JP2006140281A

JP2006140281A - パワーｌｅｄ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2006140281A
Application number: JP2004327878A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Iwasaki; 和行岩崎; Fusao Suzuki; 房夫鈴木
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2006-06-01
Also published as: US20060108594A1; DE102005053218A1

Abstract

【課題】本発明は、高密度に実装した複数個のＬＥＤチップを樹脂封止したパワーＬＥＤにおいて、ＬＥＤチップの点灯時及び消灯時における封止樹脂の熱応力の変化の影響を受けることなく、高い信頼性を維持することができると共に、出力や色調などの特性の変化を抑制することができるパワーＬＥＤ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】導電性素材からなる複数本のリード１が外部に導出された金属ステム２上に複数個のＬＥＤチップ３を高密度に実装し、ガラスレンズ７をシリコーン樹脂で仮固定したレンズホルダ６をＬＥＤチップ３を包囲するように金属ステム２上に溶接して一体化し、金属ステム２、レンズホルダ６及びガラスレンズ７で形成された空間に封止樹脂１０として透光性及び柔軟性を有するシリコーン樹脂を注入してＬＥＤチップ３及びボンディングワイヤ４を樹脂封止した。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数個のＬＥＤチップを実装して高出力及び／又は多色の光を放出するパワーＬＥＤ及びその製造方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は半導体を材料とする発光素子であり、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合させて順方向にバイアス電圧を印加することにより接合部（活性層）で電気エネルギーが光エネルギーに変換されて光を発するという原理のものである。ＬＥＤのピーク発光波長は半導体材料によって異なるが、紫外〜可視光〜赤外の領域にあり、発光スペクトルは急峻な特性を有している。

また、ＬＥＤの発光体（ＬＥＤチップ）は、一般的には一辺の長さが０．５ｍｍ程度の６面体（サイコロ状）の形状をしており、小さくて発光光量が少なく、点光源に近い光学特性を有している。したがって、このような特性のＬＥＤチップを光源にしたＬＥＤを設計・製作するに当たっては、ＬＥＤチップの活性層で発光された光の量に対するＬＥＤチップから出射される光の量の割合（外部量子効率）を高め、且つＬＥＤチップから出射されてＬＥＤの外部に放出される光を一方向に集めてＬＥＤの軸上光度を上げるような手法が施されている。

そこでもし、ＬＥＤに求められる高輝度化の要求仕様に対して、1個のＬＥＤチップから出射される光量では仕様が満足できない場合には、同じ光源色のＬＥＤチップを複数個実装することによって光量アップを図ることが必要となる。また、ＬＥＤの多色化の仕様に対しては、異なる光源色のＬＥＤチップを実装し、各ＬＥＤチップから出射される光を適宜組み合わせた加法混色によって、所定の色調の光を放出するＬＥＤを実現することができる。

ところで、ＬＥＤチップに電力を供給して発光させる場合、ＬＥＤチップに供給された電気エネルギーがすべて光エネルギーに変換されるわけではなく、ＬＥＤチップに供給される電気エネルギーの内、光エネルギーの変換に寄与しない分はその殆んどが熱エネルギーとなってＬＥＤチップ自身の温度を上昇させる。

しかも、ＬＥＤチップは温度が上昇するにつれて電気エネルギーを光エネルギーに変換する効率が低下して熱エネルギーに変換される割合が多くなり、ＬＥＤチップの発光光量が減少することになる。

ところが、ＬＥＤチップの自己発熱によって減少した発光光量を回復させるためにＬＥＤチップに供給する電気エネルギーを増加させると、ＬＥＤチップの自己発熱の増加と光エネルギーへの変換効率の低下との悪循環が生じ、ＬＥＤチップの温度が益々上昇して増加した電気エネルギーほどの発光光量の増加を得ることが困難となる。

このような特性を有するＬＥＤチップを複数個高密度に実装して同時に点灯すると、各ＬＥＤの自己発熱の相互作用によって、1個あるいは粗に実装して点灯する場合よりもＬＥＤチップの集合体としての温度上昇が大きくなり、供給した電気エネルギーに対して発光効率の低いものとなってしまう。

そこで、密閉されたパッケージの中に複数個のＬＥＤチップを高密度に実装する場合は、ＬＥＤチップが実装される基板を銅、アルミニウム等の金属やセラミック等のような熱伝導率の高い素材で形成し、各ＬＥＤチップの自己発熱を前記基板を介して外部（大気中）に放熱することによって、パッケージ内の温度上昇を抑制するようにしている。

また、各ＬＥＤチップから出射される少ない量の光を効率良く、且つ所定の配光で外部に放出させるためにＬＥＤチップの出射方向の前方に凸形状の集光レンズを設けることが行なわれる。この場合、ＬＥＤの使用環境、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チップなどの光源自身から発せられる短波長領域の光をも受けることになる。

前記集光レンズを、ＬＥＤチップの封止樹脂として一般的に使用されているエポキシ樹脂で形成すると、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いるために、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、光度低下を生じることになる。また同時に、異なる光源色のＬＥＤチップを実装し、各ＬＥＤチップから出射される光を適宜組み合わせた加法混色の光の色調が変化することになり、演色性の良くない光となる場合がある。

このような問題を生じないように、集光レンズは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ないようにガラスを素材として形成されることがある。

そこで、複数個のＬＥＤチップを高密度に実装したＬＥＤを作製するにあたって、上記ＬＥＤチップの発熱、青色以下の短波長領域の光が存在する使用環境、各ＬＥＤチップから出射される少ない量の光を効率良く、且つ所定の配光で外部に放出させるために設けられる集光レンズ等に対処することが可能なパッケージを使用した半導体レーザダイオード装置が提案されている。

それは、パッケージについて検証してみると、複数個のＬＥＤチップを高密度に実装する場合でも同様の構成のパッケージが使用可能である。そこで、半導体レーザダイオード装置の構成を見てみると、図５に示すように、複数本のリード５０が導出されたステム５１上に支持体５２が一体化され、前記支持体５２に半導体レーザチップ５３を実装したヒートシンク５４が固定されている。そして同様にステム５１上に支持体５２、ヒートシンク５４及び半導体レーザチップ５３を包囲するように半導体レーザチップ５３の光軸近傍にガラス窓５５を取り付けたキャップ５６が配置されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−３７３３９号公報

上記構成の半導体レーザダイオード装置に於いて、ステム上に設けられた支持体、ヒートシンク及び半導体レーザダイオードに替わって複数個のＬＥＤチップを高密度に実装し、キャップに取り付けられたガラス窓の替わりに凸形状のガラスレンズを取り付けたパワーＬＥＤの作製が試みられた。

その場合、重量感のあるガラスレンズをキャップに取り付ける方法として、図６に示すように、キャップ５６とガラスレンズ５７とをエポキシ系接着剤やガラスハーメチックシールなどによって硬く強固に接着５８するようにしていた。

更に、ステム５１とガラスレンズ５７とキャップ５６とで形成された空間にシリコーン樹脂５９を充填し、ステム５１上に実装されたＬＥＤチップ６０とボンディングワイヤ６１とを樹脂封止するようにしていた。

ところが、このような強固に密閉した空間内に充填されたシリコーン樹脂内で、高密度に実装されたＬＥＤチップが点灯、消灯を繰り返すと、樹脂内部にクラック（割れ）が発生したり、樹脂と境界面を形成する各部材との間で界面剥離が生じたりすることになる。

一例としてガラスレンズについて検証すると、図７に示す正常なガラスレンズに対して、樹脂応力が起因することによる図８に示すようなフランジ部の欠けや、図９に示すようなフランジ部の破壊が起こることになる。

また、樹脂応力の状態を熱応力シミュレーションによって検証すると、樹脂応力が特にキャップの内面に集中していることがわかる。この原因は、このように強固に密閉した空間内に充填されたシリコーン樹脂を工程内の炉で硬化させるときの硬化収縮応力や、各ＬＥＤチップの発熱・冷熱によって樹脂内部に発生する応力変化が原因と考えられる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、密閉された空間内に高密度に実装された複数個のＬＥＤチップを樹脂封止し、ＬＥＤチップの光出射方向の前方にガラスレンズを設けたパワーＬＥＤにおいて、各ＬＥＤの発熱、冷熱によって生じる封止樹脂の応力変化の影響を受けない、高出力で高信頼性のパワーＬＥＤを実現することを目的とするものである。

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、導電体からなる複数本のリードが導出された金属ステム上に複数個のＬＥＤチップが高密度に実装され、前記ＬＥＤチップ全体を囲むようにガラスレンズが柔軟性及び機密性を有する樹脂によって取り付けられた金属製の略筒形状のレンズホルダが前記ＬＥＤチップの光出射方向の前方にガラスレンズを位置させた状態で前記金属ステム上に取り付けられ、前記金属ステム、前記レンズホルダ及び前記ガラスレンズで形成されて上記ＬＥＤチップを内包する空間に柔軟性及び透光性を有する樹脂が充填されて前記ＬＥＤチップが樹脂封止され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、前記柔軟性及び機密性を有する樹脂は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３に記載された発明は、請求項１又は２の何れか１項において、前記複数個のＬＥＤチップは、光源色が紫外領域から赤外領域の範囲内にあり、且つ光源色が同一のＬＥＤチップ又は光源色が異なるＬＥＤチップの組み合わせからな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、導電体からなる複数本のリードが導出された金属ステム上に複数個のＬＥＤチップを高密度に実装する工程と、
レンズホルダに柔軟性及び機密性を有する樹脂でガラスレンズを固定する工程と、
前記ＬＥＤチップを囲むように前記レンズホルダを前記金属ステム上に固定する工程と、
前記金属ステム、前記レンズホルダ及び前記ガラスレンズで形成されて上記ＬＥＤチップを内包する空間に柔軟性及び透光性を有する樹脂を充填して前記ＬＥＤチップを樹脂封止する工程とを含むことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項４において、前記柔軟性及び機密性を有する樹脂は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６に記載された発明は、請求項４又は５の何れか１項において、前記複数個のＬＥＤチップは、光源色が紫外領域から赤外領域の範囲内にあり、且つ光源色が同一のＬＥＤチップ又は光源色が異なるＬＥＤチップの組み合わせからなることを特徴とするものである。

本発明のパワーＬＥＤは、金属ステム上に複数個のＬＥＤチップを高密度に実装し、ガラスレンズを柔軟性及び機密性を有する樹脂で固定したレンズホルダをＬＥＤチップを囲むように金属ステム上に取り付け、金属ステム、レンズホルダ及びガラスレンズで形成された空間に柔軟性及び透光性を有する樹脂を注入してＬＥＤチップを樹脂封止した。

よって、工程内における封止樹脂硬化時のストレスやＬＥＤチップの点灯時及び消灯時における封止樹脂の熱応力の変化をガラスレンズとレンズホルダとを固定する樹脂が吸収して緩和するためにガラスレンズ及び封止樹脂にクラックを生じることがなくなり、長期の使用に亘って高信頼性を維持することができる利点がある。

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は本発明に係わるパワーＬＥＤの実施形態を示す上面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。導電性素材からなる複数本のリード１が外部に導出された金属ステム２上に複数個のＬＥＤチップ３が導電性接着剤（図示せず）を介して高密度に搭載され、各ＬＥＤチップ３の下側電極と金属ステム２とが電気的に導通されている。

金属ステムは熱伝導率が高く、放熱効果が良好である素材からなり、銅、アルミニウム等の金属を使用することが望ましい。本実施形態では銅によって形成されている。

各ＬＥＤチップ３の上側電極はボンディングワイヤ４を介して各リード１の一方の端面に接続され、各ＬＥＤチップ３と各リード１とが電気的に導通されている。

そして、金属ステム２上には更にＬＥＤチップ３全体を囲むように、開口部からなる窓５を有する略円筒形状のレンズホルダ６が取り付けられている。このレンズホルダ６は金属素材からなり、窓５がＬＥＤチップ３の光出射方向に位置するように溶接部１１を介して金属ステム２と一体化されている。本実施形態のレンズホルダ６はＦｅ−Ｎｉ合金からなっている。

レンズホルダ６の窓５にはＬＥＤチップ３の光出射方向に向かって突出した球面を有するガラスレンズ７が、レンズのフランジ部８とレンズホルダ６との隙間をシリコーン樹脂等の柔軟性及び機密性を有する仮固定樹脂９で封止されて仮固定されている。なお、ガラスレンズのレンズ形状は、所望する配光、ＬＥＤチップとレンズ面との距離等を考慮して球面とするか或いは非球面とするかが決定される。

そして、金属ステム２、ガラスレンズ７及びレンズホルダ６によって囲まれた空間にシリコーン樹脂などの柔軟性及び透光性を有する封止樹脂１０が充填されてＬＥＤチップ３及びボンディングワイヤ４が樹脂封止されている。

次に、上記パワーＬＥＤの製造方法について、図３の工程フローチャートを参照しながら説明する。まず、複数のリード１が導出された金属ステム２を準備し、複数個のＬＥＤチップ３を導電性接着剤を介して金属ステム上２に固定する（ダイボンド工程）。

そして、各ＬＥＤチップ３の上側電極と各リード１の一方の端面とをボンディングワイヤ４で接続する（ワイヤボンド工程）。

両端が開口部で、その一方が内側に折り曲げられて中央部に窓５が形成された略円筒形状のレンズホルダ６に、窓５の反対方向の開口部からフランジ部８を有するガラスレンズ７を差し込み、ガラスレンズ７の凸部をレンズホルダ６の窓５から突出させてフランジ部８をレンズホルダ６に当接させ、シリコーン樹脂等の柔軟性及び機密性を有する仮固定樹脂９で仮固定する（レンズ仮固定工程）。

そしてガラスレンズ７を仮固定したレンズホルダ６を金属ステム２上にＬＥＤチップ３を囲むように配置し、溶接部１１を介して金属ステム２と一体化する（レンズホルダ溶接工程）。

最後に、金属ステム２、ガラスレンズ７及びレンズホルダ６によって囲まれた空間に金属ステム２に設けられた封止樹脂注入穴１２からシリコーン樹脂などの柔軟性及び透光性を有する封止樹脂１０を注入してＬＥＤチップ３及びボンディングワイヤ４を樹脂封止する（封止樹脂注入工程）。

なお、上記レンズ仮固定工程において、ガラスレンズをレンズホルダに固定する仮固定樹脂は、次のレンズホルダ溶接工程において金属ステムにレンズホルダを溶接する際にガラスレンズがレンズホルダから脱落しない程度の接着強度が必要であり、ゴム系の接着成分を配合したシリコーン樹脂を使用している。

また、組み立てが完了した後、ガラスレンズに外部から加わる力、衝撃などは封止樹脂によって吸収、緩和されるので、その点からもレンズホルダ溶接工程で脱落しない程度の強度でガラスレンズが仮固定されていれば問題はない。

上記製造工程において、ダイボンド及びワイヤボンドの各工程とレンズ仮固定工程とを同時に進行させ、それらをレンズホルダ溶接工程で結合させて最後の封止樹脂注入工程に送ることが作業効率を向上させるポイントとなる。

ここで、ガラスレンズのフランジ部とレンズホルダとを仮固定する仮固定樹脂の素材とレンズ及び封止樹脂のクラックとの関係を図４に示す。仮固定樹脂にエポキシ系樹脂或いはアクリル系樹脂を使用した場合はガラスレンズ、封止樹脂共にクラックが生じたのに対し、仮固定樹脂にシルコーン樹脂（一液性或いは二液性）を使用した場合はガラスレンズ、封止樹脂共にクラックが生じなかった。この結果より、柔軟性を有する仮固定樹脂が熱応力を吸収してガラスレンズへの応力の影響を緩和することが実証された。従って、柔軟性を有する仮固定樹脂としては、ＪＩＳ硬度が２５〜４０の間で、且つ、ヤング率が０．００１ＧＰａ未満のものが好適である。

以上述べたように、本発明のパワーＬＥＤは多数個のＬＥＤチップが高密度に実装された空間に柔軟性及び透光性樹脂で樹脂封止し、且つその空間を構成するガラスレンズを柔軟性及び機密性を有する樹脂でレンズホルダに仮固定するようにした。

その結果、ＬＥＤチップの点灯時の発熱によって封止樹脂に熱応力が発生しても、レンズを仮固定した柔軟性を有する樹脂に応力が吸収されて緩和され、ガラスレンズ及び封止樹脂にクラックを生じることがなくなった。

同様に、ＬＥＤチップを点灯状態から消灯状態にした場合においても、消灯による温度低下から生じる熱応力の減少に対しても、レンズ仮固定の樹脂が応力変化の緩衝材の役目を果たしてクラックの発生を生じることがなくなった。

また、各ＬＥＤチップから出射される少ない量の光を効率良く、且つ所定の配光で外部に放出させるためにＬＥＤチップの出射方向の前方に設けるレンズをガラスによって形成した。その結果、ＬＥＤの使用環境、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チップなどの光源自身から発せられる短波長領域の光をも受けることになるが、そのような場合でも光学特性に関して殆んど影響を受けないものとなった。

よって、長期の使用に亘って高い信頼性を維持することができると共に、出力や色調などの特性の変化を抑制したパワーＬＥＤを実現できる。などの優れた効果を奏するものである。

本発明に係わるパワーＬＥＤの実施形態を示す上面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明に係わるパワーＬＥＤの製造工程を示すフローチャートである。仮固定樹脂の素材とクラックとの関係を示す表である。従来のパワー装置を示す断面図である。従来のパワーＬＥＤを示す断面図である。正常なガラスレンズを示す斜視図である。熱応力によってフランジ部が欠けたガラスレンズを示す斜視図である。熱応力によってフランジ部が破壊されたガラスレンズを示す斜視図である。

符号の説明

１リード
２金属ステム
３ＬＥＤチップ
４ボンディングワイヤ
５窓
６レンズホルダ
７ガラスレンズ
８フランジ部
９仮固定樹脂
１０封止樹脂
１１溶接部
１２封止樹脂注入穴

Claims

導電体からなる複数本のリードが導出された金属ステム上に複数個のＬＥＤチップが高密度に実装され、前記ＬＥＤチップ全体を囲むようにガラスレンズが柔軟性及び機密性を有する樹脂によって取り付けられた金属製の略筒形状のレンズホルダが前記ＬＥＤチップの光出射方向の前方にガラスレンズを位置させた状態で前記金属ステム上に取り付けられ、前記金属ステム、前記レンズホルダ及び前記ガラスレンズで形成されて上記ＬＥＤチップを内包する空間に柔軟性及び透光性を有する樹脂が充填されて前記ＬＥＤチップが樹脂封止されていることを特徴とするパワーＬＥＤ。
前記柔軟性及び機密性を有する樹脂はシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のパワーＬＥＤ。
前記複数個のＬＥＤチップは、光源色が紫外領域から赤外領域の範囲内にあり、且つ光源色が同一のＬＥＤチップ又は光源色が異なるＬＥＤチップの組み合わせからなることを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載のパワーＬＥＤ。
導電体からなる複数本のリードが導出された金属ステム上に複数個のＬＥＤチップを高密度に実装する工程と、
レンズホルダに柔軟性及び機密性を有する樹脂でガラスレンズを固定する工程と、
前記ＬＥＤチップを囲むように前記レンズホルダを前記金属ステム上に固定する工程と、
前記金属ステム、前記レンズホルダ及び前記ガラスレンズで形成されて上記ＬＥＤチップを内包する空間に柔軟性及び透光性を有する樹脂を充填して前記ＬＥＤチップを樹脂封止する工程とを含むことを特徴とするパワーＬＥＤの製造方法。
前記柔軟性及び機密性を有する樹脂はシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項４に記載のパワーＬＥＤの製造方法。
前記複数個のＬＥＤチップは、光源色が紫外領域から赤外領域の範囲内にあり、且つ光源色が同一のＬＥＤチップ又は光源色が異なるＬＥＤチップの組み合わせからなることを特徴とする請求項４又は５の何れか１項に記載のパワーＬＥＤの製造方法。