JP2006156588A - 発光ダイオード - Google Patents

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

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。

本発明のＬＥＤの構成例を示す正面図である。 基板を図１の下方からみた正面図である。 本発明のＬＥＤ内での接続状態を示す模式的回路図である。 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。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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