JP2006156588A - 発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】 静電気等に起因する逆方向電圧及び過大な順方向電圧から保護するための保護回路を必要としない発光ダイオードを提供する。
【解決手段】 リード線51にはLEDチップ(発光ダイオード素子)1の正極及びツェナーダイオード(第1保護素子)2の負極が接続されており、リード線52にはダイオード(第2保護素子)3の負極が接続されている。また、リード線53には、LEDチップ1の負極、ツェナーダイオード2の正極及びダイオード3の正極が接続されている。リード線51をアノード、リード線52をカソードとした場合は、ツェナーダイオード2はLEDチップ1に逆並列に接続され、ダイオード3はLEDチップ1に対して順極性で直列に接続されている。ツェナーダイオード2は過大な順方向電圧からLEDチップ1を保護し、ダイオード3は逆方向電圧からLEDチップ1を保護する。
【選択図】 図1
【解決手段】 リード線51にはLEDチップ(発光ダイオード素子)1の正極及びツェナーダイオード(第1保護素子)2の負極が接続されており、リード線52にはダイオード(第2保護素子)3の負極が接続されている。また、リード線53には、LEDチップ1の負極、ツェナーダイオード2の正極及びダイオード3の正極が接続されている。リード線51をアノード、リード線52をカソードとした場合は、ツェナーダイオード2はLEDチップ1に逆並列に接続され、ダイオード3はLEDチップ1に対して順極性で直列に接続されている。ツェナーダイオード2は過大な順方向電圧からLEDチップ1を保護し、ダイオード3は逆方向電圧からLEDチップ1を保護する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、静電気等に起因する逆方向電圧及び過大な順方向電圧に対する耐久性を向上させた発光ダイオードに関する。
発光ダイオード(以下、LEDという)は、pn接合を有する半導体発光素子であるLEDチップ(発光ダイオード素子)を備えた発光装置であり、サイズが小さく、消費電力、発光特性、耐久性等に関して様々な優れた特徴を有している。このため、各種のインジケータ及び光源として利用されている。現在では、紫外、青、緑、赤など様々な波長の光を発生するLEDが開発されている。
LEDチップは、ガリウムヒ素(GaAs)系又は窒化ガリウム(GaN)等の化合物半導体層が積層された構造をとっている。これらの化合物半導体は、LEDチップに対して逆方向に印加される電圧に対する耐久性が低く、大きい逆方向電圧がLEDチップに対して印加された場合には半導体層が破壊されることがある。特に、LEDチップがGaN系の化合物半導体を用いている場合は、他の半導体を用いたLEDチップに比べて逆方向電圧に対する耐久性が低く、LEDチップは逆方向の印加電圧によって破壊されやすい。LEDが組み込まれた機器によっては、機器の動作中にLEDに逆方向電圧が印加される機会が生じることがある。機器内に組み込まれたLEDに逆方向電圧が印加された場合には、LEDチップが破壊され、LEDが使用不能になることがある。また静電気の発生等により短時間に過大な順方向電圧が印加された場合でも、特にGaN系の化合物半導体は、同様に半導体層が破壊されることがある。従って過大な順方向電圧によってもLEDが破壊されてLEDが使用不能になることがある。
そこで、従来、前述の如きLEDを使用する際には、静電気等に起因する逆方向電圧又は過大な順方向電圧からLEDチップを保護する保護回路をLEDの外部に接続することが行われる。例えば、LEDに対して逆並列に接続されたツェナーダイオードと、LEDに対して直列に接続されたダイオードとからなる保護回路が用いられる。LEDに直列に接続されたダイオードにより、逆方向電圧に耐えるためのLEDの負担が軽減され、また通常のダイオードは一般にLEDに比べて逆方向電圧に対する耐久性が高いので、LEDは逆方向電圧から保護される。また静電気等によってLEDの外部からツェナーダイオードのツェナー電圧以上の順方向電圧が短時間に印可された場合は、LEDに対して逆並列に接続されたツェナーダイオードに電流が流れ、LEDは短時間の過大な順方向電圧から保護される。特許文献1には、LEDチップに対して逆並列に接続されたツェナーダイオードを内部に備えたLEDが開示されている
特開2004−193165号公報
しかしながら、機器に組み込まれるLEDに保護回路を接続させるためには、機器内に保護回路を備えるスペースが必要となり、また、保護回路を備えるために機器のコストが上昇するという問題がある。また、LEDが組み込まれる機器を設計する際には、逆方向電圧及び過大な順方向電圧からの保護を考慮に入れながら設計する必要があるので、高電圧を利用する機器ではLEDを利用しにくいという問題がある。例えば、LEDをマトリクス状に配列しておき、特定のLEDを点灯させることによって文字又は絵を表示する表示装置では、使用中に個々のLEDに逆方向電圧が頻繁に印加されるので、LEDを逆方向電圧から常に保護できるような設計を行う必要がある。
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、静電気等に起因する逆方向電圧及び過大な順方向電圧から保護するための保護回路を必要としない発光ダイオードを提供することにある。
第1発明に係る発光ダイオードは、外部に接続可能な複数の電極端子に接続された発光ダイオード素子と、前記電極端子間に印加される所定値以上の順方向電圧から前記発光ダイオード素子を保護する第1保護素子と、前記電極端子間に印加される逆方向電圧から前記発光ダイオード素子を保護する第2保護素子とを備えることを特徴とする。
第1発明においては、LEDチップ(発光ダイオード素子)及び複数の電極端子を備えるLED(発光ダイオード)に、外部から印加される過大な順方向電圧からLEDチップを保護する第1保護素子と、外部から印可される逆電圧からLEDチップを保護する第2保護素子とを内部に備える。
第2発明に係る発光ダイオードは、前記第1保護素子は、前記発光ダイオード素子に逆並列に接続されているツェナーダイオードであることを特徴とする。
第2発明においては、LEDチップに対してツェナーダイオードが逆並列に接続されており、ツェナー電圧以上の順方向電圧が電極端子間に印可された場合は、ツェナーダイオードに電流が流れ、LEDチップが過大な順方向電圧によって破壊されることが防止される。
第3発明に係る発光ダイオードは、前記第2保護素子は、前記発光ダイオード素子に対して順極性で直列に接続されているダイオードであることを特徴とする。
第3発明においては、LEDチップに対してダイオードが順極性で直列に接続されており、逆方向電圧が電極端子間に印可された場合は、逆方向電圧に耐えるためのLEDチップの負担がダイオードによって軽減される。また通常のダイオードは一般にLEDチップに比べて逆方向電圧に対する耐久性が高いので、ダイオードの逆方向電圧に対する高い耐性により、逆方向電圧がLEDチップに直接に印可されてLEDチップが破壊されることが防止される。
第4発明に係る発光ダイオードは、前記発光ダイオード素子、前記第1保護素子及び前記第2保護素子を覆う透光性の被覆部を更に備えることを特徴とする。
第4発明においては、LEDチップ、第1保護素子及び第2保護素子は、透光性の被覆部に覆われることによって、一のLEDとして一体化している。
第5発明に係る発光ダイオードは、前記複数の電極端子は複数のリード線であり、該複数のリード線に各接続された複数の電極を有する基板を更に備え、前記第1保護素子及び前記第2保護素子は、前記基板に実装されてあることを特徴とする。
第5発明においては、第1保護素子及び第2保護素子は、電極端子に接続された電極を有する基板に実装されている。
第6発明に係る発光ダイオードは、前記複数の電極端子を有する基板を備え、前記発光ダイオード素子、前記第1保護素子及び前記第2保護素子は、前記基板に実装されてあることを特徴とする。
第6発明においては、LEDは、LEDチップ、第1保護素子及び第2保護素子が電極端子を有する基板上に実装された表面実装型のLEDである。
第1、第2、第3及び第4発明にあっては、本発明のLED(発光ダイオード)は、LEDチップ(発光ダイオード素子)と、静電気等に起因する短時間の過大な順方向電圧からLEDチップを保護するツェナーダイオード(第1保護素子)と、逆方向電圧からLEDチップを保護するダイオード(第2保護素子)とが一体化しているので、外部に保護回路が接続されていなくても、外部からの逆方向電圧の印可、及び静電気等に起因する短時間の過大な順方向電圧の発生に対して高い耐久性を有する。従って、本発明のLEDを組み込む機器内にLEDの保護回路を備える必要がないので、保護回路のスペースが省略されて機器の小型化が可能になり、また機器の製造コストを抑制することができる。また、LEDが組み込まれる機器を設計する際に逆方向電圧及び過大な順方向電圧からのLEDの保護を考慮に入れる必要がなくなるので、機器の設計の自由度が向上し、LEDの利用範囲が拡大する。特に、LEDをマトリクス状に配列した表示装置を、高電圧を用いるゲーム機等の機器で利用することが可能となる。
第5発明にあっては、LEDチップを電極端子に接続する工程と、第1保護素子及び第2保護素子を基板に実装する工程とを個別に実行し、接続不良の検査等の品質管理をLEDチップと第1保護素子及び第2保護素子とで個別に行うことができるので、LEDの歩留まりの低下を抑制することができる。
第6発明にあっては、逆方向電圧及び過大な順方向電圧に対して高い耐久性を有する表面実装型のLEDが実現可能となり、表面実装型のLEDの利用範囲が拡大する等、本発明は優れた効果を奏する。
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図1は、本発明のLED(発光ダイオード)の構成例を示す正面図である。LEDは、3本のリード線51,52,53を備え、中央のリード線52の一端部には凹部54が設けられている。凹部54の底部には、LEDチップ(発光ダイオード素子)1がダイボンディングにより接着固定されている。LEDチップ1の正極は、ワイヤ11によりリード線51の一端とワイヤボンディングされ、負極はワイヤ11によりリード線53の一端とワイヤボンディングされている。またリード線51,52,53の間には、チップ状の基板4が架設されている。
図1は、本発明のLED(発光ダイオード)の構成例を示す正面図である。LEDは、3本のリード線51,52,53を備え、中央のリード線52の一端部には凹部54が設けられている。凹部54の底部には、LEDチップ(発光ダイオード素子)1がダイボンディングにより接着固定されている。LEDチップ1の正極は、ワイヤ11によりリード線51の一端とワイヤボンディングされ、負極はワイヤ11によりリード線53の一端とワイヤボンディングされている。またリード線51,52,53の間には、チップ状の基板4が架設されている。
図2は、基板4を図1の下方からみた正面図である。基板4は、エポキシ樹脂等の絶縁材製の基板であり、矩形に形成されている。基板4の両端及び中央部の表面から裏面にかけて、金属被膜による被膜電極41,42,43が互いに離隔して形成されており、被膜電極41,42,43は夫々リード線51,52,53に接続されている。基板4の表面には、本発明に係る第1保護素子であるツェナーダイオード2と、本発明に係る第2保護素子であるダイオード3とが表面実装されている。ツェナーダイオード2のツェナー電圧は、LEDチップ1を破壊しない順方向電圧の上限値よりも低い値に設定されている。またダイオード3には、ショットキーバリアダイオード又は整流ダイオード等が用いられる。ツェナーダイオード2の負極は被膜電極41に接続され、正極は被膜電極43に接続されている。またダイオード3の正極は被膜電極43に接続され、負極は被膜電極42に接続されている。
LEDチップ1、基板4、基板4上のツェナーダイオード2及びダイオード3、凹部54を含むリード線52の一端部、並びにリード線51及び53の一端部は、先端部が凸状のレンズ部をなす被覆部6に収納されている。被覆部6は、エポキシ樹脂等の透光性の樹脂で形成されている。
図3は、本発明のLED内での接続状態を示す模式的回路図である。リード線51にはLEDチップ1の正極及びツェナーダイオード2の負極が接続されており、リード線52にはダイオード3の負極が接続されている。また、リード線53には、LEDチップ1の負極、ツェナーダイオード2の正極及びダイオード3の正極が接続されている。従って、リード線51をアノード、リード線52をカソードとした場合は、ツェナーダイオード2はLEDチップ1に逆並列に接続され、ダイオード3はLEDチップ1に対して順極性で直列に接続されていることとなる。本発明のLEDは、リード線51が正極の端子、リード線52が負極の端子として外部に接続されて使用される。リード線51及びリード線52は、本発明に係る複数の電極端子である。またリード線53は、途中で切断する等して、外部に接続されない非接続の端子である。
以上の如き本発明のLEDは、リード線51側がマイナス、リード線52側がプラスになる逆方向電圧が印加された場合、LEDチップ1に直列に接続されたダイオード3により、逆方向電圧に耐えるためのLEDチップ1の負担が軽減されるので、逆方向電圧に対する耐久性が向上する。ショットキーバリアダイオード又は整流ダイオード等の通常のダイオードは一般にLEDに比べて逆方向電圧に対する耐久性が高いので、ダイオード3の逆方向電圧に対する高い耐性により、逆方向電圧がLEDチップ1に直接に印可されてLEDチップ1が破壊されることが防止される。また静電気の発生等によってツェナーダイオード2のツェナー電圧以上の順方向電圧が本発明のLEDに印可された場合は、LEDチップ1に対して逆並列に接続されたツェナーダイオード3に電流が流れるので、静電気等に起因する短時間の過大な順方向電圧によってLEDチップ1が破壊されることが防止される。
このように、本発明のLEDは、発光を行うLEDチップ1と、逆電圧からLEDチップを保護するダイオード3と、過大な順電圧からLEDチップを保護するツェナーダイオード2とが一つの被覆部6内に収納されて構成されている。従って、本発明のLEDは、外部に保護回路が接続されていない場合でも、外部からの逆方向電圧の印可、及び静電気等に起因する短時間の過大な順方向電圧の発生に対して高い耐久性を有する。内部に保護部品を備えていない従来のLEDに対して許容される逆方向電圧の限界値が5V程度であり、順方向電圧の限界値が2kV程度であったのに対して、本発明のLEDに対して許容される逆方向電圧の限界値は30〜50V程度であり、順方向電圧の限界値は6kV以上である。
また本発明のLEDを製造する際には、LEDチップ1をリード線52に接着してリード線51及び53に接続する工程と、被膜電極41,42,43が形成された基板4にツェナーダイオード2及びダイオード3を実装する工程とを個別に実行し、次に、LEDチップ1が接着・接続されたリード線51,52,53に、ツェナーダイオード2及びダイオード3が実装された基板4を接続する工程を実行する。素子をワイヤで接続する工程を平行して行うことにより、接続不良の検査等の品質管理をLEDチップ1とツェナーダイオード2及びダイオード3とで個別に行うことができるので、LEDの歩留まりの低下を抑制することができる。
なお、以上に示した本発明のLEDは3本のリード線を用いた3本足のLEDであるが、2本のリード線を用いた2本足のLEDとしても本発明のLEDは実現可能である。
また、以上に示した本発明のLEDの構成は砲弾型であるが、本発明のLEDは表面実装型のLEDであってもよい。図4は、本発明のLEDの表面実装型の構成例を示す平面図及び回路図である。図4(a)は構成の一例を示す模式的平面図であり、図4(b)は他の構成例を示す模式的平面図である。また図4(c)はLED内での接続状態を示す模式的回路図である。図4(a)に示したLEDでは、矩形に形成された絶縁材製の基板7上に、互いに離隔された金属皮膜71,72,73,74が形成されている。金属皮膜71,72は夫々外部電極81,82に接続されている。金属被膜71にはツェナーダイオード2が実装され、ツェナーダイオード2の裏面に設けられた負極は金属被膜71に接続されており、ツェナーダイオード2の正極は金属被膜74にワイヤを介して接続されている。金属被膜72にはダイオード3が実装され、ダイオード3の裏面に設けられた負極は金属被膜72に接続されており、ダイオード3の正極は金属被膜74にワイヤを介して接続されている。また金属被膜73には、LEDチップ1が実装されており、LEDチップ1の正極及び負極は、金属被膜71及び74にワイヤを介して各接続されている。基板7上に実装されたLEDチップ1、ツェナーダイオード2及びダイオード3は、図示しない透光性の樹脂製の被覆部に覆われている。
図4(b)に示したLEDでは、基板7上に、互いに離隔された金属皮膜71,72が形成され、金属皮膜71,72は夫々外部電極81,82に接続されている。金属被膜71にはツェナーダイオード2及びLEDチップ1が実装され、金属被膜72にはダイオード3が実装されている。LEDチップ1の正極は金属被膜71にワイヤを介して接続され、LEDチップ1の負極はツェナーダイオード2の正極にワイヤを介して接続されている。ツェナーダイオード2の裏面に設けられた負極は金属被膜71に接続されており、LEDチップ1の負極が接続されたツェナーダイオード2の正極は、他のワイヤを介して更にダイオード3の正極に接続されている。ダイオード3の裏面に設けられた負極は金属被膜72に接続されている。また同様にLEDチップ1、ツェナーダイオード2及びダイオード3は、図示しない透光性の樹脂製の被覆部に覆われている。
図4(a)及び(b)に示したLEDは、共に外部電極81が正極の端子、外部電極82が負極の端子として外部に接続されて使用される。これらのLED内での接続状態は、図4(c)に示す如く、外部電極81及び82が夫々アノード及びカソードとなり、LEDチップ1に対してツェナーダイオード2が逆並列に接続されており、ダイオード3がLEDチップ1に対して順極性で直列に接続されている。従って、図1に示したLEDと同様に、図4(a)及び(b)に示したLEDも、逆方向電圧及び過大な順方向電圧に対して高い耐久性を有する。
以上詳述した如く、本発明のLEDは、ダイオード3が逆方向電圧からLEDチップ1を保護し、ツェナーダイオード2が過大な順方向電圧からLEDチップ1を保護するので、外部に保護回路が接続されていなくても、外部からの逆方向電圧の印可、及び静電気等に起因する短時間の過大な順方向電圧の発生に対して高い耐久性を有する。従って、LEDを組み込む機器内にLEDの保護回路を備える必要がないので、保護回路のスペースが省略されて機器の小型化が可能になり、また機器の製造コストを抑制することができる。また、LEDが組み込まれる機器を設計する際に逆方向電圧及び過大な順方向電圧からのLEDの保護を考慮に入れる必要がなくなるので、機器の設計の自由度が向上し、LEDの利用範囲が拡大する。特に、LEDをマトリクス状に配列した表示装置を、高電圧を用いるゲーム機等の機器で利用することが可能となる。
1 LEDチップ
2 ツェナーダイオード(第1保護素子)
3 ダイオード(第2保護素子)
4、7 基板
51、52 リード線(電極端子)
6 被覆部
81、82 電極端子
2 ツェナーダイオード(第1保護素子)
3 ダイオード(第2保護素子)
4、7 基板
51、52 リード線(電極端子)
6 被覆部
81、82 電極端子
Claims (6)
- 外部に接続可能な複数の電極端子に接続された発光ダイオード素子と、前記電極端子間に印加される所定値以上の順方向電圧から前記発光ダイオード素子を保護する第1保護素子と、前記電極端子間に印加される逆方向電圧から前記発光ダイオード素子を保護する第2保護素子とを備えることを特徴とする発光ダイオード。
- 前記第1保護素子は、前記発光ダイオード素子に逆並列に接続されているツェナーダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
- 前記第2保護素子は、前記発光ダイオード素子に対して順極性で直列に接続されているダイオードであることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光ダイオード。
- 前記発光ダイオード素子、前記第1保護素子及び前記第2保護素子を覆う透光性の被覆部を更に備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかひとつに記載の発光ダイオード。
- 前記複数の電極端子は複数のリード線であり、
該複数のリード線に各接続された複数の電極を有する基板を更に備え、
前記第1保護素子及び前記第2保護素子は、前記基板に実装されてあることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかひとつに記載の発光ダイオード。 - 前記複数の電極端子を有する基板を備え、
前記発光ダイオード素子、前記第1保護素子及び前記第2保護素子は、前記基板に実装されてあることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかひとつに記載の発光ダイオード。
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