅を大きくすることによってリード断面積の大きな、放熱性の高い反射型発光ダイオードが得られることになる。

以下、本発明を第１〜４図において説明する。第１図において、１１は発光素子であり、１２ａ，ｂはリ−ドフレ−ム、１３は金線である。
発光素子１１は、リ−ドフレ−ム１２ａ上の所定の位置に設けられた素子搭載用ラウンドの部位に導電性樹脂１４を介して固定され、発光素子１１と一方のリ−ドフレ−ム１２ｂとの電気的接続は金線１３によってなされている。
このように構成された発光素子が搭載されたリードフレームを用意する。
さらに、上記リードフレームと同型の発光素子を搭載していない複数のリードフレームを上記発光素子を搭載したリードフレームに重ね合わせる。重ね合わせる際には各リードフレームとの間には熱伝導性エポキシ接着剤或いはハンダペーストを塗布した後に加熱接着することによって一体的な積層されたリードフレームが得られることになる。
そして、重ね合わせることによって少なくとも図３中のリードの幅ｄ’よりも厚さｄが大きくなるまで重ね合わせたものを用意する。
なお、この際に重ね合わせるリード形状は同じものでなくとも発光素子が搭載された側のリード部位のみを積層することによっても放熱性を損なうことはなく本発明の目的である放熱性に優れた構造とすることができる。
さらには、リードフレームを重ね合わせる際に熱伝導性接着剤を用いたが、リードフレーム同士を近接することによっても十分な放熱性を得られる。
一方では第２図に示すようなアルミニウム或いは銀からなる蒸着或いはメッキ層からなる反射面２１を内側に備えたポリエーテルエーテルケトン樹脂とポリ フェニレン サルファイド（ＰＰＳ）樹脂との混合樹脂を使用した耐熱性樹脂からなる凹面体２２を用意する。
この時に反射体２２には前記積層されたリードフレームを填め込むためのリード位置に合わせた填め込み部位２３を対向する辺の一対に形成しておく。
このように用意された発光素子を搭載した積層リードフレームと凹面状反射面を持つ凹面体とを第３図に示すように発光素子が凹面状反射面に対向するように配置し凹面体端面に設けた溝にリードフレームを勘合させる。
凹面体の溝に勘合させる際に事前にリードフレーム部位に光硬化性樹脂あるいは接着性樹脂３１をディスペンサーなどを用いて少量滴下した後に硬化させて第４図に示すようにポリエーテルエーテルケトン樹脂とポリ フェニレン サルファイド（ＰＰＳ）樹脂からなる凹面体と発光素子を搭載した積層されたリードフレームとを固定する。
次にこの発光素子と蒸着あるいはメッキによって凹面部に反射鏡を形成させた前記凹面体との間の隙間にカチオン重合型透明エポキシ樹脂を凹面体の縁面まで充填させた後に８０〜１３０℃の雰囲気炉にて樹脂を硬化させ完成させる。この際積層リードフレームを勘合させた反射体辺部の凹部からエポキシ樹脂が漏れないように高温においてもチクソ材が添加された粘性の高い樹脂を使用することによって漏れをある程度防止できることも確認された。
上述の実施例において、積層されたリードフレームを採用したことによって放熱特性が増し、発光素子に大電流を通電して、点灯しても過熱されることなく長寿命の高出力反射型発光ダイオードが得られた。

次の実施例として、上記凹面体とリードフレームにおいて凹面体の凹状勘合部にリードフレームを填め合わせる際に少なくとも凹面体の上面端よりも積層されたリードフレームが外部に露出（突出）するような図５に示す構造にすることによってより放熱性の高い、熱抵抗の少ない反射型発光ダイオードが得られた。製作工程は実施例１と略同様である。

リードの厚さを厚くする手段として、斜めエッチング法によるリードフレームの断面形状を台形にエッチングしたリードフレームを採用しても同様の効果が得られた。
通常リードフレームをエッチング法によって成形する際には板材の両側面にエッチングマスクのための同型の版を貼り合わせて表裏面から同じ条件でエッチング加工することによって表面と裏面のどちらから見ても同じ形状のリードフレームが得られる。
斜めエッチングとは、この表裏面の版の型を片面側を拡大した版を用いてエッチングすることによって断面形状が台形のリードフレームを得ることができる。
そのようにして得た図６に示すような幅の広い側の面に発光素子を搭載し、実施例１と同様の手順にて反射型発光ダイオードを作成した。
このことによって、特に実施例２のごときリードフレームの裏面側を外部に露出した構造においては、台形構造によって透明エポキシ樹脂が楔となりリードが抜け落ちることを防止できた。さらに、台形構造の採用によってリードが光学的な影になることがなく、実施例１のような薄いリードフレームを積層する手間が省け実用上優位なものとなることが確認できた。

本発明に基付くリードフレーム上に実装された発光素子の説明構造図である。 本発明に基付く凹面体の概略構造図である。 本発明に基付いた凹面体とリードフレーム上に実装された発光素子との関係を分かりやすく説明した配置図である。 本発明による構造図。 本発明による応用例説明図である。 本発明による応用例説明図である。 従来からある発光素子と放熱ブロックを密着接合形したことによって得られた放熱特性を改善した高出力発光ダイオ−ドの断面構造図である。 従来からある凹面体を用いて発光素子と反射体との隙間をトランスファー法によって充填し、外部への露出したリード幅を広くし実質的に放熱特性が改善された構造断面図である。 図８の外観図である。

Claims (4)

1. 発光素子の発光面側とその素子が発する光を直接反射面で受けるように対向して配置してなる発光ダイオードにおいて、少なくとも発光素子を搭載した側の金属性リードの幅（ｄ’）がリード厚み（ｄ）よりも狭いことを特徴とする反射型発光ダイオード。
2. 上記リードにおいて、少なくとも発光素子を搭載したリード面とは反対側の裏側面の一部或いは全面が外部に露出していることを特徴とする第一項記載の反射型発光ダイオード。
3. 上記リード断面形状が台形となり、且つ台形断面の長辺側が発光素子の搭載側であることを特徴とする第一項及び第二項記載の反射型発光ダイオード。
4. 上記リードにおいてリード幅（ｄ’）よりもリード厚さ（ｄ）を大きくするために複数枚の積層されたリードを用いたことを特徴とする第一項及び第三項記載の反射型発光ダイオード。

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